專利名稱：具有滯后控制的功率轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及功率轉(zhuǎn)換器，更具體的，涉及具有滯后控庫啲功率轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
功率轉(zhuǎn)換器對許多現(xiàn)代電子設(shè)備是基本的。在其它性能中，功率轉(zhuǎn)換器可
向下調(diào)節(jié)電壓水平(降壓轉(zhuǎn)換教buckconverter))或向上調(diào)節(jié)電壓水平(升壓轉(zhuǎn) 換教boost converter))。功率轉(zhuǎn)換器也可從交流(AC)功率轉(zhuǎn)換j^l;流(DC) 功率，反之亦然。典型地，功率轉(zhuǎn)換器可采用一個或多個開關(guān)設(shè)備實施，例如 晶體管，其可接通和斷開以將功率傳送到轉(zhuǎn)換器的輸出。功率轉(zhuǎn)換器也可包括 一個或多個電容器或電感器。
在功率轉(zhuǎn)換器的一些應(yīng)用中，負載電流可較大的變化(例如超過多個數(shù)量 級)，這種情況下需要在調(diào)整或控制中的快速響應(yīng)。調(diào)整功率轉(zhuǎn)換器的一個形式 是滯后控制，也稱為開關(guān)式控制(bang bang control )或紋波控制(叩ple regulation)。 在典型的實施中，當(dāng)V。ut在一定電壓(例如5V)以下時，滯后調(diào)整器將接通功 率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)設(shè)備，并在當(dāng)V加在該電壓以上時斷開轉(zhuǎn)換器的開關(guān)設(shè)備。
滯后調(diào)整器相對于包括補償誤差放大器的回路(稱為"線性控制"回路)具 有優(yōu)點。 一個優(yōu)點是決速負載瞬時響應(yīng)，其可最小化所需的輸出電容器值。滯 后調(diào)整器的另一個優(yōu)點是不需回路補償組件。但滯后調(diào)整器具有一些缺點。例 如，輸出電容器(C。w)具有低等效串聯(lián)電阻(ESR)時，這種調(diào)整器傾向于具 有不穩(wěn)定狀態(tài)。更特別地，當(dāng)C。^具有一個很小的ESR值時，轉(zhuǎn)換器輸出電壓 V。^將不隨著開關(guān)設(shè)備的接通而升高，從而導(dǎo)致混亂狀態(tài)。這種不穩(wěn)定狀態(tài)是由 反饋與電感器電流的相不同引起的。
針對這些缺點，根據(jù)之前開發(fā)設(shè)計的功率轉(zhuǎn)換器采用跨導(dǎo)(GM)放大器 檢測電感器兩端的電壓。然后這種轉(zhuǎn)換器采用電容器建立斜坡并加上誤差放大 器的直流誤差電壓。這種之前開發(fā)的設(shè)計的缺點是它需要采用另外的誤差放大 器，從而使得執(zhí)fr滯后控制成為更復(fù)雜的控制
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實施例，在具有第一和第二開關(guān)的直流一直流功率轉(zhuǎn)換器系 統(tǒng)中，第一和第二開關(guān)在公共節(jié)點處連接成半橋配置并通過電感器連接到調(diào)整 輸出端子，其中調(diào)整輸出端子可連接到輸出電容器和負載，提供一種直流一直 流轉(zhuǎn)換器的滯后控制方法。該方法包括以下步驟生成與流經(jīng)電感器的電流成 比例的斜坡電壓；對斜坡電壓與在直流一直流功率轉(zhuǎn)換器調(diào)整輸出端子處出現(xiàn) 的輸出電壓求和以提供追蹤電感器電流的反饋信號；以及響應(yīng)斜坡電壓和輸出 電壓的和控制直流一直流轉(zhuǎn)換器，從而提供直流一直流轉(zhuǎn)換器的滯后控制，其 獨立于輸出電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，在具有第一和第二開關(guān)的直流一直流功率轉(zhuǎn) 換器系統(tǒng)中，第一和第二開關(guān)在公共節(jié)點上連接成半橋配置并通過電感器連接 到調(diào)整輸出端子，其中調(diào)整輸出端子可連接到輸出電容器和負載，提供一種直 流一直流轉(zhuǎn)換器的滯后控制方法。該方法包括以下步驟生成追蹤流經(jīng)電感器 的電流的反饋信號；將反饋信號與參考電壓比較生成控制信號；響應(yīng)控制信號
控制出現(xiàn)在調(diào)整輸出端子處的輸出電壓的大小，從而提供直流一直流轉(zhuǎn)換器的
滯后控制，其獨立于輸出電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)。
在各個實施例中，提供滯后調(diào)整器的系統(tǒng)和方法，其中控制回路的穩(wěn)定性 獨立于輸出電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)。
在一些實施例中，功率轉(zhuǎn)換器滯后控制的系統(tǒng)和方法包括對轉(zhuǎn)換器的輸出 電壓和與電感器電流成比例的斜坡電壓求和的電路，從而提供滯后控制的穩(wěn)定 操作。
在各個實施例中，對輸出電壓和斜坡電壓(與流經(jīng)電感器的電流成比例) 求和的滯后控制電路包括開關(guān)、電容器和斜坡電阻器以進行電壓模式滯后控制 的穩(wěn)定操作。在一些實施例中，斜坡電阻器可用開關(guān)電流源或單傳導(dǎo)(GM)級 替代。
