用于开关模式电源的开关延迟控制器的制造方法
【专利摘要】一种开关延迟控制器(150)，其用于控制开关模式电源(300)中的第一开关元件与第二开关元件(Q1,Q2,Q3,Q4)的开关之间的开关延迟，该开关模式电源包括：反馈信号发生器(140)，其可操作以生成指示输出(Vout)与输出的参考(Vref)之间差的反馈信号；以及驱动电路(120)，其用于开关第一开关元件和第二开关元件以便基于反馈信号将输入电压(Vin)供应(300)转换成输出电压(Vout)。该开关延迟控制器(150)包括：开关延迟计算器，其可操作以引起开关延迟在至少一个开关循环的改变；以及反馈信号监视器，其可操作以响应于对开关延迟的改变而监视反馈信号并确定反馈信号的改变。开关延迟计算器还可操作以基于所确定的反馈信号的改变来计算增大开关模式电源(300)的效率的开关延迟，并引起开关延迟改变到所计算的开关延迟。
【专利说明】用于开关模式电源的开关延迟控制器
【技术领域】
[0001]一般而言，本发明涉及开关模式电源领域(有时成为切换模式电源或转变模式电源)，并且更具体地说，涉及对开关模式电源中开关元件的开关之间的延迟进行控制。
【背景技术】
[0002]开关模式电源(SMPS)是众所周知的电力转换器类型，由于其小尺寸和重量以及高效率而具有广泛范围的应用，例如在个人计算机和便携式电子装置(诸如蜂窝电话)中。SMPS通过在高频(通常是数十kHz到数百kHz)开关一个或多个开关元件(诸如功率MOSFET)来获得这些优点，其中开关的频率或占空比使用反馈信号得到调整，以将输入电压转换成期望的输出电压。SMPS可采取整流器(AC/DC转换器)、DC/DC转换器、变频器(AC/AC)或反向器(DC/AC)的形式。通常，为了最小化电力分配系统中的功率损耗，电力在高电压电平分配，并且然后在负载附近使用整流器或DC/DC转换器变换成需要的电平。
[0003]图1示出了隔离的SMPS (即，将输入电压Vin转换成输出电压Vwt，同时通过变压器将输入端与输出端隔离的SMPS)的【背景技术】示例。SMPS 100以DC到DC转换器的形式提供，其在其初级侧上具有初级侧电路，该初级侧电路具有半桥布置，该半桥布置包括两个晶体管Ql和Q2 (它们例如可以是场效应晶体管(诸如MOSFET或IGBT))以及两个电容器Cl和C2，它们连接在电源的输入端与隔离变压器110的初级绕组111之间，如所示。晶体管Ql和Q2由此配置成驱动初级绕组111。仅使用两个晶体管来处置初级侧上的电流使半桥配置最适合于需要低部件计数的低功率应用。
[0004]尽管在本示例中采用半桥配置，但备选地在初级侧上可以使用其它众所周知的拓扑。例如，具有四个晶体管的全桥配置可能更适合于较高功率应用。备选地，可使用推挽布置。在所有这些配置中，晶体管的开关由包括驱动电路120、脉宽调制(PWM)控制器130-1和反馈信号发生器140的控制器电路控制。驱动电路120包括脉宽调制器，其生成要施加到晶体管Ql和Q2的栅极以便开启或关闭晶体管的相应驱动脉冲，驱动脉冲根据由PWM控制器130-1提供给驱动电路120的控制信号生成。反过来，PWM控制器130-1布置成接收由反馈信号发生器生成的反馈信号，反馈信号发生器在此示例中以误差放大器140的形式提供。由误差放大器140生成的反馈信号提供SMPS 200的输出(在此是输出电压)与该输出的参考之间的差的度量，该参考在本示例中是参考电压Vref。
[0005]图1还示出了隔离的SMPS 100的次级侧上的标准拓扑，其包含整流电路和连接到负载R的LC滤波器。LC滤波器的电感器L连接到所述变压器110的次级绕组112。参考到地的中间抽头113被提供在具有n2匝的次级绕组112的第一部分112a与也具有n2匝的该绕组112的第二部分112b之间。在本示例中，次级侧电路中的整流网络采用两个二极管Dl和D2，以产生在次级绕组112中感应的电压的全波整流。
[0006]当然，功率效率是在开关模式电源设计中的关键考虑因素，并且其度量一般地指示SMPS的质量。增大效率允许增大电源组件的组装密度，从而得到更轻、更紧凑的电源，其在更低温度操作并具有更高可靠性，特别是在更高负载等级。效率更高也使电源更加环境友好，并且操作起来越经济。因此，许多研究努力都已经指向改进功率效率。
[0007]例如，努力已经指向通过优化它们的结构来最小化晶体管中的开关和导电损耗，以及开发改进的控制架构选项(例如脉冲跳跃(pulse skipping)),以及通过将开关器件适当地集成到IC封装中来减少迹线损耗和其它寄生。还已经采取了最小化SMPS的无源组件中损耗的步骤。值得注意的是，电感器绕组中的电阻损耗、由于变压器芯中的滞后和涡流引起的损耗以及在电容器中由于它们的串联电阻和泄露引起的损耗以及它们的介电损耗都已经通过改进这些组件的设计的努力而得到解决。
