专利名称：补偿负载电容对功率调节器的影响的装置和方法
技术领域：
0001本发明一般涉及电功率调节器，且更具体地讲，涉及具有可调
节反馈回路的功率调节器，涉及用于功率调节器的可调节反馈回路，以 及涉及一种用于调节功率调节器的反馈回路的方法。
背景技术：
0002功率调节器被应用于许多电力设备中以向设备中的电路提供受 控的功率。功率调节器可用来将电压转换成期望的水平，以将功率调节 成特定的输出水平及类似转换。根据几种不同的设计来配置功率调节器。 一种这样的设计是开关功率调节，在这种设计中，输入电压被快速接通 和关断，然后输入电压被平滑以提供较低水平的输出电压。调节器一般 采用反馈控制回路来将调节器的输出电压和参考值进行比较以保持对输 出的严格控制，在许多配置中，反馈控制回路包括误差放大器。
0003功率调节器80大致示于图8a中，其包括输入端82、功率变换 级84和输出端86。功率变换级84的一个输出通过反馈网络88馈送到误 差放大器90，误差放大器90又馈送给控制器92，控制器92控制功率变换 级84。
0004研发功率调节器的一个关键参数是暂态响应， 一般常将其定义 为由于负载电流的变化引起的在输出电压中的偏差。另一种看暂态响应 的方法是负载变化之后调节器将输出电压返回稳态条件所花的时间。影 响暂态响应的三个变量是1)C。ut—输出电容量，2)fc—整个调节器0dB 反馈回路穿越频率，3) PM—在穿越频率fc的相位裕量。
0005输出电容C。ut确定直到调节器反馈对偏差做出响应为止输出电 压变化(dV)有多大。穿越频率fc确定调节器响应偏差所花费的时间。 相位裕量PM是对偏差的响应的阻尼测量。举例来说，开关频率fsw为
350kHz的开关功率调节器可以被设计成输出电容C。ut为100uF，穿越频 率fc为60kHz，相位裕量PM为45。，目的是达到对50%负载电流阶跃 产生100mV的临界阻尼响应，而恢复时间为75us。
0006对一些负载，特别是对于现有的DSP (数字信号处理器)、uP (微处理器〉、ASIC (专用集成电路)和FPGA (现场可编程门阵列)， 这个瞬态偏差水平可能太高了。 DSP (数字信号处理器)典型的核心电 压是1.2V，可容许的累积偏差仅为士3M，相当于只有36mV的瞬态偏差。
0007为了获得这样的小暂态响应，有必要提供许多个附加输出电容 器，这些电容器提供增加的保持时间直到调节器反馈回路能够响应为止。 这种技术可能需要数千uF (微法拉)的电容。这些附加电容器一般组装 在设备的(多个)电路板上。
0008然而，向输出端施加这些附加电容器存在四个缺点。前两个缺 点很简单。第一，增加额外的电容器占据印刷电路板(PCB)的大量空 间。第二，额外的电容器给用于制造这类设备的整个BOM(材料单)(Bill of Materials)增加了许多成本。
0009第三和第四缺点与穿越频率fc和相位裕量PM与输出电容C。ut 之间的相互关联性有关。对于某个指定设计，增加附加电容会导致较低 的穿越频率fc (减少了调节器的响应时间)(第三缺点)，以及导致极 可能出现下降的相位裕量PM (导致不稳定运行)(第四缺点)。
0010由于第三个缺点，当这种设备的制造者逐渐增加输出电容器时， 暂态幅度只有很小的减少。由于穿越频率fc降低，较低的随时间变化的 电压(dV/dt)的好处被较慢的响应时间抵消。
0011这种效应的一个例子在图la、 lb和lc及图2的曲线图中很明 显。在图la中，示意性地示出了功率调节器的功率变换级的一个例子， 其包括电感器20和具有电容器22和电阻器24的到地的支路。电阻器表 示电容器的固有ESR (等效串联电阻)。此电路中电容器22为100uF， 电阻器为5毫欧。通过加入具有电容为940uF的电容器26和3毫欧ESR 电阻的支路，图lb中的电容增加。在图lc中电容进一步增加，其中第 二支路具有6000uF的电容器30和1.5毫欧的ESR电阻32。图lb和lc 表示使用者提供给图la的功率变换级的附加电容。
0012功率调节器的功率变换级的频率响应示于图2和图3中。具体 地，在增益与频率的曲线图34中，绘出了对于不同输出电容的调节增益。 每个曲线的穿越频率被指示为零相交点。图la电路的穿越频率显示于 36，图lb电路的穿越频率显示于38，图lc电路的穿越频率显示于40。 因此，穿越频率fc随着输出电容C。ut的增加而减小。
