具有延迟补偿的功率变换的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请要求2014年2月26日提交的第61/944, 869号美国临时专利申请的优先 权，该申请通过引用将其整体结合于此。
技术领域
[0003] 本公开一般而言涉及功率变换，特别涉及具有延迟补偿的功率变换。
【背景技术】
[0004] 电源系统普遍存在于从计算机到汽车等多种电子应用中。通常，通过操作装载有 电感器或变压器的开关来执行DC-DC、DC-AC和/或AC-DC变换产生电源系统中的电压。这 种系统中的一种类别包括开关电源（SMPS)。由于功率变换是通过电感器或变压器的可控充 电和放电来执行的，SMPS-般比其它种类的功率变换系统具有更高的效率并且可以减小由 于电阻压降上的功率损耗所导致的能量损失。
[0005]SMPS-般包括至少一个开关和电感器或变压器。一些具体拓扑包括降压式变换 器、升压式变换器和反激式变换器等等。控制电路通常用于接通和关断开关以对电感器充 电和放电。在一些申请中，提供至负载的电流和/或提供至负载的电压通过反馈回路控制。
【发明内容】
[0006] -个实施例涉及一种方法。该方法包括在连续的驱动周期中驱动开关模式功率变 换器中的电子开关，其中在每一个驱动周期中驱动开关包括在接通期接通电子开关，以及 随后在关断期关断电子开关。该方法进一步包括基于接通时间信号和关断阈值的比较建立 接通期，基于开关模式功率变换器的输出信号和补偿偏置计算关断阈值，以及基于估计的 延迟时间计算在一个驱动周期内的补偿偏置，其中估计的延迟时间是基于测量的延迟时间 和前一驱动周期内估计的延迟时间计算。
【附图说明】
[0007] 下面将参考附图描述示例。附图用于示出某些原理，因此仅仅示出有助于理解这 些原理所必须的方面。附图不是按比例绘制的。在附图中，相同的附图标记表示相似的特 征。
[0008] 图1图示了开关模式功率变换器的一个实施例；
[0009] 图2示出了开关模式功率变换器中的电子开关的一个实施例；
[0010] 图3示出了示出开关模式功率变换器的一种操作方式的时序图；
[0011] 图4原理性图示了开关模式功率变换器的控制器的一个实施例；
[0012] 图5示出了示出控制器的一种操作方式的时序图；
[0013] 图6图示了计算控制器中的延迟补偿关断阈值的一个实施例；
[0014] 图7更具体地示出了延迟补偿的一个实施例；
[0015] 图8图示了图7所示出的延迟补偿的改进；
[0016] 图9示出了由反激式变换器拓扑实现的开关模式功率变换器的一个实施例； [0017]图10示出了图9所示的开关模式功率变换器中的整流电路的一个实施例；
[0018]图11示出了图9所示的开关模式功率变换器中的反馈电路的一个实施例；
[0019] 图12示出了图9所示的开关模式功率变换器中的一种操作方式的时序图；
[0020] 图13示出了控制器中的关断检测器的一个实施例；
[0021] 图14图示了图7所示出的延迟补偿的另一个改进；以及
[0022] 图15示出了由升压变换器拓扑实现的开关模式功率变换器的一个实施例。
【具体实施方式】
[0023] 在下述具体描述中，可参考附图。附图构成描述的一部分并且以图示的方式示出 本发明可以在其中实施的具体实施例。应该理解的是，在此描述的各种实施例的特征可以 互相结合，除非特别指明。
[0024] 图1示出了开关模式功率变换器的一个实施例。图1中示出的开关模式功率变换 器包括用于接收输入电压Vin和输入电流Iin的输入端11、12,和用于向可以连接到输出端 13、14的负载Z(图1中虚线所示）提供输出电压Vout和输出电流lout的输出端13、14。 输入端可以包括第一输入节点11和第二输入节点12,以及输出端可以包括第一输出节点 13和第二输出节点14。根据一个实施例，开关模式功率变换器被设置为产生输出信号，使 得输出信号具有基本恒定的信号值，其完全独立于负载Z的功率损耗。"输出信号"可以是 输出电压Vout,输出电流lout或输出功率Pout。S卩，开关模式功率变换器可以被设置为调 节输出电压Vout或输出电流lout。在下文中，输出信号被称为Sout。
