[發明專利]用于控制開關模式功率轉換器的控制器和方法

有效

• 申請號: 201110056953.6
• 申請日: 2011-03-07
• 公開（公告）號: CN102195479A
• 公開（公告）日: 2011-09-21
• 發明（設計）人: 吉安·霍赫扎德
• 申請（專利權）人: NXP股份有限公司
• 主分類號: H02M3/156
• 分類號: H02M3/156
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 王波波

技術領域

本發明涉及開關模式功率轉換器。本發明還涉及用于控制開關模式功率轉換器的方法。

背景技術

與DC-DC開關模式功率轉換器(具體為負載點(PoL)轉換器)相關聯的兩個品質因數是功率密度(典型的測量單位是W/m³)和功率效率(定義為功率輸出和功率輸入之間的比值)。PoL轉換器在電負載附近使用，如微處理器、FPGA、DSP和存儲器。它們在諸如電信、數據通信、數據中心、服務器場等的基礎設施應用中獲得了廣泛的應用。功率效率對于減少負載附近的不期望的加熱以及對于減少典型地大電流(可以是幾十安培)經過從轉換器至負載的布線(例如PCB跡線)的電阻損耗是重要的；功率密度對于限制寄生互連電感使得能夠更高頻率地切換轉換器從而使用更小的寄生元件是重要的。

已知在用于DC-DC轉換器的元件的尺寸中，必須將預期的工作特性考慮在內：這不僅包括穩態工作電流和電壓，而且包括在瞬態條件下可能遇到的非穩態電流和電壓。在諸如突然將負載切入轉換器或將負載與轉換器切斷的瞬態條件期間，遇到超過正常穩態最大電流30％至40％的電流并不罕見。因此諸如電感器和輸出電容器的元件必須有合適的尺寸。

對于抑制這種瞬態的控制方法一直存在著需求，該控制方法對轉換器的功率效率應當沒有不利作用，或者僅有減少的不利作用。

發明內容

本發明的目的是提供具有高功率密度和高功率效率的控制DC-DC轉換器的方法。

根據本發明的第一方面，提供一種用于控制包括開關的DC-DC開關模式功率轉換器的方法，所述方法包括：在通過主控制回路控制開關的同時，檢測開關模式功率轉換器上的負載中的階躍(step)；響應于檢測器檢測到負載中的階躍而產生信號；以及響應于信號而切換開關。

有利地，由于開關保持在主控制回路的控制下，控制的不穩定性可以不受影響。當然，本發明不限于單個功率開關，在許多實施例中，該開關可以是一對開關中的一個，如控制開關(典型地為FET)和同步開關(典型地)FET中的一個。可以使用其他開關，非限制性地，例如雙極晶體管。

在實施例中，通過電流模式控制來實現通過主控制回路控制開關。替代地并且非限制性地，通過電壓控制回路控制開關也可以落入本發明的范圍內，盡管因為電壓控制回路典型地要求來自兩個輸出極(output?pole)的補償，而不是電流回路控制典型地要求的單輸出極補償，電壓控制回路更為遲緩，因而電流回路控制在某些情形下可能是優選的。

在實施例中，電流模式控制包括峰值電流控制。在其他實施例中，可以采用其他模式的電流控制，非限制性地如谷值電流控制。

在實施例中，通過振蕩器產生的振蕩器脈沖串來控制開關模式功率轉換器的開關頻率。在實施例中，向觸發器的“置位”輸入端輸入脈沖串，觸發器的輸出端用于控制開關。信號可以包括在振蕩器脈沖串中插入的瞬態脈沖。

在實施例中，響應于檢測器檢測到負載中的階躍產生信號包括將輸出電壓(Vout)和參考電壓(Vth)的絕對差值與閾值電壓(Vth)比較、以及產生與比較的符號(sign)相關的信號。閾值電壓Vth可以是預定的，在一些實施例中可以使用多于一個的閾值電壓。在實施例中，Vth在50mV和70mV之間。在其他實施例中可以使用Vth的其他數值；該數值可以選擇為適合于特定的應用，正如本領域的技術人員可以容易地理解的那樣。

根據本發明的另一方面，提供一種用于具有開關的開關模式功率轉換器的控制器，該控制器包括用于控制開關的主控制回路、用于檢測開關模式功率轉換器上的負載中的階躍的檢測器、以及用于響應于檢測器檢測到負載中的階躍而產生信號的信號發生器，其中控制器配置為響應于信號而切換開關。

在實施例中，主控制回路是電流模式控制回路。

在實施例中，主控制回路是模擬回路。在其他實施例中，主控制回路是數字回路；使用數字還是模擬控制回路的設計選擇將取決于特定的應用。

在實施例中，控制器還包括用于產生振蕩器脈沖串的振蕩器，用于控制開關模式功率轉換器的開關頻率。控制器還包括觸發器，該觸發器具有用于接收脈沖串的“置位”輸入端和用于控制開關的輸出端。信號發生器可以配置為響應檢測器檢測到負載中的階躍而在振蕩器脈沖串中插入瞬態脈沖。

在實施例中，檢測器包括比較器，該比較器設置為將開關模式功率轉換器的輸出電壓(Vout)與參考電壓(Vth)減去閾值電壓(Vth)比較、以及根據比較的符號產生信號。

參照下文描述的實施例將清楚和闡明本發明的這些和其他方面。

附圖說明

現在將參照附圖以示例的方式描述本發明的實施例，其中：