CN109478846A - 具有鲁棒稳定的反馈的功率转换器 - Google Patents

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Abstract

公开了涉及具有稳定反馈的功率转换器的各种方法和装置。所公开的功率转换器包括：输入节点，所述输入节点在所述功率转换器的输入侧上；以及输出节点，所述输出节点在所述功率转换器的输出侧上。所述功率转换器还包括：开关，所述开关耦合到所述输入节点并具有控制节点；反馈路径，所述反馈路径在所述输出节点与所述控制节点之间；以及第一电路块，所述第一电路块在所述反馈路径上，具有多路径反馈有源滤波器。所述第一电路块至少部分地由纯带通传递函数限定。

Description

具有鲁棒稳定的反馈的功率转换器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年8月23日提交的美国专利申请第15/245,078号的权益，该申请要求于2016年5月13日提交的美国临时申请第62/336,439号的权益，两个申请全文以引用的方式并入本文。
发明背景
电子装置通常需要在仅由单个源供电时产生多个功率状态。例如，膝上型计算机可能只有一个电池，但是可能需要针对膝上型计算机上的各种部件产生具有不同电源电压的功率状态。此外，无论是否需要多个功率状态，电子装置通常都会需要调节从外部源递送给它们的功率。返回到膝上型计算机的示例，膝上型计算机处理器含有灵敏的电子器件并基于处理器的工作强度而呈现出广泛变化的功率需求。不会选择仅***DC型电源电压源，这是因为将不会为处理器屏蔽电源的骤降或浪涌，并且电源将同样地无法跟上由处理器汲取的功率的快速变换。前述要求通过功率转换器解决。
功率转换器从供电功率状态接收功率并产生调节的功率状态。在一个示例中，功率转换器稳定在调节的功率状态下的供电电压并提供与供电功率状态不同的电流，以便实现这一目的。改变电流允许这样的功率转换器在调节的功率状态下供应任何部件或装置的变化的功率需要，同时保持调节的功率状态的供电电压稳定。其它功率转换器是通过以下方式来产生调节的功率状态：改变电压，同时保持电流稳定，或者改变电流和电压两者以保持递送到调节的状态的功率量稳定。
在调节的状态中按负载的不同状态来改变自身状况的功率转换器需要关于该状态的信息。提供此信息的常用方式是通过从负载返回到转换器的电反馈路径进行。该***可以通过负反馈来控制，该负反馈通过从控制的目标在检测到的变化的相反方向上推开来迫使参数返回到该控制的目标。然而，对电反馈路径的利用存在不稳定性的可能性。电路径的相移和放大两者可能随频率而变化。因此，对给定频率的信号呈现出负反馈特性的***可以对另一个频率的信号呈现出正反馈特性。功率转换器可以在其反馈***中使用补偿器以确保整个***稳定且表现良好。
发明内容
在一种方法中，公开了一种功率转换器。所述功率转换器包括：输入节点，所述输入节点在所述功率转换器的输入侧上；以及输出节点，所述输出节点在所述功率转换器的输出侧上。所述功率转换器还包括开关，所述开关耦合到所述输入节点并具有控制节点。所述功率转换器还包括反馈路径，所述反馈路径在所述输出节点与所述控制节点之间。所述功率转换器还包括第一电路块，所述第一电路块在所述反馈路径上，具有多路径反馈有源滤波器。所述第一电路块至少部分地由纯带通传递函数限定。
在一种方法中，公开了另一种功率转换器。所述功率转换器包括：输入节点，所述输入节点在所述功率转换器的输入侧上；以及输出节点，所述输出节点在所述功率转换器的输出侧上。所述功率转换器还包括开关，所述开关具有控制节点。所述功率转换器还包括脉冲宽度调制器，所述脉冲宽度调制器向所述控制节点提供控制信号。所述功率转换器还包括带通电路，所述带通电路：(i)AC耦合到所述功率转换器节点的所述输出侧；(ii)包括多路径反馈有源滤波器；并且(iii)产生补偿器信号。所述功率转换器还包括感测电路，所述感测电路连接到所述功率转换器的所述输出侧，所述感测电路产生第一测量信号。所述控制信号是基于所述补偿器信号和所述第一测量信号。
在一种方法中，公开了一种使用功率转换器转换功率的方法。所述功率转换器可以是以上公开的功率转换器中的一种。所述方法包括使用连接到输入节点的开关将功率从所述输入节点传输到输出节点。所述开关限定所述转换器的输出侧和输入侧。所述开关具有控制节点。所述方法还包括从所述转换器的所述输出侧上的电压和电流中的一个获得测量信号。所述方法还包括使用带通滤波器电路块对所述测量信号进行滤波以获得滤波的测量信号。所述方法还包括使用控制器将基于所述滤波的测量信号的控制信号递送到所述控制节点。所述带通滤波器AC耦合到所述输出侧。所述带通滤波器具有大于0.5的品质因数。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施方案的功率转换器拓扑的框图。
图2示出了功率转换器的控制回路的闭环传递函数的增益和相位图，以说明本发明的实施方案的某些方面。
图3示出了根据本发明的实施方案的功率转换器拓扑的框图，该功率转换器拓扑从功率转换器的输出侧获得两个测量信号。
