CN104009616A - 用以使用选择性噪声消隐来控制峰值电流模式控制的功率转换器的设备及方法 - Google Patents

用以使用选择性噪声消隐来控制峰值电流模式控制的功率转换器的设备及方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示一种用以使用选择性噪声消隐来控制峰值电流模式控制的功率转换器系统的设备及方法。所述使用选择性噪声消隐来控制所述峰值电流模式控制的功率转换器系统由硬件、软件及／或两者的组合实施以执行调整消隐时间及消隐时间周期以防止经脉冲调制波形产生器的输出在所述消隐时间处开始持续达所述消隐时间周期的改变。

Description

用以使用选择性噪声消隐来控制峰值电流模式控制的功率转换器的设备及方法
技术领域
本发明涉及数字集成电路，且更明确地说，涉及一种用以使用选择性噪声消隐来控制峰值电流模式控制的功率转换器的设备及方法。
背景技术
峰值电流模式控制(PCMC)是功率转换器的理论上使得能够实现一些所要优点(如电压前馈、自动周期性即时电流限制及所属领域的技术人员已知的其它优点)的控制方案。为在实践中实施此PCMC控制方案，用以驱动功率转换器中的控制开关的精确控制的经脉冲宽度调制(PWM)波形是必要的。这些功率转换器通常在不具有或具有斜率补偿的情况下采用峰值电流参考。将峰值电流参考与在功率转换器的输出处所感测到的电流进行比较；所述比较的结果控制PWM波形。
图1A描绘数控基于PCMC的功率转换器系统100的概念性框图。功率转换器102在其输入处接收来自源104的输入电压Vin且在其输出处将经调节电压Vout提供到负载106。为实现Vout调节，将Vout反馈提供到包括将Vout反馈数字化的模／数(ADC)转换器的块108，所述Vout反馈接着被提供到包括比较器及电压控制器(未展示)的块110的第一输入。将来自参考电压源112的数字参考电压Vref提供到块110的第二输入。将经数字化Vout_d反馈与数字参考电压Vref通过比较器进行比较且将所述比较的结果提供到电压控制器。基于所述比较，电压控制器产生电压Vcomp，所述电压Vcomp提供于电压控制器110的输出处且用于导出峰值电流参考信号Ipref。
所属领域的技术人员众所周知，理论上，基于PCMC的功率转换器系统针对高于50％工作循环的操作具有稳定性问题及分谐波振荡。工作循环是PWM波形在活动状态中花费的时间。因此，基于PCMC的功率转换器系统可实施斜率补偿。斜率补偿可应用于峰值电流Ipeak，从而按斜坡递减峰值电流Ipeak，因此达到经斜率补偿的峰值电流参考信号Ipref。或者，可通过使峰值电流Ipeak保持恒定或按斜坡递增反馈电流Ifb而实现斜率补偿。
如图1A中所描绘，取决于功率转换器的拓扑、控制转换器的手段及所属领域的技术人员已知的其它设计准则而在转换器102的节点处感测反馈电流Ifb。以实例方式，反馈电流可为穿过负载106的电流，其可为穿过电感器的电流、变压器初级电流及所属领域的技术人员已知的其它节点。
为不同方面的阐释的清晰起见，使用经斜率补偿的峰值电流参考信号Ipref；然而，所揭示概念同样适用于其中将斜率补偿斜坡添加到反馈电流Ifb的情形。
经斜率补偿的峰值电流参考信号Ipref的产生由块114及斜坡产生器实施，所述块包括用于将由电压控制器114提供的电压Vout的数字表示转换成对应于峰值电流Ipeak的模拟表示的数／模(DAC)转换器，所述斜坡产生器在将峰值电流Ipeak的值作为斜坡产生器的初始值的情况下产生补偿斜率。
将经斜率补偿的峰值电流参考信号Ipref提供到块116的第一输入。块116的第二输入具备对应于功率转换器102中的所感测电流的反馈电流Ifb。块116包括比较器(未展示)，所述比较器将经斜率补偿的峰值电流参考信号Ipref与反馈电流Ifb进行比较，且所述比较的结果影响由块116的PWM产生器(未展示)产生的PWM波形PWM(1)到PWM(n)的各种属性且被提供到功率转换器102。
尽管如上文所描述，块108、110、114、116及112构成数字PCMC控制器101，但所属领域的技术人员将理解，并非所有块均需要实施于数字PCMC控制器101中。以实例方式，斜率补偿(即，块114)可或可不实施于数字PCMC控制器101中。同样地，描述为块116的一部分的比较器可在数字PCMC控制器101的外部。数字PCMC控制器101可任选地与数字控制器117介接或存在于数字控制器117的内侧，例如，微控制器、数字信号处理器及所属领域的技术人员已知的任何其它数字控制器。可利用数字控制器117来编程PWM波形的各种属性及补偿斜率；因此，赋予系统较多智能及对用于最优数控基于PCMC的功率转换器系统100性能的变化条件适应性地进行调整的能力。
