CN111010026A - 用于电源的数字控制器、电源及操作电源的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于电源的数字控制器、电源及操作电源的方法。操作具有PFC级和耦接到PFC级的LLC转换器的电源的方法包括：通过实现具有交流输入电压测量结果作为输入的电流控制回路，使用电流模式控制器在电源的稳态模式下以CCM操作PFC级；通过实现没有交流输入电压测量结果作为输入的电压控制回路，使用电压模式控制器在电源的突发模式的至少一部分中以DCM操作PFC级；以及如果在突发模式下电压模式控制器的并且与平均电流模式控制下的功率成比例的输出落在预定范围之外，则修改电压控制回路。

Description

用于电源的数字控制器、电源及操作电源的方法
技术领域
本发明涉及一种用于电源的数字控制器、电源及操作电源的方法。
背景技术
连续导通模式-非连续导通模式(CCM-DCM)功率因数校正(PFC)控制的数字实现通常基于平均电流控制。在平均电流控制中，通过将电压模式控制器的输出与从交流输入电压获得的整流的正弦波形相乘来获得参考电感电流。需要交流输入电压来得到用于电流调节的准确的电流参考信息。用于平均电流模式CCM PFC的突发/待机模式控制通常通过交流输入电压测量来实现，这要求控制器具有至少一个引脚用于在突发模式期间测量交流输入电压。在突发模式下，参考电感电流可以从电压模式控制器的输出和交流输入电压得到。电流模式控制确保了平均电感电流在突发时段期间跟踪参考电感电流。然而，在突发模式下可能无法进行交流输入电压测量。例如，在突发模式期间，交流检测特征与交流输入电压测量特征之间可能存在资源冲突。引脚数是控制器成本的一个因素。一些数字控制器最小化引脚数量以降低成本。对于这些类型的数字控制器，控制器可能具有单个引脚用于交流输入电压测量特征和交流检测特征。交流检测用于检测交流输入是否断开，以及提供低阻抗路径以在交流输入断开时使外部电容器快速放电。交流输入电压测量通常通过高阻抗路径进行，以减少功率损耗。在突发模式期间，因为IEC安全要求62368-1，交流检测特征通常优于交流输入电压测量特征。根据该标准，在交流断开2秒后，外部电容器两端的电压必须低于60V。因此，在突发模式期间，交流输入电压测量可能对于许多类型的电源控制器不可用。
因此，需要没有交流输入电压测量的平均电流模式CCM PFC突发模式控制策略。
发明内容
根据用于电源的数字控制器的实施方式，该电源具有功率因数校正(PFC)级和耦接到PFC级的LLC转换器，该数字控制器包括：电流模式控制器，被配置成通过实现具有交流输入电压测量结果作为输入的电流控制回路，在电源的稳态模式下以连续导通模式(CCM)操作PFC级；电压模式控制器，被配置成通过实现没有交流输入电压测量结果作为输入的电压控制回路，对于电源的突发模式的至少一部分以非连续导通模式(DCM)操作PFC级；以及自适应回路，被配置成如果在突发模式下电压模式控制器的并且与平均电流模式控制下的功率成比例的输出落在预定范围之外，则修改电压控制回路。
预定范围可以限定对在突发模式下通过电源传输的功率的最大限制和最小限制，最大限制可以对应于电压模式控制器的输出的最大值，最小限制可以对应于电压模式控制器的输出的最小值。最大限制可以是突发模式下的最大负载的大约2倍。单独地或在组合中，最大限制可以在突发模式下低于在稳态模式下。
单独地或在组合中，数字控制器可以被配置成基于电压模式控制器的输出、在进入突发模式之前得到的交流输入电压测量结果的直流等效值以及PFC级的导通模式电感电流的估计值来确定在突发模式下的PFC级的接通时间，并且自适应回路可以被配置成如果电压模式控制器的输出落在预定范围之外，则修改交流输入电压测量结果的直流等效值。PFC级的导通模式电感电流的估计值可以是大于0且小于1的恒定值。
单独地或在组合中，自适应回路可以被配置成如果电压模式控制器的输出被钳位在最大值或者超过目标值，则减小交流输入电压测量结果的直流等效值，并且自适应回路可以被配置成如果电压模式控制器的输出被钳位在最小值或者低于目标值，则增大交流输入电压测量结果的直流等效值。自适应回路可以被配置成以预定的步长减小或增大交流输入电压测量结果的直流等效值。
单独地或在组合中，自适应回路可以是积分器或者比例积分控制回路，该积分器或者比例积分控制回路被配置成调节交流输入电压测量结果的直流等效值，使得电压模式控制器的输出朝向目标值移动。积分器或者比例积分控制回路可以被配置成基于目标值与电压模式控制器的输出之间的差计算增量(delta)值，并且将增量值与交流输入电压测量结果的直流等效值相加。
单独地或在组合中，自适应回路可以被配置成如果对交流输入电压测量结果的直流等效值所做的改变超过预定阈值，则修改所述改变的步长。
单独地或在组合中，如果电压模式控制器的输出落在预定范围之外，则可以在突发模式下在PFC级的突发接通时段期间的每个采样周期启用并且执行自适应回路，并且一旦电压模式控制器的输出落在预定范围内，则可以禁用自适应回路。