图4示出了根据本发明的实施方案的功率转换器拓扑的框图，该功率转换器拓扑从功率转换器的输出侧获得两个测量信号并包括在反馈路径上的带通滤波器。
图5示出了功率转换器的小信号电路图，以说明本发明的实施方案的某些方面。
图6示出了根据本发明的实施方案的可用作图4中的带通滤波器的多路径反馈有源滤波器的两个框图。
图7示出了根据本发明的实施方案的图4中的反馈路径的两个框图。
图8示出了根据本发明的实施方案的一组方法的流程图。
图9示出了多路径反馈有源滤波器以及滤波器的传递函数，以说明本发明的实施方案的某些方面。
图10示出了根据本发明的实施方案的图4中的反馈路径的可能拓扑。
图11示出了根据本发明的其它实施方案的图4中的反馈路径的另一种可能的拓扑结构，其利用了可编程放大器。
图12示出了根据本发明的其它实施方案的图4中的反馈路径的另一种可能的拓扑结构，其在任一信号被提供到比较器之前将补偿器信号与第二测量信号组合。
图13示出了根据本发明的其它实施方案的图4中的反馈路径的另一种可能的拓扑结构，其通过将带通滤波器和误差放大器串联地放置来将补偿器信号与第一测量信号相加。
图14示出了根据本发明的其它实施方案的图4中的反馈路径的另一种可能的拓扑结构，其通过将带通滤波器和误差放大器串联放置来将补偿器信号与第一测量信号相加，并且该图的拓扑比图13中的拓扑少使用一个放大器。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明公开的实施方式，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例以解释本技术的方式提供，而不作为对本技术的限制。实际上，对于本领域的技术人员来说将显而易见的是，可以在不脱离本发明的范围的情况下对本技术做出修改和变化。例如，作为一个实施方案的部分示出或描述的特征可以与另一个实施方案一起使用以产生又一个实施方案。因此，本主题旨在覆盖在随附权利要求和其等效物的范围内的所有此类修改和变化。
公开了具有鲁棒控制***的功率转换器和操作方法。开关转换器将用作用于说明这些***和方法的益处的载体，但是本文公开的方法一般更广泛地适用于功率转换器。所描述的方法中的一些方法使得能够使用最小输出电容，但是无论置于输出节点上的电容如何增大都提供稳定性。
图1中提供了示例功率转换器100。功率转换器100包括电源101、开关电路102、电感器103和用于为负载105供电的电容器104。电源在供电状态下操作并且负载在调节的状态下操作。该示例的电感器和电容器形成该特定开关转换器的输出滤波器。开关转换器100是降压转换器，其将输入节点上的较高电压转换为输出节点上的较低电压。然而，本文的教导适用于降压、升压、降压-升压、升压-降压或基于变压器的转换器。开关电路102的两种变型由电路108(具有开关109)和电路110(具有开关111)示出。在任一情况下，开关109和开关111连接到功率转换器的输入节点，并且使功率转换器在输出侧106与输入侧107之间分开。转换器还包括反馈路径112，其将关于输出侧106的信息反馈回开关电路102。反馈路径可以位于输出节点(在该示例中标记为Vo)与用于开关电路102中的开关的控制节点之间。例如，控制节点可以是用作开关109或111的场效应晶体管的栅极。反馈路径可以包括数字信息、模拟信息或两者的组合。
反馈路径112将通常包括脉冲宽度调制器电路，以基于从输出侧106反馈的信息而更改开关电路102的占空比。以此方式，以调节的方式将功率从电源101递送到负载105。在电路108中，所示的开关可以具有相反状态，并且占空比可以影响在那些相反状态中的任一个下的那两个开关的相对占用持续时间。由框图113示出了反馈路径112的一种可能变型，其示出了误差放大器114接收等于调节的状态的目标电压的参考电压Vref。放大器的输出被提供到脉冲宽度调制器115和开关驱动器116，这更改开关电路102中的一个开关或多个开关的占空比并由此更改从转换器的输入侧传输到输出侧的功率量以将输出节点维持为处于与Vref成比例的目标电压。输出电压与参考电压相差得越远，开关的占空比的摆幅越大。随着占空比的变化，它会迫使输出电压回到其期望的值。在误差放大器114与脉冲宽度调制器115之间提供参考图2描述的补偿器117。
可以参考描述转换器的控制回路的环路增益T(s)来描述开关转换器100的稳定性。开关转换器100的整个控制回路包括反馈路径112、开关电路102的控制节点，以及输出节点。在常规操作中，控制回路可以至少部分地由回路增益限定。环路增益的相位和增益可以在频率上单独地绘制，以说明当环路的特性从负切换为正时环路增益是否大于1。该确定可以用于估计控制回路的稳定性如何。
图2提供了转换器的环路增益的增益图200和相位图201。两个图的横坐标是呈对数标度的以赫兹为单位提供的频率f。增益图的纵坐标200是表示环路增益的幅值的标量值。相位图201的纵坐标是以度为单位的相移值，其中180°偏移标记在负与正之间的环路增益的特性的变化。该图包括两组曲线，因为其示出了包括和不包括补偿器117的控制回路的行为。没有补偿的环路增益由附图标记202标记。具有补偿的环路增益由附图标记203标记。
