CN101371211B - 用于可调输出电压控制器电路的前馈电路 - Google Patents

Abstract

可变电源中的反馈回路具有基于所述电源的工作条件的可调节的响应速度。当遇到瞬态时所述响应速度可以被增大以提高对所述瞬态的响应性能。所述控制回路的响应速度控制(130)更改或旁路所述控制回路中补偿网络中的主低频极点以提高响应速度。所述控制限制快速响应持续时间或对所述低频极点的影响以避免不稳定性问题。所述控制可以包括计数器或定时器以选择性地禁能或使能所述快速响应功能。所述控制可以基于误差反馈信号(142)和参考来进行工作，以确定快速响应应当何时被应用。所产生的电源系统提供鲁棒的、经良好调节的功率和对系统瞬态的快速响应。

Description

用于可调输出电压控制器电路的前馈电路

本发明一般涉及在电池充电器中使用的电源的前馈控制，且更具体地涉及适于瞬态事件的动态反馈控制。

背景技术

随着时间的推移，包括便携式个人计算机在内的各种应用的电池充电器已经得到发展，从而提高性能特征同时减小尺寸和复杂性。电池充电器通常被连接到输入电源，该输入电源也用于为诸如便携式PC的应用供电。在诸如便携式PC的便携式终端设备的常规布局/拓扑中，电池充电器被置于终端设备中且从交流-直流(AC/DC)功率变换器中获取其功率。除了提供功率给应用外，AC/DC变换器提供稳定的、固定的电压给电池充电器。在该传统布局中，位于终端设备中的功率变换器诸如直流-直流降压变换器(DC-DC buck converter)用于实现电池充电器功能。在这种布局控制电路中，功率变换器通常监控特定的系统和电池组参数并调节功率变换器占空因数(duty cycle)以获得期望的充电电流和充电电压输出。在这种DC-DC功率变换器中，常规的实践是在前馈功能中使用输入电压，使得对于输入线路瞬态的整个回路响应被优化。与不使用前馈功能的布局相比，前馈使更高的带宽控制回路得以实现。

在近来的发展中，附加的布局已经得到发展，其为电池充电器提供功率级功能(power stage function)，该功率级功能由已存在于AC-DC变换器/适配器中的功率变换级实现。在这一新的布局中适配器输出电压被调节以获得期望的充电电流和充电电压输出。该AC-DC适配器输出电压如误差信号所定义的一样被设置，该误差信号从位于终端设备中的电池充电控制器被发送到适配器。充电电流和充电电压正比于AC-DC适配器输出电压，因为充电参数与适配器输出之间的关系由从适配器到电池充电器的路径中的欧姆降/电阻电压降(ohmic drop)确定。一些电阻电压降包括传感电阻器和图1所示的转换开关。

在这个新布局中，AC-DC适配器输出电压被调节以提供系统电流和电池充电电流。结果，在不同的系统工作条件下和电池电压范围内，AC-DC适配器输出将由位于终端设备中的控制电路动态调节、增大或减小，从而当对电池组充电时将功率传递给系统。

将充电器功率级置于AC-DC适配器中减少了终端设备中的电源损耗。此外，新结构将由AC-DC适配器提供的电压限制到一个值，该值接近电池电压范围加上电阻电压降，从而有效地使其它终端设备功率变换器级的优化得以实现并提高了整个系统效率。

在传统布局中，通过终端设备中的DC-DC变换器，AC-DC适配器电压具有固定值输出。DC-DC变换器使用传统的前馈概念来基于输入电压的变化调节DC-DC变换器占空因数，从而实现更快的回路响应。但是，对于最近的适配器输出电压控制布局和AC-DC适配器中的功率变换器来说，传统前馈电路呈现出许多困难，这是因为AC-DC适配器电压在如控制回路所限定的不同的系统工作条件下动态变化。这种动态变化和传统的前馈电路可能产生振荡的情况。例如，如果控制回路要求AC-DC适配器电压输出增大，即占空因数增大，则终端设备中的传统前馈电路将促使控制电路减小占空因数，即减小输出电压。

将前馈功能从终端设备中完全移除不是可行的选择。通常，AC-DC适配器功率级在回扫(fly-back)结构中实现，其具有很低的整体回路带宽以在不同的负载条件下保持稳定。结果，移除前馈功能会产生对系统负载瞬态的很慢的响应，潜在地导致长瞬态时间和过多充电电流被施加到电池组的可能。

