專利名稱：具有雙向積分器的脈寬調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及脈寬調(diào)制器，并且更具體而言，涉及具有雙向積分器的脈寬調(diào)制
器O
背景技術(shù)：
脈寬調(diào)制器(PWM)是一種可以用在例如(但不限于)發(fā)動(dòng)機(jī)控制、開(kāi)關(guān)功率變換 器，或數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用中的電路。脈寬調(diào)制器可輸出一 PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)是一種在兩個(gè) 邏輯狀態(tài)——諸如邏輯高狀態(tài)和邏輯低狀態(tài)——之間切換的邏輯信號(hào)。在一種PWM的設(shè)計(jì) 中，電容器可被用于對(duì)表示輸入信號(hào)的輸入電流進(jìn)行積分，以確定PWM信號(hào)在每個(gè)連續(xù)周 期期間內(nèi)的占空比。PWM信號(hào)被設(shè)計(jì)成根據(jù)一個(gè)或多個(gè)輸入來(lái)改變占空比。更具體地，占空 比可被限定為PWM信號(hào)位于特定邏輯狀態(tài)的時(shí)間相對(duì)于給定時(shí)間周期的比值。一般而言， 占空比是PWM信號(hào)位于邏輯高狀態(tài)的時(shí)間相對(duì)于給定周期Ts的量。周期Ts，可被限定為PWM 信號(hào)的一個(gè)完整循環(huán)的持續(xù)時(shí)間。更具體地，PWM信號(hào)的一個(gè)完整循環(huán)可以由當(dāng)PWM信號(hào) 切換到第一個(gè)狀態(tài)時(shí)與當(dāng)PWM信號(hào)再次切換到第一個(gè)狀態(tài)時(shí)之間的持續(xù)時(shí)間來(lái)定義。在設(shè)計(jì)PWM過(guò)程中的一個(gè)現(xiàn)實(shí)考慮是確定PWM信號(hào)的最大占空比。出于很多原因， 這是很重要的。在包含用于積分的電容器的PWM中，有必要控制最大占空比使得能提供足 夠的時(shí)間允許電容器復(fù)位(放電)，從而使電容器能夠在下個(gè)周期Ts的開(kāi)始處為積分做好 準(zhǔn)備。例如，如果最大占空比被設(shè)置為99%，同時(shí)保持PWM信號(hào)頻率位于66KHz以上，電容 器將僅具有周期的——也就是150ns——用于在下個(gè)周期Ts開(kāi)始之前復(fù)位電容器。使問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化的是，所用電容器的設(shè)計(jì)在低電壓下還可能有非線性變化的 電容量。為了保持脈寬調(diào)制器的正確功能，對(duì)電容器能于其間進(jìn)行積分的電壓范圍進(jìn)行偏 移，使得對(duì)輸入電流的積分發(fā)生在電容器值運(yùn)行在線性范圍內(nèi)的情形下。例如，由于用于 集成電路中的電容器的材料的特性，當(dāng)電容器上的電壓低于IV時(shí)，電容器可能不連續(xù)地積 分，因此電容器僅從偏置電壓為IV時(shí)開(kāi)始積分。這就阻止了電容器使用接地點(diǎn)(OV)以及 阻止了電容器被復(fù)位到零伏。因此，因?yàn)楦哒伎毡?如99%)，電容器必須不僅能在短時(shí)間 內(nèi)復(fù)位，并且需要復(fù)位到一個(gè)預(yù)先預(yù)定的電壓參考值(如IV)，以避免在電容器的非線性區(qū) 內(nèi)進(jìn)行積分。在一個(gè)例子中，LED(發(fā)光二極管)光源由直流電源提供能量。因?yàn)槟芰恳话憬?jīng)過(guò) 作為高壓交流電源的墻上插座傳遞，需要使用例如功率變換器的裝置將高電壓交流電源轉(zhuǎn) 換成LED光源可用的直流電源。在操作中，包含在功率變換器中的功率變換器控制器可以 輸出PWM信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)功率變換器的功率開(kāi)關(guān)，以控制傳輸?shù)絃ED光源的能量。在一個(gè)例子 中，表示在LED光源處的輸出電壓和/或輸出電流的反饋信息可被輸入進(jìn)PWM，以調(diào)整PWM 信號(hào)的占空比。這樣，在功率變換器的輸出端的預(yù)期輸出電壓、輸出電流，和/或輸出功率 可以被控制。


本發(fā)明的非限制及非窮盡性的實(shí)施方案和實(shí)施例通過(guò)參考下列附圖進(jìn)行描述，其 中在各個(gè)視圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件，除非另有說(shuō)明。圖1是一功能方塊圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的一個(gè)包括雙向積分器和定時(shí) 器的示例脈寬調(diào)制器(PWM)。圖2進(jìn)一步示出了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的包含在圖1的示例PWM中的雙向積分器。圖3是一時(shí)序圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的與圖1中的PWM相關(guān)的信號(hào)的特 定波形。圖4是一功能方塊圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的一個(gè)包括雙向積分器和雙向 振蕩器的脈寬調(diào)制器(PWM)。圖5是一時(shí)序圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的與圖4中的PWM相關(guān)的信號(hào)的特 定波形。圖6進(jìn)一步示出了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的包括在圖4的示例PWM中的雙向積分器。圖7是一功能方塊圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的一個(gè)包括雙向積分器和雙 向振蕩器的脈寬調(diào)制器(PWM)，所述雙向振蕩器包括附加的偏置電流源(offset current source)0
