CN113972814A - 开关功率转换器的占空比控制 - Google Patents

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Abstract

一种开关功率转换器，包括包括至少两个功率开关装置的电源电路以及耦合到所述电源电路用于控制所述功率开关装置的控制电路。所述控制电路被配置为感测所述电源电路的输出电压、基于互补时钟信号生成至少两个斜坡信号，以及基于所述斜坡信号中的一个斜坡信号和所述电源电路的所述输出电压生成用于控制所述功率开关装置中的一个功率开关装置的控制信号并且基于所述斜坡信号中的另一个斜坡信号和所述电源电路的所述输出电压生成用于控制所述功率开关装置中的另一个功率开关装置的另一个控制信号。在一些实施例中，所述控制电路可以包括用于生成控制信号的比较器。还公开了其他示例功率转换器和控制电路。

Description

开关功率转换器的占空比控制
技术领域
本公开内容涉及开关功率转换器的占空比控制。
背景技术
本部分提供了与本公开内容有关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。
电功率转换器通常包括电源电路和用于控制电源电路中的开关装置的控制电路。控制电路可以包括用于生成控制信号以控制开关装置的比较器。在这样的实施例中，控制电路可以通过添加斜坡信号和电源电路的感测的输出电压来生成补偿信号以及基于参考电压和感测的输出电压生成误差信号。然后，比较器比较补偿信号和误差信号以生成控制信号。斜坡信号通常基于电源电路中的输出电容器的等效串联电阻(ESR)或输出电感的伏秒积生成。
发明内容
本部分提供了本公开内容的总体概述，并且不是对其全范围或所有其特征的全面公开。
根据本公开内容的一个方面，一种开关功率转换器包括具有至少两个功率开关装置的电源电路以及耦合到所述电源电路用于控制所述功率开关装置的控制电路。所述控制电路被配置为感测所述电源电路的输出电压、基于互补时钟信号生成至少两个斜坡信号，以及基于所述斜坡信号中的一个斜坡信号和所述电源电路的所述输出电压生成用于控制所述功率开关装置中的一个功率开关装置的第一控制信号并且基于所述斜坡信号中的另一个斜坡信号和所述电源电路的所述输出电压生成用于控制所述功率开关装置中的另一个功率开关装置的第二控制信号。
根据本公开内容的另一个方面，公开了一种用于控制电源电路的功率开关装置的控制电路。所述控制电路包括比较器。所述控制电路被配置为感测所述电源电路的输出电压并且基于互补时钟信号生成至少两个斜坡信号。所述比较器中的一个比较器被配置为基于所述斜坡信号中的一个斜坡信号和所述电源电路的所述输出电压之间的比较生成用于控制所述功率开关装置中的一个功率开关装置的第一控制信号，并且所述比较器中的另一个比较器被配置为基于所述斜坡信号中的另一个斜坡信号和所述电源电路的所述输出电压之间的比较生成用于控制所述功率开关装置中的另一个功率开关装置的第二控制信号。
另外的方面和适用性领域将从本文所提供的描述变得明了。应理解，本公开内容的各方面可以被单独实施或与一个或多个其他方面结合实施。还应理解，本文的描述和具体实施例仅意在用于例示目的并且不意在限制本公开内容的范围。
附图说明
本文所描述的附图仅是出于所选择的实施方案而非所有可能的实施方式的例示性目的，并且不意在限制本公开内容的范围。
图1是根据本公开内容的一个示例实施方案的开关功率转换器的块图，该开关功率转换器包括电源电路和用于基于斜坡信号和时钟信号生成PWM控制信号以控制电源电路中的功率开关装置的控制电路。
图2是根据另一个示例实施方案的控制电路的示意图，该控制电路包括用于基于斜坡信号生成PWM控制信号以控制电源电路中的功率开关装置的比较器。
图3是根据又一个示例实施方案的控制电路的示意图，该控制电路包括用于基于斜坡信号生成PWM控制信号以控制电源电路中的功率开关装置的比较器和开关装置。
图4是根据另一个示例实施方案的控制电路的示意图，该控制电路包括用于基于斜坡信号和参考电压生成PWM控制信号以控制电源电路中的功率开关装置的比较器。
图5是根据又一个示例实施方案的控制电路的示意图，该控制电路包括用于基于斜坡信号和参考电压生成PWM控制信号以控制电源电路中的功率开关装置的比较器。
