保持切換模式電源中的所需切換頻率的系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種保持切換模式電源中的所需切換頻率的系統，在一些實施例中，所述系統包括：放大器，所述放大器接收由切換模式電源生成的反饋電壓信號；耦合至所述放大器的頻率檢測器，以基于所述切換模式電源的切換頻率和目標頻率的比較產生誤差信號；以及耦合至所述放大器的滯后比較器，以控制所述切換頻率，其中所述放大器使用所述誤差信號調整所述反饋電壓信號中的波紋的振幅，并且其中所述滯后比較器使用所述反饋電壓信號控制所述切換頻率。
【專利說明】
保持切換模式電源中的所需切換頻率的系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種用于保持切換模式電源中的所需切換頻率的裝置或系統。
【背景技術】
[0002]直流(DC)-DC變換器通常用于使電源電壓逐步降低以滿足特定電路的需要。在許多情況下，此類電路具有可變負載一例如，在DC電機中。DC電機存在于從醫療設備到汽車的無數種類型的電子產品中。為了節省電能同時保持對可變負載的適當電壓供應，DC-DC變換器常采用脈沖寬度調制(PWM)，其中將快速接通和斷開的輸入電壓施加至輸出濾波器以便以有效方式對供應給負載的電壓和電流進行調節(稱為“切換模式電源(sw it ch-modepower supplies)”)。切換操作常常通過滯后比較器執行，該比較器使用來自電源輸出的反饋回路來確定調節負載所需的適當切換占空比。
[0003]然而，電源的輸出電壓通常包含一定程度的波紋。滯后比較器的滯后跳變點可被設定為將該波紋考慮在內，以使得滯后比較器以所需頻率改變輸出狀態，從而生成所需電源切換頻率。然而，輸出電壓中的波紋的振幅可動態增大或減小，從而導致滯后比較器過于頻繁或很少改變輸出狀態。這繼而導致不適當的電源切換頻率。因此，需要一種用于即使在面對波紋振幅變化時也可靠地控制切換模式電源的切換頻率的技術。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型解決了現有技術中的一項或多項技術問題。
[0005]至少一些實施例涉及一種系統，該系統包括:放大器，該放大器接收由切換模式電源生成的反饋電壓信號；耦合至放大器的頻率檢測器，以基于切換模式電源的切換頻率和目標頻率的比較產生誤差信號；以及耦合至放大器的滯后比較器，以控制所述切換頻率，其中放大器使用誤差信號調整反饋電壓信號中的波紋的振幅，并且其中滯后比較器使用反饋電壓信號控制所述切換頻率。這些實施例可以各種方式進行補充，包括以任何順序和任何組合利用如下概念中的任一者或全部:其中滯后比較器從放大器接收反饋電壓信號；其中放大器為包括高通濾波器或帶通濾波器的有源濾波器;其中放大器使用誤差信號保持波紋的所述振幅。
[0006]至少一些實施例涉及一種系統，該系統包括:直流(DC)-DC變換器，該變換器產生具有波紋的輸出電壓信號和具有所述波紋的反饋電壓信號;耦合至變換器的頻率檢測器，該檢測器將變換器的切換頻率與目標頻率進行比較并且基于所述比較產生誤差信號;耦合至變換器和頻率檢測器的放大器，該放大器基于誤差信號調整反饋電壓信號中的所述波紋的振幅；以及耦合至放大器的滯后比較器，該比較器使用所述反饋電壓信號控制變換器的切換頻率。這些實施例可以各種方式進行補充，包括以任何順序和任何組合利用如下概念中的任一者或全部:其中滯后比較器從放大器的輸出接收反饋電壓信號；其中放大器包括有源濾波器，該濾波器為高通濾波器或帶通濾波器;其中變換器為降壓變換器、升壓變換器、升降壓變換器、反相變換器、反激式變換器或單端初級電感器變換器(SEPIC);其中滯后比較器使用固定滯后；其中頻率檢測器包括鎖相回路(PLL);還包括耦合至放大器的分壓器，其中穿過分壓器的反饋電壓信號的一部分具有DC分量和交流電(AC)分量，并且其中穿過放大器的反饋電壓信號的另一部分僅具有AC分量;其中放大器從DC-DC變換器的一部分而非產生輸出電壓信號的節點獲得所述反饋電壓信號。
