CN107431481B - 组合/序列脉宽调制 - Google Patents

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Abstract

数个标准PWM产生器产生可用于驱动针对全桥、前馈、推挽、相移、零电压转变ZVT及其它开关模式电源供应SMPS转换拓扑的功率级的PWM信号。这些PWM信号可馈送到组合逻辑块的逻辑功能。将合适PWM信号选择为操作数以及以这些输入操作数操作的期望逻辑功能。接着，可直接使用所得组合PWM信号或可将其在输出到应用电路之前通过停滞时间处理电路进行馈送。除了所述组合逻辑功能外，序列逻辑功能也可用于提供序列PWM信号，例如同步序列、异步序列及/或序列组合PWM信号。

Description

组合/序列脉宽调制
相关申请案的交叉参考
本申请主张2015年3月12日提交的共同拥有的第62/132,025号美国临时专利申请的优先权，所述申请的全文出于所有目的以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及组合脉宽调制(PWM)，特定地说，本发明涉及PWM模块及用于包括此组合PWM模块的微控制器中的外围单元。
背景技术
功率转换应用正变得越来越精密。诸多功率转换电路使用多个PWM产生器来控制功率流。通常存在多级PWM控制电路，其中后级所需的PWM是依赖于在前级中发生的行为(例如同步整流)。当前级PWM的行为取决于外部异步事件时，将难以产生后级所需的PWM。
广泛使用同步整流器(例如，同步驱动场效应晶体管(Sync-FET))，这是因为相对于标准整流器二极管，所述同步整流器具有更好的功率效率。控制同步整流器是有挑战性的，这是因为需要在同步整流器之前对第一功率转换级中发生的行为作出反应。现有同步整流器控制方法需要额外控制电路或额外计算资源来规划正在进行的功率级中的事件(例如电流限制)且对其做出反应。图5展示利用多个PWM信号驱动且用于开关模式电源供应(SMPS)中的装置的典型应用。
历史上，PWM模块是模拟设计或用于马达控制的十分简单的数字设计。在此之前，功率装置(例如(作为实例)同步整流器)的下游控制一直都需要复杂计算及/或模拟电路。
发明内容
因此，需要一种产生PWM信号来控制需要较少或不需要处理器计算且响应于例如源PWM信号上的电流限制的异步事件的下游功率装置(例如同步整流器)的方法。
根据实施例，用于从两个其它脉宽调制(PWM)信号的逻辑组合中产生PWM信号的设备可包括：第一PWM产生器，其经调适以用于产生第一PWM信号；第二PWM产生器，其经调适以用于产生第二PWM信号；及第一组合逻辑，其经调适以用于接收第一及第二PWM信号且从所述第一及第二PWM信号中产生第三PWM信号。
根据另一实施例，第一组合逻辑可包括多个逻辑功能。根据另一实施例，多个逻辑功能可选自由AND、NAND、OR、NOR、XOR及NXOR门逻辑组成的群组中的任何一或多者。根据另一实施例，第一PWM产生器可经调适以用于产生第一PWM信号及逆第一PWM信号。根据另一实施例，第一PWM信号及逆第一PWM信号可耦合到第一组合逻辑。根据另一实施例，第二PWM产生器可经调适以用于产生第二PWM信号及逆第二PWM信号。根据另一实施例，第二PWM信号及逆第二PWM信号可耦合到第一组合逻辑。根据另一实施例，第二组合逻辑可经调适以用于接收第一及第二PWM信号且从所述第一及第二PWM信号中产生第四PWM信号。根据另一实施例，第二组合逻辑可包括多个逻辑功能。根据进一步实施例，第一PWM信号及逆第一PWM信号可耦合到第二组合逻辑。根据另一实施例，第二PWM信号及逆第二PWM信号可耦合到第二组合逻辑。
根据另一实施例，多个逻辑功能是可选择的。根据另一实施例，可选择的多个逻辑功能是可编程的。根据另一实施例，所述多个逻辑功能的所述经编程选择可存储于存储器中。根据另一实施例，所述存储器可为至少一个配置寄存器。根据另一实施例，多个逻辑功能是可选择的，所述多个逻辑功能的所述选择是可编程的，且所述多个逻辑功能的所述可编程选择可存储于存储器中。根据另一实施例，第一序列逻辑可经调适以用于接收第一及第二PWM信号且从所述第一及第二PWM信号中产生第三PWM信号。根据另一实施例，第二序列逻辑可经调适以用于接收第一及第二PWM信号且从所述第一及第二PWM信号中产生第四PWM信号。根据另一实施例，第一序列逻辑可选自由同步及异步序列逻辑组成的群组。根据另一实施例，微控制器可包括PWM设备且可经调适以选择其多个逻辑功能中的特定者。
