数字电源控制系统的自跟踪ＡＤＣ技术方案

自跟踪模数转换器（ＡＤＣ），包括提供可变参考电压的数模转换器（ＤＡＣ），提供对应于输入电压Ｖｉ和可变参考电压之间的差的误差信号ｅｋ的窗口化的快速ＡＤＣ，以及基于ｅｋ产生用于ＤＡＣ的控制信号的数字电路。数字电路包括第一数字电路，响应于ｅｋ提供函数值ｆ（ｅｋ），表示将被应用于可变参考电压的校正。第二数字电路提供将ｆ（ｅｋ）与前一计数器状态Ｎｋ结合以提供下一计数器状态Ｎｋ＋１，其是至ＤＡＣ的输入。第三数字电路，使用系数Ｍ缩放前一计数器状态Ｎｋ以及将缩放后的计数器状态Ｍ.Ｎｋ与ｅｋ结合以提供表述输入电压Ｖｉ的数字输出值Ｄｋ。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电源电路，以及更具体地涉及开关电源电路的数字控制系统和方法。
技术介绍
在现有技术中已知开关电源将可用的直流(DC)或交流(AC)等级电压转换为另一 DC等级电压。降压转换器是一种特定类型的开关电源，其通过切换流入输出电感器中的电 流来选择性地在连接至负载的输出电感器中存储能量，从而将调节的DC输出电压提供至 该负载。其包括两个通常由MOSFET晶体管提供的电源开关。与负载并联的滤波电容器减 少输出电流的纹波。脉宽调制(PWM)控制电路用于以交替模式控制电源开关的选通从而控 制输出电感器中的电流的流动。PWM控制电路响应于改变的负载情况，使用通过反馈回路传 递的反映输出电压和/或输出电流等级的信号来调节应用于电源开关的占空比。传统的PWM控制电路是使用模拟电路元件以及一些类似逻辑门和触发器的数字 电路元件构成的，所述模拟电路元件是诸如运算放大器、比较器和类似用于环路补偿的电 阻器和电容器的无源元件。但是，期望使用全部数字的电路来代替模拟电路元件，这是因为 数字电路占用更小的物理空间，吸收更少的功率，以及允许实施可编程特征或适应性控制 技术。通常的数字控制电路包括模数转换器(ADC)，其将表示将被控制的信号(例如，输出 电压(V。))和参考值之间的差的误差信号转换为具有η位的数字信号。数字控制电路使用 数字误差信号来控制数字脉宽调制器，数字脉宽调制器将具有某一占空比的控制信号提供 至电源开关，从而使得电源的输出值跟踪该参考值。为了保持PWM控制电路的低复杂性，期 望将数字信号的位数保持为小的数目。然而，同时，数字信号的位数需要足够高以提供好到 足以确保精确控制输出值的分辨率。此外，ADC需要非常快以响应改变的负载状态。当前的 微控制器呈现达到20Α/μ s的电源电流变化率，以及未来的微控制器期望达到大于350Α/ μ s的变化率，因此要求电源极快地响应。单级(例如快速)ADC拓扑由于其具有非常低的延迟(即，特定采样的输入和输出 之间的全部延迟)而被用在电源控制电路应用中。如果标准快速ADC装置被用来以期望的 分辨率(例如5mV)来量化调节器输出电压的整个范围，则该装置必然需要大量的比较器， 这消耗了不期望的数量的功率。在正常操作中，调节器的输出电压V。保持在小窗口中，这意 味着该ADC不需要在整个范围内都具有高分辨率。因此，“窗口化的”ADC拓扑允许了在被参考电压(U跟踪的相对小的电压范围上的高分辨率。由于量化窗口跟踪参考电压Vref， 则由ADC产生的信号将是电压误差信号。因此，窗口化的ADC提供了 ADC和误差放大器的 双重功能，使得进一步减少了元件和相关的功率消耗。 尽管有这些优点，窗口化的ADC拓扑的缺点在于该装置可能会由于导致超出窗 口范围的瞬间负载状态而进入饱和。例如，4位窗口化的ADC具有大约5mV的最低有效位 (LSB)分辨率。这意味着低至士40mV的输出电压误差将迫使ADC进入饱和。然后，即使实 际误差可能变得更大，ADC会持续反映相同的误差信号(即，最大值)，这被称作数字控制系 统的“终结”状态。在该终结状态下，反馈回路的反应可能难以预料，这是因为没有正确的 关于误差大小的信息，数字控制系统不再作为线性系统工作。这种行为可以是非常有害的， 因为其可能由于过电流和/或过电压而损害负载，以及也可能损害电源本身。该ADC的另一缺点是其仅数字化回路误差。因此，不存在绝对输出电压(V。)的数 字表示。为了监视电源以及反馈回路，经常非常有必要增加其他的监控电路来提供诸如欠 电压保护、功率-好-低监视器、功率-好-高监视器以及过电压保护的功能。由于由这些 监控电路监视的电压阈值通常不在ADC电路的范围内，因此其他的模拟比较器和模拟电压 阈值将是必要的。这导致成本增加，并且非常经常地不是非常准确。因此，具有一种提供需要被调节的参数(例如电源的绝对输出电压)的数字表示 的ADC电路将是有利的，从而使得任何其他的监视和监控电路能够被实施为完全的数字电 路。此外，提供一种在电源的稳态工作点附近具有高分辨率、但是也可以迅速设置到新的工 作点的ADC电路是有利的。
