用于控制過(guò)程變量的控制器和方法以及包括功率供應(yīng)和控制器的功率供應(yīng)電路的制作方法
【專利摘要】一種用于控制過(guò)程變量(202)的控制器(100;200)包括被配置成接收反饋信號(hào)的輸入接口(102),所述反饋信號(hào)指示要被控制的過(guò)程變量(202)和針對(duì)過(guò)程變量的設(shè)定點(diǎn)(104)之間的誤差。至少第一積分器(108)被配置成使用依賴于反饋信號(hào)的積分器輸入信號(hào)而導(dǎo)出累積誤差信號(hào);并且具有預(yù)定諧振頻率的至少一個(gè)諧振器被配置成使用依賴于反饋信號(hào)的諧振器輸入信號(hào)提供諧振器輸出信號(hào)。輸出接口(130)被配置成提供用于影響過(guò)程變量(202)的操作信號(hào),所述操作信號(hào)是使用累積誤差信號(hào)和諧振器輸出信號(hào)導(dǎo)出的。
【專利說(shuō)明】用于控制過(guò)程變量的控制器和方法以及包括功率供應(yīng)和控 制器的功率供應(yīng)電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本文所述的實(shí)例涉及用于控制過(guò)程變量(processvariable)的控制器以及用于 控制過(guò)程變量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 需要用于控制過(guò)程變量的控制器的應(yīng)用是多種多樣的。例如,閉環(huán)控制器可用于 控制為功率放大器供電的功率供應(yīng)的輸出電壓。由功率放大器拉出的電流與動(dòng)態(tài)改變并 因此具有寬帶頻譜的其當(dāng)前的輸入/輸出功率有關(guān)。繼而,交流電流對(duì)功率供應(yīng)的輸出電 壓進(jìn)行調(diào)制,因?yàn)樗妮敵鲎杩共皇遣淮_定地低。為了避免輸出電壓不合期望的下降,例如 閉環(huán)控制器的控制器可用于動(dòng)態(tài)地控制由功率供應(yīng)提供的輸出電壓。為了避免將附加噪聲 引入到由例如移動(dòng)通信射頻(RF)放大器的功率放大器提供的輸出信號(hào)中,功率供應(yīng)在需要 低噪聲的頻帶中應(yīng)當(dāng)具有低阻抗,或者由功率供應(yīng)引入的噪聲分量應(yīng)當(dāng)在這些頻帶中被消 除。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0003] 下面將僅通過(guò)實(shí)例并參照附圖描述裝置和/或方法的一些示例,其中: 圖1示出用于控制過(guò)程變量的控制器的示例; 圖2示出圖1的控制器的噪聲特性的圖示; 圖3示出傳統(tǒng)控制器及其相關(guān)聯(lián)的噪聲特性; 圖4示出包括由控制器控制的功率供應(yīng)的功率供應(yīng)電路的示例; 圖5示出傳統(tǒng)功率供應(yīng)的示例; 圖6示出另外的傳統(tǒng)功率供應(yīng); 圖7示出功率供應(yīng)電路的另外的示例; 圖8示出功率供應(yīng)電路的另外的示例; 圖9示出功率供應(yīng)電路的另外的示例; 圖10示出用于控制過(guò)程變量的方法的示例的示意圖; 圖11示出用于提供系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述的模型的控制器和功率供應(yīng)的示例的示意圖; 圖12詳細(xì)示出圖11的功率供應(yīng)的濾波器電路; 圖13圖示時(shí)間離散域中的圖11的配置; 圖14示出時(shí)間離散域中的功率供應(yīng)電路的示例; 圖15示出時(shí)間離散域中的另外的示例;以及 圖16示出功率供應(yīng)電路的示例的噪聲特性的仿真結(jié)果;以及 圖17示出移動(dòng)電信設(shè)備的示例。
【具體實(shí)施方式】
[0004] 現(xiàn)在將參考附圖更充分地描述各種示例性示例,在所述附圖中圖示了一些示例性 示例。在圖中,為了清楚,可夸大線、層和/或區(qū)域的厚度。
[0005] 因此,雖然示例性示例能夠有各種修改和可替換形式,但其示例以示例的方式在 圖中示出,并且將在本文中被詳細(xì)描述。然而,應(yīng)當(dāng)理解的是:并非旨在將示例性示例限制 到公開(kāi)的特定形式,而是相反,示例性示例將涵蓋落入本公開(kāi)范圍之內(nèi)的所有修改、等同物 和替代物。相同的附圖標(biāo)記在圖的整個(gè)說(shuō)明中指代相同或類似的元件。
[0006] 應(yīng)該理解的是,當(dāng)元件被稱為"連接"或"耦合"到另一個(gè)元件時(shí),它可以直接連接 或耦合到另一個(gè)元件,或者可能存在中間元件。作為對(duì)比,當(dāng)元件被稱為"直接連接"或"直 接耦合"到另一個(gè)元件時(shí),不存在中間元件。應(yīng)該以類似的方式解釋用于描述元件之間關(guān)系 的其它詞語(yǔ)(例如"在…之間"與"直接在…之間","相鄰"與"直接相鄰"等)。
[0007] 本文所用的術(shù)語(yǔ)僅用于描述特定示例的目的,并不旨在限制示例性示例。正如本 文所使用,單數(shù)形式"一"、"一個(gè)"和"該"旨在也包括復(fù)數(shù)形式,除非上下文以其它方式明確 指示。應(yīng)該進(jìn)一步理解的是,當(dāng)在本文中使用時(shí),術(shù)語(yǔ)"由…組成"、"由…構(gòu)成"、"包括"和 /或"包含"指定存在所陳述的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件,但不排除存在或附 加一個(gè)或多個(gè)其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件和/或它們的組。
[0008] 除非以其它方式定義,否則本文所使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具 有和示例所屬的領(lǐng)域中普通技術(shù)人員通常理解的相同的含義。應(yīng)進(jìn)一步理解的是,術(shù)語(yǔ)(例 如在通常使用的字典中定義的那些術(shù)語(yǔ))應(yīng)該被解釋為具有和相關(guān)技術(shù)的上下文中的它們 的含義一致的含義,并且將不以理想化或過(guò)于正式的意義解釋,除非本文中如此清楚地定 義。
