CN103038991A

CN103038991A - 用于使用桥拓扑的开关式电源转换器的开关方法

Info

Publication number: CN103038991A
Application number: CN2011800374254A
Authority: CN
Inventors: 理查德·K·赫斯特
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: JP2013537033A; US20120049818A1; CN103038991B; WO2012030959A3; US8415937B2; WO2012030959A2; JP5901635B2

Abstract

本发明提供一种控制电路(分压器(R1，R2)、误差放大器308、处理器304及存储媒体306)，所述控制电路耦合至输入/输出端子以控制升降压开关调节器。所述控制电路使用补偿函数以确定所述开关调节器的脉宽调制PWM工作循环。所述开关调节器经控制以当所述补偿函数的输出小于预定降压增益时而在降压模式下操作；当所述补偿函数的输出在预定降压增益与预定升压增益之间时而在桥模式下操作；及当所述补偿函数的输出大于预定升压增益时而在升压模式下操作。

Description

用于使用桥拓扑的开关式电源转换器的开关方法

技术领域

本发明大体上涉及电源转换器，且更明确来说，涉及使用桥拓扑的电源转换器。

背景技术

许多应用可需要开关调节器或开关式电力供应器以在非反相降压或升压模式下操作，两模式相对顺畅地转变。转向图1，可见桥100的实例，其可在升压及降压模式下操作。桥100大体上是H型桥，其使用开关S1到S4及电感器L，所述电感器L耦合在H型桥各开关节点间。在降压模式下，开关S4及S3分别闭合及断开，同时提供脉宽调制(PWM)信号给开关S1及S2。或者，在升压模式下，开关S1及S2分别闭合及断开，同时提供PWM信号给开关S3及S4。

然而，桥100的问题是存在许多实际约束，限制升降压及升压模式间顺畅转变的能力，即接通持续时间与空载时间。举例来说，就降压模式而言，开关S1(或S2)不能顺畅达到100％工作循环。如图2中所见，举例来说，开关S2具有最小接通持续时间T_ON(其大体上由开关S2的物理性质决定)，及开关S1的PWM信号的上升/下降沿与开关S2的PWM信号的下降/上升沿之间存在空载时间T_DEAD。如果对于1/T的固定频率(降压模式下的工作循环D_BU乘以周期T)，开关S1(例如)的全部接通持续时间大于周期T减去此预定约束周期(D_BU*T＞T-2T_DEAD-T_ON)，那么调节器的增益(V_OUT/V_IN)可偏离预期值。

在第6,166,527号及第6,037,725号美国专利及第2009/0039852号美国专利公开案中描述一些其它常规电路。

发明内容

因此，本发明的实例实施例提供一种改进的开关调节器装置。本装置包括一种升降压开关调节器，所述开关调节器具有输入端子、输出端子、预定降压增益、预定升压增益、预定空载时间及预定接通持续时间；及控制电路，其耦合至输出端子及输入端子中的至少一者且控制升降压开关调节器，其中控制电路使用补偿函数以确定所述升降压开关调节器的脉宽调制(PWM)工作循环，其中控制电路包含处理器及其上体现有计算机程序产品的存储媒体，且其中所述计算机程序产品包含：用于当补偿函数的输出小于预定降压增益时在降压模式下操作升降压开关调节器的计算机代码；用于当补偿函数的输出在预定降压增益与预定升压增益之间时在桥模式下操作升降压开关调节器的计算机代码；以及用于当补偿函数的输出大于预定升压增益时在升压模式下操作升降压开关调节器的计算机代码。

根据本发明的实例实施例，用于当补偿函数的输出在预定降压增益与预定升压增益之间时在桥模式下操作升降压开关调节器的计算机代码进一步包括：用于当补偿函数的输出在预定降压增益与中间值之间时在第一桥模式下操作升降压开关调节器的计算机代码；以及用于当补偿函数的输出在中间值与预定升压增益之间时在第二桥模式下操作升降压开关调节器的计算机代码。

根据本发明的实例实施例，所述升降压开关调节器进一步包括：第一开关，其耦合在输入端子与第一开关节点之间；第二开关，其耦合在第一开关节点与接地之间；电感器，其耦合在第一开关节点与第二开关节点之间；第三开关，其耦合在第二开关节点与接地之间；以及第四开关，其耦合在第二开关节点与输出端子之间。

