专利名称：Ac耦合滞后pwm控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于基于电感器的功率转换器的滞后控制器的系统和方法。
背景技术：
功率转换器对于许多现代电子设备来说都很重要。除了其他能力之外，功率转换器还可以向下调节电压电平(降压转换器)或向上调节电压电平(升压转换器)。功率转换器还可以将交流(AC)功率转换成直流(DC)功率，或反之亦然。功率转换器典型地是使用一个或多个诸如晶体管之类的开关器件来实现的，这些开关器件接通和关断以向转换器的输出传递功率。Klein 的标题为 “POWER CONVERTER WITH HYSTERETIC CONTROL” 的美国专利 7，457，140提出了一种DC至DC功率转换器的滞后控制方法，其全部公开一并在此作为参考。
发明内容
本文献公开了一种设备和方法，接收滞后控制器(如，用于功率转换器的滞后控制器)处的输入信号并提供输出信号；提供输出信号，包括向滞后控制器的滞后比较器提供基准信号以及向比较器提供反馈信号，其中，反馈信号包括开关信号的AC分量以及输出信号的DC分量。本部分旨在提供本专利申请的主题的概述。本部分不旨在提供对本发明的排他性或完尽解释。包含了详细描述以提供与本专利申请有关的其他信息。
在不是按实际比例绘制附图中，相似参考数字可以表示不同视图中的相似组件。 具有不同字母后缀的相似参考数字可以表示相似组件的不同实例。附图以示例而非限制性的方式一般性地示出了本文献中讨论的不同实施例。图1总体上示出了具有滞后控制器的功率转换器。图2总体上示出了根据本发明示例的具有滞后控制器的功率转换器的示例。
具体实施例方式在特定的功率转换器应用中，负载电流可以显著地变化(例如，在几个数量级上)，在这种情况下，可以希望在转换器的调节或控制方面具有快速的响应。在示例中，特定的功率转换器可以使用脉宽调制(PWM)来控制与电源(例如，未调节的DC输入)相连的开关的接通时间。在滞后功率转换器中，例如从转换器的电流中得到的斜坡波形保持在两个阈值之间，以控制转换器的开关电路或传动模块。在示例中，滞后调节器可以在V。ut低于第一阈值电压(例如，5V)时接通功率转换器的开关器件，并且可以在V。ut高于第二阈值电压时关断转换器的开关器件。
在特定示例中，滞后控制电路提供控制信息以控制第一开关和第二开关。在示例中，第一开关可以将第一电压(例如，输入电压)连接至电感器。在该示例中，第二开关可以将第二电压(例如，地)连接至电感器。在该示例中，第一开关和第二开关可以由滞后控制电路来控制，并且可以以相互排斥的方式来接通。在示例中，第一开关和第二开关可以在导通状态和非导通状态之间切换，例如以将瞬时输出电压保持在指定的范围内。指定的范围可以与围绕期望输出电压的滞后“窗”成比例，所述窗包括上限(例如，峰值)阈值和下限(例如，谷值)阈值。在特定示例中，输出电压可以在第一开关导通时(例如，当电感器电流为正并且向负载电阻流动时)增大，或者在第二开关导通时减小。输出电压的增大或减小可以是周期性的，例如，当调节器电路已稳定并且正在驱动负载时。在特定示例中，输出电压的变化是由稳压器引起的，稳压器电路因此被称作“波纹稳压器(ripple regulator)”或“继电器式(bang-bang)” 稳压器。在示例中，许多现有的PWM和滞后控制器不能方便地进入或离开100%占空比，也不能容易地处理外部ν-反馈电阻分压器(例如，需要误差放大器起到积分器的作用)。此外，许多现有的滞后控制器需要主比较器的基准电压与功率转换器的输出电压相同，从而对主比较器和基准发生器增加了更多的设计约束。本发明的发明人已经认识到，可以将耦合电路添加到滞后控制器中，例如以允许主比较器输入电压与控制器的最终输出电压不同。此外，在特定示例中，耦合电路可以允许滞后控制器使用分压器反馈结构而不需要积分器电路。在示例中，耦合电阻可以显著高于反馈网络的电阻，以使反馈网络(例如，外部反馈电阻分压器)的值与滞后控制器的回路参数去耦合。在示例中，耦合电路可以使滞后控制器能够方便地进入和离开100%占空比， 并且使得可以使用外部v。ut反馈电阻分压器，而不需要误差放大器，也不需要最小负载来防止误差放大器漂移。此外，以下描述的合并了耦合电路的滞后控制器可以保持鲁棒的负载-瞬变响应。图1总体上示出了具有滞后控制器101的功率转换器100。