[0008]此外，肖特基二极管具有极小的反向恢复时间，并且因此被经常使用以便最小化与二极管开关相关联的功率损耗。备选地，为了改进图1中所示转换器在较高电流电平的效率，图1中次级侧电路中的二极管Dl和D2可用同步整流器电路来替换，其包括如在图2的SMPS电路200中的Q3和Q4处所示的晶体管。开关器件Q3和Q4中的每个都可采取任何适当或期望形式，并且优选例如是N-MOSFET或P-MOSFET形式的场效应晶体管或IGBT。在图2的示例中，开关器件Q3和Q4具有内部体漏极二极管，其在图2中未用开关器件符号示出。这些晶体管的开关由控制晶体管Ql和Q2的开关的相同控制器电路(即包括驱动电路
20、PWM控制器130-1和误差放大器140的控制器电路)控制。该控制电路驱动晶体管Ql至Q4使得初级侧晶体管Ql和Q2与次级侧晶体管Q3和Q4同步，所用的方式使得获得最闻可能效率，如下文所说明的。
[0009]图2中示出的SMPS的操作原理对本领域技术人员而言将是熟悉的，使得其详细说明在此是不必要的。不过，现在将回顾一下其中一些基本原理，以帮助理解本发明。
[0010]图3示出了由SMPS控制器电路驱动图2中开关Q1-Q4的栅极电极使得初级侧电路生成要施加到变压器110的初级绕组111的一系列电压脉冲所根据的开关循环图。在图3中例证的开关引起图2的SMPS电路200在所谓“连续导电模式”操作，其中，对于流过电感器L的电流Iy在电源的输出由负载R汲取的DC电流大到足以在整个开关循环都保持在零以上。在图3中，“D/’和“D2”分别表示晶体管Ql和Q2的开关占空比，并且“T”表示开关周期。在四个时间周期O到DJ、DJ至T、T至(T+D2T)和(T+D2T)至2T期间电路的操作如下。
[0011]时间周期I (0〈t〈DJ):开关器件Ql被接通而Q2被断开，从而允许在Vin的输入源经由变压器Iio的初级绕组111给电容器Cl和C2充电。在此周期期间，开关器件Q3被接通而器件Q4被断开，从而允许该源经由变压器110的次级绕组112向负载R传输能量。输出电压Vtjut=Ii2Ai1.Vin，其中Ii1是初级绕组中的匝数。
[0012]时间周期2(DJ〈t〈T):在信号被施加到Ql的栅极以将它断开之后，开关Q3保持开而开关Q4在延迟d2之后开启。延迟d2应该设置成使得在Q4开始接通之前Ql达到其不导电状态，由此确保Q4不使次级绕组112短路，同时能量仍从初级侧电路传输到次级侧电路。Q3和Q4都接通,次级侧电路中的电流以基本相等的度量续流(free-wheel)通过次级侧绕组的两个部分，从而允许均衡变压器通量。换句话说，续流的电流在次级绕组内在中间抽头113附近生成具有相反方向的两个磁通量，从而在次级绕组112的第一部分与第二部分之间的区域中产生等于O的净磁通量。因此，变压器芯磁化被均衡为0，并且续流周期DJ-T/2期间初级绕组中的电流得到抑制，由此避免初级绕组中的损耗。
[0013]时间周期3(T〈t〈T+D2T):在此间隔中，开关器件Ql保持断开，而在时间t=T器件Q2被开启，从而允许电容器Cl和C2通过初级绕组111放电，用与上面描述的第一时间周期中电压极性相反的电压激励它。在次级侧上，开关Q4保持开，而开关Q3关，从而允许在次级绕组的下部分中生成的EMF驱动电流通过电感器L。如图3所示，在施加到开关Q3的栅极以将它断开的信号与Q2随后接通之间存在Cl1的延迟。这个延迟被设置成使得在Q2开始导电之前Q3达到其不导电状态，由此确保在时间周期3中在能量开始从初级侧电路传输到次级侧电路时Q3不使次级绕组112短路。
[0014]时间周期4(T+D2T〈t〈2T):在此间隔中，Ql保持关，并且Q2在t=T+D2T关闭。然后，在延迟d2之后，Q3开启。Q3和Q4都接通，次级侧电路中的电流以基本相等的度量续流通过次级侧绕组的两个部分，从而允许均衡变压器通量，与在时间周期2中一样。延迟d2应该设置成使得在Q3开始接通之前Q2达到其不导电状态，由此确保Q3不使次级绕组112短路，而能量仍从初级侧电路传输到次级侧电路。之后在时间周期4，在施加到Q4的栅极以将它断开的信号与Ql接通之间引入延迟屯。这个延迟被设置成使得在Ql开始导电之前Q4达到其不导电状态，由此确保Q4不使次级绕组112短路，同时能量开始从初级侧电路传输到次级侧电路。
[0015]延迟(也是众所周知并且在本文被称为“死时间Id1和d2应该被调整，以避免不必要的损耗，如上面所说明的那样。常规上，这些死时间必须固定，这意味着必须使用某些安全裕度，以便为变化的电源负载等级、组件老化、温度变化等做准备。这种常规方法不可避免地引起电源在大多数环境下以次最优效率操作。
[0016]更近一些，已经做出努力，以通过动态调整死时间来改进电源效率。一些方法采用预先确定的查找表，其需要通过研究电源在某些已知(控制)条件下的行为来设立。然而，以这种方式确定的死时间一般用在其它环境下将不理想，例如在不同负载条件下，或者在电源中扩展的组件值大于预期的情况下。在其它方法中，在操作期间使用从各种源采样的数据(例如输出电流、温度、输入电压和输出电压)来调整死时间。这种方法的一个问题是，它们增大了电源的复杂性和成本，这是因为可能需要具有高度准确度的采样数据(例如输入电流)的附加构件。而且，这种方法经常不能有效实现，因为它们对数据处理能力提出了高要求，并且花长时间来优化死时间(在一些情况下是数百开关循环)。
