以最大功率效率控制開關(guān)式電源的制作方法
【專利摘要】控制電路(200)可操作為生成用于控制開關(guān)式電源(100)的占空比的控制信號(hào)(D)?？刂齐娐?200)包括：參考信號(hào)生成器(210)，可操作為接收指示開關(guān)式電源(100)的輸入電壓(Vin)的信號(hào)，并且生成參考信號(hào)(VR)，該參考信號(hào)(VR)是輸入電壓(Vin)的函數(shù)；以及偏移參考信號(hào)生成器(220)，可操作為通過組合參考信號(hào)(VR)和偏移信號(hào)(Voffset)來生成偏移參考信號(hào)(VR_offset)，該偏移參考信號(hào)(VR_offset)獨(dú)立于輸入電壓(Vin)?？刂齐娐?200)還包括誤差信號(hào)生成器(230)，被布置成接收指示開關(guān)式電源(100)的輸出電壓(Vout)的信號(hào)，并且可操作為基于偏移參考信號(hào)(VR_offset)并基于輸出電壓(Vout)來生成誤差信號(hào)(VE)?？刂齐娐?200)還包括占空比控制信號(hào)生成器(250)，可操作為根據(jù)誤差信號(hào)(VE)來生成用于控制開關(guān)式電源(100)的占空比的控制信號(hào)(D)。
【專利說明】以最大功率效率控制開關(guān)式電源

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及開關(guān)式電源(有時(shí)稱為開關(guān)模式電源或開關(guān)的模式電源)領(lǐng)域，并且更具體地涉及開關(guān)式電源的占空比的控制。

【背景技術(shù)】
[0002]開關(guān)式電源(SMPS)是一種公知類型的功率轉(zhuǎn)換器，其由于其小的尺寸和重量以及高效率而具有多種應(yīng)用范圍。例如，SMPS被廣泛用于個(gè)人計(jì)算機(jī)和便攜式電子設(shè)備，諸如手機(jī)。SMPS通過以高頻率(通常幾十到幾百kHz)開關(guān)諸如功率MOSFET的開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)點(diǎn)，其中開關(guān)的頻率或占空比定義了效率，輸入電壓以該效率被轉(zhuǎn)換成期望輸出電壓。
[0003]在大多數(shù)SMPS拓?fù)渲?，輸出電壓Vtjut與輸入電壓Vin直接成比例:
[0004]Vout a nDVin
[0005]等式(I)在上面的等式I中，D是開關(guān)的占空比，并且如果在SMPS中使用變壓器，則n = ns/np是變換比(次級(jí)側(cè)打開的數(shù)量ns除以初級(jí)側(cè)打開的數(shù)量np)，或者如果沒有使用變壓器，則η = I。占空比對實(shí)現(xiàn)高的轉(zhuǎn)換器效率是重要的，并且100%的占空比通常會(huì)產(chǎn)生最大的效率。
[0006]已知用于控制SMPS的占空比的許多不同的控制策略。
[0007]一種控制方法在固定比率轉(zhuǎn)換器或中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)中使用，這還被稱為未調(diào)轉(zhuǎn)換器。這些缺少輸出電壓的所有控制，但是以最大化的占空比運(yùn)行。因?yàn)檗D(zhuǎn)換機(jī)幾乎在除開關(guān)期間所需要的死區(qū)時(shí)間之外的100%的時(shí)間傳送能量，所以這產(chǎn)生最大化的功率效率。通過該策略，輸出電壓根據(jù)上述等式I隨著輸入電壓而變化。例如在US 7，2720，21、US 7, 558, 083,US 7，564，702和US 7，269，034中公開了具有不同的拓?fù)涞奈凑{(diào)轉(zhuǎn)換器。此夕卜，由稱為負(fù)載點(diǎn)(POL)調(diào)節(jié)器的第二層SMPS來處理電壓的窄調(diào)節(jié)，該功率架構(gòu)被稱為中間總線架構(gòu)(IBA)，例如如US 7，787，261中所公開的。
[0008]半調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器以變化的占空比為代價(jià)來補(bǔ)償變化的輸入電壓(線性調(diào)節(jié)(lineregulat1n))，這降低了功率效率。這樣的轉(zhuǎn)換器的一個(gè)示例在US 7，787 261中被公開。轉(zhuǎn)換器負(fù)載可以影響輸出電壓，使得其隨著負(fù)載增加而減小，該現(xiàn)象稱為下垂。因?yàn)镾MPS的輸出具有LC濾波器，那么負(fù)載瞬變使得輸出電壓振蕩，并且僅固有的寄生電阻抑制振蕩。
[0009]例如如在US，7，787，261中公開的準(zhǔn)調(diào)節(jié)總線轉(zhuǎn)換器僅在輸入電壓范圍的一部分中被線性調(diào)節(jié)，而在輸入電壓范圍的其他部分中，其是未調(diào)節(jié)的，使用100%的占空比來最大化效率。這產(chǎn)生了增加的輸入電壓范圍而不增加輸出電壓范圍。
[0010]輸出調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器通過輸出電壓的反饋來補(bǔ)償變化的負(fù)載狀況和輸入電壓改變。通常添加電壓前饋以減少由于輸入電壓瞬變而導(dǎo)致的輸出電壓擾動(dòng)。該類型的調(diào)節(jié)以較低的效率為代價(jià)提供最穩(wěn)定的輸出電壓。
[0011]不論使用的控制策略如何，優(yōu)選地使SMPS的輸出電壓在所有的條件下都保持處于其期望水平。然而，輸入電壓的瞬變和改變將導(dǎo)致輸出電壓幾乎立即改變。這可能在SMPS的輸出電壓中引入大的改變。通常，只有SMPS的輸出濾波器中的慣性將降低該影響。
[0012]所有上述控制策略在輸出電壓容差、瞬態(tài)響應(yīng)和功率效率方面都具有缺陷。此外，這些變量中的許多變量是相關(guān)的，并且優(yōu)化一個(gè)使得其它的變差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]鑒于在已知的SMPS控制策略中的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種裝置和方法，該裝置和方法用于生成控制信號(hào)來以使得高功率效率得以保持的方式控制SMPS的占空t匕，同時(shí)與已知策略相比，提高對瞬態(tài)的輸出電壓響應(yīng)和其他操作特性。
[0014]總體而言，本發(fā)明對固定比率的轉(zhuǎn)換器引入了負(fù)載調(diào)節(jié)，并且同時(shí)最大化效率，并且一個(gè)實(shí)施例在保持占空比接近100%的同時(shí)改善了對由于輸入電壓的瞬變而導(dǎo)致的輸出電壓振蕩的抑制。這里所描述的用于控制SMPS的占空比的方案還允許在期望輸入和輸出壓帶的大范圍的組合上實(shí)現(xiàn)高度有效的SMPS操作，期望輸入和輸出壓帶可以由用戶彼此獨(dú)立地定義。
[0015]更具體地，本發(fā)明提供了一種控制電路，該控制電路可操作為生成用于控制開關(guān)式電源的占空比的控制信號(hào)?？刂齐娐钒▍⒖夹盘?hào)生成器，該參考信號(hào)生成器可操作為接收指示開關(guān)式電源的輸入電壓的信號(hào)，并且生成參考信號(hào)，該參考信號(hào)是輸入電壓的函數(shù)；以及偏移參考信號(hào)生成器，該偏移參考信號(hào)生成器可操作為通過組合參考信號(hào)和偏移信號(hào)來生成偏移參考信號(hào)，該偏移參考信號(hào)獨(dú)立于輸入電壓?？刂齐娐愤€包括誤差信號(hào)生成器，該誤差信號(hào)生成器被布置成接收指示開關(guān)式電源的輸出電壓的信號(hào)，并且可操作為基于偏移參考信號(hào)并基于輸出電壓來生成誤差信號(hào)?？刂齐娐愤€包括占空比控制信號(hào)生成器，該占空比控制信號(hào)生成器可操作為根據(jù)誤差信號(hào)來生成用于控制開關(guān)式電源的占空比的控制信號(hào)。
