控制单元和开关变换器制造技术

一种控制单元和开关变换器。该控制单元具有耦合到输入的电感器元件和耦合到电感器元件的开关元件，生成具有开关周期的命令信号以对开关元件进行开关，并且确定第一时间周期和第二时间周期，在第一时间周期中电感器电流在电感器元件中流动用于存储能量，在第二时间段中能量被传递到负载。输入电流相对于正弦曲线按照由电感器电流上的电流纹波引起的失真因子而失真。第一时间周期的持续时间基于电感器电流的峰值的值与取决于所述电压变换器的输出电压的电流参考之间的比较而被确定。参考修改级修改电流参考以补偿按照失真因子而对输入电流引入的失真。

Control unit and switching converter

A control unit and a switching converter. The control unit has an inductor element coupled to the input and a switching element coupled to the inductor element, generates a command signal with a switching period to switch the switching element, and determines the first and second time periods in which the inductor current flows in the inductor element for use. Store energy and transmit energy to the load in the second time period. The input current is distorted relative to the sinusoidal curve according to the distortion factor caused by the current ripple on the inductor current. The duration of the first time period is determined based on a comparison between the peak value of the inductor current and the current reference depending on the output voltage of the voltage converter. Refer to the modification level to modify the current reference to compensate for the distortion introduced into the input current according to the distortion factor.

