具有雙模式PWM/COT控制的切換功率變換器。功率變換器包括：切換的功率級，其從輸入電壓生成輸出電壓；以及控制器，其生成用于根據電壓誤差信號對切換的功率級進行切換的脈沖控制信號。電壓誤差信號是基準電壓與輸出電壓之間的差值。控制器包括數字脈寬調制控制路徑和數字恒定導通時間控制路徑，控制器在輕負載模式和高負載模式之間切換，在輕負載模式下數字恒定導通時間被激活，在高負載模式下數字PWM控制路徑被激活。相比于恒定導通時間控制路徑(特別是被配置成將電壓誤差與閾值進行比較以觸發預設的恒定導通時間的脈沖的連續時間比較器)是消耗額外的空間和功率的單獨的模擬電路的現有技術，根據本發明專利技術，恒定導通時間控制路徑被數字地設計。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種具有雙模式脈寬調制(PWM)/恒定導通時間(COT)的功率變換器及相關方法。
技術介紹
切換的DC-DC變換器包括可切換的功率級，其中，根據切換信號和輸入電壓生成輸出電壓。在將輸出電壓調節為基準電壓的控制器中生成切換信號。圖1中示出了降壓轉換器。切換的功率級11包括由高側開關12和低側開關13組成的雙開關、電感器14以及電容器15。在充電階段，通過切換信號使高側開關12導通并且使低側開關13截止，以對電容器15進行充電。在放電階段，使高側開關12截止并且使低側開關13導通，以使平均電感電流與負載電流相匹配。在DC-DC變換器應用中，切換模式功率變換器(SMPC)可以在可應用于操作空間的不同區域的不同功率模式下運行。例如，降壓變換器可以在中負載到高負載時在連續導通模式(CCM)下運行并且在輕負載時在不連續導通模式(DCM)下運行，以使整個負載電流范圍的效率最大化。可以采用數字控制技術來傳達CCM的優點，諸如，針對改善的瞬態響應的非線性控制，然而，由于包括脈沖頻率模式(PFM)操作的多個因素，導致在DCM操作中可能期望恒定導通時間(COT)控制。然而，設計多種不同的調制和控制策略在計算上是昂貴的，對于能量效率和成本原因期望相比在硅面積方面成本更高并且消耗更多電流。Gildersleeve，M.、H.P.Forghani-Zadeh等(2002)在關于ASIC的IEEE亞太會議上的“A comprehensive power analysis and a highly efficient，mode-hopping DC-DC converter”，示出了“跳模被證明是在負載的寬范圍上實現高效率的一種很好的技術，但是也具有高的復雜度”。這是由于需要實現多種不同的控制電路以及在它們之間進行切換的裝置。因此，期望開發能夠很容易地在控制和調制的多個模式下利用的DC-DC SMPC。特別地，期望控制和調制系統適用于a)非線性前緣/后緣調制PWM控制以及b)也適用于COT控制；不需要大范圍復制電路。
技術實現思路
通過根據獨立裝置權利要求的功率變換器以及根據獨立方法權利要求的相關方法實現了針對上述問題的解決方案。從屬權利要求涉及本專利技術的進一步方面。本專利技術涉及功率變換器，所述功率變換器包括：切換的功率級，其被配置成從輸入電壓生成輸出電壓；以及控制器，其被配置成生成用于根據電壓誤差信號對切換的功率級進行切換的脈沖控制信號。電壓誤差信號是基準電壓與輸出電壓之間的差值。控制器包括數字脈寬調制控制路徑和數字恒定導通時間控制路徑，并且其中，控制器被配置成在輕負載模式與高負載模式之間切換，在輕負載模式下數字恒定導通時間被激活，在高負載模式下數字PWM控制路徑被激活。