專利名稱：產(chǎn)生近臨界阻尼階躍響應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制序列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及控制系統(tǒng)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及在控制系統(tǒng)中使用脈沖寬度調(diào)制。本說(shuō)明書在此通過(guò)實(shí)施電壓或電流調(diào)節(jié)的開環(huán)以及隨后閉環(huán)的數(shù)字電源來(lái)舉例說(shuō)明了本發(fā)明。

背景技術(shù)：
控制系統(tǒng)工程師已經(jīng)實(shí)現(xiàn)用于驅(qū)動(dòng)來(lái)自控制設(shè)備(plant)的經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓或電流的脈沖寬度調(diào)制方案達(dá)大半個(gè)世紀(jì)。本領(lǐng)域普通的控制系統(tǒng)工程師在很久以前就已經(jīng)針對(duì)不要求精確電壓或電流調(diào)節(jié)的電力負(fù)載設(shè)計(jì)了數(shù)字的開環(huán)脈沖寬度調(diào)制控制方案。這些數(shù)字的開環(huán)脈沖寬度調(diào)制控制系統(tǒng)通常已經(jīng)給負(fù)載(例如DC電動(dòng)機(jī)、加熱元件、或者其它電感性的和/或電阻性的負(fù)載)提供電力，該負(fù)載容忍表現(xiàn)出較大過(guò)沖(例如超過(guò)設(shè)定值(set-point)百分之五十)的系統(tǒng)階躍響應(yīng)。倘若負(fù)載能容忍這樣的極度過(guò)沖的階躍響應(yīng)，則數(shù)字的開環(huán)脈沖寬度調(diào)制設(shè)計(jì)提供了如下優(yōu)點(diǎn)由于適度的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，因此就減少的組件數(shù)和實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易性而言相當(dāng)大地節(jié)省了成本。
近來(lái)，半導(dǎo)體集成電路制造工藝的發(fā)展已經(jīng)引起了集成電路要求對(duì)于各個(gè)部分使用分離的電源，包括用于輸入/輸出焊盤環(huán)的電壓以及用于數(shù)字核心的第二個(gè)、唯一的電源電壓。雖然該發(fā)展帶來(lái)了降低核心電力消耗的優(yōu)點(diǎn)，但是出現(xiàn)了調(diào)節(jié)這些附加電壓的問(wèn)題。隨著片上系統(tǒng)技術(shù)的出現(xiàn)，這些器件的設(shè)計(jì)者已經(jīng)專門開始解決用于調(diào)節(jié)芯片上多個(gè)電源域的這一要求。美國(guó)專利6,940,189提出了將數(shù)字的開環(huán)脈沖寬度調(diào)制控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)為對(duì)于降低成本且增強(qiáng)總的片上系統(tǒng)解決方案的功率效率來(lái)說(shuō)最佳的裝置。上述的參考專利沒(méi)有解決在給核心電壓區(qū)域提供電力的開關(guān)式電源的階躍響應(yīng)中過(guò)沖的問(wèn)題。半導(dǎo)體核心電壓例示了要求精確調(diào)節(jié)電壓的電容性的和電阻性的負(fù)載并且因此通常容忍超過(guò)其給定的設(shè)定值百分之五或更少的電壓偏移。
因此，需要一種新型的低成本、高功率效率并且可靠的脈沖寬度調(diào)制算法，該脈沖寬度調(diào)制算法克服了在階躍響應(yīng)中過(guò)沖的問(wèn)題而同時(shí)向通常要求精確調(diào)節(jié)的負(fù)載(例如半導(dǎo)體核心)提供電力。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種新型的且容易理解的算法，該算法用本領(lǐng)域中普通控制工程師通常使用的工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明描述了這樣一種算法，該算法使用這些工具來(lái)產(chǎn)生特定的脈沖寬度調(diào)制序列，該序列在二階或更高階線性系統(tǒng)或者非線性系統(tǒng)中產(chǎn)生近臨界阻尼(near criticaldamped)階躍響應(yīng)，而在沒(méi)有該算法的情況下系統(tǒng)將表現(xiàn)出欠阻尼階躍響應(yīng)。本發(fā)明舉例說(shuō)明了使用工具和方法以用于將具有多個(gè)電源電壓區(qū)域的半導(dǎo)體管芯(die)與開環(huán)的而隨后閉環(huán)的開關(guān)式DC到DC轉(zhuǎn)換器集成在一起來(lái)獲得最佳的電力節(jié)省以及最少的熱損耗和組件成本。
另外，本發(fā)明不限于應(yīng)用到該示例性的系統(tǒng)。本發(fā)明可以被用于控制任何數(shù)學(xué)上類似于受脈沖作用的(pulsed)控制并且要求近臨界阻尼階躍響應(yīng)的二階或更高階系統(tǒng)。任何受脈沖作用的開環(huán)控制的數(shù)學(xué)模擬的電的、機(jī)械的或者機(jī)電的系統(tǒng)可以尤其受益于本發(fā)明，由此在沒(méi)有本發(fā)明的情況下，開環(huán)控制可能導(dǎo)致作為特性地欠阻尼階躍響應(yīng)因此使這樣的布局變得不期望的并且使這樣的開環(huán)布局的成本效益和實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易性變得不能實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明僅僅設(shè)置如下的設(shè)計(jì)要求，即系統(tǒng)負(fù)載的合理精確的估計(jì)值和+/-10％容差的控制設(shè)備組件值的使用，該估計(jì)值取決于如何接近理想響應(yīng)時(shí)間以及系統(tǒng)能承受多大的過(guò)沖(即控制系統(tǒng)的負(fù)載調(diào)節(jié)技術(shù)要求)而具有+/-25％的容差。



圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的理想的示例性結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2示出了對(duì)于在圖1的結(jié)構(gòu)中的脈沖寬度調(diào)制的階躍響應(yīng)的時(shí)域圖示。
圖3示出了一些公式，該公式描述了系統(tǒng)、系數(shù)以及引起來(lái)自圖1電路的近臨界阻尼階躍響應(yīng)的脈沖序列。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制序列的電子表格計(jì)算機(jī)程序的圖。
圖5示出了由圖4的電子表格計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)生的仿真代碼的片斷。
圖6示出了描述在實(shí)際的非理想系統(tǒng)中引起對(duì)任何方向上的階躍的近臨界阻尼響應(yīng)的脈沖序列的一般方程。
圖7示出了在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的控制下在各種狀態(tài)下運(yùn)行的假想系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。
圖8示出了在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的控制下運(yùn)行的假想系統(tǒng)中可能發(fā)生的轉(zhuǎn)換的時(shí)域曲線圖。
圖9示出了圖8的時(shí)域曲線圖的可替代圖。
圖10示出了在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的控制下運(yùn)行的假想系統(tǒng)中可能發(fā)生的轉(zhuǎn)換的時(shí)域曲線圖。
圖11示出了在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的控制下運(yùn)行的假想系統(tǒng)中可能發(fā)生的轉(zhuǎn)換的時(shí)域曲線圖。
圖12示出了在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的控制下運(yùn)行的假想系統(tǒng)中可能發(fā)生的轉(zhuǎn)換的時(shí)域曲線圖。
圖13示出了在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的控制下運(yùn)行的假想系統(tǒng)中可能發(fā)生的轉(zhuǎn)換的時(shí)域曲線圖。
圖14示出了具有增加的高頻噪聲的圖13的轉(zhuǎn)換的時(shí)域曲線圖。
圖15示出了具有增加的低頻噪聲的圖13的轉(zhuǎn)換的時(shí)域曲線圖。
圖16示出了在設(shè)備組件在它們額定值的110％處的條件下圖13的轉(zhuǎn)換的時(shí)域曲線圖。
圖17示出了針對(duì)設(shè)備組件在它們額定值的110％處的條件而校正的圖13的轉(zhuǎn)換的時(shí)域曲線圖。
圖18示出了在設(shè)備組件在它們額定值的90％處的條件下圖13的轉(zhuǎn)換的時(shí)域曲線圖。
圖19示出了針對(duì)設(shè)備組件在它們額定值的90％處的條件而校正的圖13的轉(zhuǎn)換的時(shí)域曲線圖。
圖20示出了在等效負(fù)載電阻在其額定值的125％處的條件下圖13的轉(zhuǎn)換的時(shí)域曲線圖。
圖21示出了在等效負(fù)載電阻在其額定值的75％處的條件下圖13的轉(zhuǎn)換的時(shí)域曲線圖。
圖22示出了在本發(fā)明范圍內(nèi)的可替代實(shí)施例的示意圖。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明涉及控制系統(tǒng)和算法，其用于在固有地欠阻尼的系統(tǒng)中使用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)來(lái)產(chǎn)生近臨界阻尼階躍響應(yīng)。以下的描述包含關(guān)于本發(fā)明的各種實(shí)施例和實(shí)現(xiàn)方式的具體信息。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以以與本說(shuō)明書中具體描述的那些不同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。此外，本說(shuō)明書已經(jīng)省略了一些本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)以便突出本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)知道在本說(shuō)明書中未描述的具體細(xì)節(jié)。顯而易見，可以省略或者僅僅部分地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一些特征而完全仍然在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。
以下附圖及伴隨它們的詳細(xì)說(shuō)明僅僅用作本發(fā)明的示例性而非限制性的實(shí)施例。為了保持簡(jiǎn)潔，本說(shuō)明書沒(méi)有具體描述使用本發(fā)明原理的本發(fā)明其它實(shí)施例并且沒(méi)有在當(dāng)前附圖中具體示出其它實(shí)施例。
圖1示出了本發(fā)明的理想實(shí)施例的示意圖。塊100表示用本發(fā)明示例性實(shí)施例的理想模型實(shí)現(xiàn)的控制設(shè)備。在塊100內(nèi)的示例性實(shí)施例由典型的降壓(step-down)開關(guān)式電源組件組成，該開關(guān)式電源組件構(gòu)成本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的標(biāo)準(zhǔn)的并聯(lián)諧振的LRC電路。在塊100中，輸入電源和受控開關(guān)元件已經(jīng)被建模為理想的受脈沖作用的源101，該理想的受脈沖作用的源以地102為參考并且從稱為Vin 103的節(jié)點(diǎn)通過(guò)電感器104將電力輸送到其它系統(tǒng)組件內(nèi)。稱為Vout 106的節(jié)點(diǎn)連接電感器104和以地102為參考的輸出電容器105，該輸出電容器形成將所開關(guān)的Vin 103變換為DC輸出Vout 106的能量存儲(chǔ)和濾波元件，該DC輸出給被建模為以地102為參考的電阻器107的負(fù)載提供電力。一個(gè)半多世紀(jì)以來(lái)，工程師已經(jīng)使用具有精確解的普通的二階微分方程分析技術(shù)成功地分析了塊100中的該模型表示的并聯(lián)諧振LRC電路，該精確解取決于相對(duì)于彼此的L1 104、R1 107和C1 105的值。描述對(duì)階躍強(qiáng)制函數(shù)(forcing function)的時(shí)域響應(yīng)的普通二階微分方程的三種解中的每一種對(duì)應(yīng)于下列中唯一的一種情形過(guò)阻尼；欠阻尼；和臨界阻尼。本發(fā)明沒(méi)有考慮過(guò)阻尼響應(yīng)的情形，該過(guò)阻尼響應(yīng)表現(xiàn)出沒(méi)有超過(guò)設(shè)定值的過(guò)沖并且因此沒(méi)有帶來(lái)超過(guò)指定負(fù)載調(diào)節(jié)上限的危險(xiǎn)，但是就其較慢的響應(yīng)時(shí)間而言的確不是最佳的實(shí)現(xiàn)方式。因此，本發(fā)明假定設(shè)計(jì)這樣系統(tǒng)的工程師將很可能避免次優(yōu)的過(guò)阻尼性能，僅考慮剩余的兩種情形。本發(fā)明確實(shí)解決了在這樣的模型100和模擬系統(tǒng)中的剩余的這兩種情形——欠阻尼和臨界阻尼響應(yīng)。
