CN1672314A

CN1672314A - 控制驱动负载的功率变换器的瞬态响应的方法,瞬态响应控制器和功率变换器

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Publication number: CN1672314A
Application number: CNA038178516A
Authority: CN
Inventors: T·迪尔鲍姆; F·A·C·肖夫斯; R·埃尔菲里希; T·G·托勒
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2003-07-21
Publication date: 2005-09-21
Also published as: WO2004015848A2; WO2004015848A3; JP2005534275A; AU2003249486A1; AU2003249486A8; US20060114700A1; EP1527510A2

Abstract

用于控制驱动负载(10)的功率变换器的瞬态响应的方法，所述功率变换器包括耦合在该功率变换器的输入和输出之间的电源开关(T1)、同步整流器(T2)以及电容器(30，C1，C2…CN)，所述方法包括以下步骤：响应于表示所述负载的变化的信号而禁用所述同步整流器，所述信号基于代表所述负载变化的电流。

Description

控制驱动负载的功率变换器的瞬态响应的方法，瞬态响应控制器和功率变换器

本发明涉及用于控制驱动(powering)负载的功率变换器的瞬态响应的方法，所述功率变换器包括耦合在该功率变换器的输入和输出之间的电源开关、同步整流器以及电容器，所述方法包括以下步骤：响应于表示所述负载的变化的信号而禁用所述同步整流器。本发明也涉及执行上述方法的瞬态响应控制器以及包括这样的瞬态响应控制器的功率变换器。

功率变换器经受瞬变条件，例如接通和关断瞬变以及负载和输入电压中的突变。未来的高速数字集成电路诸如高性能处理器、数字信号处理器、芯片上系统等将在低电压下、更严格的容差以及增加的动态负载特性的条件下工作。这些集成电路能够在几个纳秒内将其功耗从最大减小到最小。这个时间周期太短以致于电源来不及作出反应。所提供的集成电路在关断瞬变之后仅仅需要少量的电流。因此，反向线圈(buckcoil)中存储的能量对输出电容器充电，导致更高的电源电压。由于电源电压的容差很小，为了将电压漂移限制在此容差带内，必须选择输出上的电容。因此，需要很多电容器满足该要求，这增加了成本。因此，功率变换器需要新的构思。

通常，功率变换器包括耦合在该功率变换器的输入和输出之间的电源开关和同步整流器。电源开关和同步整流器在导通和非导通状态之间交变。当电源开关导通时，同步整流器不导通，并且反之亦然。如图1所示，在时刻t＝0发生瞬变条件，此时负载被移去。输出电流突然降为零，并且变换器输出电压上升超过其标定的稳态值。电源开关被关闭，并且同步整流器保持在导通状态中。结果，变换器输出电压升高到不希望的电平。类似，在此时间期间，输出电感电流IL以与利用该电感划分的输出电压大致成比例的速率下降。同步整流器电流以相同速率下降。

正常情况下，同步整流器利用MOSFET来实现，其通常包括反向控制二极管(back-gate diode)或者主体二极管(body diode)。美国专利No.5,940,287A中公开的功率变换器通过检测对于给定的时间段电源开关已经处于非导通状态中、并且在该时间段过去之后关断该同步整流器、从而迫使同步整流器的主体二极管导通并从而限制变换器输出电压来控制同步整流器。由于主体二极管上增加的电压降，先前存储在反向线圈中的能量的一部分现在耗散在主体二极管中，因而留下较少的能量被放电到输出电容器中。由于关于负载变化的信息是从MOSFET的门信号中获取的，所以牵涉RC时间常数，所述RC时间常数比一个完整转换周期长。因此，虽然有所减小，但电压过冲仍然比需要的大。

