CN101425750A - 电源控制器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电源控制器及其方法。在一个实施方式中，PWM控制器使用功率***的输入功率来调节开关PWM信号的占空比。

Description

电源控制器及其方法

发明背景

本发明大体涉及电子学，尤其是涉及形成半导体器件的方法和结构。

过去，半导体工业利用各种方法和结构来形成脉冲宽度调制(PWM)的电源控制器。PWM控制器通常用在电源中以将输出电压调节到期望值。在一种结构中，电源控制器起电压模式控制器的作用，该电压模式控制器使用输出电压的值来形成闭环调节***。这些电压模式控制器中的一些还结合了利用输入电压的值来帮助调节输出电压的电压前馈。这样的电源控制器的一个例子是由Dallas Texas的Texas Instrument公司提供的UCC35701。一个问题是这些现有的控制器只利用电感器电流作为电流限制，以便限制提供给电感器的电流的最大值。另一问题是输出电压值中的振荡和过冲可能响应于负载电流的瞬变条件或供给到电源的输入电压的瞬变条件而出现。

因此，期望有一种电源控制器，其响应于输入电压的变化、响应于负载所需要的电流的变化、或响应于在输入电压上的噪声信号而更准确地调节输出电压的值。

附图说明

图1简要示出根据本发明的包括电源控制器的示例性实施方式的电源***的一部分的实施方式；

图2是具有曲线的图，其示出根据本发明的图1的控制器的一些信号；

图3简要示出电源***的一部分的实施方式，该电源***包括根据本发明连接在图1的***的可选实施方式中的图1的电源控制器；

图4简要示出电源***的一部分的实施方式，该电源***包括根据本发明连接在图1的***的另一可选实施方式中的图1的电源控制器；以及

图5简要示出包括根据本发明的图1的电源控制器的半导体器件的放大平面图。

为了说明的简洁和清楚，附图中的元件没有必要按比例绘制，且不同附图中相同的参考数字表示相同的元件。此外，为了描述的简洁而省略了对公知的步骤和元件的说明与详述。如这里所使用的载流电极(current carrying electrode)表示器件的一个元件，其承载通过该器件的电流，如MOS晶体管的源极或漏极、或双极型晶体管的集电极或发射极、或二极管的正极或负极；而控制电极表示器件的一个元件，其控制通过该器件的电流，如MOS晶体管的栅极或双极型晶体管的基极。虽然这些器件在这里被解释为某个N沟道或P沟道器件，但本领域中的普通技术人员应该认识到，依照本发明，互补器件也是可能的。本领域中的技术人员应认识到，这里使用的词“在...的期间、在...同时、当...的时候”不是指一个行为在初始行为发生时立即发生的准确术语，而是在被初始行为激起的反应之间可能有一些小而合理的延迟，如传播延迟。

具体实施方式

图1简要示出包括电源控制器30的示例性实施方式的电源***10的一部分的实施方式。***10在输入端子11和返回端子12之间接收输入功率例如整流DC电压，并在输出端子13和返回端子12之间形成输出电压。负载14通常连接在端子13和12之间，以便从***10接收输出电压和输出电流19的一部分。储能电容器17用于帮助形成输出电压。反馈网络包括串联连接在端子13和12之间的电阻器21和电阻器22，以便在反馈节点23形成反馈(FB)信号。反馈(FB)信号表示输出电压的值。储能电感器18用来帮助提供输出电流19。电阻器24用来形成表示输出电流19的值的感测信号。如本领域中技术人员公知的，感测信号可由除了电阻器24以外的装置形成。功率开关，例如晶体管27和28用来提供输出电流19并调节输出电压的值。控制器30形成用来控制晶体管27和28的PWM驱动信号，以便帮助提供电流19并调节输出电压的值。

电源控制器30配置成计算由***10使用的输入功率的瞬时值，以便提供负载14所需要的功率。控制器30配置成使用输入功率的瞬时值来调节提供到晶体管27和28的驱动信号的占空比(duty cycle)。控制器30配置成在电压输入32和电压返回33之间接收用于操作控制器30的功率。输入32和返回33通常连接到相应的端子11和12。控制器30的输出34和37用于提供第一和第二PWM驱动信号，该驱动信号用于控制相应的晶体管27和28的操作。控制器30的反馈输入38连接成从节点23接收反馈(FB)信号。控制器30的电流感测输入35和36连接在电阻器24两端，以便接收表示电流19的值的感测信号。