数字PCMC控制器101的不同实施方案可根据特定数字PCMC控制器101的所建议使用而提供不同数目个PWM波形。然而，所属领域的技术人员将理解，并非所有波形均需要被产生且提供到功率转换器。因此，以实例方式，降压功率转换器可需要单个PWM波形，同步降压功率转换器可需要两个PWM波形，具有同步整流的经隔离相位移位的全桥式直流／直流(DC-DC)转换器可需要六个波形等等。
图1B描绘关于块116的所关注的波形的随时间而变的振幅。为阐释的清晰起见且不失一般性地，仅考虑单个PWM波形；然而，所揭示方面同样适用于多个PWM波形。
PWM周期在PWM产生器116(2)致使PWM波形118从第一值A1转变为第二值A2的时间t0处开始。作为响应，功率转换器102导致反馈电流Ifb的流动，且提供到比较器116(1)的非反相输入的反馈电流Ifb120开始从值Ii增加。提供到比较器116(1)的反相输入的经斜率补偿的峰值电流参考信号Ipref122开始从值Ipeak减小。尽管经斜率补偿的峰值电流参考信号Ipref122描绘为线性地减小，但所属领域的技术人员将理解，非线性地减小的经斜率补偿的峰值电流参考信号Ipref122也在本发明的范围内。
在时间t1处，穿过负载Ifb120的所感测电流的值及经斜率补偿的峰值电流参考信号Ipref122的值变得相等，此导致比较器116(1)的输出的改变，此又致使PWM产生器116(2)将PWM波形118从第二值A2转变为第一值A1。作为响应，反馈电流Ifb120开始减小。
在时间t2处，PWM周期结束，并重复所述循环。
数控基于PCMC的功率转换器系统100经受可预测噪声，例如，来自PWM波形的切换噪声、来自继电器的切换噪声、非切换数字噪声及由数控基于PCMC的功率转换器系统100产生的其它噪声。如所属领域的技术人员所较好地理解，切换噪声是信号从一个振幅到另一振幅的快速转变的结果。尽管可预测噪声影响数控基于PCMC的功率转换器系统100的所有电路，但包括经斜率补偿的峰值电流参考信号Ipref122的电路的适当设计及滤波将可预测噪声的电平减小到可忽略电平。然而，此滤波电平不能施加到反馈电流Ifb120，这是因为将可预测噪声的电平减小到可忽略电平将导致PWM波形的转变边缘的严重失真；因此，消积地影响数控基于PCMC的功率转换器系统100的性能。因此，实际上，可能存在一些可预测噪声。
注意，在图1B中，经斜率补偿的峰值电流参考信号Ipref122及反馈电流Ifb120两者至少由于不存在可预测噪声而为理想化波形。因此，比较器116(1)的提供到PWM产生器116(2)的输出在PWM产生器116(2)的输出处产生正确定时的PWM工作循环122。工作循环是PWM波形在作为PWM周期的一小部分的活动状态(在此情形中，处于第二值A2)中花费的时间。
如以上所描述且如图1C中所描绘，PWM波形118在PWM周期的开始处从第一值A1转变为第二值A2；因此，在PWM周期的开始处导致可预测切换噪声120(1)。在此噪声的量值大于或等于经斜率补偿的峰值电流参考信号Ipref122的情况下／时，比较器116(1)的输出改变(此反映于PWM产生器116(2)的输入上)且产生PWM产生器116的不正确定时的PWM波形118。因此，不正确功率由功率转换器102输送到负载106。
出于阐释的清晰的目的而简化图1A到1C及相关联文本。因此，在较复杂功率转换器中，例如，具有同步整流的上文所提及的经隔离相位移位的全桥式直流／直流(DC-DC)转换器，其需要将由数字PCMC控制器产生的六个PWM波形，其中相对于PWM周期以及周期性／可预测噪声持续时间而发生周期性／可预测噪声的时间点可随着改变操作条件(例如，输入及／或输出电压、负载及其它操作条件)以及随着数控基于PCMC的功率转换器系统的参数(例如，温度)而变。此外，在PWM周期中可存在超过一个的切换噪声。以实例方式，在具有同步整流的经隔离相位移位的全桥式直流／直流(DC-DC)转换器中，在PWM周期中发生两次切换噪声。
基于前述内容，此项技术中需要通过实施选择性消隐而避免功率转换器中的此错误且不期望情况。
发明内容
在本发明的一个方面中，揭示根据所附独立项的用以控制峰值电流模式控制的功率转换器系统的选择性噪声消隐。附属项中揭示优选额外方面。
附图说明
在连同附图一起时，本文中所描述的前述方面参考以下说明将变得较易于明了，其中：
图1A描绘根据已知概念的数控基于PCMC的功率转换器系统的概念性框图；
图1B描绘根据已知概念的图1A的所关注的理想化波形的随时间而变的振幅；
图1C描绘根据已知概念的图1A的所关注的波形的随时间而变的振幅；
图2A描绘示范性数控基于PCMC的功率转换器系统中所使用的比较器逻辑及PWM产生器的概念性示意图；且
图2B描绘图2A的比较器逻辑及PWM产生器的所关注的波形。
具体实施方式