单独地或在组合中，在从突发模式返回到稳态模式后，电流模式控制器可以被配置成使用来自突发模式的电压模式控制器的输出和交流输入电压测量结果的直流等效值作为初始值，以CCM操作PFC级。
根据电源的实施方式，该电源包括：功率因数校正(PFC)级；耦接到PFC级的LLC转换器；电流模式控制器，被配置成通过实现具有交流输入电压测量结果作为输入的电流控制回路，在电源的稳态模式下以连续导通模式(CCM)操作PFC级；电压模式控制器，被配置成通过实现没有交流输入电压测量结果作为输入的电压控制回路，对于电源的突发模式的至少一部分以非连续导通模式(DCM)操作PFC级；以及自适应回路，被配置成如果在突发模式下电压模式控制器的并且与平均电流模式控制下的功率成比例的输出落在预定范围之外，则修改电压控制回路。
根据操作电源的方法的实施方式，该电源具有功率因数校正(PFC)级和耦接到PFC级的LLC转换器，该方法包括：通过实现具有交流输入电压测量结果作为输入的电流控制回路，使用电流模式控制器在电源的稳态模式下以连续导通模式(CCM)操作PFC级；通过实现没有交流输入电压测量结果作为输入的电压控制回路，使用电压模式控制器对于电源的突发模式的至少一部分以非连续导通模式(DCM)操作PFC级；以及如果在突发模式下电压模式控制器的并且与平均电流模式控制下的功率成比例的输出落在预定范围之外，则修改电压控制回路。
预定范围可以限定对在突发模式下通过电源传输的功率的最大限制和最小限制，最大限制可以对应于电压模式控制器的输出的最大值，最小限制可以对应于电压模式控制器的输出的最小值。
单独地或在组合中，对于突发模式的至少一部分以DCM操作PFC级可以包括：基于电压模式控制器的输出、在进入突发模式前得到的交流输入电压测量结果的直流等效值以及PFC级的导通模式电感电流的估计值，确定在突发模式下PFC级的接通时间；以及如果电压模式控制器的输出落在预定范围之外，则修改交流输入电压测量结果的直流等效值。
单独地或在组合中，如果电压模式控制器的输出落在预定范围之外则修改交流输入电压测量结果的直流等效值可以包括：如果电压模式控制器的输出被钳位在最大值或者超过目标值，则减小交流输入电压测量结果的直流等效值；以及如果电压模式控制器的输出被钳位在最小值或者低于目标值，则增大交流输入电压测量结果的直流等效值。
单独地或在组合中，如果电压模式控制器的输出落在预定范围之外则修改交流输入电压测量结果的直流等效值可以包括：通过积分器或者比例积分控制回路调节交流输入电压测量结果的直流等效值，使得电压模式控制器的输出朝向目标值移动。
单独地或在组合中，该方法还包括：基于目标值和电压模式控制器的输出之间的差计算增量值，并且将增量值与交流输入电压测量结果的直流等效值相加。
单独地或在组合中，该方法还包括：如果对交流输入电压测量结果的直流等效值所做的改变超过预定阈值，则修改所述改变的步长。
本领域的技术人员在阅读以下详细描述并且查看附图后，将会认识到另外的特征和优点。
附图说明
附图的元件相对于彼此不一定按比例绘制。相似的附图标记表示对应的相似部分。各种示出的实施方式的特征可以被组合，除非它们相互排斥。实施方式在附图中被描绘，并且在下面的描述中被详细描述。
图1示出了开关模式电源(SMPS)的实施方式的框图，该开关模式电源在突发模式操作期间为没有交流输入电压测量的平均电流模式CCM-DCM PFC提供负载和线路调节。
图2更详细地示出了SMPS的整流级、PFC级以及数字控制器的框图。
图3示出了在突发模式下通过SMPS的数字控制器进行的自适应调节的实施方式的散布图。
图4示出了在稳态操作中通过数字控制器实现的平均电流模式CCM PFC控制技术的实施方式的框图。
图5示出了通过数字控制器实现的突发模式控制的实施方式的框图，用于没有交流输入电压测量的平均电流模式CCM PFC。
图6示出了自适应回路实现积分或比例积分控制的实施方式的框图。
具体实施方式
本文中所述的实施方式为在电源待机模式下的突发模式操作期间没有交流输入电压测量的平均电流模式CCM-DCM PFC提供负载和线路调节。通过在升压模式期间尽可能将系统保持在DCM操作中，利用电压控制回路并且没有输入电压测量以及电流控制回路，PFC突发模式操作是可行的。本文所述实施方式可以在数字控制器、微控制器、数字信号处理器(DSP)等中实现，并且可以用于控制不同类型的电源例如在待机模式中具有CCM PFC和LLC拓扑结构的电视或个人电脑电源以满足线路和负载调节要求。
图1示出了开关模式电源(SMPS)100的实施方式。SMPS 100包括耦接至交流电源104的整流级102例如全波二极管整流器桥，耦接至整流级102的PFC级106，耦接至PFC级106的LLC转换器108以及耦接至LLC转换器108的负载110。交流电源104可以是115V@60Hz、230V@50Hz，或任何其他电压和频率的组合。在某些情况下，85V至265V交流@50Hz或60Hz的通用电压范围可以适用于交流电源104。然而，其他应用如航空电子设备可能使用其他频率。整流级102为交流电源输入Vin的任一极性提供相同的输出极性。PFC级106将SMPS 100的输入电流成形为与交流电源电压Vin同步，以最大化从交流电源104汲取的有效功率。
