专利名称：混合的数字－模拟开关电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及开关模式脉宽调制(PWM)电源，尤其涉及例如具有混合数字模拟设备的电源，所述设备避免了与纯数字设备有关的缺陷。
本发明以本领域技术人员公知的传统同步降压转换器的背景下进行描述，但应当理解本发明适于任何开关电源技术，并因此能用于AC-DC转换，DC-DC转换的同步和非同步电源中，等等，并用于电源、马达驱动、照明、和其它适合的应用。
背景技术：
在电子设备、照明、以及马达驱动中开关电源具有大量的应用，并且几种基本类型是本领域技术人员公知的。随着开关电源技术的发展，各种系统组件首先实现为模拟电路。
图1简单示出了单相模拟开关电源100的总结构。为了描述的一致性，所示的是同步降压转换器的拓扑结构，但再次应当理解，这里只是用于说明。
示例设备100包括高压开关105，在开关节点115连接到高压开关的低压开关110，连接到开关节点115的输出电感器120，以及连接到输出电感器120的输出电容器125。高和低压开关105和110可以是功率MOSFET、IGBT、或其它双极晶体管或其它适合的器件，所述器件能在高导电状态和基本非导电状态之间转换。
DC电功率通过本领域技术人员公知的传统类型的适当整流电路(未示出)从AC电源提供给DC总线150。
在运行中，分别通过控制电路130在140和145提供高压和低压开关105和110的栅极驱动信号，以产生通过负载135的理想输出电压，所述负载例如可以是如计算机或电子马达的电子设备。为了该目的，控制电路130包括控制开关的开和断时间(占空度)的逻辑电路。
通常由从重复三角波获得的脉宽调制提供占空度控制，其与误差信号相比以产生提供给适当的栅极驱动电路的PWM占空度脉冲。
为了满足负载电路的需求同时提供合适的调节电压，提供适当的反馈调节环155，通过反馈调节环155，表示例如负载电流或输出电压的有关操作参数的信号被传送给控制电路130。控制电路130利用这些信号以提供补偿、滤波，或其它信号处理，并控制开关105和110的开关时间。
所示的结构和其操作方法对于本领域的技术人员来说是公知的，并为了简化而省略了进一步的描述。
在负载电流需求超过图1电路所能便利地提供的地方，或用于驱动大的工业马达时，能够组合如图2中200所示的多个电路。这里，多个输出相205a，205b，...，205n通过单独的电感器215a等以及输出电容器125提供给负载135。当该负载是多相马达时，马达相绕组的每一相205a，205b，...，205n通过一单独LC电路。
电源的控制由适当的多相控制电路210提供，以及任何设计的反馈电路(未示出)对于本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管用模拟技术实现的开关电源被广泛使用，但是现在认识到对于测试和测量、机器控制、马达控制和通信方面数字设备超过模拟的大量优点。这些优点是智能的故障分辨，精确定时，单元到单元反复性，组件在时间和温度上的漂移不足，固件设计控制，以及实施复杂功能的精确度。随着这些成为公知，开始认真考虑将数字技术应用到电源设计。
图3示出了用数字技术实现的开关PWM电源(再次以同步降压转换器示出)的结构。这里，基于应用、正和负DC总线，通过在正DC总线308和接地310之间连接的高和低压开关302和304(示为MOSFET)执行开关。开关之间的公共节点306通过电感器器312连接到输出电容器314以驱动负载316。
包括空载时间控制电路364和栅极驱动器366和368的栅极驱动单元318，以及任何其它传统或理想的电路，在终端320接收来自通常以322表示的PWM逻辑电路的PWM占空度控制信号，并在下文进行详细描述。
在数字实现的开关电源中，控制循环通常可以包括一个或多个传感器(未示出)，其输出设置在信号通路354，并在任何传统或理想设计的A/D转换器352中被数字化。A/D转换器352的输出在信号总线356上提供给数字调节单元358。这可以实现为编程微处理器，数字信号处理器，ASIC，或任何其它适当或理想的方式，以提供数字滤波，并根据通常在模拟或数字开关电源控制环中使用的任何适当或理想的补偿算法进行补偿，包括但不限定在非线性控制功能或查找表。这将产生以数字总线360上补偿反馈信号的数字形式表示的误差“信号”。
该信号总线360上的数字误差信号信息直接应用到数字逻辑单元322，该数字逻辑单元322产生开关302和304的PWM栅极驱动信号。逻辑单元322包括向下计数器362和连接到驱动计数器362的主时钟324，并通过分频电路328设定锁存电路326。锁存电路326的复位信号由计数器362的下溢或“借位”输出提供。该锁存电路复位输出依次提供循环启动信号给计数器362，以在总线360上加载该误差信号。锁存电路326的输出用于产生PWM占空度脉冲，其提供给上述栅极驱动电路318。
