TWI528694B - 切換模式電源控制器及用於控制切換模式電源之方法 - Google Patents

切換模式電源控制器及用於控制切換模式電源之方法 Download PDF

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Description

切換模式電源控制器及用於控制切換模式電源之方法
本發明係關於切換模式電源，且更特定言之，係關於藉由使用一降壓切換模式電源(SMPS)之與脈寬調變(PWM)控制組合之磁滯控制改良該SMPS之大信號暫態響應。
對任何負回饋控制系統中的一干擾之最佳響應係用一磁滯控制而獲得。然而，許多系統無法容忍存在於一經嚴格磁滯控制之系統中的可變頻率或增加的漣波。先前技術已實施控制技術，諸如，雙重邊緣調變，或增加控制系統之帶寬，但是使用此等控制技術，對一大干擾之響應並非最佳化。此外，在該系統之正常操作期間使用此等控制技術一般導致減少的相位邊限及穩定性關注。需要一更好方式以改良一SMPS系統對一干擾之響應。
因此，期望藉由使用與一固定頻率、脈寬調變(PWM)控制組合之一磁滯控制來提供穩健控制且最佳化對降壓或降壓衍生SMPS系統布局中的干擾之響應而最佳化該SMPS系統對一干擾之響應。
根據本發明之一特定實例實施例，使用與脈寬調變(PWM)控制組合之磁滯控制之一切換模式電源(SMPS)控制器包括：一磁滯控制電路，其具有耦接至一參考電壓之一第一輸入、耦接至表示一切換模式電源(SMPS)之一負載側輸出電壓之一回饋電壓之一第二輸入、用於控制一高側磁滯需求之一第一輸出，及用於控制一低側磁滯停用之一第二輸出；一PWM錯誤產生器，其具有耦接至該參考電壓之一第三輸入、耦接至該回饋電壓之一第四輸入、耦接至一電流感測電路之一第五輸入，及用於控制PWM需求之一第三輸出；及一電力電路驅動器，其具有一高側(HS)電力控制輸出，及一低側(LS)電力控制輸出，該等HS及LS電力控制輸出係經調適以驅動一切換模式電源(SMPS)之電力開關，該PWM錯誤產生器之該第三輸出係耦接至該電力電路驅動器用於其之控制，及該磁滯控制電路之該等第一及第二輸出係耦接至該電力電路驅動器用於其之進一步控制；該PWM錯誤產生器第三輸出控制該電力電路驅動器以使該回饋電壓大體上等於該參考電壓，除非該回饋電壓與該參考電壓之間的一差異大於至少一預定值，其中若該回饋電壓大於該參考電壓至少該預定值，則該磁滯控制電路強制該等HS及LS電力控制輸出至一關閉狀態，若該回饋電壓小於該參考電壓至少該預定值，則該磁滯控制電路控制該等HS及LS電力控制輸出之一工作週期以便控制該參考電壓與該回饋電壓之間的差異至小於該預定值，及其後該PWM錯誤產生器將額外地控制該等HS及LS電力控制輸出以便在某一時段內強制該參考電壓與該回饋電壓之間的差異大體上為0。
根據本發明之另一特定實例實施例，一種用於使用與脈寬調變(PWM)控制組合之磁滯控制來控制一切換模式電源(SMPS)之方法包括：以一磁滯控制電路及一PWM錯誤產生器判定一參考電壓與一回饋電壓之間的一電壓差異，該回饋電壓表示一切換模式電源(SMPS)之一輸出電壓；當該電壓差異小於一預定值時，以該PWM錯誤產生器控制該SMPS之電力開關，且當該電壓差異等於或大於該預定值時，以該磁滯控制電路控制該SMPS之電力開關直至該PWM錯誤產生器有時間來減少該電壓差異至小於該預定值。其中以該磁滯控制電路及該PWM錯誤產生器控制該SMPS之電力開關之步驟包括：a)判定該回饋電壓是否大於該參考電壓至少該預定值，及若如此b)以該磁滯控制電路強制該SMPS之電力開關至一關閉狀態；c)判定該回饋電壓是否小於該參考電壓至少該預定值，及若如此d)以該磁滯控制電路控制該等電力開關之一工作週期使得維持該參考電壓與該回饋電壓之間的差異在小於該預定值，及其後e)以該PWM錯誤產生器額外地控制該等電力開關以便在某一時段內強制該參考電壓與該回饋電壓之間的差異大體上為0；及f)返回至步驟a)。
