TW201644160A - 功率轉換器脈衝位移調變 - Google Patents

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Abstract

本發明與用於功率轉換器的控制方法有關，功率轉換器包括配置用以根據脈衝控制訊號從輸入電壓產生輸出電壓的切換功率級，脈衝控制訊號基於電壓誤差訊號控制切換功率級的切換，電壓誤差訊號是參考電壓以及輸出電壓之間的差異。該方法包括產生循環斜坡訊號，以及當循環斜坡訊號的斜坡與電壓誤差訊號交叉（相等）時藉由觸發脈衝控制訊號的脈衝來產生脈衝控制訊號，以控制脈衝位置。該控制方法提供了脈衝位移技術以控制電荷以及因此控制循環中的電感器電流。相對比於基於調整PWM控制訊號責任週期的補償的調變技術，標稱上未改變脈衝寬度的脈衝只在時間上被位移。

Description

功率轉換器脈衝位移調變
本發明與用於功率轉換器的脈衝位移調變技術有關，其不需補償以及實施脈衝位移調變技術的相對應功率轉換器。
切換DC-DC轉換器包括可切換的功率級，其中輸出電壓是根據切換訊號以及輸入電壓所產生。切換訊號是在將輸出電壓調整至參考電壓的數位控制電路中產生。在第1圖中示出了降壓轉換器。切換功率級11包括由高側場效電晶體（FET）12與低側FET 13構成的雙重開關、電感器14以及電容器15。在充電階段期間，藉由切換訊號打開高側FET 12、關閉低側FET 13以充電電容器15。在放電階段期間，高側FET 12被關閉且低側FET 13被打開以將平均電感器電流匹配至負載電流。
切換訊號被產生為如第2圖（a）中所示的脈衝寬度調變訊號，該脈衝寬度調變訊號具有由控制器16決定的責任週期。責任週期中的穩定狀態位移(即階梯函數)造成如第2圖（b）中所示的電感器電流上衝。責任週期中的單一週期位移(即脈衝)造成如第2圖（c）中所示的電感器電流中的一個階梯。脈衝寬度調變典型地需要由控制器16實施的補償。
在電壓模式控制中，控制器16典型地實施PID（比例、積分與微分）補償器，以經由計時輸入電壓的責任週期來調整有效（平均）輸入電壓。電壓模式控制是以與電壓誤差ve 成某比例地調整責任週期。責任週期以及因此有效輸入電壓，是由與電壓誤差（kp）成比例、與電壓誤差的積分（ki）成比例、以及與電壓誤差的導數成比例的部分所控制。
責任週期可從下述的控制律決定：
在電壓模式控制中，發電廠的轉換函數具有三個極點，一個在零點、一個是由於電感器、以及一個是由於電容器。每個極點導入90°相位移。展現少於180°相位移的任何系統是本質上穩定的，否則其需要被補償。補償器將零導入至相對應的極點，每個零將90°的相位移逆時鐘地導入至極點。明智地選擇kp、ki以及kd的值以確保穩定性以及適當的暫態反應。這需要設備參數知識作為電感器的電感或電容器的電容以及等效串聯電阻。因此，用於電壓模式控制的補償器需要被設計用於或被調整成設備參數的實際值以保證穩定的控制。實際值可不由使用者所知，或可由於組件老化而隨時間漂移。因此，它們需要被確定，這造成硬體的經常費用。
或者，可選擇本質上穩定的控制機制。只有一個極點的轉換函數是本質上穩定的、且因此不需要任何補償。
因此，所需要的是消除兩個極點的解決方案。使用根據獨立方法申請專利範圍的控制方法以及根據獨立裝置申請專利範圍的功率控制器來達成此解決方案。
本發明與用於功率轉換器的控制方法有關，功率轉換器包括配置用以根據脈衝控制訊號從輸入電壓產生輸出電壓的切換功率級，脈衝控制訊號控制切換功率級的切換取決於電壓誤差訊號，電壓誤差訊號為參考電壓以及輸出電壓之間的差異。該方法包括產生循環斜坡訊號，以及當循環斜坡訊號的斜坡與電壓誤差訊號交叉（相等）時，藉由觸發脈衝控制訊號的脈衝來產生脈衝控制訊號以控制脈衝位置。
在穩定狀態中，即當存在固定電壓誤差訊號時，由於斜坡訊號的循環性質，因此產生的脈衝控制訊號類似於固定頻率PWM訊號。
當在正方向發生電壓誤差訊號的位移時，相較於穩定狀態，具有負斜率的斜坡較早交叉。因此，相較於在穩定狀態中所觸發的脈衝，脈衝較早被觸發。因此，相對於穩定狀態脈衝，脈衝控制訊號類似於具有同相地向前位移的脈衝的固定頻率PWM訊號。隨著脈衝在時間上向前位移，在相對應循環中的電荷增加，以及因此電感器電流增加。
當在負方向中發生電壓誤差訊號的位移時，相較於穩定狀態，具有負斜率的斜坡較晚交叉。因此，相較於在穩定狀態中所觸發的的脈衝，脈衝較晚被觸發。因此，相對於穩定狀態脈衝，脈衝控制訊號類似於具有同相地向後位移的脈衝的固定頻率PWM訊號。隨著脈衝在時間上向後位移，在相對應循環中的電荷減少，以及因此電感器電流減少。
因此，控制方法提供了脈衝位移技術，以控制電荷以及因此循環中的電感器電流。相對比於基於補償(其調整PWM控制訊號的責任週期)的調變技術，標稱上未改變的脈衝寬度的脈衝只是在時間上被位移。
