TWI543516B - 在一脈衝寬度調變系統中之相對效率測量 - Google Patents

在一脈衝寬度調變系統中之相對效率測量 Download PDF

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Description

在一脈衝寬度調變系統中之相對效率測量
本發明係關於脈衝寬度調變(PWM)系統，且更特定而言，係關於測量一類比PWM系統之相對效率及使用該所測量之效率來判定最佳操作參數、系統健康及PWM系統故障之可能性。
本申請案主張Scott Dearborn、Terry L.Cleveland及Clifford Ellison III之於2010年12月29日提出申請之標題為「Relative Efficiency Measurement in a Pulse Width Modulation System」之序號為61/427,856之共同擁有之美國臨時專利申請案之優先權，且出於所有目的特此將該美國臨時專利申請案以引用方式併入本文中。
正不斷地謀求改良電力/能量轉換系統之效率之方式。舉例而言，切換模式電力供應器(SMPS)應用。SMPS拓撲由於其高效率、小大小及輕重量而正獲得較廣泛接受。然而，隨著一SMPS之大小減小，源自此之熱耗散/消除變得更有問題。儘管一SMPS之典型效率可係90%，但仍存在SMPS所使用之10%之能量變成廢熱。另外，SMPS之高效率僅針對一單負載情形最佳化。然而，在現實世界應用中，用電負載在一廣泛範圍上變化，且彼等負載下之相關聯SMPS效率亦變化。因此，SMPS效率之任何進一步改良將產生除更節能以外之更小且更成本有效之解決方案。大小、重量及電力節省具有顯著價值。另外，期望判定一 SMPS系統之健康，調整最大效率之操作參數且能夠預測一潛在系統故障。
因此，存在對能夠在一較小、較簡單系統解決方案中改良效率之一電力/能量轉換切換模式電力供應器(SMPS)之一需求。此可係藉由對PWM控制信號求平均且週期性對該經平均PWM控制信號取樣來判定在所有負載情形下維持該SMPS系統之最大效率之該SMPS系統之相對效率及最佳實踐來達成。亦藉由在該SMPS系統操作期間知曉PWM控制信號平均值，可建立一基準以使得可判定且監視健康及潛在系統故障。
根據一實施例，一種切換模式電力供應器(SMPS)可包括：至少一個電力開關，其耦合至一電壓源；一電力電感器，其耦合至該至少一個電力開關；一濾波電容器，其耦合至提供該SMPS之一經調節輸出電壓之該電力電感器之一負載側；至少一個驅動器，其耦合至該至少一個電力開關；一脈衝寬度調變(PWM)產生器，其具有耦合至該至少一個驅動器且控制該至少一個驅動器之至少一個輸出，該PWM產生器之該至少一個輸出提供包括複數個脈衝之至少一個PWM信號；一數位處理器，其具有一記憶體，該數位處理器耦合至該PWM產生器且在該PWM產生器操作期間提供操作參數給該PWM產生器；一電壓比較電路，其用於比較經調節輸出電壓與一參考電壓，其中該電壓比較電路具有表示該經調節輸出電壓與該參考電壓之間的一差之一 誤差信號輸出；一比較器，其具有耦合至來自該電壓比較電路之該誤差信號輸出之一第一輸入、耦合至一斜坡信號之一第二輸入、及耦合至該PWM產生器之一輸入之一輸出；一PWM平均濾波器，其中該PWM平均濾波器接收該PWM信號且產生表示該PWM信號之一相對效率之一類比信號；及一類比轉數位轉換器(ADC)，其具有耦合至表示該PWM信號之該相對效率之該類比信號之一類比輸入，及耦合至具有一記憶體之該數位處理器之一數位輸出；其中該數位處理器藉由調整該PWM產生器之操作參數以提供產生該SMPS之一最高相對效率之該至少一個PWM信號而使該SMPS之操作最佳化。
根據一進一步實施例，最高相對效率係在表示該相對效率之該類比信號處於一最低值時。根據一進一步實施例，該斜坡信號可表示該電力電感器之電流值。根據一進一步實施例，該斜坡信號可表示一所產生之電壓斜坡。根據一進一步實施例，該數位處理器可將來自該ADC之該數位輸出之數位效率值儲存於該記憶體中。根據一進一步實施例，該數位處理器可使用該等所儲存之數位效率值來調整該PWM產生器之該等操作參數以提供產生該SMPS之最佳相對效率之該PWM信號。根據一進一步實施例，該PWM產生器之該等操作參數可選自由該至少一個電力開關之導通及關斷百分比、自該至少一個驅動器至該至少一個電力開關之驅動電流及每秒之PWM脈衝率(頻率)組成之群組中之任何一或多者。根據一進一步實施例，該至少一個電力 開關可係至少一個電力電晶體。根據一進一步實施例，該至少一個電力電晶體可係至少一個電力金屬氧化物半導體(MOS)場效電晶體(FET)。根據一進一步實施例，該PWM平均濾波器可耦合至該至少一個驅動器用於接收該PWM信號。根據一進一步實施例，該PWM平均濾波器可係一類比低通濾波器。根據一進一步實施例，該類比低通濾波器可係一電阻-電容低通濾波器。根據一進一步實施例，該SMPS可進一步包括耦合至該數位處理器之一通信介面。根據一進一步實施例，該數位處理器及記憶體可係一微控制器。