[0025] 开关模式功率变换器被配置为通过适当地驱动与电感器21串联连接的电子开关 31来调节输出信号。电感器21是网络1的一部分，网络1除了电感器21和电子开关31，可 以包括具有至少一个整流元件和电容器的整流电路。该网络可以包括反激式变换器拓扑、 降压式变换器拓扑、升压式变换器拓扑等。网络1的一些示例性实施例将参考下面的附图 描述。
[0026] 参考图1，开关模式功率变换器包括被配置为驱动电子开关31的控制器（也可以 被称为驱动电路）。具体地，控制器10产生在电子开关31的控制节点上接收的驱动信号 GD并接通和关断电子开关31。控制器可以被设置为以PWM(脉冲宽度调制）方式驱动电子 开关31。在这种情况下，驱动信号⑶是PWM信号。
[0027] 控制器10被配置为基于输出信号Sout(即，输出电压Vout或输出电流lout)驱 动电子开关31。为此，控制器10接收基于来自反馈电路42的输出信号的反馈信号FB。反 馈电路42可以包括调节器，该调节器接收输出信号Sout或接收参考电压SKEF(如图所示）， 或内部产生基准信号SKEF。调节器比较输出信号和基准信号SKEF，并基于比较结果产生反馈 信号FB。基准信号SKEF表示输出信号Sout的期望信号值（给定值）。调节器421可能具 有比例（P)特性、比例积分（PI)特性等之一的特性。
[0028] 反馈电路42可以进一步包括适用于在势垒上传输反馈信号FB的传输电路。当网 络1包括电隔离开关模式功率变换器的输入端11、12和输出端13、14的势垒时，可以使用 这种传输电路。传输电路可以包括光耦合器，或适用于跨势垒传输信号的其它类型电路。根 据另一个实施例，传输电路包括变压器。
[0029] 电子开关31可以是传统的电子开关。根据图2所示的一个实施例，电子开关31 是M0SFET(金属氧化物场效应晶体管）。该M0SFET包括漏极和源极之间的负载路径，以及 栅极作为控制极。当图2所示的M0SFET作为图1所示的开关模式功率变换器中的电子开 关31使用时，栅极节点接收驱动信号GD，并且负载路径（漏-源路径）与电感器21串联连 接。然而，电子开关31并不仅限于由M0SFET实现。也可以使用另一种类型的晶体管，例如 IGBT(绝缘栅双极晶体管）、BJT(双极结型晶体管）、JFET(结型场效应晶体管）或者甚至 是多个晶体管的组合，例如JFET和M0SFET的级联电路。
[0030] 开关模式功率变换器的一种操作方式参考图3描述。图3示出，在开关模式功率 变换器的一个驱动周期中，驱动信号GD和电感器电流L的时序图。电感器电流U是电感 器21上的电流。根据一个实施例，电感器电流]^对应于输入电流Iin。
[0031] 控制器10被配置为在连续驱动周期中驱动电子开关31。参考图3,每个驱动周期 包括电子开关31接通（在接通状态）的接通期，和随后电子开关31关断（在关断状态）的 关断期。一个驱动周期的整个持续时间Tp通过接通期的持续时间Ton与关断期的持续时 间Toff相加得到。以下接通期的持续时间Ton被称为接通时间，以及以下关断期的持续时 间Toff被称为关断时间。整个持续时间Tp取决于开关频率fsw，其为驱动信号⑶接通和 关断的频率，Tp=l/fsw。根据一个实施例，开关频率在20kHz和100kHz之间。在这种情况 下，一个驱动周期的持续时间Tp在10微秒（ys) ( =l/100kHz)至50微秒（=l/20kHz) 之间。
[0032] 参考图3,在接通时间Ton内，电感器电流、增加，而在关断时间Toff内，电感器 电流L减小。增加的斜率可以取决于输入电压Vin。下面可以进一步参考本文中的实施例 描述。
[0033] 电子开关31的接通时间Ton和关断时间Toff由驱动信号⑶决定。为了接通电 气开关31，驱动信号GD呈现接通电平，以及为了关断电子开关31，驱动信号GD呈现关断电 平。仅仅是作为示例的目的，假设驱动信号的接通电平对应于高信号电平，并且关断电平对 应于低信号电平。在图3中，T〇n(；D表示当驱动信号GD具有接通电平的时间段。以下具有 接通电平的驱动信号GD的信号脉冲将被称为接通脉冲。由于控制器10和电子开关31中 不可避免的延迟，当驱动信号GD的信号值从接通电平变换为关断电平时，电子开关31不会 立即关断。也就是说，电子开关31在驱动信号GD的信号值从接通电平变为关断电平的某 个时间段（延迟时间）Tdel保持接通状态。