如所述的，使用8位逻辑电路。主时钟324以256MHz运行，由此向下计数器362以256MHz计时。分频电路328通过256函数提供分割，其中提供1MHz信号以设定PMW锁存电路326。
数字控制技术已经很好的用于马达驱动，照明，以及其它低频开关应用，但由于高成本所以数字控制对于高频开关电源设计的应用一直落后，尽管具有潜在好处。
同样，当电源以高开关频率同步运行以适应快速负载瞬变量时存在数字设备的内部限制，并具有高精确率以提供优良的输出电压稳定性。这个问题是由任何纯数字PWM脉宽增量不能比主时钟频率短的事实引起的。设想，例如，由100MHz时钟驱动PWM系统，其最小脉宽变化是10ns。对于1MHZPWM频率，开关间隔脉宽是大约100ns，从而单个的占空度步骤变化(10ns)可以只是开关间隔的10％。在大多数实例中，这简直不能产生所需的精确度。即使PWM频率能减小到100KHz，该阶跃变化仅仅是1％，其不适于很多电源。
因此，明显存在对数字电源设备的需求，其在不具备上述限定的情况下提供数字技术的优势。
发明内容
本发明通过提供一混合开关电源满足上述需求，其中驱动高和低压开关的PWM用模拟技术实现，同时控制环由数字技术实现。这允许最大限度地使用数字电路并减小模拟成分，同时容易地允许0.1％或更少的PWM分辨率，即使在1MHz或更高的PWM间隔频率。
图1示出了传统单相模拟开关电源的基础结构和运行的结构图。
图2示出了传统多相模拟开关电源的基础结构和运行的结构图。
图3示出了用数字技术实现的单相开关电源的基础结构和运行的结构图。
图4示出了根据本发明的混合数字-模拟PWM电源典型实施例的结构图。
具体实施例方式
图4中的400示出了根据本发明的混合数字-模拟PWM电源。为了方便，图4中与图3相同的全数字设备用同样的附图标记表示。
因此，通过在正DC总线308和接地310之间连接的高和低压开关MOSFET 302和304执行切换，同时在开关之间的共用节点306通过电感器器312连接到输出电容器314以驱动负载316。
图3构造的栅极驱动电源318在端点320接收来自通常以402表示的模拟PWM逻辑单元的PWM占空度控制信号，并在下文进行详细描述。
如图3所示，根据本发明，控制环350用数字实现。因此，一个或多个传感器输出提供在信号通路354上，并由任何传统或理想设计的A/D转换器352数字化，以产生具有8位或任何其它理想分辨率的输出信号。A/D转换器352的输出通过信号总线356提供给数字调节单元358。再次，如图3所示，这可以实现为编程微处理器、数字信号处理器、ASIC、或任何其它适当或理想的方式，以提供数字滤波，并根据通常在模拟或数字开关电源控制环中使用的任何适当或理想的补偿算法进行补偿，此外如果需要的话，包括非线性控制功能或查找表。
根据本发明，数字总线360上的补偿数字反馈误差信号通过数字到模拟(D/A)转换器404转换回到模拟形式，以在模拟脉宽调制器402中使用。
尽管PWM单元322可以是任何适当或理想的设计，但如图4所示的一个优选实施例包括连接以设定锁存电路408的主时钟406。连接以410示出的电流源以给定时电容器412充电。例如晶体管的接地开关414，当设定锁存电路408时被设为关闭，当清除锁存电路408时开启，控制对定时电容器412的放电循环。
降通过电容器412的电压与时限比较器418的输入416处的参考电压进行比较，连接其输出以复位锁存电路408。比较器418的用途是当对定时电容器412放电时清除锁存电路408，以便能启动PWM定时循环。
通过电容器412的电压也提供在PWM比较器电路422的第一输入420。这将由D/A转换器404在端点424提供的模拟误差信号与代表电容器412上电荷积累的升高电压相比较，以产生PWM占空度脉冲。将这些脉冲依次提供给上述的栅极驱动电路318。
本发明一个关键优势在于PWM分辨率不受任何时钟速度的约束。所示的例子使用8位分辨率，但其它更大或更小的分辨率也是可能的。该分辨率与实例的1MHz开关频率无关，其在不影响PWM分辨率的情况下可以更大或更小。
尽管本发明已经相对于其特殊实施例进行了描述，但许多其它变型和其它使用对于本领域技术人员是显而易见的。因此，优选本发明并不被这里的特殊公开所限定，其仅仅由所附的权利要求所限定。
权利要求书(按照条约第19条的修改)卷 号860433EP国际申请号PCT/US2005/006364国际申请日2005年2月28日根据条约第19条修改时的声明修改了权利要求1和4，指出PWM信号发生器包括“第一比较器，用于指示参考电压；和接收该参考电压和来自D/A转换器的模拟输出信号的第二比较器，用于提供指示可变占空度驱动信号的占空度的输出”。