[0009] 在下文中論述用于控制由另外的設(shè)備生成或輸出的過(guò)程變量或量(quantity)的 控制器的一些示例。這些應(yīng)用是不同的。例如,諸如蜂窩電話之類的移動(dòng)設(shè)備中的包絡(luò)跟 蹤射頻(RF)功率放大器可能需要跟蹤功率放大器(PA)的瞬時(shí)輸出功率的功率供應(yīng)。那些 RF功率放大器可能是移動(dòng)設(shè)備中最功率消耗的部件。為了降低功耗,可使用包絡(luò)跟蹤,這依 賴于用于具有高效率的功率放大器的可調(diào)功率供應(yīng)。例如,85%以上的功率供應(yīng)效率以及 至少兩倍的發(fā)射帶寬和離載波頻率或傳輸頻帶的預(yù)定義頻譜距離處的低本底噪聲(noise floor)可能是合期望的。此外,當(dāng)它們將用于移動(dòng)設(shè)備中時(shí),用于向功率放大器提供操作電 壓或功率的功率供應(yīng)應(yīng)當(dāng)是成本效益的且尺寸小。
[0010] 為了節(jié)省功率,可提供指定最小可接受的但足夠量的輸出功率的包絡(luò)信號(hào)。包絡(luò) 信號(hào)例如可以由移動(dòng)電信網(wǎng)絡(luò)的基站提供或由移動(dòng)設(shè)備本身的某個(gè)內(nèi)部邏輯提供。因此, 移動(dòng)設(shè)備中功率放大器的功率供應(yīng)通常由控制器控制,以便確保功率放大器的當(dāng)前輸出以 高精確度跟隨期望的包絡(luò)。然而,由功率供應(yīng)或控制器本身生成的噪聲直接從功率供應(yīng)耦 合到射頻放大器,使得功率供應(yīng)本身在由將被滿足的特定規(guī)范所給出的某些預(yù)定義頻帶處 也應(yīng)是低噪聲的,使得發(fā)射器作為整體滿足期望的譜依從性(compliance)。僅作為示例,在 長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中,在相對(duì)于接收器頻帶所在的載波頻率例如從30MHz至400MHz 的頻譜距離處噪聲電平應(yīng)當(dāng)非常低。
[0011] 這是對(duì)提供具有低噪聲特性的用于控制過(guò)程變量的解決方案的期望。
[0012] 通過(guò)將具有預(yù)定諧振頻率的諧振器包含為控制器內(nèi)的元件,例如在其控制環(huán)路 內(nèi),用于控制過(guò)程變量的控制器的示例可實(shí)現(xiàn)受控過(guò)程變量的特定的預(yù)定頻率處的低噪聲 電平。
[0013] 圖1示出用于控制過(guò)程變量的控制器100的示例。出于更好地理解控制器的目的, 圖1通過(guò)噪聲源204代替將由控制器控制的設(shè)備,以便能夠注意于控制器的噪聲特性及其 噪聲抑制能力。生成的噪聲疊加到通過(guò)控制器1〇〇控制的過(guò)程變量202。過(guò)程變量202的 特定示例將是用于射頻放大器或用于任何其它功率消耗設(shè)備的供應(yīng)電壓??刂破?00包括 被適配成接收反饋信號(hào)的輸入接口 102,該反饋信號(hào)指示要被控制的過(guò)程變量和針對(duì)過(guò)程 變量的設(shè)定點(diǎn)(setpoint)之間的誤差。在這個(gè)特定的實(shí)現(xiàn)方式中,反饋信號(hào)由生成的過(guò) 程變量本身的副本提供,例如通過(guò)反饋功率供應(yīng)的輸出電壓。設(shè)定點(diǎn)例如可被存儲(chǔ)為控制 器內(nèi)的固定設(shè)定點(diǎn)量104,正如圖1中指示。然而,另外的示例還可包括用于設(shè)定點(diǎn)的可選 的輸入接口 106,使得設(shè)定點(diǎn)可由另外的外部實(shí)體或設(shè)備控制或給出??刂破?00內(nèi)的第一 積分器108用來(lái)使用依賴于反饋信號(hào)的積分器輸入信號(hào)110而導(dǎo)出累積誤差信號(hào)。在圖1 的特定示例中,通過(guò)加法器112生成誤差信號(hào),從由第一縮放器(scaler)114生成的第一縮 放的反饋信號(hào)減去設(shè)定點(diǎn)104,以便導(dǎo)出依賴于過(guò)程變量202和針對(duì)過(guò)程變量202的設(shè)定點(diǎn) 104之間誤差的信號(hào),所述第一縮放器114可操作以按第一縮放參數(shù)(ai)縮放反饋信號(hào)。
[0014] 然而,根據(jù)另外的示例,可以其它方式生成誤差信號(hào),例如在控制器100的外部, 使得誤差信號(hào)還可能被直接提供給用于接收反饋信號(hào)102的輸入接口。生成誤差信號(hào)的任 意的另外的方式還可用于實(shí)現(xiàn)相同或相似的結(jié)果??刂破?00還包括具有預(yù)定諧振頻率的 至少一個(gè)諧振器120,至少一個(gè)諧振器120被適配成使用依賴于反饋信號(hào)的諧振器輸入信 號(hào)而提供諧振器輸出信號(hào)。
[0015] 在圖1的示例中,諧振器120包括第二積分器122和反饋環(huán)路,所述第二積分器 122具有耦合到第三積分器124的輸入的輸出,所述反饋環(huán)路耦合在第三積分器124的輸出 和第二積分器122的輸入之間,所述反饋環(huán)路至少包括被適配成按第一反饋參數(shù)(gl)縮放 第三積分器(124)的輸出的信號(hào)的第一反饋縮放器125。第一反饋參數(shù)可用于改變諧振器 120的預(yù)定參考頻率。第二縮放器126被適配成按第二預(yù)定縮放參數(shù)(a2)縮放反饋信號(hào)以 通過(guò)第二加法器128提供第二縮放的反饋信號(hào)作為對(duì)第二積分器122的第二積分器輸入信 號(hào)的貢獻(xiàn)(contribution)。諧振器120還包括第三縮放器127,其被適配成按第三預(yù)定縮 放參數(shù)(a3)縮放反饋信號(hào)以通過(guò)第三加法器129提供第三縮放的反饋信號(hào)作為對(duì)第三積分 器124的第三積分器輸入信號(hào)的貢獻(xiàn)。
