CN103503291B - 用于开关模式功率转换器的恒定功率/电流控制的方法和设备 - Google Patents

Abstract

在第一方面，提供了与在输出功率提供输出电压信号（v₀）和输出电流信号（i₀）的开关模式功率级（12）一起使用的控制电路（10a）。开关模式功率级（12）具有额定电压、额定电流、最大电流、输出功率和最大功率。控制电路包括电压控制回路（20a）和电流控制回路（22a），并且如果输出电流信号（i₀）大于或等于额定电流并小于最大电流，则控制电路（10a）使用电压控制回路（20a）提供电压模式控制，其中所述输出功率基本恒定。也提供众多其他方面。

Description

用于开关模式功率转换器的恒定功率/电流控制的方法和设备

技术领域

本发明一般涉及开关模式功率转换器，更具体涉及用于开关模式功率转换器的恒定功率/电流控制的方法和设备。

背景技术

开关模式功率转换器通常包括一个或更多半导体开关和储能元件例如电感器和电容器，并且通过以预定切换频率在各种电路配置之间切换储能元件来操作。在脉宽调制（“PWM”）转换器中，功率转换器的输出电压或电流可以通过改变施加到开关的一个或更多控制信号的占空比来调节。

多种模拟和数字控制方法已用来提供开关模式功率转换器例如DC-DC、AC-DC、DC-AC和AC-AC转换器的线路和负载调节。例如，用于开关模式功率转换器的先前已知的控制技术包括恒定功率和电流控制。

为提供恒定功率和电流控制，需要两个控制回路：电压控制回路和电流控制回路。在有时称为“电压/电流模式切换控制器”的先前已知的恒定功率和电流控制系统中，电压控制回路在操作的恒定电压区中提供电压模式控制，电流控制回路在操作的恒定功率和恒定电流区中提供电流模式控制，并且控制电路对电压控制回路输出和电流控制回路输出“取或（OR）”，并使用两个输出中的较小者生成PWM信号。

例如，图1图示用于电压/电流模式切换控制器的先前已知的恒定功率和电流控制系统的操作，该控制器具有额定输出电压v_nom、额定输出电流i_nom、指定最大输出电流i_max和指定最大输出功率P_max。在该控制系统中，对于小于i_nom的输出电流i_O，使用电压模式控制。特别地，电压控制回路将转换器输出电压v_O与基准电压比较，误差信号被提供给补偿器，并且补偿器的输出用来设定转换器的开关占空比，因此输出电压v_O等于希望值（例如v_nom）。

对于大于或等于i_nom的输出电流i_O值，控制从电压模式控制切换到电流模式控制。特别地，对于大于或等于i_nom但小于i_max的输出电流i_O值，电流控制回路将转换器输出电流i_O与基准电流比较，误差信号被提供给补偿器，并且补偿器的输出用来设定转换器的开关占空比。电流回路的基准电流被设定为（P_max/v_O），因此转换器输出功率P_O=（v_O*i_O）是恒定的。对于较高负载，电流控制回路将输出电流钳位在恒定值i_max。

这种先前已知的恒定功率和电流控制系统的一个缺点是回路饱和与输出电压过冲。特别地，随着负载增加，由电压控制回路指定的占空比增加，因此转换器能够将输出电压维持在v_O=v_nom，同时供应需要的输出电流i_O。在这样的情况下，对于大于i_nom的输出电流i_O，当控制从电压模式控制切换到电流模式控制时，电压控制回路会饱和（例如指定占空比将为最大）。为避免这样的回路饱和，一些先前已知控制系统包括反饱和技术，例如将积分器钳位。

然而无论是否使用反饱和技术，如果负载突然减少，则控制从电流模式控制切换回电压模式控制。结果，如果电压控制回路饱和（或如果反饱和技术将电压基准设定到对应于v_nom的固定值），则输出电压v_O可以超过v_nom。根据负载条件，输出电压过冲可以不可接受地巨大，并且会损坏灵敏电子电路。尽管没有在图1中示出，但先前已知的平均电流控制技术具有相似的输出电压过冲问题。

因此，希望用于开关模式功率转换器的恒定功率和电流控制的改进方法和设备。

发明内容

在本发明的第一方面中，提供与在输出功率提供输出电压信号和输出电流信号的开关模式功率级一起使用的控制电路。开关模式功率级具有额定电压、额定电流、最大电流、输出功率和最大功率。控制电路包括电压控制回路和电流控制回路，并且如果输出电流信号大于或等于额定电流并小于最大电流，则控制电路使用电压控制回路提供电压模式控制，其中输出功率基本恒定。