[0016]本發(fā)明還提供了一種生成用于控制開關(guān)式電源的占空比的控制信號(hào)的方法。該方法包括:接收指示開關(guān)式電源的輸入電壓的信號(hào)，以及接收指示開關(guān)式電源的輸出電壓的信號(hào)。該方法還包括生成參考信號(hào)，該參考信號(hào)是輸入電壓的函數(shù)。偏移參考信號(hào)是通過組合參考信號(hào)和偏移信號(hào)而生成的，偏移信號(hào)獨(dú)立于輸入電壓。誤差信號(hào)是基于偏移參考信號(hào)并且基于輸出電壓來生成的。然后，根據(jù)誤差信號(hào)來生成用于控制開關(guān)式電源的占空比的控制信號(hào)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]現(xiàn)在將參考附圖僅通過實(shí)例的方式來描述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中:
[0018]圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的用于生成用于控制開關(guān)式電源的控制信號(hào)的控制電路和開關(guān)式電源的框圖；
[0019]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的控制電路的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)的框圖；
[0020]圖3是示出由本發(fā)明的第一實(shí)施例的控制電路執(zhí)行的過程的流程圖；
[0021]圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的控制電路的再進(jìn)一步的細(xì)節(jié)的框圖；
[0022]圖5圖不了 SMPS輸出電壓根據(jù)輸入電壓的變化；
[0023]圖6圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、針對兩個(gè)示例性固定變換比的SMPS輸出電壓根據(jù)輸入電壓的變化以及由偏移參考信號(hào)生成器生成的變化；
[0024]圖7是示出了第一實(shí)施例的控制電路與SMPS互連使得控制電路可以控制SMPS的占空比的電路圖；
[0025]圖8是示出在圖7的控制電路中產(chǎn)生的用于對SMPS中的元件進(jìn)行開關(guān)的控制信號(hào)的時(shí)序圖；
[0026]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的控制電路；
[0027]圖10圖示了本發(fā)明的第二實(shí)施例中SMPS輸出電壓根據(jù)SMPS輸入電壓的變化；
[0028]圖11是圖不SMPS輸出電壓根據(jù)輸入電壓變化的另一不意圖，其不出了第二實(shí)施例的偏移參考信號(hào)生成器在第一和第二操作模式之間切換的能力如何允許在SMPS中使用較高的變換比；
[0029]圖12是圖示SMPS的功率輸出如何隨著輸入電壓而變化的示意圖，并且示出了第二實(shí)施例的偏移參考信號(hào)生成器在第一和第二操作模式之間切換的能力如何提高SMPS的功率輸出；
[0030]圖13是圖示當(dāng)由根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的控制電路來控制SMPS時(shí)SMPS的輸出電抗器中的脈動(dòng)電流如何隨著輸入電壓而變化；
[0031]圖14示出第二實(shí)施例的控制電路與SMPS互連，使得控制電路可以控制SMPS的占空比的電路圖；
[0032]圖15示出了在與本發(fā)明的實(shí)施例的測試比較中所使用的常規(guī)DC-DC SMPS ；
[0033]圖16示出了來自測試比較的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該測試比較針對OA的負(fù)載電流情況下輸入電壓從38V步進(jìn)到55V的情況將本發(fā)明的第一實(shí)施例的性能與已知未調(diào)轉(zhuǎn)換器作比較；
[0034]圖17示出了來自測試比較的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該測試比較針對OA的負(fù)載電流情況下輸入電壓從38V步進(jìn)到55V的情況將本發(fā)明的第一實(shí)施例的性能與已知未調(diào)轉(zhuǎn)換器作比較，但是其中該實(shí)施例控制SMPS以使負(fù)載調(diào)節(jié)的電源具有最小占空比；
[0035]圖18示出了來自測試比較的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該測試比較針對33A的負(fù)載電流情況下輸入電壓從38V步進(jìn)到55V的情況將本發(fā)明的第一實(shí)施例的性能與已知未調(diào)轉(zhuǎn)換器作比較；
[0036]圖19示出了來自測試比較的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該測試比較針對OA的負(fù)載電流情況下輸入電壓從55V步進(jìn)到38V情況將本發(fā)明的第一實(shí)施例的性能與已知未調(diào)轉(zhuǎn)換器作比較；
[0037]圖20示出了來自測試比較的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該測試比較針對38V的輸入電壓時(shí)正負(fù)載從OA步進(jìn)到33A的情況將本發(fā)明的第一實(shí)施例的性能與已知未調(diào)轉(zhuǎn)換器作比較；
[0038]圖21示出了來自測試比較的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該測試比較針對38V的輸入電壓時(shí)正負(fù)載從33A步進(jìn)到OA的情況將本發(fā)明的第一實(shí)施例的性能與已知未調(diào)轉(zhuǎn)換器作比較；
[0039]圖22示出了來自測試比較的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該測試比較針對輸入電壓從55V步進(jìn)到38V的情況將本發(fā)明的第二實(shí)施例的性能與已知轉(zhuǎn)換器以及其中轉(zhuǎn)換器僅操作于第二操作模式的實(shí)施例的修改進(jìn)行比較；以及
[0040]圖23示出了包括下垂處理的第一實(shí)施例的控制電路的修改。

【具體實(shí)施方式】
[0041]如將在下面詳細(xì)說明的，本發(fā)明的實(shí)施例提供了用于開關(guān)式電源的控制電路，該控制電路保持高功率效率并且在面對輸入電壓瞬變或輸出處負(fù)載電流瞬變時(shí)仍改善輸出電壓響應(yīng)?？刂齐娐肥褂脜⒖夹盘?hào)生成器來生成參考信號(hào)，該參考信號(hào)是輸入電壓的函數(shù)，并且偏移參考信號(hào)生成器用于通過組合參考信號(hào)與偏移信號(hào)來生成偏移參考信號(hào)，該偏移獨(dú)立于輸入電壓?；谄茀⒖夹盘?hào)的SMPS的占空比的控制使得SMPS有效地進(jìn)行操作，就如同具有隨著輸入電壓變化的可變變壓器匝數(shù)比一樣。如將在下文中解釋的，該參考電壓的偏移允許在可以由用戶彼此獨(dú)立地定義的期望輸入和輸出壓帶的大范圍組合上實(shí)現(xiàn)高度有效的SMPS操作，由此提高了 SMPS在跨大范圍應(yīng)用中的可用性。
[0042][第一實(shí)施例]
[0043]圖1描繪了開關(guān)式電源(SMPS) 100和控制電路200的頂層框圖。控制電路200被布置成接收指示SMPS 100的輸入電壓Vin和輸出電壓Vrat的信號(hào)。這些信號(hào)可以包括電壓本身的模擬信號(hào)或者包含定義由測量設(shè)備(未示出)所測量的電壓值的信息的數(shù)字信號(hào)?；谥甘維MPS輸入電壓的信號(hào)以及指示輸出SMPS電壓的信號(hào)，控制電路200可操作為生成用于控制SMPS 100的占空比的控制信號(hào)D。應(yīng)當(dāng)理解，可以獨(dú)立于SMPS 100制造并且銷售控制電路200。
