CN109213244B - 用于统一伺服系统中的多个控制模式的动态操纵配置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开系统和方法，该系统和方法提供控制功率电子装置(例如，功率变换器)的操作的具有多个子控制输入的控制电路。多个子控制输入中的每个从包括反馈电路的单独子控制电路中输出，该反馈电路具有连接到公用控制节点的输入。公用控制节点耦合到控制器(例如，PWM控制器)的输入。子控制电路中的每个的输出由相应的开关(例如，二极管、晶体管等)耦合到公用控制节点，以便子控制电路中的每个可以选择性地耦合到公用控制节点，以将控制信号提供到控制器。由于反馈补偿电路中的每个的部件在调节电压而非更高电源电压下偏压，因此，控制电路可以以最小的延迟在控制模式之间切换。

Description

用于统一伺服系统中的多个控制模式的动态操纵配置
本申请为题为“用于统一伺服系统中的多个控制模式的动态操纵配置”的中国专利申请的分案申请，该中国专利申请的申请号为201580049344.4，申请日为2015年5月29日。
技术领域
本公开涉及用于功率电子装置的控制系统。
背景技术
一般而言，电源/变换器应用要求电源在被各种电极限(例如，电压、电流、功率、电阻和电导)限制的明确定义的操作区域内操作。电源的操作可以被控制在操作区域内操作，以保护电源、保护耦合到电源的负载，或者用于一些所需的控制效果。根据应用，电源可以(例如)被要求提供不超过指定电流极限的恒定功率输出。此外，一些电源应用要求电源能够有效地在操作模式之间切换。例如，一些电源可以在提供恒定电源到提供恒定电流之间切换。
图1示出DC/DC功率变换器10的简化示意图。功率变换器10通过重复断开和闭合电源开关12进行操作。开关12可以是(例如)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在一些实施方案中，闭合开关12致使电流从直流(DC)输入源14流过可磁化部分16的绕组(例如，变压器的初级绕组，电感器)。在一个示例中，开关12的端子之间出现粗糙DC电压。在另一示例中，交流(AC)线电压可以(例如)由桥式整流器(未示出)和相关联的平滑电容器(未示出)进行整流，以将经过整流和平滑的粗糙DC电压提供到开关的端子。
当开关12闭合时，流过可磁化部分16的电流可以致使能量存储在可磁化部分中。开关12随后断开。当开关12断开时，存储在可磁化部分16中的能量通过整流器与输出滤波器20(例如，二极管和电容器)转移到功率变换器的输出节点18。电流可以使输出滤波器20充电。在恒定电压(CV)模式下的稳态操作中，开关12可以迅速地切换到断开和闭合，并且以这样的方式使得输出滤波器20上的输出电压VOUT在输出节点18处保持基本上恒定。
功率变换器10包括控制器22，所述控制器控制开关12的断开和闭合。例如，控制器22可以采取脉冲宽度调制(PWM)控制器的形式。
功率变换器10在利用伺服反馈控制的两个控制模式下操作：恒定电压(CV)模式和恒定电流(CC)模式。在CV操作模式下，输出电压VOUT由电压感测电路24(例如，电阻分压器)感测。电压感测电路24的输出节点26耦合到电压控制放大器28的反相输入端子。电压控制放大器28可以耦合到正电源和负电源(例如，VCC和接地、+VCC和–VCC等)。电压控制放大器28将电压感测电路的输出节点26处的电压与耦合到非反相输入端子的参考电压VREF1进行比较，并且在节点29处将比较的结果输出到电压控制放大器28的输出端子上(VEA)。
反馈补偿电路30耦合在电压控制放大器28的反相输入端子与输出端子之间。反馈补偿电路30包括串联连接在一起的补偿或反馈电容器32和反馈电阻器34。如果电压控制放大器28反相输入的比较低于它的非反相输入(即，VOUT低于调节)，那么放大器28的输出电压将增加到公用控制节点38处的所需电压，以维持VOUT的调节。如果放大器28反相输入的比较大于它的非反相输入(即，VOUT高于调节)，那么放大器28的输出电压将降低到公用控制节点38处的所需电压，以维持VOUT的调节。在这两种情况下，公用控制节点38处的这个误差电压(VCONTROL)表明输出节点18处的输出电压VOUT。上拉电阻器36为放大器28提供源电流。控制器22的输入耦合到公用控制节点38，并且基于所接收的误差电压，控制器控制开关12的开/关工作周期，以调整输出电压VOUT。
在CC操作模式下，由功率变换器10供应的电流IOUT被电流感测电路42(例如，感测电阻器)感测。电流感测电路42的输出节点44上的电压由电流控制放大器46感测。电流控制放大器46可以耦合到正电源和负电源(例如，VCC和接地、+VCC和–VCC等)。