[0016] 控制器100還包括輸出接口 130,其被適配成提供用于影響過(guò)程變量202生成的操 作信號(hào),操作信號(hào)是使用累積誤差信號(hào)和諧振器輸出信號(hào)導(dǎo)出的。
[0017] 關(guān)于控制器100的另外的部件,應(yīng)注意的是,那些部件可以任何任意的技術(shù)來(lái)實(shí) 現(xiàn),在模擬域或數(shù)字域中。例如,當(dāng)在模擬域中實(shí)現(xiàn)時(shí),可以使用開(kāi)關(guān)(switching)電容器 積分器和放大器實(shí)現(xiàn)積分器108、122和124,而可在該情況下使用傳統(tǒng)的RLC-電路等來(lái)實(shí) 現(xiàn)諧振器。當(dāng)在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)時(shí),可通過(guò)數(shù)值計(jì)算等實(shí)現(xiàn)積分和諧振屬性。
[0018] 類似地,操作信號(hào)(manipulationsignal)可直接用于影響或引導(dǎo)受控設(shè)備,或者 它可被預(yù)先轉(zhuǎn)移到不同的域中,即從模擬到數(shù)字或反之亦然。
[0019] 通過(guò)將諧振器120包含到控制器100內(nèi)的反饋環(huán)路內(nèi),可高效地抑制在等于或接 近于諧振器120的預(yù)定諧振頻率的頻率處的噪聲生成免于進(jìn)入到受控過(guò)程變量202。在諧 振頻率處或接近諧振頻率處出現(xiàn)噪聲的情況下,諧振器將生成強(qiáng)響應(yīng),導(dǎo)致諧振器輸出信 號(hào)對(duì)操作信號(hào)的高貢獻(xiàn),因此導(dǎo)致操作信號(hào)118的相當(dāng)強(qiáng)的變化。強(qiáng)響應(yīng)在這個(gè)意義上可 被理解為具有大于激勵(lì)信號(hào)幅度的幅度的諧振器輸出信號(hào)。在過(guò)程變量?jī)?nèi)出現(xiàn)接近諧振頻 率的頻率分量的情況下,那些頻率分量因此可通過(guò)控制器100本身而被高效地抑制。在過(guò) 程變量202的信號(hào)路徑中的附加的傳統(tǒng)電路可能變成被放棄。因此,與傳統(tǒng)方法相比,噪聲 抑制不僅可以變得更高效,而且更便宜且需要更少的空間和組件,例如,這將在下面關(guān)于圖 3、5和6來(lái)論述。
[0020] 為了在預(yù)定諧振頻率處實(shí)現(xiàn)高效的噪聲抑制,可選地可以使用附加的移相器向諧 振器反饋信號(hào)114施加相移,使得諧振器的反饋環(huán)路內(nèi)的總相移總計(jì)達(dá)180°。在該情況 下,在這種特定頻率處的噪聲出現(xiàn)被很大程度地抑制。提到180°的相移確實(shí)還包括小偏 差,由于電路部件的變化的特性,小偏差可能是不可避免的,諸如例如依賴于溫度的變化或 在生產(chǎn)過(guò)程期間出現(xiàn)的變化,這在半導(dǎo)體生產(chǎn)中是常見(jiàn)的。為此,180°的相移例如還可包 括大約180°的相移,例如在170°至190°的范圍之間,160°到200°的范圍之間等。
[0021] 在圖1的示例中,1880°的相移通過(guò)諧振器實(shí)現(xiàn)方式來(lái)固有地獲得,所述諧振器 實(shí)現(xiàn)方式包括第二積分器122、第三積分器124、加法器128和加法器129。此特定實(shí)施方式 針對(duì)經(jīng)由第一反饋縮放器125反饋的信號(hào)自動(dòng)提供180°的相移,因?yàn)槊總€(gè)單獨(dú)的積分器 提供90°的相移,相加達(dá)到期望的總的180°的相移。
[0022] 控制器100還示出可選的設(shè)定點(diǎn)輸入接口 106,該設(shè)定點(diǎn)輸入接口被適配成接收 可以在模擬域或數(shù)字域二者中的外部提供的設(shè)定點(diǎn)信號(hào)132。設(shè)定點(diǎn)信號(hào)132指示針對(duì)過(guò) 程變量202的合期望的設(shè)定點(diǎn),并且通常是緩慢變化的平滑信號(hào)。換句話說(shuō),設(shè)定點(diǎn)信號(hào) 132指示應(yīng)當(dāng)控制過(guò)程變量202的什么量或什么屬性,即過(guò)程變量202的期望的值。
[0023] 圖2圖示控制器100的控制環(huán)路的增益特性以及對(duì)應(yīng)的噪聲特性。在圖2中所示 的第一曲線圖210中,以定性方式并因此以任意數(shù)字給出控制環(huán)路的環(huán)路增益的頻率依賴 性。環(huán)路增益以_20dB/dec的斜率從DC頻率下降(rolloff),直到它達(dá)到諧振器120的諧 振頻率211,由于存在被調(diào)諧到該頻率的控制器100的反饋環(huán)路中的諧振器120,其中環(huán)路 增益在原理上再次最高達(dá)無(wú)限增益。在諧振頻率211之后,增益以三階濾波器的-60dB/dec 的斜率降低。圖示噪聲特性的噪聲傳遞函數(shù)在圖2的另外的曲線圖212中示出。噪聲傳遞 函數(shù)是環(huán)路增益的倒數(shù),因此從理想化的視角看,在DC和諧振頻率211二者處具有無(wú)限增
[0024] -般而言,控制器的示例可使用累積誤差信號(hào)而確定生成的操作信號(hào)的第一部 分,并使用諧振器的輸出信號(hào)確定生成的操作信號(hào)的第二部分。這可能允許考慮實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定 性的誤差信號(hào)累積以及用操作信號(hào)的特別強(qiáng)的變化有效抑制噪聲貢獻(xiàn)的強(qiáng)響應(yīng)二者,這可 能發(fā)生,也可能在相當(dāng)短的時(shí)間尺度上消失。
