CN115642804A - 使用循环时间进行交错式升压转换器的环路增益补偿 - Google Patents

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Abstract

描述一种使用循环信号来控制交错式升压转换器的相位环路的增益的方法和设备。在实施例中，相位补偿器将转换器的电力相位的持续时间与所述转换器的循环持续时间进行比较，以生成相位补偿。相位调整模块接收第一和第二转换器的相位反馈信号、测量相位差、接收所述相位补偿并且生成相位控制输出以作为响应。循环控制器接收所述相位控制输出并且生成第一和第二驱动信号以控制相应转换器的第一和第二栅极的切换，其中使用所述相位控制输出调整所述第一和第二驱动信号的时间。

Description

使用循环时间进行交错式升压转换器的环路增益补偿
技术领域
涉及电力转换领域。
背景技术
电力转换广泛用于各种应用，包括可调速电动机驱动、开关模式电力供应、不间断电力供应(UPS)和电池储能。在高功率应用中，通常使两个升压转换器交错以提高性能并减小转换器的大小。对于大电流应用和电压升高，通过固态开关的电流只是输入电流的小部分。交错还使有效切换频率加倍，并允许减小储能电感器和EMI滤波器组件的大小。这也减少了电流中的输入和输出波纹。开关用于为每个转换器的电力相位计时。通常，两个转换器交替操作，使得其电力循环为180度异相。
功率因数校正(PFC)转换器用于改善电力质量和提高效率。无源PFC可使用调谐LC滤波器来执行，但这些滤波器的频率和功率范围可能有限。有源PFC使用与无源元件相关联的主动控制的固态开关。所述开关允许PFC转换器在不同模式下操作。PFC升压转换器升高输入电压以获得更高的输出电压。
发明内容
描述一种使用循环信号来控制交错式升压转换器的相位环路的增益的方法和设备。在实施例中，相位补偿器被配置成从交错式升压转换器的第一转换器接收循环信号，所述循环信号具有其间从所述第一转换器的输入汲取电力的电力相位，所述电力相位具有其间启用所述第一转换器的第一栅极的初级行程以及其间停用所述第一栅极的次级行程，所述相位补偿器用以将所述电力相位的持续时间与从所述初级行程开始到下一初级行程开始的循环持续时间进行比较并生成相位补偿以作响应。相位调整模块被配置成接收所述交错式升压转换器的第一转换器的第一相位反馈信号和第二转换器的第二相位反馈信号，以测量相位差、接收相位补偿以及响应于所述相位差和所述相位补偿而生成相位控制输出。循环控制器被配置成接收所述相位控制输出并生成第一驱动信号以控制所述第一转换器的第一栅极的切换以及生成第二驱动信号以控制所述第二转换器的第二栅极的切换，其中使用所述相位控制输出来调整所述第一驱动信号和第二驱动信号的时间。
在一些实施例中，相位调整模块包括相位检测器以接收第一转换器的第一相位反馈信号和第二转换器的第二相位反馈信号、测量第一相位反馈信号与第二相位反馈信号之间的相位差以及产生指示测量的相位检测输出。相位调整模块包括用以组合相位检测输出和相位补偿的相位组合器以及耦合到组合器以接收组合的相位检测输出和相位补偿并生成相位控制输出以作为响应的相位控制器。
在一些实施例中，相位补偿器另外将相位补偿限制为至少最小值1。
在一些实施例中，相位调整模块包括：相位检测器，其被配置成接收第一转换器的第一相位反馈信号和第二转换器的第二相位反馈信号、测量第一相位反馈信号与第二相位反馈信号之间的相位差并产生指示测量的相位检测输出；相位控制器，其耦合到所述相位检测器并且被配置成接收所述相位检测输出并生成相位调整输出以作为响应；以及相位组合器，其被配置成组合所述相位调整输出和所述相位补偿并产生所述相位控制输出。
在一些实施例中，循环控制器另外用以使用相位控制输出调整第一驱动信号的时间。在一些实施例中，使用从循环控制器到对应栅极的驱动信号来确定循环持续时间。在一些实施例中，通过从循环控制器的存储器读取控制参数来确定循环持续时间。在一些实施例中，当第一转换器的电感器电流变成零时，电力相位持续时间结束。在一些实施例中，当第一转换器的电感器辅助绕组电压变成零时，电力相位持续时间结束。
在一些实施例中，当耦合到第一栅极的漏极的电压变成输入电压时，电力相位持续时间结束。在一些实施例中，相位补偿器另外将相位补偿限制为超过预定最小值。在一些实施例中，交错式升压转换器在不连续导电模式中操作。在一些实施例中，当第一转换器和第二转换器在边界导电模式中操作时，相位补偿器生成恒定相位补偿。
在一些实施例中，相位补偿器另外从第二转换器接收第二循环信号，比较第二电力相位持续时间与第二循环信号的第二循环持续时间，并且基于第一比较和第二比较生成相位补偿。
一些实施例另外包括差分接通时间生成电路，所述差分接通时间生成电路被配置成使用接通时间输入来生成第一转换器的第一接通时间和第二转换器的第二接通时间，所述第一接通时间和所述第二接通时间确定其中接通所述第一转换器和所述第二转换器的持续时间，并且其中循环控制器被配置成接收所述第一接通时间和所述第二接通时间并分别使用第一接通信号和第二接通信号来生成第一驱动信号和第二驱动信号。
在一些实施例中，差分接通时间生成电路耦合到相位组合器以接收相位控制输出并生成第一和第二接通时间以作响应，以朝向180度调整所述第一相位反馈信号与所述第二相位反馈信号之间的相位。