[0044]圖2是控制電路200的示意性框圖?？刂齐娐?00包括參考信號(hào)生成器210、偏移參考信號(hào)生成器220、誤差信號(hào)生成器230，可選地調(diào)節(jié)器240，占空比控制信號(hào)生成器250、以及可選地接口模塊260，經(jīng)由該接口模塊260，可以如下所述來調(diào)整參考信號(hào)生成器210和偏移參考信號(hào)生成器220的設(shè)置。
[0045]參考信號(hào)生成器210被布置成接收指示SMPS 100的輸入電壓Vin的信號(hào)，并且可操作為生成依賴于輸入電壓Vin的可變參考信號(hào)VK。更具體地，參考信號(hào)生成器210被布置為根據(jù)輸入電壓Vin的函數(shù)生成參考信號(hào)VK。可以由參考信號(hào)生成器210根據(jù)用戶的指令來改變這里表示為f (Vin)的該函數(shù)，用戶的指令可以經(jīng)由接口模塊260進(jìn)行傳遞。
[0046]偏移參考信號(hào)生成器220可操作為通過組合由參考信號(hào)生成器210生成的參考信號(hào)Vr和偏移信號(hào)Vtxffsrt來生成偏移參考信號(hào)V1^ffseit,該偏移信號(hào)Vtxffsrt獨(dú)立于輸入電壓Vin。
[0047]應(yīng)當(dāng)注意，參考信號(hào)生成器210和偏移參考信號(hào)生成器220的功能可以被組合到控制電路200的單個(gè)組件，該單個(gè)組件在單個(gè)步驟中，生成電壓形式的偏移參考信號(hào)VkOffsrt，其為與輸入電壓Vin相關(guān)的偏移,該偏移的大小獨(dú)立于vin。
[0048]誤差信號(hào)生成器230被布置成接收指示SMPS 100的輸出電壓Vwt的信號(hào)以及由偏移參考信號(hào)生成器220生成的偏移參考信號(hào)V1^ffseP誤差信號(hào)生成器230可操作為基于偏移參考信號(hào)V1^ffset并且基于輸出電壓Vrat來生成誤差信號(hào)VE。為了比較,在傳統(tǒng)的充分調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)換器中，控制電路測量SMPS的輸出電壓Vwt，并且然后，將此與設(shè)置由于產(chǎn)生期望輸出電壓的恒定參考信號(hào)作比較。
[0049]然后，該誤差信號(hào)Ve被饋送到可選的調(diào)節(jié)器240，或者如果沒有提供該調(diào)節(jié)器240，則誤差信號(hào)Ve被饋送到占空比控制信號(hào)生成器250。調(diào)節(jié)器240可以被提供以根據(jù)誤差信號(hào)Ve來生成定義占空比的信號(hào)。
[0050]占空比控制信號(hào)生成器250被布置成接收調(diào)節(jié)器240的輸出(或者如果沒有提供設(shè)置調(diào)節(jié)器，則為誤差信號(hào)Ve)，并且可操作為生成控制SMPS 100的占空比所需要的控制信號(hào)D。
[0051]圖3是示出由圖2的控制電路200執(zhí)行的用于生成用于控制SMPS 100的占空比的控制信號(hào)D的處理操作的流程圖。
[0052]參考圖3，在步驟S301中，參考信號(hào)生成器210從SMPS 100接收指示輸入電壓Vin的信號(hào)。接收到的信號(hào)可以是SMPS 100的輸入電壓Vin的模擬表示，或者其可以是數(shù)字表
/Jn ο
[0053]在步驟S302，誤差信號(hào)生成器230接收指示SMPS 100的輸出電壓Vwt的信號(hào)。接收到的信號(hào)可以類似地是SMPS 100的輸出電壓Vwt的模擬表示，或者其可以是其數(shù)字表
/Jn ο
[0054]在步驟S303，參考信號(hào)生成器210根據(jù)輸入電壓Vin的函數(shù)生成可變參考信號(hào)\。該函數(shù)f (Vin)可以例如是線性函數(shù)，其中參考信號(hào)生成器210通過使接收到的信號(hào)(其指示輸入電壓Vin)乘以比例因子來生成該可變參考信號(hào)VK。函數(shù)f(Vin)替代地可以是接收到的信號(hào)的非線性函數(shù)，例如二次或更高階的多項(xiàng)式函數(shù)，并且其可以具有一個(gè)或多個(gè)不連續(xù)。函數(shù)f(Vin)還可以是針對輸入電壓Vin的兩個(gè)或更多個(gè)工作區(qū)域分段定義的。通常，參考信號(hào)生成器210在步驟S303中根據(jù)輸入電壓Vin的任何函數(shù)生成參考信號(hào)\，使得當(dāng)輸入電壓Vin是零時(shí)，參考信號(hào)Vk是零(換言之，其圖(plot)通過原點(diǎn)的函數(shù))。
[0055]在步驟S304，偏移參考信號(hào)生成器220通過組合在步驟S303處生成的參考信號(hào)Vk和偏移信號(hào)Vtxffsert來生成偏移參考信號(hào)Vi^ffsertO如上所述，偏移信號(hào)Vtxffsrt不取決于輸入電壓vin，并且可以通過偏移參考信號(hào)生成器220本身來生成，如在本實(shí)施例中，或者其可以在控制電路200的外部生成，并且由偏移參考信號(hào)生成器220來接收。在任何一種情況下，偏移參考信號(hào)生成器220例如通過將這些信號(hào)加在一起來將參考信號(hào)\與偏移信號(hào)Vtjffsrt組合，如在本實(shí)施例中。如上所述，參考信號(hào)生成器210和偏移參考信號(hào)生成器220的功能可以被組合到控制電路200中的單個(gè)組件，其在單個(gè)步驟中生成電壓形式的偏移參考信號(hào)Vk
，其是與輸入電壓Vin相關(guān)的偏移，該偏移的大小獨(dú)立于Vin。在該情況下，步驟S303和S304被組合為單個(gè)步驟。
[0056]在步驟S305，誤差信號(hào)生成器230基于偏移參考信號(hào)Vk和輸出電壓Vwt 二者來生成誤差信號(hào)VE。
[0057]可選地，該過程然后可以進(jìn)行步驟S306，在該步驟處，調(diào)節(jié)器240調(diào)節(jié)誤差信號(hào)Ve以生成定義占空比的信號(hào)。
[0058]在步驟S307，占空比控制信號(hào)生成器250生成用于控制SMPS100的占空比的控制信號(hào)D。所生成的控制信號(hào)D取決于誤差信號(hào)VE，并且如果執(zhí)行S306的調(diào)節(jié)步驟，那么根據(jù)定義占空比的信號(hào)來生成控制信號(hào)D。
[0059]現(xiàn)在將參考圖4來描述控制電路200的操作的其他細(xì)節(jié)，圖4示出了在圖2中所示的組件可采取的示例性形式。具體地，圖4圖示了使得能夠生成偏移參考信號(hào)的偏移參考信號(hào)生成器220的示例性配置、以及參考信號(hào)生成器210、誤差信號(hào)生成器230、調(diào)節(jié)器240和占空比控制信號(hào)生成器250的示例性實(shí)現(xiàn)。
[0060]如圖4所示，參考信號(hào)生成器210被配置為實(shí)現(xiàn)乘法函數(shù)，具體地被配置為使指示SMPS輸入電壓Vin(其在本文被稱為并且在附圖中被標(biāo)記為Vin)的接收到的信號(hào)乘以縮放因子k，其可以被設(shè)定為等于變壓器匝數(shù)比η (其中n = ns/np并且ns是變壓器的次級(jí)側(cè)(secondary side)繞組的阻數(shù),并且np是SMPS 100的變壓器的初級(jí)側(cè)(primary side)繞組的匝數(shù))和SMPS 100的標(biāo)稱占空比D.。應(yīng)當(dāng)注意，如果SMPS 100不具有變壓器，那么η被設(shè)置為等于I。
[0061]因此，可變參考信號(hào)Vk是根據(jù)以下等式通過使SMPS 100的輸入電壓Vin乘以縮放因子k來生成的。
[0062]Ve = kVin 等式(2)
[0063]此外，在本實(shí)施例中，參考信號(hào)生成器210被配置為允許縮放因子k由用戶來設(shè)置。更具體地，參考信號(hào)生成器210被配置成從接口模塊260接收指示來自用戶的輸入的信號(hào)，其可以由用戶經(jīng)由諸如小鍵盤或觸摸屏的輸入設(shè)備輸入他對縮放因子k的選擇、調(diào)整或設(shè)置來提供。參考信號(hào)生成器210被布置為根據(jù)指示用戶的輸入的接收到的信號(hào)來設(shè)置因子k。然而，應(yīng)當(dāng)注意，更一般地，參考信號(hào)生成器210可以被布置為根據(jù)接收到的信號(hào)來設(shè)置上述函數(shù)f (Vin)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，該函數(shù)f (Vin)使參考信號(hào)Vk與輸入電壓Vin相關(guān)，該函數(shù)不需要與Vin是線性的。
