《电源/转换器中组件值估计的方法和系统.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电源/转换器中组件值估计的方法和系统.pdf（20页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、10申请公布号CN102334078A43申请公布日20120125CN102334078ACN102334078A21申请号200980146425022申请日2009112061/116,91820081121USG05B19/1820060171申请人LL建筑公司地址美国新罕布什尔州72发明人S肯利PW莱瑟姆二世74专利代理机构广州嘉权专利商标事务所有限公司44205代理人谭志强54发明名称电源/转换器中组件值估计的方法和系统57摘要本发明公开了一种电源/转换器中组件值估计的方法和系统，在一个实施例中，本发明方法包括包括将输出纹波电压分解成不同成分，并利用该分解所必要的比例系数来对电源的。
2、电容和ESR进行测量。30优先权数据85PCT申请进入国家阶段日2011052186PCT申请的申请数据PCT/US2009/0652782009112087PCT申请的公布数据WO2010/059912EN2010052751INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书6页附图11页CN102334094A1/2页21一种估计具有接受占空比指令的驱动组件的电源/转换器的至少一个系统参数的方法包括以下步骤将与电源/转换器相关的纹波电压分解成不同成分；基于标称网络确定电源/转换器的至少两个基函数，所述至少两个基函数包括测试值；通过将所述成分与测试值相关联来计算至。
3、少一个比例系数；以及基于至少一个比例系数估计至少一个系统参数。2根据权利要求1所述的方法，其中所述至少两个基函数包括理想电容基函数和等效串联电阻（ESR）基函数。3根据权利要求2所述的方法，其中所述成分包括通过ESR的电压和通过理想电容的电压。4根据权利要求1所述的方法，其中所述至少两个基函数包括理想电容基函数、等效串联电阻（ESR）基函数，以及等效串联电感（ESL）基函数。5根据权利要求4所述的方法，其中所述成分包括通过ESL的电压、通过ESR的电压，以及通过理想电容的电压。6根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤选择来自于由电容和ESR组成的组的至少一个系统参数。7根据权利要求1所述。
4、的方法，进一步包括以下步骤通过将值存储进表的步骤来获取测试值；以基于来自于驱动组件和占空比的信号的时间指数选择一个值。8根据权利要求1所述的方法，其中所述确定理想电容基函数和等效串联电阻（ESR）基函数的步骤包括以下步骤将开关波形与AC耦合进行两次积分，所述开关波形与电源/转换器相关联。9一种估计电源/转换器的至少一个系统参数的方法包括以下步骤将纹波电压分解成不同成分；基于标称网络对电源/转换器的理想电容电压基函数和ESR电压基函数求和；对总和进行缩放；将最小均方误差（LMS）算法应用到电源/转换器的输出电压和缩放总和来计算比例系数；以及基于比例系数估计至少一个系统参数。10根据权利要求9所述。
5、的方法，进一步包括步骤从至少一个系统参数中提取所述纹波电压；以及基于所述提取步骤预测理想系统参数。11一种估计电源/转换器的至少一个系统参数的方法包括以下步骤基于标称网络确定电源/转换器的理想电容基函数和ESR基函数；对来自于电源/转换器的输出波形进行采样，以确定电容电压和ESR电压的最小值和最大值；将最小值和最大值与理想电容基函数和ESR基函数进行比较；基于所述比较步骤确定至少一个比例系数；以及基于所述比例系数估计系统参数。权利要求书CN102334078ACN102334094A2/2页312根据权利要求11所述的方法，其中所述对输出波形采样包括以下步骤选择至少一个点对输出波形进行采样，所。
6、述输出波形来自于由脉宽调制（PWM）周期中点、PWM休止时间中点、开关信号上升沿，以及开关信号下降沿所构成的组。13一种电源/转换器，其特征在于包括提供输出电压的电路，所述电路包括纹波电压，所述纹波电压具有各种成分；至少一个开关组件，所述至少一个开关组件能够有效地在开关状态之间对电路进行转换；驱动组件，所述驱动组件能够有效地对所述开关组件进行驱动以促使开关状态之间的转换，所述驱动组件具有周期；补偿组件，所述补偿组件能够有效地接收输入控制信号和所述电源/转换器的系统参数估计，并且能够有效提供基于输入控制信号的占空比指令和估计值给驱动组件；基函数发生器，所述基函数发生器基于电源/转换器的标称网络提。
