用于控制电源的控制器和方法以及电源的制作方法
【专利摘要】本发明提供用于控制电源的控制器和方法以及电源。一种示例控制器包括：用于接收输入电流读出信号、输入电压读出信号以及输出电压读出信号的装置；以及，用于生成控制信号以控制所述电源的开关的切换从而调节所述电源的输出电流的装置。生成所述控制信号包括：在所述控制信号的开关周期期间对所述输入电流读出信号进行积分从而生成积分信号，该积分信号代表从所述电源的输入电压源取得的电荷；以及，控制所述开关的切换以使得所述积分信号成比例于所述输出电压读出信号与所述输入电压读出信号的比率。
【专利说明】用于控制电源的控制器和方法以及电源
[0001]本申请是申请日为2010年5月28日、名称为“用于电源的输入电荷控制的方法和设备”的第201010188487.2号发明专利申请的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明总体上涉及电源，更具体而言，本发明涉及通过测量从电源输入接收的电荷的量来调节该电源的输出的控制电路。
【背景技术】
[0003]在典型的开关模式(switched-mode)电源应用中，ac_dc电源从普通的ac插座接收介于100伏特和240伏特rms (均方根)之间的输入。该电源中的开关被控制电路接通和断开以提供已调节的输出，该输出可适于运行电子器件，或适于对向电子器件供电的电池充电。该已调节的输出典型地是小于10伏dc的dc电压。此外，当该电源对电池充电时，来自该输出的电流通常是已调节的。
[0004]安全机构通常要求电源在输入和输出之间提供流电隔离(galvanic isolation)。流电隔离防止dc电流在电源的输入和输出之间流动。换句话说，施加在该电源的输入端和输出端之间的高的dc电压将不会在该电源的输入端和输出端之间产生dc电流。对流电隔离的要求是电源成本的一个因素。
[0005]具有流电隔离的电源必须维持一个隔离屏障(isolation barrier),该隔离屏障将输入与输出在电学上隔离。能量必须被传递穿过隔离屏障才能将功率提供到输出，且在许多情况下，反馈信号形式的信息被传递穿过隔离屏障以对输出进行调节。流电隔离典型地是用电磁器件和电光器件实现的。电磁器件一诸如变换器(transformer )和耦合电感
(coupled inductor)-通常被用于在输入和输出之间传递能量以提供输出功率，而电光
器件通常被用于在输出和输入之间传递信号以控制输入和输出之间的能量传递。
[0006]降低电源成本的努力一直聚焦于除去电光器件及其关联电路。替代方案通常使用单个能量传递元件——例如变换器或例如耦合电感——来向输出提供能量，并且也获得对控制该输出所必需的信息。成本最低的配置典型地将控制电路和高压开关布置在隔离屏障的输入侧。控制器通过对能量传递元件的绕组处的电压的观察，间接地获得关于输出的信息。提供该信息的绕组也位于隔离屏障的输入侧。为了进一步降低成本和复杂度，控制器也可使用能量传递元件的同一绕组来获得关于到电源的输入的信息，以控制该电源的输出。
[0007]隔离屏障的输入侧有时被称为初级侧，而隔离屏障的输出侧有时被称为次级侧。未与初级侧流电隔离的能量传递元件的绕组也是初级侧绕组，有时被称为初级参考绕组(primary reference winding)。初级侧上的、稱合到输入电压并且从输入电压接收能量的绕组，有时被简单地称为初级绕组。向初级侧上的电路递送能量的其他初级参考绕组可具有描述其主要功能的名称，例如偏置绕组(bias winding),或者例如读出绕组(sensewinding)。与初级侧绕组流电隔离的绕组是次级侧绕组，有时被称为输出绕组。
[0008]虽然使用隔离屏障的输入侧的绕组来间接地获得关于流电隔离输出电压的信息是相当明了的，但间接地获得关于流电隔离输出电流的信息则是一项不同的挑战。在许多电源拓扑结构中，仅靠对输入绕组中的电流的测量不足以确定输出电流。用于测量输出电流的传统方案通常包括电流到电压的转换，该转换浪费功率并且使用昂贵的组件来将信号传过隔离屏障。
【发明内容】
[0009]本发明提供了一种用于电源的控制器，所述控制器包括:恒定电流控制电路，其待被耦合以接收输入电流读出信号、输入电压读出信号以及输出电压读出信号，并被配置为，通过生成控制信号以控制所述电源的开关的切换从而调节所述电源的输出电流；以及积分器，其被包括在所述恒定电流控制电路中并被耦合，以在所述控制信号的开关周期期间对所述输入电流读出信号进行积分从而生成积分信号，该积分信号代表从所述电源的输入电压源取得的电荷，其中所述恒定电流控制电路被配置为，控制所述开关的切换以使得所述积分信号成比例于所述输出电压读出信号与所述输入电压读出信号的比率。
