CN103339842B - 使用脉宽调制信号的对电子设备的滞环控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于开关电路以便使用双状态脉宽调制控制信号（CTRL）来生成输出电压（Vout）的设备和方法。该方法包括测量控制信号（CTRL）的频率（Fq）并且基于控制信号（CTRL）的测量频率（Fq）激活第一滞环比较器（31）或者第二滞环比较器（32）。可以有利地选择滞环比较器的电压阈值和至少一个频率阈值从而防止控制信号（CTRL）的频率（Fq）进入频带间隙。

Description

使用脉宽调制信号的对电子设备的滞环控制

技术领域

本发明一般地涉及具有滞环控制（hysteresiscontrol）的开关式电子设备，并且更具体地涉及这一类型的开关模式电源（或SMPS）。

背景技术

本发明具体地适用于用于向汽车车辆电子控制单元供应功率的开关模式电源。

滞环开关模式电源是通常由具有两个状态的脉宽调制（或者PMW）信号控制的开关式电子设备，其状态的改变源于控制的值与低阈值和高阈值的比较。

这一信号具有根据操作点（电压、电流）变化的控制频率。就基本上恒定输出电压而言，它以连续方式随着输出电流的值变化。负载吸收的输出电流越高，控制频率就越高。出于这一原因，这一控制频率可能进入具体频带并且以在产品合格时的电磁兼容性（EMC）方面未符合规范而告终。这些频带被称为“禁止”。

因此设计开关模式电源并且选择部件值以便操作上至在最低禁止频带以下的最大“授权”频率。这一般允许确保在EMC方面的要求。

然而获得这一结果以在涉及所需操作范围（电流、电压）和涉及开关模式电源的最关键部件，更特别地为电感器和电容器，的经济上可接受值的要求之间困难的折衷为代价。这是因为限制操作频率需要使用具有高值的部件，因此成本高并且还臃肿，以便获得在高电流和/或电压处的某些操作点。

发明内容

本发明的目的是改善该情形。它基于发明人进行的观察，由此在滞环模式中控制的设备中，操作频率由滞环阈值调节。

出于这一目的，本发明的第一方面提供一种电子设备，该电子设备包括：

-开关式电路，具有输出，该输出被设计用于递送输出电压并且由具有两个脉宽调制状态的控制信号控制；

-第一滞环比较器，具有第一低电压阈值和高于所述第一低电压阈值的第一高电压阈值，被设计用于在它被使能时根据在一方面为输出电压与在另一方面为第一低电压阈值和第一高电压阈值之间的比较的结果生成控制信号；

-至少一个第二滞环比较器，具有第二低电压阈值和高于所述第二低电压阈值的第二高电压阈值，被设计用于在它被使能时根据在一方面为输出电压与在另一方面为第二低电压阈值和第二高电压阈值之间的比较的结果生成控制信号；以及

-控制单元，被设计用于测量控制信号的频率并且根据控制信号的测量的频率使能第一滞环比较器或者第二滞环比较器，针对控制信号的相对低频率使能第一滞环比较器，并且针对控制信号的相对高频率使能第二滞环比较器。

有利地，第二高电压阈值与第一低阈值电压之间的差小于第一高电压阈值与第一低电压阈值之间的差。

以这一方式，在控制单元使第二比较器被使能取代第一比较器时，控制信号开关频率急剧增加。相反地，在控制单元使第一比较器被使能取代第二比较器时，控制信号开关频率急剧下降。换而言之，从一个比较器向另一比较器的切换引起控制信号频率的跳跃，这些跳跃允许避免一些频带。

用于在滞环模式中操作的开关模式设备的这一新架构因此允许在宽频率范围上而未穿过禁止频率的区域的操作。实际上，可以用操作频率或者开关频率保持于其中EMC规范更严格的具体频带以外这样的方式控制开关式电路。出于这一目的，可以用避免控制信号的频率进入禁止频带这样的方式选择滞环比较器的电压阈值和用于使能滞环比较器的至少一个频率阈值。