【附圖說明】
[0007]在附圖以及在以下描述中公開了用于動態調整反饋電壓波紋振幅以控制電源切換頻率的技術。在附圖中:
[0008]圖1為實施本文所述技術中的至少一些技術的一種示例性切換模式電源的電路示意圖。
[0009]圖2為圖1的切換模式電源中可用的一種示例性高通濾波器的電路示意圖。
[0010]圖3為波特圖，示出了本文所述的至少一些技術對波紋振幅的作用。
[0011]圖4為可用于執行本文所公開的技術中的至少一些技術的一種示例性方法的流程圖。
[0012]然而，應當理解，附圖中給定的具體實施例以及對它們的詳細描述并不限制本發明。相反，這些實施例和詳細描述為普通技術人員提供了識別替代形式、等同形式和修改形式的基礎，這些替代形式、等同形式和修改形式與給定實施例中的一個或多個一起被包括在所附權利要求書的范圍內。
【具體實施方式】
[0013]本文公開了一種用于可靠地保持切換模式電源中的所需切換頻率的技術。該技術尤其可用于往往經歷不穩定切換頻率的切換模式電源中，諸如接收可變輸入電壓的那些切換模式電源。該技術包括使用頻率檢測器生成誤差信號，該誤差信號反映切換模式電源的實際切換頻率與目標頻率之間的差值。放大器諸如有源濾波器使用誤差信號增大或減小由切換模式電源提供的反饋電壓信號中的波紋的振幅。放大器對波紋振幅進行調整，以使得放大器向其提供反饋電壓信號的滯后比較器切換輸出狀態的頻率比其電流輸出狀態切換頻率更頻繁或沒有那么頻繁。例如，如果放大器增大波紋的振幅，則波紋將更經常地超出滯后比較器的滯后，從而導致滯后比較器更頻繁變化輸出狀態。這繼而導致切換模式電源以更大頻率切換。反之，如果放大器減小波紋的振幅，則波紋將不那么經常地超出滯后比較器的滯后，從而導致滯后比較器不那么頻繁變化輸出狀態。這繼而導致切換模式電源以更小頻率切換。
[0014]通過動態響應由系統中的不穩定性引起的波紋振幅變化，放大器能夠在反饋電壓信號中保持基本上恒定的波紋振幅(如，在5%內)，以及因此基本上恒定的電源切換頻率。因此，例如，如果切換模式電源的輸入處的較大輸入電壓擺幅導致波紋振幅增大以及由此切換頻率增大，則頻率檢測器將確定電源的實際切換頻率已超出目標頻率并且將向放大器發出誤差信號。放大器繼而將向下調諧波紋振幅，直至實際電源切換頻率返回到目標頻率并且目標頻率和實際切換頻率之間的差異得以解決。
[0015]圖1為實施本文所述技術中的至少一些技術的一種示例性切換模式電源100的電路示意圖。電源100可為例如DC-DC變換器，諸如降壓變換器、升壓變換器、升降壓變換器、反相變換器、反激式變換器或單端初級電感器變換器(SEPIC)。電源100包括開關102，104(如，晶體管開關)；耦合至接地108的輸入電壓源極106(如，汽車電池、主電源)；耦合至開關104的接地110;電感器112;輸出電壓節點114，在該節點提供輸出電壓Vqut ;耦合至接地118的電容器116;包括阻抗120，122的分壓器電路;耦合至阻抗122的接地124 ；耦合至節點114的放大器126;耦合至放大器126的求和放大器128;相位和頻率檢測器130(如，鎖相回路(PLL));耦合至檢測器130的目標頻率信號產生器132(如，振蕩器)；檢測器130和切換模式電源之間的切換頻率信號133;檢測器130和放大器126之間的誤差信號134;從求和放大器128提供給滯后比較器144的反相輸入140的反饋電壓信號Vfb 136;以及耦合至滯后比較器144的同相輸入142的參考信號138。符號Vfb和標號136用于區分提供給滯后比較器144的反饋電壓信號與提供給分壓器電路和放大器126的反饋電壓信號;然而，術語“反饋電壓信號”通常是指穿過電壓和頻率反饋回路119的信號，而不考慮該信號的任何修改形式。滯后比較器144驅動開關102，104，并且反相器146耦合于比較器144和開關104之間。至少放大器126、阻抗120，122、接地124、求和放大器128、頻率檢測器130、目標頻率信號產生器132以及信號133，134，136形成電壓和頻率反饋回路119。可針對正在實施電源的特定應用，由熟練的電路技術人員根據必需和需要選擇電感器112、電容器116、阻抗120和阻抗122以及其他此類電路組件的規格。公開的范圍并不限于圖1所示的具體電路。相反，任何使用本文所公開的技術實現切換模式電源中切換頻率穩定化的電路均落入本本發明的范圍內。例如，在一些實施例中，感測電阻器可耦合于電感器112和節點114之間，其中分壓器電路耦合至感測電阻器的一側并且放大器126耦合至感測電阻器的另一側。