在实施例中，交错式升压转换器包括具有第一栅极并在第一相位操作的第一转换器，所述第一转换器被配置成接收输入电力并且生成第一转换输出电力。第二转换器具有第二栅极并在第二相位操作，被配置成接收输入电力并生成第二转换输出电力。相位补偿器被配置成从所述第一转换器和所述第二转换器中的至少一者接收循环信号，所述循环信号具有其间从相应转换器输入汲取电力的电力相位，所述电力相位具有其间启用所述第一栅极的初级行程以及其间停用所述第一栅极的次级行程，相位补偿器用以将所述电力相位的持续时间与从所述初级行程开始到下一初级行程开始的循环持续时间进行比较并生成相位补偿以作响应。相位调整模块被配置成接收所述第一转换器的第一相位反馈信号和所述第二转换器的第二相位反馈信号、测量相位差、接收所述相位补偿以及响应于所述相位差和所述相位补偿而生成相位控制输出。循环控制器被配置成接收相位控制输出并生成第一驱动信号以控制第一栅极的切换以及生成第二驱动信号以控制第二栅极的切换，其中使用所述相位控制输出来调整所述第一驱动信号和第二驱动信号的时间。
在实施例中，一种方法包括：在第一转换器和第二转换器处接收输入电力；生成输出电力作为所述第一转换器和所述第二转换器的交错输出；从所述第一转换器接收循环信号，所述循环信号具有其间从所述输入电力汲取电力的电力相位，所述电力相位具有其间启用所述第一转换器的第一栅极的初级行程以及其间停用所述第一栅极的次级行程；将所述电力相位的持续时间与所述第一转换器的从所述初级行程开始到下一初级行程开始的循环持续时间进行比较并生成相位补偿以作响应；接收所述第一转换器的第一相位反馈信号和所述第二转换器的第二相位反馈信号；测量相位差；响应于所述相位差和所述相位补偿而生成相位控制输出；以及生成第一驱动信号以控制所述第一转换器的第一栅极的切换；以及生成第二驱动信号以控制所述第二转换器的第二栅极的切换并且使用所述相位控制输出调整所述第二驱动信号的时间。
在一些实施例中，所述循环持续时间使用所述第一驱动信号而确定。一些实施例另外包括将所述相位补偿限制为超过预定最小值。
附图说明
图1是DC-DC交错式升压转换器的图。
图2是AC-DC交错式升压转换器的图。
图3是交错式升压转换器的三个不同操作模式的图。
图4是相位检测器的图。
图5是相位检测器的输入和输出与水平轴线上的时间的关系图。
图6是使用实际循环周期的相位补偿器的图。
图7是使用设定循环周期的相位补偿器的图。
图8是在交错式升压转换器的电力相位和循环时间期间测量的电压和电流的图。
图9是操作交错式升压转换器的过程流程图。
具体实施方式
应容易理解，本文中总体描述且在附图中示出的实施例的组件可用广泛多种不同配置来布置和设计。因此，以下如图中所表示的各种实施例的更详细描述并非意图限制本公开的范围，而仅仅是表示各种实施例。虽然在图中呈现了实施例的各个方面，但除非特别地指示，否则各图未必按比例绘制。
在不脱离本发明精神或基本特性的情况下，可按其它特定形式体现本发明。所描述的实施例在所有方面都应被视为仅是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求指示，而非由此具体实施方式指示。存在于权利要求的等同含义和范围内的所有变化都将包含在所述权利要求的范围内。
贯穿本说明书提及特征、优势或类似语言并不暗示可通过本发明实现的所有特征和优势应在或已存在于本发明的任何单个实施例中。实际上，提及所述特征和优势的语言应理解成意指结合实施例描述的具体特征、优势或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书对特征和优势的论述以及类似语言可以是但未必是指代同一实施例。
此外，本发明的所描述特征、优势和特性可在一个或多个实施例中以任何合适方式组合。相关领域的技术人员应认识到，鉴于本文的描述，本发明可在没有特定实施例的一个或多个具体特征或优势的情况下实践。在其它情况下，可认可某些实施例中的可能不存在于本发明的所有实施例中的额外特征和优势。
贯穿本说明书提及“一个实施例”、“实施例”或类似语言意指结合所指示实施例而描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言可以但未必都指代同一实施例。
交错式PFC升压转换器具有可独立控制的两个离散转换器。这两个转换器独立地接通和断开，使得每个转换器的接通时间得以单独调节。通过控制接通时间，两个转换器之间的相位可维持接近180度，使得电力输出交错。如本文中所描述，接通时间具有两个维度。第一个维度是转换器从输入汲取电力的持续时间。在简单的单MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)开关转换器电路中，此接通时间是其间开关或MOSFET栅极接通的时间。第二个维度是栅极接通的时间。这与转换器开关的相位或周期直接相关。
图1是具有应用102和控制系统104的DC-DC(直流电到直流电)交错式升压转换器100的图。应用102接收分到两个交错的转换器中的DC输入电压110。第一转换器在与耦合到转换器输出124的第一二极管120串联的第一电感器112处接收DC输入电压110。呈MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)形式的开关130的漏极耦合在第一电感器112与第一二极管120之间。虽然示出了MOSFET，但可使用例如双极晶体管等其它晶体管类型，并且可使用例如GaN或SiC等其它材料，以适应不同的负载和输入电压。开关的源极耦合到接地。第二转换器在第二电感器116处接收DC输入电压110，所述第二电感器116在电感器的一侧与DC输入电压110串联并且在电感器的另一侧与第二二极管122串联。两个二极管的输出节点在与电感器112、116相对的转换器输出124处耦合在一起。呈第二MOSFET形式的第二开关132的漏极耦合在第二电感器116与第二二极管122之间。第一开关130的源极和第二开关132的源极都耦合到接地。第二转换器具有耦合到两个二极管120、122的输出的相同转换器输出124。所述输出具有呈并联电容器形式的滤波器128，但可使用更复杂的滤波器来适应不同的负载和输入电压。负载126耦合到转换器输出124，并在这里示出为在应用内。负载可以是任何类型的储能或耗能装置。
