[发明专利]用于利用使用电流注入的前沿调制控制来控制DC-DC转换器的输出波动的系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求来自2012年12月19日向美国专利商标局提交的美国专利申请号13/720,850的优先权利益，该美国专利申请号13/720,850要求来自2011年12月20日提交的美国临时专利申请号61/578,137的优先权。

技术领域

本申请一般地涉及向电路提供调制信号，并且更具体地涉及用于利用前沿调制（“LEM”）控制来控制DC/DC转换器的输出波动的系统和方法。

背景技术

功率转换器用于将一种形式的能量转换为另一种（例如，AC到AC、AC到DC、DC到AC和DC到DC），从而使得它可用于末端设备，诸如计算机、汽车、电子装置、电信、空间系统和卫星、以及电机。功率电子装置的每个应用涉及控制的某个方面。转换器通常由其能力和/或配置来标识，诸如降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、升压-降压转换器（?uk）等。例如，DC-DC转换器属于称为“开关式转换器”或“开关式调节器”的转换器族。因为转换元件从一个状态切换到另一个状态，而不会在转换过程期间不必要地消耗功率，所以该转换器族是最有效率的。本质上，存在具有开关和两个配置（每一个可以被建模）的电路，比率(d)是指示其中所选取的开关处于“接通”位置而另一开关处于“截止”位置的时间的比率，并且该d被认为是控制输入。输入d通常通过脉宽调制（“PWM”）技术来驱动。

系统的从一个状态到另一个的切换以及伴随的非线性引起问题。状态空间平均减少了切换问题，从而通常使得系统成为用于升压转换器或降压-升压转换器的非线性平均系统。但是，当必须满足特定性能目标时，在这些非线性效应下对系统的控制变得困难。线性化主要通过泰勒级数展开来实现。高阶的非线性项被弃掉，并且线性近似代替非线性系统。该线性化方法已经被证明对于在特定操作点使控制环路稳定是有效的。然而，该方法的使用要求作出几个假设，其中之一是所谓的“小信号操作”。对于操作点附近的渐近稳定性，这很好地工作，但是忽略了当例如放大器在启动期间或在诸如负载或输入电压改变的瞬态模式期间饱和时可能导致控制环路的非线性操作的大信号效应。一旦非线性操作开始，控制环路可能具有在线性化中没有考虑的平衡态。

脉宽调制的一种最广泛使用的方法是后沿调制（“TEM”），其中接通时间脉冲根据时钟开始，并且根据控制规则终止。在连续导通模式（“CCM”）中与利用开关接通时间采样的TEM相关联的不稳定零动态阻止使用的输入-输出反馈线性化，因为它将导致针对升压和降压-升压转换器的不稳定操作点。另一控制方法是LEM，其中，接通时间脉冲根据控制规则开始并且根据时钟终止。 LEM和TEM之间的区别是：在TEM中，在开关关断之前由瞬时控制电压v_c来确定脉冲宽度，而在LEM中，在开关接通之前由v_c来确定脉冲宽度。

此外，本领域中公知的是，当采用利用接通时间开关采样的后沿调制时，脉宽调制（“PWM”）升压和降压-升压功率转换器呈现出右半平面零点效应。这使得控制设计非常困难。已经示出的是，如果在输出电容器的足够大的等效串联电阻（“ESR”）R_c的情况下使用利用截止时间开关采样的前沿调制，则出现左半平面零点效应。这使得控制设计更加容易。

因此，存在对如下系统和方法的需要，该系统和方法用于利用LEM控制来控制DC-DC转换器的波动以在实现左平面零点效应的同时在模拟或数字转换器系统中减轻对LEM下的R_c的值的依赖性。

发明内容

本公开包括一种电压转换器，通过基于电压转换器电路的调整的输出电压施加控制信号来控制该电压转换器。调整的输出电压取决于在电压转换器电路的电感器中的电感器电流波动。

在电压转换的优选方法中，通过提供具有作为电压源的输入电压并且产生负载电阻两端的输出电压的电压转换电路来将输入电压转换成输出电压。电感器电流流过电压转换器电路中的电感器，该电感器电流具有稳态分量和时变分量。输出调整器连接到电压转换器电路，输出调整器生成调整的输出电压，该调整的输出电压取决于输出电压以及由第一增益因子缩放的电感器电流的时变分量。控制器连接到输出调整器并且连接到电压转换器电路，该控制器生成具有占空比的控制信号，该控制信号控制电压转换器电路。根据调整的输出电压、输入电压、期望的输出电压、第二增益因子、电感器电流和第一增益因子来动态地确定占空比。电压转换器电路操作为使输出电压与期望的输出电压匹配。

在优选实施例中，调整的输出电压是电感器电流的时变分量的线性函数。