本發(fā)明總體上涉及開關模式電源控制。

背景技術：

開關模式電源(smps)針對多種情形是有用的。典型的smps被配置成在輸出電壓上具有上閾值。在一些應用中，升壓電源在要求輸出電壓是輸入電壓兩倍的情況下是希望的。斜率補償可用于對smps的電流控制回路提供穩(wěn)定性。已知的斜率補償技術包括將正斜率添加到當前感測電壓或?qū)⒇撔甭侍砑拥絽⒖茧妷?。在當前感測電壓超過參考電壓時，開關被關斷。

抑制smps中瞬態(tài)階躍響應所需的斜率的大小被深入研究。就升壓電源配置而言，在開關的關斷時間期間的電感器電流的斜率的函數(shù)提供了合適的斜率。在利用負反饋的閉環(huán)配置中，因為平均電感器電流等于負載電流，所以包括此類補償斜率是相對直接的。然而，在開環(huán)實現(xiàn)中，設置參考電壓從而使得經(jīng)補償?shù)膮⒖茧妷汉彤斍案袦y電壓在導體峰值電流在希望值時相交是具有挑戰(zhàn)性的。已知技術在其他參數(shù)之外還要求知曉輸入電壓和輸出電壓。在一些情形中，輸入電壓往往不明確，這是當輸入電壓基于典型機動車輛電池時的情況。峰值電流可隨此類輸入電壓源而顯著改變。

以提供電路穩(wěn)定性并將電感器電流保持在希望的限值內(nèi)的方式控制參考電壓是具有挑戰(zhàn)性的。如果電感器電流沒有得到充分控制，則需要更昂貴的部件。

技術實現(xiàn)要素：

一種方法的說明性示例實施例是用于控制開關。開關被用于對提供輸出電壓的電容器充電。開關在輸入側上具有電感器，電感器介于電源和開關之間。該方法包括：初始化開關周期，包括接通開關；感測代表通過電感器的電流的電壓；使用參考電壓作為用于在開關周期期間當感測到的電壓超過參考電壓時關斷開關的根據(jù)；以及基于在至少一個在先開關周期期間開關的至少一個激活特征來設置在開關周期的開始處的參考電壓的初始值。

一種開關控制裝置的說明性示例實施例包括被激活來對提供輸出電壓的電容器充電的開關。電感器在開關的輸入側上、介于電源和開關之間。開關周期控制元件在開關周期的開始處初始化開關的激活。比較器提供對代表通過電感器的電流的感測到的電壓和參考電壓之間的關系的指示。開關周期控制元件在開關周期期間基于當感測到的電壓超過參考電壓時來自比較器的指示來關斷開關。至少一個反饋回路提供對在至少一個在先開關周期期間開關的至少一個激活特征的指示。基于對來自在先開關周期的至少一個特征的指示，參考電壓在開關周期的開始處被設置成初始值。

通過以下詳細描述，對于本領域技術人員而言，所公開的實施例的各個特征和優(yōu)點將變得顯而易見。伴隨所述詳細描述的附圖可以被簡要描述如下。

附圖說明

圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例設計的開關控制裝置。

圖2是示出圖1的實施例的示例操作的選定特征的時序圖。

圖3示意性地示出了開關控制裝置的另一示例實施例。

具體實施方式

根據(jù)本發(fā)明實施例設計的裝置或方法利用來自至少一個在先開關周期的反饋信息來設置在開關周期的開始處的初始參考電壓值。初始參考電壓值以獨立于輸出電壓和輸入電壓之間的比值的方式幫助將電感器的峰值電流維持在選定的限值內(nèi)。

圖1示意性地示出用于控制開關22的裝置20，裝置20具有與開關22相關聯(lián)的電感器24。電感器24介于開關22和輸入電壓(vi)的源26之間。裝置20被配置為開關模式電源(smps)升壓控制電路。

