CN101411048B - 开关模式电源控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明总体上涉及用于开关模式电源(SMPS)的控制系统，具体涉及数字控制方案。开关模式电源控制器采用脉冲频率调制和脉冲宽度调制来控制电源开关设备，该控制器具有：接收与输出电压相关的反馈信号的输入；驱动所述电源开关设备的输出；以及控制器，响应于来自所述输入的所述反馈信号，向所述输出提供开关控制信号，所述开关控制信号具有包括用于接通所述电源开关设备的ON部分的开关周期，而且其中，所述控制器被配置为使用至少一个存储的脉冲宽度来选择针对所述开关周期的所述ON部分的多个离散脉冲宽度之一，以及响应于所述反馈信号而改变所述开关周期的持续时间。

Description

开关模式电源控制系统
技术领域
本发明总体上涉及用于开关模式电源(SMPS)的控制系统，具体涉及数字控制方案。申请人将本发明的优选实施例称为“FloydBrane”。
背景技术
我们先前已经在2004年12月21日提交的UK专利申请0427893.3和0427894.1中描述了用于数字SMPS控制器的一些改进的控制技术。这里，我们描述用于采用脉冲频率调制(PFM)和脉冲宽度调制(PWM)的组合的控制器的改进的技术。概括地说，我们将描述以下技术：在其中，通过采用使用两个补偿控制回路的“齿轮箱(gear box)”控制方案来将开关频率保持在操作的有效点的区域内。第一回路提供对使用PFM的SMPS的实时控制，以及第二回路操作PWM控制方案，PWM控制方案监测开关频率，并在预定义的操作点处通过一组预定值来将脉冲宽度调大或调小。这可以看作与机动车辆的齿轮箱类似，其中SMPS的脉冲宽度、开关频率以及输出功率大致与车辆的齿轮比、发动机转速以及行进速度分别对应。这种系统的实施例还有利于降低音频噪声，因为通常可以管理开关频率以避免有时通过磁力控制和其它机电振动而产生的人类可听频率。我们所描述的系统的实施例还呈现出良好的瞬时响应，并且能够在大范围的输入条件、输出模式条件以及电源需求上操作。
可以在US 2004/0037094以及在关于Power Integrations(RTM)TOP 242-250 TopSwitch GX系列(RTM)手册的手册中找到涉及PWM和PFM控制器的背景技术。典型地，这些最近的设备针对中等或较大负载以固定频率运行，采用PWM作为控制方法，但针对较小负载切换到较低频率。此外，采用周期跳跃方案也是已知的，其中当SMPS输出电压高于其目标值时跳过供电周期(例如，参见关于PowerIntegrations(RTM)，“TinySwitch”产品TNY 253/254/255的手册)。其它背景技术可以在US 2002/0057080、US 6,275,018、US 6,304,473、EP 0 874 446A、US 5,757,625、US 5,479,090中找到。
发明内容
根据本发明，提供了一种采用脉冲频率调制和脉冲宽度调制的组合来控制电源开关设备的开关模式电源控制器，该控制器具有：接收与输出电压有关的反馈信号的输入；驱动所述电源开关设备的输出；以及控制器，响应于来自所述输入的所述反馈信号，向所述输出提供开关控制信号，所述开关控制信号具有包括用于接通所述电源开关设备的ON部分的开关周期，其中，所述控制器被配置为使用至少一个存储的脉冲宽度值来选择针对所述开关周期的所述ON部分的多个离散脉冲宽度之一，以及响应于所述反馈信号来改变所述开关周期的持续时间。
可以在控制器硬件的硬接线配置中存储离散脉冲宽度，或者可以将离散脉冲宽度作为数据存储在查找表中(可选地为非易失的)，或者可以通过提供多个脉冲发生器将脉冲宽度存储在控制器中，多个脉冲发生器中的每个都被配置为提供具有不同的固定或预定宽度的脉冲。
备选地，至少一个存储的脉冲宽度可以至少包括最大脉冲宽度，然后可以根据该最大脉冲宽度来确定其它离散脉冲宽度，例如通过该最大脉冲宽度值与最小脉冲宽度值(可能为0)之间的内插。优选地，在该实施例中，控制器被配置为使用存储的最大和最小脉冲宽度值来选择针对所述开关周期的ON部分的多个离散脉冲宽度(定义了一组可用脉冲宽度)之一。因此，控制器可以根据与输出电压相关的反馈信号(或者更概括地为，根据需求)在离散脉冲宽度值之间增大/减少。可以使用比查找表更小的硅面积来实现这类装置的实施例。
离散脉冲宽度以与齿轮箱的齿轮比类似的方式进行操作。在一些情况下，例如在基于查找表的实施例中，例如可能只提供少数几个齿轮，例如小于20、10或5个。在其它情况下，离散脉冲宽度值可以很密集，并且许多值可用。为了继续齿轮箱类比，这些实施例更加类似于连续变量传输。对齿轮升档或降档，即，在离散脉冲宽度之间递增/递减，这可以包括递增/递减固定或预定数(例如数字整数)或固定分数。可选地，可以将脉冲持续时间/频率相应地调整补偿增量(或减量)，例如在预定最大和最小值之间。优选地，存储最大和最小脉冲宽度中的一个或两者。将被理解的是，在实施例中，可以提供用户可访问的寄存器，用以存储这些最大和/或最小值中的一个或更多个，例如最大和/或最小脉冲宽度值可以是用户可访问的；在其它实施例中，可以对这些值进行硬编码(hardcoded)。
