CN103348576A - 具有脉宽调制的转换器中的相对效率测量 - Google Patents

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Abstract

脉宽调制PWM电力转换系统已改进在宽广的操作输入电压及负载范围内的效率。能够测量模拟PWM系统的相对效率允许增强的控制，同时维持模拟控制的益处。模拟低通滤波器产生PWM脉冲列的平均值，接着借助模/数转换器将此模拟平均值转换成数字值并加以存储，使得可针对操作参数的各种组合比较所述PWM电力转换系统的相对效率。

Description

具有脉宽调制的转换器中的相对效率测量
相关申请案交叉参考
本申请案主张斯科特·迪尔伯恩(Scott Dearborn)、特里·L·克利夫兰(Terry L.Cleveland)及克利福德·埃里森三世(Clifford Ellison III)的在2010年12月29日提出申请的标题为“脉宽调制系统中的相对效率测量(Relative Efficiency Measurement in a Pulse WidthModulation System)”的共同拥有的第61/427,856号美国临时专利申请案的优先权，且出于所有目的特此以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及脉宽调制(PWM)系统，且更特定来说，涉及测量模拟PWM系统的相对效率及使用所述所测量的效率来确定最优操作参数、系统健康及PWM系统故障的可能性。
背景技术
正不断地谋求改进电力/能量转换系统的效率的方式。举例来说，开关模式电力供应器(SMPS)应用。SMPS拓扑由于其高效率、小大小及轻重量而正获得较广泛接受。然而，随着SMPS的大小减小，从其的热耗散/移除变得更成问题。即使SMPS的典型效率可为90％，仍有SMPS所使用的10％的能量变成废热。另外，SMPS的高效率仅针对单负载条件优化。然而，在现实世界应用中，用电负载在广泛范围内变化，且在那些负载下相关联的SMPS效率也变化。因此，除更多电力节省以外，SMPS效率的任何进一步改进还将产生甚至更小且更具成本效益的解决方案。大小、重量及电力节省具有显著价值。另外，期望确定SMPS系统的健康，调整最大效率的操作参数且能够预测潜在系统故障。
发明内容
因此，需要能够在较小、较简单系统解决方案中改进效率的电力/能量转换开关模式电力供应器(SMPS)。此可通过对PWM控制信号求平均且周期性取得所述经平均PWM控制信号的样本来确定SMPS系统的相对效率及在所有负载条件内维持SMPS系统的最大效率的最佳做法来实现。此外，通过在SMPS系统的操作期间知晓PWM控制信号平均值，可建立基准使得可确定且监视健康及潜在系统故障。
根据一实施例，一种开关模式电力供应器(SMPS)可包括：至少一个功率开关，其耦合到电压源；功率电感器，其耦合到所述至少一个功率开关；滤波器电容器，其耦合到所述功率电感器的负载侧，提供所述SMPS的经调节电压输出；至少一个驱动器，其耦合到所述至少一个功率开关；脉宽调制(PWM)产生器，其具有耦合到且控制所述至少一个驱动器的至少一个输出，所述PWM产生器的所述至少一个输出提供包括多个脉冲的至少一个PWM信号；数字处理器，其具有存储器，所述数字处理器耦合到所述PWM产生器且在所述PWM产生器的操作期间向其提供操作参数；电压比较电路，其用于将所述经调节输出电压与参考电压进行比较，其中所述电压比较电路具有表示所述经调节输出电压与所述参考电压之间的差的误差信号输出；比较器，其具有耦合到来自所述电压比较电路的所述误差信号输出的第一输入、耦合到斜坡信号的第二输入及耦合到所述PWM产生器的输入的输出；PWM平均值滤波器，其中所述PWM平均值滤波器接收所述PWM信号且产生表示其相对效率的模拟信号；及模/数转换器(ADC)，其具有耦合到表示所述PWM信号的所述相对效率的所述模拟信号的模拟输入及耦合到具有存储器的所述数字处理器的数字输出；其中所述数字处理器通过调整所述PWM产生器的操作参数以提供产生所述SMPS的最高相对效率的所述至少一个PWM信号而优化所述SMPS的操作。
根据另一实施例，最高相对效率是在表示所述相对效率的所述模拟信号处于最低值时。根据另一实施例，所述斜坡信号可表示所述功率电感器的电流值。根据另一实施例，所述斜坡信号可表示所产生的电压斜坡。根据另一实施例，所述数字处理器可将来自所述ADC的所述数字输出的数字效率值存储于所述存储器中。根据另一实施例，所述数字处理器可使用所述所存储的数字效率值来调整所述PWM产生器的所述操作参数以提供产生所述SMPS的最优相对效率的所述PWM信号。根据另一实施例，所述PWM产生器的所述操作参数可选自由以下各项组成的群组中的任何一者或一者以上：所述至少一个功率开关的接通及关断百分比、从所述至少一个驱动器到所述至少一个功率开关的驱动电流及每秒的PWM脉冲速率(频率)。根据另一实施例，所述至少一个功率开关可为至少一个功率晶体管。根据另一实施例，所述至少一个功率晶体管可为至少一个功率金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体管(FET)。根据另一实施例，所述PWM平均值滤波器可耦合到所述至少一个驱动器以用于接收所述PWM信号。根据另一实施例，所述PWM平均值滤波器可为模拟低通滤波器。根据另一实施例，所述模拟低通滤波器可为电阻器-电容器低通滤波器。根据另一实施例，所述SMPS可进一步包括耦合到所述数字处理器的通信接口。根据另一实施例，所述数字处理器及存储器可为微控制器。