反馈补偿电路48耦合在电压控制放大器46的反相输入端子与节点47处的输出端子(VCA)之间。反馈补偿电路48包括串联连接在一起的补偿或反馈电容器50和反馈电阻器52。
如果由电流感测电流42输出的电压大于预定值，那么电流控制放大器46致使其输出端子上的电压减少到公用控制节点38处所需的相对低电压(VCONTROL)，以维持输出负载IOUT的预定极限。上拉电阻器36为放大器46提供源电流。因此，由控制器22感测的电压表明输出电流IOUT的幅度。基于公用控制节点38电压，控制器控制开关12的开/关工作周期，以调整输出电流IOUT。
在此示例中，阻流二极管40和54被配置成使得选择最小误差信号并且将它提供到控制器22。因此，二极管可以被称为处于“ORed”或“ORing”配置。
功率变换器10在CV模式或CC模式下操作，取决于负载条件。在一个示例中，如果输出电流超出指定电流(例如，短路或其他过电流条件)，那么功率变换器10在恒定电流模式下操作。否则，功率变换器10在恒定电压模式下操作。因此，在此示例中，CC模式充当限流器，以保护功率变换器的一个或多个部件，诸如，开关
在图1的功率变换器10中，在操作模式之间过渡时(例如，从CV过渡到CC模式)，可以出现不合需要的瞬变。具体而言，在输出节点18处的短路条件下，可以出现可损坏开关12或其他电路的高瞬变输入电流。此外，在功率变换器10的启动期间，尤其是在将功率传递到电容负载时，可以出现过量输入电流纹波和输出电压纹波。
发明内容
回顾图1的示意图，揭露了两个控制模式之间的过渡导致上述瞬变的原因。当在CV模式时，电压控制放大器28的输出电压处于相对低调节点(例如，几伏)。不在控制中的电流控制放大器46的输出电压非常接近正电源轨VCC(例如，五伏)。当控制从电压控制放大器28切换到电流控制放大器46时，例如，电流控制放大器的输出电压必须从接近VCC向下摆动到低得多的调节点电压。
这个“摆动”被若干因素延迟。一个相对次要的因素是运算放大器在它的极限(例如，接近+VCC轨)下工作的固有延迟。另一相对次要的因素是运算放大器的有效转换速率。相对主要因素是当控制在模式之间切换之后使局部反馈电容器32和50充电或放电到相应放大器28和46的新输出电压所需的时间。在一些示例中，使反馈电容器32和50放电可以需要若干时钟周期(例如，550kHz开关频率下的50个时钟周期或更多)，从而导致控制模式之间的切换出现明显延迟，造成应用于一个或多个部件(诸如，开关12)的不可控制的能量的延长周期。这个延迟可以导致高瞬变输入电流和电压(例如，漏电压)，从而可能会损坏开关12或功率变换器10的其他部件。
用来控制功率电子装置的操作的控制电路可以被概括为包括：公用控制节点；第一子控制电路，其包括：第一放大器，该第一放大器包括第一输入、第二输入和输出；第一电容反馈电路，该第一电容反馈电路包括耦合到公用控制节点的输入和耦合到第一放大器的第一输入的输出；和第一开关，该第一开关包括第一端子和第二端子，第一端子耦合到第一放大器的输出并且第二端子耦合到公用控制节点；以及第二子控制电路，其包括：第二放大器，该第二放大器包括第一输入、第二输入和输出；第二电容反馈电路，该第二电容反馈电路包括耦合到公用控制节点的输入和耦合到第二放大器的第一输入的输出；和第二开关，该第二开关包括第一端子和第二端子，第一端子耦合到第二放大器的输出并且第二端子耦合到公用控制节点。
控制电路还可以包括耦合到第一放大器的第二输入的第一参考电压源；以及耦合到第二放大器的第二输入的第二参考电压源。第一参考电压源可以提供表明功率电子装置的参考输出电压的电压，并且第二参考电压源可以提供表明功率电子装置的参考输出电流的电压。
控制电路还可以包括控制器，该控制器包括控制输入，该控制输入电耦合到公用控制节点。
控制电路可以是：电压感测电路，该电压感测电路包括表明功率电子装置的输出电压的输出，该输出耦合到第一放大器的第一输入；以及电流感测电路，该电流感测电路包括表明功率电子装置的输出电流的输出，该输出耦合到第二放大器的第一输入。第一开关可以采取第一二极管的形式，并且第二开关可以采取第二二极管的形式。第一开关的第一端子可以包括第一二极管的阴极并且第一开关的第二端子可以包括第一二极管的阳极，以及第二开关的第一端子可以包括第二二极管的阴极并且第二开关的第二端子可以包括第二二极管的阳极。
控制电路还可以包括第三子控制电路，其包括：第三放大器，该第三放大器包括第一输入、第二输入和输出；第三电容反馈电路，该第三电容反馈电路包括耦合到公用控制节点的输入和耦合到第三放大器的第一输入的输出；和第三开关，该第三开关包括第一端子和第二端子，第一端子耦合到第三放大器的输出并且第二端子耦合到公用控制节点。