[0025] 為了比較的目的,圖3圖示傳統(tǒng)控制器300的環(huán)路增益和噪聲傳遞函數(shù),傳統(tǒng)控制 器300在控制環(huán)路中具有一個(gè)積分器302,控制環(huán)路例如在圖5和6中所示的傳統(tǒng)功率供應(yīng) 中使用。噪聲生成再次由虛擬噪聲源304所示。傳統(tǒng)控制器300包括單個(gè)積分器302和加 法器306,以考慮控制環(huán)路內(nèi)的反饋信號(hào),正如圖3所示。類似于圖2,環(huán)路增益的頻率響應(yīng) 在圖3的右邊被示為具有對(duì)應(yīng)于具有單個(gè)極點(diǎn)(pole)的濾波器的20dB/dec的斜率的第一 曲線圖308。當(dāng)例如被功率供應(yīng)包含時(shí),由于數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器的量化噪聲,或者通過(guò)由 控制器300控制的設(shè)備所生成的信號(hào)的調(diào)制,噪聲還可被傳統(tǒng)控制環(huán)路300的環(huán)路結(jié)構(gòu)衰 減。在給定頻率處的衰減量,即噪聲傳遞函數(shù),示于圖310中,其也具有20dB/dec的斜率。在該環(huán)路的帶寬周圍的頻率處,噪聲的衰減已經(jīng)大致為OdB。通常,可以假設(shè)在某一頻率處 的噪聲與環(huán)路的帶寬成比例。然而,如果這樣的控制器用于控制例如移動(dòng)設(shè)備的DC-DC轉(zhuǎn) 換器,則該帶寬被限制為脈沖寬度調(diào)制器(PWM)的開(kāi)關(guān)頻率,并因此這樣的結(jié)構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)針 對(duì)超過(guò)大約30MHz的頻率或頻帶的低噪聲。
[0026] 例如在具有功率供應(yīng)的應(yīng)用中,控制器100的示例可以顯露其好處在于:在受控 過(guò)程變量?jī)?nèi)(即在提供給放大器的功率供應(yīng)的供應(yīng)電壓內(nèi))的噪聲分量也可在主要由諧振 器的諧振頻率給出的高頻處被抑制。
[0027] 在圖4中更詳細(xì)地圖示控制功率供應(yīng)的供應(yīng)電壓生成的控制器100的示例的應(yīng) 用。圖4示出一起在功率供應(yīng)電路600的原理圖內(nèi)的控制器200的示例,所述功率供應(yīng)電 路600包括用于為射頻放大器500 (RFPA)提供dc供應(yīng)電壓510的功率供應(yīng)400。功率供 應(yīng)電路600包括控制器200和可調(diào)功率供應(yīng)400的示例。
[0028] 已經(jīng)結(jié)合圖1論述了控制器200的大部分部件,以使得控制器的基本部件的重復(fù) 描述被省略。代替地,參考關(guān)于那些部件的功能的解釋的圖1。圖4的可調(diào)功率供應(yīng)400是 包括脈沖寬度調(diào)制器402 (PWM)和驅(qū)動(dòng)器電路404的開(kāi)關(guān)功率供應(yīng)或DC-DC轉(zhuǎn)換器。在依 賴于由脈沖寬度調(diào)制電路402提供的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的占空比的時(shí)刻期間,驅(qū)動(dòng)器電路 404被適配成向功率供應(yīng)400的輸出接口406提供系統(tǒng)供應(yīng)電壓。也就是說(shuō),例如,在當(dāng)脈 沖寬度調(diào)制的信號(hào)為"高"時(shí),系統(tǒng)供應(yīng)電壓可被切換到輸出接口406,而驅(qū)動(dòng)器電路404在 占空比的剩余部分內(nèi)不供應(yīng)電壓。在圖4的特定示例中,功率供應(yīng)400還包括在其輸出處 的低通濾波器,以便在功率供應(yīng)的輸出處抑制PWM中包含的開(kāi)關(guān)紋波。為此,至少一個(gè)電容 器408耦合在輸出接口406和例如地的參考電位之間。LC濾波器的附加電感410用作相同 的目的。
[0029] 除了圖2所示的控制器的三個(gè)加法器之外,圖4的控制器200還包括控制環(huán)路內(nèi) 的第四加法器140,用于經(jīng)由第四縮放器142 (a4)向操作信號(hào)118添加反饋信號(hào)的縮放表 示。這可被理解為向控制環(huán)路添加比例分量,以使得積分器108提供基于誤差信號(hào)的積分 分量(I)的控制反饋,提供諧振分量的諧振器120以及加法器140用作向反饋(即向操作信 號(hào)118的導(dǎo)出)添加比例分量(P)??刂破?00包括被適配成接收另外的反饋信號(hào)的另外 的輸入接口144。正如圖4中所示,功率供應(yīng)電路600的另外的反饋信號(hào)是從電容器408 上的電流導(dǎo)出的,因此還指示過(guò)程變量之間的誤差,即供應(yīng)電壓510和用于所述電壓的設(shè) 定點(diǎn)之間。另外的反饋信號(hào)通過(guò)第五縮放器146 (a5)而被縮放,并通過(guò)加法器140而被添 力口。為此,來(lái)自電容器408上電流的另外的反饋信號(hào)的導(dǎo)出可向操作信號(hào)的導(dǎo)出提供導(dǎo)數(shù) (derivative)分量(D)??刂齐娐?00因此還可被看作是考慮過(guò)程變量的比例(P)、積分 (I)和導(dǎo)數(shù)(D)分量以及諧振分量的PID控制器,以便導(dǎo)出適當(dāng)?shù)牟僮餍盘?hào)118。為了能夠 通過(guò)操作信號(hào)118調(diào)節(jié)功率供應(yīng)400的輸出電壓510,由控制器200生成的操作信號(hào)被提供 給功率供應(yīng)400的控制輸入接口。
[0030] 從電容器408上的電流生成另外的反饋信號(hào)可具有以下益處:這直接提供依賴于 過(guò)程變量的導(dǎo)數(shù)(即功率供應(yīng)400的輸出電壓510的導(dǎo)數(shù))的反饋。這可能是特別有利的, 因?yàn)閷?dǎo)數(shù)分量對(duì)噪聲敏感,并因此其在傳統(tǒng)PID控制器中的使用可能導(dǎo)致不穩(wěn)定性。然而, 接收如圖4所指示的另外的反饋信號(hào)避免生成控制器本身內(nèi)的反饋信號(hào)的導(dǎo)數(shù)的必要性 并代替地使用本質(zhì)上指示輸出電壓510的導(dǎo)數(shù)的信號(hào)。因此,可以使用該信號(hào)分量而不遇 到控制環(huán)路內(nèi)的不穩(wěn)定性的危險(xiǎn)。
