專利名稱：采用脈沖頻率調(diào)制控制的開關功率變換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及開關功率變換器(switching power converter)，該開關功率變換器的運行由計算機控制。

背景技術：
數(shù)字開關電源控制器通過使用執(zhí)行邏輯判斷的算法而不是采用現(xiàn)有技術(利用由各種比例因子確定的模擬信號)提供控制電源的能力。與現(xiàn)有技術相反，本發(fā)明涉及一種對開關電源的數(shù)字邏輯控制器的輸出電壓進行調(diào)整的方法和電路。
一些產(chǎn)品具有睡眠、低功率或待機模式。當產(chǎn)品使用電池供電，這些模式旨在延長電池壽命。因此希望使用一種盡可能有效的控制方法。而且希望提供一種系統(tǒng)和方法以保持相對穩(wěn)定負載的電壓調(diào)整，從而可以最大化電源效率。相對于現(xiàn)有技術的另一個改進是提供電池電能管理的簡單、低功率方法。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種控制方法，其可應用于開關功率變換器，并且可以用于降壓、升壓和降壓/升壓布局(topology)，其中的任何一個可以是同步的或非同步的。
在本發(fā)明的方法中，檢測(sense)開關功率變換器的輸出電壓的量值(magnitude)，并將其與預定的電壓下限進行比較。在輸出電壓的量值等于或小于預定的電壓下限之前，將不采取任何動作。如果輸出電壓的量值等于或小于預定下限，將采取修正動作以使輸出電壓增加至高于目標輸出電壓量值的量值。監(jiān)測輸出電壓的量值，直到輸出電壓的量值等于或小于預定的輸出電壓下限，再作進一步的修正。因此修正動作事件的間隔時間是可依據(jù)例如開關功率變換器所供給的負載而變化。該方法稱之為脈沖頻率調(diào)制控制，或“PFM”控制。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，開關功率變換器中的控制器可以使用PFM控制。
本文描述的PFM控制用于包括同步降壓、非同步升壓、和四場效應晶體管降壓/升壓的布局。本領域的技術人員將認識到PFM控制可用于例如非同步降壓、同步升壓的其它布局。
當用于負載相對小并且穩(wěn)定的系統(tǒng)，本發(fā)明的優(yōu)點尤其突出。該方法的策略可以歸納為 1.基于需要而使用傳導的PFM控制 2.只要確定輸出電壓的量值等于或小于預定下限，就激活PFM控制用于修正。
3.PFM控制使用輸入電壓并計算必須注入驅(qū)動電路并足以將輸出電壓提升到預定上限電壓的能量大小，該預定的上電壓大于目標輸出電壓。
4.PFM系統(tǒng)返回到閑置模式進行等待，直到確定輸出電壓的量值等于或小于預定下限。
再次使用PFM控制方法所使用的參數(shù)，以提供一種便捷、低功率方法，用于通過計算每秒的PFM事件次數(shù)從而確定從一個或更多電池汲取了多少能量。



圖1是典型的同步降壓功率變換器。
圖2顯示了輸出電壓隨時間與目標電壓、電壓上限、下限之間的關系。
圖3是PFM方法的流程圖。
圖4表示了時間周期T期間電流和時間的關系，其中，單組控制信號應用至圖1的轉(zhuǎn)換器。
圖5顯示了一個實施例，其中，通過在修正期間使用多個較短持續(xù)時間的脈沖而不是如圖4所示的單組脈沖獲得修正。
圖6是本發(fā)明實施例中使用的查找表中的數(shù)值實例。
圖7是用于計算圖6表格內(nèi)容的圖1設備的電壓和電路值的表。
圖8闡述了非同步升壓轉(zhuǎn)換器。
圖9闡述了一個四晶體管降壓/升壓轉(zhuǎn)換器。

具體實施例方式 定義、首字母縮寫字和縮寫字 參考美國專利6,825,464的圖12，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，PFM控制使用ADC1206模塊的數(shù)據(jù)，通過DPC1201提出控制。PFM控制軟件駐留在REG1211中，并與SYS1205交互。通過本發(fā)明，這些功能都合并到圖1控制器112的動作中。