在实施例中，电源设备开关控制信号定义了电源设备开关周期中的ON部分，其后跟随着开关周期的OFF部分，该周期的ON部分由多个离散的或存储的脉冲宽度之一所定义，该周期的OFF部分的结尾(以及随后的ON部分的重新开始)由反馈信号所定义。该反馈信号提供关于SMPS输出的信息(电源设备开关信息，可选地为逐周期的)，优选地为可变值信号，将可变值信号与基准值进行比较(例如，借助于电压基准和比较器)，以确定OFF部分的结尾/开关周期的重新开始的定时。
技术人员将理解，上述SMPS控制器的实施例可用于大范围的SMPS配置中，包括(但不局限于)回扫转换器、直接耦合升压转换器、以及直接耦合降压转换器。在SMPS包括由电源开关设备所驱动的变压器的情况下，可以从变压器的次级侧(如后文中在优选实施例中所述)、或者从变压器的初级侧、或者从变压器的辅助绕组导出反馈信号。在以电感器代替变压器的SMPS装置中，可以类似地从电感器的初级侧、次级侧或辅助绕组导出反馈信号。
在优选实施例中，将控制器配置用于确定(测量)受反馈信号控制的开关周期的持续时间，例如通过在开关周期开始时对计数器进行复位，以及当反馈信号指示应重新开始开关周期时确定计数。然而，传统意义上，控制器包括用于为计数器提供时钟的系统时钟，这样可以根据该系统时钟的周期数来定义离散或存储的脉冲宽度。然后，可以响应于所确定的每个电源开关周期的持续时间来选择离散或存储的脉冲宽度，从而提供了逐周期的控制。
优选地，该控制器具有多个操作功率范围，其中每个操作功率范围可以由离散或存储的脉冲宽度以及在比如说频率下限和频率上限(在最小脉冲宽度可以包括基本上为零的频率下限)之间的开关周期持续时间的范围的组合来定义。对于受控的SMPS，这些操作功率范围中的每个优选地定义了每个开关周期由SMPS电源开关设备所传送的平均功率。优选地，定义操作功率范围(通过脉冲宽度/频率组合)，使得它们发生交迭，从而提供了有助于禁止不同功率范围之间的不规则振荡的一定程度的滞后。
为了选择功率范围，优选地将控制器配置为响应于所确定的开关周期的持续时间小于下阈值而选择增大的脉冲宽度，以及响应于所确定的持续时间大于上阈值而选择减小的脉冲宽度。换言之，一般而言，当开关频率降低时，电源使齿轮降档，而当频率升高时，电源使齿轮升档。回想一下，在优选实施例中的开关频率响应于输出负载(更具体地为输出电压)，使得所选择的“齿轮”(脉冲宽度)以这样的方式取决于输出负载。可以根据持续时间或频率来定义上阈值和下阈值，并优选地将其存储在控制器中，例如存储在另外的查找表或一个或更多个寄存器中；可选地，针对不同的所选择的脉冲宽度值，可以采用不同的上阈值和/或下阈值。
上述系统的实施例还使得能够定义针对大多数情况(除了脉冲宽度为其可选、预定值的最小值的情况)的最小操作频率。优选地，此最小操作(开关周期)频率在正常的人类听觉范围之外，例如大于5KHz、10KHz、15KHz或优选地为20KHz。优选地，这个频率是预定的，例如存储在控制器中。
优选地，控制器包括用于存储n、m和p中的一个或更多个值的数据存储器，例如一个或更多个寄存器，其中n定义了开关周期的持续时间，m定义了用于进行选择的存储的脉冲宽度的数目，而p定义了脉冲宽度的最小持续时间。可选地，定义用于确定最大脉冲宽度的附加参数q。优选地，这些参数以所计数的系统时钟脉冲的数目来定义。在实施例中，m个脉冲宽度在p个系统时钟周期的最小ON时间到q(或n/2)个系统时钟周期的最大值之间变化，总的开关周期为至少n个系统时钟周期。在优选实施例中，从反馈信号中导出定时信号(FBD)，该反馈信号的改变(转变)指示输出(电压)值何时降到阈值以下以及开始电源开关周期。在这些转变靠在一起(短FBD脉冲)的位置，定义n个计数的系统时钟脉冲的最小持续时间，定义了电源设备开关控制信号的最大占空比，例如在本实施例中为50％。
在相关方面，本发明提供了一种用于操作采用脉冲频率调制和脉冲宽度调制的组合以控制电源开关设备的开关模式电源控制器的方法，该控制器具有：接收与输出电压有关的反馈信号的输入；驱动所述电源开关设备的输出；以及控制器，响应于来自所述输入的所述反馈信号，向所述输出提供开关控制信号，所述开关控制信号具有包括用于接通所述电源开关设备的ON部分的开关周期，所述方法包括：使用至少一个存储的脉冲宽度来选择针对所述开关周期的所述ON部分的多个离散脉冲宽度之一；以及响应于所述反馈信号来改变所述开关周期的持续时间，以调节所述开关模式电源的输出。
本发明还提供了用于实现本方法的处理器控制代码，具体在载体介质上。载体介质可以包括盘、程序存储器或诸如光盘、电信号载体之类的数据载体。该代码可以包括传统的计算机程序代码和/或用于设置或控制ASIC或FPGA的代码、或者诸如RTL(寄存器转移层)代码、VerilogTM、或SystemC之类的用于硬件描述语言的代码。