根據另一實施例，一種切換模式電力供應器(SMPS)可包括：一第一電力開關，其耦合至一電壓源；一第二電力開關，其耦合於該第一電力開關與一電壓源回線之間；一電力電感器，其耦合至該第一電力開關及該第二電力開關；一濾波電容器，其耦合至提供該SMPS之一經調節輸出電壓之該電力電感器之一負載側；一第一驅動器，其耦合至該第一電力開關；一第二驅動器，其耦合至該第二電力開關；一脈衝寬度調變(PWM)產生器，其具有分別耦合至該第一驅動器及該第二驅動器且控制該第一驅動器及該第二驅動器之第一輸出及第二輸出，該PWM產生器之該第一輸出及該第二輸出提供第一PWM信號及第二PWM信號，每一PWM信號包括複數個脈衝；一數位處理器，其具有一記憶體，該數位處理器耦合至該PWM產生器且在該PWM產生器操作期間提供操作參數給該PWM產生器；一電壓比較電路，其用於比較經調節輸出電壓與一參考電壓，其中該電壓比較電路具有表示該經調節輸出電壓與該參考電壓之間的一差之一誤差信號輸出；一比較器，其具有耦合至來自該電壓比較電路之該誤差信號輸出之一第一輸入、耦合至一斜坡信號之一第二輸入、及耦合至該PWM產生器之一輸入之一輸出；一第一PWM平均濾波器，該第一PWM平均濾波器接收該第一PWM信號且產生表示該第一PWM信號之一相對效率之一第一類比信號；及一類比轉數位轉換器(ADC)，其具有耦合至表示該第一PWM信號之該相對效率之該第一類比信號之一類比輸入，及耦合至具有一記憶體之該數位處理器之一數位輸出；其中該數位處理器藉由調整該PWM產生器之操作參數以提供產生該SMPS之一最高相對效率之該第一PWM信號及該第二PWM信號而使該SMPS之操作最佳化。
根據一進一步實施例，當表示該相對效率之該類比信號處於一最低值時可達到最高相對效率。根據一進一步實施例，該斜坡信號可表示該電力電感器之電流值。根據一進一步實施例，該斜坡信號可表示一所產生之電壓斜坡。根據一進一步實施例，該數位處理器可將來自該ADC之該數位輸出之數位效率值儲存於該記憶體中。根據一進一步實施例，該數位處理器可使用該等所儲存之數位效率值來調整該PWM產生器之該等操作參數以提供產生該SMPS之最佳相對效率之該PWM信號。根據一進一步實施例，該PWM產生器之該等操作參數可選自由該第一電力開關之導通及關斷百分比、該第二電力開關之導通及關斷百分比、自該第一驅動器至該第一電力開關之驅動電流、自該第二驅動器至該第二電力開關之驅動電流、該第一PWM信號與該第二PWM信號之導適時間之間的關斷時間，及每秒之PWM脈衝率(頻率)組成之群組中之任何一或多者。根據一進一步實施例，該SMPS可進一步包括一第二PWM平均濾波器，該第二PWM平均濾波器接收該第二PWM信號且產生表示該第二PWM信號之一相對效率之一第二類比信號，其中該第二類比信號耦合至該ADC之另一類比輸入。根據一進一步實施例，該第一電力開關及該第二電力開關可係電力電晶體。根據一進一步實施例，該等電力電晶體可係電力金屬氧化物半導體(MOS)場效電晶體(FET)。根據一進一步實施例，該第二PWM平均濾波器可耦合至該第二驅動器用於接收該第二PWM信號。根據一進一步實施例，該第一PWM平均濾波器可耦合至該第一驅動器用於接收該第一PWM信號。根據一進一步實施例，該第一PWM平均濾波器可係一類比低通濾波器。根據一進一步實施例，該類比低通濾波器可係一電阻-電容低通濾波器。根據一進一步實施例，該SMPS可進一步包括耦合至該數位處理器之一通信介面。根據一進一步實施例，該數位處理器及記憶體可係一微控制器。
根據又一實施例，一種用於使一切換模式電力供應器(SMPS)之效率最佳化之方法可包括以下步驟：藉助一PWM平均濾波器判定來自一PWM產生器之一PWM信號之導通脈衝之一平均值；藉助該PWM信號驅動一SMPS之一電力開關；及調整該PWM產生器之操作參數以使該PWM信號之該等導通脈衝之該平均值最小化且藉此增加該SMPS之效率。
根據該方法之一進一步實施例，該PWM產生器之該等操作參數可選自由該PWM信號之該等脈衝之百分比導通時間、至一電力開關之驅動電流及每秒之PWM脈衝率(頻率)組成之群組中之任何一或多者。
根據又一實施例，一種用於使一切換模式電力供應器(SMPS)控制器之效率最佳化之方法可包括以下步驟：藉助一第一PWM平均濾波器判定來自一PWM產生器之一第一PWM信號之導通脈衝之一平均值；藉助該第一PWM信號驅動一SMPS之一第一電力開關；藉助一第二PWM信號驅動該SMPS之一第二電力開關；及調整該PWM產生器之操作參數以使該第一PWM信號之該等導通脈衝之該平均值最小化且藉此增加一SMPS之效率。
根據該方法之一進一步實施例，該PWM產生器之該等操作參數可選自由該PWM信號之該等脈衝之百分比導通時間、至該一電力開關之驅動電流、至該第二電力開關之驅動電流、該第一電力開關與該第二電力開關之導通時間之間的關斷時間、及每秒之PWM脈衝率(頻率)組成之群組中之任何一或多者。根據該方法之一進一步實施例，該方法可進一步包括以下步驟：藉助一第二PWM平均濾波器判定來自該PWM產生器之該第二PWM信號之導通脈衝之一平均值；及調整該PWM產生器之操作參數以使該第二PWM信號之該等導通脈衝之該平均值最小化且藉此增加該SMPS之效率。
