用于恒定電流恒定功率控制的電源控制方法
【專利摘要】提供了一種數(shù)字電源控制器（2)，其包括電壓控制回路（10)以及電流控制回路（20)且具有控制器（30)，控制器用于根據(jù)電壓控制回路占空比輸出（18)或電流控制回路占空比輸出（28)對開關(guān)電源（4)進(jìn)行脈寬調(diào)制，其中在從電流回路控制切換到電壓回路控制之前，控制器選擇性地將電壓控制回路占空比輸出（18)預(yù)設(shè)成預(yù)定值(92)，和/或在電流回路控制期間，控制器抑制電壓回路積分器值（66a)的增加以減輕電壓過沖。
【專利說明】用于恒定電流恒定功率控制的電源控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及功率轉(zhuǎn)換電路，并且更確切地說涉及使用來自電壓控制回路或電流控 制回路的占空比來對開關(guān)電源進(jìn)行選擇性脈寬調(diào)制（PWM)控制。

【背景技術(shù)】
[0002] 開關(guān)電源或開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器在多種應(yīng)用中用于轉(zhuǎn)換來自輸入源的功率以驅(qū)動(dòng)負(fù) 載。轉(zhuǎn)換的控制通過電源開關(guān)的脈寬調(diào)制來提供，例如通過改變導(dǎo)通時(shí)間或占空比，其中轉(zhuǎn) 換器在給定的開關(guān)頻率下操作。開關(guān)電源可以使用恒定電流（CC)控制技術(shù)來操作，以便獲 得改進(jìn)的可靠性，從而允許電源持續(xù)提供超出標(biāo)稱值的輸出電流，并且在較低功率電平處 使用恒定電壓（CV)操作，其中一些電源采用恒定功率（CP)操作。恒定電壓操作有時(shí)使用 電壓回路來調(diào)節(jié)輸出電壓來實(shí)現(xiàn)，并且恒定電流操作有時(shí)使用電流回路來調(diào)節(jié)輸出電流來 實(shí)現(xiàn)。電壓回路通常用于恒定功率操作，其中電源控制器以設(shè)置成最大功率值除以輸出電 流的電壓基準(zhǔn)來操作電壓回路。恒定電流操作的使用可以允許電源在某些情形下避免過流 保護(hù)關(guān)閉。例如，當(dāng)在冗余系統(tǒng)中使用多個(gè)電源時(shí)，這是有利的。在沒有恒定電流控制能力 的情況下，給定的電源可能出于一些原因而承擔(dān)（assume)過大的負(fù)載電流并且達(dá)到過流 保護(hù)（0CP)水平以觸發(fā)關(guān)閉。這繼而可能導(dǎo)致另一電源承擔(dān)該電流負(fù)載，達(dá)到0CP水平，并 且最終關(guān)閉。因此，使用電壓回路來調(diào)節(jié)輸出電壓且使用電流回路來調(diào)節(jié)輸出電流的恒定 電流控制在某些應(yīng)用中是重要特征，例如便攜式電信設(shè)備、電池充電器、服務(wù)器應(yīng)用等。然 而，當(dāng)控制從電流回路切換到電壓回路時(shí)，這些電源控制技術(shù)遭受潛在的電壓過沖。例如， 當(dāng)根據(jù)電流回路在操作期間需要較大負(fù)載電流時(shí)，電壓回路在輸出電壓相對于電壓基準(zhǔn)較 低時(shí)會要求較大占空比。將控制切換回到電壓回路可能導(dǎo)致根據(jù)超過獲得期望電壓所需的 較大占空比進(jìn)行的脈寬調(diào)制，從而導(dǎo)致電壓尖峰或過沖狀況，其會損害下游設(shè)備和/或使 電源關(guān)閉。因此，需要一種改進(jìn)的電源控制技術(shù)和裝置來減輕或避免在從電流回路控制切 換到電壓回路控制時(shí)的電壓過沖。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供了用于控制開關(guān)電源的裝置和方法，在其中脈寬調(diào)制控制選擇性地在 電壓回路控制與電流回路控制之間切換，以有助于恒定電壓操作、恒定功率操作以及恒定 電流操作，同時(shí)選擇性地控制從電流回路控制到電壓回路控制的切換以避免或減輕電壓尖 峰。
[0004] 根據(jù)本發(fā)明的某些方面提供了開關(guān)電源以及電源控制器，所述電源控制器包括各 自提供對應(yīng)的占空比信號或值的電壓控制器或電壓控制電路以及電流控制電路，以及根據(jù) 占空比輸入操作開關(guān)電源的一個(gè)或多個(gè)開關(guān)的脈寬調(diào)制電路。控制電路以第一模式操作以 將占空比輸入提供為電壓控制占空比，并且以第二模式操作以提供電流控制占空比作為占 空比輸入。另外，控制電路根據(jù)相對的電壓以及電流控制占空比在第一模式與第二模式之 間進(jìn)行切換，并且在從電流控制切換到電壓控制之前選擇性地將電壓控制占空比預(yù)設(shè)成預(yù) 定值。控制電路還可以在電流回路控制期間凍結(jié)或限制電壓回路補(bǔ)償器的積分器值的增 力口。這些技術(shù)可以有利地用于減輕或避免在從電流回路操作轉(zhuǎn)變到電壓回路操作時(shí)的電壓 尖峰。在某些實(shí)施例中，在轉(zhuǎn)變到電壓回路控制操作之前所計(jì)算出的電壓控制占空比小于 預(yù)定值的情形下，電壓控制占空比不需要被預(yù)設(shè)成預(yù)定值。在某些實(shí)施例中，在輕負(fù)載下對 于峰值電流模式控制，用于電壓回路的預(yù)定的預(yù)設(shè)值接近電流命令值，或者在輕負(fù)載下對 于電壓模式控制，用于電壓回路的預(yù)定的預(yù)設(shè)值接近占空比命令值。另外，電源控制器的某 些實(shí)施例可以包括用于根據(jù)電流回路進(jìn)行操作的比較器電路，所述比較器電路基于電壓回 路占空比與電源的開關(guān)電流的比較向PWM電路提供占空比輸入。