电子设备的设计值现在可以利用频率范围的这一增加从而接受外部部件（更具体为L和C）的更低值或者另外增加规范的要求而因此总体上提供附加值。

本发明的实施例如此允许具有滞环的开关模式电源在其中EMC约束严格的具体频带内操作。

这通过选择具有滞环阈值的滞环比较器来实现，这些滞环阈值被设计用于在允许频带内维持开关频率、更具体为避免禁止频带。

从至少两个滞环比较器之中使能一个滞环比较器允许以离散（即非连续）方式施加输出电压的波动变化偏移（excursion）。依赖于这一偏移的值的脉宽调制控制信号频率本身以离散方式从一个频带向另一频带变化而未经由非所需频带。

在实施例中，经由数字技术实现滞环比较器的使能，这允许模拟控制不允许的灵活性和简单性。

在第二方面中，本发明也涉及一种包括用于斩波输入电压的至少一个设备的开关模式电源。斩波设备包括根据第一方面的电子设备。

本发明的另一方面也提供将根据第二方面的开关模式电源与具有降压转换器类型的DC-DC电压转换器的结构的用于斩波输入电压的设备一起用于向汽车车辆控制单元供应功率。

最后，本发明的最后方面提供一种用于电路的开关方法，该电路被设计用于生成从具有两个脉宽调制状态的控制信号开始的输出电压，该方法包括：

-测量控制信号的频率；并且

-根据控制信号的测量的频率使能第一滞环比较器或者第二滞环比较器以便生成控制信号。

在这一方法中，具有第一低电压阈值和高于所述第一低电压阈值的第一高电压阈值并且被设计用于根据在一方面为输出电压与在另一方面为第一低电压阈值和第一高电压阈值之间的比较的结果生成控制信号的第一滞环比较器针对控制信号的相对低频率被使能。

另外，具有第二低电压阈值和高于所述第二低电压阈值的第二高电压阈值并且被设计用于根据在一方面为输出电压与在另一方面为第二低电压阈值和第二高电压阈值之间的比较的结果生成控制信号的第二滞环比较器针对控制信号的相对高频率被使能。

最后，第二高电压阈值与第二低电压阈值之间的差低于第一高电压阈值与第一低电压阈值之间的差。

附图说明

本发明的其他特征和优点另外将在阅读以下描述时变得清楚。该描述仅为举例并且必须关于附图来阅读，在附图中：

-图1是已知类型的由具有滞环的脉宽调制信号控制的开关式设备的图；

-图2a至2e是图示图1中的设备的操作的信号定时图；

-图3是根据本发明的实施例的由具有滞环的脉宽调制信号控制的开关式设备的图；

-图4示出用于图3中的设备的控制单元的一个示例性实施例；

-图5a至5e是图示图3中的设备的操作的信号定时图；并且

-图6是图3中的设备的开关频率的图形，该开关频率作为它的负载中的电流的函数。

具体实施方式

图1示出脉宽调制控制信号开关的设备的一个示例。它具有降压电压类型的DC-DC转换器的结构（“降压”转换器结构）。

在这一结构中，斩波元件、一般为功率晶体管Q1、诸如MOSFET（“金属氧化物半导体场效应晶体管”）或者IGBT（“绝缘栅极双极晶体管”）根据向它的控制栅极施加的控制信号CTRL的逻辑状态的改变从接通状态向关断状态或者相反切换。

在Q1是NMOS晶体管的情况下，它的漏极例如耦合到DC电压V_g的源的正端子，该DC电压的源的负端子可以连接到地。Q1的源极通过电感L耦合到这里由电阻R象征的负载的第一端子。负载R的第二端子耦合到地。电容器C与负载R并联耦合。最后，续流（free-wheel）二极管D₁经由它的阴极耦合到Q1的源极并且经由它的阳极耦合到地。二极管D₁允许在Q1从接通状态变成关断状态时排空电感中积累的能量。

控制信号CTRL的占空比确定Q1交替地在接通状态中和在关断状态期间的时间，并且因此平均而言确定由于电容器C而基本上平滑的跨越负载的端子的电压V的电平。利用这样的降压转换器结构，相对于电压V_g的电平减少电压Vout的电平。

