用于电源控制器的系统和方法
【专利摘要】本发明的各实施例涉及用于电源控制器的系统和方法。根据一个实施例，电源控制器包括被配置为耦合至电源的感测节点的误差信号输入、被配置为耦合至开关控制电路的控制输出以及具有耦合至误差信号输入的输入的控制电路。控制电路被配置为如果误差信号输入在第一范围中，则提供第一可变限制信号，并根据误差信号输入调整第一可变限制信号。
【专利说明】用于电源控制器的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及半导体电路和方法，更具体而言，涉及用于电源控制器的系统和方法。
【背景技术】
[0002]电源系统普遍存在于从计算机到汽车的许多电子应用中。一般而言，电源系统内的电压是通过操作加载有电感器或变压器执行直流/直流(DC/DC)、直流/交流(DC/AC)和/或交流/直流(AC/DC)转换而产生的。诸如降压(buck)转换器之类的DC-DC转换器在使用多个电源的系统中被使用。例如，在汽车系统中，额定操作在5V电源电压的微控制器可以使用诸如降压转换器之类的开关模式电源，以从12V的汽车电池产生本地的5V电源。可以通过使用耦合至DC电源的高侧开关晶体管驱动电感操作这类电源。通过变化开关晶体管处于导通状态期间的脉冲宽度进行控制电源的输出电压。
[0003]在许多应用中，开关功率转换器为负载提供恒定的电压。在一些系统中，功率转换器被配置为当输入电压、负载电流或任何其它相关参数以保持输出电压在给定的限制范围中的方式变化时执行其操作。例如，负载或线路瞬变可能需要快速反应时间。此任务可以通过测量输出电压和适配如峰值电流、开关频率、占空比或导通时间的控制量的电压控制器加以处理；使得所测量的输出电压接近期望的输出电压。
[0004]然而，快速响应电压瞬变可能会在电源加载有大的电容性负载时造成困难。在这种情况下，线路瞬变可能只影响功率转换器中输出电压中的小的变化。因此，具有高环路增益的线性控制器或敏感的非线性控制器可以用于响应这种瞬变。然而，高环路增益和敏感的控制器可能会增加不稳定操作的风险和减慢稳定时间。
【发明内容】
[0005]根据一个实施例，电源控制器包括被配置为耦合至电源的感测节点的误差信号输入、被配置为耦合至开关控制电路的控制输出、以及具有输入耦合至误差信号输入的控制电路。如果误差信号输入在第一范围中，控制电路被配置为提供第一可变限制信号，并根据误差信号输入调整第一可变限制信号。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]为了更完整地理解本发明及其优点，现在结合所附附图参考以下描述，其中:
[0007]图1示出了电源的等效控制图；
[0008]图2示出了 一个实施例的电源控制器；
[0009]图3示出了另一实施例的电源控制器；
[0010]图4示出了又一实施例的电源控制器；
[0011]图5a-图5c示出了采用一个实施例的电源控制器的电源拓扑；
[0012]图6示出了一个实施例的方法的流程图；以及[0013]图7a-图7c示出了一个实施例的模拟控制器。
【具体实施方式】
[0014]下面具体讨论当前优选实施例的制作和使用。然而，应当理解，本发明提供可以体现在各种各样的特定背景下的许多可应用的发明性概念。所讨论的特定实施例仅说明制造和使用本发明的特定方式，并非旨在限定本发明的范围。
[0015]将关于特定上下文中的实施例(即开关电源)描述本发明。然而，本发明可以应用于其它类型的电路和系统，例如，其它类型的电源、功率因子转换器(PFC)、以及总体控制和跟踪系统。
[0016]在一个实施例中，继电器式(bang-bang)控制器与线性控制器并行操作。在操作期间，线性控制器持续操作，而继电器式控制器的限制被调整为收敛至线性控制器的输出。在大的瞬变的情况下，继电器式控制器启动操作，并对瞬变快速作出反应。随着控制回路稳定，继电器式控制器的输出接近线性控制器的输出。一旦误差信号在线性调节器的输出的预定范围中，操作从继电器式控制器切换至线性控制器。因为当线性操作开始时，误差是有限的，而且因为线性控制器的状态已经被初始化，所以可以在一些实施例中实现平滑交接到线性操作。
