用于具有可变输出电压范围的电源转换器的开关控制器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及用于具有可变输出电压范围的电源转换器的开关控制器。更为具体地，本实用新型涉及在保持用于防止连续模式接通时间下降到连续模式最小接通时间以下的占空比的同时降低切换工作频率。
【背景技术】
[0002]本章节中的陈述仅提供与本实用新型相关的背景信息，并且可以不构成现有技术。
[0003]对于降压型转换器和任何变型，例如，正向转换器或桥式转换器，在处于连续的电感电流模式下时，工作占空比(D)被定义为:
[0004]D = Vout^Vin(I)
[0005]其中，V—为转换器的输出电压，V ^为转换器的输入电压。
[0006]对于需要在能够微调的输出电压范围内工作的电源转换器，当输出电压被设置成相对于额定输出为非常低时，工作占空比变得非常小。
[0007]—些电流源应用需要相比额定值而言低很多的电流设置，或者有时负载阻抗是异常低的。这些情况也促使输出电压为低。
[0008]在操作中，电源转换器具有最小可控工作接通时间。该最小工作接通时间受控制器的脉冲宽度调制器(pulse width modulator, PffM)的分辨率的影响。然而，已知的数字控制器具有低至几百皮秒的级别的PWM分辨率，因此对于大部分应用而言，这将不会成为设计限制。当然，对模拟控制而言，PWM分辨率不是问题。
[0009]然而，外部因素，例如电路、缓冲器、驱动器中的传播延时以及在功率金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, M0SFET)中的接通和关断延时，确实会创建在电源转换器被迫进入突发模式前的最小可控接通时间。在现有的控制方案中，一旦达到最小接通时间且失去了可靠的操作控制，则使用能量均衡。通常能量均衡包括:通过以比实际所需的占空比大的占空比进行操作来供应过量的能量、接着关闭转换器以传送期望的平均有效功率。在能量均衡期间，控制回路可以是极度缓慢的，并伴随有具有过度脉动的转换器输出。对于很多应用而言，缓慢的控制回路响应和过度的脉动输出是不可接受的。一些要求较快的控制回路响应和小的脉动的示例包括磁驱动器和超磁体，其中，对于四象限运算，从正极性到负极性，电流必须平滑地通过零点。另一示例是要求输出电压和输出电流从近零值到预定最大值之间可调的实验室仪表或台式电源。现有技术通过以低切换频率工作来满足这些需求，导致庞大的电源设计或以低的电源转换效率为代价而使用线性控制器。再一示例是在用于计算和其它应用的电压调节模块(voltage regulator module, VRM)中使用的大电流多相降压型转换器。当针对给定的负载电流降低输出电压时，VRM通常在效率上具有显著的降低。为每一所需的输出设计单独的VRM以避免效率降低是可行的。然而，VRM已经变成商品，并且可配置性是非常重要的，用以通过允许较少的库存单位(stock keeping unit, SKU)来保持低的制作成本。因此，发明人意识到，需要保持连续模式，并防止转换器在任何相对额定条件而言低的输出电压、低的输出电流或低的负载下被迫进入突发模式，同时仍提供小的脉动输出和充分的控制回路响应。
【实用新型内容】
[0010]从本文中提供的描述，适用的其它领域将变得明显。应当理解，描述和特定示例仅用于说明的目的且不意图限制本实用新型的范围。
[0011]根据本实用新型的一示例，一种用于具有可变输出电压范围的电源转换器的开关控制器可以包括:脉冲宽度调制器，所述脉冲宽度调制器具有产生用于驱动电源转换器开关的脉冲信号的输出端；模式选择器，所述模式选择器具有指示所述电源转换器的工作接通时间状态的输出端，该输出端连接至乘法器；周期选择器，所述周期选择器具有指示所述脉冲信号的周期时间的输出端，该输出端连接至所述乘法器和所述脉冲宽度调制器的一输入端；乘法器，所述乘法器具有指示所述周期时间中的开关接通时间的输出端，该输出端连接至所述脉冲宽度调制器的另一输入端；比较器，所述比较器具有指示相对于最小工作接通时间的工作接通时间状态的输出端，该输出端连接至所述周期选择器的一输入端。当所述工作接通时间状态大于最小工作接通时间时，所述周期选择器向所述脉冲宽度调制器输出额定周期时间。当所述工作接通时间状态小于所述最小工作接通时间时，所述周期选择器输出比额定周期时间大的更新的周期时间。相应地，脉冲宽度调制器输出具有更新的周期时间和与紧邻的前一个脉冲信号的占空比相等的占空比的脉冲信号。
