CN101401052B - 用于改变dc/dc转换器模块的瞬态响应特性的电路和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于改变具有输出轨引脚(245，255，250，260)和调整引脚(265)的DC/DC转换器模块的瞬态响应特性的电路和方法，以及包含该系统或方法的分布式功率转换系统。在一个实施例中，该系统包括耦合到DC/DC转换器模块的输出轨引脚(245，255，250，260)和调整引脚(265)的电抗元件(460)并用来与DC/DC转换器模块内部的至少一个网络(220)相互作用以便改变瞬态响应特性。

Description

用于改变DC/DC转换器模块的瞬态响应特性的电路和方法
技术领域
本发明总地来说涉及DC/DC功率转换，更具体地说，涉及用于改变可以采用“负载点”(POL)转换器模块的形式的DC/DC功率转换器的瞬态响应特性的电路和方法。
背景技术
复杂的功率转换系统继续伴演支持所有方式和类型的现代电子系统的重要角色。一些电子系统包含多个负载，分别在电流、电压和质量方面都具有其自己的特定需求。因此，分布式功率转换系统已经开始被用来为那些电子系统供电。
分布式功率转换系统的特征在于中央转换器和耦合到中央转换器的输出的DC功率分布总线。耦合到DC功率分布总线并对应于电子系统中的各种负载的是多个DC/DC转换器，其采用POL转换器的形式。(可以隔离或不隔离DC/DC转换器，通常不隔离POL转换器)。设计DC/DC转换器来执行从DC功率分布总线到与它们关联的特定负载的功率的最终转换。
DC/DC转换器通常在商业上以具有预定输入和输出引脚和输出电压设置或“调整(trim)”引脚的标准和预封装模块的形式获得。模块包含动力系和不仅确定输出电压、而且确定动力系响应由于电源总线或负载中的波动而可能产生的瞬态状况的方式(通常称为模块的“瞬态响应特性”)的控制电路。因为模块是标准和预封装的，它们的控制电路必须设计成具有适用于适应众多可能的负载的瞬态响应特性。
遗憾的是，多种负载可接受的瞬态响应特性对特定负载常常不是最佳的。因此，经常损害电源的质量和系统的整体效能。当然，能设计和开发定制的DC/DC转换器，其不是标准的产品，而是通过匹配瞬态响应特性，针对特定负载定制的，但这很显然是非常昂贵的解决方案，因此，对许多价格敏感应用来说是不可接受的。
本领域所需要的是使商业上可获得的DC/DC转换器模块的瞬态响应特性适用于特定负载的方法。更具体地说，本领域所需要的是改变商业上可获得的标准的DC/DC转换器模块的瞬态响应特性而不破坏该模块、使其封装和外部接口保持原样的方法。
发明内容
为解决现有技术的上述缺陷，本发明在一个方面中提供用于改变具有输出轨引脚和调整引脚的DC/DC转换器模块的瞬态响应特性的电路。在一个实施例中，系统包括耦合到DC/DC转换器模块的输出轨引脚和调整引脚并配置成与DC/DC转换器模块内部的至少一个网络相互作用以便改变瞬态响应特性的电抗元件。
在另一方面中，本发明提供改变具有输出轨引脚和调整引脚的DC/DC转换器模块的瞬态响应特性的方法。在一个实施例中，该方法包括：(1)将电抗元件耦合到DC/DC转换器模块的输出轨引脚和调整引脚，以及(2)使电抗元件与DC/DC转换器模块内部的至少一个网络相互作用，以便改变瞬态响应特性。
在另一方面中，本发明提供分布式功率转换系统。在一个实施例中，该系统包括：(1)中央转换器，(2)DC功率分布总线，耦合到中央转换器的输出，以及(3)多个DC/DC转换器模块，耦合到DC功率分布总线，多个DC/DC转换器模块的每一个具有输出轨引脚、调整引脚、和用于改变POL转换器模块的每一个的瞬态响应特性的电路，该电路包括电抗元件，耦合到POL转换器模块的每一个的输出轨引脚和调整引脚并配置成与POL转换器模块的每一个内部的至少一个网络相互作用以便改变瞬态响应特性。
上文已经概述了本发明的优选和替代特征，以便本领域技术人员可以更好地理解下文的本发明的详细描述。在下文中，将描述形成本发明的权利要求的主题的本发明的另外的特征。本领域技术人员应当理解，他们能容易地使用所公开的原理和具体的实施例，作为用于设计或修改用于执行本发明的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应当认识到这些等效的结构不背离本发明的精神和范围。
