CN108282078A - 用于转换器中的瞬变检测的动态阈值选择 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种动态阈值确定电路(110)，其响应于电力转换器(102)的低电压瞬变而改变用于确定何时注入额外能量以增加所述转换器(102)的输出电压的阈值电压。通过能够改变所述阈值，更精细地控制用于校正瞬变的能量输入是可能的。在一个实施方案中，所述阈值比用于瞬变校正的典型静态阈值更接近目标电压，并且所述注入的能量小于通常用于瞬变校正的能量。因此，所述电力转换器(102)将对瞬变具有快速响应，但不太可能使所述校正过冲。在所述瞬变继续的情况下，可改变所述阈值以从目标值进一步移动，同时增加能量的增加量，使得所述系统可动态地移动以校正更大瞬变。

Description

用于转换器中的瞬变检测的动态阈值选择
技术领域
本发明大体上涉及电力转换器，且更特定来说，涉及直流(DC)到DC电力转换器。
背景技术
电力转换器被用于各种设置以将电力从一种形式转换成另一种形式。一种已知类型的电力转换器是DC到DC电力转换器，其取得具有设置电压的直流电力并将那个信号转换成不同的设置电压。电力转换器的性能可受多种因素的影响。例如，接收电力转换器的输出的电路可能影响其行为以从电力转换器汲取更多或更少的电流，这可使输出电压从电力转换器的目标输出电压改变。转换器输出的此类改变称为瞬变。瞬变可能对由电力转换器供电的电路造成各种各样的问题，其包含在转换器的输出电力下降得太低的情况下会导致装置的硬复位。
为补偿降低转换器的输出电压的瞬变，添加额外的能量来使输出升压。通过感测输出下降到特定阈值以下来触发升压。然而，升压可能会超出转换器的目标电压，即导致电压显著高于目标输出电压。某些校正方法的另一问题是误触发期间不适当的能量注入，其中输出电压只是非常短暂地下降到阈值以下且接着快速自校正。在此情况下注入能量几乎肯定会导致超出目标电压。某些方法的另一问题是能量注入导致输出振荡，其对接收转换器的电压输出的电路造成有害的谐波效应。
发明内容
一般来说，依据这些各种实施例，一种动态阈值确定电路响应于电力转换器的低电压瞬变而改变用于确定何时注入额外能量以增加所述转换器的输出电压的阈值电压。通过能够改变所述阈值，更精细地控制用于校正瞬变的能量输入是可能的。在一个实施方案中，初始阈值比用于瞬变校正的典型静态阈值更接近目标电压，并且注入的初始能量小于通常用于瞬变校正的能量。因此，所述电力转换器将对瞬变具有快速响应，但不太可能使所述校正过冲。在此实例中，在所述瞬变继续的情况下，可改变所述阈值以从目标值进一步移动，并添加能量的增加量，使得所述系统可动态地移动以校正更大瞬变。在对下文详细描述进行全面的审阅及研究之后，这些及其它的益处可能变得更清楚。
附图说明
图1包括根据本发明的各种实施例配置的实例电路的框图；
图2包括说明与根据本发明的各种实施例配置的动态阈值相比较的电压输出的曲线图；
图3包括在本发明的实例实施例中使用的实例峰值寻找器电路的框图；
图4包括在本发明的实例实施例中使用的电路部分；
图5包括在本发明的实例实施例中使用的电路部分；
图6包括在本发明的实例实施例中使用的电路部分；
图7包括在本发明的实例实施例中使用的电路部分；
图8包括在本发明的实例实施例中使用的电路部分；
图9包括在本发明的实例实施例中使用的电路部分；
图10包括在本发明的实例实施例中使用的电路部分；
图11包括在本发明的实例实施例中使用的电路部分；
图12包括在本发明的实例实施例中使用的电路部分；
图13包括说明在根据本发明的各种实施例的电路的实例操作期间的各种信号电平的曲线图；
图14包括说明在根据本发明的各种实施例的电路的实例操作期间的各种信号电平的曲线图；
图15包括说明不同瞬变校正方案的性能的曲线图。
