CN100499330C - 自适应脉冲定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于电压转换器的自适应脉冲定位系统提供输出电压，该系统包括PWM产生电路，传感器和脉冲定位电路。PWM产生电路产生带有PWM脉冲的PWM信号，用于控制电压控制器的输出电压。传感器感应电压转换器的输出负载条件，并提供表示其的负载信号。脉冲定位电路基于负载信号自适应地定位PWM脉冲。一种用于控制电压调节器的输出电压的自适应定位PWM脉冲的方法，该方法包括基于时钟信号产生一系列PWM脉冲，感应输出负载条件，以及基于输出负载条件自适应地移位系列PWM脉冲。

Description

自适应脉冲定位系统和方法

相关申请的交叉引用

[0001]本申请要求了2005年11月16日申请的美国临时申请No.60/737,523的权益，也要求2006年2月17日申请的美国临时申请No.60/774,459的权益，在此为了所有的意向和目的对两者进行结合参考。

技术领域

[0002]本发明涉及功率调节器，尤其涉及通过减少周期间的空白区域来实现快速瞬时响应的自适应PWM脉冲定位。

背景技术

[0003]包括现代中央处理单元(CPU)的现代电路的负载电流是高度动态的，可以快速地从低变到高、从高变到低。例如，CPU电流瞬态可能在1微秒间出现，这低于传统电压调节器的典型切换时间。欲提供一种具有控制回路的DC-DC功率调节器，其具有足够的响应时间以在任何出现的时候进行快速负载转换。

[0004]在许多传统脉宽调制(PWM)方案中，误差信号放大器的补偿输出通常通过PWM比较器与一固定斜坡信号相比较。PWM比较器产生用于控制DC-DC功率调节器切换的PWM信号。为了提供切换噪声免疫，通常把复位-置位(R-S)双稳态多谐振荡器耦合到比较器的输出端，以确保每个切换周期仅有一个脉冲。在前沿调制方案中，基于比较器输出端初始化每个PWM脉冲，并和时钟信号同步终止。前沿调制方案有利于负载增加瞬时事件，但并不总是对负载释放转换作出响应。在尾沿调制方案中，每个PWM脉冲和时钟信号同步初始化，并基于比较器输出端而终止。尾沿调制方案有利于负载释放瞬时事件，但并不总是对负载增加瞬时事件作出响应。在传统的双沿调制方案中，斜坡是三角波，因此每个PWM脉冲基于三角波和补偿信号的比较来开始和结束。然而，由于斜坡是固定的，并且PWM脉冲的前沿仅出现在第一半周期中，而尾沿仅出现在第二半周期中，因此传统双沿调制方案也表现出开启或关闭延迟。因此，这些传统方案中的每一个方案在特定负载变化环境下插入时钟信号延迟。

发明内容

[0005]根据本发明一种实施方式的用于提供输出电压的电压转换器的自适应脉冲定位系统包括脉宽调制(PWM)产生电路，传感器和脉冲定位电路。PWM产生电路产生具有PWM脉冲的PWM信号，用于控制电压控制器的输出电压，其中所述PWM信号包括时钟信号的每个周期的预定数量的PWM脉冲，所述时钟信号具有恒定频率。传感器感应电压转换器的输出负载条件并提供表示其的负载信号。脉冲定位电路基于负载信号自适应地定位PWM脉冲，而无需改变时钟信号的每个周期的所述预定数量的PWM脉冲。

[0006]在一种实施方式中，脉冲定位电路包括具有接收负载信号的第一输入的延迟功能，接收第一时钟信号的第二输入，以及基于负载信号提供具有延迟的延迟时钟信号的输出。在这种情况下，PWM产生电路基于延迟时钟信号控制PWM脉冲的时序。在更特定的实施方式中，PWM产生电路可以包括误差信号放大器，信号发生器，比较器以及PWM逻辑。误差信号放大器提供表示电压控制器的输出电压的误差的补偿信号。信号发生器具有接收延迟时钟信号的输入和提供斜坡信号的输出。比较器比较补偿信号和斜坡信号，并产生表示其的PWM控制信号。PWM逻辑具有接收延迟时钟信号的第一输入，接收PWM控制信号的第二输入和提供PWM信号的输出。可以预期不同的调节器配置，包括尾沿调节器，双沿调节器等。

[0007]在另一个实施方案中，预期双斜坡双沿PWM调制电路。在这种情况下，PWM产生电路包括第一和第二斜坡产生器，误差信号放大器，第一和第二比较器和脉冲控制逻辑。第一斜坡产生器提供和时钟信号同步的前沿斜坡信号。误差信号放大器提供表示电压控制器的输出电压的误差的补偿信号。第一比较器比较前沿斜坡信号和补偿信号，并断定表示其的置位信号。第二斜坡产生器提供当断定置位信号时开始爬坡的尾沿斜坡信号。第二比较器比较尾沿斜坡信号和补偿信号，并断定表示其的置位信号。当断定置位信号时，脉冲控制逻辑断定PWM信号，当断定复位信号时，取消断定PWM信号。

[0008]对于双斜坡双沿实施方式来说，可以预期几种用于脉冲定位电路的配置。在第一实施方式中，脉冲定位电路具有接收补偿信号的第一输入，接收负载信号的第二输入以及提供第二补偿信号的输出。提供第二补偿信号给第一比较器，而不是补偿信号。在这种情况下，脉冲定位电路基于负载信号自适应地调整第二补偿信号。在另一种实施方式中，脉冲定位电路仅有接收前沿斜坡信号的第一输入，接收负载信号的第二输入以及提供第二前沿斜坡信号的输出。提供第二前沿斜坡信号给第一比较器，而不是第一沿斜坡信号。在这种情况下，脉冲定位电路基于负载信号自适应地调整第二前沿斜坡信号。在另一个实施方式中，脉冲定位电路基于负载信号调整前沿斜坡信号的信号转换速率。在更特定的信号转换速率调整实施方式中，第一斜坡电路包括电容器，和时钟信号同步将电容器充电到最大电压级别的切换电路，以及将电容器以基于电流控制信号的信号转换速率放电的受控电流吸收器。脉冲定位电路基于负载信号调整电流控制信号。

[0009]一种用于控制根据本发明实施方式的电压调节器的输出电压的自适应定位PWM脉冲的方法包括基于时钟信号产生一系列PWM脉冲，感应输出负载条件，以及基于输出负载条件自适应地移位PWM脉冲的系列。

