專利名稱：混合的數(shù)字－模擬開關(guān)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)模式脈寬調(diào)制(PWM)電源，尤其涉及例如具有混合數(shù)字模擬設(shè)備的電源，所述設(shè)備避免了與純數(shù)字設(shè)備有關(guān)的缺陷。
本發(fā)明以本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的傳統(tǒng)同步降壓轉(zhuǎn)換器的背景下進(jìn)行描述，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明適于任何開關(guān)電源技術(shù)，并因此能用于AC-DC轉(zhuǎn)換，DC-DC轉(zhuǎn)換的同步和非同步電源中，等等，并用于電源、馬達(dá)驅(qū)動、照明、和其它適合的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
在電子設(shè)備、照明、以及馬達(dá)驅(qū)動中開關(guān)電源具有大量的應(yīng)用，并且?guī)追N基本類型是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。隨著開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，各種系統(tǒng)組件首先實(shí)現(xiàn)為模擬電路。
圖1簡單示出了單相模擬開關(guān)電源100的總結(jié)構(gòu)。為了描述的一致性，所示的是同步降壓轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但再次應(yīng)當(dāng)理解，這里只是用于說明。
示例設(shè)備100包括高壓開關(guān)105，在開關(guān)節(jié)點(diǎn)115連接到高壓開關(guān)的低壓開關(guān)110，連接到開關(guān)節(jié)點(diǎn)115的輸出電感器120，以及連接到輸出電感器120的輸出電容器125。高和低壓開關(guān)105和110可以是功率MOSFET、IGBT、或其它雙極晶體管或其它適合的器件，所述器件能在高導(dǎo)電狀態(tài)和基本非導(dǎo)電狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。
DC電功率通過本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的傳統(tǒng)類型的適當(dāng)整流電路(未示出)從AC電源提供給DC總線150。
在運(yùn)行中，分別通過控制電路130在140和145提供高壓和低壓開關(guān)105和110的柵極驅(qū)動信號，以產(chǎn)生通過負(fù)載135的理想輸出電壓，所述負(fù)載例如可以是如計(jì)算機(jī)或電子馬達(dá)的電子設(shè)備。為了該目的，控制電路130包括控制開關(guān)的開和斷時(shí)間(占空度)的邏輯電路。
通常由從重復(fù)三角波獲得的脈寬調(diào)制提供占空度控制，其與誤差信號相比以產(chǎn)生提供給適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動電路的PWM占空度脈沖。
為了滿足負(fù)載電路的需求同時(shí)提供合適的調(diào)節(jié)電壓，提供適當(dāng)?shù)姆答佌{(diào)節(jié)環(huán)155，通過反饋調(diào)節(jié)環(huán)155，表示例如負(fù)載電流或輸出電壓的有關(guān)操作參數(shù)的信號被傳送給控制電路130?？刂齐娐?30利用這些信號以提供補(bǔ)償、濾波，或其它信號處理，并控制開關(guān)105和110的開關(guān)時(shí)間。
所示的結(jié)構(gòu)和其操作方法對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是公知的，并為了簡化而省略了進(jìn)一步的描述。
在負(fù)載電流需求超過圖1電路所能便利地提供的地方，或用于驅(qū)動大的工業(yè)馬達(dá)時(shí)，能夠組合如圖2中200所示的多個(gè)電路。這里，多個(gè)輸出相205a，205b，...，205n通過單獨(dú)的電感器215a等以及輸出電容器125提供給負(fù)載135。當(dāng)該負(fù)載是多相馬達(dá)時(shí)，馬達(dá)相繞組的每一相205a，205b，...，205n通過一單獨(dú)LC電路。
電源的控制由適當(dāng)?shù)亩嘞嗫刂齐娐?10提供，以及任何設(shè)計(jì)的反饋電路(未示出)對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。