在一些實施例中，功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)可具有恒定頻率?；芈返念l率可ffi51控 制滯后孔或動態(tài)控制斜坡電流(例如斜坡電阻器的值)調(diào)整。頻率反饋，或Vm 和V。w反饋，可用來調(diào)整回路的頻率以使其恒定。
在各個實施例中，如果調(diào)整器需要相位鎖定到外部頻率源的話，相位鎖定 回路(PLL)也可采用。
本發(fā)明的主要技術(shù)優(yōu)點可通過下述附圖，說明書和權(quán)利要求中體現(xiàn)，對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。


為了對本發(fā)明和進一步的特征和優(yōu)點有更完整的理解，現(xiàn)在結(jié)合附圖進行 下述描述以作參考。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的實施方式示意圖。 圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的示意性波形圖。
圖3是功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的功率輸出電路的實施方式示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的另一個實施方式示意圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的另一個實施方式示意圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的另一個實施方式示意圖。
圖7是功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的相位鎖定回路電路的實施方式示意圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的另- 個實施方式示意圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的另一個實施方式示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施例和它們的優(yōu)點參見圖1至9可很好的理解。相同的附圖標(biāo) 記用來表示各附圖中相同和對應(yīng)的部件。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10的實施方式示意圖。 功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)IO可提供直流(DC)功率。功率轉(zhuǎn)換器10可與任何電子設(shè)備 一起使用或包含在任何電子設(shè)備中(該電子設(shè)備中需用到此處描述的直流一直 流轉(zhuǎn)換器)。功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10接收輸入電壓Vm并在輸出端子V。^處提供直流 功率到負載。如圖所示，功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10包括功率輸出電路12，邏輯電路 14，滯后比較器16，雙&單觸發(fā)電路18，電感器20，輸出電容器22，斜坡電 阻器24，電容器26和開關(guān)28。
電感器20在功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10的輸出端子處耦合到輸出電容器22。此處 所用的術(shù)語"耦合'x'連接"，或它的其它變形，覆蓋所有兩個或多個元件之間的耦合或連接方式，無論直接或間接的耦合或連接。功率輸出電路12耦合到電感器 20。功率輸出電路12可包括一個或多個開關(guān)，當(dāng)邏輯電路14的控制信號(Q) 為高時開關(guān)接通，當(dāng)控制信號為低時開關(guān)斷開，由此斜升和斜降電感器20的電 流，從而為輸出電容器22充電和放電，并在輸出端子處提供輸出電壓V。t功 率輸出電路12的示例性實施方式參見圖2所示和詳細描述。
邏輯電路14耦合到皿供控制信號(Q)到功率輸出電路12。該控制信 號控制功率輸出電路12中的開關(guān)的接通禾嘶開。邏輯電路14的控制信號也提 供到雙邊單觸發(fā)電路18。雙邊單觸發(fā)電路18在控制信號Q的上升和下降沿提 供脈沖(RST和LE)。每個RST脈沖閉合開關(guān)28以復(fù)位電容器26。每個LE 脈沖，比RST脈沖長，用于保^^輯電路14的D輸入的狀態(tài)，從而防止當(dāng)LE 脈沖為高的階段斜坡節(jié)點上的晶體管產(chǎn)生狀態(tài)變化。邏輯電路14可用任何合適 的邏輯電路實現(xiàn)，例如D觸發(fā)器，RS觸發(fā)器，或其它執(zhí)行鎖存功能的電路。邏 輯電路14具有接收滯后比較器16和雙邊單觸發(fā)電路18的信號的輸入。對如圖 所示的D觸發(fā)器，這些輸入分別是 (D)和鎖存使能(LE)。在一個實施例 中，邏輯電路14可執(zhí)行鎖存D輸入狀態(tài)的鎖存功能，并將其提供為Q處的輸 出(作為控制信號)。
功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10具有提供或支持滯后控制的控制電路。通常，滯后脈
寬調(diào)制(PWM)控制器相對采用誤差放大器和斜坡的傳統(tǒng)的閉環(huán)控制H;有非常