用来控制功率电子装置的操作的控制电路可以被概括为包括：公用控制节点；第一子控制电路，其包括：第一前馈控制部分，该第一前馈控制部分包括第一前馈控制部分输入和第一前馈控制部分输出；第一反馈部分，该第一反馈部分包括耦合到公用控制节点的第一反馈部分输入和耦合到第一前馈控制部分输入的第一反馈部分输出，第一反馈部分存储电荷；和第一开关，该第一开关包括第一端子和第二端子，第一端子耦合到第一前馈部分输出并且第二端子耦合到公用控制节点；以及第二子控制电路，其包括：第二前馈控制部分，该第二前馈控制部分包括第二前馈控制部分输入和第二前馈控制部分输出；第二反馈部分，该第二反馈部分包括耦合到公用控制节点的第二反馈部分输入和耦合到第二前馈控制部分输入的第二反馈部分输出，第二反馈部分存储电荷；和第二开关，该第二开关包括第一端子和第二端子，第一端子耦合到第二前馈部分输出并且第二端子耦合到公用控制节点。第二反馈部分和第一反馈部分中的至少一个可以包括电容器。第一开关采取第一二极管的形式，并且第二开关可以采取第二二极管的形式。
第一开关的第一端子可以包括第一二极管的阴极并且第一开关的第二端子可以包括第一二极管的阳极，以及第二开关的第一端子可以包括第二二极管的阴极并且第二开关的第二端子可以包括第二二极管的阳极。第一开关或第二开关中的至少一个可以包括晶体管。在功率电子装置的操作期间，第一开关和第二开关中的一个可以断开，并且第一开关和第二开关中的另一个可以闭合。
控制电路还可以包括第三子控制电路，其包括：第三前馈控制部分，该第三前馈控制部分包括第三前馈控制部分输入和第三前馈控制部分输出；第三反馈部分，该第三反馈部分包括耦合到公用控制节点的第三反馈部分输入和耦合到第三前馈控制部分输入的第三反馈部分输出，第三反馈部分存储电荷；和第三开关，该第三开关包括第一端子和第二端子，第一端子耦合到第三前馈部分输出并且第二端子耦合到公用控制节点。第一前馈控制部分可以包括第一放大器，并且第二前馈控制部分可以包括第二放大器。
控制电路还可以包括：电压感测电路，该电压感测电路包括表明功率电子装置的输出电压的输出，该输出耦合到第一前馈控制部分输入；以及电流感测电路，该电流感测电路包括表明功率电子装置的输出电流的输出，该输出耦合到第二前馈控制部分输入。功率电子装置可以包括功率变换器，并且公用控制节点可以电耦合到功率变换器的控制器的输入。
用来控制功率电子装置的操作的控制电路可以被概括为包括：公用控制节点；多个子控制电路，多个子控制电路中的每个包括经由多个开关中的相应一个选择性地耦合到公用控制节点的输出，每次多个开关中的一个闭合，并且子控制电路中的每个包括电容反馈电路，该电容反馈电路具有电耦合到公用控制节点的反馈输入。
控制电路还可以包括耦合到多个子控制电路中的第一个的输入的第一参考电压源；以及耦合到多个子控制电路中的第二个的输入的第二参考电压源。第一参考电压源可以提供表明功率电子装置的参考输出电压的电压，并且第二参考电压源可以提供表明功率电子装置的参考输出电流的电压。
控制电路还可以包括控制器，该控制器包括控制输入，该控制输入电耦合到公用控制节点。
控制电路还可以包括：第一参数感测电路，其包括表明功率电子装置的第一参数的输出，该输出耦合到多个子控制电路中的第一个的输入；以及第二参数感测电路，其包括表明功率电子装置的第二参数的输出，该输出耦合到多个子控制电路中的第二个的输入。第一参数或第二参数中的至少一个可以包括输出电压、输出电流，或者功率电子装置的部件的温度。多个开关中的至少一个可以采取二极管或晶体管的形式。
控制功率电子装置的方法可以被概括为包括：提供公用控制节点；将公用控制节点耦合到功率电子装置的控制器；以及针对多个子控制电路，经由开关将子控制电路的输出耦合到公用控制节点；和将电容反馈电路的反馈输入耦合到公用控制节点。
该方法还可以包括：通过闭合与子控制电路中的第一个相关联的开关中的第一个，经由公用控制节点将来自子控制电路中的第一个的第一控制信号提供到控制器；断开与子控制电路中的第一个相关联的开关中的第一个；以及闭合与多个子控制电路中的第二个相关联的开关中的第二个，以经由公用控制节点将来自多个子控制电路中的第二个的第二控制信号提供到控制器。
附图说明
在附图中，相同的参考标号指代类似的元件或动作。附图中的元件的尺寸和相对位置未必按比例绘制。例如，各种元件的形状和角度没有按比例绘制，并且这些元件中的一些被任意地放大和放置，以使附图更为清晰。此外，所绘制的元件的特定形状并不意图传递与特定元件的实际形状有关的任何信息，并且仅被选择以便于在附图中识别。
图1是传统功率变换器的框图。