[0010]优选地，其中所述控制信号是第一控制信号，所述控制器还包括恒定电压控制电路，以响应于所述输出电压读出信号而生成第二控制信号，以控制所述开关的切换从而调节所述电源的输出电压。
[0011 ] 优选地，所述控制器还包括逻辑电路，其被耦合到所述恒定电压控制电路，以当所述输出电流小于阈电流时响应于所述第二控制信号来控制所述开关的切换从而调节所述电源的输出电压，且所述逻辑电路被耦合到所述恒定电流控制电路，以当所述输出电压小于阈电压时响应于所述第一控制信号来控制所述开关的切换从而调节所述输出电流。
[0012]优选地，所述控制器还包括振荡器以产生最大占空比信号，其中所述逻辑电路的第一输入被耦合以接收所述第一控制信号，所述逻辑电路的第二输入被耦合以接收所述第二控制信号，且所述逻辑电路的第三输入被耦合以接收所述最大占空比信号。
[0013]优选地，其中当调节所述输出电压时，所述输出电压被调节至所述阈电压，并且其中当调节所述输出电流时，所述输出电流被调节至所述阈电流。
[0014]优选地，其中所述控制器响应于如下现象而将所述开关从开态切换到关态:所述积分信号达到这样的值，该值成比例于所述输出电压读出信号与所述输入电压读出信号的比率。
[0015]优选地，其中所述恒定电流控制电路还包括算术运算器电路，其被耦合以对所述输入电压读出信号进行乘、除或缩放。
[0016]优选地，其中所述算术运算器电路被耦合，以将所述输出电压读出信号除以所述输入电压读出信号从而生成参考信号，所述恒定电流控制电路还包括比较器，该比较器具有:第一输入，其被耦合以接收所述参考信号；第二输入，其被耦合以接收所述积分信号；以及输出，其被耦合以输出所述控制信号。
[0017]优选地，其中所述算术运算器电路被耦合，以将所述输入电压读出信号乘以所述积分信号从而生成乘法信号，所述恒定电流控制信号还包括比较器，该比较器具有:第一输入，其被耦合以接收所述乘法信号；第二输入，其被耦合以接收所述输出电压读出信号；以及输出，其被耦合以输出所述控制信号。
[0018]优选地，所述控制器还包括:第一可变电流源，其被所述输入电压读出信号控制，以生成第一电流；第一积分器，其被耦合，以对所述第一电流进行积分从而生成电压斜波信号；第二可变电流源，其被所述输出电压读出信号控制，以生成第二电流；第二积分器，其被耦合，以当所述开关处于关态时对所述第二电流进行积分从而提供跟踪和保持电压，其中在所述电压斜波信号达到参考电压之际，所述跟踪和保持电压成比例于所述输出电压读出信号与所述输入电压读出信号的比率；以及比较器，其具有:第一输入，其被耦合以接收所述跟踪和保持电压；第二输入，其被耦合以接收所述积分信号；以及输出，其被耦合以输出所述控制信号。
[0019]优选地，所述控制器还包括:输入端，其待被耦合以接收组合电压读出信号，该组合电压读出信号代表所述电源的输入电压和输出电压；以及信号分离器，其被I禹合在所述输入端和所述恒定电流控制电路之间，以将所述组合电压读出信号分离成所述输入电压读出信号和所述输出电压读出信号。
[0020]优选地，其中所述开关和所述恒定电流控制电路被集成到单个单片集成器件中。
[0021]本发明还提供了一种用于电源的控制器，所述控制器包括:恒定电流控制电路，其待被耦合以接收输入电流读出信号、输入电压读出信号以及输出电压读出信号，并被配置为，通过生成控制信号以控制所述电源的开关的切换从而调节所述电源的输出电流；积分器，其被包括在所述恒定电流控制电路中并被耦合，以在所述控制信号的开关周期期间对所述输入电流读出信号进行积分从而生成积分信号，该积分信号代表从所述电源的输入电压源取得的电荷；算术运算器电路，其被耦合以生成参考信号，该参考信号成比例于所述输出电压读出信号与所述输入电压读出信号的比率；以及比较器，其被耦合到所述积分器和所述算术运算器，其中所述比较器待被耦合以响应于如下现象而将所述开关变到关态:所述积分信号达到所述参考信号的值。
[0022]优选地，所述控制器还包括恒定电压控制电路，以响应于所述输出电压读出信号来控制所述开关的切换从而调节所述电源的输出电压。
[0023]优选地，所述控制器还包括逻辑电路，其被耦合到所述恒定电压控制电路，以当所述输出电流小于阈电流时控制所述开关的切换从而调节所述电源的输出电压，且所述逻辑电路被耦合到所述恒定电流控制电路，以当所述输出电压小于阈电压时控制所述开关的切换从而调节所述输出电流。
[0024]优选地，所述控制器还包括振荡器以生成最大占空比信号，其中所述逻辑电路的第一输入被耦合到所述恒定电流控制电路，所述逻辑电路的第二输入被耦合到所述恒定电压控制电路，且所述逻辑电路的第三输入被耦合以接收所述最大占空比信号。
[0025]优选地，其中当调节所述输出电压时，所述输出电压被调节至所述阈电压，并且其中当调节所述输出电流时，所述输出电流被调节至所述阈电流。