快速的瞬時響應(yīng)。典型地，滯后控制采用滯后比較器實現(xiàn)。滯后比較器比較輸 出電壓和參考電壓。根據(jù)本發(fā)明實施例的控制電路，允許或使得滯后電壓模式 控制保持功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10的穩(wěn)定性，即使采用具有非常低或幾乎沒有ESR 的輸出電容器22。滯后控制電路ffiil對輸出電壓V。M和與流經(jīng)電感器20的電流 成比例的斜坡電壓求和的方式實現(xiàn)上述目標(biāo)。這相當(dāng)于將電感器電流的AC分 量加到V。ut上，其模擬輸出電容器22的ESR。依次的，這導(dǎo)致斜坡節(jié)點處功率 轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的反饋電壓，與流經(jīng)電感器20的電流同相，從而提供系統(tǒng)的穩(wěn)定操 作。如圖所示，控制電路可包括滯后比較器16，雙邊單觸發(fā)電路18，斜坡電阻 器24，電容器26，和開關(guān)28。
斜坡電阻器24和電容器26在斜坡節(jié)點連接，并可行使或協(xié)作將輸出電壓 V^與追蹤流經(jīng)電感器20的電流的電壓相加或求和。在另一實施例中，輸出電 壓反饋和電感器斜坡電流之和以其它形式實施。輸出電壓V。^與追蹤電感器電
9流斜坡的電壓之和私斜坡節(jié)點處提供。每次邏輯電路14的控制信號變化后(即
DQ觸發(fā)器的Q輸出信號從低至犒或從高到低變化)，由復(fù)位電容器26生成追 蹤電感器斜坡電流的電壓?？刂菩盘?Q)的變化觸發(fā)輸出短脈沖(RST)以閉 合開關(guān)28的雙邊單觸發(fā)電路18。這樣將斜坡節(jié)點(其中斜坡電阻器24連接到 電容器26)的電壓設(shè)置為V。ut。當(dāng)開關(guān)28閉合時電容器26短路。
滯后比較器16，具有相關(guān)的滯后窗口，可以直接設(shè)置紋波電壓Vout的大 小。滯后比較器16有2個輸入端。在一^f俞入端，比較器16接收參考信號REF， 在另一輸入端(斜坡節(jié)點)，滯后比較器16接4M應(yīng)于或表示輸出電壓Vcmt 和與電感器的AC電流斜坡成比例的電壓的和的信號。滯后比較器16將這個電 壓與參考信號(REF)比較，并作為響應(yīng)提供輸出信號至腿輯電路14的一個輸 入端(例如DQ觸發(fā)器的D輸入)。雙邊單觸發(fā)電路18輸出復(fù)位(RST)信 號和鎖存使能(LE)信號。RST信號包含多個脈沖，每一個都在邏輯電路14 的Q輸出信號變化時輸出。RST信號打開和閉合開關(guān)28。 LE信號提供到邏輯 電路14的LE輸入端，以使能或禁用該電路。
當(dāng)開關(guān)28閉合、電容器26復(fù)位時，邏輯電路14的控制信號(Q輸出) 被鎖存在新狀態(tài)，D輸入(連接以接收滯后比較器16的輸出)的進一步變化 都被忽略，直至雙邊單觸發(fā)電路18超時導(dǎo)致RST信號的值改變，從而打開開 關(guān)28。在單觸發(fā)電路18超時的情況下，當(dāng)邏輯電路14的控制信號(Q)為高 時，電容器26從Vout充電；控制信號為低時，電容器26從Vout放電。充電或 放電電流由斜坡電阻器24上的電壓產(chǎn)生。由于在開關(guān)28閉合時斜坡節(jié)點和Vout 等同，斜坡電阻器24上的電壓與電感器20上的電壓相同，從而在電容器26上 產(chǎn)生與電繊20上的電流斜率相同的斜率(如果輸出電容器22相當(dāng)大，且Vout 電壓值在一個周期內(nèi)恒定)。
因此，在一個實施例中，功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10采用單個電容器26生成斜坡 電壓(在斜坡節(jié)點)，并將斜坡電壓與輸出電壓Vout相加。在每次邏輯電路14 的輸出控制信號Q狀態(tài)變化后，開關(guān)28都會將電容器26的電壓復(fù)位為輸出電 壓Vout的值。電容器復(fù)位開關(guān)28的時序由電路18生成，該電路18在控制信 號Q (即雙邊單觸發(fā))的^上升沿或下降沿都輸出脈沖，其中每個脈沖的脈 沖寬度與電感器電流的di/dt成比例。
在各個實施例中，功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10全部或部分可以在單個或多個半導(dǎo)體管芯(通常稱為"芯片")或分立元件上實現(xiàn)。每個管芯是由例如硅或其它合 適的材料形成的單塊結(jié)構(gòu)。在使用多個管芯或元件的實施方案中，管芯和元件
可以裝配在具有多個用于彼此之間傳送信號的跡線(trace)的印刷電路板(PCB) 上。
參考圖2來理解具有滯后控制電路的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10的運行，該圖是 根據(jù)本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)的示意性波形圖100。波形圖100包含波形101 ， 102， 104， 106和108，這些波形分別{ 邊單觸發(fā)電路18的復(fù)位信號(RST) 輸出，邏輯電路14的控制信號(Q)輸出，流經(jīng)電感器20的電流，輸出電壓 Vout，以^I4坡節(jié)點處的電壓。
當(dāng)邏輯電路14輸出的的輸出控帝U信號(Q)為高時，流經(jīng)電感器20的電 流(Ui)值增大。相反，輸出控制信號為低時，流經(jīng)電感器20的電流(Ui) 值減小。逸就產(chǎn)生了電麟20的電流流動的斜坡波形，如圖2所示。由于電感 器電流的斜升或斜降對輸出電容器22進行充電和放電，輸出電壓Voirt的波形 是半正弦波。斜坡節(jié)點的電壓(Vramp)是輸出電壓Vout與追蹤電感器斜坡電