具體實(shí)施方案公開(kāi)了 一個(gè)雙向積分器被包含在PWM中，以允許增大PWM信號(hào)的最大占空比。更 具體地，PWM信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的占空比是通過(guò)將電容器從第一參考值充電到第二參考值 被設(shè)置的，并且該P(yáng)WM信號(hào)在隨后的周期內(nèi)的占空比是通過(guò)將電容器從第二參考值放電到 第一參考值而被設(shè)置。然而，對(duì)于本領(lǐng)域的一個(gè)普通技術(shù)人員而言明了的是，不必使用特定 細(xì)節(jié)來(lái)實(shí)踐本發(fā)明。在其他實(shí)例中，為避免模糊本發(fā)明，沒(méi)有詳細(xì)描述眾所周知的材料或方 法。貫穿本說(shuō)明書所參引的“一個(gè)實(shí)施方案”，“實(shí)施方案”，“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例” 意指，相關(guān)于所述實(shí)施方案或?qū)嵤├枋龅木唧w特征、結(jié)構(gòu)或特性包含在本發(fā)明的至少 一個(gè)實(shí)施方案中。因此，在整個(gè)說(shuō)明書的不同地方出現(xiàn)的術(shù)語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施方案中”、“在實(shí) 施方案中”、“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”并不必然都指向相同的實(shí)施方案或?qū)嵤├?。而且，?述具體特征、結(jié)構(gòu)或特性可以任何合適的組合和/或子組合被結(jié)合在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案 或?qū)嵤├?。此外，?yīng)理解此處提供的附圖是用于對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員進(jìn)行解釋的目的， 并且附圖不必然按比例畫出?，F(xiàn)參考圖1，一功能方塊圖示出了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的一個(gè)脈寬調(diào)制器 (PWM) 100。在圖1的示例實(shí)施方案中，PWM100包括雙向積分器102、定時(shí)器104，和驅(qū)動(dòng)器 106。如圖所示，雙向積分器102被聯(lián)接以將一占空比信號(hào)Um輸出到驅(qū)動(dòng)器106，定時(shí)器104 被聯(lián)接以將一脈沖信號(hào)UmsE輸出到驅(qū)動(dòng)器106。如進(jìn)一步所示，驅(qū)動(dòng)器106輸出一高的最 大占空比PWM信號(hào)Upwm一其從此處開(kāi)始稱作PWM信號(hào)UPWM。在一個(gè)實(shí)施例中，PWM信號(hào)Upwm 可被用于驅(qū)動(dòng)功率變換器的功率開(kāi)關(guān)，或可用作數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)，或控制發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。在操 作中，雙向積分器102響應(yīng)于輸入信號(hào)Uinput和脈沖信號(hào)UmsE輸出占空比信號(hào)UDK。在一個(gè) 實(shí)施例中，輸入信號(hào)Uinput表示任何將根據(jù)該輸入信號(hào)Uinput的大小的變化而調(diào)整PWM信號(hào)Upwm的占空比的輸入。在一個(gè)實(shí)施例中，輸入信號(hào)Uinput可以表示輸入電壓、輸入電流，和/ 或功率變換器的輸出電壓，但不限于這些。在另一個(gè)實(shí)施例中，輸入信號(hào)Uinput可以表示用 于控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出的反饋信號(hào)。如圖所示，雙向積分器包括充電電路108、放電電路110、電容器112、切換參考電 路114，和比較器116。在操作中，定時(shí)器104將脈沖信號(hào)UmsE輸出到驅(qū)動(dòng)器106從而為 PWM信號(hào)Upwm設(shè)置連續(xù)周期Ts。更具體地，脈沖信號(hào)UmsE每被脈沖觸發(fā)一次，驅(qū)動(dòng)器106就 將PWM信號(hào)Upwm設(shè)置到邏輯高狀態(tài)。在一個(gè)實(shí)施方案中，脈沖信號(hào)UmsE為PWM信號(hào)Upwm設(shè) 置一個(gè)恒定周期Ts。在另一個(gè)實(shí)施方案中，定時(shí)器104可響應(yīng)于附加的輸入來(lái)改變脈沖信 號(hào)Up皿E，以改變PWM信號(hào)Upwm的連續(xù)周期Ts的長(zhǎng)度。在一個(gè)實(shí)施方案中，定時(shí)器104可限 制脈沖信號(hào)UP_的連續(xù)周期Ts的長(zhǎng)度，以防止PWM信號(hào)Upwm降低至最小PWM頻率以下，該 最小PWM頻率可由使用PWM100的應(yīng)用所指定。在一個(gè)示例實(shí)施方案中，占空比信號(hào)Um設(shè)置PWM信號(hào)Upwm的占空比。更具體地，占 空比是PWM信號(hào)Upwm被設(shè)置在邏輯高狀態(tài)的時(shí)間相對(duì)于其各個(gè)周期Ts的比值。在操作中， 充電電路108輸出一輸入電流IINPUT。在一個(gè)實(shí)施例中，輸入電流Iinput表示輸入信號(hào)UINPUT。 在操作中，輸入電流Iinput被電容器112接收。更具體地，電容器112在周期Tsl開(kāi)始處開(kāi)始 對(duì)輸入電流Iinput積分，這與將PWM信號(hào)Upwm調(diào)整至邏輯高狀態(tài)的脈沖信號(hào)UmsE相一致。