本发明还提供了一种包括用于实现上述方法的装置的开关模式电源控制器。
在另一方面，本发明提供了一种采用脉冲频率调制和脉冲宽度调制的组合来控制电源开关设备的开关模式电源控制器，该控制器具有多个操作功率范围，每个范围定义了由所述电源开关设备在每个开关周期传输的平均功率的范围，每个所述范围由以下组合定义：多个预定脉冲宽度之一、以及所述开关周期的持续时间的范围。
在另一方面，本发明提供了一种采用脉冲频率调制和脉冲宽度调制的组合来控制电源开关设备的开关模式电源控制器，该控制器具有：接收与电源输出有关的反馈信号的输入；驱动所述电源开关设备的输出；以及数字控制器，响应于来自所述输入的所述反馈信号，从所述输出提供开关控制信号，所述开关控制信号具有包括用于接通所述电源开关设备的ON部分的开关周期，其中，所述开关周期的所述ON部分之后跟随有用于断开所述电源设备的OFF部分，其中，所述控制器被配置为响应于所述反馈信号而结束所述开关周期的所述OFF部分，并重新开始所述开关周期的所述ON部分；而且，所述反馈信号包括可变值信号，所述控制器被配置为将所述反馈信号值与基准值进行比较，以确定所述开关周期重新开始的定时。
本发明还提供了一种采用脉冲频率调制和脉冲宽度调制的组合来控制电源开关设备的开关模式电源控制器，该控制器具有：接收与输出电压有关的反馈信号的输入；驱动所述电源开关设备的输出；以及数字控制器，响应于来自所述输入的所述反馈信号，从所述输出提供开关控制信号；以及其中，所述控制器被配置为对所述脉冲频率和脉冲宽度一起进行改变，从而在所述脉冲宽度大于最小脉冲宽度时保持所述脉冲频率大于音频。
在另一方面，本发明提供了一种采用脉冲频率调制和脉冲宽度调制的组合来控制电源开关设备的开关模式电源控制器，该控制器具有：接收与电源输出有关的反馈信号的输入；驱动所述电源开关设备的输出；以及数字控制器，响应于来自所述输入的所述反馈信号，从所述输出提供开关控制信号；以及其中，所述控制器包括：系统计数器，耦合至所述输入；输出脉冲发生器，耦合至所述系统计数器的输出以及所述输出；脉冲宽度查找表，其输出耦合至所述输出脉冲发生器的脉冲宽度控制输入；以及脉冲宽度控制器，耦合至所述系统计数器输出端以及所述脉冲宽度查找表，以使用所述查找表来选择针对所述脉冲发生器的脉冲宽度。
在另一方面，本发明提供了一种脉冲宽度和频率调制(PWFM)SMPS(开关模式电源)控制器，被配置为对响应于所述SMPS的输出条件的反馈信号做出反应，通过PWFM来控制所述SMPS的电源开关设备的驱动信号，其中，所述控制器具有可变齿轮比，所述齿轮比确定了与所述PWFM的频率相关联的所述PWFM的可用脉冲宽度的范围，确定了所述SMPS的操作功率范围。
在优选实施例中，将控制器配置用于控制齿轮比，使得当频率降低时，齿轮比调整以选择用于确定开关模式电源的减小的操作功率范围的可用脉冲宽度的范围，反之亦然。在一些优选实施例中，将控制器配置用于使用选自所述可用脉冲宽度的范围的脉冲宽度、响应于所述反馈信号来控制所述频率。该反馈信号所对应的输出条件可以包括电源的输出电流、电源的输出电压、或者电源的输出负载。
在实施例中，可变齿轮比包括多个基本上固定的齿轮比；在其它实施例中，齿轮比包括基本上连续可变的齿轮比。在一些优选实施例中，由齿轮比所确定的可用脉冲宽度的范围进一步由至少一个存储的脉冲宽度来确定。
本发明还提供了一种包括如上所述的控制器的开关模式电源。
附图说明
参考附图，仅作为示例对本发明的这些和其它方面进行描述，在附图中：
图1示出了根据本发明实施例合并有控制器的开关模式电源的示例；
图2示出了开关模式电源控制器的方框图；
图3示出了用于图2中的SMPS控制器的数字控制系统的方框图；
图4示出了用于图2和图3中的控制器的脉冲宽度和频率控制的时序图；
图5示出了针对图2和图3中的控制器的多个操作功率范围的示例性脉冲宽度和开关周期持续时间；以及
图6示出了针对图2和图3中的控制器的一组功率值曲线。
具体实施方式
参照图1，这示出了具有国内电力网供电输入102和DC输出104的示例性开关模式电源电路100。对电力网输入102进行整流以便为线路106a、b提供直流电，线路106a、b通过开关设备(在这个示例中为功率IGBT(绝缘栅双极晶体管)110，在这里示为电源控制器集成电路的一部分)向能量传递设备(在这个设备中为变压器108)供电。
辅助绕组108b在线路112上提供用于为SMPS控制器114供电的直流电，SMPS控制器114向IGBT110提供驱动信号，以对该设备进行开关操作。当该开关设备接通时，能量存储在变压器108的磁场中，而当该开关断开时，将能量传递给变压器的次级侧，对能量进行整流和平滑，从而提供直流输出104。
