專利名稱：自適應(yīng)控制環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輸出調(diào)節(jié)器，特別是涉及用于輸出調(diào)節(jié)器的自適應(yīng)控制環(huán)。
背景技術(shù)：
輸出調(diào)節(jié)器被用于多種機(jī)器和設(shè)備，實(shí)際上包括所有的電子設(shè)備。輸出調(diào)節(jié)器通常將未調(diào)節(jié)的輸入功率轉(zhuǎn)換為一個或多個已調(diào)輸出，用于向機(jī)器或設(shè)備內(nèi)的電路提供電力。已調(diào)輸出最常見的是已調(diào)電壓，但是也可生成已調(diào)電流和已調(diào)功率。輸出調(diào)節(jié)器可集成到機(jī)器或設(shè)備中，或輸出調(diào)節(jié)器可以是裝配到機(jī)器或設(shè)備上的獨(dú)立部件。輸出調(diào)節(jié)器的幾個特性可用于判斷具體設(shè)計(jì)的質(zhì)量，包括諸如功率密度、效率、輸出調(diào)節(jié)和瞬態(tài)響應(yīng)之類的工作特性。有必要改進(jìn)輸出調(diào)節(jié)器的工作特性以改進(jìn)使用了輸出調(diào)節(jié)器的機(jī)器和設(shè)備，例如使其做得更小、需要更少的電力、具有改進(jìn)的精度和可靠性或者具有改進(jìn)的瞬態(tài)工作特性。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于控制輸出調(diào)節(jié)器的已調(diào)輸出的控制器，其中所述輸出調(diào)節(jié)器響應(yīng)脈寬信號以用于控制能量在輸入源和所述已調(diào)輸出之間傳送。所述控制器包括占空比估計(jì)器，其確定標(biāo)稱占空比。調(diào)整確定器確定調(diào)整值以與所述標(biāo)稱占空比組合，從而產(chǎn)生已調(diào)整占空比。所述脈寬信號是已調(diào)整占空比的函數(shù)。
在其他特征中，所述的調(diào)整確定器包括可選擇的環(huán)路增益用于確定所述調(diào)整值。所述的可選擇的環(huán)路增益能夠以大于所述輸出調(diào)節(jié)器的開關(guān)頻率選擇。計(jì)數(shù)器，其響應(yīng)所述已調(diào)整占空比，產(chǎn)生初始脈寬。
在其他特征中，控制時(shí)鐘產(chǎn)生延遲控制作為所述標(biāo)稱占空比和初始脈寬的函數(shù)。延遲線，其響應(yīng)所述初始脈寬和延遲控制，產(chǎn)生具有已調(diào)或已微調(diào)(finetuned)脈寬的所述脈寬信號。
在其他特征中，占空比限制器限制已調(diào)整占空比作為調(diào)節(jié)器特性的函數(shù)。所述的調(diào)整確定器包括環(huán)路補(bǔ)償以穩(wěn)定所述輸出調(diào)節(jié)器的環(huán)路響應(yīng)。所述環(huán)路補(bǔ)償可以一定的速率控制，該速率的范圍從近似等于所述輸出調(diào)節(jié)器的開關(guān)頻率到所述數(shù)字控制器的取樣頻率。
在其他特征中，所述調(diào)整值是估計(jì)的誤差趨勢的函數(shù)，該誤差基于參考和所述已調(diào)輸出之間的差(digfference)。所述的調(diào)整值是一個函數(shù)，其斜率常數(shù)可以在大于所述輸出調(diào)節(jié)器的開關(guān)頻率的速率可選。所述調(diào)整值是誤差的誤差歷史的函數(shù)，該誤差基于參考和所述已調(diào)輸出間的差?；谒稣`差前面值的數(shù)學(xué)函數(shù)的所述誤差歷史包括移動平均值、平均值、峰值和加權(quán)平均值。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠從前面的描述中意識到，本發(fā)明的寬廣的所講授的內(nèi)容可以多種不同的形式實(shí)現(xiàn)。因而，盡管是聯(lián)系本發(fā)明的具體實(shí)施例對其進(jìn)行介紹的，但是并不應(yīng)該以此來限制本發(fā)明的真正范圍，因?yàn)閷I(yè)技術(shù)人員研究了附圖、說明書和所附權(quán)利要求書之后其他的修改都將是顯而易見的。


圖1是輸出調(diào)節(jié)器的一個方案的方框圖。
圖2是用于輸出調(diào)節(jié)器的數(shù)字控制器的一個方案的方框圖。
圖3是用于輸出調(diào)節(jié)器的數(shù)字控制器的操作的一個方案的流程圖。
圖4是用于輸出調(diào)節(jié)器的組件的兩維視圖。
圖5是自適應(yīng)多模式控制系統(tǒng)的一個方案的狀態(tài)圖。
圖6是導(dǎo)通期間的輸出電壓圖。
圖7是自適應(yīng)多模式控制系統(tǒng)操作的一個方案的流程圖。
圖8是具有輸出限幅器的輸出調(diào)節(jié)器一個方案的方框圖。
圖9是電壓范圍間的關(guān)系的一個方案的方框圖。
圖10是輸出限幅器的一個方案方框圖。
圖11是輸出限幅器操作的一個方案的流程圖。
圖12A是功率陣列的一個方案的方框圖。
圖13是和功率陣列中檢測電流的一個方案相關(guān)的波形的時(shí)序圖。
圖14是用于控制功率調(diào)節(jié)器中的能量流的功率開關(guān)陣列操作的一個方案的流程圖。
圖15是電流檢測技術(shù)的操作的一個方案的流程圖。
圖16是二極管模擬系統(tǒng)一個方案的方框圖，其用于模擬輸出調(diào)節(jié)器的自由輪轉(zhuǎn)二極管，該輸出調(diào)節(jié)器作為開關(guān)調(diào)節(jié)器工作。
圖17是和二極管模擬系統(tǒng)一個方案相關(guān)的波形的時(shí)序圖。
圖18是二極管模擬系統(tǒng)的操作的一個方案的流程圖。
圖19是用二極管模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的空載控制技術(shù)的操作的一個方案的流程圖。
圖20是用于功率陣列中控制損耗的一個方案的流程圖。
圖21是通過功率調(diào)節(jié)器的功率級抑制噪聲產(chǎn)生的操作的一個方案的流程圖。
圖22是用于控制輸出調(diào)節(jié)器的電路節(jié)點(diǎn)的電容的操作的一個方案的流程圖。
圖23是用于在脈沖信號中產(chǎn)生延遲的延遲線的一個方案的方框圖。
圖24是和延遲線的一個方案相關(guān)的波形的時(shí)序圖。
圖25是用于為輸出調(diào)節(jié)器增加脈沖寬度分辨率的操作的一個方案的流程圖。
圖26是用于為開關(guān)調(diào)節(jié)器確定占空比的數(shù)字控制器的一個方案的方框圖。
圖27是用于開關(guān)調(diào)節(jié)器的數(shù)字控制器的一個方案的方框圖。
圖28是占空比估計(jì)器的一個方案的狀態(tài)圖。
圖29是和電壓限幅器一個方案相關(guān)的電壓水平的視圖。
圖30是用于為開關(guān)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生占空比的數(shù)字控制器一個方案相關(guān)的波形的時(shí)序圖。
圖31A是用于為開關(guān)調(diào)節(jié)器確定占空比的占空比估計(jì)器的一個方案的方框圖。
圖31B是另一個用于為開關(guān)調(diào)節(jié)器確定占空比的占空比估計(jì)器的一個方案的方框圖。
圖32是用于為開關(guān)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生占空比的操作的一個方案的流程圖。
圖33是包括節(jié)能間歇模式(ESDM)的數(shù)字控制器的一個方案的方框圖。
圖34A是用于在恒定電流模式和間歇電流模式之間控制切換的數(shù)字控制器的一個方案的方框圖。
圖34B是和數(shù)字控制器一個方案相關(guān)的波形的時(shí)序圖。
圖35是用于在恒定電流模式和間歇電流模式之間控制切換的操作的一個方案的流程圖。
圖36是用于數(shù)字控制器的狀態(tài)信息存儲系統(tǒng)的一個方案的方框圖。
不同圖中的相同參考標(biāo)記表示相同的元件。
具體實(shí)施例方式
圖1表示用于向負(fù)載12提供已調(diào)功率的功率調(diào)節(jié)器10。該功率調(diào)節(jié)器10可包括數(shù)字控制器14，其接收反饋信號16并生成一個或多個驅(qū)動功率級20的控制信號18。功率級20將未調(diào)電壓如Vin 22轉(zhuǎn)換為斬波波形，其由輸出濾波器24過濾以產(chǎn)生已調(diào)輸出26。該已調(diào)輸出26優(yōu)選為直流(DC)輸出，并可以是包括電壓、電流和功率在內(nèi)的任何輸出特性。未調(diào)電壓可以是任何形式的輸入功率，例如交流(AC)電壓和DC電壓。對于交流輸入電壓，可包括整流級(未示出)以將AC電壓轉(zhuǎn)換為DC輸入電壓Vin 22。輸出傳感器28檢測已調(diào)輸出26，并將反饋信號發(fā)送至數(shù)字控制器14。功率調(diào)節(jié)器10可采用任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如buck、boost、flyback、sepic、Cuk和Zeta。
圖2表示電壓轉(zhuǎn)換器100的一部分，該電壓轉(zhuǎn)換器100用于將未調(diào)節(jié)的輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換為用于向負(fù)載(未示出)提供功率的已調(diào)輸出。數(shù)字控制器102產(chǎn)生一對驅(qū)動信號以控制從Vin到斬波波形的轉(zhuǎn)換。可以任何方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器102，例如執(zhí)行軟件或固件的可編程裝置、數(shù)字電路、邏輯電路、數(shù)字信號處理器以及它們的組合。數(shù)字控制器102響應(yīng)對應(yīng)于已調(diào)輸出的數(shù)字誤差信號104生成驅(qū)動信號。
輸出傳感器106可檢測已調(diào)輸出，生成數(shù)字誤差信號104。輸出傳感器106可將已調(diào)輸出和參考信號108比較以生成數(shù)字誤差信號。參考信號108可以是如模擬信號和數(shù)字信號的任何類型的信號，且可以任何方式產(chǎn)生。
例如，輸出選擇器110可產(chǎn)生參考信號108以響應(yīng)一個或多個輸入Rx和Ry。該輸入可以是連到參考電壓如接地的電阻器。電阻器的值對應(yīng)于輸出的電壓水平和公差的選擇。輸出選擇器110可以是獨(dú)立的模塊或包括在數(shù)字控制器102內(nèi)。
驅(qū)動器電路112a和112b可緩沖來自數(shù)字控制器102的驅(qū)動信號，并產(chǎn)生驅(qū)動上端和下端功率陣列114a和114b的信號。驅(qū)動電路112a和112b可具有較低的輸出阻抗以減少功率陣列114a和114b在工作狀態(tài)間轉(zhuǎn)換時(shí)的過渡時(shí)間。驅(qū)動器電路112a和112b可采用任何類型的驅(qū)動器。