當(dāng) 電容器112上的電壓Vint達(dá)到電壓參考值Vkefh時(shí)，比較器116輸出一占空比信號(hào)Udk，該占 空比信號(hào)Um使得PWM信號(hào)Upwm從邏輯高狀態(tài)切換成邏輯低狀態(tài)。對(duì)于隨后的周期Ts2，通過(guò) 把電容器112從高電壓參考值Vkefh放電到低電壓參考值VKE%，電容器112將執(zhí)行對(duì)輸入電 流Iinput的積分。如同前面的周期，在周期Ts2的開(kāi)始處，定時(shí)器104脈沖觸發(fā)UmsE，該Up皿E 使驅(qū)動(dòng)器106將PWM信號(hào)Upwm設(shè)置到邏輯高狀態(tài)。當(dāng)電容器112上的電壓達(dá)到低電壓參考 值V·時(shí)，比較器116輸出一占空比信號(hào)Um，該占空比信號(hào)Um使PWM信號(hào)Upwm從邏輯高狀 態(tài)切換至邏輯低狀態(tài)。在下一個(gè)周期Ts3期間，再次通過(guò)把電容器112從電壓參考值充 電到電壓參考值Vkefh來(lái)執(zhí)行積分。以這種方式，表示輸入信號(hào)Uinput的輸入電流被積分，以 控制PWM信號(hào)Upwm的占空比。通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的上述雙向積分技術(shù)，切換周期Ts 的最大占空比可以達(dá)到100%，因?yàn)樵谙聜€(gè)切換周期Ts之前，不需要時(shí)間來(lái)將電容器112復(fù) 位到開(kāi)啟電壓。在一個(gè)實(shí)施例中，電容器112是具有電容量的分立無(wú)源元件。在另一個(gè)實(shí)施例中， 電容器112包括耦合在一起的數(shù)個(gè)分立無(wú)源元件，從而具有一個(gè)總的有效電容量。在又一 個(gè)實(shí)施例中，電容器112包括一個(gè)或多個(gè)有源元件，有源元件為積分輸入電流Iinput提供有 效的電容量。在再一個(gè)實(shí)施例中，電容器112可以包括根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的集成電路。如圖所示，切換參考電路114包括在電壓參考值Vkefh和電壓參考值之間切換 的開(kāi)關(guān)118。在操作中，當(dāng)電容器112在充電時(shí)，開(kāi)關(guān)118位于位置A并且切換參考電路114 表示電壓參考值VKEFH。當(dāng)電容器112在放電時(shí)，開(kāi)關(guān)118位于位置B并且切換參考電路114 表示電壓參考值VKEFL。在一個(gè)實(shí)施例中，切換參考電路114輸出一參考信號(hào)Ukef，該參考信 號(hào)Uref是指示所述開(kāi)關(guān)118是位于位置A還是位于位置B的邏輯信號(hào)(也就是，切換參考 電路114正在輸出電壓參考值VKEFH，還是正在輸出電壓參考值Vkefl)?，F(xiàn)參考圖2，進(jìn)一步示出了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的圖1中的雙向積分器102。如圖所 示，充電電路108包括提供電流Iinput的電流源202、第一開(kāi)關(guān)SWl、邏輯與門204和反相器206。如進(jìn)一步所示的，放電電路110包括吸收電流Iinput的電流源208、第二開(kāi)關(guān)SW2、邏輯 與門210和反相器212。在操作中，當(dāng)邏輯與門204的輸出是邏輯高狀態(tài)時(shí)，充電電路108 使輸入電流Iinput傳導(dǎo)通過(guò)開(kāi)關(guān)SWl。在一個(gè)實(shí)施例中，邏輯與門204接收參考信號(hào)Ukef和 占空比信號(hào)Udk作為輸入。根據(jù)示出的實(shí)施例，當(dāng)切換參考電路114表示電壓參考值Vkefh 時(shí)，參考信號(hào)Uref處于邏輯高狀態(tài)，并且，當(dāng)切換參考電路114表示電壓參考值時(shí)，參考 信號(hào)Uref處于邏輯低狀態(tài)。作為一個(gè)結(jié)果，開(kāi)關(guān)SWl傳導(dǎo)輸入電流Iinput對(duì)電容器112進(jìn)行 充電，直到電容器112上的電壓Vint達(dá)到參考電壓VKEFH。當(dāng)電壓Vint和參考電壓Vkefh基本 相等時(shí)，通過(guò)比較器116將占空比信號(hào)Um設(shè)置在邏輯高狀態(tài)。作為一個(gè)結(jié)果，PWM信號(hào)Upwm 被設(shè)置處于邏輯低狀態(tài)。以這種方式，響應(yīng)于輸入電流Iinput的積分，PWM信號(hào)Upwm周期Tsi 的占空比被控制。繼續(xù)該例子，通過(guò)將PWM信號(hào)Upwm從邏輯低狀態(tài)設(shè)置到邏輯高狀態(tài)，脈沖信號(hào)UmsE 啟動(dòng)隨后的周期Ts2的開(kāi)始。在操作中，切換參考電路114可將開(kāi)關(guān)118從位置A設(shè)置到位 置B，使得響應(yīng)于脈沖信號(hào)UmsE，切換參考電路114表示電壓參考值乂-一在一個(gè)實(shí)施例中， 每次脈沖信號(hào)UmsE被設(shè)置到邏輯高狀態(tài)時(shí)，切換參考電路114在位置A和B之間切換。以 這種方式，對(duì)于PWM信號(hào)Upwm的周期Ts2，切換參考電路114將從電壓參考值Vkefh被調(diào)整到電 壓參考值VKE%，如圖3中的波形所示。在操作中，當(dāng)邏輯與門210被設(shè)置至邏輯高狀態(tài)時(shí)， 放電電路110的開(kāi)關(guān)SW2傳導(dǎo)輸入電流IINPUT。作為一個(gè)結(jié)果，開(kāi)關(guān)SW2傳導(dǎo)輸入電流Iinput 直到電容器112上的電壓Vint放電至參考電壓VKEFL。當(dāng)電壓Vint和參考電壓Vkefl基本相等 時(shí)，通過(guò)比較器116將占空比信號(hào)Um設(shè)置至邏輯低狀態(tài)。結(jié)果，PWM信號(hào)Upwm被設(shè)置至邏 輯低狀態(tài)。以這種方式，通過(guò)使電容器112放電，響應(yīng)于對(duì)輸入電流Iinput的積分，PWM信號(hào) Upwm的隨后的周期Ts2的占空比被控制?？