CN103973102A - 用于电源控制器的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的各实施例涉及用于电源控制器的系统和方法。根据一个实施例，电源控制器包括被配置为耦合至电源的感测节点的误差信号输入、被配置为耦合至开关控制电路的控制输出以及具有耦合至误差信号输入的输入的控制电路。控制电路被配置为如果误差信号输入在第一范围中，则提供第一可变限制信号，并根据误差信号输入调整第一可变限制信号。

Description

用于电源控制器的系统和方法

技术领域

本发明总体涉及半导体电路和方法，更具体而言，涉及用于电源控制器的系统和方法。

背景技术

电源系统普遍存在于从计算机到汽车的许多电子应用中。一般而言，电源系统内的电压是通过操作加载有电感器或变压器执行直流/直流（DC/DC）、直流/交流（DC/AC）和/或交流/直流（AC/DC）转换而产生的。诸如降压（buck）转换器之类的DC-DC转换器在使用多个电源的系统中被使用。例如，在汽车系统中，额定操作在5V电源电压的微控制器可以使用诸如降压转换器之类的开关模式电源，以从12V的汽车电池产生本地的5V电源。可以通过使用耦合至DC电源的高侧开关晶体管驱动电感操作这类电源。通过变化开关晶体管处于导通状态期间的脉冲宽度进行控制电源的输出电压。

在许多应用中，开关功率转换器为负载提供恒定的电压。在一些系统中，功率转换器被配置为当输入电压、负载电流或任何其它相关参数以保持输出电压在给定的限制范围中的方式变化时执行其操作。例如，负载或线路瞬变可能需要快速反应时间。此任务可以通过测量输出电压和适配如峰值电流、开关频率、占空比或导通时间的控制量的电压控制器加以处理；使得所测量的输出电压接近期望的输出电压。

然而，快速响应电压瞬变可能会在电源加载有大的电容性负载时造成困难。在这种情况下，线路瞬变可能只影响功率转换器中输出电压中的小的变化。因此，具有高环路增益的线性控制器或敏感的非线性控制器可以用于响应这种瞬变。然而，高环路增益和敏感的控制器可能会增加不稳定操作的风险和减慢稳定时间。

发明内容

根据一个实施例，电源控制器包括被配置为耦合至电源的感测节点的误差信号输入、被配置为耦合至开关控制电路的控制输出、以及具有输入耦合至误差信号输入的控制电路。如果误差信号输入在第一范围中，控制电路被配置为提供第一可变限制信号，并根据误差信号输入调整第一可变限制信号。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现在结合所附附图参考以下描述，其中：

图1示出了电源的等效控制图；

图2示出了一个实施例的电源控制器；

图3示出了另一实施例的电源控制器；

图4示出了又一实施例的电源控制器；

图5a-图5c示出了采用一个实施例的电源控制器的电源拓扑；

图6示出了一个实施例的方法的流程图；以及

图7a-图7c示出了一个实施例的模拟控制器。

具体实施方式

下面具体讨论当前优选实施例的制作和使用。然而，应当理解，本发明提供可以体现在各种各样的特定背景下的许多可应用的发明性概念。所讨论的特定实施例仅说明制造和使用本发明的特定方式，并非旨在限定本发明的范围。

将关于特定上下文中的实施例（即开关电源）描述本发明。然而，本发明可以应用于其它类型的电路和系统，例如，其它类型的电源、功率因子转换器（PFC）、以及总体控制和跟踪系统。

在一个实施例中，继电器式（bang-bang）控制器与线性控制器并行操作。在操作期间，线性控制器持续操作，而继电器式控制器的限制被调整为收敛至线性控制器的输出。在大的瞬变的情况下，继电器式控制器启动操作，并对瞬变快速作出反应。随着控制回路稳定，继电器式控制器的输出接近线性控制器的输出。一旦误差信号在线性调节器的输出的预定范围中，操作从继电器式控制器切换至线性控制器。因为当线性操作开始时，误差是有限的，而且因为线性控制器的状态已经被初始化，所以可以在一些实施例中实现平滑交接到线性操作。

可以使用开关网络实现实际的开关功率转换器，开关网络由诸如开关晶体管、二极管、电感、变压器，以及一些情况下的电容器之类的组件构成。然而，从系统的角度来看，开关模式电源可以被表示为图1中所示的系统100的框图。系统100具有表示电源控制器的控制器102。拓扑104表示包括开关、电感器、二极管等的电源的物理电路装置；负载106表示电源所视的负载。由模块104表示的电源拓扑可以是升压、降压-升压、回扫（flyback）、降压或任何其它拓扑。在诸如交错/多相、谐振、或桥式拓扑之类的一些拓扑中，若干电流可以在不同的时间对输出电容器C进行充电。用于说明和分析的目的，这些电流可以被表示为电流i_d。应当理解，虽然本文中的实施例的描述可以描述电源的抽象操作，但是本发明的实施例可以包括诸如上述的各种拓扑。

测量单元108表示用来测量电源的输出电压和/或输出电流的测量电路装置，并且阻抗112表示电源的空载输出阻抗。因此，测量单元108测量输出电压v_o和产生测得的电压信号v_M。测得的电压v_M与参考电压R比较，使得测得的电压v_M和参考电压R之间的差值为误差信号e。控制器基于误差信号e产生控制信号u，然后拓扑104使用控制信号u产生输出电流i_D。然后，电流i_D被输出到负载106以产生输出电压v_o。