在所示示例中，通过由直流输出电压经电阻器118所驱动的光隔离器116来将次级侧反馈提供给基准电压电路120。光隔离器116的晶体管116b把线路122上的反馈信号提供给控制器114上的反馈输入(FB)。SMPS操作于不连续导电模式，其中如稍后进一步说明的是，当开关设备断开时，稳定时段之后的输出电压开始下降(在该点处，变压器开始形成环形电路(ring)，从而进入所谓的振荡阶段)。在图1的电路中，当该开关设备为接通时，通过二极管126给电容器124充电，以及同样地通过二极管130给电容器128充电。在振荡阶段，二极管126和130为截止，通过光隔离器的晶体管116b和下拉电阻器132来从电容器124引导电荷。通过光隔离器的电流根据输出电压处于或小于次级侧上的目标而改变，其控制电容器124两端的电压的下降速率。反馈线路122上的电压基本上以相同的速率下降，因此线路122上的电压基本上与SMPS输出电压成正比，并且逐供电周期地做出反应。
直流供电线路106b中的电阻器134作为电流感测电阻器(典型地小于1欧姆)，从而在线路136上提供控制器114的电流感测(CS)输入(反向的，因为线路136从控制器114连接到电阻器134的另一端)。可以按照传统方式采用这个信号来提供限流。线路138提供了控制器114的引导(BS)输入，可以使用该引导输入来将控制器VDD干线140提升到其工作电压值，以实现快速启动。
现在参照图2，其示出了图1中的控制器114的细节。控制器114包括如下文中进一步描述的数字脉冲宽度/频率控制系统300。图2中的方框图关于控制系统300的主要特征是，通过使用比较器144将反馈线路122上的电压与来自电压基准142的基准电压(在所示实施例中为2V)进行比较而推导出数字反馈信号(FBD)140。可以提供其它可选电路块，来实现过流保护(OCP)、关于VDD的过压保护(OVD)、关于VDD的欠压保护(UVD)、过压(高电压侧)保护(OVP)、过温保护(OTP)、系统故障锁存器(FLI)，而且可以提供睡眠控制块，以提供在其中一些电路停止工作的可选待机操作模式(例如，那些注上星号的可能会掉电)。优选地，还包括系统时钟146，以提供用于确定如后文进一步描述的供电周期定时的数字系统时钟。在实施例中，可以采用1MHz至100MHz范围内的系统时钟频率，例如16MHz。另外或备选地，可以提供外部时钟输入。
现在参照图3，其示出了图2中的数字控制系统300的详细方框图。概括地说，控制系统300从输出302提供用于控制开关设备(IGBT110)的驱动脉冲流，以便使用一组固定脉冲宽度值(“齿轮比”)中的一个值和可调整的供电周期开关频率来调节图1中的SMPS电源的输出104处的直流电压。
我们首先说明系统的整体操作。
数字控制器300实现了逐周期按需供电方案。每个供电周期具有包括n个数字时钟周期的最小持续时间。供电周期具有从p到q(例如，n/2)个数字时钟周期不等的m个固定接通时间(on-time)(脉冲宽度)之一，以及针对n个周期中的剩余时间的最小值的断开时间(off-time)。m、n、p和可选的q的值由电源开关最大频率选择输入CLKSEL[1:0]所确定。
优选地，控制器300始终使用未分频的(undivided)内部数字时钟，例如16MHz，而不考虑CLKSEL的设置，其中CLKSEL确定了最大电源开关频率，如以下表1中所示：
    CLKSEL     CLK频率(MHz)     最大开关频率
    11     16     500kHz
    10     16     250kHz
    01     16     125kHz
    00     16     62.5kHz
表1：CLKSEL确定最大开关频率设置
通过脉冲频率调制(PFM)的SMPS调节是通过将断开时间延长适当量(由系统反馈所确定)来实现的。在完成一个供电周期时，延长断开时间，直到FBD信号降到0为止，这指示SMPS输出电压已经降到了其目标值以下并且应开始新的供电周期。可选地，可以添加较小的逐周期频率调制，以有助于扩频RF发射。
第二控制回路监测实际开关频率，以便将其保持在能够避免SMPS开关操作落入音频噪声频带的频率处。如果开关频率下降到fCHANGE_DOWN，则脉冲宽度模式(PWM)控制将PWM_MODE值递减1。这从脉冲宽度查找表(LUT)中选择下一个最小PULSE_WIDTH值。
PFM控制回路通过减小供电周期之间的断开时间来补偿减小的脉冲宽度，这具有增大开关频率的效果。当对SMPS的供电需求降低时，这个过程继续，直到达到最小脉冲宽度q为止。利用该最小脉冲宽度，将开关频率调整为如同所需要的那样低，以实现SMPS调节。
相反地，如果开关频率增加到fCHANGE_UP，则脉冲宽度模式控制将PWM_MODE值递增1。这从脉冲宽度查找表(LUT)中选择下一个最大PULSE_WIDTH值。