流的電壓之和。當(dāng)電感器電流Ul增大時，Vramp也増加；電感器電流I"減小
時，電壓V,也減小。每當(dāng)輸出控制信號(Q)變化時，雙邊單觸發(fā)電路18 輸出RST信號，其閉合開關(guān)28。這一動作將電容器26短路，使得斜坡節(jié)點的 電壓與Vout相同(即電壓VRAMP等于Vout)。每個RST脈沖過后，電壓V, (斜坡節(jié)點電壓)的值等于輸出電壓Vout和與電感器電流(Ui)成比例的電壓 之和。此后邏輯電路14Q輸出信號的進一步變化被消隱電路鎖定(鎖定時間為 LE脈沖持續(xù)時間，比RST脈沖時間長)，以使功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10穩(wěn)定。
因此功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10具有滯后電壓模式控制來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，即使 使用具有非常低或幾乎沒有ESR的輸出電容器22時。滯后控制電路將輸出電 壓Vout和與流經(jīng)電感器20的電流成比例的斜坡電壓相加，其相當(dāng)于將電自 電流的AC分量與Vout相加。同樣的，模擬了輸出電容器22的ESR。這使得 功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10的電流輸出與Vout同相，從而提供系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
因此，在各個實施例中，提供滯后調(diào)整器的系統(tǒng)和方法，其中控制回路的 穩(wěn)定性與輸出電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)無關(guān)。
在一些實施例中，如圖1所示，滯后調(diào)整器f頓跨過電容的開關(guān)復(fù)位滯后 比較器的輸入。由于輸出電壓本身產(chǎn)生調(diào)整信號，且用電容器的斜率模擬輸出電容器的ESR，所以無需誤差放大器。這使得電路結(jié)構(gòu)較之前開發(fā)的設(shè)計大為 簡化。也就是說，在一些實施例中，ilil在每次控制信號Q變化時用開關(guān)復(fù)位 電容器26，本發(fā)明排除了使用誤差放大器(以執(zhí)行外部DC回路調(diào)整)的必要。
此外，由于不需使用用于DC回路調(diào)整的額外的誤差放大器，根據(jù)本發(fā)明 實施例的滯后調(diào)整器對于瞬態(tài)事件有更決速響應(yīng)，補償和分析也更為簡單。
另外，每個周期起始時斜坡節(jié)點處的直流電壓的泉&使得可以采用電流源 方案(如采用輸出節(jié)點電壓的單個電阻反饋來生成電容器26的充放電電流)取 代以前開發(fā)的設(shè)計中所使用的傳導(dǎo)(GM)放大器。
圖3是功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10的功率輸出電路12的實施方式示意圖。功率輸 出電路12提供使得流經(jīng)電感器20的電流斜升和斜降的輸出信號，從而對輸出 電容器22充電和放電，并在輸出端提供輸出電壓Vout。如圖所示，功率輸出電 路12包括柵極驅(qū)動電路30和開關(guān)32， 34。
開關(guān)32和34在節(jié)點SW以半橋式連接，開關(guān)32作為"高位"開關(guān)，開關(guān) 34作為"低位"開關(guān)。作為高位開關(guān)，開關(guān)32可連接在輸入電壓Vin與節(jié)點SW 之間。作為低位開關(guān)，開關(guān)34可連接在節(jié)點SW和地(GND)之間。針開關(guān) 32和34可以用任何適當(dāng)?shù)脑O(shè)備實現(xiàn)，例如金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) ， IGBT， MOS門控晶閘管或其他適當(dāng)?shù)钠骷?開關(guān)32和34 具有柵極，驅(qū)動電壓施加于其上接通或斷開開關(guān)。在一些實施例中，可以用二 極管代替開關(guān)34。
柵極驅(qū)動電路30連接到開關(guān)32和34的柵極，并輸出接通或斷開開關(guān)32 和34的控制信號。柵極驅(qū)動電路30接收來自邏輯電路14的控制信號(Q輸出)。 當(dāng)控制信號Q為邏輯1時，柵極驅(qū)動電路30斷開開關(guān)34，隨后接通開關(guān)32。 當(dāng)控制信號Q為邏輯O時，柵極驅(qū)動電路30斷開開關(guān)32，并隨后接通開關(guān)34。 在一些實施例中，功率輸出電路12也可同時斷開開關(guān)32和34以防止電感器20 中的電流逆轉(zhuǎn)。
柵極驅(qū)動電路30接通高位開關(guān)32時，功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10將電感器20的 電麟電i斜升并為電容器22充電。當(dāng)柵極驅(qū)動電路30接通低位開關(guān)34時， 功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10斜降電感器20的電流并將電容器22放電。開關(guān)32和34輪 流驅(qū)動。也就是說，高位開關(guān)32不與低位開關(guān)34同時接通。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的其它實施方式是可能的。在一個實施方式中，斜坡電阻器24可用開關(guān)電流源或單傳導(dǎo)級(GM)替代。在另一