相較於穩定狀態，由於脈衝控制訊號的脈衝應該只被同相地向前或向後位移，但由於穩定性的原因不應被複製，觸發脈衝控制訊號的脈衝可包括，當斜坡先前已與電壓誤差訊號交叉時，循環斜坡訊號的斜坡被丟棄。否則，先前已與電壓誤差訊號交叉的斜坡可能會觸發另一個脈衝，例如如果在斜坡到達此位準之前，誤差電壓訊號回到穩定狀態位準，因此導致不想要的脈衝的複製。藉由丟棄先前已與電壓誤差訊號交叉的斜坡，可以保證電感器電流在已發生暫態之後回至其穩定狀態位準，因此提供了穩定的控制。
如已提及的，只具有一個極點的轉換函數是本質上穩定的，且因此不需要任何補償。因此，為了沒有補償，需要移除三個極點中的其中兩個。藉由將控制訊號，即誤差電壓訊號，分裂至兩條路徑，慢路徑(即積分路徑，以設定直接電流)以及用於暫態的快路徑，可在中至高頻率下有效地消除在零點的極點。因為對於高頻率，積分路徑的增益隨頻率減少，快路徑佔主要地位，因此消除了極點。
因此，可藉由使用電壓誤差訊號的慢積分路徑來決定脈衝控制訊號的標稱脈衝寬度，即用於連續導通模式（CCM）的脈衝寬度。方法可包括藉由積分穩定狀態電壓誤差訊號來決定脈衝控制訊號的脈衝的穩定狀態脈衝寬度。因此決定標稱脈衝寬度以給出電壓誤差的零積分。此積分過程對於雜訊不敏感，且提供在大範圍的值中的積分值以及設備參數。
可在產生脈衝控制訊號之前決定穩定狀態脈衝寬度。然後，可將脈衝控制訊號的標稱脈衝寬度(包括任何位移脈衝)設定成因此決定的穩定狀態脈衝寬度。
使用傳統的PWM控制，將脈衝寬度調變為電壓誤差的函數。電感器電流與偏離穩定狀態的脈衝寬度偏差的積分成比例。這是電感器極點的來源。它可由電流模式控制來消除。
或者，可藉由如上所述的脈衝位移技術來將電感器電流調整至電壓誤差。因此，根據電壓誤差訊號的快路徑決定脈衝控制訊號的脈衝位置以及根據電壓誤差訊號的慢積分路徑決定脈衝控制訊號的脈衝寬度提供了無補償的控制方法，除了固定頻率之外，其表現更像電流模式遲滯。不像電壓模式控制，其提供電壓誤差有限的反應。因此，此技術是強健且穩定的。
為了讓充分的電感器電流在循環中漸增，以補償電壓誤差中較大的暫態，可能需要將數個脈衝轉換至循環中。解決此問題的技術是循環斜坡訊號的多個斜坡的概念。
一般而言，可藉由產生多個具有相同斜率的時間位移電壓斜坡來產生循環斜坡訊號，其中在相同位準的兩個連續電壓斜坡之間消逝的時間是相同的。
特別地，可產生循環斜坡訊號，使得預定義數目的斜坡存在於循環斜坡訊號的穩定狀態循環內任何時間點中。穩定狀態循環被定義為在相同位準且被產生用於穩定狀態電壓誤差訊號的脈衝控制訊號的兩個連續脈衝之間消逝的時間。在任何瞬間存在了每個額外的斜坡，相較於單一斜坡的例子，可進一步增加或減少在相對應循環中的電荷。在循環中增加電荷導致電感器電流增加。
可以電感器漣波電流IR 的倍數增加方面來表現用於校正電壓偏差所需的最大電感器電流。從最大電感器電流Ishiftmax 以及漣波電流IR 的增加，可從Ishiftmax =IR N/2(1-d)（d≦½）或Ishiftmax =IR N（d≧½）來決定所需的斜坡數目N，其中d是脈衝控制訊號的負載比。
可藉由平均地調整所有斜坡的斜率來輕易地產生所需的斜坡數目。因此，產生循環斜坡訊號可包括調整循環斜坡訊號的所有斜坡的斜率，使得預定義的斜坡數目N存在於循環斜坡訊號的穩定狀態循環內的任何瞬間。
當已產生多個斜坡且發生負載暫態，導致電壓誤差訊號從其穩定狀態位準瞬時位移至某個較高位準時，在此瞬間，可交叉數個斜坡。為了能建起高電感器電流，數個脈衝需要被同相地位移向前，但脈衝需要連續地發生，即在時間軸上一個接一個。
當誤差電壓訊號與第一斜坡交叉時，脈衝控制訊號的脈衝被觸發。在此瞬間，當存在因此被觸發的脈衝時，另一個斜坡可被交叉。然後，需要將脈衝的持續時間延長其標稱脈衝寬度(例如穩定狀態脈衝寬度)。在此瞬間，當存在因此延長的脈衝時，再另一個斜坡可被交叉。然後，需要將經延長脈衝的持續時間再次延長標稱脈衝寬度(例如穩定脈衝寬度)。
因此，方法可包括延長由標稱脈衝寬度脈衝控制的脈衝的持續時間，而非在當存在脈衝控制訊號的脈衝時的瞬間，對於交叉電壓誤差訊號的循環斜坡訊號的每個額外斜坡而觸發脈衝控制訊號的脈衝。
如果電流有穩定狀態位移，則每個循環需要電荷的增加或減少。這將導致脈衝位置的穩定狀態位移。此穩定狀態或甚至半穩定狀態位移可被偵測，且脈衝寬度如上所述短暫地增加或減少以抵消位移。
也就是，例如，如果脈衝具有相對於其原本位置在時間上提前的穩定狀態位置，則可隨需要而將脈衝增加單一循環或甚至多個循環，以將穩定狀態脈衝位置恢復至其原本值。
因此，方法可進一步包括嘗試偵測電流的穩定狀態或半穩定狀態位移，並調整脈衝寬度以當已偵測到穩定狀態或半穩定狀態時抵銷源於穩定狀態或半穩定狀態位移的脈衝位移。