PFM控制回路通过增大供电周期之间的断开时间来补偿增大的脉冲宽度，这具有减小开关频率的效果。当对SMPS的供电需求提高时，这个过程继续，直到达到最大脉冲宽度n/2为止。利用该最大脉冲宽度，对开关频率进行调整，最大为其最大允许值，以便实现输出调节。fCHANGE_UP值的选择如下：fCHANGE_UP值应足够高以保证相邻PULSE_WIDTH值能够传递的功率范围之间存在交迭，因此调节不需要在两个不同脉冲宽度之间产生不规则振荡(hunting)；以及fCHANGE_UP值应尽实际可能的低，旨在最小化开关损耗并使效率最大化。
在每个电源开关周期内所传递的电量由电源设备的接通时间(脉冲宽度)与开关频率的组合而确定，而开关频率由供电周期之间的间隔所确定。针对输入电压和负载条件的任意集合，控制器确定适当的脉冲宽度，并调整开关频率，以便将SMPS输出保持在期望电压。实际上，由于开关时段必须始终为数字时钟周期的整数倍，因此将存在对逐周期频率变动的小测量。
优选地，在各个脉冲宽度值可以传递的功率值范围之间存在有意的交迭。这提供了滞后，防止在一个脉冲宽度值与下一个之间的连续跳跃。
在下表2中给出了示例性PWM脉冲宽度查找表：
Figure S2006800248231D00111
表2：脉冲宽度查找表
在下表3中给出了脉冲宽度调整频率阈值的示例性集合：
  CLKSEL[1:0]   11   10   01   00
  fCHANGE_UP   50KHz   50KHz   50KHz   50KHz
  fCHANGE_DOWN   20.82KHz   20.82KHz   20.82KHz   20.82KHz
表3：脉冲宽度调整频率阈值
再次参考图3，功能性输入和输出如下：
输入：
FBD 反馈
OCP 过流保护
OTP 过温保护
OVT 过压保护
FLI 故障锁存器输入
SLEEP_N 复位(低有效)
CLK 系统时钟
CLKSEL[1:0] 电源开关最大频率选择
输出：
DRIVE 至IGBT栅极驱动器电路
已经对FBD信号进行了说明；DRIVE信号提供了IGBT栅极驱动器电路的开关控制信号，以对IGBT进行开关操作(在其它系统中，可以采用其它电源设备)。对其它信号略述如下：
如果SLEEP_N(芯片复位信号)有效，则异步地强制关闭DRIVE信号。当主计数器开始递增时，将DRIVE驱动为高。DRIVE信号保持为高，直到该计数器达到由脉冲宽度查找表值所规定的接通时间(pulse_width)。该计数器继续，直到其达到最小周期时间为止。然后，该计数器继续递增，直到应DEMAND_int信号的请求或达到其最大值时开始新的电源开关周期为止。
OCP转到其有效高状态指示集成电源设备(IGBT)的电流已经超过了电流限制。针对电流开关周期的剩余时间，立即使DRIVE信号无效，但是在下一个周期开始处将该DRIVE信号重新断言(re-assert)为正常。为了保证最快可能的响应，该输入为异步。
OVP转到其有效高状态指示所反映的电压已经超过了电压限制。针对电流开关周期的剩余时间，立即使DRIVE信号无效，但是在下一个周期开始处将该DRIVE信号重新断言为正常。为了保证最快可能的响应，该输入为异步。
过温保护由OTP信号控制，在检测到过温条件时，将OTP信号置位。在当前的电源开关周期的结尾处，将DEMAND_int保持为0，从而防止开始新的电源开关周期。
优选地，为系统设计者做出准备，以添加额外的故障检测电路，诸如用于监测PCB温度的电路。当检测到该外部故障时，系统将CS管脚拉到＞＝3.0V，这将导致故障锁存器置位(CS通常工作于0V下至大约-500mV的区域中)。这激活了FLI_N信号，从而防止数字控制器开始新的电源开关周期。可以通过对芯片进行周期性供电而将该故障锁存器复位。
接下来将按顺序描述图3中的每个功能块：
系统计数器304：
这包括单一的二进制上计数器，其在系统时钟的正沿递增，而在每个开关周期的开始处归零。
在优选实施例中，系统计数器304包括10比特计数器，其输出(X_COUNT)由其它块使用，以确定其操作的正确定时。该计数器以如下两种方式而使用：用于对电源开关周期的操作进行定时，其具有预定的接通时间(脉冲宽度)和断开时间，完成了总共n个数字时钟周期。然后，该计数器继续计数，直到下一个电源开关周期开始为止。当DEMAND_int信号指示应开始新的电源开关周期时，通过允许将该计数器复位至0而提供PFM控制。STRAT信号指示新的电源开关周期的开始。在优选实施例中，不允许该计数器翻转(roll-over)。
恰好在新的电源开关周期开始之前，X_COUNT指示相邻开关周期之间的时段的值。根据此信息，脉冲宽度模式控制块310能够确定实际的开关频率，并确定是否应对脉冲宽度进行调整。
Demand或门305：
这包括产生输出DEMAND＝OTP|OVP|FLI|FBD的单一或门。
DEMAND SYNC[1:0]块306：