盡管用模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)的開關(guān)電源被廣泛使用，但是現(xiàn)在認(rèn)識到對于測試和測量、機(jī)器控制、馬達(dá)控制和通信方面數(shù)字設(shè)備超過模擬的大量優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)是智能的故障分辨，精確定時(shí)，單元到單元反復(fù)性，組件在時(shí)間和溫度上的漂移不足，固件設(shè)計(jì)控制，以及實(shí)施復(fù)雜功能的精確度。隨著這些成為公知，開始認(rèn)真考慮將數(shù)字技術(shù)應(yīng)用到電源設(shè)計(jì)。
圖3示出了用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)的開關(guān)PWM電源(再次以同步降壓轉(zhuǎn)換器示出)的結(jié)構(gòu)。這里，基于應(yīng)用、正和負(fù)DC總線，通過在正DC總線308和接地310之間連接的高和低壓開關(guān)302和304(示為MOSFET)執(zhí)行開關(guān)。開關(guān)之間的公共節(jié)點(diǎn)306通過電感器器312連接到輸出電容器314以驅(qū)動負(fù)載316。
包括空載時(shí)間控制電路364和柵極驅(qū)動器366和368的柵極驅(qū)動單元318，以及任何其它傳統(tǒng)或理想的電路，在終端320接收來自通常以322表示的PWM邏輯電路的PWM占空度控制信號，并在下文進(jìn)行詳細(xì)描述。
在數(shù)字實(shí)現(xiàn)的開關(guān)電源中，控制循環(huán)通?？梢园ㄒ粋€(gè)或多個(gè)傳感器(未示出)，其輸出設(shè)置在信號通路354，并在任何傳統(tǒng)或理想設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換器352中被數(shù)字化。A/D轉(zhuǎn)換器352的輸出在信號總線356上提供給數(shù)字調(diào)節(jié)單元358。這可以實(shí)現(xiàn)為編程微處理器，數(shù)字信號處理器，ASIC，或任何其它適當(dāng)或理想的方式，以提供數(shù)字濾波，并根據(jù)通常在模擬或數(shù)字開關(guān)電源控制環(huán)中使用的任何適當(dāng)或理想的補(bǔ)償算法進(jìn)行補(bǔ)償，包括但不限定在非線性控制功能或查找表。這將產(chǎn)生以數(shù)字總線360上補(bǔ)償反饋信號的數(shù)字形式表示的誤差“信號”。
該信號總線360上的數(shù)字誤差信號信息直接應(yīng)用到數(shù)字邏輯單元322，該數(shù)字邏輯單元322產(chǎn)生開關(guān)302和304的PWM柵極驅(qū)動信號。邏輯單元322包括向下計(jì)數(shù)器362和連接到驅(qū)動計(jì)數(shù)器362的主時(shí)鐘324，并通過分頻電路328設(shè)定鎖存電路326。鎖存電路326的復(fù)位信號由計(jì)數(shù)器362的下溢或“借位”輸出提供。該鎖存電路復(fù)位輸出依次提供循環(huán)啟動信號給計(jì)數(shù)器362，以在總線360上加載該誤差信號。鎖存電路326的輸出用于產(chǎn)生PWM占空度脈沖，其提供給上述柵極驅(qū)動電路318。
如所述的，使用8位邏輯電路。主時(shí)鐘324以256MHz運(yùn)行，由此向下計(jì)數(shù)器362以256MHz計(jì)時(shí)。分頻電路328通過256函數(shù)提供分割，其中提供1MHz信號以設(shè)定PMW鎖存電路326。
數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)很好的用于馬達(dá)驅(qū)動，照明，以及其它低頻開關(guān)應(yīng)用，但由于高成本所以數(shù)字控制對于高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)的應(yīng)用一直落后，盡管具有潛在好處。
同樣，當(dāng)電源以高開關(guān)頻率同步運(yùn)行以適應(yīng)快速負(fù)載瞬變量時(shí)存在數(shù)字設(shè)備的內(nèi)部限制，并具有高精確率以提供優(yōu)良的輸出電壓穩(wěn)定性。這個(gè)問題是由任何純數(shù)字PWM脈寬增量不能比主時(shí)鐘頻率短的事實(shí)引起的。設(shè)想，例如，由100MHz時(shí)鐘驅(qū)動PWM系統(tǒng)，其最小脈寬變化是10ns。對于1MHZPWM頻率，開關(guān)間隔脈寬是大約100ns，從而單個(gè)的占空度步驟變化(10ns)可以只是開關(guān)間隔的10％。在大多數(shù)實(shí)例中，這簡直不能產(chǎn)生所需的精確度。即使PWM頻率能減小到100KHz，該階躍變化僅僅是1％，其不適于很多電源。