根據又一實施例，一種用於使一切換模式電力供應器(SMPS)之操作最佳化之方法可包括以下步驟：提供耦合至一電壓源之至少一個電力開關；提供耦合至該至少一個電力開關之一電力電感器；提供耦合至提供來自該SMPS之一經調節電壓之該電力電感器之一負載側之一濾波電容器；及提供一SMPS控制器，其中操作該SMPS控制器包括以下步驟：藉助一相關聯之至少一個驅動器驅動該至少一個電力開關，藉助來自一PWM產生器之一脈衝寬度調變(PWM)信號控制該至少一個驅動器，藉助一電壓比較電路比較來自該SMPS之該經調節電壓與一參考電壓，藉助該電壓比較電路產生表示該經調節電壓與該參考電壓之間的一差之一電壓誤差信號，將該電壓誤差信號耦合至該PWM產生器，藉助一PWM平均濾波器判定該PWM信號之導通脈衝之一平均值；及調整該PWM產生器之操作參數以使該PWM信號之該等導通脈衝之該平均值最小化且藉此增加該SMPS之效率。
根據該方法之一進一步實施例，該PWM產生器之該等操作參數選自由該PWM信號之該等脈衝之百分比導通時間、至該至少一個電力開關之驅動電流及每秒之PWM脈衝率(頻率)組成之群組中之任何一或多者。
根據又一實施例，一種用於使一切換模式電力供應器(SMPS)之操作最佳化之方法可包括以下步驟：提供耦合至一電壓源之一第一電力開關；提供耦合於該第一電力開關與一電壓源回線之間的一第二電力開關；提供耦合至該第一電力開關及該第二電力開關之一電力電感器；提供耦合至提供來自該SMPS之一經調節電壓之該電力電感器之一負載側之一濾波電容器；及提供一SMPS控制器，其中操作該SMPS控制器包括以下步驟：藉助一第一驅動器驅動該第一電力開關，藉助一第二驅動器驅動該第二電力開關，分別藉助來自一PWM產生器之第一脈衝寬度調變(PWM)信號及第二脈衝寬度調變(PWM)信號控制該第一驅動器及該第二驅動器，藉助一電壓比較電路比較來自該SMPS之該經調節電壓與一參考電壓，藉助該電壓比較電路產生表示該經調節電壓與該參考電壓之間的一差之一電壓誤差信號，將該電壓誤差信號耦合至該PWM產生器，藉助一第一PWM平均濾波器判定該第一PWM信號之導通脈衝之一平均值；及調整該PWM產生器之操作參數以使該第一PWM信號之該等導通脈衝之該平均值最小化且藉此增加該SMPS之效率。
根據該方法之一進一步實施例，該PWM產生器之該等操作參數可選自由該第一PWM信號及該第二PWM信號之該等脈衝之百分比導通時間、至該第一電力開關及該第二電力開關之驅動電流、該第一電力開關與該第二電力開關之導通時間之間的關斷時間及每秒之PWM脈衝率(頻率)組成之群組中之任何一或多者。根據該方法之一進一步實施例，該方法可進一步包括以下步驟：藉助一第二PWM平均濾波器判定來自該PWM產生器之該第二PWM信號之導通脈衝之一平均值；及調整該PWM產生器之操作參數以使該第二PWM信號之該等導通脈衝之該平均值最小化且藉此增加該SMPS之效率。
雖然本發明易於作出各種修改及替代形式，但在圖式中已顯示並在本文中詳細闡述其特定實例性實施例。然而，應理解，本文對特定實例性實施例之說明並非意欲將本發明限制於本文中所揭示之特定形式，而係相反，本發明欲涵蓋如由隨附申請專利範圍所界定之所有修改及等效內容。
可藉由結合隨附圖式參考以下說明獲得對本發明之揭示內容之更全面之理解。
一脈衝寬度調變(PWM)電力轉換系統已在一廣泛操作輸入電壓及負載範圍上改良效率。能夠測量一類比PWM系統之相對效率允許增強控制同時維持類比控制之益處。一類比低通濾波器產生PWM脈衝列之一平均值，然後藉助一類比轉數位轉換器將此類比平均值轉換成數位值並加以儲存以使得可針對操作參數之各種組合比較PWM電力轉換系統之相對效率。
根據本發明之教示內容，一低通(例如，電阻-電容(RC))濾波器可用於對一SMPS系統中所使用之PWM控制信號求平均。一類比轉數位轉換器(ADC)可將低通濾波器之類比輸出轉換成可以一數位格式儲存之數位值。可調整(例如，微調)PWM系統參數同時針對每一參數改變及/或其組合而檢查以數位方式儲存之相對效率值。效率參考點可經設定以便能夠識別SMPS系統組件潛在故障及可靠性問題。以下係為本發明所涵蓋且歸屬於本發明之範疇內：利用PWM控制之任何電力/能量轉換系統將受益於對PWM控制信號求平均用以在其操作及其操作參數之任何改變期間判定系統效率。
根據本發明之一特定實例性實施例，一切換模式電力供應器(SMPS)包括：至少一個電力開關，其耦合至一電壓源；一電力電感器，其耦合至該至少一個電力開關；一濾波電容器，其耦合至提供SMPS之一調節輸出電壓之該電力電感器之一負載側；至少一個驅動器，其耦合至該至少一個電力開關；一脈衝寬度調變(PWM)產生器，其具有耦合至該至少一個驅動器且控制該至少一個驅動器之至少一個輸出，該PWM產生器之該至少一個輸出提供包括複數個脈衝之至少一個PWM信號；一數位處理器，其具有一記憶體，該數位處理器耦合至該PWM產生器且在該PWM產生器操作期間提供操作參數給該PWM產生器；一電壓比較電路，其用於比較經調節之輸出電壓與一參考電壓，其中該電壓比較電路具有表示該經調節之輸出電壓與該參考電壓之間的一差之一誤差信號輸出；一比較器，其具有耦合至來自該電壓比較電路之該誤差信號輸出之一第一輸入、耦合至一斜坡信號之一第二輸入、及耦合至該PWM產生器之 一輸入之一輸出；一PWM平均濾波器，其中該PWM平均濾波器接收該PWM信號且產生表示其一相對效率之一類比信號；及一類比轉數位轉換器(ADC)，其具有耦合至表示該PWM信號之相對效率之類比信號之一類比輸入，及耦合至具有一記憶體之該數位處理器之一數位輸出；其中該數位處理器藉由調整該PWM產生器之操作參數以提供產生該SMPS之一最高相對效率之至少一個PWM信號而使該SMPS之操作最佳化。