[0017]尽管所有这些努力，但仍保持对进一步改进SMPS效率的需要。
【发明内容】
[0018]本发明解决了改进上面概括的SMPS效率的已知方法的缺点，并允许快速(经常在少数开关循环内)并且以计算有效的方式调谐SMPS中的开关延迟，同时采用电源的反馈环的现有硬件组件，并由此保持SMPS的低部件数量、复杂性和制造成本。此外，根据本文描述的本发明实施例的控制器允许死时间被动态优化，没有损害SMPS的功能，并且(实际上)没有影响电源的输出质量。
[0019]更具体地说，本发明在第一方面提供一种开关延迟控制器，其用于控制开关模式电源中的第一开关元件与第二开关元件的开关之间的开关延迟，所述开关模式电源包括:反馈信号发生器，其可操作以生成指示所述开关模式电源的输出与所述输出的参考之间差的反馈信号；以及驱动电路，其用于开关第一开关元件和第二开关元件以便基于所述反馈信号将到所述开关模式电源的输入电压转换成其输出电压。开关延迟控制器包括:开关延迟计算器，其可操作以引起开关延迟在开关模式电源的至少一个开关循环的改变；以及反馈信号监视器，其可操作以响应于由开关延迟计算器对开关延迟的改变而监视反馈信号并确定反馈信号的改变。开关延迟计算器还可操作以基于所确定的反馈信号的改变来计算增大开关模式电源的效率的开关延迟，并引起开关模式电源中的开关延迟改变到所计算的开关延迟。
[0020]因而，开关延迟控制器配置成根据其对来自SMPS的现有反馈信号发生器(其可以以简单形式误差放大器来提供)的反馈信号的监视来确定SMPS对发生在第一开关元件与第二开关元件的开关之间的开关延迟的改变的响应，第一开关元件和第二开关元件在SMPS的动力系中用于将输入电压转换成输出电压。开关延迟控制器还配置成基于所确定的响应计算将改进SMPS效率的开关延迟，并引起由SMPS的驱动电路将开关延迟改变成所计算的开关延迟，由此改进SMPS在当前负载等级、温度和其它现行条件下操作的效率。
[0021]本发明在第二方面提供了一种开关模式电源，其包括:反馈信号发生器，其可操作以生成指示所述开关模式电源的输出与所述输出的参考之间差的反馈信号；第一开关元件和第二开关元件；以及驱动电路，其布置成开关第一开关元件和第二开关元件以便基于所述反馈信号将到所述开关模式电源的输入电压转换成其输出电压；开关模式电源还包含根据上面所阐述的本发明第一方面的开关延迟控制器，其布置成控制第一开关元件与第二开关元件的开关之间的开关延迟。
[0022]本发明在第三方面提供一种用于控制开关模式电源中的第一开关元件与第二开关元件的开关之间的开关延迟的方法，所述开关模式电源包括:反馈信号发生器，其生成指示所述开关模式电源的输出与所述输出的参考之间差的反馈信号；以及驱动电路，其开关第一开关元件和第二开关元件以便基于所述反馈信号将到所述开关模式电源的输入电压转换成其输出电压。该方法包括:引起开关延迟在所述开关模式电源的至少一个开关循环改变；响应于对所述开关延迟的改变而监视所述反馈信号并确定所述反馈信号的改变；基于所确定的所述反馈信号的改变计算增大所述开关模式电源的效率的开关延迟；以及引起所述开关模式电源中的开关延迟改变到所计算的开关延迟。
[0023]本发明还提供了一种计算机程序产品，其包括计算机可读存储介质或携带计算机程序指令的信号，所述计算机程序指令当由处理器执行时使所述处理器执行如上所阐述的方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]现在将仅通过示例参考附图详细说明本发明的实施例，附图中:
图1示出了具有中间抽头的次级侧变压器绕组和二极管整流的【背景技术】示例SMPS电
路；
图2例证了采用同步整流的图1所示SMPS电路的变体；
图3示出了图2的电路在连续导电模式操作以在输出扼流圈中产生总是正的电流所根据的定时图；
图4示出了根据本发明第一实施例、具有包含开关延迟控制器的PWM控制器的SMPS电
路；
图5示出了根据本文描述的实施例的开关延迟控制器的细节； 图6例证了本文描述的实施例的用于实现包含开关延迟控制器的PWM控制器的可编程数据处理设备；
图7是例证由第一实施例中的开关延迟控制器执行的操作的流程图；
图8是概括第一实施例中开关延迟控制器的操作的流程图；
图9示出了图4的SMPS在连续导电模式操作以在输出扼流圈中产生在操作期间改变方向的电流所根据的定时图；以及
图10示出了在本发明的第二实施例中图2的电路在不连续导电模式操作所根据的定时图。
【具体实施方式】
[0025][实施例1]
图4示出了根据本发明第一实施例的SMPS 300，其与图2的【背景技术】示例的不同之处在于:PWM控制器130-2配备有开关延迟控制器150，开关延迟控制器150用于以下面描述的方式控制Q1-Q4之中某些对晶体管的开关之间的时间延迟，以便增大SMPS的效率。在其它方面SMPS与上面参考图2和3描述的相同，并且因此在此将不再重复其操作的常规方面了。