個實施方式中，功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)可具有恒定頻率。頻率反饋，或Vm和V。比反饋， 可用來調(diào)節(jié)回路的頻率以使其恒定。例如回路的頻率可通過控制滯后孔或控制
斜坡電流(例如，斜坡電阻器24的值)來動態(tài)調(diào)節(jié)。在其它實施方式中，如果 需要調(diào)整器相位鎖定到外部頻率源的話，相位鎖定回路(PLL)也可采用。根據(jù) 各個實施例功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中提供的其它改進或特征包括，執(zhí)行軟啟動的電路 和軟啟動檢測的終端，電流限制，下垂，和多相操作。這種實施方式參考以下 圖4至9所示和描述。
圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)310的另一個實施方式示 意圖。功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)310可在V。ut處提供直流(DC)功率。圖4所示的功率 轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)310與圖1所示的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10類似，同樣地，包括功率輸出 電路12，邏輯電路14，滯后比較器16，雙邊單觸發(fā)電路318，電感器20，輸出 電容器22，斜坡電阻器24，和電容器26。代替功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)IO中的開關(guān)28， 功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)110具有電阻器312。這樣簡化了雙邊單觸發(fā)電路318 (與圖l 中的雙邊單觸發(fā)電路18比較)的控制邏輯，并具有為控制回路提供更多阻尼的 效果。
圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)110的另一個實施方式示意圖。 功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)110可在V。^處提供直流(DC)功率。圖5所示的功率轉(zhuǎn)換器 系統(tǒng)110與圖1所示的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10對以，同樣地，包括功率輸出電路12， 邏輯電路14，滯后比較器16，雙邊單觸發(fā)電路18，電感器20，輸出電容器22， 電容器26，和開關(guān)28。代替功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10中的斜坡電阻器，功率轉(zhuǎn)換器 系統(tǒng)110具有開關(guān)電流源。如圖所示，開關(guān)電流源可由電流源112， 114和開關(guān) 116實現(xiàn)。電流源112提供為電容器26充電的電流，電流源114提供為電容器 26放電的電流。開關(guān)116可由控制信號Q (邏輯電路14的輸出)控制并行使將 電流源112連接到斜坡節(jié)點或與斜坡節(jié)點斷開以為電容器26充電的功能。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)410的另一個實施方式 的示意圖。圖6所示的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)410與圖5所示的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)110 類似，功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)410也包括頻率和/或相位鎖定回路(PLL)電路412。 PLL電路412.接收控制信號Q和頻率參考(Frfj)信號，并輸出PLL控制電流 (Ipll)，其可加入電流源112和114的電流中或從電流源112和114的電流中減去。PLL電路可行使將轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的頻率鎖定為外部頻率源的功能。
圖7是功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的相位鎖定回路(PLL)電路412的實施方式的示 意圖，如圖所示，PLL電路412包括鑒相/鑒頻模塊414，電荷泵416，電容器 418，跨導(dǎo)(GM)放大器420，和電流導(dǎo)引(steering)模塊422。
操作中，如果控制信號Q的頻率高于頻率參考(Fref)信號，鑒ffi/鑒頻模 塊414的輸出信號DN為高比其為低更常見。這導(dǎo)致流入電容器418的凈電流 為負的，從而電容放電。相反，如果控制信號Q的頻率低于頻率參考(Fref) 信號，貝懶出信號DN為低比其為高的次數(shù)更多。這導(dǎo)致流入電容器418的凈 電流為正的，從而為電容充電。電容器418節(jié)點處的電壓為頻率誤差(V,) 信號。
