CN101542898A - 具有多条反馈路径的反馈控制器 - Google Patents

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Abstract

一种反馈控制器包括第一和第二反馈电路。第一反馈电路被连接在输入点和输出点之间，并有一个误差点。第一反馈电路包括一个反馈放大器，用来比较反馈信号和基准信号并提供一个误差信号，以及一个比较器，用来比较误差信号和第二基准信号并提供一个输出信号。第二反馈电路被连接在输入点和误差点之间，并包括一个连接到误差点的电流源和一个连接到输入点的控制器，用来控制电流源以响应一个高于或低于阈值的反馈信号值。

Description

具有多条反馈路径的反馈控制器
技术领域
本发明涉及一种具有多条反馈路径的反馈控制器。特别地，尽管非独占地，本发明也涉及一种具有多条反馈路径的反馈控制器，其可被用于开关电源(switch mode power supply)的脉宽调制控制电路。
背景技术
脉宽调制(PWM)控制电路广为人知，被广泛应用在开关式电源内。一个典型的控制器有一条反馈路径，其比较一个电源输出样本和一个基准电压(referenced voltage)，并产生一个错误信号给PWM控制电路，其改变电源开关设备的工作周期以对应误差信号值。因为在所有控制系统内，存在一个在稳定性和响应时间之间的权衡。具有低带宽的控制器总是提供非常稳定的控制特征，但对电源输出电压上的巨大变化反应迟钝。具有高带宽的控制器对电源输出电压上的巨大变化反应迅速，但可能很难达到稳定，特别是在噪音环境里或电源供应急剧变化负载时。可使用各种控制策略和电路来协助解决这些问题，包括电压-控制、电流-控制、单周期控制、前馈、反馈和V方(V square)控制系统。而所有这些不同的方法都有各自的优点和缺点，其可能适合特定的应用，但仍然存在控制电路在稳定性和响应速度之间的权衡。
本发明的一个目的是提供一种具有多条反馈路径的反馈控制器，其提供改善的响应以分步负载电源电压输出上的变化，同时仍然在恒定或缓慢变化负载的条件下提供稳定的调制。本发明的另一个目的是提供一种具有多条反馈路径的反馈控制器，其至少能够改善已知反馈控制器相关的一些问题，或至少提供一个有用的替代方案给公众选择。
发明概述
相应地，在此披露了一种反馈控制器，其包括第一和第二反馈电路。第一反馈电路被连接在一个输入点和一个输出点之间，并有一个误差点。第一反馈电路包括一个反馈放大器，用来比较反馈信号和基准信号，并提供一个误差信号，以及一个比较器，用来比较误差信号和第二基准信号，并提供一个输出信号。第二反馈电路被连接在输入点和误差点之间，并包括一个连接到误差点的电流源和一个连接到输入点的控制器，用来控制电流源以响应一个高于或低于阈值的反馈信号值。第一反馈电路提供第一反馈路径，而第二反馈电路提供第二反馈路径。
优选地，反馈放大器是一个低带宽和高增益的微分放大器，而第一反馈电路是一个电压-控制或电流-控制电路。
优选地，电流源包括一个汇电流。
优选地，控制器包括一个比较器，用来比较反馈信号值和阈值，以及一个连接到比较器的开关，用来接通和关掉开关以便控制电流源。
优选地，阈值包括一个上阈值和一个下阈值，而电源包括一个源电流(source current)和一个汇电流(sink current)，且如果反馈信号值是在上阈值之上安排控制器接通源电流，而如果反馈信号值是在下阈值之下安排控制器接通汇电流。
优选地，控制器包括第一比较器，用来比较反馈信号值和上阈值，并接通和关掉源电流，以及第二比较器，用来比较反馈信号值和下阈值，并接通和关掉汇电流。
优选地，反馈控制器还包括一个连接到比较器的开关，以便由反馈控制器接通和关掉。开关可以控制一个开关电源的输出电压。
在此也披露了一种开关式电源的脉宽调制(PWM)控制电路，其包括一个开关电路、一个低带宽反馈电路和一个高增益高带宽反馈电路。开关电路有一个误差点，并控制开关的工作周期以响应在误差点上的误差信号。低带宽反馈电路被连接到开关式电源输出，用来感应开关式电源的一部分输出信号，并在误差点产生第一误差信号。高增益高带宽反馈电路与低带宽反馈电路并联连接，并被连接到开关式电源输出，用来感应开关式电源的部分输出信号，并在误差点产生第二误差信号。高增益高带宽反馈电路比较部分输出信号和上和下阈值，并仅在部分输出信号高于上阈值或低于下阈值时产生第二误差信号。