[0026]图5示出了本发明实施例的开关延迟控制器150的组件。开关延迟控制器150包括反馈信号监视器151、开关延迟计算器152和触发器单元153，它们布置成彼此通信。尽管在本发明实施例中开关延迟控制器150包含在PWM控制器130-2中，但备选地它可提供为独立装置，其布置成从误差放大器140接收反馈信号并引起调整开关延迟，例如通过向驱动电路120直接发出适当控制信号，或者通过指令PWM控制器130-2控制驱动电路120，使得它根据所需定时驱动晶体管。
[0027]图6中示出了可在其中实现开关延迟控制器150的一般类型的可编程信号处理设备的不例。所不的信号处理设备400包括输入/输出部分410、处理器420、工作存储器430和存储计算机可读指令的指令储存器440，所述计算机可读指令当由处理器420执行时引起处理器420在执行下文描述的处理操作时充当开关延迟控制器，以引起SMPS中的开关延迟改变到SMPS更有效操作所在的计算值。
[0028]指令储存器440是数据存储装置，其可包括例如以ROM、磁计算机存储装置(例如硬盘)或光盘形式的非易失性存储器，其被预先加载有计算机可读指令。备选地，指令储存器440可包括易失性存储器(例如DRAM或SRAM)，并且计算机可读指令可从计算机程序产品(诸如计算机可读存储介质450 (例如光盘，诸如CD-ROM、DVD-ROM等))或携带计算机可读指令的计算机可读信号460输入到指令储存器440。
[0029]工作存储器430用于暂时存储数据以支持根据指令储存器440中存储的处理逻辑执行的处理操作。如图6中所示，I/O部分410布置成与处理器420通信以便致使信号处理设备400能够处理接收的信号并传递其处理结果。
[0030]处理器420、工作存储器430和指令储存器440 (当通过本领域技术人员熟悉的技术适当编程时)的组合470 —起构成本实施例的开关延迟控制器150的反馈信号监视器151、开关延迟计算器152和触发器单元153。在本实施例中，组合470还提供PWM控制器130-2的功能，不过PWM控制器和开关延迟控制器的功能备选地可由图6中所示类型的单独硬件提供。而且，PWM控制器130-2和驱动电路120的功能可由单个集成电路提供。
[0031]现在将参考图7描述由本实施例的开关延迟控制器150执行的控制SMPS 300中的开关延迟(在本文中也称为开关死时间)的操作。
[0032]图7是例证开关延迟控制器150用来控制图3中所示的延迟Cl1和d2中之一或二者以便增大SMPS朝现行条件(负载等级、输入电压、温度等)的最大值操作所具有的效率的过程步骤的流程图。
[0033]该过程开始于步骤S10，在此计数器k被设置成初始值1，并且正在优化的延迟时间Tdelay (其对应于Cl1或(12)被设置成安全初始值Ti,其确保晶体管Q3(根据情况而定，或Q4)不使次级绕组112短路，同时在SMPS 300操作期间能量从初级侧电路传输到次级侧电路，并因而冒着损坏电源的风险。初始延迟值Ti取决于SMPS 300的当前操作状态，并且一般将是电源的输入电压Vin及其输出电流U的函数。开关延迟时间Tdelay的改变的量化步骤Tde。也被设置成对于当前操作状态适当的值。电源的操作状态在通过触发单元153触发延迟优化算法中也扮演着角色，并且下面进一步讨论。
[0034]在步骤SlO中的初始化之后，该过程继续到步骤S20，在此误差放大器140与驱动电路120之间的反馈环被暂时打开，例如通过开关延迟控制器150停止中继它从误差放大器140接收的反馈信号的任何改变到PWM控制器130-2。因此，PWM控制器130-2开始向驱动电路120传送控制信号，其引起驱动电路以其间的恒定开关延迟驱动这些晶体管。
[0035]在步骤S30中，开关延迟计算器152通过向驱动电路120直接提供对应指令或经由PWM控制器130-2向驱动电路120提供对应指令来引起在SMPS的一个开关循环开关延迟TdelayW Ti改变到T1-1iTd^然后，在步骤S40，开关延迟被设置回前一值，即T1- (k-1)Tdec0用这种方式，开关延迟 计算器152引起开关延迟在该SMPS的单个开关循环的持续时间改变增量值Tde。，由此在Tdelay的暂时减少的值导致电源的变压器的次级绕组112短路的情况下最小化SMPS遭受损坏的风险。由于这个原因，优选的是，开关延迟计算器152引起仅在一个开关循环(或者仅在小数量的开关循环，例如2到10个开关循环)由驱动电路120改变开关延迟Tdelay。另一方面，在一些情况下，在多于一个开关循环改变开关延迟可通过如下方式来增大准确性:使所得到的反馈信号的改变更易于使用可用误差放大器140来进行检测。一般而言，改变延迟Tdelay所在的开关循环的最优数量将取决于组件(以及寄生，t匕如开关器件和变压器中的电容和电感)的大小以及这些对暂时短路有多敏感。
