用于具有可變輸出電壓范圍的電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及用于具有可變輸出電壓范圍的電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)控制器。更為具體地，本實用新型涉及在保持用于防止連續(xù)模式接通時間下降到連續(xù)模式最小接通時間以下的占空比的同時降低切換工作頻率。
【背景技術(shù)】
[0002]本章節(jié)中的陳述僅提供與本實用新型相關(guān)的背景信息，并且可以不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。
[0003]對于降壓型轉(zhuǎn)換器和任何變型，例如，正向轉(zhuǎn)換器或橋式轉(zhuǎn)換器，在處于連續(xù)的電感電流模式下時，工作占空比(D)被定義為:
[0004]D = Vout^Vin(I)
[0005]其中，V—為轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，V ^為轉(zhuǎn)換器的輸入電壓。
[0006]對于需要在能夠微調(diào)的輸出電壓范圍內(nèi)工作的電源轉(zhuǎn)換器，當(dāng)輸出電壓被設(shè)置成相對于額定輸出為非常低時，工作占空比變得非常小。
[0007]—些電流源應(yīng)用需要相比額定值而言低很多的電流設(shè)置，或者有時負(fù)載阻抗是異常低的。這些情況也促使輸出電壓為低。
[0008]在操作中，電源轉(zhuǎn)換器具有最小可控工作接通時間。該最小工作接通時間受控制器的脈沖寬度調(diào)制器(pulse width modulator, PffM)的分辨率的影響。然而，已知的數(shù)字控制器具有低至幾百皮秒的級別的PWM分辨率，因此對于大部分應(yīng)用而言，這將不會成為設(shè)計限制。當(dāng)然，對模擬控制而言，PWM分辨率不是問題。
[0009]然而，外部因素，例如電路、緩沖器、驅(qū)動器中的傳播延時以及在功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, M0SFET)中的接通和關(guān)斷延時，確實會創(chuàng)建在電源轉(zhuǎn)換器被迫進(jìn)入突發(fā)模式前的最小可控接通時間。在現(xiàn)有的控制方案中，一旦達(dá)到最小接通時間且失去了可靠的操作控制，則使用能量均衡。通常能量均衡包括:通過以比實際所需的占空比大的占空比進(jìn)行操作來供應(yīng)過量的能量、接著關(guān)閉轉(zhuǎn)換器以傳送期望的平均有效功率。在能量均衡期間，控制回路可以是極度緩慢的，并伴隨有具有過度脈動的轉(zhuǎn)換器輸出。對于很多應(yīng)用而言，緩慢的控制回路響應(yīng)和過度的脈動輸出是不可接受的。一些要求較快的控制回路響應(yīng)和小的脈動的示例包括磁驅(qū)動器和超磁體，其中，對于四象限運算，從正極性到負(fù)極性，電流必須平滑地通過零點。另一示例是要求輸出電壓和輸出電流從近零值到預(yù)定最大值之間可調(diào)的實驗室儀表或臺式電源。現(xiàn)有技術(shù)通過以低切換頻率工作來滿足這些需求，導(dǎo)致龐大的電源設(shè)計或以低的電源轉(zhuǎn)換效率為代價而使用線性控制器。再一示例是在用于計算和其它應(yīng)用的電壓調(diào)節(jié)模塊(voltage regulator module, VRM)中使用的大電流多相降壓型轉(zhuǎn)換器。當(dāng)針對給定的負(fù)載電流降低輸出電壓時，VRM通常在效率上具有顯著的降低。為每一所需的輸出設(shè)計單獨的VRM以避免效率降低是可行的。然而，VRM已經(jīng)變成商品，并且可配置性是非常重要的，用以通過允許較少的庫存單位(stock keeping unit, SKU)來保持低的制作成本。因此，發(fā)明人意識到，需要保持連續(xù)模式，并防止轉(zhuǎn)換器在任何相對額定條件而言低的輸出電壓、低的輸出電流或低的負(fù)載下被迫進(jìn)入突發(fā)模式，同時仍提供小的脈動輸出和充分的控制回路響應(yīng)。
【實用新型內(nèi)容】
[0010]從本文中提供的描述，適用的其它領(lǐng)域?qū)⒆兊妹黠@。應(yīng)當(dāng)理解，描述和特定示例僅用于說明的目的且不意圖限制本實用新型的范圍。
[0011]根據(jù)本實用新型的一示例，一種用于具有可變輸出電壓范圍的電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)控制器可以包括:脈沖寬度調(diào)制器，所述脈沖寬度調(diào)制器具有產(chǎn)生用于驅(qū)動電源轉(zhuǎn)換器開關(guān)的脈沖信號的輸出端；模式選擇器，所述模式選擇器具有指示所述電源轉(zhuǎn)換器的工作接通時間狀態(tài)的輸出端，該輸出端連接至乘法器；周期選擇器，所述周期選擇器具有指示所述脈沖信號的周期時間的輸出端，該輸出端連接至所述乘法器和所述脈沖寬度調(diào)制器的一輸入端；乘法器，所述乘法器具有指示所述周期時間中的開關(guān)接通時間的輸出端，該輸出端連接至所述脈沖寬度調(diào)制器的另一輸入端；比較器，所述比較器具有指示相對于最小工作接通時間的工作接通時間狀態(tài)的輸出端，該輸出端連接至所述周期選擇器的一輸入端。當(dāng)所述工作接通時間狀態(tài)大于最小工作接通時間時，所述周期選擇器向所述脈沖寬度調(diào)制器輸出額定周期時間。當(dāng)所述工作接通時間狀態(tài)小于所述最小工作接通時間時，所述周期選擇器輸出比額定周期時間大的更新的周期時間。相應(yīng)地，脈沖寬度調(diào)制器輸出具有更新的周期時間和與緊鄰的前一個脈沖信號的占空比相等的占空比的脈沖信號。
