CN103155390B - 功率转换器 - Google Patents

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Abstract

一种功率转换器（14）可以包括切换系统（18），以基于具有占空比的切换信号把直流（DC）输入电压转换为输出电压。控制器（16）可以根据所述DC输入电压把所述切换信号的占空比设定为下述值之一：基本上恒定的值，使得所述输出电压在正常模式下跟随所述DC输入电压；以及相对于所述DC输入电压反向变化的值，使得所述输出电压在另一模式下是基本上恒定的。

Description

功率转换器
背景技术
直流至直流（DC/DC）电源在多种电子设备中加以实现以把输入DC电压转换为输出DC电压。存在各种类型的DC/DC电源，诸如降压型、升压型、或者降压/升压型切换转换器。典型的DC/DC电源实现反馈环，以便基于监视DC输出电压而把DC输出电压调节到特定幅度。
附图说明
图1图示了功率系统的示例。
图2图示了DC至DC功率转换器系统的示例。
图3图示了输出电压和占空比相对于输入电压的曲线图的示例。
图4图示了用于生成输出电压的方法的示例。
具体实施方式
图1图示了功率系统10的示例。功率系统10可以在多种电子设备（诸如计算机系统或便携式电子设备）中加以实现。功率系统10包括直流（DC）电压源12，其被配置为提供在图1的示例中被示范为电压VIN的DC电压。作为示例，DC电压源12可以被配置为电池、功率总线或功率转换器。例如，可以把DC电压源12实现为交流至直流（AC/DC）功率转换器。电压VIN因而可以具有多种幅度中的任何幅度。电压VIN可以诸如根据可以连接到电压VIN的电路和设备的数目而在幅度方面变化，。
功率系统10还包括直流至直流（DC/DC）功率转换器系统14。DC/DC功率转换器系统14被配置为响应于DC电压VIN而生成DC输出电压VOUT。例如，DC/DC功率转换器14包括生成切换信号（未示出）的控制器16，所述切换信号控制切换系统18从DC电压VIN生成DC输出电压VOUT。作为示例，DC/DC功率转换器14可以被配置为降压型转换器、升压型转换器或降压/升压型转换器。控制器16可以为脉宽调制（PWM）控制器，其被配置为控制切换信号的占空比。控制器16因而可以把切换信号的占空比设定为控制切换系统18以生成输出电压VOUT。例如，切换系统18可以包括用于把输入电流提供给变压器的初级侧的切换器或切换器的布置。
如上面所提及的，DC电压VIN的幅度可以变化。例如，DC电压VIN可能经历瞬变条件，诸如对应于DC电压VIN处于电压的正常操作范围之外的条件。在DC电压VIN驻留于预定电压范围内的正常操作模式下，DC/DC功率转换器系统14可以生成DC输出电压VOUT以具有与DC电压VIN成比例（例如，跟随DC电压VIN）的幅度。然而，可能必须和/或期望将DC输出电压VOUT的幅度限制至最大和/或最小幅度。因此，控制器16可以被配置为把切换信号的占空比设定为基于DC电压VIN所驻留于的离散的幅度范围来控制切换系统18。控制器16可以根据DC输入电压提供条件输入补偿，使得输出电压可以在正常模式下（例如，当VIN处于正常电压范围内时）变化，并且可以在瞬变模式下（例如，当VIN处于正常电压范围之外时）是基本上固定的。
