專利名稱：電源控制器和方法
電源控制器和方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明一般涉及電源，且更具體地涉及開關(guān)模式電源。
背景技術(shù)：
開關(guān)模式電源(SMPQ用于包括膝上計(jì)算機(jī)、蜂窩電話、個(gè)人數(shù)字助手、視頻游戲、 攝像機(jī)等各種便攜電子設(shè)備中。它們可將一個(gè)電壓電平上的dc信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同電壓電平 上的dc信號(hào)(這是dc-dc轉(zhuǎn)換器)、將交流(ac)信號(hào)轉(zhuǎn)換為dc信號(hào)(這是ac-dc轉(zhuǎn)換器)、 將dc信號(hào)轉(zhuǎn)換為ac信號(hào)(這是dc-ac轉(zhuǎn)換器)，或?qū)c信號(hào)轉(zhuǎn)換為ac信號(hào)(這是ac-ac 轉(zhuǎn)換器)。一般地，開關(guān)模式電源包括開關(guān)電源控制器或轉(zhuǎn)換器，該開關(guān)電源控制器或轉(zhuǎn)換 器在重負(fù)載即汲取大電流的負(fù)載的條件下以連續(xù)模式操作，以及在輕負(fù)載即汲取小電流的 負(fù)載條件下在跳變模式或脈沖跳變模式下操作。在過(guò)去，半導(dǎo)體制造者使用各種方法和結(jié) 構(gòu)形成開關(guān)電源控制器，例如調(diào)整由電源系統(tǒng)提供的電壓的值的脈沖寬度調(diào)制(PWM)電源 控制器。在一些情況下，開關(guān)電源控制器能夠在普通操作過(guò)程中以固定的頻率或連續(xù)的操 作模式操作。當(dāng)由從電源系統(tǒng)接收功率的負(fù)載汲取的電流減小時(shí)，某些現(xiàn)有的開關(guān)電源控 制器以跳過(guò)一些PWM周期的輕負(fù)載模式操作。當(dāng)負(fù)載再次需要較高電流時(shí)，開關(guān)調(diào)節(jié)器電 路退出跳變模式并返回普通操作。轉(zhuǎn)換器一般包括連接到誤差放大器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以穩(wěn)定系統(tǒng)并基于小信號(hào)行為模 式來(lái)優(yōu)化瞬變響應(yīng)。但是，當(dāng)大信號(hào)瞬變事件發(fā)生時(shí)，例如從輕負(fù)載狀態(tài)到滿負(fù)載狀態(tài)的階 梯負(fù)載瞬變，由于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的飽和恢復(fù)和誤差放大器的轉(zhuǎn)換速率限制，轉(zhuǎn)換器不能實(shí)現(xiàn)期 望的響應(yīng)。圖1是包括開關(guān)電源控制器12的電源系統(tǒng)10的一部分的現(xiàn)有技術(shù)示意圖。系統(tǒng) 10接收功率輸入端子14和功率返回端子16之間的功率，并在輸出18和端子16之間形成 輸出電壓VOTT。控制器12設(shè)置為將輸出電壓Vot調(diào)整為期望的值或在接近目標(biāo)值的值的范 圍內(nèi)的目標(biāo)值。例如，目標(biāo)值可以是五伏(5v)，而值的范圍可能是接近五伏的正或負(fù)百分之 五(5% )。系統(tǒng)10 —般包括功率開關(guān)例如功率晶體管20和被連接以控制流經(jīng)電感器M 的電感器電流I24的整流器22。整流器22可以是同步金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、二 極管等。電容器26連接在輸出18和端子16之間以便協(xié)助形成輸出電壓VQUT。電壓感測(cè)網(wǎng) 絡(luò)觀可被耦合到輸出18，以在節(jié)點(diǎn)30提供代表輸出電壓Vqut的非瞬時(shí)值的電壓感測(cè)信號(hào) \。以舉例的方式說(shuō)，電壓感測(cè)網(wǎng)絡(luò)觀包括具有公共地連接到一起以形成節(jié)點(diǎn)30的端子的 電阻器32和34。另外，電阻器32具有連接到輸出18的端子，且電阻器34具有連接到功率 返回端子16的端子。電壓感測(cè)網(wǎng)絡(luò)觀可以是在節(jié)點(diǎn)30提供代表輸出電壓Vqut的值的感 測(cè)信號(hào)\的任何類型的感測(cè)網(wǎng)絡(luò)。負(fù)載36 —般連接在輸出18和端子16之間以便接收輸 出電壓Vott且接收負(fù)載電流ΙωΑΒ。應(yīng)注意到負(fù)載電流是電流I24和可能流自電容器沈 的電流I26的和。開關(guān)電源控制器12從連接在電源輸入38和電源返回40之間的調(diào)節(jié)器35接收操 作功率。輸入38和返回40—般分別連接到端子14和16。應(yīng)注意到，調(diào)節(jié)器40可提供參考電壓VKEF?？刂破?2設(shè)置為在輸出42上形成適合于驅(qū)動(dòng)和操作晶體管20以調(diào)整輸出電 壓Vot的值的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。