專利名稱：Dc－dc變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種DC-DC變換器，在該DC-DC變換器中使用的控制器，包含該DC-DC變換器的裝置，和控制該DC-DC變換器的方法。
US 6,366,070公開了一種開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，其使用兩種調(diào)制方案來控制調(diào)節(jié)器的開關(guān)元件。一個(gè)控制電路間接監(jiān)控負(fù)載電流。當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，該控制電路同時(shí)降低操作開關(guān)晶體管的控制信號(hào)的占空比和頻率，從而在一個(gè)比用固定頻率的控制信號(hào)所能達(dá)到的輸出電流范圍更寬的范圍上保持高的效率等級(jí)。該控制方法能應(yīng)用于使用峰值電流模式、平均電流模式、或電壓模式控制的，以及降壓(buck)、降壓-升壓(buck-boost)、升壓(boost)功率級(jí)的開關(guān)調(diào)節(jié)器。
現(xiàn)有技術(shù)的DC-DC變換器當(dāng)占空比小時(shí)其控制范圍是有限的。
本發(fā)明的目的是提供一種能應(yīng)付較大的動(dòng)態(tài)負(fù)載變化的DC-DC變換器。本發(fā)明通過獨(dú)立權(quán)利要求來限定。有利實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中限定。
根據(jù)本發(fā)明的DC-DC變換器包括一個(gè)開關(guān)，用于在一個(gè)周期時(shí)間的接通時(shí)間段周期性地將電感連接到DC輸入電壓。DC-DC變換器的工作頻率是該周期時(shí)間的倒數(shù)。DC-DC變換器還有一個(gè)連接到電感的輸出端，并且在該輸出端給出輸出電壓。經(jīng)過電感的電流在接通時(shí)間段增大，以便在電感中存儲(chǔ)能量。在斷開時(shí)間段，能量通過電感提供給負(fù)載，電感中的電流減小。
控制器控制工作頻率作為輸出電壓的函數(shù)基本上與輸出電壓成正比來獲得在接通時(shí)間段基本恒定的平均持續(xù)時(shí)間。當(dāng)負(fù)載需要較小電流并且變換器的頻率無法立即被控制來應(yīng)付較小電流時(shí)，接通時(shí)間段的平均持續(xù)時(shí)間將被選擇為足夠大而使接通時(shí)間在周期短時(shí)能及時(shí)變小?，F(xiàn)有技術(shù)中如果忙閑度(并且因此接通時(shí)間)被控制而變小(已公開了忙閑度可以變?yōu)?)，則忙閑度由于變得太小而不能應(yīng)付動(dòng)態(tài)負(fù)載變化。
工作頻率不需要精確的正比于輸出電壓，因?yàn)椴恍枰油〞r(shí)間段的平均值具有精確的預(yù)定持續(xù)時(shí)間。只要輸出電壓基本上成正比以便接通時(shí)間段的平均值基本恒定就足夠了。
在根據(jù)本發(fā)明的DC-DC變換器中，接通時(shí)間段的持續(xù)時(shí)間基本上與輸出電壓無關(guān)，從而能被選擇為足夠大以應(yīng)付在輸出端的動(dòng)態(tài)負(fù)載變化。
進(jìn)一步，如在現(xiàn)有技術(shù)中所提到的，不是由輸出電壓直接控制DC-DC變換器的工作頻率，而是由輸出電壓和參考電壓的差值來控制。
在如權(quán)利要求2所限定的實(shí)施例中，DC-DC變換器包括一個(gè)提供控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路的可控振蕩器。該驅(qū)動(dòng)電路提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)給開關(guān)以便控制開關(guān)的接通和斷開狀態(tài)。
一個(gè)輸出電壓測量電路提供一個(gè)振蕩器控制信號(hào)給可控振蕩器以便調(diào)整其工作頻率基本與輸出電壓成正比，同時(shí)保持開關(guān)的接通時(shí)間段基本恒定。這樣的驅(qū)動(dòng)電路、可控振蕩器和輸出電壓測量電路是公知的。它們的實(shí)現(xiàn)與本發(fā)明無關(guān)。但是，應(yīng)選擇轉(zhuǎn)移特性以便工作頻率能以期望的方式由輸出電壓來確定。輸出測量電路可以提供輸出電壓作為振蕩器控制信號(hào)。