[0031] 使用如圖4所示的功率供應(yīng)電路并使用根據(jù)示例的控制器200可避免噪聲分量包 含到具有高效率的射頻放大器500的輸出,并且無(wú)需附加電路。出于比較的原因,在圖5和 6中示出傳統(tǒng)功率供應(yīng)電路。如圖5所示的DC-DC轉(zhuǎn)換器或功率供應(yīng)傳統(tǒng)上用作用于包絡(luò) 跟蹤射頻放大器500的功率供應(yīng)。包絡(luò)信號(hào),即針對(duì)控制器的設(shè)定點(diǎn),被輸入到包含如圖3 所示的傳統(tǒng)反饋環(huán)路的PID控制器700中。根據(jù)傳統(tǒng)方法,從功率供應(yīng)400輸出的供應(yīng)電 壓被復(fù)制到PID控制器700,作為反饋信號(hào)。雖然整體結(jié)構(gòu)可提供良好的效率,但不能夠衰 減在接近和高于帶寬的頻率范圍處的噪聲,正如已經(jīng)關(guān)于示出PID控制器700的閉環(huán)控制 的圖3解釋的。
[0032] 如前詳盡闡述,根據(jù)一些示例的控制器200的示例的包含或功率供應(yīng)電路600的 使用可提供噪聲抑制能力,而不必使用根據(jù)圖6的另外的傳統(tǒng)方法中的另外的電路。圖6 圖示功率供應(yīng)電路,其中使用有效地短路預(yù)定頻率的噪聲的附加電路(即陷波(notch)或緩 沖器(snubber)濾波器電路452)來(lái)消除可能通過(guò)功率供應(yīng)450引入的噪聲。在圖6的功 率供應(yīng)電路中(其還可用于包絡(luò)跟蹤射頻功率放大器500)還進(jìn)一步建議通過(guò)附加包含線性 運(yùn)算放大器454而實(shí)現(xiàn)高帶寬,以擴(kuò)展DC-DC轉(zhuǎn)換器或功率供應(yīng)450的能力。流出和流入 運(yùn)算放大器454的電流456被測(cè)量并被饋送到DC-DC轉(zhuǎn)換器或功率供應(yīng)450的控制環(huán)路, 即反饋到其控制器700。控制器700用于確保:運(yùn)算放大器454遞送零電流到在靜態(tài)條件 的負(fù)載,其中負(fù)載電流由DC-DC轉(zhuǎn)換器450提供。由占據(jù)負(fù)載電流大多數(shù)的DC-DC轉(zhuǎn)換器 450主導(dǎo)的整體效率可能高,而主要由線性運(yùn)算放大器確定的帶寬與單獨(dú)使用DC-DC轉(zhuǎn)換 器相比可能被增強(qiáng)十分之幾的兆赫茲。然而,為了在某一預(yù)定義的頻帶處實(shí)現(xiàn)低噪聲,需要 附加的LC緩沖器或陷波電路452以提供低阻抗并消除該頻帶處的信號(hào)。然而,需要用消耗 附加空間的外部SMD部件實(shí)現(xiàn)緩沖器電路452的電感器和電容器,所述附加空間在具有有 限大小和空間的移動(dòng)設(shè)備中可能是不可接受的。此外,通過(guò)包含故障的附加可能點(diǎn),它們?cè)?加了系統(tǒng)復(fù)雜性、成本和可靠性。這種方法的另外的問(wèn)題是:在此結(jié)構(gòu)中使用的放大器進(jìn)一 步限制整體效率。運(yùn)算放大器454的輸出級(jí)需要承受電壓擺動(dòng),使得其設(shè)計(jì)困難,特別是關(guān) 于所需要的可靠性。
[0033] 通過(guò)使用例如圖4所示的功率供應(yīng)電路,可在預(yù)定諧振頻率處或附近以高效率且 在不需要包含任何附加的設(shè)備或復(fù)雜電路的情況下抑制噪聲,不過(guò)仍然提供噪聲的高度抑 制。
[0034]總的來(lái)說(shuō),之前論述的示例使用環(huán)路濾波器,有時(shí)是高階的,以獲得過(guò)程變量?jī)?nèi)或 在DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出處的失真和噪聲的高度抑制。諧振器用于消除在預(yù)定諧振頻率處的噪 聲和失真,該預(yù)定諧振頻率還可能在DC-DC轉(zhuǎn)換器的傳輸帶寬外。根據(jù)一些示例,在DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸出處的LC濾波器也可被包含到控制環(huán)路中,使得能夠獲得用于噪聲整形的高帶 寬和靈活性,例如通過(guò)還考慮控制環(huán)路內(nèi)的導(dǎo)數(shù)分量。也就是說(shuō),那些示例在某種程度上還 可允許預(yù)測(cè)過(guò)程變量的變化,而不遇到變得不穩(wěn)定的危險(xiǎn)。
[0035]圖7至9示出包括控制器200和功率供應(yīng)400的功率供應(yīng)電路600的另外的示例。 因?yàn)檫@些示例基于如已經(jīng)關(guān)于圖1和4闡述的一般考慮,所以在下面的段落中將僅僅簡(jiǎn)短 論述圖7至9的示例的新部件。
[0036] 圖7至9的示例的功率供應(yīng)400包括兩個(gè)LC濾波器432和434,以便更高程度地 對(duì)由驅(qū)動(dòng)器電路404提供的信號(hào)進(jìn)行濾波,并且可能更加好地符合針對(duì)功率供應(yīng)400所饋 送的射頻放大器500而建立的頻譜要求。
[0037] 這使得能夠?qū)蓚€(gè)另外的反饋信號(hào)饋送到控制器200,即控制器200具有第三輸 入接口 160和第四輸入接口 162,第三輸入接口 160被適配成接收第一LC濾波器432之后 的電壓作為第三反饋信號(hào),第四輸入接口 162被適配成接收依賴于流過(guò)第一LC濾波器432 的電容器的電流的信號(hào),作為指示過(guò)程變量和設(shè)定點(diǎn)之間誤差的第四反饋信號(hào)。
[0038] 類似于圖4的示例,反饋信號(hào)由關(guān)聯(lián)的縮放器142 (a9) 146 (a8)、164 (a7)和166 (a6)縮放,而其縮放表示最終由加法器140求和。