本發明其之一更完全理解可藉由參考結合附圖所採取之以下描述而獲取。
雖然本發明可能有多種修改及替代形式，但其之特定實例實施例已展示於圖式中並於本文中予以詳細描述。然而應瞭解，本文之特定實例實施例之描述並非旨在將本發明限制於本文所揭示之特別形式，恰相反，本發明係欲涵蓋如隨附申請專利範圍所界定之所有修改及等效物。
現在參考圖式，示意性地繪示特定實例實施例之該等細節。在該等圖式中之相同元件將由相同數字表示，且相似元件將由具有一不同小寫字母後綴之相同數字表示。
在一種一般意義中，一電力轉換器可界定為在一連續基礎上將一形式之能量轉換成另一形式之能量之一裝置。當此一電力系統正在執行其之轉換功能時，其內之任何能量儲存或損失對於能量轉化之過程通常為相同。有許多類型之裝置，其可提供具有不同程度之成本、可靠性、複雜性及效率之此一功能。
用於電力轉換之機制可採取許多基本形式，諸如，本質上機械的、電性的或化學的處理之該等形式。本文之焦點將在於電性地且以一動態方式執行能量轉化之電力轉換器，其使用一禁止組之組件(其包括電感器、電容器、變壓器、開關及電阻器)。怎樣連接此等電路組件係藉由所需電力轉化所決定。電阻器引入非所需之電力損失。由於高效率在大多數應用中通常係一最重要需要，故在一主電力控制路徑中應避免或最小化電阻性電路元件。僅在極少的場合中且針對非常特定的原因，才將消耗電力之電阻引入該主電力控制路徑中。在輔助電路(諸如，整體系統之順序、監控器及控制電子器件)中，高值電阻器係常見的，此係由於其等之損失作用通常不明顯之故。
參考圖1，其描繪一基本調節器系統之一示意方塊圖。一電力系統102(例如，一基本切換模式電力轉換器)，(其中一未經控制之電壓(或電流或電力)源之一輸入係施加至該電力系統102之輸入，期望該電壓(或電流或電力)在輸出處)將被很好地控制。控制該輸出之基礎係一些參考形式，且該輸出與該參考之間的任何偏離變成一錯誤。在一經回饋控制之系統中，負回饋係用於減少此錯誤至一可接受值，如接近於藉由該系統所獲得之零。典型地期望快速減少該錯誤，但是回饋控制固有具有系統響應與系統穩定性之間的權衡。該回饋網路之響應越多，不穩定性之風險變成越大。
在此點上，應提及有另一控制方法一前饋。用前饋控制，一控制信號係響應於一輸入變更或擾動而直接發展。相較於回饋，前饋較不精確，此係因為不涉及輸出感測之故，然而，沒有等待一輸出錯誤信號發展之延遲，且前饋控制不會引起不穩定性。應清楚，前饋控制典型地不足以作為僅用於一電壓調節器之控制方法，但是其經常與回饋一起使用以改良一調節器對動態輸入變更之響應。
參考圖2，其描繪圖1所示之該一般電力調節器之一更詳細示意方塊圖。該電力系統102已分離成兩個方塊：電力電路206及控制電路208。該電力電路206處置該電力系統負載電流且典型地係大的、穩健的，且遭受寬溫度波動。其之切換功能藉由定義、大信號現象正常係在大部分穩定性分析中模擬僅作為具有一工作週期之一種兩個狀態開關。輸出濾波器(未展示)已被視為該電力電路206之一部分，但是可被為一線性方塊。該控制電路208正常將由一增益方塊、一錯誤放大器及一脈寬調變器(用於定義該等電力開關之工作週期)而構成。根據本發明之教示，該控制電路208經最佳化以對該電力系統102中的一干擾響應。
現參考圖3及圖4，圖3中描繪根據本發明之教示之一控制電路之一示意方塊圖，及圖4中描繪根據一特定實例實施例之圖3所示之該控制電路之一詳細實施方案之一示意圖。一傳統峰值電流模式PWM控制係與一快速外部磁滯控制組合用於操作一同步降壓SMPS(見圖5)。在使回饋明顯偏離於設定點或參考之一干擾之存在下，快速磁滯控制包含至一預定義位準之偏離。接著較慢PWM控制迴路以一正常方式驅動錯誤或偏離至零。