在本发明的第二方面中，提供与在输出功率提供输出电压信号和输出电流信号的开关模式功率级一起使用的控制电路。开关模式功率级具有额定电压、额定电流、最大电流、输出功率和最大功率。控制电路包括电压控制回路和电流控制回路，并且如果输出电流信号大于或等于额定电流并小于最大电流，则控制电路使用电流控制回路提供平均电流模式控制，其中输出功率基本恒定。

在本发明的第三方面中，提供用于控制在输出功率提供输出电压信号和输出电流信号的开关模式功率级的方法。开关模式功率级具有额定电压、额定电流、最大电流、输出功率和最大功率。该方法包括如果输出电流信号大于或等于额定电流并小于最大电流，则使用电压模式控制提供基本恒定的输出功率。

本发明的其他特征和方面从以下详细描述、附加权利要求和附图变得完全明显。

附图说明

图1是示出先前已知的功率转换器的控制模式的图示；

图2是根据本发明的包括示例控制器的功率转换器的框图；

图3是图1的功率转换器的示例实施例的框图；

图4是图3的功率转换器的更详细框图；

图5是示出图3和4的功率转换器的示例控制模式和操作区的图示；

图6是图1的功率转换器的替换示例实施例的框图；

图7是图6的功率转换器的更详细框图；以及

图8是示出图6和7的功率转换器的示例控制模式和操作区的图示。

具体实施方式

根据本发明的示例方法和设备为开关模式功率转换器的电压/电流模式切换控制和平均电流控制提供了恒定功率/电流控制。

在一个示例电压/电流模式切换控制实施例中，电压模式控制用来提供基本恒定的输出功率。另外，在输出电压值低于额定电压时从电压模式到电流模式的回路切换发生。将回路切换点和电压基准值移动到该较低输出电压可以基本减小在控制从电流模式切换回到电压模式时发生的任何输出电压过冲。

在一个示例平均电流模式切换控制实施例中，平均电流模式控制用来提供基本恒定的输出功率。另外，从恒定功率模式到恒定电流模式的操作模式切换在输出电压值低于额定电压时发生。将模式切换点和电压基准值移动到该较低输出电压可以基本减小在控制从恒定电流模式切换回到恒定功率模式时发生的任何输出电压过冲。

另外，在这两个示例实施例中，如果输出负载降低并且控制从恒定电流模式控制切换到恒定电压模式控制，则用于电压控制回路的基准信号从较低输出电压值逐渐增加到额定电压。斜坡时间（ramp time）可以被控制从而进一步减小输出电压过冲。

参考图2，描述了根据本发明的包括示例控制电路的功率转换器10的框图。特别地，功率转换器10包括开关模式功率级12和控制器14。如在下面更详细描述，控制器14包括电压控制回路、电流控制回路和根据本发明用来提供恒定功率/电流控制的控制电路（例如硬件和/或软件）。根据本发明示例技术可以与控制器14一起使用，控制器14实施各种不同控制技术，例如电压/电流模式切换控制和平均电流控制。

开关模式功率级12具有耦合到输入信号IN的第一输入节点和耦合到控制信号d（t）的第二输入节点，并在第一输出节点提供第一输出信号v_O和在第二输出节点提供第二输出信号i_O。

开关模式功率级12可以是将输入信号IN转换成第一输出信号v_O的DC-DC、AC-DC、DC-AC或AC-AC功率级。例如开关模式功率级12可以是将DC输入电压IN转换成DC输出电压v_O，并向负载（未在图1中示出）供应输出电流i_O的DC-DC开关模式功率级。本领域技术人员将理解输入信号IN可替换地可以是DC电流或AC电压或电流，并且输出信号v_O可替换地可以是DC电流或AC电压或电流。

如在本领域中已知的，开关模式功率级12可以是可以包括一个或更多电感器、电容器、二极管和开关（未在图2中示出）的降压转换器、升压转换器、降-升压转换器或其他相似转换器。如在下面更详细描述，开关由控制信号d（t）控制，其是具有可被控制以调节第一输出信号v_O和/或第二输出信号i_O的占空比的脉宽调制波形。

控制器14可以是模拟控制器、数字控制器或混合模/数控制器，并可以包括硬件、软件或硬件和软件的组合。在一些示例实施例中，控制器14可以是微处理器或其他类似的数字控制器。例如，控制器14可以是由德克萨斯州Dallas的德州仪器公司生产的UCD3040微处理器。控制器14可以是单个控制器或可以包括多个控制器。

控制器14具有第一和第二输入节点，该第一和第二输入节点经经耦合以以分别接收在开关模式功率级12的第一和第二输出节点上的第一输出信号v_O和第二输出信号i_O。控制器14在耦合到开关模式功率级12的第二输入节点的输出节点提供控制信号d（t）。