7、供至少两个电源/转换器基函数，基函数可能包括测试值；至少一个相关器，所述相关器可以将测试值与所述成分相关联以计算比例系数；以及估计器，所述估计器基于比例系数提供估计值给补偿器。14根据权利要求13所述的电源/转换器，其中所述至少一个相关器是数字相关器，所述数字相关器与所述周期同步。15根据权利要求13所述的电源/转换器，其中所述至少一个相关器是模拟相关器，所述模拟相关器与所述周期同步。16根据权利要求13所述的电源/转换器，其中所述至少两个基函数包括理想电容基函数和等效串联电阻（ESR）基函数。17根据权利要求13所述的电源/转换器，其中所述成分包括通过ESR的电压和通过理想电容的电压。18根。
8、据权利要求13所述的电源/转换器，其中所述至少两个基函数包括理想电容基函数、等效串联电阻（ESR）基函数，以及等效串联电感（ESL）基函数。19根据权利要求18所述的种电源/转换器，其中所述成分包括通过ESL的电压、通过ESR的电压，以及通过理想电容的电压。20根据权利要求13所述的电源/转换器，其中所述至少一个系统参数从由电容和ESR组成的组中选择出来。21根据权利要求13所述的电源/转换器，其中所述基函数发生器包括存储测试值的表；以及选择组件，所述选择组件基于来自于驱动组件和占空比的信号的时间指数选择一个值。22根据权利要求13所述的电源/转换器，其中所述基函数发生器包括与所述电源/转换器。
9、相关的开关波形；以及对所述开关波形和AC耦合进行两次积分的积分器。权利要求书CN102334078ACN102334094A1/6页4电源/转换器中组件值估计的方法和系统技术领域0001本发明涉及电源/转换器中的组件值估计。背景技术0002一般来说，在DCDC转换器和电源领域，为了达到最佳瞬态性能，有必要知道电源的功率组件值COMPONENTVALUE。在常规的电源应用当中，因为电源与各种不同的负载一起工作，所以负载电容可能无法确定。除了电容以外物理负载电容还具有等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）。在很多情况下，所述等效串联电感可能不太重要。然而，等效串联电阻却是非常重要的。所述等。
10、效电阻的作用在于在占空比和输出电压之间产生高频零和传递函数。电容ESR在闭环稳定性方面具有极佳的效果，因此必须要予以说明。0003为了测量任何网络的性能，可能需要注入信号。自适应方法可以注入一已知占空比波形并在输出电压上测量其响应。这些方法均有其局限性，注入信号可能引起输出误差，这会使得电源达不到其目的，即要消除这些变化。因此，一种不需要注入信号的测量方法就显得很有必要。发明内容0004上述问题以及进一步和其他问题均通过本发明来解决。这些方案及其他的优势之处通过本发明下述的各种实施例来进行说明。0005在一个实施例中，本发明所述的方法包括将输出纹波电压分解成不同成分，并利用该分解所必要的比例系。
11、数来对电源的电容和ESR进行测量。在一个实例中，使用相关性获取所述比例系数。在另一实例中，使用LMS算法获取所述比例系数。在另一种实例中，采样电压输出波形被用于获取所述比例系数。0006通过相关性估计具有接受占空比指令的驱动组件的电源/转换器的至少一个系统参数的方法，可以包括，但不限于包括，将与电源/转换器相关的纹波电压分解成不同成分（CONSTITUENT）的步骤；基于标称网络确定电源/转换器的至少两个基函数，所述至少两个基函数包括测试值；通过将成分与测试值关联计算出至少一个比例系数；以及基于比例系数估计系统参数。通过LMS算法估计电源/转换器的系统参数的方法，可能包括，但不限于包括，将与电。
12、源/转换器相关的纹波电压分解成不同成分的步骤；基于标称网络将电源/转换器的理想电容电压基函数与ESR电压基函数求和；按比例缩放总和；通过将最小均方误差（LMS）算法应用到电源/转换器的输出电压和按比例缩放的总和上计算比例系数；并基于比例系数估计系统参数。通过采样估计电源/转换器的系统参数的方法，可能包括，但不限于包括，基于标称网络确定电源/转换器的理想电容电压基函数和ESR电压基函数的步骤；对电源/转换器的输出波形进行采样来确定电容电压和ESR电压的最小值和最大值；将最小值和最大值与所述理想电容基函数以及ESR基函数进行比较；基于比较步骤确定比例系数；并基于比例系数估计系统参数。0007本发明。
