專利名稱：具有前向和后向控制的轉(zhuǎn)換器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種轉(zhuǎn)換器電路，它基于開關(guān)操作模式而把具有第一值的輸入信號轉(zhuǎn)換為具有第二值的輸出信號。本發(fā)明還涉及一種相應(yīng)的轉(zhuǎn)換方法。
背景技術(shù)：
在所有的電子設(shè)備中實(shí)際上都可以找到受調(diào)節(jié)的供電設(shè)備或受控供電設(shè)備，這些設(shè)備包括電池充電器、蜂窩電話、計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)監(jiān)視器、電視機(jī)、音頻設(shè)備和視頻攝像機(jī)。一種典型的供電設(shè)備是轉(zhuǎn)換器，例如直流-直流轉(zhuǎn)換器(下稱DC轉(zhuǎn)換器)，它由電源供電而工作，作為中間過程產(chǎn)生交流信號，并且把輸出信號傳遞給負(fù)載。DC轉(zhuǎn)換器接受DC輸入電壓，并產(chǎn)生DC輸出電壓。通常，所得到的輸出電壓與輸入電壓的值或電平不相同。
在典型的脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)節(jié)器電路中，向開關(guān)器件的控制端提供方波，以控制其接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)。由于開關(guān)器件不斷增大的接通時(shí)間導(dǎo)致輸出電壓增大(反之亦然)，可以通過操縱方波的占空比來控制輸出電壓。由控制回路中的控制電路完成這樣的操縱，該控制電路持續(xù)地比較輸出電壓和參考電壓，并調(diào)整方波的占空比，以維持實(shí)際上恒定的輸出電壓。
作為選擇，在比上述PWM模式小的輸出電流值情況下，電壓調(diào)節(jié)的脈沖頻率調(diào)制(PFM)可給出較好的效率。首先，PFM模式所需的用于維持恒定輸出電壓的導(dǎo)通轉(zhuǎn)變比PWM模式要小，這就導(dǎo)致開關(guān)晶體管中的柵極驅(qū)動功耗比較低。其次，由于能夠以具有較少組件的更為簡單的控制電路來實(shí)現(xiàn)PFM模式，所以PFM模式的控制回路中的功耗小于PWM模式的控制回路中的功耗。然而，當(dāng)輸出電流達(dá)到中等水平時(shí)，電壓調(diào)節(jié)的PFM模式變得不切實(shí)際，這是因?yàn)镻FM模式的最大可用輸出電流通常小于PWM模式的最大可用輸出電流。
圖1示出傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器電路的示意性框圖，該電路根據(jù)可變的輸入電壓Vin產(chǎn)生受調(diào)節(jié)的輸出電壓Vout。輸出電壓Vout可以具有比輸入電壓Vin更高的值，而且盡管輸入電壓Vin和負(fù)載可能發(fā)生變化，但輸出電壓Vout實(shí)際上是恒定的。這種DC電壓轉(zhuǎn)換器通常使用電感器L來存儲流過電感器L和開關(guān)器件20的電流所產(chǎn)生的能量，其中開關(guān)器件可以是功率三極管或其它可控半導(dǎo)體開關(guān)器件。開關(guān)器件20用于切斷各自的電流路徑，從而把存儲在電感器L中的能量以電流的方式通過二極管D發(fā)送到輸出端，并對與輸出端并聯(lián)的電容器C進(jìn)行充電。通過持續(xù)地接通和切斷開關(guān)器件20，持續(xù)地把存儲在電感器L中的能量通過二極管D轉(zhuǎn)移到電容器C，并對電容器C進(jìn)行充電。二極管D用于提供電容器C的電壓與開關(guān)器件20的電壓之間的去耦合，從而，使得輸出電壓Vout可以高于輸入電壓Vin。正如已經(jīng)提到的那樣，開關(guān)器件20可以受具有固定頻率的PWM操作模式的控制，其中，對開關(guān)階段的占空比或持續(xù)時(shí)間進(jìn)行控制，以保持輸出電壓Vout實(shí)際上恒定。
另一方面，開關(guān)器件20可按PFM操作模式工作，其中，改變開關(guān)頻率，以保持輸出電壓Vout實(shí)際上恒定。開關(guān)操作模式受驅(qū)動器電路10的控制，該電路包括振蕩器并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(如矩形信號)，該信號被提供給開關(guān)器件20的控制端。