可以以若干个拓扑实现有源PFC。在一个实施方式中，PFC级106在升压转换器拓扑中实现。例如，线电压Vin可以从零到通常为375V的峰值变化。在这些情况下，PFC级106包括升压转换器，用于输出适当的高直流母线电压(直流母线)，例如，对于375V的线电压峰值示例为380V或更大。升压转换器在输入侧具有滤波电感器，其提供与降压或降压-升压拓扑的非连续输入电流相反的平滑连续的输入电流波形。另外，PFC级106可以在其他转换器拓扑例如降压或降压-升压中实现。
耦接至PFC级106的LLC转换器108可以包括生成方波波形以激励转换器108的LLC谐振回路的开关桥。LLC谐振回路输出通过变压器和整流电路进行缩放和整流的谐振正弦电流。LLC转换器108的输出电容器对整流的交流电流进行滤波，并且将直流电压(Vout)输出到负载110。
SMPS 100还包括用于控制PFC级106和LLC转换器108的数字控制器112。数字控制器112包括用于PFC级106的PFC控制器114和用于LLC转换器108的LLC控制器116。PFC控制器114包括电流模式(CM)控制器118、电压模式(VM)控制器120和自适应回路122。LLC控制器116包括CM和VM控制器124和突发模式控制器126。突发模式控制器126在SMPS 100的突发模式操作中控制LLC转换器108，并且CM和VM控制器124在SMPS 100的稳态操作中控制LLC转换器108。LLC控制器116是突发模式操作的控制者。PFC控制器114在通过LLC控制器116提供的突发模式定时内的突发模式操作期间调节PFC级106的输出电压“直流母线”。
PFC控制器114的电流模式控制器118根据稳态模式下的线路和负载条件在不同的导通模式下操作PFC级106。例如，通过实现具有交流输入电压测量结果作为输入的电流控制回路，电流模式控制器118可以对于满负荷/低线路在CCM下操作PFC级106。电流模式控制器118可以在满负荷/高线路的交流半周期内在CCM+DCM下操作PFC级106。电流模式控制器118可以在20％负载/低线路下在全DCM下操作PFC级106。在CCM中，能量传输电感器中的电流在切换周期之间永远不会达到零。在DCM中，电流在切换周期的一部分期间达到零。这些只是SMPS 100的稳态模式下不同导通模式的几个示例。通常，电流模式控制器118可以在稳态模式中在CCM和/或DCM下操作PFC级106。
通过数字控制器112实现的突发模式控制是针对PFC级106的。LLC转换器108通过数字控制器112中的不同控制块控制。通过数字控制器112实现的LLC控制提供了PFC级106要遵守的突发接通(burst-on)和突发关断(burst-off)时段。数字控制器112利用定时约束在突发模式下控制CCM PFC操作，并在单个交流输入和/或线路跳变的条件下在突发模式下提供稳定准确的PFC输出电压调节(直流母线)。在SMPS 100的突发模式下，数字控制器112通过实现电压控制回路(VM)来控制PFC级106，该电压控制回路没有交流输入电压测量结果作为输入。如果在突发模式下电压模式控制器120的且与平均电流模式控制下的功率成比例的输出落在预定范围之外，则PFC控制器114的自适应回路122会修改电压控制回路。如此，只要电压模式控制器120的输出落在预定范围之内，数字控制器112就可以在突发模式下使用电压控制回路控制PFC级106。
图2更详细地示出了数字控制器112和PFC级106，涉及本文描述的用于没有交流输入电压测量的CCM PFC的突发模式控制方案。交流电源102被示出为通过电感器Lf和电容器Cf连接到整流级102。本示例中，整流级102被示出为二极管桥，并且其包括连接为全波整流器的二极管DR1至DR4。在该示例中，PFC级106由输入电容器Ci、电感器L、由数字控制器生成的信号S控制的开关器件Q1如功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HEMT(高电子迁移率晶体管)等、以及二极管D来表示。LLC转换器108由PFC级106的恒功率负载RL表示，其中电容器Co是PFC级106的输出电容器。如本文之前所述，LLC转换器108通过数字控制器112内的单独的控制器116和单独的栅极驱动器单独控制。数字控制器112是数字平台，其包括多个感测引脚、多个栅极驱动器、多个DPWM(数字脉冲宽度调制器)、多输入通道ADC(模拟到数字转换器)、CPU/ALU(中央处理器单元/算术逻辑单元)等。图2所示的PFC控制是数字控制器112中包含的特征的一部分。下面将参照图2更详细地描述数字控制器112在稳态模式和突发模式下的操作，涉及本文描述的用于没有交流输入电压测量的CCM PFC的突发模式控制方案。