[0017]可以使用开关网络实现实际的开关功率转换器，开关网络由诸如开关晶体管、二极管、电感、变压器，以及一些情况下的电容器之类的组件构成。然而，从系统的角度来看，开关模式电源可以被表示为图1中所示的系统100的框图。系统100具有表示电源控制器的控制器102。拓扑104表示包括开关、电感器、二极管等的电源的物理电路装置；负载106表示电源所视的负载。由模块104表示的电源拓扑可以是升压、降压-升压、回扫(flyback)、降压或任何其它 拓扑。在诸如交错/多相、谐振、或桥式拓扑之类的一些拓扑中，若干电流可以在不同的时间对输出电容器C进行充电。用于说明和分析的目的，这些电流可以被表示为电流id。应当理解，虽然本文中的实施例的描述可以描述电源的抽象操作，但是本发明的实施例可以包括诸如上述的各种拓扑。
[0018]测量单元108表示用来测量电源的输出电压和/或输出电流的测量电路装置，并且阻抗112表示电源的空载输出阻抗。因此，测量单元108测量输出电压V。和产生测得的电压信号vM。测得的电压vM与参考电压R比较，使得测得的电压vM和参考电压R之间的差值为误差信号e。控制器基于误差信号e产生控制信号U，然后拓扑104使用控制信号u产生输出电流iD。然后，电流iD被输出到负载106以产生输出电压V。。
[0019]出于说明的目的，阻抗112被表示为输出电容器C与寄生电阻器R串联。输出阻抗112作为电容器的表示与开关模式电源尤其相关，因为这种电源通常加载有大电容器，以抑制电源波纹和/或提供足够的输出电容器来衰减瞬态电流尖峰。例如，输出电容器C可以大到足以在中断线路输入功率的情况下支持持续供电(保持要求)。实际的电容器包括寄生电阻R (等效串联电阻ESR)和电感(等效串联电感ESL)。这些寄生效应可能对电压调节的动态和电压纹波有影响。然而，平均输出电压主要由电容性部分主导。然而，应当理解，在一些情况下，阻抗112也可以表示任意的阻抗。
[0020]当电源电流和负载电流并不相同时，大的输出电容器C可以在一定时间内保持输出电压在允许的公差内。例如，如果输出电容器C的电容为lmF，以及11(^与id之间的电流失配为1A，输出电压V。在Ims之后变化IV。虽然输出电容的这种效应对于电源保持其输出电压的能力是有利的，但是它也可能具有衰减控制器102使用的用于感测和随后校正这种电流失配的信号路径的效应。在一些实施例中，例如，在AC/DC升压转换器，回扫转换器和一些其它拓扑中，经由输出电压感测电流失配可能是控制器感测这种失配的唯一机制。由于电压在负载或线路瞬变开始时并不会改变很多，所以控制器102可能需要对小的输出电压偏差作出强烈的响应，以保持输出电压恒定。这种对小偏差的强烈的响应可能导致控制回路的不稳定。这尤其与受制于有限的模数转换(ADC)分辨率和处理延迟的数字控制器的情况有关；然而，这种情况也可能使模拟控制器易受稳定性和噪声敏感性问题。
[0021]此外，即使当线路和负载条件不改变时，控制器102可以在一些实施例中执行其它功能。例如，当功率转换器为功率因子校正控制器(PFC)时，电源的输入电流必须跟随输入电压。因此，电压控制回路可以在慢于电流控制回路的跟踪模式中操作，以提供高功率因子和低谐波失真。在PFC和用于打印机或笔记本的电源适配器的情形中，可以指定高效率和低电磁辐射，特别在给定频率范围中。可以指定开关频率不超过给定范围和给定的改变速率，以避免过多的噪声、谐波、次谐波和辐射。因此，控制器102可能需要对线路或负载瞬变作出快速的反应，但是可能只能够仅仅通过输出电压的小的和缓慢的改变来识别这些瞬变。同时，可以指定电源系统100在恒定线路和负载条件下以平滑且稳定的方式运行。