在本发明的示例实施例中，第一输出信号v_O和第二输出信号i_O分别表示开关模式功率级12的输出电压和输出电流。本领域技术人员应理解第一输出信号v_O可替换地可以表示开关模式功率级12的一些其他电压，并且第二输出信号i_O可替换地可以表示开关模式功率级12的一些其他电流。为简便，在剩余的讨论中将第一输出信号v_O称为输出电压信号v_O，并将第二输出信号i_O称为输出电流信号i_O。

开关模式功率级12通常设计为符合某些指定操作参数，例如额定输出电压v_nom、额定输出电流i_nom、最大输出电流i_max和最大输出功率P_max。本领域技术人员应理解开关模式功率级12可以被设计为符合其他的和/或另外的指定操作参数。

控制信号d（t）可以包括一个信号或可以包括多于一个信号（例如，如在PSPWM全桥转换器中使用的四个信号），以便控制开关模式功率级12中的一个或更多开关。为简便，在剩余的讨论中控制信号d（t）描述为包括一个信号。本领域技术人员应很容易理解根据本发明的示例技术可以被修改以生成包括多于一个信号的控制信号d（t）。

如在下面更详细描述，控制器14包括电压控制回路、电流控制回路和控制电路（例如硬件和/或软件），该控制电路向电压控制回路和电流控制回路提供基准信号从而根据本发明提供恒定功率/电流控制。

根据本发明的方法和设备可以用来在控制器14中提供恒定功率/电流控制，该控制器14使用多种不同控制技术，例如电压/电流模式切换控制和平均电流控制。每个的示例将依次被描述。

电压/电流模式切换控制器中的恒定功率/电流控制

现在参考图3，描述了示例功率转换器10a的框图，其使用电压/电流模式切换控制，并且根据本发明实施恒定功率/电流控制。特别地，控制器14a包括基准发生器16a、基准斜坡控制电路18a、电压控制回路20a、电流控制回路22a和占空比选择器电路24。这些中的每个将依次被描述。

基准发生器电路16a包括经耦合以接收在开关模式功率级12的第二输出节点上的输出电流信号i_O的输入节点，并在第一输出节点提供电流基准信号I_ref，和在第二输出节点提供第一电压基准信号V_ref。基准发生器电路16a可以以硬件和/或软件实施，并且将在下面更详细地描述。

基准斜坡控制电路18a包括经耦合以以接收在基准发生器电路16a的第二输出节点上的第一电压基准信号V_ref的输入节点，并在输出节点提供第二电压基准信号V_ref′。基准斜坡控制电路18a可以以硬件和/或软件实施，并且在将下面更详细地描述。

电压控制回路20a包括经耦合以接收在开关模式功率级12的第一输出节点上的输出电压信号v_O的第一输入节点，以及经耦合以接收在基准斜坡控制电路20a的输出节点上的第二电压基准信号V_ref′的第二输入节点，并在输出节点提供第一控制信号d_v（t）。在本发明的示例实施例中，第一控制信号d_v（t）可以是第一占空比信号。为简便，第一控制信号d_v（t）在此称为电压占空比信号d_v（t）。电压控制回路20a可以以硬件和/或软件实施，并且在将下面更详细地描述。

电流控制回路22a包括经耦合以接收在开关模式功率级12的第二输出节点上的输出电流信号i_O的第一输入节点，以及经耦合以接收在基准发生器电路16a的第一输出节点上的电流基准信号I_ref的第二输入节点，并在输出节点提供第二控制信号d_i（t）。在本发明的示例实施例中，第二控制信号d_i（t）可以是第二占空比信号。为简便，第二控制信号d_i（t）在此称为电流占空比信号d_i（t）。电流控制回路22a可以以硬件和/或软件实施，并且在将下面更详细地描述。

占空比选择器电路24包括经耦合以接受在电压控制回路20a的输出节点上的电压占空比信号d_v（t）的第一输入节点，以及经耦合接收在电流控制回路22a的输出节点上的电流占空比信号d_i（t）的第二输入节点，并在耦合到开关模式功率级12的第二输入节点的输出节点提供控制信号d（t）。占空比选择器电路24可以以硬件和/或软件实施，并且在将下面更详细地描述。

如在下面更详细描述，电压控制回路20a基于输出电压信号v_O和第二电压基准信号V_ref′之间的差生成电压占空比信号d_v（t），电流控制回路22a基于输出电流信号i_O和电流基准信号I_ref之间的差生成电流占空比信号d_i（t），并且占空比选择器电路24基于电压占空比信号d_v（t）和电流占空比信号d_i（t）生成控制信号d（t）。

另外，如在下面更详细描述，基准发生器16a生成第一电压基准信号V_ref和电流基准信号I_ref，从而控制开关模式功率级12的电压模式控制和电流模式控制之间的切换。