因此，明顯存在對數(shù)字電源設(shè)備的需求，其在不具備上述限定的情況下提供數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供一混合開關(guān)電源滿足上述需求，其中驅(qū)動高和低壓開關(guān)的PWM用模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)控制環(huán)由數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)。這允許最大限度地使用數(shù)字電路并減小模擬成分，同時(shí)容易地允許0.1％或更少的PWM分辨率，即使在1MHz或更高的PWM間隔頻率。


圖1示出了傳統(tǒng)單相模擬開關(guān)電源的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的結(jié)構(gòu)圖。
圖2示出了傳統(tǒng)多相模擬開關(guān)電源的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的結(jié)構(gòu)圖。
圖3示出了用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)的單相開關(guān)電源的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的結(jié)構(gòu)圖。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的混合數(shù)字-模擬PWM電源典型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
圖4中的400示出了根據(jù)本發(fā)明的混合數(shù)字-模擬PWM電源。為了方便，圖4中與圖3相同的全數(shù)字設(shè)備用同樣的附圖標(biāo)記表示。
因此，通過在正DC總線308和接地310之間連接的高和低壓開關(guān)MOSFET 302和304執(zhí)行切換，同時(shí)在開關(guān)之間的共用節(jié)點(diǎn)306通過電感器器312連接到輸出電容器314以驅(qū)動負(fù)載316。
圖3構(gòu)造的柵極驅(qū)動電源318在端點(diǎn)320接收來自通常以402表示的模擬PWM邏輯單元的PWM占空度控制信號，并在下文進(jìn)行詳細(xì)描述。
如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明，控制環(huán)350用數(shù)字實(shí)現(xiàn)。因此，一個(gè)或多個(gè)傳感器輸出提供在信號通路354上，并由任何傳統(tǒng)或理想設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換器352數(shù)字化，以產(chǎn)生具有8位或任何其它理想分辨率的輸出信號。A/D轉(zhuǎn)換器352的輸出通過信號總線356提供給數(shù)字調(diào)節(jié)單元358。再次，如圖3所示，這可以實(shí)現(xiàn)為編程微處理器、數(shù)字信號處理器、ASIC、或任何其它適當(dāng)或理想的方式，以提供數(shù)字濾波，并根據(jù)通常在模擬或數(shù)字開關(guān)電源控制環(huán)中使用的任何適當(dāng)或理想的補(bǔ)償算法進(jìn)行補(bǔ)償，此外如果需要的話，包括非線性控制功能或查找表。
根據(jù)本發(fā)明，數(shù)字總線360上的補(bǔ)償數(shù)字反饋誤差信號通過數(shù)字到模擬(D/A)轉(zhuǎn)換器404轉(zhuǎn)換回到模擬形式，以在模擬脈寬調(diào)制器402中使用。
盡管PWM單元322可以是任何適當(dāng)或理想的設(shè)計(jì)，但如圖4所示的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例包括連接以設(shè)定鎖存電路408的主時(shí)鐘406。連接以410示出的電流源以給定時(shí)電容器412充電。例如晶體管的接地開關(guān)414，當(dāng)設(shè)定鎖存電路408時(shí)被設(shè)為關(guān)閉，當(dāng)清除鎖存電路408時(shí)開啟，控制對定時(shí)電容器412的放電循環(huán)。
降通過電容器412的電壓與時(shí)限比較器418的輸入416處的參考電壓進(jìn)行比較，連接其輸出以復(fù)位鎖存電路408。比較器418的用途是當(dāng)對定時(shí)電容器412放電時(shí)清除鎖存電路408，以便能啟動PWM定時(shí)循環(huán)。
通過電容器412的電壓也提供在PWM比較器電路422的第一輸入420。這將由D/A轉(zhuǎn)換器404在端點(diǎn)424提供的模擬誤差信號與代表電容器412上電荷積累的升高電壓相比較，以產(chǎn)生PWM占空度脈沖。將這些脈沖依次提供給上述的柵極驅(qū)動電路318。