開關周期控制元件30在開關周期的開始處激活或接通開關22。所示示例包括脈沖產(chǎn)生器32，脈沖產(chǎn)生器32在選定頻率下操作用于控制開關周期的長度。當開關22被激活時，來自源26的功率對電容器34充電，電容器34向負載36提供功率。在本說明書中，以術語輸出電壓(vo)對輸出功率進行討論。負載36的示例類型是用于機動車輛發(fā)動機的燃料噴射器。

開關周期控制元件30的輸出被提供給與(and)門40。與門40的輸出被提供給開關22的開關激活輸入。比較器或放大器42將輸出電壓vo與由裝置44提供的參考電壓進行比較，裝置44可以是dc源。當vo比由源44提供的參考電壓小時，比較器42的輸出對應于邏輯1而開關保持激活以對電容器34充電。如果vo超過由源44提供的參考電壓，則比較器42的輸出對應于邏輯0而開關22被斷開(deactivate)。在vo下降到低于比較器42的滯后電平后，裝置20被再次啟用以基于開關控制元件30的操作開始對輸出電容器34再充電。

傳感器50提供與通過電感器24的電流相對應的電壓的指示。感測到的電壓vsns和參考電壓vref被提供給比較器54。當vsns超過vref時，比較器54的輸出對應于觸發(fā)將開關周期控制元件30進行重置的邏輯1，該邏輯1將開關22斷開或關斷。在該示例中，vref基于來自源56的電壓。

所示示例包括反饋回路60，反饋回路60包括提供補償電壓vcmp的積分器62。在該示例中，vcmp使得vref在開關周期(k)期間逐步下降。

另一反饋回路70包括積分器72、峰值檢測器元件74和延遲元件76。來自反饋回路70的信息用于在開關周期的開始處設置vref的初始值。在一個示例中，通過開關周期控制元件30的操作來觸發(fā)延遲元件76，使得與在先開關周期(k-1)期間的開關22的至少一個激活特征有關的信息在開關周期(k)的開始處影響或調(diào)整vref的初始值。

如果裝置20不包括反饋回路60和70，則它會是對于vref沒有斜率補償?shù)膕mps。在此類情況中，開關接通時間的占空比可被表達為輸入電壓vi、輸出電壓vo和在先占空比的函數(shù)，如下

其中d是占空比而k是開關周期指數(shù)。根據(jù)以上表達式，如果增益項(vo–vi)/vi大于或等于1，則占空比將變得不穩(wěn)定。利用斜率補償(可使用反饋回路60來實現(xiàn))，占空比可被寫為

其中slp是補償斜率的轉換速率(以安培每秒為單位)。在以下等式中所示的增益項小于1的條件下，等式2對vo/vi的所有值而言是穩(wěn)定的。

如果補償斜率滿足以下判據(jù)，則滿足該條件：

如果通過將補償斜率設置為大于或等于關斷時間斜率(可被表達為等式5)而將等式3中的增益項設置為0，則占空比可被穩(wěn)定在一個開關周期內(nèi)，

在圖1中，通過將從積分器62輸出的補償電壓vcmp添加到vref來完成這種補償。在穩(wěn)態(tài)下的開關周期期間，vref的初始值的大小使得通過補償，vref的值與當電感器電流等于預期峰值電流(vpeak)時感測到的電壓vsns相交或者變成等于感測到的電壓vsns。該條件可使用以下等式來表達：

vinitial-vδ＝vpeak(6)

在vpeak等于vref的條件下，vδ等于mton，其中m是補償電壓vcmp(以伏特每鈔為單位)的斜率而ton是開關22的接通時間。在本說明書中，vδ被稱為補償余量(compensationheadroom)。