优选地，高增益反馈电路包括一个连接到误差点的电流源和一个连接到开关式电源输出的控制器，用来控制电流源以响应高于或低于阈值的部分输出信号。
优选地，电流源包括一个汇电流。
优选地，控制器包括一个比较器，用来比较部分输出信号值和阈值，以及一个连接到比较器的开关，用来接通和关掉开关以便控制电流源。
优选地，电流源包括一个源电流和一个汇电流，且如果部分输出信号值高于上阈值时安排控制器接通源电流，而如果部分输出信号值低于下阈值时安排控制器接通汇电流。
优选地，控制器包括第一比较器，用来比较部分输出信号值和上阈值，并接通和关掉源电流，以及第二比较器，用来比较部分输出信号值和下阈值，并接通和关掉汇电流。
从以下结合范例的描述，本发明的其它方面将变得更加明显。
附图说明
现参考附图描述本发明，其中：
图1是一个依照本发明的反馈控制器的电路示意图；
图2描述图1电路的电压信号；
图3描述电流产生器输出，和
图4是一个包括依照本发明的反馈控制器的升压变换器(boostconverter)的电路示意图。
典型实施例详述
图1显示一个依照本发明的反馈控制器10，其包括一个输入点Vin和一个输出点Vout以及两个反馈路径21、22。第一反馈路径被连接在输入点Vin和输出点Vout之间，并包括一个低带宽和高增益微分放大器11以及一个在误差点Verror上连接的比较器12。微分放大器11比较在输入点Vin上的反馈信号输入和基准电压Vref。微分放大器11的输出即是一个在误差点Verror上的误差信号。比较器12比较误差信号和周期性斜变(ramp)或锯齿的基准信号23。当误差信号值大于斜变信号值23时，比较器输出尽可能地走高，而当误差信号值小于斜变信号值23时，比较器12的输出尽可能地走低。比较器12的输出被连接到输出点Vout。相应地，当在输入点Vin上的反馈信号值等于基准电压值Vref时，在误差点Verror上的误差信号将是恒定稳态的误差，且输出电压Vout将在一个恒定工作周期上循环ON和OFF。当在输入点Vin上的反馈信号值低于基准电压值Vref时，误差电压变成正的，即是比较器的输出，从而依照误差电压值和提高Vout工作周期的斜变23的周期性振荡，在输出点Vout上的电压将在高和低状态之间转换。这将在图2中的t1、t2和t3进行说明。对本领域技术人员而言，很明显误差信号的相对值控制输出电压Vout的工作周期，从而这种反馈方案可以被用来控制一个电源开关。本领域技术人员同样明白，输出Vout的工作周期，与任何周期开关设备一样，是ON时间对总周期时间的比率。数学公式可以描述为：
D = t on T ; 其中D是工作周期，而T＝ton+toff
第二反馈路径22被连接在输入点Vin和误差点Verror之间。第二反馈路径22包括一对平行并联的比较器13、14。比较器13、14的输出分别提供开关控制信号给两个开关15、16。开关15、16与一个源电流(sourcecurrent)产生器17和一个汇电流(sink current)产生器18串联在一起。源电流和汇电流产生器17、18的公共输出点19被连接到电容器20和误差点Verror。第一比较器13比较在输入点Vin上的反馈信号和一个上阈值基准信号Vref+Voffset。第二比较器14比较在输入点Vin上的反馈信号和一个下阈值基准信号Vref-Voffset。因此，第二反馈路径22适于检测在输入点Vin上的反馈信号何时移出一个特定电压范围+或-基准电压Vref的Voffset之外。如果在输入点Vin上的反馈信号是在范围Vref+/-Voffset之内时，反馈控制器仅在第一反馈路径21上运行。
例如，如果在输入点Vin上的反馈信号跌到下阈值Vref-Voffset之下时，比较器14的输出尽可能高地进行转换，并闭合打开源电流产生器17的开关15。源电流使得流经误差点Verror的误差电流Ierror有所提高，导致误差信号产生一个相应的提高。反馈路径22代替路径21支配控制Verror，误差信号保持在斜变水平之上，使得比较器12的输出尽可能保持高的电平，直到在输入点Vin上的反馈信号返回到阈值范围Vref+/-Voffset内。当在输入点Vin上的反馈信号返回到低阈值Vref-Voffset之上时，比较器14的输出再次走低，断开开关15以关掉源电流17，允许误差信号Verror以返回控制第一反馈路径21。这将在图2内的时期t4、t5和t6说明。本领域技术人员将明白，如果反馈信号上升到上阈值Vref+Voffset之上，比较器13输出走高以接通汇电流产生器18。电流从误差点Verror拉出，导致Ierror的减少，以及误差信号值的相应减少。反馈路径22再次代替路径21支配控制Verror，且误差信号保持在斜变水平之下，使得比较器12的输出尽可能低，直到在输入点Vin上的反馈信号返回到阈值范围Vref+/-Voffset内。