期望获得不会在输出电压中产生振荡的具有前馈控制的电池充电控制器电路。期望获得控制回路带宽和响应时间的简化装置。

发明内容

根据本发明，电池充电系统被提供以用于包括DC-DC功率变换器的可调输出电压AC-DC适配器，其中充电系统包括可变响应控制回路。基于适配器输出电压的前馈功能被根据本发明的可变带宽控制回路功能代替，以提供可变响应并提高电池充电系统的性能。误差信号由终端设备中的控制回路产生以指示或支配(command)期望的适配器输出。误差信号被提供给前馈电路以更改控制回路响应特性。例如，当快速瞬态被检测到时，根据本发明的控制回路可以被更改成具有更快的响应，从而有助于响应瞬态并迅速地稳定系统。例如，控制回路可以返回到更慢的响应，从而为可变负载情形提供更好的稳定性。

根据本发明的特征，误差信号可以与任意的参考相比较以使系统转换到快速的响应模式。任意的参考可以是电压电平范围，以提供用于确定应当何时应用快速响应的窗口。

根据本发明的另一方面，稳定性测量器影响控制回路的经更改的响应，以避免更快的响应时间可能导致的稳定性问题。稳定性测量器可以被操作为定时器或脉冲计数器以获得时帧，在该时帧期间稳定性指示被获得。如果判定缺乏稳定性，则稳定性测量器可用于关闭控制回路中的更快响应时间，以使可变带宽控制回路返回到更稳定的工作模式。

根据本发明的另一方面，相对于向脉冲宽度指示的期望点的收敛测量控制回路的稳定性。定时器或脉冲计数器可用于确定在短时帧内可能发生的复位的时间间隔或次数，其影响控制回路对于提供更快的响应时间的操作。如果系统工作在向期望的稳定状态收敛的范围内，则控制回路的更快响应方面可被松开以允许更稳定且更缓慢的响应控制电路工作。如果系统被暴露在大的瞬态下，则基于在计数的时间间隔或次数内取得的测量值，快速响应时间结构可被反复应用以获得收敛。

根据本发明的另一特征，控制回路通过旁路在控制回路的补偿网络中提供的有效低频极点的方式被置于快速响应模式中。例如，低频极点可以被旁路直到误差信号落在期望的范围或稳定的状态值之内。

附图说明

通过对以下详细说明的阅读并结合附图，可以更加清晰地理解本发明，其中：

图1是常规的充电控制系统的电路方块图；

图2是根据本发明的充电控制系统的电路方块图；

图3是图解说明根据本发明的前馈回路控制的电路方块图；以及

图4是图解说明本发明的工作时序图。

具体实施方式

现在参见图2，根据本发明的电池充电器控制系统通常被图解说明为电路130。电路130被连接到适配器电路100，适配器电路100为充电器控制电路130提供经调节或稳压的直流(DC)电源。电路100中的DC调节常规地通过主侧电路(primary side circuit)102的工作来提供，该主侧电路通常包括对提供给转换器104的能量进行控制的开关桥结构(swithing bridge configuration)。常规地，对来自适配器电路100的输出电压105的读取用于为适配器电路100提供反馈信号以控制输出到充电控制电路130的电压。

在可变的输出功率适配器中误差信号一般从控制器被提供给适配器，诸如图1中所示的误差信号42。根据本发明，前馈控制被提供于充电控制电路130中。图2图解说明从充电控制电路130提供给适配器100的误差信号142的产生。误差信号142的产生开始于误差放大器140和142中的测量和比较，误差放大器140和142分别提供充电电流回路和组电压(pack voltage)回路控制。其它系统参数可通过电路的附加部分被监控，诸如附加的误差放大器。放大器138、140和142的输出是输入参数与在控制回路参考电路144处产生的参考参数之间的差值的经放大的形式。放大器138、140和142的输出在接合点(junction)145中被用线连接(wire-and)以将误差控制信号集合在一起。之后误差控制信号通过运算放大器146被缓冲以产生电压误差输出信号V_err。

电压误差信号V_err被调整以适应关于控制回路的带宽和回路响应时间，所述控制回路包括充电控制电路130和适配器100。通常，误差控制回路响应被调整为具有低带宽和慢响应。这些调整允许控制电路130在连接到闭环结构中的适配器100时提供适当的控制和响应很大变化的功率需求或负载，并且仍保持良好的稳定裕度(margin of stability)。

在某些条件下，期望整个电源系统具有增大的响应速度，这表明充电控制回路130和适配器100之间的控制回路应当具有更快的响应时间。例如，如果系统在短时间段内经历高频瞬态，则期望系统在可行情况下尽快回应并补偿瞬态事件。根据本发明，在充电控制电路130中提供可变速度回路响应。