在如權(quán)利要求3所限定的實(shí)施例中，工作頻率基本上直接正比于輸出電壓。這是一個(gè)簡單的近似，工作頻率基本上隨輸出電壓線性變化fo＝k1×Vo，其中fo是工作頻率，k1是常數(shù)，Vo是輸出電壓。
在如權(quán)利要求4所限定的實(shí)施例中，工作頻率還依賴于DC輸入電壓，以保持接通時(shí)間段的持續(xù)時(shí)間在輸入電壓變化的情況下基本恒定。
在如權(quán)利要求5所限定的實(shí)施例中，工作頻率基本上直接正比于DC輸入電壓的倒數(shù)。
在如權(quán)利要求6所限定的實(shí)施例中，工作頻率與輸出電壓和DC輸入電壓之間的關(guān)系符合下面的等式fo＝(N×Vo)/(Ton×Vi)，其中N是常數(shù)，Vo是輸出電壓，Ton是基本恒定的接通時(shí)間段，Vi是DC輸入電壓。這個(gè)關(guān)系式尤其適合于一種降壓變換器(buckconverter)，其中處于穩(wěn)態(tài)的忙閑度通過下面的等式來確定d＝Ton/Tp＝Vo/Vi，
其中Tp是包含一個(gè)接通時(shí)間段Ton和一個(gè)斷開時(shí)間段Toff的一個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間，因而是工作頻率fo的倒數(shù)。
在如權(quán)利要求8所限定的實(shí)施例中，控制器包括一個(gè)比較器，其用于比較開關(guān)的接通時(shí)間段的實(shí)際持續(xù)時(shí)間和接通時(shí)間段的期望持續(xù)時(shí)間以便控制工作頻率來獲得接通時(shí)間段的基本恒定平均持續(xù)時(shí)間。只有期望的平均接通時(shí)間需要設(shè)置，而不需要測量DC輸入電壓的值和輸出電壓的值。還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是控制器中的容差通過閉合回路來協(xié)商。優(yōu)選地，控制器還包括一個(gè)環(huán)路濾波器，其對(duì)接通時(shí)間段的實(shí)際持續(xù)時(shí)間和接通時(shí)間段的期望持續(xù)時(shí)間之間的差值進(jìn)行低通濾波并且提供經(jīng)過濾波的差值給可控振蕩器。優(yōu)選地，濾波器的積分時(shí)間基本上大于一個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間以獲得一種慢回路來防止不穩(wěn)定性。該回路不需要是很快的，因?yàn)槠鋬H僅必須控制工作頻率以便使接通時(shí)間段的持續(xù)時(shí)間是均值恒定的。接通時(shí)間的持續(xù)時(shí)間隨動(dòng)態(tài)負(fù)載步調(diào)而動(dòng)態(tài)變化是容許的。
在如權(quán)利要求9所限定的實(shí)施例中，在回路上，還測量DC輸入電壓值和輸出電壓值，以獲得對(duì)在這些電壓上的變化的快速反應(yīng)。
本發(fā)明的這些和其它方面將參考下文所述的實(shí)施例來闡明并由此是顯而易見的。
在附圖中

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的DC-DC變換器的實(shí)施例的框圖。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的降壓變換器的框圖。
圖3示出用于說明圖2的降壓變換器的操作的信號(hào)。
圖4示出作為輸出電壓函數(shù)的工作頻率。
圖5示出用于控制圖2的降壓變換器的控制電路的一個(gè)實(shí)施例。
圖6示出用于控制圖2的降壓變換器的控制電路的另一個(gè)實(shí)施例。
在不同的圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的信號(hào)或執(zhí)行相同功能的相同元件。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明DC-DC變換器的實(shí)施例的框圖。DC-DC變換器包括由電感L和可控開關(guān)S1組成的一組電路。該組電路接收DC輸入電壓Vi。DC輸入電壓Vi的負(fù)極接地。二極管D被設(shè)置于輸出端O1和電感L與開關(guān)S1的結(jié)合點(diǎn)之間。平滑電容器C和負(fù)載Z兩者都被設(shè)置于輸出端O1和地之間。DC-DC變換器的輸出電壓Vo存在于負(fù)載Z兩端?？刂齐娐稢O接收輸出電壓Vo并且提供一個(gè)控制信號(hào)CS到開關(guān)S1來控制開關(guān)S1的接通和斷開時(shí)間段Ton，Toff。
