混合的數字－模擬開關電源的製作方法
2023-10-06 14:14:44 1
專利名稱：混合的數字－模擬開關電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及開關模式脈寬調製(PWM)電源，尤其涉及例如具有混合數字模擬設備的電源，所述設備避免了與純數字設備有關的缺陷。
本發明以本領域技術人員公知的傳統同步降壓轉換器的背景下進行描述，但應當理解本發明適於任何開關電源技術，並因此能用於AC-DC轉換，DC-DC轉換的同步和非同步電源中，等等，並用於電源、馬達驅動、照明、和其它適合的應用。
背景技術：
在電子設備、照明、以及馬達驅動中開關電源具有大量的應用，並且幾種基本類型是本領域技術人員公知的。隨著開關電源技術的發展，各種系統組件首先實現為模擬電路。
圖1簡單示出了單相模擬開關電源100的總結構。為了描述的一致性，所示的是同步降壓轉換器的拓撲結構，但再次應當理解，這裡只是用於說明。
示例設備100包括高壓開關105，在開關節點115連接到高壓開關的低壓開關110，連接到開關節點115的輸出電感器120，以及連接到輸出電感器120的輸出電容器125。高和低壓開關105和110可以是功率MOSFET、IGBT、或其它雙極電晶體或其它適合的器件，所述器件能在高導電狀態和基本非導電狀態之間轉換。
DC電功率通過本領域技術人員公知的傳統類型的適當整流電路(未示出)從AC電源提供給DC總線150。
在運行中，分別通過控制電路130在140和145提供高壓和低壓開關105和110的柵極驅動信號，以產生通過負載135的理想輸出電壓，所述負載例如可以是如計算機或電子馬達的電子設備。為了該目的，控制電路130包括控制開關的開和斷時間(佔空度)的邏輯電路。
通常由從重複三角波獲得的脈寬調製提供佔空度控制，其與誤差信號相比以產生提供給適當的柵極驅動電路的PWM佔空度脈衝。
為了滿足負載電路的需求同時提供合適的調節電壓，提供適當的反饋調節環155，通過反饋調節環155，表示例如負載電流或輸出電壓的有關操作參數的信號被傳送給控制電路130。控制電路130利用這些信號以提供補償、濾波，或其它信號處理，並控制開關105和110的開關時間。
所示的結構和其操作方法對於本領域的技術人員來說是公知的，並為了簡化而省略了進一步的描述。
在負載電流需求超過圖1電路所能便利地提供的地方，或用於驅動大的工業馬達時，能夠組合如圖2中200所示的多個電路。這裡，多個輸出相205a，205b，...，205n通過單獨的電感器215a等以及輸出電容器125提供給負載135。當該負載是多相馬達時，馬達相繞組的每一相205a，205b，...，205n通過一單獨LC電路。
電源的控制由適當的多相控制電路210提供，以及任何設計的反饋電路(未示出)對於本領域的技術人員來說是顯而易見的。
儘管用模擬技術實現的開關電源被廣泛使用，但是現在認識到對於測試和測量、機器控制、馬達控制和通信方面數字設備超過模擬的大量優點。這些優點是智能的故障分辨，精確定時，單元到單元反覆性，組件在時間和溫度上的漂移不足，固件設計控制，以及實施複雜功能的精確度。隨著這些成為公知，開始認真考慮將數位技術應用到電源設計。
圖3示出了用數位技術實現的開關PWM電源(再次以同步降壓轉換器示出)的結構。這裡，基於應用、正和負DC總線，通過在正DC總線308和接地310之間連接的高和低壓開關302和304(示為MOSFET)執行開關。開關之間的公共節點306通過電感器器312連接到輸出電容器314以驅動負載316。
