用于DC/DC变换器中基于能量的脉冲跳跃模式的控制电路和方法技术

本发明专利技术涉及用于开关模式电源(101)的控制电路以及用于控制开关模式电源的功率系中的开关元件(201，202)的相关方法。控制电路包括被配置成监测输出电流(Iout)以确定输出电流是否超过电流门限的模式控制器(107)。模式控制器被配置成控制开关控制器(105)以生成开关控制信号使得当电流超过电流门限时，功率系在连续传导模式下操作，并且在确定输出电流下降至或低于电流门限时，功率系的操作从连续传导模式变为脉冲跳跃模式，使得从连续传导模式进入脉冲跳跃模式，其中脉冲跳跃模式包括确定功率系的次级电路(204)中存储的能量的量。次级电路可操作地连接至输出端子，并且当次级电路中存储的能量的量下降到或低于能量阈值时，模式控制器借助于开关控制信号来指示开关控制器启用从初级电路到次级电路的能量传递，当次级电路中存储的能量的量超过上述能量门限时，借助于开关控制信号禁用从初级电路到次级电路的能量传递。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于DC/DC变换器中基于能量的脉冲跳跃模式的控制电路和方法
本专利技术涉及用于开关模式电源的控制电路和方法。更特别地，本专利技术涉及用于可操作以控制脉冲跳跃模式的开关模式电源的控制电路和方法。
技术介绍
开关模式电源(SMPS)是一种公知类型的功率变换器，其在向现代电子电路供应电力方面扮演着至关重要的角色。若干SMPS改进已经设想在高负载情况期间增加开关效率的方式。这样的改进的示例是现代SMPS中使用的同步整流概念。同步整流引起SMPS在更高电流水平实现高的功率效率。但是同步整流在SMPS的功率系(powertrain)中遭受增加的开关活动，这导致与传统SMPS中传统上使用的标准二极管整流相比而言在轻负载条件下的效率降低。SMPS的轻负载效率对于SMPS供电的设备而言正在变得越来越重要。改进的轻负载效率有助于节省能量并且延长SMPS供电的设备的电池寿命。现有技术中有几种用于改善SMPS的轻负载效率的方法。这样的方法的一个示例是借助于在非连续传导模式(DCM)下运行SMPS来降低循环能量和相关联的损失。方法的另一示例是借助于降低轻负载条件下的开关频率来降低开关损失。最后的示例针对多相变换器并且这些多相变换器的轻负载条件期间的改进通过关闭不必要的相位来实现。另一公知的增加轻负载效率的方法是引入操作的脉冲跳跃模式(PSM)。操作的脉冲跳跃模式通常包括当占空比低于预定义的最小占空比时开始跳跃脉冲。这包括在非连续传导模式(DCM)下操作SMPS，这一方法的示例可以在诸如来自德州仪器的TPS61175等普通SMPS控制器的应用注释中找到。脉冲跳跃模式的又一变型可以在US7075280中找到。这一变型使用恒定的接通时间，这意味着改变断开时间并且从而改变SMPS的开关频率。US2006/0268974A1中公开了又一解决方案，其包括将SMPS的操作模式从CCM变为DCM而不改变开关信号的占空比。与现有技术的解决方案相关联的问题在于，在操作的PSM期间进入SMPS的DCM。
技术实现思路
鉴于已知的SMPS控制方法中的这些问题，本专利技术旨在改进SMPS的轻负载效率。本专利技术的另一目的是提供重负载与轻负载之间的平滑过渡。根据本专利技术的实施例，提供了一种被配置成控制开关模式电源(102)的功率系中的开关元件的控制电路。功率系可操作地连接至上述开关模式电源的输入端子和输出端子。控制电路包括可操作地连接至功率系的开关元件的开关控制器。开关控制器被配置成针对上述开关元件生成开关控制信号，开关控制器还被布置成接收占空比信号。占空比信号控制开关控制信号的占空比。控制电路还包括被配置成接收指示上述输出端子的输出电压的输出电压信号的电压调节器。电压调节器可操作用于借助于生成上述占空比信号来控制输出端子处的输出电压。占空比信号由上述开关控制器来接收。控制电路还包括被配置成接收输出电压信号并且接收指示上述输入端子的输入电压的输入电压信号的模式控制器。模式控制器还被配置成接收指示从输出端子流向可连接负载的输出电流的输出电流信号。