专利名称：二进制控制器以及具有二进制控制器的电源的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及自动控制，更具体来说，本发明涉及一种控制 单元、 一种用于操作控制单元的方法以及一种包括控制单元的电源单元。
背景技术：
存在多种类型的自动控制器，其使用闭环控制方法来控制不同类 型的系统。模拟控制器是公知的，但是其缺陷在于复杂的设计以及参 数变化。
已经知道有数字控制器，其把适用于模拟控制器的控制原理变换
到数字域中。在这种数字控制器中，通过A/D变换器把模拟输入值变 换成数字形式。例如在信号处理器中对这些数字值进行处理。D/A变换 器被用于把所计算的输出值变换成模拟参数，所述模拟参数被用于对 所述系统实际实施控制。
在这种数字控制器中，所述数字值表示(准)连续值。例如，输 入值的8比特表示是可以取得255个可用值当中的任一个的连续参数 的量化表示。
虽然上述类型的数字控制器消除了诸如参数改变之类的问题，但 是在某些控制任务中所需要的高分辨率和/或高频率需要昂贵的高速 A/I)变换器以及极快的数字信号处理器(DSP)。
对于许多应用要求快速且精确的控制的一种类型的受控系统是电 源电路。开关模式电源可以包括大量已知的变换器拓朴当中的一种， 其中在每一种情况下所迷电路都包括一个或多个开关元件，即在通常
不超过通/断两个状态之间交替的控制元件。对于这种类型的电源电路 的某些应用(例如用于时间顺序投影系统中的灯的电源)在速度(所 需要的光强度的快速改变)和精度(光保真度)方面有很高的要求。 在这些应用中，具有高分辨率并且包括高速A/D以及在高频变换器中 实现逐循环的控制的数字控制电路在计算速度方面被驱动到其极限。 US 5， 629，610描述了一种"完全数字"电流模式PWM控制器。这种PWM输出级可以被用于不同的系统，比如DC-DC变换器。所述控制 电路驱动功率开关，所述功率开关通常由功率晶体管构成，比如场效 应晶体管(例如M0SFET)。在电压模式下，输出电压受到控制，而在 电流模式下则对流经所述输出级的电流实施控制。
所述控制器包括两个比较器，其建立不同的电流阈值。被提供来 把所述输出电压与一个预设阈值进行比较的另一个比较器提供另一个 二进制信号。来自所述各比较器的二进制信号被馈送到多输入逻辑电 路，其被实现为逻辑或非(N0R)门.该逻辑运算的输出被馈送到双稳 态电路，其提供用于输出开关的驱动信号。但是其缺陷在于，在所述 两个阈值极限之间没有产生关于所述电流的实际值的信息，从而不可 能进行控制。
通过使用所述二进制输入信号(在本例中是比较器信号)以及一 个或多个二进制输出值(对应于开关元件的通/断信号)使得有可能对 于所述控制器功能使用逻辑运算。在US 5, 629， 610的或非门的示例中， 即使在非常高的频率下也很容易实现所述逻辑运算。这种"完全数字" 类型的控制器避免了与模拟控制器相关联的缺点以及利用了 A/D转换 器和信号处理器的数字控制器的缺点。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种适用于高速控制并且同时保持关于 不同控制任务的灵活性的控制器单元及其搮作方法以及包括控制器单 元的电源单元。
所述目的是通过根据权利要求1的控制器单元、根据权利要求8 的电源单元以及根据权利要求1S的用于採作控制器的方法而实现的。 从属权利要求涉及本发明的优选实施例。
根据本发明，所述控制器包括逻辑单元和适配单元。所述逻辑单 元作为纯粹的二进制控制器工作，其通过执行逻辑运算来计算一个或 多个二进制输出值，因此可以工作得非常快。所述适配单元确定将被 用在所述逻辑单元中的逻辑运算，并且在所述控制器的操作期间将所 述逻辑运算提供到所述逻辑单元，即在所述逻辑单元正主动执行所述 闭环控制的同时提供所迷逻辑运算。