此外，可將功率轉換器操作於連續導通模式（CCM）或不連續導通模式。（CCM）意指在能量轉移電感器中的電流在切換循環之間永不變成零，雖然它可跨越從正變至負電流的零電流。在DCM中，電流變成零、並在切換循環的部分期間維持在零。
所描述的控制方法目前為止滿足了CCM。然而，其可藉由電荷模式控制的方法擴大至DCM，以進一步調整脈衝控制的標稱脈衝寬度。在電荷模式控制系統中，控制方法將每循環的電荷調整為電壓誤差的函數。相較於電壓模式控制，電荷模式控制降低了兩個系統等級。因此，只需要比例增益項目。電荷Q與電壓誤差ve 成比例，且比例常數為kp。電荷控制等式由下述給出：。
電荷Q與脈衝寬度的平方成比例：，其中K是常數。因此，。
因此，藉由改變脈衝控制訊號的脈衝寬度可增加或減少電荷，以至於脈衝寬度的平方取決於電壓誤差而改變。這是電荷控制的預測方法，因為在循環中將要被運送的電荷取決於電壓誤差以及脈衝寬度的平方。相對比於傳統的電荷模式控制(其中電荷在運送時被測量，且當所測量的電荷等於所需值時，脈衝會被終止)，藉由此預測方式，藉由系統參數以及程式化脈衝寬度預測了將要被運送的電荷。因此，不需要測量電荷，且除了由此預測方法所預測用以終止脈衝的事前決定之外，不需要做出關於終止脈衝的決定。
特別地，方法可包括改變脈衝控制訊號的脈衝寬度，使得可切換功率級的電容的所產生電荷Q由
給出，其中Vin 是輸入電壓，Vout 是輸出電壓，L是可切換功率級的電感，以及tp 是脈衝控制訊號的脈衝寬度。
當另外決定穩定脈衝寬度tss 時，方法可包括藉由將穩定脈衝寬度tss 增大額外的開啟時間（on-time）td 來改變脈衝控制訊號的脈衝寬度，使得可切換功率級的電容的額外電荷Qd 是由
給出。
在如第1圖中所示的降壓衍生轉換器中，主要影響是，當其從CCM改變成DCM時，其從一個控制律變成另一個控制律。在升壓以及降壓/升壓衍生系統中，在CCM中有DCM中不存在的右半平面零點。這使其更難以利用好的動態反應來穩定這些轉換器。
由於DCM調節因此典型地需要與CCM不同的補償，從不連續至連續導通模式的轉換需要補償的快速控制改變。由於上述提出的方法不需補償，其解除了此問題。
本發明更與包括切換功率級以及控制器的功率轉換器有關，切換功率級被配置用以從輸入電壓產生輸出電壓，控制器被配置用以根據電壓誤差訊號來產生用於切換該切換功率級的脈衝控制訊號。電壓誤差訊號是參考電壓以及輸出電壓之間的差異。控制器被配置用以產生循環斜坡訊號。控制器進一步被配置用以當循環斜坡訊號的斜坡與電壓誤差訊號交叉（相等）時，藉由觸發脈衝控制訊號的脈衝來產生脈衝控制訊號，進而控制脈衝位置。
11‧‧‧功率級
12‧‧‧高側場效電晶體（FET）
13‧‧‧低側FET
14‧‧‧電感器
15‧‧‧電容器
16、51‧‧‧控制器
52‧‧‧脈衝位置控制方塊
53‧‧‧脈衝寬度控制方塊
54‧‧‧脈衝產生器
55‧‧‧積分器
56‧‧‧斜坡產生器
57‧‧‧脈衝位置中和器
58‧‧‧DCM脈衝寬度控制方塊
59‧‧‧濾波器
510‧‧‧誤差放大器
71、72、73、74、75、76、81、82、83、84、85、86、91、92、93、94、95、96、101、102、103、104、105、106、111、112、113、114、115、116、117、118、121、122、123、124、125、126、127、128‧‧‧斜坡
77、78、79、710、711、712、713、714、87、88、89、810、811、812、97、98、99、910、911、912、913、107、108、109、1010、1011、1012、119、1110、1111、1112、1113、1114、1115、1116、1117、129、1210、1211、1212、1213、1214、1215、1216‧‧‧脈衝
DCM‧‧‧導通模式脈衝
IR‧‧‧漣波電流
PWM‧‧‧脈衝寬度調變
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vref‧‧‧參考電壓
將參照所附圖式，其中
第1圖示出了先前技術切換降壓轉換器；
第2圖示出了一圖式，其示出在先前技術電壓模式控制中操作的可切換功率級的電感器電流以及PWM切換訊號；
第3圖示出了一圖式，其示出以脈衝位移電荷控制的無補償方法操作的可切換功率級的電感器電流以及脈衝寬度調變（PWM）切換訊號；
第4圖示出了一圖式，其示出在CCM脈衝位移調變中操作的可切換功率級的電感器電流以及脈衝控制訊號；
第5圖示出了控制器的方塊圖，該控制器配置用以藉由CCM以及DCM脈衝位移調變產生脈衝控制訊號；
第6圖示出了一圖式，其示出穩定狀態脈衝位置調變的斜坡訊號；脈衝控制訊號以及電感器電流；
第7圖示出了一圖式，其示出單一斜坡脈衝位置調變的斜坡訊號；脈衝控制訊號以及電感器電流；