0013由于第四个缺点，当制造者逐渐增加输出电容器时，不稳定的 可能性在增加。增加输出电容器降低了双极LC谐振频率/相变频率，固 定反馈网络对其进行补偿的能力降低。
0014图3图解说明了随着输出电容的增加的相位变化。具体地，相 位与频率的曲线图42示出了图la、 lb和lc中的每一个电路的功率变换 级的相位。具体地，图la电路的相变频率示于44，图lb电路的相变频 率示于46，图lc电路的相变频率示于48。相变频率随着输出电容C。ut 的增加而减小。
发明内容
0015本发明提供了一种对负载电容可调节的功率调节器。具体讲， 功率调节器的反馈电路包括调节元件，该调节元件允许使用者改变功率 调节器的增益(或衰减)和相位特性中的至少一个。调节元件改变增益 和相位被增加处的零频率的位置。
0016本发明的实施例解决了这样一个问题存在使用者加入的输出 电容时降低功率变换级的穿越频率以获得令人满意的暂态响应，而不给 使用者带来不希望的问题。
0017图la、 lb和lc是根据现有技术的功率调节器输出端的等效电 路图，功率调节器输出端具有连接于其上的逐渐增加的电容；
0018图2是图la、 lb和lc电路的输出级增益与频率的曲线0019图3是图la、 lb和lc电路的功率级相位与频率的曲线0020图4是用于功率调节器的已知反馈电路的电路0021图5是根据本发明原理的反馈电路的电路图，该反馈电路具有 充当零位调节器的可变增益缓冲器；
0022图6是图4和图5中电路的补偿增益与频率的曲线；
0023图7是图4和图5中电路的补偿相位与频率的曲线；
0024图8a是典型的功率调节器的功能方块0025图8b是采用本发明的功率调节器的功能方块0026图9是将图la、图lc与根据本发明的两个电路进行比较的回 路增益与频率的曲线0027图IO是将图la、图lc与根据本发明的两个电路进行比较的回 路相位与频率的曲线0028图11是将已知电路和根据本发明的电路进行比较的暂态响应曲 线0029图12是根据本发明具有可变增益缓冲器的误差放大器的另一实 施例的电路图；禾口
0030图13是根据本发明具有可变衰减缓冲器的误差放大器的电路 图。
具体实施例方式
0031功率调节器，诸如模块化功率调节器， 一般具有固定补偿，但 没有调节反馈参数以补偿大量增加的输出电容的装置。对于这个问题， 传统解决方案是设计内部反馈频率修整部件的定制补偿值，该补偿值对 于窄范围的输出电容是最优的。本电路和方法给使用者提供了不依赖于 定制的解决方案而将具有一定量的输出电容的反馈回路调节成最优性能 的简单手段。
0032本装置和方法使制造者或使用者可以购买非定制的电压调节器， 并通过调节电路中单个部件的值来调整产品的带宽。参考图8b，在该图
中，相同的参考字符用于表示与图8a相同或相似的部件，功率调节器 98具有用来接收未调节的功率的输入端82,以及在此产生已调节功率的 输出端86。输入功率82被提供给功率变换级84以生成输出功率。通过 来自输出端86的反馈回路来确保进行调节，该反馈回路包括可调节的反 馈网络94、误差放大器90和控制器92。控制器92被连接到功率变换级 84的控制输入端。图8b的实施例具有使用者调节节点96，其作为可调 节的反馈网络94的输入端。因此使用者可以在反馈回路中调节增益或衰 减以适应各种负载特性。特别是，通过对于一定量的输出电容允许调节 器的最优带宽修整，可在小得多的输出电容下获得更好的暂态性能。
0033本发明在优选的实施例中提供了对上述问题的解决方案，并给 功率调节器的制造者或使用者提供以这种方式调节反馈电路以补偿任何 增加的电容的灵活性。为此，根据本发明的一个方面，可变增益电路块 被插入到反馈回路中。由制造者或使用者设置的可变增益控制"零点" 的位置，在反馈术语中，零点控制反馈网络在哪些频率上增加附加增益 和附加相位。制造者或使用者可以改变电路块(参见图5，部件K，也 表示为60)的增益(或衰减)，这降低了反馈零的频率。将它与图4所 示的不可调节(标准)反馈电路比较。图4中显示了功率调节器中使用 的典型误差放大器的配置。各种电阻器和电容器设置电路的输出电压和 频率响应。最优频率响应受到调节器的输出端具有的电容量的影响。