作为示例，控制器16可以在DC电压VIN的第一幅度范围内维持切换信号的基本上恒定的占空比，使得DC输出电压VOUT具有与DC电压VIN基本上成比例的幅度。因而，切换系统在第一范围内高效地操作。作为另一示例，控制器16可以把切换信号的占空比设定为在比第一幅度范围大的DC电压VIN的第二幅度范围内相对于DC电压VIN反向地变化（例如，成反比）。因而，DC输出电压VOUT通过该DC电压的第二幅度范围，可以维持基本上恒定的最大幅度。作为另一示例，控制器16可以把切换信号的占空比设定为在比第一幅度范围小的DC电压VIN的第三幅度范围内相对于DC电压VIN反向地变化（例如，成反比）。因而，DC输出电压VOUT通过该DC电压的第二幅度范围，可以维持基本上恒定的最小幅度。
图2图示了DC/DC功率转换器系统50的示例。DC/DC功率转换器系统50可以对应于图1的示例中的DC/DC功率转换器系统14。因此，针对附加上下文，在图2的示例的以下描述中，可以参考图1的示例。
DC/DC功率转换器系统50诸如从图1的示例中的DC电压源12接收DC电压VIN。DC电压VIN被提供给对DC电压VIN进行滤波的低通滤波器(LPF)52。结果，对DC电压VIN的幅度的快速改变不导致对DC输出电压VOUT的幅度的伪改变。也就是说，不要求DC/DC功率转换器系统50补偿DC电压VIN中的尖峰或其他高频改变。LPF52生成DC电压VIN的经滤波版本（在图2的示例中被示范为VIN_F），其被提供给PWM控制器54。PWM控制器54包括分压器56，其被配置为降低电压VIN_F的幅度以将电压VIN_F与一个或多个阈限电压VT进行比较。例如，PWM控制器54包括被配置为（例如，作为比较器）将电压VIN_F与阈限电压VT进行比较的电路58。作为另一示例，电路58可以将电压VIN_F与第一阈限电压和第二阈限电压进行比较，第一阈限电压和第二阈限电压限定了阈限之间的第一电压范围、第二阈限之上的第二范围以及第一阈限之下的第三范围。如本文所描述的，电路58可以被配置为将电压VIN_F与（一个或多个）阈限电压VT进行比较的多种电路部件或软件例程或者电路部件或软件例程的组合中的任一个。在图2的示例中，从外部源提供（一个或多个）阈限电压VT。作为示例，（一个或多个）阈限电压VT可以是可编程的，使得它们可以由相关联的功率系统的终端用户诸如动态地或基于一组切换器或动态电阻器来加以设定。然而，应当理解，该（一个或多个）阈限电压VT可以被编码或存储在PWM控制器54自身内。
电压VIN_F与（一个或多个）阈限电压VT的比较因而可以确定DC电压VIN驻留于多个离散电压范围中的哪一个内。PWM控制器54因而可以基于DC电压VIN驻留于哪个幅度范围内来设定切换信号SW的占空比。DC电压VIN的幅度范围由一个或多个阈限电压VT来限定。作为示例，电路58可以被配置为将电压VIN_F与两个单独的阈限电压VT进行比较，以确定DC电压VIN驻留于三个离散的幅度范围中的哪一个内。基于DC电压VIN驻留于哪个范围，PWM控制器54可以设定切换信号SW的占空比。
切换信号SW被提供给切换系统60。切换系统60可以包括一个或多个切换器，所述切换器被基于切换信号SW而加以控制，例如以便周期性地把DC电压VIN耦合到电感器以生成DC输出电压VOUT。因而，DC输出电压VOUT的幅度可能取决于DC电压VIN的幅度和切换信号SW的占空比。如上面所提及的，切换信号SW的占空比可能取决于DC电压VIN驻留于哪个幅度范围内。
图3图示了输出电压和占空比相对于输入电压的曲线图100的示例。所述曲线图100可以对应于分别在图1和2的示例中的功率系统10和DC/DC功率转换器系统50的操作。曲线图100包括切换信号SW的占空比相对于DC电压VIN的第一曲线102和DC输出电压VOUT相对于DC电压VIN的第二曲线104。