图6是图5的比较器的运行波形的时序图。
图7是根据另一个示例实施方案的控制电路的示意图，该控制电路包括用于生成PWM控制信号以控制电源电路中的功率开关装置的基于时钟信号控制的开关装置。
图8是根据又一个示例实施方案的用于调整图7的控制电路中的参考电压的电路的示意图。
图9是根据另一个示例实施方案的开关功率转换器的示意图，该开关功率转换器包括交错双管正激拓扑和图5的控制电路。
在附图的所有若干视图中，对应的参考数字指示对应的(但是不一定相同的)部分和/或特征。
具体实施方式
提供示例实施方案使得本公开内容将是透彻的，并且将向本领域技术人员充分地传达范围。阐述了许多具体的细节，诸如具体的部件、装置和方法的实施例，以提供对本公开内容的实施方案的透彻理解。对于本领域技术人员而言将明显的是，不必采用具体的细节，示例实施方案可以许多不同的形式体现并且不应被解释为限制本公开内容的范围。在一些示例实施方案中，未详细地描述众所周知的过程、众所周知的装置结构和众所周知的技术。
本文所使用的术语仅是出于描述具体示例实施方案的目的并不意在进行限制。如本文所使用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“所述(the)”也可以意在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(including)”和“具有(having)”是包含性的并且因此指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。本文所描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论的或所例示的具体顺序执行，除非被明确地认定为一执行顺序。还应理解，可以采用附加步骤或替代步骤。
尽管本文可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分区分开。术语诸如“第一”、“第二”和其他数值术语当在本文中使用时不暗示一次序或顺序，除非上下文明确地指示。因此，在不脱离示例实施方案的教导的情况下，下文所讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。
为了易于描述，本文可以使用空间相对术语，诸如“内部”、“外部”、“在……下面”、“在……下方”、“下部”、“在……上方”、“上部”等，来描述如附图中所例示的一个元件或特征与另外的元件或特征的关系。除了附图中所描绘的定向之外，空间相对术语可以意在包含处于使用或操作中的装置的不同定向。例如，如果翻转附图中的装置，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下面”的元件将被定向为在所述其他元件或特征“上方”。因此，示例术语“在……下方”可以既包含“在……上方”的定向又包含“在……下方”的定向。装置可以其他方式定向(旋转90度或以其他定向)并且相应地解释本文所使用的空间相对描述。
现在将参考附图更充分地描述示例实施方案。
根据本公开内容的一个示例实施方案的开关功率转换器被例示在图1中并且总体上由参考数字100指示。如图1中所示出的，开关功率转换器100包括具有两个功率开关装置104、106的电源电路102，以及耦合到电源电路102用于控制功率开关装置104、106的控制电路108。控制电路108感测电源电路102的输出电压Vout、基于互补时钟信号114、116生成斜坡信号110、112并且分别基于斜坡信号110、112和输出电压Vout生成用于控制功率开关装置104、106的控制信号118、120。
与常规控制电路相比，控制电路108和/或本文所公开的其他控制电路中的任何一个控制电路简化了功率转换器的控制方案并且减少了计算压力。例如，控制电路通常负责控制功率转换器以提供严格的负载曲线。在这样的实施例中，功率转换器通常用用于控制脉冲宽度调制(PWM)的采用复杂的控制算法和感测技术的高性能微控制器来数字控制，以确保转换器符合严格的负载曲线并且在变化的负载状况(例如，增加的满载电流、峰值功率、负载电流转换速率等)下提供干净、没有误差的功率。这可能增加微控制器上的计算压力以及工程资源上的负担。然而，通过如本文所公开的基于感测的(例如，采样的)输出电压和斜坡信号控制PWM，与依赖微控制器来控制PWM的常规控制电路相比，可以减少微控制器上的计算压力和工程资源上的负担。
