專利名稱：用于改善開關(guān)模式電源的從重到輕(降壓)負(fù)載瞬變響應(yīng)的數(shù)字控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及DC-DC轉(zhuǎn)換器，諸如開關(guān)模式電源(SMPS)。
背景技術(shù)：
DC-DC轉(zhuǎn)換器用于將輸入DC電壓轉(zhuǎn)換為輸出DC電壓。脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號用于在所述DC-DC轉(zhuǎn)換器中創(chuàng)建DC輸出。所述PWM信號的占空比(高位時間百分比)確定在所述轉(zhuǎn)換器穩(wěn)態(tài)下的所述DC輸出電壓。將所述PWM信號發(fā)送至功率開關(guān)來產(chǎn)生所述輸出電壓，所述功率開關(guān)將輸入電壓發(fā)送進入LC電路，所述LC電路包括電感器和輸出電容器。所述輸出電壓用于創(chuàng)建反饋信號。所述反饋信號用于調(diào)節(jié)所述PWM信號，以便將所述輸出電壓保持在期望的DC輸出電壓值。在DC-DC轉(zhuǎn)換器中的最大負(fù)載瞬變響應(yīng)速度受限于所述功率級電感器和電容器的數(shù)值，以及輸入和輸出電壓的數(shù)值。在具有顯著降壓比(st印-down ratio)的現(xiàn)代DC-DC轉(zhuǎn)換器中，這些限制使得從重到輕負(fù)載瞬變響應(yīng)顯著地比對相反瞬變的響應(yīng)慢，造成顯著的電壓過沖(overshoot)和/或需要較大的輸出電容器。在從輕到重負(fù)載瞬變響應(yīng)中，所述DC輸出電壓跌落(dip)并且所述占空比可增至I (從其正常的相對較低的數(shù)值)，以便快速地調(diào)節(jié)所述DC輸出電壓。另一方面，在從重到輕瞬態(tài)響應(yīng)中，所述DC輸出電壓尖峰(spike)并且所述占空比只能降至0(從其正常的相對較低的數(shù)值)。由于O接近所述正常的相對較低的占空比數(shù)值，所述系統(tǒng)將用較長時間來響應(yīng)所述從重到輕瞬變響應(yīng)。為了盡量減少這種問題，在大多數(shù)基于拓?fù)涞姆椒ㄖ?，在瞬變期間改變或者橋接濾波電感從而導(dǎo)致比在穩(wěn)態(tài)下更高的電流轉(zhuǎn)換速率(slew rate)。

發(fā)明內(nèi)容
描述了一種DC-DC電源和控制器，允許將負(fù)輸入電壓用于允許所述DC-DC控制器快速地對從重到輕負(fù)載瞬變做出響應(yīng)。所述控制器產(chǎn)生開關(guān)信號，以便在正常工作期間向所述轉(zhuǎn)換器提供正輸入電壓和接地以及在所述從重到輕瞬變響應(yīng)期間向所述轉(zhuǎn)換器提供負(fù)輸入電壓和接地。所述控制器在所述從重到輕瞬態(tài)響應(yīng)期間可以使用負(fù)占空比數(shù)值表示使用負(fù)輸入電壓的周期部分。可以使用電容器產(chǎn)生所述負(fù)輸入電壓。所述改善的DC-DC控制器對從重到輕負(fù)載瞬變具有更好的響應(yīng)。


圖I是本發(fā)明一個實施例的3級降壓轉(zhuǎn)換器的概念性方框圖。圖2是圖I所示3級降壓轉(zhuǎn)換器的示例性實際實現(xiàn)方法。圖3是數(shù)字控制3級降壓轉(zhuǎn)換器的方框圖。圖4是描述所建議系統(tǒng)的開關(guān)序列的時序圖。圖5闡釋了所建議3級降壓轉(zhuǎn)換器的工作模式。

圖6闡釋了 6V-1. 3V降壓轉(zhuǎn)換器對3A負(fù)載變化的不對稱瞬態(tài)響應(yīng)。圖7示出了具有20 μ s的建立時間和120mV的電壓偏移的OA至3A升壓瞬變的放大圖。圖8闡釋了具有70 μ s的建立時間和170mV的電壓偏移的3A至OA降壓瞬變的放大圖。圖9闡釋了具有20 μ s的建立時間和130mV的電壓偏移的已改善的3A至OA降壓瞬變。圖10闡釋了具有負(fù)Nx節(jié)點電壓的已改善的降壓瞬變的細(xì)節(jié)圖。
