用于控制DC-DC转换器的方法技术

技术编号:15397210 阅读:79 留言:0更新日期:2017-05-19 11:40
本发明专利技术公开了用于电源布置和控制的方法和电路。更具体地,本申请涉及用于DC‑DC转换器(例如同步降压转换器)的控制方法和控制器,其实现瞬变检测方案以及响应产生,以允许转换器从正和/或负载电流阶跃,在输出电压下具有低下冲/过冲。控制方法可以通过模拟或数字电路来实现。控制器可以与现有的控制器方案(例如电压模式控制器)集成以在大信号瞬变状况期间提供优良的动态性能,同时在稳态条件期间提供稳定的操作。本文提供的方法和电路适用于诸如正向,推挽,半桥和全桥转换器的降压转换器和压降转换器。

A method for controlling DC DC converter

A method and circuit for power distribution and control are disclosed. More specifically, the invention relates to DC converter for DC (such as synchronous buck converter) control method and controller, the transient response and detection scheme, to allow the converter from positive and / or load current step, with low undershoot / overshoot in output voltage. Control methods can be implemented by means of analog or digital circuits. The controller can be integrated with an existing controller scheme, such as a voltage mode controller, to provide excellent dynamic performance during large signal transients, while providing stable operation during steady-state conditions. The methods and circuits presented herein are suitable for Buck Converters and buck converters such as forward, push-pull, half bridge, and full bridge converters.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于控制DC-DC转换器的方法本申请基于并要求于2014年5月8日提交的美国专利申请第14/273,457号的优先权。
本申请大体上涉及调节器电路,更具体地,涉及开关DC-DC转换器。
技术介绍
本申请涉及一种用于改善开关电源中的前馈或反馈调节的校正电路。特别地,涉及适合于驱动负载的开关电源,其中负载电流可能突然变化。开关电源(也称为开关模式电源)能够有效地将输入电压转换为输出电压。一个或多个有源功率器件或“相”被切换,即,快速连续地接通和关断,以控制从输入被输送到输出处的能量存储元件的能量的平均量。以在输出端产生受控电压波形的方式控制该开关。例如,降压转换器(例如压降转换器)将典型的未调节或松调节的输入DC电压转换成用于额定负载电流(或简称为负载)的较低的、经调节的DC电压。开关电源可以具有由主电压调节反馈控制回路控制的一个或多个输出相位,以调节其输出。输出相通常包括一个或多个功率开关器件,例如晶体管,有时它们的驱动器。这些设备将电流(从输入)馈送到诸如与输出耦合的电感器和/或电容器的无源能量存储设备。为了调节输出电压,功率开关器件快速地导通和关断,例如,根据脉宽调制(PWM),以适当的时序并且响应于来自输出的电压和电流反馈,来进行快速地导通和关断。长期以来,开关电源中的输出电压的控制是重要的考虑。对于大多数应用,期望将输出电压和电流保持在或多或少稳定的值,或在期望的值窗口(范围)内。例如,用于为微处理器供电的电源需要保持在相当窄的电压窗口内。这是困难的,因为微处理器负载的性质是它们产生快速负载瞬变。用于控制输出电压的公共装置是在反馈控制系统中使用反馈。然而,这种反馈控制系统通常需要在稳定性和瞬变响应之间的折衷。这是由于工作频率和控制环交叉频率(controlloopcrossoverfrequencies)之间的相对固定的关系。已经考虑了几种方法以解决这个缺点。一种方法是提高电源的开关频率,同时降低输出电感值的值。然而,增加开关频率使转换器的设计复杂化,并且随着开关频率的增加,转换器的效率最终降低到不可接受的水平。降低DC-DC转换器的输出电感可以改善其动态响应。然而,这种减小导致输出电压纹波(ripple)的增加。