TW201816536A - 具有預測脈寬調變器控制之功率轉換器 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示涉及用於功率轉換器之控制電路的各種方法及裝置。一種方法包含使用基於比較信號之控制信號來控制開關。該開關控制接收輸入的輸入節點與輸出節點之間的功率傳送。該方法包含量測該功率轉換器之輸出、基於該輸出產生誤差信號、產生具有變化週期之週期性斜坡信號、將該誤差信號提供至比較器之第一輸入端子、將該斜坡信號提供至該比較器之第二輸入端子，及使用該比較器基於該誤差信號及該斜坡信號產生該比較信號。該方法包含回應於該輸入中之增大而增大該斜坡信號之斜率，及回應於該變化週期中之減小而增大該斜坡信號之該斜率。

Description

具有預測脈寬調變器控制之功率轉換器
本申請案主張2016年10月26日申請之美國臨時申請案第62/413,005號之權益，該申請案以引用方式整體併入本文中。
電子裝置在僅藉由單個源供電時通常需要產生多個功率工作狀態。例如，膝上型電腦可能僅具有單個電池但可能需要產生具有用於膝上型電腦上之各種組件之不同供應電壓的功率工作狀態。此外，不考慮對多個功率工作狀態的需要，電子裝置通常需要限制自外部源輸送至該等電子裝置之功率。返回至膝上型電腦之實例，膝上型電腦處理器含有靈敏的電子元件，且基於處理器工作的努力程度展現廣泛變化的功率需求。簡單地插入幹線電壓源之DC版本並非一個選項，因為處理器將未經屏蔽以免受電源中之驟降或突波且電源將同樣不能夠與處理器所汲取的功率中之快速轉變保持同步。藉由功率轉換器解決前述要求。
功率轉換器需要快速調整以適應該等功率轉換器正在調節之負載之變化的功率需求。此特徵正變得日益重要，因為在現代電子裝置中保存功率的主要方式之一係使裝置在很長時間段內在低功率操作模式之間切換，該等時間段後續接著耗散大量功率之短暫週期性突發。功率轉換器可分類成稱為開關調節器及線性調節器之兩個大類。在任一種調節器之幾乎每個實行方案中，存在控制迴路，其監測輸出且調整在輸入與輸出之間流過調節器之功率量。控制迴路需要能夠感測輸出且足夠快地將資訊饋送回至調節器以防止經調節輸出在轉變期間的過衝或欠衝。可接受的過衝或欠衝之範圍及在轉變期間使輸出穩定所花費的時間由正在調節之裝置之容限設定。
在一種方法中，揭示一種用於控制功率轉換器之方法。該方法包含使用控制信號來控制開關。該開關控制該功率轉換器之輸入節點與該功率轉換器之輸出節點之間的功率傳送。該輸入節點接收輸入。該方法亦包含量測該功率轉換器之輸出、基於該輸出產生誤差信號、產生具有變化週期之週期性斜坡信號、將該誤差信號提供至比較器之第一輸入端子、將該斜坡信號提供至該比較器之第二輸入端子，及使用該比較器基於該誤差信號及該斜坡信號產生比較信號。該方法亦包含回應於該輸入中之增大而增大該斜坡信號之斜率，及回應於該變化週期中之減小而增大該斜坡信號之該斜率。該控制信號基於該比較信號。
在一種方法中，揭示一種用於控制功率轉換器之方法。該用於控制功率轉換器之方法包含使用控制信號來控制開關，該開關控制該功率轉換器之輸入節點與該功率轉換器之輸出節點之間的功率傳送。該輸入節點接收輸入。該方法亦包含量測該功率轉換器之輸出、基於該輸出產生誤差信號、產生斜坡信號、將該誤差信號提供至比較器之第一輸入端子、將該斜坡信號提供至該比較器之第二輸入端子，及使用該比較器基於該誤差信號及該斜坡信號產生比較信號。該方法亦包含回應於該輸入中之增大而增大該斜坡信號之斜率，及回應於該輸出中之減小而增大該斜坡信號之斜率。該控制信號係基於該比較信號。
在一種方法中，揭示一種功率轉換器。該功率轉換器包含接收輸入之輸入節點、提供輸出之輸出節點，及具有可變阻抗路徑之開關。該可變阻抗路徑由控制信號控制且控制自該輸入節點至該輸出節點的功率傳送。該功率轉換器亦包含耦接至該開關之驅動器電路、耦接至該輸出節點之感測電路、耦接至該感測電路及參考之誤差放大器，及產生具有斜率及變化週期之斜坡信號之週期性斜坡產生器電路。該功率轉換器亦包含比較器，該比較器具有：(i)比較器輸出，其可通信地耦接至該驅動器電路；(ii)第一比較器輸入，其可通信地耦接至該誤差放大器；及(iii)第二比較器輸入，其可通信地耦接至該週期性斜坡產生器電路。該功率轉換器亦包含：第一控制電路，其經組配來回應於該輸入中之增大而增大該斜坡信號之斜率；第二控制電路，其經組配來回應於該變化週期中之減小而增大該斜坡信號之斜率；及第三控制電路，其經組配來回應於該輸出中之減小而增大該斜坡信號之斜率。