附图说明
为更全面地理解本发明，参考结合附图所做的下述描述，其中：
图1示例说明包含中央转换器和用于相应的负载的多个分布式DC/DC转换器模块并包括本发明的系统或方法的分布式功率转换系统的框图；
图2示例说明可以应用根据本发明的原理构造或执行的电路或方法以便改变其瞬态响应特性的、商业上可获得的标准DC-DC转换器模块的框图和引出线图；
图3示例说明在图2的商业上可获得的DC/DC转换器模块内包含的控制电路的示意图；
图4结合根据本发明的原理构造的用于改变DC/DC转换器模块的瞬态响应特性的电路的一个实施例的示意图，示例说明图3的控制电路；
图5结合根据本发明的原理构造的用于改变DC/DC转换器模块的瞬态响应特性的电路的另一实施例的示意图，示例说明图3的控制电路；
图6示例说明根据本发明的原理执行的改变DC/DC转换器模块的瞬态响应特性的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
首先参考图1，示例说明总体标为100的分布式功率转换系统的框图，包括本发明的系统或方法。分布式功率转换系统100包含中央转换器110和耦合到中央转换器110的输出的DC功率分布总线120。耦合到DC功率分布总线120并对应于各个负载，例如135a、135b、135c、135d、135n的是多个DC/DC转换器模块，例如，130a、130b、130c、130d、130n。DC/DC转换器模块130a、130b、130c、130d、130n设计成执行从DC功率分布总线120到与它们相关联的特定负载135a、135b、135c、135d、135n的功率的最终转换。DC/DC转换器模块130a、130b、130c、130d、130n可以包含隔离或不隔离的转换器。它们可以包含通常不隔离的POL转换器。
现在转到图2，示例说明可以应用根据本发明的原理构造或执行的电路或方法以便改变其瞬态响应特性的商业上可获得的DC/DC转换器模块，例如图1的DC/DC转换器模块130a的框图和引出线图。
DC/DC转换器模块130a包含响应于由控制电路220提供的控制信号，负责执行功率转换的动力系210。本领域技术人员熟悉用于功率转换器的许多传统的动力系技术。本发明可以包含任何传统或以后开发的动力系技术。
如上所述，控制电路220不仅确定DC/DC转换器模块130a的输出电压，而且确定动力系210对电源总线(例如图1的DC功率分布总线120)或负载(例如图1的负载135a)的波动的瞬态响应特性。图2的DC/DC转换器模块130a通常在商业上可以标准封装模块的形式获得(由周围的实线框200表示)。因为预封装DC/DC转换器模块130a，其控制电路220必定设计成具有适用于适应众多可能负载的瞬态响应特性。
DC/DC转换器模块130a具有预定的引脚(“引脚”是用于任何物理结构的封装电子触点的通称)。更具体地说，DC/DC转换器模块130a具有作为正输入轨的Vin(+)引脚230、作为负输入轨的Vin(-)引脚235、接收接通和断开DC/DC转换器模块130a的控制信号的开/关引脚240、作为正输出轨的Vo(+)引脚245、作为负输出轨的Vo(-)引脚250、作为正遥感引脚并设计成连接到建立压控点的正轨上的点的S(+)引脚255、作为负遥感引脚并设计成连接到将建立压控点的负轨上的点的S(-)引脚260、以及设计成连接到电阻器和电压源中的一个或这两者以便调整DC/DC转换器模块130a的输出电压电平的调整引脚265(例如，如在Vo(+)引脚245和Vo(-)引脚250间)。
在一些商业上可获得的模块中，在模块内部，将Vo(+)和S(+)连接在一起，并且在模块内部，同样将Vo(-)和S(-)连接在一起。连接Vo(+)和S(+)以及Vo(-)和S(-)使引脚数减少2，但代价是使电压调节发生在模块内的点。为了简便，图3、4和5正好表示在模块内部，将Vo(+)和S(+)以及Vo(-)和S(-)连接在一起。然而，不管Vo(+)和S(+)以及Vo(-)和S(-)是否连接在一起，在模块内部还是外部，本发明的原理均适用。在非隔离DC-DC转换器模块中，共同接地端通常代替Vin(-)和Vo(-)端，并起这些端子的作用。