负载R吸收的电流可以根据在负载中包括的设备或者器件的操作随时间变化。负载电流的这一变化等效于在负载电流增加时更快减少并且反之亦然的电压Vout上的中断（disruption）。

为了克服待控制的量的该中断，可以与滞环控制组合地使用该设备。控制单元10然后生成控制信号CTRL，该控制单元10包括具有低阈值Vmin和高阈值Vmax的滞环比较器11。

滞环控制技术由通过全有或者没有类型的决定根据待控制的量直接生成控制信号CTRL构成，该量这里是跨越负载的端子的电压Vout。在Vout<Vmin时，信号CTRL从关断状态变成接通状态。相反地，在Vout>Vmax时，信号CTRL从接通状态变成关断状态。设备然后在闭环模式中操作，信号CTRL的占空比和频率自然根据影响待控制的量的中断而变化。

图2中的曲线图示这一操作。

在图2a中示出作为时间的函数的负载电流I_R的变化示例。回顾I_R根据负载R中的电流需求而变化。例如在负载是汽车车辆电子控制单元时，电流需求依赖于执行的计算的数量。在电子控制单元的活动中的高峰产生与电压Vout的中断对应的高电流需求。在所示示例中，电流I_R随时间以规律方式增加。

图2b示出考虑滞环控制的跨越负载的端子的电压Vout的对应变化。这一电压Vout是控制的量。水平虚线代表控制单元10的滞环比较器的恒定阈值电压Vmin和Vmax。电压Vout表现脉动（ripple），该脉动的频率与晶体管Q1开关频率、换而言之也与信号CTRL的频率联系。

图2c示出电感L中的电流I_L的变化。如可见的那样，在这一示例中存在有其中I_L等于零的时间段，这对应于称为不连续操作的操作。

图2d示出信号CTRL。如可见的那样，它在电压Vout低于Vmin时在高逻辑状态中（使得Q1在接通状态中）。在这一情况下，电流I_L增加。相反地，它在电压Vout高于Vmax时在低逻辑状态中（使得Q1在关断状态）中。在这一情况下，电流I_L减少。

最后，在图2e中示出控制信号CTRL的频率Fq或者设备开关频率的变化。如可见的那样，Fq在IR增加时增加以便在控制单元10的滞环比较器11的阈值电压Vmin与Vmax之间维持跨越负载的端子的电压Vout。

上文描述的滞环控制技术的优点之一是对中断的很短响应时间。主要缺点是缺乏晶体管开关频率的控制，这表现为在介绍中提到的难以符合EMC标准。这一点的原因是负载吸收的输出电流越高，控制频率就越高。出于这一原因，除非使用高值、但是昂贵的部件L和/或C，控制频率可能进入禁止频带（图2c中的影线区域）。

为了克服这一缺点，提供图3中所示类型的设备，其中与图1中相同的元件具有相同标号。

一般而言，本发明适用于具有输出21的任何开关式电路20，该输出21被设计用于递送输出电压Vout并且由具有两个脉宽调制状态的控制信号CTRL控制。一个典型示例对应于包括用于斩波输入电压V_g的设备的开关模式电源。换而言之，输出电压Vout在这一示例中对应于开关模式电源递送的供应电压。斩波设备包括已经参照图示现有技术的图1描述的电子开关式设备20。

与在图1中的情况下一样，参照图3在如下示例中描述本发明的实施例，该示例涉及降压（或“降压”结构）类型的具有DC-DC转换器的结构的用于斩波输入电压V_g的设备。然而无需赘言，其他实施例可以涉及升压（或者“升压”结构）类型或者降压/升压（或者称为“降压-升压”的结构）类型的DC-DC电压转换器结构。另外，本发明的教导可以适用于应用、诸如数模转换、放大（例如在用于音频或者其他应用的D类放大器中）和功率电子控制（例如用于电马达的变速器等）中的其他类型的开关式电子设备。