[0026]优选地，其中所述算术运算器电路被耦合，以将所述输出电压读出信号除以所述输入电压读出信号从而生成所述参考信号。
[0027]优选地，其中所述算术运算器包括:第一可变电流源，其被所述输入电压读出信号控制，以生成第一电流；第一积分器，其被耦合，以对所述第一电流进行积分从而生成电压斜波信号；第二可变电流源，其被所述输出电压读出信号控制，以生成第二电流；和第二积分器，其被耦合，以当所述开关处于关态时对所述第二电流进行积分从而提供所述参考信号，其中在所述电压斜波信号达到参考电压之际，所述参考信号成比例于所述输出电压读出信号与所述输入电压读出信号的比率。
[0028]优选地，其中所述开关和所述恒定电流控制电路被集成到单个单片集成器件中。
[0029]本发明还提供了一种用于电源的控制器，所述控制器包括:恒定电流控制电路，其待被耦合以接收输入电流读出信号、输入电压读出信号以及输出电压读出信号，并被配置为，通过生成控制信号以控制所述电源的开关的切换从而调节所述电源的输出电流；积分器，其被包括在所述恒定电流控制电路中并被耦合，以在所述控制信号的开关周期期间对所述输入电流读出信号进行积分从而生成积分信号，该积分信号代表从所述电源的输入电压源取得的电荷；算术运算器电路，其被耦合以生成乘法信号，该乘法信号成比例于所述输入电压读出信号与所述积分信号的乘积；以及比较器，其被耦合以接收所述输出电压读出信号，并被耦合至所述算术运算器，其中所述比较器待被耦合以响应于如下现象而将所述开关变到关态:所述积分信号达到所述输出电压读出信号的值。
[0030]优选地，所述控制器还包括恒定电压控制电路，以响应于所述输出电压读出信号来控制所述开关的切换从而调节所述电源的输出电压。
[0031 ] 优选地，所述控制器还包括逻辑电路，其被耦合到所述恒定电压控制电路，以当所述输出电流小于阈电流时控制所述开关的切换从而调节所述电源的输出电压，且所述逻辑电路被耦合到所述恒定电流控制电路，以当所述输出电压小于阈电压时控制所述开关的切换从而调节所述输出电流。
[0032]优选地，所述控制器还包括振荡器以生成最大占空比信号，其中所述逻辑电路的第一输入被耦合到所述恒定电流控制电路，所述逻辑电路的第二输入被耦合到所述恒定电压控制电路，且所述逻辑电路的第三输入被耦合以接收所述最大占空比信号。
[0033]优选地，其中当调节所述输出电压时，所述输出电压被调节至所述阈电压，且其中当调节所述输出电流时，所述输出电流被调节至所述阈电流。
[0034]优选地，其中所述开关和所述恒定电流控制电路被集成到单个单片集成器件中。
[0035]本发明还提供一种用于控制电源以具有恒定电流输出的控制器，所述控制器包括:
[0036]用于接收输入电流读出信号、输入电压读出信号以及输出电压读出信号的装置；以及
[0037]用于生成控制信号以控制所述电源的开关的切换从而调节所述电源的输出电流的装置，其中生成所述控制信号包括:
[0038]在所述控制信号的开关周期期间对所述输入电流读出信号进行积分从而生成积分信号，该积分信号代表从所述电源的输入电压源取得的电荷；以及
[0039]控制所述开关的切换以使得所述积分信号成比例于所述输出电压读出信号与所述输入电压读出信号的比率。
[0040]本发明还提供一种用于控制电源以具有恒定电流输出的方法，所述方法包括:
[0041]接收输入电流读出信号、输入电压读出信号以及输出电压读出信号的装置；以及
[0042]生成控制信号以控制所述电源的开关的切换从而调节所述电源的输出电流，其中生成所述控制信号包括:
[0043]在所述控制信号的开关周期期间对所述输入电流读出信号进行积分从而生成积分信号，该积分信号代表从所述电源的输入电压源取得的电荷；以及[0044]控制所述开关的切换以使得所述积分信号成比例于所述输出电压读出信号与所述输入电压读出信号的比率。
[0045]本发明还提供一种电源，该电源包括:
[0046]能量传递元件，其耦合在所述电源的输入电压源和输出之间；
[0047]开关，其耦合至所述能量传递元件，其中所述开关响应于驱动信号而断开和闭合；以及
[0048]控制器，其耦合至所述开关以控制所述开关的切换从而调节所述电源的输出电流，其中所述控制器包括:
[0049]逻辑电路，其被耦合以响应于控制信号而生成所述驱动信号；
[0050]恒定电流控制电路，其耦合至所述逻辑电路并被耦合以响应于所接收的输入电流读出信号、输入电压读出信号以及输出电压读出信号而生成所述控制信号；以及
[0051]积分器，其被包括在所述恒定电流控制电路中，其中所述积分器适于在所述控制信号的开关周期期间对所述输入电流读出信号进行积分从而生成积分信号，该积分信号代表从所述输入电压源取得的电荷，其中所述恒定电流控制电路适于生成所述控制信号以使得所述积分信号成比例于所述输出电压读出信号与所述输入电压读出信号的比率。