根據本發明之另一特定實例性實施例，一切換模式電力供應器(SMPS)包括：一第一電力開關，其耦合至一電壓源；一第二電力開關，其耦合至一電壓源回線；一電力電感器，其耦合至該第一電力開關及該第二電力開關；一第一電容器，其耦合至提供該SMPS之一經調節輸出電壓之該電力電感器之一負載側；一第一驅動器，其耦合至該第一電力開關；一第二驅動器，其耦合至該第二電力開關；一脈衝寬度調變(PWM)產生器，其具有分別耦合至該第一驅動器及該第二驅動器且控制該第一驅動器及該第二驅動器之第一輸出及第二輸出，該PWM產生器之該第一輸出及該第二輸出提供第一PWM信號及第二PWM信號，每一PWM信號包括複數個脈衝；一數位處理器，其具有一記憶體，該數位處理器耦合至該PWM產生器且在該PWM產生器操作期間提供操作參數給該PWM產生器；一電壓比較電路，其用於比較該經調節輸出電壓與一參考電壓，其中該電壓比較電路具有表示該經調節輸出電壓與該參考電壓之間的一差之一誤差信號輸出；一比較器，其具有耦合至來自該電壓比較電路之該誤差信號輸出之一第一輸入、耦合至一斜坡信號之一第二輸入、及耦合至PWM產生器之一輸入之一輸出；一第一PWM平均濾波器，該第一PWM平均濾波器接收該第一PWM信號且產生表示其一相對效率之一第一類比信號；及一類比轉數位轉換器(ADC)，其具有耦合至表示該第一PWM信號之該相對效率之第一類比信號之一類比輸入，及耦合至具有一記憶體之該數位處理器之一數位輸出；其中該數位處理器藉由調整該PWM產生器之操作參數以提供產生該SMPS之一最高相對效率之該第一PWM信號及該第二PWM信號而使該SMPS之操作最佳化。
根據本發明之又一特定實例性實施例，一種用於使一切換模式電力供應器(SMPS)之效率最佳化之方法，該方法包括以下步驟：藉助一PWM平均濾波器判定一PWM信號之導通脈衝之一平均值；及調整一PWM產生器之操作參數以使PWM信號之導通脈衝之平均值最小化且藉此增加SMPS之效率。其中PWM產生器之操作參數選自由PWM信號之脈衝之百分比導通時間、至一電力開關之驅動電流及每秒之PWM脈衝率(頻率)組成之群組中之任何一或多者。
現在參考圖式，示意性圖解說明特定實例性實施例之細節。圖式中，相同之元件將由相同之編號表示，且類似的元件將由帶有一不同小寫字母後綴之相同編號表示。
在一般意義上，可將一電力轉換器定義為在一連續基礎上將一種形式之能量轉換成另一種形式之能量之一裝置。當此一電力系統正在執行其轉換功能時其內之任何能量儲存或損失通常與能量轉化之過程相同。存在諸多類型之可以不同程度之成本、可靠性、複雜性及效率提供此一功能之裝置。
用於電力轉換之機構可採取諸多基本形式，諸如性質上為機械、電或化學處理之彼等形式。本文將聚焦於採用一受限制組之組件(其包含電感器、電容器、變壓器、開關及電阻器)以電方式且以一動態方式執行能量轉化之電力轉換器。此等電路組件如何連接由所期望之電力轉化來判定。電阻器引入非期望之電力損失。由於高效率在大多數應用中通常係一最重要之要求，因此在一主電力控制路徑中應避免或最小化電阻式電路元件。僅偶爾且出於非常特定之原因才將電力消耗電阻引入至該主電力控制路徑中。在輔助電路(諸如，總系統之序列、監視及控制電子器件)中，高值電阻器係常見的，此乃因其損失貢獻通常不顯著。
參考圖1，其繪示一基本電壓調節器系統之一示意性方塊圖。一電力系統102(例如，一基本切換模式電力轉換器)，其中將一不受控制之電壓(或電流，或電力)源之一輸入應用至電力系統102之輸入，而期望將非常好地控制輸出處之電壓(或電流，或電力)。控制該輸出之基礎係比較其與某一形式之參考，且輸出與參考之間的任一偏差成為一誤差。在一回饋控制系統中，負回饋用以將此誤差減小至一可接受值，如按系統要求儘可能接近零。通常期望快速地減小誤差，但回饋控制所固有的係系統回應與系統穩定性之間的折衷。回饋網路之回應性越高，不穩定性之風險越大。
此時，應提及，存在另一種控制方法-前饋。藉助前饋控制，直接回應於一輸入變化或微擾而產生一控制信號。前饋不如回饋準確，此乃因不涉及輸出感測，然而，不存在等待產生一輸出誤差信號之延遲，且前饋控制不會導致不穩定性。應明確，前饋控制通常不足以作為一電壓調節器之唯一控制方法，而係其常常與回饋一起使用以改良一調節器對動態輸入變化之回應。
參考圖2，其繪示圖1中所示之電壓調節器系統之一更詳細示意性方塊圖。電力系統102已被分離成兩個塊：電力電路206及控制電路208。電力電路206處置電力系統負載電流且通常較大、穩健且經受寬廣溫度波動。電力系統102之切換功能根據定義係在大多數穩定性分析中通常模擬為具有一作用時間循環之恰好一雙態開關之大信號現象。輸出濾波器(未展示)亦被視為電力電路206之一部分，且可被視為一線性方塊。控制電路208將通常由一增益方塊、一誤差放大器及一脈衝寬度調變器構成，用以界定電力開關之作用時間循環。根據本發明之教示內容，控制電路208經最佳化以對電力系統102中之擾動作出回應同時維持一所期望輸出電壓VOUT。