根据另一实施例，用于从两个其它脉宽调制(PWM)信号的逻辑组合中产生PWM信号的方法可包括以下步骤：利用第一PWM产生器产生第一PWM信号；利用第二PWM产生器产生第二PWM信号；且从第一及第二PWM信号的逻辑组合中产生第三PWM信号。
根据所述方法的另一实施例，逻辑组合可选自由AND、NAND、OR、NOR、XOR及NXOR逻辑组成的群组。根据所述方法的另一实施例，所述方法可包括从第一及第二PWM信号的第二逻辑组合中产生第四PWM信号的步骤。根据所述方法的另一实施例，所述方法可包括产生第三PWM信号与第四PWM信号之间的停滞时间的步骤。根据所述方法的另一实施例，所述方法可包括用异步PWM信号替代第三PWM信号的步骤。根据所述方法的另一实施例，异步PWM信号可为电流限制PWM信号。根据所述方法的另一实施例，所述方法可包括从第一及第二PWM信号的序列逻辑组合中产生第三PWM信号的步骤。
根据又一实施例，用于从两个其它脉宽调制(PWM)信号的序列逻辑组合中产生PWM信号的方法，可包括以下步骤：利用第一PWM产生器产生第一PWM信号；利用第二PWM产生器产生第二PWM信号；且从第一及第二PWM信号的序列逻辑组合中产生第三PWM信号。
附图说明
可通过参考结合附图的以下描述获取对本发明的更完整的理解，其中：
图1说明根据本发明的教示的具有停滞时间逻辑的PWM产生器的示意框图；
图2、2A、3及3A说明根据本发明的特定实例实施例的PWM组合逻辑块的示意图；
图4说明根据本发明的教示的同步/异步PWM选择及停滞时间逻辑的示意框图；
图5说明根据本发明的特定实例实施例的包括多个PWM产生器、组合逻辑块及极性选择的微控制器中的PWM宏块；
图5A说明根据本发明的特定实例实施例的包括多个PWM产生器、组合及序列逻辑块以及极性选择的微控制器中的PWM宏块；
图6说明根据本发明的教示的H桥初级及次级同步FET整流器的示意图；
图7说明根据本发明的教示的当SMPS处于连续导电模式时经OR运算的PWM信号共同提供同步整流控制的示意时序图；
图8说明根据本发明的教示的当SMPS处于不连续导电模式时经AND运算的PWM信号共同提供同步整流控制的图式的示意时序图；
图9说明根据本发明的教示的经NOR运算的PWM信号共同提供用于交错正向转换器的整流的示意时序图；及
图10说明根据本发明的教示的经AND运算的PWM信号共同提供LED照明或马达控制的示意时序图。
虽然本发明易于接受各种修改及替代形式，但在图式中已展示且在本文中详细描述本发明的特定实例实施例。然而应了解，本文中对特定实例实施例的描述并不意欲将本发明限制于本文揭示的特定形式。
具体实施方式
根据本发明的各种实施例，是对其它PWM信号的逻辑处理的用户可控制的PWM信号的产生可具有用户可选择组合及/或序列逻辑功能。
根据本发明的各种实施例，可提供基于多个输入PWM信号而产生“衍生PWM”信号的方法。各种实施例提供经由接收源PWM信号的组合及/或序列逻辑的微控制器装置中PWM信号的产生。微控制器是单个集成电路裸片(芯片)上的系统，所述系统通常可包括中央处理单元、存储器、多个输入/输出端口及各种外围装置。
数个标准PWM产生器产生可用于驱动针对全桥(Full-Bridge)、前馈(Feed-Forward)、推挽(Push-Pull)、相移(Phase-Shift)、零电压转换(ZVT)及其它开关模式电源供应(SMPS)转换拓扑的功率级的PWM信号。此类PWM信号可馈送到本文中揭示及主张的组合逻辑块。用户(经由控制寄存器)可选择合适PWM信号作为操作数，且选择对输入操作数进行操作的期望逻辑功能。可直接使用所得组合PWM信号或可将其在输出到应用电路之前通过停滞时间处理电路进行馈送。除了组合逻辑功能外，序列逻辑功能也可用于提供序列PWM信号，例如同步序列、异步序列及/或序列组合PWM信号。
现在参考图式，示意性地说明特定实例实施例的细节。图式中的相同元件由相同数字表示，且类似元件将由具有不同小写字母后缀的相同数字表示。
参考图1，其描绘根据本发明的教示的具有停滞时间逻辑的PWM产生器的示意框图。第一PWM产生器150可产生耦合到第一停滞时间逻辑152的原始第一PWM信号RPWM1H及RPWM1L，所述原始第一PWM信号RPWM1H及RPWM1L可产生用于防止SMPS功率切换中的“电流过冲”的第一PWM信号PWM1H及PWM1L。第二PWM产生器154可产生耦合到第二停滞时间逻辑156的原始第二PWM信号RPWM2H及RPWM2L，所述原始第二PWM信号RPWM2H及RPWM2L可产生用于防止SMPS功率切换中的“电流过冲”的第二PWM信号PWM2H及PWM2L。