控制器30通常包括PWM控制电路43、斜波发生器电路55和误差放大器51。控制器30还通常包括内部电压调节器40，其连接在输入32和返回33之间，以便在输出41上形成内部工作电压。内部工作电压用于提供工作功率，以操作控制器30的元件，例如误差放大器51，以及电路43和55。误差放大器51接收反馈(FB)信号和来自参考52的实质上固定的参考信号，并响应性地形成表示输出电压的期望值和输出电压的实际瞬时值之间的差值的误差信号(ES)。期望值通常包括在目标值左右的值的范围内的目标值。例如，目标值可为5伏(5V)，且值的范围可为在5伏左右的正或负的5％。PWM控制电路43包括时钟发生器电路或时钟42、PWM比较器53、PWM锁存器44和非重叠电路46。如本领域的技术人员将认识到的，非重叠电路46从锁存器44接收PWM开关信号45，并形成用于控制晶体管27和28的第一和第二驱动信号。非重叠电路46确保两个驱动信号不同时使晶体管27和28导通，以便避免通过两个晶体管的短路电流。输出缓冲器47和48用于放大信号，以确保控制器30提供用于操作晶体管27和28的充足的驱动电流。时钟42形成具有实质上固定的周期的时钟(CK)信号。

斜波发生器电路55包括电流感测放大器56，该电流感测放大器56从输入35和36接收差分感测信号，并形成表示输出电流19的值的电流感测(CS)信号。电路55还包括乘法器58、可变电流源61、斜波电容器64和放电晶体管65。电路55还通常包括提供有助于电路55的工作的偏移电压的偏移器(offset)57和66。电路55在电路55的输出60上形成斜波信号。

图2是具有曲线的图，其示出由控制器30形成的一些信号的值。横坐标表示时间，而纵坐标表示所示信号的增加的值。曲线75表示来自时钟42的时钟(CK)信号。曲线76表示PWM开关信号45。曲线77表示相对于返回33在输入32上接收的输入电压(Vin)的值。曲线78表示在端子13和12之间的输出电压(Vo)。曲线79示出来自放大器56的电流感测(CS)信号的值，而曲线80以虚线示出负载电流15的值。曲线82示出来自误差放大器51的误差(ES)信号的值，而曲线83示出由斜波发生器电路55形成的斜波(Ramp)信号。该描述涉及图1和图2。

在工作中，时钟42形成具有实质上固定的周期(T)的实质上固定的时钟(CK)信号。如曲线75和76所示，CK信号的上升沿使锁存器44置位，并使PWM开关信号45有效。使信号45有效使晶体管27导通来提供输出电流19，以便给电容器17充电并向负载14提供负载电流15。电流19的一部分用来给电容器17充电，而另一部分变成负载电流15。乘法器58计算由***10使用的输入功率的值。乘法器58接收表示输入电压(Vin)的值的信号，并从放大器56接收电流感测(CS)信号。这两个信号被乘法器58乘在一起，以在乘法器58的输出59上形成功率输入(PI)信号。因为输出电流19表示来自端子11的输入电流，功率输入(PI)信号的值是表示由***10使用的输入功率的瞬时值的模拟信号。因此，PI信号的值响应于输入电压(Vin)的值的瞬时变化和输入电流的值的瞬时变化而变化。可变电流源61形成用于给电容器64充电的充电电流62，并形成由曲线83示出的斜波(Ramp)信号。因为源61是可变电流源，电流62的值响应于功率输入(PI)信号的值而变化，因而响应于由乘法器58计算的输入功率的值而变化。因此，当输入功率的值变化时，斜波信号的斜率或转换率改变。如果输入功率增加，则PI信号增加，这响应性地增加了电流62的值，从而更快地给电容器64充电，并形成斜波信号的较陡峭的斜率(较高的转换率)。相反，斜波信号的转换率随着输入功率值的降低而降低，并降低PI信号的值。乘法器58、源61和电容器64形成对输入功率的值求积分以形成斜波信号的积分器。对输入功率求积分计算输入能量。当PWM开关信号45无效时，晶体管65被导通来给电容器64放电。因此，电路55只在晶体管27被导通的时间间隔期间对输入功率求积分，并计算输入能量。因此，斜波信号表示在PWM开关信号45的一个周期期间的输入能量。因为当晶体管27被截止时没有输入电流可流经晶体管27，在晶体管27被导通时对输入功率求积分表示总输入能量。比较器53接收斜波信号和ES信号，并当斜波信号的值达到误差(ES)信号的值时使锁存器44复位。将锁存器44复位使信号45无效，并设定PWM开关信号45的占空比。因为斜波信号响应于输入功率、信号45被设为有效的时间长度而变化，因而PWM开关信号45的占空比也响应于输入功率而变化。偏移器57是确保由乘法器58接收的CS信号的最小值大于零的电压。偏移器66是确保斜波信号的最小值大于ES信号的最小值的电压。偏移器57和66的值通常小于1伏，并优选地为约0.3伏。

