CN203151378U - 功率转换反馈控制电路 - Google Patents

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Abstract

本申请案涉及一种功率转换反馈控制电路。在一个实施例中，所述功率转换反馈控制电路包括功率转换器，其包括耦合到电源的功率输入、耦合到负载的输出及控制输入，其中所述功率转换器经配置以基于所述控制输入而将所述功率输入上的输入电压转换成所述输出上的输出电压；第一反馈电路，其耦合于所述功率转换器的所述输出与所述功率转换器的所述控制输入之间，其中所述第一反馈电路经配置而以第一带宽操作；第二反馈电路，其耦合于所述负载与所述第一反馈电路之间，其中所述第二反馈电路经配置而以慢于所述第一带宽的第二带宽操作，且其中所述第二反馈电路经配置而以斜变速率改变所述第一反馈电路的命令电压直到在所述负载处检测到目标电压。

Description

功率转换反馈控制电路
技术领域
本实用新型大体来说涉及电子器件，且更特定来说，涉及功率转换电路。 
背景技术
常规功率转换器将输入电压Vin转变成不同输出电压Vout。电压Vout由反馈电路控制。所述反馈电路检测耦合到输出的反馈电压Vfb且将信号提供到功率转换器以进行调整从而使得反馈电压Vfb更接近于参考电压Vref。所述功率转换器通过增加或减小Vout进行调整。将输出电压Vout施加到负载。在一些应用中，可用于取决于各种条件而将不同电压Vout施加到所述负载。举例来说，如果负载的温度改变，那么调整输出电压可增加负载的功率效率。 
实用新型内容
本实用新型揭示一种具有两个反馈环路的功率转换电路，其包含用于使负载(例如，LED)的命令电压斜升或斜降的反馈控制电路。第二反馈环路馈送到第一反馈环路中，且所述第二反馈环路以低于所述第一反馈环路的带宽操作。当使所述命令电压斜升或斜降时，由于系统中的延迟而导致电压过冲。可通过对所述命令电压的最终调整来补偿所述过冲。 
用于使命令电压斜升或斜降的反馈控制电路的特定实施方案可提供以下优点中的一者或一者以上：1)可在较短时间量内使负载处的电压达到目标电压；2)可在短时间量内给负载通电；3)可通过迅速降低负载处的电压来保护电子组件免受过量电压的损害；4)可通过使负载处的电压保持接近于目标电压来降低功率消耗；5)可在使命令电压斜升或斜降的同时降低电压过冲；及6)可实现良好功率因数校正。 
在一个实施例中，本申请涉及一种功率转换反馈控制电路。所述功率转换反馈控制电路包括功率转换器，其包括耦合到电源的功率输入、耦合到负载的输出及控制输入，其中所述功率转换器经配置以基于所述控制输入而将所述功率输入上的输入电压转换成所述输出上的输出电压；第一反馈电路，其耦合于所述功率转换器的所述输出与所述 功率转换器的所述控制输入之间，其中所述第一反馈电路经配置而以第一带宽操作；第二反馈电路，其耦合于所述负载与所述第一反馈电路之间，其中所述第二反馈电路经配置而以慢于所述第一带宽的第二带宽操作，且其中所述第二反馈电路经配置而以斜变速率改变所述第一反馈电路的命令电压直到在所述负载处检测到目标电压。 
在附图及下文说明中陈述一个或一个以上所揭示实施方案的细节。依据所述说明、图式及权利要求书，其它特征、方面及优点将变得显而易见。 
附图说明
图1A是实例性功率转换电路的框图。 
图1B是实例性功率转换电路的框图，其展示两个反馈环路：环路1及环路2。 
图2是在正常操作期间由反馈控制电路执行的实例性过程的流程图。 
图3是反馈控制电路的斜升模式的实例性电压图。 
图4是在斜升模式期间由反馈控制电路执行的实例性过程的流程图。 
图5是反馈控制电路的斜降模式的实例性电压图。 
图6是在斜降模式期间由反馈控制电路执行的实例性过程的流程图。 
具体实施方式
实例性功率转换电路 