[0005] 提供了用于開關(guān)電源的脈寬調(diào)制的方法，所述方法包括將電壓回路占空比與電流 回路占空比進(jìn)行比較，以及如果電壓回路占空比加上預(yù)定滯后值超過電流回路占空比，則 根據(jù)電流回路占空比對一個(gè)或多個(gè)電源開關(guān)進(jìn)行脈寬調(diào)制。另外，如果電壓回路占空比小 于電流回路占空比，則所述方法包括選擇性地將電壓回路占空比預(yù)設(shè)成預(yù)定值，并且接著 根據(jù)電壓回路占空比對一個(gè)或多個(gè)電源開關(guān)進(jìn)行脈寬調(diào)制。在某些實(shí)施方式中，所述方法 還包括在根據(jù)電流回路占空比對開關(guān)進(jìn)行脈寬調(diào)制的同時(shí)防止用于計(jì)算電壓回路占空比 的積分器值的增加。此外，在某些實(shí)施例中，所述方法可以包括如果電壓控制占空比小于預(yù) 定值時(shí)，則選擇性地制止預(yù)設(shè)電壓回路占空比。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 圖1是圖示了示例性電源控制器的原理圖，所述電源控制器具有根據(jù)電壓回路占 空比或電流回路占空比對開關(guān)電源進(jìn)行脈寬調(diào)制的恒定電流/恒定功率控制電路，以及在 從電流回路控制切換到電壓回路控制之前選擇性地將電壓回路占空比預(yù)設(shè)成預(yù)定值的邏 輯；
[0007] 圖2是圖示了電源控制器對DC到AC到DC轉(zhuǎn)換器中的多個(gè)開關(guān)進(jìn)行脈寬調(diào)制的 進(jìn)一步的細(xì)節(jié)的原理圖；
[0008] 圖3是圖示了具有預(yù)設(shè)電路以及加法器電路的示例性數(shù)字電壓回路PID補(bǔ)償器電 路的進(jìn)一步細(xì)節(jié)的原理圖，所述補(bǔ)償器電路被配置為根據(jù)來自恒定電流/恒定功率控制電 路的信號選擇性地凍結(jié)積分器值；
[0009] 圖4是圖示了用于對開關(guān)電源進(jìn)行脈寬調(diào)制的示例性方法的流程圖；以及 [0010] 圖5是圖示了電源控制器的恒定電壓、恒定功率以及恒定電流操作的曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0011] 本發(fā)明提供了用于對開關(guān)電源進(jìn)行脈寬調(diào)制的裝置以及技術(shù)，在其中從電流回路 操作到電壓回路操作的轉(zhuǎn)變被修改為選擇性地預(yù)設(shè)電壓控制回路的輸出占空比和/或以 抑制在電流控制回路操作期間電壓回路補(bǔ)償器電路的積分器的值的增加，以便減輕或避免 不期望的輸出電壓尖峰。本發(fā)明的概念尤其適用于數(shù)字電源控制器集成電路，但模擬和/ 或組合數(shù)字/模擬控制器實(shí)施例也是可能的。另外，本發(fā)明的電源控制器可以用于有助于 任何形式的開關(guān)電源的脈寬調(diào)制操作，包括但不限于AC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/AC轉(zhuǎn) 換器或逆變器等，它們具有根據(jù)脈寬調(diào)制控制信號進(jìn)行操作的一個(gè)或多個(gè)開關(guān)器件，其中 本發(fā)明的各方面不限于所示的示例。
[0012] 圖1圖示了用于向開關(guān)電源4提供一個(gè)或多個(gè)脈寬調(diào)制開關(guān)控制信號的數(shù)字電源 控制器設(shè)備2。電源控制器2包括形成用于電源4的輸出的恒定電壓以及恒定功率操作調(diào) 節(jié)的電壓控制回路的一部分的電壓控制器或控制電路10,以及用于恒定電流操作的電流控 制電路20。圖1示出了示例DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器類型的電源4,其具有與電感器L串聯(lián)形成上 部電路支路的單個(gè)基于半導(dǎo)體的開關(guān)器件Q，其中回掃（fly back)二極管D連接在下部電 源電路支路與開關(guān)Q和電感器L的中點(diǎn)之間。在此示例中，電源4接收來自提供輸入電壓 VIN的DC電壓源3的輸入功率，并且開關(guān)Q的操作提供DC輸出功率以驅(qū)動(dòng)負(fù)載5。電源控 制器2還包括直接或間接向數(shù)字脈寬調(diào)制（DPWM)電路40提供占空比輸出信號或值32 (d。） 的控制電路30,所述數(shù)字脈寬調(diào)制電路用于提供一個(gè)或多個(gè)脈寬調(diào)制開關(guān)控制信號42以 操作電源4的開關(guān)Q。