每個功率陣列114a和114b都包括一個或多個以切換模式工作的功率開關(guān)器件，其在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間循環(huán)?？墒褂萌魏晤愋偷墓β书_關(guān)器件，如MOSFET、BJT、IGBT和MCT。功率陣列114a和114b可按任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)配置，如buck、boost、flyback、sepic、Cuk和Zeta。
此處，功率陣列114a和114b是以buck結(jié)構(gòu)說明的。上端功率陣列114a連接在Vin和公共節(jié)點(diǎn)VL之間。下端功率陣列114b連接在VL和較低的電壓如地之間。隨著功率陣列114a和114b在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)間切換，Vin和地被施加到VL上。當(dāng)Vin施加到VL上時(shí)，能量從Vin通過VL流到輸出濾波器(參看圖1)。
電流傳感器116a和116b可測量流過功率陣列114a和114b的電流。電流傳感器可采用諸如變流器、串聯(lián)電阻器、赫爾效應(yīng)器件的檢測電流的以及基于導(dǎo)通狀態(tài)下跨MOSFET所形成的電壓確定電流的任何方法。每個電流傳感器116a和116b可產(chǎn)生指示電流特性的數(shù)字輸出，如峰值電流、平均電流和實(shí)際電流。電流的數(shù)字輸出可以是一個或多個位。
電壓傳感器118可檢測VL處的電壓。電壓傳感器118可基于所檢測的電壓產(chǎn)生數(shù)字輸出。VL的數(shù)字輸出可以是兩位或更多位。VL信息可用于控制和保護(hù)如通過下端功率陣列114b非直接檢測電流。
延遲線120可通過數(shù)字控制器102調(diào)整/微調(diào)(finetune)估計(jì)占空比。延遲線120可產(chǎn)生延遲信號來延長估計(jì)占空比。例如，估計(jì)占空比可計(jì)算為時(shí)鐘脈沖寬度的整數(shù)倍，并且延遲線120可通過小于時(shí)鐘脈沖寬度的增量來改變估計(jì)占空比。延遲線120可以接收一個或多個位的數(shù)字信號，例如多位數(shù)字信號，并產(chǎn)生具有控制的脈沖寬度的脈沖。可采用任何類型的脈沖延伸技術(shù)。而且，延遲線120可包括產(chǎn)生微小增量的抖動。在示例性系統(tǒng)中，延遲線120可產(chǎn)生最小增量分辨率，其等于“t1”，并通過施加抖動，產(chǎn)生的脈沖的均值可以“t1”的任何微小部分脈沖延伸。在一種抖動方法中，在連續(xù)脈沖系列中選定數(shù)目的脈沖可以整數(shù)“N”個增量延伸，該系列脈沖中余下的脈沖可以整數(shù)“N-1”或“N+1”個增量延伸以產(chǎn)生微小延伸的脈沖。
振蕩器122可為電壓轉(zhuǎn)換器100產(chǎn)生時(shí)鐘信號。振蕩器122可接收外部同步信號來同步時(shí)鐘信號。可使用任何類型的振蕩器，例如鎖相環(huán)振蕩器和晶體振蕩器。
軟啟動電路124可產(chǎn)生軟啟動信號，在接通電源期間限制能量傳送到輸出。軟啟動信號可以是5位信號，其控制驅(qū)動信號的脈沖寬度以限制能量傳輸至輸出。例如，在接通期間，軟啟動信號可在限制最大脈沖寬度的值上斜坡上升。可采用任何類型的軟啟動技術(shù)，如限制占空比、控制驅(qū)動信號的工作頻率以及可控地增加參考電壓，用輸出反饋信號與其比較以逐漸增加輸出電壓至穩(wěn)態(tài)水平。軟啟動電路124可基于逐個周期限制能量傳輸。
自適應(yīng)占空比限制器126可產(chǎn)生數(shù)字信號以限制能量傳輸至輸出，作為輸入功率的電氣特性的函數(shù)，輸入功率的電氣特性例如Vin、輸入電流Iin、輸入紋波電壓VINripple、輸入功率Pin、輸入源阻抗Rs和輸入能量Qin。例如自適應(yīng)占空比限制器126可監(jiān)控Iin并產(chǎn)生數(shù)字信號以限制占空比以使Iin的振幅或大小(amplitude)不超過閾值。自適應(yīng)占空比限制器126可基于逐個周期工作控制閾值。每個周期，自適應(yīng)占空比限制器126可改變閾值，并為下一個周期限制占空比。下一個周期的占空比可基于前面周期的輸入功率電氣特性和閾值的比較確定。
圖3表示電壓轉(zhuǎn)換器100的操作模式的一個方案。在模塊150，檢測已調(diào)輸出并將其和參考比較。所檢測的已調(diào)輸出可以是任何電氣特性，如電壓和電流。在模塊152，產(chǎn)生數(shù)字反饋信號作為所檢測的已調(diào)輸出的函數(shù)。數(shù)字反饋信號可以是多位信號。數(shù)字反饋信號的每個值可與所檢測的已調(diào)輸出的模擬值相對應(yīng)。在模塊154，基于數(shù)字反饋信號確定估計(jì)占空比。估計(jì)占空比可表示為應(yīng)用到計(jì)數(shù)器上的計(jì)數(shù)器界限。計(jì)數(shù)器可以產(chǎn)生一個脈沖作為時(shí)鐘信號和計(jì)數(shù)器界限的函數(shù)。在模塊156，產(chǎn)生軟啟動信號以限制能量在接通期間傳輸?shù)揭颜{(diào)輸出。軟啟動信號限制占空比，在該占空比上功率陣列被過渡驅(qū)動。在模塊158，產(chǎn)生輸入限制信號以限制能量作為輸入功率的函數(shù)傳輸?shù)揭颜{(diào)輸出。例如，在輸入電壓小于預(yù)定電壓或輸入電流大于預(yù)定電流時(shí)，功率傳輸被限制。在模塊160，可生成計(jì)時(shí)占空比。在模塊162，以小于時(shí)鐘信號的時(shí)鐘脈沖的持續(xù)時(shí)間來調(diào)整計(jì)時(shí)占空比。例如，計(jì)時(shí)占空比的分辨率由時(shí)鐘頻率限制，以使計(jì)時(shí)占空比不等于估計(jì)占空比，而是大于或小于估計(jì)占空比。然后計(jì)時(shí)占空比可被增加或減小以更近似等于估計(jì)占空比。在模塊164，可控制一個或多個功率陣列作為計(jì)算占空比的函數(shù)以傳輸能量至已調(diào)輸出。
圖4表示電壓轉(zhuǎn)換器100的組件(package)結(jié)構(gòu)的一個方案。組件結(jié)構(gòu)有利地減少了對噪聲的靈敏度，該噪聲由電壓轉(zhuǎn)換器100的工作產(chǎn)生。組件200包括數(shù)字控制器和功率開關(guān)器件，用于控制電壓轉(zhuǎn)換器100中的能量流。組件200的管腳結(jié)構(gòu)為與電壓轉(zhuǎn)換器100相關(guān)的改進(jìn)的跡線通路而提供。返回管腳202可沿組件200的第一側(cè)邊設(shè)置。返回管腳202為流到Vout的電流提供回流路徑。Vin管腳204和中間抽頭管腳CT 206可沿組件200的第二側(cè)邊設(shè)置。用于控制輸入/輸出(I/O)的管腳208-212可沿組件200的第三側(cè)邊設(shè)置?？刂艻/O可包括如頻率補(bǔ)償Cf和輸出電壓選擇R1和R2的功能。
多模式控制系統(tǒng)圖5表示用于控制輸出調(diào)節(jié)器的自適應(yīng)多模式控制系統(tǒng)300的一個方案。多模式控制系統(tǒng)300可作為已調(diào)輸出的函數(shù)自動地在三個或更多個操作模式之間切換。輸出調(diào)節(jié)器可以是包括切換和線性的任何類型的調(diào)節(jié)器，并可調(diào)節(jié)諸如電壓和電流的任何輸出特性。多模式控制器300可被配置為包括任何操作模式的組合，如滯后模式、自適應(yīng)滯后模式、脈寬調(diào)制模式、恒定接通時(shí)間模式、恒定關(guān)斷時(shí)間模式、諧振模式、固定頻率軟切換模式、電壓模式、電流模式，固定頻率和包括操作模式組合的可變頻率。多模式控制器300實(shí)現(xiàn)于數(shù)字控制系統(tǒng)中并和時(shí)鐘信號一起工作。自適應(yīng)多模式控制系統(tǒng)300可基于時(shí)鐘信號的逐個周期在操作模式間切換。每個時(shí)鐘周期，可檢測輸出調(diào)節(jié)器的一個或多個特性，然后基于所檢測的特性選擇操作模式?？刹捎萌魏蔚妮敵稣{(diào)節(jié)器特性，例如輸出電壓、輸出電流、偏置電流、切換電流和溫度，其中每個特性可以是任何數(shù)學(xué)形式，例如峰值、平均值、加權(quán)平均值、變化率和瞬時(shí)值。
在開關(guān)調(diào)節(jié)器的示例性結(jié)構(gòu)中，當(dāng)開關(guān)調(diào)節(jié)器接通時(shí)，自適應(yīng)多模式控制系統(tǒng)300可以電壓模式滯后控制302接通。圖6表示幾個工作狀態(tài)下開關(guān)調(diào)節(jié)器的已調(diào)輸出電壓320。
在電壓模式滯后控制302 S1期間，已調(diào)輸出電壓320向穩(wěn)態(tài)值快速地斜坡上升。在電壓模式滯后控制302 S1中，當(dāng)電壓小于參考電壓如V0時(shí)，能量被傳輸?shù)揭颜{(diào)輸出電壓320。當(dāng)已調(diào)輸出電壓320增加至大于V0時(shí)，多模式控制系統(tǒng)300中斷驅(qū)動信號，并在短時(shí)延遲后能量傳輸中止。
當(dāng)已調(diào)輸出電壓320在如VH3和VL3的值范圍內(nèi)時(shí)，自適應(yīng)多模式控制系統(tǒng)300可切換到電壓模式自適應(yīng)滯后控制304 S2。在電壓模式自適應(yīng)滯后控制304 S2中，限制滯后控制下的最大接通時(shí)間和最大關(guān)斷時(shí)間以減小能量傳輸?shù)揭颜{(diào)輸出的速率，減小了穩(wěn)態(tài)值附近的阻尼振蕩的振幅。
隨著已調(diào)輸出電壓的阻尼振蕩的減小，自適應(yīng)多模式控制系統(tǒng)300可切換到電壓模式或電流模式的脈寬調(diào)制(PWM)控制306 S3。在電壓模式PWM控制306 S3過程中，輸出調(diào)節(jié)器工作在恒定頻率上，并通過控制占空比調(diào)節(jié)輸出電壓，能量在該占空比傳輸?shù)捷敵?。可基于輸出調(diào)節(jié)器的輸出電流、輸出電壓和輸出電壓在其中變化的電壓范圍切換至電壓模式PWM控制306 S3。
當(dāng)輸出電流減小到一個輕負(fù)載限之下時(shí)，可切換到恒定接通時(shí)間電流模式控制308 SY以節(jié)約能量。在恒定接通電流模式控制308 SY期間，可控制開關(guān)調(diào)節(jié)器的關(guān)斷時(shí)間以維持已調(diào)輸出。隨著輸出電流減小，開關(guān)調(diào)節(jié)器的開關(guān)頻率可減小或完全停止，減小了開關(guān)調(diào)節(jié)器的開關(guān)損耗。在沒有負(fù)載或負(fù)載很小時(shí)，開關(guān)調(diào)節(jié)器可進(jìn)入時(shí)鐘停止的休眠模式。