控制器CO控制DC-DC變換器的工作頻率作為輸出電壓Vo的函數(shù)以便接通時(shí)間段Ton保持基本恒定。控制器CO的實(shí)施例參照?qǐng)D5和6來闡明。
示出的DC-DC變換器可以嵌入到舉例來說諸如電視接收機(jī)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控器、盒式磁帶錄像機(jī)、打印機(jī)或計(jì)算機(jī)之類的電子設(shè)備中。負(fù)載Z是該電子設(shè)備的電路負(fù)載。
在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，控制器CO接收輸入電壓Vi來進(jìn)一步控制工作頻率fo作為輸入電壓Vi的函數(shù)以便接通時(shí)間段Ton基本保持恒定。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的降壓變換器的框圖。降壓變換器包括由開關(guān)S 1和開關(guān)S2的主電流通路所組成的一組電路，其被設(shè)置用于接收DC輸入電壓Vi。電感L1設(shè)置于DC-DC變換器的輸出端O1與開關(guān)S1和S2的主電流通路的結(jié)合點(diǎn)之間。DC輸入電壓的負(fù)極和開關(guān)S2中沒有連接到開關(guān)S1的一端都接地。平滑電容器C和負(fù)載Z的并聯(lián)電路被設(shè)置于輸出端O1和地之間。
控制電路CO接收輸出電壓Vo以及可選地接收輸入電壓Vi，以便提供控制信號(hào)CS1和CS2，其分別控制開關(guān)S1和S2的接通和斷開時(shí)間段。對(duì)開關(guān)S1和S2進(jìn)行控制以便使其具有基本相反的相位當(dāng)開關(guān)S1導(dǎo)通(閉合)時(shí)開關(guān)S2是不導(dǎo)通(斷開)的，反之亦然。
此外，控制器CO控制DC-DC變換器的工作頻率fo作為輸出電壓Vo的函數(shù)以便開關(guān)S1的接通時(shí)間段Ton基本保持恒定?？刂破鰿O的實(shí)施例參照?qǐng)D5和6來闡明。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，控制器CO接收輸入電壓Vi來進(jìn)一步控制工作頻率fo作為輸入電壓Vi的函數(shù)以便接通時(shí)間段Ton也作為輸入電壓Vi的函數(shù)而基本保持恒定。輸出電流IO是負(fù)載Z所需要的電流。
此外，降壓變換器可以嵌入舉例來說諸如電視接收機(jī)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控器、盒式磁帶錄像機(jī)、打印機(jī)或計(jì)算機(jī)之類的電子設(shè)備中。負(fù)載Z是該電子設(shè)備的電路負(fù)載。該降壓變換器可以尤其有利地用于調(diào)整微處理器的供電電壓。在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)中，微處理器在電源供電電壓大約1.5V時(shí)需要很高的電流。通常變換器有大約12V的DC輸入電壓。因此雖然電源供電電壓界限分明，但微處理器所需的電流仍將變?yōu)楹艽蟮闹怠?br> 圖3示出用于說明圖2的降壓變換器的操作的信號(hào)。圖3A示出控制信號(hào)CS1，圖3B示出控制信號(hào)CS2，圖3C示出經(jīng)過電感L的電流IL。
在t1時(shí)刻，即開關(guān)S1的接通時(shí)間段Ton的開始，開關(guān)S2斷開同時(shí)開關(guān)S1閉合，電感L連接到DC輸入電壓Vi的正極，其中DC輸入電壓的值高于輸出電壓Vo的值，從而，電流IL開始增大。如果DC輸入電壓Vi和輸出電壓Vo都是基本上恒定的，電流IL將會(huì)基本上線性地增大。