參考圖1，降壓開關功率變換器的基本操作是通過控制FET114，在“Tp”時段內(nèi)，在輸入端子100的輸入電壓“Vin”和電感L1之間進行的間歇性連接。在時間“Tp”結(jié)束時，控制FET114關閉，在時段“Ts”，同步FET116處于開啟狀態(tài)。這是通過控制器112經(jīng)由連接到FET114和FET116的線路128和130為FET提供傳導控制信號來實現(xiàn)的。這將導致電流通過電感L1流到負載126。在輸出端子122處測量的輸出電壓“Vo”通過電容C2120進行平滑。FET116可以用二極管替換，從而形成非同步降壓源，在這種情況下不需要線路130?；蛘?，如美國專利6,825,644所描述的，時段T內(nèi)不開啟FET116。圖1布局中，在Ts時段內(nèi)，當FET114關掉后，電流繼續(xù)從電感L1流出。換句話說，Ts是Tp完成后電流回到零所需的時間。本領域的技術人員將認識到本發(fā)明的方法可以用于任意開關功率變換器布局，包含但不限于降壓、升壓、和降壓/升壓，其中任意一個都可以實現(xiàn)為同步或非同步設計。
圖2闡述了PFM控制方法，其中，在時刻T1，Vo降至死區(qū)下限“Vdbl”202?？刂破?12采取修正動作，將Vo提升到約為死區(qū)上限“Vdbh”201。電壓擺幅是“Vdb”(203)＝(Vdbh-Vdbl)。Vdbh和Vdbl是相對于所需輸出電壓“Vtar”200定義的。當控制器112再次采取修正動作時，Vo將在T3時期降落，同樣通過參考符號205表示，直到T2時刻再次達到Vdbl202。
本發(fā)明的方法用圖3的流程圖表示。沿著開始300，系統(tǒng)采樣受到控制的功率變換器的Vo。在步驟302，Vo與Vdbl202進行比較。這個過程一直進行到Vo等于或小于Vdbl202。在這一點上，過程移至步驟304。在步驟304，對Vin進行采樣，使用Vin的量值來計算將Vo提升Vdb203所需的脈沖時間Tp。同樣計算Ts。在圖1的同步電路中，將FET驅(qū)動Ts時長的時間。在非同步布局中，例如圖1所示的電路類型但是沒有FET116，Ts表示控制FET114關掉后，電流繼續(xù)從線圈流到負載126的時間。在步驟306，經(jīng)由線路128，控制器將時長為Tp的傳導控制信號應用到控制FET114。在此之后，Ts時段的傳導控制信號經(jīng)由線路130應用到FET116。然后PFM控制過程返回到步驟300，在步驟302再繼續(xù)比較Vo和Vdbl202。
PFM控制方法可應用于各種布局。在各個情況下，有可供選擇的實施策略，根據(jù)最終產(chǎn)品的波紋容限(tolerance for ripple)，計算可用功率、功率預算和其他因素，可選擇實施策略。三個PFM控制實施例包括a)使用存儲的一組預先計算的Tp和Ts脈沖時間的PFM控制，由此基于輸入變量選擇脈沖時間(“方法_1”)；b)使用目前的輸入變量和預先存儲的系統(tǒng)模型參數(shù)，初始化基于每次修正動作的Tp和Ts計算的PFM控制(“方法_2”)；和c)使用目前的輸入變量和系統(tǒng)模型參數(shù)估計，初始化基于每次修正動作的Tp和Ts計算的PFM控制，其作為系統(tǒng)響應的函數(shù)被計算(“方法_3”)。
圖4示出了通過電感L1的隨時間變化的電流。如參考符號402表示，線圈電流Icoi1在時段Tp內(nèi)升高，其具有斜率V1/L，時段Ts內(nèi)以斜率V2/L下降，其中V1是Tp時段電感L1兩端的電壓，V2是Ts時段內(nèi)電感L1兩端的電壓，L是電感L1的感抗。以下關系由電荷守恒定律導出 然而，考慮到電感L1電流在零處開始并返回到零，從而有 EQ_1 擴展該等式，得到 峰值線圈電流ΔI400為 因此，使用之前得到的關系 最后得到 ，或者 EQ_2 對于圖1的布局 ΔV＝Vdbh-Vdbl V1＝Vin-Vout＝Vin-Vtar V2＝Vout＝Vtar 因此，結(jié)合EQ_1和EQ_2，求解Tp和Ts得到 EQ_3和 EQ_4，其中 GB1是為FET114提供的傳導控制信號的結(jié)束點和為FET116提供的傳導控制信號的開始點之間的時間防護帶，GB2是為FET116提供的傳導控制信號的結(jié)束點和為FET114提供的下一個傳導控制脈沖的開始點之間的時間防護帶。當然，希望避免控制FET114和同步FET116的重疊傳導。防護帶寬度是FET114和FET116在目標系統(tǒng)中使用的FET的開啟和關閉時間的函數(shù)，如數(shù)據(jù)表規(guī)范所確定。