出于说明的目的，阻抗112被表示为输出电容器C与寄生电阻器R串联。输出阻抗112作为电容器的表示与开关模式电源尤其相关，因为这种电源通常加载有大电容器，以抑制电源波纹和/或提供足够的输出电容器来衰减瞬态电流尖峰。例如，输出电容器C可以大到足以在中断线路输入功率的情况下支持持续供电（保持要求）。实际的电容器包括寄生电阻R（等效串联电阻ESR）和电感（等效串联电感ESL）。这些寄生效应可能对电压调节的动态和电压纹波有影响。然而，平均输出电压主要由电容性部分主导。然而，应当理解，在一些情况下，阻抗112也可以表示任意的阻抗。

当电源电流和负载电流并不相同时，大的输出电容器C可以在一定时间内保持输出电压在允许的公差内。例如，如果输出电容器C的电容为1mF，以及I_load与i_d之间的电流失配为1A，输出电压v_o在1ms之后变化1V。虽然输出电容的这种效应对于电源保持其输出电压的能力是有利的，但是它也可能具有衰减控制器102使用的用于感测和随后校正这种电流失配的信号路径的效应。在一些实施例中，例如，在AC/DC升压转换器，回扫转换器和一些其它拓扑中，经由输出电压感测电流失配可能是控制器感测这种失配的唯一机制。由于电压在负载或线路瞬变开始时并不会改变很多，所以控制器102可能需要对小的输出电压偏差作出强烈的响应，以保持输出电压恒定。这种对小偏差的强烈的响应可能导致控制回路的不稳定。这尤其与受制于有限的模数转换（ADC）分辨率和处理延迟的数字控制器的情况有关；然而，这种情况也可能使模拟控制器易受稳定性和噪声敏感性问题。

此外，即使当线路和负载条件不改变时，控制器102可以在一些实施例中执行其它功能。例如，当功率转换器为功率因子校正控制器（PFC）时，电源的输入电流必须跟随输入电压。因此，电压控制回路可以在慢于电流控制回路的跟踪模式中操作，以提供高功率因子和低谐波失真。在PFC和用于打印机或笔记本的电源适配器的情形中，可以指定高效率和低电磁辐射，特别在给定频率范围中。可以指定开关频率不超过给定范围和给定的改变速率，以避免过多的噪声、谐波、次谐波和辐射。因此，控制器102可能需要对线路或负载瞬变作出快速的反应，但是可能只能够仅仅通过输出电压的小的和缓慢的改变来识别这些瞬变。同时，可以指定电源系统100在恒定线路和负载条件下以平滑且稳定的方式运行。

在一个实施例中，线性反馈与继电器式控制结合。在稳态条件下，应用线性反馈控制。然而，在诸如电压下降、电压过冲或控制器重启（例如，在关机、线路中断、待机模式之后）之类的瞬变条件的情况下，应用嵌套的继电器式控制。此外，当控制器从继电器式控制转变为线性控制时，线性反馈控制器持续跟随误差信号，同时继电器式控制方案操作以避免大的瞬变。在操作期间，继电器式控制方案的限制或操作点迭代地更新以接近线性反馈控制器的输出。一旦环路误差到达阈值，操作从继电器式控制方案切换至线性控制器。因为在继电器式操作期间，线性控制器一直跟踪误差信号，而且因为继电器式控制器的操作点接近线性控制器的输出，在从继电器式操作改变为线性控制器操作期间，所引起的瞬变可以是小的。

图2示出了可以用于实现控制方案的一个实施例的电源控制器200的框图。电源控制器200包括线性反馈控制器206、上限估计器204、下限估计器210，范围决定单元202和多路复用器212。在操作期间，线性反馈控制器206更新其内部状态，并输出一个或多个内部状态至上限估计器204和下限估计器210，然后上限估计器204和下限估计器210使用这些状态来迭代地更新其限制。备选地，上限估计器204和下限估计器210可以直接使用误差信号以执行限制估计。范围决定单元202基于误差信号确定是否从上限估计器204、反馈控制器206或者下限估计器210发出输出控制信号。

在一个嵌套的继电器式控制方案的实施例中，操作使用正常的继电器式操作开始，在正常的继电器式操作中，上限估计器204在上限处提供输出，以及下限估计器210在下限处提供输出。线性反馈控制器206可以正好在瞬变事件之前被初始化为默认状态或者保持以前的状态。随着操作的进行，线性反馈控制器206被允许基于环路误差更新其内部状态，而上限估计器204和下限估计器210的限制输出被迭代地更新至接近线性反馈控制器206的输出。一旦环路误差低于预定阈值，操作模式经由多路复用器212选择反馈控制器206的输出，从嵌套的继电器式模式切换至线性操作模式。

范围决定单元202根据误差信号在上限、下限和线性反馈之间进行选择。在操作的开始，上限和下限之间的选择可能对应于纯粹的继电器式控制方案，以及线性反馈控制器的选择可能对应于线性反馈控制方案。例如，可以操作范围选择单元以减小误差信号。

在操作开始之后的相继的开关周期期间，根据误差信号和反馈控制器206的状态更新通过上限估计器204产生的上限、通过下限估计器210产生的下限、以及通过反馈控制器206产生的反馈控制信号。在一些实施例中，可以使用更新原则以确保上限和下限收敛至线性反馈控制器206的输出。在充分收敛之后，作为典型，例如，通过低误差，范围决定被配置为只选择线性反馈控制器的选择单元。除了低控制误差，上限和下限的小的差值还指示收敛。