这产生重定时的(re-clocked)输出，DEMAND_INT＝DEMAND。因此，在优选实施例中，这个块获得异步OVP、OTP、FLI和FBD输入的逻辑或的反，并通过两个触发器将其与控制器的内部(系统)时钟域同步。其输出(DEMAND_int)由主计数器用以发起新的电源开关周期的开始。
驱动脉冲发生器308：
这产生并输出DRIVE和DRIVE_OP5信号，该信号是具有由输入PULSE_WIDTH和X_COUNT所定义的长度的脉冲。在系统时钟的正沿为DRIVE提供时钟，在负沿为DRIVE_OP5提供时钟。
在优选实施例中，这包括基于锁存器的块，其提供了具有所需宽度的“原生”栅极驱动脉冲。在将X_COUNT清零时，将驱动脉冲发生器308的输出(DRIVE_raw)设置为有效。然后，针对由脉冲带宽查找表312中的适当值所规定的pulse_width持续时间，其保持为高。为了提供对脉冲宽度的极其精细的控制，优选地在需要非整数PULSE_WIDTH值时，产生延迟1/2个时钟周期的DRIVE_raw的版本。将其与有规律的DRIVE_raw进行逻辑或运算，以得到精确到最接近的1/2数字时钟周期的脉冲宽度。
脉冲宽度模式控制310：
这根据X_COUNT＜CHANGE_UP(升到更大的脉冲宽度)和X_COUNT＞CHANGE_DOWN(降到更小的脉冲宽度)而产生输出值PWM_MODE(等同于齿轮选择器)。
在优选实施例中，这包括具有上/下溢保护的4比特上/下计数器。将该计数器的值(PWM_WIDTH_M1)发送到脉冲宽度查找表312，在其中将该值用于选择适当的脉冲宽度。除非处于其最大允许值，否则在X_COUNT的值指示开关频率已经超过限制fCHANGE_UP时，将PWM_MODE递增。相反，除非处于其最小值，否则在X_COUNT的值指示开关频率已经降到限制fCHANGE_DOWN以下时，将PWM_MODE递减。只有当START信号指示新的开关周期的开始时，才调整PWM_MODE。在实施例中，最大允许值由CLKSEL值确定。
脉冲宽度查找表(LUT)312：
这根据PWM_MODE和CLKSEL而产生输出值PULSE_WIDTH(类似于“齿轮箱比(gearbox ratio)”)。
在优选实施例中，这个块将4比特的PWM_MODE值连同时钟划分选择器(CLKSEL)一起转化为脉冲宽度(或接通时间)值，例如如上表2中所示。提供可根据最大开关速度进行选择的表条目有利于良好的输出调节，并有助于降低音频噪声。向驱动脉冲发生器308提供7比特输出(PULSE_WIDTH)。
最大开关频率查找表314：
这提供了(10比特)最小开关时段值输出(MIN_PERIOD)，该输出可以由CLKSEL值所确定(在查找表中引用)。在其它实施例中，可以采用不同架构来提供MIN_PERIOD。
脉冲宽度变化频率查找表316：
这提供了与上面所提到的fCHANGE_UP和fCHANGE_DOWN频率分别对应的(10比特)开关周期时段值CHANGE_UP和CHANGE_DOWN。这里所描述的架构(CLKSEL所引用的查找表)允许这些值由CLKSEL值来确定，尽管在上面的表3的示例中，同样的值用于所有四个CLKSEL值。在其它实施例中，可以采用不同的架构。
OCP/OVP驱动取消块318：
这产生输出DRIVE＝！OP_x&(DRIVE_RAW&DRIVE_OP5)。在优选实施例中，这包括接收原生栅极驱动信号(DRIVE_raw)、并使用锁存的OP_x误差信号对其进行调制的异步布尔逻辑。因此，在实施例中，其输出DRIVE基本上等于DRIVE_raw，除非存在误差条件，在存在误差条件的情况下，针对(当前)开关周期的剩余时间，可能强制该信号归零。
过流/压保护块320：
这产生输出OP_x＝OVP|OCP。在优选实施例中，这包括产生输出OP_x的基于锁存器的异步块，只要出现过流或是过压条件，OP_x都变成有效。优选地，在下一电源开关周期的开始处清除该OP_x信号。
现在，参考图4中的时序图进一步说明数字控制系统300的操作。
以诸如图1中所示的配置来连接反馈输入FB，其中提供了关于SMPS输出状态的逐周期的数据。图4示出了此控制方案中的关键信号之间的关系。
如先前所述，在电源设备110断开时，回扫(fly-back)动作使FB线路122升到恒定电压(例如，通过变压器108、二极管、电容器和光耦合器116)。然后保持该电压，直到回扫振荡阶段为止，此时该电压开始下降。放电速率由光耦合器116管理，光耦合器116本身由输出电压误差的模拟积分(analog integral)来控制。模拟比较器144将FB的电压与来自固定基准142的电压进行比较，以便向数字控制模块300提供输出140(FBD)。在FBD变成零后不久，新的电源开关周期开始。