在t2時(shí)刻，即開關(guān)S1的接通時(shí)間段Ton的終止，開關(guān)S1斷開同時(shí)開關(guān)S2閉合?，F(xiàn)在，電感L上的電壓改變極性同時(shí)電流IL開始減小。如果輸出電壓Vo被認(rèn)為是基本上恒定的，經(jīng)過電感L的電流IL將基本上線性地減小。在t3時(shí)刻，開關(guān)S1的下一個(gè)接通時(shí)間段Ton開始。開關(guān)S1的斷開時(shí)間段從t2時(shí)刻持續(xù)到t3時(shí)刻。開關(guān)循環(huán)的一個(gè)周期Tp的持續(xù)時(shí)間被稱為周期持續(xù)時(shí)間Tp。降壓變換器的工作頻率fo是周期持續(xù)時(shí)間Tp的倒數(shù)。
如果負(fù)載Z所需的能量減小，因?yàn)槟芰繉⒈淮鎯?chǔ)在平滑電容器C中，輸出電壓Vo開始增大?？刂破鰿O控制降壓變換器的平均工作頻率fo以便開關(guān)S1的平均接通時(shí)間Ton保持恒定。
在降壓變換器中，工作頻率fo根據(jù)如下等式由DC輸入電壓Vi和輸出電壓Vo的值來確定fo＝(N×Vo)/(Ton×Vi)，其中Ton是基本恒定接通時(shí)間，N是在多個(gè)降壓變換器并聯(lián)來最小化輸出電壓Vo上的波動(dòng)時(shí)降壓變換器的數(shù)目。
從而，基于這個(gè)等式，控制器CO相應(yīng)于輸出電壓Vo的值和DC輸入電壓Vi的值調(diào)整工作頻率，而接通時(shí)間段Ton的值是保持固定的。
圖4示出作為輸出電壓的函數(shù)的工作頻率。
降壓變換器的工作頻率fo沿著縱軸表示，輸出電壓Vo沿著橫軸表示。
在圖4中，作為例子，兩條曲線f11和f12示出作為輸出電壓Vo的函數(shù)的工作頻率fo。為了便于說明，假定DC輸入電壓Vi不變。
在實(shí)際應(yīng)用中，DC輸入電壓Vi經(jīng)常是固定的但可以有不同的離散值，例如，12V或5V。在這種情況下不需要精確地測量DC輸入電壓Vi的值，并且其可看作是一個(gè)能根據(jù)DC輸入電壓Vi的實(shí)際值而選擇成不同值的常數(shù)。
曲線f11示出工作頻率fo隨輸出電壓Vo的減小而線性地減小。在輸出電壓Vo的特定值Vo2以下，工作頻率將被限制在一個(gè)特別小的值fmin來保證變換器的啟動(dòng)。還可選擇關(guān)于工作頻率fo的頻率偏移FO以便在輸出電壓Vo是最小值Vo1時(shí)達(dá)到fmin，如曲線f12所示。最小頻率fmin或偏移FO可根據(jù)接通時(shí)間段Ton的期望的最小持續(xù)時(shí)間(該最小頻率fmin的最大值)和導(dǎo)致最大接通時(shí)間段Ton的可接受的最大峰值電流(該最小頻率的最小值)來選擇。
圖2示出降壓變換器的原理圖，其中開關(guān)S1通常是一個(gè)稱為控制FET或控制開關(guān)的FET，同步開關(guān)S2通常是一個(gè)稱為同步FET或同步開關(guān)的FET。通常，通過開關(guān)S1的電流由感應(yīng)電阻(未示出)來感測，該感應(yīng)電阻通常設(shè)置于DC輸入電壓Vi的正極和開關(guān)S1之間。對(duì)于用(直流)電流模式控制操作的降壓變換器，需要最小的接通時(shí)間段Ton以能夠測量在開關(guān)S1的接通時(shí)間Ton期間電感L中的電流。如果開關(guān)S1的接通時(shí)間Ton變得非常短，寄生電容或延遲會(huì)顯著地干擾感測信號(hào)。
一種降壓變換器比如在US-A-4524412中公開。在降壓轉(zhuǎn)換器中開關(guān)節(jié)點(diǎn)的忙閑度是輸出電壓Vo和輸入電壓Vi的函數(shù)。當(dāng)應(yīng)用于降壓變換器的供電電壓Vi與輸出電壓Vo之間的比值很大時(shí)，控制開關(guān)S1的接通時(shí)間段Ton可能非常小。如果應(yīng)用電流模式控制，則在控制開關(guān)S1接通時(shí)間段Ton結(jié)束時(shí)所測量的電感電流IL因此可能被寄生元件干擾或不能及時(shí)穩(wěn)定下來。
根據(jù)降壓變換器的基本等式，在穩(wěn)態(tài)下的忙閑度是DC輸入電壓Vi和輸出電壓Vo的函數(shù)d＝Ton/Tp＝Vo/Vi，
其中Tp是周期持續(xù)時(shí)間，1/Tp是工作頻率fo。
如果多個(gè)降壓變換器并聯(lián)設(shè)置以便使輸出電壓Vo上的波動(dòng)最小，降壓變換器將被控制為順序地激活，每一個(gè)都在其自己的相位期間激活。例如，參考圖3，如果在一個(gè)周期Tp中兩個(gè)降壓變換器并聯(lián)使用，則第一降壓變換器如圖所示在t1時(shí)刻開始一個(gè)接通相位，降壓變換器的另一個(gè)在t5時(shí)刻開始一個(gè)接通相位。該雙降壓變換器系統(tǒng)具有兩個(gè)相位，每個(gè)降壓變換器一個(gè)。在這樣的多個(gè)降壓變換器的系統(tǒng)中，d是在一個(gè)相位的開關(guān)節(jié)點(diǎn)(降壓變換器之一)的忙閑度，Tp是在每個(gè)相位的開關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)的周期時(shí)間。