13、的一种电源/转换器包括，但不限于包括，一提供输出电压的电路。所述电说明书CN102334078ACN102334094A2/6页5路包括纹波电压，并且所述纹波电压具有各种不同成分。所述电源/转换器还包括开关组件（SWITCHCOMPONENT），所述开关组件能够有效地在开关状态之间对电路进行转换。所述电源/转换器还包括驱动组件，所述驱动组件能够有效地对所述开关组件进行驱动以促使其在开关状态之间的转换。所述驱动组件具有周期。所述电源/转换器还包括补偿组件，所述补偿组件能够有效地接收输入控制信号并估算电源/转换器的系统参数，并且能够有效提供基于输入控制信号的占空比指令和估计值给驱动组件。所述电源/。
14、转换器还包括基函数发生器，所述基函数发生器能够基于电源/转换器的标称网络提供电源/转换器的基函数。基函数包括测试值。所述电源/转换器还包括相关器，所述相关器可以使得测试值与所述成分相关以计算比例系数。所述电源/转换器还包括一提供估计值给基于比例系数的补偿器的估计器。0008在现有的实施例中，所述输出电压的AC成分被分解成两个相互正交的基函数通过电容器的电压和通过电容器电阻的电压它们相互正交是由其性质所决定的。所述输出电压和开关电压之间的转移函数可能与参数值和每个基函数的变形相关。然后，由于所述输出电压的AC成分的分解，电容器的电容和电阻就可以被估计出来。有若干方法可以得到所述分解，其与系统和方。
15、法的各种实施例一起被公开。应用本发明所述系统的功率转换器（电源）的实施例也同样被公开。在一个实施例中，本发明所述的方法使用脉宽调制（PWM）信号作为电源网络的激励，并使用高频信号作为测量方法。0009附图说明0010为了更好地理解本发明，以及其他和进一步的要求，附图和细节说明将作为参考。0011图1A是典型的PWM降压式电源原理图；图1B是本发明功率变换器的原理图；图2是图1A所示的PWM降压式电源的稳定状态波形图；图3是分解成两个成分的输出纹波图；图4是采样率为8倍PWM频率的波形采样代表图；图5是本发明LMS算法实现的原理图；图6是本发明双积分器实现的示例性实施例的原理图；图7是本发明如图。
16、5所示的LMS算法的示例性实施例结果图；图8是如图5所示的LMS算法实现的示例性实施例的收敛结果图；图9是本发明示例性实施例的基波上的采样时间和它们的对应点的曲线图；和图10是本发明示例性实施例的带通滤波器的原理图。具体实施方式0012为了更好地阐明本发明的系统，下面描述了一使用降压转换器拓扑结构的示例性实施例。0013图1A显示了PWM降压式电源17的原理图。图1A所示的输出电压有两个成分通过等效串联电阻（ESR）的电压VRES13，和通过理想输出电容器19，无ESR的电压VCAP15。对于电源17，所述成分被选择这样输出电压纹波很小。其结果是电感电流21具有会被输出说明书CN1023340。
17、78ACN102334094A3/6页6电容器19滤除的三角波形特征。0014功率级的转移函数近似为这里RCAP是输出电容器ESR，C是输出电容，L是电感，RIND是电感的ESR，VOUT是输出电压11，SW是开关电压23。0015现在参考图1B，电源输出和AC耦合开关波形（没有显示）被提供给实现本发明方法实施例的CESR估计器子系统27。CESR估计器子系统27的结果被提供给自适应补偿器29（例如，但不限于，美国专利申请2007/0112443描述的自适应补偿器，这里整体作为参考引入）。CESR估计器子系统27可以通过下面公开的相关器方法、LMS方法，或采样方法来实现。电源/转换器100包括。
18、，但不限于包括，提供输出电压11的电路。所述电路包括纹波电压，并且所述纹波电压具有不同成分。电源/转换器100还包括开关组件23。开关组件23能够在开关状态之间对电路进行转换。电源/转换器100还包括驱动组件25，所述驱动组件能够有效地对所述开关组件23进行驱动以促使开关状态之间的转换。所述驱动组件25具有周期。所述电源/转换器100还包括补偿组件27，所述补偿组件能够有效地接收输入控制信号39和所述电源/转换器100的系统参数的估计值41，并且能够有效提供基于输入控制信号39的占空比指令43和估计值41给驱动组件25。所述电源/转换器100还包括基函数发生器33，所述基函数发生器基函数给基于。