根据另一实施例，一种开关模式电力供应器(SMPS)可包括：第一功率开关，其耦合到电压源；第二功率开关，其耦合于所述第一功率开关与电压源回线之间；功率电感器，其耦合到所述第一功率开关及所述第二功率开关；滤波器电容器，其耦合到所述功率电感器的负载侧，提供所述SMPS的经调节电压输出；第一驱动器，其耦合到所述第一功率开关；第二驱动器，其耦合到所述第二功率开关；脉宽调制(PWM)产生器，其具有分别耦合到且控制所述第一驱动器及所述第二驱动器的第一输出及第二输出，所述PWM产生器的所述第一输出及所述第二输出提供第一PWM信号及第二PWM信号，每一PWM信号包括多个脉冲；数字处理器，其具有存储器，所述数字处理器耦合到所述PWM产生器且在所述PWM产生器的操作期间向其提供操作参数；电压比较电路，其用于将所述经调节输出电压与参考电压进行比较，其中所述电压比较电路具有表示所述经调节输出电压与所述参考电压之间的差的误差信号输出；比较器，其具有耦合到来自所述电压比较电路的所述误差信号输出的第一输入、耦合到斜坡信号的第二输入及耦合到所述PWM产生器的输入的输出；第一PWM平均值滤波器，所述第一PWM平均值滤波器接收所述第一PWM信号且产生表示其相对效率的第一模拟信号；及模/数转换器(ADC)，其具有耦合到表示所述第一PWM信号的所述相对效率的所述第一模拟信号的模拟输入及耦合到具有存储器的所述数字处理器的数字输出；其中所述数字处理器通过调整所述PWM产生器的操作参数以提供产生所述SMPS的最高相对效率的所述第一PWM信号及所述第二PWM信号而优化所述SMPS的操作。
根据另一实施例，当表示所述相对效率的所述模拟信号处于最低值时可达到最高相对效率。根据另一实施例，所述斜坡信号可表示所述功率电感器的电流值。根据另一实施例，所述斜坡信号可表示所产生的电压斜坡。根据另一实施例，所述数字处理器可将来自所述ADC的所述数字输出的数字效率值存储于所述存储器中。根据另一实施例，所述数字处理器可使用所述所存储的数字效率值来调整所述PWM产生器的所述操作参数以提供产生所述SMPS的最优相对效率的所述PWM信号。根据另一实施例，所述PWM产生器的所述操作参数可选自由以下各项组成的群组中的任何一者或一者以上：所述第一功率开关的接通及关断百分比、所述第二功率开关的接通及关断百分比、从所述第一驱动器到所述第一功率开关的驱动电流、从所述第二驱动器到所述第二功率开关的驱动电流、所述第一PWM信号及所述第二PWM信号的接通时间之间的关断时间及每秒的PWM脉冲速率(频率)。根据另一实施例，所述SMPS可进一步包括第二PWM平均值滤波器，所述第二PWM平均值滤波器接收所述第二PWM信号且产生表示其相对效率的第二模拟信号，其中所述第二模拟信号耦合到所述ADC的另一模拟输入。根据另一实施例，所述第一功率开关及所述第二功率开关可为功率晶体管。根据另一实施例，所述功率晶体管可为功率金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体管(FET)。根据另一实施例，所述第二PWM平均值滤波器可耦合到所述第二驱动器以用于接收所述第二PWM信号。根据另一实施例，所述第一PWM平均值滤波器可耦合到所述第一驱动器以用于接收所述第一PWM信号。根据另一实施例，所述第一PWM平均值滤波器可为模拟低通滤波器。根据另一实施例，所述模拟低通滤波器可为电阻器-电容器低通滤波器。根据另一实施例，所述SMPS可进一步包括耦合到所述数字处理器的通信接口。根据另一实施例，所述数字处理器及存储器可为微控制器。
根据又一实施例，一种用于优化开关模式电力供应器(SMPS)的效率的方法可包括以下步骤：借助PWM平均值滤波器确定来自PWM产生器的PWM信号的接通脉冲的平均值；借助所述PWM信号驱动SMPS的功率开关；及调整所述PWM产生器的操作参数以使所述PWM信号的所述接通脉冲的所述平均值最小化且借此增加所述SMPS的效率。
根据所述方法的另一实施例，所述PWM产生器的所述操作参数可选自由以下各项组成的群组中的任何一者或一者以上：所述PWM信号的所述脉冲的接通百分比、到功率开关的驱动电流及每秒的PWM脉冲速率(频率)。
根据又一实施例，一种用于优化开关模式电力供应器(SMPS)控制器的效率的方法可包括以下步骤：借助第一PWM平均值滤波器确定来自PWM产生器的第一PWM信号的接通脉冲的平均值；借助所述第一PWM信号驱动SMPS的第一功率开关；借助第二PWM信号驱动所述SMPS的第二功率开关；及调整所述PWM产生器的操作参数以使所述第一PWM信号的所述接通脉冲的所述平均值最小化且借此增加SMPS的效率。