在輸出電壓Vo低的情況下，例如在變換器啟動(dòng)期間，或過電流保護(hù)期間，如果接通時(shí)間Ton不能降低則問題可能產(chǎn)生該變換器將不再能調(diào)節(jié)。
在降壓變換器中，如果對(duì)于特定的輸出電壓Vo和輸入電壓Vi，Ton不能變得比最小接通時(shí)間Tmin更小，工作頻率fo不得不降低以保證降壓變換器可調(diào)節(jié)。
當(dāng)在穩(wěn)態(tài)下的電流波動(dòng)Ir等于在開關(guān)S1的接通時(shí)間段經(jīng)過電感L的電流IL的增量時(shí)，該波動(dòng)能被計(jì)算如下Ir＝(Vi-Vo)×(Ton/L)。
因而，在比所需更長的周期時(shí)間Tp，系統(tǒng)按比所需更長的開關(guān)S1的接通時(shí)間Ton操作，因此電流波動(dòng)Ir將比所需更大。因此，對(duì)電流波動(dòng)Ir的最佳選擇是選擇盡可能短的接通時(shí)間Ton。則最小的周期時(shí)間Tp一定是Tp＝Ton×(Vi/Vo)。
調(diào)整周期時(shí)間Tp的現(xiàn)有方法，如在US 4,524,412中所公開的，是在開關(guān)S2接通時(shí)間期間測量電流并且阻止開關(guān)S1接通直到在開關(guān)S2中的電流減小到特定最大值以下。該現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)是其必須在開關(guān)S2接通時(shí)間期間測量電流。
在本申請(qǐng)中，一種在整個(gè)輸出電壓和輸入電壓范圍上保持控制開關(guān)S1的接通時(shí)間Ton相當(dāng)?shù)睾愣ǖ姆椒ū幻枋?。根?jù)提出的解決方法，能使輸出電壓范圍更大，并且可以選擇更小的電感L和輸出電容C，而不需要在同步開關(guān)S2沖程(stroke)期間的電流感測。輸出電容C能被選擇盡可能的小，因?yàn)殡姼蠰中的波動(dòng)電流Ir是最小的。有利地，頻率調(diào)整是輸入電壓Vi和輸出電壓Vo的函數(shù)。降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Vo能在很寬的范圍內(nèi)被調(diào)節(jié)而波動(dòng)電流不顯著改變，并且控制FET S1的接通時(shí)間Ton幾乎恒定。控制FET S1的接通時(shí)間恒定是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橛捎趧?dòng)態(tài)負(fù)載變化導(dǎo)致大的接通時(shí)間變化是可能的。
在實(shí)際的降壓變換器中，固定的頻率用于從沒有負(fù)載到提供給負(fù)載Z輸出電流Io的特定值的正常操作。選擇周期時(shí)間Tp以便接通時(shí)間Ton大于Tmin，使得在負(fù)載調(diào)整期間接通時(shí)間Ton仍然能降低以保持變換器為已調(diào)整。在輸出電壓Vo的預(yù)定值以下，根據(jù)適用于降壓變換器的等式降低工作頻率fo。這意味著工作頻率fo將正比于輸出電壓Vo，變換因數(shù)能根據(jù)相位的數(shù)目N與DC輸入電壓Vi的組合被限定或保持固定。電流模式回路像通常一樣工作并且將保持接通時(shí)間Ton幾乎恒定，如同其盡力保持峰值電流Ir恒定一樣。
還有可能在輸出電壓Vo的整個(gè)范圍上調(diào)節(jié)頻率fo。這甚至更加簡單，因?yàn)樗恍枰獧z測輸出電壓Vo是否降低至預(yù)定值以下。
還可定義一個(gè)期望的接通時(shí)間Tod，其為確定最小接通時(shí)間的因數(shù)。該因數(shù)可以是固定的或外部可調(diào)的。在工作期間，期望的接通時(shí)間Tod(見圖6)與實(shí)際的接通時(shí)間Tom相比較，并且對(duì)于慢回路接通時(shí)間被調(diào)節(jié)成等于期望的接通時(shí)間Tod。結(jié)果，工作頻率fo在給出的期望接通時(shí)間Tod被自動(dòng)調(diào)節(jié)為可能的最大值。該解決辦法的優(yōu)點(diǎn)是在所有情況下工作頻率fo將一直是可能的最大頻率，并且其不必精確地測量DC輸入電壓Vin。如果5V或12V電壓下的工作是期望的，由于自動(dòng)調(diào)節(jié)，對(duì)于DC輸入電壓Vin只有兩個(gè)固定值是有效的。相位N的數(shù)目還能在振蕩器OSC的變換因數(shù)上被編程。