图4示出了上述DRIVE、CS、FB、FBD、SYSCLK(系统时钟)、以及X_COUNT信号之间的关系。在沿400处，当X_COUNT达到脉冲宽度值(来自LUT 312)时，禁用(断开)DRIVE，并且FBD转变为1(变为有效)。在FB开始下降一段时间之后，达到阈值(电压基准)，此时FBD转变为0(变成无效)，这定义了沿402。沿404与沿402相对应，但被DEMAND_SYNC[1:0]块306所延迟。在沿404处，将X_COUNT复位为零(在DRIVE变成无效(即关闭)之后，X_COUNT继续计数，以确定当前周期的持续时间，即当前周期的开关频率)。
如先前所述，数字控制系统300实现逐周期的按需供电方案。每个供电周期具有包括n个数字时钟周期的最小持续时间，这确定了最大可能的开关频率。供电周期具有从p到q个数字时钟周期不等的m个固定接通时间(脉冲宽度，DRIVE有效)之一，以及针对n个周期中的剩余时间的最小值的断开时间。m、n、p和q的值例如可以由例行实验来选择，以便提供针对给定应用的最佳性能。
图5示出了控制系统的实施例的操作，其中m＝4，因此该控制算法可以在4个固定值脉冲宽度上改变脉冲宽度。针对小负载的条件，选择值p的最短脉冲宽度。该系统通过选择适当的断开时间、因此为开关频率来调节SMPS。针对中等负载，选择中间脉冲宽度值之一，并调整断开时间以便相应地调节SMPS。如果开关频率过高或过低，则将会选择不同的脉冲宽度值。对于最大负载，选择最大脉冲宽度q(在本示例中为n/2，这给出了50％的占空比)。在这种情况中，将延长的断开时间减少为0，而且SMPS以其最大频率进行开关操作，周期为n。
为了解决多个目标各异的应用，该架构优选地允许在单个电路上实现多个m、n、p和q参数的集合。例如，可以通过输入板、对熔丝或内部硬连线进行编程来设置适当的参数集合。这些值的示例性集合在下表4中给出：
  CLKSEL   m n     p     q
  00   13 31     1     15
  01   10 63     1     31
  10   10 127     1     63
  11   8 255     1     127
表4
如上述示例所示，通过将断开时间延长由系统反馈所确定的量来实现通过脉冲频率调制(PFM)的SMPS调节。
在一个供电周期完成时，延长断开时间，直到FBD信号降到零为止，这指示SMPS输出电压已经降到其目标值以下，并且应当开始新的供电周期。
第二控制回路监测实际开关频率，以便将其保持于旨在避免SMPS开关操作落入音频噪声频带的频率处。优选地，如果开关频率朝着可能产生音频噪声的区域下降，则选择更短的接通时间。
PFM控制回路通过减小供电周期之间的断开时间来补偿减小的脉冲宽度，这具有增大开关频率的效果。当对于SMPS的供电需求降低时，这个过程继续，直到达到最小脉冲宽度p为止。利用该最小脉冲宽度，优选地将该开关频率调整为所需要的那样低，以实现SMPS调节。相反，如果开关频率增大到SMPS没有像实际可能地那样有效工作的某个值，则可以选择更长的接通时间。
PFM控制回路通过增大供电周期之间的断开时间来补偿增大的脉冲宽度，这具有减小开关频率的效果。当对于SMPS的供电需求提高时，这个过程继续，直到达到最大脉冲宽度q为止。利用该最大脉冲宽度，如所需要地增大开关频率(上至其最大允许值)，以实现输出调节。
在每个电源开关周期内所传递的(平均)电量由电源设备的接通时间(脉冲宽度)与开关频率的组合所确定，而开关频率由供电周期之间的间隔而确定。针对输入电压和负载条件的特定集合，控制器将确定适当的脉冲宽度，并调整开关频率，以便将SMPS输出保持在期望电压上。因此，短期的调节通过调整断开时间来调整开关周期频率，而更长期的调节调整脉冲宽度。
图6示出了以最大百分比的输出功率值与电源开关周期频率的关系的图示。该图例证了“功率层(power strata)”的概念，示出了在CLKSEL选择500KHz的最大开关频率(针对这个示例性实施例)时针对具有9个脉冲宽度值的实现的功率和开关频率范围。
在图6的示例中，控制器将开关频率保持在20kHz(普遍接受的人类听觉阈值)到40KHz之间。后一数字保持开关速度为低，同时仍提供了脉冲宽度值之间的滞后的有用值。这禁止通过脉冲宽度调制来实现短期调节。
我们已经描述了SMPS控制方案，其在实施例中基于多种输入条件、输出负载条件和供电要求实现了稳定的输出电压控制、适时的瞬时响应以及良好的音频噪声抑制。具体地，该控制方案使用PWM“齿轮盒”来提高效率并抑制音频噪声，根据需要延长断开时间以实现调节。SMPS反馈系统的实施例提供了实时的逐周期反馈响应。因此，控制器的实施例可以利用基本上均匀间隔的脉冲而工作在“按需供电”操作模式下。
技术人员无疑能够想到多种其它的有效备选方案。将被理解的是，本发明不局限于所描述的实施例，并包括了对于本领域的技术人员显而易见的位于本发明所附权利要求的精神和范围内的修改。

Claims (18)

1.一种采用脉冲频率调制和脉冲宽度调制的组合来控制电源开关设备的开关模式电源控制器，所述开关模式电源控制器具有：
接收与输出电压有关的反馈信号的输入；
驱动所述电源开关设备的输出；以及