參考圖3，其繪示根據本發明之一特定實例性實施例之經實施為一切換模式電力供應器(SMPS)之圖2中所示之電路之一示意圖。SMPS之電力電路206可接收來自一電源320(例如，電池)之電力，且可包括一電力電感器312、分別高開關316及低開關318(例如，電力場效電晶體)；用於平滑來自所期望直流電(DC)輸出之交流電(AC)紋波之一負載電容器310，及一啟動電壓電容器314。電力電路206連接至如圖4中所示且下文中更充分闡述之控制電路208且受其控制。
圖3中所示之SMPS可(舉例而言，但不限於)係一電壓模式或電流模式類比脈衝寬度調變(PWM)電壓轉換系統。使用一放大器322及一比較器324來調節一外部電壓迴路。PWM產生器與驅動器326之一輸出D係藉由依據所挑選之控制方法比較放大器322之輸出與電感器312斜坡電流或一所產生之斜坡電壓而調整。在任一情形中，PWM輸出(D)之值係SMPS系統效率之一相對度量。PWM輸出(D)平均值越高，效率越低(亦即，PWM輸出(D)導通時間增加且關斷時間減少)，且PWM輸出(D)越低，效率越高(亦即，PWM輸出(D)導通時間減少且關斷時間增加)。此反映於且有利於SMPS轉換器之切換頻率降低頻率(亦即，每秒較少切換轉變)，藉此電感器312以較少電力電晶體切換損失維持一所期望電流電荷。
舉例而言，與在300 kHz之一切換頻率下之14%之輸出D相比，若當輸出D處之值在600 kHz之一切換頻率下係15%時SMPS轉換器將一+12 VDC輸入逐步減少至一+1.2 VDC輸出，則SMPS系統效率已改良。可使用一類比低通濾波器(例如，電阻-電容濾波器)對PWM輸出D(HDR)求平均，然後(例如)藉助一類比轉數位轉換器(ADC)及一數位記憶體對其進行測量加以儲存。然後可藉助能夠針對不同操作參數組合判定相對系統效率之一數位處理器(例如，微控制器)而比較所儲存之平均效率值。可係有益且有利之其他系統位準調整可係(舉例而言，但不限於)上部開關316與下部開關318之導通時間之間的延遲時間，及至其閘極之驅動強度(當通過開關316及318之電流較低時不需要如此多電流驅動，與開關316及318(例如，電力FET)係斷開或飽和導通無關)。以下係為本發明所涵蓋且歸屬於本發明之範疇內：亦可使用一類比低通濾波器(例如，電阻-電容濾波器)來對PWM輸出(LDR)求平均，然後(例如)藉助類比轉數位轉換器(ADC)及數位記憶體對其進行測量並加以儲存。將導通時間作為PWM輸出D(HDR)與(LDR)兩者之百分比將進一步達成操作效率設定檔、最佳「空載時間(dead time)」等等。因此，可使用數位技術來以一簡單且成本有效之方式增強一類比控制系統。用於判定相對效率之全數位迴路控制將需要一較大數位電路大小及汲取電力，較慢暫態回應及較高靜態電流。
參考圖4，其繪示根據本發明之特定實例性實施例之圖2中所示之控制電路之一更詳細示意方塊圖。控制電路208連接至圖3中所示之電力電路206，且其包括具有記憶體之一數位處理器462(例如，微控制器)；藉由功能方塊464表示之具有空載邏輯之高及低開關驅動器；偏壓產生器、電 流及電壓參考電路466；欠電壓及過電壓偵測器456；一PWM產生器458；一過流偵測器454；一電壓比較電路452；一電力電感器電流測量電路450；一PWM輸出控制平均電路468、一類比轉數位轉換器(ADC)470以及(視情況)一通信介面460。
功能方塊464之高及低開關驅動器耦合至高開關316及低開關318且控制高開關316及低開關318何時導通及關斷。另外，功能方塊464之空載邏輯防止高開關316及低開關318始終同時導通，較佳地，存在高開關316及低開關318兩者皆斷開之一空載。PWM產生器458控制電力電感器312何時耦合至電源320及自該電源320充電多久。
啟動電壓電容器314供應電力至偏壓產生器、電流及電壓參考電路466，該電路又供應電流及電壓電路452、454及456所使用之精確電流及電壓參考值。電壓比較電路452測量輸出電壓且比較其與來自電壓參考電路466之一參考電壓VREF。將來自電壓比較電路452之表示一所期望電壓值與實際輸出電壓值之間的差之一誤差信號施加至PWM產生器458之一誤差輸入，其中PWM產生器458調整其脈衝波形輸出以使彼差最小化(閉合迴路回饋，參見圖1)。過電流偵測器454監視至電力電感器312之電流，且欠電壓及過電壓偵測器456針對非所期望(例如，不正常)狀況監視至SMPS之輸入電壓，例如，電感器電流超過允許之設計限制，輸入電壓高於或低於一設計操作輸入電壓範圍。電力電感器電流測量電路450測量SMPS電力電感器電流。以下係為本發明所涵蓋且歸屬於本發明之範疇內：可使用用於測量通過電力電感器312之電流之任一方法及/或電路，且熟習SMPS系統之設計且受益於本發明者將理解如何實施此一電流測量電路。Scott Dearborn之於2010年12月3日提出申請之序號為12/959,837之共同擁有之美國專利申請案中更充分闡述各種電感器電流測量電路，且出於所有目的以引用方式併入本文中。