第8圖示出了一圖式，其示出兩個斜坡脈衝位置調變的斜坡訊號；脈衝控制訊號以及電感器電流；
第9圖示出了一圖式，其示出三個斜坡脈衝位置調變的斜坡訊號；脈衝控制訊號以及電感器電流；
第10圖示出了一圖式，其示出四個斜坡脈衝位置調變的斜坡訊號；脈衝控制訊號以及電感器電流；
第11圖示出了一圖式，其示出五個斜坡脈衝位置調變的斜坡訊號；脈衝控制訊號以及電感器電流；
第12圖示出了一圖式，其示出六個斜坡脈衝位置調變的斜坡訊號；脈衝控制訊號以及電感器電流；
第13圖示出了顯示負載暫態的電感器電流的圖式；
第14圖示出了顯示相較於關於數目斜坡的電感器電流的圖式；
第15圖示出了一圖式，其示出以DCM操作的可切換功率級的電感器電流以及脈衝控制訊號；以及
第16圖示出了一圖式，其示出在具有預定穩定狀態責任週期且以DCM操作的可切換功率級的電感器電流以及脈衝控制訊號。
如第1圖中所示的功率轉換器是以電荷控制的無補償方法操作。控制器16產生用於切換可切換功率級的PWM控制訊號，其中脈衝控制訊號被發送至高側FET 12，且控制訊號的補數(complement)被發送至低側FET 13。控制器16產生脈衝控制訊號，其類似於如第3圖（a）中所示針對穩定狀態的固定頻率PWM控制訊號。
當發生負載暫態時，控制器產生相較於穩定狀態脈衝31具有如第3圖（b）以及第3圖（c）中所示同相地位移的脈衝32、33且類似於固定頻率PWM控制訊號的脈衝控制訊號。垂直虛線指出了一個循環的界線。
為了增加循環中的電荷，控制器16提前了如第3圖（b）中所示的脈衝32。相較於指出在時間上向前位移的脈衝的電感器電流的實線，虛線指出了固定頻率控制訊號的電感器電流。
為了減少循環中的電荷，控制器16延遲了如第3圖（c）中所示的脈衝33。相較於指出在時間上向後位移的脈衝的電感器電流的實線，虛線指出了固定頻率控制訊號的電感器電流。由虛線以及實線劃界線的區域與循環中的電荷改變成比例。
第4圖示出了如第4圖（a）中所示的穩定狀態以及如第4圖（b）中所示的負載暫態之間的比較。具有穩定狀態脈衝寬度tss 的脈衝被提前了td ，以增加由垂直虛線指出的循環中的電荷。這導致了如下述等式中給出的電感器電流的增加：，其中Vout 是輸出電壓，且是電感器的電感。
在第5圖中示出了用於決定脈衝控制訊號的控制器51的方塊圖。脈衝控制訊號的每個脈衝是由其脈衝位置以及脈衝寬度所定義。脈衝位置控制方塊52決定脈衝位置，並將其傳遞至脈衝產生器54。脈衝寬度控制區塊53決定標稱脈衝寬度，並將其傳遞至脈衝產生器54。脈衝產生器54基於脈衝位置以及基於標稱脈衝寬度產生脈衝控制訊號。
由誤差放大器510產生的電壓誤差被處理以在包括濾波器59以及用於CCM的積分器55的慢控制路徑中決定穩定狀態脈衝寬度，且誤差放大器510產生的電壓誤差也在包括濾波器59以及用於DCM的DCM脈衝寬度控制方塊58的快控制路徑中被處理。
濾波器59將電壓誤差訊號Ve 劃分成穩定狀態部分Ve,ss 以及動態動態部分Ve,d ，穩定狀態部分Ve,ss 由積分器55積分以決定穩定狀態脈衝寬度tss ，動態部分Ve,d 由DCM脈衝寬度控制方塊58處理以產生額外的開啟時間td ，開啟時間td 被加至穩定狀態脈衝寬度tss 以決定DCM的總脈衝寬度。將電壓誤差訊號Ve 分成穩定部分Ve,ss 以及動態部分Ve,d 移除了在電壓模式控制的例子中會存在的零點的極點。由於穩定狀態脈衝寬度是由慢路徑設定，小的訊號控制變成簡單的線性控制。
脈衝位置控制方塊52連接至誤差放大器510的輸出以及斜坡產生器56，且脈衝位置控制方塊52處理電壓誤差訊號Ve 以決定關於第6圖至第14圖將進一步描述的脈衝位置。
第6圖與穩定狀態脈衝位置調變有關。第6圖（上方）示出了穩定電壓誤差Verr = Vss 以及循環斜坡訊號，其由斜坡產生器56（第5圖）產生、包括具有相同斜率的多個時間位移的電壓斜坡，其中在相同位準（例如穩定電壓誤差的位準）的兩個連續電壓斜坡之間消逝的時間是相同的。如垂直虛線所指出的，當循環斜坡訊號的斜坡與電壓誤差訊號交叉（相等）時，脈衝位置控制方塊52（第5圖）藉由觸發脈衝控制訊號的脈衝來確定如第6圖（中間）中所示的脈衝控制訊號的脈衝位置。脈衝控制訊號的標稱脈衝寬度是由積分器55（第5圖）所決定的穩定狀態脈衝寬度。第6圖（下方）示出了所產生的電感器電流，其為具有漣波的穩定狀態電流。
第7圖至第12圖與每個穩定狀態循環具有預定義斜坡數目的循環斜坡訊號的脈衝位移調變有關。第7圖至第12圖（上方）示出了穩定電壓誤差以及循環斜坡訊號。垂直虛線指出什麼時候如第7圖至第12圖（中間）所示的穩定狀態（虛線）脈衝會被觸發，且兩個連續垂直線代表（穩定狀態）循環的界線。第7圖至第12圖（上方）示出了負載暫態的（粗線的）電壓誤差訊號，且第7圖至第12圖（中間）示出了所產生的（實線的）脈衝控制訊號以及相比的（虛線的）穩定狀態脈衝控制訊號。第7圖至第12圖（下方）示出了相較於（虛線的）穩定狀態電感器電流，所產生的動態（實線的）電感器電流。