功率轉換器通常包括回饋迴路以將該等功率轉換器之輸出維持在目標位準。例如，功率轉換器可自呈5伏電池之形式的電源接收功率，且將功率轉換成具有3.3伏目標位準之經調節供應以用於諸如微處理器之負載。功率轉換器將調整其自身，使得自電源汲取所需的功率位準以饋給功率轉換器之負載，同時功率轉換器之輸出上的電壓維持在給定位準。可給出用於提供處於目標電流位準之功率的功率轉換器之類似實例。監測功率轉換器之輸出的回饋迴路需要迅速地操作以回應於負載所汲取的功率量之快速改變而將經調節輸出維持在所要的目標值。在某些方法中，當功率轉換器正在操作時，功率轉換器之輸出將亦可調整，且回饋迴路將需要迅速地適應新的目標值。
功率轉換器之回饋迴路可藉由將控制信號提供至開關電路來影響自供應傳送至負載的功率量，該開關電路耦接在功率轉換器之輸入與功率轉換器之輸出之間。藉由調變開關閉合(與斷開相比)的給定週期中之時間量，回饋迴路將能夠匹配在輸入與輸出之間流過開關的功率量以保持負載調節在所要的範圍內。此等種類之功率轉換器可稱為開關轉換器或開關調節器。開關閉合的給定週期中之時間量稱為轉換器之工作循環。
開關調節器通常利用比較器來設定轉換器之工作循環。比較器用來比較週期性斜坡信號與稱為誤差信號之信號。誤差信號在功率轉換器之主回饋路徑上且含有關於功率轉換器之輸出與所要的目標輸出之關係的資訊。當誤差信號增大或減小時，誤差信號在任何給定週期中與斜坡信號相交的點將改變，藉此允許誤差信號與週期性斜坡信號及比較器相結合來設定功率轉換器之工作循環。
比較器在第一輸入接腳及第二輸入接腳上接收至少兩個輸入，且基於該等兩個輸入之比較在輸出接腳上輸出信號。當一個輸入與另一輸入相交時，輸出信號之極性將改變。在開關調節器中，比較器係回饋迴路之部分，且因此輸出信號改變的速率促成回饋迴路對功率轉換器之輸出中之改變作出回應所花費的總時間。
通常，當比較器電路正在比較的任一信號與比較器電路正在比較的另一信號相交時，比較器電路切換其輸出。理想的比較器將以相同方式切換其輸出，而不考慮兩個信號之共同模式。然而，在實際電路實行方案中，一個信號在其與另一信號相交時改變的快速程度以及交叉發生所在的相對點對比較器輸出切換的快速程度有影響。接收處於5 V電壓之供應、調節處於1 V之輸出且具有帶有100 mV斜坡之10 MHz開關週期的功率轉換器可用來說明此點。在此等條件下，功率轉換器可使用20%工作循環且因此將在上升20 mV (即，100mV斜坡之20%)之後切換。在此情形中用於比較器之合理實行方案可轉變大約10 ns。使用相同的外部條件，但將斜坡振幅增大至400 mV，轉換器將在80 mV處切換且斜坡將在其與誤差電壓相交的點處以快得多的速率增大。相同比較器在此情形中可轉變大約5 ns。另外，較大斜坡方法受到更好地保護以免受脈衝跳躍或半頻率操作。
返回至開關調節器之實例，斜坡在誤差電壓與斜坡電壓相交的點處之斜率受許多因素影響。然而，本文所揭示方法允許功率轉換器將斜坡之斜率及比較器之交叉點維持在目標位準以上，而不考慮此等因素之任何改變。可設計控制迴路，使得在使比較器之輸出改變的速度最大化方面，用於比較器之操作點與用於比較器之最佳範圍一致。有效地，可變更控制迴路之特性，使得允許關於所需的工作循環之資訊流過迴路，同時功率轉換器之操作點保持在其最佳範圍中。
可經設計來展現前述特徵的功率轉換器可包含各種拓撲。出於解釋性目的，圖1為功率轉換器100的方塊圖，該功率轉換器100具有接收輸入之輸入節點及提供輸出之輸出節點。在此實例中，特定輸入可概念化為藉由諸如電池、幹線電源或另一功率轉換器之電源提供的輸入電壓V輸入 ，而輸出可概念化為提供至諸如ASIC、微處理器、MEMS裝置或消耗功率的其它裝置之負載101的輸出電壓V輸出 。功率轉換器100包括控制功率轉換器之輸入與輸出之間的功率傳送的開關電路102。開關電路102由控制信號控制，該控制信號由回饋迴路產生。開關電路102耦接在功率轉換器之輸入節點與功率轉換器之輸出節點之間。
圖1之例示性拓撲可為降壓轉換器之拓撲，但本文中的教導更廣泛地適用於降壓轉換器、升壓轉換器、降壓-升壓轉換器、升壓-降壓轉換器，或基於變壓器之轉換器。另外，實例將輸入及輸出展示為電壓，但電流信號同樣可概念化為功率轉換器之經調節輸出及輸入。在圖1中，開關電路102耦接在輸入與輸出之間。開關電路可包含單獨的主動裝置，諸如場效電晶體(FET)、雙極型接面電晶體(BJT)、正-本-負(pin)二極體，或IGBT。開關電路可包括耦接在輸入與輸出之間的可變阻抗路徑。可變阻抗路徑之狀態可由回饋迴路設定。
根據本揭示案來設計的功率轉換器可包括回饋迴路。在圖1之實例中，功率轉換器100包括回饋迴路。功率轉換器100之回饋迴路包括感測電路103、誤差放大器104、比較器105及驅動器電路106。誤差放大器104接收參考電壓V參考 且基於V參考 與藉由感測電路103提供之電壓相比的相對值來產生誤差信號。誤差放大器可耦接至感測電路103及參考。感測電路103可如連接至V輸出 及接地的分壓器那樣簡單，並且輸入在V輸出 處耦接至功率轉換器之輸出節點。在其它實行方案中，連接至功率轉換器之輸出的感測電路可提供指示功率轉換器中之其他信號(諸如通過輸出濾波器之電流、通過開關電路之電流，或任何其他值)的信號，而V參考 經同等地調整以匹配該參數之目標值。