[0016]在操作中，電壓源極106將電壓信號提供給開關102，同時接地110耦合至開關104。滯后比較器144使得開關102，104打開和關閉。例如，當滯后比較器144輸出HIGH信號時，開關102關閉并且開關104打開(由于反相器146)。因此，由于電壓源極106，HIGH信號被輸出至電感器112。反之，當滯后比較器144輸出LOW信號時，開關102打開并且開關104關閉。因此，由于接地110，L0W信號被輸出至電感器112。在電壓源極106和接地110之間快速切換將導致脈沖信號被提供給電感器112。如本領域的普通技術人員所熟知，電感器112和電容器116充當切換模式電源的濾波器。輸出電壓信號Vciut在節點114處提供。Vciut信號為包含一定程度波紋的DC信號。可在節點114處建立任何合適的電路或連接以根據需要使用輸出電壓Vqut—例如，作為導軌式電源。
[0017]電壓和頻率反饋回路119接收反饋電壓信號。在一些實施例中，諸如圖1所示的那些實施例，回路119所接收的反饋電壓信號可與輸出電壓信號Vqut相同。在其他實施例中，反饋電壓信號可從節點114之外的電源的一部分獲得，并且在另一些其他實施例中，反饋電壓信號的不同部分(如，交流部分和直流部分)可從電源的不同部分獲得。在其中反饋電壓信號的一些或全部從節點114之外的節點獲得的實施例中的至少一些實施例中，該信號中的波紋優選地與Vqut中的波紋類似或相同。
[0018]分壓器包括阻抗120，122，主要接收反饋電壓信號的DC分量，但可能包括一定程度的波紋。在至少一些實施例中，放大器126僅接收反饋電壓信號的AC分量。如上所述，在一些實施例中，放大器126接收信號，該信號包括與輸出電壓信號V.中的波紋類似或相同、但來自電源中節點114之外的位置的波紋。可將阻抗120，122和放大器126的具體參數選擇為對其接收的信號施加所需增益。由阻抗120，122施加的增益是固定的，因為阻抗120，22的阻抗值是固定的。然而，放大器126對其接收的AC信號施加可變增益。更具體地講，放大器126施加于AC信號的具體增益取決于從檢測器130接收的誤差信號134。檢測器130將從目標頻率信號產生器132接收的目標頻率與在滯后比較器144的輸出處檢測到的實際電源切換頻率進行比較。由檢測器130輸出的誤差信號134反映目標切換頻率和實際切換頻率之間的差值。如果誤差信號134指示實際切換頻率比所需切換頻率更快，則放大器126動態地減少施加于AC信號的增益，從而減小AC信號的振幅。反之，如果誤差信號134指示實際切換頻率比所需切換頻率更慢，則放大器126動態地增大施加于AC信號的增益，從而增大AC信號的振幅。AC信號振幅的增大或減小對切換模式電源100的實際切換頻率的影響，在下文中針對滯后比較器144進行描述。
[0019]放大器126的輸出與求和放大器128處的分壓器的輸出相組合。求和放大器128的輸出為電壓反饋信號Vfb 136，該信號被提供到滯后比較器144的反相輸入140。滯后比較器144優選地設置有固定滯后。該滯后可根據系統100中的其余組件的參數例如放大器126的增益進行設定。如果在電壓反饋信號Vfb 136上升時觸發上部滯后跳變點，滯后比較器144的輸出改變狀態，并且如果在電壓反饋信號Vfb 136下降時觸發下部滯后跳變點，其也改變狀態。當放大器126增大其增益并且因此增大Vfb 136的波紋振幅時，更經常地觸發滯后跳變點。因此，滯后比較器144的輸出狀態更頻繁地改變，從而導致切換模式電源的切換頻率提高。反之，當放大器126減少其增益并且因此減少Vfb 136的波紋振幅時，較不經常地觸發滯后跳變點。因此，滯后比較器144的輸出狀態改變不那么頻繁，從而導致切換模式電源的切換頻率下降。放大器126繼續調整其增益，從而增大或減小切換模式電源100的切換頻率，直至誤差信號134指示實際切換頻率與目標切換頻率產生器132所產生的目標切換頻率匹配。以這種方式，系統將電源切換頻率保持在目標頻率，而不管由例如不穩定輸入電壓106導致的波紋振幅波動如何。