在一些設計中，長度為Tp的單個傳導控制信號可以造成相關電感的最大電流超過最大容限，如電感的最大電流量。例如，可選擇相關電感使其具有小的物理尺寸或符合設計的其他要求。圖5闡述的實施例中，Tp所要求的時間被分成多個短的時段，由適當?shù)腡s時段隔開，以獲得所需的充電。在這個實例中，Tp1、Tp2、Tp3時段選為Tp，Ts1、Ts2、Ts3時段選為Ts，從而獲得較小的ΔI500。這個實施例可以應用于本文描述的任意PFM方法和布局。
控制方法_1由EQ_3和EQ_4實現(xiàn)，從而建立一個查詢表格，其中在每個激活時使用PFM控制，表格的輸入是Vin。Vo是激活時刻的Vdbl202。圖6所示為該表格的Tp數(shù)值實例。實例的具體數(shù)據(jù)列于圖7中的標有“圖1電路細節(jié)”的塊中。計算出的準確值在列“Tp Calc”中(圖6)。
在方法_2的實施例中，每個激活時，由PFM再次使用EQ_3和EQ_4計算Tp和Ts。為了加速計算，可以使用二階反向多項式近似(a/(1+b*VIN+c*VIN2))。在這個實例中，使用泰勒級數(shù)計算的常數(shù)a，b和c為 a＝6.658E-07 b＝.5349 c＝.0039 方法_2的結(jié)果示于圖6的列“Tp Approx”中。比較圖6的兩列，可以認識到近似造成的誤差非常小。
方法_1和方法_2(實際為EQ_3和EQ_4)忽略了目標應用的物理電路中寄生阻抗的效應，該效應將造成多達20％的ΔV誤差。寄生阻抗在Tp期間減小橫跨電感L1兩端的電壓，而在Ts期間增大橫跨電感L1兩端的負電壓。這使傳導控制信號所準許的傳導產(chǎn)生的電荷比使用上述計算所預期的要少。為了理解這些效應，圖4中作了參考，其中可以由電荷守恒定律獲得以下關系 ，和 然而，考慮到電感L1電流從零開始并返回到零，可以得到 假設在Tp和Ts內(nèi)，輸入輸出電壓不會顯著變化，從而有 V1＝Vin-Vout-Rp·I和V2＝Vout+Rs·I 其中Rp是Tp期間電流路徑中的寄生阻抗，Rs是Ts期間電流路徑中的寄生阻抗。求解積分得到 然而假設 將會有 最終， EQ_5 重復對電感L1電流的第二個斜率(Ts期間)相同的推導，得到 EQ_6 從EQ_5和EQ_6可以推導Tp和Ts之間的關系，具體為 忽略二階效應 因此有 傳送到輸出的總電荷可以由下式得到 EQ_7 現(xiàn)在，假設R＝Rp≌Rs，并且Tp僅在小范圍Tp(min)≤Tp≤Tp(max)內(nèi)調(diào)節(jié)，或者 由上面的公式可以得到 EQ_8 其中，和 EQ_9 結(jié)合EQ_7，EQ_8和EQ_9可以得到
使用與上面相同的名稱慣例，Tp和Ts可以求解為 EQ_10 EQ_11，其中 EQ_12 等式EQ_10、EQ_11和EQ_12表示PFM方法_3實施例，基本上是方法_2，再對寄生效應作精細調(diào)整。然而方法_3使用設計者估計的靜止部件數(shù)值。
模型參數(shù)的精確值不能預先知道，從而導致顯著變化，尤其是L和C的值。它們每個都可以變化多達20％，可能會造成與假定值有40％的聯(lián)合變化。
方法_3更為精確的實施例比較輸出電壓的實際變化ΔVactual，Vo變化的量作為一個脈沖的結(jié)果，與應用到控制FET114的傳導控制信號的配置脈沖寬度有關，每L和C的有效值為 因此 由此可以認識到不需要確定L和C的具體值，只需要乘積LC。可以通過在使用每個脈沖之后測量Vo并更新模型(EQ_10)估計參數(shù)

。在其他實施例中，EQ_10用繼動平均(rolling average)技術慢慢地適應，或者每隔一段時間或以其它方案做周期性調(diào)整。這個方法調(diào)整實際部件數(shù)值，包含運行過程中的溫度效應和部件老化造成的更長期的變化。