【附圖說明】
[0012]本文中描述的附圖僅用于說明目的且不意圖以任何方式限制本實用新型的范圍。
[0013]圖1為示例性開關(guān)控制器電路；
[0014]圖2為示例性降壓型電源轉(zhuǎn)換器電路；
[0015]圖3為另一示例性開關(guān)控制器電路；和
[0016]圖4為示例性方法的示例性邏輯流程。
【具體實施方式】
[0017]以下描述實質(zhì)上僅為示例性的，并不意圖限制本實用新型、應(yīng)用或使用。
[0018]—些儀表等級和精度的電源需要工作在相對寬的輸出電壓范圍內(nèi)(例如3V-12V)。其它電源(也稱為電源轉(zhuǎn)換器)需要寬的輸出電壓微調(diào)范圍，例如，0.8V-5V，并且有時，當(dāng)負(fù)載阻抗非常低(例如小于1hm)時，電源轉(zhuǎn)換器會需要在接近零的輸出電壓處工作在連續(xù)模式下。處于相對額定輸出電壓而言低的輸出電壓級別上的電源轉(zhuǎn)換器工作引起控制問題。低輸出電壓控制問題之一是，當(dāng)工作接通時間隨著輸出電壓降低而變得越來越小時保持連續(xù)模式的能力。基于包括電源轉(zhuǎn)換器的PWM分辨率、各種傳播延時、有源開關(guān)和驅(qū)動器的上升和下降時間等的多種因素，電源轉(zhuǎn)換器可進(jìn)入突發(fā)模式以實現(xiàn)平均性能并保持所需的輸出電壓和/或電流。然而，對于精確的應(yīng)用，突發(fā)模式導(dǎo)致不可接受的輸出脈動等級和極度緩慢的調(diào)節(jié)響應(yīng)。
[0019]以下公開的示例性實施方式和方法適應(yīng)性地監(jiān)控電源轉(zhuǎn)換器的工作接通時間，并改變降壓型轉(zhuǎn)換器和降壓型變體的工作頻率(也相對周期時間進(jìn)行描述)，以保持工作接通時間大于預(yù)設(shè)或預(yù)定的最小可控接通時間。根據(jù)一個示例，當(dāng)達(dá)到最小接通時間時，在保持當(dāng)前占空比不變的同時降低工作頻率(即，增大周期時間)。無論電源轉(zhuǎn)換器何時試圖將工作接通時間降低至設(shè)定的最小接通時間以下，工作頻率變化過程可以是連續(xù)的。
[0020]當(dāng)這種所需的頻率變化很大(例如幾百納秒)時，可以根據(jù)應(yīng)用需求在一個或幾個步驟中實現(xiàn)該頻率變化。例如，如果要求工作頻率從200kHz變化到100kHz，伴隨10%的接通時間，則單一周期從5000ns增大到10000ns，且接通時間從500ns增大到1000ns。在之前的示例中，單一步驟的頻率變化會引起操作問題，推薦從200kHz到10kHz的多步驟變化。然而，如果工作頻率從200kHz變化到190kHz，伴隨相同的10%的接通時間，則單一周期變化263ns，接通時間增加26.3ns，并且可以實現(xiàn)單一步驟的頻率變化，而不會對性能產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響。因此，公開的示例允許通過以相對窄的占空比進(jìn)行操作而對電源轉(zhuǎn)換器進(jìn)行密切控制，這些相對窄的占空比允許電源轉(zhuǎn)換器避免突發(fā)模式操作及因而發(fā)生的調(diào)節(jié)響應(yīng)和輸出脈動的惡化。
[0021]公開的示例也可以提高設(shè)計成工作在寬的輸出電壓范圍(例如0.8V-5V)內(nèi)的大宗VRM產(chǎn)品的效率。相比較高的電壓設(shè)置，現(xiàn)有的VRM的效率在較低的電壓設(shè)置處顯著降低。在保持當(dāng)前占空比的同時，隨著降低輸出電壓設(shè)置而改變切換工作頻率，可以顯著提高電源轉(zhuǎn)換效率。
[0022]公開的開關(guān)控制器的示例可以使用模擬控制來實現(xiàn)；然而相信數(shù)字控制實現(xiàn)可以產(chǎn)生相對更好的結(jié)果。
[0023]本實用新型適用于降壓型轉(zhuǎn)換器和變型的降壓型轉(zhuǎn)換器(稱為降壓型轉(zhuǎn)換器)，例如正向轉(zhuǎn)換器、交叉正向轉(zhuǎn)換器、半橋式轉(zhuǎn)換器和全橋式轉(zhuǎn)換器等。這些適用的電源轉(zhuǎn)換器的共同特征是，每一種都具有用于保持恒定的輸出電流(I。)并傳送低脈動、平滑的直流(Direct Current, DC)電壓輸出(Vc^Vciut)的輸出級電感器。
[0024]對于降壓型轉(zhuǎn)換器中的電壓模式控制，當(dāng)處于連續(xù)導(dǎo)通模式(continuousconduct1n mode, CCM)時，在不考慮電路損耗和延時的情況下，輸出電壓符合上面的公式
1
[0025]在實際應(yīng)用中，電源轉(zhuǎn)換器電路的損耗和延時會導(dǎo)致實