参考图2、2A、3及3A，其描绘根据本发明的特定实例实施例的PWM组合逻辑块的示意图。在图2中，组合PWM模块200具有耦合到第一多路复用器202及第二多路复用器204的信号RPWM1H、RPWM1L、RPWM2H、RPWM2L、PWM1H、PWM1L、PWM2H及PWM2L。第一多路复用器202的输出耦合到第一多路分用器206的输入，且第二多路复用器204的输出耦合到第二多路分用器208的输入。第一多路分用器206及第二多路分用器208的输出分别耦合到多个不同逻辑门210的第一输入及第二输入。第三多路复用器212使其输入耦合到多个不同逻辑门210的相应输出且用于选择多个不同逻辑门210的哪个输出将耦合到第三多路复用器212的输出以提供PWM信号CPWM1H。第一寄存器214可用于维持多路复用器及多路分用器输入/输出操纵选择且可由此组合PWM模块200的用户进行编程。
在图2A中，组合PWM模块200A具有耦合到第一多路复用器202及第二多路复用器204的信号RPWM1H、RPWM1L、RPWM2H、RPWM2L、PWM1H、PWM1L、PWM2H及PWM2L。第一多路复用器202的输出耦合到多个不同逻辑门210的第一输入。第二多路复用器204的输出耦合到多个不同逻辑门210的第二输入。第三多路复用器212使其输入耦合到多个不同逻辑门210的相应输出且用于选择多个不同逻辑门210的哪个输出将耦合到第三多路复用器212的输出以提供PWM信号CPWM1H。第一寄存器214可用于维持多路复用器及多路分用器输入/输出操纵选择且可由此组合PWM模块200A的用户进行编程。
在图3中，组合PWM模块300具有耦合到第四多路复用器322及第五多路复用器324的信号RPWM1H、RPWM1L、RPWM2H、RPWM2L、PWM1H、PWM1L、PWM2H及PWM2L。第四多路复用器322的输出耦合到第三多路分用器326的输入，且第五多路复用器324的输出耦合到第四多路分用器328的输入。第三多路分用器326及第四多路分用器328的输出分别耦合到多个不同逻辑门330的第一输入及第二输入。第六多路复用器332使其输入耦合到多个不同逻辑门330的各自输出且用于选择多个不同逻辑门330的哪个输出将耦合到第六多路复用器332的输出以提供PWM信号CPWM1L。第二寄存器334可用于维持多路复用器及多路分用器输入/输出操纵选择且可由此组合PWM模块300的用户进行编程。
在图3A中，组合PWM模块300A具有耦合到第四多路复用器322及第五多路复用器324的信号RPWM1H、RPWM1L、RPWM2H、RPWM2L、PWM1H、PWM1L、PWM2H及PWM2L。第四多路复用器322的输出耦合到多个不同逻辑门330的第一输入。第五多路复用器324的输出耦合到多个不同逻辑门330的第二输入。第六多路复用器332使其输入耦合到多个不同逻辑门330的各自输出且用于选择多个不同逻辑门330的哪个输出将耦合到第六多路复用器332的输出以提供PWM信号CPWM1HL。第二寄存器334可用于维持多路复用器及多路分用器输入/输出操纵选择且可由此组合PWM模块300A的用户进行编程。
图2、2A、3及/或3A中展示的多路复用器及/或多路分用器可由X-Y切换矩阵代替且根据所展示的寄存器进行控制。可设想且在本发明的范围内，具有数字电子集成电路设计中的一般技术且熟知本发明的优势的人将因此提出可起作用的其它电路设计。
参考图4，其描绘根据本发明的教示的同步/异步PWM选择及停滞时间逻辑的示意框图。在图4中，多路复用器464及466用于同步PWM信号CPWM1H及CPWM1L与异步PWM信号ACPWMH 460及ACPWML 468之间的双切换，例如过电流警报/跳闸(trip)。组合PWM模块200、200a、300及/或300A中的CPWM1H及CPWM1L PWM信号可进一步利用停滞时间逻辑462“调节”。寄存器470可用于存储且控制同步与异步PWM信号之间的选择。多路复用器464及466中的输出PWM3H及PWM3L分别可用于驱动SMPS电路。用户可对控制寄存器470进行编程以选择组合PWM信号的停滞时间经处理版本或直接使用组合块输出的输出。