[0052]本发明还提供一种电源，该电源包括:
[0053]能量传递元件，其耦合在所述电源的输入电压源和输出之间；
[0054]开关，其耦合至所述能量传递元件，其中所述开关响应于驱动信号而断开和闭合；以及
[0055]控制器，其耦合至所述开关以控制所述开关的切换从而调节所述电源的输出电流，其中所述控制器包括:
[0056]逻辑电路，其被耦合以响应于控制信号而生成所述驱动信号；
[0057]恒定电流控制电路，其耦合至所述逻辑电路并被耦合以响应于所接收的输入电流读出信号、输入电压读出信号以及输出电压读出信号而生成所述控制信号；以及
[0058]积分器，其被包括在所述恒定电流控制电路中，其中所述积分器适于在所述控制信号的开关周期期间对所述输入电流读出信号进行积分从而生成积分信号，该积分信号代表从所述电源的输入电压源取得的电荷；
[0059]算术运算器电路，其被耦合以生成成比例于所述输出电压读出信号与所述输入电压读出信号的比率的参考信号；以及
[0060]比较器，其具有:第一输入，其被稱合以接收所述积分信号；第二输入，其被I禹合以接收所述参考信号；以及，输出，其被耦合以响应于所述积分信号达到所述参考信号的值而使所述开关为关态。
[0061]本发明还提供一种电源，该电源包括:
[0062]能量传递元件，其耦合在所述电源的输入电压源和输出之间；
[0063]开关，其耦合至所述能量传递元件，其中所述开关响应于驱动信号而断开和闭合；以及
[0064]根据本发明的前述控制器，其耦合至所述开关以控制所述开关的切换从而调节所述电源的输出电流。【专利附图】
【附图说明】
[0065]参考下列附图描述了本发明的非限制性和非穷举性的实施方案和实施例，其中在各视图中，相似的标号指的是相似的部分，除非另有说明。
[0066]图1是根据本发明的教导的dc-dc电源的功能方框图，该电源包括一个恒定电压恒定电流控制器(constant-voltage constant-current controller),该控制器将该电源的输出控制在已调节电压区域(regulated voltage region)内和已调节电流区域(regulated current region)内。
[0067]图2是根据本发明的教导的电源的输出特性的曲线图，其被示为包括一个已调节电压区域和一个已调节电流区域。
[0068]图3是根据本发明的教导的示例恒定电流控制电路的功能方框图。
[0069]图4是根据本发明的教导的另一示例恒定电流控制电路的功能方框图。
[0070]图5是根据本发明的教导的示例算术运算器电路的示意图。
[0071]图6是根据本发明的教导的示例算术运算器电路的示意图。
[0072]图7是来自图6的算术运算器电路的信号的波形的时序图。
[0073]图8是根据本发明的教导的示例反激式电源(flyback power supply)的功能方框图，该电源在已调节输出电流区域内运行。
[0074]图9是根据本发明的教导的示例反激式电源的功能方框图，该电源在已调节输出电压区域内运行。
[0075]图10是一个示例反激式电源的功能方框图，该电源具有对输入电压和输出电压的间接读出(indirect sensing),以提供具有已调节电压区域和已调节电流区域的输出。
[0076]图11是根据本发明的教导的另一示例算术运算器电路的示意图。
[0077]图12是根据本发明的教导的用于控制如下电源的方法的流程图，该电源提供具有已调节电压区域和已调节电流区域的输出。
【具体实施方式】
[0078]公开了方法和设备，其用于使电源能够提供具有已调节电压区域和已调节电流区域的、流电隔离的输出。在下面的说明中，列出了诸多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而显然，对于本领域普通技术人员而言，无需采用这些具体细节来实践本发明。在其他情况下，公知的材料或方法未被详细描述，以避免模糊本发明。
[0079]在本说明书全文中，“一个(one)实施方案”“一(a)实施方案”“一个实施例”或“一实施例”的意思是，关乎该实施方案或实施例的具体特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，在本说明书全文中各处出现的词组“在一个实施方案中” “在一实施方案中” “一个实施例”或“一实施例”并不必然全都指同一个实施方案或实施例。此夕卜，在一个或多个实施方案或实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的组合和/或子组合被结合。另外，应理解，随此提供的附图是为了向本领域普通技术人员作解释，且这些附图不必然按比例绘出。
