CN100490286C - 调节功率转换器输出信号的方法、功率转换器及其放大器 - Google Patents

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Abstract

一种具有遥感系统的功率转换器。该功率转换器包括：一个高通反馈信号；一个遥感低通信号；以及一个常量-集合滤波器(40)，该滤波器将高通反馈信号和遥感低通信号进行合并。常量-集合滤波器(40)至少是一个二阶滤波器，其用来生成误差信号。该常量-集合滤波器是一个三端子低通滤波器，其具有一个输入端子、一个输出端子和一个公用端子。输入端子用来接收遥感的低通信号。公用端子用来接收高通反馈信号。输出端子用来传送反馈控制信号。

Description

调节功率转换器输出信号的方法、功率转换器及其放大器
技术领域
本发明总得涉及功率转换器的调节，其特别涉及采用遥感技术来控制放大器负载信号的放大器的调节。
背景技术
通常人们需要通过感测和控制负载的实际电压来改进对电压源负载的调节。这类遥感正如其所称的那样克服了信号源和负载之间连接电缆、连接器、滤波器等阻抗所形成的有限的电源阻抗的限制。最简单情况是，人们可从负载的感应电压导出所有的控制反馈。
实际上，这并不适用于带宽很宽的闭路系统，这是因为电源和负载之间的阻抗形成了一个低通滤波器，其会使反馈在相位上滞后从而不能提高系统的闭路稳定性。
这种滤波/稳定问题可通过从信号源的局部提取高频反馈信号并在负载远程提取低频反馈信号来处理。
图1所示的简单电路可自动调整系统的高通—低通特性。本方法可用于DC到DC的电源以及AC功率/信号源。传统的AC线电压发生器采用遥感技术来提高负载(即用电设备)电压的精度。
某些声频放大器采用遥感技术通过消除内部滤波器带入的内部阻抗和端子阻抗而在输出端实现很高的衰减系数。在后一种情况下，需要精确的频率响应才能通过将R2、C2加入图1所示的输入网络来校正遥感网络R1、C1输出负载所产生的很小的响应误差。
开关放大器具有一类能产生显著输出阻抗和相移的输出滤波器。如果所有的反馈都在滤波器的输出端采集，就不会有什么高频电压反馈，特别是在负载为任易阻抗时更是如此。如果所有的电压反馈都在滤波器的输入端采集，那么与之相反，反馈信号中就会包括大量的脉宽调制(PWM)波，如将该波引入控制回路时则会产生扭曲。这里需要一种能够响应于切换电波频率并在该频段内其衰减很强的滤波器以除去PWM的波谱。类似的问题与电流反馈信号相关。
电压反馈的局部或高通部分在设计上要么运用输出滤波器的脉动衰减特性要么运用滤波器自身的脉动削减性来获得增加。在某些输出滤波器或者没有输出滤波器用于反馈的局部高通部分时，能够实现连续解决。如果没有使用输出滤波器，那么可以随着负载阻抗的变化而获得最大的稳定裕度。这类系统中任何负载调节的提高都必须通过低通反馈回路。最好使用最高的分频从而能够获得最大的输出调节。
当实际信号源和负载之间的串联阻抗用作高—Q电感并且负载含有一个高—Q分路电容时，本系统的性能会受到损害。由这种普通配置所形成的串联谐振网络会在谐振频率处形成一个很高的峰值增益，其能够轻易地达到或超过负载反馈的低通滤波器的衰减值。在反馈回路的增益裕度主要是这种谐振的增益峰值时，系统会变得不够稳定。这一点也适用于开关放大器和AC线电压。用作梯度放大器的开关放大器与输出滤波器的电感和梯形电缆上电磁干扰(EMI)滤波器的附加电容谐振。线电压发生器必须用很大的输入滤波器来启动电源。在这两种情况下，电感的Q值必须很高否则导电损失非常严重。还有电容的Q值通常很高从而使过滤的EMI达到最多。
如果采用图1的电路，负载和局部反馈之间的交叉频率(cross-overfrequency)相对于理想值必须设定到一个较低的频率上，以减少负载调节的带宽。这里所需的是：在不使频率反馈明显低于谐振频率的条件下，从负载反馈回来的高频能够进一步地衰减。
发明内容