對一固定頻率PWM錯誤產生器312呈現在節點320處之一輸出電壓回饋信號及在節點326處之一參考電壓。來自運算放大器436之輸出之一控制電壓形成且建立一峰值電流需求，其係用以產生節點320處之信號與節點326處之信號之間的一大體上0伏特之差分所必需。對該PWM比較器434之反相輸入呈現此控制電壓。該PWM比較器434之非反相輸入係以在節點328處所接收之電流感測信號與一斜率補償斜坡信號456之總和(經由求和器440)呈現。來自一固定頻率振盪器(未展示)之一時脈振盪器信號454建立切換頻率、最大工作週期及能量轉移週期之起動。來自該PWM比較器434之輸出在一逐週期基礎上終止PWM需求。正反器442持斷該需求直到藉由該時脈振盪器信號454所建立之下一個週期起動。該PWM錯誤產生器312產生一傳統閉迴路、負回饋控制系統之一固定頻率PWM需求。在穩定狀態操作中或在該SMPS系統之小擾動期間，該PWM需求直接控制該高側(HS)驅動輸出及低側(LS)驅動輸出，其等分別至節點322及324(PWM需求係HS驅動輸出及/或LS驅動輸出在開啟狀態中的時間之百分比)。對一快速、穩健外部磁滯控制方塊310亦呈現在節點320處之該輸出電壓回饋信號與在節點326處之該參考電壓。在動態條件期間(例如，負載電流及/或源電壓中的一明顯改變)，在節點320處所接收之信號與在節點326處所接收之信號之間的差分電壓將與0偏離。
該PWM錯誤產生器312需要一有限時間量以驅動此差分電壓回至0。若在節點320處的該電壓回饋降下而低於在節點326處的該參考電壓一預定數量，則該快速磁滯控制將異步地控制在節點322處的該HS驅動輸出及在節點324處的該LS驅動輸出之工作週期。結果，該差分電壓被限於某一經控制之位準。在有限時間量後，該PWM錯誤產生器312驅動此偏離回至0。若節點320處之該電壓回饋上升而高於節點326處的該參考電壓一預定數量，則該快速磁滯控制310異步地強制在節點322處的該HS驅動輸出及在節點324處的該LS驅動輸出兩者至關閉狀態。藉由將在節點322處的該HS驅動輸出強制至關閉狀態，無額外的或不必要的能量係儲存於電感器542(見圖5)中。藉由將在節點324處的該LS驅動輸出強制至關閉狀態，增加強制功能或橫跨該電感器542之電壓，藉此引起儲存於其內的任何能量之一較快衰減。在有限時間量後，該PWM錯誤產生器312將驅動該偏離回至大體上0。
參考圖5，其描繪根據本發明之教示之藉由圖3及圖4所示之該控制電路而控制之一同步降壓SMPS電力電路之一示意圖。一同步降壓SMPS電力電路(通常由數字206所表示)可包括一電力源540(例如，電池)；一串聯通路開關544(例如，電力場效應電晶體)；一分流開關546(例如，電力場效應電晶體)；一電力電感器542、用於從所需直流(DC)輸出消除交流(AC)漣波之一負載電容器556、一電流感測器548，及負載分壓器電阻器552及554。電力源共用或接地550亦指示於圖5中。
當節點320處的一電壓回饋信號低於節點326處的一參考電壓時，操作開始。節點320處的該電壓回饋信號表示經調節之輸出電壓之值。當此條件為真時，啟用操作。負載電流可以該電流感測器電阻器548(例如，一電流至電壓轉換器)而判定。
根據本發明之教示，在穩定狀態操作期間，或在該系統之小擾動期間，開關544及546係藉由一固定頻率PWM控制器(例如，PWM錯誤產生器312(見圖3及圖4))而調變。在動態條件期間，開關544及546係藉由該快速磁滯控制310而異步地控制。此快速磁滯控制含有至一預定義位準之偏離。接著該較慢PWM控制迴路驅動該錯誤或偏離至大體上0。
參考圖6及圖7，其描繪僅使用一PWM控制迴路之一SMPS對包括負載中之一明顯增加之一干擾之響應之一圖表，及其之一擴大時間軸。特定言之，所描繪之干擾係負載電流中的一增加。負載步階以比該PWM控制迴路之帶寬更快之一速率發生。如先前技術提出，增加該控制迴路之帶寬可稍微改良該偏離，但是該SMPS系統將放寬相位邊限且增加不穩定性之風險。此外，可辯論，雙重邊緣調變技術固有不可以如所提出之一傳統PWM控制迴路之兩倍之速率反應，此係因為兩個邊緣係由一單一錯誤信號而控制之故。