[0080]图1的功能方框图示出了 dc-dc电源100的一个实施例，该电源接收一个输入电压Vin105以在一个负载145处产生一个输出电压VtjHO和一个输出电流IJ35。在一个实施例中，电源100是ac-dc电源,其中dc输入电压VIN105是从一个输入电压源(未不出)接收的已整流且已滤波的ac输入电压。输入电压VIN105相对于输入返回(input return) 108而言是正的。输出电压Vol40相对于输出返回112是正的。
[0081]在图1的实施例中，dc-dc电源100包括一个dc-dc转换器115，其被控制器155所控制，以调节输出电压Vq140和输出电流1。135。控制器155可被称为CV-CC控制器，因为它可被用来将dc-dc转换器115的输出控制为具有一个恒定电压(CV)区域和一个恒定电流(CC)区域。所述dc-dc转换器115典型地包括至少一个开关120、至少一个耦合电感125和至少一个电容器130。所有用来提供流电隔离输出的标准转换器配置，例如反激式转换器以及例如降压转换器(buck converter)的许多变体,可由图1的实施例中的dc_dc转换器块115代表的开关、耦合电感和电容器装置来实现。
[0082]在图1的实施例中，CV-CC控制器155接收一个代表输入电流IinIIO的Iinsense信号150、一个代表输入电压Vin105的Vinsense信号175以及一个代表输出电压￥。140的V_SE信号180。在图1的实施例中，包括在dc-dc转换器115中的开关120响应于从CV-CC控制器155接收的CVotCQjut信号185。在图1的实施例中，CVotCQjutISS是在一个开关周期Ts内可以为高或低的逻辑信号。在一个实施例中，当CVJCJ85为高时，开关120是闭合的，而当CVotCQjutISS为低时，开关120是断开的。闭合的开关有时被称为处于开态(on state)。断开的开关有时被称为处于关态(off state)。换句话说，开着的开关是闭合的，关着的开关是断开的。
[0083]在一个实施例中，开关120是金属氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET)。在另一个实施例中，CV-CC控制器155可被实施为单片(monolithic)集成电路,或可由分立的电子部件或者分立部件和集成部件的组合来实施。CV-CC控制器155和开关120可形成集成电路的一部分，该集成电路被制造为混合(hybrid)或单片集成电路。产生Iinsense信号150的电流传感器也可形成该集成电路的一部分。
[0084]在图1的实施例中，输入电流IinIIO是脉动电流，其当CVotCQjut信号185为低时基本为零。输入电流IinIIO的波 形可展现出两种不同的形状。每种形状对应于dc-dc转换器115的一种不同的运行模式。当输入电流具有三角形形状一其幅度在开关120闭合之后立即为零——时，dc-dc转换器115以不连续传导模式(DCM)运行。当输出电流具有梯形形状一其幅度在开关120闭合之后不立即为零一时，dc-dc转换器115以连续传导模式(CCM)运行。运行模式取决于输入电压VIN105、输出电压Vol40、负载145以及该转换器的特定设计。例如，运行模式典型地随着输入电压Vin105的增大而从CCM变到DCM，并且典型地随着负载的增大而从DCM变到CCM。应理解，dc-dc转换器115可被设计为,在受限的输入电压和负载范围内仅以CCM或仅以DCM运行。根据本发明的实施例允许单个设计为DCM和CCM运行提供对输出电压和输出电流的期望调节。
[0085]图1的实施例中的CV-CC控制器155包括恒定电流控制电路160、恒定电压控制电路170以及逻辑电路165。在图1的实施例中，恒定电流控制电路160和恒定电压控制电路170接收输入电流读出信号(input current sense signal) IINSENSE150、输入电压读出信号Vinsense175以及输出电压读出信号Vqsense180。
[0086]应理解,输入电压读出信号Vinsense175和输出电压读出信号V_se180可以是分别与输入电压Vin105和输出电压VtjHO有已知关系的任何信号。换句话说，不必直接对输入电压或输出电压进行读出以获得各自的信号Vinsense175和￥__180。例如，电感中的电流以与跨越该电感的电压成正比例(directly proportional)的速率变化。因此,在一个实施例中，信号VINSENSE175可以是这样的时序信号:当电感中的电流大于第一值且小于第二值时，该时序信号为高。在一个实施例中，VINSENSE175可代表电感中的电流从第一值变到第二值所花费的时间量。在一个实施例中，VINSENSE175可代表数字信号的平均值，其中在电感中的电流从第一值变到第二值所花费的时间内，该数字信号为高，从而可得出输入电压Vin105的值。
