[发明专利]以最大功率效率控制开关式电源

说明书

技术领域

本发明一般地涉及开关式电源(有时称为开关模式电源或开关的模式电源)领域，并且更具体地涉及开关式电源的占空比的控制。

背景技术

开关式电源(SMPS)是一种公知类型的功率转换器，其由于其小的尺寸和重量以及高效率而具有多种应用范围。例如，SMPS被广泛用于个人计算机和便携式电子设备，诸如手机。SMPS通过以高频率(通常几十到几百kHz)开关诸如功率MOSFET的开关元件来实现这些优点，其中开关的频率或占空比定义了效率，输入电压以该效率被转换成期望输出电压。

在大多数SMPS拓扑中，输出电压V_out与输入电压V_in直接成比例：

V_out∝nDV_in 等式(1)

在上面的等式1中，D是开关的占空比，并且如果在SMPS中使用变压器，则n＝n_s/n_p是变换比(次级侧打开的数量n_s除以初级侧打开的数量n_p)，或者如果没有使用变压器，则n＝1。占空比对实现高的转换器效率是重要的，并且100％的占空比通常会产生最大的效率。

已知用于控制SMPS的占空比的许多不同的控制策略。

一种控制方法在固定比率转换器或中间总线转换器(IBC)中使用，这还被称为未调转换器。这些缺少输出电压的所有控制，但是以最大化的占空比运行。因为转换机几乎在除开关期间所需要的死区时间之外的100％的时间传送能量，所以这产生最大化的功率效 率。通过该策略，输出电压根据上述等式1随着输入电压而变化。例如在US 7,2720,21、US 7,558,083、US 7,564,702和US 7,269,034中公开了具有不同的拓扑的未调转换器。此外，由称为负载点(POL)调节器的第二层SMPS来处理电压的窄调节，该功率架构被称为中间总线架构(IBA)，例如如US 7,787,261中所公开的。

半调节转换器以变化的占空比为代价来补偿变化的输入电压(线性调节(line regulation))，这降低了功率效率。这样的转换器的一个示例在US 7,787 261中被公开。转换器负载可以影响输出电压，使得其随着负载增加而减小，该现象称为下垂。因为SMPS的输出具有LC滤波器，那么负载瞬变使得输出电压振荡，并且仅固有的寄生电阻抑制振荡。

例如如在US,7,787,261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被线性调节，而在输入电压范围的其他部分中，其是未调节的，使用100％的占空比来最大化效率。这产生了增加的输入电压范围而不增加输出电压范围。

输出调节转换器通过输出电压的反馈来补偿变化的负载状况和输入电压改变。通常添加电压前馈以减少由于输入电压瞬变而导致的输出电压扰动。该类型的调节以较低的效率为代价提供最稳定的输出电压。

不论使用的控制策略如何，优选地使SMPS的输出电压在所有的条件下都保持处于其期望水平。然而，输入电压的瞬变和改变将导致输出电压几乎立即改变。这可能在SMPS的输出电压中引入大的改变。通常，只有SMPS的输出滤波器中的惯性将降低该影响。

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都具有缺陷。此外，这些变量中的许多变量是相关的，并且优化一个使得其它的变差。

发明内容

鉴于在已知的SMPS控制策略中的问题，本发明的目的在于提 供一种装置和方法，该装置和方法用于生成控制信号来以使得高功率效率得以保持的方式控制SMPS的占空比，同时与已知策略相比，提高对瞬态的输出电压响应和其他操作特性。

总体而言，本发明对固定比率的转换器引入了负载调节，并且同时最大化效率，并且一个实施例在保持占空比接近100％的同时改善了对由于输入电压的瞬变而导致的输出电压振荡的抑制。这里所描述的用于控制SMPS的占空比的方案还允许在期望输入和输出压带的大范围的组合上实现高度有效的SMPS操作，期望输入和输出压带可以由用户彼此独立地定义。