二进制控制器以及具有二进制控制器的电源制造技术

本发明专利技术描述了一种控制器，其特别适用于具有开关元件（Ｓ１，Ｓ２）的电源，比如开关模式电源。所述控制器包括：逻辑单元（１８），其通过第一逻辑运算从二进制输入值Ｉ和先前的二进制状态值Ｚ↓［ｋ－１］来计算二进制状态值Ｚ↓［ｋ］。所述逻辑单元还通过第二逻辑运算从所述二进制输入值Ｉ和所述二进制状态值Ｚ↓［ｋ］来计算二进制输出值Ｙ。这样，特别对于开关模式电源可以实现快速且高效的完全数字控制，其中所述二进制输入值Ｉ是比较器值，并且所述二进制输出值Ｙ被用于驱动所述开关元件（Ｓ１，Ｓ２）。适配单元（２０）可以是信号处理器，其确定所述逻辑运算并且在所述控制器单元（１６）的操作期间将其提供到所述逻辑单元（１８）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及自动控制，更具体来说，本专利技术涉及一种控制单元、一种用于操作控制单元的方法以及一种包括控制单元的电源单元。
技术介绍
存在多种类型的自动控制器，其使用闭环控制方法来控制不同类型的系统。模拟控制器是公知的，但是其缺陷在于复杂的设计以及参数变化。已经知道有数字控制器，其把适用于模拟控制器的控制原理变换到数字域中。在这种数字控制器中，通过A/D变换器把模拟输入值变换成数字形式。例如在信号处理器中对这些数字值进行处理。D/A变换器被用于把所计算的输出值变换成模拟参数，所述模拟参数被用于对所述系统实际实施控制。在这种数字控制器中，所述数字值表示(准)连续值。例如，输入值的8比特表示是可以取得255个可用值当中的任一个的连续参数的量化表示。虽然上述类型的数字控制器消除了诸如参数改变之类的问题，但是在某些控制任务中所需要的高分辨率和/或高频率需要昂贵的高速A/D变换器以及极快的数字信号处理器(DSP)。对于许多应用要求快速且精确的控制的一种类型的受控系统是电源电路。开关模式电源可以包括大量已知的变换器拓扑当中的一种，其中在每一种情况下所述电路都包括一个或多个开关元件，即在通常不超过通/断两个状态之间交替的控制元件。对于这种类型的电源电路的某些应用(例如用于时间顺序投影系统中的灯的电源)在速度(所需要的光强度的快速改变)和精度(光保真度)方面有很高的要求。在这些应用中，具有高分辨率并且包括高速A/D以及在高频变换器中实现逐循环的控制的数字控制电路在计算速度方面被驱动到其极限。US 5,629,610描述了一种“完全数字”电流模式PWM控制器。这-->种PWM输出级可以被用于不同的系统，比如DC-DC变换器。所述控制电路驱动功率开关，所述功率开关通常由功率晶体管构成，比如场效应晶体管(例如MOSFET)。在电压模式下，输出电压受到控制，而在电流模式下则对流经所述输出级的电流实施控制。所述控制器包括两个比较器，其建立不同的电流阈值。被提供来把所述输出电压与一个预设阈值进行比较的另一个比较器提供另一个二进制信号。来自所述各比较器的二进制信号被馈送到多输入逻辑电路，其被实现为逻辑或非(NOR)门。该逻辑运算的输出被馈送到双稳态电路，其提供用于输出开关的驱动信号。但是其缺陷在于，在所述两个阈值极限之间没有产生关于所述电流的实际值的信息，从而不可能进行控制。通过使用所述二进制输入信号(在本例中是比较器信号)以及一个或多个二进制输出值(对应于开关元件的通/断信号)使得有可能对于所述控制器功能使用逻辑运算。在US 5,629,610的或非门的示例中，即使在非常高的频率下也很容易实现所述逻辑运算。这种“完全数字”类型的控制器避免了与模拟控制器相关联的缺点以及利用了A/D转换器和信号处理器的数字控制器的缺点。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种适用于高速控制并且同时保持关于不同控制任务的灵活性的控制器单元及其操作方法以及包括控制器单元的电源单元。所述目的是通过根据权利要求1的控制器单元、根据权利要求8的电源单元以及根据权利要求15的用于操作控制器的方法而实现的。