[0013] 電壓控制電路10向控制電路30提供電壓控制占空比信號或值18(dv)，并且電流 控制電路20向控制電路30提供電流控制占空比信號或值28 (cQ?？刂齐娐?0操作在以 下兩個(gè)模式中的一個(gè)：經(jīng)由電壓控制電路10使用電壓控制回路來調(diào)節(jié)電源4,或者經(jīng)由電 流控制電路20使用電流控制回路來調(diào)節(jié)電源4。在第一模式中，控制電路30將占空比輸出 32提供為電壓控制占空比信號或值18,并且在第二模式中，控制電路提供電流控制占空比 信號或值28作為輸出32。此外，在此特定實(shí)施例中，電源控制器2包括用于第二模式的比 較器電路50,其中來自控制電路30的占空比輸出32被轉(zhuǎn)換成模擬形式以便與電源4的開 關(guān)電流進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生比較器輸出信號58 (CtH)，其用作DPWM電路40的占空比輸入。
[0014] 如圖1中所見，電壓控制電路10包括電壓誤差電路12以及電壓補(bǔ)償器電路 16 (CLAV)，在此情況下所述電壓誤差電路是接收表示電源4的輸出電壓的反饋信號6 (Vs)的 電壓誤差模數(shù)轉(zhuǎn)換器（EADCV)。在操作中，電壓誤差電路12將基準(zhǔn)電壓信號或值7(〇與 輸出電壓反饋6進(jìn)行比較，并且基于該比較提供電壓誤差信號或值14。在一個(gè)可能的實(shí)施 方式中，基準(zhǔn)電壓7可以是由外部系統(tǒng)提供的設(shè)定點(diǎn)電壓值，或者可以根據(jù)其計(jì)算出來或 推導(dǎo)出來。另外，電源控制器2可以選擇性地預(yù)設(shè)或改變電壓基準(zhǔn)7以有助于在恒定功率 和/或恒定電流操作模式中的操作。例如，基準(zhǔn)電壓7可以是表示在恒定功率操作期間最 大額定功率（Pmax)除以輸出電流值的比率的計(jì)算值。此外，在各種實(shí)施方式中，電壓基準(zhǔn) 7可以是模擬信號或數(shù)字值。同樣地，輸出電壓6可以是模擬信號或數(shù)字值。在所示的實(shí) 施例中，電壓誤差電路12包括：模擬放大器（未圖示），其提供表示基準(zhǔn)電壓7與輸出電壓 62之間的差值的比較誤差輸出；以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC，未圖示），其轉(zhuǎn)換該比較誤差輸出以 提供數(shù)字電壓誤差值14。以下其它實(shí)施例也是可能的，在其中模擬放大器或其它合適的電 路用于至少部分基于電源輸出電壓信號6以及基準(zhǔn)信號7提供模擬電壓誤差信號14。
[0015] 無論是模擬信號還是數(shù)字值，誤差14都被提供給電壓補(bǔ)償器電路16,所述電壓補(bǔ) 償器電路接著向控制電路30提供電壓控制占空比信號或值輸出18 (dv)。如同誤差14 一樣， 電壓控制占空比輸出18可以是表示至少部分根據(jù)誤差14計(jì)算出的用于對開關(guān)電源4進(jìn)行 脈寬調(diào)制的占空比或?qū)〞r(shí)間的模擬信號或數(shù)字值。例如，電壓控制占空比輸出18可以是 表示在給定的PWM開關(guān)時(shí)段中對應(yīng)的受控電源開關(guān)Q將被開啟的時(shí)間百分比的數(shù)字值。在 實(shí)踐中，可以使用任何合適形式的補(bǔ)償器電路16,例如模擬濾波器或數(shù)字濾波器，它們在某 些情況下可以實(shí)現(xiàn)比例積分微分（PID)控制功能，并且補(bǔ)償器電路16可以是控制律加速器 (CLA)，如圖式中所示。
[0016] 此外，如下文更加詳細(xì)描述的，在某些實(shí)施例中，電壓補(bǔ)償器電路16接收來自恒 定電流/恒定功率控制電路30的一個(gè)或多個(gè)控制信號。如圖1中所見，控制器30提供預(yù) 設(shè)控制信號94,所述預(yù)設(shè)控制信號使補(bǔ)償器16的預(yù)設(shè)電路90在控制電路30從第二模式 切換到第一模式之前，將占空比信號或值18提供為預(yù)定的占空比信號或值92(d v_min)。此 夕卜，在某些實(shí)施例中，當(dāng)控制電路30處于第二（電流回路控制）模式中時(shí)，控制器30提供 控制信號96以選擇性地防止電壓補(bǔ)償器16中的加法器電路66所維持的積分器值的增加。 下面結(jié)合圖3圖示并且更加詳細(xì)描述電壓補(bǔ)償器電路16的示例性數(shù)字實(shí)施方式。
[0017] 電流控制電路20還包括電流誤差電路22(例如，EADQ)以及電流補(bǔ)償器電路 26 (ΟΛ)。如同電壓控制電路10 -樣，電流控制電路20可以用于處理模擬信號或數(shù)字值 或其組合。在所示的實(shí)施例中，電流誤差電路22至少部分根據(jù)基準(zhǔn)電流9(I Mf)以及輸出 電流反饋信號或值8 (is)來提供電流誤差信號或值24,所述輸出電流反饋信號或值在各種 實(shí)施方式中可以是數(shù)字值和/或模擬信號。如圖所示，電流誤差電路22是包括產(chǎn)生模擬誤 差信號的模擬放大器的誤差A(yù)DC電路，所述模擬誤差信號經(jīng)由內(nèi)部ADC(未圖示）轉(zhuǎn)換成數(shù) 字電流誤差值24。電流誤差值24被提供給電流補(bǔ)償器電路26,所述電流補(bǔ)償器電路基于 該誤差24提供表示用于電源開關(guān)Q的脈寬調(diào)制的占空比或?qū)〞r(shí)間（例如，百分比）的電 流控制占空比信號或值28。在所示的實(shí)施方式中，電流補(bǔ)償器26可以在構(gòu)造上大體上類似 于電壓補(bǔ)償器16,接收數(shù)字電流誤差值24并且輸出數(shù)字電流占空比值28,其中電壓補(bǔ)償器 16另外提供如本文所描述的預(yù)設(shè)和/或積分器值凍結(jié)操作。
