[发明专利]具有量化误差补偿功能的数字化开关变换器

说明书

本发明涉及数字化开关变换器。

各类电力电子电源(包括AC/DC电源、DC/DC电源、逆变器等)广泛应用于各种电气化设备上，而其中的开关变换器则为这类电源的核心部份。开关变换器也是开关功率放大器的核心部件。开关变换器通过频繁切换其中的电力半导体开关，实现对电能的控制。近年来，随着数字信号处理芯片(DSP)、微处理器芯片(MPU)、微型计算机(MCU)、可编程逻辑门阵列(PLA)技术水平的发展，数字化控制技术开始在开关变换器中得到应用。常见采用的控制方式有脉冲宽度调节(PWM)控制、定脉宽变频控制、定频移相控制等，其中又以PWM控制较为典型。以现在采用的数字化开关变换器为例(见图1)，它通常包括功率开关、衰减器、能将模拟信号转换成数字信号的A/D转换器、调节器(通常为比例—积分—微分调节器)、开关控制器(通常含计数器)及驱动模块。输出的电压(电流)通过衰减器降低幅度，经A/D转换成数字量。A/D的输出信号与给定量V_f通过加法器比较产生误差信号，由调节器进行处理。调节器的输出信号送入开关控制器，由此产生开关脉冲调节信号。最后，由驱动模块控制变换器的功率开关，从而影响变换器的输出V_o。在上述过程中，送入开关控制器的信号为一数字量，输出开关脉冲宽度的分辨率则取决于开关控制器的控制字长。通常，调节器的输出分辨率可达16Bits以上，远高于开关控制器中计数器的字长。脉冲宽度的量化误差表现为控制器输出信号的截尾误差。以采用PWM控制方式的20kHz的开关变换器为例，其周期为50μs，为实现16Bits的PWM分辨率，计数器的时钟频率必须达到2¹⁶×20×10³kHz＝1.31GHz。而目前应用于开关变换器的DSP与MPU一般其时钟频率仅在5～50MHz左右，距上述要求甚远。当PWM的开关频率提高时变换器对数字控制器的时钟频率要求会更高。例如采用一个时钟频率为20MHz的DSP，当开关频率为50kHz时，其PWM的分辨率仅为400(控制字长低于9Bits)。这对于实现高精度的控制要求有很大差距。更严重的是，量化误差将导致开关变换器控制过程出现极限环振荡，而极限环振荡更会将开关变换器的输出误差放大许多倍。

本发明的目的旨在提高数字化开关变换器的数字化脉冲控制精度，提出一种具有量化误差补偿功能的数字化开关变换器。

本发明的具有量化误差补偿功能的数字化开关变换器，是在现有的数字化开关变换器中增设补偿控制器而构成，它包括功率开关、衰减器、A/D转换器、加法器、调节器、开关控制器和驱动器，其特征是在调节器与开关控制器之间接入补偿控制器，该补偿控制器包括第一加法器、第二加法器、量化器和延时器，第一加法器的一个输入端接调节器的输出端，另一个输入端接延时器的输出端，第一加法器的输出分别输入至量化器和第二加法器，量化器的输出分二路，其一路输入至第二加法器，另一路与开关控制器的输入端相连，第二加法器的输出端接延时器的输入端。

补偿控制器中的延时器作用是将数据延迟一个开关周期，其功能可用程序节拍实现，也可以由硬件实现，量化器是一个具有与开关控制器控制字长相同的存储器。

以下结合附图进一步说明本发明。

图1是现有的数字化开关变换器框图；

图2是本发明构成框图；

图3是本发明的一种具体实例；

图4是用于图3实例的DSP芯片示意图。

参照图1，本发明的具有量化误差补偿功能的数字化开关变换器包括功率开关1、衰减器2、A/D转换器3、加法器4、调节器5、开关控制器6和驱动器7，其特征是在调节器5与开关控制器6之间接入补偿控制器8，该补偿控制器包括第一加法器9、第二加法器10、量化器11和延时器12，第一加法器9的一个输入端接调节器5的输出端，另一个输入端接延时器12的输出端，第一加法器的输出分别输入至量化器11和第二加法器10，量化器11的输出分二路，其一路输入至第二加法器10，另一路与开关控制器6的输入端相连，第二加法器10的输出端接延时器12的输入端。

通常，可以将开关控制器6、补偿控制器8、调节器5、加法器4及A/D转换器3专门集成在一片芯片上，或可以采用DSP或MPU或MCU或PLA等集成数字信号处理芯片。