來(lái)自電壓感測(cè)網(wǎng)絡(luò)觀的電壓感測(cè)信號(hào)Vs由控制器12在電壓 感測(cè)輸入44上接收?？刂破?2包括適合于產(chǎn)生被輸入到緩沖器驅(qū)動(dòng)器或緩沖器52中的PWM開關(guān)信號(hào) 的PWM控制模塊50。緩沖器52具有連接到功率晶體管20的柵極端子的輸出端子?？刂破?12還包括反饋網(wǎng)絡(luò)54，該反饋網(wǎng)絡(luò)包括操作放大器56和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)58。以舉例的方式說(shuō)， 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)58是無(wú)源電壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。更具體地，操作放大器56作為具有反相輸入端子、非反 相輸入端子以及輸出端子的誤差放大器起作用，其中非反相輸入端子被耦合以接收參考電 壓VKEF，反相輸入端子通過(guò)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)58被耦合到其輸出端子和電壓感測(cè)節(jié)點(diǎn)44。以舉例的 方式說(shuō)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)58包括連接在操作放大器56的反相輸入端子和電壓感測(cè)節(jié)點(diǎn)44之間的 電阻器60、耦合在操作放大器56的反相輸入端子和輸出端子之間的電阻器電容器網(wǎng)絡(luò)62。 電阻器電容器網(wǎng)絡(luò)62包括與電阻器66并聯(lián)耦合的電容器64以及串聯(lián)連接的電容器68。 操作放大器56的輸出端子直接連接到PWM控制模塊50的輸入端子。在操作中，電源系統(tǒng)10 —般以以下兩種模式中的一種模式操作連續(xù)操作模式或 脈沖跳變(或突發(fā))操作模式。在重負(fù)載或非輕負(fù)載條件下，PWM控制模塊50以其額定操 作頻率或滿操作頻率操作，且電感器電流Im是連續(xù)的。在輕負(fù)載或無(wú)負(fù)載條件下，負(fù)載電 流減小，且電感器電流I24變得不連續(xù)。如果脈沖跳變模式有效，PWM控制模塊50的輸 出端子上的操作頻率或開關(guān)頻率減小，以響應(yīng)于負(fù)載電流的減小，從而減小功耗。圖h、2b、2c和2d是示出了當(dāng)控制器12以連續(xù)操作模式操作時(shí)產(chǎn)生的不同信號(hào) 的曲線圖。曲線圖h、2b、2c和2d的橫坐標(biāo)表示時(shí)間，且曲線圖2a、2b和2c的縱坐標(biāo)表示 電壓，而曲線圖2d的縱坐標(biāo)表示電流。更具體地，曲線圖加示出了從操作放大器56的輸 出端子被傳送到PWM控制模塊50的輸入端子的電壓Votp ；曲線圖2b示出了出現(xiàn)在輸出18 和端子16之間的輸出電壓Vqut ；曲線圖2c示出了出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)25的電壓Vs■且曲線圖2d示 出了電感器電流124。在圖2中，控制器12以連續(xù)的脈沖PWM模式操作，因此電感器電流I24 是連續(xù)的。在這種條件下，操作放大器56不在飽和狀態(tài)中操作，且電阻器電容器網(wǎng)絡(luò)62的 電容器即電容器64和68的DC偏壓中有微小變化。更具體地，在穩(wěn)定狀態(tài)連續(xù)脈沖操作模 式中，電容器68兩端的DC偏壓實(shí)質(zhì)上等于在連續(xù)脈沖操作模式期間誤差放大器56的輸出 端子的平均電壓電平和出現(xiàn)在誤差放大器56的非反相輸入端子的參考電壓Vkef之間的差， 即Ve68 = Ave-VKEF。在脈沖跳變模式中，當(dāng)輸出電壓Vott高于參考電壓Vkef時(shí)，電壓Votp 保持在其最小電平。在這種情況下，電容器68兩端的DC偏壓實(shí)質(zhì)上等于電壓Votp的最小 電壓值和參考電壓Vkef之間的差，BP, Vc68 = νωΜΡ—MIN-VKEF。當(dāng)有遞增負(fù)載瞬變時(shí)，電壓Vroffi^f加到實(shí)質(zhì)上等于誤差放大器56的輸出端子的平 均電壓電平的值。因?yàn)殡娙萜?8兩端的DC偏壓不能立即改變，實(shí)質(zhì)上等于VOTP-Ve68-VKEF的 電壓差被添加到電阻器66兩端，這導(dǎo)致了下降的(droop)電流注入到節(jié)點(diǎn)59并通過(guò)電阻 器60。電壓Vra8是電容器68兩端的電壓。額外的下降電流導(dǎo)致了額外的電壓下降且導(dǎo)致 輸出電壓Vott需要較長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)。圖3a、3b、3c和3d是示出了在有遞增負(fù)載瞬變時(shí)由控制器12產(chǎn)生的各種信號(hào)的 曲線圖，跳變模式被啟用，且控制器12以跳變模式操作。