圖2在曲線圖200中描述了欠阻尼階躍響應(yīng)204的實(shí)例和臨界阻尼階躍響應(yīng)203的實(shí)例。縱軸201表示歸一化的設(shè)定值標(biāo)度(scale)而橫軸202表示以任意開關(guān)周期的單位給出的時(shí)間。階躍響應(yīng)進(jìn)行欠阻尼達(dá)到的程度符合約.23的阻尼系數(shù)，過(guò)沖達(dá)到55％以上，并且通常可以發(fā)現(xiàn)配置在開環(huán)布局中的典型的開關(guān)式電源組件將產(chǎn)生這種類型的階躍響應(yīng)?？赡茏⒁獾降难刂@兩種不同階躍響應(yīng)的曲線圖200的所關(guān)心的特定點(diǎn)包括點(diǎn)205，在該點(diǎn)處響應(yīng)開始彼此偏離達(dá)約5％。
圖3細(xì)述了以下方程，包括描述時(shí)域臨界阻尼階躍響應(yīng)的方程301；描述在脈沖串中的占空比序列的方程302，該脈沖串引起圖1的塊100中的電路的臨界阻尼響應(yīng)；方程302的參數(shù)中的一個(gè)的定義303；表示在圖1的塊100中的電路的時(shí)域系統(tǒng)方程304；以及方程305，其為時(shí)域輸入信號(hào)的通式，該時(shí)域輸入信號(hào)引起圖1的塊100中的電路的臨界阻尼階躍響應(yīng)。方程301中的變量vo(t)表示與圖1的模型100中的Vout 106同義的時(shí)變輸出電壓。類似地，方程301中的Vin表示與圖1的模型100中的Vin 103的振幅同義的輸入電壓的振幅。系數(shù)AOF對(duì)應(yīng)于具有反饋的放大器的增益，本領(lǐng)域技術(shù)人員已經(jīng)知道其理想地表現(xiàn)為模擬成并聯(lián)諧振的LRC電路。因此，在當(dāng)前實(shí)例中，可以認(rèn)為系數(shù)AOF相當(dāng)于為了在理想的脈沖寬度調(diào)制控制系統(tǒng)100中獲得期望的設(shè)定值而要求的占空比。可以立即認(rèn)識(shí)到剩余兩個(gè)變量t和ω0分別是以秒為單位的時(shí)間和以弧度/秒為單位的諧振頻率，該諧振頻率公知地最直接地等于L1 104乘C1 105的積的平方根的倒數(shù)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的本質(zhì)的偏離和顯著的新穎性在于優(yōu)選實(shí)施例，其中在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)期間設(shè)計(jì)者將方程301的右手邊應(yīng)用于標(biāo)度(scale)如方程302中所示的脈沖序列的占空比。這里發(fā)明人引入了如方程303所定義的系數(shù)AV0來(lái)代表為了在理想的脈沖寬度調(diào)制控制系統(tǒng)100中獲得期望的設(shè)定值而要求的電壓增益，由此去除如可以不必要地從方程301的系數(shù)AOF推斷的在布局中的反饋的任何隱含，在方程303中分子和分母都由DC振幅組成。雖然在其最嚴(yán)格的數(shù)學(xué)意義上來(lái)說(shuō)，u(t)未能滿足函數(shù)的要求，但是工程師已經(jīng)將u(t)稱作單位階躍強(qiáng)制函數(shù)，就如廣泛接受的手段(artifice)那樣，并且本說(shuō)明書將在下文中以這樣的傳統(tǒng)的方式來(lái)使用u(t)。離散變量n1表示作為開關(guān)頻率倒數(shù)的開關(guān)周期Tsw的整數(shù)，在其中占空比初始假設(shè)其終值以便獲得期望的電壓增益設(shè)定值。在新息過(guò)程(innovation process)期間，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了初始持續(xù)時(shí)期提供精確的功率量來(lái)啟動(dòng)近臨界阻尼階躍響應(yīng)，該初始持續(xù)時(shí)間等于在設(shè)定脈沖寬度處的Tsw乘n1。發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)該周期對(duì)應(yīng)于點(diǎn)205，在該點(diǎn)處理想二階系統(tǒng)模型100中的臨界阻尼和欠阻尼響應(yīng)開始彼此偏離約5％。如方程304所暗示的，可以使用卷積的數(shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)證明，由方程302中的其占空比定義的脈沖串使用其作為方程305中的輸入信號(hào)的形式定義提供系統(tǒng)100中的近臨界阻尼階躍響應(yīng)，即方程304中的ym(t)，其與圖1的模型100中的Vout 106同義，如果直接到期望占空比設(shè)定值的階躍出現(xiàn)則系統(tǒng)100將表現(xiàn)出欠阻尼響應(yīng)。在方程304中，h(t)表示系統(tǒng)100沖激響應(yīng)，其相當(dāng)于在xm(t)等于單位階躍強(qiáng)制函數(shù)u(t)時(shí)ym(t)的相對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。方程304中的下標(biāo)m意味著對(duì)于m指示的系統(tǒng)狀態(tài)中的每一個(gè)轉(zhuǎn)換，與唯一的輸入xm(t)有關(guān)的唯一的響應(yīng)ym(t)。方程302和305中的離散變量n2表示從應(yīng)用標(biāo)度的時(shí)間到占空比的臨界阻尼響應(yīng)標(biāo)度函數(shù)的應(yīng)用中的時(shí)間上的偏移量。因此如方程302和305所引入的離散變量n1和n2分別實(shí)現(xiàn)了在時(shí)域上粗調(diào)和細(xì)調(diào)的所得到的目的，以便一被調(diào)諧就使系統(tǒng)階躍響應(yīng)更接近臨界阻尼響應(yīng)。
應(yīng)當(dāng)注意，方程302和305之間唯一的細(xì)微差別在于方程302假設(shè)階躍變化的起始精確出現(xiàn)在t＝0秒時(shí)，而方程305允許階躍變化的起始出現(xiàn)在t＝0之后的延遲某一時(shí)間的t0。該細(xì)微差別意味著在控制系統(tǒng)初始接通電源之后的階躍變化可以通過(guò)應(yīng)用根據(jù)方程305的相同的標(biāo)度脈沖寬度調(diào)制輸入來(lái)得到類似的臨界阻尼響應(yīng)。本發(fā)明的說(shuō)明書研究了這些附加電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換以及更多的通式方程，該方程在隨后的描述圖6的段落中描述了對(duì)于更高階系統(tǒng)如何得到臨界阻尼階躍響應(yīng)。
圖4示出了用作設(shè)計(jì)者的分析工具的電子表格400計(jì)算機(jī)程序的圖以及產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制的裝置，該脈沖寬度調(diào)制引起固有地欠阻尼系統(tǒng)的近臨界阻尼響應(yīng)。在典型的電子表格400中，圖形用戶界面按鈕401使用戶能夠從頂部表格402導(dǎo)航到隨后的表格403。說(shuō)明書在此將討論頂部表格402，而后面的段落將討論隨后的表格403。本說(shuō)明書將使用典型的電子表格400單元格引用慣例，例如單元格A1指的是用戶輸入文本“R＝”的位置而在這個(gè)實(shí)例中B1指的是用戶輸入R的值的位置。很清楚，用戶輸入如圖1中所定義的參數(shù)；另外，圖4的電子表格400示出了示意圖404和響應(yīng)曲線圖405，該響應(yīng)曲線圖405說(shuō)明了正在發(fā)展中的(under development)示例性控制系統(tǒng)的理想欠阻尼和臨界阻尼響應(yīng)。如可以容易注意到的，插入到電子表格400的頂部表格402上的示意圖404已經(jīng)將理想開關(guān)元件、受脈沖作用的源101替換為兩個(gè)開關(guān)晶體管406、407的物理模型和標(biāo)為Vgdrvr的脈沖寬度調(diào)制控制器的模型，該脈沖寬度調(diào)制控制器驅(qū)動(dòng)物理晶體管406、407的柵極。雖然圖1的理想模型100具體實(shí)現(xiàn)為二階線性系統(tǒng)，但是由于兩個(gè)開關(guān)晶體管406、407的物理模型引起取決于頻率的損失，因此將立即認(rèn)識(shí)到示意圖404描繪的是更高階系統(tǒng)的模型。此外，示意圖404的所有設(shè)備元件(L1、C1和開關(guān)晶體管406、407)匹配在參考專利、即美國(guó)專利6,940,189的第13和14欄中給出的示例性開關(guān)式電源的值。該設(shè)計(jì)實(shí)例表示在本發(fā)明范圍內(nèi)的許多可能配置中的一個(gè)并且必須將該配置視為示例性的而不是限制性的。
在從圖1的理想模型100進(jìn)行到圖4的物理模型404中，現(xiàn)在該討論將關(guān)心被輸入到電子表格400的單元格中的參數(shù)并且尤其關(guān)心在先前的理想模型的討論中沒(méi)有考慮的新參數(shù)。單元格A1到A8包含了設(shè)計(jì)者輸入到電子表格400中的物理參數(shù)的名稱，這些參數(shù)的實(shí)際值被輸入到相應(yīng)的單元格B1到B8中。類似地，公式存在于單元格D9到D20，其計(jì)算為在與產(chǎn)生仿真代碼的公式一起來(lái)生成響應(yīng)曲線圖405中的點(diǎn)的公式中的更多計(jì)算所必需的其它參數(shù)，該仿真代碼用于本領(lǐng)域技術(shù)人員通常稱其為SPICE的集成電路仿真程序內(nèi)。產(chǎn)生SPICE代碼的概念暗指檢驗(yàn)與臨界阻尼響應(yīng)的接近度的快速方法，而本說(shuō)明書先前暗示了一種數(shù)學(xué)計(jì)算工具，該工具可以執(zhí)行如卷積這樣的運(yùn)算，其同樣可以執(zhí)行檢驗(yàn)與臨界阻尼響應(yīng)的接近度的任務(wù)。結(jié)合使用SPICE的方法提供了如下的優(yōu)點(diǎn)，即通常在物理上以這樣的部件的供應(yīng)商為特征的庫(kù)內(nèi)具有設(shè)備元件的圖形的或合成的符號(hào)，與在可疑精度的行為模型上用數(shù)學(xué)工具工作相比，使用該方法用戶可以更直接地以分級(jí)的方式仿真更高階系統(tǒng)。盡管如此，使用執(zhí)行符號(hào)卷積的數(shù)學(xué)計(jì)算工具雖然對(duì)于某些應(yīng)用可能具有較少建設(shè)性(productive)，但是在某些應(yīng)用中可能提供系統(tǒng)建模的唯一工具或者保持優(yōu)勢(shì)并且因此仍然完全在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。在單元格D9到D20中的計(jì)算參數(shù)的名稱相應(yīng)地出現(xiàn)在單元格C9到C20中。如上所述，用戶以如下方式將參數(shù)輸入到單元格B1到B8中在單元格B1中的R，負(fù)載的電阻模型；在單元格B2中的L，電感值；在單元格B3中的C，輸出電容；在單元格B4中的Vin，固定的DC輸入電壓；在單元格B5中的Vcore0，在系統(tǒng)首先轉(zhuǎn)換到其的該特定實(shí)例中的輸出DC電壓；在單元格B6中的Vcore1，在Vcore0之后系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到其的輸出DC電壓；在單元格B7中的Fsw，系統(tǒng)的開關(guān)頻率；以及在單元格B8中的ADE，補(bǔ)償由來(lái)自物理開關(guān)元件中的非理想行為(behavior)的損失引起的動(dòng)態(tài)誤差的系數(shù)。本說(shuō)明書將在隨后的討論圖6的段落中提供更多關(guān)于用于如ADE這樣的補(bǔ)償系數(shù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的細(xì)節(jié)。從這些輸入?yún)?shù)，電子表格400計(jì)算出如在單元格D9到D20中所示出的中間參數(shù)。這些中間參數(shù)包括在單元格D9中的AV0，由Vcore0除以Vin而得到的第一電源狀態(tài)的理想電壓增益；在單元格D10中的AV1，由Vcore1除以Vin而得到的在該特定實(shí)例中的第二電源狀態(tài)的理想電壓增益；在單元格D11中的ω0，以弧度/秒為單位的諧振頻率，由L乘C的積的平方根的倒數(shù)給定；在單元格D12中的ωd，阻尼頻率，由一減去阻尼系數(shù)所得的差的平方根乘以諧振頻率而給定；在單元格D13中的Q，品質(zhì)因數(shù)，由R除以L乘諧振頻率的積而給定；在單元格D14中的ζ，阻尼系數(shù)，在一些文本中用如“k”的符號(hào)表示而在其它文本中用如所示出的小寫ζ來(lái)表示，在下文中可互換地使用這兩個(gè)符號(hào)，該阻尼系數(shù)由一除以兩倍的Q而給定；在單元格D15中的Tr，從設(shè)定值的10％到90％的臨界阻尼上升時(shí)間，由3.33除以ω0而給定；在單元格D16中的α，指數(shù)律阻尼系數(shù)，亦稱為奈培頻率，由一除以兩倍RC的量而給定；在單元格D17中的fp，極點(diǎn)頻率，由阻尼頻率除以二π而給定；在單元格D18中的Tsw，開關(guān)周期，由一除以開關(guān)頻率而給定；以及分別在單元格D19和D20中的TSET0、TSET1，提供期望設(shè)定值的脈沖寬度的時(shí)間周期，由開關(guān)周期乘理想電壓增益乘動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償系數(shù)而給定。當(dāng)前的臨界阻尼響應(yīng)的系統(tǒng)分析或綜合的方法可以不使用這些中間參數(shù)的全部，但是這些參數(shù)可以為熟悉其它分析方法的人提供洞察力，該其它分析方法包括但不限于根軌跡和零極點(diǎn)匹配。在頂部表格402的剩余單元格中，從單元格A25開始向下繼續(xù)，可以看到離散變量n的值、方程305中求和的指數(shù)。單元格B23和單元格C23通過(guò)它們的阻尼系數(shù)范圍的特性而分別將下面的列確定為歸一化的臨界阻尼和欠阻尼階躍響應(yīng)函數(shù)，響應(yīng)曲線圖405的實(shí)際的點(diǎn)占用起始于單元格B25和單元格C25并且向下延續(xù)的單元格，在時(shí)間上對(duì)應(yīng)于左邊的n的值乘開關(guān)周期Tsw。單元格D23確定在臨界阻尼響應(yīng)減去欠阻尼響應(yīng)的差的幅度方面的誤差，該誤差函數(shù)的點(diǎn)從單元格D25開始并向下延續(xù)。最后，單元格E23確定起始于E25的列包含到設(shè)備中的輸入信號(hào)的歸一化值，當(dāng)這樣的網(wǎng)絡(luò)接收如在起始于單元格C25的列C中所描述的欠阻尼響應(yīng)時(shí)使用現(xiàn)有技術(shù)的零極點(diǎn)匹配法綜合的、假定的反饋網(wǎng)絡(luò)影響該設(shè)備。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)指出零極點(diǎn)匹配的反饋網(wǎng)絡(luò)次優(yōu)地完成并具有比由本發(fā)明的脈沖寬度序列產(chǎn)生的近臨界阻尼響應(yīng)慢得多的響應(yīng)時(shí)間。