開關調節器之比較器可比較誤差電壓與斜坡電壓以設定功率轉換器之開關電路之工作循環。比較器輸出可被可通信地耦接至功率轉換器之驅動器電路。比較器亦可具有兩個輸入，其中第一比較器輸入可通信地耦接至誤差放大器且第二比較器輸入可通信地耦接至斜坡信號產生器。在功率轉換器100中，比較器105包括第一輸入及第二輸入且將輸出提供至驅動器電路106，該驅動器電路106繼而調變開關電路102閉合的時間。比較器105在一個輸入上接收誤差電壓且在第二輸入上接收斜坡產生器電路107之輸出。如所例示，斜坡產生器電路107可包括多個控制輸入。斜坡產生器電路107可為產生具有斜率及變化週期之斜坡信號的週期性斜坡信號產生器。斜坡之斜率亦可為可變的。
開關調節器之斜坡產生器可基於描述斜坡產生器之當前狀態的信號來調整該斜坡產生器之所產生斜坡之特性。在功率轉換器100中，斜坡產生器電路107可對將信號提供至此等控制輸入的三個不同控制電路108、109及110作出回應。控制電路可各自單獨地接收關於功率轉換器之狀態的資訊，且基於該資訊將控制信號提供至斜坡產生器。作為特定實例，控制電路108、109及110可分別接收關於功率轉換器100之輸入、功率轉換器100之輸出及斜坡信號之所要的週期之資訊。斜坡產生器電路107可以若干方式對三個不同控制電路作出回應。例如，斜坡產生器電路107可藉由變更週期性斜坡信號之斜率來作出回應。以下將更詳細地描述變更斜率的方式，但通常將變更斜率以將比較器之速度維持在目標位準。
與本文所揭示之功率轉換器一起使用的斜坡產生器可展現各種特徵。例如，斜坡產生器可由振盪器控制。振盪器之週期可用來設定斜坡信號之週期。斜坡信號可在其整個週期期間繼續上升，或斜坡信號本身可展現工作循環且僅在其整個週期之一小部分內上升。當功率轉換器處於操作中時，可調整斜坡信號之週期。同樣可調整斜坡信號之工作循環。斜坡可藉由無功被動組件回應於固定的電壓或電流信號產生。例如，斜坡可藉由正在充電的電容器回應於固定的電流產生。事前得知電容及電流量值將允許設計者設定斜坡之斜率。斜坡可藉由使電容器快速放電來返回至低電壓。或者，斜坡可藉由使含有斜坡信號之節點與充電電路斷開來返回至低位準。斜坡產生器可自控制電路中之至少一個接收控制信號。控制電路可藉由調整無功組件之大小或調整充電電流之量值來影響斜坡信號之斜率。例如，藉由電流充電的電容器可設定斜坡之斜率，且可改變電容器或電流以變更斜坡之斜率。控制電路可基於至比較器之輸入、比較器之輸出或斜坡信號本身之所要的週期中之至少兩者來調整斜率。
圖2例示具有開關電路201及輸出濾波器202之功率轉換器200，該輸出濾波器202經組配來允許功率轉換器200作為降壓或步降轉換器操作。功率轉換器200因此將能夠在輸出V輸出 處產生低於在輸入V輸入 處提供的輸入電壓的經調節電壓。輸入可為自諸如電池或幹線電源之電源接收的輸入電壓。輸出可為提供至具有可變功率需求之處理器或其他負載的經調節電壓。除功率轉換器200中之控制迴路限於電壓模式控制迴路之外，功率轉換器200之控制迴路類似於功率轉換器100之控制迴路。在功率轉換器200中，藉由誤差放大器104產生的誤差信號為誤差電壓。
功率轉換器200之開關電路201包括兩個n型FET 203及204以充當用於開關電路201之開關。然而，開關可兩者均為p型FET或可具有不同極性。FET包括閘極及回應於施加至該等閘極之控制信號的可變阻抗路徑。開關電路201耦接在功率轉換器之輸入節點與功率轉換器之輸出節點中間，因為FET 203提供用來將功率自功率轉換器之輸入傳送至功率轉換器之輸出的可變阻抗路徑。FET 203可稱為功率轉換器200之控制FET。FET 204可稱為功率轉換器200之同步整流器FET或同步FET。如所例示，FET 203及FET 204之閘極自驅動器電路205接收控制信號。可感測通過FET之電流或在任一FET兩端之電壓以將資訊提供至控制迴路。
輸出濾波器202包括電容器及電感器。此組合電路之作用將係在開關電路或負載正在改變其狀態時使V輸出 中之變化平滑化。在所例示之此特定功率轉換器中，藉由感測電路103感測輸出濾波器202之輸出。然而，在其他方法中，可以組合方式或以替代方式感測通過電容器之電感器的電流以將資訊提供至控制迴路。
驅動器電路205耦接至FET 203及FET 204，且將控制信號提供至FET以變更FET之源極與汲極之間的可變阻抗路徑之狀態。驅動器電路205繼而由比較器105之輸出控制。亦可將額外的控制信號施加至驅動器電路205，該等額外的控制信號諸如：防止兩個開關(FET 203及204)同時接通的遮沒信號，或在發生故障狀況時自動關閉兩個開關的三態信號。