相比于恒定導通時間控制路徑(特別是被配置成將電壓誤差與閾值進行比較以便觸發預設的恒定導通時間的脈沖的連續時間比較器)是消耗額外的空間和功率的單獨的模擬電路的現有技術，根據本專利技術，恒定導通時間控制路徑被數字地設計。因此，功率變換器可以包括模數轉換器(ADC)，該模數轉換器(ADC)被配置成通過采用以與數字PWM控制路徑中生成的PWM信號的標稱切換速率相比顯著更高的速率過采樣(oversampling)來對電壓誤差信號進行采樣。ADC將數字化的電壓誤差控制信號提供給數字恒定導通時間控制路徑以及數字PWM控制路徑。這允許非常精細的時間精度。因此，通用電路可以被用于設計采用模式切換以在整個負載電流范圍內提供高效率的控制器。恒定導通時間控制路徑可以被配置成當數字化電壓誤差超過閾值時觸發脈沖控制信號的脈沖。特別是，恒定導通時間控制路徑可以被設計為比較器，該比較器基于數字化的電壓誤差的符號來觸發脈沖控制信號的脈沖。因此，恒定導通時間控制可以由此觸發新的標稱PWM周期或者預設的恒定導通時間的脈沖。本專利技術的一方面涉及數字PWM控制路徑。該數字PWM控制路徑可以被配置成，當在PWM周期內基于占空比的閾值(例如，占空比差值(difference)或者占空比的導數(derivative))超過閾值時，觸發數字PWM控制路徑中生成的PWM信號的新
的標稱PWM周期的重啟。因此，PWM脈沖相比于傳統的PWM操作來說在時間上被前移。這是在高負載模式下的非線性PWM控制動作。因此，數字PWM控制路徑對PWM脈沖的后緣和前緣進行調制。本專利技術的一個方面涉及模式切換。由于在全部負載電流范圍的模式切換，本專利技術提供了具有較低復雜度和成本但是具有高效率的靈活的控制器。模式切換可以采用比較器來檢測何時超過預定閾值。閾值可以是電流(例如，超過紋波電流值的一半的平均電感電流)或者電壓(例如，超過預定最大值的控制誤差)；并且可以適當地采用遲滯(hysteresis)。其它模式切換方法對于本領域技術人員來說將是熟悉的并且也可以被很容易地采用。另外，占空比可以被用作到效率估計塊的輸入，該效率估計塊可以基于穩定狀態占空比的最大值確定用于模式切換的適合點，已知穩定狀態的占空比的最大值對應于最大損耗值。可以根據PID控制器的部件對用于估計的穩定狀態占空比進行平均、過濾或確定。此外，自適應濾波器可以被用作估計器來確定用于模式變化的最優點。模式變化不限于所描述的PWM和COT模式，而是也可包括在多相結構中增加相位或者減少相位。多相結構可以在單個負載點(POL)變換器和控制器中，或者可以包括利用公共輸出電壓并聯操作的多個POL和控制器。系統可以包括公共總線，以便為控制器提供設置信息和/或提供指示包括模式控制器的狀態的控制器或控制系統中的各種信號的值或狀態的遙測數據。系統可以包括諸如外部電阻器的部件以便配置控制器和/或可以在配置過程中測量施加到控制器IC管腳的電壓。本專利技術進一步涉及用于功率變換器的控制方法，所述功率變換器包括：切換的功率級，其被配置成根據脈沖控制信號從輸入電壓生成輸出電壓，所述脈沖控制信號根據電壓誤差信號控制切換的功率級的切換。電壓誤差信號是基準電壓與輸出電壓之間的差值。該方法包括在輕負載模式與高負載模式之間切換，在輕負載模式下數字恒定導通時間被激活，在高負載模式下數字PWM控制路徑被激活。該方法還包括以與數字PWM控制路徑中生成的PWM信號的標稱切換速率相比顯著更高的速率對電壓誤差進行過采樣，并且被配置成向數字恒定導通控制路徑和數字PWM控制路徑提供數字化的電壓誤差控制信號。