專利名稱：Ac耦合滯后pwm控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于基于電感器的功率轉(zhuǎn)換器的滯后控制器的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
功率轉(zhuǎn)換器對(duì)于許多現(xiàn)代電子設(shè)備來說都很重要。除了其他能力之外，功率轉(zhuǎn)換器還可以向下調(diào)節(jié)電壓電平(降壓轉(zhuǎn)換器)或向上調(diào)節(jié)電壓電平(升壓轉(zhuǎn)換器)。功率轉(zhuǎn)換器還可以將交流(AC)功率轉(zhuǎn)換成直流(DC)功率，或反之亦然。功率轉(zhuǎn)換器典型地是使用一個(gè)或多個(gè)諸如晶體管之類的開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)的，這些開關(guān)器件接通和關(guān)斷以向轉(zhuǎn)換器的輸出傳遞功率。Klein 的標(biāo)題為 “POWER CONVERTER WITH HYSTERETIC CONTROL” 的美國專利 7，457，140提出了一種DC至DC功率轉(zhuǎn)換器的滯后控制方法，其全部公開一并在此作為參考。

發(fā)明內(nèi)容
本文獻(xiàn)公開了一種設(shè)備和方法，接收滯后控制器(如，用于功率轉(zhuǎn)換器的滯后控制器)處的輸入信號(hào)并提供輸出信號(hào)；提供輸出信號(hào)，包括向滯后控制器的滯后比較器提供基準(zhǔn)信號(hào)以及向比較器提供反饋信號(hào)，其中，反饋信號(hào)包括開關(guān)信號(hào)的AC分量以及輸出信號(hào)的DC分量。本部分旨在提供本專利申請(qǐng)的主題的概述。本部分不旨在提供對(duì)本發(fā)明的排他性或完盡解釋。包含了詳細(xì)描述以提供與本專利申請(qǐng)有關(guān)的其他信息。


在不是按實(shí)際比例繪制附圖中，相似參考數(shù)字可以表示不同視圖中的相似組件。 具有不同字母后綴的相似參考數(shù)字可以表示相似組件的不同實(shí)例。附圖以示例而非限制性的方式一般性地示出了本文獻(xiàn)中討論的不同實(shí)施例。圖1總體上示出了具有滯后控制器的功率轉(zhuǎn)換器。圖2總體上示出了根據(jù)本發(fā)明示例的具有滯后控制器的功率轉(zhuǎn)換器的示例。
具體實(shí)施例方式在特定的功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，負(fù)載電流可以顯著地變化(例如，在幾個(gè)數(shù)量級(jí)上)，在這種情況下，可以希望在轉(zhuǎn)換器的調(diào)節(jié)或控制方面具有快速的響應(yīng)。在示例中，特定的功率轉(zhuǎn)換器可以使用脈寬調(diào)制(PWM)來控制與電源(例如，未調(diào)節(jié)的DC輸入)相連的開關(guān)的接通時(shí)間。在滯后功率轉(zhuǎn)換器中，例如從轉(zhuǎn)換器的電流中得到的斜坡波形保持在兩個(gè)閾值之間，以控制轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電路或傳動(dòng)模塊。在示例中，滯后調(diào)節(jié)器可以在V。ut低于第一閾值電壓(例如，5V)時(shí)接通功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)器件，并且可以在V。ut高于第二閾值電壓時(shí)關(guān)斷轉(zhuǎn)換器的開關(guān)器件。
在特定示例中，滯后控制電路提供控制信息以控制第一開關(guān)和第二開關(guān)。在示例中，第一開關(guān)可以將第一電壓(例如，輸入電壓)連接至電感器。在該示例中，第二開關(guān)可以將第二電壓(例如，地)連接至電感器。在該示例中，第一開關(guān)和第二開關(guān)可以由滯后控制電路來控制，并且可以以相互排斥的方式來接通。在示例中，第一開關(guān)和第二開關(guān)可以在導(dǎo)通狀態(tài)和非導(dǎo)通狀態(tài)之間切換，例如以將瞬時(shí)輸出電壓保持在指定的范圍內(nèi)。指定的范圍可以與圍繞期望輸出電壓的滯后“窗”成比例，所述窗包括上限(例如，峰值)閾值和下限(例如，谷值)閾值。在特定示例中，輸出電壓可以在第一開關(guān)導(dǎo)通時(shí)(例如，當(dāng)電感器電流為正并且向負(fù)載電阻流動(dòng)時(shí))增大，或者在第二開關(guān)導(dǎo)通時(shí)減小。