专利名称：功率转换器中的快速暂态分步负载响应的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率转换器。
背景技术：
该部分提供涉及本发明的背景技术的信息，但这些内容不一定构成现有 技术。
许多现代电子系统要求高电流转换速率。这种快速暂态分步负载要求仔 细设计功率转换器的电压控制回路和输出滤波器，以保持电压过沖 (overshoot)和下冲(undershoot)在所需规格范围内。这经常导致减少输 出电感器和提高开关频率。
在典型的PFC升压预调整器中，大型电源中的大幅的电压摆动是用于确 定大容量电容器规格的一个重要因素。例如，用于调整390伏电压的典型的 PFC升压轨通常需要450伏大容量电容器，因为甩负荷(loaddump)期间的 电压过冲可能高达430伏。
类似地，在典型的电压调整器模块(VRM)中，通常使用大量昂贵的负 载电容器以满足高电流转换速率的需要。由于这个原因，VRM典型地包括 较小值的输出电感器和较大值的开关频率。另外，VRM通常利用非常高的 增益来响应输出电压中的非常小的变化。这在一些VRM中可能会产生稳定 性问题。
发明内容
该部分提供对本发明的一般性概括，但这并不是本发明的全部保护范围 和全部特征的全面披露。根据本发明的一个方面，公开了一种控制功率转换器的方法，该功率转 换器具有至少一个开关装置,该功率转换器用于向负载提供输出电压和负载 电流。该方法包括感测输出电压、感测负载电流。该方法还包括，当负载电 流的变化率没有超过阈值水平时，根据感测的输出电压和电压控制回路来控 制开关装置的占空比。该方法进一步包括，当负载电流的变化率超过阈值水
平时，调整由电压控制回路:&定的开关装置的占空比。
根据本发明的另一个方面，功率转换器包括控制器和至少一个开关装 置。该控制器被配置成，当负载电流的变化率没有超过阈值水平时，根据感 测的输出电压和电压控制回路来控制开关装置的占空比。该控制器还被配置 以，当负载电流的变化率超过阈值水平时，调整由电压控制回路设定的开关 装置的占空比。
通过阅读本文提供的描述，将会清楚本发明的其它应用领域。该发明内 容部分中的描述和特定实例仅仅是为了说明目的，而不应当限制本发明的保 护范围。
本文中所描述的附图仅仅是为了对所选的实施例进行的说明的目的，而 不表示所有可能的执行方案，不应当限制本发明的保护范围。
图1是根据一个实施例的功率转换器的电路图，该功率转换器包括PFC 升压转换器、开关电源、控制器和采样电路。
图2是根据本发明的另一个实施例的电压调整器模块(VRM)系统的电 路图3是功率转换器的示例模拟实施方式的电路图，包括用于响应分步负 载变化而调整功率转换器的占空比的模拟电路；
图4是在没有负载电流感测的情况下的图3中的功率转换器上的负载的 分步增加对电流和电压的影响的图5是在具有负载电流感测和电流比例控制的情况下的图3中的功率转 换器上的负载的分步增加对电流和电压的影响的图6是在没有负载电流感测的情况下的图3中的功率转换器上的负载的 分步减少对电流和电压的影响的图；和
图7是在具有负载电流感测和电流比例控制的情况下的图3中的功率转换器上的负载的分步减少对电流和电压的影响的图。
具体实施例方式
现将参照附图更为全面地描述各示例性实施例。
提供示例性实施例是为了使本发明详尽透彻，并且使本领域技术人员完 全理解本发明的保护范围。本文中描述了许多特定的细节，作为特定部件、 设备和方法的实例，以使读者能够透彻地理解本发明的实施例。本领域技术 人员将会清楚，不需要采用特定的细节，可以通过多种不同的方式来实施本 发明的示例性实施例，并且这些细节和实施例不应限制本发明的范围。在一 些实施例中，将不再详细描述公知的处理、公知的设备结构以及公知的技术。
本文中所使用的术语仅仅是为了描述特定的示例性实施例的目的，而不 应构成限制。在本文中所使用的单数形式"一"、"一个"和"该"意指也包 括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。术语"包含"、"包含有"、"包括" 和"具有"是开放式的包括，因此指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、 元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、 部件、元件和/或它们的组的存在或增加。本文所描述的方法步骤、处理和操 作不被认为是必须要求它们以所讨论的或所示出的特定顺序执行，除非明确 地指出为执行顺序。还应理解，也可以采用附加的或可替代的步骤。