[0020]圖2為可用作圖1的放大器126的一種示例性高通濾波器198的電路示意圖。盡管圖2示出了高通濾波器，但本發明的范圍并不限于任何特定類型的放大器126。在一些實施例中，例如，放大器126可為任何合適類型的有源濾波器。在一些實施例中，放大器126可為任何合適類型的高通濾波器。在一些實施例中，放大器126可為任何合適類型的帶通濾波器。在一些實施例中，放大器126可包括與傳統放大器結合的頻率濾波器，諸如運算放大器。在一些實施例中，放大器126具有最大單位增益。能夠施加可變增益的任意或全部其他合適類型的濾波器和/或放大器均可用作放大器126。
[0021]高通濾波器198包括如圖所示耦合至阻抗120，122的電容器200，202。電容器200和阻抗120均耦合至節點114，節點114處產生VQUT。電容器202耦合至晶體管204(如，η溝道M0SFET)，其柵極受誤差信號134控制。晶體管204和阻抗122耦合至接地124。阻抗120，122之間的節點206產生信號Vfb 136。電容器200，202和阻抗120，122的參數可由普通技術人員根據需要進行選擇，具體取決于所需的特定應用和電源行為。求和放大器在圖2的實施例中未具體示出，但可根據需要包括一個求和放大器。誤差信號134的增大或減小改變晶體管204的阻抗。這繼而導致濾波器198的頻率響應的偏移。現在參照圖3描述誤差信號134和濾波器198的頻率響應之間的關系。
[0022]圖3為圖2的高通濾波器198的波特圖300，以示出如何通過使濾波器198的頻率響應偏移來調整指定頻率下的增益。圖300包括X軸上的目標頻率和y軸上的波紋振幅。圖300包括多條曲線。通過在100kH(以標號302標記)的示例性頻率下研究這些曲線來最好地解釋這些曲線的行為。在10kHz下，示例性曲線304,306示出隨著誤差信號134減小時(S卩，從對于曲線306為2.0V至對于曲線304為0.8V)，極點偏移至更低頻率，使得10kHz下的增益增大。這使得Vfb 136(圖1)上的波紋振幅更大，從而產生增大的電源切換頻率。反之，增大誤差信號134(即，從對于曲線304為0.8V至對于曲線306為2.0V)，會使頻率響應偏移至右側并且因此由于波紋振幅較小而減慢電源切換頻率。
[0023]圖4為可用于執行本文所公開的技術中的至少一些技術的一種示例性方法400的流程圖。同時結合圖1和圖4對方法400進行描述。方法400從生成誤差信號134(步驟402)開始。誤差信號134是通過將產生器132產生的目標頻率與使用滯后比較器144的輸出所確定的實際電源切換頻率進行比較而生成。方法400隨后包括使用誤差信號134調整反饋電壓信號的波紋振幅(步驟404)。這通過將誤差信號134提供給放大器126而實現，放大器126使用誤差信號134調諧其增益，直至誤差信號134減弱至零或盡可能地接近零。在至少一些實施例中，使用高通濾波器，諸如圖2中所示的高通濾波器，并且在此類實施例中可將誤差信號134施加至耦合在濾波器內的晶體管的柵極，如上所述。方法400接著是使用滯后比較器144和使用信號Vfb 136執行電源切換(步驟406)。具體地講，滯后比較器144具有固定滯后，并且Vfb 136(通過放大器126連續調整其振幅以解決誤差信號134)的波紋觸發滯后帶的跳變點的頻率決定電源切換頻率。方法400可以任何合適方式修改，包括加入、刪除、修改和/或重新布置所述步驟中的一者或多者。