根据本发明的实例实施例，用于当补偿函数的输出在预定降压增益与中间值之间时在第一桥模式下操作升降压开关调节器的计算机代码进一步包括：用于以具有为补偿函数的输出与第一恒定值之间的差的值的第一工作循环操作第一开关的计算机代码；以及用于以为第二恒定值的第二工作循环操作第三开关的计算机代码，其中在第一桥模式下，升降压开关调节器的增益是第三恒定值与第一工作循环的值的乘积。

根据本发明的实例实施例，用于当补偿函数的输出在中间值与预定升压增益之间时在第二桥模式下操作升降压开关调节器的计算机代码进一步包括：用于以具有第四恒定值的第三工作循环操作第一开关的计算机代码；以及用于以具有为补偿函数的输出与第五恒定值的差的值的第四工作循环操作第三开关的计算机代码，其中在第二桥模式下，升降压开关调节器的增益是第四恒定值与第六恒定值与补偿函数的输出之间的差的乘积。

根据本发明的实例实施例，控制电路进一步包括：分压器，其耦合至输出端子；以及误差放大器，其接收参考电压且耦合至分压器及处理器。

根据本发明的实例实施例，所述处理器是数字信号处理器(DSP)。

根据本发明的实例实施例，提供一种方法。所述方法包括检测升降压开关调节器的输入电压、输出电压、输入电流及输出电流中的至少一者，其中升降压开关调节器包含预定降压增益、预定升压增益、预定空载时间及预定接通持续时间，且其中所述升降压开关调节器包含：第一开关，其耦合在输入端子与第一开关节点之间；第二开关，其耦合在第一开关节点与接地之间；电感器，其耦合在第一开关节点与第二开关节点之间；第三开关，其耦合在第二开关节点与接地之间；以及第四开关，其耦合在第二开关节点与输出端子之间；当补偿函数的输出小于预定降压增益时，在降压模式下操作升降压开关调节器；当补偿函数的输出在预定降压增益与中间值之间时，在第一桥模式下操作升降压开关调节器；当补偿函数的输出在中间值与预定升压增益之间时，在第二桥模式下操作升降压开关调节器；以及当补偿函数的输出大于预定升压增益时，在升压模式下操作升降压开关调节器。

根据本发明的实例实施例，当补偿函数的输出在预定降压增益与中间值之间时，在第一桥模式下操作升降压开关调节器的步骤进一步包括：以具有为补偿函数的输出与第一恒定值之间的差的值的第一工作循环操作第一开关；以及以为第二恒定值的第二工作循环操作第三开关，其中在第一桥模式下，升降压开关调节器的增益是第三恒定值与第一工作循环的值的乘积。

根据本发明的实例实施例，当补偿函数的输出在中间值与预定升压增益之间时，在第二桥模式下操作升降压开关调节器的步骤进一步包括：以具有第四恒定值的第三工作循环操作第一开关；以及以具有为补偿函数的输出与第五恒定值之间的差的值的第四工作循环操作第三开关，其中在第二桥模式下，升降压开关调节器的增益是第四恒定值与第六恒定值与补偿函数的输出之间的差的乘积。

根据本发明的实例实施例，提供一种装置。所述装置包括：太阳能电池；升降压开关调节器，其具有输入端子、输出端子、预定降压增益、预定升压增益、预定空载时间及预定接通持续时间，其中所述输入端子耦合至太阳能电池；以及控制电路，其耦合至输出端子且控制升降压开关调节器，其中控制电路使用补偿函数以确定所述升降压开关调节器的PWM工作循环，其中控制电路包含处理器及其上体现有计算机程序产品的存储媒体，且其中所述计算机程序产品包含：用于当补偿函数的输出小于预定降压增益时在降压模式下操作升降压开关调节器的计算机代码；用于当补偿函数的输出在预定降压增益与中间值之间时在第一桥模式下操作升降压开关调节器的计算机代码；用于当补偿函数的输出在中间值与预定升压增益之间时在第二桥模式下操作升降压开关调节器的计算机代码；以及用于当补偿函数的输出大于预定升压增益时在升压模式下操作升降压开关调节器的计算机代码。