范围决定单元202可以通过比较误差信号和多个阈值来选择操作模式和限制。在一个实施例中，范围决定单元202具有其布置为E₊₂、E₊₁、E_-1和E_-2的四个阈值E₊₂、E₊₁、E_-1和E_-2。应当理解，误差信号和控制信号的单元可以根据控制器200的特定实施方案而变化。例如，在数字控制方案中，这些值可以被表示为二进制字，而在模拟实施方案中，这些值可以通过电压和/或电流来表示。

在一个实施例中，范围决定单元202可以采取表1中描述的以下动作。例如，当误差信号E具有高于阈值E₊₂的信号电平时，上限估计器204的输出被设置为最大上限值，以及多路复用器212被配置为选择上限估计器204的输出。例如，如果功率转换器的输出经历了电压下降，这种条件可以被触发。

类似地，当误差信号E具有低于阈值E_-2的信号电平时，下限估计器210的输出被设置为最小下限值，以及多路复用器212被配置为选择下限估计器210的输出。例如，当功率转换器的输出经历了电压过冲时，这种条件可以被触发。

表1—范围决定单元操作

当误差信号E具有E₊₁和E₊₂之间的信号电平时，经由多路复用器212选择上限估计器204的输出。然而，允许上限估计器204的输出值迭代地更新。例如，当电源的输出电压低于跟踪范围时，可以应用这种条件。类似地，当误差信号E具有E_-1和E_-2之间的信号电平时，经由多路复用器212选择下限估计器210的输出，并且也允许迭代地更新下限估计器210的输出。例如，当电源的输出电压高于跟踪范围时，可以应用这种条件。

最后，当误差信号E具有E_-1和E_-2之间的信号电平时，选择线性反馈控制器210的输出，从而表示电源的输出在电压跟踪范围之内。

在备选实施例中，可以定义交叠范围和上述邻近范围。例如，可以定义阈值E_-4、E_-3、E_-2、E_-1、E₊₁、E₊₂、E₊₃、E₊₄，使得E_-4≤E_-3≤E_-2≤E_-1<0<E₊₁≤E₊₂≤E₊₃≤E₊₄。在这个例子中，范围决定单元202可以采取表2中描述的以下动作。如果E在若干范围中，可以应用迟滞，其中选取最接近上一状态的状态。例如，如果E开始于E_-2和E₊₂之间，这表示电压在跟踪范围中，为了转变到低于其中选择上限的跟踪范围模式的电压，E将需要超过E₊₂。为了转变回在跟踪范围模式中的电压，E将需要下降低于E₊₁。

表2—带有交叠阈值的范围决定单元操作

此外，范围决定单元202所使用的范围限制也可以是诸如输入电压、温度、部件参数和/或负载状态之类的其它系统参数的函数。线性反馈控制器206可以使用诸如比例（P）、积分（I)、比例-积分（PI）或比例-积分-微分（PID）控制器之类的基本控制器以及更高阶的控制器实现。在一些实施例中，线性反馈控制器206可以被实现为具有或不具有观测器（observer）的基于状态空间的控制器。备选地，确保适当的稳态行为的任何控制器可以适于包含在实施例系统中。在许多实施例中，保持状态信号在一定限制内，使得当接近限制时，应用非线性运算（典型饱和）。例如，线性控制器206的输出可以被配置为在预定上限和下限处饱和。

在一个实施例中，上限估计器204和下限估计器210被配置为更新上限和下限，以收敛到线性反馈控制器206的输出。用于继电器式限制U_UPR(t)（上限）和U_LWR(t)（下限）的收敛规则可以被设置为：

U_UPR(t)≥U_UPR(t+Δt)≥U_LFB(t);以及

U_LWR(t)≤U_LWR(t+Δt)≤U_LFB(t),

其中U_LFB(t)是线性反馈控制器的输出，并且Δt是继电器式限制的更新之间的时间。在一些实施例中，上限和下限的学习规则可以基于功率估计器，使得功率估计基于线性反馈控制器和其它可用信号的状态。在其它一些实施例中，上限估计器204和下限估计器210可以使用反馈结构更新其限制。在一些情况下，这种反馈结构可以类似于线性反馈控制器206的反馈结构。

图3示出了根据本发明一个实施例的控制器300。控制器300具有范围决定单元302、上限估计器310、线性反馈控制器306、下限估计器312和多路复用器326。在一个实施例中，范围决定单元302将误差信号E(t)与由E_-2、E_-1、E₊₁和E₊₂指定的阈值进行比较。判定结果为由-2、-1、0、1和2指定的范围中的一个。类似于上面的图2中所示的范围决定单元，当E(t)高于阈值E₊₁时，范围决定单元使多路复用器326选择上限估计器310的输出U_UPR；当E(t)低于阈值E_-1时，选择下限估计器312的输出U_LWR；以及当E(t)在阈值E_-1和E₊₁之间时，选择线性反馈控制器306的输出U_LFB(t)。此外，当E(t)高于阈值E₊₂时，范围决定单元302使上限估计器310重置其上限阈值至最大阈值U_MAX，并且当E(t)低于阈值E₊₂时，使下限估计器312重置其下限阈值至U_MIN。如上所述，阈值E_-2、E_-1、E₊₁和E₊₂的实际值取决于控制器300的物理实现方案，以及配置有控制器300的系统的规格和要求。备选地，通过范围决定单元302确定的模式可以相对于替换或补充由阈值定义的范围被定义。这些范围可以交叠和/或迟滞可以应用于这些范围的确定。