平均濾波器468不斷地供應PWM控制信號之一平均值至ADC 470之一輸入。ADC 470將PWM控制信號之平均值轉換成由數位處理器462之記憶體週期性取樣且儲存於其中之數位值。自此等所儲存之平均值，例如，藉助在具有記憶體之數位處理器462中運行之一最佳化程式，針對用以在任一負載之輸入電壓下運行SMPS系統之操作參數之最有效組合，可作出一判定，例如，控制信號HDR及/或LDR之頻率導通及關斷時間，包含HDR與LDR控制信號之間的空載時間。
雖然已參考本發明之實例性實施例來繪示、闡述及界定本發明之實施例，但此等參考並不暗示對本發明之限制，且不應推斷出存在此限制。所揭示之標的物能夠在形式及功能上具有大量修改、替代及等效物，如熟習相關技術並受益於本發明者將想到。所繪示及所闡述之本發明之實施例僅作為實例，而並非窮盡本發明之範疇。
102．．．電力系統
206．．．電力電路
208．．．控制電路
310．．．負載電容器
312．．．電力電感器
314．．．啟動電壓電容器
316．．．高開關
318．．．低開關
320．．．電源
322．．．放大器
324．．．比較器
326．．．脈衝寬度調變產生器與驅動器
328．．．平均濾波器
330．．．相對效率儲存
450．．．電力電感器電流測量電路
452．．．電壓比較電路
454．．．過流偵測器
456．．．欠電壓及過電壓偵測器
458．．．脈衝寬度調變產生器
460．．．通信介面
462．．．具有記憶體之數位處理器
464．．．功能方塊
466．．．偏壓產生器、電流及電壓參考電路
468．．．脈衝寬度調變輸出控制平均電路
470．．．類比轉數位轉換器(ADC)
圖1圖解說明一基本電壓調節器系統之一示意性方塊圖；
圖2圖解說明圖1中所示之電壓調節器系統之一更詳細示意性方塊圖；
圖3圖解說明根據本發明之一特定實例性實施例之實施為一切換模式電力供應器(SMPS)之圖2中所示之電路之一示意圖；及
圖4圖解說明根據本發明之特定實例性實施例之圖2中所示之控制電路之一更詳細示意性方塊圖。
206．．．電力電路
310．．．負載電容器
312．．．電力電感器
314．．．啟動電壓電容器
316．．．高開關
318．．．低開關
320．．．電源
322．．．放大器
324．．．比較器
326．．．脈衝寬度調變產生器與驅動器
328．．．平均濾波器
330．．．相對效率儲存

Claims (40)

  1. 一種切換模式電力供應器，其包括：至少一個電力開關，其耦合至一電壓源；一電力電感器，其耦合至該至少一個電力開關；一濾波電容器，其耦合至提供該切換模式電力供應器之一經調節輸出電壓之該電力電感器之一負載側；至少一個驅動器，其耦合至該至少一個電力開關；一脈衝寬度調變產生器，其具有耦合至該至少一個驅動器且控制該至少一個驅動器之至少一個輸出，該脈衝寬度調變產生器之該至少一個輸出提供包括複數個脈衝之至少一個脈衝寬度調變信號；一數位處理器，其具有一記憶體，該數位處理器耦合至該脈衝寬度調變產生器且在該脈衝寬度調變產生器操作期間提供操作參數給該脈衝寬度調變產生器；一電壓比較電路，其用於比較經調節輸出電壓與一參考電壓，其中該電壓比較電路具有表示該經調節輸出電壓與該參考電壓之間的一差之一誤差信號輸出；一比較器，其具有耦合至來自該電壓比較電路之該誤差信號輸出之一第一輸入、耦合至一斜坡信號之一第二輸入、及耦合至該脈衝寬度調變產生器之一輸入之一輸出；一脈衝寬度調變平均濾波器，其中該脈衝寬度調變平均濾波器接收該脈衝寬度調變信號且產生表示該脈衝寬度調變信號之一相對效率之一類比信號；及 一類比轉數位轉換器，其具有耦合至表示該脈衝寬度調變信號之該相對效率之該類比信號之一類比輸入，及耦合至具有一記憶體之該數位處理器之一數位輸出；其中該數位處理器藉由調整該脈衝寬度調變產生器之操作參數以提供產生該切換模式電力供應器之一最高相對效率之該至少一個脈衝寬度調變信號而使該切換模式電力供應器之操作最佳化。
  2. 如請求項1之切換模式電力供應器，其中該最高相對效率係在表示該相對效率之該類比信號處於一最低值時。
  3. 如請求項1之切換模式電力供應器，其中該斜坡信號表示該電力電感器之電流值。
  4. 如請求項1之切換模式電力供應器，其中該斜坡信號表示一所產生之電壓斜坡。
  5. 如請求項1之切換模式電力供應器，其中該數位處理器將來自該類比轉數位轉換器之該數位輸出之數位效率值儲存於該記憶體中。
  6. 如請求項5之切換模式電力供應器，其中該數位處理器使用該等所儲存之數位效率值來調整該脈衝寬度調變產生器之該等操作參數以提供產生該切換模式電力供應器之最佳相對效率之該脈衝寬度調變信號。
  7. 如請求項1之切換模式電力供應器，其中該脈衝寬度調變產生器之該等操作參數選自由該至少一個電力開關之導通及關斷百分比、自該至少一個驅動器至該至少一個電力開關之驅動電流及每秒之脈衝寬度調變脈衝率(頻 率)組成之群組中之任何一或多者。
  8. 如請求項1之切換模式電力供應器，其中該至少一個電力開關係至少一個電力電晶體。
  9. 如請求項8之切換模式電力供應器，其中該至少一個電力電晶體係至少一個電力金屬氧化物半導體(MOS)場效電晶體(FET)。