附图说明

参考随附图式，描述本发明的实例实施例，其中：

图1是常规桥的电路图；

图2是图解说明图1的桥的操作约束的时序图；以及

图3是根据本发明的实例实施例的系统的实例。

具体实施方式

图3根据本发明的实例实施例图解说明系统300。系统100大体上包括：桥100、太阳能电池302、电容器C1、分压器(电阻器R1及R2)、误差放大器308、处理器304及存储媒体306。分压器(R1，R2)、误差放大器308、处理器304及存储媒体306大体上共同作为控制电路操作，而桥100及电容器C1大体上共同作为降压升压开关调节器操作。在操作中，举例来说，将来自太阳能电池302(其可包含与所述输入端子串联或并联耦合的多个太阳能电池)的输入电压V_IN及输入电流I_IN提供给所述开关调节器的输入端子，以便在输出端子产生输出电压V_OUT及输出电流I_OUT。控制电路测量输出电压V_OUT及输入电压V_IN且产生用于开关S1到S4的适当PWM信号。误差放大器308比较来自分压器的输出与参考电压REF，使得处理器304可实行PWM信号的修正。在替代布置中，可移除误差放大器308及分压器，所述功能性由处理器304提供。在其它的替代布置中，输入电流I_IN、输出电流I_OUT或输入电压V_IN可用于替代输出电压V_OUT以修正PWM信号。另外，处理器304可为数字信号处理器或DSP。

对于常规桥开关或升降压操作，开关对S1/S3或S2/S4同时接通及断开，及工作循环D_BR是开关S1/S3接通的循环的分数。虽然切换模式大体以为1的增益G(输出电压V_OUT与输入电压V_IN的比率)平滑地操作，但是与降压模式或升压模式任一者相比其也消耗更多功率。过量功率消耗大体上是由于存在四个有源开关(代替两个)及大体上由于与降压模式(I_L＝I_OUT)或升压模式(I_L＝I_IN)相比更高平均电感器电流I_L；即平均电感器电流I_L是输入电流I_IN与输出电流I_OUT的和(I_L＝I_IN+I_OUT)。

然而，减小此平均电感器电流I_L是可能的。假设降压(对于开关S1及S2)及升压(对于开关S3及S4)侧的工作循环是独立的且假设降压工作循环D_BU(或升压工作循环D_BO)表示开关S1(或S3)接通的开关周期T的分数，那么所述增益G及电感器电流I_L可用下列式子表示：

(1)

G = \frac{V_{OUT}}{V_{IN}} = \frac{D_{BU}}{1 - D_{BO}}

(2)

I_{L} = \frac{I_{IN} + I_{OUT}}{1 + D_{BU} - D_{BO}}

如上所示，只要遵循降压工作循环D_BU与升压工作循环D_BO之间的关系(即，D_BU＝G(1-D_BO))，那么增益G展示存在将产生增益G之降压工作循环D_BU与升压工作循环D_BO组合的连续区。另外，可见大降压工作循环D_BU与小升压工作循环D_BO造成电感器电流I_L的实质减小。一般而言，通过使用软件或计算机程序产品，处理器304实行或执行这些工作循环D_BU及D_BO的控制，所述计算机程序产品体现在存储媒体306(即，快闪存储器)上。

每一桥(即100)大体上具有一些预定特征，例如预定空载时间、预定接通持续时间、预定最大降压增益及预定最小升压增益。这些特征中的每一者大体上促成桥操作模式；通常使用双桥模式。当补偿函数D(其由处理器304产生且用以确定PWM工作循环)的输出小于预定最大降压增益时，开关调节器在降压模式下操作，及当补偿函数D的输出大于预定最小升压增益时，开关调节器在升压模式下操作。然而，当补偿函数D的输出在预定最大降压增益与恒定值之间时，开关调节器在初始桥模式下操作，其中：

(3)D_BU＝D-C₁；及

(4)D_BO＝C₂，

其中C₁及C₂是恒定值。对于初始桥模式，现施加方程(1)及(2)到方程(3)及(4)，增益G和电感器电流I_L与输入电流I_IN的比率是：

(5)

G = \frac{D - C_{1}}{1 - C_{2}}

(6)

\frac{I_{L}}{I_{IN}} (1 + \frac{I_{OUT}}{I_{IN}}) \frac{1}{1 + D - C_{1} - C_{2}}

另外，当补偿函数D的输出在恒定值与预定最小升压增益之间时，开关调节器在最终桥模式下操作，其中：

(7)D_BU＝C₃；以及

(8)D_BO＝D-C₄，

其中C₃及C₄是恒定值。对于最终桥模式，现施加方程(1)及(2)到方程(7)及(8)，增益G和电感器电流I_L与输入电流I_IN的比率是：

(9)

G = \frac{C_{3}}{1 - D + C_{4}}

(10)

\frac{I_{L}}{I_{IN}} (1 + \frac{I_{OUT}}{I_{IN}}) \frac{1}{1 + C_{3} - D + C_{4}}