在一个实施例中，线性反馈控制器306可以使用例如PI或PID控制器实现。在一个示例中，PID控制器可以使用下列连续时间滤波器实现。

X(t)=K_IE(t)+K_PdE(t)/dt+K_Dd²E(t)/dt²

U_LFB(t)=∫X(t)dt,

其中，X(t)是是中间滤波后的误差值，U_LFB(t)是线性控制器的输出，K_I是积分常数，K_P是比例常数，并且K_D是微分常数。为实现PI控制器，K_D可以设置为零。饱和可以被进一步应用于积分器，使得：

U_LFB(t)=max{min{∫X(t)dt;U_LFBMAX};U_LFBMIN},

其中U_LFBMAX是最大饱和电平，并且U_LFBMIN是最小饱和电平。

在另一个示例中，PID控制器可以使用下列离散时间滤波器实现：

F[n]=E[n]–E[n-1]

G[n]=F[n]–F[n-1]

X[n]=K_I E[n]+K_P F[n]+K_D G[n]

U_LFB[n]=U_LFB[n-1]+X[n]。

饱和可以被进一步应用于积分器，使得：

U_LFB[n]=max{min{U_LFB[n-1]+X[n];U_LFBMAX};U_LFBMIN}。

应当理解，在一些备选实施例中，也可以使用除了上面所示的其它滤波器。

在一个实施例中，上限估计器310可以根据下式更新：

U_UPR[n]=max{min{U_UPR[n-1]+X[n];U_UPRMAX};U_UPRMIN}

其中，U_UPR[n]是上限估计器310的输出，U_UPRMAX是饱和上限，以及U_UPRMIN是饱和下限。类似地，下限估计器312可以根据下式更新：

U_LWR[n]=max{min{U_LWR[n-1]+X[n];U_LWRMAX};U_LWRMIN},

其中，U_LWR[n]是下限估计器312的输出，U_LWRMAX是下限估计器312的饱和上限，以及U_LWRMIN是下限估计器312的饱和下限。该限制可以根据下列公式设置：

U_LFBMIN=U_LOWER U_LFBMAX=U_UPPER

U_LWRMIN=U_MIN U_LWRMAX=U_LFB

U_UPRMIN=U_LFB U_UPRMAX=U_MAX,

其中U_MIN和U_MAX分别为U_LWR和U_UPR的初始值。

通过用于U_UPR[n]和U_LWR[n]的上述公式可见，上限估计器310和下限估计器312的输出基于X[n]，X[n]为在线性控制器306范围中的中间滤波后的误差值。因此，U_UPR[n]和U_LWR[n]是基于误差信号E[n]获得的。应当理解，在使用连续时间控制器的实施例中，U_UPR(t)和U_LWR(t)可以根据从用于U_UPR[n]和U_LWR[n]的规则获得的微分方程跟随X(t)。备选地，U_UPR[n]和U_LWR[n]可以是基于采样X(t)。

在一个实施例中，使用具有延迟元件320和求和器324的累加器实现上限估计器310。通过范围检测单元302，可以使用多路复用器322选择上限U_MAX，其选择有效地重置输出U_UPR至U_MAX。类似地，下限估计器312使用具有延迟元件328和求和器330的累加器实现。可以使用多路复用器326以由范围检测单元302选择下限U_MIN，对于其的选择有效地重置输出U_LWR至U_MIN。在一些备选实施例中，其他等效结构可以用于上限估计器310和下限估计器312。

线性控制器306在用于时间离散实现方案的两个级中实现。第一级具有延迟元件348和350，求和节点352和354，对应积分增益K_I的增益元件342，对应比例增益K_P的增益元件344，以及对应微分增益K_D的增益元件346。增益元件342、344和346的输出在求和节点340相加，以形成中间信号X，然后通过上限估计器310和下限估计器312使用中间信号X获得更新后的限制。信号X也被传递给由延迟元件358和求和元件356组成的积分器/累加器，以形成线性控制器输出信号U_LFB。应当理解，图3中显示的线性控制器306的结构仅仅是许多可能的线性控制器拓扑实施例中的一个示例。在一些备选实施例中，可以使用现有技术中已知的其它线性控制器。

在一些实施例中，可以使用微控制器、微处理器、现场可编程门阵列（FPGA）、自定义数字逻辑等实现线性控制器300的物理实现方案。在一些实施例中，控制器300可以使用采用可执行指令集的处理器实现。备选地，控制器300可以在使用例如放大器和模拟滤波器的模拟方式中被实现。

图4示出了根据一个备选实施例的实施例控制器370，在备选实施例中，上限估计器310和下限控制器312经由增益模块372和374而不是线性控制器306中的动态元件耦合至误差信号E。在一些实施例中，增益模块372和374被缩放至积分增益K_I。备选地，可以使用其它增益和/或缩放因子。通过增益模块372和374直接采样误差信号E，上限估计器310和下限估计器312可以比在一些实施例中经由线性控制器306内的动态模块采样的收敛得更快。

在图3和图4所示的两个实施例中，频带选择滤波器（例如，低通滤波器）可以被进一步放置在线性反馈控制器306中。例如，如果低通滤波器为一阶自动递归滤波器，控制滤波器成为对连续时间传递函数GT1（s）=1/（1+sT1）取近似的一阶自动递归（PIDT1）滤波器。该控制滤波器可以放置在图3和图4所示实施例中的控制器306的输入。在数字实现方案中，可以使用本领域已知的数字滤波技术实现控制滤波器，而在模拟实现方案中，可以使用传统模拟滤波技术实现该低通函数。例如，在一个实施例中，额外的电容器可以与现有的RC网络并联耦合。频带选择滤波器可以被放置在线性控制器306中的PD/PDD²计算之前、之后、或者甚至内部。上限估计器310和下限估计器312的收敛可以基于误差信号E、误差信号E滤波后的形式、或者线性反馈滤波器/控制器306的任何其它状态。另外，在两个实施例中，可以通过增加小的偏移至误差信号或在一些实施例中通过遗忘因子改善收敛。例如，可以在通过加法器324增加之前，从增益模块372的输出中减去常数。类似地，可以在通过加法器330增加之前，增加常数至增益模块374的输出。在另一个示例中，可以分别用加法器322和330与多路复用器326之间的额外的增益模块（遗忘因子）来缩放加法器324和330的输出。

