CN1460318A - 用于功率控制应用的双重方式脉宽调制器 - Google Patents

用于功率控制应用的双重方式脉宽调制器 Download PDF

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Abstract

给出了一个能够输出低速和高速控制信号的双重方式模块化的脉宽调制器(300)。在一种方式下，基于保存在一个存储器(212)中的时间参数数据产生一个控制信号。在第二种方式下，基于保存在一个存储器中的时间参数数据和一个外部输入产生一个控制信号。用于确定操作方式的计时参数和控制变量能够被预先载入在存储器中，或者通过一个通信链路加载。

Description

用于功率控制应用的双重方式脉宽调制器
发明领域
本发明涉及控制系统领域。更具体地说，这个发明涉及使用脉宽控制调制器的模块化功率控制系统。
发明背景技术
图1说明了一个传统的开关电源模块。如所说明的那样，把一个交流(AC)电压输入到功率转换模块110中，由它产生一个直流(DC)输出电压Vo。输出电压Vo被输入到反馈补偿控制电路150，由它监控输出电压Vo的值并且调整功率转换模块10的内部参数以维持Vo相对恒定。反馈补偿控制电路150的处理在本领域内是非常公知的，并且可以在专用电路、诸如现场可编程门阵列(Field Programmable GateArrays，FPGAs)或专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuits，ASICs)中实现。
使用专用集成电路以实现电源的控制在本领域内是非常公知的。ASICs能够在单个集成电路(Integrated Circuit，IC)上执行各种分立元件的功能。由于控制器的尺寸和电源的总尺寸能够减小，所以这是有益的。此外，在大批量时，一个ASIC的成本显著地小于执行相同功能所要求的分立元件的成本。因此，在使用ASIC技术时减少了供电设备的总成本和实际尺寸。
可以为应用定制ASICs，或者ASICs可以是“现成的”组件。开发定制的ASICs是昂贵的和耗时的。由于用于定制ASICs的初始开发成本可能较高，所以这些设备被用在高容量应用中。在这种情况下，开发成本能够在所有出售设备的价格上展开。此外，定制的ASICs通常被设计为用一种特定类型的组件或由一个特定厂商制造的一种组件操作。
现成的ASICs通常用已知的功能进行预编程，并且需要外部设备、组件或其它硬件以便在一个指定应用中使用它们。外部组件是把现成的ASIC连接到一个特定设备或组件所必需的。然而，由于外部组件的使用增加了成本和电源的尺寸，所以它们的使用是不利的。第二个缺点是：当组件改变时，接口可能也必须进行改变，这因此导致ASIC将被改变。
一种创建电源控制器的方法是使用现成的组件来在一般组件决当中分配处理。一般组件块能够包含可编程的微控制器，它经由一条数据总线把操作指令传递到控制设备、诸如脉宽调制器(PWM)。脉宽调制器通常被包含作为在基于微控制器的集成电路中的外围设备。诸如频率即周期、工作时间、停机时间等、用来控制输出电压电平的时间参数被保存在可由一个微控制器访问的寄存器中。
图2说明了一个传统的模块化数字电源控制器150，它由一个主部件200和至少一个从属部件210a、210b组成。所显示的那样，主部件200由处理器202、存储器204和通信接口206组成。可以选择性地包含模数(A/D)转换器201用于把模拟信号转换为用以由处理器201处理的数字形式。从属部件210a、210b由通信接口222、PWM发生器218、寄存器212和微控制器或DSP 214组成。可以有选择性地包含模数(A/D)转换器216用于把模拟信号转换为用于处理的数字形式。PWM发生器218通常被包含作为在微控制器集成电路中的外围设备。在这种情况下，时间参数、例如频率、工作时间、停机时间等能够被保存在寄存器212中。这些值能够由本地微控制器214或由处理器202经由通信链路208远程设置在寄存器212中。
然而，PWM的远程控制操作由于带宽限制是有限制的。在电压方式控制的应用中，在图1中电源模块150通过PWM 218的控制为几百或几千赫兹的量级。在这种情况下，更新寄存器内容的速度相对较低，因此，微控制器202、诸如基于80C51的微控制器或数据总线208的有限带宽足以用于更新例如保存在从属部件210a的记录。另一方面，在电流方式控制应用中，要求PWM输出在几百纳秒内做出响应。由于带宽受限制，所以早先描述的分布式电源控制器不能在这样的一个短时间内做出响应。因此，在本领域内需要提供一个用于高速更新脉宽调制器参数、不需要昂贵的高速组件和控制信号的装置。