为了进一步图解说明系统300的桥模式的操作，对于表1为了图解说明可假设开关周期T、最大降压增益、最小升压增益、空载时间及接通持续时间分别是4000ns、0.9、1.0292、150ns及133ns。

表1

模式	D	D_BU	D_BO	G	I_L/I_IN
						降压	D≤0.9	D	0	D_BU	1/D_BU
初始桥	0.9＜D＜0.9292	D-0.0292	0.03333	1.0345(D-0.0292)	1/(D-0.0292)
						最终桥	0.9292＜D＜1.0333	0.9	D-0.8958	0.9/(1.8958-D)	1.111
升压	D＞1.0333	1	D-1	1/D	1

为了在处理器304和存储媒体306中实现这些桥模式，提供一种算法以在控制器时钟周期(即，1/60MHz＝16.67ns)方面调整升压工作循环D_BO及降压工作循环D_BU。在下方表2中，此算法的实例中可见增益G及电感器电流I_L与输入电流I_IN的比率、降压工作循环D_BU及升压工作循环D_BO。

表2

模式	D	D_BU	D_BO	G	I_L/I_IN
						降压	210	210	0	0.875	1.143
降压	211	211	0	0.879	1.137
						降压	212	212	0	0.883	1.132
降压	213	213	0	0.888	1.127
						降压	214	214	0	0.892	1.121
降压	215	215	0	0.896	1.116
						降压	216	216	0	0.900	1.111
初始桥	217	210	8	0.905	1.143

初始桥	218	211	8	0.909	1.137
						初始桥	219	212	8	0.914	1.132
初始桥	220	213	8	0.918	1.127
						初始桥	221	214	8	0.922	1.121
初始桥	222	215	8	0.927	1.116
						初始桥	223	216	8	0.931	1.111
最终桥	224	216	9	0.935	1.111
						最终桥	225	216	10	0.939	1.111
最终桥	226	216	11	0.943	1.111
						最终桥	227	216	12	0.947	1.111
最终桥	228	216	13	0.952	1.111
						最终桥	229	216	14	0.956	1.111
最终桥	230	216	15	0.960	1.111
						最终桥	231	216	16	0.964	1.111
最终桥	232	216	17	0.969	1.111
						最终桥	233	216	18	0.973	1.111
最终桥	234	216	19	0.977	1.111
						最终桥	235	216	20	0.982	1.111
最终桥	236	216	21	0.986	1.111
						最终桥	237	216	21	0.986	1.111
最终桥	238	216	22	0.991	1.111
						最终桥	239	216	23	0.995	1.111
最终桥	240	216	24	1.000	1.111
						最终桥	241	216	25	1.005	1.111
最终桥	242	216	26	1.009	1.111
						最终桥	243	216	27	1.014	1.111
最终桥	244	216	28	1.019	1.111
						最终桥	245	216	29	1.024	1.111
最终桥	246	216	30	1.029	1.111
						最终桥	247	216	31	1.033	1.111
升压	248	240	8	1.034	1.000
						升压	249	240	9	1.034	1.000

由于此配置，可实现若干优点。首先，在降压模式与升压模式之间存在相对顺畅的转变，其可有用于太阳能应用，其中输入电压及输入电流大体上不变。另外，可减小平均电感器电流I_L，其减小开关调节器内的功率损失。

本发明所属领域的技术人员将理解可修改所描述的实例实施例及在所主张发明的范围内开发的其它实施例。

Claims

1.一种装置，其包括：

升降压开关调节器，其具有输入端子、输出端子、预定降压增益、预定升压增益、预定空载时间及预定接通持续时间；以及

控制电路，其耦合至所述输出端子及所述输入端子中的至少一者且控制所述升降压开关调节器；

其中所述控制电路使用补偿函数以确定用于所述升降压开关调节器的脉宽调制PWM工作循环；

其中所述控制电路包含处理器和其上体现有计算机程序产品的存储媒体，以及

其中所述计算机程序产品包含：

用于当所述补偿函数的输出小于所述预定降压增益时在降压模式下操作所述升降压开关调节器的计算机代码；

用于当所述补偿函数的所述输出在所述预定降压增益与所述预定升压增益之间时在桥模式下操作所述升降压开关调节器的计算机代码；以及

用于当所述补偿函数的所述输出大于所述预定升压增益时在升压模式下操作所述升降压开关调节器的计算机代码。

2.根据权利要求1所述的装置，其中用于当所述补偿函数的所述输出在所述预定降压增益与所述预定升压增益之间时在所述桥模式下操作所述升降压开关调节器的所述计算机代码进一步包括：