19、标称网络的电源/转换器100提供电源/转换器100的基函数。基函数可能包括测试值。所述电源/转换器100还可能包括相关器31，所述相关器31可以使得测试值与所述成分相关以计算比例系数。所述电源/转换器还包括一提供估计值41给基于比例系数的补偿器27的估计器27。0016现在参考图2，其显示了PWM控制器25（图1A）中的稳定状态波形。所述PWM频率可能远大于滤波器共振频率。结果，所述转移函数可以精确地近似为从上述方程式中可以看到，VRES具有VCAP派生出来的函数形式。这种结果取决于ESR电流与和电容电压派生式成比例的电容电流是否相等。更进一步的结论是VCAP与VRES为相互正交函数。0017。
20、VRES和VCAP函数的时域波形可以利用输入开关节点波形的傅里叶级数展开来计算。利用分析拓展，拉普拉斯变换的近似表达可以变换成一具有频率（SJW）的函数。所述AC耦合开关波形的傅里叶级数是这里，T是从0到1的标准化时间，这里1标准化为TPWM，TPWM是PWM周期，DUTY是PWM的占空比。0018所述AC理想电容波形的傅里叶级数是说明书CN102334078ACN102334094A4/6页7所述AC电容ESR波形的傅里叶级数是现在参考图3，显示了所述输出纹波被分解成VCAP和VRES成分的曲线图。输出电压波形45是ESR电压47和理想电容电压49的叠加形式。两个基函数被用于所示的实例当中。。
21、在该实例中，等效串联电感很重要，第三基函数能够被加入进来。这个基函数与原始开关波形成比例。结果所述输出纹波被分解成三部分通过ESL的电压，通过ESR的电压，以及通过理想电容器的电压。0019本发明包括将所述输出纹波分解成其各种组成成分。分解所必须的比例系数然后被用于对电容和ESR进行测量。在这个实施例中，所述电感、输入电压，以及占空比都是预先确定的。通过将输出纹波形式曲线拟合成基函数，低噪测量技术随之产生。所述输出电压纹波波形能够投射到（相关联）所述ESR电压和理想电容电压基函数。因为基函数的正交性，两个投射的比例系数都是相互独立的。0020本发明所述方法的实施例包括产生基于标称网络的基波。该。
22、实施例将在每一个基函数上产生所述标称输出纹波的单位投影。当电容器ESR或电容值任一个或两者同时改变时，投影的尺寸也会按比例变化。所产生的ESR和电容能够根据投影的大小来进行确定。0021例如这里CNM和ESRNM是用于产生标称VCAPT和VREST的C和ESR的标称值、用于LMS投影的基函数，WVCAP是VCAPT的比例系数，WVRES是VREST的比例系数。图1B所示为利用实现本发明电容和ESR估计方法的子系统的实施例的功率转换器（电源）系统100（图2）。本发明能够通过模拟和数字方法或两者的结合，以及通过利用波形的采样表示来实现。0022现在参考图4，示例性采样率是PWM频率的8倍。从实验。
23、来看，这种决定是适当的，并且过采样的低电平也是可行的。0023实现本发明的一种方法是利用与PWM周期同步的数字或模拟相关器。所述相关器直接计算比例系数。数字相关器的一个实例是现在参考图5，实现本发明的第二种方法是利用LMS算法。所述LMS更新调整比例系说明书CN102334078ACN102334094A5/6页8数，使得输出和正交基函数的总和之间的误差最小化。这种方法的另一个结果是能够预测没有PWM纹波的理想输出电压的值。所述没有PWM纹波的理想输出电压的预测对输出电压反馈控制回路是有用的。（所述没有PWM纹波的理想输出电压还可以通过在输出电压中减去比例基函数的方式来产生。）相关器31可以是。
24、与周期同步的数字相关器或模拟相关器。所述基函数包括理想电容基函数、等效串联电阻（ESR）基函数，以及等效串联电感（ESL）基函数。所述组成成分包括通过ESR的电压、通过理想电容器的电压，以及通过ESL的电压。系统参数包括电容和ESR。基函数发生器34包括存储数值的表33，和一选择组件，所述选择组件基于驱动组件25和占空比35的信号的时间指数37选择的一个值。基函数发生器34还包括与电源/转换器100（图1B）相关的开关波形，以及一将开关波形与AC耦合进行两次积分的积分器。0024继续参考图5，一种产生基函数的方法是利用，例如，但不限于，只读存储器（ROM）或其他存储基函数值的查阅表33。查阅表。
25、33的一个输入可以是PWM信号的时间指数37。时间指数37是周期性的，并且每一PWM周期重复一次。查阅表33的第二输入可以是占空比35。0025现在参考图6，产生基函数的第二种方法是将开关波形与适当的AC耦合进行两次积分。在每个PWM周期，两个积分器都能够被重置。在这里描述的基函数产生方法中，基函数可以，例如，但不限于，与输入电压作乘法运算。所述最终投射权重也可以通过输入电压来进行比例缩放。0026现在参考图7，图5所示的LMS算法的示例性结果如图所示。在这个示例性实施例中，采样率被设定为8。可以看出两个增益的收敛具有相似的时间常数。图8显示了收敛结果。0027现在参考图9，本发明所述方法的第。