当转换器的栅极接通时，电力相位以初级行程开始，此时从输入汲取电力并将电力存储在电感器中。然后，在电力相位的次级行程期间，从输入汲取电力并将电力递送到输出。另外，存储在电感器中的能量被递送到输出。当电流变为零时，振铃相位开始。
两个转换器由升压转换器控制系统104控制，升压转换器控制系统104包括相位检测器150、相位控制器156、差分接通时间生成电路158、逐循环控制器140和相位补偿器159，以及其它组件(未示)。相位检测器150和相位控制器156形成相位调整模块157，相位调整模块157耦合到相位补偿器159以接收基于来自一个或两个转换器的循环信号的相位补偿，如下文更详细地描述。
两个开关130、132由生成相应的第一驱动信号142和第二驱动信号144的逐循环控制器140控制。逐循环控制器140，也被称为循环控制器，调整第一驱动信号142和第二驱动信号144，使得可调整相位并调节总功率。因此，通过相应的两个二极管120、122的电流在时间上交错并移位。
180度相位差意味着第二转换器的接通时间正好处于第一转换器的两个连续接通时间的中间。在一些情况下，从两个转换器到输出的电力是交替的。在低输入电压下，每个转换器可接通超过转换器循环的一半。因此，所述转换器的电力相位重叠。在高输入电压下，二极管导通时间可能大于转换器的循环的一半。在此情况下，两个二极管同时导通，但其中一个二极管可能由于转换器的相位差而处于更高的电流下。
差分接通时间生成电路158从外部控制器(未示)接收接通时间输入160，并从相位调整模块157接收相位控制输出。此信息用于生成相应的第一接通时间和第二接通时间，所述第一接通时间和第二接通时间被提供给逐循环控制器，以控制其间接通第一转换器和第二转换器的持续时间。差分接通时间生成电路接收相位控制输出，并生成第一接通时间和第二接通时间作为响应，以朝向180度调整第一相位反馈信号与第二相位反馈信号之间的相位。在一些实施例中，接通时间输入160是电流或电压。电流或电压可增加以实现更长的接通时间或减小以实现更短的接通时间。接通时间可以是表示毫秒或微秒数的数值。在一些实施例中，相位差是表示第一转换器与第二转换器之间以毫秒或微秒或度为单位的相位差的数值。
差分接通时间生成电路可使用相位控制输出来生成第一接通时间，因为相比于另一转换器增加一个转换器的接通时间会改变转换器之间的相对相位。在一些实施例中，
tON1＝tON(1+Δ)
tON2＝tON(1-Δ)
其中tON1是第一接通时间，tON2是第二接通时间，tON是接通时间输入，并且Δ是来自相位控制器的相位差。
相位调整模块157的相位控制器156从相位调整模块157的相位检测器150接收相位信号，并且响应于所述相位信号指示测得的相位测量而生成相位调整输出。在一些实施例中，相位控制器是比例控制器。相位检测器接收连接到耦合到第一转换器的栅极的第一驱动信号142的相位反馈信号152，以及连接到耦合到第二转换器的栅极的第二驱动信号144的相位反馈信号154。比较相位反馈或栅极信号以在相位检测器150处测量两个相位反馈信号之间的相位差，并且所得相位信号是指示提供给相位控制器156的测量的相位检测输出。在一些实施例中，当相位差是180度时，相位信号为0。
第一电感器112和第二电感器116的辅助绕组上的电压可被视为被标记为AUX 1114和AUX 2 118的反馈信号。将AUX 1和AUX 2信号提供到逐循环控制器以确定第一驱动信号142和第二驱动信号144的开始时间。替代地，第一开关130和第二开关132的漏极电压或通过第一电感器112和第二电感器116的电流可用于限定第一驱动信号和第二驱动信号的开始时间。可测量指示相应转换器相对于时间的电力输出的任何其它合适的信号。逐循环控制器使用AUX/漏极/电流信号来确定何时使用驱动信号接通第一开关和第二开关，如下文更详细地描述。
虽然包括相位检测器150和相位控制器156的相位控制环路在一些操作模式下调节两个转换器栅极之间的相位差，但相位环路增益下降。添加相位补偿器159以补偿此损耗。相位补偿器159从所述转换器中的一者或两者接收反馈，所述反馈在此情况下是第一电感器辅助绕组电压114和第一驱动信号142。使用此信息，相位补偿器生成施加于相位调整模块157的相位补偿。所述相位补偿施加于由相位调整模块输出的相位信号或相位调整以生成相位控制输出。
图2是具有应用202和控制系统204的AC-DC(交流电到直流电)交错式升压转换器200的图。所述应用具有二极管桥式整流器272，所述二极管桥式整流器272接收AC输入270，例如电源电压，并生成DC输出。电源电压通常在50或60Hz或在数十赫兹的范围内的某一其它值交替。此输出是到交错式升压转换器区段的已整流输入电压210。升压转换器与图1中的相同，并且使用两个MOSFET晶体管开关230、232来使来自整流器272的电力210交错到公共节点处的输出224，以对负载226供电。第一转换器在耦合到第一开关230的漏极并且耦合到第一串联输出二极管220的第一电感器212处接收已整流输入电压210。第二转换器在耦合到第二开关232的漏极并且耦合到第二串联输出二极管222的第二电感器216处接收已整流输入电压210。两个晶体管开关230、232的源极耦合到接地。负载226耦合到输出224，并在这里示出为在应用内。输出由并联接地电容器228滤波。