頻率誤差(Vferr)信號提供給GM放大器420的非反相輸入端，GM放大 器420輸出與V,信號成比例的CD電流。當(dāng)控制信號Q為高時電流引導(dǎo)模 塊422將引導(dǎo)CD電流至膀科皮電容器26 (圖6)，當(dāng)控制信號Q為低時將斜坡電 容器26上的CD電流反轉(zhuǎn)。典型地，Sil過電流鏡和開關(guān)完成。另外，V, 信號可采用圖6中電流源112和114的倍增GM放大器直接用來設(shè)置電流增益 (圖6中的"K")
圖8是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)510的另一個實施方式示 意圖。在功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)510中，頻率可通過調(diào)整或改變滯后比較器16中的滯 后量來控制。在這個實施方式中，頻率誤差(Vferr)信號(參見圖7)控制用 于設(shè)置滯后量的電流源的強度。增加滯后將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器頻率降低；減少滯后將 導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器頻率升高。
在功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)510中，PLL的輸出用于控制滯后。頻率控制(FCTRL) 信號設(shè)置滯后電流(Ihyst)生淑莫塊512匯集和供給的電流量。當(dāng)控制信號Q 為高時，IHW生成模塊512給滯后電阻器(Rhyst) 514供給電流，導(dǎo)致比較器 16的非反相(+)端的電壓比參考電壓REF大的多。相反，當(dāng)控制信號Q為低 時，滯后電流lHYSTffl31滯后電阻器(Rhyst) 514匯集，導(dǎo)致比較器16的非反 相(+)端比參考電壓REF大的多。頻率控制(FCTRK)信號可直接由頻率誤 差(V,)信號(附圖7)和反轉(zhuǎn)的DN信號(或m交換的鑒相/鑒頻模塊414 的頻率輸入信號)驅(qū)動，由此當(dāng)控制信號Q的頻率高于頻率參考(Fref)信號 的頻率時，VfERR信號將提高電壓。因此，滯后生成器可采用鑒相/鑒頻模塊414(圖7)來控制開關(guān)頻率。
控制功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)頻率的另一方法包括改變基于V1N和VOUT的滯后
量。這種實施方式基于以下等式設(shè)置滯后電流(Ihyst): I腦產(chǎn)K1 *VIN+K2*V0UT
其中Kl和K2 M)l計算Kl和K2額定值的操作頻率按經(jīng)驗得到，接著在 要求的操作范圍內(nèi)改變VIN和VOUT，并調(diào)整K1和K2直到頻率偏離最小化。 類似的，同樣的頻率調(diào)整可基于VIN和VOUT， Mil調(diào)整基于VIN和VOUT 的斜坡電容器26的充放電來實現(xiàn)。
圖9是本發(fā)明一個實施例的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)210的另一實施方式示意圖。 圖9所示的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)210與圖1所示的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10類似，同樣地， 包括功率輸出電路12，邏輯電路14，滯后比較器16，雙邊單觸發(fā)電路18，電 感器20，輸出電容器22，電容器26，開關(guān)28， 116，和電流源112， 114。代替 功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10中滯后比較器16輸入端的基本參考信號，附圖9中的功率 轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)210具有為比較器16的該輸入端提供信號的另一電路。如圖所示， 該另一電路包括滯后電流(Ihyst)生成器212，運算放大器214,和電阻器216， 218和220。
因此，如此處所述，提供的滯后調(diào)整器的系統(tǒng)和方法中控制回路的穩(wěn)定性 獨立于輸出電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)。根據(jù)一些實施例的滯后調(diào)整器模擬 ESR。功率轉(zhuǎn)換器的滯后控制的系統(tǒng)和方法包括對轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和與電感 器電流成比例的斜坡電壓的求和的電路，從而提供滯后控制的穩(wěn)定運行。在各 個實施例中，對輸出電壓和斜坡電壓(與流經(jīng)電感器的電流成比例)的求和的 滯后控制電路包括開關(guān)，電容器，和斜坡電阻器，促成電壓模式滯后控制的穩(wěn) 定操作。在一些實施例中，斜坡電阻器可由開關(guān)電流源或單傳導(dǎo)(GM)級代替。 在一些實施例中，調(diào)整器的頻率可通過基于頻率比較器、相位鎖定回路或基于 VTN和VOUT的計算，調(diào)整滯后或斜坡電流來控制。在其它實施例中，基本控 制回路包括在多種輸入輸出電壓劍牛下保持頻率疸定的多種技術(shù)。