在稳态模式下，通过PFC控制器114的电压模式控制器120实现的电压控制回路通过缩放单元200进行缩放，以得到电感电流参考iL *。通过PFC控制器114的电流模式控制器118实现的电流控制回路允许从采样的输入电流iL,sampled得到的平均电流跟踪参考电感电流iL *以得到电压信号dVm，该电压信号dVm由数字控制器112的数字脉冲宽度调制(DPWM)单元202使用以生成占空比d。栅极驱动器204生成用于驱动PFC级106的开关器件Q1的栅极驱动信号S。
突发接通和突发关断的时间实例由LLC控制在突发模式下确定。数字控制器112确保PFC级106与LLC转换器108同步地突发接通与突发关断，并保持PFC输出电压调节。在一个实施方式中，数字控制器112具有连接到控制器112内的高阻抗电阻分压器的单个引脚，用于进行输入电压测量。为了便于说明，图2中未示出电阻分压器，并且单个引脚由将标有“Kvg”的方框连接到相应的模拟数字转换器(ADC)206的箭头示意性地表示。
在突发模式期间，相同的引脚连接到数字控制器112中执行交流检测的启动单元，并且如果交流功率在待机模式期间损失，则该引脚用于将外部电容器Cf放电至安全电压水平，例如，符合IEC 62368-1。外部电容器Cf和电感器Lf是EMI(电磁干扰)滤波器的简化图示。如果SMPS 100的输出电压过低，则数字控制器112接通LLC转换器108以增大输出电压。由于包括LLC转换器108和PFC级106的若干个切换周期的突发时段，用于交流检测和交流输入电压测量的单个引脚无法共享。因此，在突发模式下仅可以使用两个特征中的一个。数字控制器112在待机模式下使用引脚用于交流检测，并且可以在突发模式下使用电压控制回路控制PFC级106，因为在没有输入电压测量的情况下不可能进行电流回路调节。数字控制器112可以代替具有用于交流检测特征和交流输入电压测量特征的单独的引脚，并且仍然采用本文所述的突发模式技术。
如果由于输入电压测量不可用而无法在突发模式操作期间进行电流模式控制，则通过图2所示的CCM-DCM平均电流模式控制器118实现的电流回路会在突发模式下被移除。通过这种配置，控制可以简化为DCM中的单极系统，其中电压模式控制是足够且稳定的，并且没有电流控制回路。电压回路可以实现恒定接通时间控制，并且PFC级106可以在整个交流半周期中以恒定接通时间进行调节。如果输入电压测量不可用，则SMPS 100在突发模式操作期间通过尽可能保持PFC级106处于DCM而保持稳定，因为当PFC级106处于突发模式时，电压回路简化为单极系统。利用恒定接通时间在突发模式下使用电压控制回路来控制PFC级106可能会在升压PFC的情况下导致输入电流失真。然而，功率因数和THD(总谐波失真)在突发模式中不是问题。如此，PFC级106可以尽可能在突发模式期间以DCM运行。在某些情况下，在突发模式下的100％DCM PFC操作可能是不可能的。例如，在高压线的峰值附近可能无法进行DCM操作，特别是在电感电流的退磁斜率非常缓的264VAC下。当PFC开关器件Q1再次导通时，电流可能不会在切换周期结束之前降至零。
更详细地，PFC控制器114的电压模式控制器120的输出vcontrol与平均电流模式控制中的功率成比例。电压模式控制器120基于参考电压vo *与输出电压vo的缩放、数字化后的版本之间的差vev来生成vcontrol，其中Kvo表示电阻分压比。
为了在突发模式期间尽可能保持PFC级106以DCM操作，数字控制器112可以对SMPS100在突发模式期间传输的功率施加最大限制和最小限制。对功率的最小限制可以对应于电压模式控制器120的输出vcontrol的最小值(vcontrol,min)。在一个实施方式中，最小值为零。对功率的最大限制可以对应于电压模式控制器120的输出vcontrol的最大值(vcontrol,max)。对功率的最大限制可以通过DCM工作区域的理论分析、通过突发模式下利用电流回路和输入电压测量的SMPS 100的仿真、以及通过反复试验等来确定。在一个实施方式中，由于短的突发接通时段期间的功率传输，vcontrol,max大约是最大待机负载的2倍。通过突发模式期间的该功率限制选择，可以预期在例如264VAC的峰值附近的CCM操作，因为电感电流的退磁斜率非常缓。然而，电压调节保持稳定。最大功率限制在突发模式下可能低于在稳态模式下。
在稳态操作中，利用平均电流模式控制的CCM中的参考电感电流iL *通过如下给出：
Figure BDA0002225192680000091
切换周期中的平均电感电流通过如下给出：
Figure BDA0002225192680000092
其中vg是整流后的交流输入电压，vcontrol是通过PFC控制器114的电压模式控制器120实现的电压控制回路的输出，K1是比例常数，其平衡参考电感电流iL *和采样的平均电感电流iL,sampled之间的增益差，vFF是采样的整流后的交流输入电压的直流等效值，ton是PFC级106中包括的开关器件Q1的接通时段，toff是PFC级106中包括的开关器件Q1的关断时段，tsw是固定的切换时段，L是升压电感，iL,sampled是接通时段的中点处的采样电感电流，
Figure BDA0002225192680000093
是电感电流的导通模式的估计，d是通过
Figure BDA0002225192680000094