用于裝置20的開關接通時間ton可使用以下關系式來進行估算

其中tsw是開關周期。

基于上述關系式，隨著比值vo/vi增大，參考值vref也將增大。接著，通過電感器的峰值電流(以相應的電壓vpeak表示)將隨著比值vo/vi的變化而變化。

反饋回路70被提供在裝置20內(nèi)，用于以允許在對應于vpeak的預先選定的峰值電流處操作電感器24的方式來控制vref及其初始值。通過知曉電感器24的飽和電流值，使用更多諸如電感器24之類的經(jīng)濟的部件變?yōu)榭尚?。根?jù)該示例實施例，vref的初始值被設置成與vpeak加上補償余量相對應。因此，在該示例中，用于vref的電壓源56提供了具有與vpeak相對應的值的電壓。利用用于調(diào)整vref初始值的返回回路70允許獨立于比值vo/vi而維持電感器24的峰值電流。

積分器72測量開關22的接通時間的占空比。來自積分器72的輸出可通過以下表達式來表示：

其中vgate與開關22的門信號相對應。如果積分器72只考慮開關22的接通時間，則可使常數(shù)m的定義與上述補償斜率m的定義一致。峰值檢測器74鎖定vgate的峰值，vgate的峰值在開關22的接通時間的結尾處發(fā)生。延遲元件76操作來將通過反饋回路70在開關周期k-1期間獲得的與開關激活22有關的信息在隨后的開關周期k的開始處引入。來自反饋回路70的輸出將補償余量有效地添加到vpeak的值以建立在開關周期k的開始處的vref的初始值。

在以下等式中，函數(shù)y代表用于下一開關周期的補償余量的值的預測。

y(k)＝x(k-1)＝vδ(k)(9)

在開關周期k期間，vref可通過以下等式來表示：

圖2是示意性地示出圖1所示的裝置20的操作的若干特征的時序圖。來自脈沖產(chǎn)生器32的觸發(fā)或初始化脈沖80初始化開關周期k，開關周期k具有周期tsw。在開關周期的開始處，vref具有初始值(在82處示出)。感測到的電壓vsns在84處被表示并且在開關周期期間增大，同時開關22被激活以用于對電感器24供能。在接通時間期間，開關通過使電感器電流增大而允許能量在電感器中積累。在開關的關斷時間期間，電感器電流將通過二極管被引導到電容器，使得對電容器充電。在86處示出了由反饋回路60引入的補償電壓vcmp。如在88處所示，負斜率或負補償導致vref減小。

如在90處所示，當vsns等于vpeak時，vsns與vref相交或等于vref。那時，vref已經(jīng)從82處的初始值減小了值vδ(例如，補償余量的數(shù)量)。當vsns的值達到vref的值時，比較器54提供重置脈沖(在92處示出)，重置脈沖關斷開關22(由在94處所示的vgate的值所表示)。同時，積分器62停止，從而使得vcmp不再減小(如在96處所示)。積分器62在下一開關周期的開始處(通過由脈沖產(chǎn)生器32提供的下一脈沖80’來表示)重新啟動。

在開關周期k期間，積分器72的輸出增大，如在98處所示。如在100處所示，峰值檢測器74檢測峰值并且積分器72停止操作，這在時間上與vsns等于vref(如在90處所示)時的瞬時相對應。假如不再對vref施加補償電壓vcmp，則vref保持在值vpeak(如在102處所示)直至下一開關周期k+1開始。

針對下一開關周期k+1的vref初始值在82’處示出。該初始值是基于vpeak加上來自反饋回路70的信息，該信息由來自在先開關周期k的積分器72的輸出(在98處示出)來表示。假如積分器72只在開關22的接通時間期間操作，則在開關周期k+1的開始處的vref初始值是基于在在先開關周期k期間的開關22的至少一個激活特征。在該特定實施例中，用于設置vref初始值的開關22的激活特征包括開關22的接通時間占空比。

通過考慮表達圖1和2中所利用的斜率補償技術的以下模型，可理解系統(tǒng)的瞬態(tài)響應及其穩(wěn)定性判據(jù)。如上所述，反饋回路70基于在先開關周期的接通占空比提供補償信息以用于設置vref的初始值。假設裝置20處于穩(wěn)態(tài)，則開關周期k的vδ可被表達為：

vδ(k)＝m.t.du(k-1)(11)