在没有补偿的情况下，输出滤波器在由电感器103和电容器104的幅值设定的频率fp处引入一组复极点。这两个极点导致传递函数的幅值的下降，其中斜率为每十倍-40dB并且相移为从0°到-180°。在未被补偿的情况下，结果是在交叉频率fo处-180°相移。因此，***不稳定，因为反馈回路将呈现出可察觉的正反馈。补偿器117可以用于在频率fz处向传递函数添加零点。零点将轻易地使增益降低到每十倍-20dB，但是将在相反方向上添加相移。如标记为203的线所示，所得到的***应当是稳定的，因为在新的交叉频率fC处的相移为-90°而不是-180°。在交叉频率处的相移(添加到180度)可以被称为相位裕度。45°的目标通常是产生对所有状况都稳定的***可接受的。低相位裕度会导致转换器的瞬态响应的过冲和振铃。一般，fz需要在fC/2的范围内以产生足够的相位裕度。值得注意的是，补偿器不需要与反馈回路的主路径串联并且可以替代地并联地放置(即，反馈路径113中的补偿器117的配置仅是示例)
图3示出了具有补偿方案的功率转换器300，该补偿方案提供由标记为203的线所示的零点。如图所示，反馈路径301包括输出电压Vo的测量，并且还包括通过电感器103的电流的测量。该方法经由电感器电流的测量提供所要求的零点，并还通过比较Vo与Vref将控制回路引导到所期望的电压。该方法的益处在于，由于无补偿的传递函数的复极点和补偿器的零点与输出滤波器无源器件的大小成比例，因此零点跟踪输出电容的变化，并且即使闭环传递函数的交叉频率由来自负载105的增大的输出电容推入。在一些实施方案中，一般选择补偿器以满足除稳定性之外的转换器性能的若干度量，诸如最小上升时间、调节的电压的最大允许过冲、最大稳态误差和整定时间约束。由于fz需要小于fc的一半，因此基于输出无源器件而设定fz需要过大的电容器才能有效。补偿器方案应当随着输出节点上的增大的电容而扩展，并且也不会对输出无源器件的大小施加附加的限制。
图4示出了另一个功率转换器400，其利用反馈路径401，反馈路径401获得表示电感器电流和输出电压的测量信号。如前所述，功率转换器400包括开关电路102，开关电路102将包括耦合到输入节点并具有控制节点的开关。功率转换器还包括反馈路径401，反馈路径401在输出节点Vo与该控制节点之间。然而，与功率转换器300中的方法相反，反馈路径401包括具有带通传递函数的第一电路块402，第一电路块402对从输出电压汲取的信号进行操作。结果，在功率转换器400中，除了与反馈路径的稳定性有关的那些之外，电容器104可以被设定为其它约束所要求的最小值。这是因为由电路块402提供的零点与输出无源器件分离，并且即使在Vo上具有最小输出电容的情况下，也由反馈路径401提供稳定性。同时，如果负载105添加了额外的输出电容，那么由通过电感器103的电流测量提供的补偿可以防止***进入不稳定状态。
可以参考图5描述第一电路块402的动作。该图示出了功率转换器400的小信号框图500，其中电容小信号器104被包括某些寄生元件的电容器的更精确的模型替换。例如，电容器可以呈现出与实际电容串联的可察觉的Rc和Lc。外部陶瓷电容器一般呈现出该特性。在小信号框图500中，电容器104的电容被示出为元件503，并且寄生电阻Rc和电感Lc分别被示出为元件505和504。开关电路的行为和滤波器电感器的串联电阻由可变电源元件501和电阻器502建模。可变电源元件501具有电压d×Vin(d乘以Vin)，其中Vin是输入电压，并且d是控制开关占空比的小信号变化。电阻器元件502具有电阻RL，电阻RL包括滤波器电感器串联电阻和在开关周期内的平均开关电阻。转换器的负载的行为由电阻器506和电流源507建模。电阻器506具有电阻R，并且电流源507具有电流io。然后，通过方框508中的等式设定小信号输出电压。在该等式中，R是负载的电阻，L是电感器103的电感，C是电容器503的电容，RL是电感器103的寄生串联电阻加上在开关周期内的平均开关电阻，并且电容器503的寄生电感和电阻为Rc和Lc。
如经由仔细检查可以确定的，等式508呈现出其自身的谐振频率零点和品质因数，品质因数部分地由电容器Rc和Lc的寄生效应设定。这是有问题的，因为GF影响控制回路的增益。为了抵消GF零点的谐振，可以选择带通滤波器传递函数，使得其具有与GF的零点相同的极点。由于带通滤波器传递函数出现在控制回路的反馈路径上，因此寄生效应的影响将在整个控制回路中被抵消。一般在设计第一电路块402时要注意带通传递函数的品质因数和中心频率两者。
第一电路块402可以通过任何带通滤波器实现。然而，某些益处归于将第一电路块402实现为多路径反馈有源滤波器的方法。具体地，电路块的以分贝计的环路增益的幅值应当在滤波器的中心频率处保持明显地正，以确保环路在该频率处保持对电路的控制。如这里所使用，术语环路增益是指给定电路块的开环增益和反馈增益的乘积。为了稳定性，环路增益的相位裕度应当大于45°，并且环路增益的交叉频率(以分贝计)应当大于带通滤波器的中心频率。
图6提供了呈多路径反馈有源滤波器的形式的说明性第一电路块600。如图所示，框600包括具有增益Gmbp的运算放大器和经由电容器C2和电阻器R1到达电阻器R2的任一侧的两条反馈路径。可以可选地使用跨导放大器。第一电路块600包括三个外部连接，三个外部连接可以用于描述电路块如何在转换器400中连接。