第一曲线102和第二曲线104包括在图3的示例中被示范为电压VT1和VT2的沿着DC电压VIN的值的范围的两个电压幅度。电压VT1和VT2因而可以对应于被提供给PWM控制器54的阈限电压，诸如包括在图2的示例中的（一个或多个）阈限电压VT中的阈限电压。作为示例，在幅度方面可以对（一个或多个）阈限电压VT进行缩放以便与电压VIN_F的经分压的幅度（例如，经由分压器56）进行比较，使得电压VT1和VT2可以表示具有与电压VIN_F相同幅度等级（scale）的幅度的（一个或多个）阈限电压VT的版本。例如，可以相对于输出电压对阈限电压进行归一化，并且分压器可以把电压VIN_F转换为同一等级。
作为另外的示例，电压VT1和VT2可以限定DC电压VIN的三个不同的幅度范围。在图3的示例中,把第一幅度范围106限定为处于电压VT1和VT2之间的DC电压VIN的幅度范围。例如，范围106可以表示转换器的正常操作范围，其中，转换器提供输出电压以跟随输入电压，如本文中所示出和描述的。另外，第二幅度范围108可以限定比电压VT2大的DC电压VIN的幅度范围，以及第三幅度范围110可以限定比电压VT1小的DC电压VIN的幅度范围。
响应于（诸如基于经由电路58进行的电压VIN_F的分压版本相对于电压VT1和VT2的分压版本的比较所确定的）DC电压VIN驻留于第一幅度范围106内，PWM控制器54可以把切换信号SW的占空比设定为具有恒定值。结果，在第一幅度范围106内，DC输出电压VOUT可以具有与DC电压VIN成比例（例如，跟随DC电压VIN）的幅度。响应于DC电压VIN驻留于第二幅度范围108内（即，DC电压VIN大于电压VT2），PWM控制器54可以把切换信号SW的占空比设定为相对于DC电压VIN的幅度反向地变化。结果，在第二幅度范围108内,DC输出电压VOUT可以具有维持在基本上恒定的最大幅度处的幅度,其在图3的示例中被示范为电压VMAX。响应于DC电压VIN驻留于第三幅度范围110内（即，DC电压VIN小于电压VT1），PWM控制器54可以同样地把切换信号SW的占空比设定为相对于DC电压VIN的幅度反向地变化。结果，在第三幅度范围110内,DC输出电压VOUT可以具有维持在基本上恒定的最小幅度处的幅度,其在图3的示例中被示范为电压VMIN。
返回参考图2的示例，DC/DC功率转换器系统50因而可以被实现为具有输入控制环的前馈系统，以响应于DC电压VIN而生成DC输出电压VOUT。例如，DC/DC功率转换器系统50是基于以DC电压VIN为基础生成DC输出电压VOUT的前馈系统，其与在调节DC输出电压VOUT过程中监视DC输出电压VOUT的幅度的反馈系统不同。因此，DC/DC转换器系统50可以被实现为基于省略反馈电路部件的对反馈系统的更便宜的替换物。另外，DC/DC转换器系统50通过在开环前馈配置下操作，可以比典型的反馈系统更快速地对DC电压VIN的幅度改变作出响应。
应当理解，DC/DC功率转换器50并不意在受限于图2的示例。作为示例，PWM控制器54可以省略分压器56，使得电路58直接将电压VIN与（一个或多个）阈限电压VT进行比较。作为另一示例，PWM控制器54可以被配置为基于（一个或多个）阈限电压VT限定DC电压VIN的多于或少于三个的幅度范围。例如，PWM控制器54可以被配置为仅接收单个阈限电压VT，诸如以限定基于其设定切换信号SW的占空比的DC电压VIN的两个幅度范围。因而，PWM控制器54可以把切换信号SW的占空比设定成在大于阈限电压VT的DC电压VIN的幅度处与DC电压VIN的幅度成反比，并且可以在小于阈限电压VT的DC电压VIN的幅度处把切换信号SW的占空比设定成基本上恒定的值。作为另一示例，PWM控制器54可以限定基于其设定切换信号SW的占空比的DC电压VIN的四个或更多个幅度范围，使得PWM控制器可以在中间的幅度范围中的两个或更多个内设定切换信号SW的占空比的多个不同的恒定值。因而，DC/DC功率转换器系统50可以采用多种方式来加以配置。
