DC-DC变换器及其控制器和控制方法及包括其的装置制造方法及图纸

ＤＣ－ＤＣ变换器包括开关（Ｓ１），其在周期时间（Ｔｐ）的接通时间段（Ｔｏｎ）将电感（Ｌ）周期性地连接到ＤＣ输入电压（Ｖｉ），ＤＣ－ＤＣ变换器的工作频率（ｆｏ）是周期时间（Ｔｐ）的倒数。ＤＣ－ＤＣ变换器的一个输出端（０１）与电感（Ｌ）连接以提供一个输出电压（Ｖｏ）。作为该输出电压（Ｖｏ）的函数，控制器（ＣＯ）控制ＤＣ－ＤＣ变换器的工作频率（ｆｏ）基本上与该输出电压（Ｖｏ）成正比，以获得接通时间段（Ｔｏｎ）的基本恒定的平均持续时间。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种DC-DC变换器，在该DC-DC变换器中使用的控制器，包含该DC-DC变换器的装置，和控制该DC-DC变换器的方法。US 6,366,070公开了一种开关电压调节器，其使用两种调制方案来控制调节器的开关元件。一个控制电路间接监控负载电流。当负载减小时，该控制电路同时降低操作开关晶体管的控制信号的占空比和频率，从而在一个比用固定频率的控制信号所能达到的输出电流范围更宽的范围上保持高的效率等级。该控制方法能应用于使用峰值电流模式、平均电流模式、或电压模式控制的，以及降压(buck)、降压-升压(buck-boost)、升压(boost)功率级的开关调节器。现有技术的DC-DC变换器当占空比小时其控制范围是有限的。本专利技术的目的是提供一种能应付较大的动态负载变化的DC-DC变换器。本专利技术通过独立权利要求来限定。有利实施例在从属权利要求中限定。根据本专利技术的DC-DC变换器包括一个开关，用于在一个周期时间的接通时间段周期性地将电感连接到DC输入电压。DC-DC变换器的工作频率是该周期时间的倒数。DC-DC变换器还有一个连接到电感的输出端，并且在该输出端给出输出电压。经过电感的电流在接通时间段增大，以便在电感中存储能量。在断开时间段，能量通过电感提供给负载，电感中的电流减小。控制器控制工作频率作为输出电压的函数基本上与输出电压成正比来获得在接通时间段基本恒定的平均持续时间。当负载需要较小电流并且变换器的频率无法立即被控制来应付较小电流时，接通时间段的平均持续时间将被选择为足够大而使接通时间在周期短时能及时变小。现有技术中如果忙闲度(并且因此接通时间)被控制而变小(已公开了忙闲度可以变为0)，则忙闲度由于变得太小而不能应付动态负载变化。工作频率不需要精确的正比于输出电压，因为不需要接通时间段的平均值具有精确的预定持续时间。只要输出电压基本上成正比以便接通时间段的平均值基本恒定就足够了。在根据本专利技术的DC-DC变换器中，接通时间段的持续时间基本上与输出电压无关，从而能被选择为足够大以应付在输出端的动态负载变化。进一步，如在现有技术中所提到的，不是由输出电压直接控制DC-DC变换器的工作频率，而是由输出电压和参考电压的差值来控制。在如权利要求2所限定的实施例中，DC-DC变换器包括一个提供控制信号给驱动电路的可控振荡器。该驱动电路提供驱动信号给开关以便控制开关的接通和断开状态。一个输出电压测量电路提供一个振荡器控制信号给可控振荡器以便调整其工作频率基本与输出电压成正比，同时保持开关的接通时间段基本恒定。这样的驱动电路、可控振荡器和输出电压测量电路是公知的。它们的实现与本专利技术无关。但是，应选择转移特性以便工作频率能以期望的方式由输出电压来确定。输出测量电路可以提供输出电压作为振荡器控制信号。在如权利要求3所限定的实施例中，工作频率基本上直接正比于输出电压。这是一个简单的近似，工作频率基本上随输出电压线性变化fo＝k1×Vo，其中fo是工作频率，k1是常数，Vo是输出电压。在如权利要求4所限定的实施例中，工作频率还依赖于DC输入电压，以保持接通时间段的持续时间在输入电压变化的情况下基本恒定。在如权利要求5所限定的实施例中，工作频率基本上直接正比于DC输入电压的倒数。在如权利要求6所限定的实施例中，工作频率与输出电压和DC输入电压之间的关系符合下面的等式fo＝(N×Vo)/(Ton×Vi)，其中N是常数，Vo是输出电压，Ton是基本恒定的接通时间段，Vi是DC输入电压。这个关系式尤其适合于一种降压变换器(buckconverter)，其中处于稳态的忙闲度通过下面的等式来确定d＝Ton/Tp＝Vo/Vi，其中Tp是包含一个接通时间段Ton和一个断开时间段Toff的一个周期的持续时间，因而是工作频率fo的倒数。