在用于斩波输入电压的设备中的功率晶体管Q1可以例如是MOSFET或者IGBT类型。

取代图1中的控制单元10，用于图3中所示设备的控制单元30包括两个滞环比较器31和32。将如需要的那样参照将与图2a至2e中的定时图比较并且分别示出相同信号的图5a至5e中的定时图描述运转。图5a示出在第一时间段中线性增加并且在第二时间段中线性减少的电流I_R。

第一滞环比较器31具有第一低电压阈值Vmin和高于Vmin的第一高电压阈值Vmax。它被设计在它被使能时用于根据在一方面为输出电压Vout与在另一方面为Vmin和Vmax之间的比较的结果生成控制信号CTRL。

第二滞环比较器32具有低电压阈值Vmin2和高于Vmin2的高电压阈值Vmax2。它被设计在它被使能时用于根据在一方面为输出电压Vout与在另一方面为Vmin2和Vmax2之间的比较的结果生成控制信号CTRL。第二比较器32的高电压阈值Vmax2与低电压阈值Vmin2之间的差ΔV2低于第一比较器31的高电压阈值Vmax与低电压阈值Vmin之间的差ΔV。

换而言之并且如下文将考虑的图5b中的图形上所示，在原理上，在比较器31被使能时在区间[Vmin-Vmax]（在图3b中标记为ΔV）内并且在比较器32被使能时在区间[Vmin2-Vmax2]（在图3中标记为ΔV2）内包括输出电压Vout上的脉动。ΔV2与ΔV比较为小，使得控制信号的频率可以在从使用比较器31变成使用比较器32时经历显著跳跃。平均而言，电压Vout具有无论使能的比较器31或者32都基本上相等的电平。在所示示例中，低电压阈值Vmin2高于低电压阈值Vmin，并且高电压阈值Vmax2低于高电压阈值Vmax。然而这一示例是非限制性的，因为其他配置关于四个阈值电压的电平是可能的，只要差值ΔV2大大地低于差值ΔV。

再次在图3中，设备也包括被设计用于测量图5e中的曲线所示控制信号CTRL频率Fq的控制单元34。它也被设计用于根据测量的频率Fq使能第一滞环比较器31或者第二滞环比较器32。更具体而言，针对控制信号低频率使能第一滞环比较器31，并且针对控制信号高频率使能第二滞环比较器。这里理解术语“低”和“高”为针对如下频率，相对于彼此考虑其相应值。针对其使能比较器31和32中的一个或者另一比较器的频率值的定义依赖于应用。

参照图5e并且从其中频率Fq为低使得滞环比较器31被使能的情形开始，控制单元34被设计用于在控制信号CTRL频率Fq变成高于第一频率阈值Fq1时禁用第一比较器31并且使能第二比较器32。这出现于在图5e中标记为t1的时间瞬间。

相反地，第二滞环比较器32被使能，控制电路34被设计用于在控制信号CTRL的频率Fq变成低于第二频率阈值Fq2、高于第一频率阈值Fq1时禁用它并且使能第一比较器31。这出现于在图5e中标记为t2的时间瞬间。

优选地存在有针对比较器31和32的使能的控制的滞环，使得在从一个比较器变成另一比较器时获得的频率跳跃大大超过禁止频带，这允许避免在低频率与高频率之间的在频率频谱的过渡区域内从一个向另一个的乱真（spurious）和频繁切换。

在一个示例中，第一频率阈值Fq1约为150kHz和/或第二频率阈值Fq2约为300kHz。

这样描述的设备获得的优点是避免具有在频带[Fq1-Fq2]内包括的开关频率（控制信号CTRL频率）的操作。然后仅有必要配置控制单元以便阈值Fq1和Fq2分别对应于禁止频带的下限和上限，这是希望避免的。

在这样配置时，控制单元34保证比较器31的使能，该比较器31的滞环区间ΔV针对电流I_R的低值相对高。如果I_R朝着高值增加直至它比如在图2e中的时间t1经由较低值达到第一个值，则单元34使比较器31禁用并且比较器32被使能，该比较器32的滞环区间ΔV2相对更低。这使频率Fq突然上升。如果电流I_R然后朝着低值减少直至它经由较高值达到第二个值（高于上述第一个值），则单元34使比较器32被禁用并且比较器31被使能，该比较器31的滞环区间ΔV2相对更高。这使频率Fq突然下降。