从来自逐循环控制器的第一驱动信号242和第二驱动信号244测量相位反馈信号，并将所述相位反馈信号作为相位反馈信号252、254施加到相位检测器250。如上文所提及，可在每个转换器上的各种不同点中的任何一点测量相位。相位检测器250使用相位反馈信号252、254来测量两个转换器之间的相位差。在一些实施例中，组合所述相位反馈信号以产生到相位控制器电路256的相位差电压。如果两个转换器完全异相，则输出将为零。在一些实施例中，相位反馈信号用于产生作为相位差的数值表示的输出。相位控制器使用相位检测器输出并生成相位调整输出。这可使用模拟放大器或在数字域中执行。取决于操作条件，可通过来自相位补偿器259的相位调整来修改相位调整输出Δ。修改可在相位控制器256之前或之后或在另一系统节点处。修改的相位调整输出是施加于差分接通时间生成电路258的相位控制输出，所述差分接通时间生成电路258将相位差与外部tON值组合以生成持续时间输出信号tON1、tON2，以驱动逐循环控制器240(也称为循环控制器)并将第一相位反馈信号与第二相位反馈信号之间的相位朝向180度调整。
如在图1的示例中，逐循环控制器240利用施加于两个晶体管开关230、232的栅极的相应第一驱动信号242和第二驱动信号244来控制所述开关。逐循环控制器240使用持续时间输出信号和输入AUX 1 214和AUX 2 218信号(在此示例中，分别在第一电感器212和第二电感器216的辅助绕组处测得)来调整第一驱动信号242和第二驱动信号244，以将两个转换器的电力相位交错到输出224上。图1和图2的配置的控制环路和交错的转换器区段示为相同，但可修改任一者或两者以适应不同的应用。
虽然包括相位检测器250和相位控制器256的相位控制环路在一些操作模式下调节两个转换器栅极之间的相位差，但相位环路增益下降。添加相位补偿器259以补偿此损耗。相位补偿器259从所述转换器中的一者或两者接收反馈，所述反馈在此情况下是第一电感器辅助绕组电压AUX1 214和第一驱动信号242。使用此信息，相位补偿器生成施加于相位调整模块的相位补偿。相位调整模块施加所述相位补偿以生成施加于差分接通时间生成电路260的相位控制输出。
图3是例如图1和图2的转换器和其变型等交错式转换器的三个不同操作模式的图。该图示出竖直轴线上的一个转换器的电感器电流与水平轴线上的时间。交错式PFC升压转换器的固态开关允许在不同模式下操作转换器。对于中功率和高功率应用，CCM(连续导通模式)是常见的。CCM具有连续的输入电流，这会引起低导通电磁干扰(EMI)。
第一模式302表示CCM，其中电感器电流从未达到零，并且因此转换器连续导通。在电力相位310开始时，电感器电流已达到其最低点，并且逐循环控制器将转换器开关的栅极接通。电感器电流在初级行程312中增加，在对应于向次级行程变换的点314处达到峰值。初级行程的持续时间是栅极接通时间，指示为tON。在栅极断开之后，电流在次级行程316中减小，直到初级行程和次级行程限定的电力循环周期结束。第二行程318的结束对应于下一周期的开始和下一初级行程的开始。与输入AC电压的数十赫兹相比，操作周期对应于KHz量级的频率。
如果把整个周期比作360度正弦波，则180度正好是中间。如果两个转换器交错，使得第二转换器的初级行程在第二转换器周期的中点处开始并且点314正好在中间，则交错的转换器的输入电流将大致为恒定电流。随着第一转换器电感器电流减小，第二转换器电感器电流增加。点314处的峰值位置取决于转换器的输入电压和输出电压，在低电源电压下，峰值更接近末端，而在高电源电压下，峰值更接近开始。输出电压被控制为一个值，由切换引起的纹波电压例如可按需要利用额外滤波进一步减小。
第二模式304通常被称为BCM(边界导通模式)或有时被称为CrCM(临界导通模式)。在此模式中，初级行程和次级行程非常类似，不同之处在于仅当电感器电流达到零时，转换器开关的栅极才接通。初始过零点320是BCM模式304中接通时间的初级行程322的开始。在峰值电流时间324，进行变换，并将开关设置为断开。电感器电流在次级行程326期间减小，直到过零点328。可通过增加接通时间并进而增加初级行程来增加BCM模式中的周期。次级行程也会相应地变长。增加周期也会增加电感器电流，因为电流在初级行程期间会变高。图1所描述的控制环路可用于改变初级或主转换器的接通时间，以增加或减小电感器电流和周期。通过调整两个转换器的接通时间，例如增加一个转换器的tON同时减小另一转换器的tON，次级或从转换器可与所述周期时间或接通持续时间相匹配。可通过相位检测器和相位控制器调整定时，直到整个周期与第一转换器异相对齐。在一些实施例中，通过仅调整两个转换器的开关接通时间的持续时间来对齐两个交错的转换器之间的相位。这不一定需要调整转换器的振铃相位。
第三模式306通常被称为DCM(不连续导通模式)，因为电感器电流(＝输入电流)具有不递送电力的停止周期(dead period)。在次级行程之后，在下一初级行程之前，添加了延迟。在DCM模式306中，在开关接通的情况下，第一行程在零电感器电流过零时间330开始。初级行程332延伸通过电流上升时间和峰值电感器电流334，在所述峰值电感器电流334处，开关接通时间结束，并且电感器电流在第二行程336期间下降到零电感器电流过零点338。开关在振铃相位期间的额外时间340内保持断开，而不是在此电力相位结束时开始下一周期。振铃相位的结束是周期342的结束，此时，下一电力相位通过利用来自逐循环转换器的驱动信号将开关接通而以另一初级行程332开始。