当一个元件或层被称为"在......上"、"啮合到"、"连接到"或"耦合到"
另一元件或层，它可以是直接在另一元件或层上、直接地啮合到、连接到或 耦合到另一元件或层，或者可以存在中介元件或层。相反，当一个部件被称 为"直接在……上"、"直接啮合到"、"直接连接到"或"直接耦合到"另一 部件或层，则不存在中介元件或层。用于描述元件间关系的其它词语应该以 类似的方式来解释(例如，"在……之间"与"直接在......之间"，"相邻"
与"直接相邻"，等等)。本文中所使用的术语"和/或"包括一个或多个连关 联地列出的项目的任意和全部组合。
尽管本文中使用术语第一、第二、第三等来描述不同的元件、部件、区 域、层和/或部分，但这些元件、部件、区域、层和/或部分不应该受到这些 术语限制。这些术语仅仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个 区域、层或部分相区分。当在本文中使用时，诸如"第一"、"第二"的术语 和其它数值术语并不包含次序或顺序的含义，除非上下文清楚地指出。因此，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可能会被称作第二元件、部件、 区域、层或部分，而不会脱离本发明的示例性实施例的教导。
根据本发明的一个方面，公开了一种控制功率转换器的方法，该功率转 换器具有至少一个开关装置，用于向负载提供输出电压和负载电流。该方法 包括感测输出电压、感测负载电流。该方法还包括，当负载电流的变化率没 有超过阈值水平时，根据感测的输出电压和电压控制回路来控制开关装置的 占空比。该方法进一步包括，当负载电流的变化率超过阈值水平时，调整由 电压控制回路设定的开关装置的占空比。
该方法可以被用在具有一个或多个开关装置的任何功率转换器拓朴中， 其中输入到负载的输出电流可以在转换器的大容量输出电容器之后被感测。
例如，该方法可以被用在功率因数校正(PFC)升压调整器、电压调整模块 (VRM)和/或DC-DC转换器中。通过这种方法，可以减少大容量电容器 上的应力和大的电压改变。当用在VRM中时，该方法尤其可以减少电压过 沖和下沖。
现将参照图l-7来讨论用于执行上述方法的示例性功率转换器。然而， 应理解，该方法可以在各种其它功率转换器中执行，而不脱离本发明的教导。
图1示出了根据本发明的至少一个方面的电源， 一般性地用附图标记 100指示。该电源包括用于向负载提供输出电压和电流的PFC升压功率转换 器102。在示例性电源100中，负载是开关式功率转换器104。桥式整流器 108对来自电压源106的AC电压进行整流并将其输入到PFC升压功率转换
输出电压被输入到开关式功率转换器104。开关式功率转换器104向负载110 提供功率。
器112可以是模拟控制器或数字控制器。该控制器112控制，尤其是，PFC 升压功率转换器102中的开关装置，如Ql,的开关占空比，以调整PFC升 压功率转换器102的输出电压。功率转换器102中的电流以第二频率:^皮采样。 在一些实施例中，第二频率大于电压被采样的第一频率。在图1中，示出了 由釆样电路114采样的电流。采样电路114可以是控制器112的一部分、外 部电路或者二者的组合。通过使用耦合到大容量输出电容器118的输出侧上 的转换器102的串联感测电阻器H6来感测电流。可以使用能够感测电流的任何其它设备，诸如变流器、霍耳效应传感器等来代替感测电阻器116,或 者和感测电阻器116—起^f吏用。
如上面所提到的，采样电路114可以是分立电路、控制器112的一部分、 或者控制器112与控制器112外部的部件的组合。例如，采样电路114可以 包括外部比较器，该比较器产生输入到控制器112的逻辑电平，以指示负载 电流水平。可替代地或附加地，采样电路114包括控制器112中的比较器(如 果可用的话)。该采样电路还可以包括，或附加地包括控制器112中的快速 模拟数字转换器(ADC)。