  10. 如請求項1之切換模式電力供應器，其中該脈衝寬度調變平均濾波器耦合至該至少一個驅動器用於接收該脈衝寬度調變信號。
  11. 如請求項1之切換模式電力供應器，其中該脈衝寬度調變平均濾波器係一類比低通濾波器。
  12. 如請求項11之切換模式電力供應器，其中該類比低通濾波器係一電阻-電容低通濾波器。
  13. 如請求項1之切換模式電力供應器，其進一步包括耦合至該數位處理器之一通信介面。
  14. 如請求項1之切換模式電力供應器，其中該數位處理器及記憶體係一微控制器。
  15. 一種切換模式電力供應器，其包括：一第一電力開關，其耦合至一電壓源；一第二電力開關，其耦合於該第一電力開關與一電壓源回線之間；一電力電感器，其耦合至該第一電力開關及該第二電力開關；一濾波電容器，其耦合至提供該切換模式電力供應器 之一經調節輸出電壓之該電力電感器之一負載側；一第一驅動器，其耦合至該第一電力開關；一第二驅動器，其耦合至該第二電力開關；一脈衝寬度調變產生器，其具有分別耦合至該第一驅動器及該第二驅動器且控制該第一驅動器及該第二驅動器之第一輸出及第二輸出，該脈衝寬度調變產生器之該第一輸出及該第二輸出提供第一脈衝寬度調變信號及第二脈衝寬度調變信號，每一脈衝寬度調變信號包括複數個脈衝；一數位處理器，其具有一記憶體，該數位處理器耦合至該脈衝寬度調變產生器且在該脈衝寬度調變產生器操作期間提供操作參數給該脈衝寬度調變產生器；一電壓比較電路，其用於比較經調節輸出電壓與一參考電壓，其中該電壓比較電路具有表示該經調節輸出電壓與該參考電壓之間的一差之一誤差信號輸出；一比較器，其具有耦合至來自該電壓比較電路之該誤差信號輸出之一第一輸入、耦合至一斜坡信號之一第二輸入、及耦合至該脈衝寬度調變產生器之一輸入之一輸出；一第一脈衝寬度調變平均濾波器，該第一脈衝寬度調變平均濾波器接收該第一脈衝寬度調變信號且產生表示該第一脈衝寬度調變信號之一相對效率之一第一類比信號；及一類比轉數位轉換器，其具有耦合至表示該第一脈衝 寬度調變信號之該相對效率之該第一類比信號之一類比輸入，及耦合至具有一記憶體之該數位處理器之一數位輸出；其中該數位處理器藉由調整該脈衝寬度調變產生器之操作參數以提供產生該切換模式電力供應器之一最高相對效率之該第一脈衝寬度調變信號及該第二脈衝寬度調變信號而使該切換模式電力供應器之操作最佳化。
  16. 如請求項15之切換模式電力供應器，其中該最高相對效率係在表示該相對效率之該第一類比信號處於一最低值時。
  17. 如請求項15之切換模式電力供應器，其中該斜坡信號表示該電力電感器之電流值。
  18. 如請求項15之切換模式電力供應器，其中該斜坡信號表示一所產生之電壓斜坡。
  19. 如請求項15之切換模式電力供應器，其中該數位處理器將來自該類比轉數位轉換器之該數位輸出之數位效率值儲存於該記憶體中。
  20. 如請求項19之切換模式電力供應器，其中該數位處理器使用該等所儲存之數位效率值來調整該脈衝寬度調變產生器之該等操作參數以提供產生該切換模式電力供應器之最佳相對效率之該脈衝寬度調變信號。
  21. 如請求項15之切換模式電力供應器，其中該脈衝寬度調變產生器之該等操作參數選自由該第一電力開關之導通及關斷百分比、該第二電力開關之導通及關斷百分比、 自該第一驅動器至該第一電力開關之驅動電流、自該第二驅動器至該第二電力開關之驅動電流、該第一脈衝寬度調變信號與該第二脈衝寬度調變信號之導通時間之間的關斷時間，及每秒之脈衝寬度調變脈衝率(頻率)組成之群組中之任何一或多者。
  22. 如請求項15之切換模式電力供應器，其進一步包括一第二脈衝寬度調變平均濾波器，該第二脈衝寬度調變平均濾波器接收該第二脈衝寬度調變信號且產生表示該第二脈衝寬度調變信號之一相對效率之一第二類比信號，其中該第二類比信號耦合至該類比轉數位轉換器之另一類比輸入。
  23. 如請求項15之切換模式電力供應器，其中該第一電力開關及該第二電力開關係電力電晶體。
  24. 如請求項23之切換模式電力供應器，其中該等電力電晶體係電力金屬氧化物半導體場效電晶體。
  25. 如請求項22之切換模式電力供應器，其中該第二脈衝寬度調變平均濾波器耦合至該第二驅動器用於接收該第二脈衝寬度調變信號。
  26. 如請求項22之切換模式電力供應器，其中該第一脈衝寬度調變平均濾波器耦合至該第一驅動器用於接收該第一脈衝寬度調變信號。
  27. 如請求項15之切換模式電力供應器，其中該第一脈衝寬度調變平均濾波器係一類比低通濾波器。
  28. 如請求項27之切換模式電力供應器，其中該類比低通濾 波器係一電阻-電容低通濾波器。
  29. 如請求項15之切換模式電力供應器，其進一步包括耦合至該數位處理器之一通信介面。
  30. 如請求項15之切換模式電力供應器，其中該數位處理器及記憶體係一微控制器。
  31. 一種用於使一切換模式電力供應器之效率最佳化之方法，該方法包括以下步驟：藉由一脈衝寬度調變產生器產生一脈衝寬度調變信號及饋送作為控制信號的該脈衝寬度調變信號至該切換模式電力供應器的一開關電晶體；藉由低通濾波，來判定該脈衝寬度調變信號之多個導通脈衝之一平均值及藉由轉換經過低通濾波的該脈衝寬度調變信號為一數位信號；藉助該脈衝寬度調變信號驅動一切換模式電力供應器之一電力開關；及基於該數位信號以調整該脈衝寬度調變產生器之操作參數以使該脈衝寬度調變信號之該等導通脈衝之該平均值最小化且藉此增加該切換模式電力供應器之效率。