偟膩?lái)說(shuō)，電容器112、充電電路108、放電電路110和比較器116起到雙向積分器 的作用，該雙向積分器通過(guò)把電容器112充電至電壓參考值Vkefh來(lái)確定PWM信號(hào)Upwm的周 期Tsi的占空比，并通過(guò)把電容器112放電至電壓參考值來(lái)確定PWM信號(hào)Upwm的隨后的 周期Ts2的占空比?，F(xiàn)參考圖3，一時(shí)序圖示出了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的PWM100的信號(hào)。如圖所示，周 期Tsi被限定為在時(shí)間t0和t2之間，隨后的周期Ts2被限定為在時(shí)間t2和時(shí)間t4之間。如 圖所示，波形302示出了 PWM信號(hào)UPWM。如圖所示，脈沖信號(hào)UmsE的波形304示出了在每個(gè) 周期Ts開(kāi)始處的脈沖信號(hào)。在操作中，當(dāng)脈沖信號(hào)UmsE被設(shè)置成高邏輯狀態(tài)(或被脈沖觸 發(fā))時(shí)，PWM信號(hào)Upwm被設(shè)置成標(biāo)記周期Tsi和Ts2開(kāi)始的邏輯高狀態(tài)。以這種方式，當(dāng)PWM 信號(hào)Upwm被設(shè)置成邏輯高狀態(tài)時(shí)，PWM信號(hào)Upwm標(biāo)記新周期Ts的開(kāi)始。如圖所示，波形306 示出在電容器112上的電壓Vint，該波形306在時(shí)間、達(dá)到電壓參考值Vkefh。如上描述，響 應(yīng)于Vint達(dá)到電壓參考值Vkefh,比較器116將占空比信號(hào)Um設(shè)置到邏輯高狀態(tài)。如圖進(jìn)一 步示出，響應(yīng)于占空比信號(hào)Udr切換邏輯狀態(tài)，PWM信號(hào)Upwm從邏輯高狀態(tài)切換到邏輯低狀 態(tài)。以這種方式，在周期Tsi內(nèi)，占空比信號(hào)Um調(diào)整PWM信號(hào)Upwm的占空比。如波形308中 所示，參考信號(hào)Ukef處于位置A——其表示邏輯高狀態(tài)——直到時(shí)間t2。在操作中，對(duì)于周 期Tsi，參考信號(hào)Uref設(shè)置在位置A，對(duì)于周期Ts2，參考信號(hào)Uref設(shè)置在位置B。如圖所示，在 開(kāi)始于時(shí)間t2的隨后的時(shí)間周期Ts2期間內(nèi)，為了在接下來(lái)的周期Ts2再次執(zhí)行積分，電容 器112在周期Tsi時(shí)間內(nèi)沒(méi)有被復(fù)位。相反，雙向積分器102通過(guò)使電容器112在電壓參考值Vkefh和間的充電和放電的交替來(lái)執(zhí)行積分。如波形306中所示，在時(shí)間、和t2期 間內(nèi)，電容器112上的電壓Vint沒(méi)有被放電以使電容器112復(fù)位從而允許在下個(gè)周期Ts2通 過(guò)充電來(lái)積分。相反，電容器112通過(guò)在時(shí)間t2和t3間的時(shí)間周期Ts2期間對(duì)電容器112 進(jìn)行放電來(lái)執(zhí)行積分。這為電容器112的積分實(shí)現(xiàn)了電容器112的基本為零的復(fù)位時(shí)間， 并且PWM信號(hào)Upwm的占空比可以基本為100%。在一個(gè)實(shí)施例中，電壓參考值從OV偏 移，使得電容器112僅在電容器112的電容量值相對(duì)恒定的區(qū)域內(nèi)對(duì)輸入電流Iinput積分。 換句話說(shuō)，在一個(gè)實(shí)施例中，電容器112僅在電容器112線性運(yùn)行的電壓范圍之間充電和放 電。在一個(gè)實(shí)施例中，可以基本等于IV。在另一實(shí)施例中，可以被設(shè)置為零?，F(xiàn)參考圖4，一功能方塊圖示出了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的一個(gè)示例脈寬調(diào)制器400。 如圖所示，脈寬調(diào)制器400包括雙向積分器402、雙向振蕩器404、驅(qū)動(dòng)器406和PWM邏輯電 路408。在一個(gè)實(shí)施例中，雙向積分器402和驅(qū)動(dòng)器406分別表示PWM100的雙向積分器102 和驅(qū)動(dòng)器106的可能實(shí)現(xiàn)方式。在一個(gè)實(shí)施例中，雙向振蕩器404執(zhí)行與PWM100的定時(shí)器 104相同的功能，即設(shè)置PWM信號(hào)Upm的周期Ts。如圖所示，雙向積分器402被聯(lián)接以將占 空比信號(hào)Udr輸出到驅(qū)動(dòng)器106，雙向振蕩器404被聯(lián)接以將振蕩器信號(hào)Uqsc輸出到驅(qū)動(dòng)器 406。在一個(gè)實(shí)施例中，振蕩器信號(hào)U·在功能上類似于PWM100中所用的脈沖信號(hào)UmsE。在 操作中，可以設(shè)計(jì)振蕩器信號(hào)來(lái)設(shè)置PWM信號(hào)Upwm的周期Ts。如進(jìn)一步所示，驅(qū)動(dòng)器406輸 出一個(gè)高的最大占空比PWM信號(hào)UPWM_其從此處起稱作PWM信號(hào)Upwmo在操作中，響應(yīng)于輸 入信號(hào)Uinput，雙向積分器402輸出占空比信號(hào)UM。如圖所示，雙向振蕩器包括電流源410、 電流源412、開(kāi)關(guān)SW3、開(kāi)關(guān)SW4、開(kāi)關(guān)SW6、電容器414、切換參考電路416、比較器418和反 相器420。在一個(gè)實(shí)施例中，雙向振蕩器404以類似于雙向積分器402的方式運(yùn)行。在操作 中，通過(guò)使用電流源410為電容器414充電，雙向振蕩器404為PWM信號(hào)Upm設(shè)置周期TS1。 類似地，通過(guò)使用電流源412為電容器414放電，振蕩器信號(hào)Uosc設(shè)置隨后的周期TS2。以這 種方式，雙向振蕩器404輸出振蕩器信號(hào)Uosc，該振蕩器信號(hào)為PWM信號(hào)Upwm設(shè)置隨后的時(shí) 間周期。