如上文所解释的，时钟信号114、116彼此互补。例如，并且如图1中所示出的，当时钟信号114为高时，时钟信号116为低，并且当时钟信号114为低时，时钟信号116为高。在这样的实施例中，时钟信号114、116可以彼此异相180度。
此外，在一些实施例中，可以在互补时钟信号114、116的转变之间放置死区时间。在这样的实施例中，在时钟信号114的转变(例如，低到高和/或高到低)和时钟信号116的转变(例如，高到低和/或低到高)之间放置死区时间。这可以防止时钟信号114、116二者同时都为高导致控制信号118、120二者都接通它们对应的功率开关装置104、106的情况。
在一些实施例中，时钟信号114、116可以设置控制信号118、120的频率。例如，并且如下文进一步解释的，时钟信号114、116可以被用来将控制信号118、120(例如，PWM控制信号)的开关频率直接控制在固定值。在这样的实施例中，可以通过改变时钟信号114、116的参数来调整控制信号118、120的频率。在其他实施例中，可以使用其他合适的部件、技术等来设置和/或调整控制信号118、120的频率。
在图1的实施例中，可以不同的方式生成和/或控制时钟信号114、116。例如，控制电路108可以包括用于生成和/或控制时钟信号114、116的微控制器。在一些实施例中，控制电路108可以包括用于生成和/或控制互补时钟信号114、116的一个或多个时钟发生器，诸如振荡器电路。在这样的实施例中，微控制器、时钟发生器等可以调整时钟信号114、116的频率和/或占空比以改变PWM控制信号118、120，以适应电源电路102(和/或功率转换器100)的各种运行状况，如下文进一步解释的。
如图1中所示出的，斜坡信号110、112是时钟驱动的三角波形。例如，斜坡信号110增加(或减小)，同时斜坡信号112减小(或增加)。具体地，并且如图1中所示出的，当时钟信号114为高时，斜坡信号110增加，并且当时钟信号114为低时，斜坡信号110减小。类似地，当时钟信号116为高时，斜坡信号112增加，并且当时钟信号116为低时，斜坡信号112减小。在这样的实施例中，斜坡信号110、112增加和减小的速率相等并且基于互补时钟信号114、116。
在图1的实施例中，斜坡信号110、112可以用各种部件生成。例如，斜坡信号110、112的正向和负向部分可以用一个或多个电流源、电容器和/或通常被采用以生成斜坡信号的其他部件来生成。
可以针对不同的运行状况调整控制信号118、120。例如，可能期望将输出电压Vout调节在限定值。在这样的实施例中，可以基于生成的斜坡信号110、112(例如，参考电压信号)和感测的输出电压Vout控制PWM控制信号118、120的占空比，以确保输出被调节。如果功率转换器100的运行状况改变(例如，负载状况、输出调节等的改变)，则控制电路108可以调整时钟信号114、116的频率和/或占空比。结果，基于时钟信号114、116生成的PWM控制信号118、120的频率和/或占空比也可以被调整。这样，功率转换器100可以快速地适应变化的运行状况。
在一些实施例中，可以基于斜坡信号110、112和输出电压Vout之间的比较生成PWM控制信号118、120。在这样的实施例中，控制电路108(和/或本文所公开的任何其他控制电路)可以包括一个或多个用于比较生成的斜坡信号和输出电压的比较器。
例如，图2例示了可与图1的电源电路102一起采用的控制电路208。图2的控制电路208大体上类似于图1的控制电路108，但是包括用于生成PWM控制信号DRIVE_A、DRIVE_B的比较器U1、U2。
如图2中所示出的，控制电路208感测电源电路(例如，图1的电源电路102)的输出电压Vout。在图2的具体实施例中，控制电路208包括用于将感测的输出电压Vout降低到期望的水平的由电阻器R1、R2形成的分压器。降低的输出电压被称为反馈信号VFB，并且被提供给比较器U1、U2。