转换器400的反馈路径从节点Vo延伸穿过第一电路块600到节点Vbp。节点Vo是转换器400的输出节点并在图4中类似地标记。节点Vref连接到用于偏置放大器的参考电压。值得注意的是，电容器C1的存在表示第一电路块600AC耦合到转换器的输出侧，这造成滤波器至少部分地由纯带通特性限定。由于第一电路块600将不允许DC信号通过其提供的反馈路径的分支，因此它可以在转换器的控制回路的闭环传递函数中产生零点，以以与转换器的输出电容器和输出电感器的大小没有关联的方式为***提供稳定性。其它多路径反馈有源滤波器可以呈现出此特征。例如，第一电路块601还至少部分地由纯带通特性限定并AC耦合到节点Vo。块601还利用运算放大器，但是可以被修改以利用跨导放大器。
可以参考图7的框图和图8的流程图来描述反馈路径401的整个拓扑和图的不同选项。图7包括两个框图700和710。每个图包括在左边的一组输入701和在右边的向控制节点702的输出。该组输入包括从功率转换器的输出侧取得的测量信号。在图7中所示的示例中，第一测量信号是基于电感器的输出节点上的电压(“Vo”)，并且第二测量信号是基于通过电感器103的电流(“i”)。由框图700和710例示的反馈路径用于功率转换器中，其中控制节点是由脉冲宽度调制器比较器703驱动，脉冲宽度调制器比较器703用于产生具有可变占空比的控制信号。比较器703位于反馈路径上并具有第一输入端和第二输入端。该框图被简化，因为附加的驱动器电路通常散布在比较器的输出端与实际控制节点(例如，场效应晶体管的栅极)之间。
通过将周期斜坡信号与位于反馈路径704上的误差放大器的输出进行比较来设定递送到控制节点的控制信号的占空比。误差放大器将来自转换器的输出侧的第一测量信号与参考信号进行比较。例如，可以将转换器的输出节点上的电压Vo与参考电压进行比较。这可以通过包括在反馈路径上的分压器电路并将分压器电路的输出端连接到误差放大器来进行。框图700和710呈现出该特征，但是它们也增加了用作带通滤波器的第一电路块402和从转换器的输出侧获得的第二测量信号。在这些示例中，第二测量信号是基于通过电感器103的电流。带通滤波器电路块对整个反馈路径的单独贡献可以概念化为补偿器信号。因此，框图示出了递送到控制节点702的控制信号可以是基于第一测量信号、第二测量信号和补偿器信号的不同方式。
图7中的框图在如何通过反馈路径的不同分支组合和施加信号的方面有所不同。在框图700中，从第二测量信号和周期信号的和中减去第一电路块402的输出。在框图710中，将第一电路块402的输出添加到误差放大器电路704的器。框图旨在传达大量潜在的架构和拓扑。具体地，加法器块可以由实际的加法器电路块实现，或通过放置输出被串联地求和的分量电路块来实现。例如，在框图710中，连接到第一电路块402和误差放大器电路704的加法器表示沿着反馈路径将这些块串联地放置的选项，以及具有带有第一分支和第二分支的反馈路径的选项，其中那些电路块在那些单独的分支上并且每个电路块端接于加法器电路块处。这些方法的特定实现方式在下面的图9至图13中描述。
可以参考图8中的流程图800来描述功率转换器架构400并特别是根据框图700和710的功率转换器400的那些实现方式的动作。流程图800示出了用于功率转换器的操作的一组方法。功率转换器包括先前描述的输出节点、输入节点、开关和控制节点，并且可以利用上述反馈技术中的任一种结合这些元件将功率从转换器的输入侧递送到转换器的输出侧。出于解释目的，由流程图800示出的该组方法的分量步骤以并行的方式线性第绘制，其中箭头循环回到该方法的开始。实际上，在方法描述反馈***的行为时，分量步骤全都可以连续地进行。
在步骤801中，使用连接到输入节点的开关将功率从功率转换器的输入节点递送到转换器的输出节点。该步骤连续地进行，其中基于连接到功率转换器的输出节点的负载的瞬时需要而递送可变电平的功率。流程图800的附加的分支连续地进行并与步骤801的进行一致。实际上，流程图800的附加的分支描述了从转换器的输出侧回到转换器的输入侧的连续的信息流，以便调节在步骤801中递送的功率量。
流程图800的第二分支包括获得第一测量信号的步骤802、对测量信号进行滤波的步骤803，以及递送控制信号的步骤804。组合地，这些步骤解释了诸如功率转换器400的功率转换器的反馈路径的一个部分的操作。第一测量信号可以从功率转换器的输出侧上的电压或电流获得。然而，在图7中所示的方法中，测量信号是从输出节点Vo获得的电压信号。在步骤803中，使用带通滤波器电路块对测量信号进行滤波，以获得滤波的测量信号。带通滤波器电路块可以是第一电路块402。在步骤804中，将基于滤波的测量信号的控制信号递送到控制节点。控制节点可以是来自图7的控制节点702。
流程图800的第三分支包括获得电压测量信号的步骤805、对电压测量信号进行滤波的步骤806，以及将滤波的电压测量信号添加到步骤803中产生的滤波的测量信号的步骤807。步骤805可以使用在功率转换器的输出侧上的分压器来进行。步骤806可以使用误差放大器和在误差放大器的输出端上的低通滤波器来进行。步骤807可以通过将滤波的信号馈送到加法器电路块来进行。步骤807也可以通过使用与步骤802中的测量信号和步骤805中的电压信号的基础相同的电压来进行。在这种情况下，可以通过将两个滤波器串联地放置并允许两个滤波的信号出现在组合的电路块的输出端处来有效地添加滤波的信号。在利用该第三分支的方法中，在步骤804中递送的控制信号可以是基于滤波的第一测量信号和滤波的电压测量信号。