參考圖8及圖9，其描繪使用與該PWM控制迴路組合之一快速外部磁滯控制之一SMPS對包括負載中的一明顯增加之一干擾之響應之一圖表，及其之一擴大時間軸。特定言之，所描繪之該干擾係負載電流中的一增加。該負載步階以比該PWM控制迴路之帶寬更快之一速率發生。減少與該設定點之峰值偏離約百分之五十。
參考圖10及圖11，其描繪僅使用一PWM控制迴路之一SMPS對包括負載電流中的一減少之一干擾之響應之一圖表，及其之一擴大時間軸。該負載步階以比該PWM控制迴路之帶寬更快之一速率發生。
參考圖12及圖13，其描繪使用與該PWM控制迴路組合之一快速外部磁滯控制之一SMPS對包括負載中的一減少之一干擾之響應之一圖表，及具有其之一擴大時間軸之一圖表。該負載步階以比該PWM控制迴路之帶寬更快之一速率發生。在此例子中，在該回饋信號上的一正偏離之存在下，該快速外部磁滯控制強制兩個開關關閉(見圖5，電晶體544及546)。此增加具有兩個效應。
第一，藉由強制該HS驅動關閉，無額外的或不必要的能量係儲存於該電感器中。第二，藉由強制該LS驅動關閉，增加強制功能或橫跨該電感器之電壓，引起任何所儲存之能量中的一較快衰減。減少與該設定點之峰值偏離約50%。因此，一傳統峰值電流模式PWM控制與一快速外部磁滯控制並聯之組合在一外界干擾的存在下最小化與一設定之偏離。
雖然本發明之實施例已參考本發明之實例實施例而描繪、描述及界定，但是此等參考不意味對本發明之一限制，且未推斷出此限制。所揭示之標的物可在形式及功能上具有相當大的修改、變化及等效物，如熟習相關技能者及獲益於本發明者將想到。所描繪及描述之本發明之實施例僅係實例，且非本發明之範疇之詳盡內容。
102．．．電力系統
206．．．電力電路
208．．．控制電路
310．．．快速、穩健外部磁滯控制方塊
312．．．PWM錯誤產生器
314．．．電力電路驅動器及固定頻率振盪器
320．．．節點
322．．．節點
324．．．節點
326．．．節點
328．．．節點
434．．．PWM比較器
436．．．運算放大器
438．．．補償網路
440．．．求和器
442．．．正反器
454．．．時脈振盪器信號
456．．．斜率補償斜坡信號
540．．．電力源
542．．．電感器
544．．．串聯通路開關
546．．．分流開關
548．．．電流電感器
550．．．電力源共用或接地
552．．．負載分壓器電阻器
554．．．負載分壓器電阻器
556．．．負載電容器
圖1繪示一基本調節器系統之一示意方塊圖；
圖2繪示圖1所示之一般電力調節器之一更詳細示意方塊圖；
圖3繪示根據本發明之教示之一控制電路之一示意方塊圖；
圖4繪示根據本發明之一特定實例實施例之圖3所示之該控制電路之一詳細實施方案之一示意圖；
圖5繪示根據本發明之教示之藉由分別在圖3及圖4中所示之控制電路而控制之一同步降壓SMPS電力電路之一示意圖；
圖6繪示僅使用一PWM控制迴路之一SMPS對包括負載中的一明顯增加之一干擾之響應之一圖表；
圖7繪示圖6所示之圖表之一擴大時間軸；
圖8繪示使用與該PWM控制迴路組合之一快速外部磁滯控制之一SMPS對包括負載中的一明顯增加之一干擾之響應之一圖表；
圖9繪示圖8所示之圖表之一擴大時間軸；
圖10繪示僅使用一PWM控制迴路之一SMPS對包括負載中的一明顯減少之一干擾之響應之一圖表；
圖11繪示圖10所示之圖表之一擴大時間軸；
圖12繪示使用與該PWM控制迴路組合之一快速外部磁滯控制之一SMPS對包括負載中的一明顯減少之一干擾之響應之一圖表；及
圖13繪示圖12所示之圖表之一擴大時間軸。
208‧‧‧控制電路
310‧‧‧快速、穩健外部磁滯控制方塊
312‧‧‧PWM錯誤產生器
314‧‧‧電力電路驅動器及固定頻率振盪器
320‧‧‧節點
322‧‧‧節點
324‧‧‧節點
326‧‧‧節點
328‧‧‧節點

Claims (10)