圖3展示用於控制功率轉換器之一組方法的流程圖300。方法包括使用控制信號來控制開關之步驟301。開關控制功率轉換器之輸入節點與功率轉換器之輸出節點之間的功率傳送。輸入節點接收輸入。參考圖2，輸入可為在節點V輸入 上來自電源之電壓且開關可為FET 203。在此方法中，在步驟301中控制開關可包含將控制信號施加至閘極。控制信號可為在以下步驟305中產生的比較信號。參考圖2，控制信號可為自比較器105之輸出提供至驅動器電路205的信號。
流程圖300亦包括涉及經由功率轉換器之控制迴路傳送回資訊的一組步驟。此等步驟可產生在步驟301中利用的控制信號。該等步驟可包括如以下緊接著描述之步驟302至305。
在步驟302中，量測功率轉換器之輸出。參考圖2，此步驟可為藉由在V輸出 處偵測功率轉換器之輸出上之電壓的感測電路103執行的連續過程。或者，此步驟可涉及感測輸出電流，或經由量測與功率轉換器輸出相關的信號及其他電壓來間接地感測任一值。
在步驟303中，基於輸出產生誤差信號。參考圖2，此步驟可涉及誤差放大器104比較來自感測電路103之電壓信號與參考電壓V參考 。或者，此步驟可涉及評估關於功率轉換器之狀態之任何回饋信號。此評估可包括使用參考信號，諸如外部施加的參考信號或內部產生的參考電壓。參考電壓可藉由分壓器產生，並且功率轉換器之電源充當輸入。
在步驟304中，產生具有變化週期之週期性斜坡信號。參考圖2，此步驟可涉及斜坡產生器電路107產生斜坡信號，該斜坡信號具有可藉由諸如控制電路108、109及110之一個或多個控制電路增大或減小的週期。步驟304亦可包括使用振盪器產生振盪器信號。振盪器信號可具有可變振盪器頻率。可藉由改變可變振盪器之頻率來改變斜坡信號之週期。步驟304亦可包括使用振盪器信號對週期性斜坡信號之斜坡之開始進行定時。在某些方法中，斜坡將在振盪器信號之每一週期開始時自該斜坡之最小值增大。
在步驟305中，產生比較信號。可基於在步驟303中產生的誤差信號及在步驟304中產生的斜坡信號產生比較信號。比較器可在第一輸入端子上接收誤差信號且在第二輸入端子上接收斜坡信號。參考圖2，此步驟可涉及比較器105接收來自誤差放大器104之誤差信號及來自斜坡產生器電路107之斜坡信號。比較器105可基於該等兩個信號之比較產生比較信號。
以線性方式例示以上所描述之步驟301至305以便於描述比較器之控制迴路。然而，當迴路用來控制比較器時，可同時執行控制迴路中之每一步驟，因為經由負回饋連續地傳送資訊以在目標變化程度內調節比較器之輸出。
針對以上在步驟304中產生的斜坡信號之斜率之修改來繪製步驟306至309。因而，將此等步驟例示為與描述控制迴路之行為的步驟分開，因為該等步驟可在任何時間由控制器執行來修改控制迴路之瞬時行為。在步驟306中，控制電路增大或減小在步驟304中產生的斜坡信號之斜率。此步驟可藉由一個或多個控制電路進行。參考圖2，控制電路可包括控制電路108、109和110中之一或多個。控制電路可回應於變化信號而增大或減小斜坡信號之斜率。例如，控制電路可接收自功率轉換器外部的控制件施加的外部控制信號。作為另一實例，控制信號可感測功率轉換器內之單獨的電流或電壓以基於功率轉換器之狀態來調整斜坡信號之斜坡。
在步驟307中，偵測輸入中之改變。在步驟306中，可回應於該輸入而增大或減小斜坡之斜率。在某些方法中，步驟307及306之組合動作可涉及回應於輸入中之增大而增大斜坡信號之斜率或回應於輸入中之減小而減小斜坡信號之斜率。可選擇調整斜率之方向，以便保留功率轉換器之控制迴路中之比較器之切換點。參考圖2，比較器可為PWM比較器105。第一控制電路108可經組配來回應於輸入中之增大而增大斜坡信號之斜率且回應於輸入中之減小而減小斜坡信號之斜率。可經由可偵測輸入電流或電壓的類比感測電路來判定輸入之狀態。因而，至第一控制電路108之輸入可直接連接至節點V輸入 。然而，該輸入亦可連接至關於V輸入 之狀態之資訊的替代來源，諸如外部控制電路或與供應本身整合的監視器。感測電路可將感測信號轉換成數位信號以供變更斜坡的控制電路使用，或斜坡產生器可經組配來直接基於感測信號之類比形式來調整斜坡。
在步驟308中，偵測斜坡信號產生器之週期中之改變。在某些開關功率轉換器中，施加至功率開關的控制信號之工作循環在常規操作期間改變，且控制信號之頻率亦改變。頻率中之改變可藉由控制電路進行，該控制電路在主控制迴路外部或與控制迴路成一體。換言之，頻率中之改變可基於關於輸出之狀態的所收集資訊，或可基於某一其他資訊來源。在步驟306中，可回應於週期中之改變而增大或減小斜坡之斜率。
