[发明专利]以最大化功率效率来控制开关模式电源

说明书

技术领域

一般来说，本发明涉及开关模式电源的领域，以及更具体来说，涉及开关模式电源的占空比的控制。

背景技术

开关模式电源(SMPS)是一种因其尺寸小、重量轻和效率高而具有不同范围的应用的众所周知类型的电源转换器。例如，SMPS广泛用于个人计算机和便携电子设备、例如蜂窝电话中。SMPS通过以高频率(通常为数十至数百kHz)开关例如功率MOSFET等开关元件，来实现这些优点，其中开关的频率或占空比定义将输入电压转换成所需输出电压的效率。

在大多数SMPS拓扑中，输出电压V_out与输入电压V_in成正比。

等式1

在上式1中，D是开关的占空比，以及n = n_s/n_p是在SMPS中使用变压器时的变压比(次级侧的匝数n_s除以初级侧的匝数n_p)，或者在没有使用变压器时n=1。占空比是实现高转换器效率的关键，以及100%的占空比一般将产生最大效率。

用于控制SMPS的占空比的多个不同控制策略是已知的。

一种控制方法用于固定比率转换器或者中间总线转换器(IBC)(其又称作未调节转换器)中。这些缺乏对输出电压的全部控制，但是以最大化占空比运行。这产生最大化功率效率，因为转换器在几乎100%的时间传递能量，除了开关期间所需的空载时间之外。通过这种策略，输出电压按照上式1随输入电压而改变。例如在US 7272021、US 7558083、US 7564702和US 7269034中公开具有不同拓扑的未调节转换器。此外，电压的窄调节能够由称作负载点(POL)调节器的第二层SMPS来处理，这个功率架构称作中间总线架构(IBA)，例如在US 7787261中公开。

半调节转换器以变化占空比为代价来补偿变化输入电压(线调节)，这降低功率效率。在US 7787261中公开这种转换器的示例。转换器负载能够影响输出电压，从而使它随增加负载而降低，即称作下调（droop）的现象。由于SMPS的输出具有LC滤波器，所以负载瞬变使输出电压振荡，并且仅固有寄生电阻阻尼振荡。

例如US 7787261中公开的准调节总线转换器仅在输入电压范围的一部分中经过线调节，而在输入电压范围的其它部分，它们是未调节的，使用100%占空比来使效率为最大。这产生增加的输入电压范围，而没有增加输出电压范围。

输出调节转换器通过输出电压的反馈来补偿变化负载条件和输入电压变化。常常添加电压前馈，以便降低因输入电压瞬变引起的输出电压扰动。这种类型的调节以较低效率为代价来提供最稳定的输出电压。

不管控制策略，优选的是使SMPS的输出电压在所有条件下均保持在其预期电平。但是，输入电压的瞬变和变化将使输出电压几乎立即发生变化。这能够引起SMPS的输出电压的大变化。通常，只有SMPS的输出滤波器中的惯性将降低这种影响。

所有上述控制策略在输出电压容差、瞬态响应和功率效率方面均具有缺陷。此外，许多这些变量是相关的，并且优化一个使其它变差。

发明内容

鉴于已知SMPS控制策略中的问题，本发明旨在提供用于生成按照如下方式来控制SMPS的占空比的控制信号的设备和方法：使得与已知策略相比，保持高功率效率，同时改进对瞬变的输出电压响应。

一般来说，本发明将两种类型的负载调节引入固定比率转换器中，其能够基于输入电压电平来选择，并且同时使效率为最大。一实施例改进因输入电压瞬变引起的输出电压的振荡的阻尼，同时将占空比保持在100%附近。

更具体来说，本发明提供一种控制电路，其可操作以生成控制开关模式电源的占空比的控制信号。控制电路包括参考电压发生器，其可操作在第一模式以生成预定参考信号并且可操作在第二模式以接收指示开关模式电源的输入电压的信号，以及生成取决于输入电压的可变参考信号。参考电压发生器配置成当输入电压超过阈值时操作在第一模式，而当输入电压等于或小于所述阈值时操作在第二模式。控制电路还包括误差信号发生器，其可操作以接收指示开关模式电源的输出电压的信号，以及可操作以基于参考电压发生器所生成的参考信号并且基于输出电压来生成误差信号。控制电路还包括占空比控制信号发生器，其可操作以生成与误差信号相关的、控制开关模式电源的占空比的控制信号。