图2是根据至少一个所示实施例的功率变换器的框图，该功率变换器包括动态控制伺服系统的两个控制输入和用来加速两个控制输入之间的切换的控制电路。
图3A是在从恒定电压控制模式过渡到恒定电流控制模式期间，图1的传统功率变换器的电流控制放大器的输出电压(VCA)、传统功率变换器的电压控制放大器的输出电压(VEA)和功率放大器的公用控制节点电压(VCONTROL)的曲线图。
图3B是在从恒定电压控制模式过渡到恒定电流控制模式期间，图2的功率变换器的电流控制放大器的输出电压(VCA)、功率变换器的电压控制放大器的输出电压(VEA)和功率放大器的公用控制节点电压(VCONTROL)的曲线图。
图4是根据至少一个所示实施例的控制功率电子装置的操作的控制电路的框图。
图5是根据至少一个所示实施例的用于控制功率电子装置的方法的流程图。
具体实施方式
以下说明中列出了某些具体细节，以便提供对各种公开的实施例的全面理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下实践实施例，或者以其他方法、部件、材料等来实践实施例。在其他情况下，没有示出或详细描述与功率电子装置相关联的公知结构，以避免不必要地模糊实施例的描述。
除非上下文另有要求，否则在本说明书和所附权利要求中，字词“包括”及其变型(诸如，“包括”和“包括”)应被解释为具有开放的包含意义，即，“包括，但不限于”。
本说明书中所提及的“一个实施例”或“实施例”表示在至少一个实施例中包括与实施例相关的所述特定特征、结构或特性。因此，在说明书中的各种位置出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”未必全部指代同一实施例。另外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任意适合的方式相结合。
除非内容另有规定，否则在本说明书和所附权利要求书中，单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数形式。也应注意，除非内容另有规定，否则术语“或”通常使用其最广泛的意义，即，指的是“和/或”。
本文中提供的标题和摘要只是为了方便起见，而不解释实施例的范围或含义。
本公开的实施例涉及用于促成功率电子装置(诸如，DC/DC功率变换器、AC/DC功率变换器等)的伺服控制模式之间的加速切换时间。本文中公开的一个或多个实施例减少或消除否则将在过电流条件(诸如，短路条件)期间出现的高瞬变输入电流。一个或多个实施例也可以减少或消除在功率变换器的启动期间(尤其是在将功率提供到电容负载时)的过量输入电流纹波和输出电压纹波，否则将导致启动时的过冲或“振铃”。
图2示出功率变换器100，该功率变换器通过最小化在功率变换器的控制从一个控制模式变到另一控制模式时输入和输出处出现的瞬变而呈现出明显改进的行为。在所示实施例中，功率变换器100通过重复断开和接通电源开关102进行操作。开关102可以，例如，采取下列形式：金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极结型晶体管(BJT)、一个或多个二极管等。在一些实施例中，功率变换器100可以包括多个开关102(例如，用于推挽式变换器中的两个开关)。功率变换器100可以采取下列形式：升压变换器、降压变换器、降压-升压变换器、回扫变换器，或者任何其他DC/DC、AC/DC、DC/AC或AC/AC电路。
在一些实施方案中，闭合开关102致使电流从直流(DC)输入源104流过可磁化部分106的绕组，诸如，变压器的初级绕组或流过电感器。在一个示例中，开关102的两个端子之间出现粗糙DC电压。在另一示例中，交流(AC)线电压可以(例如)由桥式整流器(未示出)和相关联的平滑电容器(未示出)进行整流，以将经过整流和平滑的粗糙DC电压提供到开关102的端子。
当开关102闭合时，流过可磁化部分106的电流致使能量存储在可磁化部分中。开关102随后断开。当开关102断开时，存储在可磁化部分106中的能量以流过整流器与输出滤波器110(例如，二极管和电容器)的电流的形式转移到功率变换器100的输出节点108。电流可以使输出滤波器110充电。在恒定电压(CV)模式下的稳态操作中，开关102可以迅速地切换到断开和闭合，并且以这样的方式使得输出滤波器110上的输出电压VOUT在输出节点108处保持基本上恒定。