参考图5，其描绘根据本发明的特定实例实施例的包括多个PWM产生器、组合逻辑块及极性选择的微控制器中的PWM宏块。微控制器(通常由数字500表示)可包括数字处理器及存储器554、第一PWM产生器及停滞时间逻辑550、第二PWM产生器及停滞时间逻辑552、组合逻辑556、多个极性选择XOR门558及组合存储寄存器560。组合逻辑556可包括图2、2A、3、3A中展示的电路或功能逻辑电路设计中的任何其它相当者。组合逻辑556及多个极性选择XOR门558可提供受用户控制的从由第一PWM产生器550及第二PWM产生器552提供的PWM信号导出的各种额外PWM信号的选择。组合寄存器560可使用多个位来存储用于组合逻辑556的组合逻辑配置。组合寄存器560可为数字处理器存储器554的部分或微控制器500中的分离存储寄存器。PWM输出可在微控制器500封装的外部连接节点(接脚)上进行多路复用且此类经多路复用的接脚的期望配置可进行编程且存储于配置寄存器(图中未展示)中。
参考图5A，其描绘根据本发明的特定实例实施例的包括多个PWM产生器、组合及序列逻辑块以及极性选择的微控制器中的PWM宏块。图5A中展示的微控制器500a以基本上相同于图5中展示的微控制器500的方式起作用且可进一步同时包括组合及序列逻辑556a。序列逻辑是一种输出不仅取决于当前的输入值且取决于过去输入的序列的逻辑，例如，序列逻辑可被认为是具有存储器的组合逻辑。序列逻辑可进一步被定义为同步或异步，其中同步序列逻辑依赖于时钟输入，所述频率输入可为所选择的PWM信号中的一个)，且异步序列逻辑不通过时钟信号同步。存在且在本文中出于所有目的设想同步及异步序列逻辑两者的诸多实例。
参考图6，其描绘根据本发明的教示的H桥初级及次级同步FET整流器的示意图。图1到4中导出的PWM信号可用于驱动图6中展示的FET功率切换。广泛使用同步整流器(Sync-FET)，这是因为相对于标准整流器二极管，所述同步整流器具有更好的功率效率。控制(Sync-FET)是有挑战性的，这是因为需要在同步整流器之前对第一功率转换级中发生的行为做出反应。现有(Sync-FET)控制方法需要额外控制电路或额外计算资源来规划正在进行的功率级中的事件(例如电流限制)且对其做出反应。图2、2A、3及/或3A中展示的组合PWM模块产生PWM信号来控制需要较少处理器计算且响应于例如源PWM信号上的电流限制的异步事件的同步整流器。一些实例PWM波形时序图及描述如下：
参考图7，其描绘根据本发明的教示的当SMPS处于连续导电模式时经OR运算的PWM信号共同提供同步整流控制的示意时序图。PWM信号PWM1H利用PWM2L进行OR运算，且PWM1L利用PWM2H进行OR运算以产生两个新PWM信号，如图7中所展示。此类新PWM信号可用于控制在SMPS处于连续导电模式情况下的同步整流器。
参考图8，其描绘根据本发明的教示的当SMPS处于不连续导电模式时经AND运算的PWM信号共同提供同步整流控制的图式的示意时序图。PWM信号PWM1H利用PWM2L进行AND运算，且PWM1L利用PWM2H进行AND运算以产生两个新PWM信号，如图8中所展示。此类新PWM信号可用于当PSU处于不连续导电模式时控制同步整流器。
参考图9，其描绘根据本发明的教示的经NOR运算的PWM信号共同提供用于交错正向转换器的整流的示意时序图。图9展示当PWM1H信号利用PWM2L信号进行NOR运算时的逆结果。这个新PWM信号可用于控制SMPS中的交错同步整流。
参考图10，其描绘根据本发明的教示的经AND运算的PWM信号共同提供LED照明或马达控制的示意时序图。应注意，所展示的信号未按比例绘制。此电路可有效控制LED灯的亮度或马达速度。使用序列组合逻辑的优势是当较低频率PWM2位于逻辑低时可关闭高得多的频率PWM1信号以节约用电且接着当PWM2信号返回到逻辑高时可将PWM1信号同步(电路未展示)，例如锁相，到PWM2信号的上升边缘，由此从AND门提供清楚(无尖峰)的PWM输出信号。

Claims (23)

1.一种用于从两个其它脉宽调制信号的逻辑组合中产生脉宽调制信号的设备，所述设备包括：
第一脉宽调制产生器，其经调适以用于产生第一脉宽调制信号；
第二脉宽调制产生器，其经调适以用于产生第二脉宽调制信号；及
第一组合逻辑；
其中，所述第一脉宽调制产生器和所述第二脉宽调制产生器是可控制的，且所述第一组合逻辑包括多个可选逻辑功能且所述第一组合逻辑进一步经调适以用于：
接收所述第一脉宽调制信号及第二脉宽调制信号；以及