圖5表示來(lái)自隨后的表格403的代碼表格500的實(shí)例，該隨后的表格403基于被輸入到圖4中的電子表格400的頂部表格402上的表格欄B1到B8中的值來(lái)產(chǎn)生SPICE可執(zhí)行的仿真代碼。該示例性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者將仿真代碼表格500的整個(gè)文本復(fù)制到SPICE仿真程序的圖形用戶界面的文本窗口中或者將代碼表格500保存為單獨(dú)的文本文件以在SPICE內(nèi)以命令行模式運(yùn)行，作為分析和驗(yàn)證迭代過(guò)程的最后一步。本說(shuō)明書不會(huì)提供很多SPICE語(yǔ)法的參考，討論現(xiàn)在將轉(zhuǎn)向被標(biāo)有參考標(biāo)記501到523的代碼的獨(dú)立行。雖然SPICE的各個(gè)版本通常都不允許如所示出的行號(hào)，但是為方便起見并且符合37C.F.R.§1.84(p)，本說(shuō)明書包括參考標(biāo)記行號(hào)501到523。行號(hào)501到行504指定了電感器L1、電容器C1、DC輸入電壓Vin和開關(guān)晶體管406、407的物理模型，這些設(shè)備元件的互連如先前在圖4的示意圖404中所圖解描述的那樣。行505到507作為注釋，如每一行的第一個(gè)字符為“＊”所指出的。行505指出離散變量n1的兩個(gè)值第一個(gè)值等于7，第二個(gè)值等于3；以及對(duì)于該給定仿真的兩個(gè)電源狀態(tài)的轉(zhuǎn)換的設(shè)定值脈沖寬度。行506實(shí)質(zhì)上指出對(duì)于兩個(gè)轉(zhuǎn)換離散變量n2的值均為零。行507表示在開關(guān)元件406、407中的上部場(chǎng)效應(yīng)晶體管406的極性(polarity)，并且還要求柵極驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)gdrvr的邏輯反相以正確操作按照參考專利美國(guó)專利6,940,189的示例性開關(guān)式電源。應(yīng)該特別關(guān)注行508到行518，因?yàn)檫@些行表示來(lái)自柵極驅(qū)動(dòng)和脈沖寬度調(diào)制控制器Vgdrvr的模型的輸出信號(hào)，該控制器具有由電子表格按照頂部表格402的單元格B1到B8中所輸入的值而計(jì)算的脈沖寬度。行508到行514表明了離散變量n1如何影響脈沖寬度，因?yàn)榭梢匀菀椎乜吹揭詳?shù)列5890結(jié)尾的上部晶體管406的斷開時(shí)間的值對(duì)應(yīng)于n1等于七而重復(fù)七行。脈沖寬度序列從行515繼續(xù)下去，具有由臨界阻尼階躍響應(yīng)函數(shù)標(biāo)度的設(shè)定值脈沖周期，該函數(shù)從頂部表格402的單元格B33中的標(biāo)度因子(scaling factor)開始并且向下延續(xù)。省略號(hào)516只不過(guò)指出圖5中的間斷，其中任意數(shù)目的代碼行(窮舉地列出對(duì)于該附圖而言是過(guò)多的)將定義整個(gè)仿真時(shí)間期間柵極驅(qū)動(dòng)和脈沖寬度調(diào)制控制器Vgdrvr的模型的行為。行517、518示出了從行508開始的柵極驅(qū)動(dòng)和脈沖寬度調(diào)制控制器Vgdrvr模型的分段線性時(shí)域描述的最后兩行。在行517、518中，可以看到以數(shù)列4908結(jié)尾的上部晶體管406的斷開時(shí)間的時(shí)間值，其在該給定的仿真中的第二轉(zhuǎn)換之后已經(jīng)達(dá)到其第二設(shè)定值的終值。行519和520交替地影響仿真，其中行519描述了Iload，其類似正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)的半導(dǎo)體核心那樣的非線性電容性負(fù)載的物理模型，而以“＊”為首字符注釋掉的行520描述了簡(jiǎn)單的電阻性負(fù)載(例如圖1的R1 107)。當(dāng)用戶期望表征與初始估計(jì)負(fù)載的偏離時(shí)，注釋掉行519而插入行520有助于負(fù)載的變化，在該當(dāng)前實(shí)例中，將行520中的1.8歐姆的電阻值改變?yōu)榭商娲闹?。?duì)于物理系統(tǒng)功能的更多驗(yàn)證，可以將行520和521替換為Iload的分段線性的時(shí)域描述，類似于先前提到的從行508開始直到行518的PWL聲明。以這樣的方式，設(shè)計(jì)者可以物理上地仿真實(shí)際負(fù)載，存儲(chǔ)在數(shù)字的存儲(chǔ)示波器上的數(shù)據(jù)憑實(shí)驗(yàn)地從特征負(fù)載俘獲。類似地，用戶可以改變行501中的L1和行502中的C1的物理參數(shù)以方便地表征與初始估計(jì)值的偏離并且對(duì)不同的物理?xiàng)l件建模。在本說(shuō)明書中隨后的段落揭示了對(duì)于該正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)上的變化的結(jié)果。行521將SPICE仿真器指向用于開關(guān)晶體管406、407的先前所述的物理上表征的庫(kù)。行522簡(jiǎn)單地向SPICE指出所意圖的200微秒持續(xù)時(shí)間的時(shí)域瞬態(tài)分析而行523滿足了簡(jiǎn)單的語(yǔ)法的必需語(yǔ)句。
圖6擴(kuò)展了圖3中引入的方程，超出理想二階系統(tǒng)朝向更高階物理系統(tǒng)，如圖4的示意曲線圖404中所描繪的，而同時(shí)還結(jié)合了從較低電源狀態(tài)向較高電源狀態(tài)以及從較高電源狀態(tài)到較低電源狀態(tài)的兩種轉(zhuǎn)換?？梢粤⒓醋⒁獾?，描述從較低電源狀態(tài)到較高電源狀態(tài)的轉(zhuǎn)換的占空比序列的類似方程601與方程302相似。包括帶“+”下標(biāo)的D+(n)的細(xì)微差別指出了在從較低電源狀態(tài)到較高電源狀態(tài)的轉(zhuǎn)換中占空比與具有相關(guān)性的離散時(shí)間有關(guān)，即占空比隨時(shí)間而增大。方程601與方程302唯一的其它差別在于包括動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償系數(shù)ADE，其為占空比相對(duì)于全部時(shí)間的因子。這里圖6在方程602、關(guān)系式603中數(shù)學(xué)上定義了動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償系數(shù)ADE，并且在方程604中應(yīng)用ADE以定義在如圖4的示意曲線圖404所示的節(jié)點(diǎn)sw處的電壓Vsw。由于從理想二階模型轉(zhuǎn)到物理的更高階模型因此出現(xiàn)對(duì)這樣的動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償系數(shù)的需要，并且考慮在物理的開關(guān)元件中所引起的依賴于開關(guān)頻率的動(dòng)態(tài)損耗。請(qǐng)注意，方程602意味著在仿真非理想的開關(guān)元件(例如在圖4的示意曲線圖404中所描述的那樣)之后、在先前已經(jīng)應(yīng)用理想電壓增益系數(shù)AV0之后以及電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換已經(jīng)穩(wěn)定到其終值時(shí)設(shè)計(jì)者獲得ADE的值。關(guān)系式603意味著ADE與開關(guān)頻率、關(guān)于輸入電壓的輸出電壓以及輸出電流成正比。雖然先前的實(shí)例將ADE視為常數(shù)，但是ADE可以如方程610中所暗示的從一個(gè)電源狀態(tài)到下一個(gè)電源狀態(tài)是變化的，按照關(guān)系式603與關(guān)于輸入電壓的輸出電壓有關(guān)并且與輸出電流有關(guān)。雖然本說(shuō)明書中的所有實(shí)例示出了電壓改變，但是關(guān)系式603清楚地指出在本發(fā)明范圍內(nèi)的控制系統(tǒng)還必須管理輸出電流上的實(shí)質(zhì)改變，因此按照關(guān)系式603和方程610以和電壓改變同樣的方式來(lái)影響ADE(p)。包括SPICE仿真的驗(yàn)證和分析的迭代過(guò)程確定了基本上任何電流或電壓上的變化如何影響ADE以及因此該變化是否要求應(yīng)用方程302、305、601和605到609描述的轉(zhuǎn)換函數(shù)。在正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)中，輸出電流和電壓的范圍不同以適當(dāng)?shù)卦试S在所有電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換上的常數(shù)ADE保持精度在期望設(shè)定值的百分之一的約三分之一內(nèi)。本說(shuō)明書將在隨后的段落中詳述這些結(jié)果。
圖6的方程605以與方程305針對(duì)理想模型應(yīng)用圖3的方程302相同的方式來(lái)簡(jiǎn)單地應(yīng)用方程601以獲得柵極驅(qū)動(dòng)和脈沖寬度調(diào)制控制器Vgdrvr的輸出信號(hào)的通式。如前在圖3的上述方程中所述的，在圖6中方程605允許電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換出現(xiàn)在任意時(shí)刻t0而方程601假定轉(zhuǎn)換出現(xiàn)在t＝0時(shí)。在方程605中，Vsw取代了方程305的Vin，因?yàn)榉匠?05按照方程604引入了ADE作為補(bǔ)償通過(guò)物理開關(guān)元件的動(dòng)態(tài)損耗的因子，并且因此允許方程605保持在方程305的理想模型中給定的數(shù)學(xué)精度。
方程606引入了從較高電源狀態(tài)到較低電源狀態(tài)的轉(zhuǎn)換的占空比序列并且通過(guò)規(guī)定條件AV0＞AV1而將該轉(zhuǎn)換確定為從較高電源狀態(tài)進(jìn)行到較低電源狀態(tài)。方程607類似地規(guī)定了AV1＞AV0以便它引入用于從較低電源狀態(tài)到較高電源狀態(tài)的轉(zhuǎn)換的通式占空比序列。顯而易見地，如果設(shè)計(jì)者設(shè)置AV0等于零，則可以用代數(shù)方法將兩個(gè)方程606、607簡(jiǎn)化為方程601。
方程608和609再次以與方程305針對(duì)理想模型應(yīng)用圖3的方程302相同的方式來(lái)提供由方程606、607產(chǎn)生的柵極驅(qū)動(dòng)和脈沖寬度調(diào)制控制器Vgdrvr的輸出信號(hào)的通式。這里方程608、609引入了TSet(p)作為按照方程610定義的設(shè)定值脈沖寬度，其中p指示分立的電源狀態(tài)，并且因此這些方程描述了一種裝置，該裝置對(duì)于從任一電源狀態(tài)p進(jìn)行到任一電源狀態(tài)p+1的任一個(gè)任意的轉(zhuǎn)換m產(chǎn)生對(duì)于方程304中ym(t)的近臨界阻尼響應(yīng)。還可以容易看到，將來(lái)自方程611的ΔTSet(m)代入方程608、609中從而將這兩個(gè)方程608、609簡(jiǎn)化為單個(gè)一般形式的對(duì)于近臨界阻尼響應(yīng)的解。方程608、609以它們分離的形式提供的好處是避免了由負(fù)的時(shí)間值的條件所引起的潛在的混亂。最后，關(guān)系式612指出在上述方程606到609中的離散變量n1、n2與在脈沖寬度時(shí)間周期上變化的幅度成正比，其中n1和n2分別影響時(shí)域中的朝著臨界阻尼響應(yīng)方向的粗調(diào)和細(xì)調(diào)。從理想二階模型發(fā)展到更高階物理模型還影響了n1和n2的值，其更多地強(qiáng)調(diào)迭代的仿真分析和驗(yàn)證過(guò)程的必要性。