[0010]该方法可以包括感应输出负载电流。该方法可以包括延迟第一时钟信号以提供延迟时钟信号，基于延迟时钟信号产生斜坡信号，基于电压调节器的输出电压的误差产生补偿信号，比较斜坡信号和补偿信号，以及提供表示其的控制信号，基于延迟时钟信号和控制信号断定每个PWM脉冲，以及自适应地调整第一时钟信号和延迟时钟信号之间的延迟的数量。

[0011]该方法可以包括用延迟时钟信号的每个脉冲初始化斜坡信号，用延迟时钟信号的对应脉冲初始化每个PWM脉冲，以及基于控制信号终止每个PWM脉冲。该方法可以包括基于延迟时钟信号产生三角波，当补偿信号大于三角波时，断定该控制信号到第一级别，当补偿信号小于三角波时，断定该控制信号到第二级别，以及基于控制信号转换每个PWM脉冲。

[0012]该方法可以包括提供与时钟信号同步的前沿斜坡信号，基于电压调节器的输出电压的误差产生第一补偿信号，比较前沿斜坡信号和第二补偿信号并提供表示其的置位信号，当提供置位信号时初始化尾沿斜坡信号，比较尾沿斜坡信号和第一补偿信号并提供表示其的复位信号，当提供置位信号时初始化每个PWM脉冲，当提供复位信号时终止每个PWM脉冲，基于输出负载条件产生偏移，以及将偏移加到第一补偿信号以提供第二补偿信号。

[0013]该方法可以包括提供与时钟信号同步的第一前沿斜坡信号，基于电压调节器的输出电压的误差产生补偿信号，比较第二前沿斜坡信号和补偿信号并提供表示其的置位信号，当提供置位信号时初始化尾沿斜坡信号，比较尾沿斜坡信号和补偿信号并提供表示其的复位信号，当提供置位信号时初始化每个PWM脉冲，当提供复位信号时终止每个PWM脉冲，基于输出负载条件产生偏移，以及将偏移加到第一前沿斜坡信号以提供第二前沿斜坡信号。

[0014]该方法可以包括提供与时钟信号同步的前沿斜坡信号，基于电压调节器的输出电压的误差产生补偿信号，比较前沿斜坡信号和补偿信号并提供表示其的置位信号，当提供置位信号时初始化尾沿斜坡信号，比较尾沿斜坡信号和补偿信号并提供表示其的复位信号，当提供置位信号时初始化每个PWM脉冲，当提供复位信号时终止每个PWM脉冲，以及基于输出负载条件调整前沿斜坡信号的信号转换速率。在该压摆调整的情况下，该方法可以进一步包括和时钟信号同步将电容器充电到一预定级别，并以基于输出负载条件的速率放电该电容器。

附图说明

[0015]参考下列描述以及附图，将更好地理解本发明的益处、特征和优点：

[0016]图1是描述根据本发明一个实施方式的自适应PWM脉冲定位方案的操作模式的时序图。

[0017]图2是根据本发明一个实施方式实现的尾沿调节器电路的简化方块图。

[0018]图3是描述图2中的尾沿调节器电路的操作的时序图。

[0019]图4是根据本发明一个实施方式实现的双沿调节器电路的简化方块图。

[0020]图5是描述图4中的双沿调节器电路的操作的时序图。

[0021]图6是根据在前申请的专利申请中描述的实施方式的双斜坡双沿PWM调制电路的示意图。

[0022]图7是描述图6中的双斜坡双沿PWM调制电路的操作的时序图，描述了在用于4相系统的双斜坡双沿调制方案中的长空白周期问题。

[0023]图8是根据可应用于双斜坡双沿PWM调制电路的本发明一个实施方式的自适应PWM脉冲定位系统的方块图。

[0024]图9是实现图8的自适应PWM脉冲定位系统的示例性实施方式的PWM脉冲定位系统的示意图。

[0025]图10是描述用于4相系统的图9的自适应PWM脉冲定位系统的操作的时序图。

[0026]图11是根据可应用于双斜坡双沿PWM调制电路的本发明另一个实施方式的自适应PWM脉冲定位系统的方块图。

[0027]图12是根据可应用于双斜坡双沿PWM调制电路的本发明另一个实施方式的自适应PWM脉冲定位系统的方块图。

[0028]图13是实现图12的自适应PWM脉冲定位系统的示例性实施方式的自适应PWM脉冲定位系统的示意图。

[0029]图14是描述用于4相系统的图13的自适应PWM脉冲定位系统的操作的时序图。

[0030]图15是用于培育图6的双斜坡双沿PWM调制电路的下斜坡信号的下斜坡发生器的方块图，从而描述根据本发明另一个实施方式的自适应PWM脉冲定位系统；以及

[0031]图16是描述采用图15的下斜坡产生器的自适应PWM脉冲定位系统的操作的时序图。

具体实施方式

[0032]下列描述的给出使本领域普通技术人员可以制造并使用在特定应用及其需求的环境下的本发明。然而，对于本领域技术人员来说，对优选实施方式的不同修改是显而易见的，并且这里所定义的普遍原理可以应用到其它实施方式中。因此，本发明不限定于本文示出及描述的特定实施方式，但其最宽保护范围和本文公开的原理和新颖性特征相一致。

[0033]图1是一幅描述根据本发明实施方式的自适应PWM脉冲定位方案操作模式的时序图。在图1中，参照时钟信号和PWM信号，绘制了DC-DC功率调节器(未示出)的输出负载电流I_LOAD。在初始时间t0处，I_LOAD信号处于正常水平I_NORM。时钟信号根据预定时钟频率产生周期性时钟脉冲。在如由I_LOAD信号的I_NORM水平所指示的正常负载下的正常操作期间，每个PWM脉冲在每个时钟周期中开始，并通过时钟信号上的脉冲终止。在随后的时间t1处，出现如由跳跃到新的表示为I_HIGH的高电流水平的I_LOAD信号所指示的输出瞬时。响应该输出负载瞬时，PWM信号的下一脉冲101相对于用虚线指出的其正常位置，朝如箭头103所指出的电流时钟周期起点进行重新定位。通过在应用重负载之后朝周期起点移动脉冲101，自然缩短了该瞬时事件后的空白周期，从而使在初始瞬时响应后没有额外的电压降落。在这种情况下，响应于输出负载中的增加，脉冲101仍具有很长的持续时间。在增加的负载事件(当I_LOAD处于I_HIGH时)期间，PWM信号的随后脉冲105、107和109朝各自时钟周期的起点移位。