曲線圖3a、3b、3c和3d的橫坐標(biāo) 表示時(shí)間，曲線圖3a、!3b和3c的縱坐標(biāo)表示電壓，而曲線圖3d的縱坐標(biāo)表示電流。更具體地，曲線圖3a示出了從操作放大器56的輸出端子被傳送到PWM控制模塊50的輸入端子的 電壓Votp ；曲線圖北示出了出現(xiàn)在輸出18和端子16之間的輸出電壓Vqut ；曲線圖3c示出 了出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)25的電壓Vs■；曲線圖3d示出了電感器電流I24和負(fù)載電流Il_。因?yàn)榭刂破?2進(jìn)入跳變操作模式，系統(tǒng)瞬變響應(yīng)由于反饋網(wǎng)絡(luò)M中的DC電平偏 差而降低。因此，擁有具有在重負(fù)載條件和輕負(fù)載條件下的快速瞬變響應(yīng)的電源控制器和方 法是有益的。進(jìn)一步有益的是該電路和方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)具有成本效益。


通過(guò)閱讀以下的詳細(xì)描述，結(jié)合附示，本發(fā)明將被更好地理解，其中相同的參 考符號(hào)指示相同的部件，其中圖1是電源控制系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)部分的電路示意圖；圖加是示出了由圖1的現(xiàn)有技術(shù)電源控制系統(tǒng)的部分在其以連續(xù)脈沖操作模式 操作時(shí)產(chǎn)生的電壓信號(hào)的曲線圖；圖2b是示出了由圖1的現(xiàn)有技術(shù)電源控制系統(tǒng)的部分在其以連續(xù)脈沖操作模式 操作時(shí)產(chǎn)生的電壓信號(hào)的曲線圖；圖2c是示出了由圖1的現(xiàn)有技術(shù)電源控制系統(tǒng)的部分在其以連續(xù)脈沖操作模式 操作時(shí)產(chǎn)生的電壓信號(hào)的曲線圖；圖2d是示出了由圖1的現(xiàn)有技術(shù)電源控制系統(tǒng)的部分在其以連續(xù)脈沖操作模式 操作時(shí)產(chǎn)生的電流信號(hào)的曲線圖；圖3a是示出了由圖1的現(xiàn)有技術(shù)電源控制系統(tǒng)的部分在其以脈沖跳變操作模式 操作時(shí)產(chǎn)生的電壓信號(hào)的曲線圖；圖北是示出了由圖1的現(xiàn)有技術(shù)電源控制系統(tǒng)的部分在其以脈沖跳變操作模式 操作時(shí)產(chǎn)生的電壓信號(hào)的曲線圖；圖3c是示出了由圖1的現(xiàn)有技術(shù)電源控制系統(tǒng)的部分在其以脈沖跳變操作模式 操作時(shí)產(chǎn)生的電壓信號(hào)的曲線圖；圖3d是示出了由圖1的現(xiàn)有技術(shù)電源控制系統(tǒng)的部分在其以脈沖跳變操作模式 操作時(shí)產(chǎn)生的電流信號(hào)的曲線圖；圖4是依照本發(fā)明的實(shí)施方式的電源控制系統(tǒng)的一部分的電路示意圖；圖5是適用于圖4中示出的電源控制系統(tǒng)的部分的開關(guān)的電路示意圖；圖6a是示出了由圖4的電源控制系統(tǒng)的部分產(chǎn)生的電壓信號(hào)的曲線圖；圖6b是示出了由圖4的電源控制系統(tǒng)的部分產(chǎn)生的電壓信號(hào)的曲線圖；圖6c是示出了由圖4的電源控制系統(tǒng)的部分產(chǎn)生的電壓信號(hào)的曲線圖；圖6d是示出了由圖4的電源控制系統(tǒng)的部分產(chǎn)生的電壓信號(hào)的曲線圖；圖6e是示出了由圖4的電源控制系統(tǒng)的部分產(chǎn)生的電流信號(hào)的曲線圖；圖7a是示出了圖4的電源控制系統(tǒng)的部分在其以連續(xù)脈沖操作模式操作時(shí)產(chǎn)生 的電壓信號(hào)的曲線圖；圖7b是示出了圖4的電源控制系統(tǒng)的部分在其以連續(xù)脈沖操作模式操作時(shí)產(chǎn)生 的電壓信號(hào)的曲線圖7c是示出了圖4的電源控制系統(tǒng)的部分在其以連續(xù)脈沖操作模式操作時(shí)產(chǎn)生 的電壓信號(hào)的曲線圖；圖7d是示出了圖4的電源控制系統(tǒng)的部分在其以連續(xù)脈沖操作模式操作時(shí)產(chǎn)生 的電壓信號(hào)的曲線圖；圖7e是示出了圖4的電源控制系統(tǒng)的部分在其以連續(xù)操作模式操作時(shí)產(chǎn)生的電 流信號(hào)的曲線圖；圖8a是示出了圖4的電源控制系統(tǒng)的部分在其以脈沖跳變操作模式操作時(shí)產(chǎn)生 的電壓信號(hào)的曲線圖；圖8b是示出了圖4的電源控制系統(tǒng)的部分在其以脈沖跳變操作模式操作時(shí)產(chǎn)生 的電壓信號(hào)的曲線圖；圖8c是示出了圖4的電源控制系統(tǒng)的部分在其以脈沖跳變操作模式操作時(shí)產(chǎn)生 的電壓信號(hào)的曲線圖；圖8d是示出了圖4的電源控制系統(tǒng)的部分在其以脈沖跳變操作模式操作時(shí)產(chǎn)生 的電壓信號(hào)的曲線圖；圖8e是示出了圖4的電源控制系統(tǒng)的部分在其以脈沖跳變操作模式操作時(shí)產(chǎn)生 的電流信號(hào)的曲線圖；圖9是依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的電源控制系統(tǒng)的一部分的電路示意圖。