技术实现思路
本专利技术提供了 一种自跟踪模数转换器(ADC)，用于在诸如开关电源的应用中使用。 该自跟踪ADC通过提供被调节的参数(电源的绝对输出电压)的数字表示，从而使得任何 其他监视和监控电路能够被实施为完全的数字电路，由此克服现有技术中的缺点。在本专利技术的一个实施例中，自跟踪模数转换器包括数模转换器(DAC)，适于提供可 变的参考电压；窗口化的快速模数转换器(ADC)，适于提供与输入电压Vi和可变参考电压 之间的差相对应的误差信号ek ；以及数字电路，适于基于误差信号ek产生用于DAC的适当 的控制信号。更具体地，数字电路包括第一数字电路，适于响应于误差信号ek提供第一函 数值f(ek)，该第一函数值f(ek)表示将被应用于可变参考电压的校正量。第二数字电路适 于提供计数器，其将第一函数值f (ek)与前一计数器状态Nk相结合以提供下一计数器状态 Nk+1，该下一计数器状态Nk+1被应用为至数模转换器的输入。第三数字电路适于以系数M来 缩放前一计数器状态Nk，以及将缩放后的计数器状态M · Nk与误差信号ek结合以提供表示 输入电压Vi的数字输出值Dk。在本专利技术的另一实施例中，开关电源包括至少一个电源开关，适于在电源的输入 端和输出端之间传送功率；以及数字控制器，适于响应于电源的输出测量控制该至少一个 电源开关的操作。数字控制器包括自跟踪模数转换器；数字滤波器，基于自跟踪模数转换器 的数字输出和参考值之间的差提供数字控制输出；以及数字脉宽调制器，提供控制信号至 该至少一个电源开关。该自跟踪模数转换器包括数模转换器(DAC)，适于提供可变参考电 压；窗口化的快速模数转换器(ADC)，适于提供对应于输出测量和可变参考电压之间的差的误差信号ek;第一数字电路，适于响应于误差信号ek产生第一函数值f(ek)，该第一函数 值f(ek)表示将被应用于可变参考电压的校正量；第二数字电路适于提供计数器，其将第一 函数值f (ek)与前一计数器状态Nk相结合以提供下一计数器状态Nk+1，该下一计数器状态 Nk+1被作为输入应用于DAC ；以及第三数字电路适于以系数M来缩放前一计数器状态Nk以 及将缩放后的计数器状态M · Nk与误差信号ek结合以提供表示输出测量的数字输出值Dk。通过考虑下面对于优选实施例的具体描述，将向本领域的技术人员提供对于开关 电源中的自跟踪ADC的更加全面的理解，以及将意识到自跟踪ADC的其他优点和目的。首 先被简要描述的附图将被参考。附图说明 图1示出了具有数字控制电路的开关电源；图2示出了提供高和低饱和信号的窗口化的快速ADC ；图3示出了具有无限冲击响应滤波器和误差控制器的数字控制器；图4示出了线性ADC传递函数的曲线图；图5是示出了根据本专利技术的实施例的在窗口边界处具有增加的步长的线性ADC传 递函数的曲线图；图6是示出了根据本专利技术的另一实施例的在窗口边界处具有增加的步长和增加 的增益的非线性ADC传递函数的曲线图；图7是根据本专利技术的实施例的自跟踪ADC的框图；图8图示了图7的自跟踪ADC的示例性比较器阈值的范本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自跟踪模数转换器，包括：数模转换器ＤＡＣ，适于提供可变的参考电压；窗口化的快速模数转换器ＡＤＣ，适于提供与输入电压Ｖ↓［ｉ］和所述可变参考电压之间的差相对应的误差信号ｅ↓［ｋ］；第一数字电路，适于响应于所述误差信号ｅ↓［ｋ］提供第一函数值ｆ（ｅ↓［ｋ］），所述第一函数值ｆ（ｅ↓［ｋ］）表示将被应用于所述可变参考电压的校正量；第二数字电路，适于提供计数器，其将所述第一函数值ｆ（ｅ↓［ｋ］）与前一计数器状态Ｎ↓［ｋ］结合以提供下一计数器状态Ｎ↓［ｋ＋１］，所述下一计数器状态Ｎ↓［ｋ＋１］被应用为至所述数模转换器的输入；以及第三数字电路，适于以系数Ｍ来缩放所述前一计数器状态Ｎ↓［ｋ］，以及将缩放后的计数器状态Ｍ.Ｎ↓［ｋ］与所述误差信号ｅ↓［ｋ］结合以提供表示所述输入电压Ｖ↓［ｉ］的数字输出值Ｄ↓［ｋ］。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：A查普斯，雷书宇，
申请(专利权)人：大动力公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]