輸出電壓Vout受到反饋回路40的調(diào)節(jié)或控制，反饋電路40將輸出電壓Vout的值與參考電壓進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果而調(diào)整開關(guān)頻率或占空比。為了提高轉(zhuǎn)換器的效率，可以在二極管D處提供附加的開關(guān)器件30，或是為了去除二極管D的閾值電壓而用開關(guān)器件30取代二極管D。所述附加的開關(guān)器件30可以由單獨(dú)的驅(qū)動器設(shè)備來控制，也可以由控制開關(guān)器件20的驅(qū)動器設(shè)備10來控制。
下面描述DC轉(zhuǎn)換器的完整三段工作周期在第一階段，接通開關(guān)器件20并切斷附加的開關(guān)器件30，從而使電流流過電感器L和開關(guān)器件20，并將一個(gè)振蕩器周期的能量存儲在電感器L中。
在第二階段，切斷開關(guān)器件20并接通附加的開關(guān)器件30，從而現(xiàn)在電流流至電容器C，并將能量發(fā)送到電容器C。
在第三階段，同時(shí)切斷開關(guān)器件20和附加的開關(guān)器件30，例如在第一和第二階段之間，或者是在輸出電壓Vout已經(jīng)達(dá)到正確或期望的電壓值時(shí)。
如果輸出電壓過低，則通過反饋回路40能夠或開始新的工作周期，使輸出電壓Vout受到反饋回路40的控制，從而增大開關(guān)頻率或占空比。為了避免開關(guān)器件20和附加的開關(guān)器件30同時(shí)被接通，驅(qū)動器設(shè)備10必須小心地控制開關(guān)階段。
能夠發(fā)送到輸出端的能量總量與電感器L的電感值和驅(qū)動器設(shè)備10中的振蕩器的開關(guān)周期直接相關(guān)。對于給定的電感值和振蕩器頻率，僅能夠針對有限的輸入電壓范圍而傳遞期望的輸出功率。結(jié)果，所不期望的或者突然的超過這一有限范圍之外的輸入電壓下降可能會導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生相當(dāng)大的變化。
文獻(xiàn)US 2003/0214276 A1公開了一種DC轉(zhuǎn)換器，其中使用用于提供輸出電流的開關(guān)器件，以產(chǎn)生受調(diào)節(jié)的輸出電壓和輸出電流，并使用在PWM模式下工作的第一控制電路，并以可選擇的方式使用在PFM模式下工作的第二控制電路，來控制所述開關(guān)器件。第二控制電路中包括第二反饋電路，而且在第二反饋電路中引入了時(shí)間的延遲，以便引入脈沖頻率限制。借此，能夠檢測轉(zhuǎn)換器在PFM模式下工作時(shí)可能出現(xiàn)的過載條件，而且能夠切換回PWM模式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種轉(zhuǎn)換器電路和轉(zhuǎn)換方法，借助所述電路和方法，能夠防止，或者至少減輕所不期望的輸入電壓下降導(dǎo)致的有害影響。
通過一種上述類型的轉(zhuǎn)換器電路實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述電路包括a)第一控制回路，用于把所述輸入信號的第一值與第一參考值進(jìn)行比較，并響應(yīng)比較結(jié)果而控制所述開關(guān)操作模式的開關(guān)參數(shù)；以及
b)第二控制回路，用于把所述輸出信號的第二值與第二參考值進(jìn)行比較，并響應(yīng)比較結(jié)果而控制所述開關(guān)操作模式的開關(guān)參數(shù)。
另外，通過一種上述類型的方法來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述方法包括步驟a)第一比較步驟，用于把所述輸入信號的第一值與第一參考值進(jìn)行比較；b)第一控制步驟，用于響應(yīng)所述第一比較步驟的結(jié)果而起始對所述開關(guān)操作模式的開關(guān)參數(shù)的控制；c)第二比較步驟，用于把所述輸出信號的第二值與第二參考值進(jìn)行比較；以及d)第二控制步驟，用于響應(yīng)所述第二比較步驟的結(jié)果而起始對所述開關(guān)參數(shù)的控制。
相應(yīng)地，給出一種附加的前向控制回路，它監(jiān)測輸入信號值，并基于監(jiān)測結(jié)果而控制開關(guān)參數(shù)，從而在輸入電壓下降或變化時(shí)，能夠直接改變開關(guān)頻率或另一開關(guān)參數(shù)。因此，不僅關(guān)于輸出負(fù)載，而且還在較寬的輸入電壓范圍上對輸出電壓Vout進(jìn)行正確的調(diào)節(jié)。這就提高了電能的效率和轉(zhuǎn)換器電路的可靠性。