技术人员将了解，为简单及清楚而说明图式中的元件，且不一定按比例绘制图式中的元件。举例来说，图式中一些元件的尺寸及/或相对定位可能相对于其它元件被夸大，以帮助增进对本发明的各种实施例的理解。此外，在商业上可行的实施例中有用或必要的普通但公知的元件通常未被描绘以促进对这些各种实施例的较少妨碍的观察。将进一步了解的是，可以特定的发生顺序来描述或描绘某些动作及/或步骤，而所属领域的技术人员将理解，实际上并不需要关于顺序的此特定性。还将理解的是，除本文另外阐述不同的特定含义之外，本文使用的术语及表达具有如上文阐述的技术领域的技术人员根据此类术语及表达所赋予的一般技术含义。
具体实施方式
现在参考图式，且特定来说参考图1，现在将呈现与这些教示中的许多相兼容的说明性电路。与转换器电路102(例如DC到DC电力转换器)一起使用或作为其一部分的电路100包含感测电路105，其经连接以接收并检测转换器电路102的电压输出信号Vout并提供对应于电压输出信号的感测信号。电压输出为作为较大装置或系统109的部分的系统电路108供电。感测电路102通常包含电压检测电路、比较器电路或类似结构以确定由转换器电路102提供的电压。电路100还包含经配置以提供动态阈值信号的动态阈值确定电路110。比较器电路120经连接以接收并比较感测信号与动态阈值信号，并且响应于感测信号超过动态阈值信号而输出注入启用信号。比较器电路120经配置以响应于感测信号低于动态阈值信号而切断注入启用信号。应理解的是，此处使用的术语“超过”及“低于”仅仅表示相对交叉，并不一定表示仅在数值上更大或更小。
电路100进一步包含能量注入电路130，其经配置以响应于注入启用信号而注入额外能量以增加电压输出信号的电压。额外能量的量是至少部分基于动态阈值信号。能量注入电路130可通过改变所施加的电压或电流量或通过改变施加额外能量的频率来改变额外能量的量。举例来说，如果能量通过例如脉冲调制输入的脉冲输入，那么脉冲频率的增加将增加输入到系统的能量的量。能量注入电路在所属领域中通常是已知的，并且本文的教示涉及如何更好地控制此类能量注入电路。
将参照图1及2描述动态阈值确定电路的实例实施方案。在此实例中，初始动态阈值信号被设置成低于目标电压输出信号不超过10％，并经设置以考虑电压输出信号在正常操作期间的可接受纹波。一般来说，DC到DC转换器的输出电压将会变化很小的量，此变化被称为纹波。响应于正常纹波而触发能量注入将可能导致校正的过冲，因为正常纹波自校正。在图2中，线210表示输出电压或对应于输出电压的感测信号。为简单起见，在此描述中，线210将被称为输出电压。图2的输出电压210表面在部分212处的正常纹波。一般技术人员将认识到，此类电路中的正常纹波的大小将基于转换器的类型及转换器的操作环境而变化。尽管希望避免对正常纹波作出反应，但也希望将初始动态阈值信号设置成尽可能接近目标电压输出信号，例如低于目标电压输出信号不超过10％，以便对瞬变事件具有快速响应。
在图2的实例中，说明四个单独的阈值202、204、206及208。在一种方法中，如本文所论述的动态阈值信号可为这些个别设置值，使得动态阈值信号简单地从一个到下一个步进，使得动态阈值确定电路在一系列步进中减小动态阈值信号。在由线220说明的另一种方法中，动态阈值信号可为用于使电压输出信号210更接近于目标电压输出信号211的补偿信号的移动平均值或电压输出信号210从目标电压输出信号211的变化加上例如上文提到的步进方法的进一步动态调整的移动平均值的组合。动态阈值信号也可线性变化，或通过其它方法中的其它方法变化。
在这些方法中的任一者中，如果一者以正常操作条件开始，那么比较器电路120比较输出电压210与初始动态阈值信号(取决于图2的方法，经设置初始阈值202或移动阈值220)。当输出电压210下降到低于初始动态阈值信号202、220时(例如在点230处所说明)，注入启用信号触发能量注入电路130注入额外能量以尝试使电压输出信号210回到目标电压输出信号211。响应于接收注入启用信号，动态阈值确定电路110将动态阈值信号减小到第二阈值204，或者通过在点240处步进减低移动动态阈值信号220。此步进减低可发生在延迟(在图2中说明为点230与240之间的第二脉冲延迟)之后以允许有电压输出信号响应于额外能量的注入而移动的时间，并且此延迟可为电路固有的，其中阈值与由电路用以控制能量到电压输出的注入的某些电路循环(例如脉宽调制循环)结合移动。