通过实现具有上述结构的控制器，可以实现非常快速且高效的控制，并且同时可以克服现有的已知控制器的缺点，逻辑单元和适配单 元可以被实现为完全数字的，从而可以避免与模拟处理相关联的问题
(容差等等)。此外，不再需要具有高分辨率的昂贵的高速A/D变换器。 由于在二进制值上执行的逻辑运算的简单性，所述逻辑单元内的计算 速度可以极高，从而允许在电源应用中进行真实的逐循环控制。与此 同时，所述适配单元可以高效地影响控制器行为。该单元通常将被实 现为更加精密的控制元件，其可以包括微处理器或信号处理器并且不 直接涉及在所述控制任务中，也就是说其不直接计算(多个)输出值。 但是通过把所述逻辑运算提供到所述逻辑单元，所述适配单元影响所 述逻辑单元的行为。因此，可以很容易地按照非常灵活的方式实现总 体控制器行为。
根据本发明，所述逻辑单元使用至少第一和笫二逻辑运算'应当 注意到，在所述逻辑单元中所使用的值(至少有状态值、输入值和输 出值)可以是单一二进制值(其将被称作标量值)，即只能具有两个
可能状态的其中之一；或者其可以是二进制值组(其在这里被称作二 进制矢量值)，该组当中的每一个单元可以具有两个可能状态的其中 之一。虽然后者作为一组值一起描述一个特定状态，但是其不是二元 数系统中的数字的数表示法。应当对照先前已知的数字控制器中的数
字表示的连续值(例如8比特二进制值)来理解这一点。在本上下文 中，被称作"二进制"值(即使其是二进制矢量值)的一个值应当被 理解成表示特定状态(例如电流I大于参考值)的存在(或不存在)， 而不是二进制数表示。
在操作期间，所述逻辑单元通过对二进制输入值(矢量或标量) 和先前的二进制状态值所执行的笫一逻辑运算(或第一组逻辑运算) 来计算二进制状态值(标量或矢量)。对所述输入值和所述状态值执 行第二逻辑运算(或第二组逻辑运算)，以便计算二进制输出值(同 样是矢量或标量)。 一般来说，所述状态值、输入值和/或输出值都是
矢量形式，并且可以用矢量值逻辑函数来描述相应的逻辑运算。所述 逻辑单元可以被实现为至少一个二进制状态机，其实现逻辑转移函数。
根据本发明的一个优选实施例，所述控制器工作在特定的时钟频 率下，其中在每一个时钟循环内接收二进制输入值并且计算二进制输 出值。但是并不是对于每一个时钟循环都重新从所述适配单元提供所述逻辑运算.相反，在提供所述逻辑运算之后，其被使用于多个时钟 循环。在一个相应的实施例中，虽然对所述逻辑单元的计时可能非常 快，但是所述适配单元将仅仅在慢得多的速率下提供改变的逻辑运算。 因此，可以更加容易地实现所述适配单元而不管与对于高效控制所需 要的时钟循环的高速率相关联的非常紧迫的时间限制。
根据另一个实施例，所述适配单元基于观测所述二进制输入值、 二进制状态值和/或二进制输出值来确定所述逻辑运算。因此，整个控
制器保持是完全数字的，此外对于所述适配单元也不使用A/D或D/A 变换。在一个特别优选的实施例中，使用定时值。所述定时值表示在 至少其中 一个所述值从第 一状态到第二状态的过渡之间的持续时间。
优选地，生成数字输入值作为一个或多个比较器信号。优选地， 从所述受控系统的实际值与参考值的比较生成所述比较器信号。虽然 该参考值可以是可变的并且可以对应于外部给出的设定值，但是优选 地实施与一个恒定参考值的比较。最为优选的是与零进行比较，这可 以最容易地实现。
所述逻辑单元可以被实现为可编程逻辑设备，比如FPGA。其他可 能的实现方式包括分立电路或闭环电路中的R0M。
所描述的控制器可以被用于有效地控制包括变换器电路的电源， 其中所述变换器具有至少一个开关元件。所述概念适用于包括一个或 多个开关元件的所有变换器电路。所述二进制输出值在本例中表示所 述开关元件的开关状态。所迷输入值可以是从所述比较器电路提供的 一个或多个比较器值，其中把一个电学值(优选地是电流和/或电压) 与一个电学参考值进行比较。