本发明的一个目的是提供如引言中所定义的用于控制功率变换器的瞬态响应的方法，该方法能够稳定地并且非常迅速地使输出电压过冲最小化。

在本发明的第一方面中，通过提供代表所述负载变化的所述基于电流的信号以使所述瞬态响应控制器立即禁用所述同步整流器而没有任何时间延迟，在如上定义的方法中实现了所述目的。该实施是基于这样的原理：检测电容器上的电压升高并且通过适当的校正措施对其反作用。在关断情况下，该校正措施不仅关断电源开关而且也关断同步整流器，从而反向线圈电流通过主体二极管被耗散，实现期望的附加电压降，如已在US5 940 287中公开的。然而，如从US5 940 287中看出的，由于期望的分散，电压变化的快速和准确的检测是较不实际的，并因而必须等待，直至通过充电电容器出现可测量的电压升高，通过等待电源开关的转换信号的非出现，进一步间接利用该电容器的电压升高。相反，本发明直接地或者间接地利用电流测量，从而可以尽可能早地启动措施来抵销负载的降低。

所述基于电流的信号可以直接由所述负载提供。例如，当集成电路或微处理器从有源变到无源状态时，其自身能够将与功耗变化有关的并因此与所需的负载电流有关的这个信息传送到瞬态响应控制器，该控制器随后立即关断同步整流器的MOSFET。通常，与负载相关联的控制器将会提前得知功耗并因此得知负载内的电流，因此同步整流器的关断周期能够被细调并且不仅适应于从工作模式到等待模式的变化(并且反之亦然)，而且也适应于在工作模式期间出现的特定操作。通过将通过负载的电流或者期望通过该负载的电流与至少一个阈值进行比较并且使用该信息来导出关闭周期，可以实施该细调过程。

本发明的另一方面使用测量通过负载的电流I_o的可能性，然而，这由于微处理器电源的物理实现而不容易实现。基本上，在关闭瞬变过程情况下，必须检测通过负载的电流的减小。由于需要快速识别，所以可以认为通过反向线圈的电流是恒定的。因此，下面的近似是正确的：

其中I_c是通过输出电容器的电流，其因此可以同等地使用。通常，输出电容器不是单个元件，而是包括多个并联连接的电容器，其中每一个的特征为寄生串联电阻Rc和串联电感Lc。然而，时间常数Lc/Rc与电容器的数量无关并且在几百纳秒的范围内。现在，可以测量这些电容器之一的电压。如果该测得的电压利用满足以下条件的第一R₁C₁元件进行过滤：

C_{1} R_{1} = \frac{L_{C}}{R_{C}} - - - (2)

其中

Rc＝电容器元件的寄生串联电阻

Lc＝电容器元件的寄生串联电感

C₁＝第一RC元件的电容

R₁＝第一RC元件的电阻

则获得的信号包括：对于负载瞬变的时间近似恒定的一部分，即理想电容器C上的电压降；以及与电流成比例的一部分，即串联电阻Rc上的电压降。(2)中的条件补偿了串联电感Lc上的电压降。

一个优选实施例通过要求以下条件来欠补偿(undercompensate)串联电感Lc上的电压降：

C_{1} R_{1} < \frac{L_{C}}{R_{C}} - - - (3)

因此，强调与电流变化成比例的部分。

前述实施例的优点在于，所述第一滤波级呈现低通特性，这相对于干扰敏感度是有益的。

如前所述，通过将电流或信号与至少一个阈值进行比较可以细调该方法。

利用要用在驱动负载的功率变换器中的瞬态响应控制器也实现该目的，所述功率变换器包括耦合在其输入和输出之间的电源开关、同步整流器和电容器，所述瞬态响应控制器至少耦合到所述同步整流器并且响应于表示所述负载变化的信号而禁用所述同步整流器，其特征在于，所述瞬态响应控制器耦合到用于基于代表所述负载变化的电流提供所述信号的装置。

最后，利用驱动负载的功率变换器实现该目的，所述功率变换器包括上面定义的瞬态响应控制器。用于提供所述信号的所述装置包括：用于检测通过所述负载的电流的装置，或者用于检测所述电容器上的电压降的装置；以及用于将所述电流或电压降与至少一个阈值进行比较的装置。