圖5示出用于控制圖2的降壓變換器的控制電路的實(shí)施例。控制電路CO包括輸出電壓測量電路OVM，可控振蕩器COS，和驅(qū)動(dòng)器DR。
輸出電壓測量電路OVM具有一個(gè)接收輸出電壓Vo的輸入端，一個(gè)接收輸出電壓Vo的預(yù)定值Vo2(控制模式在該值上改變)的輸入端(見圖4，曲線f11)，和一個(gè)提供振蕩器控制信號(hào)OV的輸出端。輸出電壓測量電路OVM可以包括一個(gè)比較電路(未示出)，其比較輸出電壓Vo和預(yù)定值Vo2來提供振蕩器控制信號(hào)OV，該控制信號(hào)OV是預(yù)定值Vo或輸出電壓Vo的最小值2。輸出電壓測量電路OVM還可以直接提供輸出電壓Vo作為振蕩器控制信號(hào)OV。
可控振蕩器COS接收振蕩器控制信號(hào)OV以便提供控制信號(hào)OCS到驅(qū)動(dòng)電路DR?？煽卣袷幤骺梢允且阎碾妷旱筋l率轉(zhuǎn)換器?？刂菩盘?hào)OCS將具有一個(gè)正比于振蕩器控制信號(hào)OV的電平的重復(fù)頻率fosc＝a×OV，其中fosc是控制信號(hào)OCS的重復(fù)頻率，a是恒定因數(shù)，OV是振蕩器控制信號(hào)OV的電平。
驅(qū)動(dòng)器DR接收控制信號(hào)OCS并且提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)CS1來控制開關(guān)S1的接通和斷開時(shí)間段，提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)CS2來控制開關(guān)S2的接通和斷開時(shí)間段。包含一個(gè)接通和一個(gè)斷開時(shí)間段Ton，Toff的周期時(shí)間Tp是控制信號(hào)OCS的重復(fù)頻率fosc的倒數(shù)。例如，在實(shí)際的實(shí)現(xiàn)中，控制信號(hào)OCS可以是一個(gè)具有上升沿的的脈沖信號(hào)，該上升沿表示開關(guān)S1的接通時(shí)間段Ton的開始。基本固定的接通時(shí)間Ton可以已經(jīng)在控制信號(hào)OCS中提供，或可以在驅(qū)動(dòng)器DR中計(jì)數(shù)。開關(guān)S1的接通時(shí)間Ton可以通過計(jì)數(shù)器(未示出)計(jì)數(shù)，其以已知的方式對(duì)時(shí)鐘發(fā)生器的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)CS2原則上是驅(qū)動(dòng)信號(hào)CS1的倒數(shù)。如所知的，必須采取措施控制開關(guān)S1和S2不同時(shí)導(dǎo)通。
在預(yù)定值VO2以下，降壓變換器在振蕩器信號(hào)OV是預(yù)定值Vo2時(shí)工作在固定工作頻率fmin，當(dāng)高于預(yù)定值Vo2時(shí)，變換器工作在恒定接通時(shí)間Ton模式，其中工作頻率fo正比于輸出電壓Vo的值。
圖6示出另一個(gè)用于控制圖2的降壓變換器的控制電路的實(shí)施例?？刂破鰿O包括比較器DCO，環(huán)路濾波器INT，可控振蕩器OSC，驅(qū)動(dòng)電路DR，輸出電壓測量電路OVM，和輸入電壓測量電路IVM。通常，環(huán)路濾波器INT是低通濾波器并包括積分器。
比較器DCO比較測量的實(shí)際接通時(shí)間段Tom和期望的接通時(shí)間段Tod并且提供一個(gè)差值信號(hào)DI。
環(huán)路濾波器INT濾波該差值信號(hào)DI以便獲得經(jīng)濾波的差值信號(hào)IDI。優(yōu)選地，濾波器INT的積分周期比周期時(shí)間Tp長得多。
輸出電壓測量電路OVM接收輸出電壓Vo并且測量輸出電壓Vo的值VVo。輸出電壓測量電路OVM能傳送輸出電壓Vo到它的輸出端從而使值VVo是輸出電壓Vo。在最后一種情況下，輸出電壓測量電路OVM是多余的。
