功率變換器的瞬變處理機制的制作方法

文檔序號：7497163閱讀：123來源：國知局

專利名稱：功率變換器的瞬變處理機制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率變換器，尤其涉及功率變換器中的瞬變處理。
背景技術(shù)：
諸如微處理器和圖形處理器的商業(yè)集成電路的快速發(fā)展和增加的功率消耗，在到這些IC的功率傳遞和從這些IC消除廢熱中產(chǎn)生了新的且顯著的問題。電源必須能夠傳遞很快的電流瞬變。到這些負載的電子路徑還必須具有低阻抗和電感(1. 5V電源在60Amps 將在25mQ阻抗上完全降落)。傳統(tǒng)上，DC電源被設(shè)計成將AC線電壓轉(zhuǎn)換成一個或多個DC 輸出，其被發(fā)送到遍及系統(tǒng)的負載點(POL)。然而，在整個系統(tǒng)發(fā)送高電流信號可能是不實際的。為了克服這個困難，并減少在系統(tǒng)中四處分配高電流信號的負面作用，在適度電壓和電流等級分配功率的一種可替換的方法已經(jīng)被采用。勝于在一個中心位置將AC電源電壓等級轉(zhuǎn)換成各種負載所需的DC電壓等級，AC電源電壓通常被轉(zhuǎn)換成"合理的"DC電壓并發(fā) 送到"負載點"(POL)，在那里它被在本地轉(zhuǎn)換為所需的低電壓。這種技術(shù)被稱為"分布功率結(jié)構(gòu)"，或DPA。在許多功率分配系統(tǒng)中，通常僅將整個系統(tǒng)的功率分配給各種POL是不夠的。復雜的電子系統(tǒng)通常被監(jiān)視并控制以確保最大的可靠性和性能。通常在DPA系統(tǒng)中實施的功能(電源特征)包括電源排序、熱交換能力、斜坡控制、電壓編程、負載監(jiān)視、跟蹤、溫度監(jiān) 視、風扇速度控制、相位控制、電流共享、開關(guān)頻率可編程序性、和開關(guān)時鐘同步，僅舉幾個例子。存在功率系統(tǒng)可能需要的其它功能。例如，溫度測量的單點、門的開/閉狀態(tài)和振動可能是感興趣的。為了適應(yīng)更多功率和更密集的系統(tǒng)，以及導致的新的分配問題的需求，許多當前的功率分配方案開始在一個數(shù)據(jù)包中提供每種解決方案、或功能的復聯(lián)。通常這些功能中的每個需要系統(tǒng)中的一個單獨配置。也就是說，每種功能可能需要它自己的互連網(wǎng)絡(luò)，其將 POL變換器系在一起?；ミB網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)膠連(glue)-邏輯，其可能是POL變換器的控制所需
的，為了使特定功能在系統(tǒng)運行期間被成功地執(zhí)行。這些功能中的許多包含模擬信號控制，其需要相應(yīng)的模擬信號線，并且POL變換器以點對點結(jié)構(gòu)互連。這些信號的發(fā)送通常是困難的，因為在各種POL變換器之間和/或在POL變換器與任何其它系統(tǒng)組件之間沒有真正的通信被建立。在系統(tǒng)層面將這些功能中的所有或大部分聯(lián)系在一起的努力中，一種途徑是在負載控制各個POL變換器的控制IC中實施這些功能。功能中的一些還可能被編程在微控制器中，微控制器可通過I2C(IC內(nèi)部通信)總線與所附連的POL變換器通信，以協(xié)調(diào) 系統(tǒng)中所有POL變換器的控制。 DC-DC變換通常通過開關(guān)功率調(diào)節(jié)器來執(zhí)行，或者通過降壓調(diào)節(jié)器，將較高電壓 (如12V)變換為一個或多個負載設(shè)備所需的較低電壓。一種常用結(jié)構(gòu)的特征在于將較高的電壓分配給多個功率調(diào)節(jié)器，每個產(chǎn)生到一個或更多個負載的不同的(或者可能是相同的)電壓。開關(guān)功率調(diào)節(jié)器通常使用兩個或更多個功率晶體管以將一個電壓的能量變換到另一個電壓。這種功率調(diào)節(jié)器100的一個常用實例，通常被稱作"降壓調(diào)節(jié)器"被表示在圖1中。降壓調(diào)節(jié)器100通常開關(guān)一對功率晶體管(108和110)以在晶體管的公共節(jié)點SW產(chǎn) 生方波。