在某些方法中，步驟308及306之組合動作可涉及回應於週期中之減小而增大斜坡信號之斜率或回應於週期中之增大而減小斜坡信號之斜率。可選擇調整斜率之方向，以便保留功率轉換器之控制迴路中之比較器之切換點。參考圖2，比較器可為PWM比較器105。第二控制電路109可經組配來回應於週期中之減小而增大斜坡信號之斜率且回應於週期中之增大而減小斜坡信號之斜率。可經由可偵測斜坡之週期的類比感測電路或在使用振盪器電路來控制斜坡之週期的情況下經由振盪器電路來判定斜坡產生器信號之週期。亦可藉由來自控制電路之資訊間接地判定斜坡之週期，該控制電路主動地設定斜坡產生器電路之頻率。例如，藉由提供數位碼來設定斜坡產生器電路之頻率的數位控制電路可將相同數位碼提供至斜坡產生器電路，以便控制藉由斜坡產生器電路產生的斜坡之斜率。
在步驟309中，偵測功率轉換器之輸出中之改變。在某些開關功率轉換器中，功率轉換器之輸出可在常規操作期間設定成不同目標位準。此種形式的調整係對輸出之自然變化的補充，該自然變化基於功率轉換器調整其自身與負載所需要的功率中之改變之間的滯後。例如，功率轉換器可能需要在低溫條件下在3.5伏處調節負載且在室溫條件下在3.3伏處調節負載。因而，當溫度改變以匹配此等目標時，控制電路可變更功率轉換器之目標電壓。參考圖2，可進行此操作的方式之實例為，調整參考電壓V參考 。在步驟306中，可回應於輸出中之改變而增大或減小斜坡之斜率。
在某些方法中，步驟308及306之組合動作可涉及回應於輸出中之減小而增大斜坡信號之斜率或回應於輸出中之增大而減小斜坡信號之斜率。可選擇調整斜率之方向，以便保留功率轉換器之控制迴路中之比較器之切換點。參考圖2，比較器可為比較器105。第三控制電路110可經組配來回應於輸出中之減小而增大斜坡信號之斜率且回應於輸出中之增大而減小斜坡信號之斜率。可經由可偵測功率轉換器之輸出的類比感測電路來判定功率轉換器之輸出。或者，可藉由來自控制電路之資訊間接地判定功率轉換器之輸出，該控制電路主動地將功率轉換器之輸出設定成所要的位準。例如，藉由將數位碼提供至控制迴路之元件來設定功率轉換器之輸出的數位控制電路可將相同數位碼提供至斜坡產生器電路，以便控制藉由斜坡產生器電路產生的斜坡之斜率。
諸如功率轉換器100之功率轉換器可經組配來執行步驟307、308和309中之每一個。此等功率轉換器亦可經組配來在常規操作期間執行此等步驟中之兩個或兩個以上。可在功率轉換器正調節其輸出時或在組態模式期間進行該等步驟。步驟307、308及309中之一或多個可全部同時進行。在此等方法中，步驟306可涉及調解來自三個不同步驟之相互抗衡之改變。參考圖2，斜坡產生器電路107可包括將調解自控制電路108、109及110中之兩個或兩個以上接收到的相互抗衡之改變的邏輯控制、類比控制或兩者。控制電路可致使藉由斜坡產生器電路107產生的斜坡信號之斜坡與該等控制電路所操作的信號成比例地變化。比例因數可由設計者選擇。比例因數可嵌入控制電路中或斜坡產生器電路本身內。例如，用來設定斜坡產生器之上升時間的電容器可回應於來自控制電路108之輸入之加倍而在大小上加倍，但回應於來自控制電路109的輸入之減半而在大小上僅減小四分之一。用於每一控制電路與斜坡產生器之組合的比例因數可針對控制電路接收到的特定輸入加以調諧。
可調整斜坡信號之斜率以保留功率轉換器之控制迴路中的比較器之輸入之交叉點。在特定方法中，將調整斜坡信號之斜率以將誤差信號及斜坡信號之交叉點保持在某一最小值以上，以便為比較器提供充分的過激勵以滿足所要的速度約束，諸如在比較器供應電流小於12 uA之情況下超過300毫伏之交叉點，以滿足5奈秒之最小比較器輸出穩定時間。在其他方法中，增大及減小斜坡信號之斜率用來將誤差信號及斜坡信號之交叉點維持在目標交叉點之範圍內，而不管功率轉換器之輸出、功率轉換器之輸入及開關信號之變化週期中之變化。例如，斜坡之斜率之增大及減小可將交叉點保留在目標交叉點之100毫伏內，而不管在供應電流小於20 uA之情況下的輸出中之0.5-5 V變化、輸入中之3.3-24 V變化及週期中之500 kHz-8 MHz變化。
功率轉換器可最初在具有誤差信號VERR1 及工作循環D1 之第一靜止狀態中操作。在給定時間，當功率轉換器之輸入增大時，功率轉換器可經歷其狀態中之改變。因此，功率轉換器之工作循環將需要縮短，因為較大量的功率將在較大電壓供應的情況下於給定時間段中流過功率轉換器。然而，亦可增大斜坡信號之斜率，且當保留誤差信號及斜坡信號之交叉點時，可到達相同的工作循環點以用於功率轉換器正確地操作。
功率轉換器可最初在具有誤差信號VERR1 、工作循環D1 及週期T1 之第一靜止狀態中操作。開關週期可為與斜坡信號之週期相同的週期，且兩者均可等於T1 。在給定時間，當功率轉換器之開關週期自T1 增大至T2 時，功率轉換器可經歷其狀態中之改變。此將由例如轉換器之開關頻率中之增大引起。因此，功率轉換器之工作循環將需要保留，而不管週期中之減小。藉由控制迴路經由誤差信號中之減小來實行此調整。然而，若斜坡信號之斜率同時增大，則當保留誤差信號及斜坡信號之交叉點且斜坡之斜率增大時，可到達相同的工作循環點以用於功率轉換器正確地操作。