流程图800的第四分支包括在功率转换器的输出侧上获得第二测量信号的步骤808和将第二测量信号添加到周期(TT)信号的步骤809。第二测量信号可以是来自框图700和710的电感器电流“i”。具体地，第二测量信号可以是使用感测电阻器或其它电流感测电路测量的功率转换器的电感器电流。周期信号可以是周期斜坡信号。然后，可以将组合的信号递送到PWM比较器的输入端。PWM比较器的另一个输入可以是在步骤807中产生的信号。然而，步骤807可以在PWM比较器的输入端处进行，因为第二测量信号可能先前已经与在步骤803中产生的信号组合，如框图700中那样。
某些益处归于那些方法，其中限定电路块402的带通传递函数的中心频率和品质因数被设计成抵消功率转换器的输出电容器的有效串联电阻和串联电感的影响。在使用多路径反馈有源滤波器实现第一电路块402的方法中，传递函数并特别是传递函数的中心频率和品质因数可以由多路径反馈有源滤波器中的一组无源器件来限定。图9示出了具有无源分量R1、R2、C2和C1的一个示例多路径反馈有源滤波器900。该图还包括等式901，等式901提供滤波器的沿着从Vo到VBPF的反馈路径的传递函数。如果根据标准惯例对其进行解构，那么等式901产生由等式902示出的谐振频率表达式和品质因数表达式。如图所示，然后，可以选择带通滤波器的品质因数和谐振以抵消功率转换器的输出电容器的有效串联电阻505和有效串联电感504的影响。在带通滤波器的情况下，谐振频率也可以被称为滤波器的中心频率。
应当基于用于给定应用的输出电容器的特性而选择用作带通滤波器的多反馈有源滤波器的部件。带通传递函数的中心频率应当是在由输出电容器寄生效应导致的谐振的十倍以内。此外，带通滤波器的中心频率一般应当大于来自L和C的输出滤波器谐振。带通滤波器的中心频率是设计的关键方面，因为这两个值的不对准可以造成转换器不稳定。带通传递函数的品质因数一般应当大于0.5。从第一顺序角度，品质因数越大，相变就越急剧，并且传递函数的增益带宽就越紧密。重要的是，带通函数的相变是急剧的，以便在输出电容器的零点的抵消作用迫使***在给定频率处进入不稳定状态之前及时地实现极点的益处。
图10示出了电路拓扑1000，其为反馈路径401的一个部分的特定实现方式。拓扑1000接受转换器的输出节点电压作为输入并还需要参考电压Vref。第一电路块402使用标记有增益Gmbp的跨导放大器以及器件C1、C2，、R2和R1来实现。输出节点电压还连接到分压器，分压器的输出端又连接到具有增益Gmea的跨导放大器。该放大器用作误差放大器。比例积分补偿器PI连接到误差放大器的输出端。拓扑1000还包括具有标记为Gm1和Gm2的增益的两个附加的跨导放大器。与电阻器R3和R4组合地，将误差放大器的输出和带通滤波器的输出相加在一起。然后，使组合的信号通过具有由R5和C5确定的滚降频率的低通滤波器。补偿还由电容器C3和C4提供。然后，将由拓扑1000在节点Vpwm上的产生的输出信号提供到PWM比较器的第一输入端，PWM比较器未在图中示出。将可作为功率转换器的电感器电流的第二测量信号与周期斜坡电压的和提供到PWM比较器的另一个输入端。提供到Gm1和Gmbp放大器的参考电压可以与提供道Gmea放大器的参考电压不同且不如其准确。
图11示出了电路拓扑1100，其为反馈路径401的一个部分的特定实现方式。拓扑1100类似于拓扑1000，并且使用相同的参考标识符标记相似的元件。然而，反馈路径的一个分支的不同之处在于，使用连接到节点Vo的电阻器来实现第一电路块402。值得注意的是，DC路径仍不通过电路块402的该实现方式，并且该块仍在常规操作中由纯带通传递函数限定。为了促成该修改，顶部电路分支中的第二跨导放大器也被修改，因为增益Gmadd是可编程的。
图12示出了电路拓扑1200，其为反馈路径401的特定实现方式。与拓扑1000和1100相比，拓扑1200包括PWM比较器1201并示出了控制节点Vcntrl。附加的驱动器电路可以位于所示的节点与功率转换器中的开关电路的实际控制节点之间。来自先前拓扑的相似元件使用相同的参考标识符来标记。如图所示，由带通滤波器产生的补偿器信号被馈送到具有可调整的增益Gadj的跨导放大器。该放大器的输出端连接到任选的AC耦合的电容器CAC。然后，从第二测量信号中减去所得到的信号，该第二测量信号是图12中的电感器电流“i”。然后，将组合的信号与周期斜坡信号相加并将其递送到PWM比较器1201的负输入端。PWM比较器1201的正输入端连接到误差放大器和PI补偿器的输出端。该拓扑要求第二参考电压VNINV来偏置带通滤波器放大器。