[0036]在步骤S50，第二计数器η被初始化成值1，并且然后在步骤S60，开关延迟控制器150的反馈信号监视器151监视来自误差放大器140的反馈信号，以便确定可能作为早先在步骤S30开关延迟已经暂时改变的结果出现的反馈信号的改变。在步骤S70，反馈信号监视器151检查目标计数η=Ν是否已经达到，并且如果否，则该过程在开关循环的过程期间环回到步骤S60，使得反馈信号监视器151在每个开关循环都对反馈信号采样。N的值(由此还有反馈信号监视过程的持续期间)取决于电源300的模拟带宽，并且必须对于每个应用进行确定。时间间隔TN(其中T是开关周期)应该长于次级侧开关Q3和Q4上的电压降传播通过电源的输出滤波器并进入误差放大器140中所花的时间。N的值可通过试错法容易地调整以适合具体SMPS。注意，可由开关延迟计算器152对开关延迟进行这些改变，或者在反馈信号监视过程开始之前，与本实施例中一样，或者备选地，在监视过程已经完成之前。
[0037]一旦计数器η已经达到目标计数N，反馈信号监视过程就停止，并且然后在步骤S80反馈环闭合，使得PWM控制器130-2重新开始其使用来自误差放大器140的反馈信号来调节SMPS 300的输出电压的功能。
[0038]在步骤S90，开关延迟计算器152确定是否已经存在反馈信号的显著改变，同时它被反馈信号监视器151监视，改变的显著性对于手边的应用来确定。改变的显著性例如可通过将所监视的反馈信号的均值或极值与阈值相比较来确定。
[0039]采取在步骤S90确定的显著改变来提供如下指示:在步骤S30由开关延迟计算器152对开关延迟Tdelay的暂时减少已经引起了变压器110的次级绕组112的暂时短路。在此情况下，开关延迟计算器152确立通过递减Tdelay的值不能获得进一步的效率增益，并且因此它停止开关延迟优化过程。[0040]另一方面，如果开关延迟计算器152在步骤S90确定在监视过程(步骤S60和S70)期间没有反馈信号的显著改变，则可以假定，受步骤S30和S40影响的开关延迟的暂时减少可成为永久的，对SMPS没有负面影响。在步骤S100，计数器k然后递增1，之后该过程环回到步骤S30。随后开关延迟在步骤S30递减2Tde。至TiITde。，之后设置成T1-Tde。(在先前执行的反馈信号监视过程中确定的不引起次级绕组112短路的安全值)。
[0041]总之，如图8所例证的，在步骤S200，开关延迟控制器150操作以引起开关延迟在开关模式电源的至少一个开关循环改变。在步骤S210，它响应于对开关延迟的改变而监视反馈信号并确定反馈信号的改变。在步骤S220，它基于所确定的反馈信号的改变来计算增大开关模式电源的效率的开关延迟，并在步骤S230，引起开关模式电源中的开关延迟改变到所计算的开关延迟。
[0042]上面描述的暂时减小开关延迟、响应于开关延迟的改变而监视反馈信号并评估反馈信号的改变的过程可迭代地重复，直到达到开关延迟的最有效值，同时确保由开关延迟计算器152计算的开关延迟使得次级侧上的晶体管Q3和Q4都不使次级绕组短路，同时能量从初级侧电路传输到次级侧电路。开关延迟由此可以用快速、计算有效的方式优化。
[0043]上面描述的过程可由开关延迟控制器150执行，以将死时间朝着最大化现行操作条件的电源效率的值调整。然而，最优死时间将取决于SMPS 300的操作状态，其可依据SMPS的输入电压Vin和输出电流Iwt定义，这是因为这些晶体管的开启/关闭时间主要取决于这些变量。因此，如图5所示，开关延迟控制器150优选包含触发器单元153，其可操作以检测开关模式电源的输入电压Vin和输出电流Iwt中至少一项的改变，并在检测到所述改变并确定该改变大到足以保证运行最优化算法时，发出控制信号以引起开关延迟计算器152以上面描述的方式控制开关延迟。
[0044]此外，在本实施例中，SMPS的操作状态可被视为落入若干操作区域之一内，每个操作区域由SMPS的输入电压Vin和输出电流Itjut中至少一项的值的相应范围定义。在本示例中，可标识负载电流的如下操作区域:
i)空载电流，1ut ^ 0A；
?)连续导电模式，其中电流込在电感器中反向；以及 i i i)连续导电模式，其中电流L在输出扼流圈中保持正。
[0045]如上面所提到的，在图3中，在电源的输出由负载R汲取的DC电流大到足以使流过电感器L的电流L在整个开关循环都保持在O以上。然而，如果负载电流不够大，则流过电感器的电流的方向在开关循环期间可反向，如图9所例证的。因而，在连续导电模式中，电流可流动的方向不受约束。在两种情况(即，第一种情况下总是正电流Iy而在第二种情况下是使电流L反向)下死时间Cl1与d2之间的差受电流L改变它接通或断开开关元件所花的时间影响。极端情况发生在负载电流接近O时，其中死时间变得更长。
[0046]上面提到的三个电流区域可进一步分成操作子区域或合并成更大的操作区域，每个都具有与它关联的例如Ti和Tde。的相应值。输入电压Vin影响开关器件Q1-Q4的开启时间和关闭时间。因此，操作区域也可相对于输入电压例如被分成三个或更多不同的区域。这些区域可交叠，从而产生滞后，当配置开关延迟控制器150时，这可能需要被考虑进去。
[0047]发明人已经发现，向该电源的每一个操作区域(或向其中一些操作区域)指定该开关延迟的相应单个值可在那些区域中产生更有效的操作，并且当该SMPS的操作状态在这些操作区域之一内改变时，降低了对于不必要的延迟优化的需要。换句话说，与该开关延迟优化过程的重复运行关联的处理开销可通过仅当SMPS 300的操作状态从一个操作区域改变到另一个操作区域时才运行该优化过程来减小。因而，触发器单元153优选配置成检测SMPS 300的操作状态从第一操作区域到第二操作区域的改变，并且在检测到所述改变时，引起反馈信号监视器151和开关延迟计算器152执行上面描述的开关延迟优化过程，以便确保该SMPS在其新操作状态中的有效运行。