[0087]恒定电流控制电路160产生一个控制信号190，以在已调节输出电流区域内运行dc-dc转换器115。恒定电压控制电路170产生一个控制信号195，以在已调节输出电压区域内运行dc-dc转换器115。逻辑电路165响应于控制信号195和190来产生一个适当的CVqutCCot信号185，以控制dc-dc转换器115中的开关120从而实现如图2中的曲线图所示的已调节电压区域和已调节电流区域。
[0088]图2是一个电源的输出特性200的示例曲线图，其具有已调节输出电压区域210和已调节输出电流区域220。输出特性200是图1的电源100的一种可能的输出特性。该实施例显示出，当输出电流IJ35小于一个阈电流一其在一个实施例中可以是已调节值Ieeg240——时，输出电压VQ140是一个基本恒定的已调节值VKEe230。该实施例也显示出，当输出电压Vq140小于一个阈电压值且大于一个可选的自动重启电压Vak260时,输出电流
1。135是一个基本恒定的已调节值IKEe240。在一个实施例中，所述阈电压值可以是已调节值V-230。
[0089]在某些实施例中，不期望将已调节电流区域220延伸到零伏的输出电压。例如，给电池充电的电源通常不具有零伏的输出电压，因为即使已完全放电的电池当其正在充电时也展现出最小电压。因此，小于最小值的输出电压表明了电池的故障，并且典型地要求电源在这样的情况下递送明显小于已调节电流的电流。
[0090]在其他实施例中，当输出电压处于零伏时，实际电路的限制会阻止电源将电流调节到规定界限内。因此，当输出电压低于最小值时，电源可进入自动重启模式，以保证平均输出电流不超过最大期望值。当在自动重启模式下运行时，电源在正常情况下将典型地递送其最大输出电流长达一段时间，该时间足够长以将输出电压升到自动重启值Vak260以上。如果输出电压在指派时间之后不高于自动重启值VAK260，则该电源典型地将在重复递送最大输出电流之前相当长的一段时间——可以是数百或数千个开关周期——内不递送输出电流。
[0091]负载145的特性确定该电源将运行在输出特性200的曲线图上的何处。当负载145要求明显小于值IKEe240的低电流时，该输出将是具有值VKEe230的已调节电压。在此情况下，逻辑电路165选择来自恒定电压控制电路170的控制信号195，以控制dc_dc转换器115的开关120。随着负载145在已调节电压Vkk取得更多电流，来自该输出的功率将增大，直到该功率达到dc-dc转换器115的设计极限为止。dc-dc转换器115的设计极限对应于最大输出功率250。随着该负载要求比IKEe240更大的电流，输出电压VQ140落到已调节值Veeg230以下。逻辑电路165检测恒定电压控制电路170对输出电压VQ230的降低的响应，并且选择来自恒定电流控制电路160的控制信号190，以将输出电流1。135调节至值IKEe240，直到该输出电压降至该曲线图上的点270处的自动重启值Vak260为止。
[0092]当递送至负载145的输出电流1。135小于值IKEe240，且输出电压V。大于自动重启值Vak260时，输出电压Vq140升高，直到其达到已调节值VKEe230为止。随着负载电流进一步减小，逻辑电路165检测恒定电压控制电路170对输出电压VJ30的升高的响应，并且选择来自恒定电压控制电路170的控制信号195，以将输出电压VQ140调节至值VKEe230。
[0093]图1的示例电源100中的恒定电压控制电路170可使用本领域公知的多种技术中的任一种来调节电源的输出电压。这些技术的实施例包括:具有恒定开关频率的脉冲宽度调制(PWM)、具有可变开关频率的PWM、具有固定脉冲宽度的脉冲频率调制(PFM)、以及开/关控制。脉冲宽度调制是这样一种技术，其改变开关在一个开关周期内导通的时间长度。所述开关周期可以是恒定的或可变的。当开关周期恒定时，开关导通的时间长度以及开关不导通的时间长度均必须改变。当开关周期可变时，开关导通的时间长度以及开关不导通的时间长度可独立地改变。脉冲频率调制是这样一种技术，其改变开关断开的时间长度，同时保持接通时间基本恒定。开/关控制是这样一种技术，其在一个开关周期内或是允许开关导通或是阻止开关导通，从而产生一个规则的开关周期序列，其中该开关在某些开关周期内导通且该开关在其他开关周期内不导通。因此，本发明的实施例可与许多不同技术一起使用，以调节输出电压。