给出的占空比。突发接通(ton)和突发关断(toff)的时间实例是通过LLC控制在突发模式下确定的。数字控制器112可以包括模拟数字转换器(ADC)电路206，用于将模拟输入信号转换为相应的数字值。
在CCM中，因为ton+toff＝tsw，因此Kcorr＝1。在DCM中，因为ton+toff＜tsw，因此0＜Kcorr＜1。在利用DCM操作的待机模式下并且将(1)与(2)等同，可以实现相等，如通过下式给出的：
Figure BDA0002225192680000095
然后导出在突发模式下的接通时间，如下所示：
Figure BDA0002225192680000101
Figure BDA0002225192680000102
根据(5)，可以得到PFC级106中包括的开关器件Q1的接通时段。图2中所示并且在CCM操作中使用的缩放单元200可以被再使用和修改，以实现(4)，用于在突发模式下的DCM操作。在一个实施方式中，在突发模式下vFF的初始值基于输入电压测量的最后一个稳态值。也就是说，在突发模式下vFF的初始值可以是在刚刚进入突发模式之前得到的交流输入电压测量的低通滤波的直流等效值。输入到缩放单元200的“x”对应于输入电压测量vg的缩放版本，其中Kvg表示电阻分压比。
在没有输入电压或tcyc测量的情况下，在突发模式下Kcorr估计是不可能的。数字控制器112使用Kcorr的假设以基于vcontrol,max选择尽可能使PFC级106保持在DCM操作中。选择较低的Kcorr值使PFC控制器114的电压模式控制器120调节到较低的vcontrol值以获得相同的ton。选择较高的Kcorr值使电压模式控制器120调节到较高的vcontrol值以获得相同的ton。因此，vcontrol范围受Kcorr估计的选择的影响。Kcorr可以基于在突发模式下具有电流回路和输入电压测量的SMPS 100的仿真、通过反复试验等进行选择。
利用上述方法，PFC级106可以尽可能地保持DCM操作，并且CCM PFC的突发模式操作通过电压控制回路并且在没有输入电压测量和电流控制回路的情况下是可能的。除了在没有交流输入电压测量的待机/突发模式下的平均电流模式CCM PFC的负载调节之外，数字控制器112还可以在没有交流输入电压测量的待机/突发模式下提供线路调节。
如前所述，数字控制器112可以基于PFC控制器114的电压模式控制器120的输出vcontrol、在进入突发模式之前得到的交流输入电压测量的DC等效值vFF以及PFC级106的导通模式电感电流的估计Kcorr来确定PFC级106的开关器件Q1在突发模式下的接通时间ton。如果vcontrol落在通过vcontrol,max和vcontrol,min限定的预定范围之外，则包括在数字控制器112中或与数字控制器112相关联的自适应回路122可以修改vFF，以考虑交流输入电压Vin中的线路跳变。
在没有交流输入电压测量的情况下难以获得采样的整流交流输入电压的直流等效值vFF的准确值。然而，对于突发模式下在例如90VAC至264VAC之间的输入线路跳变的很多情况，都需要准确的值来近似vFF值。例如，对于264VAC处的固定vFF值，在突发模式下从264VAC到90VAC的线路跳变将需要更大的ton，并且可能导致PFC控制器114的电压模式控制器120的输出vcontrol钳位在为突发模式限定的最大值vcontrol,max，以防止深度CCM操作。PFC输出电压可能会降至目标值以下，或者甚至崩溃(collapse)。对于90VAC处的固定vFF值，在突发模式下从90VAC到264VAC的线路跳变将需要更小的ton，并且初始较大值ton将触发过压保护。电压模式控制器120的输出vcontrol将下降到vcontrol,min例如零，以减少ton并且长期钳位在vcontrol,min。当PFC输出电压降到目标值以下时，电压模式控制器120的输出vcontrol的任何微小增加都会导致ton发生大的变化。这可能会导致PFC输出电压的有限循环，或者PFC输出电压甚至可能崩溃。
为了缓解这些问题，数字控制器112可以近似维持PFC输出电压调节并且适应各种交流输入线路跳变情况所需的vFF值。在一个实施方式中，图2中的低通滤波器(LPF)被自适应回路122替代，用于在突发模式下对vFF进行调节。
图3示出了为了满足各种交流输入线路跳变的情况，通过PFC控制器114的自适应回路122在突发模式下对vFF进行的调节的实施方式。根据该实施方式，如果PFC控制器114的电压模式控制器120的输出vcontrol钳位在最大值vcontrol,max或超过目标值vcontrol,target，那么自适应回路122减小vFF，并且如果vcontrol钳位在最小值vcontrol,min或降到目标值vcontrol,target以下，那么自适应回路122增大vFF。在一个实施方式中，在突发模式下vFF的初始值基于vFF的最后的稳态值。如果电压模式控制器120的输出vcontrol落在由vcontrol,max和vcontrol,min限定的突发模式的预定范围之外，则可以在突发接通时段期间的每个采样周期Tsv启用并且执行自适应vFF调节回路122。当vcontrol落在由vcontrol,max和vcontrol,min限定的突发模式的预定范围之内时，可以禁用自适应vFF调节回路122。