模式控制器还被配置成与上述开关控制器通信。模式控制器还被配置成监测输出电流信号以确定输出电流是否超过电流门限，并且被配置成控制开关控制器生成开关控制信号，使得当电流超过电流门限时，功率系在连续传导模式下操作，并且在确定输出电流下降到或低于电流门限时，功率系的操作从连续传导模式变为脉冲跳跃模式。以这一方式，连续传导模式进入脉冲跳跃模式。脉冲跳跃模式包括确定功率系的次级电路中存储的能量的量。次级电路可操作地连接至输出端子，并且当次级电路中存储的能量的量下降到或低于能量门限时，模式控制器借助于开关控制信号来指示开关控制器启用从初级电路到所述次级电路的能量传递，当次级电路中存储的能量的量超过上述能量门限时，借助于开关控制信号来禁用从初级电路到次级电路的能量传递。根据本专利技术的另一实施例，提供了一种用于开关模式电源的开关控制器的控制以生成开关控制信号的方法，开关控制信号用于控制开关模式电源的功率系中的开关元件。功率系包括可操作地连接至输入端子的初级电路以及可操作地连接至输出端子的次级电路。方法包括：监测指示从输出端子流向可连接负载的输出电流的输出电流信号以确定输出电流是否超过电流门限。方法还包括：控制开关控制器生成开关控制信号以在确定输出电流超过电流门限时在连续传导模式下操作开关模式电源。在确定输出电流下降到或低于电流门限时，控制开关控制器生成开关控制信号以将功率系的操作从连续传导模式直接改为脉冲跳跃模式并且锁定占空比信号的值。脉冲跳跃模式包括：监测次级电路的能量水平。脉冲跳跃模式还包括：在确定次级电路的能量水平下降至或低于能量门限时，借助于开关控制信号来引起开关控制器启用从初级电路到次级电路的能量传递。脉冲跳跃模式还包括：在确定次级电路的能量超过能量门限时，借助于开关控制信号禁用从初级电路到次级电路的能量传递。附图说明现在参考附图仅通过示例的方式来描述本专利技术的实施例，在附图中：图1示出了根据本专利技术的实施例的SMPS；图2图示使用同步整流和全桥的SMPS的传统的功率系；图3示出了根据本专利技术的实施例的开关控制器；图4示出了根据本专利技术的实施例的电压调节器；图5示出了根据本专利技术的实施例的模式调节器；图6是图示根据本专利技术的实施例的控制SMPS的方法的流程图；图7是图示根据本专利技术的实施例的控制SMPS的方法的流程图；图8是用于本专利技术的实施例的输出电流与时间的图；图9是来自第一实验的仿真结果的图；图10是来自第二实验的仿真结果的图；以及图11是来自第三实验的仿真结果的图。具体实施方式下面，参考某些实施例以及附图更详细地描述不同的方面。出于解释而非限制的目的，给出了具体细节，诸如特定场景和技术，以便提供对不同实施例的透彻理解。然而，也存在偏离这些具体细节的其他实施例。本专利技术的基本构思是使用计算每个脉冲中的能量的值的电荷/能量计算器。这一能量值存储在累加器中。从累加器中存储的能量值中减去流向可连接负载的输出电流。当累加器中存储的能量值低于零时，模式控制器启用功率系的开关以使用来自电感器的新的脉冲对输出电容器充电并且将对应能量值添加至累加器。图9中图示了针对一个循环的所得到的波形因子。针对连续导通模式，图8中的占空比D优选地为锁定占空比。两个脉冲中的总的电荷量等于：使用采样周期Ts对输出电流采样。总的电荷量为：由于开关频率恒定，所以可以将电荷计算连同Ts＝2*Tsw简化为计算累加的电流样本，其给出：其中为常数。在使用下降斜坡用于计算的替选实施例中，给出平均电流Imean的简化计算：图1示出了根据本专利技术的实施例的开关模式电源(SMPS)102。在本实施例中，SMPS102包括功率系101和控制电路100。功率系101可操作地连接至输入端子103用于接收输入电压(Vin)。功率系101还可操作地连接至输出端子104，输出端子104被配置成连接至可连接负载108。输入端子103处的输入电压借助于由控制电路100控制的上述功率系101被变换成输出端子104处的不同的输出电压。为了描述图1的其余部分，现在参考图2。图2示出了同步整流类型的传统的功率系101。