从属权利要求涉及本专利技术的优选实施例。根据本专利技术，所述控制器包括逻辑单元和适配单元。所述逻辑单元作为纯粹的二进制控制器工作，其通过执行逻辑运算来计算一个或多个二进制输出值，因此可以工作得非常快。所述适配单元确定将被用在所述逻辑单元中的逻辑运算，并且在所述控制器的操作期间将所述逻辑运算提供到所述逻辑单元，即在所述逻辑单元正主动执行所述闭环控制的同时提供所述逻辑运算。通过实现具有上述结构的控制器，可以实现非常快速且高效的控-->制，并且同时可以克服现有的已知控制器的缺点。逻辑单元和适配单元可以被实现为完全数字的，从而可以避免与模拟处理相关联的问题(容差等等)。此外，不再需要具有高分辨率的昂贵的高速A/D变换器。由于在二进制值上执行的逻辑运算的简单性，所述逻辑单元内的计算速度可以极高，从而允许在电源应用中进行真实的逐循环控制。与此同时，所述适配单元可以高效地影响控制器行为。该单元通常将被实现为更加精密的控制元件，其可以包括微处理器或信号处理器并且不直接涉及在所述控制任务中，也就是说其不直接计算(多个)输出值。但是通过把所述逻辑运算提供到所述逻辑单元，所述适配单元影响所述逻辑单元的行为。因此，可以很容易地按照非常灵活的方式实现总体控制器行为。根据本专利技术，所述逻辑单元使用至少第一和第二逻辑运算。应当注意到，在所述逻辑单元中所使用的值(至少有状态值、输入值和输出值)可以是单一二进制值(其将被称作标量值)，即只能具有两个可能状态的其中之一；或者其可以是二进制值组(其在这里被称作二进制矢量值)，该组当中的每一个单元可以具有两个可能状态的其中之一。虽然后者作为一组值一起描述一个特定状态，但是其不是二元数系统中的数字的数表示法。应当对照先前已知的数字控制器中的数字表示的连续值(例如8比特二进制值)来理解这一点。在本上下文中，被称作“二进制”值(即使其是二进制矢量值)的一个值应当被理解成表示特定状态(例如电流I大于参考值)的存在(或不存在)，而不是二进制数表示。在操作期间，所述逻辑单元通过对二进制输入值(矢量或标量)和先前的二进制状态值所执行的第一逻辑运算(或第一组逻辑运算)来计算二进制状态值(标量或矢量)。对所述输入值和所述状态值执行第二逻辑运算(或第二组逻辑运算)，以便计算二进制输出值(同样是矢量或标量)。一般来说，所述状态值、输入值和/或输出值都是矢量形式，并且可以用矢量值逻辑函数来描述相应的逻辑运算。所述逻辑单元可以被实现为至少一个二进制状态机，其实现逻辑转移函数。根据本专利技术的一个优选实施例，所述控制器工作在特定的时钟频率下，其中在每一个时钟循环内接收二进制输入值并且计算二进制输出值。但是并不是对于每一个时钟循环都重新从所述适配单元提供所-->述逻辑运算。相反，在提供所述逻辑运算之后，其被使用于多个时钟循环。在一个相应的实施例中，虽然对所述逻辑单元的计时可能非常快，但是所述适配单元将仅仅在慢得多的速率下提供改变的逻辑运算。因此，可以更加容易地实现所述适配单元而不管与对于高效控制所需要的时钟循环的高速率相关联的非常紧迫的时间限制。根据另一个实施例，所述适配单元基于观测所述二进制输入值、二进制状态值和/或二进制输出值来确定所述逻辑运算。因此，整个控制器保持是完全数字的，此外对于所述适配单元也不使用A/D或D/A变换。在一个特别优选的实施例中，使用定时值。所述定时值表示在至少其中一个所述值从第一状态到第二状态的过渡之间的持续时间。优选地，生成数字输入值作为一个或多个比较器信号。优选地，从所述受控系统的实际值与参考值的比较生成所述比较器信号。虽然该参考值可以是可变的并且可以对应于外部给出的设定值，但是优选地实施与一个恒定参考值的比较。最为优选的是与零进行比较，这可以最容易地实现。所述逻辑单元可以被实现为可编程逻辑设备，比如FPGA。其他可能的实现方式包括分立电路或闭环电路中的ROM。所描述的控制器可以被用于有效地控制包括变换器电路的电源，其中所述变换器具有至少一个开关元件。所述概念适用于包括一个或多个开关元件的所有变换器电路。所述二进制输出值在本本文档来自技高网...