包括空載時間控制電路364和柵極驅動器366和368的柵極驅動單元318，以及任何其它傳統或理想的電路，在終端320接收來自通常以322表示的PWM邏輯電路的PWM佔空度控制信號，並在下文進行詳細描述。
在數字實現的開關電源中，控制循環通常可以包括一個或多個傳感器(未示出)，其輸出設置在信號通路354，並在任何傳統或理想設計的A/D轉換器352中被數位化。A/D轉換器352的輸出在信號總線356上提供給數字調節單元358。這可以實現為編程微處理器，數位訊號處理器，ASIC，或任何其它適當或理想的方式，以提供數字濾波，並根據通常在模擬或數字開關電源控制環中使用的任何適當或理想的補償算法進行補償，包括但不限定在非線性控制功能或查找表。這將產生以數字總線360上補償反饋信號的數字形式表示的誤差「信號」。
該信號總線360上的數字誤差信號信息直接應用到數字邏輯單元322，該數字邏輯單元322產生開關302和304的PWM柵極驅動信號。邏輯單元322包括向下計數器362和連接到驅動計數器362的主時鐘324，並通過分頻電路328設定鎖存電路326。鎖存電路326的復位信號由計數器362的下溢或「借位」輸出提供。該鎖存電路復位輸出依次提供循環啟動信號給計數器362，以在總線360上加載該誤差信號。鎖存電路326的輸出用於產生PWM佔空度脈衝，其提供給上述柵極驅動電路318。
如所述的，使用8位邏輯電路。主時鐘324以256MHz運行，由此向下計數器362以256MHz計時。分頻電路328通過256函數提供分割，其中提供1MHz信號以設定PMW鎖存電路326。
數字控制技術已經很好的用於馬達驅動，照明，以及其它低頻開關應用，但由於高成本所以數字控制對於高頻開關電源設計的應用一直落後，儘管具有潛在好處。
同樣，當電源以高開關頻率同步運行以適應快速負載瞬變量時存在數字設備的內部限制，並具有高精確率以提供優良的輸出電壓穩定性。這個問題是由任何純數字PWM脈寬增量不能比主時鐘頻率短的事實引起的。設想，例如，由100MHz時鐘驅動PWM系統，其最小脈寬變化是10ns。對於1MHZPWM頻率，開關間隔脈寬是大約100ns，從而單個的佔空度步驟變化(10ns)可以只是開關間隔的10％。在大多數實例中，這簡直不能產生所需的精確度。即使PWM頻率能減小到100KHz，該階躍變化僅僅是1％，其不適於很多電源。
因此，明顯存在對數字電源設備的需求，其在不具備上述限定的情況下提供數位技術的優勢。
發明內容
本發明通過提供一混合開關電源滿足上述需求，其中驅動高和低壓開關的PWM用模擬技術實現，同時控制環由數位技術實現。這允許最大限度地使用數字電路並減小模擬成分，同時容易地允許0.1％或更少的PWM解析度，即使在1MHz或更高的PWM間隔頻率。
圖1示出了傳統單相模擬開關電源的基礎結構和運行的結構圖。
圖2示出了傳統多相模擬開關電源的基礎結構和運行的結構圖。
圖3示出了用數位技術實現的單相開關電源的基礎結構和運行的結構圖。
圖4示出了根據本發明的混合數字-模擬PWM電源典型實施例的結構圖。
具體實施例方式
圖4中的400示出了根據本發明的混合數字-模擬PWM電源。為了方便，圖4中與圖3相同的全數字設備用同樣的附圖標記表示。
因此，通過在正DC總線308和接地310之間連接的高和低壓開關MOSFET 302和304執行切換，同時在開關之間的共用節點306通過電感器器312連接到輸出電容器314以驅動負載316。
圖3構造的柵極驅動電源318在端點320接收來自通常以402表示的模擬PWM邏輯單元的PWM佔空度控制信號，並在下文進行詳細描述。