該關系式可被利用來導出針對在沒有濾波的情況下由裝置20提供的閉環(huán)補償?shù)碾x散時間表達式。以下等式是此類等式中的一個表達。

針對此類閉環(huán)補償?shù)恼伎毡缺磉_式揭示了占空比受到兩個在先開關周期的歷史的影響。在穩(wěn)態(tài)條件中，周期k和k-1的占空比在大小上相等，但具有在極性上相反的對當前占空比的影響。因此，可將占空比表達式重新整理如下：

smps裝置20在以下條件下是穩(wěn)定的：

當補償斜率滿足以下判據(jù)時，穩(wěn)定性被獲得：

在所示示例中，針對閉環(huán)補償?shù)氖諗颗袚?jù)(convergencecriteria)是開環(huán)補償?shù)氖諗颗袚?jù)的一半。來自等式15的閉環(huán)補償?shù)恼伎毡缺磉_式表明沒有斜率補償值會完全沒有在先占空比的貢獻。因此，閉環(huán)補償?shù)碾A躍響應將獨立于補償斜率的選擇而將穩(wěn)定前響鈴展示給占空比值。

圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例設計的另一smps裝置20’。相較于圖1的實施例，圖3的實施例的一個特征是圖3中的布置包括平均特征以在電源56的初始化過程中減小過沖(overshoot)的任何可能性以及最小化對噪聲的敏感性。在圖3中，反饋回路70的輸出至少暫時地被維持長達多個在先開關周期(k-n，n＝1，2，3……)。平均部件110確定與在先開關周期開關激活有關的信息的平均值(在112、114和116處示出)。平均信息被用于在下一開關周期的開始處設置vref的初始值。使用如圖3所示的布置的針對閉環(huán)補償?shù)囊话惚磉_式是：

其中n是用于平均過程的樣本數(shù)量。在不平均的情況下，n具有值1而等式16的表達式變成等式12的表達式。

所示實施例利用基于來自至少一個在先開關周期的信息的閉環(huán)斜率補償來提供對當前參考補償余量的值的預測。利用此類信息來設置vref的初始值將使經(jīng)補償?shù)膙ref與vsns在通過電感器24的電流等于預先選定的峰值電流值時相交。所示示例確保在vsns與vref之間的相交發(fā)生時的占空比等于理論上的占空比，該占空比是smps裝置20的輸入電壓和輸出電壓(例如，vi和vo)的函數(shù)。施加所示示例的斜率補償而不引入峰值電流和輸入輸出電壓的比值之間的依賴性。

裝置20的一種示例實現(xiàn)被實現(xiàn)為asic并且通過使用計數(shù)器和快速數(shù)模轉換器來數(shù)字地實現(xiàn)，計數(shù)器具有可編程時鐘速率以模擬集成過程，快速數(shù)模轉換器轉換預測到的當前參考信息以用于與感測到的電感器電流進行比較。

在一個實施例中，積分器62和72的功能通過使用具有高輸出阻抗的電流源對電容器充電和放電來實現(xiàn)。如果電流源輸出阻抗大到足以被忽略，那么斜率補償斜率m可被表達為m＝icmp/ccmp，其中icmp和ccmp分別是補償電流和電容。

所公開的示例允許選擇具有已知峰值電流閾值并且能夠以提供系統(tǒng)穩(wěn)定性并保證電感器的壽命的方式來控制通過電感器的電流。所公開的實施例的該特征的一個方面是它允許使用較便宜的電感器，這是有利的。

以上描述本質(zhì)上是示例性的，而不是限制性的。對所公開的示例的不背離本發(fā)明的實質(zhì)的變化和修改對于本領域技術人員而言可變得顯而易見。賦予本發(fā)明的法律保護范圍只能由以下權利要求確定。