当对分步负载施加电源100时，例如，当半负载几乎瞬时变成全负载时， 负载电流变化非常快。将每个电流采样与前一釆样相比较。当电流的变化， 也就是di/dt达到预定阈值时，采样电路114确定负载在快速变化，并且开关 装置Q1的占空比应该被调整以使电压过沖和下冲最小化。其中，PFC升压 功率转换器102可以提供的最大电流变化速率由开关装置Ql的占空比决定。 因此，调整占空比会改变PFC升压功率转换器102可以以多快的速度来响应 负载变化，从而改变产生的电压过冲和下冲的多少。电流以一定的频率被采 样，该频率足以在输出电压变化之前检测到电流的变化。这允许控制器112 对输出电流的变化做出快速响应。
采样电路114确定对开关装置的占空比的调整。这可以以多种方式实现。 采样电路114可以包括预定的查询表，该查询表已被校准，以基于一个或多 个操作参数，例如输入条件、输出电压、输出电流和输出电流的变化率，来 提供所需的占空比调整。对占空比的调整也可通过方程来确定。这样，为了 改进PFC升压功率转换器102对分步负载变化的响应，采样电路114不考虑 由控制器112的电压控制回路设定的占空比，并根据先前确定的占空比调整 来调整占空比。该调整的持续时间可以以许多方式来设定/确定。该持续时间 可以是，例如，设定的时间长度、 一定数量的开关周期或者可以一直持续到 达到稳态。不管使用了哪种方式来确定持续时间，当调整的持续时间结束时， 占空比的电压控制再由控制器112接管。
调整的占空比可以从两个分量得到。第一分量是由控制器112基于，例 如参考和输出电压电平提供的占空比。当功率转换器102在稳态工作时，这 是用于得到调整的占空比的唯一的分量。第二分量可以通过使用负载电流作 为控制器112的另外的输入来实现，用来计算占空比。用于调整的占空比的第二分量可以由非线性分量来提供。当输出到负载的输出电流快速变化时， 该非线性分量将更改或替换原有的占空比以达到调整的占空比。加到原有占 空比(或从原有占空比减去)的量的确定可以基于方程或查询表。该方程或 查询表可以通过模拟产生，然后通过实际测试加以精调。
通过举例的方式，假设电源100在50%的负栽的情况下稳态运行，并且
输入电流为2A。如果分步负载被以确定的转换速率施加到电源的输出，则
在输入侧得到的电流转换速率将依赖于电源的升压比或降压比。例如，如果
负载电流以需要输入电流在40微秒内从2A增加到4A的速率从50%变到 100%,将导致每微秒50毫安的转换速率。
当电流增加时，所需的2A的额外电流将由大容量电容器118来提供。 因为大容量电容器118被选择为具有大电容值，所以在该时间内它不会显著 地放电。然而，由于电容器118的等效串联电阻(ESR),输入到开关式功率 转换器104将有小的电压降。因为由该电容器的ESR所引起的电压降非常 小，所以控制器112可能识别不出该变化。另外，控制器112以很慢的频率 对该电压进行采样。这样，在控制器112对该电压进行采样并识别出该电压 已经发生变化之前将需要花费一些时间。如果该电压以例如2kHz的频率被 采样，则每500微秒该电压仅被采样一次。当电流在40微秒内完全斜线上 升时，很可能在电流增加的时候电压没有被采样。然而，采样电路114对电 流采样的频率大于电压采样频率。精确的频率依赖于控制器112、 ADC和/ 或为采样电路114所选的其它元件，但是100kHz的频率是合理的例子。因 此，采样电路每IO微秒对电流采样一次，并且在电流达到4A所需的40微 秒期间将得到四次采样。
在该时间内，与之前的值相比，每个电流采样都非常大。当电流的变化 达到阈值时，采样电路114将为开关Ql确定新的占空比。采样电路114可 以通过从上文所讨论的预校准的查询表检索到该调整来确定该新的占空比。 然后，采样电路不考虑控制器112的电压控制部分而在预定时间内使占空比 变成或增大到该新的占空比。这样，当负载电流从2A斜线上升到4A时， 每个电流采样可以导致开关装置Q1的占空比的增大。该调整的占空比可高 达100%。如上文所讨论的，该调整的占空比将在特定的时间保持在该水平， 除非负载电流有实质的变化。最后，当调整的持续时间结束时，占空比的电 压控制再由控制器112接管。类似地，当由于分步卸下负载而^f吏功率转换器102的输出电流斜线下降 时，采样电路114能够快速响应并减少占空比，以促使电压过沖最小化。在 分步卸下负载的过程中，如上文所讨论的，Ql的占空比将在特定持续时间 内持续减小。该减少的占空比可能低至0%占空比。