参照提供于充电控制电路130中的内部控制回路来图解说明本发明。产生误差信号的控制回路包括电阻器R1，其值有助于控制回路的主低频极点的设置。通常，电阻器R1的值被设置以使控制回路的主低频极点为慢响应提供低带宽以保持稳定裕度，该稳定裕度足以处理很大变化的负载。根据本发明，检测瞬态的存在，并且通过绕开补偿网络中的主低频极点的方式更改控制回路的带宽和响应时间。开关S1由前馈逻辑150控制以将电阻器Rfast与电阻器R1并联耦合，减少控制回路补偿中复合的电阻器值，从而加速控制回路的响应并提供更宽的带宽。电阻器Rfast可暂时性地或根据控制算法与电阻器R1并联放置，所述控制算法依赖于误差信号范围或对应的瞬态特性。

开关S1可以由前馈逻辑150根据多种算法或设计标准进行操作，所述算法与设计标准可平衡稳定性考虑和鲁棒的瞬态响应。例如，前馈逻辑150可以检测误差信号V_err何时在给定范围之外，并将开关S1转换至导电状态以增加控制回路响应速度。前馈逻辑150还可包括计数和/或定时逻辑以根据瞬态时间间隔持续的时间长短或电源控制系统可感知的稳定性在导电和不导电状态之间转换开关S1。例如，前馈逻辑150可以确定误差信号V_err是否朝期望的值或范围收敛，并相应地对开关S1进行操作。

本发明通过监控误差信号V_err和将信号V_err的值与给定的范围或一组阈值进行比较来检测瞬态的发生。如果信号V_err超出给定的范围或超出给定的阈值，则前馈逻辑150可以控制开关S1使其处于导电状态以提高控制器响应速度，从而以比其它可能的速度更快的速度驱动信号V_err达到期望值。显然，除了V_err以外的其它参数信号也可用于该控制中。但是，在这个实施例中被测量的信号被用于做出响应变化的决定，反过来该决定作用于被测量的信号。

开关S1在导电状态下的操作可导致电源系统接近可能发生不稳定的工作区域。例如，负载变化可发生在瞬态期间，瞬态可能引发提供有开关S1的闭合的更快的响应时间系统中的不稳定。前馈逻辑150提供的电路可以检测误差信号V_err是否是不收敛的，或指示电源系统工作中的稳定性问题。在这样的情形下，前馈控制逻辑150可以打开开关S1以提高电源系统的稳定性并继续监控误差信号V_err的收敛。如果在一段时间内检测到缺乏收敛，如前馈控制逻辑150所测量的，开关S1可被再次闭合一段时间以提高控制回路响应时间从而有助于驱动误差信号V_err达到期望值。如果开关S1的闭合引发了附加的不稳定性，如误差信号V_err的值所指示的，则前馈逻辑150可以基于给定标准(诸如时间段或期望的界限之外的操作范围)再次打开开关S1。因此，前馈逻辑150的整体功能是控制开关S1以在出现瞬态的情况下提高系统响应同时保持电源工作中一定程度的稳定性。

现在参见图3，方块图250图解说明前馈逻辑150工作的实施例。图250包括输入误差信号V_err和用于驱动开关S1的输出Fast_On。误差信号V_err被施加到比较器200和202以确定误差信号V_err的值是否落在给定窗口或某些预定的阈值内。比较器200和202包括参考输入VRef0和VRef2，其有助于确定误差信号V_err何时在期望的范围之外。参考值VRef0和VRef2可以是可编程的，以便不同的阈值或工作范围可依赖于当前的应用被设置。当误差信号V_err的值在期望的范围之外或超出由VRef0和VRef2设置的特定阈值时，比较器200或比较器202的输出被激活，指示检测到瞬态或工作参数在可接受的或预期的范围之外。在这样的情形下，信号Error_Det是有效的或高电平的，以指示快速控制器响应可以得到保证。例如，比较器200和202可以被提供为施密特触发器比较器，其表现出一定数量的滞后以获取控制参数缓冲区，该缓冲区可减少噪声对系统的影响。当比较器200和202表现出滞后时，直到输入误差信号落在各自的输入参考值的给定范围内输出才被触发。例如，对于比较器202来说，当误差信号V_err的值小于VRef2的值加上滞后容许(hysteretictolerance)时输出仍然是高电平。在这样的情形下直到误差信号V_err增大到VRef2的值加上滞后容许值以上时比较器202才会转换。类似地，如果误差信号V_err大于VRef0的值，且逐渐减少，则直到误差信号V_err的值低于参考VRef0的值减去滞后容许值时比较器200才会转换。施密特触发器或具有滞后功能的比较器提高了前馈逻辑响应瞬态的能力，其中误差信号V_err非常接近于参考电压VRef0和VRef2诸如只差几毫伏。在很多情况下稳定状态误差信号V_err可以工作在接近于VRef0和VRef2的值，因为运算放大器152具有很高的增益并且对由加法器接合点145提供的误差信号的变化很敏感。