圖7示出了典型的通用的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖700，針對(duì)該狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖700本說(shuō)明書現(xiàn)在將簡(jiǎn)要地討論圖6的方程和關(guān)系式的應(yīng)用。如本說(shuō)明書先前暗指的，對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程很重要，設(shè)計(jì)者首先在狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖700中列舉了所有的電源狀態(tài)701、703、705、707以及轉(zhuǎn)換702、704、704R、706、706R、708、708R、709、710。根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖700，可能的轉(zhuǎn)換的總數(shù)M通常看起來(lái)是由方程711給定的總和，其中如前所述p代表給分立的電源狀態(tài)的指數(shù)而P表示電源狀態(tài)的總數(shù)。然而，通常如圖6的方程所述的物理系統(tǒng)的特性允許相當(dāng)大地降低復(fù)雜性。假設(shè)在圖700的當(dāng)前實(shí)例中從無(wú)論如何都沒(méi)有功率到最低的空載電源狀態(tài)S0701的轉(zhuǎn)換不須控制系統(tǒng)的介入，所有的到電源狀態(tài)S0 701的轉(zhuǎn)換709不須算法的控制，僅僅通過(guò)除去控制系統(tǒng)供給電力的動(dòng)作來(lái)執(zhí)行。在大多數(shù)系統(tǒng)中，從空載電源狀態(tài)S0 701的轉(zhuǎn)換確定性地(deterministically)出現(xiàn)，結(jié)果得到相同的電源狀態(tài)。在該圖700的實(shí)例中，結(jié)果得到電源狀態(tài)S1703的轉(zhuǎn)換702致使可能的轉(zhuǎn)換710不存在，這允許進(jìn)一步降低復(fù)雜性。來(lái)自方程611的表達(dá)式ΔTSet(m)在被代入方程608、609中時(shí)將方程608、609簡(jiǎn)化為單個(gè)方程這一事實(shí)表明在任意兩個(gè)脈沖寬度變化具有相等幅度時(shí)的對(duì)稱性。如關(guān)系式612所指出的該數(shù)學(xué)上表明的對(duì)稱性因此意味著可以將方程711中的唯一電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換的實(shí)際總數(shù)M減少一半。在圖7的當(dāng)前實(shí)例中，這意味著任一轉(zhuǎn)換及其返回路徑(例如轉(zhuǎn)換對(duì)704和704R、706和706R以及708和708R)在它們的描述方程606到609中基本包含相同的參數(shù)，而僅僅改變?cè)黾踊驕p去標(biāo)度的|ΔTSet(m)|的運(yùn)算，因此降低了對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度或者非易失性存儲(chǔ)器需求。
假定所有這些上述在要針對(duì)其而設(shè)計(jì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的總數(shù)上的減少成立的話，則設(shè)計(jì)者現(xiàn)在面臨計(jì)算密集的實(shí)現(xiàn)方式對(duì)比存儲(chǔ)密集的實(shí)現(xiàn)方式的選擇。對(duì)于正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)，發(fā)明人憑實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在脈沖寬度設(shè)定值時(shí)間周期的臨界阻尼標(biāo)度因子的上部表格402的單元格B25開始的列中，作為方程305、605、608、609中求和的實(shí)際上限的N的值等于63。換句話說(shuō)，指數(shù)的標(biāo)度函數(shù)

在n+n2＝63時(shí)等于99.9％，或者脈沖寬度在針對(duì)該特定實(shí)例的時(shí)間點(diǎn)處已經(jīng)達(dá)到期望的設(shè)定值寬度的99.9％。限制N+1具有在確定這樣的列的長(zhǎng)度需求方面的重要性，該列起始于包含脈沖寬度設(shè)定周期的臨界阻尼標(biāo)度因子的頂部表格402的單元格B25。該列的長(zhǎng)度直接影響在非易失性存儲(chǔ)器中的查找表的大小，因?yàn)橥ǔ２粫?huì)考慮增加計(jì)算的復(fù)雜度，在提供轉(zhuǎn)換期間的系統(tǒng)控制的狀態(tài)機(jī)的每一狀態(tài)期間，指數(shù)的標(biāo)度函數(shù)

自始至終作為在方程302、305、601、605到609中的項(xiàng)。因此，雖然在本發(fā)明范圍內(nèi)具體實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)可能無(wú)論如何都會(huì)不包含非易失存儲(chǔ)器，但是本說(shuō)明書考慮本發(fā)明的最小存儲(chǔ)密集的實(shí)際應(yīng)用以包含至少足夠的非易失性存儲(chǔ)器或者邏輯上的寄存器堆來(lái)存儲(chǔ)按照方程305、或605、或608、或609中的任何一個(gè)的有N+1個(gè)標(biāo)度因子的上述指數(shù)標(biāo)度函數(shù)的單個(gè)例子。在本發(fā)明的最小存儲(chǔ)密集的實(shí)際應(yīng)用中，如在先前段落中所述，可以通過(guò)利用方程608、609的關(guān)于在方程611和關(guān)系式612中給定的脈沖寬度變化幅度|ΔTSet(m)|的對(duì)稱性來(lái)實(shí)現(xiàn)降低對(duì)非易失性存儲(chǔ)器的需求。因此，狀態(tài)機(jī)可以執(zhí)行增加或者減去標(biāo)度的|ΔTSet(m)|的交替操作以便降低用于存儲(chǔ)的N+1個(gè)指數(shù)標(biāo)度函數(shù)標(biāo)度因子的存儲(chǔ)器需求和計(jì)算復(fù)雜性。假定本發(fā)明的最小存儲(chǔ)密集的應(yīng)用的這一相同的狀態(tài)機(jī)，可以通過(guò)改變到N+1個(gè)存儲(chǔ)的指數(shù)標(biāo)度函數(shù)標(biāo)度因子的單個(gè)轉(zhuǎn)換的值的存儲(chǔ)地址的指針來(lái)提供從一個(gè)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)轉(zhuǎn)換的離散變量n1、n2上的差。實(shí)際上，通常設(shè)計(jì)者可以將標(biāo)度因子的存儲(chǔ)位置的總數(shù)減少到N+1-n1(min)，其中n1(min)表示對(duì)于在任何正在發(fā)展中的系統(tǒng)中的所有可能的轉(zhuǎn)換來(lái)說(shuō)n1的最小值。為了提出本發(fā)明的該最小存儲(chǔ)密集的應(yīng)用的實(shí)際例子，本說(shuō)明書現(xiàn)在將假設(shè)具有8192位數(shù)字存儲(chǔ)器的非易失性存儲(chǔ)器資源用于正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)。假定本發(fā)明的該新型的方法，為描述任何一個(gè)唯一的電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需的參數(shù)的最小量會(huì)存在于三個(gè)存儲(chǔ)位置，一個(gè)用于n1，一個(gè)用于n2而一個(gè)用于|ΔTSet(m)|。為了表示可應(yīng)用到正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)的全部轉(zhuǎn)換的指數(shù)標(biāo)度因子需要N+1＝64個(gè)字，每一個(gè)字有八位，這留下了剩余的7680位來(lái)用于存儲(chǔ)描述唯一的轉(zhuǎn)換的其它參數(shù)。假定描述N+1＝64個(gè)指數(shù)標(biāo)度因子的每個(gè)字有八位，而四位用于上述n1和n2參數(shù)中的每一個(gè)，這允許480個(gè)唯一的轉(zhuǎn)換。根據(jù)從評(píng)價(jià)方程711推導(dǎo)出的定義P的上取整函數(shù)，允許480個(gè)唯一的轉(zhuǎn)換的資源限制制約了該系統(tǒng)只可容許31個(gè)分立的電源狀態(tài)，這考慮了通過(guò)對(duì)于對(duì)稱轉(zhuǎn)換實(shí)行上述交替的增加或者減去操作而實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)器需求的減半。
相反，本發(fā)明的最小計(jì)算密集的實(shí)現(xiàn)方式無(wú)論如何都不須計(jì)算，而在轉(zhuǎn)換期間控制系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)僅僅指向M乘(N+1)個(gè)在當(dāng)時(shí)期望的唯一的標(biāo)度脈沖寬度中的任何一個(gè)。在本發(fā)明的該最小計(jì)算密集的應(yīng)用中，存儲(chǔ)需求必須承擔(dān)按照方程305、或605、或608、或609的任何一個(gè)的指數(shù)標(biāo)度脈沖周期的N+1個(gè)例子的M個(gè)轉(zhuǎn)換值。同樣，設(shè)計(jì)者可以進(jìn)一步將用于M個(gè)轉(zhuǎn)換中的每一個(gè)轉(zhuǎn)換的存儲(chǔ)位置的總數(shù)減少到N+1-n1，在正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)中每一個(gè)n1對(duì)于每一個(gè)可能的轉(zhuǎn)換是唯一的。對(duì)于剛才提出的實(shí)際例子，每個(gè)示例性系統(tǒng)具有8192位的存儲(chǔ)器，其中每個(gè)轉(zhuǎn)換有N+1＝64個(gè)六位字，這允許M＝21個(gè)轉(zhuǎn)換，根據(jù)從評(píng)價(jià)方程711推導(dǎo)出的定義P的上取整函數(shù)，這制約了該系統(tǒng)只可容許五個(gè)分立的電源狀態(tài)。應(yīng)用于正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)的本發(fā)明不但具有更快的響應(yīng)時(shí)間，而且與應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)的外部閉環(huán)的零極點(diǎn)匹配技術(shù)相比該設(shè)計(jì)還可以要求更小的存儲(chǔ)器需求和更小的計(jì)算負(fù)擔(dān)。當(dāng)然，可以選擇性地實(shí)現(xiàn)來(lái)自存儲(chǔ)密集的和計(jì)算密集的實(shí)現(xiàn)方式的上述特征的任意組合，并且該組合仍然完全在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。
在上述實(shí)例中選擇六位字或八位字源于參考專利的示例性系統(tǒng)，該示例性系統(tǒng)具有25MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，從該系統(tǒng)時(shí)鐘得到在1MHz開關(guān)頻率下的脈沖寬度調(diào)制。即使當(dāng)在轉(zhuǎn)換期間控制系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)使用25MHz系統(tǒng)時(shí)鐘的兩個(gè)邊緣來(lái)改進(jìn)脈沖寬度調(diào)制分辨率時(shí)，這對(duì)于1MHz的開關(guān)頻率來(lái)說(shuō)也僅僅提供了2％的精度，其大于在計(jì)算密集的實(shí)例中對(duì)于轉(zhuǎn)換函數(shù)中的參數(shù)使用八位字而累積的誤差。為系統(tǒng)所固有的這一低的時(shí)基準(zhǔn)確度導(dǎo)致了本領(lǐng)域技術(shù)人員可以稱作量化誤差的誤差。在本發(fā)明范圍內(nèi)的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者可以使用幾種很好理解的減少這樣的量化誤差的方法，包括抖動(dòng)的方法。抖動(dòng)包含在短時(shí)間內(nèi)在兩個(gè)或更多相鄰輸出代碼之間交替以便得到在沒(méi)有抖動(dòng)方法的情況下可實(shí)現(xiàn)的在普通輸出代碼之間存在的更大精度的平均輸出值。對(duì)于正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)，當(dāng)在轉(zhuǎn)換期間控制系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)在脈沖寬度標(biāo)度因子的查找表中遇到對(duì)于其本實(shí)施例實(shí)際上僅能得到小于1％的精度的序列時(shí)，該狀態(tài)機(jī)可以在該序列時(shí)間過(guò)程上的幾個(gè)相鄰脈沖寬度之間抖動(dòng)來(lái)改進(jìn)精度。對(duì)于該實(shí)例抖動(dòng)可以提高精度的典型的序列會(huì)存在于在從時(shí)間t＝t0直到t＝t0+n1Tsw時(shí)、以及在指數(shù)標(biāo)度函數(shù)開始在接近設(shè)定值80％處變平時(shí)、以及在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間可以由方程305、605、608、609描述的周期。因此，抖動(dòng)還可以提供另一個(gè)好處，即降低系統(tǒng)的標(biāo)度函數(shù)存儲(chǔ)需求。在本發(fā)明范圍內(nèi)的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者還可以在改變脈沖寬度|ΔTSet(m)|時(shí)簡(jiǎn)單地利用抖動(dòng)來(lái)適應(yīng)在輸出電流或電壓上的變化，該變化不導(dǎo)致基本不同于臨界阻尼響應(yīng)的響應(yīng)，因此不要求應(yīng)用方程302、305、601以及605到609描述的轉(zhuǎn)換函數(shù)。這里抖動(dòng)也可以提供降低系統(tǒng)的標(biāo)度函數(shù)存儲(chǔ)需求的好處。在開環(huán)或閉環(huán)實(shí)現(xiàn)方式中，抖動(dòng)提供了除減少量化誤差和存儲(chǔ)需求以外的幾個(gè)附加的優(yōu)點(diǎn)。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，抖動(dòng)將脈沖寬度調(diào)制的頻譜分散到更寬的頻帶上的更小的峰中，這給予了減少來(lái)自整個(gè)系統(tǒng)的電磁發(fā)射的附帶好處。閉環(huán)系統(tǒng)可能遭受本領(lǐng)域技術(shù)人員稱為極限環(huán)振蕩的現(xiàn)象，該現(xiàn)象在這樣的控制系統(tǒng)中由相對(duì)于輸入分辨率不足的輸出分辨率所引起，輸出抖動(dòng)可以防止該現(xiàn)象。因此，在本發(fā)明范圍內(nèi)的任何實(shí)施例可以為了任何上述好處而應(yīng)用抖動(dòng)，該好處包括降低系統(tǒng)存儲(chǔ)器需求、減少電磁發(fā)射、減少量化誤差或提高開環(huán)系統(tǒng)中的脈沖寬度調(diào)制分辨率、或者消除閉環(huán)系統(tǒng)中的極限環(huán)振蕩。在隨后的圖22的描述中本說(shuō)明書將討論在閉環(huán)布局中的本發(fā)明的示例性應(yīng)用。