功率系包括连接至输入端子103和中心抽头变压器203的全桥初级电路202，变压器203的中心抽头端子经由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制电路(100)，被配置成控制开关模式电源(102)的功率系(101)中的开关元件(Q1‑Q6)，其中所述功率系(102)可操作地连接至所述开关模式电源(102)的输入端子(103)和输出端子(104)，其中所述控制电路(100)包括：开关控制器(105)，可操作地连接至所述功率系(101)的所述开关元件(Q1‑Q6)，并且被配置成针对所述开关元件(Q1‑Q6)生成开关控制信号，所述开关控制器(105)还被布置成接收占空比信号(D)，其中所述占空比信号(D)控制所述开关控制信号(S)的占空比；电压调节器(106)，被配置成接收指示所述输出端子(104)的输出电压(Vout)的输出电压信号，并且可操作用于借助于生成由所述开关控制器(105)接收的所述占空比信号(D)来控制所述输出端子(104)处的所述输出电压；以及模式控制器(107)，被配置成接收所述输出电压信号(Vout)并且接收指示所述输入端子(103)的所述输入电压的输入电压信号(Vin)，所述模式控制器(107)还被配置成接收指示从所述输出端子(104)流向可连接负载(108)的输出电流(Iout)的输出电流信号(109)，所述模式控制器(107)还被布置成与所述开关控制器(105)通信；其中所述模式控制器(107)被配置成监测所述输出电流信号(109)以确定所述输出电流(Iout)是否超过电流门限，并且被配置成控制所述开关控制器(105)生成所述开关控制信号(S)，使得当所述电流超过所述电流门限时，所述功率系(101)在连续传导模式下操作，并且在确定所述输出电流(Iout)下降到或者低于所述电流门限时，所述功率系(101)的操作从所述连续传导模式变为脉冲跳跃模式，使得从所述连续传导模式进入所述脉冲跳跃模式，其中所述脉冲跳跃模式包括确定所述功率系(101)的次级电路中存储的能量的量，所述次级电路(201)可操作地连接至所述输出端子(104)，并且当所述次级电路(201)中存储的能量的量下降到或低于能量门限时，所述模式控制器(107)借助于所述开关控制信号(S)来指示所述开关控制器(105)启用从初级电路(202)到所述次级电路(201)的能量传递，当所述次级电路(201)中存储的能量的量超过所述能量门限时，借助于所述开关控制信号(S)来禁用从所述初级电路(202)到所述次级电路(201)的能量传递。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种控制电路(100)，被配置成控制开关模式电源(102)的功率系(101)中的开关元件(Q1-Q6)，其中所述功率系(102)可操作地连接至所述开关模式电源(102)的输入端子(103)和输出端子(104)，其中所述控制电路(100)包括：开关控制器(105)，可操作地连接至所述功率系(101)的所述开关元件(Q1-Q6)，并且被配置成针对所述开关元件(Q1-Q6)生成开关控制信号，所述开关控制器(105)还被布置成接收占空比信号(D)，其中所述占空比信号(D)控制所述开关控制信号(S)的占空比；电压调节器(106)，被配置成接收指示所述输出端子(104)的输出电压(Vout)的输出电压信号，并且可操作用于借助于生成由所述开关控制器(105)接收的所述占空比信号(D)来控制所述输出端子(104)处的所述输出电压；以及模式控制器(107)，被配置成接收所述输出电压信号(Vout)并且接收指示所述输入端子(103)的输入电压的输入电压信号(Vin)，所述模式控制器(107)还被配置成接收指示从所述输出端子(104)流向可连接负载(108)的输出电流(Iout)的输出电流信号(109)，所述模式控制器(107)还被布置成与所述开关控制器(105)通信；其中所述模式控制器(107)被配置成监测所述输出电流信号(109)以确定所述输出电流(Iout)是否超过电流门限，并且被配置成控制所述开关控制器(105