本文中将参考为本发明的理想化配置的示意性图解的图式描述本发明的各种方面。因此，预计会因(举例来说)制造技术及／或公差而使图解的形状有所变化。因此，本揭示内容通篇中所呈现的本发明的各种方面不应解释为限于本文中所图解说明及所描述的元素(例如，区域、层、部分、衬底等)的特定形状，而是包含(举例来说)因制造而产生的形状偏差。以实例方式，图解说明或描述为矩形的元素在其边缘处可具有圆形或弯曲特征及／或梯度集中而非从一个元素到另一元素的离散改变。因此，图式中所图解说明的元素本质上是示意性的，且其形状并非打算图解说明元素的精确形状且并非打算限制本发明的范围。
除非另有规定，否则本文中所使用的所有术语(包含技术及科学术语)具有与本发明所属的领域的技术人员所通常理解相同的含义。将进一步理解，术语(例如常用字典中所定义的那些术语)应解释为具有与其在相关技术及本揭示内容的上下文中的含义一致的含义。
如本文中所使用，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”及“所述(the)”也打算包含复数形式。将进一步理解，当用于本说明书中时，术语“包括(comprise)”、“包括(comprises)”及／或“包括(comprising)”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件及／或组件的存在，但并不排除一个或一个以上其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件及／或其群组的存在或添加。术语“及／或”包含相关联所列举项中的一者或一者以上的任一及全部组合。
可参考一个或一个以上示范性配置图解说明各种所揭示方面。如本文中所使用，术语“示范性”意指“充当实例、例子或图解”，且未必应解释为比本文中所揭示的其它配置优选或有利。
图2A到2B描绘根据本发明的方面的示范性数控基于PCMC的功率转换器系统中所使用的比较器逻辑及PWM产生器的概念性示意图连同所关注的波形200的随时间而变的振幅。
考虑图2A，将经斜率补偿的峰值电流参考信号Ipref提供到比较器216(1)的反相输入中，且将反馈电流Ifb220提供到比较器216(1)的非反相输入中。如所描绘，消隐电路216(3)插入于比较器216(1)的输出与PWM产生器216(2)的输入之间。
消隐电路216(3)可包括根据由控制器216(4)提供的控制信号而防止比较器输出或PWM产生器216(2)输入在时间t处开始持续达时间周期Δt的改变的任何装置。以实例方式，此装置可包括通过任何技术实施的开关；例如，机械的(即，继电器)、电子的(即，晶体管)、逻辑电路(例如，与非(NAND)、或非(NOR))、以数字／模拟方式实施的计数器或所属领域的技术人员已知的任何其它装置。消隐电路216(3)可将比较器216(1)的输出断开连接且将PWM产生器216(2)的输入连接到适当电压，因此防止PWM产生器216(2)的输入的改变。
一起参考图2B与图2A，时间t以及时间周期Δt由控制器216(4)提供。如以上所论述，由于其中相对于PWM周期以及切换噪声持续时间而发生切换噪声的时间点可随着改变操作条件(例如，输入及／或输出电压、负载及其它操作条件)以及随着系统参数(例如，温度)而变，因此控制器216(4)监视操作条件及系统参数并调整时间t以及时间周期Δt。时间t与噪声220(1)的开始一致或在噪声220(1)的开始之前；如所描绘t=t0；时间周期Δt与噪声220(1)的持续时间一样长或比噪声220(1)的持续时间长；如所描绘Δt＝t1-t0。
PWM周期在PWM产生器216(2)致使PWM波形218从第一值A1转变为第二值A2的时间t0处开始。作为响应，提供到比较器216(1)的非反相输入的反馈电流Ifb220开始从值Ii增加。噪声尖峰220(1)存在于所感测电流信号220上。尽管在PWM循环的开始处描绘噪声，但噪声尖峰220(1)可发生在PWM循环中的不同时间位置处，如以上所论述。提供到比较器216(1)的反相输入的经斜率补偿的峰值电流参考信号Ipref222开始从值Ipeak减小。
在相同时间t0处，控制器216(4)的输出224从第一值B1转变为第二值B2，从而致使消隐电路216(3)开始运作且因此防止PWM产生器216(2)的输出的改变而不管比较器216(1)的输出的状态如何。在特定时间处，噪声尖峰222(1)超过经斜率补偿的峰值电流参考信号Ipref222；然而，由于消隐电路216(3)的操作，PWM产生器216(2)的输出不改变。
在噪声尖峰220(1)在时间t1处减弱之后，反馈电流Ifb220增加。在相同时间t1处，控制器216(4)的输出224从第二值B2转变为第一值B1，从而致使消隐电路216(3)停止运作且因此允许PWM产生器216(2)对比较器216(1)的输出的状态的改变作出响应。
在时间t2处，穿过负载Ifb220的所感测电流的值及经斜率补偿的峰值电流参考信号Ipref222的值变得相等，此导致比较器216(1)的输出的改变，此又致使PWM产生器216(2)将PWM波形218从第二值A2转变为第一值A1。作为响应，反馈电流Ifb220开始减小。