具體實(shí)施例方式一般地，本發(fā)明提供了具有反饋控制開關(guān)的電源控制器和用于在反饋網(wǎng)絡(luò)中補(bǔ)償 誤差信號(hào)的方法。電源控制器包括反饋路徑中的誤差放大器和用于打開和閉合反饋回路的 開關(guān)。當(dāng)控制器在連續(xù)脈沖操作模式和脈沖跳變操作模式之間操作時(shí)，該開關(guān)作為控制回 路中的有源補(bǔ)償器起作用，從而減小誤差放大器的轉(zhuǎn)換速率需求。依照本發(fā)明的實(shí)施方式， 有源開關(guān)被插入到誤差放大器的負(fù)反饋路徑中。以舉例的方式說(shuō)，開關(guān)與在開關(guān)閉合且控 制器以連續(xù)脈沖操作模式操作時(shí)提供補(bǔ)償?shù)臒o(wú)源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)。當(dāng)控制器以脈沖跳變操作 模式操作時(shí)，控制器打開開關(guān)，使得無(wú)源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)源電荷存儲(chǔ)部件保持存儲(chǔ)在其中 的電荷。通過(guò)保持電荷，當(dāng)從脈沖跳變操作模式改變到連續(xù)脈沖操作模式時(shí)，即，在開關(guān)閉 合之后，控制器快速并有效地返回到其額定操作狀態(tài)。依照另一個(gè)實(shí)施方式，電源控制器包括連接到補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的脈沖寬度調(diào)制控制模 塊。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)包括具有反相輸入端子、非反相輸入端子和輸出端子的放大器。無(wú)源補(bǔ)償網(wǎng) 絡(luò)耦合在放大器的反相輸入端子和輸出端子之間。開關(guān)耦合在放大器的輸出端子和補(bǔ)償網(wǎng) 絡(luò)的輸入端子之間。依照另一個(gè)實(shí)施方式，用于改進(jìn)控制器的瞬變響應(yīng)的方法包括使用處于閉合回路 設(shè)置中的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由第一信號(hào)產(chǎn)生反饋信號(hào)，且控制器以連續(xù)脈沖模式操作。控制器在以 脈沖跳變操作模式操作時(shí)通過(guò)打開反饋回路的方式改變反饋信號(hào)。應(yīng)注意到術(shù)語(yǔ)輕負(fù)載和重負(fù)載取決于應(yīng)用和參數(shù)例如電感器24的電感值。例如， 在一些應(yīng)用中，其中滿負(fù)載電流是10安培，輕負(fù)載電流可以是1安培；但是在一些應(yīng)用中， 其中滿負(fù)載電流是1安培，輕負(fù)載可以是10毫安。因此，當(dāng)負(fù)載電流小于滿負(fù)載電流的大約 15%時(shí)被理解為輕負(fù)載，且當(dāng)負(fù)載電流是滿負(fù)載電流或是滿負(fù)載電流的大約15%內(nèi)的電流水平時(shí)被理解為重負(fù)載。圖4是依照本發(fā)明的實(shí)施方式的電源系統(tǒng)100的一部分的示意圖。電源系統(tǒng)100 包括開關(guān)電源控制器12A、電壓感測(cè)網(wǎng)絡(luò)觀、功率晶體管20、整流器22和電感器M。開關(guān) 電源控制器12A與開關(guān)電源控制器12相似，只是其包括反饋網(wǎng)絡(luò)54A，該反饋網(wǎng)絡(luò)54A具 有無(wú)源電壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)58、開關(guān)102、計(jì)時(shí)器104以及通過(guò)晶體管106耦合到電容器64和68 的偏置電壓VBIAS。應(yīng)注意到，無(wú)源電壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)58可以是單極點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，即類型I網(wǎng)絡(luò)，兩極 點(diǎn)、一零點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，即類型II網(wǎng)絡(luò)，三極點(diǎn)、兩零點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，即類型III網(wǎng)絡(luò)，或其他的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。 電容器64和68的端子連接到一起以形成節(jié)點(diǎn)105。開關(guān)102連接在節(jié)點(diǎn)105( S卩，在補(bǔ)償 網(wǎng)絡(luò)62的輸出)和公共連接的誤差放大器56的輸出端子和PWM控制模塊50的輸入端子 之間。