圖8到21提供了來(lái)自在仿真期間變化的物理參數(shù)的結(jié)果并且因此進(jìn)一步定義了在實(shí)際可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)中的對(duì)臨界阻尼響應(yīng)的“接近度”。圖8示出了來(lái)自包含本發(fā)明示例性實(shí)施例電源狀態(tài)的兩個(gè)轉(zhuǎn)換的仿真的時(shí)域響應(yīng)曲線圖800。如分別在圖2和圖4的響應(yīng)曲線圖200、405中所示出的，圖8的響應(yīng)曲線圖800的縱軸示出了振幅的歸一化的設(shè)定值標(biāo)度。圖8到圖21的響應(yīng)曲線圖的橫軸現(xiàn)在不同于圖2和圖4的曲線圖200、405中的橫軸，不同之處在于圖8到圖21中的曲線圖的橫軸現(xiàn)在示出時(shí)間單位為微秒，而之前橫軸示出Tsw開關(guān)周期的整數(shù)倍數(shù)。對(duì)于該特定實(shí)例圖例802將1.8伏的物理值定為歸一化的設(shè)定值。水平游標(biāo)(cursor)805測(cè)定在垂直游標(biāo)804減去垂直游標(biāo)803描繪的周期內(nèi)響應(yīng)曲線801上升到歸一化的設(shè)定值的2％以內(nèi)。在該特定的示例性轉(zhuǎn)換中，假定可以由例如方程609的方程描述的脈沖序列，其中參數(shù)n1等于7而n2等于0，該脈沖序列驅(qū)動(dòng)如在參考的美國(guó)專利6,940,189中定義的設(shè)備組件值，結(jié)果從0％到98％設(shè)定振幅的上升發(fā)生在36.61微秒內(nèi)?？梢匀菀卓吹剑瑤缀鯖](méi)有明顯的過(guò)沖，完全在1％以下。類似地操縱如曲線圖800所示的游標(biāo)803、804，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于上升時(shí)間的其它限定，例如慣常的從10％到90％設(shè)定振幅的上升時(shí)間的度量，如在電子表格400的頂部表格402的單元格D15中計(jì)算的，憑實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在該仿真曲線圖800中該上升時(shí)間等于22.59微秒。這個(gè)憑實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的慣常的10％到90％設(shè)定振幅上升時(shí)間的值與在頂部表格402的單元格D15中計(jì)算的理論的臨界阻尼上升時(shí)間22.8微秒相符。對(duì)于允許+/-5％調(diào)節(jié)容差的示例性系統(tǒng)可以考慮另一個(gè)同等有用的從0％到95％振幅的上升時(shí)間的測(cè)量值，該時(shí)間可以表示在某一幅度|ΔTSet(m)|轉(zhuǎn)換啟動(dòng)之后憑實(shí)驗(yàn)證明的“電源正常(power-good)”時(shí)間。這個(gè)特定的所仿真的轉(zhuǎn)換得到31.59微秒的值，換句話說(shuō)小于從轉(zhuǎn)換啟動(dòng)直到“電源正常”的32微秒。因此，在完成該電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)Tsw周期進(jìn)行計(jì)數(shù)的簡(jiǎn)單五位計(jì)數(shù)器的輸出可以向正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)的其余部分發(fā)送“電源正常”信號(hào)。在該范圍內(nèi)的響應(yīng)時(shí)間憑實(shí)驗(yàn)地證明比利用零極點(diǎn)設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)有技術(shù)典型的閉環(huán)系統(tǒng)更快。
圖9表示時(shí)域響應(yīng)曲線801的可替代的圖900，由此水平游標(biāo)901、905和垂直游標(biāo)903、904現(xiàn)在測(cè)量來(lái)自產(chǎn)生圖8曲線圖800中的響應(yīng)曲線801的相同仿真的第二示例性轉(zhuǎn)換的響應(yīng)時(shí)間?，F(xiàn)在圖例902將1.5伏物理值定為第二電源狀態(tài)設(shè)定值，而同時(shí)水平游標(biāo)901測(cè)定到第二電源狀態(tài)設(shè)定值的2％以內(nèi)的逼近。水平游標(biāo)905和垂直游標(biāo)903描繪了從先前電源狀態(tài)出發(fā)的點(diǎn)。垂直游標(biāo)904減去垂直游標(biāo)903得到24.48微秒的響應(yīng)時(shí)間。在該特定的示例性轉(zhuǎn)換中，驅(qū)動(dòng)同一個(gè)先前指定設(shè)備組件的可由例如方程608的方程(其中參數(shù)n1等于4而n2等于2)描述的脈沖序列與具有更大幅度|ΔTSet(m)|的圖8中測(cè)量的先前轉(zhuǎn)換相比進(jìn)一步示出了圖6的關(guān)系式612，該更大的幅度對(duì)應(yīng)于更高的n1值，其中在粗調(diào)n1時(shí)n2提供細(xì)調(diào)。為了進(jìn)一步證明圖6的關(guān)系式612的正確性，圖10示出了響應(yīng)曲線1001的仿真曲線圖1000，其中水平游標(biāo)805、1005和垂直游標(biāo)1003、1004再次測(cè)量相等幅度|ΔTSet(m)|的第二轉(zhuǎn)換，但是與先前響應(yīng)曲線801的第二轉(zhuǎn)換反方向。在該仿真曲線圖1000中，具有與在先前仿真曲線圖900中完全相同的用于第二轉(zhuǎn)換的n1和n2的值，圖例1002再次將物理值定為1.8伏，垂直游標(biāo)1004減去1003得到到達(dá)第二電源狀態(tài)設(shè)定值23.22微秒的2％以內(nèi)的時(shí)間值。曲線圖1000的該響應(yīng)時(shí)間看起來(lái)接近但是不完全等于曲線圖900的響應(yīng)時(shí)間，這是由于由對(duì)每一個(gè)電源狀態(tài)使用固定ADE而不是唯一的ADE而引起的誤差和測(cè)量誤差。
圖11示出在時(shí)域曲線圖1100中的響應(yīng)曲線1101，其中垂直游標(biāo)1103、1104和水平游標(biāo)1105、1106描繪了具有比先前三個(gè)圖更小幅度|ΔTSet(m)|的第二轉(zhuǎn)換的振幅變化和響應(yīng)時(shí)間。在該曲線圖1100中，圖例1102將1.65伏的物理值定為歸一化的設(shè)定值，因此水平游標(biāo)1106描繪了從1.5V到游標(biāo)1105的偏離，該游標(biāo)1105描繪了到1.65伏設(shè)定值的2％以內(nèi)的逼近。垂直游標(biāo)1104減去1103測(cè)量了等于17.99微秒的響應(yīng)時(shí)間。圖12示出了在時(shí)域曲線圖1200中的響應(yīng)曲線1201，其中垂直游標(biāo)1203、1204和水平游標(biāo)1202、805描繪了具有比先前四個(gè)圖更大幅度|ΔTSet(m)|的第二轉(zhuǎn)換的振幅變化和響應(yīng)時(shí)間。該響應(yīng)曲線1201的第二轉(zhuǎn)換的n1和n2值仍然與在先前的時(shí)域曲線圖800、900、1000、1100的響應(yīng)曲線801、901、1001、1101中的相同。如前所述，根據(jù)圖例1202水平游標(biāo)805標(biāo)記著到1.8V的設(shè)定值的2％以內(nèi)的逼近，而水平游標(biāo)1205描繪從1.2伏出發(fā)的點(diǎn)。這里垂直游標(biāo)1204減去垂直游標(biāo)1203得到對(duì)于到設(shè)定值的2％以內(nèi)的轉(zhuǎn)換時(shí)間的響應(yīng)時(shí)間為27.41微秒。因此，所有的上述響應(yīng)曲線801、901、1001、1101、1201指出了對(duì)于正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)，對(duì)于振幅大于1.2伏的轉(zhuǎn)換n1等于7而對(duì)于小于或等于0.6伏的轉(zhuǎn)換n1等于4會(huì)起到較好作用。此外，所有上述的響應(yīng)曲線801、901、1001、1101、1201說(shuō)明本發(fā)明的脈沖寬度調(diào)制序列有助于近臨界阻尼階躍響應(yīng)，其致使對(duì)于任何給定的轉(zhuǎn)換的響應(yīng)時(shí)間主要取決于振幅變化的幅度。
圖13類似于圖11，這兩個(gè)響應(yīng)曲線圖1300和1100的第二轉(zhuǎn)換分別表示相等幅度但是相反方向的轉(zhuǎn)換。圖例1302類似于圖例1102，將1.65伏的物理值定為在第二轉(zhuǎn)換之后的第二電源狀態(tài)的歸一化設(shè)定值。水平游標(biāo)905、1305和垂直游標(biāo)1303、1304標(biāo)定響應(yīng)曲線1301的到第二電源狀態(tài)設(shè)定值2％以內(nèi)的逼近的振幅和時(shí)間。垂直游標(biāo)1304減去垂直游標(biāo)1303得到17.15微秒的響應(yīng)時(shí)間值，同樣與曲線圖1100的響應(yīng)時(shí)間稍微不同?？梢越忉屵@一差別是與曲線圖1000的響應(yīng)時(shí)間稍微不同于曲線圖900相類似的，由該測(cè)量方法的精度和在對(duì)于每一個(gè)電源狀態(tài)使用固定ADE而不是唯一的ADE中帶來(lái)的誤差所引起的。例如，發(fā)明人通過(guò)遵循由使用1.65伏的Vout的方程602隱含的上述方法發(fā)現(xiàn)固定的ADE。在正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)中，對(duì)于所有電源狀態(tài)使用該固定的ADE導(dǎo)致對(duì)于1.5伏設(shè)定值為+0.33％的誤差、對(duì)于1.8伏設(shè)定值為-0.34％的誤差以及對(duì)于1.2伏設(shè)定值為+1.33％的誤差。因此，雖然在將方程608到611應(yīng)用到曲線圖900和曲線圖1000的第二轉(zhuǎn)換中幅度|ΔTSet(m)|看起來(lái)是相等的，并且同樣在曲線圖1100和曲線圖1300中該幅度也是相等的，但是方便的假定對(duì)于所有電源狀態(tài)固有的固定ADE的存在性可以致使在否則假定相等的響應(yīng)時(shí)間上的微小的偏差。
圖14和圖15的曲線圖1400和1500與其它的圖8到21的曲線圖的不同之處在于，在曲線圖1400、1500左手邊的縱軸現(xiàn)在表示安培的標(biāo)度而不是歸一化的設(shè)定值標(biāo)度?？梢匀菀椎乜闯?，對(duì)于曲線圖1400，圖例1402指定響應(yīng)曲線1401為負(fù)載電流加上噪聲電流的描述。雖然曲線圖1500具有對(duì)響應(yīng)曲線1503同樣這么做的圖例1504，但是圖例1502還將響應(yīng)曲線1501的典型物理值賦予在曲線圖1500右手邊的表示歸一化標(biāo)度的軸，在該情況下物理值為1.65伏。因此，兩個(gè)曲線圖1400和1500描繪了對(duì)于曲線圖1300的同一個(gè)仿真的轉(zhuǎn)換、現(xiàn)在僅僅分別在增加的高頻和低頻噪聲影響下的、該正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)的響應(yīng)曲線1401、1501、1503，作為在電源設(shè)計(jì)期間使用的穩(wěn)定性的慣常測(cè)試。曲線圖1400示出了增加10MHz、50毫安、50％占空比的噪聲的影響，而曲線圖1500示出了增加10KHz、50毫安、50％占空比的噪聲的影響。在曲線圖1400中，噪聲電流1401具有包絡(luò)，該包絡(luò)會(huì)擦去電壓響應(yīng)曲線的圖，而因此本說(shuō)明書省去了在此代入幾個(gè)寫入的統(tǒng)計(jì)量的電壓響應(yīng)曲線。應(yīng)用如曲線圖1400所示的噪聲1401，根據(jù)用曲線圖1400上的水平游標(biāo)進(jìn)行的測(cè)量，電壓噪聲的峰間值從不超過(guò)50毫伏。曲線圖1500示出了以這樣的方式使用水平游標(biāo)1505、1506，該方式為確定電壓響應(yīng)曲線1501在正方向或者反方向上偏離理想設(shè)定值小于1.7％，而垂直游標(biāo)1507、1508僅僅標(biāo)定在時(shí)間標(biāo)度上峰值偏差出現(xiàn)的地方。