根据所述方法的另一实施例，所述PWM产生器的所述操作参数可选自由以下各项组成的群组中的任何一者或一者以上：所述PWM信号的所述脉冲的接通时间百分比、到所述第一功率开关的驱动电流、到所述第二功率开关的驱动电流、所述第一功率开关及所述第二功率开关的接通时间之间的关断时间及每秒的PWM脉冲速率(频率)。根据所述方法的另一实施例，所述方法可进一步包括以下步骤：借助第二PWM平均值滤波器确定来自所述PWM产生器的所述第二PWM信号的接通脉冲的平均值；以及调整所述PWM产生器的操作参数以使所述第二PWM信号的所述接通脉冲的所述平均值最小化且借此增加所述SMPS的效率。
根据又一实施例，一种用于优化开关模式电力供应器(SMPS)的操作的方法可包括以下步骤：提供耦合到电压源的至少一个功率开关；提供耦合到所述至少一个功率开关的功率电感器；提供耦合到所述功率电感器的负载侧的滤波器电容器，所述滤波器电容器提供来自所述SMPS的经调节电压；以及提供SMPS控制器，其中操作所述SMPS控制器包括以下步骤：借助相关联的至少一个驱动器驱动所述至少一个功率开关；借助来自脉宽调制(PWM)产生器的PWM信号控制所述至少一个驱动器；借助电压比较电路将来自所述SMPS的所述经调节电压与参考电压进行比较；借助所述电压比较电路产生表示所述经调节电压与所述参考电压之间的差的电压误差信号；将所述电压误差信号耦合到所述PWM产生器；借助PWM平均值滤波器确定所述PWM信号的接通脉冲的平均值；以及调整所述PWM产生器的操作参数以使所述PWM信号的所述接通脉冲的所述平均值最小化且借此增加所述SMPS的效率。
根据所述方法的另一实施例，所述PWM产生器的所述操作参数选自由以下各项组成的群组中的任何一者或一者以上：所述PWM信号的所述脉冲的接通百分比、到所述至少一个功率开关的驱动电流，以及每秒的PWM脉冲速率(频率)。
根据又一实施例，一种用于优化开关模式电力供应器(SMPS)的操作的方法可包括以下步骤：提供耦合到电压源的第一功率开关；提供耦合于所述第一功率开关与电压源回线之间的第二功率开关；提供耦合到所述第一功率开关及所述第二功率开关的功率电感器；提供耦合到所述功率电感器的负载侧的滤波器电容器，所述滤波器电容器提供来自所述SMPS的经调节电压；以及提供SMPS控制器，其中操作所述SMPS控制器包括以下步骤：借助第一驱动器驱动所述第一功率开关；借助第二驱动器驱动所述第二功率开关；分别借助来自脉宽调制(PWM)产生器的第一PWM信号及第二PWM信号控制所述第一驱动器及所述第二驱动器；借助电压比较电路将来自所述SMPS的所述经调节电压与参考电压进行比较；借助所述电压比较电路产生表示所述经调节电压与所述参考电压之间的差的电压误差信号；将所述电压误差信号耦合到所述PWM产生器；借助第一PWM平均值滤波器确定所述第一PWM信号的接通脉冲的平均值；以及调整所述PWM产生器的操作参数以使所述第一PWM信号的所述接通脉冲的所述平均值最小化且借此增加所述SMPS的效率。
根据所述方法的另一实施例，所述PWM产生器的所述操作参数可选自由以下各项组成的群组中的任何一者或一者以上：所述第一PWM信号及所述第二PWM信号的所述脉冲的接通时间百分比、到所述第一功率开关及所述第二功率开关的驱动电流、所述第一功率开关及所述第二功率开关的接通时间之间的关断时间及每秒的PWM脉冲速率(频率)。根据所述方法的另一实施例，所述方法可进一步包括以下步骤：借助第二PWM平均值滤波器确定来自所述PWM产生器的所述第二PWM信号的接通脉冲的平均值；及调整所述PWM产生器的操作参数以使所述第二PWM信号的所述接通脉冲的所述平均值最小化且借此增加所述SMPS的效率。
附图说明
可通过结合随附图式参考以下说明获得对本发明的更全面的理解。
图1图解说明基本电压调节器系统的示意性框图；
图2图解说明图1中所示的电压调节器系统的更详细示意性框图；
图3图解说明根据本发明的特定实例性实施例的实施为开关模式电力供应器(SMPS)的图2中所示的电路的示意图；且
图4图解说明根据本发明的特定实例性实施例的图2中所示的控制电路的更详细示意性框图。
虽然本发明易于作出各种修改及替代形式，但在图式中已展示并在本文中详细描述其特定实例性实施例。然而，应理解，本文对特定实例性实施例的说明并非打算将本发明限制于本文中所揭示的特定形式，而是相反，本发明将涵盖如由所附权利要求书所界定的所有修改及等效内容。
具体实施方式
脉宽调制(PWM)电力转换系统已在广泛操作输入电压及负载范围内改进效率。能够测量模拟PWM系统的相对效率允许增强的控制同时维持模拟控制的益处。模拟低通滤波器产生PWM脉冲列的平均值，接着借助模/数转换器将此模拟平均值转换成数字值并加以存储使得可针对操作参数的各种组合比较PWM电力转换系统的相对效率。