所述第一值可以是輸入信號的電壓值，第二值可以是輸出信號的電壓值。由此，作為雙回路轉(zhuǎn)換器電路的特殊示例，能夠獲得改進(jìn)的DC電壓轉(zhuǎn)換器。
所述開關(guān)參數(shù)可以是開關(guān)操作模式的工作頻率。在這種情況下，第一受控回路適于在第一值下降到第一參考值之下時(shí)降低工作頻率。作為開關(guān)參數(shù)而使用的工作頻率，提供了具有簡單可控振蕩器(如電壓受控振蕩器)的簡單驅(qū)動器設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。
此外，所述轉(zhuǎn)換可以基于至少一個(gè)開關(guān)電感器。
此外，可以提供序列發(fā)生器裝置，用于僅當(dāng)完成一個(gè)操作周期后才允許對開關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制。這確保了操作周期總是正確地結(jié)束，而且不會由于階段改變而對輸出電壓造成有害影響。另外，序列發(fā)生器裝置可以首選為第二控制回路。由此確保了兩個(gè)控制回路的工作而不出現(xiàn)干擾。
可將所述轉(zhuǎn)換器電路布置在用于產(chǎn)生電子設(shè)備供電的集成電路中，其中，第一控制回路包括用于監(jiān)測集成電路供電電壓的監(jiān)測裝置。這一點(diǎn)是有利的，因?yàn)槟軌虬鸭呻娐分幸呀?jīng)提供的電壓監(jiān)測電路至少部分地并入轉(zhuǎn)換器電路。


以下將參照附圖，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行描述。
圖1示出傳統(tǒng)DC轉(zhuǎn)換器電路的示意性框圖；圖2示出所述優(yōu)選實(shí)施例的DC轉(zhuǎn)換器電路的示意性框圖。
具體實(shí)施例方式
在DC轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上描述優(yōu)選實(shí)施例，其中，所述DC轉(zhuǎn)換器可以在用于產(chǎn)生電子設(shè)備(如智能卡)供電的集成電路中使用。
圖2示出所述優(yōu)選實(shí)施例DC轉(zhuǎn)換器的示意性框圖。除了圖1中的傳統(tǒng)電路之外，本優(yōu)選實(shí)施例包括輸入控制回路60，控制回路60監(jiān)測或測量輸入電壓Vin的值，并把這個(gè)值與參考電壓發(fā)生器52提供的輸入?yún)⒖茧妷哼M(jìn)行比較，其中，參考電壓發(fā)生器52可以是適于根據(jù)供電電壓而產(chǎn)生參考電壓的半導(dǎo)體電路或電阻網(wǎng)絡(luò)。在本優(yōu)選實(shí)施例中，參考電壓發(fā)生器52還可以產(chǎn)生第一參考電壓，這個(gè)電壓被提供給輸出控制或反饋回路40。
應(yīng)予注意的是，開關(guān)器件20、具有振蕩器的驅(qū)動器設(shè)備10、附加的開關(guān)器件30以及輸出控制回路40的基本功能實(shí)際上與結(jié)合圖1所描述的傳統(tǒng)電路相對應(yīng)，所以，為簡明計(jì)，這里就可以省略對電路中這些部件的描述。
附加的輸入控制回路60可以被看作是前向控制回路，由于振蕩器的頻率或任何其它開關(guān)參數(shù)，如占空比狀況等，是基于輸入電壓Vin的值的監(jiān)測結(jié)果而被調(diào)整的，所以，附加的輸入控制回路60利用唯一一個(gè)電感器L的電感值而得到較寬的輸入電壓范圍。當(dāng)輸入電壓Vin過低時(shí)，降低振蕩器頻率，以增大轉(zhuǎn)換器電路工作周期中最初描述的第一階段持續(xù)時(shí)間，從而，使得在電感器L中能夠存儲更多的能量，由此，就能夠向輸出端(電容器C)發(fā)送更多的能量。
當(dāng)然，輸入控制回路60可以控制開關(guān)工作中的其它開關(guān)參數(shù)，借此調(diào)整轉(zhuǎn)換器電路操作階段的持續(xù)時(shí)間。