本发明提供一种具有遥感系统的放大器，其采用高阶滤波器来合并遥感的低通信号和局部的高通反馈信号。该放大器包括：一个高通反馈信号；一个遥感低通信号；以及一个常量—集合滤波器，该滤波器将高通反馈信号和遥感低通信号进行合并。常量—集合滤波器至少是一个二阶滤波器，其用来生成电压反馈控制信号。在本发明的一个实施例中，该常量—集合滤波器是一个具有单位增益(unity gain)的三端子低通滤波器，其具有一个输入端子、一个输出端子和一个公用端子。输入端子用来接收遥感的低通信号。公用端子用来接收高通反馈信号。输出端子用来传送反馈信号。
本发明提供一种功率转换器，包括一个放大器电路，其具有一个接收源信号的输入和一个将输出信号输出到一个负载的输出；一个常量—集合滤波器，其具有一个从放大器电路接收高通反馈信号的第一输入，一个从放大器电路接收一个遥感低通反馈信号的第二输入，以及一个与放大器电路的输入相连的输出，该滤波器是一个二阶或高阶滤波器，其用来将低通反馈信号与高通反馈信号合并从而为放大器电路输出一个反馈控制信号以调节供给负载的输出信号。
本发明还提供一种用来调节功率转换器的输出信号的方法，其包括以下步骤：从功率转换器输出一个高通反馈信号；从功率转换器输出一个低通反馈信号；采用一个二阶或高阶的常量—集合滤波器来合并高通反馈信号和低通反馈信号以输出反馈控制信号；以及将该反馈控制信号提供给功率转换器以调节输出信号。
此外，本发明还提供一种放大器系统，包括：一个放大器，其具有一个高通反馈信号输出和一个低通反馈信号输出；以及一个遥感电路，其包括一个二阶或高阶的常量—集合滤波器，该滤波器用来合并高通和低通反馈信号从而为放大器提供一个反馈控制信号。
附图说明
结合附图并参考本发明实施例的详细说明，本发明的上述及其它特征以及实现这些特征的方法将更加清楚，本发明本身也会变得更容易理解。
图1为现有遥感电路的示意图；
图2(a)为用于本发明遥感电路的无源低通滤波器的示意图；
图2(b)为用于本发明遥感电路的Sallen和Key低通滤波器的示意图；
图2(c)为用于本发明遥感电路的多反馈低通滤波器的示意图；
图2(d)为用于本发明遥感电路的状态可变的低通滤波器的示意图；
图3为具有本发明遥感电路的脉宽调制放大器的示意图。
具体实施方式
下面的实施例并非本发明的完全描述，其目的也并非是将本发明限定到下面详细描述的精确形式。此外，这些实施例在选择和描述上可使本领域普通技术人员充分利用其教导。
现在参见图3，本发明的放大器总体用标记20表示，从图中可以看出其与负载22相连。放大器20包括：一个误差信号放大调制器24、一个脉宽调制(PWM)功率级26、一个解调滤波器28、一个反馈解调滤波器30以及分压器34、36。
放大器20是一种反向电流放大器，其中的低通反馈信号和高通反馈信号在高阶滤波器40合并，这一点将在下面详细说明。放大器20用解调滤波器28对低通反馈信号进行有源滤波，用反馈解调滤波器30对高通反馈信号进行有源滤波。
解调滤波器28是一种带有衰减器36的低通滤波器，其对通频波带具有足够的衰减宽带从而防止电压过载或者在放大器20输出高电压时防止电压在高阶滤波器40中被剪切。这类衰减可根据本领域的公知原理由精密电阻形成。分压器36位于解调滤波器28之后，其用来降低送到高阶滤波器40的低通反馈信号的电压。
反馈解调滤波器30可根据本领域的公知原理来设计从而用分压器34来衰减由PWM功率级26生成的PWM波谱，并为通频波带提供足够的宽带衰减从而防止电压过载或者在放大器20输出高电压时防止电压在高阶滤波器40中被剪切。分压器34用来降低反馈解调滤波器30的输入电压。反馈解调滤波器30输入中的有效电阻通常等于反馈解调滤波器30之前分压器34的输出电阻。
在图3的实施例中，高阶滤波器40是一种三阶的Sallen和Key型滤波器，其给集合器32输出一个反馈信号。高阶滤波器40的截断频率在选择上应低于外部电容性负载与内部滤波器电感相谐振所需的最低谐振频率(见图1)。本电路中所用的高阶滤波器40的阶次没有限制，只要其成本和复杂程序能够许可即可。这样就能对解调滤波器28中任何高Q谐振频率所产生的增益裕度的不足进行控制。