增加的电压纹波将进而减小动态响应期间输出电压降的空间。此外,通过滤波电感器的较大纹波电流将导致通过转换器的功率开关的较大RMS电流,这将降低转换器在稳态操作下的总效率。另一个选择是添加“负载线(loadline)”,其有效地提高电源的输出阻抗以更有效地使用输出电压值的可用窗口(例如美国专利第6919715号)。然而,在一些应用中,电源电压的偏差可能是不可接受的。另一个想法是在输出端添加电容器,以确保输出电压保持在所需的值窗口。然而,该策略需要非常大的输出电容器(例如,5,000至10,000uF),其体积庞大且昂贵,因此通常不被认为是实用的。此外,还考虑了对快速改变控制环路滤波器(补偿器)中的占空因数或增益的触发电路使用输出电压偏移(例如美国专利第6717390号)。不幸的是,这种解决方案不能提供如在现代微处理器应用中所要求的足够快的响应。这是由于PWM脉冲的固定速率,其相对于输出电压的增加或减少速率(转换速率)可能较慢。此外,更改控制系统的环路滤波器参数可能导致不稳定的性能。另一种解决方案是由美国专利第6965502号提出,其中使用窗口比较器将输出电压与预定的参考电压进行比较。如果输出电压移动到窗口之外,则采取抑制动作。窗口的大小决定了的瞬变抑制系统的性能,窗口太小导致噪声和纹波不必要地触发抑制动作,窗口较大延迟输出电压中的检测。在美国专利第7521913号中,持续地估计所检测的电压电平与目标电压的偏差的幅度,并用于确定有源瞬变响应电路采取的进一步的动作。在大多数实际情况下的这种方法导致功率转换器的不稳定操作,这是由于在功率级的LC滤波器的输入处注入的脉冲与在输出处观察到的脉冲的输出电压响应之间的显著延迟的LC滤波器。因此,有源瞬变响应电路很可能使输出电压振荡,而不是稳定值。根据美国专利第7615982号,超驰PWM脉冲串,将单触发脉冲提供给功率转换器的多个相位。通过电压下冲的偏差来确定注入脉冲的相数。在实践中,该解决方案的应用范围限于多相功率转换器。此外,由于当输出电压开始回转时,系统仅在第一阈值电平越过之后的单个相位产生第一脉冲,因此该系统的性能受到损害。只有在保护时间间隔之后,在注入脉冲之后,仍保持参考电压和输出电压之间的差,则脉冲被注入到多个相。这导致对负载电流中的大阶跃(step)的适当响应的延迟。美国专利第8054058号设想了一种前馈控制方法,其也尝试解决电压控制的问题。在该专利中,在输出电压轨上的检测到瞬变的情况下,注入和消隐脉冲覆盖了稳态脉冲串。注入和消隐脉冲的脉冲宽度基于电容器电荷平衡的原理来确定,其理论上提供最低可能的电压下冲/过冲和从正和/或负负载电流阶跃恢复的最短可实现时间。实际上,高电流开关DC-DC转换器的噪声环境和/或负载电流的快速非线性变化导致对谷点电压和时间偏移的不正确估计。用于计算注入和消隐脉冲的脉冲宽度的所有方程都假设了知道转换器的电感器和电容器值。在实践中,由于老化和温度变化,它们的精确值是未知的。结果,这些不确定性因素给出了注入脉冲和消隐脉冲的脉冲宽度的不正确的值。这又导致性能的劣化,并且在一些实际情况下可能在输出电压处给出甚至比不使用所描述的方法时更差的下冲/过冲。因此,提供用于开关电源的鲁棒控制电路将是有益的,其避免了上述问题。
技术实现思路
因此,在第一方面,提供了一种用于检测DC-DC转换器的输出中的瞬变状况的方法,其中所述DC-DC转换器旨在当DC-DC转换器上的负载改变时将输入转换为相对恒定的输出。该方法包括以下步骤:计算输出的标志(signature,也译作识别标志或特征),然后将计算出的输出的标志与先前计算的输出的标志进行比较,以确定输出是否在先前计算的标志的预定裕度之外,并且在进行这样的确定确定瞬变状况的存在。适当地,标志表示开关周期上的输出的变化。在第二方面,提供了一种控制DC-DC转换器的方法。该方法适当地包括:使用第一控制器控制DC-DC转换器;使用第二控制器通过比较所述输出相对于一系列阈值的变化来检测所述DC-DC转换器的输出上的瞬变状况,并且其中在所述开关周期期间在不同点采用所述系列中的阈值的各个值以解决DC-DC转换器的输出上的纹波。输出的变化可以计算为输出电压的测量和输出电压的延迟测量之间的多个差。第二控制器可以响应于瞬变状况的检测,以引起由第一控制器提供的PWM控制信号中的注入,延长,缩短或跳过脉冲中的一个。在第三方面,提供了一种测量或估计DC-DC转换器的输出电压轨处的电压变化的方法。该方法包括:用输出电压的至少一个延迟副本(delayedcopies)计算输出电压中的至少一个差,以及将所述至少一个差与至少一个阈值进行比较,以确定输出电压是否存在变化。通常,在DC-DC转换器的任何一个开关周期期间将存在计算的多个差。在计算多个差之前,可以通过高通滤波器对输出电压进行滤波以在计算输出电压之差之前去除DC分量。可以存在与每个差值计算相关联的单独阈值。可以在DC-DC转换器的确定的稳态操作期间估计阈值本文档来自技高网
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用于控制DC-DC转换器的方法