功率转换器100可以包括滞后控制器101、电感器102和可选的反馈网络103。电感器102可以耦合至开关输出 (Sff) 104，通过电感器102的电流可以被控制，以在功率转换器100的输出105处保持期望的负载电压(Vom)。功率转换器100的输出105可以向负载106提供功率。在一些示例中， 在滞后比较器108的第一输入107处接收设定点(setpoint)信息(例如，等于期望电压输出的电压基准)，并且可以在滞后比较器108的第二输入109处接收对通过电感器102的电流加以表示的输出电压和斜坡电压。滞后比较器108可以向传动模块110提供诸如调制信号之类的控制信号，以使输出电压Vott保持在由滞后比较器108和关联组件限定的窗之内。 在示例中，反馈网络103可以在反馈节点(FB)Ill处提供反馈信息，如，负载电压Vqut的缩放表示。可以将负载电压的缩放表示与缩放的设定点Vkef相比较，以向滞后比较器108的第一输入107提供设定点。使用诸如分压器之类的反馈网络103来提供输出电压的缩放表示需要积分电路112来提供用于滞后比较器108的适当基准。积分电路112向滞后比较器 108提供合适的设定点，滞后比较器108可以将输出电压Vqut拉到由Vkef表示的期望电压电平。然而，在特定示例中，积分器电路112的使用限制了可以耦合到功率转换器100的最小负载。在这样的示例中，保持最小负载以防止积分器电路输出漂移和破坏滞后控制器101的稳定性。在示例中，传动模块110可以包括第一开关和第二开关，第一开关和第二开关在开关输出SW处以半电桥布置的形式连接，以控制流经电感器102的电流，并最终向负载106 提供期望的输出电压和电流图2总体上示出了根据本发明主题示例的具有滞后控制器201的功率转换器200 的示例。功率转换器200可以包括滞后控制器201、电感器202和反馈网络203。电感器202 可以耦合至开关输出(SW) 204，通过电感器202的电流可以被控制，以在功率转换器200的电压输出205处保持期望的负载电压(Vqut)。滞后控制器201可以包括滞后比较器208、斜坡电路213以及耦合电路214。斜坡电路213可以包括斜坡电阻器215和斜坡电容器216。 斜坡电阻器215和斜坡电容器216可以通过将输出电压Vqut与对通过电感器202的电流加以表示的电压进行求和，来提供斜坡信号。耦合电路可以包括耦合电容器217和耦合电阻器218。在示例中，可以通过耦合电路214的耦合电容器217将斜坡信号的AC分量反馈至滞后比较器208。反馈网络203可以包括耦合至电压输出205的分压器。分压器可以在反馈节点211处提供负载电压Vot的缩放表示。可以使用耦合电路214的耦合电阻器218，将电压输出205的缩放DC分量与斜坡信号的AC分量相加。滞后比较器208可以在第二输入 209处从耦合电路214接收求和后的反馈信号。滞后比较器可以将来自耦合电路214的求和后反馈信号与在第一输入207处接收到的电压基准Vkef相比较，以保持期望的输出负载电压输出VQUT。在示例中，滞后比较器208可以向传动电路210提供开关信号，以控制电感器电流。在示例中，传动电路210可以包括第一开关和第二开关，第一开关和第二开关在开关输出SW 204处以半电桥布置的形式连接，以控制流经电感器202的电流并向负载206提供期望的输出电压和电流。在特定示例中，滞后控制器201的耦合电路214可以提供使用图1所示架构无法实现的设计灵活性。例如，耦合电路214可以允许使用分压器反馈网络203，使得设定点电压Vkef可以低于期望的输出电压Vott，因此可以使用更低的电压分量来提供设定点电压VKEF。 在示例中，当使用诸如分压器之类的反馈网络203来提供输出电压Vott的缩放表示时，耦合电路214可以去除积分器电路。去除积分器电路可以节省组件面积并降低设备成本。在一些示例中，去除积分器电路可以减小设备尺寸和功耗。在特定示例中，耦合电路214可以允许功率转换器在没有补偿的情况下进入和离开传动的100%占空比，例如，当输入电压处于或接近期望的输出电压时。在这样的示例中，传动可以将输入电压耦合至电感器，使得电感器仿真短路，非常高效地从输入电源节点向输出电源节点传递功率。当输入开始偏离期望的输出时，滞后控制器可以无缝地重新开始切换传动，以保持期望的输出电压。