在操作中，開(kāi)關(guān)信號(hào)Usw3被設(shè)置成邏輯高狀態(tài)，以允許開(kāi)關(guān)SW3在周期Tsi內(nèi)傳導(dǎo) 振蕩器電流Iree來(lái)對(duì)電容器414進(jìn)行充電。相反地，開(kāi)關(guān)信號(hào)Usw4被設(shè)置成邏輯高狀態(tài)，以 允許開(kāi)關(guān)SW4在隨后的周期Ts2內(nèi)傳導(dǎo)振蕩器電流Ι·來(lái)對(duì)電容器414進(jìn)行放電。如圖所 示，比較器418從電容器414接收一振蕩器電壓Vrec并且從切換參考電路416接收電壓參 考值。在操作中，當(dāng)比較器418在邏輯狀態(tài)之間切換時(shí)，開(kāi)關(guān)信號(hào)Usw6切換邏輯狀態(tài)，該邏 輯狀態(tài)切換所述切換參考電路416的電壓參考值。以這種方式，在PWM信號(hào)Upwm的每個(gè)周 期Ts開(kāi)始處，切換參考電路416在電壓參考值V_和電壓參考值V·之間切換。此外，當(dāng) 比較器418切換邏輯狀態(tài)時(shí)，振蕩器信號(hào)U咖指示驅(qū)動(dòng)器406將PWM信號(hào)Upwm設(shè)置到邏輯高 狀態(tài)?，F(xiàn)參考圖5，一時(shí)序圖示出了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的PWM400的信號(hào)。如圖所示，周期 Tsi被限定為在時(shí)間t0和t2之間，隨后的周期Ts2被限定為在時(shí)間t2和t4之間。如圖所示， 波形502示出PWM信號(hào)UPWM，考慮了相對(duì)于PWM400的其他信號(hào)的時(shí)序參照。如進(jìn)一步在波 形504中所示，振蕩器信號(hào)在時(shí)間t2和t4處切換邏輯狀態(tài)，所述t2和t4標(biāo)記周期Tsi 和隨后的周期Ts2的結(jié)束。如在波形506中所示，振蕩器電壓Vre。在周期Tsi期間從參考電 壓Vkefl增加到參考電壓VKEFH。當(dāng)振蕩器電壓Vtjse達(dá)到參考電壓Vkefh時(shí)，振蕩器信號(hào)Uosc從 邏輯低狀態(tài)切換到邏輯高狀態(tài)。如圖所示，振蕩器電壓V·在隨后的切換周期Ts2期間從參考電壓減少到參考電V·。當(dāng)振蕩器電壓Yosc達(dá)到參考電壓Vkefl時(shí)，振蕩器信號(hào)Uqsc 從邏輯高狀態(tài)切換到邏輯低狀態(tài)。當(dāng)振蕩器信號(hào)Ure。切換邏輯狀態(tài)時(shí)，PWM信號(hào)開(kāi)始一新的 周期Ts并把PWM信號(hào)Uowm從邏輯低狀態(tài)切換到邏輯高狀態(tài)。以這種方式，Uosc設(shè)置PWM信 號(hào)Uom的連續(xù)周期Ts。在一個(gè)實(shí)施例中，連續(xù)周期Ts是恒定的，從而允許PWM信號(hào)Upwm保持 恒定的頻率。如波形508所示，當(dāng)電容器424充電，波形510所示的積分電壓Vint達(dá)到電壓 參考值Vkefh時(shí)；或者當(dāng)電容器424放電，積分電壓Vint達(dá)到電壓參考值V·時(shí)，占空比信號(hào) Ude切換邏輯狀態(tài)。在另一個(gè)實(shí)施例中，振蕩器電容器414和積分器電容器424是匹配的， 以使得所述電容器414和424充電(或放電)至其中一個(gè)電壓參考值的時(shí)間是相同的。在 又一個(gè)實(shí)施例中，振蕩器電容器414和積分器電容器424是匹配的，并且增加了一附加的偏 置電流源，以保證積分器電容器424在下個(gè)切換周期開(kāi)始之前完全地充電/放電到其參考 電壓，正如下面參考圖6更詳細(xì)討論的?，F(xiàn)參考圖6，一功能方塊圖示出了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的具有附加的偏置電流源的 示例PWM600。在一個(gè)實(shí)施例中，偏置電流源602和604被包括在PWM600中，以保證積分器 電容器424在下個(gè)切換周期開(kāi)始之前被充電/放電至其參考電壓。例如，雙向積分器606包 括產(chǎn)生電流Itw的附加的偏置電流源602和604。因此，在已示出的例子中，輸入電流Iinput 等于偏置電流Iqff加上積分器電流IINT。在一個(gè)實(shí)施例中，偏置電流源602和604可以在電 壓參考值Vkefh和電壓參考值被設(shè)計(jì)成變化時(shí)使用。更具體地，偏置電流Itw可以包含 電壓參考值Vkefh和Vkefl的變化。更具體地，電壓參考值Vkefh和可以有效地變化，并且 仍可被實(shí)現(xiàn)為常數(shù)參考值。這允許實(shí)現(xiàn)如下的附加益處，即，有效地改變電壓參考值并仍避 免積分器電容器424不得不在下一個(gè)周期Ts復(fù)位，因?yàn)榉e分器電容器424仍充電和放電至 固定電壓參考值。例如，當(dāng)PWM信號(hào)Upwm用于開(kāi)關(guān)功率變換器時(shí)，電壓參考值Vkefh和Vkefl可 以按雙曲線函數(shù)變化。在另一個(gè)實(shí)施例中，偏置電流源602和604允許積分器電容器424 在振蕩器電容器(例如，圖4中所示的振蕩器電容器414)達(dá)到參考電或V·之前達(dá) 到參考電壓Vkefh或VKEFL。更具體地，電流源602和604提供一個(gè)與振蕩器電流(例如，圖4 中所示的振蕩器電流U。)相等的固定電流，而積分器電流Iint是一個(gè)響應(yīng)于輸入信號(hào)Uinput 的可變電流。在另一個(gè)實(shí)施例中，振蕩器電容器和積分器電容器424相匹配，使得如果相同 的電流被注入到每個(gè)電容器，則每個(gè)電容器上產(chǎn)生的電壓升將是相同的。振蕩器電容器和 積分器電容器的匹配可保證PWM信號(hào)Upwm的占空比的精確度在PWM600的溫度和參數(shù)變化 時(shí)得以保持。在偏置電流Itw等于振蕩器電流的值以及響應(yīng)于輸入信號(hào)Uinott的積分器電流 Iint下，在每一個(gè)切換周期期間，積分器電容器424將在振蕩器電容器達(dá)到電壓參考值Vkefh 或Vkefl之前達(dá)到電壓參考值Vkefh或VKE%。