数字控制器，响应于来自所述输入的所述反馈信号，向所述输出提供开关控制信号，所述开关控制信号具有包括用于接通所述电源开关设备的ON部分的开关周期，其中，所述数字控制器被配置为使用至少一个存储的脉冲宽度来选择针对所述开关周期的所述ON部分的多个离散脉冲宽度之一，以及响应于所述反馈信号来改变所述开关周期的持续时间。
2.根据权利要求1所述的开关模式电源控制器，其中，所述数字控制器被配置为选择针对所述开关周期的所述ON部分的多个存储的脉冲宽度之一。
3.根据权利要求1所述的开关模式电源控制器，其中，所述至少一个存储的脉冲宽度包括最大脉冲宽度和最小脉冲宽度，而且，所述数字控制器被配置为选择所述存储的最大与最小脉冲宽度之间的离散脉冲宽度。
4.根据权利要求1、2或3所述的开关模式电源控制器，其中，所述开关周期的所述ON部分之后跟随有用于断开所述电源设备的OFF部分，而且，所述数字控制器被配置为响应于所述反馈信号而结束所述开关周期的所述OFF部分，并重新开始所述开关周期的所述ON部分。
5.根据权利要求4所述的开关模式电源控制器，其中，所述反馈信号包括可变值信号，而且，所述开关模式电源控制器被配置为将所述反馈信号值与基准值进行比较，以确定所述开关周期重新开始的定时。
6.根据权利要求1所述的开关模式电源控制器，其中，所述数字控制器被配置为确定所述开关周期的持续时间，以及响应于所述确定的开关周期的持续时间从所述至少一个存储的脉冲宽度来选择存储的脉冲宽度。
7.根据权利要求6所述的开关模式电源控制器，其中，所述开关模式电源控制器具有多个操作功率范围，每个操作功率范围定义了每个开关周期由所述电源开关设备所传递的平均功率的范围，每个所述操作功率范围由所述存储的脉冲宽度和所述周期持续时间的范围的组合而定义。
8.根据权利要求7所述的开关模式电源控制器，其中，所述操作功率范围发生交迭。
9.根据权利要求6所述的开关模式电源控制器，其中，所述数字控制器被配置为响应于所述确定的持续时间小于下阈值而选择增大的所述存储的脉冲宽度，以及响应于所述确定的持续时间大于上阈值而选择减小的脉冲宽度。
10.根据权利要求9所述的开关模式电源控制器，其中，所述上阈值持续时间定义了大于20KHz的开关周期频率。
11.根据权利要求1所述的开关模式电源控制器，还包括用于存储n、m、p和q中的一个或更多个的值的数据存储器，其中n定义了所述开关周期的最小持续时间，m定义了用于进行选择的所述存储的脉冲宽度的数目，p定义了所述存储的脉冲宽度的最小持续时间，而q定义了所述存储的脉冲宽度的最大持续时间。
12.根据权利要求1所述的开关模式电源控制器，还包括存储所述至少一个脉冲宽度的查找表。
13.根据权利要求1所述的开关模式电源控制器，其中，所述脉冲宽度的存储体现为：用于产生具有所述存储的脉冲宽度的脉冲的一组脉冲发生器的硬件。
14.一种用于操作采用脉冲频率调制和脉冲宽度调制的组合来控制电源开关设备的开关模式电源控制器的方法，所述开关模式电源控制器具有：
接收与输出电压有关的反馈信号的输入；
驱动所述电源开关设备的输出；以及
数字控制器，响应于来自所述输入的所述反馈信号，向所述输出提供开关控制信号，所述开关控制信号具有包括用于接通所述电源开关设备的ON部分的开关周期，所述方法包括：
使用至少一个存储的脉冲宽度来选择针对所述开关周期的所述ON部分的多个离散脉冲宽度之一；以及
响应于所述反馈信号来改变所述开关周期的持续时间，以调节所述开关模式电源的输出。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述选择步骤包括选择针对所述开关周期的所述ON部分的多个存储的脉冲宽度之一。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述至少一个存储的脉冲宽度包括最大脉冲宽度和最小脉冲宽度，而且，所述选择步骤包括选择所述存储的最大和最小脉冲宽度之间的离散脉冲宽度。
17.一种采用脉冲频率调制和脉冲宽度调制的组合来控制电源开关设备的开关模式电源控制器，所述开关模式电源控制器具有：
接收与电源输出有关的反馈信号的输入；
驱动所述电源开关设备的输出；以及
数字控制器，响应于来自所述输入的所述反馈信号，从所述输出提供开关控制信号，所述开关控制信号具有包括用于接通所述电源开关设备的ON部分的开关周期，其中，所述开关周期的所述ON部分之后跟随有用于断开所述电源设备的OFF部分，其中，所述数字控制器被配置为响应于所述反馈信号而结束所述开关周期的所述OFF部分，并重新开始所述开关周期的所述ON部分；而且，所述反馈信号包括可变值信号，所述开关模式电源控制器被配置为将所述反馈信号值与基准值进行比较，以确定所述开关周期重新开始的定时。
18.一种开关模式电源，包括根据权利要求1至13、以及17中的任意一项所述的开关模式电源控制器。
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