ＤＣ／ＤＣ功率转换器的改进的反馈控制制造技术

本发明专利技术说明了电流型功率转换系统和方法，所述系统和方法向负载提供了稳定的输出电压和最大极限输出电流。所述系统包括：反馈控制部，所述反馈控制部在恒定负载状态时可线性操作以控制作用于负载的输出电压，并且在检测到在负载状态中具有超过预定阈值的变化时可非线性操作以控制作用于负载的输出电压，以便加速所述功率转换系统的瞬态响应。

【技术实现步骤摘要】

本公开涉及DC/DC功率转换器，并且更为特别地涉及在加大和减小输出电流负 载瞬态状态期间在负载变化时具有改进的瞬态响应的DC/DC功率转换系统。
技术介绍
DC/DC转换器多年来在工业中已经广泛应用。电流型DC/DC功率转换器包括 已经使用的多种设计。这样的设计包括固定的或恒定的频率峰和频率谷的电流型装置。 这些装置在各个周期中在固定的操作频率处打开或者关闭。存在这样的装置所述装置 以(各个周期的)“ON”时间保持恒定(ON时间控制)或者以(各个周期的)“OFF” 时间保持恒定(OFF时间控制)来进行操作，S卩，通过控制各个控制周期的“ON”时间 或者“OFF”时间来控制占空比周期(duty cycle)。这些传统的系统一般包括通常采用电感器形式的能量存储装置，使得在各个周 期的“ON”时间能够存储能量，而在各个周期的“OFF”时间能够使用所存储的能 量。该转换器系统通常通过感应流过电感器的电流而不是感应流过负载的电流而被调 节(regulated)。如果负载中出现瞬态变化，即负载电流比其正常值变大或者变小，则转 换器期望保持负载电压恒定，并且必须尽快地响应该瞬态变化。由于该转换器感应电流 信息，因此其能够提供抵抗过流状态的精确的保护。转换器能够是固定的频率峰值电流 架构或者频率谷值电流架构(current architecture)。另外，电流型转换器在负载状态稳 定时易于进行补偿以确保稳定的输出，因此电流型转换器易于使用。例如，恒定的频率 峰值电流型控制架构提供了固有的电流极限并且在输入和输出状态的较宽的范围内是稳 定的。该电流型转换器对于其中电流分配和瞬态响应极为重要的多相应用也是非常适用 的。超过最大负载电流的增大的电流极限使其允许具有应用于大负载时的改进的瞬态响 应的净空高度(headroom)。然而，该净空高度增大了对转换器功率组件的尺寸和额定值 要求，并且导致了信噪比减小至正常状态以下。由于电流型控制DC/DC转换器限制了输出电流，由此它们作用为电流源。在 输出负载变化时，初始地，由输出电容器提供电流，这是因为没有转换器能够足够快地 响应突然和快速的负载变化。所述输出将依据负载电流和电感器电流(inductor current) 的差异而升高/降低。所述控制器将感应电压上变化并且打开适当的开关。在恒定频率 峰值电流型控制转换器的情况中，在控制开关刚关闭后输出负载增加时会发生更糟糕的 情况。转换器必须等待下一时钟脉冲以打开控制开关。对于具有足够高带宽的转换器而 言，该时钟等待时间是该架构在瞬态响应期间电压下降的主要原因。对于不同的负载瞬 态响应状态，类似的等待时间问题也存在于其它的电流型架构中。
技术实现思路
期望在仍保持电流型控制部的多种优点的情况下，改进电流型控制DC/DC转换 器的瞬态响应。该改进的瞬态响应需要同样有益于恒定ON时间电流型架构和恒定OFF时间电流型架构，并且改进典型地与这些架构相关联的非对称瞬态响应。由于该瞬态控制模式改进了时钟等待时间，非滞后电压型控制器也能够受益于 该方法。本公开说明了功率转换的过程和构造用以向负载提供稳定的输出电压和最大的 极限输出电流的电流型功率转换系统。