优选地，所述变换器电路在开关循环内被操作。在每一个开关循 环内，可以定义以下区间(interval)当中的一个或多个
-开关区间
开关区间定义至少一个开关元件的行为。在整个开关区间期间， 相应的开关元件处于第一状态下。在所述区间之前及之后，所述开关 元件处于第二状态下.因此，所述开关区间例如可以表示其间特定开 关被接通的区间。此外，开关区间不仅可以定义单一开关元件的行为， 而且还可以定义具有多个开关元件的开关设置(例如半桥或全桥)的 行为。-过渡区间
可以从和/或到在所述开关循环期间发生的过渡定义过渡区间。该 过渡可以对应于状态值、输入值和/或输出值从第一状态到第二状态的 过渡。优选地，在所述区间的开头或末尾处检测输入值的过渡。
-测量区间
测量区间也可以被定义为在上述类型的过渡之前或之后的区间。 对于由所述逻辑运算实现的行为，优选的是所述开关区间和/或过 渡区间具有固定的持续时间，并且测量所述测量区间的持续时间。通 过对优选实施例的描述可以明显看出，所描述的区间可能已经定义了 由所述逻辑运算实现的时间相关的开关行为。此外，在所迷开关循环 内还可以有其他区间。
根据一个优选实施例，上面描述的测量区间被提供到所述适配单 元 优选地，所述适配单元使用该测量区间来计算所述变换器电路的 电学输出值。在一个优选实施例中，从所述测量区间以及关于下面一 组当中的一项或多项的其他恒定(即在一个开关循环内不改变)值计
算该电学输出值(其可以是输出电压，但是优选地是输出电流)所 述电路的各电组件、到所述电路的电输入以及/或者由所述逻辑运算实 现的定时值。在该优选实现方式中，不直接(例如通过A/D变换器) 测量所述电输出。相反，从定时值测量导出所述电输出.因此，尽管 所述适配单元不直接电连接到所述变换器电路而是仅仅连接到所述逻 辑单元，但是所述适配单元仍然可以监控所述变换器电路的操作。
可能有许多不同类型的适当的逻辑函数来实现所述逻辑单元的控 制行为。在一个优选实施例中，所述逻辑运算实现这样的行为在每 一个开关循环的一部分内，二进制值的寄存器被操作为移位寄存器。 这种移位寄存器可以高效地实现每一个循环的某些区间(其具有预定 持续时间)期间的行为。
根据一个优选实施例，所述逻辑单元的操作频率高于所述变换器 电路的循环频率。在这里，所述循环频率被定义为每时间单位的完整 开关循环的数目。另一方面，所述逻辑单元的操作频率对应于该单元 的时钟频率，其中在每一个时钟循环内处理输入值并且计算输出值。 如果所述操作频率高于所述循环频率，则有可能实现每一个开关循环 内的有效控制。为了允许在一个循环内进行完整的控制，所述操作频
9率通常将显著高于所述循环频率，例如超过所述循环频率的5倍，优 选地超过所迷循环频率的10倍。
通过结合附图阅读下面对当前优选的实施例的详细描述，本发明 的上述形式以及其他形式、特征和优点将变得显而易见。所述详细描 述和附图仅仅用于说明本发明而不是限制本发明。
图1示出了具有电源和控制器的灯的示意图2示出了开关电源的电路图3示出了图2的电路中的电流L的示意性时序图4更详细地示出了图1的电源和控制器的示意图5示出了对应于图4的示意图，其中具有图2的电源电路.
具体实施例方式
图1示出了受控系统10。灯12由开关电源14操作，所述电源14 由控制器16控制。
所述控制器16包括逻辑单元18和适配单元20。
在所示出的实施例中，所述灯12仅仅是附着到电源14上的负栽 的一个例子。可以替换地使用任何其他类型的负载。但是从其快速响 应可以明显看出，所实施的控制非常适合例如在时间顺序投影系统中 控制灯所涉及到的需求.