  1. 一種使用與脈寬調變(PWM)控制組合之磁滯控制之切換模式電源(SMPS)控制器，該控制器包括：一磁滯控制電路，其具有耦接至一參考電壓之一第一輸入、耦接至表示一切換模式電源(SMPS)之一負載側輸出電壓之一回饋電壓之一第二輸入、用於控制一高側磁滯需求之一第一輸出，及用於控制一低側磁滯停用之一第二輸出；一PWM錯誤產生器，其具有耦接至該參考電壓之一第三輸入、耦接至該回饋電壓之一第四輸入、耦接至一電流感測電路之一第五輸入，及用於控制PWM需求之一第三輸出；及一電力電路驅動器，其具有一高側(HS)電力控制輸出，及一低側(LS)電力控制輸出，該等HS及LS電力控制輸出係經調適以驅動一切換模式電源(SMPS)之電力開關，該PWM錯誤產生器之該第三輸出係耦接至該電力電路驅動器用於其之控制，及該磁滯控制電路之該等第一及第二輸出係耦接至該電力電路驅動器用於其之進一步控制；該PWM錯誤產生器第三輸出控制該電力電路驅動器以使該回饋電壓大體上等於該參考電壓，除非該回饋電壓與該參考電壓之間的一差異大於至少一預定值，其中若該回饋電壓大於該參考電壓至少該預定值，則該磁滯控制電路強制該等HS及LS電力控制輸出至一關閉 狀態，若該回饋電壓小於該參考電壓至少該預定值，則該磁滯控制電路開啟該HS電力控制輸出並關閉該LS電力控制輸，及否則該PWM錯誤產生器控制該等HS及LS電力控制輸出以便在某一時段內強制該參考電壓與該回饋電壓之間的該差異至實質上為0。
  2. 如請求項1之SMPS控制器，其中當該參考電壓與該回饋電壓之間的該差異大體上為0時，該PWM錯誤產生器基於在該PWM錯誤產生器之該第五輸入處所接收之電流值而控制該等HS及LS電力控制輸出。
  3. 如請求項1之SMPS控制器，其中該SMPS之該等電力開關係電力場效應電晶體。
  4. 如請求項1之SMPS控制器，其中該電流感測電路包括：一電流至電壓轉換器，其具有耦接至位於該SMPS之一電力源側上的一電流感測器之一輸入；及耦接至該PWM錯誤產生器之該第五輸入之一電壓輸出。
  5. 如請求項1之SMPS控制器，其中該磁滯控制電路包括第一磁滯比較器及第二磁滯比較器。
  6. 如請求項1之SMPS控制器，其中該PWM錯誤產生器包括：一運算放大器，其具有耦接至該參考電壓之一第一輸入、一第二輸入及表示該參考電壓與該第二輸入上的一 電壓之間的差異之一輸出；一補償網路，其具有耦接至該回饋電壓之一輸入及耦接至該運算放大器之該第二輸入之一輸出，其中該運算放大器之該輸出表示該參考電壓與來自該補償網路之經補償之該回饋電壓之間的該差異；及一磁滯比較器，其具有耦接至該運算放大器之該輸出之一第一輸入、透過一求和節點耦接至該電流感測電路之一第二輸入，及耦接至一PWM產生器之一輸出，該PWM產生器係耦接至該電力電路驅動器，其中該求和節點添加一擾動信號至來自該電流感測電路之一信號。
  7. 一種用於使用與脈寬調變(PWM)控制組合之磁滯控制來控制一切換模式電源(SMPS)之方法，該方法包括如下步驟：以一磁滯控制電路及一PWM錯誤產生器判定一參考電壓與一回饋電壓之間的一電壓差異，該回饋電壓表示一切換模式電源(SMPS)之一輸出電壓；當該電壓差異係位於一預定磁滯窗(hysteretic window)內時，以該PWM錯誤產生器控制該SMPS之高側(HS)及低側(LS)電力開關，及若該電壓差異係位於該預定磁滯窗外且大於該參考電壓，關閉該HS及該LS驅動信號，及若該電壓差異係位於該預定磁滯窗外且小於該參考電壓，開啟該HS驅動信號並關閉該LS驅動信號。
  8. 如請求項7之方法，其中該預定磁滯窗係由兩磁滯比較 器所確定。
  9. 如請求項7之方法，其進一步包括如下步驟：當該電壓差異大體上為0時，基於輸入電流以該PWM錯誤產生器控制該SMPS之該等電力開關。
  10. 如請求項9之方法，其中該輸入電流係藉由一電流至電壓轉換器而判定。
TW100112683A 2010-07-19 2011-04-12 切換模式電源控制器及用於控制切換模式電源之方法 TWI528694B (zh)

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