CN106160414A - 在脉宽调制切换频率的同步上有改进的切换式功率转换器 - Google Patents

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Abstract

在脉宽调制切换频率的同步上有改进的切换式功率转换器。本发明涉及一种功率转换器，其包括被配置用来从输入电压产生输出电压的切换式功率级以及被配置用来产生脉冲宽度调制(PWM)信号以用于独立于电压误差信号对切换式功率级进行切换的控制器。电压误差信号是参考电压与输出电压之间的差。控制器包括被配置用来产生第一时钟信号以用于对控制器的低频域计时的同步器。控制器还包括：数字PWM控制器，其由所述第一时钟信号计时且被配置用来确定PWM信号的接通时间信息；以及PWM产生器，其被配置用来基于所述接通时间信息产生PWM信号。所述同步器用来通过使第一时钟信号的频率与由外部参考信号施加的频率同步来使PWM信号的频率与由外部参考信号施加的频率同步。

Description

在脉宽调制切换频率的同步上有改进的切换式功率转换器
技术领域
本发明涉及在脉冲宽度调制(PWM)频率与外部参考信号的同步上具有改进的功率转换器和相关方法。
背景技术
切换式DC-DC转换器包括可切换功率级，其中输出电压是根据切换信号和输入电压产生的。切换信号在控制器中产生，控制器将输出电压调整为参考电压。图1中示出降压转换器。切换式功率级11包括由高端开关12和低端开关13组成的双开关、电感器14和电容器15。在充电阶段期间，通过切换信号接通高端开关12并切断低端开关13以对电容器15充电。在放电阶段期间，切断高端开关12并接通低端开关13以使平均电感器电流与负载电流匹配。
然而，对电力工程师来说众所周知的是，使用切换式DC-DC转换器或一般来说切换模式电源(SMPS)来高效地实现输出电压调节也具有缺点。一个最常见的问题是与这些电源的切换活动相关的高频噪声的发射，高频噪声传播至邻近电路从而使其性能降级且经常导致操作故障。为了限制这个问题，可用的SMPS解决方案具有使切换活动与主机系统同步或在关键系统操作期间停止切换活动的功能性。
此同步特征在以下应用中也是有利的：需要SMPS的并联，使得可通过并联连接且通过主机驱动的多个SMPS的同步操作实现多相配置。
SMPS的模拟PWM控制器通过调谐控制PWM信号的产生的内部振荡器的频率来解决使切换频率与外部信号同步的问题。可经由RC网络对内部振荡器的标称频率编程且可将标称频率调谐为外部参考。尽管模拟解决方案中的同步过程不影响调节输出电压的环路的稳定性，但其具有同步对于离外部参考太远的振荡器频率可能不可能的限制。因此，需要选择RC网络的R和C的恰当值。此外，同步活动影响系统时钟。因此，同步的频率范围可受模拟电路的最大操作频率限制。
同步特征在数字PWM控制器中也可获得。SMPS的标称切换频率可通过将其编程至寄存器中或经由引脚短接对其选择来进行选择。与模拟解决方案相比，此频率不受外部组件的容限影响。最常见的方法是使用内部锁相环路(PLL)，其频率锁定于外部参考信号。PLL接着向数字控制逻辑以及向数字PWM产生器提供时钟信号。由于数字控制器的架构，控制器参数随输出电压的取样频率而变，且因此输出电压调节环路的性能可受同步过程影响。而且，外部参考信号的丢失可导致输出电压的振荡，这是因为其直接影响数字PWM产生器的操作频率。
SMPS通常通过周期性地以恒定切换频率Fsw控制高端开关和低端开关的接通时间来将输出电压Vout从输入电压Vi调节为所要设置点(即，参考电压)。尽管SMPS被开发以在用户选择的标称切换频率下操作以与应用要求匹配，但需要以一种方式控制切换活动的频率，使得SMPS的切换频率与外部参考信号的频率同步，即，外部参考信号的周期和相等于SMPS的切换信号的周期和相。然而，在SMPS处于操作中时使切换频率变化可导致同步阶段期间的输出电压的振荡，且在极端情况下导致输出电压控制环路本身的不稳定性。因此，需要在SMPS处于操作中时控制切换活动的频率，使得不稳定的闭环操作不会发生，控制器的性能也不会显著受影响。此外，还需要使切换频率与外部参考信号同步，使得例如可通过并联地连接多个SMPS来实现精确的多相操作或可将切换频率降低至在可能干扰SMPS的其它电路的操作的频率范围之外。