在輸入電壓Vin出現(xiàn)快速變化的情況下，新的輸入控制回路60通過改變振蕩器頻率或其它開關(guān)參數(shù)而進(jìn)行快速的反應(yīng)。然而，這個(gè)快速參數(shù)改變可能導(dǎo)致狀態(tài)的改變，這可能對當(dāng)前工作周期產(chǎn)生干擾，例如，這會同時(shí)接通開關(guān)器件20和附加的開關(guān)器件30，從而導(dǎo)致輸出電壓Vout的急劇下降。通過可選地提供附加的序列發(fā)生器70，可以避免這種有害的影響。附加的序列發(fā)生器70對開關(guān)器件20和附加的開關(guān)器件30所涉及的不同工作狀態(tài)進(jìn)行控制，并且，僅當(dāng)完成一個(gè)工作周期后，才可使開關(guān)參數(shù)發(fā)生改變。序列發(fā)生器70可以是被布置為狀態(tài)機(jī)構(gòu)的數(shù)字序列發(fā)生器，比如具有狀態(tài)鎖存或存儲行為的邏輯電路。序列發(fā)生器70給出的優(yōu)點(diǎn)在于工作循環(huán)總是正確的，而且能夠防止輸出電壓的急劇下降。
所提出的具有如此附加輸入控制回路60和可選的序列發(fā)生器70的轉(zhuǎn)換器電路提供如下效果在輸入電壓Vin下降或改變時(shí)，自動地進(jìn)行改變振蕩器頻率和其它開關(guān)參數(shù)當(dāng)中的至少一項(xiàng)。如果提供了序列發(fā)生器70，那么控制回路40、60工作時(shí)不會發(fā)生干擾。然而，可以首選輸出控制回路40，從而使輸出控制回路40能夠在由輸入控制回路60導(dǎo)致開關(guān)參數(shù)出現(xiàn)任何改變之前，即完成其工作周期。結(jié)果，工作循環(huán)總是正確的，并且是完整的，而不會出現(xiàn)由突然的狀態(tài)改變所引致的輸出電壓假信號或短路。因此，不僅關(guān)于輸出負(fù)載的變化、而且在較寬的輸入電壓范圍，都能夠?qū)敵鲭妷篤out進(jìn)行正確的調(diào)節(jié)或控制。這就提高了功率效率和所提出的轉(zhuǎn)換器的可靠性。
應(yīng)予注意的是，所提出的轉(zhuǎn)換器可以用于需要參照收入信號值的較寬變化而調(diào)節(jié)輸出信號的任何電路中，其中，所述輸出信號可以是輸出電壓Vout或輸出電流，而所述輸入信號可以是輸入電壓Vin或輸入電流。作為特殊的示例，所提出的轉(zhuǎn)換器可以在用于產(chǎn)生電子設(shè)備(如智能卡)供電的集成電路中使用。
如果用于集成電路中，那么輸入控制回路60可以包括電壓監(jiān)控器、監(jiān)測電路或單元，它對集成電路自身的供電進(jìn)行測量或監(jiān)測。當(dāng)供電突然下降時(shí)，監(jiān)控器電路向所提出的轉(zhuǎn)換器發(fā)送信號，以改變轉(zhuǎn)換器的開關(guān)參數(shù)(如工作頻率)，而不會引起轉(zhuǎn)換器輸出端的任何電壓下降。因此，比如智能卡的停用階段，可以把用于向比如智能卡供電的輸出電壓Vout保持在正確的調(diào)節(jié)值。
總之，所提出的附加的輸入控制回路60能夠防止輸入電壓Vin快速改變期間出現(xiàn)的所不期望有的開關(guān)狀態(tài)，并能防止隨后發(fā)生的控制電路開關(guān)頻率或開關(guān)參數(shù)狀況改變。作為優(yōu)選，可以使用附加的序列發(fā)生器70，它允許開關(guān)參數(shù)僅當(dāng)完成一個(gè)工作周期后才發(fā)生改變。借此，兩個(gè)控制回路40、60能夠不發(fā)生干擾地工作著，同時(shí)，可以首選控制回路40、60當(dāng)中之一，最好是輸出控制回路40。
應(yīng)予注意的是，本發(fā)明不限于上述優(yōu)選實(shí)施例，而是可以用于使用開關(guān)操作模式把具有第一值的輸入信號轉(zhuǎn)換為具有第二值的輸出信號的任何轉(zhuǎn)換器電路。此外，所提出的附加輸入控制回路60可以用于基于開關(guān)操作模式的所有種類的轉(zhuǎn)換器電路，例如，逐步降低降壓的轉(zhuǎn)換器、逐步升高升壓的轉(zhuǎn)換器、降壓-升壓轉(zhuǎn)換器、CUK轉(zhuǎn)換器、隔離DC轉(zhuǎn)換器、回掃轉(zhuǎn)換器、前向轉(zhuǎn)換器和電流轉(zhuǎn)換器。因此，所述優(yōu)選實(shí)施例可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)發(fā)生改變。