通过根据输出模式而变化地从所述多个可选逻辑功能选择而从所述第一脉宽调制信号及所述第二脉宽调制信号中产生第三脉宽调制信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个逻辑功能选自由AND、NAND、OR、NOR、XOR及NXOR门逻辑组成的群组中的任何一或多者。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述第一脉宽调制产生器经调适以用于产生所述第一脉宽调制信号及逆第一脉宽调制信号。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述第一脉宽调制信号及所述逆第一脉宽调制信号耦合到所述第一组合逻辑。
5.根据权利要求3所述的设备，其中所述第二脉宽调制产生器经调适以用于产生所述第二脉宽调制信号及逆第二脉宽调制信号。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述第二脉宽调制信号及所述逆第二脉宽调制信号耦合到所述第一组合逻辑。
7.根据权利要求5所述的设备，其进一步包括第二组合逻辑，所述第二组合逻辑经调适以用于接收所述第一脉宽调制信号及第二脉宽调制信号且从所述第一脉宽调制信号及第二脉宽调制信号中产生第四脉宽调制信号。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述第二组合逻辑包括多个逻辑功能。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述第二组合逻辑接收所述逆第一脉宽调制信号和/或所述逆第二脉宽调制信号。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述可选择的多个逻辑功能是可编程的。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述多个逻辑功能的所述可编程选择存储于存储器中。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述存储器是至少一个配置寄存器。
13.根据权利要求7所述的设备，其进一步包括经调适以用于接收所述第一脉宽调制信号及第二脉宽调制信号且从所述第一脉宽调制信号及第二脉宽调制信号中产生所述第三脉宽调制信号的第一序列逻辑。
14.根据权利要求13所述的设备，其进一步包括经调适以用于接收所述第一脉宽调制信号及第二脉宽调制信号且从所述第一脉宽调制信号及第二脉宽调制信号中产生所述第四脉宽调制信号的第二序列逻辑。
15.根据权利要求13所述的设备，其中所述第一序列逻辑选自由同步及异步序列逻辑组成的群组。
16.一种微控制器，其包括根据权利要求1所述的脉宽调制设备，其中所述微控制器经调适以选择多个逻辑功能中的特定者。
17.一种用于从两个其它脉宽调制信号的逻辑组合中产生脉宽调制信号的方法，所述方法包括以下步骤：
利用可控制的第一脉宽调制产生器产生第一脉宽调制信号；
利用可控制的第二脉宽调制产生器产生第二脉宽调制信号；且
通过根据输出模式而变化地从多个可选逻辑功能选择而从所述第一脉宽调制信号及第二脉宽调制信号的逻辑组合中产生第三脉宽调制信号。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述逻辑组合选自由AND、NAND、OR、NOR、XOR及NXOR逻辑组成的群组。
19.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括从所述第一脉宽调制信号及第二脉宽调制信号的第二逻辑组合中产生第四脉宽调制信号的步骤。
20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括产生所述第三脉宽调制信号与所述第四脉宽调制信号之间的停滞时间的步骤。
21.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括用异步脉宽调制信号替代所述第三脉宽调制信号的步骤。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述异步脉宽调制信号是电流限制脉宽调制信号。
23.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括从所述第一脉宽调制信号及第二脉宽调制信号的序列逻辑组合中产生所述第三脉宽调制信号的步骤。
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