[0039] 通過(guò)將兩個(gè)附加的積分器172和174添加到具有預(yù)定的第二諧振頻率的第二諧振 器176內(nèi)的控制環(huán)路中而增加控制環(huán)路的階。也就是說(shuō),第二諧振器176存在于圖7和8 的控制器200的控制環(huán)路內(nèi)。類似于用于第一諧振器的積分器122和124的反饋信號(hào)的縮 放,另外的縮放器178 (a4)和180 (a5)被包含,以便向積分器172和174的積分器輸入提 供如從輸入接口 102接收的縮放的反饋信號(hào)??刂骗h(huán)路內(nèi)第二諧振器電路176的包含可提 供使得頻率范圍或帶寬更寬的可能性,在該頻率范圍或帶寬內(nèi),噪聲由控制器的示例有效 地抑制。例如,如果諧振器120和176的諧振頻率彼此接近,在其中噪聲信號(hào)的抑制是有效 的帶寬可大約被加倍。原則上,控制環(huán)路中諧振器的數(shù)量可被調(diào)整到特定的要求,甚至變成 任意商。
[0040] 雖然積分器124U74和108根據(jù)圖7的積分器的時(shí)間離散表示而包含一個(gè)采樣的 附加延遲,但可在沒(méi)有附加延遲的情況下或通過(guò)包含更多數(shù)量的采樣的延遲而實(shí)現(xiàn)另外的 示例。
[0041] 圖7和圖8的示例之間的主要區(qū)別在于圖7的示例在模擬域內(nèi)實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō), 控制器200和LC-LC濾波器(即LC濾波器432和434)的參數(shù)的狀態(tài)變量反饋用模擬電路 實(shí)現(xiàn),例如使用開(kāi)關(guān)電容器積分器和放大器。輸出信號(hào),即在輸出接口 116處提供的操作信 號(hào),用作去往PWM發(fā)生器402的輸入。由可調(diào)功率供應(yīng)400的控制輸入接口接收的操作信 號(hào)與內(nèi)部斜坡信號(hào)比較,以便生成具有與輸入信號(hào)成比例的占空比的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。
[0042] 作為對(duì)比,圖8的示例至少部分地在數(shù)字域內(nèi)實(shí)現(xiàn)。特別地,五階控制器部分190 用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。因此,在輸出接口 116處提供的操作信號(hào)也被理解為數(shù)字信號(hào),該數(shù)字信 號(hào)被饋送到控制驅(qū)動(dòng)器電路404的數(shù)字可控的脈沖寬度調(diào)制電路402 (DPWM)。控制器200 的模擬部分192用模擬電路實(shí)現(xiàn),以便反饋LC-LC濾波器432和434的狀態(tài)變量。為了將反 饋信號(hào)從模擬部分192傳送到控制器200的數(shù)字部分190中,模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)494和496 被實(shí)現(xiàn)。
[0043] 使用根據(jù)圖8的示例可增加實(shí)現(xiàn)方式的靈活性,因?yàn)閿?shù)字域電路(即控制器的數(shù) 字部分190)可能在沒(méi)有費(fèi)時(shí)和昂貴的重新設(shè)計(jì)的情況下被適配到特定需求,例如通過(guò)簡(jiǎn)單 地更新對(duì)應(yīng)控制器的操作軟件或固件。
[0044] 圖9圖示基于圖8的示例的功率供應(yīng)電路的示例。其中,數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器402 提供關(guān)于彼此反相的兩個(gè)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。那兩個(gè)信號(hào)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路404a 和404b,有效地使開(kāi)關(guān)頻率加倍。
[0045] 總結(jié)之前論述的示例中的一些,除了積分器之外,包括DC-DC功能的功率供應(yīng)電 路還可以包含控制器200的控制環(huán)路內(nèi)的諧振器。諧振器在預(yù)定的諧振頻率處和其附近提 供高環(huán)路增益,使得控制環(huán)路能夠有效地衰減該頻率處的噪聲。預(yù)定的諧振頻率可以是可 編程的或固定的,這取決于特定實(shí)現(xiàn)方式??刂骗h(huán)路本身可包括多個(gè)反饋,以便調(diào)整反饋縮 放器(即用于根據(jù)需要提供反饋信號(hào)的縮放表示并提供環(huán)路所需的穩(wěn)定性的縮放器)的系 數(shù)。此外,DC-DC轉(zhuǎn)換器或功率供應(yīng)本身的濾波器的輸出可以被視為控制環(huán)路的一部分。例 如,在驅(qū)動(dòng)器電路404的輸出處的LC濾波器的電容器的電壓和電流可以提供經(jīng)由關(guān)聯(lián)的縮 放器反饋到控制環(huán)路內(nèi)的反饋信號(hào)。控制環(huán)路的響應(yīng)的數(shù)學(xué)描述的極點(diǎn)以及因此閉環(huán)系統(tǒng) 的穩(wěn)定性由反饋環(huán)路內(nèi)的系數(shù)確定,即,例如依賴于圖7至9的示例的系數(shù)ai至a9。
[0046] 圖10圖示示出用于控制過(guò)程變量的方法的示例的框圖。
[0047] 該方法包括:接收800反饋信號(hào),該反饋信號(hào)指示要被控制的過(guò)程變量和針對(duì)過(guò) 程變量的設(shè)定點(diǎn)之間的誤差。
[0048] 該方法還包括:使用依賴于反饋信號(hào)的輸入信號(hào)而導(dǎo)出累積誤差信號(hào)802,并使 用具有預(yù)定諧振頻率的諧振器和依賴于反饋信號(hào)的諧振器輸入信號(hào)而導(dǎo)出諧振器輸出信 號(hào) 804。
[0049] 該方法還包括:導(dǎo)出用于影響過(guò)程變量的操作信號(hào)806,該操作信號(hào)是使用累積 誤差信號(hào)和諧振器輸出信號(hào)而導(dǎo)出的。
[0050] 連同圖11至15的圖示,下面將示出關(guān)于根據(jù)圖7至9的功率供應(yīng)電路內(nèi)的系數(shù) 可如何被確定以便達(dá)到合期望的穩(wěn)定控制,同時(shí)通過(guò)控制器內(nèi)的諧振器而衰減噪聲。