如圖3所示，根據本發明，控制環350用數字實現。因此，一個或多個傳感器輸出提供在信號通路354上，並由任何傳統或理想設計的A/D轉換器352數位化，以產生具有8位或任何其它理想解析度的輸出信號。A/D轉換器352的輸出通過信號總線356提供給數字調節單元358。再次，如圖3所示，這可以實現為編程微處理器、數位訊號處理器、ASIC、或任何其它適當或理想的方式，以提供數字濾波，並根據通常在模擬或數字開關電源控制環中使用的任何適當或理想的補償算法進行補償，此外如果需要的話，包括非線性控制功能或查找表。
根據本發明，數字總線360上的補償數字反饋誤差信號通過數字到模擬(D/A)轉換器404轉換回到模擬形式，以在模擬脈寬調製器402中使用。
儘管PWM單元322可以是任何適當或理想的設計，但如圖4所示的一個優選實施例包括連接以設定鎖存電路408的主時鐘406。連接以410示出的電流源以給定時電容器412充電。例如電晶體的接地開關414，當設定鎖存電路408時被設為關閉，當清除鎖存電路408時開啟，控制對定時電容器412的放電循環。
降通過電容器412的電壓與時限比較器418的輸入416處的參考電壓進行比較，連接其輸出以復位鎖存電路408。比較器418的用途是當對定時電容器412放電時清除鎖存電路408，以便能啟動PWM定時循環。
通過電容器412的電壓也提供在PWM比較器電路422的第一輸入420。這將由D/A轉換器404在端點424提供的模擬誤差信號與代表電容器412上電荷積累的升高電壓相比較，以產生PWM佔空度脈衝。將這些脈衝依次提供給上述的柵極驅動電路318。
本發明一個關鍵優勢在於PWM解析度不受任何時鐘速度的約束。所示的例子使用8位解析度，但其它更大或更小的解析度也是可能的。該解析度與實例的1MHz開關頻率無關，其在不影響PWM解析度的情況下可以更大或更小。
儘管本發明已經相對於其特殊實施例進行了描述，但許多其它變型和其它使用對於本領域技術人員是顯而易見的。因此，優選本發明並不被這裡的特殊公開所限定，其僅僅由所附的權利要求所限定。
權利要求書(按照條約第19條的修改)卷 號860433EP國際申請號PCT/US2005/006364國際申請日2005年2月28日根據條約第19條修改時的聲明修改了權利要求1和4，指出PWM信號發生器包括「第一比較器，用於指示參考電壓；和接收該參考電壓和來自D/A轉換器的模擬輸出信號的第二比較器，用於提供指示可變佔空度驅動信號的佔空度的輸出」。
1.一種開關模式電源，包括連接到DC電源的半導體開關電路；連接到半導體開關電路適於驅動負載的輸出電路；用於控制開關電路的驅動電路；控制環，該控制環包括A/D轉換器，該A/D轉換器接收代表電源輸出的模擬輸入，並提供多位輸出信號；數字實現的處理單元，響應A/D轉換器的輸出信號以產生多位數字誤差信號；以及D/A轉換器，該D/A轉換器接收多位數字誤差信號作為輸入，並提供代表數字誤差信號的模擬輸出信號；以及PWM信號發生器，響應D/A轉換器的模擬輸出信號產生驅動電路的可變佔空度驅動信號，其中該PWM信號發生器進一步包括第一比較器，用於指示參考電壓；和接收該參考電壓和來自D/A轉換器的模擬輸出信號的第二比較器，用於提供指示可變佔空度驅動信號的佔空度的輸出。
2.根據權利要求1所述的開關模式電源，其中PWM信號發生器包括三角波發生器以及比較電路，其接收三角波發生器的輸出作為第一輸入，並接收D/A轉換器的輸出作為第二輸入。
3.根據權利要求1所述的開關模式電源，其中數字實現的處理單元用於根據選擇的補償算法對來自A/D轉換器的輸出信號提供補償。