所述电源14可以是多种已知的开关模式电源(SMPS)当中的任一 种，其可以接受并提供AC或DC输入和输出。SMPS使用一个或多个开 关元件，所述开关元件按照受控方式在"通"和"断"状态之间被连 续开关。存在许多不同的拓朴，其中包括但不必需局限于降压、升压、 降压-升压、回扫、LLC、 LC、 LCC、正向、SEPIC等等。
图4一般地示出了由所述控制器16控制的SMPS电路14。所述SMPS 14提供输入矢量I到所述控制器16。所述矢量I是由多个二进制值构 成的矢量，其中的每一个所述二进制值对应于多个比较器"的其中之 一的输出.所述比较器22把所述SMPS电路14内的电学值与预定义的 参考值进行比较。例如，可以把输出电压与一个设定电压进行比较， 或者可以把电流与最大或最小电流值进行比较。此外可以把电流值与一个参考值进行比较.优选地，所述参考值可以是o，从而将检测所述
电流的过零。本领域技术人员可以很容易认识到，所述比较器22可以 被用于对所述SMPS电路14内的电学值的任何其他类型的比较。
此外，SMPS电路14包括多个控制其行为的开关设备24。根据所 述SMPS电路14的拓朴，所迷开关24可以被设置在一个或多个半桥、 全桥等等中。所述开关24的状态由输出矢量Y控制，所述输出矢量Y 被从所述控制器16提供到所述SMPS电路14。所述矢量Y是二进制矢 量，其通常包括与所迷电路M中的开关"的数目一样多的二进制单 元。(在特殊情况下，例如如果两个开关总是按照交替的方式被开关， 则也有可能利用仅仅一个二进制单元来描述所述开关的行为，从而可 以相应地降低所述矢量Y的维度，)
在控制器16的所述逻辑单元18内，把矢量Zk存储为二进制状态 值的矢量。同样地，所述矢量Zk的各单独的二进制单元是可以分别具 有两个可能状态的其中之一的单一二进制值，
利用3个二进制矢量，即输入矢量I、输出矢量Y和状态矢量Zk， 通常可以把所述逻辑单元18的行为视为具有逻辑转移函数的二进制状 态机
』=AB(Z/M/) K = CD(z")
其中，AB和CD通常是矢量值逻辑函数。这些函数可以实现与 (AND)、或(OR)、非(NOT)、异或(X0H)等基本逻辑运算的任意 组合。此类函数例如可以被用于可编程逻辑设备(PLD)的编译器。可 以按照多种方式来定义所实现的函数，例如通过(逻辑)电路图、真 值表或者用编程语言(例如VHDL)来定义。
现在有可能提供逻辑运算(由函数AB、 CD表示)，从而使得所述 逻辑单元18本身作为用于SMPS电路14的完全数字的控制器来工作。
所述函数AB、 CD由所述适配单元20根据所述控制任务的细节来 确定。在适配单元20内，所述SMPS电路14的参数是已知的(例如对 应于输入电压、电元件等等的值)。此外，适配单元20接收关于所述 系统IO的所期望的行为的细节，特别是对应于输出参数(在电源电路 中通常是输出电压和/或输出电流)的设定值以及可能的边界条件，比如最大可允许电流或电压值。基于该知识，所述适配单元20确定适当 的函数AB、 CD。
在所述逻辑单元18内，所述矢量Zk可以被视为所述控制器的"记 忆"。为了实现稳定的控制，通常有利的做法将是不仅在每一个时钟 循环内提供仅仅前一个时钟循环的记忆Zh，而且还提供其他过去的时 钟循环的记忆。这可以通过把函数AB设计成使得可以把Zk有效地用作 移位寄存器而实现，也就是说新计算的Zk.,包含移位形式的前一个zk。
在操作期间，所述适配单元20监控所述逻辑单元18的操作，以 便影响所述控制器16的行为，其对于所述逻辑单元18的每一个时钟 循环仅仅由上面归纳的等式控制。虽然可以按照不同的方式实现所述 监控(例如通过直接测量来自SMPS电路14的电学值并且在A/D变换 器中对所测量的值进行数字化)，但是优选的是所述适配单元20在操 作期间仅仅接收来自所述逻辑单元18的定时值t,、 L等等。这些定时 值对于所述矢量I、 Y和/或Zk的一个或多个二进制单元表示在从一个 状态到另一个状态的过渡之间的持续时间。因此，定时值t，例如可以 表示输出矢量Y的笫一二进制单元已经处于状态1下的所述逻辑单元 18的时钟循环的数目(即所述SPMS14的笫一开关24已经被接通了多 长时间) 按照相同的方式，定时值12可以表示输入矢量I的第二二 进制单元已经处于状态0下的持续时间。可以很容易地由逻辑单元18 内的计数器导出所述定时值，其中所述计数器由在每一个时钟循环内 递增的过渡触发。应当注意到，上面对于定时值t,、"给出的例子仅 仅是说明如何能够监控逻辑单元18的操作的例子，结合该优选实施例 可以看出，对于不同的应用可以使用不同类型的定时值。