图1A是实例性功率转换电路100的框图。功率转换电路100包含功率转换器102以将功率提供到成串一个或一个以上发光二极管(LED)104。尽管图解说明LED104，但功率转换电路100可用以将功率提供到任何适当电负载。 
功率转换器102包含耦合到电源的功率输入及耦合到成串LED104的输出。功率转换器102经配置以将所述功率输入上的输入电压Vin转换成所述输出上的输出电压Vout。所述转换是基于控制输入处的所接收信号，其可指定(举例来说)应相对于Vin增加还是减小Vout。 
图1B是实例性功率转换电路100的框图，其展示两个反馈环路：环路1及环路2。第一反馈环路(环路1)实施成第一反馈电路，其耦合于功率转换器102的输出与所述功率转换器的控制输入之间。 
所述第一反馈电路包含耦合到功率转换器102的输出的一个或一个以上电阻器(例如，如所图解说明的电阻器Ra及Rb)的电阻器网络。所述第一反馈电路还包含比较器 106。比较器106具有两个输入及一输出。比较器的输入中的一者耦合到功率转换器102的输出。举例来说，所述输入可经由所述电阻器网络在反馈节点Vfb处(例如，在两个电阻器Ra及Rb与接地节点之间)耦合到所述输出。比较器的输入中的另一者耦合到参考电压Vref1。比较器的输出耦合到功率转换器102的控制输入。 
在操作中，第一反馈电路比较反馈节点Vfb处的电压与参考电压Vref1。第一反馈电路将控制信号提供到功率转换器102以在Vfb小于Vref1的情况下增加Vout且在Vfb大于Vref1的情况下减小Vout。反馈电压Vfb为如通过电阻器网络及第二反馈环路(环路2)修改的输出电压Vout。 
第二反馈环路(环路2)实施成第二反馈电路，其耦合于负载(LED104)与第一反馈电路之间。所述第二反馈电路包含反馈控制电路108。反馈控制电路108包含耦合到成串LED104的检测输入及耦合到第一反馈电路的反馈节点Vfb的控制输出。举例来说，反馈控制电路108可实施为数字逻辑电路。第二反馈电路还包含在成串LED104与接地节点之间的电流源电路。 
可在功率转换电路中使用任何适当电流源电路。图1B中所图解说明的电流源电路包含场效应晶体管(FET)110。FET110包含栅极、源极及漏极。所述电流源电路还包含比较器112。比较器112包含第一及第二输入以及输出。比较器112的第一输入耦合到FET110的源极。比较器112的第二输入耦合到参考电压Vref2。比较器输出耦合到FET110的栅极。FET110的漏极耦合到LED104。电阻器Rs耦合于FET110的源极与接地节点之间。电流源使流动穿过LED104的电流保持恒定且等于Vref2/Rs。 
反馈控制电路108的检测输入可直接或间接耦合到LED104。举例来说，如图1B中所图解说明，反馈控制电路108的检测输入直接连接到FET110的漏极。另一选择为，反馈控制电路108的检测输入可直接连接到FET110的栅极。 
在操作中，第二反馈电路将额外反馈提供到功率转换器102以调整Vout。额外反馈用以调节FET110的漏极或栅极处的电压且因此用以调节流动穿过LED104的电流。举例来说，第二反馈电路可经配置以将FET110的漏极处电压Vd调节到某一电压Vdoptimal。 
Vdoptimal可经选择以恰好足够高以使FET110保持在其饱和区中工作。当电路的温度改变时，LED的正向电压改变，此将使得Vd高于或低于Vdoptimal。当Vd低于Vdoptimal时，FET110可在其三极管区中操作，因此流动穿过FET110及借此LED104的电流可减小，而非保持恒定。在此情况下，第二反馈电路可(例如，在反馈节点Vfb处)从第一反馈电路吸收电流以增加Vout直到Vd等于或约为Vdoptimal。 
当Vd高于Vdoptimal时，大于所需的电压可在FET110上下降，此可损耗功率且由于高功率耗散而可能损害FET110。在此情况下，第二反馈电路可(例如，在反馈节点Vfb处)将电流供到第一反馈电路中以减小Vout直到Vd等于或约为Vdoptimal。 