根据本发明的教示，低通(例如，电阻器-电容器(RC))滤波器可用于对SMPS系统中所使用的PWM控制信号求平均。模/数转换器(ADC)可将低通滤波器的模拟输出转换成可以数字格式存储的数字值。可调整(例如，细调)PWM系统参数同时针对每一参数改变及/或其组合而检查以数字方式存储的相对效率值。效率参考点可经设定以便能够识别SMPS系统组件潜在故障及可靠性问题。以下为本发明所涵盖且归属于本发明的范围内：利用PWM控制的任何电力/能量转换系统将受益于对PWM控制信号求平均以在其操作及其操作参数的任何改变期间确定系统效率。
根据本发明的特定实例性实施例，一种开关模式电力供应器(SMPS)包括：至少一个功率开关，其耦合到电压源；功率电感器，其耦合到所述至少一个功率开关；滤波器电容器，其耦合到所述功率电感器的负载侧，提供SMPS的调节电压输出；至少一个驱动器，其耦合到所述至少一个功率开关；脉宽调制(PWM)产生器，其具有耦合到且控制所述至少一个驱动器的至少一个输出，所述PWM产生器的所述至少一个输出提供包括多个脉冲的至少一个PWM信号；数字处理器，其具有存储器，所述数字处理器耦合到所述PWM产生器且在所述PWM产生器的操作期间向其提供操作参数；电压比较电路，其用于将经调节的输出电压与参考电压进行比较，其中所述电压比较电路具有表示所述经调节的输出电压与所述参考电压之间的差的误差信号输出；比较器，其具有耦合到来自所述电压比较电路的所述误差信号输出的第一输入、耦合到斜坡信号的第二输入及耦合到所述PWM产生器的输入的输出；PWM平均值滤波器，其中所述PWM平均值滤波器接收所述PWM信号且产生表示其相对效率的模拟信号；及模/数转换器(ADC)，其具有耦合到表示所述PWM信号的相对效率的模拟信号的模拟输入及耦合到具有存储器的所述数字处理器的数字输出；其中所述数字处理器通过调整所述PWM产生器的操作参数以提供产生所述SMPS的最高相对效率的至少一个PWM信号而优化所述SMPS的操作。
根据本发明的另一特定实例性实施例，一种开关模式电力供应器(SMPS)包括：第一功率开关，其耦合到电压源；第二功率开关，其耦合到电压源回线；功率电感器，其耦合到所述第一功率开关及所述第二功率开关；滤波器电容器，其耦合到所述功率电感器的负载侧，提供所述SMPS的经调节电压输出；第一驱动器，其耦合到所述第一功率开关；第二驱动器，其耦合到所述第二功率开关；脉宽调制(PWM)产生器，其具有分别耦合到所述第一驱动器及所述第二驱动器且控制所述第一驱动器及所述第二驱动器的第一输出及第二输出，所述PWM产生器的所述第一输出及所述第二输出提供第一PWM信号及第二PWM信号，每一PWM信号包括多个脉冲；数字处理器，其具有存储器，所述数字处理器耦合到所述PWM产生器且在所述PWM产生器的操作期间向所述PWM产生器提供操作参数；电压比较电路，其用于将所述经调节输出电压与参考电压进行比较，其中所述电压比较电路具有表示所述经调节输出电压与所述参考电压之间的差的误差信号输出；比较器，其具有耦合到来自所述电压比较电路的所述误差信号输出的第一输入、耦合到斜坡信号的第二输入以及耦合到所述PWM产生器的输入的输出；第一PWM平均值滤波器，所述第一PWM平均值滤波器接收所述第一PWM信号且产生表示所述第一PWM信号的相对效率的第一模拟信号；以及模/数转换器(ADC)，其具有耦合到表示所述第一PWM信号的所述相对效率的所述第一模拟信号的模拟输入，以及耦合到具有存储器的所述数字处理器的数字输出；其中所述数字处理器通过调整所述PWM产生器的操作参数以提供产生所述SMPS的最高相对效率的所述第一PWM信号及所述第二PWM信号而优化所述SMPS的操作。
根据本发明的又一特定实例性实施例，一种用于优化开关模式电力供应器(SMPS)的效率的方法，所述方法包括以下步骤：借助PWM平均值滤波器确定PWM信号的接通脉冲的平均值；以及调整PWM产生器的操作参数以使PWM信号的接通脉冲的平均值最小化且借此增加SMPS的效率。其中PWM产生器的操作参数选自由以下各项组成的群组中的任何一者或一者以上：PWM信号的脉冲的接通百分比、到功率开关的驱动电流以及每秒的PWM脉冲速率(频率)。
现在参考图式，示意性图解说明特定实例性实施例的细节。图式中的相似元件将由相似编号表示，且类似元件将由带有不同小写字母后缀的相同编号表示。
在一般意义上，可将电力转换器定义为在连续基础上将一种形式的能量转换成另一种形式的能量的装置。当此电力系统正在执行其转换功能时在其内的任何能量存储或损失通常与能量转化的过程相同。存在可以不同程度的成本、可靠性、复杂性及效率提供此功能的许多类型的装置。
用于电力转换的机制可采取许多基本形式，例如性质上为机械、电或化学处理的那些形式。本文将聚焦于采用受限制组的组件(其包含电感器、电容器、变压器、开关及电阻器)以电方式且以动态方式执行能量转化的电力转换器。此些电路组件如何连接由所要电力转化来确定。电阻器引入非所要电力损失。由于高效率在大多数应用中通常为最重要的要求，因此在主电力控制路径中应避免或最小化电阻性电路元件。仅偶尔且出于非常特定的原因才将电力消耗电阻引入到所述主电力控制路径中。在辅助电路(例如，总系统的序列、监视及控制电子器件)中，高值电阻器是常见的，这是因为其损失贡献通常不显著。