第7圖與每個穩定狀態循環具有一個斜坡的循環斜坡訊號的脈衝位移調變有關。斜坡71觸發脈衝77。斜坡72觸發脈衝78。然後在電壓誤差中發生了向上的位移。斜坡73觸發脈衝79。相較於其中斜坡73會觸發穩定狀態脈衝710的穩定狀態，可觀察到的是，穩定狀態脈衝710在時間上被向前位移至脈衝79的位置，因為相較於穩定狀態電壓誤差，斜坡73較早與電壓誤差交叉。電感器電流從穩定狀態電感器電流增加至動態電感器電流。相同的情況適用於穩定狀態脈衝712，穩定狀態脈衝712在時間上被向前位移至脈衝711的位置，因為相較於穩定狀態電壓誤差，斜坡74較早與電壓誤差交叉。然後在電壓誤差中發生向下的位移。當脈衝只在時間上位移時，如所能觀察到斜坡74以及斜坡75所劃界的循環，其允許電感器電流回到其穩定狀態位準。當電壓誤差回到其穩定狀態位準時，由斜坡75觸發的脈衝713以及由斜坡76觸發的脈衝714對應於它們的穩定狀態相應脈衝。
可觀察到的是，穩定狀態脈衝可在時間上被向前位移至前面的穩定狀態循環的第二半部。因此，每個循環具有單一斜坡的斜坡訊號允許額外的脈衝在循環的第二半部開始。電流的最大改變是+/-½*（1-d）*漣波電流，其中d是標稱負載比。
第8圖與每個穩定狀態循環具有兩個斜坡的循環斜坡訊號的脈衝位移調變有關。斜坡81觸發脈衝87。斜坡82觸發脈衝88。然而，在此瞬間，發生了在電壓誤差中的暫態，且斜坡83會在相同的瞬間觸發另一個脈衝。由於脈衝88已存在，脈衝88的持續時間僅被延長了標稱脈衝寬度，即穩定狀態脈衝寬度，而非在此瞬間觸發另一個脈衝。因此，所產生的脈衝88的脈衝寬度是穩定狀態脈衝寬度的兩倍。在脈衝89位置的穩定狀態脈衝（由於與脈衝89重疊而未示出）因此被向前位移至由斜坡82以及斜坡83劃界的穩定狀態循環的第一半部。斜坡84觸發脈衝89。在脈衝810位置的穩定狀態脈衝（由於與脈衝810重疊而未示出）因此被向前位移至脈衝89的位置。
然後，斜坡85觸發脈衝810。穩定脈衝811因此在時間上被向前位移至脈衝810的位置。然後誤差電壓回到其穩定狀態位準。即使斜坡85與誤差電壓再次於穩定狀態位準交叉，其不觸發另一個脈衝。當斜坡85已觸發脈衝(也就是脈衝810)時，從那時開始丟棄斜坡。否則其將在穩定脈衝811的位置觸發脈衝，這是不想要的，因為這將阻止電感器電流回到其穩定狀態位準。相較於如第7圖中所示的單一斜坡方法，可觀察到的是，所產生的動態電感器電流到達較高的位準。當電壓誤差的回復已回到其穩定狀態位準時，由斜坡86觸發的脈衝812相對應於其穩定狀態相應脈衝。
可觀察到的是，穩定狀態脈衝可在時間上被向前位移至前面穩定狀態循環的第一半部中。因此，每個循環具有兩個斜坡的斜坡訊號允許額外的脈衝在循環中的任何地方開始。電流的最大改變是+/-1/（1-d）*漣波電流，其中d是標稱負載比。
第9圖與每個穩定狀態循環具有三個斜坡的循環斜坡訊號的脈衝位移調變有關。斜坡91觸發脈衝97。斜坡92觸發脈衝98。然而，在此瞬間發生了在電壓誤差中的暫態，且斜坡93在相同的瞬間會觸發另一個脈衝。由於脈衝98已存在，脈衝98的持續時間僅被延長了標稱脈衝寬度，即穩定狀態脈衝寬度，而非在此瞬間觸發另一個脈衝。因此，所產生的脈衝98的脈衝寬度現在是穩定狀態脈衝寬度的兩倍。在當因此所延長的脈衝98仍存在的瞬間，斜坡94與電壓誤差交叉。所延長的脈衝98再次被延長，所以脈衝98的總脈衝寬度變成標稱脈衝寬度（即穩定狀態脈衝寬度）的三倍，而非在此瞬間觸發另一個脈衝。
因此，穩定脈衝99以及911已在時間上被向前位移以產生脈衝98，因此，進入由斜坡92以及斜坡93劃界的穩定循環中。因此，每個循環具有三個斜坡的斜坡訊號允許了在循環中任何地方的額外脈衝以及在循環第二半部中的額外脈衝。相較於示出兩個斜坡的情境的第8圖，電感器電流可到達甚至較高的位準。
斜坡95觸發了脈衝910，脈衝910對應於在時間上向前位移至脈衝910位置的穩定狀態脈衝912。然後誤差電壓回到其穩定狀態位準。即使斜坡95在穩定狀態位準再次與誤差電壓交叉，其不觸發另一個脈衝。當斜坡95已觸發脈衝(也就是脈衝910)時，從那時丟棄斜坡以保證控制方法的穩定性。當電壓誤差訊號已回到其穩定狀態位準時，由斜坡96觸發的脈衝913對應於其穩定狀態相應脈衝。
第10圖與每個穩定狀態循環具有四個斜坡的循環斜坡訊號的脈衝位移調變有關。斜坡101觸發脈衝107。斜坡102觸發脈衝108。然而，在此瞬間發生了在電壓誤差中的暫態，且斜坡103以及斜坡104每個在相同的瞬間會觸發另一個脈衝。由於脈衝108已存在，脈衝108的持續時間僅被延長了兩倍標稱脈衝寬度，即兩倍穩定狀態脈衝寬度，而非在此瞬間觸發兩個其他脈衝。因此，所產生的脈衝108的脈衝寬度現在是穩定狀態脈衝寬度的三倍。