进一步地，如在下面更详细描述，基准斜坡控制电路18a基于第一电压基准信号V_ref生成第二电压基准信号V_ref′。特别地，除了当控制器14a从电流模式控制切换到电压模式控制时（例如当开关模式功率级12上的负载突然释放时），V_ref′=V_ref。在该实例中，第二电压基准信号V_ref′从第一电压基准信号V_ref逐渐增加到额定输出电压v_nom。在这点上，电压基准可控斜坡用来减小v_O过冲。如在下面更详细描述，斜坡时间可以被控制以基本减小v_O过冲。

现在参考图4，描述了功率转换器10a的更详细示例实施例。在该示例中，输入信号IN是输入电压信号V_in。本领域技术人员应理解输入信号IN可替换地可以是输入电流信号。为简便，剩余的讨论中将输入信号IN称为输入电压信号V_in。

开关模式功率级12包括切换级26、负载28和电流感测装置30。切换级26可以是任何常规切换网络，并且可以包括由具有时钟频率f_s的控制信号d（t）控制的一个或更多开关（未示出）。时钟频率f_s可以在约50KHz到约5MHz之间，而其他时钟频率可以使用。为简便，负载28示作电阻器，但可以是任何类型负载。

电流感测装置30可以是电阻器、霍尔效应传感器、电感器DC电阻或用于检测负载28中的输出电流信号i_O的其他类似装置。电流感测装置30可以与负载28串联，如在图4中示出，或可以通过测量切换级26中的一些其他电路元件的参数来实施。在这点上，电流感测装置可以直接检测输出电流信号i_O，或可以基于开关模式功率级12中的和输出电流信号i_O成比例的一些其他电流间接检测输出电流信号i_O。

电压控制回路20a包括误差模数转换器（“EADC”）32和滤波器34a。EADC32具有经耦合以接收在开关模式功率级12的第一输出节点上的电压信号v_O的第一输入节点，经耦合以接收在基准斜坡控制电路18a的输出节点上的第二电压基准信号V_ref′的第二输入节点，并在输出节点提供电压误差信号ΔV。

第二电压基准信号V_ref′等于开关模式功率级12的期望输出电压。可替换地，第二电压基准信号V_ref′可以等于开关模式功率级12的期望输出电压的一小部分。

EADC32将输出电压信号v_O和第二电压基准信号V_ref′之间的差采样，并以采样率f_ad1将该差转换成数字电压误差信号ΔV（例如ΔV=v_O-V_ref′）。采样率f_ad1通常是回路带宽的约20倍，而其他采样频率可以使用。本领域技术人员应理解其他技术可以用来生成电压误差信号ΔV。例如EADC32可以用模拟差分电路和常规A/D转换器替换。

滤波器34a具有经耦合以接收在EADC32的输出节点上的电压误差信号ΔV的输入节点，并在输出节点提供电压占空比信号d_v（t）。滤波器34a调节输出电压信号v_O，因此使得输出电压信号v_O和第二基准电压信号V_ref′之间的任何差变小（理想地ΔV=0）。执行调节从而在干扰例如载荷步、输入电压变化、分量变化、温度效应和其他相似干扰存在的情况下减小该差。

例如，滤波器34a可以具有1000的增益、在1KHz的第一零点、在1KHz的第二零点和在10KHz的极点，而其他参数可以使用。滤波器34a实质上是补偿器。在一些示例实施例中，滤波器34a可以实施为PID结构。本领域技术人员应理解其他滤波器类型和参数可以使用。本领域技术人员也应理解滤波器34a有时称为“补偿器”或“控制律加速器”（例如用于数字实施方式）。

电流控制回路22a包括EADC36和滤波器38a。EADC36具有经耦合以接收在开关模式功率级12的第二输出节点上的输出电流信号i_O的第一输入节点，以及经耦合以接收在基准发生器电路16a的第一输出节点上的电流基准信号I_ref的第二输入节点，并在输出节点提供电流误差信号ΔI。

电流基准信号I_ref等于开关模式功率级12的期望输出电流。可替换地，电流基准信号I_ref可以等于开关模式功率级12的期望输出电流的一小部分。

EADC36将输出电流信号i_O和电流基准信号I_ref之间的差采样，并以采样率f_ad2将该差转换成数字电流误差信号ΔI（例如ΔI=i_O-I_ref）。采样率f_ad2通常是回路带宽的约20倍，而其他采样频率可以使用。本领域技术人员应理解其他技术可以用来生成电流误差信号ΔI。例如EADC36可以用模拟差分电路和常规A/D转换器替换。

滤波器38a具有经耦合以接收在EADC36的输出节点上的电流误差信号ΔI的输入节点，并在输出节点提供电流占空比信号d_i（t）。滤波器38a调节输出电流信号i_O，因此使得在输出电流信号i_O和基准电流信号I_ref之间的任何差微小（理想地ΔI=0）。执行调节从而在干扰例如载荷步、输入电压变化、成分变化、温度效应和其他相似干扰存在的情况下减小该差。