[0064]如圖4所不,在本實(shí)施例中，偏移參考信號(hào)生成器220包括:偏移信號(hào)生成器221,其可操作為生成可變偏移信號(hào)Vtjffsrt ;以及加法器222，其被布置為將參考信號(hào)Vk與由此接收到的可變偏移信號(hào)Vtjffsrt相加，并且向誤差信號(hào)生成器230輸出對這些信號(hào)求和的結(jié)果作為偏移參考信號(hào)Μ—。
[0065]更具體地，偏移信號(hào)生成器221被布置為從接口模塊260接收信號(hào)，以及例如通過放大和/或?yàn)V波或者以其他方式處理接收到的信號(hào)來使用接收到的信號(hào)生成可變偏移信號(hào)Vt5ffsrttj因此，偏移信號(hào)Vtjffsrt是接收到的信號(hào)的函數(shù)，但是其獨(dú)立于SMPS輸入電壓Vin。根據(jù)特定SMPS實(shí)現(xiàn)的要求，偏移信號(hào)生成器221替代地可以被配置成在不對其進(jìn)行處理的情況下將從接口模塊260(或直接從控制電路200外部的信號(hào)源)接收到的信號(hào)中繼到加法器222。
[0066]更具體地，在本實(shí)施例中，偏移信號(hào)生成器221被布置成接收指示經(jīng)由接口模塊260從用戶輸入的信號(hào)，并且被布置為根據(jù)指示用戶的輸入的信號(hào)來生成偏移信號(hào)Vtjffs^例如，接口模塊260可以被配置成提供在控制電路200和諸如小鍵盤或觸摸屏的輸入設(shè)備之間的接口，經(jīng)由該接口，用戶可以輸入偏移信號(hào)生成器221在控制電路200的操作期間要生成的電壓偏移量。
[0067]現(xiàn)在將參考圖5和圖6來說明用戶能夠指定要被應(yīng)用的電壓偏移量的有用性。
[0068]圖5圖示了作為SMPS輸出電壓Vwt根據(jù)輸入電壓Vin的線性變化。在圖5中所示的直線的斜率k由(Vwtmax-Vtjutmin) / (Vinmax - VinmJ給出，其中
Voutmax，V0Utmin，Vinmax 矛口 Vinmin 另蘭了 SMPS 100的輸入和輸出電壓范圍的端值，如所圖示的。通過用戶能夠選擇k的值(通過使K的值以上述方式可調(diào)整，或者通過在制造時(shí)配置參考信號(hào)生成器210來使用k的具體值執(zhí)行其操作)，可以使SMPS模擬與SMPS100的變壓器中實(shí)際存在的變壓器匝數(shù)比不同于的變壓器匝數(shù)比。此外，通過對參考電壓添加偏移，用戶能夠?qū)MPS 100設(shè)置為跨任何期望的電壓范圍以期望的電壓轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行操作。因此，通過組合偏移信號(hào)Vtjffset和由參考信號(hào)生成器210生成的參考信號(hào)Vk，所獲得的偏移參考信號(hào)Vk可以更一般地如下表達(dá):
[0069]Vk Qffset = kVin+Voffset 等式(3)
[0070]定義偏移參考信號(hào)VK ()ffsrt和輸入電壓Vin之間的任何期望線性關(guān)系的能力允許用戶確保在較低輸入電壓值處實(shí)現(xiàn)較高輸出電壓的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)限制較高輸入電壓值處的輸出電壓的大小。因此，變得能夠在較低的輸入電壓處獲得增加的輸出功率水平或較低的輸出電流。換言之，通過能夠調(diào)整偏移信號(hào)Vtjffset，用戶能夠調(diào)整控制電路200以控制SMPS 100跨越期望的電壓范圍進(jìn)行操作，就如同其具有取決于輸入電壓的變壓器匝數(shù)比?，F(xiàn)在將通過設(shè)計(jì)示例來說明能夠進(jìn)行這些調(diào)整的有用性。
[0071]設(shè)計(jì)示例的SMPS是DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器，其具有40-60V的輸入電壓范圍和10-12V的期望輸出電壓范圍。使用Ii1 = 1:5以及n2= 1.4的固定變壓器比產(chǎn)生圖6中所示的虛線。根據(jù)圖6中的這些圖表明顯的是，對于在40和60V之間的輸入電壓，固定變壓器比率H1和n2都不允許轉(zhuǎn)換器輸出10-12V的期望范圍中的輸出電壓。
[0072]然而，期望電壓范圍內(nèi)的電壓轉(zhuǎn)換可以通過將k和偏移電壓Vtjffset設(shè)置為適當(dāng)?shù)闹祦韺?shí)現(xiàn)。更具體地，可以根據(jù)k = (Voutmax-Voutmin) / (Vinmax - Vinmin)來設(shè)置k的值,這在本不例中產(chǎn)生k = (12-10)/(60-40) = 0.1。另一方面，偏移電壓由下式給出:
F.^auSmmmas ^inmn ) “ ,
Offzu =-^:-等式(4)

、mmax in mm /
[0074]在本設(shè)計(jì)示例中，根據(jù)等式4將Vtjffset計(jì)算為6V。
[0075]要在設(shè)計(jì)示例的變壓器中使用的變壓器匝數(shù)比ns:np需要滿足以下條件:
I?.._ Sf
[0076]一 Z' K 等式⑶
np
[0077]因此，在本設(shè)計(jì)實(shí)例中，變壓器的匝數(shù)比需要大于0.1。
[0078]為了在SMPS 100的溫度改變時(shí)保持有效和穩(wěn)定的操作，偏移信號(hào)生成器221可以附加地或替換地被布置成經(jīng)由接口模塊260接收指示SMPS 100的組件(例如變壓器)的測量的溫度的信號(hào)，并且根據(jù)指示測量的溫度的接收信號(hào)來生成偏移信號(hào)Vtjffsrtt5
[0079]替代地，本實(shí)施例的偏移信號(hào)生成器221可以附加地或替換地被布置成經(jīng)由接口模塊260接收指示SMPS 100的輸出負(fù)載的信號(hào)，并且被配置為根據(jù)指示輸出負(fù)載的接收信號(hào)來生成偏移信號(hào)Vtjffsrtt5提供這樣的取決于負(fù)載的偏移將有利地允許SMPS 100的輸出電壓Vrat是可調(diào)的，從而減少在SMPS 100及其負(fù)載之間的傳輸損耗。例如，在所謂的“中間總線結(jié)構(gòu)”(IBA)功率系統(tǒng)中，其中SMPS 100構(gòu)成中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)，其將系統(tǒng)輸入電壓轉(zhuǎn)換成中間總線電壓(IBV)，該中間總線電壓(IBV)應(yīng)用于將IBC連接到一個(gè)或多個(gè)負(fù)載點(diǎn)(POL)調(diào)節(jié)器的中間總線，偏移信號(hào)生成器221可以接收指示由IBC輸出到POL調(diào)節(jié)器的電流和電壓輸出的信號(hào)，并且調(diào)整IBV從而優(yōu)化針對主要負(fù)載水平的系統(tǒng)效率。對于優(yōu)化IBA功率系統(tǒng)的效率的該方案的進(jìn)一步細(xì)節(jié)，讀者參考W02012/007055。
[0080]再次參考圖4，在本實(shí)施例中的誤差信號(hào)生成器230采取差分計(jì)算器的形式，其將所生成的偏移參考信號(hào)VK ()ffsrt與指示SMPS 100的輸出電壓Vwt的信號(hào)作比較。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，在該實(shí)施例中，找到在輸出電壓Vwt和偏移參考信號(hào)Vk之間的差以生成誤差信號(hào)Ve:
[0081]Ve = VE offset-Vout 等式(6)