[0034]在随后的时间t2时，I_LOAD信号返回到正常水平I_NORM。如箭头113所指示的，PWM信号的下一脉冲111移回到时钟周期结尾处的正常位置。在如图1中指出的特定调制方案中，PWM脉冲通常出现在周期末尾。在瞬时事件下，响应输出电压降落，PWM脉冲提前。在瞬时事件后，PWM脉冲回到其正常位置(例如，周期结尾)。为了避免由于空白周期引起的额外电压降落，PWM脉冲在重负载下朝周期起点处移动。因此PWM脉冲在轻负载下位于周期结尾处，PWM脉冲根据负载条件移动，例如在满负载条件下朝周期起点移动。为了获得更好的性能，PWM脉冲位置是灵活可变的。

[0035]除了重新定位脉冲，可以允许同一周期中具有使输出更快稳定下来的第二PWM脉冲。然而，如果以一高重复速率发生该瞬时事件，则同一周期中的第二脉冲会提高在功率级上的切换频率和散热。对于快速瞬时响应而言，期望该PWM脉冲在一个或多个周期中提前。最好在轻负载下把PWM脉冲保持在该周期的末尾更好，因此有足够的空间响应负载瞬时事件把该脉冲提前。在重负载下可以把该PWM脉冲放置在切换周期内的任何位置。对于一负载释放事件来说，该PWM在该瞬时之后不久结束，并需要一些空白时间来释放电感应电流。因此希望PWM脉冲在重负载条件下出现在周期的开始。所以在轻负载条件下将PWM脉冲保持在周期的末尾，并在负载增加时移到周期的开始。

[0036]图2是根据本发明实施例实现的尾沿调节器电路200的简化方块图。时序源201产生一提供给延迟功能203的输入端的时钟信号A。延迟功能203延迟该A信号并提供一延迟时钟信号AD给斜坡发生器205的输入端以及给脉冲时序电路211的时钟(CK)输入端。在一可替代的实施方式中，该脉冲时序电路由SR双稳态多谐振荡器代替。该斜坡发生器205产生一提供给PWM比较器207的一个输入端(例如，倒相输入端)的斜坡信号B。误差信号放大器209提供补偿信号C给该比较器207的另一个输入端(例如，非倒相输入端)。比较器207产生提供给该脉冲时序电路211的控制(CTL)输入端的信号D。该脉冲时序电路211基于用来控制DC-DC功率调节器的输出电压的D信号产生PWM信号，并被配置成确保AD信号的每个周期中仅有一个脉冲。电流传感块213提供一调整信号ADJ给延迟功能203的另一输入端。电流传感块213感测输出电流，例如通过输出负载(如图所示)的负载电流I_LOAD，并因此控制该ADJ信号。C信号和转换器的输出电压V_OUT也被示出提供给延迟功能203。信号A和AD之间的延迟的数量或T_DELAY是ADJ、V_OUT和C的函数，或者T_DELAY＝TD1+f1*ADJ+f2*C+f3*V_OUT，其中TD1是常量，函数f1、f2和f3是任意适宜的函数，分布在从相对简单到所期望的复杂范围内。在一种实施方式中，f1-f3是常量。

[0037]在一种替代实施方式中，电流传感块213通过调节器的输出电感来感测电流，或者感测一个或多个输出相位电路中的每一个的相位电流。

[0038]图3是描述尾沿调节器电路200的操作的时序图。信号I_LOAD、A、AD、B、C、D和PWM按照时间进行绘制。B和C信号彼此叠加以更清楚地描述比较器207的功能。在该所描述的实施方式中，斜坡发生器205产生B信号作为带上升斜坡的锯齿波。因此，当AD信号脉冲高时，斜坡信号B以低斜坡水平R_LO开始，当AD脉冲回落时斜坡信号B以恒定速率上升。在所描述的实施方式中，斜坡信号B被限定到一预定的高级别R_HI上。补偿信号C配置成分布在R_LO和R_HI之间。在操作中，B斜坡信号在AD时钟信号的初始沿上重新复位为R_LO，并且斜坡上行开始于AD时钟信号的尾沿。当B低于C时，比较器207断定D信号为高，否则断定D信号为低。由于脉冲时序电路211通常断定PWM信号与D信号是一致的，除了在每个周期中AD信号走低之后的开始之时，因此当AD走低时PWM走高，当D走低时PWM走低。以该方式重复该操作，每个PWM脉冲的持续时间部分取决于补偿信号C的级别。

[0039]在传统尾沿调节器电路(未示出)中，由于没有延迟功能203，因此时序是基于A时钟信号而不是AD时钟信号的。延迟功能203基于来自电流传感块213的ADJ信号调整AD时钟信号的时序，电流传感块213基于I_LOAD信号(或其它感测到的输出电流)级别来修改ADJ信号。在时间t9时，I_LOAD信号从I_NORM跳到I_HIGH，如前所述。作为响应，电流传感块213修改ADJ信号以减少AD信号相对于时钟信号A的延迟。如301所示，AD信号的下一脉冲移到或重新定位到周期中的更早位置。AD脉冲的早期初始沿使得斜坡信号B复位到比正常更早的R_LO，如303所示。斜坡信号B的早期复位使得D信号平移位置到周期中的更早位置，如305所示。D信号的早期脉冲使得PWM信号被平移到在周期的较前位置处表明，如307所示。在负载瞬时移位事件之后，除了相对于通常条件来移位脉冲，脉冲的时序是完全相同的。PWM脉冲的相对宽度可以调整以处理额外的负载。以这种方式，响应于负载瞬时事件，重新定位PWM信号到周期中的较前位置。只要负载瞬时条件存在，PWM信号就一直保持移位，当移除较高的负载条件时，返回到正常水平。如图所示在时间t10时，I_LOAD信号返回到I_NORM，并且下一AD脉冲移位到周期中的较后位置，如309所示。这使得D和PWM脉冲移回到其正常位置。以这种方式，调整或改变PWM脉冲的位置以响应负载瞬时，从而提供更好的性能。