第一反馈电路经配置而以第一带宽操作，且第二反馈电路经配置而以第二带宽操作。反馈电路的带宽是对其可使信号传播穿过所述电路的速度的度量且可以(举例来说)Hertz为单位进行测量。在实例性功率转换电路100中，第二带宽慢于第一带宽。为实现功率转换电路100的稳定，第二带宽可为大致慢于第一带宽。 
举例来说，在一些应用中，第一反馈电路的带宽是基于电源的带宽，所述电源为公用电网。所述功率转换器可具有慢带宽以实现良好功率因数校正。具有功率因数校正的单级离线功率转换器可具有慢带宽(例如，约10Hz到20Hz)以实现良好功率因数。在具有此功率转换器的应用中，第二反馈电路可以显著慢于第一反馈电路的带宽的带宽操作。 
通常，第二反馈电路的带宽是基于反馈控制电路108的操作。举例来说，反馈控制电路108可以小增量将其控制输出上的电压改变到反馈节点Vfb且在再次调整所述电压之前等待较长(相对于第一反馈电路的带宽较长)时间。 
反馈控制电路108可以各种模式操作，包含(举例来说)正常模式、斜升模式及斜降模式。图2描述反馈控制电路108以正常模式的操作。图3到4描述斜升模式。图5到6描述斜降模式。 
正常模式流程图 
图2是在正常操作期间由反馈控制电路108执行的实例性过程200的流程图。 
所述反馈控制电路检测其检测输入上的电压(步骤202)。举例来说，所检测电压可为图1的FET110的漏极或栅极上的电压。所述反馈控制电路比较所检测电压与目标电压(步骤204)。举例来说，所述目标电压可为如上文所描述而选择的Vdoptimal。 
如果所检测电压大于目标电压，那么反馈控制电路减小其控制输出上的命令电压(步骤206)。如果所检测电压小于目标电压，那么反馈控制电路增加其控制输出上的命令电压(步骤208)。反馈控制电路等待某一时间量(步骤210)。举例来说，所述时间量可经选择以允许第一反馈环路稳定以使得功率转换电路100是稳定的。在一些实施方案中，举例来说在功率转换器102具有大于或等于10Hz的单位增益带宽的情况下，所述某一时间量为100ms。 
在正常模式中，由于所述反馈控制电路在进行调整之间等待某一时间量，因此所述反馈控制电路无法很迅速地调整命令电压。在一些情况下，比正常模式中可能更迅速地 调整命令电压为有用的。举例来说，在给系统通电时迅速增加命令电压可为有用的，且在FET110处于由于过量功率耗散而被烧坏的风险中时迅速减小命令电压可为有用的。在这些情况下，所述反馈控制电路可以斜升模式或斜降模式操作。 
斜升电压图 
图3是反馈控制电路108的斜升模式的实例性电压图。电压在垂直轴上且时间在水平轴上。举例来说，在给功率转换电路通电时，所述斜升模式可为有用的。 
第一曲线302表示反馈控制电路108的控制输出上的命令电压Vdc。第二曲线304表示反馈控制电路108的检测输入上的所检测电压。在此实例中，所检测电压为FET110的漏极上的电压Vd；然而，所检测电压可为不同电压，举例来说，FET110的栅极上的电压。 
如由第一曲线302所指示，反馈控制电路108将命令电压Vdc从初始低命令电压斜变到高电压直到所检测电压Vd等于目标电压。在此实例中，目标电压为上文所描述的Vdoptimal。在所检测电压Vd等于或约等于Vdoptimal之后，停止所述斜变。 
由于在第一反馈电路中存在延迟，因此所检测电压Vd不紧密遵循命令电压Vdc。如由第二曲线304所指示，所检测电压Vd在一些延迟之后遵循命令电压Vdc。因此，尽管反馈控制电路108在Vd等于或约等于Vdoptimal时停止斜变，但Vd继续增加直到其稳定到最终值。最终值与Vdoptimal之间的差为过冲电压Vovershoot。此过冲电压可造成(例如)FET110中的额外功率消耗，因此通常可用于使Vovershoot最小化。 