輸入電壓測量電路IVM接收輸入電壓Vi并且檢測輸入電壓Vi的值VVi。輸入電壓測量電路IVM能傳送輸入電壓Vi到它的輸出端從而使該值VVi是輸入電壓Vi。在最后一種情況下，輸入電壓測量電路IVM是多余的。
如果振蕩器OSC是由從輸出電壓Vo和輸入電壓Vi的數(shù)字值計(jì)算所需工作頻率fo的數(shù)字電路控制，輸出電壓Vo和輸入電壓Vi的值VVo和VVi的測量可以是分別相關(guān)的。振蕩器OSC也可以由模擬電路來控制。
接收經(jīng)濾波的差值信號(hào)IDI以及值VVo和VVi的振蕩器OSC將根據(jù)如下等式提供其重復(fù)頻率等于工作頻率fo的振蕩器信號(hào)OSfo＝(kc×Vo)/(Tod×Vi)，其中kc的值由經(jīng)濾波的差值信號(hào)IDI來確定。
可替換地，只有期望的接通時(shí)間段Tod需要設(shè)置，DC輸入電壓Vi的值和輸出電壓Vo的值都不需要測量。比較器DCO和環(huán)路濾波器INT組成的閉合環(huán)路控制工作頻率fo，從而獲得等于期望的接通時(shí)間段Tod的接通時(shí)間段Ton的基本恒定的平均持續(xù)時(shí)間。
該閉合環(huán)路具有在控制器CO中的容差將通過閉合環(huán)路來確定的優(yōu)點(diǎn)。
應(yīng)該注意上述實(shí)施例闡明本發(fā)明但不限于此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠在不脫離所附權(quán)利要求的范圍的情況下實(shí)現(xiàn)多個(gè)可替換的實(shí)施例。
例如，作為一個(gè)線圈示出的電感L可以是一個(gè)變壓器。變壓器尤其適應(yīng)于如果需要產(chǎn)生多個(gè)不同的輸出電壓，或DC-DC變換器的初級(jí)端和次級(jí)端必須電分離時(shí)的情況。
優(yōu)選地，控制的開關(guān)是半導(dǎo)體設(shè)備，比如MOSFET或雙極性晶體管。
根據(jù)本發(fā)明的控制方法能應(yīng)用于使用峰值電流模式、平均電流模式或電壓模式，以及降壓、降壓-升壓、升壓功率級(jí)的開關(guān)調(diào)節(jié)器。
權(quán)利要求中，括號(hào)中的任何參考標(biāo)記均不解釋為限制該權(quán)利要求。單詞“包括”不排除除了權(quán)利要求中所列的以外其他元件或步驟的存在。本發(fā)明能通過包括多個(gè)不同元件的硬件裝置，以及適合可編程的計(jì)算機(jī)裝置來實(shí)現(xiàn)。在列舉多個(gè)裝置的產(chǎn)品權(quán)利要求中，這些裝置中的幾個(gè)能通過硬件的同一條目實(shí)施。某些措施僅僅在多個(gè)不同的從屬權(quán)利要求中描述的事實(shí)，不表示這些措施的組合不能有利地使用。
權(quán)利要求
1.一種DC-DC變換器，包括電感，連接用來接收DC輸入電壓和提供輸出電壓，開關(guān)，用于在周期時(shí)間的接通時(shí)間段將電感周期性地連接到DC輸入電壓，DC-DC變換器的工作頻率是周期時(shí)間的倒數(shù)，和控制器，作為輸出電壓的函數(shù)，用于控制工作頻率基本上正比于輸出電壓，以獲得接通時(shí)間段期間基本恒定的平均持續(xù)時(shí)間。
2.如權(quán)利要求1中所述的DC-DC變換器，其中控制器包括驅(qū)動(dòng)電路，用于提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)給開關(guān)從而控制開關(guān)的接通和斷開狀態(tài)，可控振蕩器，用于提供控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路，和輸出電壓測量電路，用于提供控制可控振蕩器的振蕩器控制信號(hào)，以便調(diào)節(jié)該可控振蕩器的工作頻率基本上正比于輸出電壓，同時(shí)保持開關(guān)的接通時(shí)間段的平均持續(xù)時(shí)間基本恒定。
3.如權(quán)利要求1中所述的DC-DC變換器，其中，工作頻率基本上直接正比于輸出電壓。
4.如權(quán)利要求1中所述的DC-DC變換器，其中，工作頻率進(jìn)一步也作為DC輸入電壓的函數(shù)依賴于DC輸入電壓，從而獲得接通時(shí)間段的基本恒定的平均持續(xù)時(shí)間。
5.如權(quán)利要求4中所述的DC-DC變換器，其中，工作頻率基本上直接反比于DC輸入電壓。