发明概述
本发明的目的是提供一个能够在电压控制即低速的、和电流控制即高速的电源控制器中执行控制信号的脉宽调制器(PWM)。对初始或缓慢更新的控制信号做出响应的脉宽调制器能够启动提供了一个低速或者高速变化的控制信号。在本发明的一个实施例中，PWM与一个相对低速的处理器经由一个带宽有限的数字通信链路进行通信，而且PWM能够被用来响应于一个快速改变的输入信号产生一个另外的带宽有限的控制信号。在本发明的这个实施例中，电源控制器中的模数化构造提供了灵活性和可交换性而没有导致定制IC开发的成本增加。
附图简要说明
在附图中：
图1说明了一个开关电源的一个传统框图；
图2说明了一个传统的分布式电源反馈补偿控制电路；
图3说明了依据本发明原理的一个示范性脉宽调制器；
图4说明了由在一种电压控制方式下操作的、在图3中描述的示范性脉宽调制器产生的信号波形的时序图；
图5说明了由在一种电流控制方式下操作的、在图3中描述的示范性脉宽调制器产生的信号波形的时序图；
图6说明了按照本发明原理实现的一个示范性电压方式控制电路；以及
图7说明了按照本发明原理实现的一个示范性电流方式控制电路。
应当理解，这些附图仅仅是为了说明本发明中的思想，并不打算作为本发明限制的一个定义。应当理解，自始至终使用了同样的标记数字，可能在适当的位置用标记字符进行了补充，以标识对应的部分。
本发明的详细说明
图3说明了依据本发明原理的一个双重方式的脉宽调制器(PWM)300的一个示范性实施例。在这个示范性实施例中，分别用CMux-1、CMux-2和CMux-3标记的控制信号310、312和314被保存在控制寄存器212中，并且分别被用来控制多路复用器/开关311、313和315的状态。控制信号CMux-1、CMux-2和CMux-3被用来通过控制经由PWM 300的信号路径来编程PWM的功能。在本发明的一个实施例中，控制信号Mux-1、Mux-2和Mux-3由一个外部的微控制器212(未显示)经由通信链路208和接口222确定和设置下来。在本发明的另一个实施例以及在此论述的第一个实施例中，控制信号Mux-1、Mux-2和Mux-3已经保存在寄存器或存储器212中。在寄存器或存储器212中的值可以由一个外部的微控制器设置，或是可以预先载入。
在一个双重方式的PWM 300的这个示范性实施例中，控制信号312、即CMux-2被用来在如图6所示的电压方式控制、和如图7所示的电流方式控制之间进行选择，这两种方式控制将在下面进行进一步地详细论述。也就是说，当多路复用器/开关313、即Mux-2被设置为选择电流方式控制时，多路复用/开关311的输出、即Mux-1表示了PWM 300的输出。另一方面，当多路复用器/开关313、即Mux-2被设置为选择电压方式控制时，脉冲发生器336的输出表示了PWM 300的输出。
在电压控制方式中，发生器330接收至少一个被保存在控制寄存器212中的已知值，并且产生一个信号，在此被标记为COUNT_per。
在一个替换实施例中，能够将信号COUNT_per与一个固定的外部信号(未显示)同步。接收信号COUNT_per的脉冲发生器332与信号COUNT_per同步地产生信号PULSEGEN_1。信号PULSEGEN_1是表示了信号COUNT_per从一个固定状态到第二个固定状态转换的脉冲信号。例如，脉冲发生器332可以是一个“单步的”脉冲发生器，其在输入信号的一个检测到的状态转换上产生一个脉冲。在本发明的一个实施例中，脉冲发生器332能够在信号COUNT_per的一个上升沿上产生信号PULSEGEN_1。在本发明的一个替换实施例中，脉冲发生器332能够在信号COUNT_per的一个下降沿上产生信号PULSEGEN_1。
信号PULSEGEN_1接下来被输入到发生器334。接收保存在控制寄存器212中的至少一个输入值和信号PULSEGEN_1的发生器334产生信号COUNT_del。信号COUNT_del是与信号PULSEGEN_1同步产生的，并且具有一个由保存在寄存器212中的至少一个已知值设置的一个已知的脉冲宽度。接下来，当在信号COUNT_del中检测到从一个状态到下一状态的转换时，接收信号COUNT_del的脉冲发生器336产生一个标记为PULSEGEN_2的脉冲信号。在本发明的一个实施例中，脉冲发生器336能够在信号COUNT_del的一个下降沿上产生信号PULSEGEN_2。做为选择，脉冲发生器336能够在信号COUNT_del的一个上升沿上产生信号PULSEGEN_2。类似于发生器332，发生器336可以是一个“单步的”发生器。