【技术保护点】
控制器单元，其包括：　逻辑单元（１８）；　所述逻辑单元（１８）被适配成通过至少对二进制输入值（Ｉ）和先前的二进制状态值（ｚ↓［ｋ－１］）当中的一项或全部两项所执行的第一逻辑运算（ＡＢ）来计算至少一个二进制状态值（ｚ↓［ｋ］）；　 　其中，所述逻辑单元（１８）还被适配成通过至少对所述输入值（Ｉ）和所述状态值（ｚ↓［ｋ］）当中的一项或全部两项执行的第二逻辑运算（ＣＤ）来计算至少一个二进制输出值（Ｙ）；　以及适配单元（２０），其被适配成确定所述第一和／或所述第二 逻辑运算的至少一部分，并且用于在所述控制器单元（１６）的操作期间把所述运算的所述部分提供到所述逻辑单元（１８）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】EP 2006-7-21 06117640.01、控制器单元，其包括：逻辑单元(18)；所述逻辑单元(18)被适配成通过至少对二进制输入值(I)和先前的二进制状态值(zk-1)当中的一项或全部两项所执行的第一逻辑运算(AB)来计算至少一个二进制状态值(zk)；其中，所述逻辑单元(18)还被适配成通过至少对所述输入值(I)和所述状态值(zk)当中的一项或全部两项执行的第二逻辑运算(CD)来计算至少一个二进制输出值(Y)；以及适配单元(20)，其被适配成确定所述第一和/或所述第二逻辑运算的至少一部分，并且用于在所述控制器单元(16)的操作期间把所述运算的所述部分提供到所述逻辑单元(18)。2、根据权利要求1的单元，其中：至少其中一项所述逻辑运算是通过至少一个二进制状态机实现的，所述至少一个二进制状态机实现逻辑转移函数(AB，CD)；并且所述逻辑单元(18)执行以下操作：计算多个二进制状态值(zk)；以及/或者处理多个二进制输入值(I)；以及/或者计算多个二进制输出值(Y)。3、根据其中一条在前权利要求的单元，其中：所述逻辑单元(18)根据时钟循环进行操作；其中，在每一个时钟循环内接收到二进制输入值(I)；并且其中，在每一个所述时钟循环内计算二进制输出值(Y)；其中，在提供所述逻辑运算的所述部分之后，所述逻辑单元(18)对于多个所述循环使用所述运算的所述部分。4、根据其中一条在前权利要求的单元，其中：所述适配单元(20)根据定时值(t1，t2，tfall)确定所述逻辑运算，所述定时值表示在至少其中一个所述值从第一状态到第二状态的过渡之间的持续时间。5、根据其中一条在前权利要求的单元，其中：生成所述数字输入值(I)作为一个或多个比较器(22)信号。6、根据其中一条在前权利要求的单元，其中：所述逻辑单元(18)包括可编程逻辑设备。7、根据其中一条在前权利要求的单元，其中：所述参数单元(20)包括微处理器或信号处理器单元。8、电源单元，其包括：变换器电路(14)，其包括至少一个开关元件(24，S1，S2)；以及至少一个比较器(22)，其用于把所述变换器电路(14)中的电学值与电学参考值进行比较，并且用于提供二进制比较器值(I)；所述单元还包括根据其中一条在前权利要求的控制器单元(16)，其中所述二进制输入值(I)是所述比较器值，并且其中所述二进制输出值(Y)被用于驱动所述开关元件(24，S1，S2)。9、根据权利要求8的单元，其中：所述变换器电路(14)被操作在开关循环内；其中，在每一个开关循环内有开关区间(thigh)，其间所...

【专利技术属性】
技术研发人员：P勒肯斯，T希尔，C哈特鲁普，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]