如果集合器32的净反馈在没有负载的情况下在高阶滤波器40的分频附近形成平坦响应曲线，那么低频和高频反馈信号的和必须是常数。实际上，对常数和来说，最容易获得的值是整数即整数集合。因此，在图1中，两个反馈路径都采用整数的分频网络从而实现它们限制频段的目的。因此，除非在负载上存在一个调整损失，否则这类方法可以确保不对源信号进行任何修正，以保证这类响应的调节。当采用非整数集合的方法时，必须进行响应修正以计入感应误差。理想情况下，往往是采用一个具有固有整数集合特性的系统，因为其还可消除任何反向均衡误差的问题，该误差来自于加工或元件的时漂特性。
对于任何整数集合的分频网络来说，表示低频和高频响应的有理多项式是通过定义来集合到整数的。这一点只有在分子N(s)等于分母D(s)时才会出现。这还意味着两个响应的分母都等于D(s)。因此，分子可表示成两个部分，低通滤波器的分子N1(s)以及高通滤波器的分子N2(s)，并且N1(s)+N2(s)＝N(s)＝D(s)。
从中可以看出，低通和高通响应在其通频波带响应顶峰没有达到分频的条件下在分频附近不可能具有D(s)同阶的截断速率。然而，其中的一个响应则有可能具有近乎平坦的通频波带，并且该响应在其它响应的截断速率很低而且在分频附近被一个单极控制时其在分频附近具有接近D(s)阶的截断速率。在遥感技术中，这并不是一个问题，因此只有负载感应通路所用的低通响应才需要高速截断。局部反馈所用的高通响应可由一个单极响应控制并给出可接受的结果。
根据本发明的教导，可采用各种滤波器的布局来形成整数集合响应。传统的任何整数DC增益的三端子低通滤波器都能很容易地转换成一个整数集合滤波器，只要将滤波器的共用端连接到所需的高通信号源(局部反馈)并且将滤波器的输入端连接到所需的低通信号源(负载反馈)即可。例如，图2(b)所示(任一阶)的Sallen和Key低通滤波器62的滤波电容在正常情况下应该接地，然而这里可与局部反馈信号源相连，并且第一输入电阻可与图3所示的负载遥感源相连。关于Sallen和Key滤波器的其它信息可参见R.P.Sallen和E.L.Key在1955年三月出版的IRE Tranction Circuit Theory中第51-62页的“A PracticalMethod of Designing RC Active Filters”。这里其以参考的形式作为本申请的一部分。显然，只要所选滤波器的输出阻抗低到不受剩余反馈回路负载影响的程度，那么当图2(b)的滤波器62以这种方式配置时，其就必须是整数集合。如果使用的是有源实施例，那么这个条件就很容易满足。这一条件对于如图2(a)所示的无源滤波器60来说并非总能满足。
状态可变滤波器，例如图2(d)所示的滤波器66也可用作高阶滤波器40。运算放大器中用作反相积分器的同相输入类似于Sallen和Key滤波器62的公共输入。此外，多反馈滤波器如图2(c)所示的滤波器64可如图使用并连接。显然，无论采用何种滤波器，DC低通响应相对于高通响应不应是反相的。在不增加反相器的条件下，两极多反馈滤波器会具有不好的反相LP响应。尽管也可采用和图2(a)所示的RC梯形网络一样简单的无源滤波器，但这种滤波器不能提供良好的平坦形状的通频波带。
上述所有的滤波器60、62、64、66在本质上都是模拟的。对本领域普通技术人员来说，在本发明的教导下用数字滤波器也可获得类似的响应结果。
尽管本发明是以实施例的形式进行的描述，但本发明还可在其公开的范围内进行进一步的修改。因此本申请采用其基本原理来覆盖本发明的各种变化、用途或改进。此外，本申请还在于覆盖那些能够从这里公开的内容以及本发明所属领域公知或惯用手段导出的内容。

Claims (26)

1、一种功率转换器，包括
一个放大器电路(20)，其具有一个接收源信号的输入和一个将输出信号输出到一个负载(22)的输出；
一个常量—集合滤波器(40)，其具有一个从放大器电路(20)接收高通反馈信号的第一输入，一个从放大器电路(20)接收一个遥感低通反馈信号的第二输入，以及一个与放大器电路(20)的输入相连的输出，该滤波器(40)是一个二阶或高阶滤波器，其用来将低通反馈信号与高通反馈信号合并从而为放大器电路(20)输出一个反馈控制信号以调节供给负载(22)的输出信号。
2、如权利要求1的功率转换器，其中的常量—集合滤波器(40)是一个三端子低通滤波器。
3、如权利要求2的功率转换器，其中的常量—集合滤波器(40)包括一个与高通反馈信号相连的共用端子。