【技术保护点】
一种用于维持DC‑DC转换器的输出电压恒定的控制系统,所述控制系统包括:第一控制器,操作以向所述DC‑DC转换器提供控制信号,以保持所述输出电压恒定;瞬变控制器,用于提供第二控制信号,所述瞬变控制器包括瞬变检测器,用于检测所述DC‑DC转换器的输出电压上的瞬变状况,并且向所述DC‑DC转换器提供瞬变控制信号,以在检测到这种瞬变状况时对所述瞬变进行计数;其中所述瞬变检测器包括:标志计算器,用于计算来自所述DC‑DC转换器的输出电压的时变标志;和比较器,用于确定所述时变标志何时从先前存储的标志延伸预定裕度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.08 US 14/273,4571.一种用于维持DC-DC转换器的输出电压恒定的控制系统,所述控制系统包括:第一控制器,操作以向所述DC-DC转换器提供控制信号,以保持所述输出电压恒定;瞬变控制器,用于提供第二控制信号,所述瞬变控制器包括瞬变检测器,用于检测所述DC-DC转换器的输出电压上的瞬变状况,并且向所述DC-DC转换器提供瞬变控制信号,以在检测到这种瞬变状况时对所述瞬变进行计数;其中所述瞬变检测器包括:标志计算器,用于计算来自所述DC-DC转换器的输出电压的时变标志;和比较器,用于确定所述时变标志何时从先前存储的标志延伸预定裕度。2.根据权利要求1所述的控制系统,其中所述瞬变检测器与同步信号同步,使得所述时变标志相对于所述DC-DC转换器的开关周期与所述计算的时变标志对准。3.根据任一前述权利要求所述的控制系统,其中所述标志计算器包括提供所述输出电压的多个延迟副本的多抽头延迟,和用于从所述输出电压减去所述延迟副本以提供一系列个体差值的多个减法器值,并且其中所述一系列差值定义所述标志。4.根据任一前述权利要求所述的控制系统,其中所述标志计算器包括用于对所述输出电压进行滤波的高通滤波器。5.根据任一前述权利要求所述的控制系统,其中所述存储的标志是在稳态操作期间从所述标志计算器获得的标志。6.根据权利要求5所述的控制系统,其中,每当所述输出电压在瞬变之后返回到稳定状态,所述存储的标志被更新。7.一种DC-DC转换器,包括根据前述权利要求中任一项所述的控制系统。8.根据前述权利要求中任一项所述的DC-DC转换器,还包括用于提供响应以计数所检测的瞬变的瞬变响应电路。9.根据权利要求8所述的DC-DC转换器,其中所述瞬变响应电路包括可切换电流阱,其可响应于检测到正瞬变而切换到所述DC-DC转换器的输出电压。10.根据权利要求8或9所述的DC-DC转换器,其中所述瞬变响应电路包括可切换电流源,其可响应于检测到负瞬变而切换到所述DC-DC转换器的输出电压。11.根据权利要求8至10中任一项所述的DC-DC转换器,其...

【专利技术属性】
技术研发人员:帖木儿·科林约翰·瑞恩科马克·奥谢伊
申请(专利权)人:罗姆动力威胜有限公司
类型:发明
国别省市:爱尔兰,IE

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