例如，滤波器38a可以具有1000的增益、在1KHz的第一零点、在1KHz的第二零点和在10KHz的极点，而其他参数可以使用。在一些示例实施例中，滤波器38a可以实施为PID结构。本领域技术人员应理解其他滤波器类型和参数可以使用。本领域技术人员也应理解滤波器38a有时被称为“补偿器”或“控制律加速器”（例如用于数字实施方式）。

占空比选择器24提供等于电压占空比信号d_v（t）和电流占空比信号d_i（t）中较小者的控制信号d（t）。占空比选择器24可以以硬件和/或软件实施。

如先前提到，基准发生器电路16a包括经耦合以接收在开关模式功率级12的第二输出节点上的输出电流信号i_O的输入节点，并在第一输出节点提供电流基准信号I_ref，以及在第二输出节点提供第一电压基准信号V_ref。另外，如先前提到，基准斜坡控制电路18a包括经耦合以接收在基准发生器电路16a的第二输出节点上的第一电压基准信号V_ref的输入节点，并在输出节点提供第二电压基准信号V_ref′。

如先前提到，开关模式功率级12通常被设计为符合某些指定操作参数，例如额定输出电压v_nom、额定输出电流i_nom、最大输出电流i_max和最大输出功率P_max。根据本发明，基准发生器电路16a接收指定操作参数v_nom、i_nom、i_max和P_max，并基于输出电流信号i_o的值生成第一电压基准信号V_ref和电流基准信号I_ref，从而提供以下三个操作模式：（1）具有基本恒定输出电压的电压模式控制；（2）具有基本恒定输出功率的电压模式控制；以及（3）具有最大电流限制的电流模式控制。

特别地，图5图示根据本发明的示例控制模式操作图和基准发生器逻辑图。对于输出电流信号i_O<i_nom，基准发生器电路16a提供具有值v_nom的第一电压基准信号V_ref，以及具有值i_max的电流基准信号I_ref。在该操作区中，开关模式功率级12以电压模式操作，并提供具有基本恒定的v_nom值的输出电压信号v_O。

对于输出电流信号i_nom≤i_O<i_max，基准发生器电路16a提供具有基于恒定功率限制（P_max/i_O）计算的成比例值的第一电压基准信号V_ref，以及具有值i_max的电流基准信号I_ref。在该操作区中，开关模式功率级12以电压模式操作，并提供具有基本恒定的P_max值的输出功率（P_O=v_O*i_O）。

对于基本等于i_max的输出电流信号i_O，基准发生器电路16a提供具有成比例值v_C（v_C=P_max/i_max）的第一电压基准信号V_ref，以及具有值i_max的电流基准信号I_ref。为简便，v_C在此称为“切换电压v_C”。在该操作区中，开关模式功率级12以电流模式操作，并提供将电流基本上限制在i_max的输出电流信号i_O。

因此对于输出电流信号i_O<i_max，控制器14a以电压模式操作开关模式功率级12，并且切换到电流模式以使输出电流信号i_O基本等于i_max。因此回路切换在输出电压值v_O基本等于切换电压v_C时发生，该切换电压v_C低于额定电压v_nom。通过将回路切换点移动到该较低输出电压，当控制从电流模式切换回到电压模式时（例如当开关模式功率级12上的负载28突然释放时）发生的任何电压过冲可以有效变为“不可检测”。即，尽管电压过冲仍会发生，但输出电压v_O不超过v_nom一可感知的量。

这与针对输出电流信号i_O≥i_nom从电压模式切换到电流模式的先前已知的控制技术相反。在这样的先前已知电路中，回路切换在输出电压值v_O=v_nom时发生。结果，当控制从电流模式切换回到电压模式时发生的任何电压过冲超过v_nom，并且可以是不可接受的巨大。

根据本发明，反饱和技术可以用于电压控制回路20a。特别地，反饱和可以通过当控制切换到恒定电流模式时在滤波器34a中停止积分来实现。反饱和是希望的以使当输出电压v_O开始超过其设定值时，电压回路20a可以迅速离开深饱和。积分器去饱和（unwinding）依靠由过冲导致的负误差。

为避免过冲，负误差应在回路切换之后并在v_O恢复期间引入。为此，第二电压基准V_ref′能够相应降低。例如，第一电压基准信号V_ref（并因此第二电压基准信号V_ref′）能够设定到切换电压v_C。当输出负载降低并且控制从电流模式控制切换到电压模式控制时，基准斜坡控制电路18a将第二电压基准信号V_ref′从切换电压v_C逐渐增加到v_nom。斜坡时间间隔能够被控制从而过冲能够被减小或基本被消除。例如，斜坡时间间隔可以在约1毫秒（“ms”）到约100ms之间，而其他斜坡时间间隔可以使用。

平均电流模式切换控制器中的恒定功率/电流控制

现在参考图6，描述了示例功率转换器10b的框图，其使用平均电流模式控制，并且根据本发明实施恒定功率/电流控制。特别地，控制器14b包括基准发生器16b、基准斜坡控制电路18b、电压控制回路20b和电流控制回路22b。这些中的每个将依次描述。

基准发生器电路16b包括经耦合以接收在开关模式功率级12的第一输出节点上的输出电压信号v_O的第一输入节点，并接收在电压控制回路20b的输出节点上提供的第一电流基准信号I_r0，并在第一输出节点提供电流基准信号I_ref，以及在第二输出节点提供电压基准信号V_ref。基准发生器电路16b可以以硬件和/或软件实施，并且将在下面更详细地描述。

基准斜坡控制电路18b包括经耦合以接收在基准发生器电路16b的第二输出节点上的第一电压基准信号V_ref的输入节点，并在输出节点提供第二电压基准信号V_ref′。基准斜坡控制电路18b可以以硬件和/或软件实施，并且将在下面更详细地描述。

电压控制回路20b包括经耦合以接收在开关模式功率级12的第一输出节点上的输出电压信号v_O的第一输入节点，以及经耦合以接收在基准斜坡控制电路20a的输出节点上的第二电压基准信号V_ref′的第二输入节点，并在输出节点提供第一电流基准信号I_r0。电压控制回路20b可以以硬件和/或软件实施，并且将在下面更详细地描述。

电流控制回路22b包括经耦合以接收在开关模式功率级12的第二输出节点上的输出电流信号i_O的第一输入节点，以及经耦合以接收在基准发生器电路16b的第一输出节点上的电流基准信号I_ref的第二输入节点，并在耦合到开关模式功率级12第二输入节点的输出节点提供控制信号d（t）。电流控制回路22b可以以硬件和/或软件实施，并且将在下面更详细地描述。

如在下面更详细描述，电压控制回路20b基于输出电压信号v_O和第二电压基准信号V_ref′之间的差生成电流基准信号I_r0，并且电流控制回路22b基于输出电流信号i_O和第二电流基准信号I_ref之间的差生成控制信号d（t）。

另外，如在下面更详细描述，基准发生器16b生成第一电压基准信号V_ref和电流基准信号I_ref，从而提供开关模式功率级12的平均电流模式控制。

进一步地，如在下面更详细描述，基准斜坡控制电路18b基于第一电压基准信号V_ref生成第二电压基准信号V_ref′。特别地，除了当控制器14b从恒定电流模式切换到平均电流模式时，V_ref′=V_ref。在该实例中，第二电压基准信号V_ref′从第一电压基准信号V_ref逐渐增加到额定输出电压v_nom。

现在参考图7，描述了功率转换器10b的更详细示例实施例。在该示例中，输入信号IN是输入电压信号V_in。本领域技术人员将理解输入信号IN可替换地可以是输入电流信号。为简便，剩余的讨论中将输入信号IN称为输入电压信号V_in。

电压控制回路20b包括EADC32和滤波器34b。EADC32具有经耦合以接收在开关模式功率级12的第一输出节点上的输出电压信号v_O的第一输入节点，经耦合以接收在基准斜坡控制电路18b的输出节点上的第二电压基准信号V_ref′的第二输入节点，并在输出节点提供电压误差信号ΔV。

第二电压基准信号V_ref′等于开关模式功率级12的期望输出电压。可替换地，第二电压基准信号V_ref′可以等于开关模式功率级12的期望输出电压的一小部分。

EADC32将输出电压信号v_O和第二电压基准信号V_ref′之间的差采样，并以采样率f_ad1将该差转换成数字电压误差信号ΔV（例如ΔV=v_O-V_ref′），如在上面描述。本领域技术人员应理解其他技术可以用来生成电压误差信号ΔV。例如EADC32可以用模拟差分电路和常规A/D转换器替换。

滤波器34b具有经耦合以接收在EADC32的输出节点上的电压误差信号ΔV的输入节点，并在输出节点提供第一电流基准信号I_r0。滤波器34b调节输出电压信号v_O，因此使得输出电压信号v_O和第二电压基准信号V_ref′之间的任何差微小（理想地ΔV=0）。执行调节从而在干扰例如载荷步、输入电压变化、成分变化、温度效应和其他相似干扰存在的情况下减小差。

例如，滤波器34b可以具有1000的增益、在1KHz的第一零点、在1KHz的第二零点和在10KHz的极点，而其他参数可以使用。在一些示例实施例中滤波器34b可以实施为PID结构。本领域技术人员应理解其他滤波器类型和参数可以使用。本领域技术人员也应理解滤波器34b有时称为“补偿器”或“控制律加速器”（例如用于数字实施方式）。

电流控制回路22b包括EADC36和滤波器38b。EADC36具有经耦合以接收在开关模式功率级12的第二输出节点上的输出电流信号i_O的第一输入节点，以及经耦合以接收在基准发生器电路16b的第一输出节点上的第二电流基准信号I_ref的第二输入节点，并在输出节点提供电流误差信号ΔI。

第二电流基准信号I_ref等于开关模式功率级12的期望输出电流。可替换地，第二电流基准信号I_ref可以等于开关模式功率级12的期望输出电流的一小部分。

EADC36将输出电流信号i_O和电流基准信号I_ref之间的差采样，并以采样率f_ad2将该差转换成数字电流误差信号ΔI（例如ΔI=i_O-I_ref），如在上面描述。本领域技术人员应理解其他技术可以用来生成电流误差信号ΔI。例如EADC36可以用模拟差分电路和常规A/D转换器替换。

滤波器38b具有经耦合以接收在EADC36的输出节点上的电流误差信号ΔI的输入节点，并在输出节点提供控制信号d（t）。滤波器38b调节输出电流信号i_O，因此使得在输出电流信号i_O和第二电流基准信号I_ref之间的任何差微小（理想地ΔI=0）。执行调节从而在干扰例如载荷步、输入电压变化、成分变化、温度效应和其他相似干扰存在的情况下减小差。

例如，滤波器38b可以具有1000的增益、在1KHz的第一零点、在1KHz的第二零点和在10KHz的极点，而其他参数可以使用。在一些示例实施例中滤波器38b可以实施为PID结构。本领域技术人员理解其他滤波器类型和参数可以使用。本领域技术人员也理解滤波器38b有时称为“补偿器”或“控制律加速器”（例如用于数字实施方式）。

如先前提到，基准发生器电路16b包括经耦合以接收在开关模式功率级12的第一输出节点上的输出电压信号v_O的输入节点，并在第一输出节点提供第二电流基准信号I_ref，以及在第二输出节点提供第一电压基准信号V_ref。另外，如先前提到，基准斜坡控制电路18b包括经耦合以接收在基准发生器电路16b的第二输出节点上的第一电压基准信号V_ref的输入节点，并在输出节点提供第二电压基准信号V_ref′。

根据本发明，基准发生器电路16b接收指定操作参数v_nom、i_nom、i_max和P_max，并基于第一电流基准信号i_r0（其如在下面描述是电压控制回路20b的滤波器输出）的值生成第一电压基准信号V_ref和电流基准信号I_ref，从而提供以下三个操作模式：（1）具有基本恒定输出电压的平均电流模式控制；（2）具有基本恒定输出功率的平均电流模式控制；以及（3）具有最大电流限制的电流模式控制。

特别地，图8图示根据本发明的示例控制模式操作图和基准发生器逻辑图。对于第一电流基准信号i_r0<i_nom，基准发生器电路16b提供具有值v_nom的第一电压基准信号V_ref，以及等于第一电流基准信号i_r0的第二电流基准信号I_ref。在该操作区中，开关模式功率级12以平均电流模式操作，并且开关模式功率级12提供具有基本恒定的v_nom值的输出电压信号v_O。

对于第一电流基准信号i_nom≤i_r0<i_max，基准发生器电路16b提供具有等于额定输出电压v_nom加微小差δ的值的第一电压基准信号V_ref，以及基于恒定功率限制（P_max/v_O）计算的第二电流基准信号I_ref。在该操作区中，开关模式功率级12以平均电流模式控制操作，并提供具有基本恒定的P_max值的输出功率（P_O=v_O*i_O）。

对于约等于i_max的第一电流基准信号i_r0，基准发生器电路16b提供具有等于切换电压v_C（v_C=P_max/i_max）的值的第一电压基准信号V_ref，以及具有值i_max的电流基准信号I_ref。在该操作区中，开关模式功率级12以恒定电流模式操作，并提供将电流基本上限制在i_max的输出电流信号i_O。

因此在全部操作模式中，电流控制回路22b设定控制信号d（t）的值。另外，电压回路的输出由基准发生器16b钳位，因此其实质上跟踪输出电压v_O，并提供V_ref和v_O之间的微小差δ从而在负载突然降低时防止或最小化输出电压v_O过冲。因为电路在平均电流模式控制中操作并且控制信号d（t）总是由电流控制回路22b生成，所以操作模式切换可以比图3和4的示例实施例更平稳。

