专利名称：用于改善开关模式电源的从重到轻(降压)负载瞬变响应的数字控制方法
技术领域：
本发明涉及DC-DC转换器，诸如开关模式电源(SMPS)。
背景技术：
DC-DC转换器用于将输入DC电压转换为输出DC电压。脉冲宽度调制(PWM)信号用于在所述DC-DC转换器中创建DC输出。所述PWM信号的占空比(高位时间百分比)确定在所述转换器稳态下的所述DC输出电压。将所述PWM信号发送至功率开关来产生所述输出电压，所述功率开关将输入电压发送进入LC电路，所述LC电路包括电感器和输出电容器。所述输出电压用于创建反馈信号。所述反馈信号用于调节所述PWM信号，以便将所述输出电压保持在期望的DC输出电压值。在DC-DC转换器中的最大负载瞬变响应速度受限于所述功率级电感器和电容器的数值，以及输入和输出电压的数值。在具有显著降压比(st印-down ratio)的现代DC-DC转换器中，这些限制使得从重到轻负载瞬变响应显著地比对相反瞬变的响应慢，造成显著的电压过冲(overshoot)和/或需要较大的输出电容器。在从轻到重负载瞬变响应中，所述DC输出电压跌落(dip)并且所述占空比可增至I (从其正常的相对较低的数值)，以便快速地调节所述DC输出电压。另一方面，在从重到轻瞬态响应中，所述DC输出电压尖峰(spike)并且所述占空比只能降至0(从其正常的相对较低的数值)。由于O接近所述正常的相对较低的占空比数值，所述系统将用较长时间来响应所述从重到轻瞬变响应。为了尽量减少这种问题，在大多数基于拓扑的方法中，在瞬变期间改变或者桥接滤波电感从而导致比在稳态下更高的电流转换速率(slew rate)。
发明内容
描述了一种DC-DC电源和控制器，允许将负输入电压用于允许所述DC-DC控制器快速地对从重到轻负载瞬变做出响应。所述控制器产生开关信号，以便在正常工作期间向所述转换器提供正输入电压和接地以及在所述从重到轻瞬变响应期间向所述转换器提供负输入电压和接地。所述控制器在所述从重到轻瞬态响应期间可以使用负占空比数值表示使用负输入电压的周期部分。可以使用电容器产生所述负输入电压。所述改善的DC-DC控制器对从重到轻负载瞬变具有更好的响应。
图I是本发明一个实施例的3级降压转换器的概念性方框图。图2是图I所示3级降压转换器的示例性实际实现方法。图3是数字控制3级降压转换器的方框图。图4是描述所建议系统的开关序列的时序图。图5阐释了所建议3级降压转换器的工作模式。
图6阐释了 6V-1. 3V降压转换器对3A负载变化的不对称瞬态响应。图7示出了具有20 μ s的建立时间和120mV的电压偏移的OA至3A升压瞬变的放大图。图8阐释了具有70 μ s的建立时间和170mV的电压偏移的3A至OA降压瞬变的放大图。图9阐释了具有20 μ s的建立时间和130mV的电压偏移的已改善的3A至OA降压瞬变。图10阐释了具有负Nx节点电压的已改善的降压瞬变的细节图。
具体实施例方式DC-DC电源300产生DC输出电压，Vout⑴。控制器302在从重到轻负载瞬变响应期间产生开关信号C1⑴…C5⑴，使得所述DC-DC电源使用负输入电压。将所述负输入电压接入所述DC-DC电源的外部LC电路系统202 (包括电感器206和电容器204)，以便快速地调节对所述从重到轻负载瞬变的DC输出。将所述开关信号C1 (t)-C5U)发送至图2所示的功率开关(诸如开关Qr"Q5)，以便在正常工作期间接入正输入电压和接地以及在所述从重到轻负载瞬变响应期间接入所述负输入电压和接地。可以使用所述开关信号给电容器Cx充电来提供所述负电压。所述开关信号C1⑴…C5⑴用于控制开关仏…仏来给外部LC电路202提供所述输入电压、接地和负电压。所述控制器302使用占空比d [η]，所述占空比可以为负。