[0048]为了进一步避免延迟优化算法的不必要执行，触发器单元153优选布置成保留SMPS 300的操作状态的日志，并且在检测到该操作状态从第一操作区域到SMPS 300先前尚未在其中操作的第二操作区域的改变时，引起开关延迟计算器152使用该反馈信号中所确定的改变来控制该开关延迟，以便增大该SMPS的效率。另一方面，如果触发器单元153检测到操作状态从第一操作区域到SMPS 300先前已经在其中操作的第二操作区域的改变时，它优选配置成引起开关延迟计算器152将开关延迟设置成在上面提到的第二操作区域中的先前操作期间使用的值。
[0049][实施例2]
在连续导电模式中，当负载所汲取的电流不够大时，电感器L中的电流L可反向，如图9所示。当这发生时，能量从电源300的次级侧传输到其初级侧，这降低了电源的效率。这种影响可通过如下方式来避免:当电流L变到O时断开晶体管Q3和Q4 ；IL因而不能为负，并且阻止反向能量传输。在图10中例证了 SMPS 300在所谓的不连续导电模式中操作所需的开关定时。
[0050]如图10中所示，存在Ql与Q4的开关之间以及Q2与Q3之间的开关延迟d2，与图3的定时图中一样。然而，开关延迟Cl1不再需要了，这是因为当初级晶体管(Ql或Q2)中的任一个开启时次级侧上的晶体管(Q3和Q4)中二者都关闭。而且，在图10的定时图中存在新的死时间d3，需要新的死时间d3使得在来自初级侧的能量到达变压器的次级侧之前电流Il不开始反向。
[0051]因而，根据第二实施例的SMPS 300与上面描述的第一实施例的SMPS 300的不同之处在于:PWM控制器130-2根据图10所示的定时图控制晶体管Q1-Q4的开关，其中开关延迟d2和d3根据上面描述的技术控制，代替如第一实施例中的延迟时间Cl1和d2。第二实施例的SMPS的其它方面与第一实施例的相同，并且因此在此将不再描述。
[0052]修改和变化
可以对上面描述的实施例进行许多修改和变化。[0053]例如，在上面描述的实施例中，反馈信号监视器151、开关延迟计算器152和触发器单元153各使用具有处理器420的可编程处理设备400来提供，处理器420通过执行存储在指令储存器440中的软件指令来提供这些组件的相应功能。然而，将认识到，可以用专用硬件(例如现场可编程门阵列(FPGA))来实现上面提到的每个组件或所有组件。
[0054]在以上实施例中，被PWM控制器130-2控制的延迟时间在提供在电源的变压器相对侧上的晶体管(例如在死时间Cl1的情况下是晶体管Ql与Q4)的开关之间。然而，被控制的开关延迟备选地可提供在都提供在隔离变压器的初级侧或次级侧上的晶体管的开关之间。例如，在推挽转换器中，PWM控制器130-2可控制转换器初级侧上的晶体管的死时间，使得在操作期间基本上没有通过这些开关元件的交叉导电发生(这将导致转换器的输入短路)。
[0055]而且，尽管上面描述的实施例在初级侧上采用半桥配置，但备选地可以使用其它众所周知的拓扑。例如，具有四个晶体管的全桥配置可能更适合于较高功率应用。备选地，可使用推挽布置。在次级侧上，备选地可以使用单个绕组连同同步全波整流。更一般地，上面描述的开关延迟控制技术可与满足如下条件的任何SMPS拓扑一起使用:i)在受控的时间周期T。承受不充分死时间的持久性；以及ii)在时间T。期间的不充分死时间将引发SMPS的输出的暂时改变(例如下降一些)，其在该电源的规范内，仍大到足以被电源的误差放大器检测到。
[0056]在图7所示的步骤S30中，开关延迟计算器152在该SMPS的一个开关循环将开关延迟Tdelay减小Tde。，并且然后在步骤S40将Tdelay设置回其先前值，因而，在Tdelay的暂时减少的值导致电源的变压器的次级绕组112短路的情况下，最小化SMPS 300遭受损坏的风险。然而，在备选实施例中，步骤S40可被省略，并且相反，随后监视来自误差放大器140的反馈信号对开关延迟的分步减少的响应。这可减少电源的输出上的噪声，不过冒着损坏电源的开关元件的更大风险。在这些变量中，如果在步骤S90检测到反馈信号的显著改变的话，Tdelay将需要被递增到安全值(例如Tdelay+TdJ。
[0057]在上面描述的实施例中，延迟优化算法的触发与SMPS 300的操作状态有关。然而，在其它实施例中，可基于可配置时间周期触发优化算法的执行。例如，相比在其它时间(例如在夜间)，在SMPS负载更有可能浮动的时间(例如在白天的某些时间)，可更频繁地触发开关延迟优化。
【权利要求】