在如权利要求8所限定的实施例中，控制器包括一个比较器，其用于比较开关的接通时间段的实际持续时间和接通时间段的期望持续时间以便控制工作频率来获得接通时间段的基本恒定平均持续时间。只有期望的平均接通时间需要设置，而不需要测量DC输入电压的值和输出电压的值。还有一个优点就是控制器中的容差通过闭合回路来协商。优选地，控制器还包括一个环路滤波器，其对接通时间段的实际持续时间和接通时间段的期望持续时间之间的差值进行低通滤波并且提供经过滤波的差值给可控振荡器。优选地，滤波器的积分时间基本上大于一个周期的持续时间以获得一种慢回路来防止不稳定性。该回路不需要是很快的，因为其仅仅必须控制工作频率以便使接通时间段的持续时间是均值恒定的。接通时间的持续时间随动态负载步调而动态变化是容许的。在如权利要求9所限定的实施例中，在回路上，还测量DC输入电压值和输出电压值，以获得对在这些电压上的变化的快速反应。本专利技术的这些和其它方面将参考下文所述的实施例来阐明并由此是显而易见的。在附图中附图说明图1示出根据本专利技术的DC-DC变换器的实施例的框图。图2示出根据本专利技术的降压变换器的框图。图3示出用于说明图2的降压变换器的操作的信号。图4示出作为输出电压函数的工作频率。图5示出用于控制图2的降压变换器的控制电路的一个实施例。图6示出用于控制图2的降压变换器的控制电路的另一个实施例。在不同的图中相同的附图标记表示相同的信号或执行相同功能的相同元件。图1示出根据本专利技术DC-DC变换器的实施例的框图。DC-DC变换器包括由电感L和可控开关S1组成的一组电路。该组电路接收DC输入电压Vi。DC输入电压Vi的负极接地。二极管D被设置于输出端O1和电感L与开关S1的结合点之间。平滑电容器C和负载Z两者都被设置于输出端O1和地之间。DC-DC变换器的输出电压Vo存在于负载Z两端。控制电路CO接收输出电压Vo并且提供一个控制信号CS到开关S1来控制开关S1的接通和断开时间段Ton，Toff。控制器CO控制DC-DC变换器的工作频率作为输出电压Vo的函数以便接通时间段Ton保持基本恒定。控制器CO的实施例参照图5和6来阐明。示出的DC-DC变换器可以嵌入到举例来说诸如电视接收机、计算机监控器、盒式磁带录像机、打印机或计算机之类的电子设备中。负载Z是该电子设备的电路负载。在根据本专利技术的一个实施例中，控制器CO接收输入电压Vi来进一步控制工作频率fo作为输入电压Vi的函数以便接通时间段Ton基本保持恒定。图2示出根据本专利技术的降压变换器的框图。降压变换器包括由开关S 1和开关S2的主电流通路所组成的一组电路，其被设置用于接收DC输入电压Vi。电感L1设置于DC-DC变换器的输出端O1与开关S1和S2的主电流通路的结合点之间。DC输入电压的负极和开关S2中没有连接到开关S1的一端都接地。平滑电容器C和负载Z的并联电路被设置于输出端O1和地之间。控制电路CO接收输出电压Vo以及可选地接收输入电压Vi，以便提供控制信号CS1和CS2，其分别控制开关S1和S2的接通和断开时间段。对开关S1和S2进行控制以便使其具有基本相反的相位当开关S1导通(闭合)时开关S2是不导通(断开)的，反之亦然。此外，控制器CO控制DC-DC变换器的工作频率fo作为输出电压Vo的函数以便开关S1的接通时间段Ton基本保持恒定。控制器CO的实施例参照图5和6来阐明。在根据本专利技术的实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＤＣ－ＤＣ变换器，包括：电感，连接用来接收ＤＣ输入电压和提供输出电压，开关，用于在周期时间的接通时间段将电感周期性地连接到ＤＣ输入电压，ＤＣ－ＤＣ变换器的工作频率是周期时间的倒数，和控制器，作为输出电压的函数，用 于控制工作频率基本上正比于输出电压，以获得接通时间段期间基本恒定的平均持续时间。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JC哈伯斯塔德特，PTJ德根，AMG莫伯斯，
申请(专利权)人：NXP股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]