[0082]然后，將該誤差信號(hào)被饋送到PID調(diào)節(jié)器形式的調(diào)節(jié)器240。PID調(diào)節(jié)器的輸出是處于穩(wěn)態(tài)，并且是獲得獨(dú)立于負(fù)載電流的所需要的Vwt所需要的占空比。
[0083]然后，PID調(diào)節(jié)器240的輸出被饋送到占空比控制信號(hào)生成器250，其包括脈沖寬度調(diào)制(PWM)電路，其將占空比(來自PID調(diào)節(jié)器240)變換成控制SMPS 100中的開關(guān)元件的脈寬調(diào)制信號(hào)D。
[0084]總之，根據(jù)以上第一實(shí)施例的描述可以理解，控制電路200將負(fù)載調(diào)節(jié)引入否則將是固定比率的轉(zhuǎn)換器。代替使用固定占空比，占空比可以根據(jù)負(fù)載要求，并且根據(jù)SMPS100的輸入電壓Vin而變化。這是使用輸入電壓Vin和輸出電壓Vrat來生成占空比控制信號(hào)D來實(shí)現(xiàn)的。這改善了由于輸入電壓瞬變而導(dǎo)致的輸出的震蕩的衰減，同時(shí)為了最大效率而保持接近100%的占空比。
[0085]為了保持良好的負(fù)載調(diào)節(jié)和瞬態(tài)響應(yīng)，必須引入用于標(biāo)稱占空比Dm的設(shè)計(jì)余量。本發(fā)明人執(zhí)行的仿真和測量示出，百分之幾的余量就夠了，產(chǎn)生例如Dm?97%。因此，實(shí)施例的功率效率幾乎是最大的，并且與固定比率轉(zhuǎn)換器相比沒有被減小很多，但是實(shí)施例提供了改善的瞬態(tài)響應(yīng)和負(fù)載調(diào)節(jié)。
[0086]應(yīng)當(dāng)注意，因?yàn)閷?shí)施例的占空比被控制得接近100%的自然邊界，所以應(yīng)當(dāng)采用避免積分飽和的方法。例如，公知的積分值的飽和電路系統(tǒng)可以被用于解決該問題。
[0087]圖7描繪了 SMPS 100與上述控制電路200的集成。在該附圖中，示出了典型的SMPS 100。該SMPS 100的操作通過六個(gè)晶體管Ql至Q6的控制來實(shí)現(xiàn)。以100%的最大占空比運(yùn)行該SMPS 100將導(dǎo)致最大化的功率效率。該電路指向使用變壓器Tl的DC-DC轉(zhuǎn)換器。H橋被提供以生成根據(jù)開關(guān)元件Ql至Q4形成的AC信號(hào)。具體地，Ql和Q4將首先被接通，并且Q2和Q3被關(guān)斷。這生成了跨變壓器的初級(jí)線圈的正擺動(dòng)信號(hào)由此導(dǎo)致通量的改變。結(jié)果，跨變壓器的次級(jí)線圈感生電壓。然后，Q6可以被接通并且Q5被關(guān)閉，以提供信號(hào)的整流。類似地，通過關(guān)閉Ql、Q4和Q6并且打開Q2、Q3和Q5以從該周期的負(fù)部分獲取能量來逆向執(zhí)行該過程以生成負(fù)擺動(dòng)信號(hào)。
[0088]如圖7所示，并且如以上參考前面的附圖所述，控制電路200具有指示SMPS 100的輸入電壓Vin和輸出電壓Vrat的輸入?；谶@些輸入，該控制電路200生生成各種占空比控制信號(hào)D，用于控制開關(guān)式電源100的各個(gè)開關(guān)元件，如下所述。在該情況下，接地參考是在次級(jí)側(cè)。
[0089]圖8描繪了作為來自控制電路200的輸出用于控制SMPS 100的占空比的各種控制信號(hào)的以示例性時(shí)序圖。控制信號(hào)涉及圖7中所示的SMPS 100的開關(guān)元件。在圖7和圖8的以下說明中，因子k以示例的方式被取為nD_。
[0090]如圖8中所示，Ql和Q4的控制信號(hào)(標(biāo)記為Dqi和Dq4)與Q2和Q3的控制信號(hào)(標(biāo)記為Dq2和Dq3)的反緊密匹配。這在變壓器Tl的初級(jí)側(cè)生成交替的正和負(fù)電壓的周期。這在變壓器Tl中感生變化的通量，并且由此跨變壓器Tl的次級(jí)側(cè)感生電壓。
[0091]在Ql和Q4的控制信號(hào)的結(jié)束與Q2和Q3的控制信號(hào)的開始之間的小的定時(shí)間隙tgap是由于在本實(shí)施例中Dm不確切地是100%而是大約97%而導(dǎo)致的。結(jié)果，Ql和Q4的“打開時(shí)間(ON-time) ”的長度基本上是T/2XDM，其中T是周期的長度。類似地，Q2和Q3的“打開時(shí)間”基本上也是T/2XD.?？刂齐娐?00通過控制定時(shí)間隙tgap的大小來控制“打開時(shí)間”以保持良好的負(fù)載調(diào)節(jié)和瞬態(tài)響應(yīng)。
[0092]圖8還示出了 Q5和Q6的典型控制信號(hào)(標(biāo)記為Dq5和Dq6)。如所示的，在Ql和Q4的前半“打開周期”的結(jié)束時(shí)，Q5被接通，同時(shí)Q6接通。這生成導(dǎo)通路徑用于允許電感器LI放電到電容器Cl和負(fù)載R。此后，Q6被切斷，并且Q5保持接通以執(zhí)行對來自變壓器Tl的次級(jí)側(cè)的信號(hào)的整流。
[0093][第二實(shí)施例]
[0094]現(xiàn)在將參考圖9和圖14描述根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的控制電路200’。
[0095]如可以根據(jù)圖4和圖9的比較理解的，第一和第二實(shí)施例的控制電路200和200’具有許多共同特征，并且因此將不重復(fù)這些共同組件的結(jié)構(gòu)和功能的描述。然而，第二實(shí)施例的偏移參考信號(hào)生成器220’不同于第一實(shí)施例，并且現(xiàn)在將具體描述控制電路200’的該組件的結(jié)構(gòu)和操作。
[0096]在第一操作模式(在此也稱為“調(diào)節(jié)比”模式)中，偏移參考信號(hào)生成器220’可操作為用作上述第一實(shí)施例的偏移參考信號(hào)生成器220。然而，與第一實(shí)施例的偏移參考信號(hào)生成器220形成對照，第二實(shí)施例中的偏移參考信號(hào)生成器220’還可以以第二模式(在此也稱為為“充分調(diào)節(jié)”模式)操作，以生成被設(shè)置為期望電平的預(yù)定參考信號(hào)VKdes。VEdes的大小可以被設(shè)置為固定值，或者可以使其可由SMPS操作者調(diào)整。因此，在操作期間，VMes保持恒定，除非由操作者改變。
[0097]如將在下文中解釋的，偏移參考信號(hào)生成器220’被配置成當(dāng)輸入電壓Vin超過閾值時(shí)以第二模式操作，并且當(dāng)輸入電壓Vin等于或小于閾值時(shí)以第一模式操作。
[0098]為了比較，在僅可以使用充分調(diào)節(jié)的控制策略的已知的充分調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器中，控制電路測量SMPS 100的輸出電壓Vtjut,并且然后將其與等于期望輸出電壓或與期望輸出電壓直接成比例的恒定參考信號(hào)作比較，而不提供切換為采用取決于SMPS的輸入電壓的可變參考電壓的操作的模式。相反，如這里所說明的，在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，由偏移參考信號(hào)生成器220’輸出的信號(hào)在第一操作模式中是SMPS 100的輸入電壓Vin的函數(shù)，并且在偏移參考信號(hào)生成器220’的第二操作模式中是恒定的。
[0099]第二實(shí)施例的控制電路200’在第一操作模式中所執(zhí)行的操作與第一實(shí)施例的控制電路200所執(zhí)行的相同。另一方面，當(dāng)偏移參考信號(hào)生成器220’在第二操作模式(即充分調(diào)節(jié))操作時(shí)所進(jìn)行的傳統(tǒng)的處理操作是公知的并且因此，這里將不描述。
[0100]如圖9所示，第二實(shí)施例的偏移參考信號(hào)生成器220’包括參考信號(hào)選擇器223，其用于控制在偏移參考信號(hào)生成器220’的的第一操作模式和第二操作模式之間進(jìn)行切換。更具體地，如圖9中所示，參考信號(hào)選擇器223可操作用于接收來自例如精確參考的預(yù)定的參考信號(hào)VRdes、以及來自加法器222的偏移參考信號(hào)VR_offset，并且然后根據(jù)以下等式來選擇這些接收到的信號(hào)中的較小一個(gè)作為要提供給誤差信號(hào)生成器230的參考信號(hào):