圖7表示自適應(yīng)多模式控制系統(tǒng)的一個方案。在模塊330，提供三個或更多個操作模式用于控制輸出調(diào)節(jié)器?？稍谌魏螘r(shí)鐘驅(qū)動介質(zhì)如固件、軟件和硬件中配置操作模式。在模塊332，產(chǎn)生時(shí)鐘信號用于操作多模式控制系統(tǒng)300。在模塊334，可檢測一個或多個輸出調(diào)節(jié)器的特性。輸出調(diào)節(jié)器特性可作為時(shí)鐘周期如相應(yīng)于輸出調(diào)節(jié)器的最小接通時(shí)間或占空比的多個時(shí)鐘周期的函數(shù)被檢測。在模塊336，檢測到的輸出調(diào)節(jié)器特性可被評估以確定使用哪個操作模式。在模塊338，可基于該評估選擇一個操作模式。輸出調(diào)節(jié)器特性的評估和操作模式的選擇可在采樣頻率上基于逐個周期作出，如每個時(shí)鐘周期和每個預(yù)定數(shù)目的時(shí)鐘周期。在模塊340，所選的操作模式被用于計(jì)算接通時(shí)間，將為下一個導(dǎo)電周期設(shè)定該接通時(shí)間。在模塊342，輸出調(diào)節(jié)器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為輸出調(diào)節(jié)器的輸出作為計(jì)算的接通時(shí)間的函數(shù)。
輸出限幅器圖8表示用于產(chǎn)生已調(diào)輸出的輸出調(diào)節(jié)器400的一個方案。輸出調(diào)節(jié)器400可包括數(shù)字控制器402，其接收反饋信號404并產(chǎn)生一個或多個驅(qū)動信號406以驅(qū)動功率級408。功率級408將未調(diào)電壓如Vin轉(zhuǎn)換為斬波波形，其由輸出濾波器412過濾以產(chǎn)生已調(diào)輸出414。已調(diào)輸出Vout優(yōu)選為DC輸出，且可基于包括電壓、電流和功率在內(nèi)的任何輸出特性調(diào)節(jié)。
輸出限幅器416可產(chǎn)生反饋信號404以響應(yīng)對輸出電壓的檢測。輸出限幅器416可確定輸出電壓包含于其中的電壓范圍。輸出限幅器416可確定兩個或更多個電壓范圍以描述組合的電壓范圍，并隨后確定輸出電壓包含于哪個電壓范圍內(nèi)。例如，從0伏特延伸至10伏特的組合的電壓范圍可由從0伏特到8伏特的第一電壓范圍，從8伏特到9伏特的第二電壓范圍和從9伏特到10伏特的第三電壓范圍和10伏特到更高伏特的第四電壓范圍描述。如果輸出電壓是8.5伏特，那么輸出電壓落在第二范圍內(nèi)?？蛇x擇電壓范圍交疊，也可連續(xù)。圖9表示電壓范圍交疊結(jié)構(gòu)的例子。第一電壓范圍從0伏特延伸到VL3伏特。第二電壓范圍從VL3伏特延伸到VH3伏特。第三電壓范圍從VL2伏特延伸到VH2伏特。第四電壓范圍從VL1伏特延伸到VH1伏特。第二、第三和第四電壓范圍可描述關(guān)于標(biāo)稱電壓VA0的電壓調(diào)節(jié)范圍。在另一個替換實(shí)施例中，可選擇電壓范圍連續(xù)延伸，如從0到VL3、VL3到VL2、VL2到VL1、VL1到VH1、VH1到VH2、和VH2到VH3。
輸出限幅器416可以取樣頻率基于逐個周期動態(tài)地設(shè)定電壓范圍。例如，每個周期可改變一個或多個參考水平如VL3，以便每一電壓范圍所涵蓋的電壓可改變每個周期。在另一方案中，參考水平可作為已調(diào)輸出的紋波電壓的函數(shù)進(jìn)行控制。例如，可調(diào)整已調(diào)輸出的標(biāo)稱水平最近處的參考水平以確保紋波電壓是參考水平所涵蓋的電壓范圍的預(yù)定百分比。另一方案，在電壓瞬態(tài)期間電壓范圍可設(shè)定為相對較廣的范圍，而在穩(wěn)態(tài)期間，電壓范圍可設(shè)定為窄范圍。此外，基于逐個周期，可改變電壓范圍的配置，如從連續(xù)到交疊。雖然，輸出限幅器416是作為具有電壓參考描述的，電流參考也用于定義電流范圍，電流可與該電流范圍比較。
輸出限幅器416可比較輸出電壓和預(yù)定的電壓范圍，并選擇數(shù)字值以表示輸出電壓所處的電壓范圍。反饋信號404是數(shù)字信號，其具有兩個或更多位以表示相應(yīng)于輸出電壓的電壓范圍，如攜帶編碼信號的數(shù)字總線和表示每個電壓范圍的獨(dú)立的數(shù)字線。
圖10表示用于產(chǎn)生表示電壓范圍的數(shù)字值的電壓限幅器450的一個方案，所檢測的電壓包括在該電壓范圍內(nèi)。參考產(chǎn)生器452可產(chǎn)生幾個用于為每個電壓范圍設(shè)定電壓限的電壓參考454?？捎须妷簠⒖嫉娜魏伟才?，如為每個電壓限分配獨(dú)立的電壓參考454和從單個電壓參考中獲得多個電壓限。
控制信號455可動態(tài)地控制電壓參考，以便可以取樣頻率基于逐個周期控制電壓限?？刂菩盘?55可控制一個或多個電壓參考，并在兩個或更多個電壓水平之間切換電壓參考?？刂菩盘?55可為模擬的、數(shù)字的、混合信號的、并行的、串行的、一線或多線式的及其組合。
一個或多個比較器456可比較輸出電壓和電壓限454。當(dāng)使用多個比較器456時(shí)，比較器可并行地將輸出電壓和定義電壓范圍的每個電壓限進(jìn)行比較。在一個替換實(shí)施例中，可用單個比較器456來比較輸出電壓和可控的電壓參考，該電壓參考是按照相應(yīng)于電壓限的值的時(shí)鐘變遷的順序來排序的。
編碼器458可將比較器450的輸出編碼為具有兩個或多個位的數(shù)字信號。數(shù)字信號可以是任何形式，如并行和串行的。
圖11表示電壓限幅器的操作。在模塊470，產(chǎn)生三個或更多個參考水平以定義電壓范圍。參考水平可以是靜態(tài)的或動態(tài)的。靜態(tài)參考水平可以保持在恒定水平。動態(tài)參考水平可基于逐個周期控制，以便電壓范圍動態(tài)地改變。例如，在功率調(diào)節(jié)器接通期間，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出增加時(shí)，電壓范圍可設(shè)定為功率調(diào)節(jié)器輸出的穩(wěn)態(tài)水平的10％。然后，當(dāng)功率調(diào)節(jié)器輸出開始趨穩(wěn)態(tài)水平穩(wěn)定時(shí)，電壓范圍可減小到穩(wěn)態(tài)水平的5％。在步驟472，檢測器件特性的水平?？蓹z測任何器件特性，如輸出電壓、輸出電流、開關(guān)電壓、電感器電流和輸入電壓。在步驟474，器件特性可與至少一個參考水平比較。在步驟476，器件特性水平所落入的電壓范圍可基于步驟474確定。在步驟478，生成數(shù)字信號以指示出器件特性水平所落入的范圍。
功率陣列圖12A表示功率陣列500的一個方案，該功率陣列從輸入電壓中產(chǎn)生斬波電壓。功率陣列500可包括在功率調(diào)節(jié)器，如在本說明書中所描述的功率調(diào)節(jié)器10中。功率陣列500可包括功率開關(guān)器件Q1-Q8的一個或多個開關(guān)陣列502a和502b，以控制兩個節(jié)點(diǎn)之間的能量流。功率開關(guān)器件Q1-Q8可每個獨(dú)立操作于兩個狀態(tài)，即導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)。在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，功率開關(guān)器件具有低阻抗且在兩個節(jié)點(diǎn)之間傳導(dǎo)能量。在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，功率開關(guān)器件有高阻抗，且阻擋兩個節(jié)點(diǎn)之間的能量流。任何數(shù)量和任何類型的開關(guān)器件可用于功率開關(guān)器件，如MOSFET、BJT、MCT、IGBT和射頻(RF)FET。功率開關(guān)器件Q1-Q8可包括多種尺寸的任意混合，例如對于MOSFET，一個器件可具有0.1歐姆的Rds(導(dǎo)通)，而其它器件可分別具有0.2歐姆和0.4歐姆的Rds(導(dǎo)通)。
開關(guān)陣列502a和502b可連接為任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如buck、boost、flyback、Cuk、sepic和Zeta。此處，開關(guān)陣列502a和502b連接為buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中上端開關(guān)陣列502a在導(dǎo)通周期內(nèi)傳導(dǎo)能量，而下端開關(guān)陣列502b在自由輪轉(zhuǎn)周期內(nèi)傳導(dǎo)能量。開關(guān)陣列502a和502b可包括任何功率開關(guān)器件的組合，如MOSFET、BJT、MCT、IGBT和RF FET。
驅(qū)動器陣列505緩沖從開關(guān)控制器504到功率開關(guān)器件Q1-Q8的驅(qū)動信號。驅(qū)動器陣列505可包括若干個驅(qū)動器506。每個驅(qū)動器506優(yōu)選驅(qū)動單個功率開關(guān)器件，然而每個驅(qū)動器506可驅(qū)動多于一個的功率開關(guān)器件Q1-Q8。驅(qū)動器506提高功率開關(guān)器件Q1-Q8的切換速率以減少功率開關(guān)器件在導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)間切換的開關(guān)損耗。任何類型的電路和器件可用于驅(qū)動器506以提高功率開關(guān)器件Q1-Q8的切換速率。
開關(guān)控制器504產(chǎn)生用于控制功率開關(guān)器件的Q1-Q8驅(qū)動信號。開關(guān)控制器504數(shù)字化操作，且可由任何形式的數(shù)字實(shí)體如數(shù)字電路和執(zhí)行軟件或固件的可編程器件實(shí)現(xiàn)。開關(guān)控制器504可接收占空比信號508，并基于該占空比信號508產(chǎn)生驅(qū)動信號。開關(guān)控制器504可以取樣頻率基于逐個周期工作以確定驅(qū)動信號。取樣頻率可以是輸出調(diào)節(jié)器開關(guān)頻率的20倍或更高。例如，在固定頻率工作期間，輸出調(diào)節(jié)器可在50kHz到1MHz間工作，而取樣頻率的范圍在1MHz和100MHz之間。相應(yīng)于取樣頻率每個時(shí)鐘周期開關(guān)控制器504可確定驅(qū)動信號。
每個功率開關(guān)器件Q1-Q8可基于逐個周期獨(dú)立地使能或者禁能?？梢钥刂剖鼓艿拈_關(guān)陣列內(nèi)的功率開關(guān)器件的數(shù)量。使能/禁能的功率開關(guān)器件Q1-Q8的數(shù)量可基于任何工作特性確定，工作特性如輸出電流、環(huán)境溫度、工作溫度、輸出電壓和電感器電流。例如，當(dāng)輸出電流約等于最大輸出電流一半時(shí)，在每個開關(guān)陣列的四個功率開關(guān)器件中只有兩個被使能，以使功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗最小化。在另一方案中，在導(dǎo)通周期期間隨著開關(guān)器件中電流的斜坡上升，額外的功率開關(guān)器件可被使能以減少傳導(dǎo)損耗。相似地，在瞬時(shí)負(fù)載改變期間，功率開關(guān)器件的數(shù)量可增加或減少，因此，例如減少開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。