輸出電壓的增大或減小可以是周期性的，例如，當(dāng)調(diào)節(jié)器電路已穩(wěn)定并且正在驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)。在特定示例中，輸出電壓的變化是由穩(wěn)壓器引起的，穩(wěn)壓器電路因此被稱作“波紋穩(wěn)壓器(ripple regulator)”或“繼電器式(bang-bang)” 穩(wěn)壓器。在示例中，許多現(xiàn)有的PWM和滯后控制器不能方便地進(jìn)入或離開100%占空比，也不能容易地處理外部ν-反饋電阻分壓器(例如，需要誤差放大器起到積分器的作用)。此外，許多現(xiàn)有的滯后控制器需要主比較器的基準(zhǔn)電壓與功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓相同，從而對(duì)主比較器和基準(zhǔn)發(fā)生器增加了更多的設(shè)計(jì)約束。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，可以將耦合電路添加到滯后控制器中，例如以允許主比較器輸入電壓與控制器的最終輸出電壓不同。此外，在特定示例中，耦合電路可以允許滯后控制器使用分壓器反饋結(jié)構(gòu)而不需要積分器電路。在示例中，耦合電阻可以顯著高于反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻，以使反饋網(wǎng)絡(luò)(例如，外部反饋電阻分壓器)的值與滯后控制器的回路參數(shù)去耦合。在示例中，耦合電路可以使滯后控制器能夠方便地進(jìn)入和離開100%占空比， 并且使得可以使用外部v。ut反饋電阻分壓器，而不需要誤差放大器，也不需要最小負(fù)載來防止誤差放大器漂移。此外，以下描述的合并了耦合電路的滯后控制器可以保持魯棒的負(fù)載-瞬變響應(yīng)。圖1總體上示出了具有滯后控制器101的功率轉(zhuǎn)換器100。功率轉(zhuǎn)換器100可以包括滯后控制器101、電感器102和可選的反饋網(wǎng)絡(luò)103。電感器102可以耦合至開關(guān)輸出 (Sff) 104，通過電感器102的電流可以被控制，以在功率轉(zhuǎn)換器100的輸出105處保持期望的負(fù)載電壓(Vom)。功率轉(zhuǎn)換器100的輸出105可以向負(fù)載106提供功率。在一些示例中， 在滯后比較器108的第一輸入107處接收設(shè)定點(diǎn)(setpoint)信息(例如，等于期望電壓輸出的電壓基準(zhǔn))，并且可以在滯后比較器108的第二輸入109處接收對(duì)通過電感器102的電流加以表示的輸出電壓和斜坡電壓。滯后比較器108可以向傳動(dòng)模塊110提供諸如調(diào)制信號(hào)之類的控制信號(hào)，以使輸出電壓Vott保持在由滯后比較器108和關(guān)聯(lián)組件限定的窗之內(nèi)。 在示例中，反饋網(wǎng)絡(luò)103可以在反饋節(jié)點(diǎn)(FB)Ill處提供反饋信息，如，負(fù)載電壓Vqut的縮放表示。可以將負(fù)載電壓的縮放表示與縮放的設(shè)定點(diǎn)Vkef相比較，以向滯后比較器108的第一輸入107提供設(shè)定點(diǎn)。使用諸如分壓器之類的反饋網(wǎng)絡(luò)103來提供輸出電壓的縮放表示需要積分電路112來提供用于滯后比較器108的適當(dāng)基準(zhǔn)。積分電路112向滯后比較器 108提供合適的設(shè)定點(diǎn)，滯后比較器108可以將輸出電壓Vqut拉到由Vkef表示的期望電壓電平。然而，在特定示例中，積分器電路112的使用限制了可以耦合到功率轉(zhuǎn)換器100的最小負(fù)載。在這樣的示例中，保持最小負(fù)載以防止積分器電路輸出漂移和破壞滯后控制器101的穩(wěn)定性。在示例中，傳動(dòng)模塊110可以包括第一開關(guān)和第二開關(guān)，第一開關(guān)和第二開關(guān)在開關(guān)輸出SW處以半電橋布置的形式連接，以控制流經(jīng)電感器102的電流，并最終向負(fù)載106 提供期望的輸出電壓和電流圖2總體上示出了根據(jù)本發(fā)明主題示例的具有滯后控制器201的功率轉(zhuǎn)換器200 的示例。功率轉(zhuǎn)換器200可以包括滯后控制器201、電感器202和反饋網(wǎng)絡(luò)203。電感器202 可以耦合至開關(guān)輸出(SW) 204，通過電感器202的電流可以被控制，以在功率轉(zhuǎn)換器200的電壓輸出205處保持期望的負(fù)載電壓(Vqut)。滯后控制器201可以包括滯后比較器208、斜坡電路213以及耦合電路214。斜坡電路213可以包括斜坡電阻器215和斜坡電容器216。 斜坡電阻器215和斜坡電容器216可以通過將輸出電壓Vqut與對(duì)通過電感器202的電流加以表示的電壓進(jìn)行求和，來提供斜坡信號(hào)。