本文所揭示之方法亦可與功率轉換器之輸出中之變化結合使用。參考輸入電壓中之變化，一個差異在於：斜坡信號之斜率中之變化與所要求的同等改變之間的關係反轉。誤差信號中之偏移可由功率轉換器之目標輸出電壓中之減小而不是功率轉換器之輸入電壓中之增大引起。然而，除比例因數及其他因素中之改變以外，斜坡信號之斜率中之改變仍可保留比較器之交叉點，同時允許斜坡信號之斜率中之增大。另外，目標輸出電壓更可能為以下信號：對於該信號，數位碼可由功率轉換器利用，使得在某些方法中，當使用類比感測電路來監測輸入中之改變時，針對輸出中之改變來調整斜率可基於表示輸出中之改變的數位碼之施加。
功率轉換器可利用在先前段落中描述之一個、兩個或全部三個變化形式。在以組合方式使用兩個或三個變化形式之狀況下，一個操作點變數中之改變可抵銷另一操作點變數中之改變且保留斜坡斜率不變。例如，在斜坡斜率同時隨功率轉換器之輸入及輸出兩者變化的情形中，若輸入及輸出按比例增大，則斜坡斜率將保持不變。不同操作點變數之變化可組合來根據共用比例因數影響斜坡之斜率。例如，在藉由改變用於斜坡信號產生器電路中之電容器之充電電流來變更斜坡斜率的情形中，電流可為I充電 = K1 x V輸入 x f / V輸出 ，其中K1 為共用比例因數，V輸入 為至轉換器之輸入電壓，V輸出 為轉換器之輸出電壓，且f為轉換器之開關頻率。
以上所揭示之某些方法可與圖4中之功率轉換器400所例示的控制迴路架構結合使用。在功率轉換器400中，比較器105之輸出經回饋至斜坡信號產生器電路107。此回饋之目的係允許斜坡在比較器對於功率轉換器之給定開關循環已跳脫之後關斷。儘管展示直接連接，但可自控制迴路的更下游(諸如在驅動器電路205內部)回饋該信號。在某些方法中，將自鎖存器之輸出回饋該信號，該鎖存器用來在比較器信號跳脫之後閂鎖該比較器信號。鎖存器可在驅動器電路205中。在此等方法中，產生斜坡之步驟304可包括使用在步驟305中產生的比較信號對週期性信號之斜坡之結束進行定時。例如，當比較信號指示在斜坡信號與誤差信號之比較中已到達交叉點時，斜坡信號可返回至最小值而非繼續增大。因為斜坡信號在比較器切換時已有效地完成其目的，所以在一些方法中沒有理由繼續使斜坡信號成斜坡，且可關閉斜坡信號產生器電路以保留功率。
以上所揭示之某些方法可與圖5中之功率轉換器500所例示的控制迴路架構結合使用。圖5之功率轉換器包括振盪器501。振盪器501可具有可變週期且可用來設定藉由斜坡產生器電路107產生的斜坡信號之週期。斜坡信號之開始可藉由振盪器設定。在某些方法中，振盪器之週期之開始可致使斜坡信號開始自最小值上升。如同功率轉換器400一樣，圖5之斜坡產生器電路107包括至功率轉換器105之輸出的連接。因而，功率轉換器500中之斜坡信號之開始可藉由振盪器501設定，而斜坡信號之結束可藉由比較器105之輸出設定。
功率轉換器可包括控制電路以對數位碼作出回應且控制功率轉換器之輸出。以組合方式或以替代方式，功率轉換器可包括控制電路以對數位碼作出回應且控制功率轉換器之開關頻率。如所例示，功率轉換器500包括第四控制電路502及第五控制電路503。第四控制電路502對第一數位碼d1 作出回應且基於該數位碼來控制功率轉換器之開關頻率。數位碼d1 被提供至振盪器501且變更振盪器501之振盪頻率。數位碼d1 同樣被提供至第二控制電路109以引起對藉由如以上所描述之斜坡產生器電路107產生的斜坡信號之斜率之調整。第五控制電路503對第二數位碼d2 作出回應且基於該數位碼控制節點V輸出 上之目標輸出電壓。數位碼d2 被提供至第三控制電路110以引起對藉由如以上所描述之斜坡產生器電路107產生的斜坡之斜率之調整。
雖然已關於本發明之特定實施例詳細描述本說明書，但將瞭解，熟習此項技術者在獲得對先前內容之理解後，可容易地想像此等實施例之變更、變化及等效物。參考圖1、圖2、圖4及圖5所論述之所有電路可整合於單個單塊基板上，該單個單塊基板包括功率轉換器開關電路中之任何控制電路及功率FET所需要的邏輯。儘管本揭示案中之實例係針對向經調節工作狀態提供固定電壓的開關功率轉換器，但相同方法可適用於向經調節工作狀態提供固定電流的功率轉換器。儘管本揭示案中之實例係針對降壓組態中之開關功率轉換器，但類似方法可適用於升壓轉換器、降壓-升壓轉換器、升壓-降壓轉換器，或基於變壓器之轉換器。在所提供之實例中，可整體或部分地切換參考電壓、接地電壓及信號攜載電壓之極性以達成類似結果。例如，假如將額外的反相器增添至系統或假如整個系統切換，則可切換邏輯低及邏輯高。此外，儘管本揭示案中之實例係針對開關轉換器，但本文所揭示之方法適用於利用比較器且包括控制迴路的任何功率轉換器方案。在不脫離在所附申請專利範圍中更特定地闡述的本發明之範疇的情況下，對本發明之此等及其他修改及變化可由熟習此項技術者實踐。
