用于具有可變輸出電壓范圍的電源轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及用于具有可變輸出電壓范圍的電源轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)控制器。更為具體地，本實(shí)用新型涉及在保持用于防止連續(xù)模式接通時(shí)間下降到連續(xù)模式最小接通時(shí)間以下的占空比的同時(shí)降低切換工作頻率。
【背景技術(shù)】
[0002]本章節(jié)中的陳述僅提供與本實(shí)用新型相關(guān)的背景信息，并且可以不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。
[0003]對(duì)于降壓型轉(zhuǎn)換器和任何變型，例如，正向轉(zhuǎn)換器或橋式轉(zhuǎn)換器，在處于連續(xù)的電感電流模式下時(shí)，工作占空比(D)被定義為:
[0004]D = Vout^Vin(I)
[0005]其中，V—為轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，V ^為轉(zhuǎn)換器的輸入電壓。
[0006]對(duì)于需要在能夠微調(diào)的輸出電壓范圍內(nèi)工作的電源轉(zhuǎn)換器，當(dāng)輸出電壓被設(shè)置成相對(duì)于額定輸出為非常低時(shí)，工作占空比變得非常小。
[0007]—些電流源應(yīng)用需要相比額定值而言低很多的電流設(shè)置，或者有時(shí)負(fù)載阻抗是異常低的。這些情況也促使輸出電壓為低。
[0008]在操作中，電源轉(zhuǎn)換器具有最小可控工作接通時(shí)間。該最小工作接通時(shí)間受控制器的脈沖寬度調(diào)制器(pulse width modulator, PffM)的分辨率的影響。然而，已知的數(shù)字控制器具有低至幾百皮秒的級(jí)別的PWM分辨率，因此對(duì)于大部分應(yīng)用而言，這將不會(huì)成為設(shè)計(jì)限制。當(dāng)然，對(duì)模擬控制而言，PWM分辨率不是問(wèn)題。
[0009]然而，外部因素，例如電路、緩沖器、驅(qū)動(dòng)器中的傳播延時(shí)以及在功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, M0SFET)中的接通和關(guān)斷延時(shí)，確實(shí)會(huì)創(chuàng)建在電源轉(zhuǎn)換器被迫進(jìn)入突發(fā)模式前的最小可控接通時(shí)間。在現(xiàn)有的控制方案中，一旦達(dá)到最小接通時(shí)間且失去了可靠的操作控制，則使用能量均衡。通常能量均衡包括:通過(guò)以比實(shí)際所需的占空比大的占空比進(jìn)行操作來(lái)供應(yīng)過(guò)量的能量、接著關(guān)閉轉(zhuǎn)換器以傳送期望的平均有效功率。在能量均衡期間，控制回路可以是極度緩慢的，并伴隨有具有過(guò)度脈動(dòng)的轉(zhuǎn)換器輸出。對(duì)于很多應(yīng)用而言，緩慢的控制回路響應(yīng)和過(guò)度的脈動(dòng)輸出是不可接受的。一些要求較快的控制回路響應(yīng)和小的脈動(dòng)的示例包括磁驅(qū)動(dòng)器和超磁體，其中，對(duì)于四象限運(yùn)算，從正極性到負(fù)極性，電流必須平滑地通過(guò)零點(diǎn)。另一示例是要求輸出電壓和輸出電流從近零值到預(yù)定最大值之間可調(diào)的實(shí)驗(yàn)室儀表或臺(tái)式電源?，F(xiàn)有技術(shù)通過(guò)以低切換頻率工作來(lái)滿足這些需求，導(dǎo)致龐大的電源設(shè)計(jì)或以低的電源轉(zhuǎn)換效率為代價(jià)而使用線性控制器。再一示例是在用于計(jì)算和其它應(yīng)用的電壓調(diào)節(jié)模塊(voltage regulator module, VRM)中使用的大電流多相降壓型轉(zhuǎn)換器。當(dāng)針對(duì)給定的負(fù)載電流降低輸出電壓時(shí)，VRM通常在效率上具有顯著的降低。為每一所需的輸出設(shè)計(jì)單獨(dú)的VRM以避免效率降低是可行的。