開關(guān)102的控制端子通過(guò)計(jì)時(shí)器104耦合到PWM控制模塊50的輸出端子。更具體 地，PWM控制模塊50的輸出端子在節(jié)點(diǎn)107連接到計(jì)時(shí)器104的輸入端子，且計(jì)時(shí)器104的 輸出端子連接到開關(guān)102的控制端子。電阻器106限制在誤差放大器56的輸出端子和電 壓Vbias之間流動(dòng)的電流。電壓Vbias可由自適應(yīng)DC電壓發(fā)生器產(chǎn)生，其中電壓Vbias在穩(wěn)定 狀態(tài)連續(xù)脈沖操作模式期間接近于信號(hào)Votp的DC電壓電平。當(dāng)PWM控制模塊50是電壓模 式PWM控制器電壓時(shí)，電壓Vbias可按以下方式來(lái)確定Vbias = Gvout * V0UT+VRAMP其中Gqut是電壓VBIAS/VQUT的比；以及Veamp是PWM控制模塊50的內(nèi)部斜變信號(hào)的偏移電壓或谷值。依照本發(fā)明的實(shí)施方式，開關(guān)102是晶體管例如場(chǎng)效應(yīng)晶體管。圖5示出了具有 控制電極和電流傳導(dǎo)(current conducting)電極的晶體管109。應(yīng)注意到，晶體管109的 控制電極與開關(guān)102的控制端子相似，一個(gè)電流傳導(dǎo)電極連接到無(wú)源網(wǎng)絡(luò)62的端子，且另 一個(gè)電流傳導(dǎo)電極連接到PWM控制模塊50的輸入端子。圖5還示出了耦合在晶體管109 的電流傳導(dǎo)端子之間的電容器111。電容器111可以是晶體管109的寄生電容，或者其可以 是具有小電容值另外的電容器，該小電容值使從跳變操作模式到連續(xù)操作模式的轉(zhuǎn)換平滑 并提供濾波。以舉例的方式說(shuō)，電容器111的電容值為大約一皮法。在操作中，計(jì)時(shí)器104檢測(cè)在節(jié)點(diǎn)107的PWM控制模塊50的輸出信號(hào)，并響應(yīng)于輸 出信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)以控制開關(guān)102。計(jì)時(shí)器104在其被節(jié)點(diǎn)107的信號(hào)重置之后開始計(jì) 時(shí)。當(dāng)PWM控制模塊50以連續(xù)脈沖或臨界傳導(dǎo)模式操作時(shí)，計(jì)時(shí)器104具有比該P(yáng)WM控制 模塊50的輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換周期更長(zhǎng)的計(jì)時(shí)周期，S卩，計(jì)時(shí)器104產(chǎn)生超時(shí)信號(hào)(Time_0ut)。 超時(shí)信號(hào)Time_0ut保持在有效狀態(tài)直到其被重置。當(dāng)信號(hào)Time_0ut處于有效狀態(tài)時(shí)，開 關(guān)102打開，這就打開了反饋回路，而當(dāng)信號(hào)Time_0ut處于無(wú)效狀態(tài)時(shí)開關(guān)102閉合，這就 閉合了反饋回路。因此，當(dāng)PWM控制模塊50以連續(xù)脈沖模型操作時(shí)開關(guān)102閉合，且在其 跳過(guò)一個(gè)或多個(gè)脈沖之后開關(guān)102打開。圖6a、6b、6c、6d和6e是依照本發(fā)明的實(shí)施方式的示出了由控制器12A產(chǎn)生的各 種信號(hào)的曲線圖。曲線圖6a、6b、6c、6d和6e的橫坐標(biāo)以秒來(lái)表示時(shí)間，曲線圖6a、6b、6c、 和6d的縱坐標(biāo)表示電壓，而曲線圖6e的縱坐標(biāo)表示電流。更具體地，曲線圖6a示出了從 操作放大器56的輸出端子被傳送到PWM控制模塊50的輸入端子的電壓Votp和出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn) 105的電壓信號(hào)Votpi ；曲線圖6b示出了出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)107即PWM控制器50的輸出端子的電 壓Vpwm ；曲線圖6c示出了從計(jì)時(shí)器104被發(fā)送到開關(guān)102的控制端子的信號(hào)Time_0ut ；曲線圖6d示出了出現(xiàn)在輸出18和端子16之間的輸出電壓Vqut和參考電壓Vkef ；以及曲線圖 6e示出了電感器電流I24和負(fù)載電流ΙωΑΙ)。仍然參考圖6a、mK6C、6d和6e，在時(shí)間tQ，控制器12A以連續(xù)脈沖PWM模式操作， 因此電感器電流I24是連續(xù)的且負(fù)載電流Imad為高。計(jì)時(shí)器104在每個(gè)周期被出現(xiàn)在PWM 控制器50的輸出端子的PWM脈沖Vpwm重置。因此，由計(jì)時(shí)器104產(chǎn)生的信號(hào)Time_0ut保持 處于邏輯高電壓電平，且開關(guān)102閉合，S卩，晶體管109導(dǎo)通。