在图2的实例中，在例如电路的一个操作循环的设置时间之后，比较器电路120再次比较电压输出信号210与动态阈值信号204、220，并再次确定电压输出信号210低于动态阈值信号并且输出注入启用信号。因此，能量注入电路130再次注入额外能量以增加电压输出信号210的电压。在此情况下，可基于动态阈值信号的相对较低的设置来增加额外能量。此外，响应于接收注入启用信号，动态阈值确定电路110再次将动态阈值信号减小到第三阈值206或通过步进减低移动动态阈值信号220。在此情况下，在点240及250处的步进之间的所说明的第三延迟可有意地设置为比点230与240之间的第二延迟脉冲更长，这是因为具有短的第二延迟脉冲可增加电路对瞬变事件的响应。
过程在点250处再次重复，其中比较器电路120再次比较电压输出信号210与动态阈值信号206、220，并再次确定电压输出信号210低于动态阈值信号并输出注入启用信号。然而，现在电压输出信号210响应于额外能量的注入并且朝着目标电压输出信号211移动。当与动态阈值信号220响应于注入启用信号的进一步发送的进一步减小组合时，电压输出信号现在在点260处高于动态阈值信号220。因此，响应于感测信号或电压输出信号210低于动态阈值信号，比较器电路120切断注入启用信号。
在动态阈值信号从初始动态阈值信号移动之后，不同的方法可用于复位动态阈值信号。举例来说，动态阈值确定电路110可经配置以响应于比较器电路120切断注入启用信号而将动态阈值信号复位为初始动态阈值信号。在另一方法中，动态阈值信号可在复位之前保持一段时间。在一个此实例中，动态阈值信号响应于电压输出信号下降到低于初始动态阈值信号而复位为初始动态阈值信号，以便维持更高水平的额外能量被输入以尽可能快地校正瞬变事件。
此外，再次参照图1，如果电压输出信号未恢复到目标电压输出信号，那么电路可适于触发总系统109级复位。电压输出信号不恢复可能是转换器电路102不能自校正的更大系统问题的指示。因为转换器可通过检测长期偏置的电压输出信号来检测此问题，所以转换器可用来触发系统级复位。例如，处理电路140可经配置以确定动态阈值信号被设置在最大经修改动态阈值信号达设置时间，并且作为响应，起始系统复位。换句话说，如果动态阈值信号尽可能地移动并且在特定时间段内未恢复，那么在感测到此情况时，发送信号以触发系统级复位。作出此确定的处理器电路可为动态阈值确定电路110本身、单独处理器电路140或者在转换器电路102内或与转换器电路102通信的另一电路。
所属领域的技术人员将了解，使用各种各样的可用及/或容易配置的平台(其包含如所属领域中已知的部分或整体可编程平台，或一些应用可能需要的专用平台)中的任何者来容易地促成上文描述的过程。现在参照图3到12，现在将提供此平台的说明性设计实例。此实例电路经配置以在可使用API(异步脉冲注入)方案或SPI(同步脉冲注入)方案的环境中实施这些教示。所属领域的技术人员可认识到对这些电路的各种修改仅为API或仅为SPI。图13及14通过图形说明图3到12中所说明及如下文论述的各种节点在电路的操作期间的信号值。下表列出适用于图3到12的输入/输出参数。
表1：I/O信号及参数
图3说明输出由图4的电路用来确定是否提供能量注入脉冲的的补偿峰值信号(COMP_PK)的峰值寻找器电路的连接。在此实例中，注入能量脉冲的确定来自比较器410，比较器410确定在进行注入时COMP_PK+THRESH(一起为动态阈值)是否大于COMP。如果COMP_PK+THRESH>COMP及API_F_ENG为高且THRESH_EN为高，那么可能会注入脉冲，因为OK_PULSE然后被设置为高，充当注入启用信号。
图5说明用于确定何时将动态阈值信号复位为初始动态阈值信号的电路。在实例示意图的此部分中，通过两种方法复位阈值。第一种方法包含Comp平均值加上初始阈值(由求和电路510提供)在先前高于Comp之后低于Comp。第二种方法包含一个软启动特征，其使用Comp平均值加上初始阈值低于Comp被评估为真。如果阈值不处于初始状态，那么两种情况都将只发送复位信号RST，因为如果当前状态已经是初始动态阈值信号状态，那么没有理由递送信号。