功率变换器100包括控制器112，所述控制器控制开关102的断开和闭合。控制器112可以耦合到开关驱动器(未示出)。在一些实施例中，例如，控制器112是脉冲宽度调制(PWM)控制器。PWM是基于调制器信号信息来控制控制脉冲的宽度的调制技术。通过在DC输入源104与负载(即，接收来自功率变换器的功率的电路或装置)之间以很快的速度接通和断开开关102来控制馈送到输出节点108处的负载的电压(和电流)的平均值。一般而言，与断开的时间段相比，开关102接通的时间越长，供应到负载的功率越高。开关频率一般比影响负载的快得多。功率变换器的典型开关频率在数十到数百千赫(kHz)的范围内，例如，50到600kHz。
PWM控制的优点在于，开关装置中的功率损耗极低。当开关断开时，实际上没有电流，而当它接通时，开关上几乎没有电压降落。因此，在这两种情况下，功率损耗接近零，所述功率损耗是电压和电流之积。
在CV操作模式下，输出电压VOUT由电压感测电路114(例如，电阻分压器)感测。电压感测电路114的输出节点116耦合到电压控制放大器118的反相输入端子。电压控制放大器118可以耦合到正电源和负电源(例如，VCC和接地、+VCC和–VCC等)。电压控制放大器118将电压感测电路114的输出节点116处的电压与耦合到非反相输入端子的参考电压VREF1进行比较，并且在节点119处将比较的结果输出到电压控制放大器118的输出端子上(VEA)。
反馈补偿电路120耦合在电压控制放大器的反相输入端子与公用控制节点122之间。在此所示的示例中，反馈补偿电路120包括串联连接在一起的补偿或反馈电容器124和反馈电阻器126。反馈补偿电路120的输入节点128耦合到功率变换器100的公用控制节点122，并且反馈补偿电路的输出节点130耦合到电压控制放大器118的反相输入端子。在其他实施例中，可以使用不同的电阻电容(RC)反馈补偿电路来实现所需的反馈传递函数。
如果电压控制放大器118反相输入的比较低于它的非反相输入(即，VOUT低于调节)，那么放大器118的输出电压将增加到公用控制节点122处的所需电压，以维持VOUT的调节。如果放大器118反相输入的比较大于它的非反相输入(即，VOUT高于调节)，那么放大器118的输出电压将降低到公用控制节点122处的所需电压，以维持VOUT的调节。在这两种情况下，公用控制节点122处的这个误差电压(VCONTROL)表明输出电压VOUT。上拉电阻器132为放大器118提供源电流。控制器112的控制输入耦合到公用控制节点122，并且基于所接收的误差电压，控制器112控制开关102的开/关工作周期，以调整输出节点108处的输出电压VOUT。
在恒定电流(CC)操作模式下，由功率变换器100供应的电流IOUT被电流感测电路136(例如，感测电阻器)感测。电压感测电路136的输出节点138上的电压耦合到电流控制放大器140的反相输入端子。电流控制放大器140可以耦合到正电源和负电源(例如，VCC和接地、+VCC和–VCC等)。电流控制放大器140将电流感测电路136的输出节点138处的电压与耦合到非反相输入端子的参考电压VREF2进行比较，并且在节点141处将比较的结果输出到电流控制放大器的输出端子上(VCA)。
反馈补偿电路142耦合在电流控制放大器的反相输入端子与公用控制节点122之间。反馈补偿电路142包括串联连接在一起的补偿或反馈电容器144和反馈电阻器146。反馈补偿电路142的输入节点148耦合到功率变换器100的公用输出节点122，并且反馈补偿电路的输出节点150耦合到电流控制放大器140的反相输入端子。在其他实施例中，可以使用不同的RC反馈补偿电路来实现所需的反馈传递函数。
如果由电流感测电流136输出的电压大于预定值，那么电流控制放大器140致使其输出端子上的电压减少到公用控制节点122处所需的相对低电压(VCONTROL)，以维持输出负载IOUT的预定极限。上拉电阻器132为放大器140提供源电流。因此，由控制器112感测的电压表明输出电流IOUT的幅度。基于公用控制节点122电压，控制器112控制开关的开/关工作周期，以调整输出电流IOUT。
在此示例中，阻流二极管134和152被配置成开关，使得选择最小误差信号并且将它提供到控制器112。因此，二极管可以被称为处于“ORed”或“ORing”配置。可以使用其他无源或有源部件来实现相同的开关功能。例如，可以使用一个或多个晶体管(例如，FET、BJT等)、集成电路(例如，理想二极管电路)等来提供开关功能。此类开关的控制可以是自动的，如在所示实施例中，或者一个或多个开关可以由一个或多个控制电路或控制逻辑控制。
在所示示例中，功率变换器100在恒定电压模式下或在恒定电流模式下操作，取决于负载条件。在一个示例中，如果输出电流IOUT超出指定电流(例如，短路条件)，那么功率变换器100在恒定电流(CC)模式下操作。否则，功率变换器100在恒定电压(CV)模式下操作。因此，在一些实施例中，CC模式被用作限流器或保护电路，而CV模式被用作“正常”操作模式。