信号PULSEGEN_2然后被输入到多路复用器/开关MUX_2 313，其中该多路复用器/开关MUX_2 313在这种情况下由控制信号CMUX_2 312设置为电压控制方式。因此，信号PULSEGEN_2被输入到脉冲发生器338。接收保存在控制寄存器212中的至少一个已知值和信号PULSEGEN_2的脉冲发生器338产生信号COUNT_pulse，该信号COUNT_pulse与信号PULSEGEN_2同步，并且具有由保存在寄存器212中的该至少一个已知值确定的一个已知的脉冲宽度。信号COUNT_pulse然后被输入到多路复用器/开关MUX_3 315。
多路复用器/开关MUX_3 315由保存在控制寄存器212中的控制信号CMUX_3 314控制。在本发明的一个方面中，信号CMUX_3 314被选择以便使信号COUNT_pulse被选择作为信号PWMOUT 330，其中PWMOUT330是控制器150的输出。在本发明的第二方面中，信号COUNT_pulse由反相器340反相，而且多路复用器/开关MUX_3 315由控制信号CMUX_3进行设置以选择被反相的信号COUNT_pulse作为控制器输出信号PWMOUT 330。
图4说明了在用于处理PWM的电压控制方式的信号当中的时序关系。如图解说明的那样，被表示为信号330a的信号COUNT_per是具有一个已知的、由Tper表示的固定周期即频率的一个方波。周期Tper表示了保存在寄存器212中的至少一个已知值，其在本发明的一个方面中能够通过通信接口222经由通信链路208载入。被表示为信号332a的信号PULSEGEN_1是与信号COUNT_per同步产生的。信号332a能够如图解说明了那样在信号330a的一个上升沿上产生，或是如本领域中可以理解的那样，能够在信号330a的一个下降沿上产生。被表示为信号334a的信号COUNT_del是与信号332a同步产生的，并且具有一个表示了至少一个已知值的、被表示为Tdel的脉冲持续时间。表示了持续时间Tdel的该至少一个已知值被保存在寄存器212中，其在本发明的一个实施例中能够通过通信接口222经由通信链路208载入。在本发明的另一个实施例中，持续时间Tdel能够被预先载入到寄存器212中。
被表示为信号336a的信号PULSEGEN_2如图解说明的那样是与信号COUNT_del同步产生的。在这个说明性的例子中，信号336a是在信号334a的一个下降沿上产生的。如将要理解的那样，做为选择，信号336a可以与信号334a的一个上升沿同步产生。
被表示为信号338a的信号COUNT_pulse是接下来与信号336a同步产生的，并且具有被表示为Tpulse的一个脉冲持续时间，其表示了保存在寄存器212中的至少一个值。在本发明的一个方面中，持续时间Tpulse能够通过通信接口222经由通信链路208载入。在本发明的第二个方面中，持续时间Tpulse能够被预先载入到寄存器212中。
在这个说明性的例子中，由信号330a表示的信号PWMOUT对应于图解说明的信号338a。在本发明的另一个实施例中，信号PWMOUT 330a可以被选择为一个反相信号338a，其被图解说明为信号330b。选择信号330a或330b作为PWM 300的输出取决于控制变量CMUX_3 314，其在本发明的这个实施例中被保存在寄存器212中。
回到图3，在一种可变频率电流方式操作中，一个参考电压的数字表示被保存在控制寄存器212中。如先前论述的那样，存储的值能够被预先存储在寄存器212中，或者能够经由通信链路208接收并且被保存在寄存器212中。所存储的参考电压的数字表示被输入到数模(D/A)转换器340。D/A转换器如已知的那样使用已知的换算系数把数字表示的一个值转换成为一个可比较的模拟值。D/A转换的细节在本领域内是众所周知的，并且在此不需要论述。D/A转换器的转换的输出电压水平，称为Vref，然后被输入到比较器342。