剩余的在圖16到21中的響應(yīng)曲線圖1600、1700、1800、1900、2000和2100示出了與設(shè)計(jì)者在正在發(fā)展中的本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所估計(jì)的那些不同的物理設(shè)備和負(fù)載參數(shù)值的影響。設(shè)計(jì)者通過(guò)手動(dòng)改變?nèi)缭趫D5的仿真代碼表格500中記錄的代碼的行501、502、519、520可以容易地實(shí)現(xiàn)在仿真中設(shè)備和負(fù)載參數(shù)值的偏差的影響。代替自動(dòng)化腳本程序可以完成的全面的蒙特卡羅分析，本說(shuō)明書將在剩余的響應(yīng)曲線圖中可見地突出可能在正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中遇到的操作角落(operational corner)的特別有效的子集。由于最大幅度的轉(zhuǎn)換提高了參數(shù)變化的影響的可視性，其中該參數(shù)變化導(dǎo)致偏離近臨界阻尼階躍響應(yīng)，因此圖例1602、1702、1802、1902、2002、2102將到目前為止最大幅度的1.8伏的物理值分別定為剩余的響應(yīng)曲線1601、1701、1801、1901、2001、2101的歸一化設(shè)定值。在圖16的曲線圖1600中的響應(yīng)曲線1601再次提出到歸一化設(shè)定值的第一轉(zhuǎn)換，圖例1602將1.8伏的物理值定為該歸一化設(shè)定值。如前所述，水平游標(biāo)805描繪了到設(shè)定值2％以內(nèi)的逼近，由此可以容易地看到明顯的過(guò)沖現(xiàn)象出現(xiàn)。仿真代碼表格500的行501中的電感值和行502中的電容值都同時(shí)增大超出它們額定值10％，設(shè)計(jì)者已經(jīng)將本發(fā)明的脈沖寬度調(diào)制序列應(yīng)用于上述額定值。即使在這樣的不利條件下，根據(jù)利用水平游標(biāo)805幫助得到的測(cè)量值，過(guò)沖的偏差延伸超出設(shè)定值小于1.6％。垂直游標(biāo)1604減去垂直游標(biāo)1603標(biāo)定從0％到98％振幅的上升周期等于31.65微秒。因?yàn)閷?duì)于給定的脈沖寬度調(diào)制序列電感和電容值都已經(jīng)超過(guò)它們額定值，所以可以認(rèn)為該響應(yīng)曲線1601為描述欠驅(qū)動(dòng)的工作狀態(tài)，雖然結(jié)果的過(guò)沖現(xiàn)象致使該欠驅(qū)動(dòng)的原理是違反直覺(jué)的。雖然僅1.6％的過(guò)沖可能不違反正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)的指定規(guī)則，但是本發(fā)明說(shuō)明書現(xiàn)在將公開一種技術(shù)以在給出的如設(shè)備電感和電容值超過(guò)它們額定值10％這樣的不利條件下恢復(fù)近臨界阻尼階躍響應(yīng)。通過(guò)迭代的n1變量的粗調(diào)和n2的細(xì)調(diào)的過(guò)程，可以達(dá)到對(duì)超過(guò)它們額定值10％的設(shè)備組件的電感和電容的補(bǔ)償，如圖17中的曲線圖1700的響應(yīng)曲線1701所示。這里水平游標(biāo)805通過(guò)描繪來(lái)檢驗(yàn)小于1.7％的下沖和幾乎不過(guò)沖，響應(yīng)1701保持近臨界阻尼標(biāo)準(zhǔn)。游標(biāo)1704減去1703示出了0％到98％振幅的上升時(shí)間，由于該時(shí)間現(xiàn)在等于37.03微秒，慢于先前的響應(yīng)1601，因此證實(shí)了欠驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備的觀點(diǎn)。然而，對(duì)于補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)1701，0％到95％振幅上升時(shí)間保持在32微秒之下允許實(shí)現(xiàn)相同的簡(jiǎn)單的上述“電源正?！彪娐泛洼敵鲂盘?hào)，盡管需要補(bǔ)償過(guò)大的設(shè)備組件值。在n1等于7而n2等于0且兩個(gè)響應(yīng)1601、1701存在10％過(guò)大的設(shè)備組件電感和電容值時(shí)，在先前的欠驅(qū)動(dòng)響應(yīng)1601存在時(shí)，將n1的值設(shè)為8而n2為-1會(huì)允許該近臨界阻尼階躍響應(yīng)的恢復(fù)。這相當(dāng)簡(jiǎn)明地舉例說(shuō)明了圖6的關(guān)系式612的使用以及分別粗調(diào)和細(xì)調(diào)n1和n2的值以實(shí)現(xiàn)或保持近臨界阻尼階躍響應(yīng)的原理。
產(chǎn)生圖18的曲線圖1800的仿真呈現(xiàn)這樣的條件，由此可以顯著地看到不規(guī)則的響應(yīng)曲線1801出現(xiàn)。在該仿真中，仿真代碼表格500的行501中的電感值和行502中的電容值都同時(shí)減少它們額定值的10％，設(shè)計(jì)者已經(jīng)將本發(fā)明的脈沖寬度調(diào)制序列應(yīng)用于其。給出的這些較低的組件值使這個(gè)成為過(guò)驅(qū)動(dòng)的情形，但是同樣，根據(jù)利用水平游標(biāo)805幫助得到的測(cè)量值，過(guò)沖的偏差延伸超出設(shè)定值小于1.6％。最顯著地，垂直游標(biāo)1804減去垂直游標(biāo)1803標(biāo)定了從0％到98％振幅的上升周期等于39.12微秒，并且因此即使為34.52微秒的0％到95％振幅上升時(shí)間也超過(guò)了小于32微秒的基準(zhǔn)上升時(shí)間，該基準(zhǔn)上升時(shí)間允許實(shí)現(xiàn)上述的“電源正?！彪娐泛洼敵鲂盘?hào)。如前面針于欠驅(qū)動(dòng)情況所述，本發(fā)明能夠通過(guò)只是這一次在與欠驅(qū)動(dòng)設(shè)備的先前情況相反的方向上進(jìn)行n1的粗調(diào)和細(xì)調(diào)n2來(lái)補(bǔ)償過(guò)驅(qū)動(dòng)的情況。這樣做時(shí)，設(shè)置n1等于6且n2等于1，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在圖19中的仿真曲線圖1900的響應(yīng)1901。由于該補(bǔ)償，垂直游標(biāo)1904減去垂直游標(biāo)1903現(xiàn)在得到35.57微秒的0％到98％上升時(shí)間以及30.75微秒的0％到95％上升時(shí)間，這同樣允許實(shí)現(xiàn)相同的簡(jiǎn)單的上述“電源正常”電路和輸出信號(hào)，盡管需要補(bǔ)償小于額定的設(shè)備組件值。自參考專利6,940,189出現(xiàn)以來(lái)，用于電感器的鉬坡莫合金粉末“分布間隙”核心已經(jīng)使有利于設(shè)計(jì)者得到在其中描述的電流范圍內(nèi)保持電感5％容差的電感器的市場(chǎng)激增。另外，在其中描述的偏壓上保持10％以內(nèi)的電容容差的X7R陶瓷材料已經(jīng)到達(dá)成本效益價(jià)格。在0到70攝氏度溫度范圍內(nèi)工作時(shí)，這兩種先進(jìn)材料的這些電感的和電容的組件保持這些容差。因此，本發(fā)明和其補(bǔ)償設(shè)備組件值偏差的能力與先進(jìn)材料的組件一起滿足各種各樣的應(yīng)用。
本說(shuō)明書現(xiàn)在將轉(zhuǎn)向圖20和圖21來(lái)討論負(fù)載偏離原始估計(jì)值的情況，假設(shè)在響應(yīng)曲線圖2000和2100中等效電阻分別增大25％以及減少25％。為了仿真這樣的情形，設(shè)計(jì)者注釋掉行519，以及取消注釋行520，其中將對(duì)于正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)適當(dāng)?shù)碾娮柚挡迦朐诜抡娲a表格500中。響應(yīng)曲線圖2000示出由過(guò)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備組件引起的響應(yīng)曲線2001。假定使用本發(fā)明提供的新型方法，可以使用相同的補(bǔ)償技術(shù)來(lái)解決該過(guò)驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)，該補(bǔ)償技術(shù)校正仿真曲線圖1800，即減少n1并且因此細(xì)調(diào)n2。在控制設(shè)備的計(jì)算密集的實(shí)現(xiàn)方式的情況下，如曲線圖2000所示的減少目的電源狀態(tài)的ADE的值也可以足夠補(bǔ)償這樣的過(guò)驅(qū)動(dòng)的情形。盡管如此，如果設(shè)計(jì)者未補(bǔ)償當(dāng)前的情形，則垂直游標(biāo)2004減去垂直游標(biāo)2003描繪了30.13微秒的0％到98％上升時(shí)間，而同時(shí)可以設(shè)置水平游標(biāo)805來(lái)檢驗(yàn)曲線圖2000中的小于1.8％的過(guò)沖。這兩個(gè)合格度量(qualifying metrics)看起來(lái)在規(guī)定極限內(nèi)，盡管負(fù)載電流為正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)的額定值的80％。同樣，響應(yīng)曲線圖2100示出了由于負(fù)載處于133％額定電流處而由欠驅(qū)動(dòng)設(shè)備組件產(chǎn)生的響應(yīng)曲線2101。此外，在控制設(shè)備的計(jì)算密集的實(shí)現(xiàn)方式的情況下，如曲線圖2000所示的增大該電源狀態(tài)的ADE值也可以足夠補(bǔ)償這樣的欠驅(qū)動(dòng)情形。雖然調(diào)節(jié)n1和n2可以稍微改進(jìn)響應(yīng)曲線2101的形態(tài)，但是只有這個(gè)不能恢復(fù)由過(guò)載電流引起的通過(guò)物理的開關(guān)元件的損失，并且因此調(diào)節(jié)ADE使得期望的補(bǔ)救是可能的。在沒(méi)有該補(bǔ)救的情況下，垂直游標(biāo)2104減去2103指出上升時(shí)間超過(guò)36微秒，水平游標(biāo)805可以證明該上升時(shí)間為僅僅到97％設(shè)定振幅的上升時(shí)間。
最后本說(shuō)明書將進(jìn)一步舉例說(shuō)明本發(fā)明的在閉環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用，由此在示例性的參考美國(guó)專利6,940,189中提出的數(shù)字核心影響脈沖寬度，假定核心單元延遲數(shù)據(jù)與所施加的核心電壓成正比。圖22示出了閉環(huán)控制設(shè)備的框圖，該閉環(huán)控制設(shè)備包含脈沖寬度調(diào)制控制器2200以及反饋塊2215，但是不包括在本發(fā)明示例性實(shí)施例內(nèi)為實(shí)現(xiàn)方法所需的電感性元件、電容性元件以及開關(guān)元件。在圖22內(nèi)的一些功能塊復(fù)制了在參考專利中描述的那些，但是本發(fā)明的說(shuō)明書添加了周圍的電路以及在這些功能塊內(nèi)的補(bǔ)充的功能部件，以使整個(gè)系統(tǒng)延伸超出參考專利的范圍。振蕩電路2214的時(shí)鐘輸出2212供給計(jì)數(shù)器2206，該計(jì)數(shù)器2206通過(guò)解碼器2208得到電源開關(guān)頻率Fsw以及占空比，D觸發(fā)器2211響應(yīng)于信號(hào)2209和2210而形成輸出2213，該輸出2213供給驅(qū)動(dòng)開關(guān)晶體管406、407的柵極驅(qū)動(dòng)Vgdrvr。通過(guò)表征電感性的、電容性的和開關(guān)的設(shè)備組件、在所有電源狀態(tài)和轉(zhuǎn)換中的負(fù)載電流，并且已知其固定的輸入和輸出供電電壓，脈沖寬度調(diào)制控制器2200可以保持關(guān)于各個(gè)供電電流狀態(tài)的電源占空比的值。脈沖寬度調(diào)制控制器2200可以保持在解碼邏輯配置中的或者存儲(chǔ)在寄存器或如塊2203A描述的存儲(chǔ)位置中的電源占空比值，并且因此針對(duì)每個(gè)電源狀態(tài)精確固定電源輸出。塊2203或2203A還可以包含上述的在轉(zhuǎn)換期間控制系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)的一部分或者全部。解碼器2208將總線2207上的分頻時(shí)鐘數(shù)與總線2205上的值進(jìn)行比較，通過(guò)在正確的時(shí)間時(shí)將脈沖信號(hào)2209置為有效來(lái)復(fù)位D觸發(fā)器2211而獲得正確的輸出電壓或階躍響應(yīng)，總線2205上的值表示對(duì)應(yīng)于當(dāng)前電源狀態(tài)的占空比值或者在轉(zhuǎn)換期間的標(biāo)度脈沖寬度。在塊2203A的輸出總線2204與到解碼器2208中的總線2205之間存在算術(shù)邏輯單元2203，根據(jù)與帶來(lái)從二元焊盤2201輸入的偏置值的總線2202的功能有關(guān)的參考美國(guó)專利6,940,189，該算術(shù)邏輯單元2203具有專用目的。本發(fā)明提供了一些可替代的實(shí)施例，其中該偏置的假定的使用針對(duì)存儲(chǔ)在塊2203A中的值來(lái)進(jìn)行校正，該值低估或者高估了設(shè)備組件或負(fù)載電流實(shí)際值。只要經(jīng)過(guò)憑實(shí)驗(yàn)地檢驗(yàn)，本發(fā)明就可以將這些偏置值用來(lái)補(bǔ)償任何階躍響應(yīng)或電源狀態(tài)，根據(jù)用于該控制設(shè)備的示例性的計(jì)算密集或存儲(chǔ)密集的實(shí)施例中的任何實(shí)施例的上述補(bǔ)償技術(shù)中的任何技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)n1、n2、ADE或|ΔTSet(m)|來(lái)進(jìn)行該補(bǔ)償。已知較小的偏差或省略、該偏置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的部分或完全的不實(shí)現(xiàn)不構(gòu)成實(shí)質(zhì)上的超出本發(fā)明范圍的偏離。