参见图4片刻，示例性时序图被图解说明以示出比较器200的输出(Comp1Out)和202的输出(Comp2Out)如何随变化的输入而变化。图4还图解说明了产生的信号Fast_On。

如上所讨论的，出于稳定性考虑，不期望在长时间段内使快速响应开关S1保持在导电状态。当脉冲计数器214计数达到值N时，该脉冲计数器用于在快速响应开关控制信号Fast_On被激活多次后使其无效。计数器214被初始化或复位以使快速响应开关控制信号Fast_On能够激活。计数器214的复位动作可以根据多种技术、使用在图3中图解说明的实施例中所使用的定时器完成。一旦计数器214基于由信号Fast_On提供的输入脉冲计数到N，计数结束输出信号将被提供给与(AND)门206。该计数结束信号是低态有效的，从而一旦计数序列完成，AND门206的输出将被迫变为低电平以去激活/无效控制信号Fast_On。控制信号Fast_On保持在这个状态直到计数器214被复位，然后驱动结束计数(ENDCOUNT)信号为高电平，从而重新使能AND门206。

期望在Fast_On信号的初始激活已被完成后禁能快速响应控制信号Fast_On一段时间。如果控制信号Fast_On被禁能且经过给定的时间间隔没有更多瞬态出现在系统中，则快速响应控制信号Fast_On被重新使能。在快速响应控制信号Fast_On已经有效后没有瞬态发生的时间间隔由定时器212测量。定时器212具有预置的定时值，使得当定时器输入信号在预置的时间段内有效时定时器输出Tout也变成为有效的。瞬态误差指示信号Error_Det被应用到定时器212的输入使得当信号Error_Det无效或为低时定时器212有效。当由于误差信号V_err具有由比较器200和202设置的预定范围内的值而使信号Error_Det变成无效时，定时器212开始工作。一旦定时器212在其预置时间间隔内超时，计数器214将被复位。脉冲计数器214的复位或重新使能将重新使能快速响应开关S1的快速响应功能性。因此，定时器212提供稳定的状态时间间隔，在该时间间隔内误差信号V_err停留在由比较器200和202确定的预定范围内。这样，一旦系统在由定时器212的设置点(set point)确定的给定时间间隔内已经稳定没有被检测到的误差，定时器212将提供稳定性功能，在该功能中快速响应功能性被允许。

当系统稳定后稳定的状态定时器212允许快速响应重新使能时，定时器216基于大量时间内检测到的大误差提供快速响应重新使能。也就是说，在通过开关S1的闭合实现快速响应的应用之后大瞬态的情况下，当开关S1被打开以防止进一步的不稳定性时电源系统不能完全恢复。如果信号Error_Det在由定时器216中的设置点所指示的时间长度后仍有效，则定时器216通过允许快速响应开关S1闭合的方式重新使能快速响应模式的工作。当检测到过长时间的大的瞬态误差时，定时器216将有效地旁路掉稳定状态定时器212。此外，当在系统已经达到稳定状态条件之前及现有瞬态被检测到且被补偿之后发生新瞬态时，定时器216允许快速响应开关S1的再激活。

当定时器212和216超时时，它们均用于通过激活单稳态脉冲发生器220来复位计数器214。由单稳态发生器220提供的脉冲复位计数器214，之后使能快速响应开关S1的激活。

脉冲计数器214提供了对在给定时间间隔内快速响应开关S1的激活次数的限制。例如，如果误差信号V_err在短时间间隔内落入又超出范围，则脉冲计数器214达到最大计数，并将输出线路END设置为有效的低态值，从而禁能快速响应开关S1的进一步动作。由于该功能性，脉冲计数器214本质上充当快速响应开关S1的带宽限制，使得开关S1的激活不会在电源的控制回路中引入大量的不稳定性。