鉴于上面描述的前述结构和功能特征，参考图4将更好地理解示例方法。虽然为了简化解释的目的，把图4的方法示出和描述为串行地执行，但是应当理解和意识到，该方法不受所图示次序的限制，这是因为该方法的各部分可以以不同的次序发生和/或与本文所示出和描述的同时发生。
图4图示了用于从功率系统生成输出电压的方法150的示例。在152，接收DC电压。例如，可以从DC电压源（例如，图1的电压源12）提供DC电压。在154，确定DC输入电压驻留于多个电压范围中的哪个电压范围内。例如，在154处的确定可以由控制器（例如，图1的控制器16或者图2的PWM控制器54）通过将输入电压与阈限进行比较来完成。在156，基于DC电压驻留于多个电压幅度范围中的哪一个内来控制切换信号的占空比。例如，在156处的占空比控制可以由控制器（例如，图1的控制器16或者图2的PWM控制器54）来完成，诸如本文中所示出和描述的那样。在158，该方法包括根据切换信号把DC输入电压转换为对应的DC输出电压。
上面已经描述的是示例。当然不可能描述部件或方法的每个可想象的组合，这是因为许多另外的组合和置换或许是可能的。因此，本公开意在包括落入包括所附权利要求书在内的本申请的范围内的所有这样的变更、修改和变体。另外，在本公开或权利要求书记载“一个”、“一”、“第一”或“另一”元件、或其等同物的情况下，应当把它解释为包括一个或一个以上的这样的元件，既不要求也不排除两个或更多个这样的元件。

Claims (12)

1.一种功率转换器（14），包括：
切换系统（18），用于基于具有占空比的切换信号把直流DC输入电压转换为输出电压；和
控制器（16），用于根据所述DC输入电压把所述切换信号的占空比设定为下述值之一：基本上恒定的值，使得所述输出电压在正常模式下跟随所述DC输入电压；以及相对于所述DC输入电压反向变化的值，使得所述输出电压在另一模式下是基本上恒定的；
其中，所述控制器（16）把所述切换信号的占空比设定为基本上恒定的值，使得在所述DC输入电压驻留于第一电压范围（106）内的情况下，所述输出电压与所述DC输入电压基本上成比例，并且所述控制器（16）使所述切换信号的占空比变化，以使得在所述DC输入电压驻留于第二电压范围（108）内的情况下，所述输出电压具有基本上固定的最大电压，所述第二电压范围大于所述第一电压范围（106）。
2.如权利要求1所述的功率转换器（14），其中，所述控制器（16）包括电路，所述电路用于将所述DC输入电压与阈限电压进行比较，以确定所述DC输入电压驻留于多个电压范围中的哪个内，所述电压范围中的一个对应于所述正常模式，而所述电压范围中的另一个对应于所述另一模式。
3.如权利要求1或2所述的功率转换器（14），还包括低通滤波器（52），其对所述DC输入电压进行滤波，以把经滤波的输入电压提供给所述控制器（16）。
4.如权利要求1所述的功率转换器（14），其中，所述控制器（16）设定所述切换信号的占空比，使得在所述DC输入电压驻留于小于所述第一电压范围（106）的第三电压范围（110）内的情况下，所述输出电压具有基本上固定的最小幅度。
5.如权利要求4所述的功率转换器（14），其中，所述第一电压范围（106）驻留于第一阈限电压和大于所述第一阈限电压的第二阈限电压之间，所述第二电压范围（108）大于所述第二阈限电压，而所述第三电压范围（110）小于所述第一阈限电压。
6.如权利要求1、2、4或5所述的功率转换器（14），其中，所述DC输入电压的多个幅度范围中的每一个由相应的阈限电压来加以限定。
7.如权利要求1、2、4或5所述的功率转换器（14），还包括交流AC至DC转换器（12），其用于把AC输入电压转换为在所述正常模式期间驻留于预定电压范围内的DC输入电压。