该系统包括反馈控制部，该反馈控制部可以在恒 定负载状态下以第一模式操作以用于控制负载的输出电流，以及在负载变化的状态下以 第二模式操作以用于控制负载的输出电流，其中当检测到负载状态变化时，所述第二模 式的反馈控制优先于所述第一模式的控制，以加速所述反馈控制部的响应。附图说明图1示出了整合有改进的反馈控制部的DC/DC功率转换器的一个实施方式。 具体实施例方式图1中示出的实施方式以简单并且及时的方式检测负载瞬时值，其中所述方式 不需要额外的外部感应电路/组件或者额外的IC(集成电路)引脚。该实施方式还提供 了仅在负载瞬态状态时操作的新的控制模式，以提供改进的瞬态响应。另外，该实施方 式允许简单地调节阈值，以用于线性控制和非线性控制之间的模式转换。最后，图1中 的实施方式包括非线性控制方面，该非线性控制方面通过在非线性控制部电路受控时加 速线性电路响应而缩短了非线性控制持续时间。图1中示出的实施方式示出了已经被相应地修改的峰值电流型控制器，但应理 解本改进将适用于包括峰值电流(感应上升沿的最大值)型转换器系统、波谷电流(感应 下降沿的最小值)型转换器系统和均值电流(最大值和最小值的平均值)转换器系统的任 何电流型控制器。峰值型转换器和谷值型转换器假定操作频率保持恒定。另外存在以 如下方式操作的转换器或者“ON”时间保持恒定(为了恒定的ON时间控制)或者“OFF”时间保持恒定(为了恒定的OFF时间控制)，S卩，通过控制ON开关的“ON” 时间或者“OFF”时间来控制占空比周期。这些改进也将应用于这些恒定的ON/OFF时 间控制器。所示出的实施方式感应系统中的电流(即，流过电感器的电流)，而不是感应流 过负载的电流。如果在负载中发生瞬变(即，流过大于或小于其正常值的电流)，则转换 器将试图保持负载电压恒定，并且将尽可能快地响应该瞬变。但是，对于固定频率控制 器(峰值型或谷值型)而言，由于现有技术的恒定频率峰值型装置和谷值型装置在一个时 钟周期内仅做出一次判定，因此存在响应瞬变的固有的等待时间。该问题对于恒定ON/ OFF时间控制器也同样适用。应注意不管要求多大的输出电流，该转换器将试图保持输出电压恒定。负载电 流每次发生变化，转换器将需要进行调节，并且输出电压将由此而产生一些波动。这称 为转换器输出电压的瞬态响应。人们期望将输出电压中的该波动最小化。图1中示出的本实施方式通过消除时钟等待时间而改进了该瞬态控制模式。由 于该瞬态控制模式消除了时钟等待时间，非滞后电压型转换器也能够从该方法中受益。如图1中所示，V0通过包括R1、R2、C1和C2的网络被感应。R1和R2形成电阻分压器以缩放信号Vci以使Vci与Vref成比例。电容器C1和C2被设置用以使所述分压 器与频率相关。Vci的与频率相关的缩放值标注为VEAIN。控制器感应Veain并且在误差 放大器gm(示出为跨导(gm)放大器)的输入端将Veain与参考电压Vref相比较。由此， 控制器感应Veain(施加到所述误差运算放大器gm的反向输入端)——输出电压Vq的与 频率相关的缩放值。因为所述误差放大器是跨导放大器，所以这是起作用的。运算放大 器将在反相输入端形成虚地(virtual ground)，信号将不与Vci成比例。输入信号Veain与 Vref信号比较，后者被施加到gm放大器的非反相输入端。输出的误差信号即电流Igm与 Veain和Vref的差成比例并且被施加到第一反馈路径。该电流放大器的输出阻抗为R0(示 出为图1中的误差放大器的输出端与系统地之间的电阻)。包括电阻器/电容器网络的 补偿网络在误差放大器的输出和系统地之间产生与频率相关的阻抗。输出阻抗越高，DC 转换器的回路增益越高。补偿网络确定如下的传递函数其在DC端提供有限增益，并 且当频率变化时提供可变(但最终是减小的)增益。该补偿网络通过为第一控制回路提 供多个极点和零点而使得控制回路稳定。