該產(chǎn)生的方波可使用LC電路被平滑以產(chǎn)生所需的的電壓V。ut，其中LC電路包括電感器112和電容器114。由誤差放大器116、比例-積分-微分(PID)過濾器102、脈沖寬度調(diào)制器(P麗)104、和輸出控制電路106組成的控制回路可被配置成控制輸出方波的占空比，并從而控制V。ut的最終值。功率調(diào)節(jié)器，如圖1中所示的功率調(diào)節(jié)器IOO，例如，通常包括用于從瞬變的輸出電壓偏移恢復的裝置。這些短期電壓偏移可由多種控制回路擾動導致，如目標參考電壓變化、輸入總線電壓階躍、和負載電流瞬變。通常，功率變換器的控制回路中的信號處理電路處理這些電壓偏移。然而，由控制回路實施的恢復過程通常相對較慢?？偟恼f來，在可靠的功率調(diào)節(jié)器的設(shè)計中最經(jīng)常考慮的因素包括瞬變反應(yīng)、在寬范圍上的輸出穩(wěn)定性、使用的便捷性、和成本。在比較這種已有技術(shù)與此處描述的本發(fā)明之后，已有技術(shù)的許多其它問題和缺陷對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是顯而易見的。

發(fā)明內(nèi)容
各種實施例被公開用來獲得具有固定頻率的滯后性能，通過調(diào)節(jié)固定頻率 P麗(脈沖寬度調(diào)制)為仿真電流模式滯后控制。在穩(wěn)定狀態(tài)，電流波形可被推斷，不需要實際上必須測量該電流。在電流模式控制中，電流可被與誤差電壓成比例地調(diào)節(jié)。負載電流的變化可能與占空比的變化相關(guān)，占空比的變化可能與誤差電壓相關(guān)，通過將占空比的變化表示為誤差電壓的函數(shù)來建立電流模式控制。該電流模式控制可被用來仿真電流模式滯后，如果代替占空比，相同的占空比或電流偏移被相位的變化影響。紋波電流的一小部分 (縮寫為"Forc")可被指定為峰_峰紋波電流的特定部分，在Forc和紋波電流之間建立線性關(guān)系。對于給定的電感器和電容器組合，紋波電流可能是已知的，給定的輸入電壓、輸出電壓、開關(guān)頻率、和在穩(wěn)定狀態(tài)的較輕程度的損耗。在傳統(tǒng)的P麗中，其通常被配置成具有固定的占空比，占空比中的變化(如，在周期的開始并對每個后來的脈沖)通常導致電感器電流中的較慢變化(即，跨越幾個周期)，從而緩慢地調(diào)節(jié)輸出電壓。每個周期電流可上升或降低直到獲得穩(wěn)定狀態(tài)。因此與誤差電壓成比例的占空比可指示與誤差電壓的積分成比例的電流，并且占空比的值可能不是用于目標(參考)電壓的修正值。因此，在一些點占空比可能需要被調(diào)節(jié)為修正值。因此，通過提供相位的瞬間變化，同時在相位變化后保持同樣的占空比，相位變化期間的電流變化可被獲得。在緊接的周期中電流可增加或減少。對于與誤差電壓成比例的相位偏移，電流可與誤差電壓成比例，并且跟隨相位偏移，占空比可具有用于目標電壓的修正值。

圖1示出了一個已有技術(shù)的功率調(diào)節(jié)器；圖2示出了根據(jù)一個實施例的電感器紋波電流和誤差電壓的電流/電壓圖；
圖3示出了具有電流紋波_谷、電流紋波_峰、和占空比的電流紋波波形的一個實例；
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圖4示出了根據(jù)一個實施例的用于電流間隔、Fore間隔、和高側(cè)FET控制信號的波形；圖5示出了實施"Forc"控制器的一個控制路徑的方框圖；
圖6示出了圖5的DP麗框的一個實施例；圖7示出了說明根據(jù)一個實施例的誤差偏移量的操作流程的流程圖；圖8示出了根據(jù)一個實施例的用于負載電流、電感器電流、和輸出電壓的階躍負