[0101]Ve = min{VE offset, VEdeJ 等式7在等式7中，“min”表示最小值函數(shù),該最小值函數(shù)選擇操作數(shù)的最小值。在圖10中圖示了作為輸入電壓Vin的函數(shù)的輸出電壓Vwt。
[0102]存在與偏移參考信號(hào)生成器220’的根據(jù)現(xiàn)行SMPS輸入電壓水平來從上述兩個(gè)操作模式中的一個(gè)切換為另一個(gè)的能力相關(guān)聯(lián)的顯著優(yōu)點(diǎn)。
[0103]例如，如可以根據(jù)圖11中示意性示出的SMPS輸出電壓Vtjut隨著輸入電壓Vin的變化而理解的，與偏移參數(shù)信號(hào)生成器220’被配置成僅以調(diào)節(jié)比率模式操作的情況相比，使用上述充分調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)比率操作模式的組合(即上述第一和第二模式的組合)允許在SMPS100中實(shí)現(xiàn)更高的變壓器匝數(shù)比。如圖11所示，組合所需要的匝數(shù)比Ii1大于當(dāng)操作被限制為調(diào)節(jié)比率模式時(shí)所需要的匝數(shù)比n2。
[0104]此外，如圖12中所示，其中控制策略采用上述充分調(diào)節(jié)操作模式和調(diào)節(jié)比率操作模式的組合，輸出電壓Vrat是在整個(gè)工作區(qū)域中較大，這允許在不增加作為設(shè)計(jì)中的限制因子的輸出電流的情況下增加輸出功率ρ_。
[0105]圖13是圖示SMPS輸出電流脈動(dòng)Ihpp1 J逭著輸入電壓Vin變化的示意圖。當(dāng)偏移參考信號(hào)生成器220’以調(diào)節(jié)比率模式進(jìn)行操作時(shí)，輸出電流脈動(dòng)IHpple是恒定的并且獨(dú)立于輸入電壓Vin，這與組合控制策略的充分調(diào)節(jié)部分形成對比，其中電流脈動(dòng)IHpple隨著輸入電壓Vin而增加。這意味著，對于給定脈動(dòng)需要，單純調(diào)節(jié)比率可以使用比組合控制策略更小的的電感器。然而，在有源電流共享中，較大的電感器是優(yōu)選的。
[0106]圖14示出了包括SMPS 100和被布置成生成用于控制SMPS 100的占空比的控制信號(hào)的控制電路200’的電源系統(tǒng)。除了偏移參考信號(hào)生成器220’在以第一和第二模式操作之間進(jìn)行切換之外，圖14中所示的電源系統(tǒng)的組件及其交互與以上參考圖7所述的那些相同。
[0107][實(shí)驗(yàn)結(jié)果]
[0108]本發(fā)明人已經(jīng)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，以將使用由根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的控制電路所控制的SMPS 100與未調(diào)SMPS的性能作比較，以示出由本發(fā)明的實(shí)施例所作出、在輸入電壓瞬變和負(fù)載瞬變行為方面的改善。
[0109]更具體地，發(fā)明人將圖7中所示以及以上具體示出的SMPS 100和控制電路200的性能與圖15中所示的SMPS 100進(jìn)行了比較。圖15中所示的SMPS 100與圖7中所示的SMPS 100相同，但是其以未調(diào)節(jié)模式操作，并且因此不受益于本發(fā)明的實(shí)施例的控制電路200的控制。
[0110]在該實(shí)驗(yàn)中，SMPS 100具有38-55V的輸入電壓范圍以及4:1的變壓器比率，產(chǎn)生
9.5-13.75V的理想輸出電壓范圍。最大輸出負(fù)載電流是33 A。圖16至圖21示出了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
[0111]在圖16中，對于其中100微秒的上升時(shí)間并且O A的負(fù)載電流的情況下輸入電壓從30V步進(jìn)上升到55V的場景，示出了固定比率(4:1)未調(diào)轉(zhuǎn)換器和根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的根據(jù)控制電路200所控制的負(fù)載調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓瞬變。
[0112]與負(fù)載調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器相比，未調(diào)轉(zhuǎn)換器顯示出隨著大的過沖的快速輸出電壓增加以及隨著較小裳減的大的振動(dòng)。
[0113]本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器中的電壓下沉是由于在輸入電壓的測量中的延遲而導(dǎo)致，并且還發(fā)現(xiàn)了減少該延遲將減少該下沉。
[0114]本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，用于防止在負(fù)載調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓中的初始下沉的另一解決方案是使用控制電路200來執(zhí)行控制以限制占空比的范圍，以便于應(yīng)用最小占空比，例如70%。這防止占空比控制信號(hào)生成器250以低于70%的占空比輸出控制信號(hào)D。
[0115]因此，圖16的模擬(在100微秒的上升時(shí)間并且O A的負(fù)載電流的情況下電壓從38V上升到55V)被重復(fù)，將70%的最小占空比應(yīng)用到負(fù)載調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器。在圖17中示出了該結(jié)果。如圖17所示，下沉被移除，并且振動(dòng)的衰減通過應(yīng)用最小占空比閾值而被改善。
[0116]圖18示出了執(zhí)行與在圖16中相同的模擬，但是以33A的全負(fù)載電流而不是OA執(zhí)行的結(jié)果。這通過未調(diào)轉(zhuǎn)換器中的穩(wěn)態(tài)壓降圖示了負(fù)載調(diào)節(jié)，因?yàn)槲凑{(diào)轉(zhuǎn)換器的初始和最終輸出電壓低于理想水平，這由負(fù)載調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器來呈現(xiàn)。還應(yīng)當(dāng)看出，負(fù)載調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的衰減遠(yuǎn)優(yōu)于未調(diào)轉(zhuǎn)換器。
[0117]圖19示出了在100微秒中在O A的負(fù)載電流的情況下在負(fù)的輸入電壓從55 V步降到38V的期間SMPS 100的輸出電壓V-。應(yīng)當(dāng)看出，負(fù)載調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的衰減遠(yuǎn)優(yōu)于未調(diào)轉(zhuǎn)換器。
[0118]圖20示出了在38V的輸入電壓處在I微秒中正的負(fù)載從OA步進(jìn)到33Α的結(jié)果。調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)換器具有伴隨衰減的振蕩的減少的下沖(undershoot),而未調(diào)轉(zhuǎn)換器具有更多的下沖和更少衰減的振蕩。穩(wěn)態(tài)輸出電壓還示出了改善的負(fù)載調(diào)節(jié)，即，輸出電壓不取決于負(fù)載電流，因?yàn)槲凑{(diào)轉(zhuǎn)換器的最終輸出電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于負(fù)載調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的所呈現(xiàn)的期望水平。