此外，如上文所解释的，控制电路208分别基于互补时钟信号CLOCK_A、CLOCK_B生成斜坡信号RAMP_A、RAMP_B。例如，控制电路208可以包括用于生成和/或控制时钟信号CLOCK_A、CLOCK_B的一个或多个微控制器、时钟发生器等。如图2中所示出的，斜坡信号RAMP_A、RAMP_B在时钟信号CLOCK_A、CLOCK_B为高时包括正斜率并且在时钟信号CLOCK_A、CLOCK_B为低时包括负斜率。
比较器U1、U2基于斜坡信号RAMP_A、RAMP_B和反馈信号VFB之间的比较生成PWM控制信号DRIVE_A、DRIVE_B。具体地，并且如图2中所示出的，比较器U1比较斜坡信号RAMP_A和反馈信号VFB，并且生成PWM控制信号DRIVE_A。同样地，比较器U2比较斜坡信号RAMP_B和反馈信号VFB，并且生成PWM控制信号DRIVE_B。在这样的实施例中，可以基于生成的斜坡信号RAMP_A、RAMP_B(例如，参考电压信号)和感测的输出电压Vout控制PWM控制信号DRIVE_A、DRIVE_B的占空比，以确保输出被调节。例如，可以调整斜坡信号RAMP_A、RAMP_B的峰到峰电压以改变PWM控制信号DRIVE_A、DRIVE_B的占空比。
可以在不依赖误差信号和/或误差放大器的情况下生成图2的PWM控制信号DRIVE_A、DRIVE_B。例如，并且如图2中所示出的，反馈信号VFB和斜坡信号RAMP_A、RAMP_B(例如，参考信号)被施加到比较器U1、U2。在这样的实施例中，感测的输出电压Vout和斜坡信号直接影响比较器U1、U2的输出(PWM控制信号DRIVE_A、DRIVE_B)。这样，由比较器U1、U2生成PWM控制信号DRIVE_A、DRIVE_B而无需使用常规的误差信号和/或误差放大器。
可以针对不同的运行状况调整PWM控制信号DRIVE_A、DRIVE_B。例如，并且如上文所解释的，可以调整时钟信号CLOCK_A、CLOCK_B的占空比和/或频率。结果，可以调整由比较器U1、U2生成的PWM控制信号DRIVE_A、DRIVE_B的频率和/或占空比以考虑到不同的运行状况。
比较器U1、U2可以是任何合适类型的比较器。例如，一个或两个比较器U1、U2可以是专用电压比较器、运算放大器等。在一些优选实施方案中，比较器U1、U2可以是快速比较器。在这样的实施例中，比较器U1、U2可以具有低于大约60纳秒的传播延迟时间。在一些实施例中，传播延迟时间可以在38纳秒和55纳秒之间变动。在其他实施例中，比较器U1、U2可以是慢速比较器并且具有数百纳秒以上的传播延迟时间。
在一些实施例中，本文所公开的控制电路可以包括用于设置生成的PWM控制信号的频率的一个或多个开关装置。例如，控制电路可以包括基于互补时钟信号控制的一个或多个开关装置。在这样的实施例中，可以结合比较器(例如，图2的比较器U1、U2)和/或生成PWM控制信号的其他合适的部件来采用开关装置。
例如，图3例示了可与图1的电源电路102一起采用的控制电路308。图3的控制电路308大体上类似于图2的控制电路208，但是包括控制开关装置。具体地，控制电路308包括两个控制开关装置SW1、SW2以及用于基于斜坡信号RAMP_A、RAMP_B和感测的输出电压Vout(例如，反馈信号VFB)之间的比较生成PWM控制信号DRIVE_A、DRIVE_B的图2的比较器U1、U2，如上文所解释的。如图3中所示出的，控制开关装置SW1、SW2耦合到比较器的输出。具体地，控制开关装置SW1耦合到比较器U1的输出，并且控制开关装置SW2耦合到比较器U2的输出。
在图3的实施例中，控制电路308可以用控制开关装置SW1、SW2控制生成的控制信号DRIVE_A、DRIVE_B的频率。例如，并且如图3中所示出的，控制电路308用用于生成斜坡信号RAMP_A、RAMP_B(例如，参考电压信号)的相同的时钟信号CLOCK_A、CLOCK_B来控制开关装置SW1、SW2。这样，PWM控制信号DRIVE_A、DRIVE_B的频率可以由时钟信号CLOCK_A、CLOCK_B直接控制。结果，可以通过时钟驱动的开关装置SW1、SW2实现精确的固定频率运行。