【附图说明】
[0012]本文中描述的附图仅用于说明目的且不意图以任何方式限制本实用新型的范围。
[0013]图1为示例性开关控制器电路；
[0014]图2为示例性降压型电源转换器电路；
[0015]图3为另一示例性开关控制器电路；和
[0016]图4为示例性方法的示例性逻辑流程。
【具体实施方式】
[0017]以下描述实质上仅为示例性的，并不意图限制本实用新型、应用或使用。
[0018]—些仪表等级和精度的电源需要工作在相对宽的输出电压范围内(例如3V-12V)。其它电源(也称为电源转换器)需要宽的输出电压微调范围，例如，0.8V-5V，并且有时，当负载阻抗非常低(例如小于1hm)时，电源转换器会需要在接近零的输出电压处工作在连续模式下。处于相对额定输出电压而言低的输出电压级别上的电源转换器工作引起控制问题。低输出电压控制问题之一是，当工作接通时间随着输出电压降低而变得越来越小时保持连续模式的能力。基于包括电源转换器的PWM分辨率、各种传播延时、有源开关和驱动器的上升和下降时间等的多种因素，电源转换器可进入突发模式以实现平均性能并保持所需的输出电压和/或电流。然而，对于精确的应用，突发模式导致不可接受的输出脉动等级和极度缓慢的调节响应。
[0019]以下公开的示例性实施方式和方法适应性地监控电源转换器的工作接通时间，并改变降压型转换器和降压型变体的工作频率(也相对周期时间进行描述)，以保持工作接通时间大于预设或预定的最小可控接通时间。根据一个示例，当达到最小接通时间时，在保持当前占空比不变的同时降低工作频率(即，增大周期时间)。无论电源转换器何时试图将工作接通时间降低至设定的最小接通时间以下，工作频率变化过程可以是连续的。
[0020]当这种所需的频率变化很大(例如几百纳秒)时，可以根据应用需求在一个或几个步骤中实现该频率变化。例如，如果要求工作频率从200kHz变化到100kHz，伴随10%的接通时间，则单一周期从5000ns增大到10000ns，且接通时间从500ns增大到1000ns。在之前的示例中，单一步骤的频率变化会引起操作问题，推荐从200kHz到10kHz的多步骤变化。然而，如果工作频率从200kHz变化到190kHz，伴随相同的10%的接通时间，则单一周期变化263ns，接通时间增加26.3ns，并且可以实现单一步骤的频率变化，而不会对性能产生显著的负面影响。因此，公开的示例允许通过以相对窄的占空比进行操作而对电源转换器进行密切控制，这些相对窄的占空比允许电源转换器避免突发模式操作及因而发生的调节响应和输出脉动的恶化。
[0021]公开的示例也可以提高设计成工作在宽的输出电压范围(例如0.8V-5V)内的大宗VRM产品的效率。相比较高的电压设置，现有的VRM的效率在较低的电压设置处显著降低。在保持当前占空比的同时，随着降低输出电压设置而改变切换工作频率，可以显著提高电源转换效率。
[0022]公开的开关控制器的示例可以使用模拟控制来实现；然而相信数字控制实现可以产生相对更好的结果。
[0023]本实用新型适用于降压型转换器和变型的降压型转换器(称为降压型转换器)，例如正向转换器、交叉正向转换器、半桥式转换器和全桥式转换器等。这些适用的电源转换器的共同特征是，每一种都具有用于保持恒定的输出电流(I。)并传送低脉动、平滑的直流(Direct Current, DC)电压输出(Vc^Vciut)的输出级电感器。
[0024]对于降压型转换器中的电压模式控制，当处于连续导通模式(continuousconduct1n mode, CCM)时，在不考虑电路损耗和延时的情况下，输出电压符合上面的公式
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[0025]在实际应用中，电源转换器电路的损耗和延时会导致实