在操作中，所述适配单元20持续确定当前设置在逻辑单元18内 的逻辑运算(由函数AB、 CD表示)是否导致SMPS14的所期望的行为， 从而运算可以对于不改变的函数继续。在识别出对于改变的外部需求 (例如给出对应于输出电压、输出电流等等的新的设定值)或者通过观 测所述定时值t。 t2等等检测到对于改变的内部需求的情况下，确定 新的一组函数AB、 CD并且将其提供到所述逻辑单元以供立即执行。在 该"更新"之后，逻辑单元18将继续其运算，但是从那以后将利用新 接收的更新后的函数AB、 CD继续运算。
逻辑单元18的运算可以被实现得非常快。SMPS电路14通常将具有超出lkHz的开关频率，在许多情况下，所迷频率将显著更高，例如
高达大约100kHz。为了仍然能使用逐循环控制(即在每一个开关循环
内评估至少一个并且优选地是多个输入矢量I以及相应的输出矢量Y )，
所述逻辑单元18的时钟循环通常需要短于所述SMPS H的开关循环，
特别优选地短得多(例如至少短10倍，从而对于每一个开关循环执行
相应数目的逻辑运算)。例如，所述逻辑单元的时钟频率可以高于lMHz，
优选地高于10MHz。
在一个例子中，所述开关频率是200kHz。所述逻辑单元的时钟频
率是60MHz，从而是所述开关频率的300倍。相应地，在一个开关循环
内，在时间轴上有足够的分辨率以用于进行精确的控制。
另一方面，适配单元20不执行逐循环控制。对于每一个开关循环，
所述适配单元接收一个定时值或者一组定时值t,、"等等。如上面所 解释的那样，仅仅在需要的情况下才执行更新(函数AB、 CD的交换)， 从而无法给出对应于这些更新的固定速率。但是可以明显看出，所述 更新频率将远低于所述逻辑单元18的时钟频率，并且通常也将低于循
环频率丄，
因此，所迷适配单元20将具有足够的时间来执行确定当前所需要 的一组函数AB、 CD所必需的所有计算。
在一个优选实施例中，所述逻辑单元18可以^t实现为FPGA。所述 适配单元20可以被实现为运行程序的信号处理器，所述程序接受所述 定时值t,、 t2等等作为输入，并且可以生成适用于控制命令的函数AB、 CD。
为了更容易理解函数AB、 CD在所述逻辑单元18内的作用，下面
用矩阵符号写出这些函数
zk+1 = A * zk + B " Y = C * zk + D "
其中，A、 B、 C、 D是二进制值的矩阵。
应当注意到，刻意按照与在对应于连续(模拟或数字)值的控制 理论中已知的状态-空间等式相同的方式写出了上面给出的等式.但是在上面的等式中，不仅所述矢量I、 Y、 Zk仅具有二进制单元，而且 所述矩阵A、 B、 C、 D还描述逻辑运算。
在上面的符号内，运算符描述逻辑与，运算符"+，，描述逻 辑或。应当注意到，上面的符号不如函数AB、 CD通用，这是因为其不 包括非运算。但是在该符号中，出于下面的例子的目的可以很容易写 出并理解所述函数AB、 CD。
虽然前面描述了可以被应用于多种变换器技术的一般改变，但是 下面将给出一个更加具体的例子。
在下面将假设所述电源14是如图2中所示的降压变换器.在非常 简单的该电路中，通过由开关元件S1、 S2构成的半桥来开关输入电压 V,u提供串联电感L和并联电容C。按照交替的方式对开关S1和S2进 行开关。在时间t一,期间，开关Sl闭合并且S2打开，从而使得流经 所述电感L的电流L.增大。随后Sl打开并且S2闭合，从而使得I,.减
小u所述连续开关导致被提供到所述负载12的平均电流Iavc。
图3示出了降压变换器14的操作的时序图。所述开关在定时区间 T。内发生。在thigh期间，L被显示为增大(这里示出的线性增大是对更 为实际的非线性曲线的近似)。在区间T。的剩余部分中，所述电流I,. 下降。在时间tw,之后，电流I,.达到一个值(其在本例中将被假设 为零)，并且在接下来的区间1"内保持低于该值。因此，I,.在最大值
U:,k与最小值Li',之间交替。
所述参考值Iw是从区间1,i,UI—中选择的，因此Un是从正
在降低的L达到Iw的时间开始直到所述开关周期T。的末尾(即直到