正占空比数值表示提供正输入电压而非接地的周期部分，而负占空比数值表示提供负输入电压而非接地的周期部分。在SMPS中的最大负载瞬变响应速度受限于所述功率级电感器和电容器的数值，以及输入和输出电压的数值。在具有显著降压比的现代DC-DC转换器中，这些限制使得从重到轻负载瞬变响应显著地比对相反瞬变的响应慢，造成显著的电压过冲和/或需要较大的输出电容器。为了尽量减少这种问题，在大多数基于拓扑的方法中，在瞬变期间改变或者桥接滤波电感从而导致比在稳态下更高的电流转换速率。理论上，对于给定的转换器，可以设计线性的补偿器来达到任意高的控制带宽。然而，实际中，可达到的带宽受限于所述适用的占空比范围，在降压转换器中是从O至I。一旦所述占空比饱和，瞬变响应的速度仅仅依赖于所述电感电流的转换速率。
在具有相对较大降压比的常规降压转换器中，即Vin显著地大于2V-，在升压和降压负载变化期间的电感电流转换速率具有相当不同的数值。在从重到轻负载瞬变期间，所述电流转换速率受限于(Vin-Vrat) /L，而在相反的负载变化期间所述转换速率是-Vwt/L，其中L是所述电感数值。由于所述小得多的转换速率，所述转换器需要更多时间来抑制从重到轻负载瞬变。在向电子设备供电的现代DC-DC转换器中，随着降低所述转换器的输出电压，即增大降压比，至亚IV(sub IV)范围的趋势继续，这种问题变得明显。因此，在降压负载变化期间，所述转换器经历更长的瞬变和更大的过冲。作为替代 ，使用图I所示的已修改3级降压转换器，增加了在从重到轻负载瞬变期间的转换速率。一种通常用于高功率应用中的常规3级4开关降压转换器的实现方法被建议用作在低功率高带宽放大器中的包络跟踪(envelope tracking)。产生输入0、Vin/2和Vin的所述转换器用于使所述输出电压纹波(voltage ripple)最小并且提高效率。在一个实施例中，图2所示的3级降压转换器的5开关实现方法用于改善从重到轻负载瞬变响应。在这种情况下，所述转换器的输入电压具有三个电平+vin、0和-vin。这个想法是在从重到轻瞬变期间，所述电感器输入节点Nx连接至所述负电压轨(voltagerail)-Vin而不是O。这样，对于从重到轻负载瞬变的转换速率的绝对值被提高至(V-+VJ/L。应当注意，不是所有加在这种拓扑中的晶体管都需要具有高的额定电流。在稳态下，Q1和(Q2+Q4)用作互补开关以及所述转换器变现为常规降压转换器。在从重到轻负载瞬变期间，只有晶体管Q3和Q5是工作的，与其他开关相比需要小得多的平均电流。在稳态工作期间，用于在Nx处产生负Vin的所述电容器Cx也用作输入滤波电容器。数字控制器用于根据占空比控制变量的符号在所述正输入电压和所述负输入电压轨之间无缝地切换。可以分别用图3所示的方框图和图4所示的时序图阐释所述数字控制器的工作控制所建议的转换器的工作。所述数字控制器是非常简单的，并且与常规电压模式脉冲宽度调制结构相比需要很小的修改。主要差异在于，在这种实现方法中由所述PID补偿器产生的所述占空比控制变量d[n]不限制在O与I之间，而是具有-I < d[n] < I的扩展范围。当所述输出电压增加时，由于从重到轻负载瞬变或者某些其他干扰，d[n]可变成负的，而不是局限于O。这个负值由所述PID补偿器304自动地产生。不同于丢弃所述负值d[n]的常规降压转换器，由于所述拓扑的物理限制，在这种拓扑中它用于启动所述转换器配置的变化。d[n]的数值总是由所述切换序列逻辑(Switching Sequence Logic) 306监测,所述切换序列逻辑基于占空比命令的符号来选择有源晶体管序列。图4所示的时序图以及图5对应电路配置图描述了所述逻辑的工作。正如我们所看到的，当占空比控制变量为正时，转换器用作常规降压转换器，在状态I与状态2之间切换并且禁用Q5。