图5a示出了根据本发明一个实施例的包括控制器402的降压拓扑开关模式电源400。电源400包括耦合至开关401、二极管410、电感器412和输出电容器414的实施例控制器402。开关模式电源400的输出电压通过模数转换器404采样，其输出被输入至计算模块406。可以例如使用CPU、FPGA、自定义逻辑或其它数字电路实现计算模块406。在本发明的一些备选实施例中，可以省略模数转换器404，并且可以使用模拟部件实现计算模块406。计算模块406的输出被输入至产生操作开关401的脉冲宽度调制信号的脉冲宽度调制（PWM）开关控制模块408。在一些实施例中，由开关控制单元408监测流过电感器412的电流，以针对饱和或用于电流模式控制来保护电感器。降压拓扑开关电源400根据本领域已知的降压拓扑开关模式电源的原理运行。

图5b示出了在一个实施例中包括控制器428的回扫拓扑开关模式电源420。开关模式电源420包括整流器422、输入电容器423、开关421、变压器424、输出二极管426和输出电容器414。在一个实施例中，整流器422可以用于整流交流（AC）输入信号。PWM开关控制模块408根据计算模块406的输出操作开关421。可以采样电源420的输出电压以控制输出电压，以及可以通过开关控制模块408采样变压器424的次级电流以控制输出电流。除了采样次级电流，开关控制模块408也可以采样变压器424的初级电流，例如，作为功率因子转换器（PFC）或电流模式控制的控制输入使用。回扫拓扑开关模式电源420根据本领域已知的回扫拓扑开关模式电源的原理操作。

图5c示出了包括控制器438的实施例的升压拓扑开关模式电源430。开关模式电源430包括整流器422、输入电容器423、开关421、电感器434、开关431、输出二极管433和输出电容器414。在一个实施例中,整流器422可以用于整流AC输入信号。PWM开关控制模块408根据计算模块406的输出和感测的电感器电流操作开关421。在一些实施例中，二极管433可以使用用以执行同步整流的开关实现。升压拓扑开关模式电源430根据本领域已知的与升压拓扑开关模式电源有关的原理操作。

图6示出了可以例如应用至图2至4中所示的实施例控制器的实施例控制器的方法500的流程图。在步骤502中，控制器从电源接收误差信号。该误差信号可以例如是测得的输出电压和参考电压之间的差值。在一些情况下，可以缩放和/或数字化测得的电压。在步骤504中，将误差信号和多个阈值进行比较。而这些阈值的幅值可以以各种方式设置和实现，并且对应于不同电压，为了方便讨论起见，这些阈值被指定为E_-2、E_-1、E₁和E₂，其中零值可能与零误差信号相关联。

如果误差信号高于E₁且低于E₂（步骤506），则选择上限估计器（步骤508）和更新上限，使得上限收敛至线性控制器的输出（步骤510）；以及如果误差高于E₂（步骤512），则例如重置上限至最大值（步骤514）并且选择上限估计器（步骤516）。类似地，如果误差信号低于E_-1且高于E_-2（步骤518），则选择下限估计器（步骤520）并且更新下限，使得更新后的限制收敛至线性控制器的输出（步骤522）；以及如果误差低于E_-2（步骤524），则例如重置下限至最小值（步骤526）并且选择下限估计器（步骤528）。如果没有满足比较步骤506、512、518和524的条件，这表示误差信号在E_-1和E₁之间，则选择线性控制器（步骤530）。应当理解，在一些备选实施例中，执行实施例算法的其它方法和方法序列是可能的。图6的流程图只是这些中的一个示例。

图7a示出可以用于例如在模拟域中实现控制器306（图3）的部分的实施例模拟控制器600。模拟控制器600包括具有在反馈中耦合在运算放大器（OPAMP）608的输出端和负输入端之间的阻抗Z_r(s)的OPAMP608。电压源V_T提供参考输入至OPAMP608的正输入端，以及输入电压源V_s经由电阻器R1耦合至OPAMP608的负输入端。电阻器R₂耦合在OPAMP608的负输入端以及电源V_S和V_T的参考节点之间，该参考节点可以在一些实施例中是地电位，或者在其它实施例中是另一种参考电压电位。输出电压V_C可以被表示为：

$V_C=V_T+\frac{Z_r\left(s\right)}{R_1}[(1+\frac{R_1}{R})V_T-V_s].$

图7b示出了针对阻抗Z_r的示例实现方案，其中电容器C_r1并联至电阻器R_r和电容器C_r2的串联组合。这里，阻抗Z_r(s)可以被表示为：

$Z_r\left(s\right)=\frac{1+{\mathrm{sR}}_r{C}_{r2}}{s(C_{r1}+C_{r2})(1+{\mathrm{sR}}_r{C}_{r12})},$