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，振蕩器電流將振蕩器電 容器充電至參考電壓Vkefh所花的時(shí)間大于輸入電流Iinput將積分器電容器424充電至參考 電壓Vkefh所花的時(shí)間。類似地，振蕩器電流將振蕩器電容器放電至參考電壓所花的時(shí) 間大于輸入電流Iinput將積分器電容器424放電所花的時(shí)間。在另一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)以較 快速度將積分器電容器424中的電流增加以達(dá)到電壓參考值Vkefh或Vkefl, Ioffset可被用于調(diào) 整PWM信號(hào)Upwm的最大占空比。在一個(gè)實(shí)施方案中，電壓參考值Vkefh和對(duì)于積分器電 容器424和振蕩器電容器414可以是不同的值?，F(xiàn)參考圖7，一功能方塊圖示出了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的具有附加的電流源的示例PWM400。如圖所示，附加的電流源702和704被包括在輸出頻率調(diào)節(jié)電流Ifkeqi的雙向積分 器402中，附加的電流源706和708被包括在輸出頻率調(diào)節(jié)電流Ifkeq2的雙向振蕩器404中。 在一個(gè)實(shí)施例中，頻率調(diào)節(jié)電流Ifkeqi和Ifkeq2可被調(diào)節(jié)從而改變PWM信號(hào)Upwm的頻率并仍 保持PWM信號(hào)Upwm的占空比不變。在一個(gè)實(shí)施例中，頻率調(diào)節(jié)電流Ifkeqi和Ifkeq2可以變化。 在另一個(gè)例子中，可以響應(yīng)于輸入(未顯示)來(lái)調(diào)節(jié)頻率調(diào)節(jié)電流Ifkeqi和Ifkeq2。在一個(gè)實(shí) 施例中，這允許PWM信號(hào)Upwm頻率的抖動(dòng)。這個(gè)特征允許在特定范圍內(nèi)改變切換頻率，以將 切換諧波的能量分布在較大的頻率范圍并減少電磁干擾(EMI)。上述對(duì)本發(fā)明所示出實(shí)施例的描述，包括在摘要中所描述的內(nèi)容，不意在是窮盡 的或者是對(duì)于所公開(kāi)的精確形式的限制。由于本發(fā)明的具體實(shí)施方案和實(shí)施例是出于說(shuō)明 目的被描述的，在不偏離本發(fā)明的較寬精神和范圍的情況下，各種等同的修改都是可能的。 事實(shí)上，應(yīng)理解，特定電壓、電流、頻率、功率范圍值、時(shí)間等等，都被提供用于解釋，并且根 據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，其他的值也可被用在其他實(shí)施方案和例子中。可以按照上述詳細(xì)說(shuō)明書，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行這些修改。在下面的權(quán)利要求 中使用的術(shù)語(yǔ)不應(yīng)該被解釋為將本發(fā)明限制在說(shuō)明書和權(quán)利要求中所公開(kāi)的特定實(shí)施方 案。相反地，本發(fā)明的范圍將完全由下面的權(quán)利要求決定，所述權(quán)利要求將根據(jù)權(quán)利要求解 釋的確定原則被解釋。本說(shuō)明書和附圖相應(yīng)地被認(rèn)為是說(shuō)明性的而非限制性的。
權(quán)利要求
一種脈寬調(diào)制器(PWM)，包括驅(qū)動(dòng)器，其被聯(lián)接用來(lái)輸出一PWM信號(hào)的第一周期和隨后的周期，其中，第一周期包括在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間變化的PWM信號(hào)，并且其中，所述的隨后的周期包括在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間變化的PWM信號(hào)；以及雙向積分器，其包括一電容器，該雙向積分器被聯(lián)接用來(lái)對(duì)輸入電流積分并產(chǎn)生占空比信號(hào)，其中，該雙向積分器在第一周期期間內(nèi)通過(guò)對(duì)電容器進(jìn)行充電來(lái)對(duì)輸入電流積分，并且在隨后的周期期間內(nèi)通過(guò)對(duì)電容器進(jìn)行放電來(lái)對(duì)輸入電流積分，并且其中，所述驅(qū)動(dòng)器通過(guò)響應(yīng)于占空比信號(hào)將PWM信號(hào)調(diào)整至第二狀態(tài)，來(lái)確定第一周期和隨后的周期的占空比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈寬調(diào)制器，進(jìn)一步包括定時(shí)器，其被聯(lián)接至所述驅(qū)動(dòng)器并 被聯(lián)接以產(chǎn)生一脈沖信號(hào)，其中，所述驅(qū)動(dòng)器通過(guò)響應(yīng)于脈沖信號(hào)將PWM信號(hào)調(diào)整至第一 狀態(tài)，來(lái)設(shè)置PWM信號(hào)的第一周期和隨后的周期的開(kāi)始。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈寬調(diào)制器，其中，雙向積分器進(jìn)一步包括 切換參考電路，其被聯(lián)接用來(lái)在第一參考值和第二參考值之間切換；以及比較器，其具有聯(lián)接至所述切換參考電路的第一輸入端，聯(lián)接至所述電容器的第二輸 入端，以及被聯(lián)接用于輸出所述占空比信號(hào)的輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的脈寬調(diào)制器，其中，所述脈沖信號(hào)包括一固定時(shí)間周期，并且 其中，所述切換參考電路響應(yīng)于所述脈沖信號(hào)在所述第一參考值和所述第二參考值之間切 換。