然而，VRM已經(jīng)變成商品，并且可配置性是非常重要的，用以通過(guò)允許較少的庫(kù)存單位(stock keeping unit, SKU)來(lái)保持低的制作成本。因此，發(fā)明人意識(shí)到，需要保持連續(xù)模式，并防止轉(zhuǎn)換器在任何相對(duì)額定條件而言低的輸出電壓、低的輸出電流或低的負(fù)載下被迫進(jìn)入突發(fā)模式，同時(shí)仍提供小的脈動(dòng)輸出和充分的控制回路響應(yīng)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0010]從本文中提供的描述，適用的其它領(lǐng)域?qū)⒆兊妹黠@。應(yīng)當(dāng)理解，描述和特定示例僅用于說(shuō)明的目的且不意圖限制本實(shí)用新型的范圍。
[0011]根據(jù)本實(shí)用新型的一示例，一種用于具有可變輸出電壓范圍的電源轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)控制器可以包括:脈沖寬度調(diào)制器，所述脈沖寬度調(diào)制器具有產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)電源轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)的脈沖信號(hào)的輸出端；模式選擇器，所述模式選擇器具有指示所述電源轉(zhuǎn)換器的工作接通時(shí)間狀態(tài)的輸出端，該輸出端連接至乘法器；周期選擇器，所述周期選擇器具有指示所述脈沖信號(hào)的周期時(shí)間的輸出端，該輸出端連接至所述乘法器和所述脈沖寬度調(diào)制器的一輸入端；乘法器，所述乘法器具有指示所述周期時(shí)間中的開(kāi)關(guān)接通時(shí)間的輸出端，該輸出端連接至所述脈沖寬度調(diào)制器的另一輸入端；比較器，所述比較器具有指示相對(duì)于最小工作接通時(shí)間的工作接通時(shí)間狀態(tài)的輸出端，該輸出端連接至所述周期選擇器的一輸入端。當(dāng)所述工作接通時(shí)間狀態(tài)大于最小工作接通時(shí)間時(shí)，所述周期選擇器向所述脈沖寬度調(diào)制器輸出額定周期時(shí)間。當(dāng)所述工作接通時(shí)間狀態(tài)小于所述最小工作接通時(shí)間時(shí)，所述周期選擇器輸出比額定周期時(shí)間大的更新的周期時(shí)間。相應(yīng)地，脈沖寬度調(diào)制器輸出具有更新的周期時(shí)間和與緊鄰的前一個(gè)脈沖信號(hào)的占空比相等的占空比的脈沖信號(hào)。
【附圖說(shuō)明】
[0012]本文中描述的附圖僅用于說(shuō)明目的且不意圖以任何方式限制本實(shí)用新型的范圍。
[0013]圖1為示例性開(kāi)關(guān)控制器電路；
[0014]圖2為示例性降壓型電源轉(zhuǎn)換器電路；
[0015]圖3為另一示例性開(kāi)關(guān)控制器電路；和
[0016]圖4為示例性方法的示例性邏輯流程。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下描述實(shí)質(zhì)上僅為示例性的，并不意圖限制本實(shí)用新型、應(yīng)用或使用。
[0018]—些儀表等級(jí)和精度的電源需要工作在相對(duì)寬的輸出電壓范圍內(nèi)(例如3V-12V)。其它電源(也稱為電源轉(zhuǎn)換器)需要寬的輸出電壓微調(diào)范圍，例如，0.8V-5V，并且有時(shí)，當(dāng)負(fù)載阻抗非常低(例如小于1hm)時(shí)，電源轉(zhuǎn)換器會(huì)需要在接近零的輸出電壓處工作在連續(xù)模式下。處于相對(duì)額定輸出電壓而言低的輸出電壓級(jí)別上的電源轉(zhuǎn)換器工作引起控制問(wèn)題。低輸出電壓控制問(wèn)題之一是，當(dāng)工作接通時(shí)間隨著輸出電壓降低而變得越來(lái)越小時(shí)保持連續(xù)模式的能力?；诎娫崔D(zhuǎn)換器的PWM分辨率、各種傳播延時(shí)、有源開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)器的上升和下降時(shí)間等的多種因素，電源轉(zhuǎn)換器可進(jìn)入突發(fā)模式以實(shí)現(xiàn)平均性能并保持所需的輸出電壓和/或電流。然而，對(duì)于精確的應(yīng)用，突發(fā)模式導(dǎo)致不可接受的輸出脈動(dòng)等級(jí)和極度緩慢的調(diào)節(jié)響應(yīng)。