[0040]延迟功能203不会提高时钟信号的频率，而仅是简单地临时调整PWM脉冲定位。注意，只要想要就可以在正常条件时进行延迟，例如A信号的一个周期。如果延迟大约等于时钟周期，则PWM脉冲可以重新定位到一给定周期内的几乎任意位置，以适当地响应一异步负载瞬时事件。

[0041]图4是根据本发明一实施方式实现的双沿调节器电路400的简化方块图。以和尾沿调节器电路200相似的方式，时序源401产生提供给延迟功能403的输入端的时钟信号A。延迟功能可以以和延迟功能205实质上相同的方式操作。延迟功能403延迟A信号并提供延迟时钟信号AD给三角斜坡发生器405的输入端，以及提供给脉冲时序电路411的时钟(CK)输入端。三角斜坡发生器405产生提供给比较器407的一个输入端(例如，倒相输入端)的三角斜坡信号T。误差信号放大器409提供补偿信号C给比较器407的另一个输入端(例如，非倒相输入端)和延迟功能403。比较器407产生提供给脉冲时序电路411的控制输入端的信号D。脉冲时序电路411基于用于控制输出电压的D信号产生PWM信号，并被配置成确保每个时钟周期仅有一个脉冲。电流传感电路413接收I_LOAD信号，并提供调整信号ADJ给延迟功能403的另一输入端，延迟功能403也接收V_OUT信号，如图所示。电流传感电路413感测输出电流，例如通过输出负载的负载电流或通过输出电感的电流或一个或多个输出相位电路中的每一个输出相位电路的相位电流，并根据前面的描述控制ADJ信号。也示出提供给延迟功能403的V_OUT信号。由延迟功能403提供的延迟的数量实质上类似于延迟功能203，或者T_DELAY＝TD1+f1*ADJ+f2*C+f3*V_OUT。

[0042]图5是描述尾沿调节器电路400的操作的时序图。按照时间绘制信号I_LOAD、A、AD、T、C、D和PWM。T和C信号彼此叠加以更清楚地描述比较器407的功能。在这种情况下，时钟信号A和AD是50％占空比的信号。当AD信号是低时，三角斜坡信号T向上爬坡，而当AD信号是高时，三角斜坡信号T下坡。在操作中，当T信号少于C信号时，断定D信号是高，否则断定其为低。当D信号是高时，由脉冲时序电路411断定PWM信号。以这种方式重复操作，每个PWM脉冲的持续时间部分取决于补偿信号C的级别。

[0043]在传统双沿调节器电路(未示出)中，没有延迟功能403，因此时序是基于A时钟信号而不是AD时钟信号的。对于双沿调节器电路400来说，延迟功能403基于来自电流传感块413的ADJ信号来调整AD时钟信号的时序，电流传感块413基于I_LOAD信号的级别修改ADJ信号。在时间t11，I_LOAD信号从I_NORM跳到I_HIGH，如前所述。作为响应，电流感应方块413修改ADJ信号以降低AD信号相对于时钟信号A的延迟。如501所示，由于所降低的延迟，AD信号移到周期中的较前位置。三角斜坡信号T提前下坡(和正常条件相比)以在时钟周期中和C信号更早相交，如503所示。T和C信号之间的早期相交使得D信号被移位，从而在周期中更早被断定，如505所示，因而这导致PWM信号重新定位到周期中的更早位置，如507所示。自适应定位使得PWM信号响应于负载瞬时事件重新定位到周期中的更早位置。只要负载瞬时条件存在，PWM脉冲就保持移位，而当移除负载条件时，返回到正常位置。如随后时间t12所示，I_LOAD信号返回到I_NORM，使得AD、D和PWM信号移回到其正常位置。以这种方式，调整或改变PWM脉冲的位置，从而易于获得更好的性能。

[0044]、2005年12月23日申请的美国专利申请No.11/318，081——“具有使用双斜坡的双沿调节的PWM控制器”公开了一种使用双斜坡的双沿调制方案，在此为所有的意图和目的结合参考。双斜坡、双沿调制方案亦限定每个时钟周期中只有一个PWM脉冲。由于每个周期一个脉冲的限制，因此在初始响应重负载瞬时事件之后，可能存在一个不存在任何PWM脉冲的周期。该空白周期可能导致在瞬时事件之后额外的电压降落。在一种双斜坡双沿调制方案中，PWM脉冲总是发生在周期末尾。在瞬时事件下，响应于输出电压降落，可以提前PWM脉冲。在瞬时事件之后，PWM脉冲回到周期末尾。为了避免由于空白周期引起的额外电压降落，PWM脉冲可以在重负载下移到周期的开始。因此，在轻负载下PWM脉冲在周期末尾，并且根据负载条件移动，而在全负载条件下PWM脉冲在周期的开始。为了更好的性能，PWM脉冲定位是灵活的。

[0045]图6是根据上述引用的专利申请中所描述的实施方式的双斜坡双沿PWM调制电路的示意图。下斜坡比较器CMP1具有接收补偿信号V_COMP(例如来自误差信号放大器，即209、409)的非倒相输入端，接收下斜坡信号V_{DOWN_RAMP}的倒相输入端，以及耦合到置位-复位(SR)双稳态多谐振荡器601的置位输入端的输出端。上斜坡比较器CMP2具有接收V_COMP信号的倒相输入端，接收上斜坡信号V_{UP_RAMP}的非倒相输入端，以及耦合到SR双稳态多谐振荡器601的复位输入端的输出端。SR双稳态多谐振荡器601的Q输出端确定提供PWM脉冲的PWM信号。时序源603产生提供给前沿斜坡发生器605的时钟信号CK。在示出的实施方式中，前沿斜坡发生器605产生和CK信号同步的下斜坡锯齿波，示为V_{DOWN_RAMP}。当下斜坡信号落到V_COMP级别，比较器CMP1断定其输出为高并置位SR双稳态多谐振荡器601，其中SR双稳态多谐振荡器601断定PWM信号为高以初始化每个PWM脉冲。尾沿斜坡发生器607为了终止每个PWM脉冲而产生尾沿斜坡信号，其示为上斜坡信号V_{UP_RAMP}。当PWM信号断言为高时，尾沿斜坡发生器607开始提升V_{UP_RAMP}信号(例如参见，图16中示出的V_{UP_RAMP}信号的操作)。当V_{UP_RAMP}到达V_COMP时，比较器CMP2断定其输出为高，复位SR双稳态多谐振荡器601，并拉低PWM信号从而终止每个PWM脉冲。当PWM被拉低时，尾沿斜坡发生器607再次把V_{UP_RAMP}信号拉低。