4.一種開關模式電源，包括連接至DC電源的半導體開關電路；連接至半導體開關電路適於驅動負載的輸出電路；用於控制開關電路的驅動電路；響應代表電源輸出的輸入信號以提供補償誤差信號的控制環；以及響應補償誤差信號產生驅動電路的可變佔空度驅動信號的PWM信號發生器，其中控制環由數字電路實現，PWM信號發生器由模擬電路實現，以及其中該PWM信號發生器進一步包括第一比較器，用於指示參考電壓；和接收該參考電壓和來自D/A轉換器的模擬輸出信號的第二比較器，用於提供指示可變佔空度驅動信號的佔空度的輸出。
5.根據權利要求4所述的開關模式電源，其中數字實現的控制環用於根據所選的補償算法為代表電源輸出的信號提供補償。
6.根據權利要求4所述的開關模式電源，其中開關電路包括連接至DC源的高和低壓半導體開關。
7.根據權利要求4所述的開關模式電源，其中PWM信號發生器包括三角波發生器以及比較電路，其接收三角波發生器的輸出作為第一輸入，並接收模擬形式的補償誤差信號作為第二輸入。
8.根據權利要求7所述的開關模式電源，其中由連接至控制環輸出的D/A轉換器提供模擬形式的補償誤差信號。
權利要求
1.一種開關模式電源，包括連接到DC電源的半導體開關電路；連接到半導體開關電路適於驅動負載的輸出電路；用於控制開關電路的驅動電路；控制環，該控制環包括A/D轉換器，該A/D轉換器接收代表電源輸出的模擬輸入，並提供多位輸出信號；數字實現的處理單元，響應A/D轉換器的輸出信號以產生多位數字誤差信號；以及D/A轉換器，該D/A轉換器接收多位數字誤差信號作為輸入，並提供代表數字誤差信號的模擬輸出信號；以及PWM信號發生器，響應D/A轉換器的模擬輸出信號產生驅動電路的可變佔空度驅動信號。
2.根據權利要求1所述的開關模式電源，其中PWM信號發生器包括三角波發生器以及比較電路，其接收三角波發生器的輸出作為第一輸入，並接收D/A轉換器的輸出作為第二輸入。
3.根據權利要求1所述的開關模式電源，其中數字實現的處理單元用於根據選擇的補償算法對來自A/D轉換器的輸出信號提供補償。
4.一種開關模式電源，包括連接至DC電源的半導體開關電路；連接至半導體開關電路適於驅動負載的輸出電路；用於控制開關電路的驅動電路；響應代表電源輸出的輸入信號以提供補償誤差信號的控制環；以及響應補償誤差信號產生驅動電路的可變佔空度驅動信號的PWM信號發生器，其中控制環由數字電路實現，PWM信號發生器由模擬電路實現。
5.根據權利要求4所述的開關模式電源，其中數字實現的控制環用於根據所選的補償算法為代表電源輸出的信號提供補償。
6.根據權利要求4所述的開關模式電源，其中開關電路包括連接至DC源的高和低壓半導體開關。
7.根據權利要求4所述的開關模式電源，其中PWM信號發生器包括三角波發生器以及比較電路，其接收三角波發生器的輸出作為第一輸入，並接收模擬形式的補償誤差信號作為第二輸入。
8.根據權利要求7所述的開關模式電源，其中由連接至控制環輸出的D/A轉換器提供模擬形式的補償誤差信號。
全文摘要
一種開關模式電源，其中控制環響應代表電源輸出的一個輸入信號以提供補償誤差信號；以及PWM信號發生器響應補償信號以產生可變的佔空度驅動信號，用於驅動具有選擇重複率的電路。該控制環通過數字電路實現，該PWM信號發生器通過模擬電路實現。
文檔編號G05F1/40GK1926490SQ200580006816
公開日2007年3月7日 申請日期2005年2月28日 優先權日2004年3月1日
發明者J·S·布朗 申請人:國際整流器公司