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或多個諸如晶體管之類的開關(guān)器件來實現(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)處的輸入信號并提供輸出信號；提供輸出信號，包括向滯后控制器的滯后比較器提供基準(zhǔn)信號以及向比較器提供反饋信號，其中，反饋信號包括開關(guān)信號的AC分量以及輸出信號的DC分量。本部分旨在提供本專利申請的主題的概述。本部分不旨在提供對本發(fā)明的排他性或完盡解釋。包含了詳細描述以提供與本專利申請有關(guān)的其他信息。


在不是按實際比例繪制附圖中，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例。附圖以示例而非限制性的方式一般性地示出了本文獻中討論的不同實施例。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。
具體實施例方式在特定的功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，負載電流可以顯著地變化(例如，在幾個數(shù)量級上)，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閾值之間，以控制轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電路或傳動模塊。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(例如，當(dāng)電感器電流為正并且向負載電阻流動時)增大，或者在第二開關(guān)導(dǎo)通時減小。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)動負載時。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，從而對主比較器和基準(zhǔn)發(fā)生器增加了更多的設(shè)計約束。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認識到，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處保持期望的負載電壓(Vom)。功率轉(zhuǎn)換器100的輸出105可以向負載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(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可以向傳動模塊110提供諸如調(diào)制信號之類的控制信號，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(FB)Ill處提供反饋信息，如，負載電壓Vqut的縮放表示?？梢詫⒇撦d電壓的縮放表示與縮放的設(shè)定點Vkef相比較，以向滯后比較器108的第一輸入107提供設(shè)定點。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，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的最小負載。在這樣的示例中，保持最小負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與對通過電感器202的電流加以表示的電壓進行求和，來提供斜坡信號。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211處提供負載電壓Vot的縮放表示。可以使用耦合電路214的耦合電阻器218，將電壓輸出205的縮放DC分量與斜坡信號的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。滯后比較器可以將來自耦合電路214的求和后反饋信號與在第一輸入207處接收到的電壓基準(zhǔn)Vkef相比較，以保持期望的輸出負載電壓輸出VQUT。在示例中，滯后比較器208可以向傳動電路210提供開關(guān)信號，以控制電感器電流。在示例中，傳動電路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)無法實現(xiàn)的設(shè)計靈活性。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，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)換器在沒有補償?shù)那闆r下進入和離開傳動的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。在這樣的示例中，傳動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)點向輸出電源節(jié)點傳遞功率。當(dāng)輸入開始偏離期望的輸出時，滯后控制器可以無縫地重新開始切換傳動，以保持期望的輸出電壓。相反，如果滯后控制器要在延長的時間間隔內(nèi)達到100%占空比，則需要附加的控制來補償圖1的積分器電路的飽和趨勢。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載需求的情況下工作。耦合電路的另一優(yōu)點是在選擇分壓器組件方面的靈活性。例如，利用兩個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)，所獲得的負載電壓、電感器電流和負載電流的曲線也實質(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現(xiàn)顯著的靈活性。在負載電壓非常接近電源電壓、負載電流高和/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)用是需要良好負載瞬變響應(yīng)的USB降壓穩(wěn)壓器和DC-DC降壓穩(wěn)壓器，對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模塊。附加說明上述具體描述包括對附圖的參照，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施本發(fā)明的特定實施例。這些實施例也可以稱為“示例”。本文中參照到的所有公開、專利和專利文獻的全部內(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)合的其他文獻中存在不一致用法的情況下，應(yīng)該認為所結(jié)合的參考中的用法是本文中用法的補充；對于不可兼容的不一致，以本文的用法為準(zhǔn)。在本文中，如圖專利文獻中一般使用一樣，使用術(shù)語“一”或“一個”來包括一個或多于一個，而與其他任何期間或使用“至少一個”或“一個或多個”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， 而不是旨在對其賓語施加編號方面的要求。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，但是一個或多個示例可以應(yīng)用于NPN器件。在其他示例中，上述示例(或其一個或多個方面) 可以與彼此結(jié)合使用?？梢允褂闷渌麑嵤├?，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，在以上具體實施方式
部分，可以將多種特征分組在一起以精簡本公開。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)合到具體實施方式
部分，每個權(quán)利要求自身成為獨立的實施例。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載電壓； 滯后比較器，被配置為在第一輸入處接收設(shè)定點信息，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，被配置為提供對流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號；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分量以及對流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號的AC分量，其中反饋電壓是負載電壓的縮放表示。
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)點被配置為提供對流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號。
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，被配置為接收對流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號。
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，所述求和節(jié)點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，以提供負載電壓； 使用斜坡電路來提供對流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號； 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載電壓的縮放表示； 提供反饋電壓的DC分量；以及提供對流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號的AC分量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，提供對電流加以表示的信號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，提供對電流加以表示的信號包括在斜坡電路的斜坡電容器處接收負載電壓。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，提供對電流加以表示的信號包括在斜坡電阻器與斜坡電容器之間的斜坡節(jié)點處，提供對流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號。
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，提供對流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號的 AC分量包括在耦合電路的耦合電容器處，接收對流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號。
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分量以及對流經(jīng)電感器的電流加以表示的信號的AC分量，其中反饋電壓是負載電壓的縮放表示。
文檔編號H02M3/157GK102237796SQ20111011572
公開日2011年11月9日 申請日期2011年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者陶海 申請人:飛兆半導(dǎo)體公司