在這種情況下，反饋網(wǎng)絡(luò)54A 在閉合回路設(shè)置中操作，且誤差放大器56的輸出信號(hào)Votp和出現(xiàn)在開關(guān)102的輸入的信號(hào) Vcompi實(shí)質(zhì)上處于相同的電壓電平。信號(hào)Votp稱為返回回路輸出信號(hào)。在時(shí)間、，負(fù)載釋放發(fā)生，即，負(fù)載從重負(fù)載變化到輕負(fù)載，因此電感器M中存儲(chǔ) 的能量為電容器沈充電。響應(yīng)于輸出電壓Vqut的變化，來(lái)自誤差放大器56的電壓Vtomp降 低到邏輯零電壓，且PWM控制器50輸出邏輯低電壓電平，這就防止了輸出電壓Vot的過(guò)沖。 電感器電流I24減小，且電源系統(tǒng)100進(jìn)入脈沖跳變模式。因?yàn)橛?jì)時(shí)器104在時(shí)間、被重 置之后再?zèng)]有PWM脈沖(VPWM)，在時(shí)間t2出現(xiàn)在計(jì)時(shí)器104的輸出端子的超時(shí)信號(hào)Time_ Out在預(yù)定的時(shí)間段Ttimw有效。在時(shí)間t2之后，開關(guān)102打開，S卩，當(dāng)開關(guān)102使用晶體管109被實(shí)現(xiàn)時(shí)，晶體管 109被關(guān)掉。在這種情況下，反饋網(wǎng)絡(luò)54A在開放回路設(shè)置中操作，其改變了反饋回路輸出 信號(hào)VOTP。應(yīng)注意到，在開放回路設(shè)置中，誤差放大器56作為比較器操作。因?yàn)檩敵鲭妷?Vout高于參考電壓Vkef，來(lái)自誤差放大器56的輸出信號(hào)Vcqmp保持處于低飽和電平。出現(xiàn)在 節(jié)點(diǎn)105的電壓Votpi上升并在實(shí)質(zhì)上與電壓Vbias相同的電壓電平上穩(wěn)定下來(lái)，該電壓Vbias 接近于穩(wěn)定狀態(tài)連續(xù)脈沖操作模式中的電壓信號(hào)Votp的DC電壓電平。在從時(shí)間t2到時(shí)間t5的時(shí)間段期間，負(fù)載電流I·很低，且其將輸出電容器沈放 電，這就緩慢地減小了輸出電壓VOTT。在時(shí)間t3，輸出電壓Vqut橫越(cross over)參考電壓Vkef，且來(lái)自誤差放大器56 的電壓Votp增加，觸發(fā)PWM控制器50產(chǎn)生PWM脈沖，由此重置計(jì)時(shí)器104。重置計(jì)時(shí)器104 使開關(guān)102閉合，例如，如果開關(guān)102由晶體管109實(shí)現(xiàn)，重置計(jì)時(shí)器104將晶體管109導(dǎo) 通。因?yàn)樨?fù)載小，來(lái)自單個(gè)PWM脈沖的能量足以將輸出電壓Vott保持在比參考電壓Vkef高的 電平。在時(shí)間t4，信號(hào)Time_0ut再次變?yōu)橛行?，且開關(guān)102打開，例如，晶體管109關(guān)掉。在時(shí)間t5，當(dāng)負(fù)載遞增信號(hào)在靜止期之后發(fā)生，誤差放大器56像比較器一樣操作， 且在邏輯高電壓電平上快速產(chǎn)生輸出信號(hào)VroMP。在時(shí)間t6，PWM控制器50重置計(jì)時(shí)器104的PWM脈沖。在時(shí)間t6之后PWM控制器 50連續(xù)地輸出PWM脈沖以向負(fù)載36提供能量，且開關(guān)102保持閉合，例如，晶體管109保持導(dǎo)通。圖7a、7b、7c、7d和7e是示出了由控制器12A在其以連續(xù)操作模式操作時(shí)產(chǎn)生的 各種信號(hào)的曲線圖。曲線圖7a、7b、7c、7d和7e的橫坐標(biāo)表示時(shí)間，且7a、7b、7c和7d的縱 坐標(biāo)表示電壓，而曲線圖7e的縱坐標(biāo)表示電流。更具體地，曲線圖7a示出了節(jié)點(diǎn)57的電 SVotp和節(jié)點(diǎn)105的電壓Vcqmpi ；曲線圖7b示出了信號(hào)Time_0ut ；曲線圖7c示出了出現(xiàn)在 輸出18和端子16之間的輸出電壓Vqut ；曲線圖7d示出了出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)25的電壓Vswn ；曲線 圖7e示出了電感器電流124。在圖7中，控制器12A以連續(xù)脈沖PWM模式操作，因此電感器電流Im是連續(xù)的。在這種情況下，操作放大器56不在飽和狀態(tài)中操作，且電阻器電容器網(wǎng) 絡(luò)62的電容器即電容器64和68的DC偏壓有小的改變。更具體地，在穩(wěn)定狀態(tài)連續(xù)脈沖 操作期間，電容器68兩端的DC偏壓實(shí)質(zhì)上等于在連續(xù)脈沖操作模式期間誤差放大器56的 輸出端子的平均電壓電平和出現(xiàn)在非反相輸入端子的參考電壓Vkef之間的差。當(dāng)有遞增負(fù)載瞬變時(shí)，電壓VroffiJf加回到與誤差放大器56的輸出端子的平均電 壓電平實(shí)質(zhì)上相等的值。圖8a、8b、8c、8d和Se是示出了當(dāng)有遞增負(fù)載瞬變且轉(zhuǎn)換器12A 已在跳變模式操作即跳變模式有效時(shí)由控制器12A產(chǎn)生的各種信號(hào)的曲線圖。