控制器30响应于提供负载14要求的功率所需要的输入功率而控制PWM开关信号的占空比。使用输入功率来控制占空比也响应于负载14所需要的功率而控制输出电流19的值。当负载14需要的功率变化时，输出电压的值也变化，因而FB信号的值在相反的方向变化。例如，当负载14需要的功率的值增加时，FB信号减少。使用输入功率来控制电流19的值导致当输入电压的值变化时准确调节输出电压的值。当输入电压和负载电流15的值变化时，它还准确控制电流19的值。

例如，假定在时刻T0(图2)，CK信号变为高电平并使锁存器44置位，因而使信号45有效并使晶体管27导通来提供输出电流19。放大器56形成CS信号，且乘法器58计算输入功率并响应性地形成功率输入(PI)信号。电流源61形成具有由PI信号控制的值的电流62，从而形成斜波信号，如曲线83所示。当斜波信号的值达到ES信号的值时，比较器53的输出变为高电平并将锁存器44复位，从而使信号45无效，如在时刻T1所示的。使信号45无效迫使锁存器44的输出Q为高电平，从而使晶体管65导通并使电容器64放电。使晶体管65导通迫使斜波信号为低电平，如曲线83所示。锁存器44保持禁止，直到CK信号重新变为高电平，如在时刻T3所示的。T0和T3之间的时间间隔是CK信号和信号45的周期。在时刻T1和T3之间，晶体管65保持导通且斜波信号保持低电平，然而，乘法器58继续响应于输入功率而产生功率输入(PI)信号。然而，因为晶体管65被导通，乘法器58、源61和电容器64的积分器不对输入功率求积分。

在时刻T2，假定负载电流15增加，如曲线80的虚线所示的。因为晶体管27被截止，负载电流15的增加的值由电容器17提供，这使输出电压降低。降低的输出电压使误差(ES)信号增加，如曲线82在时刻T2所示的。在时刻T3，CK信号重新为有效的，这使锁存器44置位并使PWM开关信号45有效，从而使晶体管27导通以重新提供输出电流19。因为负载电流15增加且电容器17变得被放电，所以电流19的值大于在时刻T0和T1之间的值。因此，CS信号的值(曲线79)在时刻T3增加，这使PI信号的值增加。PI信号的增加使电流62的值增加，这增加了斜波信号的转换率，如在时刻T3和时刻T4之间所示的。增加的转换率使斜波信号增加得较快。如曲线83的指数形状所示的，由于电流19增加从而引起PI信号的增加，所以在斜波信号形成的同时，斜波信号的转换率变化。因为误差(ES)信号的值增加了，如曲线82所示，所以斜波信号的幅度在达到误差(ES)信号的值之前达到较高的值，如在时刻T4所示的。当斜波信号的值达到ES信号的值时，比较器53的输出变为高电平，这再次复位锁存器44，从而使信号45无效，并迫使锁存器44的输出Q为高电平。高电平的输出Q使晶体管65导通，这使电容器64放电，并迫使斜波信号在时刻T4为低电平。由于控制回路的时间常数，通常输出电压花费多于一个的周期来恢复到期望值，因此，输出电压的值花费几个周期来恢复(例如，在时刻T5示出的额外的周期)。

假定在时刻T6输入电压降低。输入电压的降低引起PI信号的值的相应的降低。因为PWM开关信号45是无效的，所以晶体管65导通，且斜波信号保持低电平。在时刻T7，CK信号变为高电平并使锁存器44置位，以使信号45有效。使锁存器44置位迫使输出Q为低电平并使晶体管65截止，因此，源61提供电流62，以给电容器64充电并大约在时刻T7开始形成斜波信号。因为输入电压(Vin)的值降低了，所以PI信号的值也降低，从而(相对于先前的斜波信号)降低斜波信号的转换率。在时刻T8，斜波信号的值达到误差(ES)信号的值，这迫使比较器53的输出为高电平。来自比较器53的高电平使锁存器44复位，并使PWM开关信号45无效。此外，锁存器44的输出Q变为高电平并使晶体管65导通。使晶体管65导通通过使电容器64放电并迫使斜波信号为低电平而停止对输入功率的积分。