[0051] 為此,關(guān)于連續(xù)時(shí)間電路如何被轉(zhuǎn)到離散時(shí)間表示的一些理論上的考慮被預(yù)先執(zhí) 行。該考慮始于具有狀態(tài)變量反饋的DC-DC轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。圖11的示例性環(huán)路包括消 除靜態(tài)調(diào)節(jié)誤差的積分器1200。誤差信號(hào)(即來(lái)自輸入處的參考電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸 出電壓的偏差)被縮放器1202 (系數(shù)ai)縮放,并被積分器1200累積。包括電感1204 (L)、 電阻1206 (R)和電容1208 (C)的二階系統(tǒng)的狀態(tài)變量,即電容器1208的電壓V。和電流 I。,通過(guò)縮放器1210和1212而按系數(shù)a2和a3縮放,并被添加到積分器輸出。為了控制環(huán) 路的線性分析,DC-DC轉(zhuǎn)換器的脈沖寬度調(diào)制器1214和驅(qū)動(dòng)器被忽略,并且那些部件被視 為如圖11底部圖示中簡(jiǎn)化電路圖中所示的附加噪聲源。脈沖寬度調(diào)制器和驅(qū)動(dòng)器電路被 建模為被噪聲發(fā)生器疊加的線性縮放器。
[0052] 在能夠計(jì)算系數(shù)ai至a3之前,正如圖12中再次示出的二階濾波器1218 (LCR濾 波器)應(yīng)當(dāng)從時(shí)間連續(xù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間系統(tǒng),尤其轉(zhuǎn)換成提供反饋量1220 (V。)和1222 (I。)的時(shí)間離散表示。
[0053] 這可使用下面的公式執(zhí)行:
【權(quán)利要求】
1. 一種用于控制過(guò)程變量(202)的控制器(100 ;200),包括: 輸入接口( 102),其被配置成接收反饋信號(hào),所述反饋信號(hào)指示要被控制的過(guò)程變量 (202)和針對(duì)過(guò)程變量的設(shè)定點(diǎn)(104)之間的誤差; 至少第一積分器(108),其被配置成使用依賴于反饋信號(hào)的積分器輸入信號(hào)而導(dǎo)出累 積誤差信號(hào); 具有預(yù)定諧振頻率的至少一個(gè)諧振器(120),所述至少一個(gè)諧振器(120)被配置成使 用依賴于反饋信號(hào)的諧振器輸入信號(hào)而提供諧振器輸出信號(hào);以及 輸出接口(130),其被配置成提供用于影響過(guò)程變量(202)的操作信號(hào),所述操作信號(hào) 是使用累積誤差信號(hào)和諧振器輸出信號(hào)導(dǎo)出的。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的控制器(100 ;200),其中所述操作信號(hào)是使用諧振器輸出信號(hào)的 信號(hào)分量和累積誤差信號(hào)的信號(hào)分量之和導(dǎo)出的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的控制器(100 ;200),還包括第一縮放器(114),其被配置成按 第一縮放參數(shù)縮放反饋信號(hào)以提供第一縮放的反饋信號(hào)作為對(duì)積分器輸入信號(hào)的貢獻(xiàn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的控制器(100 ;200),其中所述諧振器(120)包括: 第二積分器(122),其具有耦合到第三積分器(124)的輸入的輸出,以及 耦合在第三積分器(124)的輸出和第二積分器(122)的輸入之間的反饋環(huán)路,所述 反饋環(huán)路包括至少第一反饋縮放器(125),其被配置成按第一反饋參數(shù)縮放第三積分器 (124)的輸出的信號(hào)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的控制器(100 ;200),還包括: 第二縮放器(126 ),其被配置成按第二縮放參數(shù)縮放反饋信號(hào)以提供第二縮放的反饋 信號(hào)作為對(duì)第二積分器(124)的第二積分器輸入信號(hào)的貢獻(xiàn)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5中任一個(gè)的控制器(100 ;200),還包括第三縮放器(127),其被 配置成按第三縮放參數(shù)縮放反饋信號(hào)以提供第三縮放的反饋信號(hào)作為對(duì)第三積分器(124) 的第三積分器輸入信號(hào)的貢獻(xiàn)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的控制器(100 ;200),還包括設(shè)定點(diǎn)輸入接口(106),其被配置 成接收指示針對(duì)過(guò)程變量的設(shè)定點(diǎn)的設(shè)定點(diǎn)信號(hào)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的控制器(100 ;200),還包括具有預(yù)定的第二諧振頻率的第二 諧振器(176),所述第二諧振器被配置成使用依賴于反饋信號(hào)的第二諧振器輸入信號(hào)而提 供第二諧振器輸出信號(hào)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的控制器(100 ;200),其中所述第二諧振器(176)包括具有耦合到 第五積分器(174)的輸入的輸出的第四積分器(172),以及 耦合在第五積分器(174)的輸出和第四積分器(172)的輸入之間的反饋環(huán)路,所述反 饋環(huán)路包括至少第二反饋縮放器,其被配置成按第二預(yù)定反饋參數(shù)縮放第五積分器(174) 的輸出的信號(hào)。