[0018] 控制電路30分別接收電壓占空比18以及電流占空比28,并且選擇性地將這些中 的一個(gè)作為占空比輸入信號或值32提供給DPWM電路40并且還提供給比較器電路50。就 此而言，控制電路30可以是可操作以根據(jù)輸入18以及28中的一個(gè)選擇性地提供占空比 輸出的任何合適的數(shù)字電路和/或模擬電路。具體地，控制電路30在第一模式中提供占 空比輸入32作為電壓控制占空比18,并且在第二模式中提供輸入32作為電流控制占空 比28。另外，控制電路30包括邏輯電路34,如果電壓控制占空比18加上預(yù)定的非零滯后 (hysteresis)值Δ超過電流控制占空比28(如果(^〈((1 ν+Δ))，則該邏輯電路34將控制電 路30從第一模式切換到第二模式（S卩，從電壓回路模式切換到電流回路模式），并且如果電 壓控制占空比18小于電流控制占空比28 (如果d/cQ，則該邏輯電路34將控制電路30從 第二模式切換回第一模式?？梢允褂萌魏魏线m的非零滯后值△，例如，在一個(gè)實(shí)施方式中在 2 %左右。此外，任何合適的比較電路或邏輯都可以用于回路選擇邏輯電路34，以比較占空 比信號或值18以及28,并且邏輯電路34可以包括任何必要的開關(guān)電路或編程邏輯等，以便 基于由信號或值18以及28的比較所確定的模式選擇性地提供占空比32。
[0019] 另外，在某些實(shí)施例中，邏輯電路34可操作以在將控制電路30從第二模式切換 到第一模式之前，選擇性地將電壓控制占空比信號或值18預(yù)設(shè)成預(yù)定的占空比信號或值 92 (dv_min)。在某些實(shí)施例中，這是通過邏輯電路34向電壓補(bǔ)償器16的預(yù)設(shè)電路90提供 預(yù)設(shè)控制信號94來完成的，如下文結(jié)合圖3進(jìn)一步描述。同樣，示例性邏輯電路34向電壓 補(bǔ)償器電路16提供控制信號96以選擇性地防止或抑制存儲在加法器電路66中的積分器 值66a的增加。這些技術(shù)中的任一者或兩者都可以有利地用于減少或避免與從電流回路控 制操作切換到電壓回路控制操作相關(guān)聯(lián)的不期望的電壓尖峰。
[0020] 此外，回路選擇邏輯電路34可以向DPWM電路40提供控制信號98以指示將用于 脈寬調(diào)制的占空比源。就此而言，所示的DPWM電路40選擇性地在電壓模式控制（第一模 式）中使用來自控制電路30的占空比輸出32,或者在第二（電流回路控制）模式中使用來 自比較器電路50的比較器輸出信號58。比較器電路50包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器52 (DAC)，所述數(shù) 模轉(zhuǎn)換器可操作以將占空比輸入值32轉(zhuǎn)換成模擬占空比輸入信號53。比較器56基于模擬 占空比輸入信號53與表不電源4的開關(guān)電流的反饋信號55的比較來產(chǎn)生比較器輸出信號 58。邏輯電路34選擇性地提供輸入選擇控制信號98以使脈寬調(diào)制電路40在控制電路30 處于電壓模式控制時(shí)根據(jù)占空比輸入信號或值32對開關(guān)Q進(jìn)行脈寬調(diào)制，以及在控制電路 30處于第二模式時(shí)改為根據(jù)比較器輸出信號58對開關(guān)Q進(jìn)行脈寬調(diào)制。選擇哪一個(gè)輸出 信號取決于所采用的不同功率階段控制模式。
[0021] 圖2圖示了電源控制器2在DC/AC/DC電源4中針對多個(gè)開關(guān)Q1到Q7提供脈寬 調(diào)制開關(guān)控制信號的另一應(yīng)用。在此示例中，電源控制器2包括提供多個(gè)脈寬調(diào)制開關(guān)控 制信號42的DPWM電路40,所述脈寬調(diào)制開關(guān)控制信號中的四個(gè)經(jīng)由隔離柵變壓器44提供 給與二極管D1以及D2形成Η橋逆變器電路的逆變器開關(guān)Q1到Q4。在此示例中，輸入變 壓器Τ2包括串聯(lián)連接在電壓源3(VBUS)與由Q1到Q4形成的逆變器的輸入之間的初級繞 組。變壓器T2的次級繞組提供電流變壓器信號源54 (iCT)，其產(chǎn)生開關(guān)電流傳感器輸出55， 該輸出指示流過變壓器初級的電流，并且因此指示逆變器電路Q1到Q4切換的電流。逆變 器的輸出連接到隔離變壓器T1的初級繞組，隔離變壓器的次級繞組連接到開關(guān)Q5以及Q6， 開關(guān)Q5以及Q6的柵極信號由PWM開關(guān)信號42經(jīng)由同步柵極驅(qū)動(dòng)46來提供。開關(guān)信號42 被提供給開關(guān)Q5以及Q6以實(shí)現(xiàn)同步整流器，所述同步整流器通過ORing MOSFET Q7將DC 電壓提供給輸出負(fù)載5,所述ORing M0SFET的柵極由來自DPWM電路40的開關(guān)控制信號42 經(jīng)由隔離柵變壓器44來驅(qū)動(dòng)，以調(diào)節(jié)電容器C1兩端的輸出電壓，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載5。電源控 制器2接收表示輸出電壓的電壓反饋信號6,并且感測電阻R1用于提供輸出電流反饋信號 8。在此實(shí)施例的操作中，DPWM電路40根據(jù)來自邏輯電路34的控制信號98 (圖1)，根據(jù)來 自控制電路30的占空比輸出值32或來自比較器電路50的比較器輸出信號58中的一個(gè)提 供脈寬調(diào)制開關(guān)控制信號42。