耦合電路可以包括耦合電容器217和耦合電阻器218。在示例中，可以通過耦合電路214的耦合電容器217將斜坡信號(hào)的AC分量反饋至滯后比較器208。反饋網(wǎng)絡(luò)203可以包括耦合至電壓輸出205的分壓器。分壓器可以在反饋節(jié)點(diǎn)211處提供負(fù)載電壓Vot的縮放表示?？梢允褂民詈想娐?14的耦合電阻器218，將電壓輸出205的縮放DC分量與斜坡信號(hào)的AC分量相加。滯后比較器208可以在第二輸入 209處從耦合電路214接收求和后的反饋信號(hào)。滯后比較器可以將來自耦合電路214的求和后反饋信號(hào)與在第一輸入207處接收到的電壓基準(zhǔn)Vkef相比較，以保持期望的輸出負(fù)載電壓輸出VQUT。在示例中，滯后比較器208可以向傳動(dòng)電路210提供開關(guān)信號(hào)，以控制電感器電流。在示例中，傳動(dòng)電路210可以包括第一開關(guān)和第二開關(guān)，第一開關(guān)和第二開關(guān)在開關(guān)輸出SW 204處以半電橋布置的形式連接，以控制流經(jīng)電感器202的電流并向負(fù)載206提供期望的輸出電壓和電流。在特定示例中，滯后控制器201的耦合電路214可以提供使用圖1所示架構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)靈活性。例如，耦合電路214可以允許使用分壓器反饋網(wǎng)絡(luò)203，使得設(shè)定點(diǎn)電壓Vkef可以低于期望的輸出電壓Vott，因此可以使用更低的電壓分量來提供設(shè)定點(diǎn)電壓VKEF。 在示例中，當(dāng)使用諸如分壓器之類的反饋網(wǎng)絡(luò)203來提供輸出電壓Vott的縮放表示時(shí)，耦合電路214可以去除積分器電路。去除積分器電路可以節(jié)省組件面積并降低設(shè)備成本。在一些示例中，去除積分器電路可以減小設(shè)備尺寸和功耗。在特定示例中，耦合電路214可以允許功率轉(zhuǎn)換器在沒有補(bǔ)償?shù)那闆r下進(jìn)入和離開傳動(dòng)的100%占空比，例如，當(dāng)輸入電壓處于或接近期望的輸出電壓時(shí)。在這樣的示例中，傳動(dòng)可以將輸入電壓耦合至電感器，使得電感器仿真短路，非常高效地從輸入電源節(jié)點(diǎn)向輸出電源節(jié)點(diǎn)傳遞功率。當(dāng)輸入開始偏離期望的輸出時(shí)，滯后控制器可以無縫地重新開始切換傳動(dòng)，以保持期望的輸出電壓。相反，如果滯后控制器要在延長(zhǎng)的時(shí)間間隔內(nèi)達(dá)到100%占空比，則需要附加的控制來補(bǔ)償圖1的積分器電路的飽和趨勢(shì)。此外，積分器電路的去除意味著圖2的功率轉(zhuǎn)換器可以在沒有最小負(fù)載需求的情況下工作。耦合電路的另一優(yōu)點(diǎn)是在選擇分壓器組件方面的靈活性。例如，利用兩個(gè)明顯不同的分壓器網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)控耦合電路，所述耦合電路具有IlpF的耦合電容和500k0hm的耦合電阻。在第一示例中，分壓器電阻是2. ^Ohm和8. 6^0hm。在第二示例中，分壓器電阻是70k0hm*M^0hm，明顯高于第一示例的電阻。即使當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生顯著的步增(step increase)和顯著的步減(step decrease)，所獲得的負(fù)載電壓、電感器電流和負(fù)載電流的曲線也實(shí)質(zhì)上相同。因此，耦合電路使得可以在分壓器組件的尺寸的選擇方面實(shí)現(xiàn)顯著的靈活性。在負(fù)載電壓非常接近電源電壓、負(fù)載電流高和/或需要分壓器反饋的應(yīng)用中，特定的示例是有利的。示例應(yīng)用是需要良好負(fù)載瞬變響應(yīng)的USB降壓穩(wěn)壓器和DC-DC降壓穩(wěn)壓器，對(duì)此上述具有耦合電路的滯后控制器是尤為有用的。在特定示例中，集成電路可以包括滯后控制器。在一些示例中，集成電路滯后控制器可以耦合至外部電感器。在一些示例中，集成電路滯后控制器可以耦合至外部反饋網(wǎng)絡(luò)， 以允許在將控制器用于不同應(yīng)用方面的靈活性。在一些示例中，集成電路滯后控制器可以耦合至外部的傳動(dòng)模塊。附加說明上述具體描述包括對(duì)附圖的參照，附圖構(gòu)成了具體描述的一部分。附圖通過圖示方式示出了可以實(shí)施本發(fā)明的特定實(shí)施例。這些實(shí)施例也可以稱為“示例”。