此外，时钟信号CLOCK_A、CLOCK_B可以被用来控制PWM控制信号DRIVE_A、DRIVE_B的占空比。例如，当时钟信号CLOCK_A(或时钟信号CLOCK_B)为高时，开关装置SW1(或开关装置SW2)闭合，迫使PWM控制信号DRIVE_A(或PWM控制信号DRIVE_B)到低状态。这样，时钟信号CLOCK_A、CLOCK_B的高时间可以被用来建立PWM控制信号DRIVE_A、DRIVE_B的最小断开时间。结果，可以使PWM控制信号DRIVE_A、DRIVE_B的占空比最大化。这在启动和瞬态状况期间可能是重要的，并且防止变压器饱和(如果在电源电路中采用)。
在一些实施例中，本文所公开的控制电路可以在生成PWM控制信号之前修改斜坡信号。例如，控制电路可以将斜坡信号添加到一个或多个参考电压上，导致斜坡信号以参考电压为中心。在这样的实施例中，控制电路可以基于修改的斜坡信号(例如，添加到参考电压上的斜坡信号)生成PWM控制信号。
例如，图4例示了可与图1的电源电路102一起采用的控制电路408。图4的控制电路408大体上类似于图2的控制电路208，但是包括参考电压VREF。具体地，并且如图4中所示出的，控制电路408包括图2和图3的比较器U1、U2、参考电压VREF以及分别耦合在参考电压VREF和斜坡信号RAMP_A、RAMP_B之间的电阻器R3、R4。由于电阻器R3两端的电压降，参考电压VREF被降低到参考电压VREF_A，并且由于电阻器R4两端的电压降，参考电压VREF被降低到参考电压VREF_B。
在图4的具体实施例中，将斜坡信号RAMP_A、RAMP_B分别添加到参考电压VREF_A、VREF_B上。例如，由参考电压VREF_A、VREF_B偏置斜坡信号RAMP_A、RAMP_B，导致斜坡信号RAMP_A、RAMP_B以参考电压VREF_A、VREF_B为中心。偏置的斜坡信号被称为修改的斜坡信号RAMP_A1、RAMP_B1。
如图4中所示出的，比较器U1、U2基于修改的斜坡信号RAMP_A1、RAMP_B1和感测的输出电压Vout生成PWM控制信号DRIVE_A、DRIVE_B。具体地，比较器U1比较修改的斜坡信号RAMP_A1和反馈信号VFB，并且生成PWM控制信号DRIVE_A。同样地，比较器U2比较修改的斜坡信号RAMP_B1和反馈信号VFB，并且生成PWM控制信号DRIVE_B。在这样的实施例中，修改的斜坡信号RAMP_A1、RAMP_B1作为参考电压信号起作用，用于维持生成的PWM控制信号DRIVE_A、DRIVE_B的精确的并且一致的脉冲宽度，以及调节相关联的电源电路(例如，本文所公开的电源电路中的任何一个电源电路)的输出电压。
可以基于期望的输出调节选择和/或调整参考电压VREF和电阻器R3、R4。例如，可以选择和/或调整参考电压VREF和/或电阻器R3、R4的值以改变提供给比较器U1、U2的修改的斜坡信号RAMP_A1、RAMP_B1。结果，可以选择和/或调整参考电压VREF和电阻器R3、R4以针对各种控制算法(例如，下垂电流共享、有源电流共享等)和远程电压感测实现精确输出调节控制。
图5例示了可与图1的电源电路102一起采用的控制电路508。图5的控制电路508大体上类似于图4的控制电路408，但是包括图3的控制开关装置SWl、SW2。具体地，并且如图5中所示出的，控制电路508包括图2-图4的比较器U1、U2、图4的参考电压VREF、图4的电阻器R3、R4以及耦合到比较器U1、U2的输出的图3的控制开关装置SW1、SW2。在图5的实施例中，比较器U1、U2比较感测的(例如，采样的)输出电压Vout和以参考电压VREF_A、VREF_B为中心的时钟驱动的斜坡信号，并且生成PWM控制信号DRIVE_A、DRIVE_B，如本文所解释的。此外，开关装置SW1、SW2用互补时钟信号CLOCK_A、CLOCK_B控制，用于设置PWM控制信号DRIVE_A、DRIVE_B的固定频率。这样，可以实现精确的固定频率和输出调节。
图6例示了图5的比较器U1、U2在稳态状况下的运行波形。在一个完整的周期内示出波形，该周期被分解为时间间隔t1、t2、t3、t4。在图6的实施例中，PWM控制信号DRIVE_A、DRIVE_B具有相同的脉冲宽度并且异相180度。