在这种情况下，Cx用作输入滤波电容器并且被充电至所述电压Vin。当创建负占空比命令时，所述状态2的转换器配置被状态3的配置替代，在状态3中通过断开Q3、Q4并且短路Q5使所述电容器Cx的方向反转，以便在Nx节点处强加-Vin电压。这样，实现了不受干扰的反馈调整。在这种模式下，在Q5接通之前足够的非重叠时间是必要的，以防止电流直通。与占空比被限制在O的常规情况下的响应相比，由于所述占空比控制的饱和动作，所建议的方法不会引入非线性。因此，在所述升压和降压瞬变期间，可以实现具有扩展的线性控制工作范围的平衡响应。另外，所述转换器能够产生从-Vin至Vin的增加的输出电压范围。建立并且测试了实现图2和图3所示系统的实验设置。所述功率级是3级，6V-1.3V，400kHz，8W。这个示例的转换器参数为电感器L = 3. 3 μ H，输出电容器C =140 μ F，开关频率fsw = 400KHz。为了提供负输入电压，使用了相对较小的电容器Cx = 30 μ F0用Altera DE2 FPGA电路板和现成的ADC实现了所述控制器。为了说明所建议转换器的优势，对于所述降压转换比从6V至I. 3V，比较了所述转换器的响应与常规降压转换器的响应。在两种情况下，使用相同的补偿器并且将所述控制带宽设置为fsw的十分之一，即40kHz。首先，通过将所述占空比指令限制在(0，1)之间实现降压转换器的常规工作。在图6中示出，在OA与3A之间的对称负载变化造成了不对称负载瞬变。图6阐释了 6V-1. 3V降压转换器对3A负载变化的不对称瞬态响应；通道I示出了输出电压(100mV/div);通道2示出了节点Nx电压(10V/div);通道3示出了负载瞬态控制信号；所述时间刻度是200μ s/div。在图8中所示的所述降压瞬变的缩放视图具有与升压瞬变相比长了 3倍的建立时间和大了 50mV的电压偏移。这是由于在负载降压期间的占空比饱和导致的，可以从图8的Nx节点电压波形看出。图8阐释了具有70 μ s的建立时间和170mV的电压偏移的3A至OA降压瞬变的放大图；通道I示出了输出电压(lOOmV/div);通道2示出了节点Nx电压(10V/div);通道3示出了负载瞬态控制信号；所述时间刻度是50 μ s/div。然后，将所述占空比限制放宽至(_1，1)并且启用所述快速电容器。利用完全相同的测试条件，在图9中看到所述降压负载瞬变。图9阐释了具有20 μ s的建立时间和130mV的电压偏移的已改善的3A至OA降压瞬变；通道I示出了输出电压(lOOmV/div);通道2示出了节点Nx电压(lOV/div);通道3示出了负载瞬态控制信号；所述时间刻度是50 μ s/div。与图8所示的相比，所建议的转换器实现短了 3倍的建立时间和小了 40mV的电压过冲。与图7所示的升压瞬变相比，所述已改善的降压瞬变具有近似相同的响应，换言之，对称的响应。图7示出了具有20 μ s的建立时间和120mV的电压偏移的OA至3A升压瞬变的放大图；通道I示出了输出电压(100mV/div);通道2示出了节点Nx电压(10V/div);通道3示出了负载瞬态控制信号；所述时间刻度是50 μ s/div。在图10中示出了所述已改善响应的放大图，以及当占空比在所述瞬变期间变为负时看到的在Nx节点处的负电压。可以看出，所陈述的转换器拓扑能够扩大所述工作占空比范围并且大大改善在降压负载瞬变期间的转换器性能。图10阐释了具有负Nx节点电压的已改善的降压瞬变的细节图；通道I示出了输出电压(100mV/div);通道2示出了节点Nx电压(10V/div);通道3示出了负载瞬态控制信号；所述时间刻度是50 μ s/div。出于阐释和描述的目的，已经提供了本发明优选实施例的前述描述。目的不旨在穷举或者将本发明限制在所公开的精确形式。为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，选择并且描述了许多实施例，从而使本领域普通技术人员能够理解本发明的各种实施例以及适用于特定使用考虑的各种该修改。目的旨在本发明的范围由所述权利要求及其等同来限定。