本文中參照到的所有公開、專利和專利文獻(xiàn)的全部?jī)?nèi)容都通過參照結(jié)合在此，就如同各自分別通過參考結(jié)合一樣。在本文中和通過參考結(jié)合的其他文獻(xiàn)中存在不一致用法的情況下，應(yīng)該認(rèn)為所結(jié)合的參考中的用法是本文中用法的補(bǔ)充；對(duì)于不可兼容的不一致，以本文的用法為準(zhǔn)。在本文中，如圖專利文獻(xiàn)中一般使用一樣，使用術(shù)語“一”或“一個(gè)”來包括一個(gè)或多于一個(gè)，而與其他任何期間或使用“至少一個(gè)”或“一個(gè)或多個(gè)”無關(guān)。在本文中，術(shù)語 “或”用于指非排他性的“或”，例如“A或B”包括“A但不是B”、“B但不是A”、以及“A和B”， 除非有其他說明。在所附權(quán)利要求中，“包括”和“其中”是普通英文的等同術(shù)語。此外，在下面的權(quán)利要求中，術(shù)語“包括”和“包含”是開放式的，即，權(quán)利要求中除了在該術(shù)語之后列出的那些元素之外，系統(tǒng)、設(shè)備、物品或過程還包括其他元素，這也被視為在該權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。此外，在下面的權(quán)利要求中，術(shù)語“第一”、“第二”和“第三”等僅僅用作標(biāo)記， 而不是旨在對(duì)其賓語施加編號(hào)方面的要求。上述描述旨在示意而非限制。例如，雖然涉及到PNP器件來描述了上述示例，但是一個(gè)或多個(gè)示例可以應(yīng)用于NPN器件。在其他示例中，上述示例(或其一個(gè)或多個(gè)方面) 可以與彼此結(jié)合使用。可以使用其他實(shí)施例，例如由閱讀以上描述的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員使用。提供了摘要以符合相關(guān)法條要求，以允許讀者快速確定本技術(shù)公開的本質(zhì)?？梢岳斫?，摘要不是用于解釋或限制權(quán)利要求的范圍或含義。此外，在以上具體實(shí)施方式
部分，可以將多種特征分組在一起以精簡(jiǎn)本公開。這不應(yīng)該解釋為權(quán)利要求中未包含的公開特征對(duì)于權(quán)利要求是必要的。而是，創(chuàng)造性主題內(nèi)容可以存在比具體公開的實(shí)施例的所有特征少的特征中。因此，將下面的權(quán)利要求結(jié)合到具體實(shí)施方式
部分，每個(gè)權(quán)利要求自身成為獨(dú)立的實(shí)施例。本發(fā)明的范圍應(yīng)該參照所附權(quán)利要求以及這些權(quán)利要求所擁有的等同物的全部范圍來確定。
權(quán)利要求
1.一種滯后功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，包括開關(guān)電路，被配置為將電源電壓耦合至電感器以提供負(fù)載電壓； 滯后比較器，被配置為在第一輸入處接收設(shè)定點(diǎn)信息，在第二輸入處接收反饋信息，并向開關(guān)電路提供控制信息；斜坡電路，被配置為提供對(duì)流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號(hào)；以及耦合電路，被配置為向滯后比較器的第二輸入提供反饋信息，所述反饋信息包括反饋電壓的DC分量以及對(duì)流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號(hào)的AC分量，其中反饋電壓是負(fù)載電壓的縮放表示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，斜坡電路包括與開關(guān)電路的輸出耦合的斜坡電阻器以及被配置為接收負(fù)載電壓的斜坡電容器，斜坡電阻器和斜坡電容器共用的斜坡節(jié)點(diǎn)被配置為提供對(duì)流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，耦合電路包括耦合電阻器，被配置為接收反饋電壓；以及耦合電容器，被配置為接收對(duì)流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，耦合電路包括耦合電阻器和耦合電容器共用的求和節(jié)點(diǎn)，所述求和節(jié)點(diǎn)耦合至滯后比較器的第二輸入。