[0022]在一个实施例中，线性反馈与继电器式控制结合。在稳态条件下，应用线性反馈控制。然而，在诸如电压下降、电压过冲或控制器重启(例如，在关机、线路中断、待机模式之后)之类的瞬变条件的情况下，应用嵌套的继电器式控制。此外，当控制器从继电器式控制转变为线性控制时，线性反馈控制器持续跟随误差信号，同时继电器式控制方案操作以避免大的瞬变。在操作期间，继电器式控制方案的限制或操作点迭代地更新以接近线性反馈控制器的输出。一旦环路误差到达阈值，操作从继电器式控制方案切换至线性控制器。因为在继电器式操作期间，线性控制器一直跟踪误差信号，而且因为继电器式控制器的操作点接近线性控制器的输出，在从继电器式操作改变为线性控制器操作期间，所引起的瞬变可以是小的。
[0023]图2示出了可以用于实现控制方案的一个实施例的电源控制器200的框图。电源控制器200包括线性反馈控制器206、上限估计器204、下限估计器210，范围决定单元202和多路复用器212。在操作期间，线性反馈控制器206更新其内部状态，并输出一个或多个内部状态至上限估计器204和下限估计器210，然后上限估计器204和下限估计器210使用这些状态来迭代地更新其限制。备选地，上限估计器204和下限估计器210可以直接使用误差信号以执行限制估计。范围决定单元202基于误差信号确定是否从上限估计器204、反馈控制器206或者下限估计器210发出输出控制信号。
[0024]在一个嵌套的继电器式控制方案的实施例中，操作使用正常的继电器式操作开始，在正常的继电器式操作中，上限估计器204在上限处提供输出，以及下限估计器210在下限处提供输出。线性反馈控制器206可以正好在瞬变事件之前被初始化为默认状态或者保持以前的状态。随着操作的进行，线性反馈控制器206被允许基于环路误差更新其内部状态，而上限估计器204和下限估计器210的限制输出被迭代地更新至接近线性反馈控制器206的输出。一旦环路误差低于预定阈值，操作模式经由多路复用器212选择反馈控制器206的输出，从嵌套的继电器式模式切换至线性操作模式。[0025]范围决定单元202根据误差信号在上限、下限和线性反馈之间进行选择。在操作的开始，上限和下限之间的选择可能对应于纯粹的继电器式控制方案，以及线性反馈控制器的选择可能对应于线性反馈控制方案。例如，可以操作范围选择单元以减小误差信号。
[0026]在操作开始之后的相继的开关周期期间，根据误差信号和反馈控制器206的状态更新通过上限估计器204产生的上限、通过下限估计器210产生的下限、以及通过反馈控制器206产生的反馈控制信号。在一些实施例中，可以使用更新原则以确保上限和下限收敛至线性反馈控制器206的输出。在充分收敛之后，作为典型，例如，通过低误差，范围决定被配置为只选择线性反馈控制器的选择单元。除了低控制误差，上限和下限的小的差值还指示收敛。 [0027]范围决定单元202可以通过比较误差信号和多个阈值来选择操作模式和限制。在一个实施例中，范围决定单元202具有其布置为E+yE+pEi和E_2的四个阈值E+yE+pEi和E_2。应当理解，误差信号和控制信号的单元可以根据控制器200的特定实施方案而变化。例如，在数字控制方案中，这些值可以被表示为二进制字，而在模拟实施方案中，这些值可以通过电压和/或电流来表示。
[0028]在一个实施例中，范围决定单元202可以采取表1中描述的以下动作。例如，当误差信号E具有高于阈值E+2的信号电平时，上限估计器204的输出被设置为最大上限值，以及多路复用器212被配置为选择上限估计器204的输出。例如，如果功率转换器的输出经历了电压下降，这种条件可以被触发。
[0029]类似地，当误差信号E具有低于阈值E_2的信号电平时，下限估计器210的输出被设置为最小下限值，以及多路复用器212被配置为选择下限估计器210的输出。例如，当功率转换器的输出经历了电压过冲时，这种条件可以被触发。
[0030]
【权利要求】
1.一种电源控制器,包括: 误差信号输入，配置为耦合至电源的感测节点； 控制输出，配置为耦合至开关控制电路；以及 控制电路，具有耦合至所述误差信号输入的输入，所述控制电路被配置为如果所述误差信号输入在第一范围中，则提供第一可变限制信号，并且根据所述误差信号输入调整所述第一可变限制信号。
2.根据权利要求1所述的电源控制器，其中: 所述控制电路包括线性控制器；以及 所述控制电路被配置为当所述误差信号在第二范围中时提供所述线性控制器的输出。