【技术实现步骤摘要】
控制单元和开关变换器
本公开涉及开关变换器的控制电路或单元，特别地(但不限于)涉及功率因子校正(PFC)变换器。特别地，控制单元是操作于连续传导模式(CCM)和峰值电流控制模式的电压变换器。
技术介绍
在已知的方式中，例如台式计算机、LED照明设备或电子医疗设备中的以开关模式操作的电源(开关模式电源或SMPS)中所使用的电压变换器通常需要满足与相关的电气性能有关的严格要求。特别地，这样的变换器必须保证高质量因素，其具有基本上为单位1的功率因子(PF)(例如大于0.9)和理想地为零的输入电流的总谐波失真(THD)。通常，这样的电压变换器能够将接收到的输入量，例如来自电网的交流电压(AC)，变换成经调节的输出量，例如直流电压(DC)，其继而用于为电气负载供电。特别地，已知的是在例如需要高输出功率的情况下，使用具有两级架构的功率变换器，其中第一级是PFC变换器，典型地是升压或升压型PFC变换器。本PFC变换器对线路交流电压进行升压操作，从而生成连续调节的输出电压。PFC变换器由合适的控制单元或模块(“控制器”)控制，以在电线吸收时调节功率因子。图1示出了电压变换器的接线图，该电压变换器特别地是整体上使用附图标记1指示的PFC升压变换器，其由使用附图标记2指示的相关的控制单元或电路或模块控制。控制单元2是集成电路，并且具有其自己的封装以及相关的输入和输出引脚。该集成电路可以安装在具有形成电压变换器1的电路部件或相应的集成电路的单个印刷电路板(PCB)上。特别地，在这种配置中，电压变换器1具有输入端子IN和输出端子OUT，在输入端子IN上存在由(示意性地示出的)整流器级3(例如二极管桥式整流器)根据例如由电网供应的交流电压VAC生成的输入电压VIN(具有整流后的正弦波形式)，在输出端子OUT上存在大于输入电压VIN并且被调节为期望值的连续的输出电压VOUT。执行高频滤波功能的滤波电容器4a连接到输入端子IN，而执行电荷存储功能的存储电容器4b连接到输出端子OUT。滤波电容器4a和存储电容器4b二者还都连接到参考或接地端子(GND)。电压变换器1包括连接在输入端子IN与第一内部节点N1之间的电感器元件5、连接在第一内部节点N1与第二内部节点N2之间的开关元件6(特别地是MOSFET功率晶体管)、以及具有连接到第一内部节点N1的正极和连接到输出端子OUT的负极的二极管元件7。开关元件6具有连接到第一内部节点N1的第一电流导通端子(特别地是相应的MOSFET晶体管的漏极端子)、连接到第二内部节点N2的第二电流导通端子(特别地是相应的MOSFET晶体管的源极端子)、和作为相应的MOSFET晶体管的栅极端子的控制端子。第一电压分压器8连接在输入端子IN与参考端子之间，由第一分压器电阻器8a与第二分压器电阻器8b串联连接而形成，从而形成第一分压节点P1，等于Kp·VIN的第一分压电压VP1从第一分压节点P1被汲取，其中Kp是第一电压分压器8的分压因子。此外，第二电压分压器9连接在输出端子OUT与参考端子之间，由相应的第一分压器电阻器9a与相应的第二分压器电阻器9b串联连接而形成，从而形成第二分压节点P2，第二分压电压VP2从第二分压节点P2被汲取。电压变换器1还包括与开关元件6串联连接在第二内部节点N2与参考端子之间的感测电阻器11，上述感测电阻器11的端部处的电压指示开关元件6闭合时在经过电感器元件5之后流过开关元件6的电流IL(为了简洁起见，该电流被称为电感器电流IL)。因此，上述电压由Rs·IL给出，其中Rs是感测电阻器11的电阻。控制单元2具有被设计为连接到第一分压节点P1并且接收第一分压电压VP1的输入(或引脚)MULT、被设计为经由补偿网络12连接到第二分压节点P2的输入COMP、连接到相同的第二分压节点P2并且被设计为接收第二分压电压VP2的输入FB、被设计为耦合到第二内部节点N2并且其上存在感测电压VCS(其在这种情况下与感测电阻器11的端部处的电压相同)的输入CS、以及被设计为连接到开关元件6的控制端子并且提供命令电压VGD的输出GD，命令电压VGD用于按照适当的时序使用脉冲宽度调制(PWM)来命令上述开关元件6进行开关。控制单元2包括误差放大器10，误差放大器10具有连接到输入FB从而接收第二分压电压VP2的第一输入、接收电压参考VREF的第二输入、以及其上生成比较电压VC的输出，比较电压VC取决于上述分压电压VP2与上述电压参考VREF之差(或误差)。控制单元2可以被配置为利用峰值电流控制来控制电压变换器1在连续传导模式(CCM)下的操作。特别地，利用每个开关周期，控制单元2命令开关元件6在时间周期TON(占空比的“ON”周期)闭合，在此期间来自输入端子IN的电流在电感器元件5和开关元件6中流动直到接地，从而导致能量被存储在所述电感器元件5中。在峰值电流控制模式中，由控制单元2基于在感测电阻器11的端部处的电压使用合适的反馈控制回路来使导通时间周期TON的持续时间(或期限)稳定，其指示电感器电流IL的值，其与合适的参考电压相比较(如下面详细地描述的)。该参考电压确定要与上述电感器电流IL的峰值的值相比较的期望的电流参考。控制单元2继而命令开关元件6在断开时间周期TOFF(占空比的“OFF”周期)打开，在此期间先前存储在电感器元件5中的能量经由二极管元件7被传递到负载和电荷存储元件4b。特别地，断开时间周期TOFF的持续时间可以是固定的(在被称为固定断开时间或FOT的控制模式中)，或者被确定为使得其为固定的PWM开关频率(在称为PWM固定频率或FF的控制模式中)。在任何情况下，在开关周期的整个持续时间，连续传导模式提供总是大于零的电感器电流IL(不同于不连续传导模式DCM，其反之涉及存在其中电感器电流IL为零的开关周期的断开时间周期TOFF的一部分)。图2示出了电感器元件5中的电流IL和命令信号GD的与上述连续传导控制模式(CCM)有关的趋势，示出了能量被存储在电感器元件5中期间的导通时间周期TON、以及断开时间周期TOFF。图2还示出了表示电感器电流IL的峰值的值的IL,pk(如上所示通过参考电压的值确定)、以及表示由PWM开关控制引起的所述电感器电流IL的电流纹波的ΔIL。另一方面，IL,AVG表示所述电感器电流IL的平均值。以下参考图3更详细地描述实现上述控制方法的电压变换器1的控制单元2(此处未示出)的已知实施例。控制单元2包括乘法器级14，乘法器级14连接到输入MULT和输入COMP，并且被设计为以乘法度KM实现第一分压电压VP1和比较电压VC的乘积，以生成上述参考电压，其由VCS_REF指示，因此由以下表达式给出：VCS_REF(θ)＝VC·KM·KP·Vin,pk·sinθ应当注意，输入电压VIN可以被认为实质上是经整流的正弦波，或者VIN(θ)＝VIN,pk·sinθ，其中相位角θ在范围(0，π)内。控制单元2还包括比较器级15和触发器或置位/复位SR锁存器16。比较器级15具有其上有比较电压V’的第一比较端子(例如正)、连接到乘法器级14的输出并且接收参考电压VCS_REF的第二比较端子(在该示例中为负)、以及生成用于SR锁存器16的复位信号的输出。在这种情况下，第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种控制单元，被配置为生成命令信号以控制包括耦合到至少一个电感器元件的至少一个开关元件的开关变换器的所述至少一个开关元件，所述至少一个电感器元件耦合到被配置为接收输入电压和输入电流的输入，并且所述至少一个电感器元件具有耦合到所述至少一个电感器元件并且被配置为提供输出电压的输出，所述控制单元被配置为生成具有开关周期的所述命令信号以控制所述开关元件的开关，并且在所述开关周期中确定第一时间周期和第二时间周期，在所述第一时间周期内电感器电流在所述至少一个电感器元件中流动以将能量存储在所述至少一个电感器元件中，在所述第二时间周期内能量从所述至少一个电感器元件被传递到耦合到所述开关变换器的所述输出的负载，所述控制单元被配置为基于所述电感器电流的峰值的值与电流参考之间的比较来确定所述第一时间周期的持续时间，所述电流参考取决于电压变换器的输出电压，并且所述控制单元包括参考修改级，所述参考修改级被配置为修改所述电流参考以补偿所述开关变换器的所述输入电流关于期望的正弦趋势按照失真因子引入的失真，所述失真因子是由所述电感器电流上的电流波纹引起的。