[0046]由于双斜坡双沿PWM调制电路600在一个切换周期内的任意时间开关PWM脉冲，因此它的瞬时响应非常快。在正常操作下，PWM脉冲出现在切换周期的末尾。当重负载应用在周期开始时，PWM脉冲被提前到切换周期的开始以试图把输出保持在规格以内。为了限定切换频率，典型地在一个切换周期中仅允许一个PWM脉冲。如果重瞬时负载事件和PWM脉冲在周期开始时发生，则直到下一周期才出现另一PWM脉冲。可能会存在一个不出现PWM脉冲的长周期，导致在初始响应之后额外的电压降落。

[0047]图7是描述双斜坡双沿PWM调制电路600的操作的时序图，该调节器电路描述了用于4-相系统的双斜坡双沿调制方案中的长空白周期问题。信号I_LOAD，4个V_{DOWN_RAMP}信号1-4(每个相位一个，或者V_{DOWN_RAMP1}-V_{DOWN_RAMP4})，补偿信号的电压(V_COMP)和对应的4个PWM信号PWM1、PWM2、PWM3和PWM4按照时间绘制。在大约时间t20，重负载应用于系统并且响应该事件控制环路迅速开启所有相位，如由每个PWM信号上的同步脉冲所描述的。在随后的时间t21，关闭所有相位。在随后的时间t22，控制电压V_COMP返回到其操作点。在理想的情况中，如果系统在这段时间之后是稳定的，则期望控制电压是恒定的，如虚线701所示。然而，由于每周期一个脉冲的限制，在时间t24之前不再有另一PWM脉冲。因此在理想情况中，时间t21和t24之间存在“空白”周期T₁，大约等于切换周期。在实际情况中，由于在空白周期中没有出现PWM脉冲，因此直到下一PWM脉冲输出电压才降落。因此实际补偿电压V_COMP提高，如703所示，试图把输出电压维持在规格之内。所以，由于在时间t23处在周期中的较前位置存在PWM脉冲，因此时间t21和t23之间的实际空白周期T₂远小于切换周期。即使空白周期T₂小于一个切换周期，其仍导致额外的电压降落，并且在其稳定之前输出电压可能会振荡几个周期。

[0048]因此，在所描述的双沿方案中，在双斜坡双沿调制方案中的初始瞬时响应之后可能存在一个空白周期，这导致额外的电压降落以及可能的振荡问题。为了避免额外的电压降落，空白周期应该尽可能的短。一种解决该问题的方式是在重瞬时事件下在相同周期中允许第二脉冲。如图7所示，在初始瞬时响应之后V_COMP再次走高。如果在同一周期中允许有第二PWM脉冲，则输出很快稳定。但如果瞬时事件以高重复率发生，则它可能提高功率级上的切换频率和散热。对于快速瞬时响应来说，应能在一个周期中提前PWM脉冲。最好在轻负载下把PWM脉冲保持在周期末尾，从而有空间来提前脉冲。然而，在重负载下可以把PWM脉冲放置在切换周期中的任意位置。对于负载释放事件来说，在放电感应器电流所必需的瞬时和一些空白时间之后不久PWM结束。因此期望在重负载条件下使PWM脉冲出现在周期的开始。如下面的进一步描述，在轻负载条件下PWM脉冲保持在周期末尾，而当负载增大时移动到周期的开始。

[0049]图8是描述根据本发明一个实施方式可应用到双斜坡双沿PWM调制电路的自适应PWM脉冲定位系统的方块图。类似于双斜坡双沿PWM调节器电路600的组件假设使用相同的附图标记。时序源603和发生器605和607未示出，但也被提供并以相同方式操作。上斜坡比较器CMP2接收V_COMP和V_{UP_RAMP}信号并将它的输出端耦合到SR双稳态多谐振荡器601的复位输入端。下斜坡比较器CMP1的倒相输入端接收下斜坡信号V_{DOWN_RAMP}，并且其输出耦合到SR双稳态多谐振荡器601的置位输入端。在这种情况下，偏移电压VO被加到使用功能方块801和加法器803的误差信号放大器的输出信号V_OOMP，加法器803提供经调整的补偿信号V_C1给比较器CMP1的非倒相输入端。比较器CMP1的输出端耦合到SR双稳态多谐振荡器601的置位输入端。偏移电压VO是所有相位的感应平均电流I_AVG的函数f₁(s)，从而使VO＝f₁(s)*I_AVG，其中星号”*”表示乘法。在重负载下，偏移电压VO为高以在周期前期触发PWM脉冲。虽然未示出，但是可以使用平衡电流来调整提供给上斜坡比较器CMP2的补偿信号，其中平衡电流与一个相位I_phase的感应相位电流和所有相位的感应平均电流I_AVG相关，例如f₂(I_AVG，I_phase)，其中f₂是任意适宜的函数。一个简单的例子是I_balance＝k*(I_AVG-I_phase)，其中k是常量。

[0050]图9是实现自适应PWM脉冲定位系统800的示例性实施方式的PWM脉冲定位系统900的示意图。类似于双斜坡双沿PWM调节器电路800的组件假设使用相同的附图标记。时序源603和发生器605及607未示出，但也提供并以相同方式操作。在这种情况下，V_COMP信号被提供给电阻器R₁的一端，其另一端产生提供给比较器CMP1的非倒相输入端的V_C1信号。I_AVG电流注入到产生V_C1信号的节点，从而使VO＝R₁*I_AVG和V_C1＝V_COMP+R₁*I_AVG。

[0051]图10是描述用于4相系统的自适应PWM脉冲定位系统900的操作时序图，其中包括4个下斜坡信号V_{DOWN_RAMP1}-V_{DOWN_RAMP4}和4个PWM信号PWM1-PWM4。信号I_LOAD、V_C1、V_{DOWN_RAMP1}-V_{DOWN_RAMP4}以及PWM1-PWM4按时间绘制。V_C1信号和V_{DOWN_RAMP1}-V_{DOWN_RAMP4}叠加以描述用于产生PWM1-PWM4信号的各个比较器的操作。为了比较，V_COMP的电压用虚线示出。如图所示，就在时间t30之前出现负载瞬时，触发所有PWM1-PWM4信号，这些信号在时间t31再次走低。如果直接提供V_COMP信号给比较器CMP1而不是提供修正的补偿信号VC1给比较器，则额外的PWM脉冲分别出现在时间t32、t33和t34处的PWM2、PWM3和PWM4上，每个都早于其本应出现的位置。以这种方式，性能显著提高。