如果实际交流输入电压Vin较低，ton将小于预期，则PFC输出电压(直流母线)将降低，并且电压模式控制器120的输出vcontrol将增大。当vcontrol被钳位在针对突发模式限定的vcontrol,max以保持PFC级106在DCM操作中时，PFC控制器114的自适应回路122被触发以降低(下拉)vFF。如果实际交流输入电压Vin较高，ton将大于预期，则PFC输出电压将增加，并且电压模式控制器120的输出vcontrol将减小。一旦vcontrol钳位在用于突发模式的最小功率的vcontrol,min且通常为零，自适应回路122被触发以增加(上拉)vFF。
PFC控制器114的自适应vFF调节回路122可以实现为调节vFF值使得vcontrol向目标值vcontrol,target移动的闭环反馈控制。例如，闭环反馈控制可以是滞环控制、积分控制或比例积分控制。对于较大的线路跳变，例如，在90VAC至264VAC之间，如果vFF的变化超过预定阈值，则自适应回路122可以以较大的步长改变vFF值。也就是，自适应回路122可以以预定的步长减少或增加vFF，并且如果改变超过预定阈值，则修改对vFF所做的改变的步长。在从突发模式返回到稳态操作时，PFC控制器114的电流模式控制器118可以使用来自突发模式的vcontrol和vFF值作为稳态模式中的初始值以CCM操作PFC级106。
图4示出了通过数字控制器112在稳态操作中实现的CCM-DCM平均电流模式PFC控制技术的实施方式，图5示出了通过数字控制器112实现的突发模式控制的实施方式，用于没有交流输入电压测量的平均电流模式CCM PFC。如图5示意性所示，PFC控制器114的电流模式控制器118在突发模式下禁用。PFC控制器114的电压模式控制器120在稳态和突发模式下可以相同，不同之处在于在突发模式下减小的vcontrol,max以尽可能保持PFC级106处于DCM操作。功率上限vcontrol,max可以减小至例如在突发模式下额定负载的20％或更小。功率的最大限制vcontrol,max可以通过利用电流回路和输入电压测量在突发模式下的SMPS 100的仿真、通过反复试验等确定。
PFC级106中包括的开关器件Q1的接通时段ton基于(5)进行计算。接通时段ton被提供到用于PFC开关器件Q1的栅极驱动器204，以设置占空比。根据(2)，
Figure BDA0002225192680000121
并且因此
Figure BDA0002225192680000122
根据(4)，
Figure BDA0002225192680000123
并且系数K2可以从系统工作点(例如，在90VAC下的额定负载)确定。
如本文前面所述，突发模式下的vFF初始值可以基于最后的稳态值。Kcorr可以被选择为小于1并且大于0。Kcorr可以基于仿真、反复试验等确定。在一个实施方式中，Kcorr是预先确定的，并且在突发模式下在SMPS100的操作期间保持不变。在另一个实施方式中，Kcorr可以例如基于系统学习被更新。
在240W CCM PFC-LLC系统的特定示例中，基于对具有电流回路和输入电压测量的突发模式下的系统仿真，Kcorr可以是0.8。Kcorr的其他值是可能的，并且取决于系统设计参数。对于同一示例240W CCM PFC-LLC系统，vcontrol,min可以设置为零，vcontrol,max可以设置为额定负载的20％(或更高或更低)，并且vcontrol,target可以设置为额定负载的10％(或更高或更低)。数字控制器112可以通过与相应的ADC范围(X位ADC给出2X-1的ADC范围)相乘并且除以ADC参考电压，将采样的整流交流输入电压的直流等效值vFF转换为十进制(d)的数字。接下来描述通过数字控制器112的自适应回路122实现的自适应vFF调节的实现示例。
如本文前面所述，自适应回路122可以以预定步长减少或增加vFF。
在另一个实施方式中，自适应回路122可以实现滞环控制。例如，如果vcontrol钳位在vcontrol,max，或者如果vcontrol＞vcontrol,target，则自适应回路122可以按vstep1减小vFF。在特定示例中，自适应回路122可以按表示0.2VAC的1d减小vFF。如果vcontrol钳位在vcontrol,min，或者如果vcontrol＜vcontrol,target，则在本示例中自适应回路122可以按vstep1增加vFF。在较大的交流输入线路跳变的情况下，如果vFF的改变超过某个阈值vFF,thr，则自适应回路122可以以更大的步长改变vFF值。例如，如果vFF的改变超过表示±5VAC的±45d，则自适应回路122可以通过更大的步长改变vFF。如果vcontrol钳位在vcontrol,max，或者如果vcontrol＞vcontrol,target，则自适应回路122可以按vstep2减小vFF。在特定示例中，自适应回路122可以按表示2VAC的18d减小vFF。如果vcontrol钳位在vcontrol,min，或者如果vcontrol＜vcontrol,target，则在本示例中自适应回路122可以按vstep2增加vFF。