优选的是：用于提供所述信号的所述装置是所述负载的控制器，其将所述负载的功耗传送到所述瞬态响应控制器。

这样的功率变换器可用于驱动高速集成电路。

在下文中，将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中

图1示出了在关闭瞬变过程期间没有瞬态响应控制的功率变换器的定时图；

图2示出了功率变换器的半桥的示意图。

图3示出了在关闭瞬变过程期间现有技术的功率变换器的定时图；

图4示出了体现本发明的功率变换器的示意图；

图5示出了输出电容器的等效电路图；

图6示出了根据本发明的用于控制功率变换器的瞬态响应的方法的优选实施例；以及

图7示出了根据本发明的同步整流器控制方案的定时图。

首先参照图1，示出了功率变换器的示例性电流波形，该变换器没有特殊的瞬态同步整流器控制。利用I_o表示的波形代表变换器输出电流I_o，“M”代表电源开关处于导通或非导通状态中的状态，“SR”代表当同步整流器处于导通或非导通状态中时的状态，以及“IL”代表在观察的时间周期上的输出电感电流I_L。如能够从图1中看出的，电源开关和同步整流器在导通和非导通状态之间交变，从而当电源开关导通时，同步整流器不导通，并且反之亦然。在正常操作期间，变换器输出电压和通过输出电感器的电流在某些限度内保持恒定。当输出电流I_o突降为零时，正常的功率变换器不能足够快速地减小该值I_L。利用黑色区域代表的电荷对输出电容器充电，导致电压过冲。

图2是半桥的示意图，其用来说明现有技术的控制方案。电源开关T1和同步整流器T2均利用MOSFET实现，其中每个MOSFET的栅极G利用相应的驱动器D1和D2来控制。如上所述，反向线圈B存储能量。如果检测到瞬变条件，US5 940 287的控制方案不仅关闭电源开关T1，而且在对于给定时间周期此电源开关T1处于非导通状态中之后，还关闭同步整流器T2。旁路电流到MOSFET的本征主体二极管BD将耗散存储在反向线圈中的部分能量。

根据US5 940 287的控制方案且如图3所示，控制器至少必须等到在电源开关处出现下一个定时信号，才关闭同步整流器。然后，迫使主体二极管导通，这限制了变换器输出电压V_o。

图4示出了体现本发明的功率变换器的示意图。该功率变换器包括半桥20₁-20_n，其中每一个的构造相似，与图2所示的半桥的不同之处在于其各自的反向线圈22₁-22_n。来自控制器24的信号被提供给输入D1₁、D2₁至D1_n、D2_n，以控制在半桥20₁-20_n内的电路。包括并联连接的电容器元件C₁、C₂至C_N的输出电容器30耦合到该功率变换器的输出。在电容器30上测量变换器输出电压V_o。此外，负载10耦合在输出电容器30上。来自反向线圈22₁-22_n的电流I_B分流成通过负载10的电流I_o以及流向电容器30的电流I_C。方框42、44象征对电流I_o或电流I_C的检测。

假设在相等电容的情况下应用如图5所示的等效电路图，将针对通过电容器30的电流I_c的变化，解释本发明的控制方案的一个可能的

实施例。

由于利用图7中的黑色区域表示的电荷比先前方法中的低，所以产生的过冲较低。

图6示出了该电容器上的电压被第一RC元件抽头并滤波，所述第一RC元件具有电阻R₁和电容C₁以满足上述方程式(2)。所得到的信号S2包括与电流Ic成比例的成分，如上面已经参照方程式(2)所解释的。选择地，可以给输出信号S3提供阻抗变换器，该信号S3被输入到高通滤波器或第二RC元件，其中选择其电容C2和电阻R2以满足：

C₂R₂＞＞C₁R₁ (4)

以便从该信号中滤除恒定成分。然后，所产生的信号S4被放大；并且被放大的信号S5输入到比较器，该比较器检测信号S5是否超出预定阈值。如果超出预定阈值，则将信号S6从低变到高。然后将高信号提供给控制器24，以关闭电源开关T1和同步整流器T2。在另一个改进的实施例中，该比较器具有两个或更多的阈值以便用信号通知控制器24：较小的或较大的电流升高发生，这导致相应的较小的或较大的电压升高。因此，控制器24被启动，以便根据情况设定如通常的同步或设定旁路主体二极管。