如图6中所示出的，在时间间隔t1的开始处，时钟信号CLOCK_A从高转变到低，并且时钟信号CLOCK_B从低转变到高。时钟信号CLOCK_A的高到低的转变触发PWM控制信号DRIVE_A的导通时间的开始。在时间间隔t1期间，比较器U1将反馈信号VFB(例如，采样的输出电压Vo)与修改的斜坡信号RAMP_A1比较。当修改的斜坡信号RAMP_A1高于反馈信号VFB时，PWM控制信号DRIVE_A为高。这样，在时间间隔t1期间，由PWM控制信号DRIVE_A控制的开关装置导通，并且相关联的电源电路可以将电力递送到输出(例如，负载)。
PWM控制信号DRIVE_A保持为高直到修改的斜坡信号RAMP_A1在时间间隔t2处穿过反馈信号VFB。例如，一旦修改的斜坡信号RAMP_A1下降到反馈信号VFB以下，比较器U1的输出(例如，PWM控制信号DRIVE_A)就改变为低状态。结果，由PWM控制信号DRIVE_A控制的开关设备关断。PWM控制信号DRIVE_A保持为低直到时钟信号CLOCK_A在时间间隔t4的结束处的下一个高到低的转变。
在时间间隔t3处，时钟信号CLOCK_B从高转变到低。此时钟动作触发PWM控制信号DRIVE_B的导通时间的开始。例如，在时间间隔t3期间，比较器U2将反馈信号VFB与修改的斜坡信号RAMP_B1比较。当修改的斜坡信号RAMP_B1高于反馈信号VFB时，PWM控制信号DRIVE_B为高。这样，在时间间隔t3期间，由PWM控制信号DRIVE_B控制的开关装置导通，并且相关联的电源电路可以将电力递送到输出。
PWM控制信号DRIVE_B保持为高直到修改的斜坡信号RAMP_B1在时间间隔t4处穿过反馈信号VFB。例如，一旦修改的斜坡信号RAMP_B1下降到反馈信号VFB以下，比较器U2的输出(例如，PWM控制信号DRIVE_B)就改变为低状态。结果，由PWM控制信号DRIVE_B控制的开关装置关断。
图7例示了类似于图5的控制电路508的控制电路708，但是该控制电路708包括用于生成斜坡信号RAMP_A、RAMP_B的部件。例如，除了比较器U1、U2、控制开关装置SW1、SW2(例如，示出为MOSFET)、参考电压VREF和图5的电阻器R1-R4之外，图7的控制电路708还包括电容器C1、C6和电阻器R5、R6。如上文所解释的，时钟信号CLOCK_A、CLOCK_B驱动控制开关装置SW1、SW2。
时钟信号CLOCK_A、CLOCK_B经由RC电路耦合到比较器U1、U2的非反相输入。RC电路生成斜坡信号RAMP_A、RAMP_B。具体地，时钟信号CLOCK_A通过电容器C1和电阻器R5来生成斜坡信号RAMP_A，并且时钟信号CLOCK_B通过电容器C6和电阻器R6来生成斜坡信号RAMP_B。
如图7中所示出的，参考电压VREF经由电阻器R3、R4偏置两个非反相比较器输入。同时，RC电路(例如，电阻器R5、R6和电容器C1、C6)在相同的比较器输入上叠加斜坡信号RAMP_A、RAMP_B。如上文所解释的，这在比较器U1、U2的非反相输入处创建修改的斜坡信号RAMP_A1、RAMP_B1。
此外，控制电路708可以包括用于降低输出电压纹波和维持干净的反馈信号VFB的可选的滤波部件。例如，并且在图7中所示出的，控制电路708包括具有电容器C3、C4和电阻器R2、R8的可选的低通滤波电路。电阻器R2和电容器C3提供第一级高频滤波，并且电阻器R8和电容器C4提供附加的滤波。
在一些实施例中，可能期望调整参考电压VREF。作为一个实施例，输出电压校准、电流共享、远程感测、输出电压微调等可能需要调整参考电压VREF。例如，图8例示了用于调整图4、图5和图7的参考电压VREF的电路830。
如图8中所示出的，电路830包括电阻器R11、R12、R13、R16、电容器C5、C8、C9、齐纳二极管D3和输入VREF_ADJ。在图8的实施例中，输入VREF_ADJ可以耦合到微控制器(例如，微控制器的PWM输出)。微控制器可以改变输入VREF_ADJ处的信号的占空比。此信号可以调整用于设置参考电压VREF的限定电压VCC。
本文所公开的控制电路可与依赖两个互补控制信号(例如，驱动信号)的任何合适的转换器拓扑一起采用。这样，本文所公开的电源电路可以包括各种不同的转换器拓扑，包括例如交错双管正激(ITTF)拓扑、半桥拓扑、全桥拓扑、推挽拓扑等。例如，当功率开关装置相对于彼此异相180度操作时，由控制电路生成的PWM控制信号可以用于驱动电源电路的正激部分中的功率开关装置。这在交错拓扑中可能特别有用。此外，控制电路可以用隔离式或非隔离式功率转换器来实现。例如，生成的控制信号可以与它们对应的电源电路电隔离。