曲線圖8a、 8b、8c、8d和8e的橫坐標(biāo)表示時(shí)間，且曲線圖8a、8b、8c和8d的縱坐標(biāo)表示電壓，而曲線圖 Se的縱坐標(biāo)表示電流。更具體地，曲線圖8a示出了節(jié)點(diǎn)57的電壓Vcqmp和節(jié)點(diǎn)105的電壓 Vcqmpi ；曲線圖8b示出了電壓Time_0ut ；曲線圖8c示出了出現(xiàn)在輸出18和端子16之間的 輸出電壓Vqut ；曲線圖8d示出了出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)25的電壓Vswn ；以及曲線圖8e示出了電感器電 流I24。應(yīng)注意到，依照本發(fā)明的實(shí)施方式，電源系統(tǒng)100在連續(xù)操作模式和跳變操作模式兩 者中都具有比電源系統(tǒng)10更快的響應(yīng)，因?yàn)檎`差放大器56不需要使整個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)54A脫 開飽和電平工作，即，反饋網(wǎng)絡(luò)作為誤差放大器56的負(fù)載起作用，且在補(bǔ)償電容器64和68 中沒(méi)有大的DC偏壓變化。圖9是依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的電源系統(tǒng)150的一部分的示意圖。電源系 統(tǒng)150包括開關(guān)電源控制器12B，電壓感測(cè)網(wǎng)絡(luò)觀、功率晶體管20、整流器22和電感器24。 控制器12B與開關(guān)電源控制器12A相似，只是開關(guān)電源控制器12B包括具有電源檢測(cè)網(wǎng)絡(luò) 或電壓檢測(cè)器152的反饋網(wǎng)絡(luò)MB，，該電源檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)或電壓檢測(cè)器152具有連接到誤差放 大器56的輸出端子的輸入端子、和連接到開關(guān)102的控制端子而不是連接到計(jì)時(shí)器104的 輸出端子。因此，在反饋網(wǎng)絡(luò)MB中沒(méi)有出現(xiàn)計(jì)時(shí)器104。開關(guān)102連接在輸出補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) 62和在節(jié)點(diǎn)57的公共連接的誤差放大器56的輸出端子和PWM控制模塊50的輸入端子之 間。在操作中，電壓檢測(cè)器152監(jiān)控誤差信號(hào)Vtomp的電壓電平并控制開關(guān)102。當(dāng)誤 差放大器56進(jìn)入飽和范圍時(shí)，電壓檢測(cè)器152打開開關(guān)102，例如，關(guān)掉晶體管109，從而將 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)58從節(jié)點(diǎn)57斷開連接，且當(dāng)誤差信號(hào)Vtomp的電壓電平在正常范圍內(nèi)時(shí)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) 58重新連接到節(jié)點(diǎn)57。雖然本文公開了具體的實(shí)施方式，但不意味著本發(fā)明限于所公開的實(shí)施方式。本 領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可作出修改和變型而不偏離本發(fā)明的精神。例如，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)可用于 其他類型的轉(zhuǎn)換器例如升壓轉(zhuǎn)換器、降壓-升壓轉(zhuǎn)換器等。這意味著本發(fā)明包括落入所附 的權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有這樣的修改和變型。
權(quán)利要求
1.一種電源控制器(12A、12B)，包括:脈沖寬度調(diào)制控制模塊(50)，具有輸入和輸出；以及反饋網(wǎng)絡(luò)(54A、54B)，具有第一輸入和輸出，所述輸出連接到所述脈沖寬度調(diào)制控制模 塊(50)的所述輸入，其中所述反饋網(wǎng)絡(luò)包括(54A、54B)放大器(56)，具有反相輸入端子、非反相輸入端子以及輸出端子； 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(58)，具有第一節(jié)點(diǎn)(105)和第二節(jié)點(diǎn)(59)；開關(guān)(102)，具有第一電流傳導(dǎo)端子和第二電流傳導(dǎo)端子以及控制端子，所述第一電流 傳導(dǎo)端子耦合到所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的所述第一節(jié)點(diǎn)(105)，且所述第二電流傳導(dǎo)端子耦合到所 述放大器(56)的所述輸出端子和所述脈沖寬度調(diào)制控制模塊(50)的所述輸入，以及 所述控制端子耦合到所述脈沖寬度調(diào)制控制模塊(50)的所述輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的電源控制器(12A、12B)，還包括具有耦合到所述脈沖寬度控 制模塊(50)的所述輸出的輸入和耦合到所述開關(guān)(10 的所述控制端子的輸出的計(jì)時(shí)器 (104)。