其中

$C_{r12}=\frac{C_{r1}+C_{r2}}{C_{r1}+C_{r2}}.$

图7c示出了针对阻抗Z_r的又一示例实现方案，其中电容器C_r串联至电阻器R_r1和电容器C_r1的并联组合。这里，阻抗Z_r(s)可以被表示为：

$Z_r\left(s\right)=\frac{1+s(C_r+C_r)R_{r1}}{{\mathrm{sC}}_r(1+{\mathrm{sC}}_{r1}{R}_{r1})}.$

应当理解，在一些备选实施例中，其它部件布置可用于实现阻抗Z_r。

根据一个实施例，电源控制器包括被配置为耦合至电源的感测节点的误差信号输入、被配置为耦合至开关控制电路的控制输出以及具有耦合至误差信号输入的输入的控制电路。如果误差信号输入在第一范围中，控制电路被配置为提供第一可变限制信号，并根据误差信号输入调整第一可变限制信号。当误差信号在第二范围中时，控制电路可以被配置为从继电器式操作模式转变为线性控制器操作模式。

在一个实施例中，控制电路可以包括线性控制器，并且控制电路可以被配置为当误差信号在第二范围中时提供线性控制器的输出。线性控制器可以进一步被配置为持续跟踪误差信号输入，并且进一步被配置为当误差信号在第三范围中时设置第一可变限制信号至最大限制值。在一些实施例中，第一范围与第二范围交叠。

在一个实施例中，控制电路进一步被配置为当误差信号在第四范围中时提供第二可变限制信号，并根据误差信号输入调整第二可变限制信号。控制电路可以进一步被配置为当误差信号在第五范围中时设置第二可变限制信号至最小限制值。第一可变限制信号可以是上限信号，并且第二可变限制信号可以是下限信号。

在一个实施例中，第一范围包括高于第一阈值且低于第二阈值的范围，第二范围包括低于第一阈值且高于第三阈值的范围，第三范围包括高于第二阈值的范围，第四范围包括低于第三阈值且高于第四阈值的范围，并且第五范围包括低于第四阈值的范围。在一个示例中，第一阈值高于第二阈值，第二阈值高于第三阈值，并且第三阈值高于第四阈值。在一些实施例中，第一范围、第二范围、第三范围、第四范围和第五范围中的至少一个可能与第一范围、第二范围、第三范围、第四范围和第五范围中的另一个交叠。

根据进一步的实施例，电源控制器包括耦合至误差信号输入的上限估计器电路。上限估计器电路被配置为提供可变上限信号，以及根据误差信号输入调整可变上限信号。电源控制器还包括耦合至误差信号输入，被配置为提供线性控制信号的线性控制电路，以及耦合至误差信号输入，被配置为提供可变下限信号和根据误差信号输入调整可变下限信号的下限估计器电路。电源控制器还包括范围决定电路，其被配置为：如果误差信号在第一范围，则选择可变上限信号，如果误差信号在第二范围，则选择线性控制信号，以及如果误差信号在第四范围，则选择可变下限信号。

上限估计器电路可以进一步被配置为当误差信号在第三范围时重置可变上限信号至最大信号电平；以及下限估计器电路可以进一步被配置为当误差信号在第五范围时重置可变下限信号至最小信号电平。在一个实施例中，第一范围包括高于第一阈值且低于第二阈值的范围，第二范围包括低于第一阈值且高于第三阈值的范围，第三范围包括高于第二阈值的范围，第四范围包括低于第三阈值且高于第四阈值的范围，以及第五范围包括低于第四阈值的范围。在一些情况下，上限估计器电路具有耦合至误差信号输入的上限调整输入，以及下限估计器电路具有耦合至误差信号输入的下限调整输入。上限调整输入和下限调整输入可以经由至少一个线性增益模块耦合至误差信号输入和/或上限调整输入和下限调整输入可以经由线性控制电路耦合至误差信号输入。

在一个实施例中，线性控制器包括耦合至误差信号输入的PID控制器，并且上限调整输入和下限调整输入经由PID控制器的输出耦合至误差信号输入。进一步地，可变上限信号和可变下限信号可以被配置为朝向误差信号值收敛。在一些实施例中，即使在范围决定电路选择可变上限信号、线性控制信号和可变下限信号时，线性控制电路被配置为持续跟踪误差信号输入。线性控制电路可以使用数字电路装置实现并且可以被配置在集成电路上。

根据进一步的实施例，开关模式电源包括开关控制电路、以及具有耦合至开关模式电源输出电压的输入和耦合至开关控制电路输入的输出的电源控制器。电源控制器包括耦合至基于开关模式电源的输出电压的误差信号的线性控制电路。在一个实施例中，电源控制器被配置为：如果误差信号高于第一阈值，则输出可变上限信号；如果误差信号低于第一阈值且高于第二阈值，则输出线性控制信号；如果误差信号低于第二阈值，则输出可变下限信号；以及调整可变上限信号和可变下限信号朝向线性控制信号值收敛。当误差信号高于和低于第一和第二阈值时，线性控制电路被配置为持续跟踪误差信号。

电源控制器可以进一步被配置为：当误差信号高于第三阈值时输出固定的上限信号；当误差信号低于第四阈值时输出固定的下限信号，使得第三阈值高于第一阈值，以及第四阈值低于第二阈值。在一些情况下，电源控制器可以进一步被配置为当误差信号高于第三阈值时重置可变上限信号至固定的上限信号值，当误差信号低于第四阈值时重置可变下限信号至固定的下限信号值。

在一些实施例中，电源还包括电感器以及具有耦合至电感器的输出节点和耦合至开关控制电路输出的输入节点的开关。在一些实施例中，使用可以包括微控制器的数字逻辑实现电源控制器。