具體實施例方式DC-DC電源300產(chǎn)生DC輸出電壓，Vout⑴?？刂破?02在從重到輕負(fù)載瞬變響應(yīng)期間產(chǎn)生開關(guān)信號C1⑴…C5⑴，使得所述DC-DC電源使用負(fù)輸入電壓。將所述負(fù)輸入電壓接入所述DC-DC電源的外部LC電路系統(tǒng)202 (包括電感器206和電容器204)，以便快速地調(diào)節(jié)對所述從重到輕負(fù)載瞬變的DC輸出。將所述開關(guān)信號C1 (t)-C5U)發(fā)送至圖2所示的功率開關(guān)(諸如開關(guān)Qr"Q5)，以便在正常工作期間接入正輸入電壓和接地以及在所述從重到輕負(fù)載瞬變響應(yīng)期間接入所述負(fù)輸入電壓和接地?？梢允褂盟鲩_關(guān)信號給電容器Cx充電來提供所述負(fù)電壓。所述開關(guān)信號C1⑴…C5⑴用于控制開關(guān)仏…仏來給外部LC電路202提供所述輸入電壓、接地和負(fù)電壓。所述控制器302使用占空比d [η]，所述占空比可以為負(fù)。正占空比數(shù)值表示提供正輸入電壓而非接地的周期部分，而負(fù)占空比數(shù)值表示提供負(fù)輸入電壓而非接地的周期部分。在SMPS中的最大負(fù)載瞬變響應(yīng)速度受限于所述功率級電感器和電容器的數(shù)值，以及輸入和輸出電壓的數(shù)值。在具有顯著降壓比的現(xiàn)代DC-DC轉(zhuǎn)換器中，這些限制使得從重到輕負(fù)載瞬變響應(yīng)顯著地比對相反瞬變的響應(yīng)慢，造成顯著的電壓過沖和/或需要較大的輸出電容器。為了盡量減少這種問題，在大多數(shù)基于拓?fù)涞姆椒ㄖ校谒沧兤陂g改變或者橋接濾波電感從而導(dǎo)致比在穩(wěn)態(tài)下更高的電流轉(zhuǎn)換速率。理論上，對于給定的轉(zhuǎn)換器，可以設(shè)計線性的補償器來達(dá)到任意高的控制帶寬。然而，實際中，可達(dá)到的帶寬受限于所述適用的占空比范圍，在降壓轉(zhuǎn)換器中是從O至I。一旦所述占空比飽和，瞬變響應(yīng)的速度僅僅依賴于所述電感電流的轉(zhuǎn)換速率。
在具有相對較大降壓比的常規(guī)降壓轉(zhuǎn)換器中，即Vin顯著地大于2V-，在升壓和降壓負(fù)載變化期間的電感電流轉(zhuǎn)換速率具有相當(dāng)不同的數(shù)值。在從重到輕負(fù)載瞬變期間，所述電流轉(zhuǎn)換速率受限于(Vin-Vrat) /L，而在相反的負(fù)載變化期間所述轉(zhuǎn)換速率是-Vwt/L，其中L是所述電感數(shù)值。由于所述小得多的轉(zhuǎn)換速率，所述轉(zhuǎn)換器需要更多時間來抑制從重到輕負(fù)載瞬變。在向電子設(shè)備供電的現(xiàn)代DC-DC轉(zhuǎn)換器中，隨著降低所述轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，即增大降壓比，至亞IV(sub IV)范圍的趨勢繼續(xù)，這種問題變得明顯。因此，在降壓負(fù)載變化期間，所述轉(zhuǎn)換器經(jīng)歷更長的瞬變和更大的過沖。作為替代 ，使用圖I所示的已修改3級降壓轉(zhuǎn)換器，增加了在從重到輕負(fù)載瞬變期間的轉(zhuǎn)換速率。一種通常用于高功率應(yīng)用中的常規(guī)3級4開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法被建議用作在低功率高帶寬放大器中的包絡(luò)跟蹤(envelope tracking)。產(chǎn)生輸入0、Vin/2和Vin的所述轉(zhuǎn)換器用于使所述輸出電壓紋波(voltage ripple)最小并且提高效率。在一個實施例中，圖2所示的3級降壓轉(zhuǎn)換器的5開關(guān)實現(xiàn)方法用于改善從重到輕負(fù)載瞬變響應(yīng)。在這種情況下，所述轉(zhuǎn)換器的輸入電壓具有三個電平+vin、0和-vin。這個想法是在從重到輕瞬變期間，所述電感器輸入節(jié)點Nx連接至所述負(fù)電壓軌(voltagerail)-Vin而不是O。這樣，對于從重到輕負(fù)載瞬變的轉(zhuǎn)換速率的絕對值被提高至(V-+VJ/L。應(yīng)當(dāng)注意，不是所有加在這種拓?fù)渲械木w管都需要具有高的額定電流。