所述电力相位可被视为其间从输入节点汲取电力的时间。振铃相位是其间由于电感器值和物理电路的电容而使得电感器电流在零电流附近振铃的时间。在此相位中，MOSFET开关的漏极电压在输入电压附近振铃。如果漏极电压振铃的幅度低于输出二极管的阈值，则在振铃相位期间，不会有电力到达输出节点。
许多交错式功率因数校正(PFC)转换器控制系统当前仅支持BCM来使相位等于180度。当交错式PFC转换器在具有谷值切换的DCM中操作时，180度相位差可能会在转换器跳到不同数目的谷值时缺失。在此情况下，相位控制环路的带宽应足够高以将相位差快速调节回到180度。相位补偿器能够快速地将相位差调节回到180度。
对于转换器和逐循环控制器，小信号传递函数增益可表征为如下的比例：
Figure BDA0003755636410000121
其中K转换器为转换器的增益，tps为如图3中所示的电力行程的持续时间，ton为栅极接通时间的持续时间，tper_act为转换器的循环或周期真实的实际持续时间，在图3中指示为tper。转换器的周期的实际持续时间可不同于在BCM操作中或在DCM操作中在使用谷值切换时的所要周期。
对于控制系统，比例部分对于环路带宽和稳定性是重要的。当环路相位增益为0dB并且系统稳定时，则在此频率下，控制器行为可通过如下更简单的比例表示：
K控制器∝P (2)
其中P表示恒定增益。
对于tON的生成，即，对于差分接通时间生成电路，可使用不同电路。在一些实施例中，使用具有小信号传递函数的电路以生成用于每个转换器的tON信号为均与tON相关的tON1和tON2，其中：ton1＝ton·(1+Δ)，并且ton2＝ton·(1-Δ)。这产生如下的比例相位增益，其中KtON为差分接通时间生成电路的相位增益：
Kton∝ton (3)
图4是相位检测器的示例实施方案的框图。将第一输入tper_cnt1 402作为第一相位信号施加到组合器404。tper_cnt1 402是与时间计数有关的参数。所述参数在栅极具有仅为tper_act 412的上升沿时在0处开始。可在一个例子中通过数字计数器或在另一例子中通过跨电容器的模拟电压来确定所述参数。电容器以恒定电流为源，随后在转换器循环期间放电。为了获得栅极1的精确180度相位差，当tper_cnt1＝1/2tper_act时接通栅极2。tper_act是tper_ant的峰值，使得接通正好在栅极1的两个上升沿之间。
将第二输入信号tper_act1 412施加于二分电路(divide by two circuit)414，并且将所分信号416还施加于组合器404。将组合信号406施加于取样与保持电路408。取样与保持由开关418控制以设置保持时间。在此实施例中，保持所取样信号直到第二转换器的第二栅极的上升沿418为止。结果为取样值，相位检测器的输出PDout 422。
图5是图4的相位检测器的输入和输出的图形表示。指示为栅极1的驱动第一转换器的第一栅极的第一驱动信号430表示为水平轴线上随着时间而变的二进制信号。指示为栅极2的驱动第二转换器的第二栅极的第二驱动信号420表示为同一水平时间轴线上的二进制信号。底部图指示tper_cnt1 402如何在第一驱动信号430的上升沿处复位为零并斜升，直到第一驱动信号430的下一上升沿。402的最大值是Tper_act1。在第一驱动信号430的每个上升沿处更新与第二输入信号tperact1 412类似的所分信号416。通过取样与保持电路408的操作，在第二驱动信号420的上升沿处更新相位检测器的输出PDout422。
操作相位检测器以产生图5的图中所示的信号说明增益与到相位检测器的第二输入信号tperact1 412成比例并且可指示为：
KpD∝tper_act (4)
其中KPD表示相位检测器的相位增益。
考虑到上文所论述的所有组件，相位环路的总增益可由促成增益的每个组件表示：
Kloop_var∝K转换器·K控制器·Kton·KpD (5)
当所述升压转换器在BCM中操作时，环路增益应为恒定的。等式5随后可表达为：
Figure BDA0003755636410000141
其中对于BCM：
tps＝tper_act→Kloop_var∝1 (7)
并且对于DCM：
Figure BDA0003755636410000142
因此，DCM中的相位环路增益始终小于1。这可通过环路增益的相反值来补偿。增益补偿(gaincomp)可指示为：
Figure BDA0003755636410000143
考虑等式6、7和8，可在对环路的相位增益进行适当调整的一个系统中实施BCM和DCM两者。可使用各种不同相位检测器和差分接通时间生成电路中的任一者来适应任何特定实施方案。在此类实施例中，BCM相位环路增益可保持恒定，这可使得额外补偿也合适。即使具有额外补偿，预期等式9也将成立并且对于DCM也是有效的。
考虑等式9，当升压转换器在DCM中操作时，可针对通过相位环路引入的相位变化来补偿相位环路增益。相位补偿值可箝制在高侧和低侧。另外，对于BCM，可使用恒定相位补偿因子。这种恒定由在DCM中同样起作用的相位补偿器供应。替代地，可由相位检测器或差分接通时间生成电路提供恒定相位补偿。
等式9提供用于DCM中的相位补偿的两个不同比率。使用转换器循环的实际周期tper_act。该实际周期通过测量转换器的一些实际参数来确定。另一比率使用转换器循环的周期的设置tper_set，所述设置可不同于实际值但易于从存储器读取并且接近实际值。两个比率的分母相同，并且是在循环tps期间转换器的电力相位的周期。