附加地，可以预定代表负电流的阈值，以便足够早地实现主体二极管导通模式的终止，从而保证功率变换器操作不被扰乱。

图7示出了其中立即设置电流IL的降低以便可以最小化电压过冲的定时图。在图7的“IL”中，以虚线表示与图1和3的曲线的比较。如从图中可以看出的，利用降低要求的电源电压，该效果显著地是确定的。

Claims

1、用于控制驱动负载(10)的功率变换器的瞬态响应的一种方法，所述功率变换器包括耦合在该功率变换器的输入和输出之间的电源开关(T1)、同步整流器(T2)和电容器(30；C₁，C₂...C_N)，所述方法包括以下步骤：

禁用所述同步整流器(T2)，以响应表示所述负载(10)的变化的信号，

其特征在于，

根据代表所述负载的变化的电流，提供所述信号。

2、如权利要求1的方法，其特征在于，所述负载(10)传送有关其需要的电流的信息，以提供所述信号。

3、如权利要求1的方法，其特征在于，通过检测通过所述负载(10)的电流(I0)来提供所述信号。

4、如权利要求1的方法，其特征在于，通过检测电流(Ic)来提供所述信号。

5、用于检测驱动负载(10)的功率变换器的瞬态响应的一种方法，其特征在于

利用第一RC元件过滤所述电容器(30)上的电压，所述第一RC元件满足

C_{1} R_{1} \leq \frac{L_{C}}{R_{C}}

其中

Rc＝电容器的寄生串联电阻

Lc＝电容器的寄生串联电感

R₁＝第一RC元件的电阻。

C₁＝第一RC元件的电容。

6、如权利要求1-5之一的方法，其特征在于，所述的基于电流的信号与至少一个阈值进行比较。

7、一种瞬态响应控制器，用于驱动负载(10)的功率变换器中，所述功率变换器包括耦合在其输入和输出之间的电源开关(T1)、同步整流器(T2)和电容器(30；C₁，C₂...C_N)，所述瞬态响应控制器至少耦合到所述同步整流器(T2)，以响应于表示所述负载(10)的变化的信号而禁用所述同步整流器，

其特征在于，所述瞬态响应控制器(40)耦合到用于根据代表负载变化的电流来提供所述信号的装置。

8、一种驱动负载的功率变换器，包括：

耦合在该功率变换器的输入和输出之间的电源开关(T1)、同步整流器(T2)和电容器(30；C₁，C₂...C_N)，以及

至少耦合到所述同步整流器T2的瞬态响应控制器(40)，

利用用于根据代表所述负载的变化的电流来提供表示所述负载的变化的信号的装置，所述瞬态响应控制器(40)响应于表示所述负载(10)的变化的信号而禁用所述同步整流器，

用于提供所述信号的所述装置耦合到所述瞬态响应控制器(40)。

9、如权利要求8的功率变换器，其特征在于，用于提供所述信号的所述装置是所述负载(10)的控制器，用于将所述负载(10)的功耗传送到所述瞬态响应控制器(40)。

10、如权利要求8的功率变换器，其特征在于，用于提供所述信号的所述装置包括：用于检测通过所述负载(10)的电流的装置；以及用于将所述电流(Io)与至少一个阈值进行比较的装置。

11、如权利要求8的功率变换器，其特征在于，用于提供所述信号的所述装置包括：用于利用所述电容器(30)上的电压降来检测通过所述电容器(30)的电流(Ic)的装置；以及用于将所述电压降与至少一个阈值进行比较的装置。

12、如权利要求8-11之一的功率变换器，其特征在于，所述瞬态响应控制器(40)被连接到所述电源开关(T1)，以便响应于所述信号而关断所述电源开关。

13、用于驱动高速集成电路的如权利要求8-12之一的功率变换器的使用。