图2的VRM系统200示出了另一个实施例。VRM220接收DC输入电 压并为负载210提供输出电压。图中所示的负载是微处理器，但负载也可以 是VRM可以使用的任何负载。与图l的电路类似，控制器212以第一频率 对由VRM 220提供的输出电压进行采样，并以第二频率对输出电流进行采 样。在图2中，示出了由采样电路214采样的电流。采样电路214可以是控 制器212的一部分、外部电路或者二者的组合。使用串联感测电阻器216来 感测电流。也可以使用能够感测电流的任何其它设备，例如变流器、霍耳效 应传感器等来代替感测电阻器216,或者和感测电阻器216 —起使用。
在这个例子中，VRM 220对12V输入进行操作以产生1.2V的输出电压 并传送20A的最大负载电流。它以lMHz开关频率运行并使用0.2juH输出 电感器并被放置在靠近负载处。该负载可以以每微秒100A的速率改变电流。 技术规格允许提供给负载的电压中有最大50mV的过沖和/或下沖。输出电容 器218的ESR在图中被示为电阻器222。选择电容器218，使得其ESR是传 感电阻器216的一半电阻。
电流采样电路214包括四个比较器电路，该四个比较器电路被配置成， 当负载电流以最大可能变化的25%逐步变化时进行检测。来自传感电阻器 216的电流检测信号也可以通过使用精密的低偏移差动放大器来进行放大， 并被馈送到控制器212的模拟数字转换器(ADC)以进行处理。典型的快速 比较器和快速控制器212可在50到75纳秒内完成这个任务。
当负载所需的电流以每微秒100A的速率从5A斜线上升到20A时，输 出电流的变化将在150纳秒内发生。该比较器识别电流的变化并触发中断信 号。在执行该任务所需的50到75纳秒期间，另外15A的负载电流由电容器 218提供。在该时间期间，电容器将放电7mV。由于电容器放电、传感电阻 器216两端的电压降和电阻器222两端的电压降，4吏得提供给负载的电压将 减少大约22mV。该控制器212使占空比变成接近100%,并且VRM电感器 224中的电流将开始减少。电流的增加速率将取决于电感器的值。当在0.2 iaH电感器两端施加10.8V时，电流将以每微秒54A的速率斜线上升。这样，从5A沿斜线上升到20A将总共需要277纳秒。在该时间期间，电容器218 将提供该额外的15A电流的大约一半。这导致电容器218进一步放电到 1.16V电压。这样，输出电压保持在所需的1.2V的50mV允许下沖范围内。 在该实施例中，电感器中的电流緩变率是可预测的，并且修改后的占空 比可以被使用预定的时间长度。这样，当负载从5A切换到20A时，占空比 仅需277纳秒就增加到大约100%。该时间之后，控制器被允许恢复占空比 的电压控制。
图3示出了根据本发明的 一个或多个方面的用于提供功率给负载310的 模拟电路300。该电路300包括提供输出电压给负载310的功率转换器326。 该电路300包括电压误差放大器328，该电压误差放大器328用于放大提供 到负载310的电压的误差。电路300进一步包括集成的电流采样和控制电路 330。
图4的曲线图示出了在不使用电流采样和控制电路330的情况下，负载 分步变化对图3的功率转换器326的输出电压的影响。该功率转换器326经 受着以每微秒5A的速率从30A到60A的分步负载变化。在432，该分步变 化可以在功率转换器326中的串联感测电阻器R4两端的电压变化中看到。 如434所示，当负载突然变化时，从功率转换器326输出的电压尖峰下降。 到功率转换器的电感器中的电流已增加到足以克服该电压的减少的时候，该 电压已从12伏降到11.4伏。随着时间的继续，电压增加，直到它过冲到稳 态12V为止。该模式继续，直到通过电感器的电流和输出电压再次达到稳态 为止。
图5示出了当使用电流采样和控制电路330时，同样的分步负载变化对 图3中的电路300的影响。在532,该功率转换器经受着同样的30A到60A 的负载变化。尽管输出电压仍然在534骤降，但输出电压的最小值约为11.65 伏。这样，与图4所示的结果比较，由负载变化引起的电压降减少了 0.2伏 以上。
类似地，图6和7示出了功率转换器326对负载分步减少的响应。负载 的分步变化是以每微秒5A的速率从60A减少到30A。图6示出了当不使用 电流采样和控制电路330时的响应。在636，负载变化引起的感测电阻器R4 两端的电压变化是明显的。响应于负载的突然变化，来自功率转换器326的 电压输出从稳态12V输出尖峰上升，并到达峰值12.6V。相反，当使用电流采样和控制电路330时，功率转换器326经受着同样的负载分步减少，如图 7所示。和图6 —样，在736可以,人感测电阻器R4两端的电压看到负载的 变化。类似地，功率转换器326的输出电压从稳态12V在738处尖峰上升。 然而，该输出电压的峰值低于12.4伏。响应于负载分步增加，使用电流采样 和控制电路330使得峰值电压过沖减少了 0.2伏以上。