图6示出了PFC控制器114的自适应回路122实现积分或比例积分控制的实施方式。反馈控制器Gc(z)可以是积分器(I)或者比例积分(PI)控制器。反馈控制器Gc(z)调节vFF，使得PFC控制器114的电压模式控制器120的输出vcontrol朝向目标vcontrol,target移动。如本文先前所述，在突发模式下的vFF的初始值vFF,init可以基于最后的稳态交流输入电压测量。如果vcontrol落在由vcontrol,max和vcontrol,min限定的突发模式的预定范围之外，则在突发接通时段期间的每个采样周期Tsv启用并且执行自适应vFF调节回路122。当vcontrol落在由vcontrol,max和vcontrol,min限定的突发模式的预定范围之内时，可以禁用自适应vFF调节回路122。
反馈控制器Gc(z)基于vcontrol,target和vcontrol之间的差计算△vFF，并且通过vFF,init与△vFF的和给出vFF。例如，如果vFF高于280VAC(vFF，280VAC)或其他一些最大限制，则PFC控制器114的自适应回路122限制vFF至最大限制。如果vFF低于75VAC(vFF，75VAC)或其他一些最小限制，则自适应回路122限制vFF至最小限制，以避免计算溢出。对于较大的交流输入线路跳变，例如，如果△vFF的改变超过特定阈值vFF,thr(例如表示±5VAC的±45d)，则自适应回路122可以通过在Gc(z)中具有更大的增益以更大的步长改变vFF值。
诸如“第一”、“第二”等术语被用于描述各种元件、区域、部分等，并且并不旨在进行限制。在整个描述中相似的术语指代相似的元件。
如本文所使用的，“具有(having)”、“包含(containing)”、“包括(including)”、“包括(comprising)”等术语是表示所述元件或特性的存在的开放式术语，但不排除其他元件或特性。冠词“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”旨在包括复数和单数，除非上下文另有明确指示。
需要理解的是，除非另有特别指出，否则本文所述的各种实施方式的特征可以相互结合。
尽管本文已经示出并且描述了特定的实施方式，但是本领域普通技术人员将会理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以用各种替换和/或等同的实现来替代示出并且描述的特定实施方式。本申请旨在覆盖本文所讨论的特定实施方式的任何修改或变化。因此，本发明旨在仅由权利要求及其等同物来限制。

Claims (22)

1.一种用于电源的数字控制器，所述电源具有功率因数校正PFC级和耦接至所述PFC级的LLC转换器，所述数字控制器包括：
电流模式控制器，被配置成通过实现具有交流输入电压测量结果作为输入的电流控制回路，在所述电源的稳态模式下以连续导通模式CCM操作所述PFC级；
电压模式控制器，被配置成通过实现没有交流输入电压测量结果作为输入的电压控制回路，对于所述电源的突发模式的至少一部分以非连续导通模式DCM操作所述PFC级；以及
自适应回路，被配置成如果在所述突发模式下所述电压模式控制器的输出落在预定范围之外，则修改所述电压控制回路。
2.根据权利要求1所述的数字控制器，其中，所述预定范围限定了对在所述突发模式下通过所述电源传输的功率的最大限制和最小限制，其中，所述最大限制对应于所述电压模式控制器的输出的最大值，以及其中，所述最小限制对应于所述电压模式控制器的输出的最小值。
3.根据权利要求2所述的数字控制器，其中，所述最大限制为所述突发模式下的最大负载的2倍。
4.根据权利要求2所述的数字控制器，其中，所述最大限制在所述突发模式下比在所述稳态模式下低。
5.根据权利要求2所述的数字控制器，其中，所述数字控制器被配置成基于所述电压模式控制器的输出、在进入所述突发模式之前得到的交流输入电压测量结果的直流等效值、以及所述PFC级的导通模式电感电流的估计值来确定在所述突发模式下所述PFC级的接通时间，以及其中，所述自适应回路被配置成，如果所述电压模式控制器的输出落在所述预定范围之外，则修改所述交流输入电压测量结果的直流等效值。
6.根据权利要求5所述的数字控制器，其中，所述PFC级的导通模式电感电流的估计值是大于0且小于1的恒定值。
7.根据权利要求5所述的数字控制器，其中，所述自适应回路被配置成，如果所述电压模式控制器的输出被钳位在所述最大值或者超过目标值，则减小所述交流输入电压测量结果的直流等效值，以及其中，所述自适应回路被配置成，如果所述电压模式控制器的输出被钳位在所述最小值或者低于所述目标值，则增大所述交流输入电压测量结果的直流等效值。