開關(guān)控制器504可通過驅(qū)動信號獨(dú)立地控制功率開關(guān)器件Q1-Q8中的每一個，以便在開通和關(guān)斷狀態(tài)間的切換期間每個功率開關(guān)器件間的時(shí)間關(guān)系可逐個周期地控制。在每個開關(guān)陣列502a和502b中功率開關(guān)器件Q1-Q4和Q5-Q8的開通和關(guān)斷切換的時(shí)間順序可獨(dú)立控制。例如，參考圖13，其示出了和功率陣列500相關(guān)的波形，可控制功率開關(guān)器件Q1-Q4的關(guān)斷狀態(tài)到導(dǎo)通狀態(tài)的切換520，以使首先Q4關(guān)斷，接著Q2和Q3一起關(guān)斷，最后是Q1關(guān)斷。
時(shí)間順序可以任何方式控制，如基于流過功率開關(guān)器件的電流、使用切換間的預(yù)定的延遲時(shí)間、在另一個功率開關(guān)器件切換完成之后觸發(fā)一個功率開關(guān)器件的切換以及基于開關(guān)陣列公共的節(jié)點(diǎn)處的電壓瞬變。
電流傳感器510和512可檢測流過功率開關(guān)器件Q1-Q8的電流。流過功率開關(guān)器件Q1-Q8的電流可在輸出調(diào)節(jié)器的任何位置檢測，例如和輸出電感器串聯(lián)、和上端開關(guān)陣列502a串聯(lián)以及和下端開關(guān)陣列502b串聯(lián)?？墒褂萌魏晤愋偷碾娏鱾鞲衅?，如變壓器-電阻器傳感器、電感器-電阻器傳感器、赫爾效應(yīng)傳感器、DC電流傳感器、AC電流傳感器，電感器三級(inductor-tertiary)繞組傳感器和串聯(lián)電阻器。
圖14表示用于功率陣列的功率開關(guān)陣列的操作，其用于控制功率調(diào)節(jié)器中的能量流。在步驟550，提供兩個或更多個并聯(lián)的開關(guān)器件用于控制功率調(diào)節(jié)器中的能量流。優(yōu)選地，每個功率開關(guān)器件接收獨(dú)立的驅(qū)動信號。然而，開關(guān)器件可被安排成兩組或更多組功率開關(guān)器件，每組接收獨(dú)立的驅(qū)動信號。在步驟552，確定要使能的功率開關(guān)器件的數(shù)量。功率開關(guān)器件數(shù)量可被調(diào)整以減少功率開關(guān)器件中的功率損耗，包括開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。例如，可檢測輸出電流或開關(guān)電流，要被使能的功率開關(guān)器件的數(shù)量可基于檢測到的電流而控制。當(dāng)較低的工作電流流過功率開關(guān)器件時(shí)，通過減少被使能的功率開關(guān)器件的數(shù)量，可以減少開關(guān)損耗。在步驟554，確定功率開關(guān)器件接通切換的時(shí)間順序。接通切換的時(shí)間順序可基于任何技術(shù)，例如選擇開關(guān)切換之間的固定時(shí)間的延遲、基于電壓調(diào)節(jié)器的工作特性如電壓水平，電流水平和工作溫度選擇時(shí)間延遲。在步驟556，產(chǎn)生驅(qū)動信號以控制功率開關(guān)器件的接通切換。在步驟558，確定關(guān)斷切換的時(shí)間順序。關(guān)斷切換的時(shí)間順序并不受所確定的接通切換的時(shí)間順序限制。優(yōu)選地，關(guān)斷切換的時(shí)間順序和接通時(shí)間順序是獨(dú)立確定的。然而，關(guān)斷切換時(shí)間順序可基于接通時(shí)間順序確定，如通過鏡像接通切換時(shí)間順序而確定。在步驟560，產(chǎn)生用于關(guān)斷切換的驅(qū)動信號。
電流檢測圖13表示功率陣列500電流檢測操作的一個方案。取樣波形SMPL524表示示例性取樣速率。波形526-540表示功率開關(guān)器件Q1-Q8導(dǎo)通周期的一部分。波形542表示流過輸出電感器的電流。在功率陣列500的導(dǎo)通周期的自由輪轉(zhuǎn)部分期間，電感器中的電流以線形速率減少。波形544表示檢測電壓。檢測電壓可以等于檢測阻抗乘以檢測電流，該電流相應(yīng)于流過輸出電感器的電流。檢測電壓的分辨率可以取樣頻率基于逐個周期調(diào)節(jié)。檢測電壓波形544被圈住的部分546表示檢測電壓的分辨率隨著電感器電流大小的減小而增加。在一個方案中，功率陣列500放大以增加檢測電流的分辨率?？梢匀宇l率基于逐個周期控制該分辨率。在一個方案中，基于分辨率觸發(fā)器如檢測電流大小、被使能的功率開關(guān)器件的數(shù)量和導(dǎo)通周期中預(yù)定的時(shí)間，可通過放大檢測電流信號控制該分辨率。在另一個方案中，分辨率可通過控制電流傳感器件的阻抗而控制，例如通過1)檢測功率開關(guān)器件的跨ON阻抗的電流，和2)控制功率開關(guān)器件的數(shù)量，該功率開關(guān)器件在導(dǎo)通周期時(shí)并聯(lián)工作。其它檢測電路如變壓器-電阻器傳感器、電感器-電阻器和赫爾效應(yīng)器件，傳感器件如電阻器的阻抗可被控制。在每種情形下，可以取樣頻率控制整個導(dǎo)通周期的分辨率，以致隨著檢測電流大小的減小，在導(dǎo)通周期期間功率陣列500可放大以減小分辨率。
圖15表示電流檢測操作技術(shù)的一個方案。在步驟580，為檢測電流，電流傳感器被設(shè)定為初始分辨率。在步驟582，檢測流過一個或多個功率開關(guān)器件Q1-Q8的電流。電流可間接也可直接檢測。例如，可檢測并聯(lián)的MOSFET的漏極-源極電壓Vds，而根據(jù)Vds和已知的MOSFET的ON阻抗可計(jì)算出電流。在步驟584，基于逐個周期，以取樣頻率為電流傳感器確定下一個分辨率。通過最大化檢測電路限制內(nèi)的檢測信號的大小，可選擇下一個分辨率以使噪聲誤差最小化。在步驟586，將電流傳感器設(shè)為下一個分辨率，然后在下一個周期再次檢測流過開關(guān)器件的電流。
自由輪轉(zhuǎn)二極管模擬圖16表示二極管模擬系統(tǒng)600的一個方案，用于模擬用作開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸出調(diào)節(jié)器的自由輪轉(zhuǎn)二極管。輸出調(diào)節(jié)器包括輸出濾波器605。雖然二極管模擬系統(tǒng)600是以具有接地參考輸出的buck拓?fù)浔硎镜模淇刹捎萌魏瓮負(fù)?，如boost、buck-boost、cuk、sepic和zeta，且輸出可參考到任何電路節(jié)點(diǎn)，如高端參考和低端參考。二極管模擬系統(tǒng)600有利地利用自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602以模擬輸出調(diào)節(jié)器的自由輪轉(zhuǎn)二極管。自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602可包括若干個并聯(lián)且獨(dú)立控制的功率開關(guān)器件。可選擇功率開關(guān)器件使其比同等的自由輪轉(zhuǎn)二極管具有較低的組合傳導(dǎo)損耗，以減少在輸出調(diào)節(jié)器的自由輪轉(zhuǎn)階段的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗。自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602也可提供可控阻抗以減少噪聲產(chǎn)生以及輕負(fù)載條件下如間歇模式工作時(shí)的負(fù)電流的電流路徑。自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602的功率開關(guān)器件和第一功率開關(guān)器件604中每個都工作在導(dǎo)通狀態(tài)或關(guān)斷狀態(tài)，以控制從輸入電源Vin到已調(diào)輸出606的能量流。每個功率開關(guān)器件可配置為任何組的功率開關(guān)器件，如單功率開關(guān)器件和功率開關(guān)陣列。功率開關(guān)器件可以是任何類型的開關(guān)器件如MOSFET、BJT、MCT和IGBT。驅(qū)動器608和610可緩沖輸送到開關(guān)陣列602和功率開關(guān)器件604的驅(qū)動信號。驅(qū)動器608和610可通過增加功率開關(guān)器件的開關(guān)速率減少功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。任何類型的驅(qū)動器可用于驅(qū)動功率開關(guān)器件。
上端電流檢測電路和下端電流檢測電路可檢測流過開關(guān)陣列602和第一功率開關(guān)器件604的電流?？墒褂萌魏晤愋偷碾娏鳈z測電路，例如分流電阻器、電阻器-變壓器、跨已知阻抗的電壓檢測和赫爾效應(yīng)。下端電流檢測電路可包括電壓參考VILIM和跨接開關(guān)陣列602的比較器614。比較器614可產(chǎn)生自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)電流信號以響應(yīng)對流過開關(guān)陣列604的電流和電壓參考VILIM的比較。電壓參考VILIM可基于導(dǎo)通電流時(shí)跨第一功率開關(guān)器件形成的壓降設(shè)定一個值。電壓參考可基于逐個周期程序化，以便例如，可調(diào)整下端電流檢測電路閾值以解釋自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602的阻抗變化，例如在并聯(lián)功率開關(guān)器件的數(shù)量和溫度影響中的變化。
上端電流檢測電路可包括電流檢測電路616以檢測流過第一功率開關(guān)器件604、參考ITH和比較器618的電流。比較器618可比較流過第一功率開關(guān)器件602的電流的大小和參考ITH。比較器可產(chǎn)生導(dǎo)通開關(guān)電流信號。參考Ith可基于逐個周期程序化。
控制器620可產(chǎn)生用于控制功率開關(guān)器件602和604的驅(qū)動信號?？刂破?20可確定驅(qū)動信號作為脈寬信號622的函數(shù)。來自比較器614和618的輸出也可用于確定驅(qū)動信號。例如，控制器620可以響應(yīng)檢測流過自由輪轉(zhuǎn)陣列602的電流趨近0安培，禁能自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602內(nèi)的一個或多個功率開關(guān)器件，以引起跨開關(guān)陣列602的電壓增加而促進(jìn)比較器618的分辨率。控制器620也可保持或偏移比較器618的閾值電壓VILIM的水平，以準(zhǔn)備隨著自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602中的電流繼續(xù)降低而禁能另一個功率開關(guān)器件。以這種方式，控制器620可隨著流過自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602的電流減少而放大。通過隨著電流減少而禁能開關(guān)陣列602中的單個功率開關(guān)器件，在第一功率開關(guān)器件604和開關(guān)陣列602之間的公共節(jié)點(diǎn)“A”處的阻抗逐漸增加，消除和抑制在公共節(jié)點(diǎn)上的噪聲。