图6说明经配置以响应于额外能量的连续脉冲而递增的计数器电路610。在动态阈值确定电路的此实例中，使用上升计数器610来移动阈值。阈值中的“步进”可由初始脉冲或步进输入引起，其可为由斜坡相交comp、SPI或取决于用户期望的功能性的时间延迟注入的脉冲。这些“步进”仅在API_F_ENG为高时发生，即，如果API能量注入过程未被占用，那么不发生步进。为启用此计数器610，THRESH_EN及SS_API必须如通过与门620所确定的那样为高。计数器610的复位由先前在上文参考图5所提及的逻辑来处置。计数器的输出D0、D1及D2用于确定动态阈值信号的对应电平。
图7说明使用来自计数器电路610的输出来选择动态阈值信号的对应电平的基于电路的逻辑。在此实例中，确定是基于D0、D1及D2是高/低的顺序。此处的设计基于二的补码3位，其中D0|D1|D2:000＝INIT(基数电平)，100＝第一、010＝第二、...、001＝第四等等，其中D0是LSB(最低有效位)且D2是MSB(最高有效位)。
图8说明经配置以输出动态阈值信号作为特定电压电平的电路。在使用计数器电路610的输出来选择对应电平之后，图7的逻辑的输出接着将通过允许经由开关S1到S7的更大的阈值而使阈值移动，这允许更高的电压通过并成为新的阈值。此处，尽管阈值被移动，但INIT_THRESH保持恒定以确定阈值的复位点，即初始动态阈值信号。
图9说明将API或SPI方法中的哪一者用于能量注入方法的电路。针对图3到12的所说明的实例，为从例如斜坡相交COMP或SPI的外部源引出步进，参数STEP_ALT_EN必须为高。如果SPI_EN为高且STEP_ALT_EN为高(意味着SPI将是所选择的注入脉冲的替代方法)，那么STEP将在SPI脉冲发生时发生。类似地，对于斜坡相交COMP，如果STEP_ALT_EN为高且SPI_EN为低，那么在斜坡与COMP相交时将发生步进。否则，如果STEP_ALT_EN为低，但THRESH_EN为高，那么步进将通过STEPA-STEPF给出的所选延时脉冲发生。
图10说明一种电路，所述电路用于控制当电路步进通过不同的阈值时响应于选择阈值电平而产生两个结果。首先，脉冲由PULSEA-PULSEG产生，其次，发送一个STEP信号。根据用户的设计选择，STEP信号可能不会影响贯穿电平的移动。在某些方法中，阈值的增加可基于感测额外能量的要求的若干技术。举例来说，使用如本文所描述的从误差放大器获得的COMP信号可与电流感测方法或用以触发向系统中注入更多的能量的任何任意方法结合使用。此外，可在利用任何前述的感测额外能量需求的方法从同步脉冲(SPI)注入时进行所述步进。
图11说明用于在注入到电压输出信号电路中之前处置能量脉冲的电路。在产生脉冲之后，在注入之前对所述脉冲进行测试。通过以下方式产生脉冲：SPI、comp相交斜坡、时间延迟脉冲或任何用户输入方法。如果THRESH_EN为高且STEP_ALT为高，那么在OK_PULSE为高的情况下，将注入来自此块外部的预期脉冲。如果THRESH_EN为低且STEP_ALT为低，那么在API_F_ENG为高的情况下，将注入来自此块外部的预期脉冲。如果STEP_ALT_EN为低，那么除在OK_PULSE为高的时间延迟之后递送的脉冲之外，注入脉冲由初始脉冲递送。STEP_ENG将向系统中递送即时脉冲；通过将INIT_PULS_EN参数设置为高来使斜坡相交comp方法及时间延迟方法正确工作来设置针对此的选项。
图12说明处置初始脉冲的电路。此处，STEP_ENG是在API_F_ENG变为高之后立即变为高的脉冲。这实质上是在API占用后立即递送脉冲。此选项可经由INIT_PULS_EN参数来启用/停用。参考图11描述使用STEP_ENG脉冲的此实施方案的功能性。