例如，图9例示了包括具有ITTF拓扑的电源电路902和图5的控制电路508的开关功率转换器900。如图9中所示出的，电源电路902包括具有功率开关装置SW3、SW4和耦合到功率开关装置SW3、SW4的二极管D1、D2的子电路904(例如，一个相)以及具有功率开关装置SW5、SW6和耦合到功率开关装置SW5、SW6的二极管D3、D4的子电路906(例如，另一个相)。在图9的实施例中，用由控制电路508生成的PWM控制信号DRIVE_A控制子电路904的功率开关装置SW3、SW4，并且用由控制电路508生成的PWM控制信号DRIVE_B控制子电路906的功率开关装置SW5、SW6。在其他实施例中，可以由本文所公开的其他控制电路中的任何一个控制电路生成的PWM控制信号控制功率开关装置SW3-SW6。
如图9中所示出的，电源电路902还包括整流电路908和耦合在整流电路908和子电路904、906之间的变压器T1。整流电路908包括与子电路904相关联的二极管D5、与子电路906相关联的二极管D6和续流二极管D7。
本文所公开的控制电路可以包括模拟控制电路、数字控制电路或混合控制电路(例如，数字控制电路和模拟电路)。数字控制电路可以用一种或多种类型的数字控制电路来实现。例如，数字控制电路各自可以包括数字控制器，诸如数字信号控制器(DSC)、数字信号处理器(DSP)、微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等。这样，本文所公开的控制方法中的任何一个控制方法可以至少部分地由数字控制器执行。
例如，本文所公开的控制电路中的任何一个控制电路都可以包括微控制器和模拟控制部件。在这样的实施例中，如上文所解释的，微控制器可以被用来生成和/或控制时钟信号、参考电压VREF等，并且模拟控制部件(例如，比较器等)可以被用来基于时钟信号生成控制信号。模拟控制部件可以为控制电路提供极好的瞬态响应和回路稳定性特性，如下文进一步解释的。微控制器可以通过针对各种运行状况调整时钟信号的频率和/或占空比来提供对运行频率的精确控制，如上文所解释的。此外，微控制器可以提供故障保护、协助电源电路的软启动和输出上升时间控制、在功率转换器运行改变时提供灵活性等。
本文所公开的教导可以在各种电源应用中采用。例如，控制电路可以被用来控制AC/DC电源、DC/DC电源等中的电源电路(例如，具有ITTF拓扑的电源电路)。电源可以包括例如2400W电源等。在一些实施例中，控制电路可以被用来控制服务器电源应用中的电源电路。
通过采用本文所公开的控制方法，基于斜坡信号和时钟信号实现PWM控制，以确保功率转换器符合严格的负载曲线。这样，可以简化控制电路的设计，同时减轻计算压力并且降低它们的微控制器的功率要求。因此，可以用控制电路来实现具有降低的速度的较低成本的微控制器。
此外，控制方法可以通过提供采样的输出电压的快速反馈路径并且用采样的输出电压直接控制PWM控制信号的脉冲宽度和占空比来采用自补偿技术。这样，不需要调整控制回路以实现期望的特性的控制回路补偿(例如，PID型控制计算等)。
采样的输出电压的快速反馈路径以及脉冲宽度和占空比的直接控制可以提供极好的瞬态响应。例如，当负载以大约10A/us的转换速率从20A上升到100A时，输出电压可能下降一个或两个周期。在这样的情况下，可以调整PWM控制信号以具有全占空比。这导致输出电压随着电流由于负载的改变上升而恢复。同样地，当负载下降时，可以调整PWM控制信号以具有较低的占空比。
此外，可以在维持高增益带宽和增益/相位裕度的同时实现瞬态响应。测试已经示出，当负载从20A改变到190A时，增益裕度保持在13-15db之间，相位裕度保持在46-59度之间，并且增益带宽保持在8-12kHz之间。例如，并且如下面的表1中所示出的，当负载为20A时，增益裕度为15dB，相位裕度为59度，并且增益带宽为8.73kHz。当负载改变时，增益带宽和增益/相位裕度大体上被维持。例如，当负载被增加到100A时，增益裕度为14.2dB，相位裕度为45度，并且增益带宽为9.96，如表1中所示出的。针对处于50A和190A的负载的测试结果也在表1中示出。