[0022] 圖3圖示了具有預(yù)設(shè)電路90的示例性數(shù)字電壓回路PID補(bǔ)償器電路16(控制律加 速器或CLA)的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)，所述預(yù)設(shè)電路根據(jù)來自邏輯電路34的預(yù)設(shè)控制信號94可操 作以選擇性地將輸出值18預(yù)設(shè)成預(yù)定值92 (dv_min)，如下文所描述。另外，圖3的實(shí)施例 包括被配置為根據(jù)來自恒定控制電路30的信號96 (FREEZE)來選擇性地凍結(jié)積分器值66a 的積分器值加法器電路66。補(bǔ)償器電路16實(shí)現(xiàn)比例積分微分（PID)補(bǔ)償架構(gòu)，所述架構(gòu)可 以使用已知的數(shù)字濾波電路以及技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。可以使用模擬補(bǔ)償器16的其它實(shí)施例也是 可能的，所述模擬補(bǔ)償器可以提供關(guān)于誤差輸入14的PID補(bǔ)償或其它補(bǔ)償濾波以產(chǎn)生占空 比輸出18。在所示的數(shù)字實(shí)施例中，補(bǔ)償器電路16接收數(shù)字電壓誤差值14(EADC DATA)， 作為表示如上文所描述的輸出電壓6與電壓基準(zhǔn)7之間的誤差的一組串行或并行的比特， 數(shù)字電壓誤差值14在任何給定時(shí)間是當(dāng)前樣本X n。寄存器64接收此當(dāng)前樣本并且提供表 示先前樣本Xm的延遲輸出。
[0023] 當(dāng)前電壓誤差樣本被提供為乘法器60的輸入，所述乘法器產(chǎn)生比例補(bǔ)償值60a作 為當(dāng)前電壓誤差樣本14與比例常數(shù)62(KP)的乘積。電壓補(bǔ)償器根據(jù)以下步驟計(jì)算積分補(bǔ) 償值70a :使用乘法器70將經(jīng)由求和器68獲得的數(shù)字電壓誤差值14的當(dāng)前樣本與來自寄 存器64的先前樣本的總和乘以積分常數(shù)72 (ΚΙ)，求和器的輸出值是（Xn+Xn_i)。在積分支路 中，加法器（ADDER) 66對乘法輸出70a和加法器輸出66a求和，以形成積分補(bǔ)償值66a。當(dāng) 加法器66由來自回路選擇邏輯34的凍結(jié)信號96觸發(fā)或啟動(dòng)時(shí)，加法器66可以停止積分并 且先前存儲的數(shù)據(jù)可以被保持而不改變（凍結(jié)）。PID電壓補(bǔ)償器16根據(jù)以下步驟來進(jìn)一 步計(jì)算微分補(bǔ)償值76a :通過求和器74獲得數(shù)字電壓誤差值14的當(dāng)前樣本與來自寄存器 64的先前樣本之間的差值，使用乘法器76將求和器的輸出（X n-Xn_i)乘以微分常數(shù)78 (KD)， 該乘法器的輸出提供微分補(bǔ)償值76a。電壓補(bǔ)償器16接著使用求和器80將數(shù)字電壓控制 占空比值18計(jì)算為比例補(bǔ)償值60a、積分補(bǔ)償值66a以及微分補(bǔ)償值76a的總和。
[0024] 如圖3中所見，數(shù)字控制值dv_min92作為輸入提供給預(yù)設(shè)電路90。此外，在某些實(shí) 施例中，對于在較輕負(fù)載下的電源4,預(yù)定占空比值92被設(shè)置成：對于峰值電流模式控制， 接近電流命令值，或者對于電壓模式控制，接近占空比命令（duty command)。在操作中，邏 輯電路34提供控制信號94以預(yù)設(shè)該預(yù)定值92 (圖1)，并且在某些實(shí)施例中，如果在將控制 電路30從第二模式切換到第一模式之前，電壓控制占空比值18實(shí)際上小于預(yù)定值92,則邏 輯電路34選擇性地制止（refrain)預(yù)設(shè)預(yù)定值92。
[0025] 以此方式，經(jīng)由電路90進(jìn)行選擇性預(yù)設(shè)是在需要將電壓回路控制占空比18減少 到在從電流回路控制切換回電壓回路控制之后減輕或避免的不期望的電壓尖峰的水平時(shí) 進(jìn)行的，但是如果當(dāng)前計(jì)算出的電壓補(bǔ)償器的占空比輸出不會導(dǎo)致這種電壓尖峰，則可以 選擇性地制止這個(gè)預(yù)設(shè)。例如，發(fā)明人已經(jīng)了解，如果使用恒定功率，則可能不需要經(jīng)由電 路90和控制信號94進(jìn)行預(yù)設(shè)，因?yàn)橛?jì)算出的d v可能小于dv_min，由此如果負(fù)載電流從最大 負(fù)載條件中去除，則輸出電壓可能實(shí)際上不會過沖。然而，另一方面，如果沒有采用恒定功 率控制，則當(dāng)電流從最大負(fù)載條件中去除時(shí)，輸出可能過沖，并且因此經(jīng)由邏輯電路34進(jìn) 行選擇性預(yù)設(shè)提供了優(yōu)于常規(guī)電壓回路/電流回路選擇和切換技術(shù)的顯著改進(jìn)。
[0026] 還參考圖4,圖示了用于提供脈寬調(diào)制信號以便對一個(gè)或多個(gè)電源開關(guān)Q進(jìn)行脈 寬調(diào)制的方法1〇〇。就此而言，控制電路30以及邏輯34的某些實(shí)施例因此可以大體上根 據(jù)圖示的方法100進(jìn)行操作。盡管示例性方法100以一系列動(dòng)作或事件的形式圖示以及描 述，但應(yīng)了解，除了如本文中具體闡述的之外，本發(fā)明的各種方法并不受限于這些動(dòng)作或事 件的所圖示的次序。就此而言，除了如在下文中具體提供的之外，一些動(dòng)作或事件可以以不 同次序發(fā)生，和/或與除本文中所圖示以及描述的那些動(dòng)作或事件之外的其它動(dòng)作或事件 同時(shí)發(fā)生，并且可能并不需要所有圖示步驟來實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的過程或方法。所圖示的方 法可以用硬件、處理器執(zhí)行的軟件、處理器執(zhí)行的固件、FPGA、邏輯電路等或其組合來實(shí)現(xiàn)， 以便提供具有本文中所描述的各種選擇性回路切換、預(yù)設(shè)、積分器凍結(jié)方面的電源控制功 能性，但本發(fā)明并不限于具體圖示或描述的應(yīng)用以及系統(tǒng)。例如，在某些實(shí)施方式中，回路 選擇邏輯34、預(yù)設(shè)控制信號94的提供以及積分器值凍結(jié)控制信號96的提供可以大體上根 據(jù)以下選擇邏輯來完成：
[0027] 如架(dv < dj { Λ = Λ ν?ζ； } tif 則如果(dj < (dv + Δ)) { dc=dj 預(yù)設(shè)4=較小A空比 凍結(jié)CLAV的積分器 }
[0028] 如圖4中所見，方法100在102處開始于接收電壓控制回路占空比信號或值18以 及電流回路占空比信號或值28的最新樣本，并且在104處確定電壓回路占空比是否小于電 流占空比。如果是（在104處為"是"），則在106處將用于一個(gè)或多個(gè)電源開關(guān)的脈寬調(diào) 制的占空比輸入值32設(shè)置成電壓回路占空比信號或值18,并且該過程100返回如上文所 描述的在102處的下一個(gè)樣本。否則（在104處為"否"），在108處將占空比輸入32設(shè)置 成電流回路占空比28,并且在110處確定電流回路占空比是否小于電壓回路占空比加上較 小滯后值Λ的總和。如果不小于（在110處為"否"），則該過程返回到102,否則（在110 處為"是")，在112處可選地確定電壓回路占空比18是否小于預(yù)定值92。如果選擇該選項(xiàng) 并且比較的結(jié)果為真（在112處為"是")，則該過程返回到上面的102。否則（在112處為 "否"），在114處將電壓回路占空比值預(yù)設(shè)成預(yù)定值92,并且在116處凍結(jié)電壓補(bǔ)償器積分 器值。其后，該過程100返回，以如上文所描述的在102處對電壓回路占空比18以及電流 回路占空比28再次采樣。
[0029] 圖5圖示了示出電源控制器2的示例性輸出電壓與輸出電流操作的關(guān)系的曲線 圖。如在曲線圖120中所見，曲線122包括：第一范圍122a，在其中使用電壓回路占空比信 號或值 <在基準(zhǔn)電壓電平7(〇處實(shí)現(xiàn)恒定電壓（CV)控制；以及第二范圍122b (也使用 電壓回路占空比），其用于電源4的恒定功率控制。另外，電源控制器2的某些實(shí)施例還提 供示為范圍122c的恒定電流操作，在某些實(shí)施例中，當(dāng)所要求的電流等于最大額定電流值 9(I Mf)時(shí)，啟動(dòng)恒定電流操作。在此實(shí)施方式中，恒定功率范圍122b開始于當(dāng)根據(jù)Pmax除 以輸出電流計(jì)算出的電壓基準(zhǔn)小于標(biāo)稱基準(zhǔn)設(shè)置時(shí)，并且持續(xù)直到達(dá)到基準(zhǔn)電流值I Mf，在 這之后，經(jīng)由回路開關(guān)邏輯電路34實(shí)現(xiàn)恒定電流控制122c，以根據(jù)電流回路占空比信號或 值28 (cQ提供一個(gè)或多個(gè)電源開關(guān)Q的PWM控制。
[0030] 本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解，在所主張的發(fā)明的范圍內(nèi)，許多其它實(shí)施例以及變化都 是可能的。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于控制開關(guān)電源的電源控制器，其包含： 電壓控制電路，其包括： 電壓誤差電路，所述電壓誤差電路至少部分基于基準(zhǔn)電壓信號或值以及所述開關(guān)電源 的輸出電壓提供電壓誤差信號或值，以及 電壓補(bǔ)償器電路，所述電壓補(bǔ)償器電路至少部分基于所述電壓誤差信號或值提供電壓 控制占空比信號或值；電流控制電路，其包括： 電流誤差電路，所述電流誤差電路至少部分基于基準(zhǔn)電流信號或值以及所述開關(guān)電源 的輸出電流提供電流誤差信號或值，以及 電流補(bǔ)償器電路，所述電流補(bǔ)償器電路至少部分基于所述電流誤差信號或值提供電流 控制占空比信號或值； 脈寬調(diào)制電路，所述脈寬調(diào)制電路可操作以至少部分根據(jù)占空比輸入信號或值對所述 開關(guān)電源的至少一個(gè)開關(guān)進(jìn)行脈寬調(diào)制；以及 控制電路，所述控制電路可選擇性地以第一模式操作以提供所述電壓控制占空比信 號或值作為所述占空比輸入信號或值，以及以第二模式操作以提供所述電流控制占空比信 號或值作為所述占空比輸入信號或值，所述控制電路包含邏輯電路，所述邏輯電路可操作 以： 如果所述電壓控制占空比信號或值加上預(yù)定非零滯后值的總和大于所述電流控制占 空比信號或值，則將所述控制電路從所述第一模式切換到所述第二模式，以及 如果所述電壓控制占空比信號或值小于所述電流控制占空比信號或值，則選擇性地將 所述電壓控制占空比信號或值預(yù)設(shè)成預(yù)定的占空比信號或值，并且接著將所述控制電路從 所述第二模式切換到所述第一模式。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源控制器，其中當(dāng)所述控制電路處于所述第二模式時(shí)，所 述邏輯電路可操作以防止所述電壓補(bǔ)償器電路的積分器信號或值的增加。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源控制器，其中所述電壓補(bǔ)償器電路包含： 比例積分微分電路，所述比例積分微分電路可操作以： 基于所述電壓誤差信號或值以及比例常數(shù)產(chǎn)生比例補(bǔ)償信號或值， 基于所述電壓誤差信號或值的積分以及積分常數(shù)產(chǎn)生積分補(bǔ)償信號或值， 基于所述電壓誤差信號或值的變化速率以及微分常數(shù)產(chǎn)生微分補(bǔ)償信號或值，以及 將PID輸出信號或值產(chǎn)生為所述比例補(bǔ)償信號或值、所述積分補(bǔ)償信號或值以及所述 微分補(bǔ)償信號或值的總和；以及 預(yù)設(shè)電路，所述預(yù)設(shè)電路可操作以基于預(yù)設(shè)控制信號將所述電壓控制占空比信號或值 提供為所述PID輸出信號或值或所述預(yù)定占空比信號或值； 其中如果所述電流控制占空比信號或值小于所述電壓控制占空比信號或值，則所述邏 輯電路可操作以通過向所述預(yù)設(shè)電路提供所述預(yù)設(shè)控制信號，選擇性地將所述電壓控制占 空比信號或值預(yù)設(shè)成所述預(yù)定的占空比值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源控制器，其中如果在將所述控制電路從所述第二模式切 換到所述第一模式之前，所述電壓控制占空比信號或值小于所述預(yù)定的占空比值，則所述 邏輯電路可操作以選擇性地制止將所述電壓控制占空比信號或值預(yù)設(shè)成所述預(yù)定的占空 比信號或值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源控制器： 其中所述電壓誤差電路可操作以提供數(shù)字電壓誤差值，所述數(shù)字電壓誤差值表示所述 基準(zhǔn)電壓信號或值與所述開關(guān)電源的所述輸出電壓之間的差值； 其中所述電壓補(bǔ)償器電路包含加法器電路，所述加法器電路用于至少部分基于所述數(shù) 字電壓誤差值的先前樣本提供積分器值， 其中所述電壓補(bǔ)償器電路至少部分基于所述積分器值計(jì)算積分補(bǔ)償值，并且其中所述 電壓補(bǔ)償器電路至少部分基于所述積分補(bǔ)償值提供所述電壓控制占空比信號或值；以及 其中當(dāng)所述控制電路處于所述第二模式時(shí)，所述邏輯電路向所述電壓補(bǔ)償器電路提供 控制信號以選擇性地防止所述積分器值的增加，并且在將所述控制電路從所述第二模式切 換到所述第一模式之前，所述邏輯電路選擇性地提供預(yù)設(shè)控制信號以使所述電壓補(bǔ)償器電 路將所述電壓控制占空比信號或值提供為所述預(yù)定的占空比信號或值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源控制器，其包含： 比較器電路，其包括： 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器可操作以將所述占空比輸入信號或值轉(zhuǎn)換成模擬占空比 輸入信號，以及 比較器，所述比較器基于所述模擬占空比輸入信號與表示所述開關(guān)電源的開關(guān)電流的 反饋電流信號的比較而產(chǎn)生比較器輸出信號； 其中當(dāng)所述控制電路處于所述第一模式時(shí)，所述邏輯電路可操作以選擇性地向所述脈 寬調(diào)制電路提供輸入選擇控制信號以使所述脈寬調(diào)制電路根據(jù)所述占空比輸入信號或值 對所述至少一個(gè)開關(guān)進(jìn)行脈寬調(diào)制，并且當(dāng)所述控制電路處于所述第二模式時(shí)，所述邏輯 電路可操作以根據(jù)所述比較器輸出信號對所述至少一個(gè)開關(guān)進(jìn)行脈寬調(diào)制。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源控制器，其中對于在輕負(fù)載下的峰值電流模式控制，所 述預(yù)定的占空比值接近電流命令值，或者對于在輕負(fù)載下的電壓模式控制，所述預(yù)定的占 空比值接近占空比命令值。