附圖說明下面將參考附圖，其中圖1示出了現有技術的切換降壓變換器；圖2示出了連接到模擬前端的雙模式PWM/COT控制器的框圖；圖3示出了用于非線性PWM模式的負載電流、電壓誤差、占空比和PWM信號的圖；以及圖4示出了用于恒定導通時間操作的控制誤差、控制誤差的符號和脈沖控制信號的圖。具體實施方式圖2示出了連接到模擬前端22的雙模式PWM/COT控制器21的框圖。雙模式PWM/COT控制器包括數字恒定導通時間控制路徑23、數字PWM控制路徑24、PWM發生器25和模式切換器26。模擬前端包括用使控制誤差(即，電壓誤差)數字化的ADC。PWM發生器25基于在數字恒定導通時間控制路徑23或數字PWM控制路徑24中生成的導通時間信息和脈沖位置信息生成PWM信號，以便對如圖1所示的切換的功率級11進行切換。模式切換器本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種功率變換器，所述功率變換器包括：切換的功率級(11)，其被配置成從輸入電壓生成輸出電壓；以及控制器(16，21)，其被配置成生成用于根據電壓誤差信號對所述切換的功率級進行切換的脈沖控制信號，所述電壓誤差信號是基準電壓與所述輸出電壓之間的差值；其中，所述控制器(16，21)包括數字脈寬調制控制路徑(24)和數字恒定導通時間控制路徑(23)，并且其中，所述控制器(16，21)被配置成在輕負載模式與高負載模式之間切換，在所述輕負載模式下所述數字恒定導通時間控制路徑被激活，在所述高負載模式下所述數字脈寬調制控制路徑被激活。
【技術特征摘要】
2015.03.04 EP 15157562.81.一種功率變換器，所述功率變換器包括：切換的功率級(11)，其被配置成從輸入電壓生成輸出電壓；以及控制器(16，21)，其被配置成生成用于根據電壓誤差信號對所述切換的功率級進行切換的脈沖控制信號，所述電壓誤差信號是基準電壓與所述輸出電壓之間的差值；其中，所述控制器(16，21)包括數字脈寬調制控制路徑(24)和數字恒定導通時間控制路徑(23)，并且其中，所述控制器(16，21)被配置成在輕負載模式與高負載模式之間切換，在所述輕負載模式下所述數字恒定導通時間控制路徑被激活，在所述高負載模式下所述數字脈寬調制控制路徑被激活。2.根據權利要求1所述的功率變換器，所述功率變換器還包括模數變換器，該模數變換器被配置成通過以與在所述數字脈寬調制控制路徑中生成的脈寬調制信號的標稱切換速率相比顯著更高的速率進行過采樣來對所述電壓誤差信號進行采樣，并且被配置成將數字化的電壓誤差控制信號提供給所述數字恒定導通時間控制路徑和所述數字脈寬調制控制路徑。3.根據權利要求1或者2所述的功率變換器，其中，所述數字脈寬調制控制路徑被配置成當基于脈寬調制周期內的占空比的閾值超過一閾值時觸發脈寬調制信號的新的標稱脈寬調制周期的重啟。4.根據權利要求3所述的功率變換器，其中，所述閾值基于所述占空比的差值或者導數。5.根據權利要求3所述的功率變換器，其中，所述數字脈寬調制控制路徑被配置成防止在特定的時段內再次發生新的標稱脈寬調制的重啟。6.根據權利要求2至5中任一項所述的功率變換器，其中，所述恒定導通時間控制路徑被配置成當所述數字化的電壓誤差超過閾值時觸發脈沖控制信號的脈沖。7.根據權利要求6所述的功率變換器，其中，所述恒定導通時間控制路徑是比較器，并且被配置成...
【專利技術屬性】
技術研發人員：A·凱利，
申請(專利權)人：微電子中心德累斯頓有限公司，
類型：發明
國別省市：德國;DE
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