載瞬變的信號圖；圖9示出了根據(jù)一個實施例的用于無負載的功率調(diào)節(jié)器輸出的原始的、開環(huán)響應(yīng) (對于固定占空比)的電流圖；圖10示出了根據(jù)一個實施例的用于有負載的功率調(diào)節(jié)器輸出的原始的、開環(huán)響應(yīng)(對于固定占空比)的電流/電壓圖；圖ll示出了根據(jù)一個實施例的說明當使用Forc控制器時功率調(diào)節(jié)器輸出的瞬變響應(yīng)的電流/電壓圖；圖12示出了根據(jù)一個實施例的相對于時間圖示的相位偏移量、和功率調(diào)節(jié)器輸出的瞬變反應(yīng)的圖，用來說明相位是如何調(diào)節(jié)電流階躍的；圖13示出了根據(jù)一個實施例的波特圖(Bode plot)，其說明了相對于頻率圖示的功率調(diào)節(jié)器的增益；圖14示出了根據(jù)一個實施例的繪出以百分比形式的輸出電壓偏移相對于功率調(diào) 節(jié)器的增益的圖。由于本發(fā)明允許各種修改和可替換的形式，因此特定的實施例以實例的形式被表示在附圖中，并將在此處詳細描述。然而，應(yīng)當理解，附圖及其詳細描述不是旨在將本發(fā)明限制于公開的特定形式，正相反，旨在覆蓋落在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等價形式和替換形式。注意，標題只是用于組織的目的，不意味著被用來限制或解釋說明書或權(quán)利要求。而且，注意詞語"可能"以允許的意義(即，有可能，能夠) 被用在整個申請中，而不是強制的意義(即，必須)。術(shù)語"包括"及其衍生意味著"包括，但不限于"。術(shù)語"耦接"意味著"直接或間接連接"。
具體實施方式

滯后控制滯后控制，有時稱作紋波調(diào)節(jié)器控制，時常被用作控制功率調(diào)節(jié)器、或電壓調(diào)節(jié)器 (例如，諸如圖1中所示的降壓調(diào)節(jié)器100)輸出控制的方法。在滯后控制期間，變換器輸出電壓通常被維持在以參考電壓為中心的滯后帶內(nèi)。滯后控制調(diào)節(jié)器被廣泛使用，由于它的便宜、簡單和易于使用的結(jié)構(gòu)。滯后控制的一些益處包括快速負載瞬變響應(yīng)，和消除對反饋回路補償?shù)男枰?。滯后控制的一個另外特征是改變操作頻率。換句話說，滯后控制允許不需要外部補償?shù)暮唵蜗到y(tǒng)設(shè)計，用寬范圍元件的穩(wěn)定操作，和很快速的瞬變響應(yīng)。滯后控制還可提供高效率的操作，即使在輕載情況。傳統(tǒng)的滯后控制實質(zhì)上依賴于測量的紋波，其可能是電壓紋波或電流紋波，如圖2 所示。如在圖2的三個圖中所示的，誤差電壓206中的階躍變化可導致(或?qū)?yīng)于)電流中的階躍變化(從202a到202b)，其還可導致(或?qū)?yīng)于)相位中的階躍變化。總的來說，由于誤差電壓中的偏移的平均電流中的偏移可被觀察到(從204a到204b)。也就是說，在時間參考點210處的誤差電壓206中的階躍變化可導致電感器電流202a中的階躍變化，其可能被上移，如電感器電流202b所示。因此，在平均電流中可能有一個偏移，其可能從由204a 表示的值上升到由204b表示的值。由于信號相對于紋波噪聲比的變化，滯后控制可具有某些優(yōu)勢。與滯后控制相關(guān)的一些問題包括依賴于噪聲的可變性能，周期之間的頻率起伏，和在多相操作中執(zhí)行控制的困難，其中在多相操作中電壓紋波被消除。然而，滯后性能可不依賴于紋波測量來獲得，而是使用固定頻率，通過利用從系統(tǒng)的已建立且理解的穩(wěn)定狀態(tài)行為獲得的波形知識。在一組實施例中，滯后性能可用固定或準固定頻率來獲得，通過采用對電流模式滯后控制的固定頻率P麗(脈沖寬度調(diào)制)。在一方面，在穩(wěn)定狀態(tài)，電流波形可被推斷，不需要必須測量電流，由于穩(wěn)定狀態(tài)行為可基于系統(tǒng)的各種設(shè)計和操作特性來建立。因此，電流模式滯后控制可被仿真，不需要通常與電流模式滯后控制相關(guān)的測量。因此，在電流模式控制中，電流可與誤差電壓成比例地調(diào)節(jié)。圖3提供了電流紋波波形302的一個實例，
其示出電流紋波-谷、電流紋波-峰、和占空比。在上升斜坡期間(即，從Irippk，H^至 Iripple-peak)，電感器電流中的變化(△ Iinduet。r-如圖1的調(diào)節(jié)器擺的電感器112中)可由關(guān)
系式表示 (1) a/,由。,":"az) 其中Vin表示輸入電壓，V。ut表示調(diào)節(jié)的輸出電壓(例如，如圖1的調(diào)節(jié)器100中所示)，AD表示占空比中的變化，L表示負載電感，并且f表示操作頻率。在下降斜坡期間 (即，從I