在脈衝109以及脈衝110位置的穩定狀態脈衝（由於與脈衝109以及脈衝110重疊而未示出）因此被向前位移至脈衝108的位置，因此，進入由斜坡102以及103劃界的穩定循環中。因此，每個循環具有四個斜坡的斜坡訊號允許了在循環中任何地方的兩個額外脈衝。相較於示出三個斜坡的情境的第9圖，電感器電流可到達甚至較高的位準。
斜坡104觸發了脈衝109，脈衝109對應於在時間上向前位移至脈衝109位置的穩定狀態脈衝111。斜坡105觸發了脈衝109，脈衝109對應於在時間上向前位移至脈衝109位置的穩定狀態脈衝1011。斜坡106觸發了脈衝1010，脈衝1010對應於在時間上向前位移至脈衝1010位置的穩定狀態脈衝1012。然後誤差電壓訊號回到其穩定狀態位準。即使斜坡105在穩定狀態位準再次與誤差電壓訊號交叉，其不觸發另一個脈衝。當斜坡105先前已與電壓誤差訊號交叉以延長脈衝108的脈衝寬度時，從那時丟棄斜坡以保證控制方法的穩定性。即使斜坡106在穩定狀態位準再次與誤差電壓交叉，其不觸發另一個脈衝。當斜坡106已觸發脈衝(也就是脈衝1010)時，也從那時丟棄斜坡以保證控制方法的穩定性。
第11圖與每個穩定狀態循環具有五個斜坡的循環斜坡訊號的脈衝位移調變有關。斜坡111觸發脈衝119。斜坡112觸發脈衝1110。然而，在此瞬間發生了在電壓誤差中的暫態，且斜坡113以及斜坡114的每一個在相同的瞬間會觸發另一個脈衝。由於脈衝1110已存在，脈衝1110的持續時間僅被延長了兩倍標稱脈衝寬度，即兩倍穩定狀態脈衝寬度，而非在此瞬間觸發兩個其他脈衝。因此，所產生的脈衝1110的脈衝寬度現在是穩定狀態脈衝寬度的三倍。然而，在當因此延長的脈衝1110仍存在時的瞬間，斜坡114與電壓誤差訊號交叉。這導致脈衝1110的脈衝寬度的再一次延長了標稱脈衝寬度，即穩定脈衝寬度。最後，脈衝1110的脈衝寬度是穩定狀態脈衝寬度的四倍。
穩定狀態脈衝1111、穩定狀態脈衝1113以及穩定狀態脈衝1114因此被向前位移至脈衝1110的位置，因此，進入由斜坡112以及斜坡113劃界的穩定循環中。因此，每個循環具有五個斜坡的斜坡訊號允許了在循環中任何地方的兩個額外脈衝加上在循環第二半部中的額外脈衝。相較於示出四個斜坡的情境的第10圖，電感器電流可到達甚至較高的位準。
斜坡104觸發了脈衝109，脈衝109對應於在時間上向前位移至脈衝109位置的穩定狀態脈衝111。斜坡116觸發了脈衝1112，脈衝1112對應於在時間上向前位移至脈衝1112位置的穩定狀態脈衝1115。然後誤差電壓訊號回到其穩定狀態位準。即使斜坡115以及斜坡116在穩定狀態位準再次與誤差電壓訊號交叉，它們每個不觸發另一個脈衝。當斜坡115以及斜坡116先前已與電壓誤差訊號交叉時，從那時丟棄這些斜坡以保證控制方法的穩定性。當電壓誤差訊號已回至其穩定狀態位準時，由斜坡117觸發的脈衝1116以及由斜坡118觸發的脈衝1117對應於它們的穩定狀態相應脈衝。
第12圖與每個穩定狀態循環具有六個斜坡的循環斜坡訊號的脈衝位移調變有關。斜坡121觸發脈衝129。斜坡122觸發脈衝1210。然而，在此瞬間發生了在電壓誤差中的暫態，且斜坡123、斜坡124以及斜坡125的每一個在相同的瞬間會觸發另一個脈衝。由於脈衝1210已存在，脈衝1210的持續時間僅被延長了三倍標稱脈衝寬度，即三倍穩定狀態脈衝寬度，而非在此瞬間觸發三個其他脈衝。因此，所產生的脈衝1210的脈衝寬度現在是穩定狀態脈衝寬度的四倍。然而，在當因此延長的脈衝1210仍存在時的瞬間，斜坡126與電壓誤差訊號交叉。這導致脈衝1210的脈衝寬度再一次延長了標稱脈衝寬度，即穩定脈衝寬度。最後，脈衝1210的脈衝寬度是穩定狀態脈衝寬度的五倍。
穩定狀態脈衝1211，在脈衝1212位置的穩定狀態脈衝（因為其與脈衝1212重疊而未示出）以及穩定狀態脈衝1213以及穩定狀態脈衝1214因此被向前位移至脈衝1210的位置，因此，進入由斜坡122以及斜坡123劃界的穩定循環中。因此，每個循環具有六個斜坡的斜坡訊號允許了在循環中任何地方的三個額外脈衝。相較於示出五個斜坡的情境的第11圖，電感器電流可到達甚至較高的位準。
斜坡127觸發了脈衝1212，脈衝1212對應於在時間上向前位移至脈衝1212位置的穩定狀態脈衝1215。然後誤差電壓訊號回到其穩定狀態位準。即使斜坡125、斜坡126以及斜坡127在穩定狀態位準再次與誤差電壓訊號交叉，它們每個不觸發另一個脈衝。當斜坡125、斜坡126以及斜坡127先前已與電壓誤差訊號交叉時，從那時丟棄這些斜坡以保證控制方法的穩定性。當電壓誤差訊號已回至其穩定狀態位準時，由斜坡128觸發的脈衝1216對應於其穩定狀態相應脈衝。