参考图1，其描绘基本电压调节器系统的示意性框图。电力系统102(例如，基本开关模式电力转换器)，其中将不受控制的电压(或电流，或电力)源的输入施加到电力系统102的输入，而期望将非常好地控制输出处的电压(或电流，或电力)。控制所述输出的基础是将其与某一形式的参考进行比较，且输出与参考之间的任何偏差均变为误差。在反馈控制系统中，负反馈用以将此误差减小到可接受值，如按系统要求尽可能接近零。通常期望快速地减小误差，但反馈控制所固有的是系统响应与系统稳定性之间的折衷。反馈网络的响应性越高，不稳定性的风险就变得越大。
此时，应提及，存在另一种控制方法-前馈。借助前馈控制，直接响应于输入变化或扰动而产生控制信号。前馈不如反馈准确，因为不涉及输出感测，然而，不存在等待产生输出误差信号的延迟，且前馈控制不会导致不稳定性。应明确，前馈控制通常不足以作为电压调节器的唯一控制方法，而是其常常与反馈一起使用以改进调节器对动态输入变化的响应。
参考图2，其描绘图1中所示的电压调节器系统的更详细示意性框图。电力系统102已被分离成两个块：电力电路206及控制电路208。电力电路206处置电力系统负载电流且通常较大、稳健且经受宽广的温度波动。根据定义，其切换功能是在大多数稳定性分析中通常模拟为具有工作循环的恰好双态开关的大信号现象。输出滤波器(未展示)还被视为电力电路206的一部分，但可被视为线性块。控制电路208通常将由增益块、误差放大器及脉宽调制器构成，用以定义功率开关的工作循环。根据本发明的教示，控制电路208经优化以对电力系统102中的干扰作出响应同时维持所要输出电压VOUT。
参考图3，其描绘根据本发明的特定实例性实施例的经实施为开关模式电力供应器(SMPS)的图2中所示的电路的示意图。SMPS的电力电路206可接收来自电源320(例如，电池)的电力，且可包括功率电感器312、分别高开关316及低开关318(例如，功率场效应晶体管)；用于平滑来自所要直流电(DC)输出的交流电(AC)纹波的负载电容器310；及启动电压电容器314。电力电路206连接到控制电路208且受其控制，如图4中所示且下文中更充分描述。
图3中所示的SMPS可(举例来说，但不限于)为电压模式或电流模式模拟脉宽调制(PWM)电压转换系统。使用放大器322及比较器324来调节外部电压环路。PWM产生器与驱动器326的输出D通过取决于所挑选的控制方法将放大器322的输出与电感器312斜坡电流或所产生的斜坡电压进行比较而调整。在任一情况中，PWM输出(D)的值为SMPS系统效率的相对度量。PWM输出(D)平均值越高，效率越低(即，PWM输出(D)接通时间增加且关断时间减少)，且PWM输出(D)越低，效率越高(即，PWM输出(D)接通时间减少且关断时间增加)。此反映于且有利于SMPS转换器的切换频率降低频率(即，每秒较少切换转变)，借此电感器312以较少功率晶体管切换损失维持所要电流电荷。
举例来说，如果当输出D处的值在600kHz的切换频率下为15％时SMPS转换器将+12VDC输入步降到+1.2VDC输出，那么与在300kHz的切换频率下的14％的输出D相比，SMPS系统效率已改进。可使用模拟低通滤波器(例如，电阻器-电容器滤波器)对PWM输出D(HDR)求平均，接着(例如)借助模/数转换器(ADC)及数字存储器对其进行测量并加以存储。接着可借助能够针对不同操作参数组合确定相对系统效率的数字处理器(例如，微控制器)而比较所存储的平均效率值。可为有益且有利的其它系统级调整可为(举例来说，但不限于)上部开关316与下部开关318的接通时间之间的延迟时间，及到其栅极的驱动强度(当通过开关316及318的电流较低时不需要如此多的电流驱动，与开关316及318(例如，功率FET)是关断还是饱和接通无关)。以下为本发明所涵盖且归属于本发明的范围内：还可使用模拟低通滤波器(例如，电阻器-电容器滤波器)来对PWM输出/D(LDR)求平均，接着(例如)借助模/数转换器(ADC)及数字存储器对其进行测量并加以存储。将接通时间作为PWM输出D(HDR)与/D(LDR)两者的百分比将进一步实现操作效率简档、最优“静时间”等等。因此，可使用数字技术来以简单且具成本效益的方式增强模拟控制系统。用于确定相对效率的全数字环路控制将需要较大数字电路大小及汲取电力，较慢暂态响应及较高静态电流。
参考图4，其描绘根据本发明的特定实例性实施例的图2中所示的控制电路的更详细示意框图。控制电路208连接到图3中所示的电力电路206，且其包括具有存储器的数字处理器462(例如，微控制器)、通过功能块464表示的具有静带逻辑的高及低开关驱动器、偏压产生器、电流与电压参考电路466、欠电压及过电压检测器456；PWM产生器458、过流检测器454、电压比较电路452、功率电感器电流测量电路450、PWM输出控制平均电路468、模/数转换器(ADC)470以及(任选地)通信接口460。