1.一种开关延迟控制器(150)，所述开关延迟控制器(150)用于控制开关模式电源(300)中的第一开关元件与第二开关元件(Ql至Q4)的开关之间的开关延迟，所述开关模式电源包括:反馈信号发生器(140)，其可操作以生成指示所述开关模式电源的输出(V。」与所述输出的参考(U之间差的反馈信号；以及驱动电路(120)，其用于开关第一开关元件和第二开关元件以便基于所述反馈信号将到所述开关模式电源的输入电压(Vin)转换成其输出电压(V。」，所述开关延迟控制器(150)包括: 开关延迟计算器(152)，其可操作以引起所述开关延迟在所述开关模式电源的至少一个开关循环的改变；以及 反馈信号监视器(151)，可操作以响应于由所述开关延迟计算器(152)对所述开关延迟的改变而监视所述反馈信号并确定所述反馈信号的改变， 其中所述开关延迟计算器(152)还可操作以基于所确定的所述反馈信号的改变来计算增大所述开关模式电源(300)的效率的开关延迟，并引起所述开关模式电源中的所述开关延迟改变到所计算的开关延迟。
2.如权利要求1所述的开关延迟控制器，其中所述开关模式电源(300)还包括具有初级绕组(111)和次级绕组(112)的变压器(110)、包括布置成驱动所述初级绕组(111)的第一开关元件(Q1，Q2)的初级侧电路以及包括第二开关元件(Q3，Q4)的次级侧电路，所述次级绕组(112)布置成驱动电流通过第二开关元件(Q3，Q4)，并且 其中所述开关延迟计算器(152)布置成计算开关延迟，使得在所述开关模式电源(300)的操作期间第二开关元件(Q3，Q4)不使所述次级绕组(112)短路，同时能量从所述初级侧电路传输到所述次级侧电路。
3.如权利要求1所述的开关延迟控制器，其中所述开关模式电源(300)还包括具有初级绕组(111)和次级绕组(112)的变压器(110)、包括布置成驱动所述初级绕组(111)的第一开关元件(Q1，Q2)的初级侧电路`、包括第二开关元件(Q3，Q4)的次级侧电路以及包括连接到所述次级侧电路的电感器(L)的输出滤波器，所述次级绕组(112)布置成驱动电流通过第二开关元件(Q3，Q4)，并且 其中所述开关延迟计算器(152)布置成计算开关延迟，使得在所述开关模式电源(300)在不连续导电模式的操作期间能量从所述初级侧电路传输到所述次级侧电路之前，阻止所述电感器(L)中的电流反向。
4.如权利要求1所述的开关延迟控制器，其中所述开关模式电源(300)还包括具有初级绕组(111)和次级绕组(112)的变压器以及包括布置成驱动所述初级绕组(111)的第一开关元件和第二开关元件(Q1，Q2)的初级侧电路，并且 其中所述开关延迟计算器(152)布置成计算开关延迟，使得在所述开关模式电源(300)的操作期间基本上没有通过第一开关元件和第二开关元件(Q1，Q2)的交叉导电发生。
5.如以上权利要求中任一项所述的开关延迟控制器，配置成使得在操作中所述开关延迟计算器(152)引起所述开关延迟在所述开关模式电源的至少一个开关循环从第一值改变到第二值，并且然后从第二值改变回第一值，所述改变发生在所述反馈信号监视器(151)开始或完成响应于由所述开关延迟计算器(152)引起的所述开关延迟的改变而监视所述反馈信号以确定所述反馈信号的改变之前。
6.如以上权利要求中任一项所述的开关延迟控制器，还包括:触发器单元(153)，其可操作以检测所述开关模式电源(300)的输入电压(Vin)和输出电流(Iwt)中至少一项的改变，并且基于所述改变，引起所述开关延迟计算器(152)和所述反馈信号监视器(151)操作以执行所述开关延迟的所述计算和改变，以便增大所述开关模式电源(300)的效率。
7.如权利要求6所述的开关延迟控制器，其中所述触发器单元(153)可操作以检测所述开关模式电源(300)的操作状态从第一操作区域到第二操作区域的改变，第一操作区域和第二操作区域中的每个都由所述开关模式电源(300)的输入电压(Vin)和输出电流(Iwt)的值的相应范围定义，在检测到所述改变时，所述触发器单元(153)还可操作以引起所述开关延迟计算器(152)和所述反馈信号监视器(151)操作以执行所述开关延迟的所述计算和改变以便增大所述开关模式电源(300)的效率。
8.如权利要求7所述的开关延迟控制器，其中所述触发器单元(153)可操作以保留所述开关模式电源(300)的所述操作状态的日志，并且 在检测到所述操作状态从第一操作区域到所述开关模式电源(300)先前尚未在其中操作的第二操作区域的改变时，引起所述开关延迟计算器(152)和所述反馈信号监视器(151)操作以执行所述开关延迟的所述计算和改变以便增大所述开关模式电源(300)的效率，否则 在检测到所述操作状态从第一操作区域到所述开关模式电源(300)先前已经在其中操作的第二操作区域的改变时，引起所述开关延迟计算器(152)将所述开关延迟设置成在所述第二操作区域中的先前操作期间使用的值。
9.一种开关模式电源(300),包括: 反馈信号发生器(140)，其可操作以生成指示所述开关模式电源的输出(Vwt)与所述输出的参考(U之间差的反馈信号； 第一开关元件和第二开关元件； 驱动电路(120)，其布置成开关第一开关元件和第二开关元件(Ql，Q2，Q3，Q4)以便基于所述反馈信号将到所述开关模式电源(300)的输入电压(Vin)转换成其输出电压(Vwt)；以及 如以上权利要求中任一项所述的、布置成控制第一开关元件与第二开关元件的开关之间开关延迟的开关延迟控制器(150)。