下一个开关事件发生)的时间区间。应当注意到，在图3中I^被选择
为零，这是一个可以很容易检测的值。
根据图3中的时间区间的定义，可以定义一个时间区间t^，其对 应于在I,等于1^的时间与I,.等于Iw的时间之间的持续时间
对于所述时间traM (其间S2闭合并且S1打开)，可以如下计算
Il的斜率
14其中，V,是输入电压，L是电感，V—是输出电压，a是占空比。 接下来，对于Iw的一般值，可以根据对应于V,、 L和I,"的已知 值以及定时值t,,iKh、 trall、 U,',和T。来表示所述平均电流I,
,——, ,/々丄,一G妙'(《■/。〃 一^。") 「l丄,
如图3中所示，如果I^被选择为零，则可以很容易地根据已知常 数V,、 L以及定时值thw,、 tfall、 t^来计算所得到的平均电流Iavg。在 我们的例子中，出于控制的目的，t,一和乙,,被选择为恒定值。仅有的 剩余值tw,将作为开关事件(t^,的末尾S，打开，S2闭合)与电流I,. 的过零之间的时间而导致操作。
如图5中所示，可以很容易地由比较器22检测到电流L的过零， 该比较器把I,.与零做比较。为了确保仅仅检测到相关的过零(tw,的末 尾I,.从正变为负，参见图3)，如下定义一个辅助逻辑函数
该函数处理输入信号(比较器信号)I并且确定仅仅表示相关的过 零的辅助信号S。该函数可以很容易地被实现为一个单独的数字状态 机，并且在图5中被表示为块24。
现在应当由控制器16根据图5来控制图2中示出的降压变换器. 应当注意到，图5具有与图4中示出的一般系统相同的结构。但是图5 中示出了一个具体例子，其中
-所述输入矢量I和所导出的辅助输入S的维度仅仅为1，即二进 争'J标量.I是单一比较器22的输出，该比较器把电流L与0值进行比 较。只要L为正，I就等于l。(因此，在该例中，所述参考值已被选 择成I"产O)。因此，除了在相关的过零发生时，S总是等于零。
-所述输出值Y的维度也仅为1，即二进制标量，Y仍然被用于驱
15动开关S1、 S2的搮作，所述两个开关仅仅被交替地开关。因此，如果 Y-l， S1就接通并且S2关断，而对于Y-0， S1关断并且S2接通。
-仅有一个定时值tw，被从逻辑单元18提供到适配单元20。该值 Uu对应于从t一,的末尾(输出矢量Y在此时从1切换到0)开始直到 所述电流lL变为负(即输入矢量I从1切换到0，这由辅助信号S对于 一个循环变为l表示)的时钟循环的数目。
所述逻辑单元18现在提供矩阵A、 B、 C、 D，其实现上面描述的控 制策略，也就是说其利用固定的t^h和",,,,实现控制行为。
在下面的等式中将给出相应的矩阵的一个例子。应当注意到，出
于该例的目的，选择了非常低的分辨率(即对应于所述受控变换器系 统的每一个开关循环的所述逻辑单元18的时钟循环的数目)。在这里， 把对应于th^和Un的最大时间都选择成4个时钟循环。相应地，所得 到的矩阵的维度减小，从而在这里可以更容易地示出所述矩阵。但是 应当注意到，虽然这种降低的分辨率在某些情况下是适用的，但是通 常优选地使用高得多的分辨率。
下面的等式利用thigh=4个时钟循环以及td。n-4个时钟循环来实现
控制
<formula>formula see original document page 16</formula>利用对应于矩阵A、 B、 C的该设置，实现下面的控制行为
假设利用所有的单元为零来初始化所述矢量zk。相应地，所述输 出Y被计算为0 (S,关断，S2接通)。
现在，对于一个循环把所述信号S设置到1。在该循环内，新计算 的矢量Zk有z。,k-l，并且所有其他单元都是零。输出信号Y保持为O。 由于矩阵A的设计方式(除了次对角线的值都为1之外，所有单元都 为0)，所述状态机的工作方式使得所述矢量Zk实质上成为移位寄存 器。对于每一个时钟循环，状态"1"现在传播通过所述矢量Zk。
在最初4个循环内，所述输出信号Y保持为0。这是由于矩阵C的 设计，其仅仅在最初4个单元中具有零。因此，所述变换器保持在所 述低状态下(S,打开，Sz闭合)。
在第5个循环内，单元z,，k被设置到l。这导致所述输出信号Y中 的改变，其现在达到l, S,被接通，S2被关断。相应地，时间周期thigh 开始。
在第8个循环内，Zk的所有单元再次被设置到0。由于矩阵A的最 后一列仅仅包含O值，因此单元zu的"1"状态不传播。