10. -種功率供應(yīng)電路(600),包括: 可調(diào)功率供應(yīng)(400),具有被配置成提供當(dāng)前供應(yīng)電壓的功率輸出接口(406)以及被 配置成接收控制信號(hào)的控制輸入接口,其中當(dāng)前供應(yīng)電壓依賴于控制信號(hào);以及 根據(jù)權(quán)利要求1或2的控制器(100 ;200),所述控制器(100 ;200)使其輸出接口耦合到 用于提供控制器(100 ;200)的操作信號(hào)作為控制信號(hào)的功率供應(yīng)的控制輸入接口。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1 〇的功率供應(yīng)電路(600 ),其中功率供應(yīng)的功率輸出接口( 406 )耦合 到控制器(100 ;200)的輸入接口(102),使得關(guān)于當(dāng)前供應(yīng)電壓的信息作為反饋信號(hào)被提 供給控制器(100 ; 200)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11的功率供應(yīng)電路(600),其中功率供應(yīng)(400)包括: 脈沖寬度調(diào)制器(402),用于提供具有依賴于控制信號(hào)的占空比的脈沖寬度調(diào)制信號(hào); 以及 驅(qū)動(dòng)器電路(404),其被配置成在依賴于占空比的時(shí)刻向功率輸出接口( 406 )提供系 統(tǒng)供應(yīng)電壓。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10或11的功率供應(yīng)電路(600),還包括耦合在功率輸出接口(406) 和參考電位之間的至少一個(gè)電容器(408 )。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的功率供應(yīng)電路(600),其中所述控制器(100 ;200)包括另外的 輸入接口(144),其被配置成接收指示過(guò)程變量和設(shè)定點(diǎn)之間的誤差的另外的反饋信號(hào); 以及 其中可調(diào)功率供應(yīng)(400)耦合到另外的輸入接口(144),使得另外的反饋信號(hào)依賴于 穿過(guò)所述至少一個(gè)電容器(408)的電流。
15. -種用于控制過(guò)程變量的方法,所述方法包括: 接收(800)反饋信號(hào),所述反饋信號(hào)指示要被控制的過(guò)程變量和針對(duì)過(guò)程變量的設(shè)定 點(diǎn)之間的誤差; 使用依賴于反饋信號(hào)的輸入信號(hào)而導(dǎo)出(802)累積誤差信號(hào); 使用具有預(yù)定諧振頻率的諧振器以及依賴于反饋信號(hào)的諧振器輸入信號(hào)而導(dǎo)出(804) 諧振器輸出信號(hào);以及 導(dǎo)出(806)用于影響過(guò)程變量的操作信號(hào),所述操作信號(hào)是使用累積誤差信號(hào)和諧振 器輸出信號(hào)而導(dǎo)出的。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法,其中導(dǎo)出操作信號(hào)包括使用諧振器輸出信號(hào)的信號(hào)分量 和累積誤差信號(hào)的信號(hào)分量之和。
17. 射頻放大器電路,包括: 根據(jù)權(quán)利要求10的功率供應(yīng)電路(600);以及 包括供應(yīng)電壓輸入接口的放大器(500),放大器的供應(yīng)電壓輸入接口耦合到功率供應(yīng) 電路的功率輸出接口。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的射頻放大器電路,還包括信號(hào)輸入接口,其被配置成接收要被 放大的信號(hào);以及 射頻輸出接口,其被配置成提供在信號(hào)輸入接口處接收的信號(hào)的放大表示。
19. 一種包括根據(jù)權(quán)利要求17或18的射頻放大器電路的移動(dòng)電信設(shè)備(1000)。
20. -種包括代碼的機(jī)器可讀介質(zhì),如果所述代碼由機(jī)器執(zhí)行,則使得機(jī)器執(zhí)行權(quán)利要 求15或16的方法。
21. -種具有程序代碼的計(jì)算機(jī)程序,當(dāng)在計(jì)算機(jī)或處理器上執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí), 所述程序代碼用于執(zhí)行權(quán)利要求15或16的方法。
22. 用于控制過(guò)程變量的裝置,包括: 用于接收反饋信號(hào)的裝置,所述反饋信號(hào)指示要被控制的過(guò)程變量和針對(duì)過(guò)程變量的 設(shè)定點(diǎn)之間的誤差; 用于使用依賴于反饋信號(hào)的輸入信號(hào)而導(dǎo)出累積誤差信號(hào)的裝置; 用于使用具有預(yù)定諧振頻率的諧振器以及依賴于反饋信號(hào)的諧振器輸入信號(hào)而導(dǎo)出 諧振器輸出信號(hào)的裝置;以及 用于導(dǎo)出用于影響過(guò)程變量的操作信號(hào)的裝置,所述操作信號(hào)是使用累積誤差信號(hào)和 諧振器輸出信號(hào)而導(dǎo)出的。
23. 用于提供供應(yīng)電壓的裝置,包括: 用于接收控制信號(hào)并用于提供依賴于控制信號(hào)的當(dāng)前供應(yīng)電壓的裝置;以及 用于根據(jù)權(quán)利要求23或24控制過(guò)程變量并用于提供操作信號(hào)作為控制信號(hào)的裝置。
24. 用于放大信號(hào)的裝置,包括: 用于接收要被放大的信號(hào)的裝置; 用于使用供應(yīng)電壓生成要被放大的信號(hào)的放大表示的裝置;以及 根據(jù)權(quán)利要求23的用于提供供應(yīng)電壓的裝置。
【文檔編號(hào)】G05F1/66GK104423413SQ201410434132
【公開(kāi)日】2015年3月18日 申請(qǐng)日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】胡佳文 申請(qǐng)人:英特爾移動(dòng)通信有限責(zé)任公司