在另一個例子中，在輕負(fù)載情形時(shí)，控制器620可將自由輪轉(zhuǎn)功率開關(guān)器件602用作雙向開關(guān)器件以使電流可在正方向和負(fù)方向上流動?？刂破?20可在很輕的負(fù)載下以連續(xù)輸出電流模式工作，包括零輸出電流。
圖17表示和二極管模擬系統(tǒng)600一個方案相關(guān)的波形。第一波形640表示流過輸出濾波器605中感應(yīng)器的電流。第二波形表示公共節(jié)點(diǎn)的電壓Vx，第三波形644表示用于第一功率開關(guān)器件604的驅(qū)動信號。第四波形646表示加權(quán)的驅(qū)動信號，其用于自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602的功率開關(guān)器件。第四波形的每個水平指示出被使能的功率開關(guān)器件的不同數(shù)量。例如，在較高電流水平，可使能四個功率開關(guān)器件。隨后隨著電流小，功率開關(guān)器件中的一個被禁能。隨著電流繼續(xù)減小，兩個以上的額外的功率開關(guān)器件被禁能。最后，開關(guān)陣列602中余下的功率開關(guān)器件被禁能。
圖18表示二極管模擬系統(tǒng)600操作的一個方案。在步驟650，第一功率開關(guān)器件604從導(dǎo)通狀態(tài)切換到關(guān)斷狀態(tài)。在步驟652，監(jiān)控流過第一功率開關(guān)器件的電流。在步驟654，將流過第一功率開關(guān)器件604的電流和參考水平比較。在步驟658，自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602的工作狀態(tài)可從關(guān)斷狀態(tài)改變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602可作為脈寬信號和流過第一功率開關(guān)器件或自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602的電流的函數(shù)控制。例如，隨著第一功率開關(guān)器件604基于脈寬信號切換到關(guān)斷狀態(tài)，自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602的功率開關(guān)器件可切換到導(dǎo)通狀態(tài)。在另一方案，如果流過第一功率開關(guān)器件604的電流超過預(yù)定限，自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602被阻止改變工作狀態(tài)為導(dǎo)通狀態(tài)。在步驟660，自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602的工作狀態(tài)可從導(dǎo)通狀態(tài)改變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。在一個方案中，作為脈寬信號的函數(shù)，將自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602的功率開關(guān)器件切換到關(guān)斷狀態(tài)。
在另一個方案中，基于流過自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602的電流，自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602的功率開關(guān)器件按順序切換到關(guān)斷狀態(tài)。在步驟662，監(jiān)控流過自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602的電流。在步驟664，比較監(jiān)控電流和參考水平。在步驟666，基于流過開關(guān)陣列602的電流的大小，控制開關(guān)陣列602中的獨(dú)立的功率開關(guān)器件。例如，如果流過自由輪轉(zhuǎn)開關(guān)陣列602的電流超過參考水平，就禁能開關(guān)陣列602中的一個或多個功率開關(guān)器件。隨著電流趨向零安培減少或從零安培附近增加，按順序控制功率開關(guān)器件，以有利地增加了節(jié)點(diǎn)“A”的阻抗，從而消除了節(jié)點(diǎn)“A”處的噪聲產(chǎn)生。在步驟668，可改變參考水平，且可返回操作到步驟662以繼續(xù)。
空載控制圖19表示用二極管模擬系統(tǒng)600實(shí)現(xiàn)的空載控制技術(shù)操作的一個方案。在步驟700，提供至少兩個有公共節(jié)點(diǎn)的功率開關(guān)器件，其中一個功率開關(guān)器件是導(dǎo)通功率開關(guān)器件，而另一個功率開關(guān)器件是自由輪轉(zhuǎn)功率開關(guān)器件。導(dǎo)通功率開關(guān)器件在導(dǎo)通階段期間傳送能量至輸出調(diào)節(jié)器的輸出。自由輪轉(zhuǎn)功率開關(guān)陣列在自由輪轉(zhuǎn)階段期間導(dǎo)通能量。每個功率開關(guān)器件可以是一個功率開關(guān)陣列也可以是單個開關(guān)器件。在步驟702，將兩個功率開關(guān)器件中的一個從導(dǎo)通狀態(tài)切換到關(guān)斷狀態(tài)。在步驟704，在關(guān)斷切換期間，監(jiān)控流過已被關(guān)斷的功率開關(guān)器件的電流。在步驟706，將流過第一功率開關(guān)器件的電流和參考水平比較。在步驟708，當(dāng)流過功率開關(guān)器件的電流減小到小于參考水平時(shí)開始的具有預(yù)定時(shí)間周期的延遲發(fā)生。在步驟710，其它功率開關(guān)器件的工作狀態(tài)從關(guān)斷狀態(tài)改變到導(dǎo)通狀態(tài)。
可控的功率開關(guān)器件損耗圖20表示用于控制功率調(diào)節(jié)器中功率陣列500的損耗的操作的一個方案。功率陣列500可包括一個或多個開關(guān)陣列502。在步驟730，提供至少一個具有控制從輸入源到輸出的電流的功率開關(guān)器件的開關(guān)陣列502。在步驟732，可接收輸出和輸入信息，如輸入電壓、輸出電壓和輸出電流。在步驟734，可確定流過開關(guān)陣列502的期望電流。使用任何信息如輸出和輸入信息、占空比信息和操作模式信息可確定期望電流。在步驟736，可確定開關(guān)陣列502的期望功率損耗。該期望功率損耗可包括使能的功率開關(guān)器件的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。開關(guān)陣列502可包括兩個或多個相同或不同尺寸的功率開關(guān)器件如MOSFET，每個都具有不同的Rds(導(dǎo)通)?？墒鼓懿煌M的功率開關(guān)器件以減小在特定工作條件下開關(guān)陣列的功率損耗。例如，在穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)輕負(fù)載工作條件下，只有一個具有最高Rds(導(dǎo)通)的功率開關(guān)器件可被使能以使和開關(guān)陣列502相關(guān)的開關(guān)損耗被最小化。相似地，在穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)最大負(fù)載操作條件時(shí)，所有功率開關(guān)器件可被使能以最小化開關(guān)陣列502的傳導(dǎo)損耗。
可使用功率開關(guān)器件的工作條件如Vds、Ids和Rds(導(dǎo)通)計(jì)算出期望功率損耗來確定出功率開關(guān)器件的期望功率損耗。也可使用查詢機(jī)理如查詢表估計(jì)出期望功率損耗來確定出期望功率損耗。查詢機(jī)理可遍及工作條件的參考范圍來估計(jì)功率損耗。查詢機(jī)理也可對具體的工作條件指示出優(yōu)選要使能的功率開關(guān)器件組?？苫谥饌€周期確定期望功率損耗以獲得期望損耗，如估計(jì)損耗和計(jì)算損耗。
在步驟738，可確定要被使能的功率開關(guān)器件數(shù)量和類型。可選擇最小化期望功率損耗的功率開關(guān)器件的組合。對用于幾個功率開關(guān)器件組合的開關(guān)陣列，功率開關(guān)器件組合可通過計(jì)算出期望功率損耗而確定。功率開關(guān)器件組合也可通過使用查詢機(jī)理而確定。在步驟740，可使能所選的功率開關(guān)器件的組合?？苫谥饌€周期控制功率開關(guān)器件，以便在功率調(diào)節(jié)器的工作階段期間，如導(dǎo)通階段和自由輪轉(zhuǎn)階段，可改變功率開關(guān)器件的數(shù)量。例如，在功率調(diào)節(jié)器的切換周期期間，隨著功率開關(guān)器件中電流減少，可改變功率開關(guān)器件的數(shù)量。
噪聲抑制圖21表示通過功率調(diào)節(jié)器的功率級抑制噪聲產(chǎn)生的操作的一個方案。步驟750，功率級可包括至少兩個具有公共節(jié)點(diǎn)的開關(guān)陣列。開關(guān)陣列可以任何拓?fù)湫问桨才牛鏱uck、boost、sepic和zeta。每個開關(guān)陣列可包括一個或多個并聯(lián)的且獨(dú)立控制的功率開關(guān)器件，以便可基于逐個周期對每個開關(guān)陣列內(nèi)的開關(guān)器件的數(shù)量進(jìn)行控制。功率開關(guān)器件優(yōu)選為MOSFET，但可使用具有可變輸出電容的任何類型的功率開關(guān)器件，例如BJT、IGBT和MCT。對每個開關(guān)陣列內(nèi)導(dǎo)通的功率開關(guān)器件的控制使得公共節(jié)點(diǎn)的阻抗被控制。示例性操作可包括上端開關(guān)陣列和下端開關(guān)陣列，其以降壓結(jié)構(gòu)連接，其中上端開關(guān)陣列在導(dǎo)通階段工作，而下端開關(guān)陣列在自由輪轉(zhuǎn)階段工作。在步驟752，可監(jiān)控公共節(jié)點(diǎn)的噪聲特性，如電壓和電流。在步驟754，可將噪聲特性與一個或多個參考水平比較以產(chǎn)生阻抗控制信號。在步驟756，開關(guān)陣列響應(yīng)阻抗控制信號而被控制。例如，可操作具有四個并聯(lián)的功率開關(guān)器件的上端開關(guān)陣列，以便四個功率開關(guān)器件按序逐個關(guān)斷，以致在整個控制的時(shí)間周期上公共節(jié)點(diǎn)的阻抗可從低阻抗變到高阻抗，從而在開關(guān)切換中消除了噪聲尖峰的產(chǎn)生。