1.一种开关模式电源，包括连接到DC电源的半导体开关电路；连接到半导体开关电路适于驱动负载的输出电路；用于控制开关电路的驱动电路；控制环，该控制环包括A/D转换器，该A/D转换器接收代表电源输出的模拟输入，并提供多位输出信号；数字实现的处理单元，响应A/D转换器的输出信号以产生多位数字误差信号；以及D/A转换器，该D/A转换器接收多位数字误差信号作为输入，并提供代表数字误差信号的模拟输出信号；以及PWM信号发生器，响应D/A转换器的模拟输出信号产生驱动电路的可变占空度驱动信号，其中该PWM信号发生器进一步包括第一比较器，用于指示参考电压；和接收该参考电压和来自D/A转换器的模拟输出信号的第二比较器，用于提供指示可变占空度驱动信号的占空度的输出。
2.根据权利要求1所述的开关模式电源，其中PWM信号发生器包括三角波发生器以及比较电路，其接收三角波发生器的输出作为第一输入，并接收D/A转换器的输出作为第二输入。
3.根据权利要求1所述的开关模式电源，其中数字实现的处理单元用于根据选择的补偿算法对来自A/D转换器的输出信号提供补偿。
4.一种开关模式电源，包括连接至DC电源的半导体开关电路；连接至半导体开关电路适于驱动负载的输出电路；用于控制开关电路的驱动电路；响应代表电源输出的输入信号以提供补偿误差信号的控制环；以及响应补偿误差信号产生驱动电路的可变占空度驱动信号的PWM信号发生器，其中控制环由数字电路实现，PWM信号发生器由模拟电路实现，以及其中该PWM信号发生器进一步包括第一比较器，用于指示参考电压；和接收该参考电压和来自D/A转换器的模拟输出信号的第二比较器，用于提供指示可变占空度驱动信号的占空度的输出。
5.根据权利要求4所述的开关模式电源，其中数字实现的控制环用于根据所选的补偿算法为代表电源输出的信号提供补偿。
6.根据权利要求4所述的开关模式电源，其中开关电路包括连接至DC源的高和低压半导体开关。
7.根据权利要求4所述的开关模式电源，其中PWM信号发生器包括三角波发生器以及比较电路，其接收三角波发生器的输出作为第一输入，并接收模拟形式的补偿误差信号作为第二输入。
8.根据权利要求7所述的开关模式电源，其中由连接至控制环输出的D/A转换器提供模拟形式的补偿误差信号。
权利要求
1.一种开关模式电源，包括连接到DC电源的半导体开关电路；连接到半导体开关电路适于驱动负载的输出电路；用于控制开关电路的驱动电路；控制环，该控制环包括A/D转换器，该A/D转换器接收代表电源输出的模拟输入，并提供多位输出信号；数字实现的处理单元，响应A/D转换器的输出信号以产生多位数字误差信号；以及D/A转换器，该D/A转换器接收多位数字误差信号作为输入，并提供代表数字误差信号的模拟输出信号；以及PWM信号发生器，响应D/A转换器的模拟输出信号产生驱动电路的可变占空度驱动信号。
2.根据权利要求1所述的开关模式电源，其中PWM信号发生器包括三角波发生器以及比较电路，其接收三角波发生器的输出作为第一输入，并接收D/A转换器的输出作为第二输入。
3.根据权利要求1所述的开关模式电源，其中数字实现的处理单元用于根据选择的补偿算法对来自A/D转换器的输出信号提供补偿。
4.一种开关模式电源，包括连接至DC电源的半导体开关电路；连接至半导体开关电路适于驱动负载的输出电路；用于控制开关电路的驱动电路；响应代表电源输出的输入信号以提供补偿误差信号的控制环；以及响应补偿误差信号产生驱动电路的可变占空度驱动信号的PWM信号发生器，其中控制环由数字电路实现，PWM信号发生器由模拟电路实现。
5.根据权利要求4所述的开关模式电源，其中数字实现的控制环用于根据所选的补偿算法为代表电源输出的信号提供补偿。
6.根据权利要求4所述的开关模式电源，其中开关电路包括连接至DC源的高和低压半导体开关。
7.根据权利要求4所述的开关模式电源，其中PWM信号发生器包括三角波发生器以及比较电路，其接收三角波发生器的输出作为第一输入，并接收模拟形式的补偿误差信号作为第二输入。
8.根据权利要求7所述的开关模式电源，其中由连接至控制环输出的D/A转换器提供模拟形式的补偿误差信号。
全文摘要
一种开关模式电源，其中控制环响应代表电源输出的一个输入信号以提供补偿误差信号；以及PWM信号发生器响应补偿信号以产生可变的占空度驱动信号，用于驱动具有选择重复率的电路。该控制环通过数字电路实现，该PWM信号发生器通过模拟电路实现。
文档编号G05F1/40GK1926490SQ200580006816
公开日2007年3月7日 申请日期2005年2月28日 优先权日2004年3月1日
发明者J·S·布朗 申请人:国际整流器公司