现在转到图3，示例说明包含在图2的商业上可获得的DC/DC转换器模块130a内的控制电路220的示意图。控制电路220包含脉宽调制器310，提供为运算放大器(opamp)320的输出的函数的脉宽调制(PWM)控制信号。反馈网330及第一和第二输入网340、350包含电抗元件(例如电容器)和确定运算放大器320响应于Vo(+)/S(+)245/255和Vo(-)/S(-)250/260的瞬态状况的方式的其他元件(例如电阻器)。因此，图1和2的控制电路220和DC/DC转换器模块(例如130a)作为一个整体的瞬态响应特性取决于反馈网330及第一和第二输入网340、350中的元件的值。如上所述，这些元件在模块内部且在不破坏或可能损坏模块的情况下不易访问。如在图3中所看到的，调整引脚265用来通过将一个或多个电阻器或电压源耦合到调整引脚，通常是Vo(-)或Vo(+)，设置模块的输出电压。然而，到目前为止，调整引脚265严格地限制到该目的。
本发明包含基本认识：调整引脚265能用于新的、非显而易见和完全未预料到的目的。代替将调整引脚仅用作用于改变模块的输出电压的装置(通过使用一个或多个电阻器或电压源)，调整引脚能改为或另外用来改变模块的瞬态响应特性(通过使用一个或多个电抗元件)。如果希望的话，这允许模块的瞬态响应特性适用于特定负载。
通过将一个或多个电抗元件(例如电容器)耦合到调整引脚265，能增大并因此而改变第一或第二输入网340、350或两者。改变第一和第二输入网340、350中的一个或这两者改变运算放大器320响应于Vo(+)/S(+)245/255和Vo(-)/S(-)250/260中的瞬态状况的方式，并因此改变作为整体的图1和2的控制电路220和DC/DC转换器模块(例如130a)的瞬态响应特性。
现在转到图4，与用于改变根据本发明的原理构造的DC/DC转换器模块的瞬态响应特性的电路460的一个实施例的示意图一起，示例说明图3的控制电路220。在图4中，电路460采用横跨Vo(+)/S(+)引脚245/255和调整引脚265Vo(-)/S(-)250/260的单个电抗元件的形式。所示的单个电抗元件具体是电容器。另外，电路460可以采用多个电抗元件的形式，可以包括非电容器的一个或多个电抗元件(例如电感器)或由其构成，可以横跨调整引脚265和Vo(-)/S(-)引脚250/260，或可以横跨Vo(+)/S(+)引脚245/255和调整引脚265Vo(-)/S(-)250/260。电路460与第一输入网340相互作用，以便改变模块的瞬态响应特性。
现在转到图5，与用于改变根据本发明的原理构造的DC/DC转换器模块的瞬态响应特性的电路560的另一实施例的示意图一起，示例说明图3的控制电路220。在图5中，电路560采用与横跨Vo(+)/S(+)引脚245/255和调整引脚265Vo(-)/S(-)250/260的单个非电抗元件串联耦合的单个电抗元件的形式。单个电抗元件具体示为电容器。单个非电抗元件示为电阻器。另外，电路560可以采用多个电抗和/或非电抗元件的形式，可以包括非电容器的一个或多个电抗元件(例如电感器)或由其组成、可以横跨调整引脚265和Vo(-)/S(-)引脚250/260，或可以横跨Vo(+)/S(+)引脚245/255和调整引脚265Vo(-)/S(-)250/260。与图4一样，电路560与第一输入网340相互作用以便改变该模块的瞬态响应特性。
例如，假定负载从3A变化成6A，模块可能具有216mV的瞬态输出电压偏差。将47μF外部电容应用于负载(根据惯例)，瞬态输出电压偏差仅下降到141mV。然而，应用跨Vo(+)和调整引脚的串联的10nF电容器和47Ω电阻器，使瞬态输出电压偏差显著地降低到62mV。事实上，已经发现电容和电阻的其他值能在瞬态响应方面产生5倍以上的改进。
现在转到图6，示例说明根据本发明的原理执行的改变DC/DC转换器模块的瞬态响应特性的方法的一个实施例的流程图。该方法以开始步骤610开始。在步骤620，确定模块对外部负载的瞬态响应和稳定特性。这建立了用于要改进的模块和负载的基本性能条件。在步骤630中，包含至少一个电抗元件(例如电容器)的外部网耦合到DC/DC转换器模块的输出轨引脚和调整引脚。另外，电抗元件可以用另一电抗元件代替或增加另外的电抗元件或非电抗元件。在一个有利的实施例中，该外部网采用电容器与电阻器串联的形式，如图5所示。在步骤640中，重新确定结合连接在输出轨和调整引脚间的外部网，模块和负载的瞬态响应和稳定特性。如果满意(在判断步骤650中所确定的)，该方法在步骤660中结束。然而，如果希望，能重复步骤630、640，直到获得用于在输出轨和调整引脚之间外部连接的网络的令人满意的元件值集合为止。另外，通过修改连接在负载两端的负载滤波网，然后重新确定连接在DC/DC转换器的输出轨和调整引脚间的外部网的最佳值，修改整个外部负载。