控制電容圖22表示用于控制輸出調(diào)節(jié)器電路節(jié)點(diǎn)的電容的操作的一個方案。輸出調(diào)節(jié)器可包括具有至少一個開關(guān)陣列的功率級，該開關(guān)陣列連到第一開關(guān)器件以將輸入源轉(zhuǎn)換為已調(diào)輸出。在步驟770，開關(guān)陣列可通過公共節(jié)點(diǎn)連到第一開關(guān)器件。開關(guān)陣列可包括并聯(lián)的且獨(dú)立控制的兩個或多個的共射共基連接的功率開關(guān)器件對，以便可基于逐個周期對開關(guān)陣列內(nèi)的導(dǎo)通的功率開關(guān)器件的數(shù)量進(jìn)行控制。第一開關(guān)器件對可以是單個共射共基連接的功率開關(guān)器件對，也可以是共射共基連接的功率開關(guān)器件對的開關(guān)陣列。功率開關(guān)器件對可以是具有可變輸出電容的任何類型的共射共基連接的功率開關(guān)器件，例如具有BJT的MOSFET、具有IGBT的MOSFET以及具有MCT的MOSFET。在諧振模式、軟開關(guān)和類諧振模式開關(guān)調(diào)節(jié)器中，控制公共節(jié)點(diǎn)的電容具有特別的優(yōu)勢。例如，控制固定頻率軟開關(guān)調(diào)節(jié)器中公共節(jié)點(diǎn)的電容，可在增加的輸入電壓和輸出負(fù)載范圍上控制功率開關(guān)器件的諧振。在步驟772，監(jiān)控流過開關(guān)陣列的電流。開關(guān)陣列電流可直接或間接監(jiān)控，如通過監(jiān)控輸出調(diào)節(jié)器的輸出電流。在步驟774，基于流過開關(guān)陣列的電流確定公共節(jié)點(diǎn)的期望電容。期望電容可選擇為使開關(guān)陣列電流與跨開關(guān)陣列的Vds的預(yù)定電壓相諧振的電容。例如，在軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，接通時(shí)，流過功率開關(guān)器件的電流可使功率開關(guān)器件的電容與零伏特諧振，以減少開關(guān)損耗。在這個例子中，可控制電容以便流過開關(guān)陣列的電流足夠諧振開關(guān)陣列的Vds至預(yù)定的電壓水平，從而減少開關(guān)損耗。在步驟776，確定要使能的開關(guān)陣列中的功率開關(guān)器件的組合。每個功率開關(guān)器件具有相關(guān)的輸出電容，其形成公共節(jié)點(diǎn)電容的一部分。通過使能在開關(guān)陣列中所選的功率開關(guān)器件，可控制公共節(jié)點(diǎn)的總電容。與每個相關(guān)的電容。為第一開關(guān)器件使用開關(guān)陣列可增加公共節(jié)點(diǎn)電容可被控制的范圍。在步驟778，控制開關(guān)陣列中的功率開關(guān)器件以在公共節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生期望電容。在步驟780，所選的功率開關(guān)器件可在整個導(dǎo)通周期被使能/禁能，以便在公共節(jié)點(diǎn)處的電容在整個導(dǎo)通周期保持恒定。在步驟782，功率開關(guān)器件也可按順序接通或關(guān)斷以控制公共節(jié)點(diǎn)的電容。
延遲線圖23表示用于在脈沖信號中產(chǎn)生延遲的延遲線800的一個方案。延遲線800特別適合于延遲用于輸出調(diào)節(jié)器的數(shù)字控制系統(tǒng)中所產(chǎn)生的脈沖信號的邊沿以提高脈沖信號的分辨率?？墒褂萌魏晤愋偷难舆t線，例如插入器和延遲鎖定環(huán)。圖24表示數(shù)字控制系統(tǒng)中的示例性脈沖信號820。數(shù)字控制信號可包括時(shí)鐘信號822，其用于產(chǎn)生諸如脈沖信號820的數(shù)字信號。脈沖信號820的脈寬為輸出調(diào)節(jié)器設(shè)定導(dǎo)通時(shí)間?？赏ㄟ^改變脈沖信號的脈寬將輸出調(diào)節(jié)器的已調(diào)輸出維持在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。在調(diào)節(jié)該已調(diào)輸出中的誤差與脈沖信號的脈寬分辨率相關(guān)，該脈沖信號由時(shí)鐘信號822的頻率限制。最大脈寬分辨率受限于等于或大于時(shí)鐘信號822脈寬的增量。受限的脈寬分辨率可引起誤差的增大，該誤差相應(yīng)于最大脈寬分辨率與期望脈寬的周期時(shí)間的比率。
延遲線800通過提高脈寬分辨率可有利地減少脈寬誤差。延遲線800可包括若干個延遲電路802以產(chǎn)生若干個延遲的脈沖信號820的邊沿。延遲電路802可以任何結(jié)構(gòu)布置，例如串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串并聯(lián)結(jié)構(gòu)?？墒褂萌魏晤愋偷难舆t電路802的時(shí)間周期關(guān)系，如相等的、兩個的、指數(shù)的?？墒褂萌魏螖?shù)量的延遲電路802，雖然該數(shù)量優(yōu)選在4到40的范圍內(nèi)。延遲電路的數(shù)量越大，脈寬分辨率的改進(jìn)就越大。延遲電路802的輸出可以輸入到用于選擇延遲的復(fù)用器804。組合器806可將所選延遲和脈沖信號進(jìn)行組合以產(chǎn)生高分辨率的輸出。盡管是DLL 800以延遲脈沖信號的上升沿示出并描述的。然而，延遲線800也可延遲脈沖信號的下降沿。
圖25表示用于提高輸出調(diào)節(jié)器的脈寬信號分辨率的操作的一個方案。在步驟850，為輸出調(diào)節(jié)器接收脈寬信號。在步驟852，從脈寬信號產(chǎn)生兩個或更多個延遲脈沖信號。在步驟854，選擇一個延遲脈沖信號以獲得期望的延遲時(shí)間。該選擇基于代表脈寬誤差的延遲脈沖信號的選擇，以便將延遲脈沖信號和脈寬信號組合以減小脈寬信號誤差。在步驟856，將所選的脈沖信號和脈寬信號組合。在步驟868，基于該組合產(chǎn)生高分辨率的脈沖信號。
自適應(yīng)占空比限圖26表示用于產(chǎn)生占空比信號以操作輸出調(diào)節(jié)器的數(shù)字控制器900的一個方案。占空比確定器902可接收數(shù)字誤差信號ek，其是參考和輸出調(diào)節(jié)器的輸出之間的輸出誤差的函數(shù)。在一個方案中，誤差信號ek可指示輸出誤差包含于其中的幾個電壓范圍中的一個。例如，誤差信號可指示輸出誤差落在從0.5伏特到0.8伏特的電壓范圍內(nèi)。在另一個方案中，誤差信號可指示出輸出誤差的大小。誤差信號ek可以是任何形式的信號，如數(shù)字信號和模擬信號。
占空比確定器902可產(chǎn)生標(biāo)稱占空比信號作為誤差信號ek的函數(shù)。占空比確定器902可接收額外的數(shù)字輸入，如來自第二環(huán)的誤差信號、輸出調(diào)節(jié)器的電壓和電流狀態(tài)信息。標(biāo)稱占空比信號可以是任何類型的代表占空比的數(shù)字信號，例如具有可控脈寬的脈沖信號和一個或多個位的數(shù)字信號如多位數(shù)字信號。
占空比限制器904可限制能量傳送到輸出，該輸出作為輸入或輸出功率的調(diào)節(jié)器特性的函數(shù)，調(diào)節(jié)器特性如Vin、輸入紋波電壓Vinripple、輸入電流Iin、輸入功率Pin、輸入能量Qin、輸入源阻抗Rs，輸出功率Po、輸出電壓Vo和輸出電流Io。占空比限制器904可控制占空比以限制能量傳送到輸出。占空比限制器904可工作于輸出調(diào)節(jié)器的所有工作階段，如穩(wěn)態(tài)工作、接通、過流、過壓。占空比限制器904可比較一個或多個輸入/輸出調(diào)節(jié)器特性和相應(yīng)的閾值，然后作為該比較的函數(shù)限制占空比。占空比限制器904可以取樣頻率或更低的頻率基于逐個周期工作以控制閾值。每個周期，占空比限制器904可為下一個周期改變閾值且限制占空比。下一個周期的占空比可基于比較前面周期的輸入功率調(diào)節(jié)器特性和閾值而確定。例如，占空比限制器904可監(jiān)控Iin并產(chǎn)生數(shù)字信號以限制占空比，以使Iin的大小不超過閾值。另一個實(shí)施例中，占空比限制器904可以確定輸入源阻抗或者可以接收指示輸入源阻抗的信號，且做出響應(yīng)，占空比限制器904可產(chǎn)生數(shù)字信號以限制占空比?？刹捎萌魏畏椒y量輸入源阻抗。
占空比估計(jì)圖27表示用于控制開關(guān)調(diào)節(jié)器的數(shù)字控制器950的一個方案。圖28表示在數(shù)字控制器950中實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)圖940的一個方案，該數(shù)字控制器950用于產(chǎn)生占空比信號以操作開關(guān)調(diào)節(jié)器。狀態(tài)圖940可包括三個或更多工作狀態(tài)。在示例性數(shù)字控制器950中，狀態(tài)S0 942可實(shí)現(xiàn)用于穩(wěn)態(tài)控制的PWM控制。狀態(tài)S2 944可為瞬態(tài)條件實(shí)現(xiàn)減緩誤差梯度控制。狀態(tài)S3 946可為最大誤差條件實(shí)現(xiàn)滯后控制。
數(shù)字控制器950可包括占空比估計(jì)器952以產(chǎn)生標(biāo)稱占空比信號Up*和Down*，其相應(yīng)于標(biāo)稱穩(wěn)態(tài)值，從該標(biāo)稱穩(wěn)態(tài)值為開關(guān)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生電流穩(wěn)態(tài)值。占空比估計(jì)器952可用于產(chǎn)生標(biāo)稱負(fù)載信號于所有工作狀態(tài)，如PWM和減緩誤差控制。然而，占空比估計(jì)器952優(yōu)選不用于滯后控制工作狀態(tài)。在滯后控制中，占空比可直接與誤差信號關(guān)聯(lián)，以致當(dāng)誤差信號在一種狀態(tài)時(shí)，占空比設(shè)定在ON狀態(tài)(up)，而當(dāng)誤差信號在其它狀態(tài)時(shí)，占空比設(shè)定在OFF狀態(tài)(down)。占空比估計(jì)器952可產(chǎn)生標(biāo)稱占空比信號作為輸入信號的函數(shù)，輸入信號如誤差信號、UD脈沖和延遲控制。開關(guān)調(diào)節(jié)器中的功率開關(guān)器件可工作于當(dāng)前占空比以控制從輸入源到輸出負(fù)載的能量轉(zhuǎn)換。例如，具有duck拓?fù)涞拈_關(guān)調(diào)節(jié)器和固定頻率操作，標(biāo)稱占空比信號Up*可近似等于相應(yīng)于輸出電壓與輸入電壓的比率的值。在固定頻率操作中，標(biāo)稱穩(wěn)態(tài)值的組合可相應(yīng)于開關(guān)調(diào)節(jié)器總的開關(guān)周期，如對1MHz的開關(guān)頻率為1微秒。