3.根据权利要求2所述的电源控制器，其中所述线性控制器被配置为持续跟踪所述误差信号输入。
4.根据权利要求2所述的电源控制器，其中所述第一范围与所述第二范围交叠。
5.根据权利要求2所述的电源控制器，其中所述控制电路进一步被配置为当所述误差信号输入在第三范围中时设置所述第一可变限制信号至最大限制值。
6.根据权利要求5所述的电源控制器，其中: 所述控制电路进一步被配置为当所述误差信号在第四范围中时提供第二可变限制信号，并且根据所述误差信号输入调整所述第二可变限制信号。
7.根据权利要求6所述的电源控制器，其中所述控制电路进一步被配置为当所述误差信号输入在第五范围中时设置所述第二可变限制信号至最小限制值。
8.根据权利要求7所述的电源控制器，其中所述第一可变限制信号是上限信号，并且所述第二可变限制信号是下限信号。
9.根据权利要求7所述的电源控制器，其中: 所述第一范围包括高于第一阈值并且低于第二阈值的范围； 所述第二范围包括低于所述第一阈值并且高于第三阈值的范围； 所述第三范围包括高于所述第二阈值的范围；并且 所述第四范围包括低于所述第三阈值并且高于第四阈值的范围；以及 所述第五范围包括低于所述第四阈值的范围。
10.根据权利要求9所述的电源控制器，其中: 所述第一阈值高于所述第二阈值； 所述第二阈值高于所述第三阈值；以及 所述第三阈值高于所述第四阈值。
11.根据权利要求9所述的电源控制器，其中所述第一范围、所述第二范围、所述第三范围、所述第四范围和所述第五范围中的至少一个与所述第一范围、所述第二范围、所述第三范围、所述第四范围和所述第五范围中的另一个交叠。
12.根据权利要求1所述的电源控制器，其中所述控制电路被配置为当所述误差信号在第二范围中时从继电器式操作模式转变为线性控制器操作模式。
13.—种电源控制器,包括: 上限估计器电路，耦合至误差信号输入，其中所述上限估计器电路被配置为提供可变上限信号，并且根据所述误差信号输入调整所述上限信号；线性控制电路，耦合至所述误差信号输入，其中所述线性控制电路被配置为提供线性控制信号； 下限估计器电路，耦合至所述误差信号输入，其中所述下限估计器电路被配置为提供可变下限信号，并且根据所述误差信号输入调整所述可变下限信号；以及范围决定电路，配置为: 如果所述误差信号在第一范围中，则选择所述可变上限信号； 如果所述误差信号在第二范围中，则选择所述线性控制信号；以及 如果所述误差信号在第四范围中，则选择所述可变下限信号。
14.根据权利要求13所述的电源控制器，其中: 所述上限估计器电路进一步被配置为当所述误差信号在第三范围中时重置所述可变上限信号至最大信号电平；以及 所述下限估计器电路进一步被配置为当所述误差信号在第五范围中时重置所述可变下限信号至最小信号电平。
15.根据权利要求14所述的电源控制器，其中: 所述第一范围包括高于第一阈值并且低于第二阈值的范围； 所述第二范围包括低 于所述第一阈值并且高于第三阈值的范围； 所述第三范围包括高于所述第二阈值的范围；以及 所述第四范围包括低于所述第三阈值并且高于第四阈值的范围；以及 所述第五范围包括低于所述第四阈值的范围。
16.根据权利要求13所述的电源控制器，其中: 所述上限估计器电路包括耦合至所述误差信号输入的上限调整输入；以及 所述下限估计器电路包括耦合至所述误差信号输入的下限调整输入。
17.根据权利要求16所述的电源控制器，进一步地，其中所述上限调整输入和所述下限调整输入经由至少一个线性增益块耦合至所述误差信号输入。
18.根据权利要求16所述的电源控制器，其中所述上限调整输入和所述下限调整输入经由所述线性控制电路耦合至所述误差信号输入。
19.根据权利要求18所述的电源控制器，其中: 所述线性控制器包括耦合至所述误差信号输入的PID控制器；以及所述上限调整输入和所述下限调整输入经由所述PID控制器的输出耦合至所述误差信号输入。
20.根据权利要求13所述的电源控制器，其中所述可变上限信号和所述可变下限信号被配置为朝向所述误差信号的值收敛。