在穩(wěn)態(tài)下，Q1和(Q2+Q4)用作互補開關(guān)以及所述轉(zhuǎn)換器變現(xiàn)為常規(guī)降壓轉(zhuǎn)換器。在從重到輕負(fù)載瞬變期間，只有晶體管Q3和Q5是工作的，與其他開關(guān)相比需要小得多的平均電流。在穩(wěn)態(tài)工作期間，用于在Nx處產(chǎn)生負(fù)Vin的所述電容器Cx也用作輸入濾波電容器。數(shù)字控制器用于根據(jù)占空比控制變量的符號在所述正輸入電壓和所述負(fù)輸入電壓軌之間無縫地切換?？梢苑謩e用圖3所示的方框圖和圖4所示的時序圖闡釋所述數(shù)字控制器的工作控制所建議的轉(zhuǎn)換器的工作。所述數(shù)字控制器是非常簡單的，并且與常規(guī)電壓模式脈沖寬度調(diào)制結(jié)構(gòu)相比需要很小的修改。主要差異在于，在這種實現(xiàn)方法中由所述PID補償器產(chǎn)生的所述占空比控制變量d[n]不限制在O與I之間，而是具有-I < d[n] < I的擴展范圍。當(dāng)所述輸出電壓增加時，由于從重到輕負(fù)載瞬變或者某些其他干擾，d[n]可變成負(fù)的，而不是局限于O。這個負(fù)值由所述PID補償器304自動地產(chǎn)生。不同于丟棄所述負(fù)值d[n]的常規(guī)降壓轉(zhuǎn)換器，由于所述拓?fù)涞奈锢硐拗?，在這種拓?fù)渲兴糜趩铀鲛D(zhuǎn)換器配置的變化。d[n]的數(shù)值總是由所述切換序列邏輯(Switching Sequence Logic) 306監(jiān)測,所述切換序列邏輯基于占空比命令的符號來選擇有源晶體管序列。圖4所示的時序圖以及圖5對應(yīng)電路配置圖描述了所述邏輯的工作。正如我們所看到的，當(dāng)占空比控制變量為正時，轉(zhuǎn)換器用作常規(guī)降壓轉(zhuǎn)換器，在狀態(tài)I與狀態(tài)2之間切換并且禁用Q5。在這種情況下，Cx用作輸入濾波電容器并且被充電至所述電壓Vin。當(dāng)創(chuàng)建負(fù)占空比命令時，所述狀態(tài)2的轉(zhuǎn)換器配置被狀態(tài)3的配置替代，在狀態(tài)3中通過斷開Q3、Q4并且短路Q5使所述電容器Cx的方向反轉(zhuǎn)，以便在Nx節(jié)點處強加-Vin電壓。這樣，實現(xiàn)了不受干擾的反饋調(diào)整。在這種模式下，在Q5接通之前足夠的非重疊時間是必要的，以防止電流直通。與占空比被限制在O的常規(guī)情況下的響應(yīng)相比，由于所述占空比控制的飽和動作，所建議的方法不會引入非線性。因此，在所述升壓和降壓瞬變期間，可以實現(xiàn)具有擴展的線性控制工作范圍的平衡響應(yīng)。另外，所述轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生從-Vin至Vin的增加的輸出電壓范圍。建立并且測試了實現(xiàn)圖2和圖3所示系統(tǒng)的實驗設(shè)置。所述功率級是3級，6V-1.3V，400kHz，8W。這個示例的轉(zhuǎn)換器參數(shù)為電感器L = 3. 3 μ H，輸出電容器C =140 μ F，開關(guān)頻率fsw = 400KHz。為了提供負(fù)輸入電壓，使用了相對較小的電容器Cx = 30 μ F0用Altera DE2 FPGA電路板和現(xiàn)成的ADC實現(xiàn)了所述控制器。為了說明所建議轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢，對于所述降壓轉(zhuǎn)換比從6V至I. 3V，比較了所述轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)與常規(guī)降壓轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)。在兩種情況下，使用相同的補償器并且將所述控制帶寬設(shè)置為fsw的十分之一，即40kHz。首先，通過將所述占空比指令限制在(0，1)之間實現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換器的常規(guī)工作。