調(diào)整確定器954可確定調(diào)整值A(chǔ)DJ，以和標(biāo)稱占空比信號組合，從而產(chǎn)生已調(diào)整占空比信號Up和Down。調(diào)整確定器954可產(chǎn)生調(diào)整值作為誤差信號及來自開關(guān)調(diào)節(jié)器的其它信號的函數(shù)。調(diào)整確定器954一般可用于除滯后控制以外的所有工作狀態(tài)。因?yàn)樵跍罂刂乒ぷ鳡顟B(tài)中，占空比或是100％ ON或是100％ OFF，不需要調(diào)整值。在一個方案中，用于PWM狀態(tài)942和減緩誤差控制狀態(tài)944的調(diào)整值可計(jì)算如下ADJk＝g(ek)+h(trendk)Upk＝Up*-ADJk*FAConDownk＝Down*+ADJk*FACoff其中FAC可基于標(biāo)稱占空比確定，
g(ek)=0if|ek|<A1sign(ek)*Δ1ifA1≤|ek|<A2sign(ek)*Δ2ifA2≤|ek|<A3]]>h(trendk)0if|trendk|<1trendkif|trendk|≥1]]>trendk=Fslope*ek-ek-n_________]]>其中Fslope是常數(shù)， 是來自前面“n”個周期的誤差的平均值，其中“n”是在一個開關(guān)周期內(nèi)的取樣數(shù)目，且A1、A2和A3在圖29中定義，其表示用于產(chǎn)生誤差信號的電壓限幅器的電壓水平。
Δ1和Δ2是環(huán)路增益(loop gains)，其以取樣速率選擇且具有基于誤差信號的值。選擇環(huán)路增益的值Δ1和Δ2相關(guān)，如Δ2約等于Δ1的兩倍。數(shù)字控制器的環(huán)路增益可以最大為取樣速率且包括取樣速率的任何速率自適應(yīng)改變。每個環(huán)路增益可動態(tài)地改變作為輸出調(diào)節(jié)器的任何參數(shù)的函數(shù)，所述參數(shù)包括誤差信號的電壓范圍、已調(diào)輸出的電壓范圍和占空比。
數(shù)字控制器的環(huán)路補(bǔ)償可包括g(ek)與h(trendk)的比率。環(huán)路補(bǔ)償可以最大為取樣速率且包括取樣速率的任何速率自適應(yīng)地改變。在一個方案中，常數(shù)Fslope可自適應(yīng)改變，以改變環(huán)路補(bǔ)償。環(huán)路補(bǔ)償可動態(tài)地改變作為輸出調(diào)節(jié)器的任何參數(shù)的函數(shù)，所述參數(shù)例如誤差信號的電壓范圍、已調(diào)輸出的電壓范圍和占空比。
組合器956可組合標(biāo)稱占空比信號和調(diào)整值，以產(chǎn)生已調(diào)整占空比信號。在一個方案中，已調(diào)整占空比信號可用作計(jì)數(shù)器界限以產(chǎn)生UD脈沖。
在該情形下，計(jì)數(shù)器958可產(chǎn)生UD脈沖作為時(shí)鐘信號CLOCK和已調(diào)整占空比信號的函數(shù)。UD脈沖具有“on”水平和“off”水平，且具有變化的脈寬以表示用于驅(qū)動開關(guān)調(diào)節(jié)器功率開關(guān)器件的接通時(shí)間。計(jì)數(shù)器958可計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期的數(shù)量，該時(shí)鐘周期是計(jì)數(shù)器界限設(shè)定的以產(chǎn)生UD信號的“開通時(shí)間”和“關(guān)斷時(shí)間”。例如，已調(diào)整占空比信號的Up部分可設(shè)定用于接通時(shí)間的計(jì)數(shù)器界限，而已調(diào)整占空比信號的Down部分可設(shè)定用于關(guān)斷時(shí)間的計(jì)數(shù)器界限。優(yōu)選地，信號計(jì)數(shù)器可產(chǎn)生UD信號以響應(yīng)包括Up和Down信息的信號計(jì)數(shù)器界限信號。UD脈沖可包括和脈沖分辨率相關(guān)的量化誤差，該脈沖分辨率是由時(shí)鐘信號的頻率限制的。圖30表示量化誤差的例子，其中UD脈沖970是從時(shí)鐘信號972產(chǎn)生的，且已調(diào)整占空比信號974可具有與時(shí)鐘信號的頻率相關(guān)的量化誤差976。
延遲線960可微調(diào)UD脈沖，其由計(jì)數(shù)器958產(chǎn)生以減少量化誤差。延遲線960響應(yīng)接收UD脈沖和延遲控制信號，可產(chǎn)生微調(diào)脈沖信號，該微調(diào)脈沖信號的占空比約等于相應(yīng)于已調(diào)整占空比信號的脈寬。延遲線960可延遲UD脈沖的任一邊沿以產(chǎn)生微調(diào)的脈沖信號。例如，在一方案中，可產(chǎn)生脈寬短于相應(yīng)已調(diào)整占空比的UD脈沖，然后延遲線960可延遲下降沿以產(chǎn)生微調(diào)的脈沖信號。在另一方案中，可產(chǎn)生脈寬長于相應(yīng)已調(diào)整占空比UD脈沖，然后延遲線960可延遲上升沿以產(chǎn)生微調(diào)的脈沖信號。
控制模塊962可產(chǎn)生延遲控制信號作為UD脈沖和已調(diào)整占空比信號的函數(shù)。延遲控制信號可優(yōu)選為多位信號。
占空比限制器964可限制傳送到輸出的能量作為開關(guān)調(diào)節(jié)器的電氣特性的函數(shù)，所述電氣特性如Vin、輸入電流Iin、輸入功率Pin、輸入能量Qin和電感器電流IL。占空比限制器964可控制占空比以限制輸送到輸出的能量。占空比限制器964可包含于數(shù)字控制器950中的任何地方。在一個方案中，占空比限制器964可操作多位信號如已調(diào)整占空比信號。在另一方案中，占空比限制器964可操作脈沖信號如微調(diào)的脈沖信號。
圖31A表示用于產(chǎn)生標(biāo)稱占空比信號Up*和Down*的占空比限制器970的一個方案，用于操作開關(guān)調(diào)節(jié)器的當(dāng)前占空比可從該標(biāo)稱占空比信號產(chǎn)生。占空比估計(jì)器970可包括一個或多個用于確定標(biāo)稱占空比的模式。
模式1估計(jì)器972可確定標(biāo)稱占空比信號作為當(dāng)前占空比和前面的占空比值的接通時(shí)間(上升時(shí)間)的函數(shù)。模式1估計(jì)器972可對當(dāng)前占空比和前面的占空比值應(yīng)用任何估計(jì)技術(shù)，如最小均方技術(shù)或三次插值技術(shù)，以確定標(biāo)稱占空比。在一個方案中，模式1估計(jì)器可估計(jì)延遲控制和UD脈沖以確定接通時(shí)間。預(yù)定的當(dāng)前和前面的占空比值可用于估計(jì)標(biāo)稱占空比。
模式2估計(jì)器972可確定標(biāo)稱占空比信號作為誤差信號的函數(shù)。模式2估計(jì)器974可在若干個周期上確定誤差的數(shù)學(xué)函數(shù)，如比開關(guān)調(diào)節(jié)器的開關(guān)周期大的任何數(shù)量?？刹捎萌魏晤愋偷臄?shù)學(xué)函數(shù)，例如移動平均值、平均值和加權(quán)平均值。誤差的數(shù)學(xué)函數(shù)可與一個或多個參考比較。然后基于比較，Up*可被增加、減小或保持恒定。
圖31B表示示例性模式2估計(jì)器1000。累積器1002可在約等于開關(guān)調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)換時(shí)間周期1000倍的整個時(shí)間周期上計(jì)算誤差的運(yùn)行平均值。一個或多個比較器1004可比較累積器1002的輸出和兩個參考X1和X2，參考可由參考產(chǎn)生器1006產(chǎn)生。計(jì)數(shù)控制器1008可基于比較器1004的輸出控制標(biāo)稱占空比的計(jì)數(shù)。例如，如果運(yùn)行平均值大于X1，計(jì)數(shù)控制器1008可減小Up*計(jì)數(shù)一步。如果運(yùn)行平均值小于X2，計(jì)數(shù)控制器1008可增大Up*計(jì)數(shù)一步。如果運(yùn)行平均值小于X1且大于X2，那么計(jì)數(shù)控制器1008可保持Up*計(jì)數(shù)不變。
在長時(shí)間周期上計(jì)算誤差的數(shù)學(xué)函數(shù)可提供緩慢和準(zhǔn)確的標(biāo)稱占空比估計(jì)。而且，用于控制開關(guān)調(diào)節(jié)器已調(diào)輸出的控制環(huán)的傳送函數(shù)可減小到單零，從而減小了與數(shù)字控制器相關(guān)的相移。減小的相移可用于增加控制環(huán)的相位裕度、增加環(huán)的交界頻率以及增加相位裕度和增加交界頻率的組合。在模式2估計(jì)器974產(chǎn)生恒定Up*值的時(shí)間周期，控制環(huán)減小到單零。
模式選擇器976可基于模式選擇標(biāo)準(zhǔn)在占空比估計(jì)器970的模式之間選擇。在一個方案中，模式選擇器976可基于Up*1和Up*prior之間的差在Up*1和Up*2之間選擇，如下Up*=Up*1if|Up*1-Up*prlor|>T1Up*2if|Up*1-Up*prlor|<T1]]>其中Up*1是由模式1估計(jì)器972產(chǎn)生的上值(up value)，Up*2是由模式2估計(jì)器972產(chǎn)生的上值，而Up*prior是前面周期的Up*值，對于1MHz的開關(guān)頻率T1可近似等于5納秒。
可采用任何模式選擇標(biāo)準(zhǔn)，如比較Up*1和Up*prior的運(yùn)行平均值，和比較Up*1的運(yùn)行平均值和Up*prior。而且可為T1選擇任何值。
圖32表示為開關(guān)調(diào)節(jié)器確定占空比工作的一個方案。在步驟980，在第一模式中確定標(biāo)稱占空比作為前面占空比的函數(shù)。在步驟982，在第二模式確定標(biāo)稱占空比作為累積的誤差的函數(shù)。在步驟984，在兩個模式之間選擇以計(jì)算標(biāo)稱占空比。在步驟986，基于模式選擇標(biāo)準(zhǔn)如計(jì)算占空比改變的速率，作出選擇。
節(jié)能間歇模式控制圖33表示數(shù)字控制器1050的一個方案，該數(shù)字控制器1050包括節(jié)能間歇模式以控制數(shù)字控制器1050的功率消耗。數(shù)字控制器1050可包括本說明書描述的部分或所有功能。
節(jié)能間歇模式(ESDM)控制器1152可監(jiān)控檢測點(diǎn)，如輸出電壓、電感器電流或輸出電壓以確定何時(shí)切換到節(jié)能間歇模式。在檢測點(diǎn)監(jiān)控的參數(shù)可反映輸出調(diào)節(jié)器的功率狀態(tài)，如低輸出功率或電感器中間歇電流。例如，當(dāng)輸出電流小于預(yù)定大小時(shí)或者當(dāng)流過輸出電感器的電流變成間歇時(shí)，ESDM控制器可以切換到節(jié)能間歇模式。ESDM控制器1152可有利地控制輸送到數(shù)字控制器1150控制功能部分的功率流。數(shù)字控制器1050如PWM控制器1154、延遲線1156和電壓檢測比較器1158內(nèi)的控制功能可在節(jié)能模式時(shí)關(guān)閉，以減少功率消耗。