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的脈寬調(diào)制器，其中，所述切換參考電路在PWM信號(hào)的第一周 期開(kāi)始處切換到所述第一參考值，并在PWM信號(hào)的隨后的周期開(kāi)始處切換到所述第二參考值。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的脈寬調(diào)制器，其中，雙向積分器進(jìn)一步包括充電電路，其被聯(lián)接用來(lái)在第一周期期間把電容器充電至所述第一參考值；以及 放電電路，其被聯(lián)接用來(lái)在隨后的周期期間把電容器放電至所述第二參考值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的脈寬調(diào)制器，其中，所述充電電路包括第一電流源，其被聯(lián)接 用來(lái)在PWM信號(hào)的第一周期期間響應(yīng)于輸入信號(hào)提供輸入電流，并且其中，放電電路包括 第二電流源，其被聯(lián)接用來(lái)在PWM信號(hào)的隨后的周期期間響應(yīng)于輸入信號(hào)吸收輸入電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的脈寬調(diào)制器，其中，所述充電電路進(jìn)一步包括第三電流源，其 被聯(lián)接用來(lái)在PWM信號(hào)的第一周期期間產(chǎn)生第一頻率調(diào)節(jié)電流，其中放電電路進(jìn)一步包括 第四電流源，其被聯(lián)接用來(lái)在PWM信號(hào)的隨后的周期期間產(chǎn)生第二頻率調(diào)節(jié)電流，其中，所 述頻率調(diào)節(jié)電流被用來(lái)調(diào)整PWM信號(hào)的頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的脈寬調(diào)制器，其中，所述第一頻率調(diào)節(jié)電流和所述第二頻率 調(diào)節(jié)電流基本相等。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的脈寬調(diào)制器，其中，所述第一參考值基本大于所述第二參考值。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的脈寬調(diào)制器，其中，所述第一參考值和所述第二參考值基本大于零。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的脈寬調(diào)制器，其中，所述電容器是非線性的，直到該電容器達(dá)到一電容器閾值電壓，并且其中，所述第一參考值和所述第二參考值大于或等于電容閾 值電壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈寬調(diào)制器，其中，PWM信號(hào)的隨后的周期是在PWM信號(hào)第 一周期之后的下一個(gè)周期。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈寬調(diào)制器，其中，所述輸入電流表示一輸入信號(hào)，該輸入 信號(hào)是電壓、電流或二者的結(jié)合。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈寬調(diào)制器，其中，所述PWM具有最小工作頻率。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈寬調(diào)制器，其中，PWM包含在集成電路中。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈寬調(diào)制器，其中，PWM信號(hào)第一周期的占空比基本為百分 之百。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈寬調(diào)制器，其中，所述第一周期和隨后的周期是一預(yù)定的 時(shí)間長(zhǎng)度。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈寬調(diào)制器，其中，所述第一周期和隨后的周期被調(diào)整用來(lái) 改變PWM信號(hào)的頻率。
20.一種脈寬調(diào)制器(PWM)，包括驅(qū)動(dòng)器，其被聯(lián)接用來(lái)響應(yīng)于振蕩器信號(hào)和占空比信號(hào)輸出PWM信號(hào)的第一周期和隨 后的周期，其中，第一周期包括在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間變化的PWM信號(hào)，并且其中，隨 后的周期包括在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間變化的PWM信號(hào)；以及雙向振蕩器，包括第一電容器，該雙向振蕩器被聯(lián)接用來(lái)對(duì)一振蕩器電流積分并產(chǎn)生 振蕩器信號(hào)，其中，該雙向振蕩器在第一周期期間內(nèi)通過(guò)對(duì)第一電容器充電來(lái)對(duì)振蕩器電 流積分，并且在隨后的周期期間內(nèi)通過(guò)將第一電容器放電來(lái)對(duì)振蕩器電流積分，其中，所述 驅(qū)動(dòng)器通過(guò)響應(yīng)于所述振蕩器信號(hào)將PWM信號(hào)調(diào)整至第一狀態(tài)，來(lái)確定所述第一周期和隨 后的周期的周期長(zhǎng)度；以及雙向積分器，包括第二電容器，該雙向積分器被聯(lián)接用來(lái)對(duì)輸入電流積分并被聯(lián)接用 于產(chǎn)生占空比信號(hào)，其中，該雙向積分器在第一周期期間內(nèi)通過(guò)對(duì)第二電容器充電來(lái)對(duì)輸 入電流積分，并且在隨后的周期期間內(nèi)通過(guò)將第二電容器放電來(lái)對(duì)輸入電流積分，其中，所 述驅(qū)動(dòng)器通過(guò)響應(yīng)于占空比信號(hào)將PWM信號(hào)調(diào)整至第二狀態(tài)，來(lái)確定所述第一周期和隨后 的周期的占空比。