4、如权利要求3的功率转换器，其中的常量—集合滤波器(40)包括一个与低通反馈信号相连的输入端子以及一个用来输出反馈控制信号的输出端子。
5、如权利要求1的功率转换器，其中的常量—集合滤波器(40)具有一个增益1。
6、如权利要求1的功率转换器，其中的常量—集合滤波器(40)是一个有源滤波器。
7、如权利要求1的功率转换器，其中的常量—集合滤波器(40)是一种Sallen和Key滤波器(62)。
8、如权利要求1的功率转换器，其中的常量一集合滤波器(40)是一种多反馈滤波器(64)。
9、如权利要求1的功率转换器，其中的常量—集合滤波器(40)是一种状态可变滤波器(66)。
10、如权利要求1的功率转换器，其中的放大器电路(20)包括一个PWM功率级(26)，它连接到所述放大器电路(20)的输入和一个输出滤波器(28)之间，该输出滤波器的输入与PWM功率级(26)相连，其输出与放大器电路(20)的输出相连，遥感低通反馈信号在放大器电路(20)的输出测得。
11、如权利要求10的功率转换器，其中的放大器电路(20)包括一个与输出滤波器(28)的输入相连的反馈滤波器(30)，该反馈滤波器(30)输出高通反馈信号。
12、如权利要求11的功率转换器，其中的反馈滤波器(30)包括衰减极，该衰减极对应于PWM功率级(26)的相关波动频率。
13、如权利要求1的功率转换器，其中的放大器电路(20)是一个反向电流放大器。
14、一种用来调节功率转换器的输出信号的方法，其包括以下步骤：
从功率转换器输出一个高通反馈信号；
从功率转换器输出一个低通反馈信号；
采用一个二阶或高阶的常量—集合滤波器(40)来合并高通反馈信号和低通反馈信号以输出反馈控制信号；以及
将该反馈控制信号提供给功率转换器以调节输出信号。
15、如权利要求14的方法，其中的常量—集合滤波器(40)是一个三端子低通滤波器，其包括：一个与高通反馈信号相连的共用端子，一个与低通反馈信号相连的输入端子，以及一个用来输出反馈控制信号的输出端子。
16、如权利要求14的方法，其进一步包括以下步骤：使施加到所述功率转换器的源信号和所述反馈控制信号的集合传送通过一个PWM功率级(26)和一个输出滤波器(28)，该输出滤波器(28)具有一个与PWM功率级(26)相连的输入以及一个用来提供输出信号的输出。
17、如权利要求16的方法，其进一步包括以下步骤：从输出滤波器(28)的输出接收该低通反馈信号。
18、如权利要求16的方法，其进一步包括以下步骤：在输出滤波器(28)的输入处滤波一个信号从而提供高通反馈信号。
19、一种放大器系统，包括：
一个放大器(20)，其具有一个高通反馈信号输出和一个低通反馈信号输出；以及
一个遥感电路，其包括一个二阶或高阶的常量—集合滤波器(40)，该滤波器用来合并高通和低通反馈信号从而为放大器(20)提供一个反馈控制信号。
20、如权利要求19的系统，其中的常量—集合滤波器(40)是一个三端子低通滤波器。
21、如权利要求20的系统，其中低通滤波器包括：一个与高通反馈信号输出相连的共用端子，一个与低通反馈信号输出相连的输入端子以及一个用来输出反馈控制信号的输出端子。
22、如权利要求19的系统，其中的常量—集合滤波器(40)是整数增益有源放大器。
23、如权利要求19的系统，其中的常量—集合滤波器(40)是下列这组滤波器中的一种：Sallen和Key滤波器(62)、多反馈滤波器(64)以及状态可变滤波器(66)。
24、如权利要求19的系统，其中的放大器(20)包括一个PWM功率级(26)和一个输出滤波器(28)，该PWM功率级连接到所述放大器的输入端和所述高通反馈信号输出，该输出滤波器(28)具有一个与PWM功率级(26)相连的输入端以及一个与所述放大器电路输出端相连的输出端，低通反馈信号在所述放大器电路输出端测得。
25、如权利要求24的系统，其中的放大器(20)包括一个与输出滤波器(28)的输入端相连的反馈滤波器(30)，该反馈滤波器(30)用来输出高通反馈信号。
26、如权利要求19的系统，其中的放大器(20)是一个反向电流放大器。
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