8.一种功率系统（10），包括：
电压源（12），用于提供DC输入电压；和
DC/DC功率转换器（14），用于基于具有占空比的切换信号把所述DC输入电压转换为DC输出电压，所述DC/DC功率转换器（14）包括:
开环控制环，其包括脉宽调制PWM控制器（54），所述脉宽调制PWM控制器（54）用于根据所述DC输入电压驻留于多个电压范围中的哪个来设定所述切换信号的占空比，其中所述脉宽调制PWM控制器将所述切换信号的占空比设定为基本上恒定的值，使得在所述DC输入电压驻留于所述多个电压范围中的第一电压范围（106）内的情况下，所述DC/DC功率转换器（14）提供与所述DC输入电压基本上成比例的DC输出电压，并且所述脉宽调制PWM控制器改变所述切换信号的占空比，使得在所述DC输入电压驻留于所述多个电压范围中的小于所述第一电压范围（106）的第二电压范围（110）内的情况下，所述DC/DC功率转换器（14）提供处于基本上固定的最小幅度的DC输出电压，并且在所述DC输入电压驻留于所述多个电压范围中的大于所述第一电压范围（106）的第三电压范围（108）内的情况下，提供处于基本上固定的最大幅度处的DC输出电压。
9.如权利要求8所述的系统（10），其中，所述脉宽调制PWM控制器（54）还包括：
第一电路，用于将所述DC输入电压与所述多个电压范围的所述第一电压范围（106）和所述第二电压范围（110）之间的第一阈限电压进行比较，以提供第一比较器输出；和
第二电路，用于将所述DC输入电压与所述多个电压范围的所述第一电压范围（106）和第三电压范围（108）之间的第二阈限电压进行比较，以提供第二比较器输出，所述第二阈限电压大于所述第一阈限电压；
所述脉宽调制PWM控制器（54）基于所述第一比较器输出和所述第二比较器输出，根据所述DC输入电压驻留于所述第一电压范围、所述第二电压范围和所述第三电压范围（106、110、108）中的哪一个，来控制所述切换信号。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述第一阈限电压和第二阈限电压中的每一个是可编程的。
11.一种用于提供直流DC输出电压的方法（150），所述方法（150）包括：
从DC电压源接收DC输入电压；
确定所述DC输入电压驻留于多个电压范围中的哪个内；
根据所述DC输入电压驻留于所述多个电压范围中的哪个电压范围内，控制切换信号的占空比以具有基本上恒定的占空比和可变的占空比之一；和
根据所述切换信号把所述DC输入电压转换为DC输出电压，所述DC输出电压是可变的或基本上恒定的之一；
其中，控制所述占空比还包括：
基于所述DC输入电压驻留于预定正常电压范围（106）内，把所述占空比设定为基本上恒定的值；
基于所述DC输入电压驻留于第一瞬变电压范围（108）内，把所述占空比设定为与所述DC输入电压成反比，使得所述输出电压具有基本上恒定的最大幅度，所述第一瞬变电压范围（108）大于所述预定正常电压范围（106）；和
基于所述DC输入电压驻留于第二瞬变电压范围（110）内，把所述占空比设定为与所述DC输入电压成反比，使得所述DC输出电压具有基本上恒定的最小幅度，所述第二瞬变电压范围（110）小于所述预定正常电压范围（106）。
12.如权利要求11所述的方法（150），其中，确定所述DC输入电压驻留于所述多个电压范围中的哪个电压范围内还包括：将所述DC输入电压与预定阈限电压进行比较，以确定所述DC输入电压驻留于所述多个电压范围中的哪个电压范围内。
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