[0094]在本公开内容中描述的本发明的实施例也可使用许多技术以将输入电流IinIIO作为电流读出信号IINSENSE150来读出。图1中的电流传感器符号114可代表用于对电流进行读出的许多已知方式中的任一种。例如，输入电流可被读出为:分立电阻器上的电压；或者来自电流变换器的电流；或者当输入电流与金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)中的电流相等时，跨越该晶体管的导通电阻的电压；或者来自电流敏感场效应晶体管(senseFET)的读出输出(sense output)的电流。
[0095]虽然将输出电压Vq140作为相对于输入返回108的电压而间接地读出是有利的，但在不需要流电隔离的实施例中，或者在电光隔离的成本为可接受的实施例中，可从对相对于输出返回112的输出电压VtjHO的测量直接地获得输出电压读出信号￥__180。应理解，与用间接读出可实现的相比，输出电压％140的直接读出典型地将在恒定输出电压区域210内提供距期望值VKEe230更小的偏差。输出电压读出信号Vqsense180可通过间接的或直接的读出方法来获得。
[0096]本发明的实施例在不直接测量输出电流IJ35的情况下提供了具有已调节电流区域220的输出。这是通过利用如下所述的各信号值之间的数学关系而完成的:
[0097]对于一个无损功率转换器，平均输入功率等同于平均输出功率。一个开关周期Ts内的功率平衡可被写成
I 丁.1 τ
[0098]—- [ VinIin dl = — [ V010di 等式 I
Ts J()Ts jO
[0099]对于诸如图1的实施例的dc-dc转换器，其中在一个开关周期期间随着时间明显改变的唯一量是输入电流IIN110，等式(I)简化为
[0100]Vin J0 - V010Ts 等式 2
[0101]等式(2)中的积分代表在开关周期Ts上从输入电压源取得的(和由dc-dc转换器接收的)全部电荷Q。
[0102]VinQ = V010Ts等式 3[0103]因此，输出电流可用其他量写为
[0104]
【权利要求】
1.用于控制电源以具有恒定电流输出的控制器，所述控制器包括: 用于接收输入电流读出信号、输入电压读出信号以及输出电压读出信号的装置；以及用于生成控制信号以控制所述电源的开关的切换从而调节所述电源的输出电流的装置，其中生成所述控制信号包括: 在所述控制信号的开关周期期间对所述输入电流读出信号进行积分从而生成积分信号，该积分信号代表从所述电源的输入电压源取得的电荷；以及 控制所述开关的切换以使得所述积分信号成比例于所述输出电压读出信号与所述输入电压读出信号的比率。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述控制信号是第一控制信号，所述控制器还包括用于响应于所述输出电压读出信号而生成第二控制信号以控制所述开关的切换从而调节所述电源的输出电压的装置。
3.根据权利要求1所述的控制器，还包括用于当所述输出电流小于阈电流时响应于所述第二控制信号来控制所述开关的切换从而调节所述电源的输出电压且当所述输出电压小于阈电压时响应于所述第一控制信号来控制所述开关的切换从而调节所述输出电流的 装直。
4.根据权利要求3所述的控制器，还包括用于响应于所述积分信号达到成比例于所述输出电压读出信号与所述输 入电压读出信号的比率的值而将所述开关从开态切换到关态的装置。
5.根据权利要求1所述的控制器，还包括用于将所述输出电压读出信号除以所述输入电压读出信号从而生成参考信号的装置，并且其中用于生成所述控制信号的装置包括用于响应于将所述参考信号与所述积分信号比较而生成所述控制信号的装置。
6.根据权利要求1所述的控制器，还包括用于将所述输入电压读出信号乘以所述积分信号从而生成乘法信号的装置，并且其中用于生成所述控制信号的装置包括用于响应于将所述乘法信号与所述输出电压读出信号比较而生成所述控制信号的装置。
7.根据权利要求1所述的控制器，还包括算术运算器电路，该算术运算器电路被耦合以生成成比例于所述输出电压读出信号与所述输入电压读出信号的比率的参考信号。
8.根据权利要求7所述的控制器，还包括比较器，该比较器具有:第一输入，其被耦合以接收所述积分信号；以及，第二输入，其被耦合以接收所述参考信号。
9.根据权利要求8所述的控制器，其中所述比较器具有输出，该输出被耦合以响应于所述积分信号达到所述参考信号的值而使所述开关为关态。
10.根据权利要求1所述的控制器，还包括算术运算器，该算术运算器被耦合以生成成比例于所述输入电压读出信号与所述积分信号的乘积的参考信号。
11.根据权利要求10所述的控制器，还包括比较器，该比较器具有:第一输入，其被耦合以接收所述输出电压读出信号；以及，第二输入，其被耦合以接收所述参考信号。