根据设计/安全要求，功率变换器100可以含有隔离机构，诸如，光耦合器或可磁化部件，以将DC输入源与负载隔离。
在图2的功率变换器100中，反馈补偿电路120和142的相应输入节点128和148耦合到公用控制节点122，该公用控制节点耦合到控制器112的控制输入。如下文论述，这个配置根据电压控制放大器118和电流控制放大器140的输入来动态控制施加到公用控制节点122的伺服信号。在一些实施例中，功率变换器100可操作以在约一个时钟周期内(例如，550kHz始终周期下的约1.8微秒)在CV控制模式与CC控制模式之间过渡，与传统控制电路所需的数十个时钟周期(例如，90到100微秒)形成对比。
当功率变换器100在CV模式下操作时，电压控制放大器118在它的线性区域内操作并且在相对低调节点(例如，一伏或两伏)下调节输出端子处的输出电压(VEA)。不在CV模式下的控制中的电流控制放大器140的输出电压(VCA)非常接近正电源轨VCC(例如，五伏)。由于反馈电容器124和144都耦合到公用控制节点122，因此，反馈电容器中的每个都充电到约VEA(例如，公用控制节点122处的电压VCONTROL等于VEA加上阻流二极管134上的任何电压降落)。
当控制从电压控制放大器118切换到电流控制放大器140，例如，归因于短路条件时，电流控制放大器的输出电压VCA从接近VCC朝向调节电压VCONTROL-CC(即，VREF2)向下摆动，直到阻流二极管152导通并且开始使反馈电容器144放电，而同时开始控制公用控制节点122处的电压VCONTROL。这是因为输出电流IOUT的增加造成电流感测电路136的输出节点138处的电压增加。不同于反馈电容器144完全充电到VCC的传统控制电路，在模式过渡之前，反馈电容器144只充电到公用控制节点处的调节电压VCONTROL(例如，大约是输出电压VEA)。这允许反馈电容器144更迅速地放电(例如，在550kHz时钟周期下的约一个时钟周期)。
在从CV模式过渡到CC模式期间，电压控制放大器118的输出电压VEA从VEA向上摆动到VCC，从而使阻流二极管134反向偏压。之后，输出负载电流IOUT由电流控制放大器140的输出端子处的输出电压VCA控制。
在从过电流条件中恢复之后(例如，短路条件被移开)，电流控制放大器140的输出电压VCA开始摆动到VCC。电压控制放大器118的输出电压VEA开始从VCC向下摆动到调节电压VCONTROL-CV(即，VREF1)。从CC模式到CV模式的过渡提供完整的“软启动”，使得在启动或从过电流条件中恢复期间，输出电压不会过冲。
图3A示出在时间t1处发生的从CV模式到CC模式的过渡期间，传统功率变换器10(图1)的电流控制输出电压47(VCA)、传统功率变换器的电压控制输出电压29(VEA)和功率变换器的公用控制节点电压38(VCONTROL)的曲线图300。图3B示出在时间t1处发生的从CV模式到CC模式的过渡期间，功率变换器100(图2)的电流控制输出电压141(VCA)、功率变换器的电压控制输出电压119(VEA)和功率变换器的公用控制节点电压122(VCONTROL)的曲线图302。
如图3B所示，当在时间t1处，控制从电压控制放大器118(图2)切换到电流控制放大器140时，电流控制放大器140的输出电压141(VCA)从接近VCC向下摆动到调节电压VCONTROL-CC，以控制公用控制节点122(图2)处的电压(VCONTROL)。在过渡期间，电压控制放大器118的输出电压119(VEA)从VCONTROL-CV向上摆动到接近VCC。
在模式过渡之前，反馈电容器144充电到公用控制节点122处的电压VCONTROL，该电压约是电压控制放大器的调节电压VCONTROL-CV(图3B)。在过渡之后，反馈电容器144放电到电流控制放大器140的输出电压141(VCA)，在此示例中，该输出电压略低于电压控制放大器118的输出电压VCONTROL-CV。如图所示，由于反馈电容器144只从电压调节点VCONTROL-CV放电到电流调节点VCONTROL-CC，因此，反馈电容器放电到时间t2，该时间可小于几个时钟周期(例如，一个时钟周期或更少)。
相反，如图3A所示，在模式过渡之前已经充电到VCC的传统反馈补偿电路的反馈电容器上的电压可以直到之后的时间t3才放电，该时间基本上比使反馈电容器放电所需的时间长(即，t3–t1对t2–t1)。因此，电流控制输出电压47(VCA)需要相对长的时间从VCC降到VCONTROL-CC。如上文所述，使传统反馈补偿电路中的反馈电容器放电所需的时间可以是大约数十个时钟周期(例如，对于550kHz时钟而言，90到100毫秒)。通过基本上减小在控制模式之间过渡期间发生的反馈电容器144上的电压变化，功率变换器100在相对较短的持续时间内“不可控制地”操作，从而显著减少瞬变涌入电流和瞬变输出电压。