[0052]图11是描述根据本发明另一个实施方式可应用到双斜坡双沿PWM调制电路的自适应PWM脉冲定位系统1100的方块图。自适应PWM脉冲定位系统1100类似于自适应PWM脉冲定位系统800，其中类似组件采用相同的附图标记。时序源603和发生器605及607未示出，但也提供并以相同方式操作。I_AVG信号提供给用于产生偏移电压VO的功能块801，偏移电压VO被提供给加法器1101的倒相输入端。加法器1101在其非倒相输入端接收V_{DOWN_RAMP}信号。在这种情况下，由偏移电压VO调整V_{DOWN_RAMP}信号，而不是误差放大器输出信号V_COMP。加法器1101从V_{DOWN_RAMP}减去VO以产生经调整的斜坡信号VR，其被提供给比较器CMP1的倒相输入端。如图所示，误差信号放大器输出信号V_COMP直接提供给比较器CMP2的倒相输入端，其在它的非倒相输入端接收V_{UP_RAMP}，并且其输出端耦合到SR双稳态多谐振荡器601的复位输入端。SR双稳态多谐振荡器601以相似方式操作以提供PWM信号。

[0053]图12是描述根据本发明另一个实施方式可应用到双斜坡双沿PWM调制电路的自适应PWM脉冲定位系统1200的方块图。自适应PWM脉冲定位系统1200类似于双斜坡双沿PWM调制电路600，其中类似组件采用相同的附图标记。时序源603和发生器605及607未示出，但也提供并以相同方式操作。提供比较器CMP1来比较V_COMP和V_{DOWN_RAMP}信号，以及提供其输出给SR双稳态多谐振荡器600的置位输入端，SR双稳态多谐振荡器在其Q输出端提供PWM信号。在这种情况下，产生不同的偏移电压VO2，该偏移电压与多相转换器各相位的感应相位电流I_PHASE相关。提供电流I_PHASE给功能方块1201的输入端(由函数f3(s)乘I_PHASE)以产生VO2，然后提供其给加法器1203的输入端。加法器1203把V_COMP加到VO2以产生一个经调整的补偿信号VC2。提供VC2信号给比较器CMP2的倒相输入端，其在它的非倒相输入端接收V_{UP_RAMP}，并且其输出耦合到SR双稳态多谐振荡器601的复位输入端。在重负载下，偏移电压VO2为高，并且V_C2电压增大以保持相同的占空度，促使早期触发每个相位的PWM脉冲。

[0054]图13是实现自适应PWM脉冲定位系统1200的示例性实施方式的PWM脉冲定位系统1300的示意图。类似组件再次假设使用相同的附图标记。时序源603和发生器605及607未示出，但也提供并以相同方式操作。在这种情况下，功能块1201和加法器1203用电阻器R₂有效代替，其一端接收V_COMP信号，另一端产生V_C2信号，V_C2信号提供给示出的比较器CMP2的倒相输入端。I_PHASE电流从产生V_C2信号的节点流出，从而使V_C2＝V_COMP-R₂*I_PHASE。经调整的补偿信号V_C2通过比较器CMP2和V_{UP_RAMP}信号比较，比较器CMP2的输出端耦合到SR双稳态多谐振荡器601的复位输入端。比较器CMP1₁的电路和图12中示出的电路相同。

[0055]图14是描述用于4相系统的自适应PWM脉冲定位系统1300的操作时序图，其中包括4个下斜坡信号V_{DOWN_RAMP1}-V_{DOWN_RAMP4}和4个PWM信号PWM1-PWM4。信号I_LOAD、V_C2、V_{DOWN_RAMP1}-V_{DOWN_RAMP4}以及PWM1-PWM4按时间绘制。V_C2信号和V_{DOWN_RAMP1}-V_{DOWN_RAMP4}叠加以描述用于产生PWM1-PWM4信号的各个比较器的操作。如图所示，负载瞬时大约出现在时间t40，触发所有PWM1-PWM4信号，这些信号在随后的时间t41再次走低。如果直接提供V_COMP信号给比较器CMP2，而不是提供修正的补偿信号V_C2给比较器，则额外的PWM脉冲分别出现在时间t42、t43和t44处的PWM2、PWM3和PWM4上，每个都早于其本应出现的位置。以这种方式，性能显著提高。

[0056]图15是可用于产生双斜坡双沿PWM调制电路600的V_{DOWN_RAMP}信号的下斜坡发生器1500的方块图，从而描述根据本发明另一个实施方式的自适应PWM脉冲定位系统。因而，除了用下斜坡产生器1500代替前沿斜坡产生器605之外，还使用双斜坡双沿PWM调制电路600。对于下斜坡产生器1500来说，受控电流吸收器1501耦合在接地(GND)和产生V_{DOWN_RAMP}信号的节点之间。电容器C1耦合在节点1502和GND之间。二极管1503具有耦合到节点1502的阴极和耦合到产生最小斜坡电压V_MIN的电压源1505的正极端子的阳极。单电极单投掷(SPST，single-pole，single-throw)开关SW具有耦合在节点1502和产生最大斜坡电压V_MAX的电压源1507的正极端子之间的切换端子，其中V_MAX大于V_MIN。电压源1505和1507的负极端子耦合到GND。开关SW具有接收时钟信号(CLK)的控制端子，其以CLK信号的频率开关SW。电流吸收器1501具有接收信号C+k*I_AVG的控制端子，其中C和k是常量。以这种方式，电流吸收器1501的电流是基于被测量或被感应的I_AVG的级别。

[0057]在下斜坡发生器1500的操作中，开关SW关闭并且电压源1507把电容器C1充电到电压电平V_MAX。当打开开关SW时，电流吸收器1501以基于I_AVG信号的速率放电电容器C1。确定常量C和k以为I_AVG信号的正常操作级别提供适宜的V_{DOWN_RAMP}信号的信号转换速率。当由于负载变换增大I_AVG信号时，据此增大V_{DOWN_RAMP}信号的信号转换速率以加速电容器C1的放电，并因而重新定位下一PWM脉冲到周期中的较前位置。因此，基于感应平均电流I_AVG调整V_{DOWN_RAMP}信号的信号转换速率。在轻负载下，I_AVG较低并且V_{DOWN_RAMP}信号的信号转换速率为低。在重负载下，增大I_AVG并且增大V_{DOWN_RAMP}信号的信号转换速率，导致早期触发周期中的PWM脉冲。