然而，当负载突然释放并且用平均电流模式控制从恒定电流模式控制切换到恒定电压模式时，图6和7的平均电流模式控制实施例具有相同的输出电压v_O过冲问题。因此，如上面描述，为防止输出电压v_O过冲，采用反饱和控制以在控制切换到恒定功率模式时禁用补偿器的积分。

特别地，当输出负载降低并且控制从恒定电流模式控制切换到恒定电压模式控制时，基准斜坡控制电流18b将第二电压基准信号V_ref′从切换电压v_C逐渐增加到v_nom。斜坡时间间隔能够被控制从而过冲能够减小或基本消除。例如，斜坡时间间隔可以在约1ms到约100ms之间，而其他斜坡时间间隔可以使用。

前述仅说明本发明的原理，并且能够在不背离所要求保护的本发明范围内由本领域技术人员做出各种修改。

Claims (16)

1.一种用于在输出功率提供输出电压信号和输出电流信号的开关模式功率级的控制电路，所述开关模式功率级具有额定电压、额定电流、最大电流、输出功率和最大功率，所述控制电路包括：

电压控制回路；和

电流控制回路；

其中如果所述输出电流信号大于或等于所述额定电流并小于所述最大电流，则所述控制电路使用所述电压控制回路提供电压模式控制，其中所述输出功率为恒定的，进一步包括

向所述电压控制回路提供基准电压信号的基准斜坡控制电路，其中所述基准电压具有在斜坡时间间隔上从小于所述额定输出电压的电压逐渐增加到所述额定输出电压的值。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其中在所述输出电流信号等于所述最大电流时所述控制电路从电压模式控制切换到电流模式控制。

3.根据权利要求1所述的控制电路，其中在输出电压小于所述额定输出电压时所述控制电路导致所述开关模式功率级的操作模式从恒定电压模式切换到恒定电流模式。

4.根据权利要求2所述的控制电路，其中切换在等于所述最大功率除以所述最大电流的输出电压处发生。

5.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述斜坡时间间隔被设定以减小所述输出电压上的电压过冲。

6.根据权利要求2所述的控制电路，其中所述开关模式功率级被耦合到负载，并且其中当所述负载从所述开关模式功率级的最大电流操作释放时，所述控制电路从电流模式控制切换到电压模式控制。

7.一种用于在输出功率提供输出电压信号和输出电流信号的开关模式功率级的控制电路，所述开关模式功率级具有额定电压、额定电流、最大电流、输出功率和最大功率，所述控制电路包括：

电压控制回路；以及

电流控制回路；

其中如果所述输出电流信号大于或等于所述额定电流并小于所述最大电流，则所述控制电路仅使用所述电流控制回路提供平均电流模式控制，其中所述输出功率为恒定的，进一步包括向所述电压控制回路提供基准电压信号的基准斜坡控制电路，其中所述基准电压具有在斜坡时间间隔上从小于所述额定输出电压的电压逐渐增加到所述额定输出电压的值。

8.根据权利要求7所述的控制电路，其中所述控制电路在所述输出电流信号基本等于所述最大电流时从恒定功率模式控制切换到恒定电流模式控制。

9.根据权利要求7所述的控制电路，其中在输出电压小于所述额定输出电压时所述控制电路导致所述开关模式功率级的操作模式从恒定电压模式切换到恒定功率模式。

10.根据权利要求8所述的控制电路，其中切换在等于所述最大功率除以所述最大电流的输出电压处发生。

11.根据权利要求7所述的控制电路，其中所述斜坡时间间隔被设定以减小所述输出电压上的电压过冲。

12.根据权利要求11所述的控制电路，其中所述开关模式功率级耦合到负载，并且其中当所述负载从所述开关模式功率级释放时，所述控制电路从恒定电流模式控制切换到恒定功率模式控制或恒定电压模式控制。

13.一种用于控制在输出功率提供输出电压信号和输出电流信号的开关模式功率级的方法，所述开关模式功率级包括额定电压、额定电流、最大电流、输出功率和最大功率，所述方法包括：

如果所述输出电流信号大于或等于所述额定电流并小于所述最大电流，则仅使用电压模式控制提供恒定输出功率，进一步包括：

使用电压控制回路提供电压模式控制；以及

向所述电压控制回路提供基准电压信号，其中所述基准电压具有在斜坡时间间隔上从小于所述额定输出电压的电压逐渐增加到所述额定输出电压的值，其中所述斜坡时间间隔被设定以减小所述输出电压上的电压过冲。

14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括在所述输出电流信号等于所述最大电流时从电压模式控制切换到电流模式控制。

15.根据权利要求14所述的方法，其中从恒定电压模式到恒定功率模式的切换在输出电压小于所述额定输出电压时发生。

16.根据权利要求14所述的方法，其中从恒定功率模式到恒定电流模式的切换在输出电压等于所述最大功率除以所述最大电流时发生。