在圖6中示出，在OA與3A之間的對稱負(fù)載變化造成了不對稱負(fù)載瞬變。圖6闡釋了 6V-1. 3V降壓轉(zhuǎn)換器對3A負(fù)載變化的不對稱瞬態(tài)響應(yīng)；通道I示出了輸出電壓(100mV/div);通道2示出了節(jié)點Nx電壓(10V/div);通道3示出了負(fù)載瞬態(tài)控制信號；所述時間刻度是200μ s/div。在圖8中所示的所述降壓瞬變的縮放視圖具有與升壓瞬變相比長了 3倍的建立時間和大了 50mV的電壓偏移。這是由于在負(fù)載降壓期間的占空比飽和導(dǎo)致的，可以從圖8的Nx節(jié)點電壓波形看出。圖8闡釋了具有70 μ s的建立時間和170mV的電壓偏移的3A至OA降壓瞬變的放大圖；通道I示出了輸出電壓(lOOmV/div);通道2示出了節(jié)點Nx電壓(10V/div);通道3示出了負(fù)載瞬態(tài)控制信號；所述時間刻度是50 μ s/div。然后，將所述占空比限制放寬至(_1，1)并且啟用所述快速電容器。利用完全相同的測試條件，在圖9中看到所述降壓負(fù)載瞬變。圖9闡釋了具有20 μ s的建立時間和130mV的電壓偏移的已改善的3A至OA降壓瞬變；通道I示出了輸出電壓(lOOmV/div);通道2示出了節(jié)點Nx電壓(lOV/div);通道3示出了負(fù)載瞬態(tài)控制信號；所述時間刻度是50 μ s/div。與圖8所示的相比，所建議的轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)短了 3倍的建立時間和小了 40mV的電壓過沖。與圖7所示的升壓瞬變相比，所述已改善的降壓瞬變具有近似相同的響應(yīng)，換言之，對稱的響應(yīng)。圖7示出了具有20 μ s的建立時間和120mV的電壓偏移的OA至3A升壓瞬變的放大圖；通道I示出了輸出電壓(100mV/div);通道2示出了節(jié)點Nx電壓(10V/div);通道3示出了負(fù)載瞬態(tài)控制信號；所述時間刻度是50 μ s/div。在圖10中示出了所述已改善響應(yīng)的放大圖，以及當(dāng)占空比在所述瞬變期間變?yōu)樨?fù)時看到的在Nx節(jié)點處的負(fù)電壓。可以看出，所陳述的轉(zhuǎn)換器拓?fù)淠軌驍U大所述工作占空比范圍并且大大改善在降壓負(fù)載瞬變期間的轉(zhuǎn)換器性能。圖10闡釋了具有負(fù)Nx節(jié)點電壓的已改善的降壓瞬變的細(xì)節(jié)圖；通道I示出了輸出電壓(100mV/div);通道2示出了節(jié)點Nx電壓(10V/div);通道3示出了負(fù)載瞬態(tài)控制信號；所述時間刻度是50 μ s/div。出于闡釋和描述的目的，已經(jīng)提供了本發(fā)明優(yōu)選實施例的前述描述。目的不旨在窮舉或者將本發(fā)明限制在所公開的精確形式。為了最好地解釋本發(fā)明的原理及其實際應(yīng)用，選擇并且描述了許多實施例，從而使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的各種實施例以及適用于特定使用考慮的各種該修改。目的旨在本發(fā)明的范圍由所述權(quán)利要求及其等同來限定。
權(quán)利要求
1.ー種用于產(chǎn)生DC輸出電壓的DC-DC電源的控制器，所述控制器在從重到輕負(fù)載瞬變響應(yīng)期間產(chǎn)生開關(guān)信號，使得所述DC-DC電源使用負(fù)輸入電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的控制器，其中將所述負(fù)輸入電壓接入所述DC-DC電源的外部LC電路，以快速地調(diào)節(jié)對所述從重到輕負(fù)載瞬變的DC輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的控制器，其中將所述開關(guān)信號發(fā)送至功率開關(guān)，以便在正常工作期間接入正輸入電壓和接地以及在所述從重到輕負(fù)載瞬變響應(yīng)期間接入所述負(fù)輸入電壓和接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