本發(fā)明一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢在于PWM分辨率不受任何時(shí)鐘速度的約束。所示的例子使用8位分辨率，但其它更大或更小的分辨率也是可能的。該分辨率與實(shí)例的1MHz開關(guān)頻率無關(guān)，其在不影響PWM分辨率的情況下可以更大或更小。
盡管本發(fā)明已經(jīng)相對于其特殊實(shí)施例進(jìn)行了描述，但許多其它變型和其它使用對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。因此，優(yōu)選本發(fā)明并不被這里的特殊公開所限定，其僅僅由所附的權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)卷 號860433EP國際申請?zhí)朠CT/US2005/006364國際申請日2005年2月28日根據(jù)條約第19條修改時(shí)的聲明修改了權(quán)利要求1和4，指出PWM信號發(fā)生器包括“第一比較器，用于指示參考電壓；和接收該參考電壓和來自D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸出信號的第二比較器，用于提供指示可變占空度驅(qū)動信號的占空度的輸出”。
1.一種開關(guān)模式電源，包括連接到DC電源的半導(dǎo)體開關(guān)電路；連接到半導(dǎo)體開關(guān)電路適于驅(qū)動負(fù)載的輸出電路；用于控制開關(guān)電路的驅(qū)動電路；控制環(huán)，該控制環(huán)包括A/D轉(zhuǎn)換器，該A/D轉(zhuǎn)換器接收代表電源輸出的模擬輸入，并提供多位輸出信號；數(shù)字實(shí)現(xiàn)的處理單元，響應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器的輸出信號以產(chǎn)生多位數(shù)字誤差信號；以及D/A轉(zhuǎn)換器，該D/A轉(zhuǎn)換器接收多位數(shù)字誤差信號作為輸入，并提供代表數(shù)字誤差信號的模擬輸出信號；以及PWM信號發(fā)生器，響應(yīng)D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸出信號產(chǎn)生驅(qū)動電路的可變占空度驅(qū)動信號，其中該P(yáng)WM信號發(fā)生器進(jìn)一步包括第一比較器，用于指示參考電壓；和接收該參考電壓和來自D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸出信號的第二比較器，用于提供指示可變占空度驅(qū)動信號的占空度的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)模式電源，其中PWM信號發(fā)生器包括三角波發(fā)生器以及比較電路，其接收三角波發(fā)生器的輸出作為第一輸入，并接收D/A轉(zhuǎn)換器的輸出作為第二輸入。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)模式電源，其中數(shù)字實(shí)現(xiàn)的處理單元用于根據(jù)選擇的補(bǔ)償算法對來自A/D轉(zhuǎn)換器的輸出信號提供補(bǔ)償。
4.一種開關(guān)模式電源，包括連接至DC電源的半導(dǎo)體開關(guān)電路；連接至半導(dǎo)體開關(guān)電路適于驅(qū)動負(fù)載的輸出電路；用于控制開關(guān)電路的驅(qū)動電路；響應(yīng)代表電源輸出的輸入信號以提供補(bǔ)償誤差信號的控制環(huán)；以及響應(yīng)補(bǔ)償誤差信號產(chǎn)生驅(qū)動電路的可變占空度驅(qū)動信號的PWM信號發(fā)生器，其中控制環(huán)由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，PWM信號發(fā)生器由模擬電路實(shí)現(xiàn)，以及其中該P(yáng)WM信號發(fā)生器進(jìn)一步包括第一比較器，用于指示參考電壓；和接收該參考電壓和來自D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸出信號的第二比較器，用于提供指示可變占空度驅(qū)動信號的占空度的輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)模式電源，其中數(shù)字實(shí)現(xiàn)的控制環(huán)用于根據(jù)所選的補(bǔ)償算法為代表電源輸出的信號提供補(bǔ)償。