图6是与类似于图1和2的相位调整模块157、257的相位调整模块630连接的转换器的实际周期下的相位补偿器600的框图。相位补偿器从升压转换器中的一个或多个转换器或逐循环控制器接收输入。在此例子中，接收用于转换器中的一个转换器的驱动信号602和辅助绕组电压信号AUX 604作为输入。所述输入可来自任一转换器或来自两个转换器以供单独处理。将所述驱动信号施加于tps测量块606和tper_act测量块608两者。将AUX施加于tps测量块606。这些信号是模拟周期性波形并且如下文更详细地描述进行测量以确定每个值的持续时间。
tps测量块606的输出610标记为tps1，并且表示特定循环(例如，循环1)的所测量的持续时间。tper_act测量块608的输出612标记为tper_act1并且表示针对相同循环(例如，循环1)的测量。在除法器614处接收这些输出以生成例如等式9中定义的比率。任选地对照高值箝位616测试结果以限制相位补偿的最大量。虽然指示最大值8，但可使用任何其它最大值来适应特定实施方案。通过低通滤波器620任选地对相位补偿进行滤波，并将所得相位补偿622施加于相位调整模块630。
在相位调整模块630内，可在相位控制器634之前或之后施加相位补偿。在一些实施例中，组合器636提供于相位调整模块的相位检测器632与相位控制器634之间以组合相位补偿622与相位检测输出并提供到相位控制器。在一些实施例中，组合器638提供于相位控制器之后以组合相位补偿622与相位控制器的相位调整输出。在图1的示例配置中，组合器输出是施加于差分接通时间生成电路的相位控制信号。
图7是与类似于图1和2的相位调整模块157、257的相位调整模块730连接的转换器的设定周期下的替代性相位补偿器700的框图。相位补偿器从升压转换器中的一个或多个转换器或逐循环控制器接收输入。在此例子中，接收用于转换器中的一个转换器的驱动信号702和辅助绕组电压信号AUX 704作为输入。所述输入可来自任一转换器或来自两个转换器以供单独处理。将驱动信号和AUX 704施加于tps测量块706。测量模拟周期性波形，以确定标记为tps1的tps测量块706的输出710。
这被发送到除法器以比较输出710与被标记为tper_set的输入设定电力相位循环持续时间712以生成如例如等式9中所定义的比率。设定周期值tper_set是已由差分接通时间生成电路选择的预定值。该值可以是数值、电压或电流。此值将存储在存储器中或由连接的电路生成以供控制系统使用。逐循环控制器将驱动转换器以在转换器的实际操作中获得此值。在大多数情况下，实际值将与设定值相同或非常接近，因此使用所述设定值会获得非常类似的结果。任选地针对高、低值箝位716测试结果以限制相位补偿的最大和最小量。虽然指示最大值8，但可使用任何其它最大值来适应特定实施方案。通过低通滤波器720任选地对相位补偿进行滤波，并将所得相位补偿722施加于相位调整模块730。
如图3中所示，在每个模式中tps应始终相同或小于tper。BCM中的比率理想情况下应为1，并且DCM中的比率理想情况下应大于一。对于实际转换器的实际测量，所述比率的值不应小于1，然而考虑到误差的容限、值的舍入和可能的系统错误，箝位716会提供额外安全容限。当使用设定值tper_set时，则所述比率可在一些情形(例如，BCM)下变得低于1，并且因此所述箝位也是有用的。低于1的比率可能不合需要并且影响系统稳定性。箝位实际上使相位补偿在BCM和CCM中呈恒定值。还可在高侧使用箝位以在实际与设定的周期比率两者中限制信号，但为任选的。
在相位调整模块730内，可在相位控制器734之前或之后施加相位补偿。在一些实施例中，组合器736提供于相位调整模块的相位检测器732与相位控制器734之间以组合相位补偿722与相位检测输出并提供到相位控制器。在一些实施例中，组合器738提供于相位控制器之后以组合相位补偿722与相位控制器的相位调整输出。在图1的示例配置中，组合器输出是施加于差分接通时间生成电路的相位控制信号。
tps测量块606、706可以不同方式操作。可由电流触发测量。
图8是用以由测量块606、706测量tps的在两个不同位置处测量的电压与测得的电感器电流的图。在802处，相对于水平轴线上的时间在竖直轴线上图示转换器的栅极的漏极电压。在时间808，电力相位810以栅极启用或接通开始。此时刻用作tps测量的开始时间，但可替代地使用其它时间。在确定为tON的时间内启用栅极，然后停用栅极。漏极电压立即升高。电力相位的结束和tps周期的结束也是DCM中的振铃相位的开始。可以不同方式测量所述结束。一个合适的事件是当漏极电压开始下降时，如时间812所示并指示为tps_1。另一合适的事件是当漏极电压达到零或最小振铃值(谷值)时，如时间818所示并指示为tps-3。
在804处，示出转换器的电感器的辅助绕组的电压。此电压与漏极电压相似，并且适用与漏极电压相同的合适情况。曲线的形状与漏极电压相同，只是漏极电压802的平均值为Vin，并且AUX电压804的平均值为0。指示为tps_2的AUX电压的过零点816是电力相位的良好结束时间，因为过零点很容易检测到。
在806处，相对于时间在竖直轴线上示出电感器电流。在电力相位810结束的时间812，电感器电流具有过零点。然后，所述电感器电流开始振铃，并在稍后的第二时间818具有第二过零点。此时间对应于漏极电压802和电感器辅助绕组电压804的振铃电压中的第一谷值。这些事件中的任何一个或多个事件可用于确定电力相位的结束时间。