6.如權(quán)利要求5中所述的DC-DC變換器，其中，工作頻率fo是fo＝(N×Vo)/(Ton×Vi)，其中N是常數(shù)，Vo是輸出電壓，Ton是接通時(shí)間段的基本恒定的平均持續(xù)時(shí)間，Vi是DC輸入電壓。
7.如權(quán)利要求1中所述的DC-DC變換器，其中，控制器包括比較器，用于比較開關(guān)的接通時(shí)間段的實(shí)際持續(xù)時(shí)間和接通時(shí)間段的期望持續(xù)時(shí)間，以便控制工作頻率，從而獲得接通時(shí)間段的基本恒定的平均持續(xù)時(shí)間。
8.如權(quán)利要求7中所述的DC-DC變換器，其中控制器還包括環(huán)路濾波器，用于對(duì)由比較器提供的差值信號(hào)進(jìn)行濾波，從而獲得經(jīng)過濾波的差值信號(hào)，可控振蕩器，用于接收DC輸入電壓、輸出電壓和經(jīng)過濾波的差值信號(hào)，從而提供具有所述工作頻率和接通時(shí)間段的基本恒定的平均持續(xù)時(shí)間的振蕩器信號(hào)，和驅(qū)動(dòng)電路，用于接收振蕩器信號(hào)來驅(qū)動(dòng)開關(guān)。
9.如權(quán)利要求7中所述的DC-DC變換器，其中，控制器還包括輸入電壓測量電路，用于測量DC輸入電壓的值，輸出電壓測量電路，用于測量輸出電壓的值，環(huán)路濾波器，用于對(duì)由比較器提供的差值信號(hào)進(jìn)行濾波來獲得經(jīng)過濾波的差值信號(hào)，可控振蕩器，用于接收DC輸入電壓的值、輸出電壓的值、和經(jīng)過濾波的差值信號(hào)，以便提供具有所述工作頻率和接通時(shí)間段的基本恒定的平均持續(xù)時(shí)間的振蕩器信號(hào)，和驅(qū)動(dòng)電路，用于接收振蕩器信號(hào)來驅(qū)動(dòng)開關(guān)。
10.如權(quán)利要求7中所述的DC-DC變換器，其中，工作頻率fo是fo＝(N×Vo)/(Ton×Vi)，其中Vo是輸出電壓，Ton是接通時(shí)間段的基本恒定的平均持續(xù)時(shí)間，Vi是DC輸入電壓，并且其中N由經(jīng)過濾波的差值信號(hào)來確定。
11.一種如權(quán)利要求1中所述的DC-DC變換器，其中，首次提到的開關(guān)和另一個(gè)開關(guān)的主電流通路所組成的串聯(lián)電路被設(shè)置用于接收DC輸入電壓，電感設(shè)置于平滑電容器與首次提到的開關(guān)和另一個(gè)開關(guān)的主電流通路的結(jié)合點(diǎn)之間，輸出電壓存在于平滑電容器兩端，控制電路適于進(jìn)一步控制另一個(gè)開關(guān)的相比與首次提到的開關(guān)的相位基本上相反。
12.一種控制器，應(yīng)用于前面任何一個(gè)權(quán)利要求中所述的DC-DC變換器中。
13.一種裝置，包括權(quán)利要求1至11中任何一個(gè)所述的DC-DC變換器。
14.一種控制DC-DC變換器的方法，包括電感被連接用來接收DC輸入電壓和提供輸出電壓，開關(guān)用于在周期時(shí)間的接通時(shí)間段將電感周期性地連接到DC輸入電壓，DC-DC變換器的工作頻率是周期時(shí)間的倒數(shù)，該方法包括步驟作為輸出電壓的函數(shù)，控制工作頻率基本正比于輸出電壓來獲得接通時(shí)間段的基本恒定的平均持續(xù)時(shí)間。
全文摘要
DC－DC變換器包括開關(guān)(S1)，其在周期時(shí)間(Tp)的接通時(shí)間段(Ton)將電感(L)周期性地連接到DC輸入電壓(Vi)，DC－DC變換器的工作頻率(fo)是周期時(shí)間(Tp)的倒數(shù)。DC－DC變換器的一個(gè)輸出端(01)與電感(L)連接以提供一個(gè)輸出電壓(Vo)。作為該輸出電壓(Vo)的函數(shù)，控制器(CO)控制DC－DC變換器的工作頻率(fo)基本上與該輸出電壓(Vo)成正比，以獲得接通時(shí)間段(Ton)的基本恒定的平均持續(xù)時(shí)間。
文檔編號(hào)H02M3/156GK1666404SQ03815124
公開日2005年9月7日 申請(qǐng)日期2003年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月27日
發(fā)明者J·C·哈伯斯塔德特, P·T·J·德根, A·M·G·莫伯斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司