在另一個實施例中，PFM控制方法由非同步升壓轉(zhuǎn)換器使用，如圖8所示?？刂破?00經(jīng)由線路810為FETQ3提供傳導控制信號，因此可以讓電流在Tp長的時間內(nèi)流進電感L2。此后終止傳導控制信號，電感L2的電流在Ts長的時間內(nèi)流經(jīng)二極管D1。
用本發(fā)明的方法(PFM)計算電流脈沖的寬度(Tp+Ts)，可以用以下方法中的任意一個實現(xiàn)a)使用存儲的預先計算的一組脈沖的PFM控制，由此基于輸入變量進行選擇；b)使用目前的輸入變量和預先存儲的系統(tǒng)模型參數(shù)，初始化基于每次修正動作的Tp和Ts時長計算的PFM控制；c)使用目前的輸入變量和系統(tǒng)模型參數(shù)估計，初始化基于每次修正動作的Tp和Ts計算的PFM控制，其計算為系統(tǒng)響應的函數(shù)。給出了第一個實施例；本領域的技術人員會理解類似于之前討論的方法_2和方法_3的其它實施例。
假設Vin在電壓的限定范圍Vin(min)≤Vin≤Vin(max)內(nèi)。看圖8，由電荷守恒定律可以推導以下關系 然而，考慮到電感L2中的電流從0開始并回到0，因此有 其中V1是Tp期間橫跨電感L2兩端的電壓，V2是在Ts期間橫跨電感L2兩端的電壓。
電感L2的峰值電流(ΔI)為 因此，使用之前獲得的關系 現(xiàn)在，或者 對于圖8的實現(xiàn)，有 ΔV＝Vabh-Vdbl V1＝Vin，和 V2＝Vout+VD-Vin＝Vtar+VD-Vin，其中VD是橫跨二極管808兩端的壓降。因此，非同步實現(xiàn)的唯一控制參數(shù)Tp可以計算為 在本發(fā)明的另一個實施例中，PFM控制用于調(diào)整多個晶體管降壓/升壓電源變換器，如圖9所示，可用于產(chǎn)生比輸入電壓Vin高或低的輸出電壓Vo。
使用PFM控制方法計算的時間，控制器900通過閉合開關Q4和Q6在電感L3中注入電流脈沖一段Tp的時長；此后打開開關，讓線圈電流在Ts時長內(nèi)流經(jīng)MOSFETQ5和Q7。MOSFETQ5和Q7可以用二極管替換。
再看圖9，由電荷守恒定律獲得以下關系 然而，考慮到電感L3中電流從0開始并回到0，因此有 假設輸入輸出電壓在Tp和Ts內(nèi)不會顯著變化，從而有 V1＝Vin-Rp·I v2＝Vout+Rs·I 其中Rp是Tp期間電流路徑中的寄生阻抗，Rs是Ts期間電流路徑中的寄生阻抗。
求解積分得到 然而假設 ，會發(fā)現(xiàn) 最終有 EQ_13 在Ts時段，重復對電感L3的斜率相同的推導，可以有 EQ_14 由EQ_13和EQ_14可以得到Tp和Ts的關系為 忽略二階效應 因此 傳送到輸出的總電荷為 EQ_15 現(xiàn)在假設以下條件 R＝Rp≌Rs 并且Tp(min)≤Tp≤Tp(max)僅在小范圍內(nèi)調(diào)整，給定，將會有 EQ_16 其中，和 EQ_17 結(jié)合EQ_15、EQ_16和EQ_17可以得到 使用方法1中以上所用的相同名稱慣例，圖9電路的解為
PFM控制方法的另一個優(yōu)點是可以使用在PFM控制中使用的信息來估計傳送到功率變換器的電流。對于電池供電的設備，這可用于“電量計量(fuel gauging)”，如追蹤一個或更多供電的電池中剩余有多少能量。
使用的方法是累積電壓變化，保存每秒鐘使用了多少脈沖的計數(shù)(PR)。每個脈沖的電荷量為 ΔQ＝C·ΔVactual＝C·(Vdbh-Vdbl) 因此負載電流的估計為 Iload＝PR·ΔQ＝PR·C·(Vdbb-Vdbl) 對于圖1的電路，計算的準確性取決于電容C2的容限。由于所有的項是相對固定的，可以僅通過計算脈沖數(shù)來追蹤電流，從而追蹤從電池中消除的能量。
權利要求
1.一種用于調(diào)整功率變換器輸出端子處的應用于負載的輸出電壓的方法，所述功率變換器包含連接在所述輸出端子和接地參考之間的輸出電容，所述方法包括
檢測所述輸出電壓的量值；
將所述輸出電壓的所述量值與第一預定電壓值進行比較，如果所述輸出電壓等于或小于所述第一預定值，確定使所述輸出電壓達到第二預定電壓值所需要的傳導控制信號的特性；并且