[0119]類似地，圖21描繪了在38V的輸入電壓處I微秒中從33A到OA的負(fù)的負(fù)載步進(jìn)。同樣，負(fù)載調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器呈現(xiàn)出伴隨更大的振蕩衰減的較少過沖。
[0120]在偏移參考信號(hào)生成器220’可以根據(jù)上述第二實(shí)施例在充分調(diào)節(jié)模式和調(diào)節(jié)比模式操作之間進(jìn)行切換的情況下，在圖22中示出了從55V步降到38V的輸入電壓的模擬的結(jié)果。更具體地，圖22示出了當(dāng)采用非調(diào)節(jié)的固定比率、調(diào)節(jié)比以及調(diào)節(jié)比和充分調(diào)節(jié)的組合(即，線性/負(fù)載調(diào)節(jié))操作模式所獲得的模擬結(jié)果的比較。在所有情況下，下降時(shí)間是100微秒，并且負(fù)載電流是0A。
[0121]在組合的調(diào)節(jié)比中，充分調(diào)節(jié)的情況是VKdes = 12V，可以觀察到，該方案將輸出電壓箝位到Vfotes= 12V。此外，與其他兩個(gè)控制策略相比，振蕩的衰減被改善，主要由于較小的輸出范圍。
[0122][修改例和變體]
[0123]可以在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，對實(shí)施例作出許多修改和變化。
[0124]例如，雖然所述實(shí)施例的控制電路200、200’是提供用于控制SMPS 100的占空比的控制信號(hào)的獨(dú)立單元，但是控制單元200、200’替代地可以被包含在SMPS 100內(nèi)。
[0125]此外，控制電路200、200’可以在不損失性能的情況下使用模擬或數(shù)字電子器件來實(shí)現(xiàn)。在控制電路200、200’的數(shù)字實(shí)現(xiàn)中，參考信號(hào)生成器210、偏移參考信號(hào)生成器220、誤差信號(hào)生成器230和/或調(diào)節(jié)器240可以被實(shí)現(xiàn)為軟件組件，其可以形成可由諸如微處理器的可編程信號(hào)處理裝置執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序、模塊、對象或指令序列的至少一部分。
[0126]上述第二實(shí)施例的偏移參考信號(hào)生成器220’被配置為通過參考信號(hào)選擇器223選擇參考信號(hào)Vfotes和Vk^ffsrt中較小者而在其第一和第二操作模式之間進(jìn)行切換,該參考信號(hào)VMes和V1^ffsrt分別通過參考源和偏移參考信號(hào)生成器220生成。然而，該切換可以替代地通過將指示SMPS輸入電壓的信號(hào)與閾值作比較并且然后根據(jù)該比較的結(jié)果來生成VKdes
或V E_offset 來執(zhí)行。
[0127]該調(diào)節(jié)器240可以是任何類型，并且并非具體地是PID調(diào)節(jié)器。例如，其可以是p1、ro或超前滯后補(bǔ)償調(diào)節(jié)器或另一類型的調(diào)節(jié)器。
[0128]如上述實(shí)施例中詳細(xì)描述的控制策略可以通過電壓前饋補(bǔ)償來補(bǔ)充。
[0129]因?yàn)镾MPS 100可以是分離的SMPS 100，那么控制電路200可以被置于變壓器Tl的初級(jí)或次級(jí)側(cè)。然而，優(yōu)選是位于次級(jí)側(cè)。根據(jù)控制電路200、200’的布置，然后SMPS 100的輸出電壓或SMPS 100的輸入電壓Vin中的一個(gè)必須傳輸通過隔離屏障。存在許多公知的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，例如在打開時(shí)段期間對SMPS 100的變壓器Tl的次級(jí)側(cè)對電壓進(jìn)行采樣是對輸入電壓的良好測量，包括變壓器比率η。
[0130]此外，控制電路200、200’不限于控制全橋、具有同步整流的中心抽頭的次級(jí)側(cè)變壓器的SMPS拓?fù)?，如圖8和圖10所示。替代地，上述本發(fā)明的實(shí)施例將與很多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一起同樣良好地工作，包括推挽式、半橋和正向轉(zhuǎn)換器拓?fù)?。上述控制電?00或200’可以由具有單繞組次級(jí)側(cè)變壓器的SMPS —起使用，并且還與在次級(jí)側(cè)具有二極管整流的SMPS
一起工作。
[0131]發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的實(shí)施例的上述控制電路在通過有源下調(diào)實(shí)現(xiàn)時(shí)工作得特別好，該有源下調(diào)支持無源電流共享或若干相同SMPS轉(zhuǎn)換器的并聯(lián)。
[0132]圖24示出了包含有源下調(diào)的第一實(shí)施例的控制電路200的修改。在該變體中，通過測量輸出電流Itjut，并且然后根據(jù)以下等數(shù)修改誤差信號(hào)的計(jì)算來獲得有源下調(diào):
[0133]Ve = min {kVin+Voffset, VEedJ -Vout-1out-Rdroop 等式 8
[0134]在以上等式8中，如果在SMPS中存在，則n = ns/np是變壓器匝數(shù)比，Vout是SMPS100的輸出電壓，1ut是SMPS 100的輸出電流，并且Rtarap是人工抗下垂。
[0135]還應(yīng)當(dāng)理解，圖3的流程圖中所示的過程處理可以以與所示出不同的順序來執(zhí)行。例如，圖3中的步驟S301和S302可以被交換，或者步驟S302可以在步驟S303之后執(zhí)行。
[0136]本發(fā)明的實(shí)施例的上述描述是為了說明和描述的目的而呈現(xiàn)。并非意在窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限制于所公開的形式。替代地，修改和變化可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下進(jìn)行。
【權(quán)利要求】
1.一種控制電路(200;200’;200”)，可操作為生成用于控制開關(guān)式電源(100)的占空比的控制信號(hào)(D)，所述控制電路(200 ;200，;200”)包括: 參考信號(hào)生成器(210)，可操作為接收指示所述開關(guān)式電源(100)的輸入電壓(Vin)的信號(hào)，并且生成參考信號(hào)(VK)，所述參考信號(hào)(Vk)是所述輸入電壓(Vin)的函數(shù)； 偏移參考信號(hào)生成器(220)，可操作為通過將所述參考信號(hào)(Vk)和偏移信號(hào)(Vtjffsrt)進(jìn)行組合來生成偏移參考信號(hào)(VK—Msrt),所述偏移信號(hào)(Vtjffsrt)獨(dú)立于所述輸入電壓(Vin)； 誤差信號(hào)生成器(230)，被布置成接收指示所述開關(guān)式電源(100)的輸出電壓(V?！沟男盘?hào)，并且可操作為基于所述偏移參考信號(hào)(V1^ffsrt)并基于所述輸出電壓(Vtjut)來生成誤差/[目號(hào)(Ve)；以及 占空比控制信號(hào)生成器(250)，可操作為根據(jù)所述誤差信號(hào)(Ve)來生成用于控制所述開關(guān)式電源(100)的所述占空比的所述控制信號(hào)(D)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制電路(200;200’;200”)，其中所述偏移參考信號(hào)生成器(220)包括可操作為生成可變偏移信號(hào)(Vtjffsrt)的偏移信號(hào)生成器(221)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制電路(200;200’;200”)，其中所述偏移信號(hào)生成器(221)被布置成接收指示所述開關(guān)式電源(100)的測量的溫度的信號(hào)，并且被布置成根據(jù)所述測量的溫度來生成所述偏移信號(hào)(Vtjffsrt)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制電路(200;200’;200”)，其中所述偏移信號(hào)生成器(221)被布置成接收指示所述開關(guān)式電源(100)的輸出負(fù)載的信號(hào)，并且被布置成根據(jù)所述輸出負(fù)載來生成所述偏移信號(hào)(Vtxffsert)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制電路(200;200’;200”)，其中所述偏移信號(hào)生成器(221)被布置成接收指示來自用戶的輸入的信號(hào)，并且被布置成根據(jù)所接收的信號(hào)來生成所述偏移信號(hào)(VtxffsJ。