盡管已對本發(fā)明及其優(yōu)點進行詳細描述，應(yīng)當(dāng)理解的是不脫離本發(fā)明權(quán)利 要求定義的精神和范圍可以進行各種變化，置換，和變更。也就是說，討論包 括該申請意欲作為基礎(chǔ)描述。應(yīng)當(dāng)理解為細節(jié)論述并不能明確描述所有可能的 實施例，許多替代方案是隱含的。此處也不能完全說明本發(fā)明的類別特征，也不能明確示出每個特征或元件實際上如何能夠代表多個功能或多種替代或等價 元件。再者，這些隱含在該發(fā)明中。其中本發(fā)明采用針對設(shè)備的術(shù)語，設(shè)備的 齡元件固有執(zhí)行一個功能。說明和術(shù)語都不能限制權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1、在直流—直流功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中的直流—直流轉(zhuǎn)換器的滯后控制電路，該直流—直流功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)具有第一和第二開關(guān)，第一和第二開關(guān)在公共節(jié)點連接成半橋配置并通過電感器連接到調(diào)整輸出端子，其中調(diào)整輸出端子可連接到輸出電容器和負載，包括生成與流經(jīng)電感器的電流成比例的斜坡電壓的電路；對斜坡電壓與在直流—直流功率轉(zhuǎn)換器調(diào)整輸出端子處出現(xiàn)的輸出電壓求和以提供追蹤電感器電流的反饋信號的電路；以及響應(yīng)斜坡電壓和輸出電壓的和來控制直流—直流轉(zhuǎn)換器、從而提供獨立于輸出電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)的直流—直流轉(zhuǎn)換器的滯后控制的電路。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l的滯后控制電路，其中生^I4坡電壓的電路包括連接到 電感器的斜坡電阻器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1的滯后控制電路，其中生成斜坡電壓的電路和求和電路 包括斜坡電阻器，連接到電感器；禾口電容器，払斜坡節(jié)點處連接到斜坡電阻器。
4、 根據(jù)權(quán)禾腰求3的滯后控制電路，其中求和電路包括可操作接通以連接 調(diào)整輸出端子到斜坡節(jié)點的開關(guān)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1的滯后控制電路，其中控制電路包括可操作來比較反饋 信號與參考信號以生成輸出信號的滯后比較器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5的滯后控制電路，其中控制電路包括耦合到滯后比較器 的邏輯電路，其可操作來提供響應(yīng)輸出信號從而接通和斷開第一和第二開關(guān)的 控制信號。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6的滯后控制電路，包括可操作接通以連接調(diào)整輸出端子 到斜坡節(jié)點的第三開關(guān)，其中控制電路包括耦合到邏輯電路并可操作生成接通 第三開關(guān)的信號的單觸發(fā)電路。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1的滯后控制電路，其中生成斜坡電壓的電路和求和電路包括第三開關(guān)，可操作接通以連接調(diào)戀俞出端子至膀斗坡節(jié)點；電容器，耦合到斜坡節(jié)點；禾口開關(guān)電流源，耦合到斜坡節(jié)點并可操作為電容器充放電。
9、 根據(jù)權(quán)禾腰求8的滯后控制電路，包括相位鎖定回路電路，其耦合到開 關(guān)電流源并可操作將滯后控制電路的頻率鎖相到外部頻率源。
10、 在直流一直流功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中的直流一直流功率轉(zhuǎn)換器的滯后控制 方法，該直流一直流功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)具有第一和第二開關(guān)，第一和第二開關(guān)在 公共節(jié)點連接成半橋配置并通過電感器連接至糊整輸出端子，其中調(diào)整輸出端 子可連接到輸出電容器和負載，包括生成與流經(jīng)電感器的電流成比例的斜坡電壓；對斜坡電壓與ifcl流一直流功率轉(zhuǎn)換器調(diào)整輸出端子處出現(xiàn)的輸出電壓求 和以提供追蹤電感器電流的反饋信號；以及響應(yīng)斜坡電壓和輸出電壓的和來控制直流一直流轉(zhuǎn)換器，從而提供獨立于 輸出電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)的直流一直流轉(zhuǎn)換器的滯后控制。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中生成斜坡電壓包括提供連接到電感器的 斜坡電阻器。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，包括將斜坡電壓與輸出電壓的和與參考電壓 比較。
13、 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中反饋信號與電感器電流同相。