)生成所述开关控制信号(S)，使得当所述电流超过所述电流门限时，所述功率系(101)在连续传导模式下操作，并且在确定所述输出电流(Iout)下降到或者低于所述电流门限时，所述功率系(101)的操作从所述连续传导模式变为脉冲跳跃模式，使得从所述连续传导模式进入所述脉冲跳跃模式，其中所述脉冲跳跃模式包括确定所述功率系(101)的次级电路中存储的能量的量，所述次级电路(201)可操作地连接至所述输出端子(104)，并且当所述次级电路(201)中存储的能量的量下降到或低于能量门限时，所述模式控制器(107)借助于所述开关控制信号(S)来指示所述开关控制器(105)启用从初级电路(202)到所述次级电路(201)的能量传递，当所述次级电路(201)中存储的能量的量超过所述能量门限时，借助于所述开关控制信号(S)来禁用从所述初级电路(202)到所述次级电路(201)的能量传递。2.根据权利要求1所述的控制电路(100)，其中所述模式控制器(107)包括：被配置成估计输出电流Iest＝Ierror+Imean的电流估计器，其中：Ierror＝G·(Vout-Vref)，其中G是第一常数，Vref是参考电压；以及Imean＝k·Vin·(D-D2)，其中k是第二常数，并且D是占空比值；被配置成在电流之和Isum小于零时生成脉冲信号(P)的电流累加器，其中：Isum[n]＝Imux[n]-Iout[n]+Isum[n-1]，其中n表示样本号，n-1表示前一样本，在生成脉冲信号(P)时，Imux等于Iest，否则Imux等于零，从而确定在脉冲跳跃模式期间所述功率系(101)的所述次级电路(201)中的能量的可用的量，并且在确定Isum小于零时，生成脉冲信号(P)，以引起所述开关控制器(105)启用从所述功率系(101)的所述初级电路(202)到所述次级电路(201)的能量传递。3.根据权利要求1所述的控制电路(100)，其中所述模式控制器(107)被配置成：监测所述输出电流信号(109)以确定所述输出电流是否已经下降到或低于所述电流门限并且确定所述输出电流是否小于–Iripple/2，其中Iripple是所述输出电流的纹波电流分量的幅度；监测所述输出电压信号以确定所述输出电压(Vout)是否在第一预定范围内；在确定所述输出电流已经超过所述电流门限并且所述输出电压在所述第一预定范围以外时，控制所述开关控制器(105)维持所述开关模式电源(102)在所述连续传导模式下的操作。4.根据权利要求1所述的控制电路(100)，其中所述模式控制器(107)可操作以：监测所述输出电流信号以确定所述电流是否已经下降到或低于所述电流门限持续至少预定时间；监测所述输出电压信号以确定所述输出电压是否在第一预定范围内；在确定所述输出电流信号已经下降到或低于所述电流门限持续至少预定时间并且所述输出电压在所述第一预定范围内时，控制所述开关控制器使得所述开关模式电源的操作从连续传导模式变为所述脉冲跳跃模式。5.根据权利要求3或4所述的控制电路，其中所述模式控制器被配置成在引起所述开关模式电源进入到所述脉冲跳跃模式之后并且在确定所述输出电流已经上升到高于所述门限或者所述输出电压已经移动至包括值的所述第一预定范围的值的第二预定范围之外时，引起所述开关控制器生成开关控制信号使得所述开关模式电源的操作从脉冲跳跃模式变为连续传导模式。6.根据权利要求1所述的控制电路(100)，其中：所述控制电路可操作以控制所述开关模式电源(102)中的所述功率系(101)，所述功率系(101)包括具有第一组开关元件(Q1到Q4)的初级电路(202)以及具有第二组开关元件(Q5，Q6)的次级电路(201)，所述初级电路(202)和所述次级电路(201)通过变压器(203)可操作地连接至彼此；以及所述模式控制器(107)被配置成在从连...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·卡尔森，O·珀森，
申请(专利权)人：瑞典爱立信有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE