專利名稱：全數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種脈沖電壓轉(zhuǎn)換器以及一種用于生成該脈沖電壓轉(zhuǎn)換器所用控制值的方法。
背景技術(shù)：
直流(DC)電壓源所提供電壓與所需電壓不相符合的情況是經(jīng)常發(fā)生的，脈沖DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器即用于解決此類問題，其能將現(xiàn)有電壓轉(zhuǎn)化為所需電壓。每一個這種轉(zhuǎn)換器均基本包括三個元件，即一個電源開關(guān)、一個儲能電感器及一個平波電容器。利用這些元件既能構(gòu)成降壓轉(zhuǎn)換器(輸出電壓＜輸入電壓)，亦能構(gòu)成升壓轉(zhuǎn)換器(輸出電壓＞輸入電壓)。相應(yīng)的基本電路在U.Tietze及Ch.Schenk所著的標(biāo)準(zhǔn)著作“Halbleiter-Schaltungstechnik”(“半導(dǎo)體電路技術(shù)”)第11版(Springer)第16.6章(第979及以下各頁)中給出說明。
為了能構(gòu)成可控的DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，電源開關(guān)必須由一個占空比可重新調(diào)節(jié)的方波信號驅(qū)動?？梢允褂冒粋€鋸齒波發(fā)生器及一個比較器的模擬脈寬調(diào)制器生成這種方波信號。由鋸齒波發(fā)生器生成的三角形波電壓首先施加在比較器上，其次再為其提供一個由輸出電壓得到的控制信號。只要控制信號大于三角形波電壓，比較器就接通開關(guān)；而當(dāng)控制信號下降至低于三角形波電壓時，電源開關(guān)將被斷開。由此產(chǎn)生與控制信號成正比的占空比。
上述由Tietze/Schenk所著的“Halbleiter-Schaltungstechnik”(“半導(dǎo)體電路技術(shù)”，英文名稱為“Semiconductor Circuit Technology”)一書(第11版)第983-985頁介紹了使用模擬脈寬調(diào)制器的降壓轉(zhuǎn)換器的一個完整實施方案。
基于模擬技術(shù)構(gòu)成的控制電路的缺點在于其在CMOS電路中的集成比較復(fù)雜，這是由模擬電路元件與標(biāo)準(zhǔn)化CMOS電路是分別設(shè)計所造成的。而且眾所周知，具有大量模擬電路元件的數(shù)字電路需占用很大的芯片表面積。為此，人們希望能夠使用具有相同功能度的數(shù)字電路以盡可能多取代模擬電路元件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的旨在提供一種脈沖電壓轉(zhuǎn)換器，其設(shè)計能夠大量避免采用模擬元件且所用的控制值尤其適用于數(shù)字控制電路。
本發(fā)明的該目的通過權(quán)利要求1所述的一種脈沖電壓轉(zhuǎn)換器及權(quán)利要求18所述的一種用于生成控制值的方法得以實現(xiàn)。
除其它

發(fā)明內(nèi)容
之外，本發(fā)明的脈沖電壓轉(zhuǎn)換器還具有一個用于提供表示輸出電壓幅值的數(shù)字信號的數(shù)字化單元。該數(shù)字化單元所提供的數(shù)字信號由一個數(shù)字控制電路利用一頻率高于開關(guān)時鐘頻率的取樣時鐘進(jìn)行讀取。
利用本發(fā)明的解決方案，可在盡量早的時間內(nèi)將輸出電壓數(shù)字化，因此，除數(shù)字化單元自身之外的所有控制回路元件均可采用數(shù)字技術(shù)設(shè)計。這尤其意味著整個數(shù)字控制電路以及時鐘發(fā)生器能夠較佳地包含在CMOS設(shè)計中，從而實現(xiàn)了體積較小、成本較低的控制電路具體實施例。
數(shù)字化單元所提供的數(shù)字信號利用一頻率高于開關(guān)時鐘頻率的取樣時鐘讀取，因此，在每個開關(guān)時鐘周期中可記錄大量的數(shù)字信號值。這意味著不僅可以記錄特定點處的輸出電壓，而且可以記錄整個特性曲線范圍內(nèi)的輸出電壓，并以此確定控制值，從而使控制值能極精確地與轉(zhuǎn)換器輸出端的電壓狀態(tài)相匹配。然后，利用該經(jīng)確定的控制值調(diào)節(jié)用以驅(qū)動開關(guān)組件的方波信號的占空比。
在本發(fā)明的一個較佳的具體實施例中，僅在開關(guān)時鐘的關(guān)斷期間讀取由數(shù)字化單元提供的數(shù)字信號。在開關(guān)時鐘的導(dǎo)通期間，開關(guān)組件處于接通狀態(tài)，感應(yīng)線圈接通電源，從而在線圈中產(chǎn)生電流。相反，在開關(guān)時鐘關(guān)斷期間，開關(guān)組件斷開，所存儲的電流通過二極管流入輸出電容器及所連接的負(fù)載。該電流將使關(guān)斷期間的輸出電壓升高。因此，開關(guān)時鐘關(guān)斷期間的輸出電壓特性曲線尤其適合于受控變量的確定。
在本發(fā)明另一個較佳的具體實施例中，可以生成控制值并且可對開關(guān)時鐘的占空比及/或時鐘頻率進(jìn)行控制，以便使開關(guān)時鐘關(guān)斷期間讀取的數(shù)字信號值中預(yù)定的一部分代表高于額定電壓的輸出電壓值，其余部分則代表低于額定電壓的輸出電壓值。
在本發(fā)明的這一具體實施例中，可對每種情況下的輸出電壓進(jìn)行重新調(diào)整，以便使輸出電壓特性曲線中預(yù)定的一部分高于額定電壓，其余部分則低于額定電壓。這種控制方法考慮了整個電壓特性曲線，從而可以實現(xiàn)一個健壯、無干擾的控制響應(yīng)。數(shù)字信號中個別的“寄生值”僅對控制響應(yīng)產(chǎn)生輕微的負(fù)面影響。
當(dāng)開關(guān)時鐘關(guān)斷期間讀取的數(shù)字信號值中有一半代表高于額定電壓的輸出電壓值時尤其較佳。這樣，可對輸出電壓特性曲線進(jìn)行重新調(diào)整，以便使高于額定電壓的電壓值數(shù)目等于低于額定電壓的電壓值數(shù)目。于是，在開關(guān)時鐘的關(guān)斷期間所產(chǎn)生的電壓特性曲線的平均值近似等于標(biāo)稱值。
數(shù)字化單元采用一個對輸出電壓與預(yù)定額定電壓進(jìn)行比較的比較器電路較佳。比較器電路代表了數(shù)字化單元最簡單、成本最低的具體實施例，由此最大限度地降低了模擬電路的復(fù)雜度。
對于該比較器電路來說，較佳的情況是在輸出電壓高于額定電壓時提供第一數(shù)字信號值，而在輸出電壓低于額定電壓時提供第二數(shù)字信號值。這樣，在比較器電路的輸出端即可生成有關(guān)輸出電壓高于或不高于額定值的各種數(shù)字信息。該信息長度減小為一位，然而這足以滿足許多控制目的的要求，對于電壓特性曲線仍然可在一定的程度上跟隨，從而可以從數(shù)字信號值中讀取額定電壓變?yōu)樨?fù)脈沖信號的時刻。
在本發(fā)明的另一具體實施例中，數(shù)字化單元采用一個模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。該A/D轉(zhuǎn)換器提供代表輸出電壓幅值且長度大于一位的數(shù)字信號，因而能夠更精確地記錄輸出電壓特性曲線。而且，借助于A/D轉(zhuǎn)換器，還可將額定電壓作為計算項進(jìn)行考慮，因而額定電壓不需要以實際電壓提供。
數(shù)字控制電路具有一個下述計數(shù)器時較佳該計數(shù)器對于在開關(guān)時鐘關(guān)斷期間讀取且代表輸出電壓高于額定電壓的每一個數(shù)字信號均增加，而對于在開關(guān)時鐘關(guān)斷期間讀取且代表輸出電壓低于額定電壓的每一個數(shù)字信號均減小。
對于出現(xiàn)的每一個數(shù)字信號值，該計數(shù)器的計數(shù)值均加1或減1，其計數(shù)方向由數(shù)字化單元的輸出控制。使用這種計數(shù)器可易于判定高于額定電壓的數(shù)字信號值與低于額定電壓的數(shù)字信號值之差。
若在開關(guān)時鐘的關(guān)斷結(jié)束時產(chǎn)生一個正計數(shù)值，則說明所記錄的高于額定電壓的輸出電壓數(shù)多于所記錄的低于額定電壓的輸出電壓數(shù)。這也說明平均輸出電壓過高，必須將其調(diào)低。相反，若在開關(guān)時鐘的關(guān)斷期間結(jié)束時產(chǎn)生一個負(fù)計數(shù)值，則說明必須升高輸出電壓。
使用開關(guān)時鐘的每一個關(guān)斷期間結(jié)束時所產(chǎn)生的計數(shù)值確定該時刻的控制值較佳，即利用正計數(shù)值影響控制值以縮短開關(guān)時鐘的導(dǎo)通階段，或利用負(fù)計數(shù)值影響控制值以延長開關(guān)時鐘的導(dǎo)通階段。
若計數(shù)值為正值，則控制過程的目的必須是降低平均輸出電壓。為此，可改變開關(guān)時鐘的占空比以縮短其導(dǎo)通階段。這意味著感應(yīng)線圈接通電源電壓的時間不長，在這一較短的時間內(nèi)電感器中只產(chǎn)生一個小電流，因此電感器電流對輸出電壓的作用減弱，輸出電壓也隨之降低。
反之，負(fù)計數(shù)值說明輸出電壓平均值過低。因此，這種情況下必須延長開關(guān)時鐘的導(dǎo)通階段以產(chǎn)生較高的輸出電壓。
僅允許在預(yù)定上限值以內(nèi)改變開關(guān)時鐘的關(guān)斷期間較佳。
因此不應(yīng)超過該上限值，否則所需的接通持續(xù)時間將短于開關(guān)組件能夠產(chǎn)生的最短接通持續(xù)時間Tmin。在這種情況下，輸出電壓將在一個接通脈沖Tmin之后升高，致使晶體管將斷開若干個周期，導(dǎo)致運行極不穩(wěn)定。
相應(yīng)地，僅允許在預(yù)定下限值以上改變開關(guān)時鐘的關(guān)斷期間較佳。否則會造成晶體管可被關(guān)斷的最短時間的負(fù)脈沖信號。
在本發(fā)明的另一個較佳改進(jìn)型式中，開關(guān)時鐘頻率為取樣時鐘頻率的倍數(shù)。取樣時鐘用于讀取數(shù)字化單元的輸出。取樣頻率越高，所記錄的數(shù)字信號值的數(shù)目就越大。從而可以精確記錄輸出電壓特性曲線并將更加精確地用于控制過程。
尤以利用分頻器根據(jù)較高的取樣頻率生成開關(guān)時鐘頻率較佳。這意味著只需為電壓轉(zhuǎn)換器提供取樣頻率，而由電壓轉(zhuǎn)換器自身產(chǎn)生開關(guān)時鐘頻率。由此產(chǎn)生的另一優(yōu)點在于開關(guān)時鐘與取樣時鐘之間能夠相互同步。
在本發(fā)明的另一個較佳具體實施例中，可以生成一個代表電感器電流幅值的數(shù)字信號，該信號提供給數(shù)字控制電路并在確定控制值時加以考慮。尤其在此種情況下，控制過程的重要因素是在關(guān)斷期間儲能電感器電流會(非連續(xù)運行)或不會(連續(xù)運行)降至0。
在另一個較佳改進(jìn)型式中，可以生成一個代表輸入電壓幅值的數(shù)字信號，并允許控制電路與不同輸入電壓相匹配。
本發(fā)明的另一個具體實施例提供了一個數(shù)字信號，以辨別非連續(xù)運行與連續(xù)運行。該信號提供給數(shù)字控制電路并在確定控制值時加以考慮。在所連接負(fù)載的消耗功率較低時進(jìn)行非連續(xù)運行。在此種情況下，線圈電流在開關(guān)時鐘的關(guān)斷期間降為0，從而不再作用于輸出電壓。在非連續(xù)運行期間，大部分輸出電壓值將低于額定電壓。因此在非連續(xù)運行期間輸出電壓具有調(diào)整為過高值的趨勢。用于辨別非連續(xù)運行與連續(xù)運行的數(shù)字信號即用于防止出現(xiàn)這種不正確的控制響應(yīng)。
在本發(fā)明所述用于生成脈沖電壓轉(zhuǎn)換器所用控制值的方法中，首先采用頻率高于電壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)時鐘頻率的取樣時鐘讀取電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，然后采用該方法即可判定在開關(guān)時鐘的關(guān)斷期間所讀取的電壓值中高于或低于預(yù)定額定電壓的電壓值數(shù)目。然后重新調(diào)整開關(guān)時鐘的占空比及/或時鐘頻率，以便使在關(guān)斷期間所讀取的輸出電壓值中預(yù)定的一部分高于額定電壓值，其余部分則低于額定電壓值。
在使用脈沖電壓轉(zhuǎn)換器的情況下，輸出電壓在開關(guān)時鐘的關(guān)斷期間存在線性下降，這種線性下降可以較佳地用于電壓調(diào)節(jié)。為了能足夠精確地記錄該特性曲線，必須記錄足夠數(shù)量的取樣值。
然后，必須生成一條在關(guān)斷期間所確定的電壓特性曲線相對于預(yù)定額定電壓的相對位置信息。為此，需判定在描述Toff期間下降電壓特性曲線的電壓值中高于或低于預(yù)定額定電壓的電壓值數(shù)目。該控制過程的目的旨在將輸出電壓特性曲線調(diào)整至一個相對于預(yù)定額定電壓的特定位置，該相對位置可以被描述為在Toff期間所記錄的電壓值中有特定數(shù)量的值高于額定電壓值，其余的值則低于額定電壓值。若高于額定電壓的輸出電壓值過多，則必須調(diào)低平均輸出電壓。由此可以生成一個能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎無干擾的輸出電壓健壯控制的適當(dāng)控制值。
下面將參照附圖所示的若干具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行更詳盡的說明。
附圖簡要說明

圖1所示為本發(fā)明所述電壓轉(zhuǎn)換器的一個具體實施例，其中采用一比較器作為數(shù)字化單元；圖2所示為本發(fā)明所述的另一個具體實施例，其中采用一模/數(shù)轉(zhuǎn)換器作為數(shù)字化單元；圖3A所示為連續(xù)運行狀態(tài)下輸出電壓的時間特性曲線示例；圖3B所示為用于驅(qū)動功率晶體管的開關(guān)時鐘信號的相關(guān)時間特性曲線；圖4A所示為在低負(fù)載電流(非連續(xù)運行)情況下輸出電壓的時間特性曲線示例；圖4B所示為開關(guān)時鐘信號的相關(guān)時間特性曲線；圖5所示為一個本發(fā)明所述數(shù)字控制電路的詳細(xì)示例。
較佳實施例詳細(xì)說明圖1所示為一個將輸入電壓Uin轉(zhuǎn)換為輸出電壓Uout的脈沖DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器的電路圖。圖中所示電壓轉(zhuǎn)換器為升壓轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓Uin低于輸出電壓Uout。當(dāng)然，本發(fā)明的電壓控制過程亦可用于降壓轉(zhuǎn)換器(Uin＞Uout)。
電壓轉(zhuǎn)換器所用的開關(guān)時鐘信號由數(shù)字控制回路1生成，用于驅(qū)動開關(guān)組件2。開關(guān)組件2可采用一個功率晶體管，例如一個MOSFET。
當(dāng)方波開關(guān)時鐘信號處于導(dǎo)通階段Ton期間時，開關(guān)組件2接通，從而使儲能電感器3接通輸入電壓Uin。開關(guān)組件2閉合后，將即刻在儲能電感器3中產(chǎn)生一個隨時間增大的電流iL。此時二極管4可防止電流從電容器6中流回。開關(guān)信號的導(dǎo)通階段Ton持續(xù)時間越長，流過儲能電感器3的電流就越大。
當(dāng)開關(guān)信號變?yōu)殛P(guān)斷Toff期間時，開關(guān)組件2斷開，存儲的電流iL經(jīng)過二極管4同時流入所連接的負(fù)載5及電容器6。此時電阻7代表電容器6的串聯(lián)電阻。只要負(fù)載電流低于流經(jīng)儲能電感器3的電流iL，過剩電流即會對電容器6充電，輸出電壓Uout即會升高。在導(dǎo)通階段Ton期間內(nèi)，流經(jīng)儲能電感器3的電流iL逐漸衰減，致使輸出電壓也隨之降低。在開關(guān)時鐘的下一導(dǎo)通階段開始后，儲能電感器3將再次通過電流重新儲能。在時鐘的這一階段中，由已充電電容器6用作負(fù)載5的電流源。
開關(guān)組件2的接通階段持續(xù)時間越長，流過儲能電感器3的電流iL就越大，輸出電壓Uout也就越高。因此輸出電壓可以通過開關(guān)時鐘信號的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。為此，將輸出電壓信號8提供至比較器9的倒相輸入端。比較器9是該脈沖電壓轉(zhuǎn)換器的控制回路中唯一的模擬元件。所需的額定電壓10則施加在比較器9的同相輸入端，由比較器9對這兩個電壓Uout與Unom進(jìn)行比較。若輸出電壓Uout高于額定電壓Unom，則比較器輸出端11為第一數(shù)字信號值；反之若Uout＜Unom，則比較器輸出端11將出現(xiàn)第二數(shù)字信號值。
在每一開關(guān)時鐘周期中，比較器輸出端11均由數(shù)字控制電路1進(jìn)行若干次讀取。取樣頻率為開關(guān)頻率的倍數(shù)較佳。
數(shù)字控制電路1根據(jù)所讀取的數(shù)字信號值判定是否需要重新調(diào)節(jié)輸出電壓以及需要重新調(diào)整的方向，為此目的，開關(guān)時鐘關(guān)斷期間輸出電壓的特性曲線尤為重要。因此，僅在開關(guān)時鐘的關(guān)斷期間對比較器輸出端11進(jìn)行取樣即足以滿足要求。
若低于額定電壓的輸出電壓值過多，則應(yīng)調(diào)節(jié)由數(shù)字控制電路1所生成的開關(guān)時鐘信號，以延長導(dǎo)通階段相對于關(guān)斷的持續(xù)時間。占空比的這種改變將增大流經(jīng)儲能電感器3的電流，平均輸出電壓也隨之升高。
反之，若從比較器輸出端11取樣得到的數(shù)字信號值的評價結(jié)果表明平均輸出電壓過高，則數(shù)字控制電路1將縮短開關(guān)時鐘的導(dǎo)通階段，輸出電壓主要通過用以驅(qū)動開關(guān)組件2的方波信號的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，還可調(diào)節(jié)開關(guān)時鐘信號的時鐘頻率。
圖2所示為一個能對輸出電壓進(jìn)行更精確記錄的電路改型。為實現(xiàn)該目的，輸出電壓信號13被提供給一個模/數(shù)轉(zhuǎn)換器14，由后者將該模擬信號轉(zhuǎn)換為一個長度大于一位的數(shù)字信號15。爾后數(shù)字信號15由數(shù)字控制電路16進(jìn)行取樣，并可用作控制過程其余部分的基礎(chǔ)，從而能對輸出電壓的特性曲線進(jìn)行更精確地記錄。另外一個優(yōu)點在于數(shù)字信號15與額定電壓的比較可通過計算進(jìn)行，因此不需要實際提供額定電壓。
當(dāng)所連接的負(fù)載吸收的電流大于某個最小電流值時，輸出電壓Uout的時間特性曲線將如圖3A所示。圖3B所示為相關(guān)開關(guān)時鐘信號的特性曲線，該開關(guān)時鐘信號是一個周期為T(17)的方波信號。在開關(guān)時鐘信號的導(dǎo)通階段18期間，開關(guān)組件2接通，從而在導(dǎo)通階段18的周期Ton內(nèi)線圈電流iL不會作用于負(fù)載電流。在Ton期間由電容器6用作負(fù)載5的電流源。所以，在Ton期間輸出電壓Uout的輕微降低可由電容器6的放電所引起。
在斷開發(fā)生時刻20，開關(guān)時鐘信號從導(dǎo)通階段18變?yōu)殛P(guān)斷19。開關(guān)組件2在關(guān)斷19的周期Toff內(nèi)斷開，線圈電流iL通過二極管4流入負(fù)載5并同時對電容器6充電。從圖3A可以看出，在開關(guān)時刻20之后電流iL引起了輸出電壓Uout的驟然升高21。在時間周期Toff內(nèi)流過儲能電感器3的電流iL持續(xù)降低，致使輸出電壓Uout的特性曲線在開關(guān)時鐘信號的關(guān)斷19期間出現(xiàn)線性下降22。
輸出電壓的線性下降22尤其適合于從中選取一個用于電壓調(diào)節(jié)的受控變量。為實現(xiàn)該目的，輸出電壓將在關(guān)斷19期間由取樣脈沖23以相應(yīng)的取樣頻率讀取，并被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號值。其后可根據(jù)該數(shù)字信號值序列確定線性下降22與預(yù)定額定電壓24的相對位置，其目的在于重新調(diào)整輸出電壓，以使線性電壓特性曲線處于規(guī)定的相對于額定電壓24相對位置上，所以，一部分取樣輸出電壓值應(yīng)高于Unom，其余部分則低于Unom。若取樣電壓值中高于Unom的值過多，則必須縮短開關(guān)時鐘信號的導(dǎo)通階段18(Ton)；反之，若Toff期間內(nèi)平均輸出電壓過低，則必須延長導(dǎo)通階段18。
在接通時刻25，開關(guān)組件2重新接通，因此在該時刻之后線圈電流將不再作用于負(fù)載電流，致使輸出電壓驟然下降26。
圖4A及圖4B所示為負(fù)載電流較低情況下輸出電壓Uout及開關(guān)時鐘信號的時間特性曲線。由于負(fù)載所吸取的電流較低，在每一開關(guān)時鐘周期中儲能電感器3接通輸入電壓Uin的時間很短，因此在導(dǎo)通階段27的周期Ton內(nèi)只有一個較小的電流iL流過儲能電感器3。
當(dāng)開關(guān)組件2在斷開時刻28斷開時，將再次引發(fā)輸出電壓Uout的驟然升高29。存儲在線圈內(nèi)的電流將在短時間內(nèi)流入負(fù)載5及電容器6，又引起輸出電壓的線性下降30。在時刻31，即仍然處于開關(guān)時鐘信號的關(guān)斷32期間內(nèi)，線圈電流已衰減至0。在時刻31之后，負(fù)載5將由電容器6提供電流。由于負(fù)載5吸取的電流很小，因此在關(guān)斷32期間的后續(xù)時間段內(nèi)產(chǎn)生了一個具有恒定輸出電壓特性曲線的區(qū)域33。
此種運行方式的特征在于低負(fù)載電流，被稱作“非連續(xù)運行”。即使在非連續(xù)運行情況下，也應(yīng)對輸出電壓進(jìn)行重新調(diào)整，以便使線性電壓特性曲線30位于與額定電壓34相對的規(guī)定位置上。然而，若在控制過程中對Toff期間讀取的所有電壓值進(jìn)行考慮，則即使在輸出電壓已進(jìn)行正確調(diào)節(jié)的情況下，區(qū)域33也會產(chǎn)生大量低于預(yù)定額定電壓的電壓值，致使輸出電壓被調(diào)節(jié)至過高的數(shù)值。
為防止發(fā)生這種情況的發(fā)生，需要提供一種檢測器來識別非連續(xù)運行，例如通過測量線圈電流iL進(jìn)行識別。這可以通過例如測量與儲能電感器3串聯(lián)的測量電阻兩端的電壓降來實現(xiàn)。通過這種方式可以識別線圈電流降為0的時刻31。為提供非連續(xù)運行情況下的可感覺控制，將僅考慮斷開時刻28與時刻31之間的數(shù)字信號值。
圖5所示為數(shù)字控制電路1的一個特定實施方案的電路圖。該圖中電壓轉(zhuǎn)換器電路本身對應(yīng)于圖1所示電路，其中采用了一個開關(guān)FET作為開關(guān)組件2。
采用比較器9作為數(shù)字化單元，用于將模擬輸出電壓信號8轉(zhuǎn)換為一個數(shù)字化信號，并將輸出電壓信號8與額定電壓10進(jìn)行比較。
若輸出電壓高于額定電壓，則比較器輸出端11將出現(xiàn)第一數(shù)字信號值；反之，若輸出電壓低于額定電壓，則比較器9將提供第二數(shù)字信號值。比較器輸出端11由加/減計數(shù)器36在每一關(guān)斷Toff期間以取樣頻率37讀取。圖示例子中使用10.368MHz的取樣頻率。
每當(dāng)從比較器輸出端11讀取到第一數(shù)字信號值時，計數(shù)值將加1；而每當(dāng)讀取到第二數(shù)字信號值時，計數(shù)值將減1。因此，開關(guān)時鐘周期的關(guān)斷期間結(jié)束時得到的計數(shù)值表示已讀取的第一信號值與第二信號值的數(shù)目差。若在開關(guān)時鐘關(guān)斷期間記錄的大多數(shù)輸出電壓值高于額定電壓，則在關(guān)斷期間結(jié)束時將得到一個正計數(shù)值；反之，若平均輸出電壓過低，則該計數(shù)值將為負(fù)值。
在所示的實施方案中，基頻39通過對取樣頻率37進(jìn)行分頻得出。該例中取樣頻率37為10.368MHz，因此產(chǎn)生的基頻39為162kHz。
基頻39提供至加/減計數(shù)器36并觸發(fā)計數(shù)值cnt向脈寬計算單元41的傳輸40。該例中計數(shù)值的每次讀取及適用于新周期的脈寬pw(k)的每次計算在基頻39的一個周期開始時進(jìn)行。該例中脈寬pw(k)表示開關(guān)時鐘信號導(dǎo)通階段的長度。若計數(shù)值cnt為正值，則必須依據(jù)pw(k-1)減小pw(k)；反之若計數(shù)值為負(fù)數(shù)，則必須增大pw(k)。
適用于新周期的脈寬pw(k)在脈寬計算單元41中使用下列公式計算pw(k)=pw(k-1)+kr·cnt64·(1-pw(k-1))]]>例如，kr的可感覺值kr＝-0.15。
計數(shù)值cnt可利用系數(shù)kr·cnt64·(1-pw(k-1))]]>相對于時間Toff規(guī)范化，以使其與脈寬無關(guān)。依據(jù)基頻39，計算得出的脈寬pw(k)被傳輸至脈寬發(fā)生器43(UPWM，通用脈寬調(diào)制器) (42)，然后由脈寬發(fā)生器43使用該脈寬pw(k)、基頻39(162Hz)及取樣頻率37生成開關(guān)時鐘信號44，該信號在時間段內(nèi)等于1，在該周期的其余時間內(nèi)則等于0。
以此種方式生成的開關(guān)時鐘信號44首先用于驅(qū)動開關(guān)FET35；其次，其下降沿還可用于將加/減計數(shù)器36的計數(shù)值置零(45)。
權(quán)利要求
1.一種脈沖電壓轉(zhuǎn)換器，其具有一個儲能電感器(3)；一個由開關(guān)時鐘(44)驅(qū)動且依據(jù)開關(guān)時鐘(44)將儲能電感器(3)接通輸入電壓或從輸入電壓上斷開的開關(guān)組件(2)；一個二極管(4)，其第一連接口接至儲能電感器(3)，同時開關(guān)組件(2)也連接與此，其第二連接口可用于輸出電壓(8；13)取樣；一個提供代表輸出電壓(8；13)幅值的數(shù)字信號(11；15)的數(shù)字化單元(9；14)；一個數(shù)字控制電路(1；16)，其使用取樣時鐘讀取由數(shù)字化單元(9；14)所提供的數(shù)字信號(11；15)，其取樣時鐘頻率(37)大于開關(guān)時鐘(44)頻率，并根據(jù)讀取的數(shù)字信號值生成一個控制值。一個時鐘發(fā)生器(43)，用于生成用以驅(qū)動開關(guān)組件(2)的開關(guān)時鐘(44)，該開關(guān)時鐘(44)的占空比及/或時鐘頻率受所述控制值的影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于由所述數(shù)字化單元(9；14)提供的數(shù)字信號(11；15)僅在所述開關(guān)時鐘的關(guān)斷期間(19)讀取，所述開關(guān)組件(2)在該期間處于斷開狀態(tài)。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的脈沖電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于可以生成所述控制值，并對所述開關(guān)時鐘(44)的占空比及/或時鐘頻率進(jìn)行控制，以便使在所述開關(guān)時鐘關(guān)斷期間(19)讀取的數(shù)字信號值中預(yù)定的一部分代表高于額定電壓(10)的輸出電壓，其余部分則代表低于額定電壓(10)的輸出電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的脈沖電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于可以生成所述控制值，并對所述開關(guān)時鐘(44)的占空比及/或時鐘頻率進(jìn)行控制，便以使所述開關(guān)時鐘關(guān)斷期間(19)讀取的數(shù)字信號值中一半代表高于所述額定電壓(10)的輸出電壓，另一半則代表低于所述額定電壓(10)的輸出電壓。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的脈沖電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述數(shù)字化單元為一個對所述輸出電壓(8)與所述預(yù)定額定電壓(10)進(jìn)行比較的比較器電路(9)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的脈沖電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述比較器電路在所述輸出電壓(8)高于所述額定電壓(10)時提供第一數(shù)字信號值，在所述輸出電壓(8)低于所述額定電壓(10)時則提供第二數(shù)字信號值。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的脈沖電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述數(shù)字化單元為一個模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(14)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的脈沖電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述數(shù)字控制電路(1；16)具有一個計數(shù)器(36)，該計數(shù)器對于在所述開關(guān)時鐘關(guān)斷期間(19)讀取且代表輸出電壓高于所述額定電壓(10)的每一個數(shù)字信號值均加1，而對于在所述開關(guān)時鐘關(guān)斷期間(19)讀取且代表輸出電壓低于所述額定電壓(10)的每一個數(shù)字信號均減1。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的脈沖電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于在一個開關(guān)時鐘周期的關(guān)斷期間(19)結(jié)束后產(chǎn)生的計數(shù)值用于確定該時刻的控制值，即利用正計數(shù)值影響該控制值以縮短所述開關(guān)時鐘的導(dǎo)通階段(18)，或利用負(fù)計數(shù)值影響該控制值以延長所述開關(guān)時鐘的導(dǎo)通階段(18)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或權(quán)利要求9所述的脈沖電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述計數(shù)器(36)在所述開關(guān)時鐘的關(guān)斷期間(19)開始前或開始時置零。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的脈沖電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述開關(guān)時鐘的關(guān)斷期間(19)僅可在一個預(yù)定上限值以內(nèi)變化。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的脈沖電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述開關(guān)時鐘的關(guān)斷期間(19)僅可在一個預(yù)定下限值以上變化。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的脈沖電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述開關(guān)時鐘頻率(44)為所述取樣時鐘頻率的倍數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的脈沖電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述開關(guān)時鐘頻率(44)利用一個分頻器(38)根據(jù)所述的較高取樣頻率(37)生成。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的脈沖電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于可以生成一個代表所述儲能電感器電流幅值的數(shù)字信號，該信號提供給所述數(shù)字控制電路(1；16)并在確定所述控制值時加以考慮。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的脈沖電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于可以生成一個代表所述輸入電壓幅值的數(shù)字信號，該信號提供給所述數(shù)字控制電路(1；16)并在確定所述控制值時加以考慮。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的脈沖電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于可以生成一個數(shù)字信號以辨別非連續(xù)運行與連續(xù)運行，該信號提供給所述數(shù)字控制電路(1；16)并在確定控制值時加以考慮。
18.一種用于生成一種脈沖電壓轉(zhuǎn)換器所用的一個控制值的方法，該方法包括下列步驟a)利用頻率(37)高于所述電壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)時鐘(44)頻率的取樣時鐘讀取所述輸出電壓；b)判定在所述開關(guān)時鐘的關(guān)斷期間(19)所讀取的電壓值中高于或低于一個預(yù)定額定電壓的電壓值數(shù)目；c)確定一個用于重新調(diào)整所述開關(guān)時鐘(44)的占空比及/或時鐘頻率的控制值，以便使在所述關(guān)斷期間(19)讀取的輸出電壓中預(yù)定的一部分值高于所述額定電壓值(10)，其余部分則低于所述額定電壓值(10)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于所述控制值用于占空比及/或時鐘頻率的重新調(diào)整，以便使在所述關(guān)斷期間(19)讀取的輸出電壓中的一半的電壓值高于所述額定電壓(10)，另一半輸出電壓值則低于所述額定電壓(10)。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于步驟b)利用一個計數(shù)器(36)進(jìn)行，該計數(shù)器對于在所述開關(guān)時鐘關(guān)斷期間(19)讀取的且電壓值高于額定電壓(10)的每一個輸出電壓均加1，而對于在所述開關(guān)時鐘關(guān)斷期間(19)讀取的且電壓值低于額定電壓的每一個輸出電壓均減1。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于在一個開關(guān)時鐘的關(guān)斷期間(19)結(jié)束后產(chǎn)生的所述計數(shù)值用于根據(jù)步驟c)確定所述控制值，即利用正計數(shù)值影響該控制值以縮短所述開關(guān)時鐘的導(dǎo)通階段(18)，或利用負(fù)計數(shù)值影響該控制值以延長所述開關(guān)時鐘的導(dǎo)通階段(18)。
22.根據(jù)權(quán)利要求18至權(quán)利要求21之一所述的方法，其特征在于所述開關(guān)時鐘頻率(44)為所述取樣時鐘頻率的倍數(shù)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于所述開關(guān)時鐘頻率(44)利用一個分頻器(38)根據(jù)所述的較高取樣頻率(37)生成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種脈沖DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，除數(shù)字化組件外，其控制回路均以數(shù)字方式運行。其輸出電壓在開關(guān)時鐘的關(guān)斷期間取樣，以生成一條線性電壓特性曲線。爾后重新調(diào)整輸出電壓，調(diào)整方法為利用預(yù)定額定電壓將該線性電壓特性曲線進(jìn)行分解，從而使規(guī)定數(shù)量的數(shù)字化電壓值高于該額定電壓值，其余數(shù)字化電壓值則低于該額定電壓值。
文檔編號H02M3/155GK1443393SQ01813017
公開日2003年9月17日 申請日期2001年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月20日
發(fā)明者C·克蘭滋 申請人:因芬尼昂技術(shù)股份公司