8. -種開關(guān)電源，其包含： 輸入端，所述輸入端被配置為接收來自連接源的輸入功率； 輸出端，所述輸出端可操作以向連接負(fù)載提供輸出功率； 至少一個(gè)開關(guān)，所述至少一個(gè)開關(guān)根據(jù)開關(guān)控制信號可操作以選擇性地轉(zhuǎn)換來自所述 輸入端的所述輸入功率，從而向所述輸出端提供所述輸出功率；以及 電源控制器，所述電源控制器可操作以向所述至少一個(gè)開關(guān)提供所述開關(guān)控制信號， 所述電源控制器包含： 電壓控制電路，其包括： 電壓誤差電路，所述電壓誤差電路提供表示基準(zhǔn)電壓信號或值與所述開關(guān)電源的輸出 電壓之間的差值的電壓誤差信號或值，以及 具有數(shù)字加法器電路的電壓補(bǔ)償器電路，所述數(shù)字加法器電路至少部分基于電流誤差 值以及先前誤差樣本提供積分器信號或值，所述電壓補(bǔ)償器電路至少部分基于所述電壓誤 差信號或值以及所述積分器信號或值提供電壓控制占空比信號或值，所述電壓補(bǔ)償器電路 包含數(shù)字比例積分微分電路，所述數(shù)字比例積分微分電路可操作以：基于所述數(shù)字電壓誤 差值以及比例常數(shù)來計(jì)算比例補(bǔ)償值；基于所述數(shù)字電壓誤差值的當(dāng)前樣本、所述積分器 值以及積分常數(shù)來計(jì)算積分補(bǔ)償值；基于所述數(shù)字電壓誤差值的當(dāng)前樣本與所述數(shù)字電壓 誤差值的先前樣本之間的差值以及微分常數(shù)來計(jì)算微分補(bǔ)償值；以及將數(shù)字電壓控制占空 比值計(jì)算為所述比例補(bǔ)償值、所述積分補(bǔ)償值以及所述微分補(bǔ)償值的總和，以及 預(yù)設(shè)電路，所述預(yù)設(shè)電路可操作以基于預(yù)設(shè)控制信號將所述電壓控制占空比信號或值 提供為所述數(shù)字電壓控制占空比值或所述預(yù)定的占空比信號或值，以及 電流控制電路，其包括： 電流誤差電路，所述電流誤差電路至少部分基于基準(zhǔn)電流信號或值以及所述開關(guān)電源 的輸出電流提供電流誤差信號或值，以及 電流補(bǔ)償器電路，所述電流補(bǔ)償器電路至少部分基于所述電流誤差信號或值提供電流 控制占空比信號或值，脈寬調(diào)制電路，所述脈寬調(diào)制電路可操作以至少部分根據(jù)占空比輸 入信號或值對所述開關(guān)電源的至少一個(gè)開關(guān)進(jìn)行脈寬調(diào)制，以及 控制電路，所述控制電路可選擇性地以第一模式操作以提供所述電壓控制占空比信號 或值作為所述占空比輸入信號或值，以及以第二模式操作以提供所述電流控制占空比信號 或值作為所述占空比輸入信號或值，所述控制電路包含邏輯電路，如果所述電壓控制占空 比信號或值加上預(yù)定非零滯后值的總和大于所述電流控制占空比信號或值，則所述邏輯電 路可操作以將所述控制電路從所述第一模式切換到所述第二模式，如果所述電流控制占空 比信號或值小于所述電壓控制占空比信號或值，則所述邏輯電路可操作以通過向所述預(yù)設(shè) 電路提供所述預(yù)設(shè)控制信號來選擇性地將所述電壓控制占空比信號或值預(yù)設(shè)成預(yù)定的占 空比信號或值，并且接著如果所述電壓控制占空比信號或值小于所述電流控制占空比信號 或值，則將所述控制電路從所述第二模式切換到所述第一模式，以及當(dāng)所述控制電路處于 所述第二模式時(shí)，所述邏輯電路可操作以選擇性地防止所述電壓補(bǔ)償器電路的所述積分器 信號或值的增加。
9. 一種提供用于開關(guān)電源的至少一個(gè)開關(guān)的脈寬調(diào)制的脈寬調(diào)制信號的方法，所述方 法包含： 將電壓回路占空比與電流回路占空比進(jìn)行比較； 如果所述電壓回路占空比加上預(yù)定非零滯后值的總和大于所述電流回路占空比，則根 據(jù)所述電流回路占空比對所述至少一個(gè)開關(guān)進(jìn)行脈寬調(diào)制；以及 如果所述電壓回路占空比小于所述電流回路占空比，則選擇性地將所述電壓回路占空 比預(yù)設(shè)成預(yù)定的占空比，并且接著根據(jù)所述電壓回路占空比對所述至少一個(gè)開關(guān)進(jìn)行脈寬 調(diào)制。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其包含如果所述電壓控制占空比小于所述預(yù)定的占 空比，則選擇性地制止將所述電壓回路占空比預(yù)設(shè)成所述預(yù)定的占空比。
【文檔編號】G05F1/565GK104220950SQ201380016320
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月29日
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