0034具体地，在图4的反馈电路中，52处的输出电压是从功率调节 器电路(诸如开关调节器)获得的，不过其它类型的调节器当然也是可 行的。输出电压通过电阻器49和51组成的分压器被馈送到放大器或比 较器54的反相输入端，放大器或比较器54的非反相输入端连接到参考 电压56。放大器54的输出58被提供给功率调节器的误差输入。在该电 路中也提供偏压和滤波部件，包括电阻器53和50，电容器55、 57a和 57b。在反馈电路中不用为调节作准备。
0035参考图5，该电路同样是用于功率调节器的反馈电路，但包括 用于调节的准备装置。图5中出现的与图4电路中出现的电路元件相同 的元件用相同的参考字符表示。提供放大器60，其输入端被连接以接收
功率调节器的输出电压52。放大器60是可调节的，以调节反馈回路中 的电平。更精确地讲，在具有电阻器53和电容器55的支路中变化的增 益(或衰减)改变了电路中的电容器和电阻器的有效值，从而改变电路 的"零点"的位置(频率)。放大器60可以是具有可调节衰减或可调节 增益的可调节缓冲器，可调节衰减或可调节增益中的任何一个会改变反 馈网络的频率相关特性。在优选的实施例中，放大器60的增益是可调节 的。改变缓冲器60的增益使电容器55和电阻器53的视在值变得较大或 较小，这取决于缓冲器60提供的增益值。这改变了电路的传递函数中极 点一零点对的频率位置，从而改变了其在频率相关路径中的频率响应。 通过适当改变缓冲器60的值，可以为宽范围的输出电容最优化频率响 应。
0036还考虑在包含电阻器49的支路中提供可调节元件60，如与电 阻器49串联。可调节元件的调节也会导致此结构中零点的移动。另一个 实施例在两个支路上都有可调节元件，以使得一个可调节元件与电阻器 49串联，另一可调节元件与电阻器53和电容器55串联。这些只是可以 将本发明的原理体现在电路中的几种方法，其它此类的实施例也包含在 本发明的范围之内。
0037受缓冲器60的增益或衰减调节影响的元件，具体是电阻器53， 电容器55和电阻器49，在本说明书中被称为频率相关网络(frequency dependent network)。可以用许多不同的方法配置频率相关网络，可认 为此处图解所示的实施例是最简单最有效的。其它的配置也在本发明的 范围之内。
0038将这个可调节增益部分加入到反馈电路中对具有增加的输出电 容的整个反馈回路有相当大的有益效果。首先，通过增加增益，反馈零 点频率被降低。参考图6，在70显示了没有增加部分的电路的增益，72 显示了具有增加部分而得到的电路的附加增益。附加增益补偿由于LC
(电感器-电容器)双极的较低频率而引起的增益损失，而且附加增益保 持总穿越频率fc。由于较高的电容水平，实现较低的电压变化(dV/dt)， 而不牺牲响应时间，导致大大减小了瞬态偏差。通过适当地改变缓冲器
K的增益值，可为宽范围的输出电容最优化频率响应。
0040其次，通过降低反馈零点频率，在较低的频率引入了相位超前 (在图7可见)，这补偿了 LC双极较低的频率相变点。具体讲，没有 附加部分的电路的相位显示于74，而具有附加部分的电路的相位示于 76。相位的变化在穿越频率fc处产生足够的相位裕量PM，即使有大量 的低ESR (等效串联电阻)电容器，也能确保稳定性。
0041举例来说，两个其它方面相同的模块被测试以响应负载电流的 阶跃变化而获得60mV的瞬态偏差。第一模块采用本发明的技术，要求 差不多6400uF的电容(各种尺寸和技术的16个电容器)。而且，由于 附加电容对进一步降低电压偏差基本没有影响，所以可以达到本发明的 技术的基本限制。第二模块采用本说明书教导的方法，只要求470uF (1 个电容器)就能达到60mV的目标。仍然存在改进的余地；第二个470uF 的电容器被加入以达到40mV的偏差。用少于15%的电容，偏差减小了 33%，对制造者或使用者来说等于获得了 IO倍的改进。
0042图9提供了上述段落中描述的各电路的比较，在图中，曲线图 100包括线条，其在106跟踪具有100uF输出电容C。ut的电路的增益和 在108跟踪具有本发明模块的相同电路的增益。输出电容为6000uF而不 含本发明的模块的电路的另一个增益在102绘出。增益特性104是由输 出电容为940uF并具有本发明模块的电路获得的。可以看出穿越频率在 频率上有明显的增加。