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)模式電源，其中開關(guān)電路包括連接至DC源的高和低壓半導(dǎo)體開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)模式電源，其中PWM信號發(fā)生器包括三角波發(fā)生器以及比較電路，其接收三角波發(fā)生器的輸出作為第一輸入，并接收模擬形式的補(bǔ)償誤差信號作為第二輸入。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)模式電源，其中由連接至控制環(huán)輸出的D/A轉(zhuǎn)換器提供模擬形式的補(bǔ)償誤差信號。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)模式電源，包括連接到DC電源的半導(dǎo)體開關(guān)電路；連接到半導(dǎo)體開關(guān)電路適于驅(qū)動負(fù)載的輸出電路；用于控制開關(guān)電路的驅(qū)動電路；控制環(huán)，該控制環(huán)包括A/D轉(zhuǎn)換器，該A/D轉(zhuǎn)換器接收代表電源輸出的模擬輸入，并提供多位輸出信號；數(shù)字實(shí)現(xiàn)的處理單元，響應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器的輸出信號以產(chǎn)生多位數(shù)字誤差信號；以及D/A轉(zhuǎn)換器，該D/A轉(zhuǎn)換器接收多位數(shù)字誤差信號作為輸入，并提供代表數(shù)字誤差信號的模擬輸出信號；以及PWM信號發(fā)生器，響應(yīng)D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸出信號產(chǎn)生驅(qū)動電路的可變占空度驅(qū)動信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)模式電源，其中PWM信號發(fā)生器包括三角波發(fā)生器以及比較電路，其接收三角波發(fā)生器的輸出作為第一輸入，并接收D/A轉(zhuǎn)換器的輸出作為第二輸入。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)模式電源，其中數(shù)字實(shí)現(xiàn)的處理單元用于根據(jù)選擇的補(bǔ)償算法對來自A/D轉(zhuǎn)換器的輸出信號提供補(bǔ)償。
4.一種開關(guān)模式電源，包括連接至DC電源的半導(dǎo)體開關(guān)電路；連接至半導(dǎo)體開關(guān)電路適于驅(qū)動負(fù)載的輸出電路；用于控制開關(guān)電路的驅(qū)動電路；響應(yīng)代表電源輸出的輸入信號以提供補(bǔ)償誤差信號的控制環(huán)；以及響應(yīng)補(bǔ)償誤差信號產(chǎn)生驅(qū)動電路的可變占空度驅(qū)動信號的PWM信號發(fā)生器，其中控制環(huán)由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，PWM信號發(fā)生器由模擬電路實(shí)現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)模式電源，其中數(shù)字實(shí)現(xiàn)的控制環(huán)用于根據(jù)所選的補(bǔ)償算法為代表電源輸出的信號提供補(bǔ)償。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)模式電源，其中開關(guān)電路包括連接至DC源的高和低壓半導(dǎo)體開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)模式電源，其中PWM信號發(fā)生器包括三角波發(fā)生器以及比較電路，其接收三角波發(fā)生器的輸出作為第一輸入，并接收模擬形式的補(bǔ)償誤差信號作為第二輸入。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)模式電源，其中由連接至控制環(huán)輸出的D/A轉(zhuǎn)換器提供模擬形式的補(bǔ)償誤差信號。
全文摘要
一種開關(guān)模式電源，其中控制環(huán)響應(yīng)代表電源輸出的一個(gè)輸入信號以提供補(bǔ)償誤差信號；以及PWM信號發(fā)生器響應(yīng)補(bǔ)償信號以產(chǎn)生可變的占空度驅(qū)動信號，用于驅(qū)動具有選擇重復(fù)率的電路。該控制環(huán)通過數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，該P(yáng)WM信號發(fā)生器通過模擬電路實(shí)現(xiàn)。
文檔編號G05F1/40GK1926490SQ200580006816
公開日2007年3月7日 申請日期2005年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月1日
發(fā)明者J·S·布朗 申請人:國際整流器公司