因此，输出信号Y也返回到O。在下一个循环内，只要输入信号F 保持为0， Zk的所有单元并且因此还有输出信号Y都保持为0。这对应 于图3中的时间周期tf,,,。
在时间周期tf川之后，电流L达到零。然后，S对于一个循环取得 l值，上面描述的程序再次开始。因此，上面示出的矩阵A、 B、 C利用 ";61,=4个循环、U,n-4个循环以及变量t回实现控制。
所述矩阵的不同设计将实现对应于UUh、 U,。的不同值。下面的例 子示出了完全相同的矩阵B、 C,但是示出了不同的矩阵A。该矩阵A 实现2个循环的t(h,。和3个循环的thish:<formula>formula see original document page 18</formula>该单独的状态机在图5中被表示为框26，其也实现一个移位寄存 器。在tw,的开头(即在其中状态矢量z的最后一个单元z，,k达到l的 循环内)利用所有单元都为1来初始化时间测量状态矢量zM。在trall 的每一个循环内，Zm被移位一歩。在信号S表示新循环的开头时(电 流I,.的过零)，测量矢量ZM通过所产生的"0"单元的数目(即直到发 生过零的时钟循环的数目)表示tw,的持续时间。因此，对于每一个开关循环，所述信号处理器20接收对应于所述 时间t,",的一个数字值(优选地，在信号S达到1时，把zw的值存储 在一个寄存器中以便由信号处理器20在以后读取)。根据上面提到的 等式，信号处理器20因此可以计算Iavs。信号处理器20可以确定所得 到的1^是否令人满意，或者确定其是否偏离设定值Is"。为了达到U 的所期望的值，所述信号处理器20可以交换所述矩阵A (或C)，从 而如上所述地为t一,和U,'提供不同的值，直到达到所期望的Iavs。
上面描述的实施例仅仅应当被理解为本发明的示例性实施例，而 不应当被理解为进行限制。本领域技术人员将认识到，可能有多种替 换方案和修改。
虽然在上面的实例中所述受控系统是SMPS,但是基于由适配单元 确定及更新的逻辑运算的完全数字的控制器的一般概念可以适用于多 种不同的控制任务。
所述不同的控制任务将优选地涉及循环系统，其中致动值包括一 个或多个二进制值，例如其中一个或多个开关按照循环方式被接通及 关断。此外，所述受控系统应当提供一个或多个二进制输出信号，例 如比较器信号。
权利要求
1、控制器单元，其包括逻辑单元(18)；所述逻辑单元(18)被适配成通过至少对二进制输入值(I)和先前的二进制状态值(zk-1)当中的一项或全部两项所执行的第一逻辑运算(AB)来计算至少一个二进制状态值(zk)；其中，所述逻辑单元(18)还被适配成通过至少对所述输入值(I)和所述状态值(zk)当中的一项或全部两项执行的第二逻辑运算(CD)来计算至少一个二进制输出值(Y)；以及适配单元(20)，其被适配成确定所述第一和/或所述第二逻辑运算的至少一部分，并且用于在所述控制器单元(16)的操作期间把所述运算的所述部分提供到所述逻辑单元(18)。
2、 根据权利要求l的单元，其中至少其中一项所述逻辑运算是通过至少一个二进制状态机实现 的，所述至少一个二进制状态机实现逻辑转移函数(AB， CD);并且所述逻辑单元(18)执行以下操作 计算多个二进制状态值(Zk);以及/或者处理多个二进制输入值U); 以及/或者计算多个二进制输出值(Y)。
3、 根据其中一条在前权利要求的单元，其中 所述逻辑单元(18)根据时钟循环进行操作；其中，在每一个时钟循环内接收到二进制输入值(I); 并且其中，在每一个所述时钟循环内计算二进制输出值(Y); 其中，在提供所述逻辑运算的所述部分之后，所述逻辑单元U8) 对于多个所迷循环使用所述运算的所述部分。
4、 根据其中一条在前权利要求的单元，其中 所述适配单元(20)根据定时值(t,， t2， tfaU)确定所述逻辑运算，所述定时值表示在至少其中一个所述值从第一状态到第二状态的 过渡之间的持续时间。
5、 根据其中一条在前权利要求的单元，其中 生成所述数字输入值U)作为一个或多个比较器(22)信号。
6、 根据其中一条在前权利要求的单元，其中所述逻辑单元(18)包括可编程逻辑设备。
7、 根据其中一条在前权利要求的单元，其中 所述参数单元(20)包括微处理器或信号处理器单元。