功能块464的高及低开关驱动器耦合到高开关316及低开关318且控制高开关316及低开关318何时接通及关断。另外，功能块464的静带逻辑防止高开关316及低开关318始终同时接通，优选地，存在高开关316及低开关318两者均关断的静带。PWM产生器458控制功率电感器312何时耦合到电源320及从电源320充电多久。
启动电压电容器314向偏压产生器、电流与电压参考电路466供应电力，所述电路又供应电流与电压电路452、454及456所使用的精确电流及电压参考值。电压比较电路452测量输出电压且将其与来自电压参考电路466的参考电压VREF进行比较。将来自电压比较电路452的表示所要电压值与实际输出电压值之间的差的误差信号施加到PWM产生器458的误差输入，其中PWM产生器458调整其脉冲波形输出以使所述差最小化(闭合环路反馈，参见图1)。过电流检测器454监视到功率电感器312的电流，且欠电压及过电压检测器456针对非所要(例如，异常)条件监视到SMPS的输入电压，例如，电感器电流超过可允许的设计限制，输入电压高于或低于设计操作输入电压范围。功率电感器电流测量电路450测量SMPS功率电感器电流。以下为本发明所涵盖且归属于本发明的范围内：可使用用于测量通过功率电感器312的电流的任一方法及/或电路，且SMPS系统的设计领域且受益于本发明者将理解如何实施此电流测量电路。斯科特·迪尔伯恩在2010年12月3日提出申请的共同拥有的第12/959,837号美国专利申请案中更充分描述各种电感器电流测量电路，且出于所有目的以引用的方式并入本文中。
平均值滤波器468不断地将PWM控制信号的平均值供应到ADC470的输入。ADC470将PWM控制信号的平均值转换成由数字处理器462的存储器周期性取样且存储于其中的数字值。从这些所存储的平均值，例如，借助在具有存储器的数字处理器462中运行的优化程序，针对用以在负载的任一输入电压下运行SMPS系统的操作参数的最有效组合，可作出确定，例如，控制信号HDR及/或LDR的频率接通及关断时间，包含HDR与LDR控制信号之间的静时间。
虽然已参考本发明的实例性实施例来描绘、描述及界定本发明的实施例，但此些参考并不暗示对本发明的限制，且不应推断出存在此限制。所揭示的标的物能够在形式及功能上具有大量修改、替代及等效物，如相关领域的并受益于本发明的技术人员将联想到。所描绘及所描述的本发明的实施例仅作为实例，而并非穷尽本发明的范围。

Claims (40)

1.一种开关模式电力供应器SMPS，其包括：
至少一个功率开关，其耦合到电压源；
功率电感器，其耦合到所述至少一个功率开关；
滤波器电容器，其耦合到所述功率电感器的负载侧，提供所述SMPS的经调节电压输出；
至少一个驱动器，其耦合到所述至少一个功率开关；
脉宽调制PWM产生器，其具有耦合到所述至少一个驱动器且控制所述至少一个驱动器的至少一个输出，所述PWM产生器的所述至少一个输出提供包括多个脉冲的至少一个PWM信号；
数字处理器，其具有存储器，所述数字处理器耦合到所述PWM产生器且在所述PWM产生器的操作期间向所述PWM产生器提供操作参数；
电压比较电路，其用于将所述经调节输出电压与参考电压进行比较，其中所述电压比较电路具有表示所述经调节输出电压与所述参考电压之间的差的误差信号输出；
比较器，其具有耦合到来自所述电压比较电路的所述误差信号输出的第一输入、耦合到斜坡信号的第二输入以及耦合到所述PWM产生器的输入的输出；
PWM平均值滤波器，其中所述PWM平均值滤波器接收所述PWM信号且产生表示所述PWM信号的相对效率的模拟信号；以及
模/数转换器ADC，其具有耦合到表示所述PWM信号的所述相对效率的所述模拟信号的模拟输入，以及耦合到具有存储器的所述数字处理器的数字输出；
其中所述数字处理器通过调整所述PWM产生器的操作参数以提供产生所述SMPS的最高相对效率的所述至少一个PWM信号而优化所述SMPS的操作。
2.根据权利要求1所述的SMPS，其中所述最高相对效率是在表示所述相对效率的所述模拟信号处于最低值时。
3.根据权利要求1所述的SMPS，其中所述斜坡信号表示所述功率电感器的电流值。
4.根据权利要求1所述的SMPS，其中所述斜坡信号表示所产生的电压斜坡。
5.根据权利要求1所述的SMPS，其中所述数字处理器将来自所述ADC的所述数字输出的数字效率值存储于所述存储器中。
6.根据权利要求5所述的SMPS，其中所述数字处理器使用所述所存储的数字效率值来调整所述PWM产生器的所述操作参数以提供产生所述SMPS的最优相对效率的所述PWM信号。
7.根据权利要求1所述的SMPS，其中所述PWM产生器的所述操作参数选自由以下各项组成的群组中的任何一者或一者以上：所述至少一个功率开关的接通及关断百分比、从所述至少一个驱动器到所述至少一个功率开关的驱动电流，以及每秒的PWM脉冲速率(频率)。