假定在时刻T9，负载电流15降低(曲线80)，这引起输出电压的相应增加和误差(ES)信号的降低。乘法器58计算变化的输入功率并调节PI信号的值。因为锁存器44被复位，所述晶体管65保持导通，且斜波信号保持在零。在时刻T10，CK信号变为高电平，以使锁存器44置位并使PWM开关信号45有效。晶体管27被导通以提供电流19。锁存器44的低电平的输出Q使晶体管65截止并发起另一斜波信号。因为负载电流15小于以前的负载电流，所以电流19的值也较小，从而减小了电流感测(CS)信号的值(曲线79)。CS信号的降低的值减小了PI信号的值，从而使电流62有较低的值。电流62的较低的值以较慢的速率给电容器64充电，从而降低了斜波信号的转换率，如在时刻T10之后所示的。因为误差(ES)信号的值降低了(曲线82)，所以斜波信号的幅度迅速达到误差(ES)信号的值，如在时刻T10之后所示的。当斜波信号的值达到ES信号的值时，比较器53的输出变为高电平，这再次使锁存器44复位，从而使信号45无效并迫使锁存器44的输出Q为高电平。高电平的输出Q使晶体管65导通，这使电容器64放电，并迫使斜波信号为低电平。斜波信号的降低的斜率和ES信号的降低的值导致响应于输入功率而形成的占空比。

为了便于控制器30的这个功能，调节器40被连接在输入32和返回33之间。调节器40的输出41连接到电流源61的第一端子，电流源61具有连接到输出60的第二端子。电流源61的控制输入连接到乘法器58的输出，以便接收PI信号。乘法器58的第一输入连接到输入32，而第二输入连接到偏移器57的输出。偏移器57的输入连接到放大器56的输出。放大器56的非反相输入连接到输入35，而放大器56的反相输入连接到输入36。电容器64的第一端子共同连接到比较器53的非反相输入和晶体管65的漏极。电容器64的第二端子共同连接到晶体管65的源极和偏移器66的第一端子，偏移器66具有连接到返回33的第二端子。放大器51的非反相输入连接到参考52的输出。放大器51的反相输入连接到输入38。放大器51的输出连接到比较器53的反相输入，比较器53具有连接到锁存器44的置位输入的输出。时钟42的输出连接到锁存器44的置位输入。锁存器44的Q输出连接到非重叠电路46的输入，非重叠电路46具有连接到缓冲器47的输入的输出。电路46的另一输出连接到缓冲器48的输入。缓冲器47的输出连接到输出34，而缓冲器48的输出连接到输出37。锁存器44的输出Q连接到晶体管65的栅极。

为了描述的清楚，解释了优选实施方式的操作，然而，其它实施方式将提供类似的操作。例如，用于形成CS信号的感测信号可通过感测流入晶体管27的漏极的电流的值来形成。对于这样的实施方式，电阻器24可插在晶体管27的漏极和输入32之间。因为电容器64仅在晶体管27导通时被充电，所以这样的感测信号的值形成由图1所示的实施方式形成的相同的斜波信号。

在图1的实施方式的另一可选方案中，输入电压可在节点29而不是在输入32被感测。因为电容器64仅在晶体管27导通时充电，所以当晶体管27导通时，在节点29的电压的值大约为在输入32的相同的电压。因此，这样的感测信号将形成由图1所示的实施方式形成的相同的斜波信号。

在图1的实施方式的又一可选方案中，用于形成CS信号的感测信号可通过感测流经晶体管28的电流的值来形成。对于这样的实施方式，电阻器24可插在晶体管28的源极和输入33之间。因为电容器64仅在晶体管27导通时被充电，所以这样的感测信号的值将形成由图1所示的实施方式形成的相同的斜波信号。因为控制器30在晶体管27导通的时间期间对功率求积分，所以通过晶体管28的电流在那时为零。因此，需要使用取样和保持电路(没有示出)来将CS信号的值保持在周期内晶体管27即将导通时的时刻的值。在晶体管27导通时，CS信号的这个存储的值用来作为提供到乘法器58的CS输入的值。

图3简要示出包括了在图1和图2的描述中所述的控制器30的电源***90的一部分的实施方式。***90使用连接在升压结构(boostconfiguration)而不是图1所示的降压结构(buck configuration)中的控制器30。缓冲器47和48通过倒相驱动器91和92来替代。

图4简要示出包括了在图1和图2的描述中所述的控制器30的电源***93的一部分的实施方式。***93使用连接在降压-升压结构而不是图1所示的降压结构中的控制器30。在这种结构中，输出电压是负的，因此，倒相模拟缓冲器94用于将FB信号校正到控制器30所需的电压。

图5简要示出在半导体晶片96上形成的半导体器件或集成电路95的实施方式的一部分的放大平面图。控制器30在晶片96上形成。晶片96还可包括为制图简单起见而没有在图5中示出的其它电路。控制器30和器件或集成电路95通过半导体制造技术在晶片96上形成，这些技术对本领域的技术人员来讲是公知的。