[0019]以下公開(kāi)的示例性實(shí)施方式和方法適應(yīng)性地監(jiān)控電源轉(zhuǎn)換器的工作接通時(shí)間，并改變降壓型轉(zhuǎn)換器和降壓型變體的工作頻率(也相對(duì)周期時(shí)間進(jìn)行描述)，以保持工作接通時(shí)間大于預(yù)設(shè)或預(yù)定的最小可控接通時(shí)間。根據(jù)一個(gè)示例，當(dāng)達(dá)到最小接通時(shí)間時(shí)，在保持當(dāng)前占空比不變的同時(shí)降低工作頻率(即，增大周期時(shí)間)。無(wú)論電源轉(zhuǎn)換器何時(shí)試圖將工作接通時(shí)間降低至設(shè)定的最小接通時(shí)間以下，工作頻率變化過(guò)程可以是連續(xù)的。
[0020]當(dāng)這種所需的頻率變化很大(例如幾百納秒)時(shí)，可以根據(jù)應(yīng)用需求在一個(gè)或幾個(gè)步驟中實(shí)現(xiàn)該頻率變化。例如，如果要求工作頻率從200kHz變化到100kHz，伴隨10%的接通時(shí)間，則單一周期從5000ns增大到10000ns，且接通時(shí)間從500ns增大到1000ns。在之前的示例中，單一步驟的頻率變化會(huì)引起操作問(wèn)題，推薦從200kHz到10kHz的多步驟變化。然而，如果工作頻率從200kHz變化到190kHz，伴隨相同的10%的接通時(shí)間，則單一周期變化263ns，接通時(shí)間增加26.3ns，并且可以實(shí)現(xiàn)單一步驟的頻率變化，而不會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響。因此，公開(kāi)的示例允許通過(guò)以相對(duì)窄的占空比進(jìn)行操作而對(duì)電源轉(zhuǎn)換器進(jìn)行密切控制，這些相對(duì)窄的占空比允許電源轉(zhuǎn)換器避免突發(fā)模式操作及因而發(fā)生的調(diào)節(jié)響應(yīng)和輸出脈動(dòng)的惡化。
[0021]公開(kāi)的示例也可以提高設(shè)計(jì)成工作在寬的輸出電壓范圍(例如0.8V-5V)內(nèi)的大宗VRM產(chǎn)品的效率。相比較高的電壓設(shè)置，現(xiàn)有的VRM的效率在較低的電壓設(shè)置處顯著降低。在保持當(dāng)前占空比的同時(shí)，隨著降低輸出電壓設(shè)置而改變切換工作頻率，可以顯著提高電源轉(zhuǎn)換效率。
[0022]公開(kāi)的開(kāi)關(guān)控制器的示例可以使用模擬控制來(lái)實(shí)現(xiàn)；然而相信數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)可以產(chǎn)生相對(duì)更好的結(jié)果。
[0023]本實(shí)用新型適用于降壓型轉(zhuǎn)換器和變型的降壓型轉(zhuǎn)換器(稱為降壓型轉(zhuǎn)換器)，例如正向轉(zhuǎn)換器、交叉正向轉(zhuǎn)換器、半橋式轉(zhuǎn)換器和全橋式轉(zhuǎn)換器等。這些適用的電源轉(zhuǎn)換器的共同特征是，每一種都具有用于保持恒定的輸出電流(I。)并傳送低脈動(dòng)、平滑的直流(Direct Current, DC)電壓輸出(Vc^Vciut)的輸出級(jí)電感器。
[0024]對(duì)于降壓型轉(zhuǎn)換器中的電壓模式控制，當(dāng)處于連續(xù)導(dǎo)通模式(continuousconduct1n mode, CCM)時(shí)，在不考慮電路損耗和延時(shí)的情況下，輸出電壓符合上面的公式
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[0025]在實(shí)際應(yīng)用中，電源轉(zhuǎn)換器電路的損耗和延時(shí)會(huì)導(dǎo)致實(shí)