上文提供的对实施例的描述是为了示例和说明的目的。这并不是穷举也 不应构成对本发明的限制。特定实施例的个别元件或特征通常不限于这些特 定的实施例，但是，在可应用的情况下，是可互换的并且可以被用在选择的 实施例中，尽管没有特別地示出或描述。同样的部分也可以以多种方式变化。 这些变化不应被认为脱离本发明，并且所有这些修改都应包括在本发明的保 护范围内。
权利要求
1. 一种控制功率转换器的方法，该功率转换器具有至少一个开关装置，并且该功率转换器用于向负载提供输出电压和负载电流，该方法包括感测所述输出电压；感测所述负载电流；当所述负载电流的变化率没有超过阈值水平时，根据感测的输出电压和电压控制回路来控制所述开关装置的占空比；以及当所述负载电流的变化率超过所述阈值水平时，调整由所述电压控制回路设定的开关装置的占空比。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，调整步骤包括在感测由于所述负载 电流的变化率而导致的所述输出电压的变化之前，调整所述开关装置的占空 比。
3. 如权利要求2所述的方法，其中，调整步骤包括当所述负载电流增加 时，增大所述开关装置的占空比，并且当所述负载电流减少时，减小所述开 关装置的占空比。
4. 如权利要求2所述的方法，其中，感测所述输出电压包括以第一频率 对所述输出电压采样，并且其中，感测所述负载电流包括以第二频率对所述 负载电流采样，所述第二频率大于所述第一频率。
5. 如权利要求1所述的方法，其中，调整步骤包括才艮据感测的负载电流 来调整所述开关装置的占空比。
6. 如权利要求1所述的方法，其中，所述功率转换器是DC-DC转换器。
7. 如权利要求1所述的方法，其中，所述功率转换器是PFC升压转换器。
8. 如权利要求1所述的方法，其中，所述功率转换器是电压调整模块 (V謹)。
9. 如权利要求l所述的方法，其中，所述功率转换器包括用于控制和调整所述开关装置的占空比的数字控制器。
10. 如权利要求9所述的方法，其中，所述数字控制器被配置成，通过 对所述输出电压采样来感测所述输出电压，并通过对所述负载电流采样来感 测所述负载电 流。
11. 一种功率转换器，包括控制器和至少一个开关装置，该控制器被配 置成，当负载电流的变化率没有超过阈值水平时，才艮据感测的输出电压和电 压控制回路来控制所述开关装置的占空比，并且当所述负载电流的变化率超 过所述阈值水平时，调整由所述电压控制回路设定的所述开关装置的占空 比。
12. 如权利要求11所述的功率转换器，其中，所述功率转换器被配置成 以第一频率对所述输出电压采样并以第二频率对所述负载电流采样，所述第 二频率大于所述第一频率。
13. 如权利要求11所述的功率转换器，其中，所述控制器被配置成对所 述输出电压采样。
14. 如权利要求13所述的功率转换器，其中，所述控制器包括用于对所 述负载电流进行采样的采样电路。
15. 如权利要求14所述的功率转换器，其中，所述控制器是数字控制器。
16. 如权利要求11所述的功率转换器，进一步包括用于对所述负载电流 进行采样的采样电路。
17. 如权利要求11所述的功率转换器，其中，所述功率转换器是DC-DC转换器。
18. 如权利要求11所述的功率转换器，其中，所述功率转换器是PFC 升压转换器。
19. 如权利要求11所述的功率转换器，其中，所述功率转换器是电压调 整模块(VRM)。
全文摘要
本发明公开了一种控制功率转换器的方法，该功率转换器具有至少一个开关装置，并用来向负载提供输出电压和负载电流。该方法包括感测输出电压和感测负载电流。该方法进一步包括，当负载电流的变化率不超过阈值水平时，根据感测的输出电压和电压控制回路来控制开关装置的占空比。该方法还包括，当负载电流的变化率超过阈值水平时，调整由电压控制回路设定的开关装置的占空比。
文档编号H02M3/10GK101436826SQ20081018870
公开日2009年5月20日 申请日期2008年9月28日 优先权日2007年9月28日
发明者埃文·M·埃斯皮纳, 扬西·F·邦凯托, 维杰·G·法德克, 阿兰多·V·阿桑乔恩 申请人:雅达电子国际有限公司