信号320，在此标记为Vin，也被输入到比较器542中。信号Vin，如将关于在图7中所示的电路实现更特殊地论述的那样，表示了通过一个控制晶体管的变化的电流。信号320由于它在每个周期上变化所以是一个高速信号，并且必须以纳秒级进行评估和处理。
比较器342的输出接下来被输入到脉冲发生器346。在这个说明的情况中，脉冲发生器346在信号320大于参考电压Vref时生成信号PULSEGEN_3。在本发明的一个替换实施例中，比较器342的输出也被输入到反相器348。如已知的那样，反相器348改变输入信号。反相器348的输出然后被输入到脉冲发生器350，由脉冲发生器350生成信号PULSEGEN_4。在这种情况下，信号PULSEGEN_4表示了信号320小于参考电压Vref的条件。
在PWM 300的说明的例子中，产生的信号PULSEGEN_3和PULSEGEN_4接下来被输入到标记为MUX_1的多路复用器/开关311。保存在控制寄存器212中的控制信号310确定信号PULSGEGEN_3或者PULSEGEN_4接下来是否被处理了。选择通过多路复用器/开关311的信号接下来被输入到标记为MUX_2的多路复用器/开关313。如先前论述的那样，多路复用器/开关313由标记为CMUX_2的控制信号312控制。在电流方式操作的这种情况下，多路复用器/开关313被设置为把由多路复用器/开关313选择的信号、即PULSEGEN_3或者PULSEGEN_4传递到脉冲发生器338。响应于所接收的输入、和保存在控制寄存器212中的至少一个已知值，脉冲发生器338产生信号COUNT_pulse，如先前论述的那样。
图5说明了依据如图3所示电路的电流方式操作的一个实施例的时序信号。在这个实施例中，参考电压Vref 510被举例说明为一个稳定的参考值。标记为520a的电压Vin被举例说明为一个具有三角波形的电压，其表示当一个功率晶体管被断开和接通时的上升和下降电压，下面将结合图7更充分地予以论述。
被表示为信号546a的信号PULSEGEN_3是在电压Vin 320a大于参考电压Vref时产生的。在这个说明性的实施例中，信号PULSEGEN_3然后被选择和输入到脉冲发生器338。脉冲发生器338然后产生被表示为信号338a的信号COUNT_pulse。产生的信号COUNT_pulse具有一个被表示为Tpulse的脉冲持续时间。在这种情况下，使用控制变量CMUX_3314定位多路复用器/开关315以选择COUNT_pulse输入而不是反相的COUNT_pulse输入，把信号COUNT_pulse 338a选择作为用330a表示的输出信号PWMOUT。
在本发明的另一个实施例中，当寄存器212和控制器202被装配在同一个芯片或者晶片上时，控制信号或者变量CMUX_1、CMUX_2和CMUX_3、以及已知的时间值或者变量Tper、Tdel、和Tpulse能够由控制器200通过一条内部总线进行设置。在本发明的这个实施例中，广义的双重方式PWM 300实质上被配置在单个固定方式中。
图6描述了一个传统的升压开关电源100，如图1所示，其显示了一个反馈控制器的数字实现，如图2所示，并包括一个依据发明原理的脉宽调制器300。如举例说明的那样，输入交流(AC)电压610，被称为V，首先由整流器612整流并且被保存在电感616中。在电感616中储存的能量然后被传输到电容器614。功率晶体管618、例如场效应晶体管被断开持续一段已知的时间以传递被整流的交流信号到二极管620。二极管620提供一个单向的电通路，以便存储电容622两端的电荷。被称为Vo的输出电压624表示了电源100的输出电压。
在控制器150内的处理器202监视输出电压Vo 624，并且PWM 300产生信号330，由信号330调整功率晶体管618的栅极电压。信号330控制功率晶体管618维持接通或者断开状态的时间。当功率晶体管618处于接通状态时，电流流经晶体管618，而且没有检测到额外的电荷横穿电容622。因此，在晶体管618处于接通状态的时间期间内，横穿电容器622的电压电平降低(下降)。然而，当功率晶体管618处于断开状态时，电流流经二极管620，而且横穿电容522的电荷即电压增加。因此，输出电压Vo 624被测量为横穿电容622的一个标称电压值，其在功率晶体管618处于断开状态时增加到一个指定的电平，并且在功率晶体管618处于接通状态时降低。在电压电平中超过和低于标称电压电平的变化即波动，表示一个电源的质量。