振铃相位820的结束标志着下一电力相位的开始。从808处第一电力行程的开始或上升沿到820处下一电力行程的上升沿的间隔是转换器的一个完整循环，并且可用作tper_actual，如上文在例如等式9和tper_actual测量块608中所描述。在接通时间的持续时间内启用栅极。初级行程开始。在接通时间结束时，停用栅极，并且电感器电流减小，直到下一振铃相位开始822为止。在DCM模式下，调节接通时间的持续时间，以控制转换器的输出和振铃相位的持续时间。
为比较tps和tper_act，循环信号是否来自漏极，或电感器来自同一转换器。在一些实施例中，不同转换器独立于其它转换器而受到控制，使得循环的定时不同并且无法直接进行比较。另外，当从相同循环测量两个值tps和tper_act时，相位补偿也更准确，因为定时可因不同的循环而改变。相位补偿可在各种升压转换器中使用，所述升压转换器包括在BCM中以及在具有谷值切换的DCM中操作的交错式升压转换器。所述相位补偿还适用于作为功率因数校正升压转换器操作的交错式升压转换器。
图9是适合与图1和图2的交错式升压转换器一起使用的操作方法的过程流程图。在902处，在交错式升压转换器的第一转换器并在第二转换器以及可能的额外转换器(例如，交错式功率因数校正(PFC)转换器中的两个反相器)处接收输入电力。在904处，转换器生成输出电力以作为第一转换器和第二转换器或更多转换器的交错输出。这是接收输入电力以及从输入电力生成输出电力的持续过程。
在906处，在升压转换器的控制系统处接收循环信号。循环信号从第一转换器和第二转换器中的至少一者接收并且可从这两个转换器接收。每一循环信号具有电力相位，在所述电力相位期间从电力输入汲取电力。电力相位具有其间启用第一栅极的初级行程和其间停用第一栅极的次级行程。在908处，将电力相位的持续时间与循环持续时间相比较。循环持续时间是从初级行程的开始到下一初级行程的开始。在一些实施例中，电力相位持续时间和循环持续时间来自同一转换器的相同循环。随后响应于所述比较生成相位补偿。
在一些实施例中，相位补偿器从一个或多个转换器接收循环信号，然后生成相位补偿。相位补偿可用以补偿相位控制系统环路的相位增益。在一些实施例中，代替测量循环信号的特性以确定实际循环持续时间，可从循环控制器的存储器读取控制参数。控制参数可以是数值或模拟值，例如，电压或电流。
取决于实施方案，可将相位补偿箝制在高侧或低侧，或这两者上。在高侧处的箝位可用于将相位补偿限制为某一最大值。这会减小对可能引起一些过冲的快速变化的响应。当使用设定循环持续时间时，下限1会增加稳定性。当使用实际循环持续时间时，则相位补偿不应小于1，除非系统中存在一些不准确性或错误，因此箝位仅充当预防措施。相位补偿应在BCM中处于1或非常接近一。
在910处，从第一转换器接收第一相位反馈信号并从第二转换器接收第二相位反馈信号。在912处，测量信号之间的相位差，并且在914处，响应于相位差和相位补偿而生成相位控制输出。
如所描述，相位调整模块可连接到转换器以接收相位反馈信号，并且连接到相位补偿器以接收相位补偿。所述相位调整模块具有用于确定相位差的相位检测器和用于生成相位调整输出的相位控制器。可在相位控制器之前或之后施加相位补偿。相位调整输出影响第一和第二驱动信号定时。
在916处，生成第一驱动信号以控制第一转换器的第一栅极的切换。在918处，生成第二驱动信号以控制第二转换器的第二栅极的切换，其中使用所述相位控制输出调整所述第二驱动信号的时间。驱动信号可在耦合到相位调整模块的逐循环控制器中生成，然而，可使用其它配置以适应特定应用。
本发明的实施例提供一种控制交错式升压转换器之间的相位的机制，特别适于在不连续导通模式中操作，还适于其它模式。此机制可应用于升压转换器以用于广泛范围的不同应用以及DC-DC和AC-DC应用的电力能力。所述机制可使用模拟或数字控制器组件。
如本文所论述的连接可以是适合包括经由中间装置在内从相应节点、单元或装置传送信号或电力或将信号或电力传送到相应节点、单元或装置的任何类型的连接。所述连接可示出或描述为单个连接、多个连接、单向连接或双向连接。然而，不同的实施例可改变连接的实施方案。例如，可使用单独的单向连接而非双向连接，反之亦然。另外，多个连接可换为串行或以时分复用的方式传送多个信号的单个连接。同样，携载多个信号的单个连接可被分成携载这些信号的子集的各种不同连接。
所描述的例子可在单个集成电路上实施，例如在作为射频集成电路(RFIC)的部分的数字信号处理器(DSP)中的软件中实施。替代地，电路和/或组件例子可实施为以合适的方式与彼此互连的任何数目的单独集成电路或单独装置。可替换的是，这些例子可实施为物理电路系统的软件或代码表示或可转换成物理电路系统的逻辑表示，例如，呈任何适当类型的硬件描述语言的形式。
作为例子提供了上述操作之间的边界。多个操作可组合成单个操作，单个操作可分散在额外操作中，并且操作的执行可至少部分地在时间上重合。此外，替代实施例可包括特定操作的多个实例，并且在各种其它实施例中，操作的次序可更改。
尽管以特定次序示出和描述本文中的方法的操作，但可变更每个方法的操作次序，使得某些操作可按逆序执行，或使得某些操作可与其它操作至少部分地同时执行。在另一实施例中，不同操作的指令或子操作可以间断和/或交替方式实施。
还应注意，本文中所描述的方法的至少一些操作可使用存储在计算机可用存储介质上的软件指令来实施，以供计算机执行。例如，计算机程序产品的实施例包括用于存储计算机可读程序的计算机可用存储介质。
替代地，本发明的实施例可完全实施于硬件或含有硬件元件和软件元件的实施方案中。在使用软件的实施例中，所述软件可包括但不限于固件、常驻软件、微码等。