权利要求
1.ー种用于产生DC输出电压的DC-DC电源的控制器，所述控制器在从重到轻负载瞬变响应期间产生开关信号，使得所述DC-DC电源使用负输入电压。
2.根据权利要求I所述的控制器，其中将所述负输入电压接入所述DC-DC电源的外部LC电路，以快速地调节对所述从重到轻负载瞬变的DC输出。
3.根据权利要求I所述的控制器，其中将所述开关信号发送至功率开关，以便在正常工作期间接入正输入电压和接地以及在所述从重到轻负载瞬变响应期间接入所述负输入电压和接地。
4.根据权利要求I所述的控制器，其中对电容器充电以提供所述负输入电压。
5.根据权利要求I所述的控制器，其中开关信号用于控制功率开关，以向外部LC电路提供正输入电压、接地和负输入电压。
6.根据权利要求I所述的控制器，其中所述控制器使用具有包括正值和负值范围的占空比，正占空比数值表示提供正输入电压而非接地的周期部分，而负占空比数值表示提供负输入电压而非接地的周期部分。
7.ー种DC-DC电源，将正输入电压、接地和负输入电压接入LC电路以便产生DC输出电压，在从重到轻负载瞬变响应期间使用所述负输入电压。
8.根据权利要求7所述的控制器，其中将所述负输入电压接入所述DC-DC电源的外部LC电路，以便快速地调节对所述从重到轻负载瞬变的DC输出。
9.根据权利要求7所述的DC-DC电源，包括为所述DC-DC电源的功率开关产生开关信号的控制器，所述功率开关在正常工作期间接入正输入电压和接地并且在所述从重到轻负载瞬变响应期间接入所述负输入电压和接地。
10.根据权利要求9所述的控制器，其中所述控制器使用具有包括正值和负值范围的占空比，正占空比数值表示提供正输入电压而非接地的周期部分，而负占空比数值表示提供负输入电压而非接地的周期部分。
11.根据权利要求7所述的DC-DC电源，还包括电容器以提供所述负输入电压。
12.根据权利要求11所述的DC-DC电源，其中所述正输入电压用于给所述电容器充电以提供所述负输入电压。
13.—种用于DC-DC电源的方法,包括 在正常工作期间，在正输入电压与接地之间切换以产生DC输出电压；以及 在从重到轻负载瞬变期间，在负输入电压与接地之间切换以调节所述DC输出电压。
14.根据权利要求13所述的方法，其中将所述正输入电压、接地和负输入电压接入LC电路。
15.根据权利要求13所述的方法，其中产生开关信号来选择所述正输入电压、接地或者负输入电压。
16.根据权利要求13所述的方法，其中电容器用于产生所述负输入电压。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括 创建具有包括正值和负值范围的占空比信号；以及 其中正占空比数值表示提供正输入电压而非接地的周期部分，而负占空比数值表示提供负输入电压而非接地的周期部分。
全文摘要
描述了一种用于改善低功率开关模式电源中从重到轻负载瞬变响应的方法。它使用负电压输入电源轨和具有扩展的占空比控制数值的数字控制器来在所述开关模式电源(SMPS)电感器中提供更快的放电电流转换速率。
文档编号G05F1/00GK102859461SQ201180019678
公开日2013年1月2日 申请日期2011年2月17日 优先权日2010年2月19日
发明者阿里克桑达·普罗迪克, 赵振宇 申请人:爱萨有限公司