发明内容
上述问题的解决方案通过根据独立设备权利要求的功率转换器和根据独立方法权利要求的相关方法实现。附属权利要求涉及本发明的进一步方面。
本发明涉及功率转换器，其包括被配置用来从输入电压产生输出电压的切换式功率级以及被配置用来产生脉冲宽度调制(PWM)信号以独立于电压误差信号控制所述切换式功率级的切换的控制器。所述电压误差信号是参考电压与所述输出电压之间的差。所述控制器包括被配置用来产生第一时钟信号以用于对所述控制器的低频域计时的同步器。所述控制器进一步包括：数字PWM控制器，其由所述第一时钟信号计时且被配置用来确定所述PWM信号的接通时间信息；以及PWM产生器，其被配置用来基于所述接通时间信息产生所述PWM信号。所述同步器被配置用来使所述PWM信号的频率与由外部参考信号施加的频率同步。此同步通过使所述第一时钟信号的频率与由所述外部参考信号施加的所述频率同步而实现。
所述同步器一般来说包括同步环路，其产生与所述外部参考信号同步的所述第一时钟信号。所述控制器被分成多个频域。只有包括数字PWM控制器的低频域由第一时钟信号计时。因此，由数字PWM控制器控制的输出电压调节操作与控制器的逻辑的其余部分(例如，控制器的高频时钟域)解耦。
高频时钟域由第二时钟信号计时，其中所述第二时钟信号的频率高于所述第一时钟信号的频率。控制器可包括用于产生第二时钟信号的时钟产生器。具体地说，PWM产生器可由第二时钟信号计时。
此外，功率转换器可包括模/数转换器，其被配置用来在所述第二时钟信号下对所述外部参考信号取样。这表示过度取样系统。使用过度取样系统作为数字PWM控制器的实现方式使得输出电压的调节的执行完全独立于同步活动，因而解决输出电压调整的不稳定的闭环操作的问题。用于调节输出电压的数字PWM控制器的参数不受同步活动影响，这是因为通过选择过度取样系统架构对数字PWM控制器输出执行固有缩放操作。
此外，所述同步器可包括被配置用来从所述第一时钟信号得出切换周期时间信号的切换周期时间产生器，其中所述切换周期时间信号的周期对应于所述PWM信号的切换周期且是所述第一时钟信号的周期的整数倍。所述PWM产生器被配置用来以等于所述切换周期信号的所述周期的周期产生所述PWM信号。所述同步器被配置用来通过使所述切换周期时间信号的频率与由外部参考信号施加的频率同步来使所述PWM信号的频率与由所述外部参考信号施加的频率同步。因此，数字PWM产生器不仅由变得与参考信号同步的第一时钟信号计时，而且还确定将由PWM产生器产生的PWM信号的切换周期，所述PWM信号通过同步环路的操作变得与参考信号同步。
同步环路的主要部分可由数字锁相环路实现，锁相环路包括耦合至数字环路滤波器的相位-频率检测器，数字环路滤波器耦合至数字控制式振荡器。相位-频率检测器被配置用来将所述外部参考信号与所述切换周期时间信号的相位和频率进行比较以产生相位误差信号。环路滤波器被配置用来对所述相位误差信号滤波以产生同步控制信号。数字控制式振荡器被配置用来基于所述同步控制信号产生所述第一时钟信号。
本发明的一方面涉及数字环路滤波器。用以使切换周期时间信号与外部参考信号同步的环路滤波器的参数可被编程以根据应用的要求适应同步活动的速度。
同样，通过对数字环路滤波器的参数编程，可使系统难以察觉外部参考信号的频率的突然变化。这改进同步环路的抗扰度，以及允许缓慢地调整切换式功率级的切换频率，使得调节的输出电压不受同步活动影响。
本发明的一方面涉及数字控制式振荡器，它是同步环路的一部分。数字控制式振荡器可包括产生用于时钟分频器的分频因数的基于计数器的控制的振荡器；以及被配置用来基于分频因数对第二时钟信号进行分频的时钟分频器。所述同步器，具体地说是环路滤波器与基于计数器的数字控制式振荡器一起被配置用来基于所述同步控制信号调整所述时钟分频器的分频因数以使所述切换周期时间信号与所述外部参考信号的频率和相位匹配。