当反馈电压在基准值Vref的阈值范围内时，以上双反馈控制电路通过第一低带宽和高增益反馈路径提供缓慢稳定的控制。当反馈偏出阈值范围之外时，控制器的第二反馈路径接通，有效提高控制增益以提供一个非常快速的纠正响应。当输出电压移回阈值范围时，第二反馈路径关掉，使得控制器再次有第一反馈路径的缓慢稳定控制特征。
参照图3，第二反馈路径的电流产生器也可以被制成以具有一个适应性特征，由此当反馈信号Vin跌落到第一电压阈值Vref+/-小Voffset之外时，汇电流和源电流开始缓慢斜变上升，直到当汇电流或源电流完全接通以采取快速校正动作时，在Vin上的反馈信号移动到一个更大电压阈值Vref+/-一个更大Voffset之外。
图4描述在开关式电源(SMPS)上的反馈控制器的应用。这仅仅是提供范例，并不是意在限制本发明的使用范围或功能。SMPS电路包括一个DC电压源、一个感应器41、一个开关42、一个二极管43和一个平滑电容器44。这种电路将立刻由本领域技术人员认出是一个升压稳定器(boost-regulator)，在此不需要被详细描述。升压稳定器的输出负载由电阻器45表现，而到控制器输入点Vin的反馈信号是由一个包含电阻器46和47的分压器提供。众所周知，升压稳定器的输出电压Vo是通过改变开关42的工作周期被控制。开关42通过一个RS锁存器48(或一个RS触发器)被接通和关掉。RS锁存器48的输出是由一个在置位(set)输入(S)上的脉冲链信号和连接到复位(reset)输入(R)的反馈控制器的输出电压Vout控制。本领域技术人员将会明白，当设置输入S变成高的，并在输入S缓慢走低之后仍然保持高水平时，RS锁存器48的输出Q被设置成高的。当复位输入R变成高的，并在输入R缓慢走低之后仍然保持低时，RS锁存器48的输出被设置成低的。相应地，通过在设置输入S上脉冲链的一个脉冲，开关42在每个周期开始时被闭合，并通过在RS锁存器48的复位输入R上走高的控制器输出Vout，在周期内的一些点上开关被再次关掉。开关42的工作周期和升压稳定器的输出电压Vo是由在每个周期内不同点上关掉开关的控制器控制。
在图1控制器和图4控制器之间的重要区别是，到比较器12的斜变23和误差信号Verror输入是在比较器12的同相(non-inverting)输入(+)和倒相(inverting)输入(-)之间进行转置。因此，在图4的电路里，当Verror上的误差信号高于斜变水平时，比较器12的输出尽可能地走低，而当误差信号跌到斜变水平23之下时，比较器输出尽可能地走高，以复位RS锁存器48并关掉升压变换器的开关42。当误差信号Verror的水平提高时，比较器12的输出随后在每个周期内走高，依次提高开关42的工作周期。
当反馈信号Vin是在范围Vref+/-Voffset内时，误差信号Verror是小的，且开关42的工作周期是在正常运行范围内。例如，如果在升压变换器输出上有一个突然分步负载变化，输出电压Vo将下降，且反馈信号Vin将下降到阈值Vref-Voffset之下。比较器14的输出走高以接通源电流产生器17，其注入电流到误差信号Verror内，导致误差信号迅速提高，随后非常迅速地提高开关42的工作周期，以便返回输出电压Vo到其正常范围内。如果输出电压上升太高，接着反馈信号Vin提高到Vref+Voffset之上，使比较器13的输出走高，并接通汇电流18，其能够非常快速地减低误差电压Verror，从而减少开关42的工作周期，并返回Vo到其正常范围内。
本发明的反馈控制器，当在SMPS内使用时，具有第一反馈路径(其为稳定负载提供缓慢稳定的调制)与第二高增益反馈路经结合(其为突然的分步负载变化提供快速响应)的优点。