8.根据权利要求7所述的数字控制器，其中，所述自适应回路被配置成以预定的步长减小或增大所述交流输入电压测量结果的直流等效值。
9.根据权利要求7所述的数字控制器，其中，所述自适应回路是积分器或者比例积分控制回路，所述积分器或者比例积分控制回路被配置成调节所述交流输入电压测量结果的直流等效值，使得所述电压模式控制器的输出朝向目标值移动。
10.根据权利要求9所述的数字控制器，其中，所述积分器或者比例积分控制回路被配置成基于所述目标值与所述电压模式控制器的输出之间的差计算增量值，并且将所述增量值与所述交流输入电压测量结果的直流等效值相加。
11.根据权利要求5所述的数字控制器，其中，所述自适应回路被配置成如果对所述交流输入电压测量结果的直流等效值所做的改变超过预定阈值，则修改所述改变的步长。
12.根据权利要求1所述的数字控制器，其中，如果所述电压模式控制器的输出落在所述预定范围之外，则在所述突发模式下在所述PFC级的突发接通时段期间的每个采样周期启用并且执行所述自适应回路，以及其中，一旦所述电压模式控制器的输出落在所述预定范围内，则禁用所述自适应回路。
13.根据权利要求1所述的数字控制器，其中，在从所述突发模式返回到所述稳态模式后，所述电流模式控制器被配置成使用来自所述突发模式的所述电压模式控制器的输出和所述交流输入电压测量结果的直流等效值作为初始值，以CCM操作所述PFC级。
14.一种电源，包括：
功率因数校正PFC级；
耦接至所述PFC级的LLC转换器；
电流模式控制器，被配置成通过实现具有交流输入电压测量结果作为输入的电流控制回路，在所述电源的稳态模式下以连续导通模式CCM操作所述PFC级；
电压模式控制器，被配置成通过实现没有交流输入电压测量结果作为输入的电压控制回路，对于所述电源的突发模式的至少一部分以非连续导通模式DCM操作所述PFC级；以及
自适应回路，被配置成如果在所述突发模式下所述电压模式控制器的输出落在预定范围之外，则修改所述电压控制回路。
15.一种操作电源的方法，所述电源具有功率因数校正PFC级和耦接至所述PFC级的LLC转换器，所述方法包括：
通过实现具有交流输入电压测量结果作为输入的电流控制回路，使用电流模式控制器在所述电源的稳态模式下以连续导通模式CCM操作所述PFC级；
通过实现没有交流输入电压测量结果作为输入的电压控制回路，使用电压模式控制器对于所述电源的突发模式的至少一部分以非连续导通模式DCM操作所述PFC级；以及
如果在所述突发模式下所述电压模式控制器的输出落在预定范围之外，则修改所述电压控制回路。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述预定范围限定了对在所述突发模式下通过所述电源传输的功率的最大限制和最小限制，其中，所述最大限制对应于所述电压模式控制器的输出的最大值，以及其中，所述最小限制对应于所述电压模式控制器的输出的最小值。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，对于所述突发模式的至少一部分以DCM操作所述PFC级包括：
基于所述电压模式控制器的输出、在进入所述突发模式之前得到的交流输入电压测量结果的直流等效值以及所述PFC级的导通模式电感电流的估计值，确定在所述突发模式下所述PFC级的接通时间；以及
如果所述电压模式控制器的输出落在所述预定范围之外，则修改所述交流输入电压测量结果的直流等效值。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，如果所述电压模式控制器的输出落在所述预定范围之外则修改所述交流输入电压测量结果的直流等效值包括：
如果所述电压模式控制器的输出被钳位在所述最大值或者超过目标值，则减小所述交流输入电压测量结果的直流等效值；以及
如果所述电压模式控制器的输出被钳位在所述最小值或者低于所述目标值，则增大所述交流输入电压测量结果的直流等效值。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，如果所述电压模式控制器的输出落在所述预定范围之外则修改所述交流输入电压测量结果的直流等效值包括：
通过积分器或者比例积分控制回路调节所述交流输入电压测量结果的直流等效值，使得所述电压模式控制器的输出朝向目标值移动。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
基于所述目标值和所述电压模式控制器的输出之间的差计算增量值；以及
将所述增量值与所述交流输入电压测量结果的直流等效值相加。
21.根据权利要求17所述的方法，其中，如果所述电压模式控制器的输出落在所述预定范围之外则修改所述交流输入电压测量结果的直流等效值包括：
以预定步长减小或增大所述交流输入电压测量结果的直流等效值。
22.根据权利要求17所述的方法，还包括：
如果对所述交流输入电压测量结果的直流等效值所做的改变超过预定阈值，则修改所述改变的步长。
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