圖34A表示用于控制輸出調(diào)節(jié)器的切換模式間切換的數(shù)字控制器1100的一個方案。特別地，數(shù)字控制器1100可控制連續(xù)電流模式(CCM)操作和間歇電流模式(DCM)操作之間的切換。圖34B表示和DCM操作相關(guān)的波形。第一波形Vout 1110表示輸出調(diào)節(jié)器的已調(diào)輸出電壓。第二波形表示輸出調(diào)節(jié)器的電感器電流IL 1112。在DCM期間，已調(diào)輸出電壓1110和電感器電流1112工作于三個階段中；導(dǎo)通階段、自由輪轉(zhuǎn)階段和間歇階段。在導(dǎo)通階段時(shí)，將來自輸入源的能量傳輸?shù)捷敵鰹V波器，引起電感器電流1112使輸送的能量斜坡上升到已調(diào)輸出(負(fù)載)，導(dǎo)致已調(diào)輸出電壓1110的增加。在自由輪轉(zhuǎn)階段，存儲在電感器中的能量被輸送到已調(diào)輸出，引起電感器電流1112已調(diào)輸出電壓1110斜坡下降。在間歇階段，電感器中所有能量被輸送到已調(diào)輸出，因此電感器電流可近似保持為零，且能量從輸出電容器轉(zhuǎn)移以供應(yīng)能量至已調(diào)負(fù)載。
數(shù)字控制器1100可包括一個或多個比較器1102以確定何時(shí)在CCM和DCM之間切換。在一個方案中，比較器1102可將已調(diào)輸出電壓1110和電感器電流1112與參考水平比較，以產(chǎn)生用于控制CCM和DCM之間切換的控制信號。
一個或多個參考產(chǎn)生器1104可產(chǎn)生參考水平?？刹捎萌魏晤愋偷膮⒖籍a(chǎn)生器1104。參考產(chǎn)生器1104可產(chǎn)生參考水平V1用于偏移所檢測的已調(diào)輸出電壓。參考水平V2可用于和偏移的已調(diào)輸出電壓1110比較，以控制DCM到CCM的切換?？僧a(chǎn)生參考水平I1以反映預(yù)定的電流，如最小負(fù)載電流。電感器電流1112可與I1比較以確定電感器電流小于I1的時(shí)間的百分?jǐn)?shù)。
模式控制器1106可控制切換模式作為比較器輸出的函數(shù)。在一個方案中，基于電感器電流小于I1的時(shí)間的百分?jǐn)?shù)，模式控制器1106可控制CCM到DCM的切換。在另一個方案中，基于所檢測的輸出電壓升高到大于V1的水平，模式控制器1106可控制CCM到DCM的切換。在DCM中，模式控制器可將接通時(shí)間設(shè)定為常數(shù)，且通過改變輸出調(diào)節(jié)器的開關(guān)頻率而調(diào)節(jié)已調(diào)輸出。
為了控制DCM到CCM的切換，當(dāng)切換到DCM時(shí)，數(shù)字控制器1100可將所檢測的已調(diào)輸出電壓偏移到參考水平V1以上。然后，隨著輸出負(fù)載電流增加，所檢測的已調(diào)輸出電壓的波形改變形狀，波形的一部分向參考水平V2移動。比較器1102可將偏移的已調(diào)輸出電壓與參考水平V2比較，并指示出當(dāng)偏移的已調(diào)輸出電壓近似小于或等于參考水平V2。模式控制器1106可響應(yīng)比較器1102的輸出，將切換模式從DCM切換到CCM。
圖35表示切換模式控制操作的一個方案。在步驟1120，監(jiān)控以連續(xù)電流模式操作的開關(guān)調(diào)節(jié)器的電感器電流。在步驟1122，比較電感器電流和參考電流水平，如Imin，其中Imin是在間歇電流操作開始前的最小輸出電流。繼續(xù)步驟1124，確定切換周期的百分?jǐn)?shù)，在該切換周期期間，電感器電流近似小于或等于最小輸出電流。在步驟1126，比較切換周期百分?jǐn)?shù)和參考百分?jǐn)?shù)如近似等于40％。在步驟1128，如果占空比百分?jǐn)?shù)超過參考百分?jǐn)?shù)，切換到DCM。在步驟1130，檢測已調(diào)輸出電壓。在步驟1132，將所檢測的已調(diào)輸出電壓偏移到第一電壓參考V1之上。在步驟1134，比較偏移的已調(diào)輸出電壓和第二電壓參考V2。繼續(xù)步驟1136，如果偏移的已調(diào)電壓一部分小于或等于V2，那么模式控制器切換到CCM模式。
捕獲狀態(tài)信息圖36表示用于為輸出調(diào)節(jié)器1200捕獲數(shù)字控制器1201狀態(tài)信息的存儲系統(tǒng)1200。輸出調(diào)節(jié)器1200可以是包括開關(guān)調(diào)節(jié)器、線形調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、電壓調(diào)節(jié)器和功率調(diào)節(jié)器在內(nèi)的任何類型的調(diào)節(jié)器。輸出調(diào)節(jié)器1200可包括功率級1204和輸出濾波器1206，以將來自輸入源的能量轉(zhuǎn)換成已調(diào)輸出，該能量用于供應(yīng)能量至負(fù)載1208。輸出傳感器1210可檢測已調(diào)輸出并向數(shù)字控制器1201提供輸入。
存儲系統(tǒng)1200可包括信息控制器1203以恢復(fù)狀態(tài)信息。信息控制器1203可有利地捕獲任何狀態(tài)信息，如輸出電壓、輸出電流、標(biāo)稱占空比、已調(diào)整占空比、功率開關(guān)器件接通時(shí)間、功率開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)間、輸入電流、誤差電壓、延遲控制值、調(diào)整值和所有其它由數(shù)字控制器1201或輸出調(diào)節(jié)器1200接收或處理的數(shù)字值。
存儲器1212可存儲狀態(tài)信息?？刹捎萌魏晤愋偷拇鎯ζ?，如靜態(tài)RAM、動態(tài)RAM、快閃RAM和內(nèi)容可尋址RAM。狀態(tài)信息可臨時(shí)性以任何方式組織，這些方式包括使用時(shí)間戳、按序存儲信息和基于觸發(fā)事件存儲狀態(tài)信息的子集。觸發(fā)事件可以是任何類型的事件，如狀態(tài)值超過預(yù)定閾值、預(yù)定時(shí)間間隔已用完以及多個觸發(fā)事件的組合。狀態(tài)信息可在任何時(shí)間間隔上存儲，例如切換周期一部分的短間隔和延伸到數(shù)月和數(shù)年的長間隔。
狀態(tài)信息分析器1214可分析存儲的狀態(tài)信息。狀態(tài)信息分析器1214可評估存儲的信息以確定系統(tǒng)和元件工作條件，例如對標(biāo)稱工作范圍的偏離、元件可靠性估計(jì)和元件保養(yǎng)的必要性。可在預(yù)定的時(shí)間周期評估所存儲的狀態(tài)信息。狀態(tài)信息分析器1214可永遠(yuǎn)與存儲系統(tǒng)1202連接通信或間歇地與獨(dú)立的系統(tǒng)連接，該系統(tǒng)用于評估一個或多個輸出調(diào)節(jié)器的狀態(tài)。
已經(jīng)說明了本發(fā)明的多個實(shí)施例。盡管如此，應(yīng)該明白的是，在不偏離本發(fā)明的精神和范疇下，可對本發(fā)明做出不同的修改。因此，其它的實(shí)施例包括在權(quán)利要求的范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于控制輸出調(diào)節(jié)器的已調(diào)輸出的控制器，其中所述輸出調(diào)節(jié)器響應(yīng)脈寬信號以用于控制能量在輸入源和所述已調(diào)輸出之間傳送，所述控制器包括占空比估計(jì)器，其確定標(biāo)稱占空比；以及調(diào)整確定器，其確定調(diào)整值以與所述標(biāo)稱占空比組合，從而產(chǎn)生已調(diào)整占空比，所述脈寬信號是已調(diào)整占空比的函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述的調(diào)整確定器包括可選擇的環(huán)路增益用于確定所述調(diào)整值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制器，其中所述的可選擇的環(huán)路增益能夠以大于所述輸出調(diào)節(jié)器的開關(guān)頻率選擇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，進(jìn)一步包括計(jì)數(shù)器，其響應(yīng)所述已調(diào)整占空比以產(chǎn)生初始脈寬。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制器，進(jìn)一步包括控制時(shí)鐘以產(chǎn)生延遲控制，作為所述標(biāo)稱占空比和初始脈寬的函數(shù)；和延遲線，其響應(yīng)所述初始脈寬和延遲控制，以產(chǎn)生具有已調(diào)脈寬的所述脈寬信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，進(jìn)一步包括占空比限制器，其限制已調(diào)整占空比作為調(diào)節(jié)器特性的函數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述的調(diào)整確定器包括環(huán)路補(bǔ)償以穩(wěn)定所述輸出調(diào)節(jié)器的環(huán)路響應(yīng)，所述環(huán)路補(bǔ)償可以一定的速率控制，該速率的范圍從近似等于所述輸出調(diào)節(jié)器的開關(guān)頻率到所述數(shù)字控制器的取樣頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述調(diào)整值是估計(jì)的誤差趨勢的函數(shù)，該誤差基于參考和所述已調(diào)輸出之間的差。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述的調(diào)整值是一個函數(shù)，其斜率常數(shù)可以在大于所述輸出調(diào)節(jié)器的開關(guān)頻率的速率可選。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述調(diào)整值是誤差的誤差歷史的函數(shù)，該誤差基于參考和所述已調(diào)輸出間的差；基于所述誤差前面值的數(shù)學(xué)函數(shù)的所述誤差歷史包括移動平均值、平均值、峰值和加權(quán)平均值。
全文摘要
一種用于控制輸出調(diào)節(jié)器的已調(diào)輸出的控制器，其中所述輸出調(diào)節(jié)器響應(yīng)脈寬信號以用于控制能量在輸入源和所述已調(diào)輸出之間傳送。所述控制器包括占空比估計(jì)器，其確定標(biāo)稱占空比。調(diào)整確定器確定調(diào)整值以與所述標(biāo)稱占空比組合，從而產(chǎn)生已調(diào)整占空比。所述脈寬信號是已調(diào)整占空比的函數(shù)。
文檔編號G05F1/40GK1664737SQ20041008891
公開日2005年9月7日 申請日期2003年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月10日
發(fā)明者S·蘇塔迪加, 何潤生, 張建成 申請人:馬維爾國際貿(mào)易有限公司