還必須注意的是，說明書和權(quán)利要求中使用的術(shù)語“包括”指定了所述特征、裝置、步驟或組件的存在，但是不排除附加的一個(gè)或多個(gè)其它特征、裝置、步驟、組件或其組合的存在。此外在權(quán)利要求中，元件前面的單數(shù)冠詞不排除存在多個(gè)該元件。此外，任何附圖標(biāo)記都不會限制權(quán)利要求的范圍。本發(fā)明能夠通過硬件和軟件來實(shí)現(xiàn)，而且若干個(gè)“裝置”可以由同一項(xiàng)或同一個(gè)硬件來表示。還應(yīng)當(dāng)注意的是，單獨(dú)描述的或者與其它特征或優(yōu)點(diǎn)一起描述的本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)也能夠以組合的形式或者單獨(dú)的形式出現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種轉(zhuǎn)換器電路，它根據(jù)開關(guān)操作模式而把具有第一值的輸入信號轉(zhuǎn)換為具有第二值的輸出信號，所述轉(zhuǎn)換器電路包括a)第一控制回路(60)，用于把所述輸入信號的第一值與第一參考值進(jìn)行比較，并響應(yīng)比較結(jié)果而控制所述開關(guān)操作模式的開關(guān)參數(shù)；以及b)第二控制回路(40)，用于把所述輸出信號的第二值與第二參考值進(jìn)行比較，并響應(yīng)比較結(jié)果而控制所述開關(guān)操作模式的所述開關(guān)參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器電路，其中，所述第一值是所述輸入信號(Vin)的電壓值，第二值是所述輸出信號(Vout)的電壓值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器電路，其中，所述開關(guān)參數(shù)是所述開關(guān)操作模式的工作頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器電路，其中，所述第一控制回路(60)適于在所述第一值下降到第一參考值之下時(shí)降低所述操作頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器電路，其中，所述轉(zhuǎn)換基于至少一個(gè)開關(guān)電感器(L)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器電路，其中，還包括序列發(fā)生器裝置(70)，用于僅當(dāng)完成一個(gè)工作周期后才允許對所述開關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)換器電路，其中，所述序列發(fā)生器裝置(70)首選為所述第二控制回路(40)。
8.一種用于產(chǎn)生電子設(shè)備供電的集成電路，所述集成電路包括權(quán)利要求1至7中任意一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)換器電路，其中，所述第一控制回路(60)包括用于監(jiān)測所述集成電路供電電壓的監(jiān)測裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的集成電路，其中，所述電子設(shè)備是智能卡設(shè)備。
10.一種基于開關(guān)操作模式而把具有第一值的輸入信號轉(zhuǎn)換為具有第二值的輸出信號的方法，所述方法包括a)第一比較步驟，用于把所述輸入信號的第一值與第一參考值進(jìn)行比較；b)第一控制步驟，用于響應(yīng)所述第一比較步驟的結(jié)果而起始對所述開關(guān)操作模式的開關(guān)參數(shù)的控制；c)第二比較步驟，用于把所述輸出信號的第二值與第二參考值進(jìn)行比較；以及d)第二控制步驟，用于響應(yīng)所述第二比較步驟的結(jié)果而起始對所述開關(guān)參數(shù)的控制。
全文摘要
一種轉(zhuǎn)換器電路和一種轉(zhuǎn)換方法，基于開關(guān)操作模式而把具有第一值的輸入信號轉(zhuǎn)換為具有第二值的輸出信號，其中，提供輸出反饋回路(40)和附加的輸入前向控制回路(60)。附加的輸入前向控制回路(60)不僅關(guān)于輸出負(fù)載，而且在較寬的輸入電壓范圍對開關(guān)參數(shù)進(jìn)行正確的控制。這就提高了功率效率和轉(zhuǎn)換器電路的可靠性。
文檔編號H02M3/158GK101036283SQ200580033575
公開日2007年9月12日 申請日期2005年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月4日
發(fā)明者雅克·雷貝嘉, 梅萊納·菲利普, 埃默里克·于崗 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司