在额外替代实施例中，上文描述的功能性或逻辑可以可在单独处理器电路中执行的代码的形式来体现。如果体现在软件中，那么每一功能性块或逻辑块可表示包括用于实施指定的逻辑功能的程序指令的模块、区段或代码部分。程序指令可以源代码的形式体现，所述源代码包括用编程语言编写的人类可读语句，或者包括由合适的执行系统(例如计算机系统或其它系统中的处理器)可识别的数字指令的机器代码。机器代码可从源代码转换而来。如果以硬件实施，那么每一块可表示用以实施指定逻辑功能的电路或数个互连电路。因此，计算机可读媒体(为非暂时性的或有形的)可存储经配置以使处理设备执行如本文所描述的操作的此类指令。
图15说明根据本发明的包含已知电压模式控制方法、已知API方法及用动态阈值实施的API方法的各种瞬变校正方法的结果比较。在相关的行为模型上进行模拟，以反映除具有动态阈值数据的API之外的所有实例的瞬变响应方面的实际情况，这仅仅是模拟。使用SIMPLIS建模软件执行模拟。在此比较中，已知的电压模式控制方法具有85mV的下冲值及7mV的过冲值。已知API方法具有26mV的下冲值及51mV的过冲值。使用动态阈值方法的API方法具有37mV的下冲值及0.8mV的过冲值。因此，与电压控制模式方法相比较，使用此动态阈值方法展现显著改进的下冲性能，且与两个其它先前已知的方法相比较，使用此动态阈值方法展现显著改进的过冲性能。
所属领域的技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可关于上文描述的实施例进行各种修改、变更及组合，并且此类修改、变更及组合被视为在本发明概念的范围内。

Claims (18)

1.一种与转换器电路一起使用或用作其一部分的电路，所述电路包括：
感测电路，其经连接以接收并检测所述转换器电路的电压输出信号并提供对应于所述电压输出信号的感测信号；
动态阈值确定电路，其经配置以提供动态阈值信号；
比较器电路，其经连接以接收并比较所述感测信号与所述动态阈值信号，并且响应于所述感测信号超过所述动态阈值信号而输出注入启用信号；
能量注入电路，其经配置以响应于所述注入启用信号而注入额外能量以增加所述电压输出信号的电压，其中所述额外能量的量是至少部分基于所述动态阈值信号；
其中所述动态阈值确定电路经配置以接收所述注入启用信号并且作为响应增加所述动态阈值信号。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述动态阈值确定电路经配置以在一系列步进中增加所述动态阈值信号。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述动态阈值确定电路经配置以将所述动态阈值信号移动到最大经修改动态阈值信号。
4.根据权利要求3所述的电路，其进一步包括处理电路，所述处理电路经配置以确定所述动态阈值信号被设置在所述最大经修改动态阈值信号达设置时间，并且作为响应起始系统复位。
5.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的电路，其中所述比较器电路经配置以响应于所述感测信号低于所述动态阈值信号而切断所述注入启用信号。
6.根据权利要求5所述的电路，其中所述动态阈值确定电路经配置以响应于所述比较器电路切断所述注入启用信号而将所述动态阈值信号降低到初始动态阈值信号。
7.根据权利要求1到6中任一权利要求所述的电路，其中在所述电压输出信号处于或接近目标电压输出信号的正常操作期间，所述动态阈值确定电路经配置以将所述动态阈值信号设置为低于所述目标电压输出信号不超过10％的初始动态阈值信号，并经设置以考虑所述电压输出信号在正常操作期间的可接受纹波。
8.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的电路，其中所述动态阈值确定电路包括计数器电路，所述计数器电路经配置以响应于所述额外能量的连续脉冲而递增，且其中所述动态阈值确定电路经配置以基于存储在所述计数器电路中的值来确定所述动态阈值信号。
9.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的电路，其中所述能量注入电路经配置以通过改变施加的电压或电流量或通过改变施加所述额外能量的频率来改变额外能量的量。
