开关电源转换器和用于控制多个开关电源转换器的系统技术方案

一种用于同时调节多个不同类型的开关电源转换器工作的控制系统和方法。该系统使用调节电源转换器的采样数据和非线性反馈控制环路。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及开关电源或变换器。特别地，本专利技术涉及简单、耐用的开关 电源，其能够为给定电路中多个不同的稳压电源提供电能。
技术介绍
开关电源被用于在多个产品中例如蜂窝电话、照相机、PDA (个人数字 助理)、计算器、便携式计算机以及类似的电子设备提供电能。这种开关电 源十分复杂，并且使用大量元件以提供多个精确地调整的输出电压，以为包 含在被供电的产品屮的各种集成电路和其它元件提供电能。相对于使用它们 的产品的成本和质量，这种电源是昂贵的、体积大并且效率低。对于为设备 提供td电池寿命的功效是很重要的。图1示出了由电池10供电的在便携设备 中使用的典型的现有技术的电源。来fi电池10的信号通过导线10a传输到电 平转换电路12，该电平转换电路被来自模拟脉冲宽度调制的控制器11的控 制信号所控制。来自模拟脉冲宽度调制控制器的控制信号对导线17a和17b 上的信号检测到的电阻器16两端的压降敏感，导线17a和17b分别将电阻器 16的两端连接到模拟PWM控制器11。连接N沟道MOS晶体管13a和13b， 以互补方式工作。电平转换电路12为N沟道晶体管13a的栅极提供高电平 电压，以将来自电池10的脉冲应用于线圈15的一个输入端。线圈15的另一 个输入端连接到电阻器16的一端。电阻器16的另一端连接到负载电容器18， 该负载电阻器18包含为该具体的电路供电所必需的电压的充电，其中具体的电路由电源的该部分供电。模拟PWM控制器11测量通过电阻器16的电流并控制N沟道MOS晶体管13a的导通时间。N沟道MOS晶体管13b由驱动 N沟道MOS晶体管13a的栅极的信号的反信号(complement)驱动，并且 导通以使线圈15的输入导线接地并切断通过电阻器16提供给电源所需要的 电流。图2示意性地示出了模拟脉冲宽度控制器11的内部电路。如图2所示，电流源20为电容器21提供充电电流，以生成该电容器两 段的斜线电压(ramp voltage)。该斜线电压被提供给差分放大器22a的正极 输入导线，其负极输入导线接收差分放大器22b的输出信号。放大器22b的 正极输入导线连接到负载电容器18并传递表示负载电容器18两端电压的信 号。差分放大器22b的负极输入导线连接到电阻器23a和23b之间的节点， 电阻器23a和23b组成分压器(其一端连接到参考电压VREF，而另一端连接 到差分放大器22b的输出导线)。这样当电容器18两端的输出电压小于电阻 器23a和电阻器23b之间的节点A的电压时，差分放大器22b的输出电压转 向低电平。该低电平输出电压被提供给放大器22a的负极输入导线，使放大 器22a产生正的输出脉冲。该正的输出脉冲被传输到线圈15，以为电容器18 提供充电电流。随着时间的增加，电容器18上的电荷增加，直到电容器18 两端的电压超过节点A处的电压。在这一点上，差分放大器22b的输出电压 转向高电平，以致差分放大器22a的负极输入导线上的电压超过差分放大器 22a的正极输入导线上的电压，使放大器22a的输出电压变为低电平，并因 此防止电容器18的进一步充电。线圈15两端的电压为负，反映电流的负的 变化率，其是响应来自放大器22a的脉冲的下降沿从高电平变为低电平。由 于线圈的磁场，通过线圈15的电流不会瞬间变化，但是随时间逐渐变化。这 种类型的电源，其特点在于电流源驱动电容器，其被认为是模拟补偿转换器。 每个MOSFET调制周期由精密比较器和误差放大器形成。这种电源难于定标 和集成到集成电路中，并且典型地利用受控(captive)半导体工厂专用的模 拟加工工艺制造。因此，需要一种能提供不同电平精度电压并同时易于用比现有技术更少 的元件来实现的电源。这种电源同时必须相对便宜、耐用和可靠
技术实现思路