14、 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，包括將直流一直流功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的頻率鎖 相到外部頻率源。
15、 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中控制直流一直流轉(zhuǎn)換器包括響應(yīng)斜坡電 壓和輸出電壓的和接通和斷開第一和第二開關(guān)。
16、 在直流一直流功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中的直流一直流功率轉(zhuǎn)換器的滯后控制 電路，該直流一直流功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)具有第一和第二開關(guān)，第一和第二開關(guān)在 公共節(jié)點連接成半橋配置并通過電感器連接到調(diào)整輸出端子，其中調(diào)整輸出端 子可連接到輸出電容器和負載，包括生成與流經(jīng)電感器的電流成比例的斜坡電壓的裝置；對斜坡電壓與在直流一直流功率轉(zhuǎn)換器調(diào)整輸出端子處出現(xiàn)的輸出電壓求 和以提供超宗電f繊電流的反饋信號的裝置；以及響應(yīng)斜坡電壓和輸出電壓的和控制直流一直流轉(zhuǎn)換器，從而提供獨立于輸出電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)的直流一直流轉(zhuǎn)換器的滯后控制的裝置。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16的滯后控制電路，其中生成斜坡電壓的裝置包括連接 到電 的斜坡電阻器。
18、 根據(jù)權(quán)利要求16的滯后控制電路，其中生成斜坡電壓的裝置和求和裝置包括斜坡電阻器，連接到電感器；和電容器，払斜坡節(jié)點處連接至膀斗坡電阻器。
19、 根據(jù)權(quán)利要求16的滯后控制電路，其中控制裝置包括可操作來比較反 饋信號與參考信號以生成輸出信號的滯后比較器。
20、 根據(jù)權(quán)利要求16的滯后控制電路，其中生j^t斜坡電壓的裝置和求和電 路包括第三開關(guān)，可操作接通以連接調(diào)整輸出端子到斜坡節(jié)點； 電容器，耦合到斜坡節(jié)點；和開關(guān)電流源，耦合到斜坡節(jié)點并可操作為電容器充放電。
21 、在直流一直流功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中的直流一直流功率轉(zhuǎn)換器的滯后控制 方法，該直流一直流功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)具有第一和第二開關(guān)，第一和第二開關(guān)在 公共節(jié)點連接成半橋配置并通過電感器連接至U調(diào)MU出端子，其中調(diào)整輸出端 子連接到輸出電容器和負載，包括生成i&^流經(jīng)電自的電流的反饋信號；將反饋信號與參考電壓比較生成控制信號；以及響應(yīng)控制信號控制出現(xiàn)在調(diào)整輸出端子處的輸出電壓的大小，從而提供獨 立于輸出電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)的直流一直流轉(zhuǎn)換器的滯后控制。
22、 根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中生成反饋信號包括 生成與電 電流成比例的斜坡電壓；禾口對斜坡電壓與在直流一直流功率轉(zhuǎn)換器調(diào)整輸出端子處出現(xiàn)的輸出電壓求和。
23、 根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中反饋信號與電感器電流同相。
24、 根據(jù)權(quán)利要求21的方法，包括將直流一直流功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的頻率鎖 相到外部頻率源。
25、 根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中控制直流一直流轉(zhuǎn)換器包括響應(yīng)控制信號接通和斷開第一和第二開;
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供一種具有第一和第二開關(guān)的直流—直流功率轉(zhuǎn)換器(10)系統(tǒng)的滯后控制的方法，第一和第二開關(guān)耦合在半橋配置的公共節(jié)點上并通過電感(20)耦合到調(diào)整輸出端子，其中調(diào)整輸出端子可耦合到輸出電容(22)和負載。該方法包括追蹤流經(jīng)電感的電流而生成反饋信號，將反饋信號與參考電壓比較以生成控制信號，并響應(yīng)控制信號控制在調(diào)整輸出端子出現(xiàn)的輸出電壓的大小，從而為直流—直流轉(zhuǎn)換器(10)提供滯后控制，而不依賴于輸出電容(22)的等效串聯(lián)電阻(ESR)。
文檔編號G05F1/00GK101548252SQ200780030661
公開日2009年9月30日 申請日期2007年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月18日
發(fā)明者J·克萊恩 申請人:美國快捷半導(dǎo)體有限公司