用于对高频域计时的第二时钟信号可看作系统时钟。因此，不需要系统时钟的改变，因为用于对低频域计时的第一时钟信号是通过基于计数器的数字控制式振荡器和时钟分频器从系统时钟得出的。
此外，可对切换周期时间信号与外部参考信号的同步发生的频率范围编程以通过相应地调整相应地基于计数器的数字控制式振荡器的输出信号的值的范围来与不同应用匹配。同步发生的频率范围可易于延伸以涵盖宽的频率范围。
附图说明
将参照附图，其中
图1示出现有技术切换式降压转换器；
图2示出现有技术PWM控制器的框图；
图3示出PWM控制器的框图，其示出分割PWM控制器的顶层；以及
图4示出PWM控制器的框图，其示出执行切换频率与外部参考信号的同步的逻辑与数字PWM控制器之间的交互。
具体实施方式
图2示出产生用于控制SMPS的切换式功率级的PWM信号的控制器的实现方式。其实现为数字PWM控制器21，且通过数字控制环路调节输出电压。数字控制器21包括模/数转换器(ADC)22、数字环路滤波器23和PWM逻辑24。通过ADC 22感测输出电压Vout且将输出电压Vout与设置为所要输出电压值的参考电压Vref进行比较。数字环路滤波器23产生含有两个开关的接通时间信息的输出信号且输出信号被提供至PWM逻辑24，PWM逻辑24转换具有所要工作循环的脉冲信号中的接通时间信息。工作循环指切换周期Tsw，其通过关系Tsw＝1/Fsw与SMPS的切换频率相关。
如图2所示，控制环路中涉及的所有逻辑在第一时钟频率Fs下操作，使得关系Tsw＝OSR*Ts始终有效而与切换频率的值无关，其中Ts是ADC 22的取样周期，Ts＝1/Fs且OSR是大于1的常数整数。这是数字控制环路的过度取样的架构。切换频率Fsw的变化影响缩放数字环路滤波器的控制作用的取样频率Fs，而不影响控制环路本身的调节性能。
根据本发明，输出电压调节操作与图3所示的逻辑的其余部分解耦，使得切换频率相对于外部参考信号的同步活动不影响输出电压控制环路本身中不涉及的硬件的时序。
振荡器32与锁相环路33一起形成表示绝对时间参考的系统时钟产生单元31。实线方框表示操作频率指系统时钟产生单元31给出的绝对时间的数字逻辑，而虚线方框表示在与由外部参考信号施加的频率相关的频率下操作的数字逻辑。阴影方框表示绝对时间参考与相对时间参考之间的接口，即，同步逻辑35。
绝对时间参考时钟信号clk_HF具有系统中的最高频率。将时钟信号clk_HF提供至数字PWM控制器34和逻辑的其余部分36。数字PWM控制器34使用clk_HF来得出时钟信号以实现图2中的系统，以及使用图4中更详细地示出的架构执行SMPS的切换频率Fsw与外部参考的同步。
图4示出实现SMPS的切换频率Fsw与外部参考信号之间的同步的同步环路45的高级框图。同步环路45包括切换周期时间信号产生器46、相位-频率检测器47、数字环路滤波器48、基于计数器的数字控制式振荡器(DCO)49和时钟分频器410。振荡器42与锁相环路43一起形成系统时钟产生单元41，其产生用于对控制器的高频域415计时的第二时钟信号clk_HF。时钟分频器410对第二时钟信号clk_HF分频以产生用于对控制器的低频域414计时的第一时钟信号clk_Fs，低频域414包括数字PWM控制器44。
在提议的架构中，通过PWM逻辑411产生的PWM信号的周期与在切换周期(Tsw)时间产生器46中产生的切换周期时间信号clk_Tsw同步。信号clk_Tsw从第一时钟信号clk_Fs产生以维持关系Tsw＝OSR*Ts。同步环路45通过改变在第二时钟信号clk_HF下操作的时钟分频器410的分频因数来调整clk_Fs的频率和相位。为了使切换周期时间信号clk_Tsw与外部参考信号Fres_ext_in同步，相位-频率检测器47将clk_Tsw与Fres_ext_in进行比较并测量相位差。数字环路滤波器48与基于计数器的数字控制式振荡器49一起调整时钟分频器410的分频因数来使clk_Tsw的相位和频率与Fres_ext_in的相位和频率匹配。