图7说明了一个包括依据本发明原理的一个脉宽调制器的电流方式控制器的操作。在电流方式控制中，输出电压Vo 624和在电源100内产生的电流用来控制电源开关618的栅极电压。因此，除了输出电压624之外，控制器150还接收一个流经功率晶体管618的电流度量，由电压720表示。在这种情况下，当开关618处于接通状态时，流经开关618的电流实质上等于在电感616中的电流。而且，当开关618处于断开状态时，开关电流快速地下降到零，而且保存在电感616中的能量流经二极管620。在电容622上的电荷增加。
尽管已经以一种具有某种程度特殊性的最佳形式对本发明进行了说明和描述，都是应当理解，该最佳形式的当前公开仅仅是为了举例，而且可用在构造细节以及部件的组合和排列中进行许多改变，而没有背离由以下权利要求定义的本发明的精神和范围。使实质上执行相同功能、并且实质上同样地实现相同结果的那些单元和/或方法步骤的所有组合都在本发明的范围之内。也充分地考虑和预计了从一个描述实施例到另一个实施例中的单元替换。在权利要求书中，放置在括号之间的任何标记符号不应被看作是极限该权利要求。词语“包含”没有排除除了列在一个权利要求内的单元或者步骤外还有其它单元或者步骤的存在。在一个单元之前的词“一个”并没有排除有多个这种单元的存在。本发明能够借助于包含几个不同单元的硬件、以及借助于适当编程的计算机实现。在列举了几个装置的设备中，这些装置的某些部分能够被包含在硬件的同一个零件中。仅有的事实是在彼此不同的从属权利要求中列举的某些措施并不表示这些措施的组合不能是有益的。

Claims (10)

1.一个双重方式可编程的脉宽调制器电路(300)，用于调整一个电源输出电压，包含：
用于提供至少一个控制变量和至少一个时间变量的装置(212)；
至少一个脉冲发生器(332)，用于基于所述至少一个时间变量产生一个第一信号；
至少一个脉冲发生器，用于基于所述至少一个控制变量和一个外部信号产生一个第二信号(346)；
一个选择设备(313)，用于取决于所述至少一个控制变量从所述产生的第一信号和所述第二信号中提供一个选择的信号；以及
至少一个脉冲发生器(338)，用于响应于所述选择的信号产生一个第三信号，所述第三信号具有由所述至少一个时间变量确定的特性。
2.如权利要求1所述的电路，进一步包含；
一个反相器(340)，连接用于接收所述第三信号以提供一个反相的第三信号；以及
一个第二选择设备(315)，连接用以接收所述第三信号和所述反相的第三信号作为输入，用于取决于包含在所述存储器(212)中的所述至少一个控制变量在所述第三信号和所述反相的第三信号之间进行选择。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于：产生所述第一信号的所述至少一个脉冲发生器包含：
一个第一脉冲发生器(330)，用于基于保存在所述存储器中的所述至少一个时间变量产生一个具有一个周期的信号。
4.如权利要求3所述的电路，其特征在于：产生所述第一信号的所述至少一个脉冲发生器包含：
一个第二脉冲发生器(332)，用于基于所述至少一个时间变量偏移所述第一脉冲发生器信号。
5.如权利要求1所述的电路，其特征在于：所述至少一个时间变量是从包含时间周期、延迟时间、脉冲持续时间的一个组中选择出来的。
6.如权利要求1所述的电路，其特征在于：产生所述第二信号的至少一个脉冲发生器进一步包含：
一个转换设备(340)，用于把所述至少一个控制变量转换为一个参考值；
一个比较设备(342)，用于接收所述参考值和所述外部值，并且产生一个输出信号；以及
一个脉冲发生器(346)，用于接收所述比较设备输出信号，并且在所述外部信号大于所述参考值时产生一个第四信号。
7.如权利要求6所述的电路，进一步包含：
一个反相器(348)，用于接收所述比较设备输出信号；
一个脉冲发生器，用于接收所述反相的比较设备输出信号，并且产生一个第五信号；以及
一个第三选择设备(311)，连接用以接收所述第四信号和所述第五信号，用于取决于包含在所述存储器中的所述至少一个控制变量在所述第四信号和所述第五信号之间进行选择。
8.如权利要求1所述的电路，进一步包含：
一个通讯设备(222)，用于经由一个通信网络接收数据。
9.如权利要求8所述的电路，其特征在于：所述接收的数据包含所述至少一个控制变量。
10.如权利要求8所述的电路，其特征在于：所述数据包含所述至少一个时间变量。
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