鉴于上述内容，显然公开的是一种新的器件和方法。连同其它特征包括的是形成一种PWM控制器，以响应于***所使用的瞬时输入功率而调节PWM开关信号的占空比。使用瞬时输入功率来调节占空比有助于响应于负载所使用的功率的量的变化而快速调节所输送的输出功率的量。当负载所使用的功率的量变化时，输入功率也以类似的方式改变。当负载所使用的功率的量改变时，使用输入功率来调节斜波信号的转换率导致转换率因而占空比的变化。此外，对功率信号(PI)的积分导致对输入电压的噪声求积分，从而减小了输入电压对噪声的敏感度。

虽然本发明的主题是用特定的优选实施方式来描述的，但显然对半导体领域的技术人员来说许多替换和变化是显而易见的。本发明的主题是针对特定的MOS晶体管结构来描述的，但本方法可直接适用于双极型晶体管，以及MOS、BiCMOS、金属半导体FET(MESFET)、HFET和其他晶体管结构。此外，为描述清楚而始终使用“连接”这个词，但是，其被规定为与词“耦合”具有相同的含义。相应地，“连接”应被解释为包括直接连接或间接连接。

Claims (10)

1.一种用于调节电源的输出电压的PWM电源控制器，所述PWM电源控制器包括：

时钟电路，其配置成形成具有周期的时钟信号；

PWM控制电路，其配置成接收所述时钟信号并形成用于控制功率开关来将输出电压调节到期望值的PWM开关信号，所述PWM开关信号具有所述周期；

斜波发生器电路，其配置成形成用于调节所述PWM开关信号的占空比的斜波信号；以及

所述斜波发生器电路的可变电流源，所述可变电流源可操作地耦合成响应于所述电源的输入功率而改变由所述可变电流源形成的充电电流的值，所述斜波发生器电路配置成响应于所述充电电流而控制所述斜波信号的幅度和斜率。

2.如权利要求1所述的PWM电源控制器，其中所述斜波发生器电路包括乘法器，所述乘法器耦合成计算所述电源的所述输入功率的瞬时值并使用所述输入功率的所述瞬时值来控制所述充电电流。

3.如权利要求1所述的PWM电源控制器，其中所述时钟信号具有实质上固定的频率。

4.一种形成电源控制器的方法，包括：

配置所述电源控制器的斜波电路以形成第一控制信号，所述第一控制信号表示电源的瞬时输入功率；

配置所述斜波电路以形成斜波信号并响应于所述第一控制信号来改变所述斜波信号的幅度和斜率；

配置所述电源控制器的PWM控制电路以形成PWM开关信号，所述PWM开关信号用于控制功率开关来将电源的输出电压调节到期望值，其中所述PWM开关信号具有实质上不被所述瞬时输入功率控制的周期；以及

配置所述PWM控制电路以响应于所述斜波信号来调节所述PWM开关信号的占空比。

5.如权利要求4所述的方法，其中配置所述电源控制器的斜波电路以形成第一控制信号的所述步骤包括耦合乘法器以接收表示所述电源的输入电压的瞬时值的第一信号，耦合所述乘法器以接收表示所述电源的输入电流的瞬时值的第二信号，以及配置所述乘法器以使所述第一信号和所述第二信号相乘而形成所述第一控制信号。

6.如权利要求5所述的方法，其中配置所述斜波电路以形成斜波信号的所述步骤包括配置可变电流源以接收所述第一控制信号，并响应性地形成具有响应于所述第一控制信号而线性变化的值的充电电流。

7.如权利要求6所述的方法，进一步包括耦合所述充电电流以给电容器充电，其中所述电容器两端的电压形成所述斜波信号。

8.一种形成电源控制器的方法，包括：

配置所述电源控制器以形成PWM开关信号，所述PWM开关信号用于控制功率开关来将电源的输出电压调节到期望值；以及

配置所述电源控制器以计算所述电源的输入功率的瞬时值并使用所述瞬时值来调节所述PWM开关信号的占空比。

9.如权利要求8所述的方法，其中配置所述电源控制器以计算所述输入功率的瞬时值的所述步骤包括耦合乘法器以接收表示所述电源的输入电压的瞬时值的第一信号，耦合所述乘法器以接收表示所述电源的输入电流的瞬时值的第二信号，以及配置所述乘法器以使所述第一信号和所述第二信号相乘而形成所述瞬时值。

10.如权利要求8所述的方法，进一步包括配置所述电源控制器以形成一斜波信号，所述斜波信号具有响应于所述瞬时值而被控制的幅度和斜率。

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