3.如權(quán)利要求2所述的電源控制器(12々、128)，還包括計(jì)時(shí)器(104)，具有耦合到所述脈沖寬度調(diào)制控制模塊(50)的所述輸出的輸入和耦合 到所述開關(guān)(102)的所述控制端子的輸出；偏置電壓(Vbias)，耦合到所述開關(guān)(102)的所述第一端子；以及 第一電阻器(106)，其中所述偏置電壓(Vbias)通過(guò)所述第一電阻器(106)耦合到所述 開關(guān)(102)的所述第一端子。
4.如權(quán)利要求1所述的電源控制器(12B)，還包括電壓檢測(cè)器(152)，具有輸入和輸出，所述輸入耦合到所述放大器(56)的所述輸出端 子，且所述輸出耦合到所述開關(guān)(102)的所述控制端子；偏置電壓(Vbias)，耦合到所述開關(guān)(102)的所述第一端子；以及 第一電阻器(106)，其中所述偏置電壓(Vbias)通過(guò)所述電阻器(106)耦合到所述開關(guān) (102)的所述第一端子。
5.如權(quán)利要求1所述的電源控制器(12A、12B)，還包括耦合在所述第一電流傳導(dǎo)端子 和所述第二電流傳導(dǎo)端子之間的第一電容器。
6 .一種用于改進(jìn)控制器的瞬變響應(yīng)的方法，包括 產(chǎn)生第一信號(hào)；使用所述第一信號(hào)通過(guò)在閉合回路設(shè)置下操作補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(58)來(lái)產(chǎn)生反饋回路輸出信 號(hào)(Votp)；以及通過(guò)在開放回路設(shè)置下操作所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(58)來(lái)改變所述反饋回路輸出信號(hào)(Votp)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括當(dāng)開關(guān)(102)處于閉合設(shè)置下時(shí)產(chǎn)生所述反饋回路輸出信號(hào)(Votp)；以及 開啟晶體管以閉合所述開關(guān)(102)。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括通過(guò)打開所述開關(guān)(102)來(lái)改變所述反饋回路輸出f目號(hào)(Vcqmp) ο
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中改變所述反饋回路輸出信號(hào)(Votp)包括當(dāng)計(jì)時(shí)器(104)被所述第一信號(hào)重置之后，啟動(dòng)該計(jì)時(shí)器(104)，其中所述計(jì)時(shí)器(104)具有比所述第一信號(hào)的至少一個(gè)臨界傳導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換周期更長(zhǎng)的計(jì)時(shí)周期。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括當(dāng)所述控制器(12A、12B)以連續(xù)脈沖模式操作時(shí) 產(chǎn)生所述反饋回路輸出信號(hào)(Vcqmp),以及通過(guò)以脈沖跳變操作模式操作所述控制器(12A、 12B)來(lái)改變所述反饋回路輸出信號(hào)(Votp)。
全文摘要
一種電源控制器和用于改進(jìn)所述電壓控制器的瞬變響應(yīng)的方法。電源控制器包括連接到反饋網(wǎng)絡(luò)的脈沖寬度調(diào)制控制模塊。反饋網(wǎng)絡(luò)包括具有反相輸入端子、非反相輸入端子和輸出端子的放大器。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)耦合在放大器的反相輸入端子和輸出端子之間，且參考電壓耦合到放大器的非反相輸入端子。開關(guān)耦合在放大器的輸出端子和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸入端子之間?？刂破鞯乃沧冺憫?yīng)通過(guò)在連續(xù)脈沖操作模式期間操作閉合回路補(bǔ)償設(shè)置中的控制器以及在脈沖跳變操作模式期間操作開放回路補(bǔ)償設(shè)置中的所述控制器來(lái)改進(jìn)。
文檔編號(hào)H02M3/10GK102055323SQ201010510289
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月9日
發(fā)明者張欣, 陳偉云, 陳剛 申請(qǐng)人:半導(dǎo)體元件工業(yè)有限責(zé)任公司