當比較第6圖至第12圖中的斜坡斜率時，可觀察到的是，可藉由相應地減少斜率，來產生在穩定狀態循環內在任何瞬間增加數目的斜坡。
第13圖示出了對最小遲滯系統在最小時間中校正電壓偏差所需的最大電流，其由下述給出：
其中是供應電流。例如，如果輸入電壓是12伏特，且輸出電壓是1伏特，且漣波電流是最大負載（供應）電流的30％，則50％負載階將需要為漣波電流2.15倍的高峰電感器電流。
第14圖示出了可透過斜坡數目達成的電感器電流的比較，其中在字母S之後的整數指出了循環斜坡訊號的每個循環的斜坡數目。根據漣波電流IR 的倍數，由電感器電流從其穩定狀態位準的最大位移Ishiftmax ，達到校正電壓偏差所需的最大電感器電流所需的斜坡數目N可從Ishiftmax =IR N/2(1-d)（d≦½）或Ishiftmax =IR N（d≧½）來決定，其中d是脈衝控制訊號的負載比。
現在回到第5圖，可觀察到的是，控制器包括配置在脈衝位置控制方塊52以及脈衝寬度控制方塊53之間的脈衝位置中和器57。現在參見第4圖，可觀察到的是，在電壓誤差的穩定狀態位移導致每個脈衝的電流td 的穩定位移，其由給出。脈衝位置中和器57嘗試偵測電流的任何穩定狀態位移，並根據藉由增加穩定狀態脈衝寬度tss 來中和這些穩定狀態位移，其中k是常數。
如同已指出的，可在CCM或DCM中操作功率轉換器。CCM意指，在能量轉移電感器中的電流在切換循環之間實質上永不變成零，雖然其在從正過渡至負電流或從負至正電流時可能短暫地經過零。在DCM中，電流在切換循環的實質部分期間變成零。
第15圖以及第16圖與DCM脈衝寬度控制區的操作有關。在CCM中，標稱脈衝寬度是可隨時間慢慢調整的穩定脈衝寬度，以校正電流中的任何穩定狀態位移。在DCM中，脈衝寬度被動態地調整以增加或減少循環中的電荷。
作為電荷模式控制的預測方法，DCM脈衝寬度控制方塊58（第5圖）改變脈衝控制訊號的脈衝寬度，使得循環中所產生的電荷Q由
給出，其中在第14圖中示出了脈衝控制訊號的總脈衝寬度tp 相對於所產生的電感器電流。
由於積分器55（第5圖）決定了穩定脈衝寬度tss ，DCM脈衝寬度控制方塊58（第5圖）只需要決定如第16圖中由虛線脈衝指出的額外開啟時間td ，以增大穩定狀態脈衝寬度tss ，使得在循環中的額外電荷Qd 由
結果給出。
在第16圖中也示出了對於電感器電流的影響。可觀察到的是，在循環中的電荷增加至與由電感器電流的虛線以及實線所劃界的區域成比例的程度。
在DCM中，此方法減少了補償所另外需要的時間以及精力，因為不需要補償。因此，此方法特別改進了從DCM至CCM的轉換，並因此導致更強健的功率轉換器。
現在回去參照第5圖，控制器的基本結構可為完全地數位，需要連接至誤差放大器510的輸出的快速類比至數位轉換器。或者，可在只需要連接至誤差放大器510的輸出的慢類比至數位轉換器的混合訊號中實施基本結構。特別地，可類比實施脈衝位置控制方塊52以及DCM脈衝寬度控制方塊58。
然而，可任意地畫出類比/數位界線以最佳化性能、成本等等。
 
71、72、73、74、75、76‧‧‧斜坡
77、78、79、710、711、712、713、714‧‧‧脈衝

Claims (15)

  1. 一種用於一功率轉換器的控制方法，該功率轉換器包括一切換功率級，該切換功率級配置以根據一脈衝控制訊號而從一輸入電壓產生一輸出電壓，該脈衝控制訊號根據一電壓誤差訊號控制該切換功率級的一切換，該電壓誤差訊號是一參考電壓以及該輸出電壓之間的一差異，該方法包括：
    產生一循環斜坡訊號；
    當該循環斜坡訊號的一斜坡與該電壓誤差訊號交叉時，藉由觸發該脈衝控制訊號的一脈衝來產生該脈衝控制訊號，以控制一脈衝位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的控制方法，其中觸發該脈衝控制訊號的一脈衝包括當該斜坡先前已與該電壓誤差訊號交叉時，丟棄該循環斜坡訊號的一斜坡。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的控制方法，包括：
    藉由積分一穩定狀態電壓誤差訊號，而決定該脈衝控制訊號的一脈衝的一穩定狀態脈衝寬度。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的控制方法，其中決定該穩定脈衝寬度包括：
    在產生該脈衝控制訊號之前決定該穩定狀態脈衝寬度，以及
    將該脈衝控制訊號的一標稱脈衝寬度設定至該穩定狀態脈衝寬度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的控制方法，其中產生一循環斜坡訊號包括產生具有一相同斜率的多個時間位移的電壓斜坡，其中在相同位準的兩個連續電壓斜坡之間消逝的時間是相同的。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的控制方法，其中產生一循環斜坡訊號包括：