由基于计数器的DCO产生的信号DCO_out的值的范围设置频率范围，针对该频率范围实现clk_Tsw相对于外部参考信号的同步。此频率范围是可编程的且在标称切换频率周围可以是非对称的。因此，基于计数器的DCO 49与时钟分频器410和系统时钟产生单元41一起形成数字控制式振荡器，数字控制式振荡器由环路滤波器48产生的同步信号控制。
如图4所示，同步环路的主要部分在比系统时钟clk_HF低得多的频率Fs下操作，因而优化这个方框的功率消耗。产生PWM信号的接通时间信息的数字PWM控制器44也包括在低频域中。基于接通时间信息和同步切换周期产生PWM信号的PWM逻辑411包括在高频域中。
为了执行clk_Fs与信号Fres_ext_in之间的精细同步，必须精确地测量两个信号的相位差。相位频率检测器块47通过测量信号clk_Fsw的上升沿与Fres_ext_in的上升沿之间的时间差来测量相位误差。
高频域415中包括的时间-数字转换器(TDC)412在频率clk_HF下对外部参考信号Fres_ext_in取样，且将其馈送至长度len_sr使得clk_Ts＝len_sr*clk_HF的移位寄存器中。在clk_Fsw的上升沿下对移位寄存器的内容取样，且从移位寄存器的内容提取关于相位误差的信息。
重要的是应注意，执行时间测量的逻辑在远低于系统时钟clk_HF的频率clk_Fs下操作，但执行高分辨率时间测量，就像整个逻辑在系统时钟频率下操作一样。这导致功率节省，同时维持由clk_HF给出的精细时间分辨率。
当缺少外部参考信号时，系统被迫使在切换频率的标称值Fsw_n下操作而不会导致关断。
由于切换频率Fsw与切换周期Tsw之间的非线性关系(Tsw＝1/Fsw)，施加以标称值Fsw_n为中心的同步的一系列频率将导致Tsw的非对称范围。然而，借助本架构，通过编程信号DCO_out关于Tsw_n＝1/Fsw_n将不对称的限制，同步可能的频率范围可关于Fsw_n对称。这导致以下优点：能够迫使切换频率相对于其标称值仅在一个方向上变化(仅相对于Fsw_n增大或减小)，而不影响对于比所要频率高或低的频率可能不恰当地操作的电路的功能性。

Claims (15)

1.一种功率转换器，其包括
切换式功率级(11)，其被配置用来从输入电压产生输出电压；以及
控制器(16)，其被配置用来产生脉冲宽度调制(PWM)信号以独立于电压误差信号控制所述切换式功率级的切换，所述电压误差信号是参考电压与所述输出电压之间的差；
所述控制器(16)包括：
同步器(45)，其被配置用来产生第一时钟信号以用于对所述控制器(16)的低频域(414)计时；
数字PWM控制器(44)，其由所述第一时钟信号计时且被配置用来确定所述PWM信号的接通时间信息；
PWM产生器(411)，其被配置用来基于所述接通时间信息产生所述PWM信号；且
其中所述同步器(45)被配置用来通过使所述第一时钟信号的频率与由外部参考信号施加的频率同步来使所述PWM信号的频率与由所述外部参考信号施加的所述频率同步。
2.根据权利要求1所述的功率转换器，其包括
系统时钟产生单元(41)，其被配置用来产生第二时钟信号以用于对所述控制器(16)的高频域(415)计时；且
其中所述PWM产生器(411)由所述第二时钟信号计时且其中所述第二时钟信号的频率高于所述第一时钟信号的频率。
3.根据权利要求2所述的功率转换器，其包括
时间-数字转换器(412)，其被配置用来在所述第二时钟信号下对所述外部参考信号取样。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的功率转换器，
其中所述同步器(45)进一步包括被配置用来从所述第一时钟信号得出切换周期时间信号的切换周期时间产生器(46)，其中所述切换周期时间信号的周期对应于所述PWM信号的切换周期且是所述第一时钟信号的周期的整数倍；