26、三实施例包括在四个点上对输出波形进行采样。在一个实例中，这些点是PWM周期的中点V1、PWM休止时间的中点V2、开关信号上升沿V4，以及开关信号下降沿V3。第一批两个值代表电容电压的最大和最小值，第二批两个值代表ESR电压的最小和最大值。这些值可以和单个基函数进行比较，并且相对比例可以确定。基波上的采样次数以及它们的对应点被显示出来。0028V1和V2或V3和V4之间的差异可以通过带通滤波器进行确定。所述带通滤波器的输出可以被修改及用于对信号等级进行测量。在V3和V4的实例中，采样率不是统一的，而是与占空比相关。所述带通滤波器可以通过采样实例的事件进行驱动。所述带通滤波器如图10所示。0029。
27、再次参考图1B，本发明估计电源/转换器100，所述电源/转换器100具有接受占空比指令43的驱动组件25，的系统参数的方法包括，但不限于包括，将与电源/转换器100相关的纹波电压分解成不同成分的步骤，以及确定基于标称网络的电源/转换器100的基函数。所述基函数包括测试值。所述方法进一步包括通过将所述成分与测试值相关联来计算比例系数，以及基于比例系数估计系统参数。所述基函数包括，例如，理想电容基函数、等效串联电阻（ESR）基函数，和等效串联电感（ESL）基函数。所述成分包括，例如，通过ESL的说明书CN102334078ACN102334094A6/6页9电压、通过ESR的电压，以及通过理想电容。
28、的电压。所述系统参数包括电容和ESR。0030确定理想电容基函数和等效串联电阻（ESR）基函数的步骤包括，但不限于包括，将开关波形与AC耦合进行两次积分，所述开关波形与电源/转换器100相关联。0031再一次参考图5，所述方法选择性地包括通过将值存储进表33的步骤来获得测试值，以及基于来自于驱动组件25和占空比35的信号的时间指数37选择一个值。0032在另一个实施例中，再一次参考图1B，估计电源/转换器100的系统参数的方法包括，但不限于包括以下步骤，将纹波电压分解成不同成分，对基于标称网络的电源/转换器100的理想电容电压基函数和ESR电压基函数求和，对总和进行缩放，将最小均方误差（LMS。
29、）算法应用到电源/转换器100的输出电压和缩放总和来计算比例系数，以及基于比例系数估计系统参数。所述方法选择性地包括将纹波电压从至少一个系统参数提取出来，以及基于所述提取步骤预测理想系统参数。0033在另外一个实施例中，参考图1B、5和9，估计电源/转换器100（图1B）的系统参数的方法包括，但不限于包括以下步骤，基于标称网络确定电源/转换器100的理想电容基函数和ESR基函数，对来自于电源/转换器100（图1B）的输出波形进行采样以确定电容电压和ESR电压的最小值和最大值，将最小值和最大值与理想电容基函数和ESR基函数进行比较，基于所述比较步骤确定比例系数，以及基于所述比例系数估计系统参数。。
30、从输出波形采样的点可以是脉宽调制（PWM）周期中点V1（图9）、PWM休止时间中点V2（图9）、开关信号上升沿V4图9，以及开关信号下降沿V3（图9）。0034虽然本发明通过各种不同的实施例进行了描述，但应该知道的是本发明能够适用于范围更为广泛的其他实施例，只要所述实施例处于本发明的精神和保护范围内即可。说明书CN102334078ACN102334094A1/11页10图1A说明书附图CN102334078ACN102334094A2/11页11图1B说明书附图CN102334078ACN102334094A3/11页12图2说明书附图CN102334078ACN102334094A4/11页13图3说明书附图CN102334078ACN102334094A5/11页14图4说明书附图CN102334078ACN102334094A6/11页15图5说明书附图CN102334078ACN102334094A7/11页16图6说明书附图CN102334078ACN102334094A8/11页17图7说明书附图CN102334078ACN102334094A9/11页18图8说明书附图CN102334078ACN102334094A10/11页19图9说明书附图CN102334078ACN102334094A11/11页20图10说明书附图CN102334078A。