[0058]图16是描述采用下斜坡产生器1500的自适应PWM脉冲定位系统的操作的时序图。I_LOAD、CLK、V_{DOWN_RAMP}、V_{UP_RAMP}、V_COMP和PWM按时间绘制。VCOMP信号和VDOWN_RAMP及VUP_RAMP信号叠加以描述比较器CMP1和CMP2的操作。当I_LOAD信号从I_NORM跳到I_HIGH时，V_COMP信号临时增大并且I_AVG信号也增大，导致早期触发PWM信号。

[0059]虽然已参照特定优选版本十分详细地描述了本发明，但是其它版本和变体也是可能以及可预见到的。例如，时钟信号的延迟调整，或者加到斜坡信号和/或补偿信号的偏移电压可以是基于操作参数的，而不是输出或负载电流，例如输入电压，输出电流和/或输出电压(例如，瞬时事件或类似物)的微分等。本发明也可应用于数字调节器，其中由数字计算和/或算法以及类似物代替模拟功能(例如斜坡，误差信号，补偿信号等)。本发明可应用到采用数字控制的调节器，例如用于调整延迟时间，调整时钟信号，调整PWM脉冲激发的时序，基于计算结果调整PWM占空度等。本领域技术人员应知道他们可以容易地利用所公开的概念和特定实施方式，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，来进行设计或修改以提供出本发明的其它结构。

Claims (20)

1、一种用于提供输出电压的电压控制器的自适应脉冲定位系统，所述自适应脉冲定位系统包括：

脉宽调制PWM产生电路，其产生包括多个PWM脉冲的PWM信号，用于控制电压控制器的输出电压，其中所述PWM信号包括时钟信号的每个周期的预定数量的PWM脉冲，所述时钟信号具有恒定频率；

传感器，其感应电压转换器的输出负载条件并提供表示该条件的负载信号；以及

脉冲定位电路，其耦合到所述传感器和所述PWM产生电路上，该脉冲定位电路根据所述负载信号自适应地定位所述多个PWM脉冲，而无需改变时钟信号的每个周期的所述预定数量的PWM脉冲。

2、根据权利要求1所述的自适应脉冲定位系统，其中：

所述脉冲定位电路包括延迟功能，该延迟功能具有接收所述负载信号的第一输入、接收时钟信号的第二输入、以及提供延迟时钟信号的输出，该延迟时钟信号具有基于所述负载信号的延迟；以及

其中所述PWM产生电路基于所述延迟时钟信号控制所述多个PWM脉冲的时序。

3、根据权利要求2所述的自适应脉冲定位系统，其中所述PWM产生电路包括：

误差放大器，其提供表示电压控制器的输出电压误差的补偿信号；

信号发生器，其具有接收所述延迟时钟信号的输入和提供斜坡信号的输出；

比较器，比较所述补偿信号和所述斜坡信号，产生表示该比较的PWM控制信号；以及

PWM逻辑，其具有接收所述延迟时钟信号的第一输入、接收所述PWM控制信号的第二输入和提供所述PWM信号的输出。

4、根据权利要求3所述的自适应脉冲定位系统，其中所述延迟时钟信号包括周期时钟脉冲，以及其中所述PWM逻辑包括脉冲时序电路，该脉冲时序电路具有接收所述延迟时钟信号的时钟输入、接收所述PWM控制信号的控制输入和提供所述PWM信号的输出。

5、根据权利要求3所述的自适应脉冲定位系统，其中所述延迟时钟信号具有50％的占空度，其中所述信号发生器提供三角波信号，以及其中所述PWM逻辑包括脉冲时序电路，该脉冲时序电路具有接收所述延迟时钟信号的时钟输入、接收所述PWM控制信号的控制输入和提供所述PWM信号的输出。

6、根据权利要求1所述的自适应脉冲定位系统，其中：

所述PWM产生电路包括：

第一斜坡发生器，提供与时钟信号同步的前沿斜坡信号；

误差放大器，提供表示电压控制器的输出电压误差的第一补偿信号；

第一比较器，比较所述前沿斜坡信号和第二补偿信号，并提供表示该比较的置位信号；

第二斜坡发生器，提供尾沿斜坡信号，当提供所述置位信号时，该尾沿斜坡信号开始倾斜；

第二比较器，比较所述尾沿斜坡信号和所述第一补偿信号，并提供表示该比较的复位信号；以及

脉冲控制逻辑，当提供所述置位信号时初始化所述PWM信号上的脉冲，当提供所述复位信号时终止所述PWM信号上的所述脉冲；以及

其中所述脉冲定位电路具有接收所述第一补偿信号的第一输入、接收所述负载信号的第二输入、以及提供所述第二补偿信号的输出，其中所述脉冲定位电路基于所述负载信号自适应地调整所述第二补偿信号。

7、根据权利要求6所述的自适应脉冲定位系统，其中：

所述传感器提供表示输出负载电流的负载信号；以及

其中所述脉冲定位电路包括：

功能块，具有接收所述负载信号的输入和提供表示该信号的偏置电压的输出；以及

加法器，把所述第一补偿信号加到所述偏置电压，以提供所述第二补偿信号。

8、根据权利要求1所述的自适应脉冲定位系统，其中：

所述PWM产生电路包括：

第一斜坡发生器，提供与时钟信号同步的第一前沿斜坡信号；

误差放大器，提供表示电压控制器的输出电压误差的第一补偿信号；

第一比较器，比较第二前沿斜坡信号和所述补偿信号，并提供表示该比较的置位信号；

第二斜坡发生器，提供尾沿斜坡信号，当提供所述置位信号时，该尾沿斜坡信号开始倾斜；

第二比较器，比较所述尾沿斜坡信号和所述补偿信号，并提供表示该比较的复位信号；以及

脉冲控制逻辑，当提供所述置位信号时初始化所述PWM信号上的脉冲，当提供所述复位信号时终止所述PWM信号上的所述脉冲；以及

其中所述脉冲定位电路具有接收所述第一前沿斜坡信号的第一输入、接收所述负载信号的第二输入，提供所述第二前沿斜坡信号的输出，以及其中所述脉冲定位电路基于所述负载信号自适应地调整所述第二前沿斜坡信号。