用于当所述补偿函数的所述输出在所述预定降压增益与中间值之间时在第一桥模式下操作所述升降压开关调节器的计算机代码；以及

用于当所述补偿函数的所述输出在所述中间值与所述预定升压增益之间时在第二桥模式下操作所述升降压开关调节器的计算机代码。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述升降压开关调节器进一步包括：

第一开关，其耦合在所述输入端子与第一开关节点之间；

第二开关，其耦合在所述第一开关节点与接地之间；

电感器，其耦合在所述第一开关节点与第二开关节点之间；

第三开关，其耦合在所述第二开关节点与接地之间；以及

第四开关，其耦合在所述第二开关节点与所述输出端子之间。

4.根据权利要求3所述的装置，其中用于当所述补偿函数的所述输出在所述预定降压增益与所述中间值之间时在所述第一桥模式下操作所述升降压开关调节器的所述计算机代码进一步包括：

用于以第一工作循环操作所述第一开关的计算机代码，所述第一工作循环具有为所述补偿函数的所述输出与第一恒定值之间的差的值；以及

用于以为第二恒定值的第二工作循环操作所述第三开关的计算机代码，其中在所述第一桥模式下，升降压开关调节器的增益是第三恒定值与所述第一工作循环的所述值的乘积。

5.根据权利要求4所述的装置，其中用于当所述补偿函数的所述输出在所述中间值与所述预定升压增益之间时在所述第二桥模式下操作所述升降压开关调节器的所述计算机代码进一步包括：

用于以具有第四恒定值的第三工作循环操作所述第一开关的计算机代码；以及

用于以第四工作循环操作所述第三开关的计算机代码，所述第四工作循环具有为

所述补偿函数的所述输出与第五恒定值之间的差的值，其中在所述第二桥模式下，所述升降压开关调节器的增益是所述第四恒定值与第六恒定值与所述补偿函数的所述输出之间的差的乘积。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述控制电路进一步包括：

分压器，其耦合至所述输出端子；以及

误差放大器，其接收参考电压且耦合至所述分压器及所述处理器。

7.根据权利要求5所述的装置，其中所述处理器是数字信号处理器DSP。

8.一种方法，其包括：

检测升降压开关调节器的输入电压、输出电压、输入电流及输出电流中的至少一者；其中所述升降压开关调节器包含预定降压增益、预定升压增益、预定空载时间及预定接通持续时间；且其中所述升降压开关调节器包含：

第一开关，其耦合在输入端子与第一开关节点之间；

第二开关，其耦合在所述第一开关节点与接地之间；

电感器，其耦合在所述第一开关节点与第二开关节点之间；

第三开关，其耦合在所述第二开关节点与接地之间；以及

第四开关，其耦合在所述第二开关节点与输出端子之间；

当所述补偿函数的输出小于所述预定降压增益时，在降压模式下操作所述升降压开关调节器；

当所述补偿函数的所述输出在所述预定降压增益与中间值之间时，在第一桥模式下操作所述升降压开关调节器；

当所述补偿函数的所述输出在所述中间值与所述预定升压增益之间时，在第二桥模式下操作所述升降压开关调节器；以及

当所述补偿函数的所述输出大于所述预定升压增益时，在升压模式下操作所述升降压开关调节器。

9.一种装置，其包括：

太阳能电池；

升降压开关调节器，其具有输入端子、输出端子、预定降压增益、预定升压增益、预定空载时间及预定接通持续时间，其中所述输入端子耦合至所述太阳能电池；以及

控制电路，其耦合至所述输出端子且控制所述升降压开关调节器；

其中所述控制电路使用补偿函数以确定用于所述升降压开关调节器的PWM工作循环；以及

其中所述控制电路包含处理器及其上体现有计算机程序产品的存储媒体，且其中所述计算机程序产品包含：

用于当所述补偿函数的所述输出在所述预定降压增益与中间值之间时在第一桥模式下操作所述升降压开关调节器的计算机代码；

用于当所述补偿函数的所述输出在所述中间值与所述预定升压增益之间时在第二桥模式下操作所述升降压开关调节器的计算机代码；以及

用于当所述补偿函数的所述输出大于所述预定升压增益时在升压模式下操作

所述升降压开关调节器的计算机代码。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述升降压开关调节器进一步包括：

第一开关，其耦合在所述输入端子与第一开关节点之间；

第二开关，其耦合在所述第一开关节点与接地之间；

电感器，其耦合在所述第一开关节点与第二开关节点之间；

第三开关，其耦合在所述第二开关节点与接地之间；以及