100、200、400、500‧‧‧功率轉換器
101‧‧‧負載
102‧‧‧開關電路
103‧‧‧感測電路
104‧‧‧誤差放大器
105‧‧‧比較器
106、205‧‧‧驅動器電路
107‧‧‧斜坡產生器電路
108、109、110‧‧‧控制電路
201‧‧‧開關電路
202‧‧‧輸出濾波器
203、204‧‧‧n型FET
300‧‧‧流程圖
301、302、303、304、305、306、307、308、309‧‧‧步驟
501‧‧‧振盪器
502‧‧‧第四控制電路
503‧‧‧第五控制電路
D1‧‧‧工作循環
d1‧‧‧第一數位碼；數位碼
d2‧‧‧第二數位碼
f‧‧‧轉換器之開關頻率
T1、T2‧‧‧週期
VERR1‧‧‧誤差信號
K1‧‧‧共用比例因數
V輸入‧‧‧至轉換器之輸入電壓
V輸出‧‧‧轉換器之輸出電壓
V參考‧‧‧參考電壓
圖1為根據本文所揭示實施例之功率轉換器的方塊圖，該功率轉換器具有帶有可變斜率之斜坡信號產生器。
圖2為根據本文所揭示實施例之功率轉換器的方塊圖，該功率轉換器具有FET功率開關及帶有可變斜率之斜坡信號產生器。
圖3為根據本文所揭示實施例之用於控制功率轉換器之一組方法的流程圖。
圖4為根據本文所揭示實施例之功率轉換器的方塊圖，該功率轉換器具有FET功率開關及斜坡信號產生器，該斜坡信號產生器具有可變斜率且基於功率轉換器控制迴路比較器之輸出接收控制輸入。
圖5為根據本文所揭示實施例之功率轉換器的方塊圖，該功率轉換器具有FET功率開關、帶有可變斜率之斜坡信號產生器及具有可變週期之振盪器。

Claims (20)

  1. 一種用於控制一功率轉換器之方法，該方法包含： 使用一控制信號來控制一開關，其中該開關控制該功率轉換器之一輸入節點與該功率轉換器之一輸出節點之間的一功率傳送，且其中該輸入節點接收一輸入； 量測該功率轉換器之一輸出； 基於該輸出產生一誤差信號； 產生具有一變化週期之一週期性斜坡信號； 將該誤差信號提供至一比較器之一第一輸入端子； 將該斜坡信號提供至該比較器之一第二輸入端子； 使用該比較器基於該誤差信號及該斜坡信號產生一比較信號； 回應於該輸入中之一增大而增大該斜坡信號之一斜率；以及 回應於該變化週期中之一減小而增大該斜坡信號之該斜率； 其中該控制信號基於該比較信號。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包含： 回應於該輸出中之一減小而增大該斜坡信號之該斜率。
  3. 如請求項1之方法，其中： 該輸入為自一電源接收的一輸入電壓； 該輸出為提供至一負載的一經調節輸出電壓； 該誤差信號為一誤差電壓； 該開關為一控制場效電晶體，該控制場效電晶體具有一閘極及一可變阻抗路徑； 控制該開關包括將該控制信號施加至該閘極； 該輸出節點及該輸入節點經由該可變阻抗路徑耦接；且 該輸出節點耦接至該功率轉換器之一輸出濾波器。
  4. 如請求項1之方法，其中產生該週期性斜坡信號包含： 使用一振盪器產生一振盪器信號，其中該振盪器信號具有一可變振盪器頻率； 使用該振盪器信號對該週期性斜坡信號之一斜坡之一開始進行定時；以及 使用該比較信號對該週期性斜坡信號之該斜坡之一結束進行定時； 其中該變化週期藉由該可變振盪器頻率設定。
  5. 如請求項2之方法，其進一步包含： 回應於該輸入中之一減小而減小該斜坡信號之該斜率； 回應於該變化週期中之一增大而增大該斜坡信號之該斜率；以及 回應於該輸出中之一增大而減小該斜坡信號之該斜率； 其中該斜率之該減小及該斜率之該增大係根據在該輸入之情況下的一固定比例因數、在該變化週期之情況下的一第二固定比例因數及在該輸出之情況下的一第三固定比例因數來進行。
  6. 如請求項1之方法，其進一步包含： 使用一振盪器產生一振盪器信號，其中該振盪器信號具有一可變振盪器頻率； 使用該振盪器信號對該週期性斜坡信號之一斜坡之一開始進行定時；以及 使用一第一控制電路及一數位碼來變更該可變振盪器頻率； 其中回應於該變化週期中之一減小而對該斜坡信號之該斜率之該增大係使用一第二控制電路及該數位碼來進行。
  7. 如請求項2之方法，其進一步包含： 使用一第一控制電路及一數位碼來變更該輸出； 其中回應於該輸出中之一減小而對該斜坡信號之該斜率之該增大係使用一第二控制電路及該數位碼來進行。
  8. 如請求項5之方法，其中： 增大及減小該斜坡信號之該斜率用來將該誤差信號及該斜坡信號之一交叉點維持在300毫伏以上。