的控制器，其中對電容器充電以提供所述負(fù)輸入電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的控制器，其中開關(guān)信號用于控制功率開關(guān)，以向外部LC電路提供正輸入電壓、接地和負(fù)輸入電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的控制器，其中所述控制器使用具有包括正值和負(fù)值范圍的占空比，正占空比數(shù)值表示提供正輸入電壓而非接地的周期部分，而負(fù)占空比數(shù)值表示提供負(fù)輸入電壓而非接地的周期部分。
7.ー種DC-DC電源，將正輸入電壓、接地和負(fù)輸入電壓接入LC電路以便產(chǎn)生DC輸出電壓，在從重到輕負(fù)載瞬變響應(yīng)期間使用所述負(fù)輸入電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制器，其中將所述負(fù)輸入電壓接入所述DC-DC電源的外部LC電路，以便快速地調(diào)節(jié)對所述從重到輕負(fù)載瞬變的DC輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的DC-DC電源，包括為所述DC-DC電源的功率開關(guān)產(chǎn)生開關(guān)信號的控制器，所述功率開關(guān)在正常工作期間接入正輸入電壓和接地并且在所述從重到輕負(fù)載瞬變響應(yīng)期間接入所述負(fù)輸入電壓和接地。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制器，其中所述控制器使用具有包括正值和負(fù)值范圍的占空比，正占空比數(shù)值表示提供正輸入電壓而非接地的周期部分，而負(fù)占空比數(shù)值表示提供負(fù)輸入電壓而非接地的周期部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的DC-DC電源，還包括電容器以提供所述負(fù)輸入電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的DC-DC電源，其中所述正輸入電壓用于給所述電容器充電以提供所述負(fù)輸入電壓。
13.—種用于DC-DC電源的方法,包括 在正常工作期間，在正輸入電壓與接地之間切換以產(chǎn)生DC輸出電壓；以及 在從重到輕負(fù)載瞬變期間，在負(fù)輸入電壓與接地之間切換以調(diào)節(jié)所述DC輸出電壓。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中將所述正輸入電壓、接地和負(fù)輸入電壓接入LC電路。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中產(chǎn)生開關(guān)信號來選擇所述正輸入電壓、接地或者負(fù)輸入電壓。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中電容器用于產(chǎn)生所述負(fù)輸入電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括 創(chuàng)建具有包括正值和負(fù)值范圍的占空比信號；以及 其中正占空比數(shù)值表示提供正輸入電壓而非接地的周期部分，而負(fù)占空比數(shù)值表示提供負(fù)輸入電壓而非接地的周期部分。
全文摘要
描述了一種用于改善低功率開關(guān)模式電源中從重到輕負(fù)載瞬變響應(yīng)的方法。它使用負(fù)電壓輸入電源軌和具有擴展的占空比控制數(shù)值的數(shù)字控制器來在所述開關(guān)模式電源(SMPS)電感器中提供更快的放電電流轉(zhuǎn)換速率。
文檔編號G05F1/00GK102859461SQ201180019678
公開日2013年1月2日 申請日期2011年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月19日
發(fā)明者阿里克桑達(dá)·普羅迪克, 趙振宇 申請人:愛薩有限公司