Figure BDA0003178343210000141
此外，即使当控制电路的稳定性取决于电源电路中的输出电容器的ESR时，也可以管理控制电路的稳定性。例如，在服务器电源应用中，输出电容器ESR可能足够高以维持控制电路的稳定运行。例如，可以采用具有大约8毫欧姆的典型ESR值的聚合物铝电容器。在这样的实施例中，可以实现极好的瞬态响应和稳定的回路控制。
出于例示和描述的目的已经提供了实施方案的前述描述。并不意在是穷举性的或限制本公开内容。一具体实施方案的各个元件或特征通常不限于该具体实施方案，而是在可适用的情况下可互换并且可以用在一所选择的实施方案中，即使未被具体示出或描述。也可以多种方式对其进行变化。这样的变化不应被视为脱离本公开内容，并且所有这样的修改意在被包括在本公开内容的范围内。

Claims (9)

1.一种开关功率转换器，包括：
电源电路，所述电源电路包括至少两个功率开关装置，以及
控制电路，所述控制电路耦合到所述电源电路，用于控制所述功率开关装置，所述控制电路被配置为感测所述电源电路的输出电压、基于互补时钟信号生成至少两个斜坡信号，以及基于所述斜坡信号中的一个斜坡信号和所述电源电路的所述输出电压生成用于控制所述功率开关装置中的一个功率开关装置的第一控制信号并且基于所述斜坡信号中的另一个斜坡信号和所述电源电路的所述输出电压生成用于控制所述功率开关装置中的另一个功率开关装置的第二控制信号。
2.根据权利要求1所述的开关功率转换器，其中所述控制电路被配置为基于所述斜坡信号和参考电压生成至少两个修改的斜坡信号。
3.根据权利要求1所述的开关功率转换器，其中所述控制电路包括控制开关装置，并且其中所述控制电路被配置为基于所述互补时钟信号驱动所述控制开关装置以设置所述第一控制信号和所述第二控制信号的固定频率。
4.根据权利要求1所述的开关功率转换器，其中所述控制电路包括至少两个比较器，其中所述比较器中的一个比较器被配置为基于所述斜坡信号中的所述一个斜坡信号和所述电源电路的所述输出电压之间的比较生成所述第一控制信号，并且其中所述比较器中的另一个比较器被配置为基于所述斜坡信号中的所述另一个斜坡信号和所述电源电路的所述输出电压之间的比较生成所述第二控制信号。
5.根据权利要求4所述的开关功率转换器，其中所述控制电路包括控制开关装置，其中所述控制开关装置中的一个控制开关装置耦合到所述比较器中的所述一个比较器的输出，其中所述控制开关装置中的另一个控制开关装置耦合到所述比较器中的所述另一个比较器的输出，并且其中所述控制电路被配置为基于所述互补时钟信号驱动所述控制开关装置以设置所述第一控制信号和所述第二控制信号的固定频率。
6.根据权利要求1所述的开关功率转换器，其中所述电源电路包括具有第一子电路和第二子电路的交错双管正激拓扑，其中所述功率开关装置中的所述一个功率开关装置是所述第一子电路中的功率开关装置，并且其中所述功率开关装置中的所述另一个功率开关装置是所述第二子电路中的功率开关装置。
7.一种用于控制电源电路的多个功率开关装置的方法，所述控制电路包括一对比较器，所述方法包括：
感测所述电源电路的输出电压；
基于互补时钟信号生成至少两个斜坡信号；
经由所述一对比较器中的第一比较器，基于所述斜坡信号中的一个斜坡信号和所述电源电路的所述输出电压之间的比较生成用于控制所述多个功率开关装置中的一个功率开关装置的第一控制信号；以及
经由所述一对比较器中的第二比较器，基于所述斜坡信号中的另一个斜坡信号和所述电源电路的所述输出电压之间的比较生成用于控制所述功率开关装置中的另一个功率开关装置的第二控制信号。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括基于所述斜坡信号和参考电压生成至少两个修改的斜坡信号。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述控制电路还包括耦合到所述第一比较器的输出的第一控制开关装置和耦合到所述第二比较器的输出的第二控制开关装置；并且
其中所述控制电路被配置为基于所述互补时钟信号驱动所述第一控制开关装置和第二控制开关装置以设置所述第一控制信号和所述第二控制信号的固定频率。
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