图13示出了电路拓扑1300，其为反馈路径401的特定实现方式。拓扑1300与现有拓扑的不同之处在于，由带通滤波器生成的补偿器信号通过串联地放置电路块来添加到误差放大器和PI补偿器输出。来自先前拓扑的相似元件使用相同的参考标识符来标记。该拓扑要求具有增益Gmbp2的附加的跨导放大器以及无源元件RG2和CG2，以补充现有拓扑中存在的放大器的效果。该放大器的增益在拓扑1300中是Gmbp1。拓扑1300还要求具有增益GMINV的反相放大器以及具有两个电阻器的反馈网络，以在将组合信号递送到PWM比较器1301的正输入端之前为其提供增益。在该拓扑中，PI放大器的标准电阻器分为两个件RPI1和RPI2。因此，可以独立地调整带通滤波器和PI放大器的增益。这是因为PI放大器的增益由这两个电阻器的和设定，而带通滤波器的增益仅与RPI1成比例。如图所示，拓扑1300包括加法器块以将呈电感器电流“i”的形式的第二测量信号与周期斜坡信号相加来将所得到的组合的信号递送到PWM比较器1301的负输入端。该图还示出了控制节点Vcntrl，但是附加的驱动器电路可以位于所示的节点与功率转换器中的开关电路的实际控制节点之间。
图14示出了电路拓扑1400，其为反馈路径401的特定实现方式。来自先前拓扑的相似元件使用相同的参考标识符来标记。拓扑1400类似于拓扑1300之处在于，它要求具有增益Gmbp2的附加的跨导放大器以及无源元件RG2和CG2，以补充现有拓扑中存在的放大器的效果。然而，拓扑1400与拓扑1300的不同之处在于，PI放大器和带通滤波器被配置为使得不再需要反相放大器。如图所示，误差放大器的输出直接地馈送到具有增益Gmbp1的放大器的正端子。因此，在不需要附加的逆变器的情况下就可以实现比较器1401的输入的适当的相位。在该方法中，输入到具有增益Gmbp2的跨导放大器的正端子的电压是VPI，VPI是在具有增益Gmbp1的跨导放大器的非反相输入端处感生的电压。
虽然本说明书已经针对本发明的特定实施方式进行详述，但是将了解，本领域的技术人员在理解前述内容后，可容易地构想这些实施方式的更改、变化和等效物。虽然本公开中的示例涉及向调节的状态提供固定电压的开关功率转换器，但是相同方法可以应用于向调节的状态提供固定电流的功率转换器。此外，虽然本公开中的示例是针对开关转换器，但是本文公开的方法适用于依赖于具有从转换器的输出侧到转换器的输入侧的反馈路径的控制回路的任何功率转换器方案。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可由本领域的技术人员实践本发明的这些和其它修改和变化，本发明的精神和范围更具体地阐述于随附权利要求中。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种功率转换器，所述功率转换器包括：
输入节点，所述输入节点在所述功率转换器的输入侧上；
输出节点，所述输出节点在所述功率转换器的输出侧上；
开关，所述开关耦合到所述输入节点并具有控制节点；
反馈路径，所述反馈路径在所述输出节点与所述控制节点之间；以及
第一电路块，所述第一电路块在所述反馈路径上，具有多路径反馈有源滤波器；
其中所述第一电路块至少部分地由纯带通传递函数限定。
2.如权利要求1所述的功率转换器，其中：
所述第一电路块至少部分地由环路增益限定；
在所述纯带通传递函数的中心频率处，以分贝计的所述环路增益的幅值大于3dB；并且
所述环路增益的相位裕度大于或等于45°。
3.如权利要求1所述的功率转换器，所述功率转换器还包括：
电感器，所述电感器连接到所述输出节点；以及
电容器，所述电容器连接到所述输出节点和参考节点；
其中所述开关连接到所述电感器；
其中所述开关是场效应晶体管；并且
其中所述控制节点是所述场效应晶体管的栅极。
4.如权利要求3所述的功率转换器，其中：
所述电容器具有有效串联电阻和有效串联电感，所述有效串联电阻和所述有效串联电感在谐振频率处产生谐振；并且
所述纯带通传递函数的中心频率是在所述谐振频率的十倍以内。
5.如权利要求3所述的功率转换器，其中：
所述纯带通传递函数的品质因数大于0.5。
6.如权利要求5所述的功率转换器，其中：
所述纯带通传递函数的所述品质因数和中心频率由所述多路径反馈有源滤波器中的一组无源器件限定。
7.如权利要求3所述的功率转换器，所述功率转换器还包括：
比较器，所述比较器位于所述反馈路径上，所述比较器具有第一输入端和第二输入端；
误差放大器，所述误差放大器位于所述反馈路径上；以及
电流感测电路，所述电流感测电路测量通过所述电感器的电流并位于所述反馈路径上；
其中所述比较器设定递送到所述控制节点的控制信号的占空比。
8.如权利要求7所述的功率转换器，其中：
所述反馈路径包括分压器电路；并且
所述误差放大器连接到所述分压器电路。
9.如权利要求8所述的功率转换器，其中：
所述反馈路径包括串联的所述第一电路块和所述误差放大器。
10.如权利要求8所述的功率转换器，所述功率转换器还包括：
加法器电路块，所述加法器电路块位于所述反馈路径上；
其中所述反馈路径具有第一电路分支和第二电路分支；
其中所述第一电路分支包括所述第一电路块并端接于所述加法器电路块处；并且
其中所述第二电路分支包括所述误差放大器并端接于所述加法器电路块处。
11.一种功率转换器，所述功率转换器包括：
输入节点，所述输入节点在所述功率转换器的输入侧上；
输出节点，所述输出节点在所述功率转换器的输出侧上；
开关，所述开关具有控制节点；
脉冲宽度调制器，所述脉冲宽度调制器向所述控制节点提供控制信号；