0043参考图10，输出电容C。ut为100uF的电路的相位特性曲线110 示于116，而且也显示了加入本发明模块的同样电路的相位特性118。对 于具有及不具有本发明的模块的电路来说，这些特性基本上是相同的。 不具有本发明的模块并具有增加的6000uF输出电容的电路的附加相位 特性绘于112。相位特性114是由向原来100uF电容增加940uF的输出 电容并具有本发明模块的电路获得的。可以看出相位裕量明显增加。
0044各个电路的暂态响应示于图11，在图中，曲线图120显示电流 阶跃122和没有本发明模块的功率调节器的暂态响应(如在124所示)。 向电路中加入本发明的模块提供的暂态响应示于126。
0045来看图12，电路170具有输入端142，功率调节器的输出电压 连接于输入端142。这个输出电压通过电阻器144和146形成的分压器 提供给放大器148的反相输入端。频率相关网络也被提供，以整形频率 响应，该网络包括电阻器150和电容器152。放大器148的非反相输入 端连接到参考电压154。放大器输出端作为误差放大器输出端156提供， 其连接到功率调节器的控制输入端或控制器，控制器连接到功率调节器 的控制输入端。反馈频率整形网络由电容器158以及电容器160和电阻 器162提供。各种电阻器和电容器设置误差放大器电路的输出电压和频 率响应。
0046电路170具有可变增益缓冲器，该可变增益缓冲器是由放大器 U2 172及其相关部件——电阻器R5 174、电阻器R6 176和电容器C4 178 实现的。使用者或制造者通过改变电阻器R6 176的值可以调节该电路的 增益，电阻器R6 176简单连接在使用者调节节点177和地之间。当电阻 器R6 176的电阻为无限大时，或者说当提供开路时，可以获得的最低增 益是1。大于1的增益是由电阻器R5 174与R6 176之间的比率设置的。 电容C4 178仅被用作直流阻塞电容器。随着增益的增加，电容器C1 152 和电阻器R3 150的视在值也增加。
0047参考图13，误差放大器电路180具有可变衰减，其用来实现K 块，而不是可变增益。固定单位增益缓冲器U2 182被用于驱动频率整形 部件电阻器R3 150和电容器C1 152。衰减网络是由电阻器R5 184和电 阻器R6 186产生的。电容器C4 188仅用作直流阻塞电容器。
0048当电阻器R6为零欧姆(短路)时，增益为l。随着电阻R6值 的增加，增益减小(衰减增大)。增益(或衰减)是由R5/ (R5+R6)确 定的。在这种情况下，电阻器R3 150和电容器C1 152的值应该被设置 为最大的期望值。随着输入信号的衰减增大，电阻器R3 150和电容器 Cl 152的视在值会减小。使用者或制造者通过改变R6的值可以改变电 路的衰减，R6简单连接在使用者调节节点187与V。ut之间。
0049可以用许多方式实现增益或衰减缓冲器，或者使用各种部件， 包括晶体管、运算放大器、FET和MOSFET、放大器电路、真空管或其
它许多设计和部件来实现增益或衰减缓冲器。缓冲器可工作为电压控制 的电压源或电流控制的电压源或任何可比较电路，它们都包括在本发明 的范围内。
0050用于补偿功率调节器的输出处的不同电容的效应的反馈调节被 示出。本发明在开关调节器中特别适用。
0051在电路中提供简单的管脚以与电阻器或其它电路元件连接来补 偿电容性负载。可以使用单个电阻器或其它阻抗来调谐电路。可以改进 滞后暂态响应而不对现有电路产生负面影响。具体讲，本发明可显著提 高电路的暂态响应。电路可按负载进行调整，并恢复电路的性能，使得 电路有最优的暂态响应。
0052因此，本说明书示出并描述了一种输出为已调节功率的功率调 节器，其连接到负载为负载供电。负载可以有各种电特性，包括要求有 快速暂态响应。通过在输出处增加电容，功率调节器的暂态响应幅度被 减小，但通过降低穿越频率及穿越频率处的相位裕量，使功率调节器的 响应时间变慢。嵌入到反馈网络中的可调节增益元件提供了允许功率调 节器的制造者或使用者改变反馈网络中阻抗元件的有效值的输入。制造 者或使用者可选择地将阻抗连接到可调节增益元件的输入端来调节反馈 网络的频率特性，从而调节功率调节器的输出特性以补偿增加到功率调 节器输出的电容的效应。向可变增益元件的输入端选择地连接各个阻抗 来调节反馈电路中的增益，因此改变调节器的增益的频率和输出相位。 适当调节可变增益会提高穿越频率和相位裕量，恢复由于在输出增加电 容而被降低的性能。