  9. 一種用於控制一功率轉換器之方法，該方法包含： 使用一控制信號來控制一開關，該開關控制該功率轉換器之一輸入節點與該功率轉換器之一輸出節點之間的一功率傳送，其中該輸入節點接收一輸入； 量測該功率轉換器之一輸出； 基於該輸出產生一誤差信號； 產生一斜坡信號； 將該誤差信號提供至一比較器之一第一輸入端子； 將該斜坡信號提供至該比較器之一第二輸入端子； 使用該比較器基於該誤差信號及該斜坡信號產生一比較信號； 回應於該輸入中之一增大而增大該斜坡信號之一斜率；以及 回應於該輸出中之一減小而增大該斜坡信號之該斜率； 其中該控制信號基於該比較信號。
  10. 如請求項9之方法，其進一步包含。 回應於該斜坡信號之一變化週期中之一減小而增大該斜坡信號之該斜率。
  11. 如請求項9之方法，其中： 該輸入為自一電源接收的一輸入電壓； 該輸出為提供至一負載的一經調節輸出電壓； 該誤差信號為一誤差電壓； 該開關為一控制場效電晶體，該控制場效電晶體具有一閘極及介於該輸入與該輸出之間的一可變阻抗路徑； 控制該開關包括將該控制信號施加至該閘極； 該輸出節點及該輸入節點藉由該可變阻抗路徑耦接在一起；且 該輸出節點耦接至該功率轉換器之一輸出濾波器。
  12. 如請求項10之方法，其中產生該週期性斜坡信號包含： 使用一振盪器產生一振盪器信號，其中該振盪器信號具有一可變振盪器頻率； 使用該振盪器信號對該週期性斜坡信號之一斜坡之一開始進行定時；以及 使用該比較信號對該週期性斜坡信號之該斜坡之一結束進行定時； 其中該變化週期藉由該可變振盪器頻率設定。
  13. 如請求項10之方法，其進一步包含： 回應於該輸入中之一減小而減小該斜坡信號之該斜率； 回應於該變化週期中之一增大而增大該斜坡信號之該斜率；以及 回應於該輸出中之一增大而減小該斜坡信號之該斜率； 其中該斜率之該減小及該斜率之該增大係根據在該輸入之情況下的一固定比例因數、在該變化週期之情況下的一第二固定比例因數及在該輸出之情況下的一第三固定比例因數來進行。
  14. 如請求項10之方法，其進一步包含： 使用一振盪器產生一振盪器信號，其中該振盪器信號具有一可變振盪器頻率； 使用該振盪器信號對該週期性斜坡信號之一斜坡之一開始進行定時；以及 使用一第一控制電路及一數位碼來變更該可變振盪器頻率； 其中回應於該變化週期中之一減小而對該斜坡信號之該斜率之該增大係使用一第二控制電路及該數位碼來進行。
  15. 如請求項9之方法，其進一步包含： 使用一第一控制電路及一數位碼來變更該輸出； 其中回應於該輸出中之一減小而對該斜坡信號之該斜率之該增大係使用一第二控制電路及該數位碼來進行。
  16. 如請求項5之方法，其中： 在該功率轉換器之一控制電路所消耗的電流小於20 uA的情況下且不管以下變化：(i)該輸出中之0.5-5 V變化；(ii)該輸入中之3.3-24 V變化；及(iii)該變化週期中之500 kHz-8 MHz變化，增大及減小該斜坡信號之該斜率用來將該誤差信號及該斜坡信號之一交叉點維持在一目標交叉點之100毫伏內。
  17. 一種功率轉換器，其包含： 一輸入節點，其接收一輸入； 一輸出節點，其提供一輸出； 一開關，其具有一可變阻抗路徑，其中該可變阻抗路徑藉由一控制信號控制且控制自該輸入節點至該輸出節點的一功率傳送； 一驅動器電路，其耦接至該開關； 一感測電路，其耦接至該輸出節點； 一誤差放大器，其耦接至該感測電路及一參考； 一週期性斜坡產生器電路，其產生具有一斜率及一變化週期之一斜坡信號； 一比較器，其具有：(i)一比較器輸出，該比較器輸出可通信地耦接至該驅動器電路；(ii)一第一比較器輸入，該第一比較器輸入可通信地耦接至該誤差放大器；及(iii)一第二比較器輸入，該第二比較器輸入可通信地耦接至該週期性斜坡產生器電路； 一第一控制電路，其經組配來回應於該輸入中之一增大而增大該斜坡信號之一斜率； 一第二控制電路，其經組配來回應於該變化週期中之一減小而增大該斜坡信號之該斜率；以及 一第三控制電路，其經組配來回應於該輸出中之一減小而增大該斜坡信號之該斜率。
  18. 如請求項17之功率轉換器，其進一步包含： 一輸出濾波器，其耦接至該輸出節點； 一第二開關，其耦接至該開關及一接地電壓； 其中該開關及該第二開關為場效電晶體； 其中該輸入為自一電源接收的一輸入電壓；且 其中該輸出為提供至一負載的一經調節輸出電壓。
  19. 如請求項18之功率轉換器： 一振盪器，其具有用以變化該振盪器之一振盪週期的一振盪器控制輸入； 其中該斜坡信號之一開始藉由該振盪器設定；且 其中該斜坡信號之一結束藉由該比較器設定。
  20. 如請求項18之功率轉換器： 一第四控制電路，其對一第一數位碼作出回應且控制該振盪器控制輸入；以及 一第五控制電路，其對一第二數位碼作出回應且控制該輸出節點上之該輸出； 其中該第二控制電路對該第一數位碼作出回應；且 其中該第三控制電路對該第二數位碼作出回應。
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