带通电路，所述带通电路：(i)AC耦合到所述功率转换器的所述输出侧；(ii)包括多路径反馈有源滤波器；并且(iii)产生补偿器信号；以及
感测电路，所述感测电路连接到所述功率转换器的所述输出侧，所述感测电路产生第一测量信号；
其中所述控制信号是基于所述补偿器信号和所述第一测量信号。
12.如权利要求11所述的功率转换器，其中：
所述带通电路至少部分地由环路增益限定；
在所述带通电路的中心频率处，以分贝计的所述环路增益的幅值大于3dB；并且
所述环路增益的相位裕度大于或等于45°。
13.如权利要求11所述的功率转换器，所述功率转换器还包括：
电感器，所述电感器连接到所述输出节点；以及
电容器，所述电容器连接到所述输出节点和参考节点；
其中所述开关连接到所述电感器；
其中所述开关是场效应晶体管；并且
其中所述控制节点是所述场效应晶体管的栅极。
14.如权利要求13所述的功率转换器，其中：
所述电容器具有有效串联电阻和有效串联电感，所述有效串联电阻和所述有效串联电感在谐振频率处产生谐振；并且
所述带通电路的中心频率是在所述谐振频率的十倍以内。
15.如权利要求13所述的功率转换器，其中：
所述带通电路的品质因数大于0.5。
16.如权利要求13所述的功率转换器，其中：
所述带通电路的品质因数和中心频率由所述多路径反馈有源滤波器中的一组无源器件限定。
17.如权利要求13所述的功率转换器，所述功率转换器还包括：
反馈路径，所述反馈路径在所述输出节点与所述控制节点之间；
比较器，所述比较器位于所述反馈路径上，所述比较器具有第一输入端和第二输入端；
误差放大器，所述误差放大器位于所述反馈路径上；以及
电流感测电路，所述电流感测电路测量通过所述电感器的电流并位于所述反馈路径上；
其中所述比较器设定所述控制信号的占空比。
18.如权利要求17所述的功率转换器，其中：
所述反馈路径包括分压器电路；并且
所述误差放大器连接到所述分压器电路。
19.如权利要求18所述的功率转换器，其中：
所述反馈路径包括串联的所述带通电路和所述误差放大器。
20.如权利要求18所述的功率转换器，所述功率转换器还包括：
加法器电路块，所述加法器电路块位于所述反馈路径上；
其中所述反馈路径具有第一电路分支和第二电路分支；
其中所述第一电路分支包括所述带通电路并端接于所述加法器电路块处；并且
其中所述第二电路分支包括所述误差放大器并端接于所述加法器电路块处。
21.一种使用功率转换器转换功率的方法，所述方法包括：
使用连接到输入节点的开关将功率从所述输入节点传输到输出节点，其中所述开关限定所述功率转换器的输出侧和输入侧，并且其中所述开关具有控制节点；
从所述功率转换器的所述输出侧上的电压和电流中的一个获得测量信号；
使用带通滤波器电路块对所述测量信号进行滤波以获得滤波的测量信号；以及
使用控制器将基于所述滤波的测量信号的控制信号递送到所述控制节点；
其中所述带通滤波器电路块AC耦合到所述输出侧；并且
其中所述带通滤波器电路块具有大于0.5的品质因数。
22.如权利要求21所述的方法，其中：
所述带通滤波器电路块具有带通传递函数，所述带通传递函数具有中心频率；并且
所述带通传递函数由具有放大器的多路径反馈有源滤波器提供。
23.如权利要求22所述的方法，所述方法还包括：
在所述输出侧上从分压器获得电压测量信号；
使用低带通电路块对所述电压测量信号进行滤波以获得滤波的电压测量信号；以及
使用加法器电路块将所述滤波的电压测量信号添加到所述滤波的测量信号；
其中所述控制信号是基于所述滤波的测量信号和所述滤波的电压测量信号。
24.如权利要求23所述的方法，所述方法还包括：
在所述输出侧上获得第二测量信号；以及
将所述第二测量信号添加到周期信号；
其中所述控制信号是同样基于所述第二测量信号和所述周期信号两者。

Claims (24)

1.一种功率转换器，所述功率转换器包括：
输入节点，所述输入节点在所述功率转换器的输入侧上；
输出节点，所述输出节点在所述功率转换器的输出侧上；
开关，所述开关耦合到所述输入节点并具有控制节点；
反馈路径，所述反馈路径在所述输出节点与所述控制节点之间；以及
第一电路块，所述第一电路块在所述反馈路径上，具有多路径反馈有源滤波器；
其中所述第一电路块至少部分地由纯带通传递函数限定。
2.如权利要求1所述的功率转换器，其中：
所述第一电路块至少部分地由环路增益限定；
在所述纯带通传递函数的中心频率处，以分贝计的所述环路增益的幅值大于3dB；并且
所述环路增益的相位裕度大于或等于45°。
3.如权利要求1所述的功率转换器，所述功率转换器还包括：
电感器，所述电感器连接到所述输出节点；以及
电容器，所述电容器连接到所述输出节点和参考节点；
其中所述开关连接到所述电感器；
其中所述开关是场效应晶体管；并且
其中所述控制节点是所述场效应晶体管的栅极。
4.如权利要求3所述的功率转换器，其中：
所述电容器具有有效串联电阻和有效串联电感，所述有效串联电阻和所述有效串联电感在谐振频率处产生谐振；并且
所述纯带通传递函数的中心频率是在所述谐振频率的十倍以内。
5.如权利要求3所述的功率转换器，其中：
所述纯带通传递函数的品质因数大于0.5。
6.如权利要求5所述的功率转换器，其中：