图6中的图形示出信号CTRL频率Fq变化在负载电流I_R这里在0与1安培之间包括的范围中线性增加时的变化。这详述在电流I_R达到在前段中提到的第一个值时在图5e中的时间t1发生的频率跳跃。如可见的那样，避免在频带[Fq1-Fq2]中包括的频率。

比较器31或者比较器32的选择性使用源自于控制信号频率的测量。根据它的值，这些比较器中的一个或者另一个比较器由单元34使能。频率的测量方法不是限制性的并且可以产生设备的多于一个实施例。就这一点而言，下文仅提供频率的测量手段的一个示例。

参照图4，控制单元34可以包括脉冲计数器。这样的计数器41被设计用于在它的输出处递送与控制信号CTRL频率的测量对应的、每单位时间计数的控制信号的脉冲的数量。更具体而言，这一脉冲数量与控制信号CTRL的周期1/Fq成比例。

计数器41例如包括接收使能信号En的使能输入42和接收时钟信号CLK的时钟输入43，该时钟信号CLK具有比控制信号CLK的频率范围明显更高、例如数兆赫至数十兆赫级的频率。它也包括用于重置成零的输入44，该输入经由沿检测器45、例如上升沿检测器接收其频率被测量的信号CTRL。如将已经理解的那样，只要信号En被使能，计数器就对在信号CTRL的两个上升沿之间的时钟脉冲CLK的数量计数。在输出处递送的这一数量是频率Fq的测量，因为它代表信号CTRL的周期1/Fq。

计数器41和沿检测器45可以采用FPGA电路（代表“现场可编码成门阵列”）的形式。控制电路的全部或者部分也可以采用软件的形式。

例如，诸如上文描述的开关模式电源可以用于向汽车车辆电子控制单元供应功率。在这一情况下，用于斩波输入电压的设备优选地具有降压转换器类型的DC-DC电压转换器的结构。输入电压V_g通常是在12与14伏特之间或者在24与28伏特之间的范围中的电池电压，并且输出电压Vout根据处理器的技术是约为1.5至2.4伏特的固定电压、例如1.8伏特。

本发明的另一方面涉及一种用于电路的开关方法，该电路被设计用于从具有两个脉宽调制状态的控制信号开始生成输出信号。

该方法包括测量控制信号频率并且根据控制信号的测量的频率使能滞环比较器31或者滞环比较器32以便生成控制信号。

已经在当前详细描述中和在附图中描述和图示本发明。本发明不限于呈现的实施例。本领域技术人员可以在阅读本描述和附图时推断和实施其他变化和实施例。

具体而言，可以通过增加不限于两个的滞环比较器的数量将本发明的原理扩展至排除多于一个禁止频带。

在权利要求中，术语“包括”未排除其他单元或者步骤。不定冠词“一个”未排除多个。单个处理器或者若干其他单元可以用来实施本发明。可以有利地组合呈现的各种特征和/或权利要求。它们在描述中或在不同从属权利要求中的存在未排除这一可能性。不应理解标号为限制本发明的范围。

Claims (10)

1.一种电子设备，包括：

-开关式电路（20），具有输出（21），所述输出（21）被设计用于递送输出电压（Vout）并且由具有两个脉宽调制状态的控制信号（CTRL）控制；

-第一滞环比较器（31），具有第一低电压阈值（Vmin）和高于所述第一低电压阈值（Vmin）的第一高电压阈值（Vmax），被设计在它被使能时用于根据在一方面为输出电压（Vout）与在另一方面为第一低电压阈值（Vmin）和第一高电压阈值（Vmax）之间的比较的结果生成控制信号（CTRL）；

-至少一个第二滞环比较器（32），具有第二低电压阈值（Vmin2）和高于所述第二低电压阈值（Vmin2）的第二高电压阈值（Vmax2），被设计在它被使能时用于根据在一方面为输出电压（Vout）与在另一方面为第二低电压阈值（Vmin2）和第二高电压阈值（Vmax2）之间的比较的结果生成控制信号（CTRL），第二高电压阈值（Vmax2）与第二低电压阈值（Vmin2）之间的差小于第一高电压阈值（Vmax）与第一低电压阈值（Vmin）之间的差；以及