10.一种控制开关模式电源(300)中的第一开关元件与第二开关元件的开关之间的开关延迟的方法，所述开关模式电源包括:反馈信号发生器(140)，其生成指示所述开关模式电源的输出(Vrat)与所述输出的参考(Vref)之间差的反馈信号；以及驱动电路(120)，其开关第一开关元件和第二开关元件(Ql，Q2，Q3，Q4)以便基于所述反馈信号将到所述开关模式电源的输入电压(Vin)转换成其输出电压(Vtjut),所述方法包括: 引起(S200)所述开关延迟在所述开关模式电源的至少一个开关循环的改变； 响应于对所述开关延迟的改变而监视(S210)所述反馈信号并确定所述反馈信号的改变； 基于所确定的所述反馈信号的改变来计算(S220)增大所述开关模式电源的效率的开关延迟；以及 引起(S230)所述开关模式电源(300)中的开关延迟改变到所计算的开关延迟。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述开关模式电源(300)还包括具有初级绕组(111)和次级绕组(112)的变压器(110)、包括布置成驱动所述初级绕组(111)的第一开关元件(Q1，Q2)的初级侧电路以及包括第二开关元件(Q3，Q4)的次级侧电路，所述次级绕组(112)布置成驱动电流通过第二开关元件，并且 其中计算所述开关延迟，使得在所述开关模式电源(300)的操作期间第二开关元件(Q3, Q4)不使所述次级绕组(112)短路，同时能量从所述初级侧电路传输到所述次级侧电路。
12.如权利要求10所述的方法，其中: 所述开关模式电源(300)还包括具有初级绕组(111)和次级绕组(112)的变压器(110)、包括布置成驱动所述初级绕组(111)的第一开关元件(Q1，Q2)的初级侧电路、包括第二开关元件(Q3，Q4)的次级侧电路以及包括连接到所述次级侧电路的电感器(L)的输出滤波器，所述次级绕组(112)布置成驱动电流通过第二开关元件； 开关第一开关元件和第二开关元件，使得所述开关模式电源(300)在不连续导电模式操作；以及 计算所述开关延迟，使得在能量从所述初级侧电路传输到所述次级侧电路之前阻止所述电感器(L)中的电流反向。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述开关模式电源(300)还包括具有初级绕组(111)和次级绕组(112)的变压器 (110)以及包括布置成驱动所述初级绕组(111)的第一开关元件和第二开关元件(Q1，Q2)的初级侧电路，并且 其中计算所述开关延迟，使得在所述开关模式电源(300)的操作期间基本上没有通过第一开关元件和第二开关元件(Q1，Q2)的交叉导电发生。
14.如权利要求10至13中任一项所述的方法，其中引起所述开关延迟改变的过程包括:引起所述开关延迟在所述开关模式电源(300)的至少一个开关循环从第一值改变到第二值，并且然后从第二值改变回第一值，所述改变发生在开始或完成响应于所述开关延迟的改变而监视(S210)所述反馈信号以确定所述反馈信号的改变之前。
15.如权利要求10至14中任一项所述的方法，还包括:检测所述开关模式电源(300)的输入电压(Vin)和输出电流(Iwt)中至少一项的改变，并基于所述改变，引起计算和改变所述开关延迟以便增大所述开关模式电源(300)的效率。
16.如权利要求15所述的方法，其中检测所述开关模式电源(300)的输入电压(Vin)和输出电流(Itjut)中至少一项的改变的过程包括:检测所述开关模式电源的操作状态从第一操作区域到第二操作区域的改变，第一操作区域和第二操作区域中的每个都由所述开关模式电源的输入电压(Vin)和输出电流(Iwt)的值的相应范围定义。
17.如权利要求16所述的方法，还包括: 保留所述开关模式电源(300)的所述操作状态的日志；以及 在检测到所述操作状态从第一操作区域到所述开关模式电源(300)先前尚未在其中操作的第二操作区域的改变时，引起计算和改变所述开关延迟以便增大所述开关模式电源的效率，否则 在检测到所述操作状态从第一操作区域到所述开关模式电源先前已经在其中操作的第二操作区域的改变时，引起所述开关延迟被设置成在所述第二操作区域中的先前操作期间使用的值。
18.一种存储计算机程序指令的计算机可读存储介质(450)，所述计算机程序指令当由处理器(420)执行时引起所述处理器执行如权利要求10至17中至少一项所述的方法。
19.一种携带计算机程序指令的信号(460)，所述计算机程序指令当由处理器执行时引起所述处理器(420)执行如权利`要求10至17中至少一项所述的方法。
【文档编号】H02M3/335GK103503294SQ201180070712
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2011年5月10日 优先权日:2011年5月10日
【发明者】F.瓦勒多, H.伯根格伦, M.卡尔森, A.库尔曼, J.马姆伯格 申请人:瑞典爱立信有限公司