[0024]因此，本發明至少一些實施例涉及一種方法，該方法包括:接收由切換模式電源生成的反饋電壓信號；基于切換模式電源的切換頻率和目標頻率之間的差值生成誤差信號；并且使用誤差信號調整反饋電壓信號的波紋振幅，以控制切換模式電源中的所述切換頻率。這些實施例可以各種方式進行補充，包括以任何順序和任何組合利用如下概念中的任一者或全部:其中切換模式電源包括直流(DC)-DC變換器，該變換器選自降壓變換器、升壓變換器、升降壓變換器、反向變換器、反激式變換器和單端初級電感器變換器(SEPIC);其中調整所述波紋振幅包括將誤差信號提供給有源濾波器;還包括使用有源濾波器保持所述波紋振幅;其中有源濾波器為高通濾波器或帶通濾波器;其中有源濾波器包括多個電容器和與所述多個電容器中的一個串聯的晶體管;其中控制所述切換頻率包括將反饋電壓信號提供給滯后比較器;還包括在滯后比較器中保持固定滯后。
[0025]一旦完全理解了上述公開的內容，對于本領域技術人員來說許多其他變型形式和修改形式就將變得顯而易見。以下權利要求書被解釋為旨在包含所有此類變型形式、修改形式和等同形式。另外，術語“或”應當被解釋為包含的含義。
【主權項】
1.一種用于保持切換模式電源中的所需切換頻率的系統，其特征在于所述系統包括: 放大器，所述放大器接收由切換模式電源生成的反饋電壓信號； 頻率檢測器，所述頻率檢測器耦合至所述放大器，以基于所述切換模式電源的切換頻率與目標頻率的比較產生誤差信號；以及 滯后比較器，所述滯后比較器耦合至所述放大器，以控制所述切換頻率， 其中所述放大器使用所述誤差信號調整所述反饋電壓信號中的波紋的振幅，并且 其中所述滯后比較器使用所述反饋電壓信號控制所述切換頻率。2.根據權利要求1所述的用于保持切換模式電源中的所需切換頻率的系統，其中所述滯后比較器從所述放大器接收所述反饋電壓信號。3.根據權利要求1所述的用于保持切換模式電源中的所需切換頻率的系統，其中所述放大器為有源濾波器，所述有源濾波器包括高通濾波器或帶通濾波器。4.根據權利要求1所述的用于保持切換模式電源中的所需切換頻率的系統，其中所述放大器使用所述誤差信號保持所述波紋的所述振幅。5.—種用于保持切換模式電源中的所需切換頻率的系統，其特征在于所述系統包括: DC-DC變換器，所述變換器產生具有波紋的輸出電壓信號和具有所述波紋的反饋電壓信號； 頻率檢測器，所述頻率檢測器耦合至所述變換器，所述頻率檢測器將所述變換器的切換頻率與目標頻率進行比較并且基于所述比較產生誤差信號； 放大器，所述放大器耦合至所述變換器和所述頻率檢測器，所述放大器基于所述誤差信號調整所述反饋電壓信號中的所述波紋的振幅；以及 滯后比較器，所述滯后比較器耦合至所述放大器，所述滯后比較器使用所述反饋電壓信號控制所述變換器的所述切換頻率。6.根據權利要求5所述的用于保持切換模式電源中的所需切換頻率的系統，其中所述滯后比較器從所述放大器的輸出接收所述反饋電壓信號。7.根據權利要求5所述的用于保持切換模式電源中的所需切換頻率的系統，其中所述放大器包括有源濾波器，所述有源濾波器為高通濾波器或帶通濾波器。8.根據權利要求5所述的用于保持切換模式電源中的所需切換頻率的系統，其中所述滯后比較器使用固定滯后。9.根據權利要求5所述的用于保持切換模式電源中的所需切換頻率的系統，所述系統還包括耦合至所述放大器的分壓器，其中穿過所述分壓器的所述反饋電壓信號的一部分具有DC分量和AC分量，并且其中穿過所述放大器的所述反饋電壓信號的另一個部分僅具有AC分量。10.根據權利要求5所述的用于保持切換模式電源中的所需切換頻率的系統，其中所述放大器從產生所述輸出電壓信號的節點之外的所述DC-DC變換器的一部分獲得所述反饋電壓信號。
【文檔編號】H02M1/14GK205622513SQ201620372856
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年4月28日
【發明人】R·戴維斯
【申請人】半導體元件工業有限責任公司