Vovershoot基于第一反馈电路的斜变速率及带宽而变化。如果第一反馈电路模型化为具有单位增益带宽Fugbw(以Hz为单位给出)的第一阶环路，且反馈控制电路108的斜变速率为常数K(以每秒伏(V/s)为单位给出)，那么
Figure DEST_PATH_GDA00003126542000051
在给出某一Fugbw及目标Vovershoot的情况下，斜变速率K可经选择以使斜变的时间最小化同时使Vovershoot保持为或低于所述目标Vovershoot。举例来说，对于具有大于或等于10Hz的Fugbw的功率转换器，斜变速率K可选择为100V/s，从而导致小于或等于1.6V的Vovershoot。 
在斜变结束时，反馈控制电路108可施加对命令电压Vdc的最终调整。举例来说，所述最终调整可为在一定程度上减小命令电压或在一定程度上增加命令电压。在图3中，第一曲线302及第二曲线304最后满足大于Vdoptimal的电压。在一定程度上减小命令电压Vdc可使所检测电压Vd接近于Vdoptimal。 
斜升流程图 
图4是在斜升模式期间由反馈控制电路108执行的实例性过程400的流程图。 
所述反馈控制电路执行初始化(步骤402)。举例来说，所述反馈控制电路可将其控制输出上的命令电压设定到初始值，所述初始值可为最小电压(例如，0V)。在一些实施方案中，所述反馈控制电路等待所检测电压稳定(例如)以使得所检测电压的变化低于阈值变化。举例来说，在功率转换器102正启动时，可使用此方案。 
所述反馈控制电路以某一斜变速率增加命令电压(步骤404)。举例来说，如上文参考图3所描述可选择某一斜变速率。以某一斜变速率增加命令电压可包含：举例来说，在已过去固定时间量之后，以某一增量增加命令电压。反馈控制电路不需要等待所检测电压稳定或等待用于上文关于图2所描述的正常模式的某一时间量。 
在反馈控制电路正增加命令电压时，反馈控制电路检测其检测输入上的电压(步骤406)。举例来说，所检测电压可为图1的FET110的漏极或栅极上的电压。反馈控制电路比较所检测电压与目标电压(步骤408)。举例来说，所述目标电压可为如上文所描述而选择的Vdoptimal。 
如果所检测电压小于目标电压，那么反馈控制电路继续增加命令电压(返回到步骤404)。如果所检测电压大于或等于目标电压，那么反馈控制电路停止增加命令电压(步骤410)。反馈控制电路任选地施加对命令电压的最终调整(例如，如上文关于图3所描述)(步骤412)。反馈控制电路任选地开始以正常模式操作(例如，如上文关于图2所描述)(步骤414)。 
斜降电压图 
图5是反馈控制电路108的斜降模式的实例性电压图。电压在垂直轴上且时间在水平轴上。举例来说，在迅速断电以避免损害电路的部分时，可使用斜降模式。 
第一曲线502表示反馈控制电路108的控制输出上的命令电压Vdc。第二曲线504表示反馈控制电路108的检测输入上的所检测电压。在此实例中，所检测电压为FET110的漏极上的电压Vd；然而，所检测电压可为不同电压，举例来说，FET110的栅极上的电压。 
如由第一曲线502所指示，反馈控制电路108将命令电压Vdc从初始高命令电压斜变到低电压直到所检测电压Vd等于目标电压。在此实例中，目标电压为上文所描述的Vdoptimal。在所检测电压Vd等于或约等于Vdoptimal之后，停止所述斜变。 
由于第一反馈电路的延迟，因此在命令电压与所检测电压之间存在延迟，如上文参考图3所描述。也存在过冲电压Vovershoot，其在斜降时为负电压。 
斜降流程图 
图6是在斜降模式期间由反馈控制电路108执行的实例性过程600的流程图。 
所述反馈控制电路以某一斜变速率减小命令电压(步骤402)。举例来说，如上文参考图3所描述可选择某一斜变速率。以某一斜变速率减小命令电压可包含：举例来说，在已过去固定时间量之后，以某一增量减小命令电压。反馈控制电路不需要等待所检测电压稳定或等待用于上文关于图2所描述的正常模式的某一时间量。 