8.根据权利要求1所述的SMPS，其中所述至少一个功率开关为至少一个功率晶体管。
9.根据权利要求8所述的SMPS，其中所述至少一个功率晶体管为至少一个功率金属氧化物半导体MOS场效应晶体管FET。
10.根据权利要求1所述的SMPS，其中所述PWM平均值滤波器耦合到所述至少一个驱动器以用于接收所述PWM信号。
11.根据权利要求1所述的SMPS，其中所述PWM平均值滤波器为模拟低通滤波器。
12.根据权利要求11所述的SMPS，其中所述模拟低通滤波器为电阻器-电容器低通滤波器。
13.根据权利要求1所述的SMPS，其进一步包括耦合到所述数字处理器的通信接口。
14.根据权利要求1所述的SMPS，其中所述数字处理器及所述存储器为微控制器。
15.一种开关模式电力供应器SMPS，其包括：
第一功率开关，其耦合到电压源；
第二功率开关，其耦合于所述第一功率开关与电压源回线之间；
功率电感器，其耦合到所述第一功率开关及所述第二功率开关；
滤波器电容器，其耦合到所述功率电感器的负载侧，提供所述SMPS的经调节电压输出；
第一驱动器，其耦合到所述第一功率开关；
第二驱动器，其耦合到所述第二功率开关；
脉宽调制PWM产生器，其具有分别耦合到所述第一驱动器及所述第二驱动器且控制所述第一驱动器及所述第二驱动器的第一输出及第二输出，所述PWM产生器的所述第一输出及所述第二输出提供第一PWM信号及第二PWM信号，每一PWM信号包括多个脉冲；
数字处理器，其具有存储器，所述数字处理器耦合到所述PWM产生器且在所述PWM产生器的操作期间向所述PWM产生器提供操作参数；
电压比较电路，其用于将所述经调节输出电压与参考电压进行比较，其中所述电压比较电路具有表示所述经调节输出电压与所述参考电压之间的差的误差信号输出；
比较器，其具有耦合到来自所述电压比较电路的所述误差信号输出的第一输入、耦合到斜坡信号的第二输入，以及耦合到所述PWM产生器的输入的输出；
第一PWM平均值滤波器，所述第一PWM平均值滤波器接收所述第一PWM信号且产生表示所述第一PWM信号的相对效率的第一模拟信号；以及
模/数转换器ADC，其具有耦合到表示所述第一PWM信号的所述相对效率的所述第一模拟信号的模拟输入，以及耦合到具有存储器的所述数字处理器的数字输出；
其中所述数字处理器通过调整所述PWM产生器的操作参数以提供产生所述SMPS的最高相对效率的所述第一PWM信号及所述第二PWM信号而优化所述SMPS的操作。
16.根据权利要求15所述的SMPS，其中所述最高相对效率是在表示所述相对效率的所述模拟信号处于最低值时。
17.根据权利要求15所述的SMPS，其中所述斜坡信号表示所述功率电感器的电流值。
18.根据权利要求15所述的SMPS，其中所述斜坡信号表示所产生的电压斜坡。
19.根据权利要求15所述的SMPS，其中所述数字处理器将来自所述ADC的所述数字输出的数字效率值存储于所述存储器中。
20.根据权利要求19所述的SMPS，其中所述数字处理器使用所述所存储的数字效率值来调整所述PWM产生器的所述操作参数以提供产生所述SMPS的最优相对效率的所述PWM信号。
21.根据权利要求15所述的SMPS，其中所述PWM产生器的所述操作参数选自由以下各项组成的群组中的任何一者或一者以上：所述第一功率开关的接通及关断百分比、所述第二功率开关的接通及关断百分比、从所述第一驱动器到所述第一功率开关的驱动电流、从所述第二驱动器到所述第二功率开关的驱动电流、所述第一PWM信号及所述第二PWM信号的接通时间之间的关断时间，以及每秒的PWM脉冲速率(频率)。
22.根据权利要求15所述的SMPS，其进一步包括第二PWM平均值滤波器，所述第二PWM平均值滤波器接收所述第二PWM信号且产生表示所述第二PWM信号的相对效率的第二模拟信号，其中所述第二模拟信号耦合到所述ADC的另一模拟输入。
23.根据权利要求15所述的SMPS，其中所述第一功率开关及所述第二功率开关为功率晶体管。
24.根据权利要求23所述的SMPS，其中所述功率晶体管为功率金属氧化物半导体MOS场效应晶体管FET。
25.根据权利要求15所述的SMPS，其中所述第二PWM平均值滤波器耦合到所述第二驱动器以用于接收所述第二PWM信号。
26.根据权利要求22所述的SMPS，其中所述第一PWM平均值滤波器耦合到所述第一驱动器以用于接收所述第一PWM信号。
27.根据权利要求15所述的SMPS，其中所述第一PWM平均值滤波器为模拟低通滤波器。
28.根据权利要求27所述的SMPS，其中所述模拟低通滤波器为电阻器-电容器低通滤波器。
29.根据权利要求15所述的SMPS，其进一步包括耦合到所述数字处理器的通信接口。
30.根据权利要求15所述的SMPS，其中所述数字处理器及所述存储器为微控制器。
31.一种用于优化开关模式电力供应器SMPS的效率的方法，所述方法包括以下步骤：
借助PWM平均值滤波器确定来自PWM产生器的PWM信号的接通脉冲的平均值；
借助所述PWM信号驱动SMPS的功率开关；以及