在时间t3处，PWM周期结束，并重复所述循环。
所属领域的技术人员将理解，插入于比较器216(1)的输出与PWM产生器216(2)的输入之间的消隐电路216(3)的特定位置仅是为基本概念的阐释的清晰起见而提供的一个实例。因此，在另一方面中，消隐电路216(3)可插入于反馈电流Ifb220与比较器216(1)的输入之间。在又一方面中，消隐电路216(3)可与PWM产生器216(2)成一体，且根据控制信号216(4)而防止PWM产生器216(2)的输出的改变而不管比较器216(1)的输出的状态如何。
基于前述内容，消隐电路222是不管比较器216(1)的输出在消隐时间t处开始且持续达消隐时间周期Δt的状态如何均防止PWM产生器216(2)的输出的改变的任何电路，其中时间t0及时间周期Δt两者均根据操作条件及系统参数而调整。
所属领域的技术人员将理解，可使用多种不同技法及技术中的任何者来表示信息及信号。举例来说，以上说明通篇中可能提及的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号及芯片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁性粒子、光场或光学粒子或者其任何组合表示。
所属领域的技术人员将进一步了解，结合本文中所揭示的实施例一起所描述的各种说明性逻辑块、模块、电路及算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为清晰地图解说明硬件与软件的此可互换性，上文通常就其功能性已描述各种说明性组件、块、模块、电路及步骤。此功能性是实施为硬件还是软件取决于特定应用及强加于总体系统的设计约束。虽然所属领域的技术人员可针对每一特定应用以不同方式实施所描述的功能性，但此些实施方案决策不应解释为导致背离本发明的范围。
结合本文中所揭示的实施例所描述的各种说明性逻辑块、模块及电路可借助以下装置来实施或执行：通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其经设计以执行本文中所描述的功能的任何组合。通用处理器可为微处理器，但在替代方案中，处理器可为任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算装置的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、一个或一个以上微处理器连同DSP核心或任一其它此类配置。
结合本文中所揭示的实施例所描述的方法或算法的步骤可直接以硬件、以由处理器执行的软件模块或以两者的组合来体现。软件模块可存在于RAM存储器、快闪存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬磁盘、可移动磁盘、CD-ROM或此项技术中已知的任何其它形式的存储媒体中。示范性存储媒体耦合到处理器，使得所述处理器可从所述存储媒体读取信息及将信息写入到所述存储媒体。在替代方案中，存储媒体可与处理器成一体。处理器及存储媒体可存在于ASIC中。ASIC可存在于用户终端中。在替代方案中，处理器及存储媒体可作为离散组件存在于用户终端中。
在一个或一个以上示范性实施例中，可在硬件、软件、固件或其任何组合中实施所描述的功能。如果在软件中实施，那么所述功能可存储于计算机可读媒体上或作为计算机可读媒体上的一个或一个以上指令或代码而传输。计算机可读媒体包含计算机存储媒体及通信媒体两者，所述通信媒体包含促进计算机程序从一个地方到另一地方的传送的任何媒体。存储媒体可为可由计算机存取的任何可用媒体。以实例方式而非限制方式，此些计算机可读媒体可包括：RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置或者可用于以指令或数据结构的形式携载或存储所要程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体。此外，可将任何连接适当地称为计算机可读媒体。举例来说，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或无线技术(例如红外线、无线电及微波)从网站、服务器或其它远程源传输软件，那么同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或无线技术(例如红外线、无线电及微波)均包含于媒体的定义中。如本文中所使用，磁盘及光盘包含：压缩光盘(CD)、激光盘、光盘、数字通用光盘(DVD)、软盘及蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式复制数据，而光盘借助激光以光学方式复制数据。上述的组合还应包含于计算机可读媒体的范围内。
