CN101213629B - 利用相移的开关电源控制 - Google Patents

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Abstract

一种用于开关电源的控制系统响应运行条件的变化，改变PWM信号的相位。相位可以通过复位控制PWM信号的振荡器而改变。相移逻辑电路可以包括当PWM信号转换状态时保持误差信号值的采样保持电路。保持的误差信号可以与实时误差信号比较，优选地，具有用户可设置的补偿电路。相移逻辑电路的输出可以用于复位振荡器。

Description

利用相移的开关电源控制
本申请要求于2005年10月3日提交的序列号为No.11/243,520的美国专利申请和于2005年6月30日提交的题为“Switching Power SupplyControl With Phase Shift”的序列号为No.60/695,936的美国临时专利申请的优先权，其被包含于此以做参考。
背景技术
图1示出了利用脉冲宽度调制(PWM)的传统开关电源控制系统。功率转换器10响应于脉冲宽度调制信号PWM控制从电源Vcc到负载12的功率流动。功率转换器包括设置成经典降压结构的单个开关晶体管Q1、电感器L1和二极管D1。误差放大器16通过放大提供某种输出度量的反馈信号FB和输入控制信号VIN之间的差值而产生误差信号VERR。控制器14响应VERR产生控制功率转换器中的开关晶体管的PWM信号，以将调节后的输出，一般为恒定电压提供至负载。
图2示出了由控制器14产生的PWM信号的示例性波形。在t0时刻，PWM信号切换至导通状态，导通状态使得功率转换器10中的开关晶体管导通。在t1时刻，PWM信号切换至截止状态，从而截止开关晶体管。脉冲宽度等于从t0到t1时刻的时间量，在该时间段中PWM信号处于导通状态。图2的波形周期为T，周期T为PWM信号的连续导通转变之间的时间。为了控制提供给负载的功率，控制器通过改变PWM信号关断时刻t1而改变PWM信号的脉冲宽度(占空比)。例如，如果被提供给负载的功率值过小，则控制器可以保持开关导通更长时间直到t1’时刻，使得功率转换器中的晶体管开关在切换周期的更长部分内处于导通状态。相反，如果被提供给负载的功率值过小，则控制器可以使得开关处于导通状态仅到t1”时刻，使得开关在切换周期的更短部分内处于导通状态。在每个切换周期中，导通时间可以变化以提供连续的输出调节。
以上所述的实施例可以被称为后沿调制，因为在每个切换周期中第二开关事件(在该情况下为截止事件)是变化的。在前沿调制中，第一开关事件(例如，导通时间)是变化的，同时PWM信号在固定时间截止。
已经提出了各种技术来提高PWM开关电源的瞬态响应。一种技术包括使用电压控制振荡器(VCO)来控制PWM信号的切换周期。通过将误差信号施加至VCO，PWM信号的切换频率可以显著地变化，以努力地保持提供给变化的负载的恒定输出电压。另一种称为假信号捕捉器(glitchcatcher)的方法防止正常控制回路将直接地来自电源VCC的瞬态输出电流脉冲提供至负载，以努力防止输出电压响应于负载中的突然增加而降低。
附图说明
图1示出了现有技术PWM开关电源控制系统；
图2示出了来自现有技术开关电源控制系统的PWM信号的示例性波形；
图3示出了根据本专利公开的创造性原理的具有控制系统的开关电源的实施方案；
图4示出了根据本专利公开的创造性原理的PWM信号的实施方案；
图5示出了根据本专利公开的创造性原理的具有控制系统的开关电源的另一实施方案；
图6示出了根据本专利公开的创造性原理的用于开关电源控制系统的相移电路的实施方案；以及
图7示出了根据本专利公开的创造性原理的具有控制系统的开关电源的另一实施方案。
具体实施方式
本专利公开囊括了与开关电源有关的多个发明。这些创造性原理具有独立效用并且可独立地取得专利。在一些情况下，当一些原理彼此以不同的组合被利用时，实现额外的益处，从而产生更具专利性的发明。这些原理可以以无数不同的实施方案实现。以下仅仅描述了优选实施方案。尽管出于例举优选实施方案的目的示出了一些具体细节，但是可以根据本专利公开的创造性原理设计其他等价的有效装置。因此，创造性原理不受限于本文中公开的具体细节。