12.根据权利要求11所述的控制器，其中所述比较器具有输出，该输出被耦合以响应于所述积分信号达到所述参考信号的值而使所述开关为关态。
13.用于控制电源以具有恒定电流输出的方法，所述方法包括: 接收输入电流读出信号、输入电压读出信号以及输出电压读出信号的装置；以及 生成控制信号以控制所述电源的开关的切换从而调节所述电源的输出电流，其中生成所述控制信号包括: 在所述控制信号的开关周期期间对所述输入电流读出信号进行积分从而生成积分信号，该积分信号代表从所述电源的输入电压源取得的电荷；以及 控制所述开关的切换以使得所述积分信号成比例于所述输出电压读出信号与所述输入电压读出信号的比率。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述控制信号是第一控制信号，所述方法还包括响应于所述输出电压读出信号而生成第二控制信号以控制所述开关的切换从而调节所述电源的输出电压。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括: 当所述输出电流小于阈电流时响应于所述第二控制信号来控制所述开关的切换从而调节所述电源的输出电压；以及 当所述输出电压小于阈电压时响应于所述第一控制信号来控制所述开关的切换从而调节所述输出电流。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括:响应于所述积分信号达到成比例于所述输出电压读出信号与所述输入电压读出信号的比率的值而将所述开关从开态切换到关态。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括:将所述输出电压读出信号除以所述输入电压读出信号从而生成参考信号，并且其中生成所述控制信号包括响应于将所述参考信号与所述积分信号比较而生成所述控制信号。
18.根据权利要求13所述的方法，还包括:将所述输入电压读出信号乘以所述积分信号从而生成乘法信号，并且其中生成所述控制信号包括响应于将所述乘法信号与所述输出电压读出信号比较而生成所述控 制信号。
19.电源,包括: 能量传递元件，其耦合在所述电源的输入电压源和输出之间； 开关，其耦合至所述能量传递元件，其中所述开关响应于驱动信号而断开和闭合；以及控制器，其耦合至所述开关以控制所述开关的切换从而调节所述电源的输出电流，其中所述控制器包括: 逻辑电路，其被耦合以响应于控制信号而生成所述驱动信号； 恒定电流控制电路，其耦合至所述逻辑电路并被耦合以响应于所接收的输入电流读出信号、输入电压读出信号以及输出电压读出信号而生成所述控制信号；以及 积分器，其被包括在所述恒定电流控制电路中，其中所述积分器适于在所述控制信号的开关周期期间对所述输入电流读出信号进行积分从而生成积分信号，该积分信号代表从所述输入电压源取得的电荷，其中所述恒定电流控制电路适于生成所述控制信号以使得所述积分信号成比例于所述输出电压读出信号与所述输入电压读出信号的比率。
20.电源,包括: 能量传递元件，其耦合在所述电源的输入电压源和输出之间； 开关，其耦合至所述能量传递元件，其中所述开关响应于驱动信号而断开和闭合；以及控制器，其耦合至所述开关以控制所述开关的切换从而调节所述电源的输出电流，其中所述控制器包括: 逻辑电路，其被耦合以响应于控制信号而生成所述驱动信号；恒定电流控制电路，其耦合至所述逻辑电路并被耦合以响应于所接收的输入电流读出信号、输入电压读出信号以及输出电压读出信号而生成所述控制信号；以及 积分器，其被包括在所述恒定电流控制电路中，其中所述积分器适于在所述控制信号的开关周期期间对所述输入电流读出信号进行积分从而生成积分信号，该积分信号代表从所述电源的输入电压源取得的电荷； 算术运算器电路，其被耦合以生成成比例于所述输出电压读出信号与所述输入电压读出信号的比率的参考信号；以及 比较器，其具有:第一输入，其被耦合以接收所述积分信号；第二输入，其被耦合以接收所述参考信号；以及，输出，其被耦合以响应于所述积分信号达到所述参考信号的值而使所述开关为关态。
21.电源,包括: 能量传递元件，其耦合在所述电源的输入电压源和输出之间； 开关，其耦合至所述能量传递元件，其中所述开关响应于驱动信号而断开和闭合；以及根据权利要求1 一 12中任一项所述的控制器，其耦合至所述开关以控制所述开关的切换从而调节所述电源 的输出电流。
【文档编号】H02M3/335GK103475228SQ201310364572
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2010年5月28日 优先权日:2009年6月2日
【发明者】D·龚, W·M·波利夫卡 申请人:电力集成公司