图4示出控制电路400的框图，该控制电路可以用来将多个控制输入提供到功率电子装置或系统，诸如，功率变换器等。控制电路400包括可以耦合到控制器(诸如，图2的控制器112)的输入的公用控制节点402。
控制电路400也包括N个子控制电路SCC1-N(一般是“SCC”)。子控制电路SCC1-N中的每个包括相应的放大器A1-N，诸如，运算放大器、比较器、晶体管等。一般而言，子控制电路SCC中的每个可以包括前馈控制电路(例如，放大器A1-N)。放大器A1-N中的每个的第一输入端子耦合到相应的参考电压VREF1-N。放大器A1-N中的每个的第二输入端子耦合到相应的输入电压信号VIN-1……VIN-N。输入电压信号VIN可以提供表明装置的一个或多个参数的信号，所述参数包括，但不限于，输出电压、输出电流、输出功率、输入电压、输入电流、输入功率、部件的温度(例如，临界结温)等。
放大器A1-N中的每个的输出端子耦合到相应开关SW1-N的第一端子。开关SW1-N中的每个的第二端子耦合到公用控制节点402，使得在与放大器相关联的开关SW1-N闭合时，放大器A1-N的输出端子中的每个可以选择性地耦合到公用控制节点。开关SW1-N可以由下列形成：一个或多个二极管(见图2)、一个或多个MOSFETS、一个或多个BJT、一个或多个集成电路，或者任何其他有源或无源部件。
子控制电路SCC1-N中的每个还包括相应的反馈网络或电路FB1-N，所述反馈网络或电路具有耦合到公用控制节点402的输入端子404和耦合到相应放大器A1-N的输入端子的输出端子406。反馈电路FB1-N可以各自包括至少一个电容元件，诸如，图2的反馈电容器124和144。
在操作中，开关SW1-N中的一个在特定时间闭合，以便它的相应子控制电路SCC1-N控制公用控制节点402上的电压，所述电压作为控制信号提供到控制器(见图2)。通过断开所闭合的开关SW中的一个并且闭合开关中的另一个以便它的相应子控制电路SCC可以控制公用控制节点402上的电压，控制电路400可以在控制模式之间过渡。由于反馈电路FB1-N中的每个的输入节点404连接到公用控制节点402，因此，反馈电路的部件(例如，电容器)偏压到调节电压，而不是电源轨电压。因此，如上文参考图2和图3论述，从一个子控制电路SCC切换到另一个所需的时间被最小化，因为部件上的电压的变化被大大减小。如上文论述，通过将反馈电路FB1-N的输入节点404连接到公用控制节点402，可以在非常短的持续时间(诸如，几个时钟周期或更少)内实施控制模式之间的过渡。
图5示出用于操作控制电路以便为功率电子系统(诸如，功率变换器)提供多个控制输入的方法500。方法500在502处开始。
在504和506处，将公用控制节点耦合到控制器(诸如，功率变换器的PWM控制器)的控制输入。在508处，经由可以选择性地断开或闭合的开关将多个子控制电路的输出耦合到公用控制。如上文论述，开关可以自主地操作或者可以由一个或多个控制电路或逻辑控制。子控制电路可以输出表明装置参数(诸如，电压、电流、温度等)的一个或多个信号。
在510处，将与子控制电路中的每个相关联的电容反馈电路的输入耦合到公用控制节点。因此，将电容反馈电路中的每个的部件各自充电到公用电压(例如，公用控制节点处的调节电压)。
在512处，可以闭合与子控制电路中的第一个相关联的第一开关，使得经由公用控制节点将第一子控制电路的输出提供到控制器。控制器可以使用来自第一子控制电路的输出信号，以在第一控制模式下控制功率电子系统。
在514处，断开第一开关。在516处，可以闭合与子控制电路中的第二个相关联的第二开关，使得经由公用控制节点将第二子控制电路的输出提供到控制器。控制器可以使用来自第二子控制电路的输出信号，以在第二控制模式下控制功率电子系统。
方法500在518处终止。方法500连续重复或者可以间歇地执行。方法500的一个或多个动作可以重复以将多个控制输入动态地提供到电子系统。如上文论述，通过将多个子控制电路的反馈电路的输入耦合到公用控制节点，控制电路可以迅速在多个控制模式之间过渡，从而减少或消除在模式过渡期间可以出现的不合需要的瞬变。
有利的是，不同于加速控制模式之间的切换时间的其他方法，本文中公开的控制电路的配置没有改变反馈补偿电路的增益相位特性。例如，已经证明，更改反馈补偿电路来提供更快的响应时间会导致不稳定性。此外，更改反馈补偿电路来提供更快的响应时间可以造成启动期间，尤其是在将功率传递到电容负载时出现问题，从而在启动期间往往造成输出处的过冲或振铃。