    產生該循環斜坡訊號，使得一預定義數目的斜坡存在於該循環斜坡訊號的一穩定狀態循環內的任何瞬間，其中該穩定狀態循環被定義為產生用於一穩定狀態電壓誤差訊號且在相同位準的該脈衝控制訊號的兩個連續脈衝之間消逝的時間。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的控制方法，其中產生該循環斜坡訊號包括：
    調整該循環斜坡訊號的所有斜坡的一斜率，使得該預定義數目的斜坡存在於該循環斜坡訊號的該穩定狀態循環內的任何瞬間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的控制方法，包括：
    將該脈衝控制訊號的一脈衝的持續時間延長一標稱脈衝寬度，而非在當存在該脈衝控制訊號的一脈衝時的一瞬間，針對與該電壓誤差訊號交叉的該循環斜坡訊號的每個額外斜坡觸發該脈衝控制訊號的一脈衝。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的控制方法，更包括：
    嘗試偵測電流的一穩定狀態或一半穩定狀態位移；以及
    當已偵測到一穩定狀態或半穩定狀態位移時，調整該標稱脈衝寬度以抵銷源自一穩定狀態或半穩定狀態位移的一脈衝位移。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的控制方法，更包括：
    改變該脈衝控制訊號的一脈衝寬度，以至於基於一電壓誤差，該脈衝寬度的一平方產出將要在一循環中被運送的一電荷，其中將要在一循環中被運送的該電荷是取決於該脈衝寬度的該平方以及該電壓誤差。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的控制方法，包括：
    改變該脈衝控制訊號的該脈衝寬度，使得一循環的一產生電荷Q由

    給出，
    其中Vin 是該輸入電壓，Vout 是該輸出電壓，L是該可切換功率級的一電感，以及tp 是該脈衝控制訊號的該脈衝寬度。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的控制方法，包括：
    藉由將一穩定狀態脈衝寬度tss 增大一額外的開啟時間td ，而改變該脈衝控制訊號的該脈衝寬度，使得當另外決定該穩定狀態脈衝寬度tss 時，一循環的一額外電荷Qd 是由

    給出。
  13. 一種功率轉換器，包括：
    一切換功率級，配置以從一輸入電壓產生一輸出電壓，以及
    一控制器，配置以產生一脈衝控制訊號，該脈衝控制訊號用於基於一電壓誤差訊號而切換該切換功率級，該電壓誤差訊號為一參考電壓以及該輸出電壓之間的一差異；
    其中該控制器被配置以產生一循環斜坡訊號，以及其中該控制器被配置以當該循環斜坡訊號的一斜坡等於該電壓誤差訊號時，藉由觸發該脈衝控制訊號的一脈衝來產生該脈衝控制訊號，以控制一脈衝位置。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的功率轉換器，其中該控制器包括：
    一濾波器，配置以將該電壓誤差訊號劃分成一穩定狀態部分以及一動態部分；
    一積分器，配置以積分該電壓誤差訊號的該穩定狀態部分，以決定一穩定狀態脈衝寬度；
    一不連續導通模式脈衝（DCM）寬度控制方塊，配置以利用一預測電荷模式控制來決定該脈衝的一額外的開啟時間；
    一脈衝寬度控制方塊，連接至該積分器以及該DCM脈衝寬度控制方塊，該脈衝寬度控制方塊配置以基於該穩定狀態脈衝寬度以及該額外的開啟時間來決定一脈衝寬度；
    一斜坡產生器，配置以產生該循環斜坡訊號；
    一脈衝位置控制方塊，配置以當該循環斜坡訊號的一斜坡等於該電壓誤差訊號時藉由觸發一脈衝來決定一脈衝位置；以及
    一脈衝產生器，連接至該脈衝寬度控制方塊以及該脈衝位置控制方塊，該脈衝產生器配置以基於該脈衝寬度以及該脈衝位置而產生該脈衝控制訊號。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的功率轉換器，其中該控制器更包括：
    一脈衝位置中和器，連接於該脈衝位置控制方塊以及該脈衝寬度控制方塊之間，並被配置以嘗試偵測電流的一穩定狀態或一半穩定狀態位移；以及該脈衝位置中和器被配置以當已偵測到一穩定狀態或半穩定狀態位移時，調整該標稱脈衝寬度以抵銷源自一穩定狀態或半穩定狀態位移的一脈衝位移。
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