【技术特征摘要】
2017.03.21 IT 1020170000311591.一种控制单元，被配置为生成命令信号以控制包括耦合到至少一个电感器元件的至少一个开关元件的开关变换器的所述至少一个开关元件，所述至少一个电感器元件耦合到被配置为接收输入电压和输入电流的输入，并且所述至少一个电感器元件具有耦合到所述至少一个电感器元件并且被配置为提供输出电压的输出，所述控制单元被配置为生成具有开关周期的所述命令信号以控制所述开关元件的开关，并且在所述开关周期中确定第一时间周期和第二时间周期，在所述第一时间周期内电感器电流在所述至少一个电感器元件中流动以将能量存储在所述至少一个电感器元件中，在所述第二时间周期内能量从所述至少一个电感器元件被传递到耦合到所述开关变换器的所述输出的负载，所述控制单元被配置为基于所述电感器电流的峰值的值与电流参考之间的比较来确定所述第一时间周期的持续时间，所述电流参考取决于电压变换器的输出电压，并且所述控制单元包括参考修改级，所述参考修改级被配置为修改所述电流参考以补偿所述开关变换器的所述输入电流关于期望的正弦趋势按照失真因子引入的失真，所述失真因子是由所述电感器电流上的电流波纹引起的。2.根据权利要求1所述的控制单元，其特征在于，所述参考修改级被配置为向所述电流参考添加与所述电流波纹成比例的偏移。3.根据权利要求2所述的控制单元，其特征在于，还包括比较器级，所述比较器级具有第一比较端子和第二比较端子，所述第一比较端子被配置为接收指示所述电感器电流的所述峰值的值的比较电压，所述第二比较端子被配置为接收指示所述电流参考的参考电压，所述参考修改级被配置为将所述比较电压控制为感测电阻器两端的电压与满足以下等式的偏移电压的组合，所述感测电阻器与所述至少一个开关元件中所述电感器电流流过的一个开关元件串联：其中ΔIL表示所述电流波纹，并且RS是所述感测电阻器的电阻值。4.根据权利要求3所述的控制单元，其特征在于，所述参考修改级包括第一压控电流源，所述第一压控电流源具有被配置为接收命令电压的控制输入并且被配置为输出优化电流，并且所述参考修改级包括优化块，所述优化块被配置为生成所述命令电压，所述命令电压具有与所述输入电压并且与所述第一时间周期成比例的值，其中所述优化电流在优化电阻器两端生成所述偏移电压。5.根据权利要求4所述的控制单元，其特征在于，所述优化电阻器连接在所述感测电阻器与所述控制单元的第一输入之间，所述第一压控电流源被配置为以下至少一项：向所述第一输入提供电流，或者从所述第一输入汲取电流，以在所述第一输入处生成与所述比较电压相对应的电压。6.根据权利要求4所述的控制单元，其特征在于，所述感测电阻器被配置为连接到所述控制单元的第一输入，并且其中所述优化电阻器被配置为连接到不同于所述第一输入的所述控制单元的第二输入，并且所述第一压控电流源具有连接到所述第二输入的输出，所述控制单元还包括求和块，所述求和块具有耦合到所述控制单元的所述第一输入和第二输入的输入并且被配置为生成所述比较电压。7.根据权利要求6所述的控制单元，其特征在于，所述优化块还包括：第二压控电流源，所述第二压控电流源具有耦合到所述控制单元的第三输入的控制输入，所述第三输入被配置为接收所述输入电压的分压，并且所述第二压控电流源被配置为输出充电电流，所述充电电流具有根据以下表达式而取决于所述输入电压的值：ICH＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·格里蒂，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：新型
国别省市：意大利,IT