一种用于开关电源电流预估的高精度占空比采样方法

本发明属于开关电源领域，尤其涉及一种用于开关电源电流预估优化的高精度占空比采样方法。

背景技术：

1、开关电源通常用作各类电子设备的电源，主要用于将未调整的交流或直流输入电压转换为经过调整的交流或直流输出电压。随着5g数据通信、人工智能、高性能运算和大数据分析等技术的迅猛发展，处理器在运行过程中对工作电流的需求不断增大。在这种应用需求的背景下，越来越多的关注被集中在多相并联dc-dc变换器上。为确保dc-dc变换器可靠运行，控制器通常采用电流测量进行过载保护，同时实现多相转换器相位之间所需的均流。数字电流模式控制因其优越的动态响应性能，以及实现过流保护和多相dc-dc变换器相位均流的便利性，因此成为了当前研究的热点。

2、数字电流模式控制是一种在控制环路中使用数字控制器来实时监测和调整开关电源的输出电流的控制方法。通过对电流进行数字化采样和处理，系统能够更准确地调整电源以满足负载需求。然而，传统的数字电流模式控制需要引入高带宽电流采样电路和高速adc，这显著提高了系统设计的复杂性和成本。因此，为实现数字电流模式控制，使用高精度的电感电流预估算法代替传统的数字电流采样方案是更为合适的选择。基于数字滤波器的估算技术常用来预估电感电流的平均值和纹波分量。其中，数字控制器输出开关周期的占空比信号可以用来计算该开关周期内电感电流的平均值和纹波值。然而，由于控制器内部pwm信号和最终的开关节点存在延时，并且密勒平台效应使得开关延时随着负载电流和开关频率的增加而非线性增加，直接通过内部控制信号获取占空比进行电流预估存在较大的估算误差。因此，数字滤波器需要结合高速采样器件获取开关节点的占空比信号，以提高电感电流的估算准确性。

3、由于外部输入进来的开关节点电平信号和控制器内部时钟不同步，占空比的采样存在误差。占空比的偏差对估算电流的平均值和纹波值的影响可以表示为式(1)和(2)，其中iave为估算的电流平均值，ipeak为估算的电流纹波值，d为采样的占空比，tsw为开关周期，δ代表参数误差，vin和vo为电源的输入和输出电压，l和rl为电感及其寄生电阻。以250mhz的系统时钟为例，通过系统时钟采样占空比信号时的精度为4ns，在500khz的开关频率下其占空比误差最大可达0.2％，在12v输入电压的情况下会引入24mv的直流偏差，这对于较小的电感内阻而言会产生较大的估算电流平均值误差，因此，应当进一步提高占空比信号的采样精度。尽管最直接的方法是通过增加采样时钟频率来提高采样精度，但这会显著增加数字系统的功耗，且超高频时钟可能导致数字电路时序问题，降低系统可靠性。

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技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种用于开关电源电流预估优化的高精度占空比采样方法,提出一种，通过对占空比信号采样的粗量化和细量化两个过程，实现在不提高采样时钟频率的前提下，提高占空比信号的采样精度，以解决背景技术中提到的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

3、一种用于开关电源电流预估优化的高精度占空比采样方法，通过基于插值法实现的数字延时型高精度tdc，提高占空比信号的采样精度。tdc由延时单元delay和触发器组成，基于系统时钟clk_sys对占空比信号sw进行采样，采样过程可以分为粗量化和细量化两个部分。

4、粗量化：通过系统时钟clk_sys对占空比信号sw进行采样计数，测量占空比信号sw处于高电平的大致宽度。这一阶段的分辨率由系统时钟clk_sys周期所决定，通过精准计数实现了对占空比信号的初步采样。系统时钟的周期性计数为整个采样过程提供了基准，确保了初步采样的可靠性。

5、细量化：采用延时单元delay获取占空比信号sw边沿和时钟信号clk_sys边沿之间的时间差，在粗量化的基础上，进一步测量占空比信号sw高电平的精确宽度。通过在系统时钟中插入由n个延时单元构成的延时链，延时链的总延时等于系统时钟的周期，实现了将采样分辨率提升到1/n系统时钟周期的目标。即通过插值法，对细微的时间差进行精确测量，使得对占空比信号的采样得以进一步提高。

6、进一步的，每个数字滤波器采样周期内的伪占空比ds[n]的计算采用了公式1，其中n表示延时链的长度，m表示总的计数值，也即采样周期ts相对系统计数时钟周期tclk_sys的倍数，qj表示当前系统时钟周期内延时链中第j个延时单元通过d触发器的输出；

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8、本发明的一种用于开关电源电流预估优化的高精度占空比采样方法，具有以下优点：

9、1、本发明所采用的基于插值法实现的数字延时型高精度tdc，典型应用于采样dc-dc开关电源中的占空比信号。相对于直接使用系统时钟进行采样，该发明大幅度减少了采样占空比的误差，有效避免了因误差引起的电感电流预估不准确的问题。

10、2、本发明所采用的数字延时型高精度tdc基于差值法，不仅在提升采样精度的同时，更无需增加采样时钟频率，从而有效地控制和降低了数字系统的功耗。

11、3、本发明所采用的数字延时型高精度tdc通过添加固定延时单元来实现采样分辨率的提升。这一设计方案确保了在占空比信号的采样过程中获得高度的准确性，进而保障了电流预估算法的可靠性。相较于传统的采样方法，这一设计在提高采样精度的同时避免了不必要的系统复杂性和功耗增加。

技术特征：

1.一种用于开关电源电流预估优化的高精度占空比采样方法，其特征在于，通过基于插值法实现的数字延时型高精度tdc，提高占空比信号的采样精度；

2.根据权利要求1所述的用于开关电源电流预估优化的高精度占空比采样方法，其特征在于，每个采样周期内的伪占空比ds[n]的计算采用了公式1，其中n表示延时链的长度，m表示总的计数值，也即采样周期ts相对系统计数时钟周期tclk_sys的倍数，qj表示当前系统时钟周期内延时链中第j个延时单元通过d触发器的输出；

技术总结
本发明公开了一种用于开关电源电流预估优化的高精度占空比采样方法，通过基于插值法实现的数字延时型高精度TDC，提高占空比信号的采样精度；TDC由延时单元delay和触发器组成，基于系统时钟clk_sys对采样节点的占空比信号SW进行采样，采样过程分为粗量化和细量化两个部分；粗量化：通过系统时钟对占空比信号SW进行计数，测量占空比信号SW高电平的宽度；细量化：采用延时单元delay获取占空比信号SW边沿和系统时钟clk_sys边沿之前的时间差，在粗量化的基础上，进一步测量占空比信号SW高电平的精确宽度；通过在系统时钟中插入由N个延时单元构成的延时链，延时链的总延时等于系统时钟的周期，实现了将采样分辨率提升到1/N系统时钟周期的目标；即通过插值法，对细微的时间差进行精确测量。本发明实现在不提高采样时钟频率的前提下，提高占空比信号的采样精度。

技术研发人员：徐申,王小兵,束文泽,姜贝琪,李凌昀,孙伟锋,时龙兴
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/19