本发明的各种方面经提供以使得所属领域的技术人员能够实践本发明。所属领域的技术人员将易于明了对本揭示内容通篇中所呈现的各种方面的修改，且本文中所揭示的概念可扩展到其它应用。因此，权利要求书并不打算限于本揭示内容通篇中所呈现的波整形电路的各种方面，而是将符合与权利要求书的语言一致的全部范围。本揭示内容通篇中所描述的各种方面的元素的所属领域的技术人员已知或稍后将已知的所有结构及功能等效物以引用的方式明确并入本文中且打算由权利要求书所囊括。此外，不管权利要求书中是否明确地陈述本文中所揭示的内容，此揭示内容均不打算专用于公开案。权利要求元素将不依据35U.S.C.§112第六段的规定而解释，除非元素明确地使用短语“用于…的构件(means for)”而陈述，或在方法权利要求的情形中，元素使用短语“用于…的步骤(step for)”而陈述。

Claims (16)

1.一种用以使用选择性噪声消隐来控制峰值电流模式控制的功率转换器系统的设备，其包括：
控制器，其通信地连接到消隐电路，所述控制器经配置以调整消隐时间及消隐时间周期；
经脉冲调制波形产生器；
比较器，其通信地连接到所述经脉冲调制波形产生器；及
所述消隐电路，其通信地连接到所述比较器或所述经脉冲调制波形产生器，经配置以防止所述经脉冲调制波形产生器的输出在所述消隐时间处开始持续达所述消隐时间周期的改变而不管所述比较器的输出的状态如何。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器进一步经配置以：
监视所述峰值电流模式控制的功率转换器系统的操作条件或参数中的至少一者，及
根据所述峰值电流模式控制的功率转换器系统的所述操作条件或所述参数中的至少一者的所述所监视到改变而调整所述消隐时间及所述消隐时间周期。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述消隐时间与噪声的开始一致或在噪声的开始之前。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述消隐时间周期与所述噪声的持续时间一样长或比所述噪声的持续时间长。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述消隐电路通信地连接于所述比较器与经脉冲宽度调制波形产生器之间。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述消隐电路通信地连接于所述比较器的输入处。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述噪声是可预测噪声。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述噪声是切换噪声。
9.一种用于使用选择性噪声消隐来控制峰值电流模式控制的功率转换器系统的方法，其包括：
调整消隐时间及消隐时间周期；
防止经脉冲调制波形产生器的输出在所述消隐时间处开始持续达所述消隐时间周期的改变。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：
监视所述峰值电流模式控制的功率转换器系统的操作条件或参数中的至少一者，及
根据所述峰值电流模式控制的功率转换器系统的所述操作条件或所述参数中的至少一者的所述所监视到改变而调整所述消隐时间及所述消隐时间周期。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述消隐时间与噪声的开始一致或在噪声的开始之前。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述消隐时间周期与所述噪声的持续时间一样长或比所述噪声的持续时间长。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述防止经脉冲调制波形产生器的输出在所述消隐时间处开始持续达所述消隐时间周期的改变包括：
提供通信地连接到所述经脉冲宽度调制波形产生器的输入的消隐电路；及
致使所述消隐电路防止在所述经脉冲宽度调制波形产生器的所述输入处在所述消隐时间处开始持续达所述消隐时间周期的改变。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述防止经脉冲调制波形产生器的输出在所述消隐时间处开始持续达所述消隐时间周期的改变包括：
提供通信地连接到所述经脉冲宽度调制波形产生器的输入的比较器；
提供通信地连接到所述比较器的输入的消隐电路；及
致使所述消隐电路防止在所述比较器的所述输入处在所述消隐时间处开始持续达所述消隐时间周期的改变。
15.根据权利要求9所述的方法，其中所述噪声是可预测噪声。
16.根据权利要求9所述的方法，其中所述噪声是切换噪声。
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