6.根據(jù)任何一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的控制電路(200;200’;200”)，其中所述參考信號(hào)生成器(210)被布置成接收指示來自用戶的輸入的信號(hào)，并且被布置成根據(jù)所接收的信號(hào)來設(shè)置使所述參考信號(hào)(Vk)與所述輸入電壓(Vin)相關(guān)的函數(shù)。
7.根據(jù)任何一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的控制電路(200’)，其中所述偏移參考信號(hào)生成器(220)可以以第一模式操作以通過將所述參考信號(hào)(Vk)和所述偏移信號(hào)(Vtjffsrt)進(jìn)行組合來生成所述偏移參考信號(hào)(VK ()ffsJ，并且可以以第二模式操作以生成獨(dú)立于所述輸入電壓(Vin)的預(yù)定參考信號(hào)(VKdJ ;所述偏移參考信號(hào)生成器(220)被配置成當(dāng)所述輸入電壓(Vin)超過閾值時(shí)以所述第二模式操作，并且當(dāng)所述輸入電壓(Vin)等于或小于所述閾值時(shí)以所述第一模式操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制電路(200’)，其中所述偏移參考信號(hào)生成器(220)包括參考信號(hào)選擇器(223)，所述參考信號(hào)選擇器(223)可操作為選擇所生成的偏移參考信號(hào)(Vbffsrt)和所述預(yù)定參考信號(hào)(Vates)中的較小者，以用于由所述偏移參考信號(hào)生成器(220)輸出。
9.根據(jù)任何一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的控制電路(200;200’;200”)，其中所述偏移參考信號(hào)生成器(220)包括加法器(222)，所述加法器被布置成將所述偏移信號(hào)(Vtjffsrt)添加到所述參考信號(hào)(Vk)。
10.根據(jù)任何一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的控制電路(200;200’；200”)，其中所述誤差信號(hào)生成器(230)被布置成通過從所述開關(guān)式電源(100)的所述輸出電壓(V?！购退銎茀⒖夹盘?hào)offset)之一中減去所述開關(guān)式電源(100)的所述輸出電壓(Vwt)和所述偏移參考信號(hào)(VK ()ffsJ中的另一個(gè)來生成所述誤差信號(hào)(Ve)。
11.根據(jù)任何一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的控制電路(200”)，其中所述誤差信號(hào)生成器(230)被布置為接收指示所述開關(guān)式電源(100)的輸出電流(1ut)的信號(hào)，并且可操作為基于所述偏移參考信號(hào)(VkJ、所述輸出電壓(Vwt)和所述輸出電流(Iwt)來生成所述誤差?目號(hào)(Ve) ο
12.—種開關(guān)式電源(100)，具有根據(jù)任何一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的控制電路(200;200，；200”)。
13.—種生成用于控制開關(guān)式電源(100)的占空比的控制信號(hào)(D)的方法，所述方法包括: 接收(S301)指示所述開關(guān)式電源(100)的輸入電壓(Vin)的信號(hào)； 接收(S302)指示所述開關(guān)式電源(100)的輸出電壓(VJ的信號(hào)； 根據(jù)所述輸入電壓(Vin)的函數(shù)生成(S303)參考信號(hào)(Vk)； 通過將所述參考信號(hào)(Vk)和偏移信號(hào)(Vtjffsrt)進(jìn)行組合來生成(S304)偏移參考信號(hào)(VK—offset)，所述偏移參考信號(hào)(VK—offset)獨(dú)立于所述輸入電壓(Vin)； 基于所述偏移參考信號(hào)(V1^ffset)并基于所述輸出電壓(U來生成(S305)誤差信號(hào)(Ve);以及 根據(jù)所述誤差信號(hào)(Ve)來生成(S307)用于控制所述開關(guān)式電源的所述占空比的所述控制信號(hào)⑶。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)一步包括生成(S304)可變偏移信號(hào)(Vtjffsrt)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括: 接收指示所述開關(guān)式電源(100)的測量的溫度的信號(hào)， 其中根據(jù)所述測量的溫度來生成(S304)所述偏移信號(hào)(Vtjffsrt)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括: 接收指示所述開關(guān)式電源(100)的輸出負(fù)載的信號(hào)， 其中根據(jù)所述輸出負(fù)載來生成(S304)所述偏移信號(hào)(Vtjffsrt)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括: 接收指示來自用戶的輸入的信號(hào)， 其中根據(jù)所接收的信號(hào)來生成(S304)所述偏移信號(hào)(Vtjffsrt)15
18.根據(jù)權(quán)利要求13-17中的任何一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括: 接收指示來自用戶的輸入的信號(hào)；以及 根據(jù)所接收的信號(hào)來改變使所述參考信號(hào)(Vk)與所述輸入電壓(Vin)相關(guān)的函數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求13-18中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中通過從所述開關(guān)式電源(100)的所述輸出電壓(Vrat)和所述偏移參考信號(hào)(Vbffsrt)之一中減去所述開關(guān)式電源(100)的所述輸出電壓(Vtjut)和所述偏移參考信號(hào)(Vbffsrt)中的另一個(gè)來生成所述誤差信號(hào)(Ve)。
20.根據(jù)權(quán)利要求13-19中的任何一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括: 接收指示所述開關(guān)式電源(100)的輸出電流(I。」的信號(hào)；以及 基于所述偏移參考信號(hào)J、所述輸出電壓(Vwt)和所述輸出電流(I?！箒砩伤稣`差信號(hào)(Ve)。
21.根據(jù)權(quán)利要求13-20中的任何一項(xiàng)所述的方法，其中通過將所述偏移信號(hào)(Vtjffsrt)添加到所述參考信號(hào)(Vk)來生成所述偏移參考信號(hào)(Vbffsrt)。
【文檔編號(hào)】H02M3/335GK104247239SQ201280072487
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月20日
【發(fā)明者】M·卡爾森, O·珀森 申請人:瑞典愛立信有限公司