结果产生了与被补偿的电压误差成比例的电压Vlth。将该电压施加到比较器的非 反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电流型功率转换器系统，所述系统被构造成向负载提供稳定的输出电压和最大的极限输出电流，所述系统包括：反馈控制部，所述反馈控制部在恒定负载状态时可线性操作以控制作用于负载的输出电压，并且在检测到在负载状态中具有超过预定阈值的变化时可非线性操作以控制作用于负载的输出电压，以便加速所述功率转换系统的瞬态响应。

【技术特征摘要】
US 2009-9-17 12/561,9121.一种电流型功率转换器系统，所述系统被构造成向负载提供稳定的输出电压和最 大的极限输出电流，所述系统包括反馈控制部，所述反馈控制部在恒定负载状态时可线性操作以控制作用于负载的输 出电压，并且在检测到在负载状态中具有超过预定阈值的变化时可非线性操作以控制作 用于负载的输出电压，以便加速所述功率转换系统的瞬态响应。2.根据权利要求1所述的电流型功率转换系统，其特征在于，所述反馈控制部包括 检测器，所述检测器被构造和布置成用以检测负载状态的变化，当所述检测器检测到大 于所述预定阈值的负载状态的变化(增大或者减小)时，所述反馈控制部响应于所述检测 器，以从线性操作切换至非线性操作。3.根据权利要求2所述的电流型功率转换系统，其特征在于，所述检测器包括阈值检 测器，所述阈值检测器被构造和布置以检测超过所述预定阈值的负载状态的变化。4.根据权利要求2所述的电流型功率转换系统，其特征在于，所述检测器包括用于检 测误差信号变化的阈值检测器，所述误差信号是作用于负载的电压与参考信号的函数， 其中所述反馈控制部响应于所述误差信号。5.根据权利要求4所述的电流型功率转换系统，其特征在于，所述误差信号由与频率 相关的增益进行修正，以区别负载状态的改变和噪声的改变。6.根据权利要求5所述的电流型功率转换系统，其特征在于，所述反馈控制部包括阻 抗驱动器网络，所述阻抗驱动器网络被构造用以根据作用于负载的电压频率修正所述误 差信号。7.根据权利要求4所述的电流型功率转换系统，其特征在于，所述反馈控制部包括均 响应于所述误差信号的至少两个反馈路径，其中一个所述反馈路径用以在线性操作期间 提供用于调节所述输出电压的反馈控制，另一个反馈路径用以在非线性操作期间提供用 于加速对所述输出电压的调节的反馈控制。8.根据权利要求7所述的电流型功率转换系统，其特征在于，还包括用于复制来自一 个反馈路径的所述误差信号的电路，以便在其它反馈路径中产生所述误差信号。9.根据权利要求8所述的电流型功率转换系统，其特征在于，其中一个所述误差信号 根据所述误差信号的与频率相关函数被处理。10.根据权利要求8所述的电流型功率转换系统，其特征在于，其中用于复制所述误 差信号的电路包括电流镜。11.根据权利要求8所述的电流型功率转换系统，其特征在于，所述电路包括至少一 个放大器，所述放大器构造成用以放大作为作用于负载上的电压函数的信号。12.根据权利要求11所述的电流型功率转换系统，其特征在于，所述电路包括第二放 大器，所述第二放大器构造成用以放大作为作用于负载上的电压函数的信号。13.根据权利要求1所述的电流型功率转换系统，其特征在于，所述反馈控制部包括 均响应于所述误差信号的至少两个反馈路径，其中一个所述反馈路径用以在线性操作期 间提供用于调节...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰斯特莱登，埃里克古衣丁，
申请(专利权)人：凌力尔特有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]