根据进一步的实施例，操作电源控制器的方法包括从电源接收误差信号和确定控制信号，其包括当误差信号在第一范围时确定控制信号为可变上限信号，当误差信号在第二范围时确定控制信号为线性控制信号，以及当误差信号在第四范围时确定控制信号为可变下限信号。该方法进一步包括调整可变上限信号和可变下限信号朝向线性控制信号值收敛，从而当误差信号在第二范围时产生线性控制信号以持续跟踪误差信号，以及基于控制信号产生电源开关信号。

在一个实施例中，确定控制信号进一步包括当误差信号在第三范围时确定控制信号为固定的上限信号，以及当误差信号在第五范围时确定控制信号为固定的下限信号。确定控制信号进一步包括当误差信号在第三范围时重置可变上限信号至固定的上限信号值，以及当误差信号在第五范围时重置可变下限信号至固定的下限信号值。第一范围可以包括高于第一阈值且低于第二阈值的范围，第二范围可以包括低于第一阈值且高于第三阈值的范围，第三范围可以包括高于第二阈值的范围，第四范围包括低于第三阈值且高于第四阈值的范围，以及第五范围包括低于第四阈值的范围。

在一个实施例中，第一范围、第二范围、第三范围、第四范围和第五范围中的至少一个与第一范围、第二范围、第三范围、第四范围和第五范围中的另一个交叠。进一步地，调整可变上限信号和可变下限信号可以包括滤波误差信号。实施例的优点包括用于电源从大瞬变快速恢复的能力，同时在静态操作期间提供电源输出的稳定控制。另一个优点包括存在大电容性负载时提供快速瞬态恢复和平滑稳态操作的能力。另一个优点包括用于一方面控制器在瞬变时和在启动/重启后受益于继电器式控制的能力，（例如，系统误差处理或低负载时的待机模式），以及另一方面受益于稳态线性反馈控制。

虽然本发明已参照示例性实施例进行描述，这种描述并非旨在以限制性的意义进行解释。各种修改和示例性实施例的组合，以及本发明的其它实施例，通过参照描述对于本领域的技术人员将是显而易见的。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这种修改或实施例。

Claims (35)

1.一种电源控制器，包括：

误差信号输入，配置为耦合至电源的感测节点；

控制输出，配置为耦合至开关控制电路；以及

控制电路，具有耦合至所述误差信号输入的输入，所述控制电路被配置为如果所述误差信号输入在第一范围中，则提供第一可变限制信号，并且根据所述误差信号输入调整所述第一可变限制信号。

2.根据权利要求1所述的电源控制器，其中：

所述控制电路包括线性控制器；以及

所述控制电路被配置为当所述误差信号在第二范围中时提供所述线性控制器的输出。

3.根据权利要求2所述的电源控制器，其中所述线性控制器被配置为持续跟踪所述误差信号输入。

4.根据权利要求2所述的电源控制器，其中所述第一范围与所述第二范围交叠。

5.根据权利要求2所述的电源控制器，其中所述控制电路进一步被配置为当所述误差信号输入在第三范围中时设置所述第一可变限制信号至最大限制值。

6.根据权利要求5所述的电源控制器，其中：

所述控制电路进一步被配置为当所述误差信号在第四范围中时提供第二可变限制信号，并且根据所述误差信号输入调整所述第二可变限制信号。

7.根据权利要求6所述的电源控制器，其中所述控制电路进一步被配置为当所述误差信号输入在第五范围中时设置所述第二可变限制信号至最小限制值。

8.根据权利要求7所述的电源控制器，其中所述第一可变限制信号是上限信号，并且所述第二可变限制信号是下限信号。

9.根据权利要求7所述的电源控制器，其中：

所述第一范围包括高于第一阈值并且低于第二阈值的范围；

所述第二范围包括低于所述第一阈值并且高于第三阈值的范围；

所述第三范围包括高于所述第二阈值的范围；并且

所述第四范围包括低于所述第三阈值并且高于第四阈值的范围；以及

所述第五范围包括低于所述第四阈值的范围。

10.根据权利要求9所述的电源控制器，其中：

所述第一阈值高于所述第二阈值；

所述第二阈值高于所述第三阈值；以及

所述第三阈值高于所述第四阈值。

11.根据权利要求9所述的电源控制器，其中所述第一范围、所述第二范围、所述第三范围、所述第四范围和所述第五范围中的至少一个与所述第一范围、所述第二范围、所述第三范围、所述第四范围和所述第五范围中的另一个交叠。