尽管已经详细地描述了本发明，但相关技术的技术人员应当理解到在不背离最宽形式的本发明的精神和范围的情况下，能做出各种改进、替代和改变。

Claims (22)

1.一种用于改变具有输出轨引脚和调整引脚的DC/DC转换器模块的瞬态响应特性的电路，其中在所述调整引脚处设置所述模块的稳态输出电压，该电路包括：
电抗元件，耦合到所述DC/DC转换器模块的所述输出轨引脚和所述调整引脚，并配置用来与所述DC/DC转换器模块内部的至少一个网络相互作用，以便改变所述瞬态响应特性。
2.如权利要求1所述的电路，其中，所述电抗元件是电容器。
3.如权利要求1所述的电路，进一步包括耦合到所述电抗元件的非电抗元件。
4.如权利要求3所述的电路，其中，所述非电抗元件与所述电抗元件串联耦合。
5.如权利要求1所述的电路，其中，所述输出轨引脚是正输出轨引脚。
6.如权利要求1所述的电路，其中，所述输出轨引脚耦合到所述DC/DC转换器模块的感测引脚。
7.如权利要求1所述的电路，其中，所述DC/DC转换器模块是负载点转换器模块。
8.一种改变具有输出轨引脚和调整引脚的DC/DC转换器模块的瞬态响应特性的方法，其中在所述调整引脚处设置所述模块的稳态输出电压，该方法包括：
将电抗元件耦合到所述DC/DC转换器模块的所述输出轨引脚和所述调整引脚；以及
使所述电抗元件与所述DC/DC转换器模块内部的至少一个网络相互作用，以便改变所述瞬态响应特性。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述电抗元件是电容器。
10.如权利要求8所述的方法，还包括将非电抗元件耦合到所述电抗元件。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述耦合所述非电抗元件包括将所述非电抗元件与所述电抗元件串联耦合。
12.如权利要求8所述的方法，其中，所述输出轨引脚是正输出轨引脚。
13.如权利要求8所述的方法，其中，所述输出轨引脚耦合到所述DC/DC转换器模块的感测引脚。
14.如权利要求8所述的方法，其中，所述DC/DC转换器模块是负载点转换器模块。
15.一种分布式功率转换系统，包括：
中央转换器；
DC功率分布总线，耦合到所述中央转换器的输出；以及
多个DC/DC转换器模块，耦合到所述DC功率分布总线，所述多个DC/DC转换器模块中的每一个具有输出轨引脚、调整引脚和用于改变所述DC/DC转换器模块中的所述每一个的瞬态响应特性的电路，其中，在所述调整引脚处设置所述每个模块的稳态输出电压，所述电路包括：
电抗元件，耦合到所述DC/DC转换器模块中的所述每一个的所述输出轨引脚和所述调整引脚，并配置用来与所述DC/DC转换器模块中的所述每一个内部的至少一个网络相互作用，以便改变所述瞬态响应特性。
16.如权利要求15所述的系统，其中，所述电抗元件是电容器。
17.如权利要求15所述的系统，还包括耦合到所述电抗元件的非电抗元件。
18.如权利要求17所述的系统，其中，所述非电抗元件与所述电抗元件串联耦合。
19.如权利要求15所述的系统，其中，所述输出轨引脚是正输出轨引脚。
20.如权利要求15所述的系统，其中，所述输出轨引脚耦合到所述DC/DC转换器模块中的所述每一个的感测引脚。
21.如权利要求15所述的系统，其中，所述DC/DC转换器模块的所述每一个是负载点转换器模块。
22.一种DC/DC转换器，具有输出轨引脚、调整引脚以及用于改变所述的DC/DC转换器的瞬态响应特性的电路，其中在所述调整引脚处设置所述DC/DC转换器的稳态输出电压，该电路包括：
电抗元件，耦合到所述输出轨引脚和所述调整引脚，并配置用来与所述DC/DC转换器内部的至少一个网络相互作用，以便改变所述瞬态响应特性。
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