10.一种制作电路的方法，所述方法包括：
制造硅基固定频率DC到DC电压转换器电路，所述DC到DC电压转换器电路包括：
感测电路，其经连接以接收并检测所述转换器电路的电压输出信号并提供对应于所述电压输出信号的感测信号；
动态阈值确定电路，其经配置以提供动态阈值信号；
比较器电路，其经连接以接收并比较所述感测信号与所述动态阈值信号，并且响应于所述感测信号超过所述动态阈值信号而输出注入启用信号；
能量注入电路，其经配置以响应于所述注入启用信号而注入额外能量以增加所述电压输出信号的电压，其中所述额外能量的量是至少部分基于所述动态阈值信号；
其中所述动态阈值确定电路经配置以接收所述注入启用信号并且作为响应增加所述动态阈值信号的阈值。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述动态阈值确定电路经配置以将所述动态阈值信号增加到最高动态阈值信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括制造处理电路，所述处理电路经配置以确定所述动态阈值信号被设置在所述最高动态阈值信号达设置时间，并且作为响应起始系统复位。
13.根据权利要求10到12中任一权利要求所述的方法，其中所述比较器电路经配置以响应于所述感测信号低于所述动态阈值信号而切断所述注入启用信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述动态阈值确定电路经配置以响应于所述比较器电路切断所述注入启用信号而将所述动态阈值信号降低到初始动态阈值信号。
15.根据权利要求10到14中任一权利要求所述的方法，其中在所述电压输出信号处于或接近目标电压输出信号的正常操作期间，所述动态阈值确定电路经配置以将所述动态阈值信号设置为低于所述目标电压输出信号不超过10％的初始动态阈值信号，并经设置以考虑所述电压输出信号在正常操作期间的可接受纹波。
16.根据权利要求10到15中任一权利要求所述的方法，其中所述动态阈值确定电路包括计数器电路，所述计数器电路经配置以响应于所述额外能量的连续脉冲而增大，且其中所述动态阈值确定电路经配置以基于存储在所述计数器电路中的值来确定所述动态阈值信号。
17.根据权利要求10到16中任一权利要求所述的方法，其中所述能量注入电路经配置以通过改变施加的电压或电流量或通过改变施加所述额外能量的频率来改变额外能量的量。
18.一种固定频率DC到DC电压转换器电路，其包括：
感测电路，其经连接以接收并检测所述转换器电路的电压输出信号并提供对应于所述电压输出信号的感测信号；
动态阈值确定电路，其经配置以提供动态阈值信号；
比较器电路，其经连接以接收并比较所述感测信号与所述动态阈值信号，并且响应于所述感测信号超过所述动态阈值信号而输出注入启用信号，并响应于所述感测信号低于所述动态阈值信号而切断所述注入启用信号；
能量注入电路，其经配置以响应于所述注入启用信号而注入额外能量的脉冲以增加所述电压输出信号的电压，其中所述额外能量的量是至少部分基于所述动态阈值信号；
其中所述动态阈值确定电路经配置以接收所述注入启用信号，并且作为响应，在经设置数目的步进中将所述动态阈值信号的阈值递增地增加到最高动态阈值信号；
其中所述动态阈值确定电路经配置以响应于所述比较器电路切断所述注入启用信号而将所述动态阈值信号降低到初始动态阈值信号；
其中所述电压转换器电路进一步包括处理电路，其经配置以确定所述动态阈值信号被设置在所述最高动态阈值信号达设置时间，并且作为响应起始系统复位；
其中在所述电压输出信号处于或接近目标电压输出信号的正常操作期间，所述动态阈值确定电路经配置以将所述动态阈值信号设置为低于所述目标电压输出信号不超过10％的初始动态阈值信号，并经设置以考虑所述电压输出信号在正常操作期间的可接受纹波。
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