相反，如果滞后控制器要在延长的时间间隔内达到100%占空比，则需要附加的控制来补偿图1的积分器电路的饱和趋势。此外，积分器电路的去除意味着图2的功率转换器可以在没有最小负载需求的情况下工作。耦合电路的另一优点是在选择分压器组件方面的灵活性。例如，利用两个明显不同的分压器网络来监控耦合电路，所述耦合电路具有IlpF的耦合电容和500k0hm的耦合电阻。在第一示例中，分压器电阻是2. ^Ohm和8. 6^0hm。在第二示例中，分压器电阻是70k0hm*M^0hm，明显高于第一示例的电阻。即使当负载电流发生显著的步增(step increase)和显著的步减(step decrease)，所获得的负载电压、电感器电流和负载电流的曲线也实质上相同。因此，耦合电路使得可以在分压器组件的尺寸的选择方面实现显著的灵活性。在负载电压非常接近电源电压、负载电流高和/或需要分压器反馈的应用中，特定的示例是有利的。示例应用是需要良好负载瞬变响应的USB降压稳压器和DC-DC降压稳压器，对此上述具有耦合电路的滞后控制器是尤为有用的。在特定示例中，集成电路可以包括滞后控制器。在一些示例中，集成电路滞后控制器可以耦合至外部电感器。在一些示例中，集成电路滞后控制器可以耦合至外部反馈网络， 以允许在将控制器用于不同应用方面的灵活性。在一些示例中，集成电路滞后控制器可以耦合至外部的传动模块。附加说明上述具体描述包括对附图的参照，附图构成了具体描述的一部分。附图通过图示方式示出了可以实施本发明的特定实施例。这些实施例也可以称为“示例”。本文中参照到的所有公开、专利和专利文献的全部内容都通过参照结合在此，就如同各自分别通过参考结合一样。在本文中和通过参考结合的其他文献中存在不一致用法的情况下，应该认为所结合的参考中的用法是本文中用法的补充；对于不可兼容的不一致，以本文的用法为准。在本文中，如图专利文献中一般使用一样，使用术语“一”或“一个”来包括一个或多于一个，而与其他任何期间或使用“至少一个”或“一个或多个”无关。在本文中，术语 “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”， 除非有其他说明。在所附权利要求中，“包括”和“其中”是普通英文的等同术语。此外，在下面的权利要求中，术语“包括”和“包含”是开放式的，即，权利要求中除了在该术语之后列出的那些元素之外，系统、设备、物品或过程还包括其他元素，这也被视为在该权利要求的范围之内。此外，在下面的权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅仅用作标记， 而不是旨在对其宾语施加编号方面的要求。上述描述旨在示意而非限制。例如，虽然涉及到PNP器件来描述了上述示例，但是一个或多个示例可以应用于NPN器件。在其他示例中，上述示例(或其一个或多个方面) 可以与彼此结合使用。可以使用其他实施例，例如由阅读以上描述的本领域普通技术人员使用。提供了摘要以符合相关法条要求，以允许读者快速确定本技术公开的本质。可以理解，摘要不是用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在以上具体实施方式
部分，可以将多种特征分组在一起以精简本公开。这不应该解释为权利要求中未包含的公开特征对于权利要求是必要的。而是，创造性主题内容可以存在比具体公开的实施例的所有特征少的特征中。因此，将下面的权利要求结合到具体实施方式
部分，每个权利要求自身成为独立的实施例。本发明的范围应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等同物的全部范围来确定。
权利要求