0053尽管本领域技术人员可提出其它修改和变化，但本发明的目的 是将对本领域做出贡献范围内的合理适当的修改和变化都体现在本说明 书提供的发明内。
权利要求
1.一种从输入功率产生可控输出功率的功率调节器，其包括功率变换级，其具有一连接到所述输入功率的输入端，所述功率变换级具有产生所述可控输出功率的输出端；反馈网络，其具有一连接到所述功率变换级的所述输出端的输入端，所述反馈网络具有一连接到所述功率变换级的控制输入端的输出端，所述反馈网络包括频率相关网络，其被连接以接收所述功率变换级的所述输出；和连接到所述频率相关网络的可变增益或可变衰减部分，所述可变增益或可变衰减部分具有一控制输入端，并且是可选择调节的以调节所述反馈网络的频率相关电路的特性；和连接到所述可变增益或可变衰减部分的所述控制输入端的接线，所述接线被选择地连接到一阻抗，以改变所述反馈网络的频率相关路径的增益或衰减。
2. 根据权利要求1所述的功率调节器，其中所述阻抗是使用者可选 择的外部阻抗；所述阻抗包括电阻或电容中的至少一个。
3. 根据权利要求1所述的功率调节器，进一步包括 连接到所述反馈网络的所述输出端的误差放大器；和控制器，其连接在所述误差放大器和所述功率变换级的所述控制输 入端之间。
4. 根据权利要求1所述的功率调节器，其中所述可变增益或可变衰 减部分是在输入端与使用者可选择的阻抗连接的放大器；并且进一步包 括连接在所述放大器的输入端和输出端之间的反馈部件。
5. —种用于功率调节器的可调反馈回路，其包括误差放大器，其连接以将所述功率调节器的输出和基准进行比较，所述误差放大器具有一连接到所述功率调节器的控制输入端的输出端； 禾口可调节放大器，其具有第一输入端和第二输入端，所述第一输入端 连接到功率调节器的一个输出端，所述第二输入端连接到可选择的阻抗，所述可调节比较器具有一连接到所述误差放大器的频率相关网络的输出一山 顺。
6. —种用于功率调节器的可调节反馈回路，其包括-误差放大器，其被连接以将所述功率调节器的输出和基准进行比较，所述误差放大器具有一连接到所述功率调节器的控制输入端的输出端； 和可调节衰减网络，其具有第一输入端和第二输入端，所述第一输入 端连接到功率调节器的一个输出端，所述第二输入端连接到可选择阻抗， 所述可调节衰减网络具有一个输出端；和缓冲放大器，其具有一连接到所述可调节衰减网络的所述输出端的 输入端，所述缓冲放大器具有一连接到频率相关网络的输出端，所述频 率相关网络具有一连接到所述误差放大器的输出端。
7. 根据权利要求6所述的可调节反馈回路，其中所述缓冲放大器的 增益是可调节的。
8. —种用于调节功率调节器的反馈回路的方法，包括以下步骤-为所述功率调节器提供反馈回路；改变所述反馈回路的频率相关路径的增益，所述改变增益的步骤包 括连接预定值的外部阻抗元件以适应所述功率调节器的输出电容。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中所述改变反馈回路的增益的步 骤根据所述功率调节器的输出电容改变所述增益。
全文摘要
功率调节器(98)具有输出已调功率的输出端(86)，其连接到负载以向负载供电。负载可以具有各种电特性，包括要求快速暂态响应。通过在输出端增加电容，功率调节器的暂态响应幅度被减小，但通过降低穿越频率和穿越频率处的相位裕量，使功率调节器的响应时间变慢。嵌入到反馈网络(94)中的可调节增益元件提供输入端，以允许功率调节器的制造者或使用者改变反馈网络中阻抗元件的有效值。制造者或使用者选择性地将阻抗连接到可调节增益元件的输入端，由此调节反馈网络的频率特性，从而调节功率调节器的输出特性以补偿功率调节器输出增加的电容的效应。将各个阻抗选择性地连接到可变增益元件的输入端调节了反馈电路中的增益，因此改变调节器的增益的频率和输出相位。适当调节可变增益会提高穿越频率和相位裕量，恢复由于在输出端处增加电容而被降低的性能。
文档编号G05F1/40GK101167031SQ200680014187
公开日2008年4月23日 申请日期2006年4月25日 优先权日2005年4月26日
发明者C·A·小第维瑞斯, J·G·雷诺尔, M·G·阿玛若 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司