雖然到現(xiàn)在為止本發(fā)明的說(shuō)明書已經(jīng)討論了開環(huán)工作的布局，從提供附加系數(shù)的核心反饋塊2215到算術(shù)邏輯單元2203的總線2222可以閉合示例性系統(tǒng)的環(huán)路。考慮結(jié)構(gòu)視圖，到目前為止討論的所有組件必須從輸入電壓源汲取電力，但是核心反饋塊2215固有地必須從輸出電壓源汲取電力(換言之，在正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)中的核心電壓)以便精確地提供反饋。首先，在定時(shí)控制塊2216內(nèi)的鎖相環(huán)路采用來(lái)自振蕩器2214的時(shí)鐘輸出2212以產(chǎn)生更高頻率的數(shù)字時(shí)鐘2217，該數(shù)字時(shí)鐘2217使延遲脈沖控制器2219和延遲測(cè)量觸發(fā)器2218與脈沖寬度調(diào)制控制器2200同步。數(shù)字時(shí)鐘2217同時(shí)供給在數(shù)字核心中的其余的同步的應(yīng)用邏輯(未示出)，并且可以根據(jù)應(yīng)用而改變速度，并且因此影響整個(gè)正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)的電源狀態(tài)。延遲脈沖控制器2219控制提供脈沖的輸出2220，該脈沖傳播通過(guò)用緩沖器2221表示的延遲鏈，同時(shí)定時(shí)控制塊2216使用信號(hào)2223來(lái)確定延遲測(cè)量觸發(fā)器2218對(duì)延遲鏈緩沖器2221采樣的準(zhǔn)確時(shí)刻。因此，算術(shù)邏輯單元2203從總線2222接收由觸發(fā)器2218測(cè)得的、指出延遲鏈緩沖器2221的數(shù)目的矢量，來(lái)自控制器輸出2220的脈沖傳播通過(guò)該延遲鏈緩沖器2221。在總線2222上的該矢量可以以任何任意的格式存在時(shí)，算術(shù)邏輯單元2203對(duì)該矢量進(jìn)行解碼并且對(duì)該矢量與延遲的預(yù)期值進(jìn)行比較，該延遲的預(yù)期值保證對(duì)于在數(shù)字核心內(nèi)的其余的同步應(yīng)用邏輯在安全工作范圍內(nèi)的裕度。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以通過(guò)確定如設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具給出的數(shù)字核心內(nèi)的同步應(yīng)用邏輯中最長(zhǎng)的延遲路徑來(lái)發(fā)現(xiàn)該延遲的預(yù)期值，并且隨后將緩沖器2221的延遲鏈復(fù)制為該最大的核心應(yīng)用邏輯延遲路徑加上安全裕度的長(zhǎng)度的大約兩倍。本發(fā)明在此定義用于該傳播時(shí)間的系數(shù)ATP，其等于源于緩沖器2221的矢量除以核心應(yīng)用邏輯最大的延遲路徑預(yù)期值加裕度的和的比值。因此，對(duì)于例如在核心塊2215中描述的閉環(huán)反饋路徑，在將方程608或609應(yīng)用于控制設(shè)備的設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)將系數(shù)ATP作為方程610中的因子以產(chǎn)生TSet(p)≡AV(p)ADE(p)ATPTsw，可以實(shí)現(xiàn)用于正在發(fā)展中的示例性系統(tǒng)的完全的閉環(huán)控制布局。
最后，請(qǐng)注意，雖然本說(shuō)明書以機(jī)械的(rote)方式描述了本發(fā)明的應(yīng)用，但是任何自動(dòng)操作這些機(jī)械的程序的實(shí)施例不會(huì)脫離本發(fā)明的范圍和精神。例如，任何自動(dòng)操作上述的時(shí)域調(diào)整；對(duì)變量或系數(shù)n1、n2、AV、ADE、ATP、Tsw的產(chǎn)生或調(diào)節(jié)；指定或建?？刂圃O(shè)備的硬件描述語(yǔ)言(例如但是不限于VHDL、Verilog HDL或System C等等)的生成或改動(dòng)；脈沖寬度抖動(dòng)的產(chǎn)生；或者例如界定設(shè)備組件電容、電感、開關(guān)損耗、負(fù)載電流值的分析或蒙特卡羅分析的計(jì)算機(jī)程序、計(jì)算機(jī)腳本、電子表格、仿真工具或者其它設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具顯而易見地不存在實(shí)質(zhì)上的與本發(fā)明范圍和精神的偏離。
從本發(fā)明的上述描述中，本說(shuō)明書表明了用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的概念而不脫離其范圍的各種技術(shù)。此外，雖然本說(shuō)明書具體參考特定實(shí)施例來(lái)描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下進(jìn)行形式上的和細(xì)節(jié)上的改變。本說(shuō)明書提出的實(shí)施例在所有方面都只作為示例性的而非限制性的。各方必須理解，本說(shuō)明書并不將本發(fā)明限于先前描述的特定的實(shí)施例，而是聲明本發(fā)明在不脫離其范圍的情況下能夠進(jìn)行許多重新布置、修改、省略以及替換。
因此，已經(jīng)描述了產(chǎn)生近臨界阻尼階躍響應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制序列。
權(quán)利要求
1.一種控制系統(tǒng)，用于在脈沖寬度調(diào)制控制方案中向電路提供基本上臨界阻尼的階躍響應(yīng)，該控制系統(tǒng)包含
脈沖寬度調(diào)制電源，被配置為在脈沖寬度調(diào)制電源方案中提供電力；以及
控制模塊，被配置為基于供電電路和系統(tǒng)電路的預(yù)定義的模型來(lái)提供基本上臨界阻尼的階躍響應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中該階躍響應(yīng)在不需要電路反饋環(huán)路的情況下被提供。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中該控制模塊進(jìn)一步被配置為基于前階躍響應(yīng)功率電平和后階躍響應(yīng)期望的功率電平來(lái)提供基本上臨界阻尼的階躍響應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中該控制模塊基于根據(jù)該預(yù)定義的模型確定的系數(shù)來(lái)提供階躍響應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)，其中該階躍響應(yīng)的脈沖寬度根據(jù)該系數(shù)來(lái)確定。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)，進(jìn)一步包含計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被配置為基于該預(yù)定義的模型來(lái)確定系數(shù)。
7.被配置為基于實(shí)際的環(huán)境條件來(lái)調(diào)節(jié)所述系數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中該供電電路包含電源、電感器、電阻器和電容器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中該預(yù)先確定的模型包含理想的電路元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中該預(yù)先確定的模型包含非理想的電路元件。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中該控制模塊進(jìn)一步被配置為交替階躍響應(yīng)以提供精確的功率電平。
12.一種驅(qū)動(dòng)電源以在開環(huán)脈沖寬度調(diào)制控制方案中向電路提供基本上臨界阻尼的階躍響應(yīng)的方法，該方法包含如下步驟
定義電源的模型；
定義要被提供電力的電路的模型；
基于所述模型預(yù)先確定多個(gè)階躍響應(yīng)系數(shù)，該系數(shù)被配置為用于開環(huán)脈沖寬度調(diào)制控制方案；
使用所述預(yù)先確定的系數(shù)來(lái)控制該電源以向電路提供基本上臨界阻尼的階躍響應(yīng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中使用所述預(yù)先確定的系數(shù)來(lái)控制該電源以向電路提供基本上臨界阻尼的階躍響應(yīng)的步驟進(jìn)一步包含使用所述預(yù)先確定的系數(shù)來(lái)控制該電源以在不需要來(lái)自該電路的反饋的情況下對(duì)該電路提供基本上臨界阻尼的階躍響應(yīng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中預(yù)先確定多個(gè)系數(shù)的步驟進(jìn)一步包含預(yù)先確定對(duì)于期望的階躍響應(yīng)的多個(gè)系數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中使用所述預(yù)先確定的系數(shù)的步驟進(jìn)一步包含基于期望的階躍響應(yīng)來(lái)使用所述預(yù)先確定的系數(shù)的子集。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中定義電源和電路的模型的步驟進(jìn)一步包含定義電源和電路的非理想的模型。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中定義電源和電路的模型的步驟進(jìn)一步包含定義電源和電路的理想的模型。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包含基于實(shí)際的環(huán)境條件來(lái)補(bǔ)償該系數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中基于所述模型來(lái)預(yù)先確定多個(gè)系數(shù)的步驟包含使用自動(dòng)化的過(guò)程來(lái)預(yù)先確定該多個(gè)系數(shù)。
20.一種控制系統(tǒng)，包含
第一控制裝置，其包含具有或者模擬為具有電感、電容和功率開關(guān)能力的元件；
第二控制裝置，其包含脈沖寬度調(diào)制輸出裝置；
其中所述脈沖寬度調(diào)制裝置按指定的序列在系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間改變輸出脈沖的寬度，該指定的序列由針對(duì)所述電感和所述電容給出的時(shí)域臨界阻尼階躍響應(yīng)函數(shù)來(lái)標(biāo)度脈沖寬度。
21.一種控制系統(tǒng)，包含
第一控制裝置，其包含具有或者模擬為具有電感、電容和功率開關(guān)能力的元件；
第二控制裝置，其包含脈沖寬度調(diào)制輸出裝置；
其中所述脈沖寬度調(diào)制裝置按指定的序列在系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間改變輸出脈沖的寬度，該指定的序列首先在穩(wěn)態(tài)設(shè)定值下輸出脈沖以提供精確的功率的量來(lái)在所述第一控制裝置中啟動(dòng)近臨界阻尼階躍響應(yīng)，然后由針對(duì)所述電感和所述電容給出的時(shí)域臨界阻尼階躍響應(yīng)函數(shù)來(lái)標(biāo)度脈沖寬度。
22.一種控制系統(tǒng)，包含
第一控制裝置，其包含具有或者模擬為具有電感、電容和功率開關(guān)能力的元件；
第二控制裝置，其包含脈沖寬度調(diào)制輸出裝置；
其中所述脈沖寬度調(diào)制裝置按指定的序列在系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間改變輸出脈沖的寬度，該指定的序列由下列公式來(lái)標(biāo)度脈沖寬度
其中所述AV0是在所述控制系統(tǒng)的所述狀態(tài)轉(zhuǎn)換之后的所述第一控制裝置的穩(wěn)態(tài)增益；
其中所述ω0是所述第一控制裝置的以弧度/秒為單位的諧振頻率；
其中所述t是在所述狀態(tài)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)之后以秒為單位的時(shí)間；以及