但是，如果发生大的或显著的瞬态，则期望允许快速响应开关S1被使能并且尝试迅速驱动误差响应达到期望的稳定状态值。因此，稳定的状态定时器212和接下来的误差定时器216被配置成为脉冲计数器214提供复位，从而在瞬态后或在误差信号V_err继续落在电压参考范围之外的情况下，快速响应开关S1能够被重新使能。如果检测到过长时间的显著瞬态，定时器216将有效旁路掉稳定状态定时器212。定时器216的工作包括系统达到稳定状态条件之前或误差信号V_err落在期望的电压参考范围内之前引入到系统内的新瞬态事件。在本发明的特定实施例中，误差信号V_err的参考是0伏。VRef0是70毫伏，VRef2是-70毫伏，而比较器200、202中的每个呈现出30毫伏的滞后。脉冲计数器计数值N被设置为4，而定时器212和216的定时器间隔均被设置为400毫秒。

通过更改根据本发明的充电控制电路的回路响应时间，在性能上可以获得关于电压和电流调节的数量级的提高。当为可变负载或电源的需求提供良好的稳定裕度时，对主控制回路极点的可开关控制/可切换的更改允许对系统中瞬态的快速响应。本发明提供响应结构，该结构产生被改善的操作，甚至在出现大瞬态或具有显著宽度的瞬态的情况下。例如，本发明提供的快速响应控制回路甚至当大瞬态出现在系统中时也会产生收敛，因为快速响应控制基于来自反馈误差信号的收敛测量被复位。显然，本发明不限于电源应用，而是可以应用到期望可变响应时间的任何类型的情形。

尽管本发明已经关于本发明的具体示例性实施例被描述，但是对于此领域的技术人员来说在所要求保护的本发明的范围内的其它变化和更改以及其它使用是显然的。

Claims (12)

1.一种电源的反馈控制系统，其包括：

反馈信号，其表示所述电源中用于指示工作条件的一个或多于一个的参数；

补偿电路，其被耦合到所述反馈信号并且可操作用于调节所述反馈信号从而提供电源反馈控制信号；

响应速度控制电路，其被耦合到表示所述电源工作条件的参数信号，并耦合到所述补偿电路，并且可操作用于影响所述补偿电路，从而更改所述补偿电路的主低频极点来更改所述补偿电路的响应速度，通过这种方式所述电源的反馈控制回路具有经更改的响应速度。

2.根据权利要求1所述的电路，其进一步包括一开关，所述开关被耦合到所述补偿电路，并且可由所述响应速度控制电路操作以更改所述补偿电路的响应速度。

3.根据权利要求1或2所述的电路，其中响应速度控制电路进一步包括参考比较电路，所述参考比较电路可操作所述参数信号以确定所述参数信号是否超出给定阈值。

4.根据权利要求3所述的电路，其中所述参考比较电路包括比较器，所述比较器具有参考输入和参数信号输入以及所述比较器的输出，所述比较器的输出指示所述参数信号的值何时超过参考值。

5.根据权利要求4所述的电路，其进一步包括第二比较器，所述第二比较器具有第二参考输入和参数信号输入以及所述第二比较器的输出，所述第二比较器的输出指示所述参数信号的值何时超过第二参考信号的值。

6.根据权利要求1或2所述的电路，其中所述响应速度控制电路进一步包括计数器，该计数器可操作用于指示所述响应速度控制电路有效地更改所述补偿电路的所述响应速度的次数。

7.根据权利要求6所述的电路，其中所述计数器进一步包括输出，所述输出可操作用于影响所述响应速度控制电路的输出，以禁能对所述补偿电路的所述响应速度的更改。

8.根据权利要求7所述的电路，其进一步包括定时器，所述定时器被耦合到所述计数器和响应速度控制信号，并且可操作用于当所述响应速度控制信号在所述定时器指定的预定时间间隔内有效时将所述计数器复位。

9.一种用于改变电源中控制回路的响应速度的方法，其包括：

基于所述电源的工作参数获得参数信号；

确定所述参数信号是否超过预定参考水平；及

基于确定的结果，更改所述补偿电路中的主低频极点以更改补偿电路的响应速度，以作用于所述参数信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括基于表示现有响应速度更改行为的标准禁能所述响应速度更改。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述标准包括脉冲计数或时间间隔。

12.一种电源控制回路的响应速度控制电路，其包括：

控制回路中的补偿电路，该控制回路可应用于调节反馈信号以控制输入功率变换器；

电子组件，其被选择性地耦合到所述补偿电路以选择性地更改所述补偿电路中的主低频极点位置，从而改变所述补偿电路的响应速度；和

响应速度控制器，其可操作用于影响所述电子组件到所述补偿电路的选择性的耦合，所述响应速度控制器具有表示所述电源的工作条件的参数信号输入。

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