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的脈寬調(diào)制器，其中，當(dāng)在第一周期期間所述第一電容器上 的電壓達(dá)到第一參考值時(shí)，以及當(dāng)在隨后的周期期間所述第一電容器上的電壓達(dá)到第二參 考值時(shí)，所述振蕩器信號(hào)通過(guò)將PWM信號(hào)從第二狀態(tài)調(diào)整至第一狀態(tài)，來(lái)確定PWM信號(hào)的頻率。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的脈寬調(diào)制器，其中，當(dāng)在第一周期期間所述第二電容器上 的電壓達(dá)到第一參考值時(shí)，以及當(dāng)在隨后的周期期間所述第二電容器上的電壓達(dá)到第二參 考值時(shí)，所述雙向積分器通過(guò)將PWM信號(hào)從第一狀態(tài)調(diào)整至第二狀態(tài)，來(lái)確定PWM信號(hào)的占空比。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的脈寬調(diào)制器，其中，所述第一電容器和第二電容器等同匹配。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的脈寬調(diào)制器，其中，所述振蕩器電流將第一電容器充電至3第一參考值的第一時(shí)間長(zhǎng)度大于所述輸入電流將第二電容器充電至第一參考值的第二時(shí) 間長(zhǎng)度。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的脈寬調(diào)制器，其中，所述振蕩器電流將第一電容器放電至 第二參考值的第一時(shí)間長(zhǎng)度大于所述輸入電流將第二電容器放電至第二參考值的第二時(shí) 間長(zhǎng)度。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的脈寬調(diào)制器，其中，通過(guò)對(duì)第二電容器充電來(lái)對(duì)輸入電流 進(jìn)行積分和通過(guò)對(duì)第一電容器充電來(lái)對(duì)振蕩器電流進(jìn)行積分都始于第一周期的開(kāi)始處。
27.根據(jù)權(quán)利要求20所述的脈寬調(diào)制器，其中，通過(guò)將第二電容器放電來(lái)對(duì)輸入電流 進(jìn)行積分和通過(guò)將第一電容器放電來(lái)對(duì)振蕩器電流進(jìn)行積分都始于隨后的周期的開(kāi)始處。
28.一種雙向積分器，包括第一輸入端，其被聯(lián)接用來(lái)接收一輸入信號(hào)；第二輸入端，其被聯(lián)接用來(lái)接收具有第一和第二邏輯狀態(tài)的參考信號(hào)；第一電流源，其被聯(lián)接用來(lái)提供響應(yīng)于輸入信號(hào)的第一輸入電流；第二電流源，其被聯(lián)接用來(lái)吸收響應(yīng)于輸入信號(hào)的第二輸入電流；電容器，其被聯(lián)接用于當(dāng)參考信號(hào)在第一邏輯狀態(tài)時(shí)，通過(guò)使用第一電流源對(duì)電容器 進(jìn)行充電來(lái)積分第一輸入電流，并且，當(dāng)參考信號(hào)在第二邏輯狀態(tài)時(shí)，通過(guò)使用第二電流源 將電容器放電來(lái)積分第二輸入電流。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的雙向積分器，進(jìn)一步包括切換參考電路，其被聯(lián)接用來(lái)接收脈沖信號(hào)，其中，切換參考電路適合于響應(yīng)于脈沖信 號(hào)的第一脈沖輸出第一參考電壓，并且，響應(yīng)于脈沖信號(hào)的隨后脈沖輸出第二參考電壓；以 及比較器，該比較器具有聯(lián)接至所述切換參考電路的第一輸入端，以及聯(lián)接至所述電容 器的第二輸入端。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的雙向積分器，其中，所述切換參考電路被聯(lián)接用來(lái)產(chǎn)生一 參考信號(hào)，其中第一電流源被聯(lián)接使其響應(yīng)于處于第一邏輯狀態(tài)的參考信號(hào)而被啟用，并 且其中，第二電流源被聯(lián)接使其響應(yīng)于處于第二邏輯狀態(tài)的參考信號(hào)而被啟用。
31.根據(jù)權(quán)利要求28所述的雙向積分器，其中，所述第一和第二電流源是可變電流源， 每一個(gè)具有聯(lián)接至所述第一輸入端的控制輸入端。
32.根據(jù)權(quán)利要求28所述的雙向積分器，其中，所述第一電流源被聯(lián)接使其在第二電 流源啟用時(shí)被禁止，并且其中，所述第二電流源被聯(lián)接使其在第一電流源啟用時(shí)被禁止。
全文摘要
一種脈寬調(diào)制器(PWM)，包括驅(qū)動(dòng)器和雙向積分器。所述驅(qū)動(dòng)器被聯(lián)接用來(lái)輸出PWM信號(hào)的第一周期和隨后的周期。所述第一周期和隨后的周期都包含在第一和第二狀態(tài)間變化的PWM信號(hào)。所述雙向積分器被聯(lián)接用來(lái)對(duì)輸入電流積分，并被聯(lián)接用于響應(yīng)于對(duì)輸入電流的積分而產(chǎn)生一占空比信號(hào)。所述驅(qū)動(dòng)器通過(guò)響應(yīng)于占空比信號(hào)將PWM信號(hào)設(shè)置至第二狀態(tài)，來(lái)確定所述第一周期和隨后的周期的占空因數(shù)。雙向積分器包括一電容器，其在第一周期期間內(nèi)通過(guò)將電容器充電來(lái)對(duì)輸入電流積分，并且在隨后的周期期間內(nèi)通過(guò)將電容器放電來(lái)對(duì)輸入電流積分。
文檔編號(hào)H03K7/08GK101908869SQ201010191889
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2010年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月2日
發(fā)明者G·M·范, J·E·劉 申請(qǐng)人:電力集成公司