根据本专利技术，提供了一种开关电源，其既便宜又耐用，并且同时能够提 供多个不同的输出电压。根据本专利技术的一个实施例，环形振荡器与开关矩阵一同使用，以提供一 对信号，然后该对信号用于产生脉冲宽度调制信号以控制通过电感器的电流 和电源中输出电容器两端的电压。来自环形振荡器被选为产生脉冲宽度调制 信号的一对特殊的信号由控制器确定，该控制器检测输出电容器两端的电压 并提供足够的电流以保持输出电容器两端希望的电压。输出电容器为电源驱 动的电路提供选择的电压时的电流。可以控制脉冲宽度调制信号的占空比为 从0到接近100%的值。环形振荡器包括奇数个反相器，反相器的数目越多，占空比越可以接近100%。相位比较器将环形振荡器的振荡频率锁定为要求的值。在可选的实施例中，n位计数器用于产生两个信号， 一个信号与另一个 信号有时间偏差，从而两个信号之间的延迟控制脉冲宽度调制器输出的脉冲 的宽度。在一个实施例中，该结构包括两个数字比较器，每个驱动触发电路 (flip-flop)，该触发电路产生山每个比较器中的时延延迟的输出信号。本专利技术的电路可以控制多个不同电源的电压电平。特别地，环形振荡器 上不同抽头的可用性允许选择不同对信号，每对信号用于响应相应的输出电 容器上不同于要求的标称伹的电压，产生单独的脉冲宽度调制信号。因此根 据本专利技术的单个控制器nj以控制系统中的多个电源，每个电源提供不同的电 压。本专利技术的脉冲宽度调制控制电路经济，便于利用商业半导体工厂可用的 标准生产工艺在集成电路基片上制造，并且能够用于要求的脉冲宽度调制输 出信号的多种应用中。根据本专利技术的一个实施例，提供预测控制回路以调整一个或多个输出电 压。该预测控制回路可以使用计算单元(例如，微控制器)以应用数字控制 技术来调整输出电压。在一个实施例中，信号的占空比驱动脉冲宽度调制转 换器中的开关以改变外部电感器中的电流，以响应转换器输出电压的改变。 在根据木专利技术的一项控制技术中，利用转换器的线性电路模型，转换器预测 对输出电压变化的响应(例如，当负载被接通时)，并将非线性修正应用到 多个时间步长上。在一个实施例中，转换器试图将其恢复到平衡状态，其中的平均电流("线圈电流")是负载中的平均电 流，以及线圈电流从时间步K到时间歩长不发生变化。根据本专利技术，提供了一种开关电源转换器，其包括环形振荡器，其由多个串联的反相器组成；反馈环路，其连接在反相器组的最后一个反相器的输出导线到反相器组 的第一个反相器的输入导线；选择电路，其能够从所述串联连接的反相器串的反相器中选择至少一个 输出信号；异或门，其在一个输入导线上接收所述选择的输出信号，和在另一个输 入导线上从所述反相器串中的反相器的输出导线上接收参考输出信号。根据本专利技术所提供的开关电源转换器，其中所述异或门产生输出信号， 该信号具有与向所述异或门提供输出信号的反相器之间的反相器数量成比例 的持续时间。根据本专利技术所提供的开关电源转换器，其中来自所述异或门的输出信号 的占空比能从0变化到接近100% 。根据本专利技术所提供的开关电源转换器，其中所述环形振荡器的振荡频率 等于l除2nA，其屮n是所述串联连接的反相器串屮的反相器的数量，而A 是信号通过每个所述反相器的时间延迟。根据本专利技术所提供的开关电源转换器，其中所述环形振荡器的所述振荡 周期为2nA。根据本专利技术，提供了一种用于调节输出电压的方法，所述输出电压被施 加到位于电源转换器的输出端上的负载，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于调节输出电压的方法，所述输出电压被施加到位于电源转换器的输出端上的负载，所述电源转换器包括连接在所述输出端和地参考之间的输出电容器，以及可选择地被开关连接在电源和所述地参考之间的电感器，所述方法包括：　在第一时间间隔期间检测所 述输出电压；以及　当所检测的所述输出电压偏离目标值预定的值时：　在紧跟所述第一时间间隔的第二时间间隔内，计算所述电感器中足以使所述输出电压达到目标电压的下一个电流值；以及　根据所计算的所述下一个电流，在所述第二时间间隔期间 ，变化所述开关的占空比，以改变所述电感器中的所述电流，所述占空比为所述第二时间间隔的部分，在所述第二时间间隔的所述部分期间所述开关将所述电感器连接到所述电源。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：肯特科纳罕，约翰卡尔托马斯，伊莱尔斯劳兹艾诺，大卫F弗雷泽，杰克罗恩，丹尼尔W尤德，
申请(专利权)人：艾科嘉公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]