ripple-peak
至I
ripple-valley2
)，電感器電流中的變化可由關(guān)系式表示 [,](2) a/一。,-，ad 因此，負載電流中的變化可與占空比中的變化有關(guān)，被表示為
(3) I AIinductor| oc I AD 因此，占空比中的變化可與誤差電壓有關(guān)，并且AD可被表示為誤差電壓的函數(shù)
(4) AD = f(Verror) 以建立電流模式控制。這種電流模式控制可適用于執(zhí)行電流模式滯后，如果代替占空比，相同的占空比或電流偏移被相位中的變化影響。紋波電流的一小部分(Fore)可被定義并表示為 (5);Da/^-^(1-ad) = /"^/g/>t_w =10f 其中峰-峰紋波電流(Iripplepk—pk)可被定義為10Forc (或紋波電流的10小部分)，如圖3中所示。因此，可在紋波電流和Forc之間建立線性關(guān)系。在穩(wěn)定狀態(tài)，在高側(cè) FET(如，圖1中的FET 108)的導通期間，電流可在D*f秒時間段內(nèi)以恒定斜率從低谷值到峰值(它們都可用Amps表示)。類似地，F(xiàn)orc可在D*f秒時間段內(nèi)以恒定斜率從OForcs 至10Forcs。下面的部分描述如何使用"Forc"控制器執(zhí)行校正的一個實施例。如果目標是對于誤差電壓中的每個指定電壓階躍(如lmV)，使滯后控制器中的電流變化指定的電流值(如1Amp)，那么對于10Amps的紋波電流(峰_峰紋波電流Iripplepk—pk)，對于誤差電壓的每 lmV，電流可變化紋波電流的十分之一。例如，在指定量或時間段，如lOii s，紋波電流可從最大值到最小值。對于lmV誤差，窗口比較器可被偏移從而使得中心距穩(wěn)定狀態(tài)值lAmp，如圖 4的電流間隔圖中所示的。如所示的，高側(cè)FET控制信號406 (如，在圖1的調(diào)節(jié)器100中從輸出控制框106到高側(cè)FET 108的HS控制信號)可從它的原始位置偏移。圖4還說明了由電流函數(shù)402表示的紋波電流(間隔)，與由函數(shù)404表示的Fore值(間隔)之間的關(guān)系。由于在使用的實例中，紋波電流402可以lAmp/ii s的速率降低，1Amp向上偏移可有效地使相位提早1 P s偏移。換句話說，紋波電流402降低的速率還可指示相位可被(提早)偏移的時間段，由于紋波電流402以與紋波電流402降低的速率相同的速率向上偏移。此外，如果目標是對于每lmV誤差，使"Forc"控制器中的電流變化1Amp，那么對于等于10Forcs的紋波電流，lForc的偏移將對應(yīng)于紋波電流的十分之一偏移。然而，在這種實施中，可能不需要偏移窗口比較器。由于紋波電流402可以指定速率降低，如1Forc/iis的速率，lForc 向上偏移可有效地使相位提早1 y s偏移。因此相位可被偏移1 y s，如由圖4中的高側(cè)FET 控制信號406說明的。圖5示出了實施"Forc"控制器的一個控制路徑的方框圖，作為對于圖1中所示的控制路徑的一種可能的替換形式。功率級512輸出可被與參考電壓V^比較(在502)，結(jié) 果電壓誤差信號可被用在電壓誤差至占空比框504中以確定占空比，然后其可被用在DP麗框506中以控制DP麗信號，其可是到相位偏移器508的輸入。相位偏移器508的輸出可被用來產(chǎn)生死區(qū)(deadtime)延遲框510中的死區(qū)延遲信號以控制功率級512，并產(chǎn)生期望的輸出電壓V。ut。來自求和框502的電壓誤差還可被到相位偏移框514的電壓誤差使用以確定相位偏移，并提供控制信號給相位偏移器508，其可被相位偏移器508使用以偏移提供給死區(qū)延遲框510的DP麗控制信號，從而產(chǎn)生用于功率級512的最終控制信號?？偟膩碚f， P麗控制回路(從功率級輸出512至求和框502的輸出)可被認為是主回路，其被配置成控制功率級的輸出電壓，以及一個第二回路("Forc回路")，從節(jié)點502的輸出至相位偏移器，用來控制功率級的輸出的瞬變行為(即，用來限定功率調(diào)節(jié)器的動態(tài)行為)。換句話說，主回路可操作以設(shè)置穩(wěn)定狀態(tài)占空比，而第二回路(或Forc回路)可操作以限定功率調(diào)節(jié)器的動態(tài)行為。還應(yīng)注意，在至少一組實施例中，功率級512可包括高側(cè)FET 108和低側(cè)FET110，如降壓調(diào)節(jié)器100中所示的，并且還可包括電感器112和電容器114。
圖6示出圖5的DP麗(數(shù)字脈沖寬度調(diào)制)框506的一個實施例。在一組實施例中，當產(chǎn)生高分辨率(resolution)DP麗信號時，補償器604可指定數(shù)量(N)位的分辨率。在圖6所示的實施例中，N二 10。由這N(10)位形成的"字"可被翻譯成與產(chǎn)生的P麗信號對應(yīng)的脈沖寬度。在一個實施例中，最少有效位(LSB)可被6位計數(shù)器606處理，6位計數(shù)器 606運行在對應(yīng)于框602的輸出(相0)的給定時鐘頻率。換句話說，包括N位的K個最少有效位的指定數(shù)量(K)的位可被計數(shù)器606處理，計數(shù)器606可在具有指定頻率的時鐘上計數(shù)，其對應(yīng)于具有指定頻率的時鐘的相0的輸出。因此，計數(shù)器606可確定脈沖寬度的近似分辨率。最多有效位(MSB)可被處理，通過從框602選擇相位偏移量，其中MSBs的數(shù)量是N-k。 PLL 602的輸出可能已包括指定數(shù)量(L)的線(所示的實例中是16線)，每條線對應(yīng)于時鐘602的某個相位偏移量。補償器604的MSBs可通過多路器608選擇特定的相。因此，時鐘計數(shù)器606的一個計數(shù)周期可被分為L個時間段，并可允許P麗字的MSB部分b變?yōu)長SB計數(shù)值的1/L小部分。因此，脈沖寬度的好分辨率可由PLL 602的對應(yīng)輸出的MSB 選擇來設(shè)置。對于給定的電感器和電容器組合，例如已知的圖1的功率調(diào)節(jié)器100中的電感器 112和電容器114的組合，紋波電流可以是已知的，在給定的輸入電壓Vin，輸出電壓V。ut，頻率，和穩(wěn)定狀態(tài)中的較輕程度的損耗。對于小信號行為，損耗部分可被忽略。這通常可用于滯后控制和傳統(tǒng)P麗控制的情況。在傳統(tǒng)的配置為具有固定占空比的P麗控制(如圖1的降壓調(diào)節(jié)器100中解釋的)中，當占空比變化時(如，在周期的開始和對每個隨后的脈沖)，電感器電流可緩慢變化(即在幾個周期上)，并且輸出電壓從而可被緩慢調(diào)節(jié)。每個周期電流可增加或減少直到穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生。如果占空比與誤差電壓成比例，電流可與誤差電壓的積分成比例。占空比可能不具有用于目標(參考)電壓的修正值，因此在一些點可能必須被調(diào)節(jié)回修正值。相位的瞬時變化(同時在相位變化后保持相同的占空比)可導致電流在相位變化期間變化。在緊接的周期中電流可增加或減少。如果相位偏移與誤差電壓成比例，電流可與誤差電壓成比例，并且在相位偏移之后，占空比可具有用于目標電壓的修正值。
在一組實施例中，輸入電壓可被指定為12V，輸出電壓可被指定為1. 5V，操作周期 (對應(yīng)于操作頻率)可被分為64段。計數(shù)器，如向上/向下計數(shù)器可被用來判斷/控制高側(cè)FET，或更具體地，控制高側(cè)FET (例如，對應(yīng)于圖1的FET 108的FET)的導通/關(guān)斷時間段。誤差偏移可被計數(shù)直到獲得偏移目標。這可用一個增益參數(shù)來獲得，其中向上/向下偏移率可與向上/向下斜率成比例。在一個實施例中主要元件的實例值可包括0. 45 ii H 的電感器(例如，對應(yīng)于圖1的電感器112的電感器)，234iiF的負載電容器(例如，對應(yīng) 于圖1的電容器114的電容器)，400KHz的操作頻率，支持16A的全負載電流，以及25%和 50%的瞬變。這些值被提供作為一個實施例的實例，替換實施例可使用由給定系統(tǒng)規(guī)格和期望的性能的需要確定的其它值。圖7示出了根據(jù)一個實施例修正誤差偏移計數(shù)的操作的流程圖。目標計數(shù)值可被設(shè)置為占空比、所需的相位偏移、和凈相位偏移(702)的總和，并且計數(shù)器的電流計數(shù)可被增加指定的值，其中在所示的實施例中指定值為"1"(704)。接下來目標計數(shù)值被與計數(shù)器 (706)的電流計數(shù)值比較，如果電流計數(shù)值不大于目標計數(shù)值，那么電流計數(shù)值再次被增加指定值(704)。這可被執(zhí)行直到電流計數(shù)大于目標計數(shù)。當電流計數(shù)大于目標計數(shù)時，計數(shù) 器可從上往下或從下往上來回切換，取決于電流設(shè)置(708)。接下來凈相位偏移可被計算，通過從所需的相位偏移值減去目標計數(shù)和電流計數(shù)之間的差(710)。然后電流計數(shù)可被重置為它的原始值，其可能是"O" (712)，目標計數(shù)可被重新計算(702)，計數(shù)器可再次開始增加(704)。圖8是根據(jù)一個實施例的信號圖，其示出負載電流802、電感器電流804、和輸出電壓806的負載增大瞬變。圖8中說明的行為對應(yīng)于電感器斜坡(由波形804說明的電感器電流的)在電流增加(由波形802說明的負載電流的)的時刻理想地開始，沒有等效串聯(lián) 電阻(ESR)，沒有等效串聯(lián)電感(ESL)，并且沒有DCR。輸出電壓中的變化AV。ut(如圖8中的輸出電壓對應(yīng)圖中的"谷")可被表示為 (6) AF , = (A/s +0.5*7—-'。-戸"—)丄。"' 2CrL 其中、是電感器電壓。
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圖9示出了根據(jù)一個實施例的用于無負載功率調(diào)節(jié)器輸出的原始的、開環(huán)響應(yīng) (對于固定占空比)的電流圖。負載電流被表示為波形904(為0，因為無負載)，電感器電流被表示為波形902。圖IO示出了根據(jù)一個實施例的用于有負載功率調(diào)節(jié)器輸出的原始的、開環(huán)響應(yīng)(對于固定占空比)的電流/電壓圖，其中負載可承受0-24Amp電流。負載電流被表示為波形910，電感器電流被表示為波形906，輸出電壓被表示為波形908，最大偏移被表示為波形912，最小偏移被表示為波形914。圖ll示出了說明如前所述當使用Forc控制器時功率調(diào)節(jié)器輸出的瞬變響應(yīng)的電流/電壓圖。上面的圖被呈現(xiàn)為與圖10中的圖相同比例，而下面的圖被呈現(xiàn)為放大的比例，以顯示細節(jié)。如圖10，負載電流被表示為波形910，電感器電流被表示為波形906，輸出電壓被表示為波形908，最大偏移被表示為波形912，最小偏移被表示為波形914。最小偏移(波形914)和輸出電壓(波形908)之間的負載線電壓偏移量，如圖11 中的AV所示，可被表示為(7) AF = (/，'— 如圖12中所示，按照計數(shù)相對于經(jīng)過時間表示在上面的圖中的相位偏移量，可調(diào) 節(jié)負載電流910的電流階躍，如在下面的圖中所示的，其再次說明了當使用Forc控制器時，功率調(diào)節(jié)器輸出的瞬變響應(yīng)，再次，負載電流被表示為波形910，電感器電流被表示為波形 906，輸出電壓被表示為波形908，最大偏移被表示為波形912，最小偏移被表示為波形914。
圖13示出了根據(jù)一個實施例的波特圖(Bode plot)，其說明了相對于頻率圖示的增益。如在圖13的圖中所示的，隨著頻率增加增益減小。根據(jù)一個實施例，增益敏感度被圖14中的圖說明，示出的相對于增益的以百分比形式的偏移(950)。平線952表示理論的理想情況，對于說明的實施例。在一組實施例中，當操作Forc控制器時，要被調(diào)整的唯一參數(shù)可能是增益。如圖14中所示的，對于超過5000的增益，瞬變響應(yīng)被示出是相對不敏感的。如上面提及的，圖中的直線952表示理論的理想瞬變響應(yīng)，而曲線950表示實際偏移。
雖然上面的實施例已經(jīng)被相當詳細地描述，但是一旦上述公開被完全理解，許多變化和修改對本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。下面的權(quán)利要求旨在解釋包括所有這種變化和修改。
權(quán)利要求
一種用于控制功率調(diào)節(jié)器的輸出的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括主控制回路，其被配置成基于下列來產(chǎn)生誤差信號功率調(diào)節(jié)器的輸出；和參考信號；其中主控制回路進一步被配置為基于誤差信號產(chǎn)生第一控制信號以控制功率調(diào)節(jié)器的輸出的穩(wěn)定狀態(tài)行為；以及包括在主控制回路中的第二控制回路，其被配置成基于誤差信號產(chǎn)生第二控制信號以控制功率調(diào)節(jié)器的輸出的瞬變響應(yīng)。
2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中在產(chǎn)生第二控制信號中，第二控制回路被配置成根據(jù)穩(wěn)定狀態(tài)行為仿真功率調(diào)節(jié)器的輸出的電流模式滯后控制。
3. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中第一控制信號被配置成控制數(shù)字脈沖寬度調(diào)制 (P麗)信號的產(chǎn)生，數(shù)字脈沖寬度調(diào)制(P麗)信號被配置成為功率調(diào)節(jié)器的輸出級供電，其中功率調(diào)節(jié)器的輸出級被配置成提供功率調(diào)節(jié)器的輸出。
4. 如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中第一控制信號被配置成控制P麗信號的占空比。
5. 如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中第二控制信號被配置成使P麗信號偏移。
6. 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中功率調(diào)節(jié)器的輸出被配置成耦接電感器；其中第二控制信號被配置成使P麗信號偏移與電感器中產(chǎn)生的紋波電流的一小部分對應(yīng)的量。
7. —種用于控制功率調(diào)節(jié)器的輸出的方法，該方法包括基于功率調(diào)節(jié)器的輸出和參考電壓產(chǎn)生誤差信號；基于誤差信號產(chǎn)生第一控制信號；用第一控制信號控制功率調(diào)節(jié)器的輸出的穩(wěn)定狀態(tài)行為；基于誤差信號產(chǎn)生第二控制信號；以及用第二控制信號控制功率調(diào)節(jié)器的輸出的瞬變響應(yīng)。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述控制功率調(diào)節(jié)器的輸出的穩(wěn)定狀態(tài)行為包括調(diào)節(jié)被配置成控制功率調(diào)節(jié)器的輸出級的第一功率信號；并且其中所述控制功率調(diào)節(jié)器的輸出的瞬變響應(yīng)包括調(diào)節(jié)第一功率信號的相位。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)第一功率信號的相位是瞬間執(zhí)行的。
10. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中第一功率信號是脈沖寬度調(diào)制(P麗)信號；其中所述調(diào)節(jié)第一功率信號包括調(diào)節(jié)P麗信號的占空比；以及其中所述調(diào)節(jié)第一功率信號的相位包括使P麗信號偏移。
11. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)第一功率信號的相位包括基于第一功率信號所需的相位偏移和第一功率信號的凈相位偏移計算目標計數(shù)值；計數(shù)第一功率信號的頻率的周期段；以及當所述計數(shù)的電流計數(shù)值大于或等于目標計數(shù)值時，來回切換第一功率信號。
12. 如權(quán)利要求ll所述的方法，進一步包括在所述來回切換第一功率信號的每個時刻之后，執(zhí)行基于所需的相位偏移、電流計數(shù)值和目標計數(shù)值重新計算凈相位偏移；從原始值重新開始所述計數(shù)；以及當所述計數(shù)的電流計數(shù)值大于或等于目標計數(shù)值時，來回切換第一功率信號。
13. —種用于對電壓調(diào)節(jié)器的輸出執(zhí)行滯后控制的方法，該方法包括推斷對應(yīng)于輸出電流的電流波形，輸出電流是響應(yīng)于在電壓調(diào)節(jié)器的輸出端的輸出電壓而產(chǎn)生的，不需要測量輸出電流，其中所述推斷是基于已建立的電壓調(diào)節(jié)器的輸出的穩(wěn) 定狀態(tài)行為來進行的；基于電壓調(diào)節(jié)器的輸出和參考電壓獲取誤差電壓；以及根據(jù)推斷的電流波形調(diào)節(jié)與誤差電壓成比例的電感器電流。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)電感器電流包括控制輸出電壓。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述控制輸出電壓包括從誤差電壓產(chǎn)生第一控制信號，第一控制信號具有固定的頻率；以及使用第一控制信號控制輸出。
16. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)電感器電流進一步包括根據(jù)推斷的電流波形使第一控制信號偏移。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述使第一控制信號偏移包括根據(jù)推斷的電流波形從誤差電壓產(chǎn)生第二控制信號；以及使用第二控制信號使第一控制信號偏移。
18. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述使第一控制信號偏移包括使第一控制信號偏移指定量，該指定量對應(yīng)于誤差電壓的值并由推斷的電流波形的斜率確定。
19. 一種電壓調(diào)節(jié)器，包括功率級，其被配置成提供調(diào)節(jié)的輸出電壓；控制級，其被配置成產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制(P麗)信號，以控制調(diào)節(jié)的輸出電壓，其中控制級被配置成單獨地控制調(diào)節(jié)的輸出電壓的穩(wěn)定狀態(tài)行為和調(diào)節(jié)的輸出電壓的瞬變行為，以根據(jù)穩(wěn)定狀態(tài)行為仿真調(diào)節(jié)的輸出電壓的電流模式滯后控制。
20. 如權(quán)利要求19所述的電壓調(diào)節(jié)器，其中控制級包括總和模塊，其被配置成基于參考電壓和調(diào)節(jié)的輸出電壓產(chǎn)生誤差電壓；穩(wěn)定狀態(tài)控制模塊，其被配置成基于誤差電壓控制P麗信號的占空比；以及瞬變控制模塊，其被配置成基于誤差電壓和輸出電流的推斷斜率使P麗信號的相位偏移，其中輸出電流是對應(yīng)于調(diào)節(jié)的輸出電壓產(chǎn)生的，其中輸出電流不是測量的。
全文摘要
本發(fā)明公開了功率變換器的瞬變處理機制。在功率/電壓調(diào)節(jié)器的控制中，具有固定頻率的滯后性能可被獲得，通過調(diào)節(jié)固定頻率PWM(脈沖寬度調(diào)制)為電流模式滯后控制。在穩(wěn)定狀態(tài)，電流波形可被推斷，不需要測量電流。在電流模式控制中，電流可被與誤差電壓成比例地調(diào)節(jié)。負載電流的變化可能與占空比的變化相關(guān)，占空比的變化可能與誤差電壓相關(guān)，通過將占空比的變化表示為誤差電壓的函數(shù)來建立電流模式控制。該電流模式控制可被調(diào)節(jié)以執(zhí)行電流模式滯后，如果代替占空比，相同的占空比或電流偏移被相位的變化影響。紋波電流的一小部分(Forc)可被指定為峰-峰紋波電流的特定部分，在Forc和紋波電流之間建立線性關(guān)系。
文檔編號H02M3/335GK101753034SQ20091024684
公開日2010年6月23日申請日期2009年10月23日優(yōu)先權(quán)日2008年10月23日
發(fā)明者C·M·揚申請人:英特賽爾美國股份有限公司

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