虽然已描述和示出本发明的具体实施例，但本发明不限于如此描述和示出的部件的具体形式或布置。本发明的范围将由本文所附的权利要求书及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种升压转换器控制系统，其特征在于，包括：
相位补偿器，用以从交错式升压转换器的第一转换器接收循环信号，所述循环信号具有其间从所述第一转换器的输入汲取电力的电力相位，所述电力相位具有其间启用所述第一转换器的第一栅极的初级行程以及其间停用所述第一栅极的次级行程，所述相位补偿器用以将所述电力相位的持续时间与从所述初级行程开始到下一初级行程开始的循环持续时间进行比较并生成相位补偿以作响应；
相位调整模块，用以接收所述交错式升压转换器的所述第一转换器的第一相位反馈信号和第二转换器的第二相位反馈信号、测量相位差、接收所述相位补偿以及响应于所述相位差和所述相位补偿而生成相位控制输出；
循环控制器，用以接收所述相位控制输出并生成第一驱动信号以控制所述第一转换器的第一栅极的切换以及生成第二驱动信号以控制所述第二转换器的第二栅极的切换，其中使用所述相位控制输出来调整所述第一驱动信号和第二驱动信号的时间。
2.根据权利要求1所述的升压转换器控制系统，其特征在于，所述相位调整模块包括：
相位检测器，用以接收所述第一转换器的第一相位反馈信号和所述第二转换器的第二相位反馈信号、测量所述第一相位反馈信号与所述第二相位反馈信号之间的所述相位差以及产生指示测量的相位检测输出；
相位组合器，用以组合所述相位检测输出和所述相位补偿；
相位控制器，其耦合到所述组合器以接收组合的相位检测输出和相位补偿并且生成所述相位控制输出以作为响应。
3.根据权利要求2所述的升压转换器控制系统，其特征在于，所述相位补偿器另外将所述相位补偿限制为至少最小值1。
4.根据权利要求1所述的升压转换器控制系统，其特征在于，所述相位调整模块包括：
相位检测器，用以接收所述第一转换器的第一相位反馈信号和所述第二转换器的第二相位反馈信号、测量所述第一相位反馈信号与所述第二相位反馈信号之间的所述相位差以及产生指示测量的相位检测输出；
相位控制器，其耦合到所述相位检测器以接收所述相位检测输出并且生成相位调整输出以作为响应；
相位组合器，用以组合所述相位调整输出和所述相位补偿并产生所述相位控制输出。
5.根据权利要求1所述的升压转换器控制系统，其特征在于，所述循环控制器另外用以使用所述相位控制输出调整所述第一驱动信号的时间。
6.根据权利要求1所述的升压转换器控制系统，其特征在于，使用从所述循环控制器到对应栅极的驱动信号或从所述循环控制器的存储器读取控制参数来确定所述循环持续时间。
7.根据权利要求1所述的升压转换器控制系统，其特征在于，当在以下之一情况时，电力相位持续时间结束：所述第一转换器的电感器电流变成零时；所述第一转换器的电感器辅助绕组电压变成零时；耦合到所述第一栅极的漏极的电压变成输入电压时。
8.根据权利要求1所述的升压转换器控制系统，其特征在于，另外包括：
差分接通时间生成电路，用以使用接通时间输入来生成所述第一转换器的第一接通时间和所述第二转换器的第二接通时间，所述第一接通时间和所述第二接通时间确定其中接通所述第一转换器和所述第二转换器的持续时间，并且
其中所述循环控制器被配置成接收所述第一接通时间和所述第二接通时间并分别使用第一接通信号和第二接通信号来生成所述第一驱动信号和所述第二驱动信号。
9.一种交错式升压转换器，其特征在于，包括：
第一转换器，其具有第一栅极并在第一相位操作以接收输入电力并生成第一转换输出电力；
第二转换器，其具有第二栅极并在第二相位操作以接收输入电力并生成第二转换输出电力；
相位补偿器，用以从所述第一转换器和所述第二转换器中的至少一者接收循环信号，所述循环信号具有其间从相应转换器输入汲取电力的电力相位，所述电力相位具有其间启用所述第一栅极的初级行程以及其间停用所述第一栅极的次级行程，相位补偿器用以将所述电力相位的持续时间与从所述初级行程开始到下一初级行程开始的循环持续时间进行比较并生成相位补偿以作响应；
相位调整模块，用以接收所述第一转换器的第一相位反馈信号和所述第二转换器的第二相位反馈信号、测量相位差、接收所述相位补偿以及响应于所述相位差和所述相位补偿而生成相位控制输出；
循环控制器，用以接收所述相位控制输出并生成第一驱动信号以控制所述第一栅极的切换以及生成第二驱动信号以控制所述第二栅极的切换，其中使用所述相位控制输出来调整所述第一驱动信号和第二驱动信号的时间。
10.一种方法，其特征在于，包括：
在第一转换器和第二转换器处接收输入电力；
生成输出电力作为所述第一转换器和所述第二转换器的交错输出；
从所述第一转换器接收循环信号，所述循环信号具有其间从所述输入电力汲取电力的电力相位，所述电力相位具有其间启用所述第一转换器的第一栅极的初级行程以及其间停用所述第一栅极的次级行程；
将所述电力相位的持续时间与所述第一转换器的从所述初级行程开始到下一初级行程开始的循环持续时间进行比较并生成相位补偿以作响应；
接收所述第一转换器的第一相位反馈信号和所述第二转换器的第二相位反馈信号；
测量所述相位差；
响应于所述相位差和所述相位补偿而生成相位控制输出；以及
生成第一驱动信号以控制所述第一转换器的所述第一栅极的切换；
生成第二驱动信号以控制所述第二转换器的第二栅极的切换并且使用所述相位控制输出调整所述第二驱动信号的时间。
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