21.根据权利要求13所述的电源控制器，其中所述线性控制电路被配置为即使在所述范围决定电路选择所述可变上限信号、所述线性控制信号、以及所述可变下限信号时，也持续跟踪所述误差信号输入。
22.根据权利要求21所述的电源控制器，其中所述线性控制电路使用数字电路装置来实现。
23.根据权利要求13所述的电源控制器，其中所述电源控制器布置在集成电路上。
24.—种开关模式电源,包括:开关控制电路；以及 电源控制器，具有耦合至所述开关模式电源的输出电压的输入和耦合至所述开关控制电路的输入的输出，其中所述电源控制器包括耦合至基于所述开关模式电源的输出电压的误差信号的线性控制电路，并且所述电源控制器被配置为: 如果所述误差信号高于第一阈值，则输出可变上限信号； 如果所述误差信号低于所述第一阈值并且高于第二阈值，则输出线性控制信号；， 如果所述误差信号低于所述第二阈值，则输出可变下限信号；以及调整所述可变上限信号和所述可变下限信号以朝向所述线性控制信号的值收敛，其中所述线性控制电路被配置为当所述误差信号高于和低于所述第一阈值和所述第二阈值时持续跟踪所述误差信号。
25.根据权利要求24所述的开关模式电源，其中所述电源控制器进一步被配置为当所述误差信号高于第三阈值时输出固定的上限信号，以及如果所述误差信号低于第四阈值则输出固定的下限信号，其中所述第三阈值高于所述第一阈值并且所述第四阈值低于所述第二阈值。
26.根据权利要求25所述的开关模式电源，其中所述电源控制器进一步被配置为当所述误差信号高于所述第三阈值时重置所述可变上限信号至所述固定的上限信号的值，以及当所述误差信号低于所述第四阈值时，重置所述可变下限信号至所述固定的下限信号的值。
27.根据权利要求24所述的开关模式电源，进一步包括: 电感器；以及 开关，具有耦合至所述电感器的输出节点和耦合至所述开关控制电路的输出的输入节点。
28.根据权利要求24所述的开关模式电源，其中所述电源控制器使用数字逻辑来实现。
29.根据权利要求28所述的开关模式电源，其中所述数字逻辑包括微控制器。
30.一种操作电源控制器的方法，所述方法包括: 从电源接收误差信号； 确定控制信号包括: 如果所述误差信号在第一范围中，则确定所述控制信号为可变上限信号； 如果所述误差信号在第二范围中，则确定所述控制信号为线性控制信号；以及 如果所述误差信号在第四范围中，则确定所述控制信号为可变下限信号； 调整所述可变上限信号和所述可变下限信号以朝向所述线性控制信号的值收敛； 当所述误差信号在所述第二范围中时，产生所述线性控制信号以持续跟踪所述误差信号；以及 基于所述控制信号产生电源开关信号。
31.根据权利要求30所述的方法，其中确定所述控制信号进一步包括: 当所述误差信号在第三范围中时，确定所述控制信号为固定的上限信号；以及 当所述误差信号在第五范围中时，确定所述控制信号为固定的下限信号。
32.根据权利要求31所述的方法，其中确定所述控制信号进一步包括:当所述误差信号在所述第三范围中时，重置所述可变上限信号至所述固定的上限信号的值，以及 当所述误差信号在所述第五范围中时，重置所述可变下限信号至所述固定的下限信号的值。
33.根据权利要求32所述的方法，其中: 所述第一范围包括高于第一阈值并且低于第二阈值的范围； 所述第二范围包括低于所述第一阈值并且高于第三阈值的范围； 所述第三范围包括高于所述第二阈值的范围； 所述第四范围包括低于所述第三阈值并且高于第四阈值的范围；以及 所述第五范围包括低于所述第四阈值的范围。
34.根据权利要求32所述的方法，其中所述第一范围、所述第二范围、所述第三范围、所述第四范围和所述第 五范围中的至少一个与所述第一范围、所述第二范围、所述第三范围、所述第四范围和所述第五范围中的另一个交叠。
35.根据权利要求30所述的方法，其中调整所述可变上限信号和所述下限信号包括对所述误差信号进行滤波。
【文档编号】H02M3/04GK103973102SQ201410043312
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月29日 优先权日:2013年2月4日
【发明者】M·克吕格尔 申请人:英飞凌科技奥地利有限公司