调整所述PWM产生器的操作参数以使所述PWM信号的所述接通脉冲的所述平均值最小化且借此增加所述SMPS的效率。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述PWM产生器的所述操作参数选自由以下各项组成的群组中的任何一者或一者以上：所述PWM信号的所述脉冲的接通百分比、到功率开关的驱动电流，以及每秒的PWM脉冲速率(频率)。
33.一种用于优化开关模式电力供应器SMPS控制器的效率的方法，所述方法包括以下步骤：
借助第一PWM平均值滤波器确定来自PWM产生器的第一PWM信号的接通脉冲的平均值；
借助所述第一PWM信号驱动SMPS的第一功率开关；
借助第二PWM信号驱动所述SMPS的第二功率开关；以及
调整所述PWM产生器的操作参数以使所述第一PWM信号的所述接通脉冲的所述平均值最小化且借此增加SMPS的效率。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述PWM产生器的所述操作参数选自由以下各项组成的群组中的任何一者或一者以上：所述PWM信号的所述脉冲的接通时间百分比、到所述第一功率开关的驱动电流、到所述第二功率开关的驱动电流、所述第一功率开关及所述第二功率开关的接通时间之间的关断时间，以及每秒的PWM脉冲速率(频率)。
35.根据权利要求33所述的方法，其进一步包括以下步骤：
借助第二PWM平均值滤波器确定来自所述PWM产生器的所述第二PWM信号的接通脉冲的平均值；以及
调整所述PWM产生器的操作参数以使所述第二PWM信号的所述接通脉冲的所述平均值最小化且借此增加所述SMPS的效率。
36.一种用于优化开关模式电力供应器SMPS的操作的方法，所述方法包括以下步骤：
提供耦合到电压源的至少一个功率开关；
提供耦合到所述至少一个功率开关的功率电感器；
提供耦合到所述功率电感器的负载侧的滤波器电容器，所述滤波器电容器提供来自所述SMPS的经调节电压；以及
提供SMPS控制器，其中操作所述SMPS控制器包括以下步骤：
借助相关联的至少一个驱动器驱动所述至少一个功率开关，
借助来自脉宽调制PWM产生器的PWM信号控制所述至少一个驱动器，
借助电压比较电路将来自所述SMPS的所述经调节电压与参考电压进行比较，
借助所述电压比较电路产生表示所述经调节电压与所述参考电压之间的差的电压误差信号，
将所述电压误差信号耦合到所述PWM产生器，
借助PWM平均值滤波器确定所述PWM信号的接通脉冲的平均值；以及
调整所述PWM产生器的操作参数以使所述PWM信号的所述接通脉冲的所述平均值最小化且借此增加所述SMPS的效率。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述PWM产生器的所述操作参数选自由以下各项组成的群组中的任何一者或一者以上：所述PWM信号的所述脉冲的接通百分比、到所述至少一个功率开关的驱动电流，以及每秒的PWM脉冲速率(频率)。
38.一种用于优化开关模式电力供应器SMPS的操作的方法，所述方法包括以下步骤：
提供耦合到电压源的第一功率开关；
提供耦合于所述第一功率开关与电压源回线之间的第二功率开关；
提供耦合到所述第一功率开关及所述第二功率开关的功率电感器；
提供耦合到所述功率电感器的负载侧的滤波器电容器，所述滤波器电容器提供来自所述SMPS的经调节电压；以及
提供SMPS控制器，其中操作所述SMPS控制器包括以下步骤：
借助第一驱动器驱动所述第一功率开关，
借助第二驱动器驱动所述第二功率开关，
分别借助来自脉宽调制PWM产生器的第一PWM信号及第二PWM信号控制所述第一驱动器及所述第二驱动器，
借助电压比较电路将来自所述SMPS的所述经调节电压与参考电压进行比较，
借助所述电压比较电路产生表示所述经调节电压与所述参考电压之间的差的电压误差信号，
将所述电压误差信号耦合到所述PWM产生器，
借助第一PWM平均值滤波器确定所述第一PWM信号的接通脉冲的平均值；以及
调整所述PWM产生器的操作参数以使所述第一PWM信号的所述接通脉冲的所述平均值最小化且借此增加所述SMPS的效率。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述PWM产生器的所述操作参数选自由以下各项组成的群组中的任何一者或一者以上：所述第一PWM信号及所述第二PWM信号的所述脉冲的接通时间百分比、到所述第一功率开关及所述第二功率开关的驱动电流、所述第一功率开关及所述第二功率开关的接通时间之间的关断时间，以及每秒的PWM脉冲速率(频率)。
40.根据权利要求38所述的方法，其进一步包括以下步骤：
借助第二PWM平均值滤波器确定来自所述PWM产生器的所述第二PWM信号的接通脉冲的平均值；以及
调整所述PWM产生器的操作参数以使所述第二PWM信号的所述接通脉冲的所述平均值最小化且借此增加所述SMPS的效率。
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