提供具有所述特性的傳導控制信號給所述功率變換器。
2.如權利要求1所述的方法，其中提供所述傳導控制信號的步驟包括向所述功率變換器中的一個開關提供所述傳導控制信號。
3.如權利要求2所述的方法，其中確定傳導控制信號的特性的步驟包括在一轉(zhuǎn)換周期內(nèi)為應用而計算一個傳導控制信號的長度。
4.如權利要求2所述的方法，其中確定傳導控制信號的特性的步驟包括在一轉(zhuǎn)換周期內(nèi)為應用而計算多個傳導控制信號的長度。
5.如權利要求2所述的方法，其中所述功率變換器包含用于連接到電位源的輸入端子，并進一步地，其中提供傳導控制信號的步驟包含
在存儲器中存儲對應于電位的量值的多個傳導控制信號的特性；和
檢測所述輸入端子處電位的量值，并基于所述檢測的電位與所述存儲器中存儲的所述量值的比較，提供與所述輸入端子處的所述檢測的電壓的量值對應的所述傳導控制信號。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述功率變換器包含用于連接到電位源的輸入端子，并進一步地，其中確定所述傳導控制信號的特性的步驟包括
檢測所述輸入端子處電壓的量值；和
計算作為所述輸入端子處的所述電壓的所述量值的函數(shù)的所述傳導控制信號的長度。
7.如權利要求6所述的方法，其中計算傳導控制信號的長度的步驟包括
將所述功率變換器中的一個或更多電路元件的參數(shù)存儲到存儲器中；和
計算作為所述存儲的電路參數(shù)的函數(shù)的所述傳導控制信號的所述長度。
8.如權利要求6所述的方法，計算傳導控制信號的長度的步驟包括
將所述功率變換器中的電路元件的估計參數(shù)存儲到存儲器中；和
計算作為所述存儲的估計電路參數(shù)的函數(shù)的所述傳導控制信號的所述長度。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述功率變換器包含第一和第二開關，并進一步地，其中確定傳導控制信號的特性的步驟包括
確定待應用到所述第一和第二開關的、作為所述功率變換器輸入電壓值的函數(shù)的傳導控制信號的長度。
10.如權利要求9所述的方法，其中確定所述傳導控制信號的長度的步驟包括
計算作為所述功率變換器中電路元件的存儲的模型電路參數(shù)的函數(shù)的所述信號的所述長度。
11.如權利要求9所述的方法，其中確定所述傳導控制信號的長度的步驟包括
計算作為所述功率變換器中電路元件的估計電路參數(shù)的函數(shù)的所述信號的所述長度。
12.如權利要求6所述的方法，其中計算作為所述輸入端子處的所述電壓的所述量值的函數(shù)的傳導控制信號的長度的步驟包括
為即將進行的電壓修正，在所述傳導控制信號的所述長度的所述計算中，使用之前修正事件的運行結(jié)果。
13.如權利要求12所述的方法，進一步包括
存儲多個修正事件的運行結(jié)果；和
為即將進行的電壓修正，計算作為所述多個修正事件的所述運行結(jié)果的函數(shù)的所述傳導控制信號的所述長度。
14.如權利要求12所述的方法，進一步包含
由之前修正事件的所述運行結(jié)果，確定用于計算所述傳導控制信號的長度的計算算法中的一項的量值。
15.如權利要求14所述的方法，其中所述項是所述功率變換器中的電路的電感特性和電容特性的函數(shù)。
全文摘要
一種控制開關功率變換器的方法提供了有效算法以控制跨負載的輸出電壓，這些負載是具有小的瞬變的相對輕的負載。當輸出電壓處于或低于預定的第一量值，確定一個或多個脈沖所需的電荷，以將輸出電壓提高到大于目標輸出電壓的預定第二量值。采取修正動作將輸出電壓提高到第二個量值，并且除非輸出電壓確定為處于或低于第一個量值，系統(tǒng)將不采取進一步的修正動作。該方法可用于降壓、升壓、降壓/升壓或其他布局的同步或非同步功率變換器。該方法進一步提供確定從電池釋放的電荷量的簡單方法。
文檔編號G05F5/00GK101218554SQ200680007224
公開日2008年7月9日 申請日期2006年1月5日 優(yōu)先權日2005年1月5日
發(fā)明者米爾頓·D·里貝羅, 肯特·科納罕 申請人:菲爾風暴有限公司