9、根据权利要求8所述的自适应脉冲定位系统，其中：

所述传感器提供表示输出负载电流的负载信号；以及

其中所述脉冲定位电路包括：

功能块，具有接收所述负载信号的输入和提供表示该信号的偏置电压的输出；以及

加法器，把所述第一前沿斜坡信号加到所述偏置电压，以提供所述第二前沿斜坡信号。

10、根据权利要求1所述的自适应脉冲定位系统，其中：

所述PWM产生电路包括：

第一斜坡发生器，提供与时钟信号同步的前沿斜坡信号；

误差放大器，提供表示电压控制器的输出电压误差的补偿信号；

第一比较器，比较所述前沿斜坡信号和所述补偿信号，并提供表示该比较的置位信号；

第二斜坡发生器，提供尾沿斜坡信号，当提供所述置位信号时，该尾沿斜坡信号开始倾斜；

第二比较器，比较所述尾沿斜坡信号和所述补偿信号，并提供表示该比较的复位信号；以及

脉冲控制逻辑，当提供所述置位信号时初始化所述PWM信号上的脉冲，当提供所述复位信号时终止所述PWM信号上的所述脉冲；以及

其中所述脉冲定位电路基于所述负载信号调整所述前沿斜坡信号的信号转换速率。

11、根据权利要求10所述的自适应脉冲定位系统，其中：

所述第一斜坡发生器包括：

一电容器；

一转换电路，其耦合到所述电容器，与一时钟信号同步将所述电容器充电到最大电压级别；以及

一受控电流吸收器，其耦合到所述电容器，以基于一电流控制信号的信号转换速率对所述电容器进行放电；以及

其中所述脉冲定位电路基于所述负载信号提供所述电流控制信号。

12、一种自适应地定位脉宽调制PWM脉冲的方法，用于控制电压调整器的输出电压，该方法包括：

基于具有恒定频率的时钟信号产生一系列PWM脉冲，其中所述一系列PWM脉冲包括时钟信号的每个周期的预定数量的PWM脉冲；

感应输出负载的条件；以及

基于该输出负载条件自适应地移位该系列PWM脉冲，而无需改变时钟信号的每个周期的所述预定数量的PWM脉冲。

13、根据权利要求12的方法，其中所述感应输出负载条件包括感应输出负载电流。

14、根据权利要求12所述的方法，其中：

所述产生一系列PWM脉冲包括：

延迟时钟信号以提供一延迟时钟信号；

基于该延迟时钟信号产生一斜坡信号；

基于电压调整器的输出电压的误差产生一补偿信号；

比较斜坡信号和补偿信号并提供一表示该比较的控制信号；以及

基于延迟时钟信号和控制信号断定每个PWM脉冲；以及

其中所述自适应地移位该系列PWM脉冲包括自适应地调整该时钟信号和该延迟时钟信号之间的延迟的数量。

15、根据权利要求14所述的方法，其中：

所述产生一斜坡信号包括用延迟时钟信号的每个脉冲来初始化所述斜坡信号；

其中所述断定每个PWM脉冲包括用该延迟时钟信号的对应脉冲来初始化每个PWM脉冲，并基于所述控制信号来终止每个PWM脉冲。

16、根据权利要求14所述的方法，其中：

所述产生一斜坡信号包括基于该延迟时钟信号产生一三角波；

其中所述提供一控制信号包括当该补偿信号大于该三角波时，断定该控制信号到第一级别，当补偿信号小于三角波时，断定该控制信号到第二级别；

其中所述断定每个PWM脉冲包括基于该控制信号转换每个PWM脉冲。

17、根据权利要求12所述的方法，其中：

所述产生一系列PWM脉冲包括：

提供一和该时钟信号同步的前沿斜坡信号；

基于该电压调整器的输出电压的误差产生第一补偿信号；

比较该前沿斜坡信号和第二补偿信号，并提供一表示该比较的置位信号；

当提供该置位信号时初始化一尾沿斜坡信号；

比较该尾沿斜坡信号和第一补偿信号，并提供一表示该比较的复位信号；以及

当提供该置位信号时初始化每个PWM脉冲，当提供该复位信号时终止每个PWM脉冲；以及

其中所述自适应地移位该系列PWM脉冲包括：

基于该输出负载条件产生一偏移量；以及

把该偏移量加到该第一补偿信号上以提供第二补偿信号。

18、根据权利要求12所述的方法，其中：

所述产生一系列PWM脉冲包括：

提供一和该时钟信号同步的第一前沿斜坡信号；

基于该电压调整器的输出电压的误差产生一补偿信号；

比较一第二前沿斜坡信号和补偿信号，并提供一表示该比较的置位信号；

当提供该置位信号时初始化一尾沿斜坡信号；

比较尾沿斜坡信号和补偿信号，并提供一表示该比较的复位信号；以及

当提供该置位信号时初始化每个PWM脉冲，当提供该复位信号时终止每个PWM脉冲；以及

其中所述自适应地移位该系列PWM脉冲包括：

基于该输出负载条件产生一偏移量；以及

把该偏移量加到该第一前沿斜坡信号上以提供该第二前沿斜坡信号。

19、根据权利要求12所述的方法，其中：

所述产生一系列PWM脉冲包括：

提供一和该时钟信号同步的前沿斜坡信号；

基于该电压调整器的输出电压的误差产生一补偿信号；

比较该前沿斜坡信号和补偿信号，并提供一表示该比较的置位信号；

当提供该置位信号时初始化一尾沿斜坡信号；

比较该尾沿斜坡信号和补偿信号，并提供一表示该比较的复位信号；

以及

当提供该置位信号时初始化每个PWM脉冲，当提供该复位信号时终止每个PWM脉冲；以及

其中所述自适应地移位该系列PWM脉冲包括基于该输出负载条件调整该前沿斜坡信号的信号转换速率。

20、根据权利要求19所述的方法，其中所述提供前沿斜坡信号和所述调整前沿斜坡信号的信号转换速率包括和时钟信号同步地将电容器充电到一预定级别，并以一基于输出负载条件的速率将该电容器放电。

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