-控制单元（34），被设计用于测量控制信号（CTRL）频率（Fq）并且根据控制信号（CTRL）的测量的频率（Fq）使能第一滞环比较器（31）或者所述第二滞环比较器（32），针对相对的控制信号（CTRL）低频率使能第一滞环比较器（31），并且针对相对的控制信号（CTRL）高频率使能第二滞环比较器（32）。

2.如权利要求1所述的电子设备，其中所述第一滞环比较器（31）被使能，控制单元（34）被设计用于在（t1）控制信号（CTRL）频率（Fq）变成高于第一频率阈值（Fq1）时禁用第一滞环比较器（31）并且使能所述第二滞环比较器（32）。

3.如权利要求1或者2所述的电子设备，其中第二滞环比较器（32）被使能，控制单元（34）被设计用于在（t2）控制信号（CTRL）频率（Fq）变成低于第二频率阈值（Fq2）、高于第一频率阈值（Fq1）时禁用第二滞环比较器（32）并且使能第一滞环比较器（31）。

4.如权利要求1或者2所述的电子设备，其中第二低电压阈值（Vmin2）高于第一低电压阈值（Vmin），并且第二高电压阈值（Vmax2）低于第一高电压阈值（Vmax）。

5.如权利要求1或者2所述的电子设备，其中控制单元（34）包括脉冲计数器（41），所述脉冲计数器被设计用于递送每时间单位的控制信号（CTRL）的脉冲数量作为所述控制信号（CTRL）的频率（Fq）的测量。

6.一种开关模式电源，包括用于斩波输入电压（Vg）的至少一个设备，其特征在于斩波设备包括如权利要求1至5中的任一权利要求所述的电子设备，所述电子设备的输出电压（Vout）对应于所述开关模式电源递送的电源电压。

7.如权利要求6所述的开关模式电源，其中用于斩波输入电压（Vg）的设备具有降压转换器、升压转换器或者降压/升压转换器类型的DC-DC电压转换器的结构。

8.如权利要求6或者7所述的开关模式电源，其中用于斩波输入电压的设备包括MOSFET或者IGBT类型的功率晶体管。

9.一种如权利要求6至8中的任一权利要求所述的开关模式电源与具有降压转换器类型的DC-DC电压转换器的结构的用于斩波输入电压（Vg）的设备用于向汽车车辆计算机供应功率的用途。

10.一种用于电路的开关方法，所述电路被设计用于从具有两个脉宽调制状态的控制信号（CTRL）开始生成输出电压（Vout），其特征在于所述方法包括：

-测量控制信号（CTRL）频率（Fq）；并且

-根据控制信号（CTRL）的测量的频率（Fq）使能第一滞环比较器（31）或者第二滞环比较器（32）以便生成控制信号（CTRL），

其中：

-第一滞环比较器（31）被针对控制信号（CTRL）的相对低频率使能，所述第一滞环比较器（31）具有第一低电压阈值（Vmin）和高于所述第一低电压阈值（Vmin）的第一高电压阈值（Vmax）并且被设计用于根据在一方面为输出电压（Vout）与在另一方面为第一低电压阈值（Vmin）和第一高电压阈值（Vmax）之间的比较的结果生成控制信号（CTRL）；并且

-第二滞环比较器（32）被针对控制信号（CTRL）的相对高频率使能，所述第二滞环比较器（32）具有第二低电压阈值（Vmin2）和高于所述第二低电压阈值（Vmin2）的第二高电压阈值（Vmax2）并且被设计用于根据在一方面为输出电压（Vout）与在另一方面为第二低电压阈值（Vmin2）和第二高电压阈值（Vmax2）之间的比较的结果生成控制信号（CTRL），

并且其中：

-第二高电压阈值（Vmax2）与第二低电压阈值（Vmin2）之间的差低于第一高电压阈值（Vmax）与第一低电压阈值（Vmin）之间的差。