上述描述已经对整体和元素作出参考，在此包括已知等同物。已经描述了在升压稳定器里实施的本发明，但这不是意在限制本发明的使用范围和功能，有经验的技术人员将会理解，本发明可以被用于其它类型的SMPS，并同样普遍应用在反馈控制系统里。

Claims (17)

1.一种具有输入点和输出点的反馈控制器，包括：
第一反馈电路，连接在输入点和输出点之间，并有一个误差点，第一反馈电路包括一个反馈放大器，用来比较反馈信号和基准信号并提供一个误差信号，以及一个比较器，用来比较误差信号和第二基准信号并提供一个输出信号，和
第二反馈电路，连接在输入点和误差点之间，第二反馈电路包括一个连接到误差点的电流源和一个连接到输入点的控制器，用来控制电流源以响应一个高于或低于阈值的反馈信号值。
2.根据权利要求1所述的反馈控制器，其中反馈放大器是一个低带宽和高增益微分放大器。
3.根据权利要求1所述的反馈控制器，其中第一反馈电路是一个电压-控制电路。
4.根据权利要求1所述的反馈控制器，其中第一反馈电路是一个电流-控制电路。
5.根据权利要求1所述的反馈控制器，其中电流源包括一个汇电流。
6.根据权利要求1所述的反馈控制器，其中控制器包括一个比较器，用来比较反馈信号值和阈值，以及一个连接到比较器的开关，用来接通和关掉开关以便控制电流源。
7.根据权利要求1所述的反馈控制器，其中阈值包括一个上阈值和一个下阈值，电流源包括一个源电流和一个汇电流，如果反馈信号值大于上阈值时安排控制器接通源电流，而如果反馈信号值低于下阈值时安排控制器接通汇电流。
8.根据权利要求7所述的反馈控制器，其中控制器包括第一比较器，用来比较反馈信号值和上阈值，并接通和关掉源电流，以及第二比较器，用来比较反馈信号值和下阈值，并接通和关掉汇电流。
9.根据权利要求1所述的反馈控制器，还包括一个连接到比较器的开关，由反馈控制器接通和关掉。
10.根据权利要求9所述的反馈控制器，其中开关控制一个开关式电源的输出电压。
11.一个具有输入点、误差点和输出点的反馈控制电路，该电路包括：
第一反馈路径，连接在输入点和输出点之间，第一反馈路径包括连接在输入点和误差点之间的第一比较器，用来比较反馈信号和基准信号，并提供一个误差信号，以及连接在误差点和输出点之间的第二比较器，用来比较误差信号和第二基准信号，并提供一个输出信号，和
第二反馈路径，连接在输入点和误差点之间，第二反馈路径包括一个源电流和一个连接到误差点的汇电流，以及一个连接到输入点的控制电路，用来接通和关掉源电流和汇电流以响应反馈信号，其中如果反馈信号值高于上阈值时安排控制器接通源电流，而如果反馈信号值低于下阈值时安排控制器接通汇电流。
12.一种用于开关电源的PWM控制电路，有一个感应器，一个控制感应器上电流的开关和一个输出，该控制电路包括：
一个开关电路，有一个误差点并控制开关的工作周期，以响应在误差点上的一个误差信号，
一个低带宽反馈电路，被连接到开关电源输出，用来感应开关电源的一部分输出信号，并在误差点产生第一误差信号，
一个高增益高带宽反馈电路，与低带宽反馈电路平行并联连接，并被连接到开关电源输出，用来感应开关电源的部分输出信号，并在误差点产生第二误差信号，其中高增益高带宽反馈电路比较部分输出信号和上下阈值，并仅在部分输出信号高于上阈值或低于下阈值时产生第二误差信号。
13.根据权利要求12所述的PWM控制电路，其中高增益反馈电路包括一个连接到误差点的电流源和一个连接到开关电源输出的控制器，用来控制电流源以响应高于或低于阈值的部分输出信号。
14.根据权利要求13所述的PWM控制电路，其中电流源包括一个汇电流。
15.根据权利要求13所述的PWM控制电路，其中控制器包括一个比较器，用来比较部分输出信号值和阈值，以及一个连接到比较器的开关，用来接通和关掉开关以便控制电流源。
16.根据权利要求13所述的PWM控制电路，其中电流源包括一个源电流和一个汇电流，如果部分输出信号值高于上阈值时安排控制器接通源电流，而如果部分输出信号值低于下阈值时安排控制器接通汇电流。
17.根据权利要求16所述的PWM控制电路，其中控制器包括第一比较器，用来比较部分输出信号值和上阈值，并接通和关掉源电流，以及第二比较器，用来比较部分输出信号值和下阈值，并接通和关掉汇电流。
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