12.根据权利要求1所述的电源控制器，其中所述控制电路被配置为当所述误差信号在第二范围中时从继电器式操作模式转变为线性控制器操作模式。

13.一种电源控制器，包括：

上限估计器电路，耦合至误差信号输入，其中所述上限估计器电路被配置为提供可变上限信号，并且根据所述误差信号输入调整所述上限信号；

线性控制电路，耦合至所述误差信号输入，其中所述线性控制电路被配置为提供线性控制信号；

下限估计器电路，耦合至所述误差信号输入，其中所述下限估计器电路被配置为提供可变下限信号，并且根据所述误差信号输入调整所述可变下限信号；以及

范围决定电路，配置为：

如果所述误差信号在第一范围中，则选择所述可变上限信号；

如果所述误差信号在第二范围中，则选择所述线性控制信号；以及

如果所述误差信号在第四范围中，则选择所述可变下限信号。

14.根据权利要求13所述的电源控制器，其中：

所述上限估计器电路进一步被配置为当所述误差信号在第三范围中时重置所述可变上限信号至最大信号电平；以及

所述下限估计器电路进一步被配置为当所述误差信号在第五范围中时重置所述可变下限信号至最小信号电平。

15.根据权利要求14所述的电源控制器，其中：

所述第一范围包括高于第一阈值并且低于第二阈值的范围；

所述第二范围包括低于所述第一阈值并且高于第三阈值的范围；

所述第三范围包括高于所述第二阈值的范围；以及

所述第四范围包括低于所述第三阈值并且高于第四阈值的范围；以及

所述第五范围包括低于所述第四阈值的范围。

16.根据权利要求13所述的电源控制器，其中：

所述上限估计器电路包括耦合至所述误差信号输入的上限调整输入；以及

所述下限估计器电路包括耦合至所述误差信号输入的下限调整输入。

17.根据权利要求16所述的电源控制器，进一步地，其中所述上限调整输入和所述下限调整输入经由至少一个线性增益块耦合至所述误差信号输入。

18.根据权利要求16所述的电源控制器，其中所述上限调整输入和所述下限调整输入经由所述线性控制电路耦合至所述误差信号输入。

19.根据权利要求18所述的电源控制器，其中：

所述线性控制器包括耦合至所述误差信号输入的PID控制器；以及

所述上限调整输入和所述下限调整输入经由所述PID控制器的输出耦合至所述误差信号输入。

20.根据权利要求13所述的电源控制器，其中所述可变上限信号和所述可变下限信号被配置为朝向所述误差信号的值收敛。

21.根据权利要求13所述的电源控制器，其中所述线性控制电路被配置为即使在所述范围决定电路选择所述可变上限信号、所述线性控制信号、以及所述可变下限信号时，也持续跟踪所述误差信号输入。

22.根据权利要求21所述的电源控制器，其中所述线性控制电路使用数字电路装置来实现。

23.根据权利要求13所述的电源控制器，其中所述电源控制器布置在集成电路上。

24.一种开关模式电源，包括：

开关控制电路；以及

电源控制器，具有耦合至所述开关模式电源的输出电压的输入和耦合至所述开关控制电路的输入的输出，其中所述电源控制器包括耦合至基于所述开关模式电源的输出电压的误差信号的线性控制电路，并且所述电源控制器被配置为：

如果所述误差信号高于第一阈值，则输出可变上限信号；

如果所述误差信号低于所述第一阈值并且高于第二阈值，则输出线性控制信号；，

如果所述误差信号低于所述第二阈值，则输出可变下限信号；以及

调整所述可变上限信号和所述可变下限信号以朝向所述线性控制信号的值收敛，其中所述线性控制电路被配置为当所述误差信号高于和低于所述第一阈值和所述第二阈值时持续跟踪所述误差信号。

25.根据权利要求24所述的开关模式电源，其中所述电源控制器进一步被配置为当所述误差信号高于第三阈值时输出固定的上限信号，以及如果所述误差信号低于第四阈值则输出固定的下限信号，其中所述第三阈值高于所述第一阈值并且所述第四阈值低于所述第二阈值。

26.根据权利要求25所述的开关模式电源，其中所述电源控制器进一步被配置为当所述误差信号高于所述第三阈值时重置所述可变上限信号至所述固定的上限信号的值，以及当所述误差信号低于所述第四阈值时，重置所述可变下限信号至所述固定的下限信号的值。

27.根据权利要求24所述的开关模式电源，进一步包括：

电感器；以及

开关，具有耦合至所述电感器的输出节点和耦合至所述开关控制电路的输出的输入节点。

28.根据权利要求24所述的开关模式电源，其中所述电源控制器使用数字逻辑来实现。

29.根据权利要求28所述的开关模式电源，其中所述数字逻辑包括微控制器。

30.一种操作电源控制器的方法，所述方法包括：

从电源接收误差信号；

确定控制信号包括：

如果所述误差信号在第一范围中，则确定所述控制信号为可变上限信号；

如果所述误差信号在第二范围中，则确定所述控制信号为线性控制信号；以及

如果所述误差信号在第四范围中，则确定所述控制信号为可变下限信号；

调整所述可变上限信号和所述可变下限信号以朝向所述线性控制信号的值收敛；

当所述误差信号在所述第二范围中时，产生所述线性控制信号以持续跟踪所述误差信号；以及

基于所述控制信号产生电源开关信号。

31.根据权利要求30所述的方法，其中确定所述控制信号进一步包括：

当所述误差信号在第三范围中时，确定所述控制信号为固定的上限信号；以及

当所述误差信号在第五范围中时，确定所述控制信号为固定的下限信号。

32.根据权利要求31所述的方法，其中确定所述控制信号进一步包括：

当所述误差信号在所述第三范围中时，重置所述可变上限信号至所述固定的上限信号的值，以及

当所述误差信号在所述第五范围中时，重置所述可变下限信号至所述固定的下限信号的值。

33.根据权利要求32所述的方法，其中：

所述第一范围包括高于第一阈值并且低于第二阈值的范围；

所述第二范围包括低于所述第一阈值并且高于第三阈值的范围；

所述第三范围包括高于所述第二阈值的范围；

所述第四范围包括低于所述第三阈值并且高于第四阈值的范围；以及

所述第五范围包括低于所述第四阈值的范围。

34.根据权利要求32所述的方法，其中所述第一范围、所述第二范围、所述第三范围、所述第四范围和所述第五范围中的至少一个与所述第一范围、所述第二范围、所述第三范围、所述第四范围和所述第五范围中的另一个交叠。

35.根据权利要求30所述的方法，其中调整所述可变上限信号和所述下限信号包括对所述误差信号进行滤波。