  32. 如請求項31之方法，其中該脈衝寬度調變產生器之該等操作參數選自由該脈衝寬度調變信號之該等脈衝之百分比導通時間、至一電力開關之驅動電流及每秒之脈衝寬度調變脈衝率(頻率)組成之群組中之任何一或多者。
  33. 如請求項31之方法，其中，該判定的步驟包括藉助一第一脈衝寬度調變 平均濾波器判定來自一脈衝寬度調變產生器之一第一脈衝寬度調變信號之多個導通脈衝之一平均值；其中，該驅動的步驟包括藉助該第一脈衝寬度調變信號驅動一切換模式電力供應器之一第一電力開關，及藉助一第二脈衝寬度調變信號驅動該切換模式電力供應器之一第二電力開關；及其中，該調整的步驟包括調整該脈衝寬度調變產生器之操作參數以使該第一脈衝寬度調變信號之該等導通脈衝之該平均值最小化且藉此增加一切換模式電力供應器之效率。
  34. 如請求項33之方法，其中該脈衝寬度調變產生器之該等操作參數選自由該脈衝寬度調變信號之該等脈衝之百分比導通時間、至該一電力開關之驅動電流、至該第二電力開關之驅動電流、該第一電力開關與該第二電力開關之導通時間之間的關斷時間、及每秒之脈衝寬度調變脈衝率(頻率)組成之群組中之任何一或多者。
  35. 如請求項33之方法，其進一步包括以下步驟：藉助一第二脈衝寬度調變平均濾波器判定來自該脈衝寬度調變產生器之該第二脈衝寬度調變信號之導通脈衝之一平均值；及調整該脈衝寬度調變產生器之操作參數以使該第二脈衝寬度調變信號之該等導通脈衝之該平均值最小化且藉此增加該切換模式電力供應器之效率。
  36. 一種用於使一切換模式電力供應器之操作最佳化之方 法，該方法包括以下步驟：提供耦合至一電壓源之至少一個電力開關；提供耦合至該至少一個電力開關之一電力電感器；提供耦合至提供來自該切換模式電力供應器之一經調節電壓之該電力電感器之一負載側之一濾波電容器；及提供一切換模式電力供應器控制器，其中操作該切換模式電力供應器控制器包括以下步驟：藉助一相關聯之至少一個驅動器驅動該至少一個電力開關，藉助來自一脈衝寬度調變產生器之一脈衝寬度調變信號來控制該至少一個驅動器，藉助一電壓比較電路比較來自該切換模式電力供應器之該經調節電壓與一參考電壓，藉助該電壓比較電路產生表示該經調節電壓與該參考電壓之間的一差之一電壓誤差信號，將該電壓誤差信號耦合至該脈衝寬度調變產生器，藉助一低通濾波器低通濾波該脈衝寬度調變信號以及轉換經過低通濾波的該脈衝寬度調變信號為一數位信號；及基於該數位信號調整該脈衝寬度調變產生器之操作參數以使該脈衝寬度調變信號之多個導通脈衝之一平均值最小化且藉此增加該切換模式電力供應器之效率。
  37. 如請求項36之方法，其中該脈衝寬度調變產生器之該等 操作參數選自由該脈衝寬度調變信號之多個脈衝之百分比導通時間、至該至少一個電力開關之驅動電流及每秒之脈衝寬度調變脈衝率(頻率)組成之群組中之任何一或多者。
  38. 一種用於使一切換模式電力供應器之操作最佳化之方法，該方法包括以下步驟：提供耦合至一電壓源之一第一電力開關；提供耦合於該第一電力開關與一電壓源回線之間的一第二電力開關；提供耦合至該第一電力開關及該第二電力開關之一電力電感器；提供耦合至提供來自該切換模式電力供應器之一經調節電壓之該電力電感器之一負載側之一濾波電容器；及提供一切換模式電力供應器控制器，其中操作該切換模式電力供應器控制器包括以下步驟：藉助一第一驅動器驅動該第一電力開關，藉助一第二驅動器驅動該第二電力開關，分別藉助來自一脈衝寬度調變產生器之第一脈衝寬度調變信號及第二脈衝寬度調變信號控制該第一驅動器及該第二驅動器，藉助一電壓比較電路比較來自該切換模式電力供應器之該經調節電壓與一參考電壓，藉助該電壓比較電路產生表示該經調節電壓與該參考電壓之間的一差之一電壓誤差信號， 將該電壓誤差信號耦合至該脈衝寬度調變產生器，藉助一第一低通濾波器低通濾波該第一脈衝寬度調變信號以及轉換經過低通濾波的該第一脈衝寬度調變信號為一第一數位信號；及基於該第一數位信號以調整該脈衝寬度調變產生器之操作參數以使該第一脈衝寬度調變信號之多個導通脈衝之一平均值最小化且藉此增加該切換模式電力供應器之效率。
  39. 如請求項38之方法，其中該脈衝寬度調變產生器之該等操作參數選自由該第一脈衝寬度調變信號及該第二脈衝寬度調變信號之多個脈衝之百分比導通時間、至該第一電力開關及該第二電力開關之驅動電流、該第一電力開關與該第二電力開關之導通時間之間的關斷時間及每秒之脈衝寬度調變脈衝率(頻率)組成之群組中之任何一或多者。
  40. 如請求項38之方法，其進一步包括以下步驟：藉助一第二低通濾波器來低通濾波來自該脈衝寬度調變器的該第二脈衝寬度調變信號以及轉換經過低通濾波的該第二脈衝寬度調變信號為一第二數位信號；及基於該第二數位信號以調整該脈衝寬度調變產生器之操作參數以使該第二脈衝寬度調變信號之該等導通脈衝之該平均值最小化且藉此增加該切換模式電力供應器之效率。
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