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括與開關(guān)電路的輸出耦合的電感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括分壓器，被配置為接收負(fù)載電壓并提供反饋電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括集成電路，集成電路包括滯后比較器、斜坡電路和耦合電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，包括被配置為耦合至集成電路的外部分壓器，所述外部分壓器被配置為接收負(fù)載電壓并提供反饋電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，集成電路包括分壓器，所述分壓器被配置為接收負(fù)載電壓并提供反饋電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，集成電路包括開關(guān)電路。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，電感器包括外部電感器，開關(guān)電路被配置為將電源電壓耦合至外部電感器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)包括電感器。
13.一種操作滯后功率轉(zhuǎn)換器的方法，所述方法包括 在滯后比較器的第一輸入處接收設(shè)定點(diǎn)信息； 在滯后比較器的第二輸入處接收反饋信息；從滯后比較器的輸出向開關(guān)電路提供控制信息； 使用開關(guān)電路將電源電壓耦合至電感器，以提供負(fù)載電壓； 使用斜坡電路來提供對(duì)流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號(hào)； 使用耦合電路向滯后比較器的第二輸入提供反饋信息；以及其中，提供反饋信息包括在耦合電路處接收反饋電壓，其中反饋電壓包括負(fù)載電壓的縮放表示； 提供反饋電壓的DC分量；以及提供對(duì)流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號(hào)的AC分量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，提供對(duì)電流加以表示的信號(hào)包括在斜坡電路的斜坡電阻器處接收開關(guān)電路的輸出。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，提供對(duì)電流加以表示的信號(hào)包括在斜坡電路的斜坡電容器處接收負(fù)載電壓。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，提供對(duì)電流加以表示的信號(hào)包括在斜坡電阻器與斜坡電容器之間的斜坡節(jié)點(diǎn)處，提供對(duì)流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號(hào)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，接收反饋電壓包括從分壓器接收反饋電壓。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，接收反饋電壓包括在耦合電路的耦合電阻器處接收反饋電壓。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，提供對(duì)流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號(hào)的 AC分量包括在耦合電路的耦合電容器處，接收對(duì)流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號(hào)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，提供反饋信息包括從耦合電阻器與耦合電容器之間的反饋節(jié)點(diǎn)提供反饋信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種設(shè)備和方法，用于基于電感器的功率轉(zhuǎn)換器的滯后控制器。滯后控制器可以包括耦合電路，所述耦合電路被配置為向滯后比較器提供反饋信息，所述反饋信息包括反饋電壓的DC分量以及對(duì)流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號(hào)的AC分量，其中反饋電壓是負(fù)載電壓的縮放表示。
文檔編號(hào)H02M3/157GK102237796SQ20111011572
公開日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2011年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者陶海 申請(qǐng)人:飛兆半導(dǎo)體公司