其中所述e是等于數(shù)學(xué)上的自然對(duì)數(shù)的底的常數(shù)。
23.一種控制系統(tǒng)，包含
第一控制裝置，其包含具有或者模擬為具有電感、電容和功率開關(guān)能力的元件；
第二控制裝置，其包含脈沖寬度調(diào)制輸出裝置；
其中所述脈沖寬度調(diào)制裝置按指定的序列在系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間改變輸出脈沖的寬度，該指定的序列由下列公式來(lái)標(biāo)度脈沖寬度
其中所述ω0是所述第一控制裝置的以弧度/秒為單位的諧振頻率；
其中所述n是從所述狀態(tài)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)開始對(duì)開關(guān)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)的時(shí)間的離散指數(shù)；
其中所述n2是用于細(xì)調(diào)所述第一控制裝置對(duì)所述狀態(tài)轉(zhuǎn)換的響應(yīng)的離散變量；
其中所述Tsw是所述脈沖寬度調(diào)制裝置的以秒為單位的所述開關(guān)周期的時(shí)間；以及
其中所述e是等于數(shù)學(xué)上的自然對(duì)數(shù)的底的常數(shù)。
24.一種控制系統(tǒng)，包含
第一控制裝置，其包含具有或者模擬為具有電感、電容和功率開關(guān)能力的元件；
第二控制裝置，其包含脈沖寬度調(diào)制輸出裝置；
其中所述脈沖寬度調(diào)制裝置按指定的序列在系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間改變輸出脈沖的寬度，該指定的序列可以由下列函數(shù)來(lái)描述
其中所述xm(t)是描述在所述系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間從所述脈沖寬度調(diào)制裝置輸出的脈沖的時(shí)域函數(shù)，所述系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換由指數(shù)m唯一地確定；
其中所述Vsw是在功率已經(jīng)穿越所述第一控制裝置的所述開關(guān)元件的物理位置處的脈沖的振幅；
其中所述n是從與所述狀態(tài)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)一致的零值開始對(duì)開關(guān)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)的時(shí)間的離散指數(shù)；
其中所述N是與所述脈沖的寬度一致的所述開關(guān)周期的實(shí)際上限，所述脈沖已經(jīng)達(dá)到在所述脈沖寬度調(diào)制裝置精度內(nèi)的期望的設(shè)定值；
其中所述u(t)是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的作為單位階躍函數(shù)的數(shù)學(xué)手段；
其中所述t是以秒為單位的時(shí)間；
其中所述t0表示所述系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)時(shí)的任意時(shí)刻；
其中所述n1是表示從所述狀態(tài)轉(zhuǎn)換的所述啟動(dòng)開始的所述開關(guān)周期的數(shù)目的離散變量，在提供精確的功率的量以啟動(dòng)近臨界阻尼階躍響應(yīng)的裝置在所述第一控制裝置中出現(xiàn)時(shí)，在所述狀態(tài)轉(zhuǎn)換中所述脈沖初始假設(shè)它們的最終值；
其中所述Tsw是所述脈沖寬度調(diào)制裝置的以秒為單位的所述開關(guān)周期的時(shí)間；
其中所述TSet(p)是在對(duì)于由指數(shù)p唯一確定的系統(tǒng)電源狀態(tài)的期望的穩(wěn)態(tài)設(shè)定值期間脈沖寬度周期；
其中所述TSet(m)是在由指數(shù)m唯一確定的所述系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間在脈沖寬度周期上的變化，所述由指數(shù)m唯一確定的系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換是從由指數(shù)p唯一確定的所述系統(tǒng)電源狀態(tài)到由指數(shù)p+1唯一確定的系統(tǒng)電源狀態(tài)，從而所述TSet(m)等于TSet(p+1)減去TSet(p)；
其中所述ω0表示所述第一控制裝置的以弧度/秒為單位的諧振頻率；
其中所述n2是用于細(xì)調(diào)在所述狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間所述第一控制裝置的所述階躍響應(yīng)的離散變量；以及
其中所述e是等于數(shù)學(xué)上的自然對(duì)數(shù)的底的常數(shù)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的控制系統(tǒng)，其中所述脈沖寬度調(diào)制裝置包含閉環(huán)的布局；其中對(duì)于所述閉環(huán)布局的所述TSet(p)包含由以下函數(shù)給定的各種增益系數(shù)TSet(p)≡AV(p)ADE(p)ATPTsw
其中所述AV(p)是表示理想的穩(wěn)態(tài)增益的系數(shù)，其中假設(shè)對(duì)于每一個(gè)由指數(shù)p唯一確定的所述系統(tǒng)電源狀態(tài)沒(méi)有通過(guò)所述第一控制裝置的功率損失；其中所述ADE(p)是補(bǔ)償動(dòng)態(tài)誤差的系數(shù)，該動(dòng)態(tài)誤差由對(duì)于每一個(gè)由指數(shù)p唯一確定的所述系統(tǒng)電源狀態(tài)的來(lái)自所述開關(guān)元件中的非理想的物理行為的功率損失所引起；以及其中所述ATP是這樣的系數(shù)，即該系數(shù)包含在所述控制系統(tǒng)被用于控制到半導(dǎo)體核心的電力時(shí)，通過(guò)邏輯延遲鏈的實(shí)際傳播延遲相對(duì)于通過(guò)所述邏輯延遲鏈的期望的最壞情況傳播延遲加上安全裕度的比值。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的控制系統(tǒng)，其中所述脈沖寬度調(diào)制裝置包含改變所述n1或者所述n2以便補(bǔ)償與設(shè)計(jì)估計(jì)值的實(shí)際負(fù)載偏離的裝置。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的控制系統(tǒng)，其中所述脈沖寬度調(diào)制裝置包含改變所述n1或者所述n2以便補(bǔ)償與所述第一控制裝置內(nèi)的所述任何元件值的設(shè)計(jì)估計(jì)值相比的、在所述第一控制裝置內(nèi)的所述元件的任何實(shí)際值的偏差的裝置。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的控制系統(tǒng)，其中所述脈沖寬度調(diào)制裝置包含在短時(shí)間內(nèi)在兩個(gè)或更多相鄰的所述輸出脈沖之間交替以便得到在所述脈沖寬度調(diào)制裝置內(nèi)的普通的所述輸出脈沖寬度之間存在的更大精度的平均輸出脈沖寬度的裝置。
29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的控制系統(tǒng)，其中所述脈沖寬度改變項(xiàng)占用邏輯配置或存儲(chǔ)器的位置；其中所述位置的總數(shù)等于N+1-n1(min)；其中所述n1(min)是對(duì)于所有可能的所述狀態(tài)轉(zhuǎn)換來(lái)說(shuō)所述n1的最小值；以及其中每一個(gè)所述位置保存針對(duì)每一個(gè)所述Tsw周期估計(jì)的所述脈沖寬度改變項(xiàng)的值。
30.根據(jù)權(quán)利要求24所述的控制系統(tǒng)，其中所述TSet(m)作為幅度|TSet(m)|來(lái)占用存儲(chǔ)器或邏輯配置；以及其中所述脈沖寬度調(diào)制裝置添加或者減去所述幅度|TSet(m)|，以作為由于在脈沖寬度周期上的變化的相等幅度這樣的對(duì)稱狀態(tài)轉(zhuǎn)換而降低存儲(chǔ)器或邏輯需求的裝置。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的控制系統(tǒng)，其中至少一個(gè)所述幅度|TSett(m)|以及所述n1和所述n2占用存儲(chǔ)位置或邏輯配置；以及其中所述至少一個(gè)幅度|TSett(m)|以及所述n1和所述n2中的每一個(gè)應(yīng)用于至少一個(gè)所述xm(t)函數(shù)，所述xm(t)函數(shù)由指數(shù)m唯一地確定并且針對(duì)一個(gè)或多個(gè)所述狀態(tài)轉(zhuǎn)換從所述脈沖寬度調(diào)制裝置輸出。
32.根據(jù)權(quán)利要求24所述的控制系統(tǒng)，其中所述第一控制裝置包含開環(huán)布局；其中對(duì)于所述開環(huán)布局的所述TSet(p)包含由以下函數(shù)給定的各種增益系數(shù)TSet(p)≡AV(p)ADE(p)Tsw；其中所述AV(p)是表示理想的穩(wěn)態(tài)增益的系數(shù)，其中假設(shè)對(duì)于每一個(gè)由指數(shù)p唯一確定的所述系統(tǒng)電源狀態(tài)沒(méi)有通過(guò)所述第一控制裝置的功率損失；以及其中所述ADE(p)是補(bǔ)償動(dòng)態(tài)誤差的系數(shù)，該動(dòng)態(tài)誤差由對(duì)于每一個(gè)由指數(shù)p唯一確定的所述系統(tǒng)電源狀態(tài)的來(lái)自所述開關(guān)元件中的非理想物理行為的功率損失所引起。
33.一種計(jì)算機(jī)程序，其具有自動(dòng)操作根據(jù)權(quán)利要求32所述的所述控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析的裝置。
34.一種計(jì)算機(jī)程序，其具有自動(dòng)操作根據(jù)權(quán)利要求32所述的控制系統(tǒng)的所述元件、或所述離散變量或所述系數(shù)的選擇的裝置。
35.根據(jù)權(quán)利要求32所述的控制系統(tǒng)，其中所述脈沖寬度調(diào)制裝置包含改變所述n1或者所述n2或者所述ADE(p)以便補(bǔ)償與設(shè)計(jì)估計(jì)值的實(shí)際負(fù)載偏差的裝置。
36.一種計(jì)算機(jī)程序，其具有自動(dòng)操作根據(jù)權(quán)利要求35所述的控制系統(tǒng)的所述離散變量或者所述系數(shù)的所述改變的裝置。
37.根據(jù)權(quán)利要求32所述的控制系統(tǒng)，其中所述脈沖寬度調(diào)制裝置包含這樣的裝置，即所述裝置改變所述n1或者所述n2或者所述ADE(p)以便補(bǔ)償與所述第一控制裝置內(nèi)的所述任何元件值的設(shè)計(jì)估計(jì)值相比的在所述第一控制裝置內(nèi)的所述元件的任何實(shí)際值的偏差。
38.一種計(jì)算機(jī)程序，其具有自動(dòng)操作根據(jù)權(quán)利要求37所述的控制系統(tǒng)的所述離散變量或者所述系數(shù)的所述改變的裝置。
39.一種計(jì)算機(jī)程序，其具有自動(dòng)操作根據(jù)權(quán)利要求35所述的控制系統(tǒng)的所述元件、或所述離散變量或所述系數(shù)的選擇的裝置。
40.一種計(jì)算機(jī)程序，其具有自動(dòng)操作根據(jù)權(quán)利要求37所述的所述控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析的裝置。
全文摘要
一種數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的脈沖寬度調(diào)制控制在可以將其建模為二階或更高階系統(tǒng)的系統(tǒng)中傳輸?shù)碾娏ΑＪ纠缘目刂圃O(shè)備可以具體實(shí)現(xiàn)為降壓開關(guān)式電源，該開關(guān)式電源向各種負(fù)載中的任何負(fù)載提供精確的電壓或電流的序列，例如與其輸入/輸出環(huán)電壓相比唯一的半導(dǎo)體的核心電壓。一種算法產(chǎn)生具體的脈沖序列，該脈沖序列改變寬度使得從系統(tǒng)設(shè)備傳輸給負(fù)載的電壓或電流非常類似于臨界阻尼階躍響應(yīng)。該特定的脈沖寬度調(diào)制序列控制設(shè)備，該設(shè)備在一個(gè)實(shí)施例中在控制系統(tǒng)中沒(méi)有物理上具體實(shí)現(xiàn)的前饋或反饋環(huán)路的情況下提供近臨界阻尼階躍響應(yīng)，由此減少零件費(fèi)或管理半導(dǎo)體產(chǎn)品收得率成本而同時(shí)提高抗噪聲性和控制系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性。該特定的算法表現(xiàn)出對(duì)輸出負(fù)載上百分之二十或更大的變化或者控制設(shè)備元件參數(shù)上百分之十或更大的變化的容忍度，因此在實(shí)際參數(shù)值偏離初始估計(jì)值時(shí)保持近臨界阻尼階躍響應(yīng)特性。
文檔編號(hào)G05B11/28GK101606109SQ200780044950
公開日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2007年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月13日
發(fā)明者A·R·吉察拉 申請(qǐng)人:Ipower控股有限責(zé)任公司