所述纯带通传递函数的所述品质因数和所述中心频率由所述多路径反馈有源滤波器中的一组无源器件限定。
7.如权利要求3所述的功率转换器，所述功率转换器还包括：
比较器，所述比较器位于所述反馈路径上，所述比较器具有第一输入端和第二输入端；
误差放大器，所述误差放大器位于所述反馈路径上；以及
电流感测电路，所述电流感测电路测量通过所述电感器的电流并位于所述反馈路径上；
其中所述比较器设定递送到所述控制节点的控制信号的占空比。
8.如权利要求7所述的功率转换器，其中：
所述反馈路径包括分压器电路；并且
所述误差放大器连接到所述分压器电路。
9.如权利要求8所述的功率转换器，其中：
所述反馈路径包括串联的所述第一电路块和所述误差放大器。
10.如权利要求8所述的功率转换器，所述功率转换器还包括：
加法器电路块，所述加法器电路块位于所述反馈路径上；
其中所述反馈路径具有第一电路分支和第二电路分支；
其中所述第一电路分支包括所述第一电路块并端接于所述加法器电路块处；并且
其中所述第二电路分支包括所述误差放大器并端接于所述加法器电路块处。
11.一种功率转换器，所述功率转换器包括：
输入节点，所述输入节点在所述功率转换器的输入侧上；
输出节点，所述输出节点在所述功率转换器的输出侧上；
开关，所述开关具有控制节点；
脉冲宽度调制器，所述脉冲宽度调制器向所述控制节点提供控制信号；
带通电路，所述带通电路：(i)AC耦合到所述功率转换器节点的所述输出侧；(ii)包括多路径反馈有源滤波器；并且(iii)产生补偿器信号；以及
感测电路，所述感测电路连接到所述功率转换器的所述输出侧，所述感测电路产生第一测量信号；
其中所述控制信号是基于所述补偿器信号和所述第一测量信号。
12.如权利要求11所述的功率转换器，其中：
所述带通电路至少部分地由环路增益限定；
在所述带通电路的中心频率处，以分贝计的所述环路增益的幅值大于3dB；并且
所述环路增益的相位裕度大于或等于45°。
13.如权利要求11所述的功率转换器，所述功率转换器还包括：
电感器，所述电感器连接到所述输出节点；以及
电容器，所述电容器连接到所述输出节点和参考节点；
其中所述开关连接到所述电感器；
其中所述开关是场效应晶体管；并且
其中所述控制节点是所述场效应晶体管的栅极。
14.如权利要求13所述的功率转换器，其中：
所述电容器具有有效串联电阻和有效串联电感，所述有效串联电阻和所述有效串联电感在谐振频率处产生谐振；并且
所述带通电路的中心频率是在所述谐振频率的十倍以内。
15.如权利要求13所述的功率转换器，其中：
所述带通电路的品质因数大于0.5。
16.如权利要求13所述的功率转换器，其中：
所述带通电路的所述品质因数和所述中心频率由所述多路径反馈有源滤波器中的一组无源器件限定。
17.如权利要求13所述的功率转换器，所述功率转换器还包括：
反馈路径，所述反馈路径在所述输出节点与所述控制节点之间；
比较器，所述比较器位于所述反馈路径上，所述比较器具有第一输入端和第二输入端；
误差放大器，所述误差放大器位于所述反馈路径上；以及
电流感测电路，所述电流感测电路测量通过所述电感器的电流并位于所述反馈路径上；
其中所述比较器设定所述控制信号的占空比。
18.如权利要求17所述的功率转换器，其中：
所述反馈路径包括分压器电路；并且
所述误差放大器连接到所述分压器电路。
19.如权利要求18所述的功率转换器，其中：
所述反馈路径包括串联的所述带通电路和所述误差放大器。
20.如权利要求18所述的功率转换器，所述功率转换器还包括：
加法器电路块，所述加法器电路块位于所述反馈路径上；
其中所述反馈路径具有第一电路分支和第二电路分支；
其中所述第一电路分支包括所述带通电路并端接于所述加法器电路块处；并且
其中所述第二电路分支包括所述误差放大器并端接于所述加法器电路块处。
21.一种使用功率转换器转换功率的方法，所述方法包括：
使用连接到输入节点的开关将功率从所述输入节点传输到输出节点，其中所述开关限定所述转换器的输出侧和输入侧，并且其中所述开关具有控制节点；
从所述转换器的所述输出侧上的电压和电流中的一个获得测量信号；
使用带通滤波器电路块对所述测量信号进行滤波以获得滤波的测量信号；以及
使用控制器将基于所述滤波的测量信号的控制信号递送到所述控制节点；
其中所述带通滤波器AC耦合到所述输出侧；并且
其中所述带通滤波器具有大于0.5的品质因数。
22.如权利要求21所述的方法，其中：
所述带通滤波器块具有带通传递函数，所述带通传递函数具有中心频率；并且
所述带通传递函数由具有放大器的多路径反馈有源滤波器提供。
23.如权利要求22所述的方法，所述方法还包括：
在所述输出侧上从分压器获得电压测量信号；
使用低带通电路块对所述电压测量信号进行滤波以获得滤波的电压测量信号；以及
使用加法器电路块将所述滤波的电压测量信号添加到所述滤波的测量信号；
其中所述控制信号是基于所述滤波的测量信号和所述滤波的电压测量信号。
24.如权利要求23所述的方法，所述方法还包括：
在所述输出侧上获得第二测量信号；以及
将所述第二测量信号添加到周期信号；
其中所述控制信号是同样基于所述第二测量信号和所述周期信号两者。
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