图3示出了根据本专利公开的创造性原理的具有控制系统的开关电源的实施方案。图3的实施方案包括可以包含任何适当的开关电源布局的功率转换器18，并且因而可以包括任何适当数量和组合的开关、变压器、电感器、电容器、二极管等。为了便于解释，可以假设本实施例中的功率转换器具有仅仅需要单个PWM信号的单个开关元件，但是创造性原理不受限于任何具体的布局并且可以包括利用多个PWM信号的实施方案。
图3中所示的PWM信号由提供对PWM信号的相位进行调整的控制器22产生。图3的实施方案还包括相移逻辑电路24，以响应于运行条件的改变(例如负载20、电源VCC、控制输入信号等的变化)而改变PWM信号的相位。
参考图4，可以更好地理解这种相移，图4示出了根据本专利公开的创造性原理的PWM信号的实施方案。从t0至t2的切换周期以传统方式运行，其中，PWM信号在t1时刻截止，其可以变化以调节提供给负载的输出。下一个周期也随着t2至t3的传统的“导通”脉冲而开始，还可以调制该脉冲宽度以控制输出。但是，在t3时开始的截止时间内的一些点处，系统检测到运行条件的变化，例如，增加了对功率的要求的负载的增加。如果PWM信号保持截止直到t4的正常预定的导通时刻，则输出可能降低为不可接受的电平。然而，在图4的实施方案中，随着PWM信号在t4’时刻快速地变回导通，导通被加速以更加快速地响应改变的运行条件。这样将相移传递给PWM信号，PWM信号在随后的切换周期中恢复成正常周期T。
根据本专利公开的创造性原理的相移PWM信号的原理可以应用于包括前沿调制、后沿调制等的所有形式的PWM转换器布局和控制技术。例如，在前沿调制的实施方案中，一旦运行条件变化，PWM信号可以立即截止而不用等待正常的截止时刻。图3中所示的相移逻辑电路24可以以硬件、软件或其任何适当组合实现。根据本专利公开的创造性原理的实施方案还可以包括其他装置，例如误差放大器、输出传感器等，这些装置可以与图3中所示的装置分离或者以如下所述的协作方式与图3中所示的装置制造为一体。
图5示出了根据本专利公开的创造性原理的具有控制系统的开关电源的另一实施方案。在图5的实施方案中，控制器包括比较器28，其响应于来自振荡器26的时钟信号和来自误差放大器29的误差信号VERR产生PWM信号。相移逻辑电路32通过复位振荡器26而移动PWM信号的相位。在该实施方案中，相移逻辑电路通过监控误差信号VERR检测运行条件中的变化。
图6示出了根据本专利公开的创造性原理的用于开关电源控制系统的相移电路的实施方案。开关38、电阻器R1和电容器C1构成了采样保持电路，当开关在PWM信号的导通时间内闭合时，该采样保持电路追踪误差信号VERR。当PWM信号截止时，比较器40将C1上保持的VERR的采样值与VERR的实时值进行比较以监控运行条件中的变化。比较器的输出产生用于例如通过复位控制PWM信号的振荡器而相移PWM信号的复位信号。可以将补偿电路42增加至比较器的输入以提供抗噪声性和/或为移相PWM信号设置阈值电平。如图6中所示，补偿电路可以由用户设置。在利用多个PWM信号的多相功率转换器的实施方案中，PWM信号可以被逻辑或，使得无论何时所有相位截止，采样保持电路都保持采样值。
图7示出了根据本专利公开的创造性原理的具有控制系统的开关电源的另一实施方案。如与本专利公开具有共同发明人的美国专利No.6,683,441 B2中所述，图7的实施方案包括具有PWM控制系统的两相能量转换器，PWM控制系统为进行控制使多个输出表示的信号相加。来自电压控制反馈放大器A2的输出信号VCOMP为相移逻辑电路39提供合适的误差信号。PWM信号PWM1和PWM2组合在或门44中以控制采样保持开关38。来自比较器44的复位输出复位控制器210中的振荡器，以响应于运行条件的变化而移相PWM信号相位。因此，可以通过增加非常少的附加器件以及使用已经存在于PWM控制系统中的信号，实现具有改进的瞬态响应的加强和协作的控制系统。