1.一种滞后功率转换器系统，包括开关电路，被配置为将电源电压耦合至电感器以提供负载电压； 滞后比较器，被配置为在第一输入处接收设定点信息，在第二输入处接收反馈信息，并向开关电路提供控制信息；斜坡电路，被配置为提供对流经电感器的电流加以表示的信号；以及耦合电路，被配置为向滞后比较器的第二输入提供反馈信息，所述反馈信息包括反馈电压的DC分量以及对流经电感器的电流加以表示的信号的AC分量，其中反馈电压是负载电压的缩放表示。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，斜坡电路包括与开关电路的输出耦合的斜坡电阻器以及被配置为接收负载电压的斜坡电容器，斜坡电阻器和斜坡电容器共用的斜坡节点被配置为提供对流经电感器的电流加以表示的信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，耦合电路包括耦合电阻器，被配置为接收反馈电压；以及耦合电容器，被配置为接收对流经电感器的电流加以表示的信号。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，耦合电路包括耦合电阻器和耦合电容器共用的求和节点，所述求和节点耦合至滞后比较器的第二输入。
5.根据权利要求1所述的系统，包括与开关电路的输出耦合的电感器。
6.根据权利要求1所述的系统，包括分压器，被配置为接收负载电压并提供反馈电压。
7.根据权利要求1所述的系统，包括集成电路，集成电路包括滞后比较器、斜坡电路和耦合电路。
8.根据权利要求7所述的系统，包括被配置为耦合至集成电路的外部分压器，所述外部分压器被配置为接收负载电压并提供反馈电压。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，集成电路包括分压器，所述分压器被配置为接收负载电压并提供反馈电压。
10.根据权利要求7所述的系统，其中，集成电路包括开关电路。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，电感器包括外部电感器，开关电路被配置为将电源电压耦合至外部电感器。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统包括电感器。
13.一种操作滞后功率转换器的方法，所述方法包括 在滞后比较器的第一输入处接收设定点信息； 在滞后比较器的第二输入处接收反馈信息；从滞后比较器的输出向开关电路提供控制信息； 使用开关电路将电源电压耦合至电感器，以提供负载电压； 使用斜坡电路来提供对流经电感器的电流加以表示的信号； 使用耦合电路向滞后比较器的第二输入提供反馈信息；以及其中，提供反馈信息包括在耦合电路处接收反馈电压，其中反馈电压包括负载电压的缩放表示； 提供反馈电压的DC分量；以及提供对流经电感器的电流加以表示的信号的AC分量。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，提供对电流加以表示的信号包括在斜坡电路的斜坡电阻器处接收开关电路的输出。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，提供对电流加以表示的信号包括在斜坡电路的斜坡电容器处接收负载电压。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，提供对电流加以表示的信号包括在斜坡电阻器与斜坡电容器之间的斜坡节点处，提供对流经电感器的电流加以表示的信号。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，接收反馈电压包括从分压器接收反馈电压。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，接收反馈电压包括在耦合电路的耦合电阻器处接收反馈电压。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，提供对流经电感器的电流加以表示的信号的 AC分量包括在耦合电路的耦合电容器处，接收对流经电感器的电流加以表示的信号。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，提供反馈信息包括从耦合电阻器与耦合电容器之间的反馈节点提供反馈信息。
全文摘要
本发明公开了一种设备和方法，用于基于电感器的功率转换器的滞后控制器。滞后控制器可以包括耦合电路，所述耦合电路被配置为向滞后比较器提供反馈信息，所述反馈信息包括反馈电压的DC分量以及对流经电感器的电流加以表示的信号的AC分量，其中反馈电压是负载电压的缩放表示。
文档编号H02M3/157GK102237796SQ20111011572
公开日2011年11月9日 申请日期2011年5月3日 优先权日2010年4月30日
发明者陶海 申请人:飞兆半导体公司