8、 电源单元，其包括变换器电路(14)，其包括至少一个开关元件(24， SI, S2);以及至少一个比较器(22),其用于把所述变换器电路(14)中 的电学值与电学参考值进行比较，并且用于提供二进制比较器值(I );所述单元还包括根据其中一条在前权利要求的控制器单元(16)， 其中所述二进制输入值(I )是所述比较器值，并且其中所述二进制输 出值(Y)被用于驱动所述开关元件(24， Sl， S2)。
9、 根据权利要求8的单元，其中 所述变换器电路(14)被操作在开关循环内；其中，在每一个开关循环内有开关区间(thUh)，其间所述开关元 件(24， Sl， S2)的其中之一处于第一状态下，其中在所述开关区间 (thi8h)之间或之后，所述开关元件(24， Sl， S2)处于笫二状态下；其中，在所述逻辑运算(AB， CD)所实现的行为中，所述开关区 间(thigl、)持续固定的持续时间。
10、 根据权利要求8、 9的其中一条的单元，其中 所述变换器电路(14)被操作在开关循环内；其中，在每一个开关循环内有所述状态值、所述输入值或所述输 出值的至少其中之一从第一状态到笫二状态的过渡；其中，在每一个开关循环内有过渡区间(Un)，其中所述过渡在 所述过渡区间(U,、)的开头或末尾发生；其中，在所述逻辑运算(AB， CD)所实现的行为中，所述过渡区 间(U, )持续固定的持续时间。
11、 根据权利要求8-10的其中一条的单元，其中 所述变换器电路(14)被操作在开关循环内；其中，在每一个开关循环内有所述状态值、所述输入值或所述输 出值的至少其中之一从第一状态到第二状态的过渡；其中，在每一个开关循环内有测量区间(tfull)，其中所述过渡在 所述测量区间(tfall)的开头或末尾发生；其中，测量所述测量区间(tw,)的持续时间，并且将其提供给所述适配单元UO)。
12、 根据权利要求ll的单元，其中所述适配单元(20)从所述测量区间(tf",)和其他恒定值(L) 计算所述变换器电路(14)的电学输出值(Iavs)，所述其他恒定值与 所述电路(14)的电组件、到所述电路(14)的电输入(V,)以及由所 述逻辑运算(AB， CD)实现的定时值( )有关。
13、 根据权利要求8-12当中的任一条的单元，其中 所述变换器电路(14)被操作在开关循环内；其中，在所述逻辑运算(AB， CD)所实现的行为中，至少在每一 个循环的一部分内，把二进制值(Zk)的寄存器操作为移位寄存器。
14、 根据权利要求8-13当中的任一条的单元，其中 所述变换器电路根据循环频率被操作；并且其中，所述逻辑单元(18)的时钟频率决定时钟循环的持续 时间，其中在每一个时钟循环内，接收-进制输入值(I)并且计算二 进制输出值(Y);并且其中，所述时钟频率高于所述循环频率.
15、 用于操作控制器的方法，其中通过至少对二进制输入值(I)和先前的二进制状态值(zk—,)当中 的一项或全部两项所执行的第一逻辑运算来计算至少一个二进制状态 值(zk);并且其中，通过至少对所述输入值(I)和所述二进制状态值(Zk) 当中的一项或全部两项执行的第二逻辑运算来计算至少一个二进制输 出值(Y);并且其中，在所述控制器(16)的操作期间，适配所述第一逻辑 运算和/或所述第二逻辑运算的至少一部分。
全文摘要
本发明描述了一种控制器，其特别适用于具有开关元件(S1，S2)的电源，比如开关模式电源。所述控制器包括逻辑单元(18)，其通过第一逻辑运算从二进制输入值I和先前的二进制状态值Z<sub>k-1</sub>来计算二进制状态值Z<sub>k</sub>。所述逻辑单元还通过第二逻辑运算从所述二进制输入值I和所述二进制状态值Z<sub>k</sub>来计算二进制输出值Y。这样，特别对于开关模式电源可以实现快速且高效的完全数字控制，其中所述二进制输入值I是比较器值，并且所述二进制输出值Y被用于驱动所述开关元件(S1，S2)。适配单元(20)可以是信号处理器，其确定所述逻辑运算并且在所述控制器单元(16)的操作期间将其提供到所述逻辑单元(18)。
文档编号H02M3/335GK101496268SQ200780027738
公开日2009年7月29日 申请日期2007年7月10日 优先权日2006年7月21日
发明者C·哈特鲁普, P·勒肯斯, T·希尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司