在反馈控制电路正减小命令电压时，反馈控制电路检测其检测输入上的电压(步骤604)。举例来说，所检测电压可为图1的FET110的漏极或栅极上的电压。反馈控制电路比较所检测电压与目标电压(步骤606)。举例来说，所述目标电压可为如上文所描述而选择的Vdoptimal。 
如果所检测电压大于目标电压，那么反馈控制电路继续增加命令电压(返回到步骤602)。如果所检测电压大于或等于目标电压，那么反馈控制电路停止减小命令电压(步骤608)。反馈控制电路任选地施加对命令电压的最终调整(例如，如上文关于图3所描述)(步骤610)。反馈控制电路任选地开始以正常模式操作(例如，如上文关于图2所描述)(步骤612)。 
虽然此文件含有许多特定实施细节，但这些细节不应理解为对可主张的范围加以限制，而是对可特定于特定实施例的特征的说明。在此说明书中在单独实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合形式实施于单个实施例中。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可单独地或以任何适合子组合形式实施于多个实施例中。此外，尽管上文可将各特征描述为以某些组合形式起作用且甚至最初如此主张，但来自所主张组合的一个或一个以上特征在一些情况下可从所述组合去除，且所主张组合可涉及子组合或子组合的变化形式。 

Claims (7)

1.一种功率转换反馈控制电路，其包括： 
功率转换器，其包括耦合到电源的功率输入、耦合到负载的输出及控制输入，其中所述功率转换器经配置以基于所述控制输入而将所述功率输入上的输入电压转换成所述输出上的输出电压； 
第一反馈电路，其耦合于所述功率转换器的所述输出与所述功率转换器的所述控制输入之间，其中所述第一反馈电路经配置而以第一带宽操作； 
第二反馈电路，其耦合于所述负载与所述第一反馈电路之间，其中所述第二反馈电路经配置而以慢于所述第一带宽的第二带宽操作，且其中所述第二反馈电路经配置而以斜变速率改变所述第一反馈电路的命令电压直到在所述负载处检测到目标电压。 
2.根据权利要求1所述的功率转换反馈控制电路，其中所述第一反馈电路包括： 
电阻器网络，其耦合到所述功率转换器的所述输出；及 
比较器，其包括第一及第二输入以及比较器输出； 
其中所述比较器的所述第一输入耦合到参考电压，所述比较器的所述第二输入耦合到所述电阻器网络，且所述比较器耦合到所述功率转换器的所述控制输入。 
3.根据权利要求1所述的功率转换反馈控制电路，其中所述第二反馈电路包括： 
反馈控制电路，其耦合于所述负载与所述第一反馈电路之间；及 
电流源电路，其耦合到所述负载及所述反馈控制电路。 
4.根据权利要求3所述的功率转换反馈控制电路，其中所述电流源电路包括： 
场效应晶体管，其包括栅极、源极及漏极；及 
比较器，其包括第一及第二输入以及比较器输出；且 
其中所述比较器的所述第一输入耦合到参考电压，所述比较器的所述第二输入耦合到所述场效应晶体管的所述源极，所述比较器输出耦合到所述场效应晶体管的所述栅极，且所述漏极耦合到所述负载。 
5.根据权利要求4所述的功率转换反馈控制电路，其中所述反馈控制电路直接连接到所述场效应晶体管的所述漏极或所述场效应晶体管的所述栅极。 
6.根据权利要求1所述的功率转换反馈控制电路，其中所述第二反馈电路进一步经配置以在于所述负载处检测到所述目标电压之后施加对所述命令电压的最终调整。 
7.根据权利要求1所述的功率转换反馈控制电路，其中所述第二反馈电路进一步经配置以在于所述负载处检测到所述目标电压之后以正常模式操作，包含执行包括以下各项的操作：将所述所检测电压与所述目标电压进行比较、调整所述命令电压及等待某一时间量以允许所述所检测电压在再次调整所述命令电压之前稳定。 
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