另外，在过电流条件入侵期间并且在电子装置处于过电流条件时，本文中公开的控制电路减少或消除涌入电流。此外，本文中公开的控制电路为电子装置提供没有在输出电压(例如，图2的VOUT)上产生过冲的完整软启动过程。
上述详细描述通过使用框图、示意图和示例来阐述了装置和/或过程的各种实施例。在此类框图、示意图和示例包括一个或多个功能和/或操作的情况下，本领域的技术人员将理解，可以由广泛范围的硬件、软件、固件或者实际上它们的任何组合来单独和/或共同地实施此类框图、流程图或示例内的每个功能和/或操作。在一个实施例中，可以经由专用集成电路(ASIC)来实施本主题。然而，本领域的技术人员将认识到，本文中公开的实施例全部或部分可以等效地在标准集成电路中实施，作为在一个或多个计算机上运行的一个或多个计算机程序(例如，作为在一个或多个计算机系统上运行的一个或多个程序)、作为在一个或多个控制器(例如，微控制器)上运行的一个或多个程序、作为在一个或多个处理器(例如，微处理器)上运行的一个或多个程序、作为固件，或者作为实际上它们的任何组合，并且鉴于本公开，本领域的一般技术人员将能够设计电路和/或编写软件和或固件的代码。
本领域的技术人员将认识到，本文中陈述的方法或算法中的很多可以使用额外的动作、可以省略一些动作和/或可以按照不同于指定的顺序来执行动作。
此外，本领域的技术人员将了解，本文中教导的机构能够作为程序产品以多种形式分发，并且不论用来实际实施分发的非瞬时信号承载介质的特定类型如何，说明性实施例同样适用。非瞬时信号承载介质的示例包括，但不限于，下列：可记录类型的介质，诸如，软盘、硬盘驱动器、CD ROM、数字磁带以及计算机存储器。
上文所述的各种实施例可以进行组合以提供进一步的实施例。如有需要，实施例的方面可以更改以使用各种专利、申请和公布的系统、电路和概念，以提供进一步的实施例。
鉴于上述详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。一般而言，在所附权利要求书中，所用的术语不应被解释为将权利要求书限于本说明书和权利要求书中公开的具体实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所属的等效物的整个范围。因此，权利要求书不受本公开限制。
2014年7月17日提交的第14/333,705号美国专利申请以全文引用的方式并入本文中。

Claims (5)

1.一种用来控制功率变换器的操作的控制电路，所述控制电路包括：
公用控制节点，电耦合到用于所述功率变换器的控制器的控制输入，所述公用控制节点配置为向所述功率变换器提供调节电压；以及
多个子控制电路，所述多个子控制电路中的每个包括：
运算放大器，所述运算放大器包括第一输入、第二输入和输出；
二极管，所述二极管包括第一端子和第二端子，所述第一端子耦合到所述运算放大器输出，所述第二端子耦合到所述公用控制节点；以及
电容反馈电路，所述电容反馈电路包括电容器、输入和输出，所述电容反馈电路的输入直接电连接至所述公用控制节点以使得所述电容器被偏压至所述公用控制节点的所述调节电压，所述电容反馈电路的输出耦合至所述运算放大器的所述第二输入，
其中，在从所述多个子控制电路中的第一子控制电路到所述多个子控制电路中的第二子控制电路的控制模式过渡期间，用于所述多个子控制电路中的所述第二子控制电路的电容器从所述公用控制节点的所述调节电压放电。
2.根据权利要求1所述的控制电路，还包括：
第一参考电压源，耦合到所述多个子控制电路中的第一子控制电路的所述运算放大器的所述第一输入；以及
第二参考电压源，耦合到所述多个子控制电路中的第二子控制电路的所述运算放大器的所述第一输入。
3.根据权利要求2所述的控制电路，其中所述第一参考电压源提供表明所述功率变换器的参考输出电压的电压，并且所述第二参考电压源提供表明所述功率变换器的参考输出电流的电压。
4.根据权利要求1所述的控制电路，还包括：
包括所述控制输入的所述控制器，所述控制输入电耦合到所述公用控制节点。
5.根据权利要求1所述的控制电路，还包括：
电压感测电路，所述电压感测电路包括表明所述功率变换器的输出电压的输出，表明所述功率变换器的输出电压的所述输出耦合到所述多个子控制电路中的第一子控制电路的所述运算放大器的所述第二输入；以及
电流感测电路，所述电流感测电路包括表明所述功率变换器的输出电流的输出，表明所述功率变换器的输出电流的所述输出耦合到所述多个子控制电路中的第二子控制电路的所述运算放大器的所述第二输入。
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