以上已经参照一些具体示意性实施方案描述了本专利公开的创造性原理，但是可以在布局和细节上修改这些实施方案而不背离本创造性理念。因此，可以认为这样的变化和修改落于所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种开关电源控制系统，其包括：
产生用于控制提供给负载的功率的脉冲宽度调制PWM信号的控制器；以及
响应运行条件的变化而产生复位信号以改变所述PWM信号的相位的逻辑电路，
其中，所述控制器包括连接至所述逻辑电路以响应电源的输出而产生误差信号的误差放大器，
其中所述逻辑电路包括：
采样保持电路，所述采样保持电路通过响应于所述PWM信号而追踪并保持所述误差信号来产生被保持的误差信号，以及
连接到该采样保持电路的比较器，所述比较器通过将所述误差信号与所述被保持的误差信号进行比较来生成所述复位信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器包括用于控制所述PWM信号的振荡器。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述逻辑电路被设置成控制所述振荡器的复位输入。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述逻辑电路还包括连接至所述比较器的补偿电路。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述补偿电路是可设置的。
6.一种控制开关电源的方法，其包括：
产生用于控制提供给负载的功率的PWM信号；
检测所述负载中的变化；以及
响应运行条件的变化改变所述PWM信号的相位，
其中，检测运行条件的变化包括：
采样和保持误差信号；以及
将被采样和被保持的误差信号与所述误差信号进行比较。
7.根据权利要求6所述的方法，其中：
所述PWM信号被进行后沿调制；以及
改变所述PWM信号的所述相位的步骤包括响应运行条件的变化导通所述PWM信号。
8.根据权利要求6所述的方法，其中：
所述PWM信号被进行前沿调制；以及
改变所述PWM信号的所述相位的步骤包括响应运行条件的变化截止PWM信号。
9.根据权利要求6所述的方法，其中改变所述PWM信号的所述相位的步骤包括复位控制所述PWM信号的振荡器。
10.根据权利要求6所述的方法，其中还包括：仅当运行条件的变化超过阈值量时，改变所述PWM信号的所述相位。
11.一种开关电源控制系统，其包括：
产生具有周期和占空比的开关输出信号以控制提供给负载的功率的控制器；以及
响应运行条件的孤立的变化而产生复位信号以改变所述开关输出信号的相位并且改变所述开关输出信号的周期一次的逻辑电路，
其中，所述控制器包括响应于电源的输出而产生误差信号的误差放大器；
其中所述逻辑电路包括：
采样保持电路，所述采样保持电路通过响应于所述开关输出信号而追踪并保持所述误差信号来产生被保持的误差信号，以及
比较器，所述比较器通过将所述误差信号与所述被保持的误差信号进行比较来生成所述复位信号。
12.根据权利要求11所述的系统，其中仅当运行条件的变化超出阈值时，所述逻辑电路才改变周期。
13.根据权利要求11所述的系统，其中：
所述控制器包括控制所述周期的振荡器；以及
所述逻辑电路通过复位所述振荡器改变所述周期一次。
14.一种开关电源控制系统，其包括：
用于生成多个PWM信号以控制提供给负载的功率的装置；
用于检测运行条件的变化的装置；以及
用于响应所述运行条件的变化以改变所述PWM信号的相位的装置，其中所述用于进行检测的装置还包括：
用于生成误差信号的装置，
用于采样和保持所述误差信号的装置；以及
用于将被采样的和被保持的误差信号与所述误差信号进行比较的装置。
15.根据权利要求14所述的系统，其中：
所述用于生成多个PWM信号的装置包括振荡器；以及
所述用于改变相位的装置包括到振荡器的复位输入。
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