其中所述PWM产生器(411)被配置用来以等于所述切换周期信号的所述周期的周期产生所述PWM信号；且
其中所述同步器(45)被配置用来通过使所述切换周期时间信号的频率与由所述外部参考信号施加的所述频率同步来使所述PWM信号的频率与由所述外部参考信号施加的所述频率同步。
5.根据权利要求4所述的功率转换器，其中所述同步器进一步包括
相位-频率检测器(47)，其被配置用来将所述外部参考信号与所述切换周期时间信号的相位和频率进行比较以产生相位误差信号；
数字环路滤波器(48)，其被配置用来对所述相位误差信号滤波以产生同步控制信号；以及
数字控制式振荡器(413)，其被配置用来基于所述同步控制信号产生所述第一时钟信号。
6.根据权利要求5所述的功率转换器，其中所述数字控制式振荡器(413)包括基于计数器的数字控制式振荡器(49)和被配置用来对所述第二时钟信号进行分频的时钟分频器(410)；且其中
所述同步器(45)被配置用来基于所述同步控制信号调整所述时钟分频器的分频因数以使所述切换周期时间信号与所述外部参考信号的频率和相位匹配。
7.根据权利要求6所述的功率转换器，其中所述控制器(16)包括高频时钟域(415)，其由所述第二时钟信号计时且包括所述PWM产生器(411)和所述时钟分频器(410)，其中所述第二时钟信号的频率高于所述第一时钟信号的频率。
8.根据权利要求5所述的功率转换器，其中所述控制器(16)包括低频时钟域(414)，所述低频时钟域(414)由所述第一时钟信号计时，包括所述切换周期时间产生器(46)、所述相位频率检测器(47)、所述环路滤波器(48)、所述基于计数器的数字控制式振荡器(49)和所述数字PWM控制器(16)。
9.根据权利要求5所述的功率转换器，其中所述相位-频率检测器(47)被配置用来通过测量所述切换周期时间信号与所述外部参考信号的上升沿之间的时间差来检测所述相位误差。
10.根据权利要求9所述的功率转换器，其中
所述相位频率检测器(47)包括移位寄存器，其长度对应于所述第一时钟信号的所述周期与所述第二时钟信号的所述周期的比率；其中
所述移位寄存器连接至所述时间-数字转换器，使得所述抽取的参考信号被馈送至所述移位寄存器中且其中对所述移位寄存器的内容在所述切换周期时间信号的所述上升沿下进行取样以从所述移位寄存器的所述内容中提取所述相位误差的信息。
11.根据权利要求5至9中任一项所述的功率转换器，其中所述第二时钟信号的所述频率是所述控制器中存在的最高频率。
12.一种用于功率转换器的控制方法，所述功率转换器包括切换式功率级，所述切换式功率级被配置用来根据脉冲控制信号从输入电压产生输出电压，所述脉冲控制信号独立于电压误差信号控制所述切换式功率级的切换，所述电压误差信号是参考电压与所述输出电压之间的差，所述方法包括：
产生第一时钟信号以用于对所述功率转换器的低频域计时；
使用所述第一时钟信号确定PWM信号的接通时间信息；
基于所述接通时间信息产生所述PWM信号；且
其中使所述PWM信号的频率与由外部参考信号施加的频率同步包括使所述第一时钟信号的频率与由所述外部参考信号施加的所述频率同步。
13.根据权利要求12所述的控制方法，其进一步包括：
通过第二时钟信号对所述功率转换器的高频时钟域计时，其中所述第二时钟信号的频率高于所述第一时钟信号的频率。
14.根据权利要求12或13所述的控制方法，其进一步包括：
从所述第一时钟信号得出切换周期时间信号，其中所述切换周期时间信号的周期对应于所述PWM信号的切换周期且是所述第一时钟信号的周期的整数倍；且其中
使所述PWM信号的频率与由所述外部参考信号施加的频率同步包括使所述切换周期时间信号的频率与由所述外部参考信号施加的所述频率同步。
15.根据权利要求13或14所述的控制方法，其中所述第二时钟信号的所述频率是所述控制器中存在的最高频率。
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