[发明专利]数字开关模式电压调节器

说明书

技术领域

本发明涉及开关模式电压调节器电路，其包括耦接在调节器的输出电压和开关驱动器之间的调节环路。所述调节环路包括误差信号发生器，其供应表示输出电压和基准电压之间的电压差的数字误差信号。所述调节环路还包括：线性数字滤波器和非线性数字滤波器，两者都耦接用于接收数字误差信号；以及数字加法器，其耦接用于接收线性地和非线性地滤波的数字误差信号，以提供组合数字误差信号。数字脉冲调制器被配置来根据所述组合数字误差信号产生脉冲宽度或脉冲密度调制的驱动器控制信号。

背景技术

美国专利文献7,952,337公开了一种升压（boost）和/或降压（buck）拓扑结构的混合开关电压调节器。该电压调节器包括两个分立的反馈控制环路，其中第一环路是完全模拟且快速的控制环路，而第二环路是数字且较慢的反馈环路。数字控制环路包括DCB电路，其包括围绕中间的数字控制引擎的A/D和D/A转换器。

美国专利文献2011/127983公开了一种系统和方法，其用于控制数字脉冲宽度调制的功率转换器，并实现了快速的大信号瞬态响应，同时在接近稳态工作点处保持慢的响应以确保稳定性。通过增益调度模块处理数字输出误差样本，所述增益调度模块在系统接近其稳态均衡点时应用非线性增益功能以产生弱环响应并在遇到大的瞬态时产生强环响应。

开关模式电压调节器电路通常被接受作为高度有效的功率转换器拓扑结构，用于广泛的应用，例如，DC-DC电压转换或DC-AC电压转换等。调节器输出电压通常须被配置为以高的精度跟踪预定的DC或AC基准电压。调节环路被提供用于后一目的，并且调节环路的电学特性决定能够跟踪基准电压的精确程度。一种类型的开关模式电压调节器电路包括PI类型的调节环路，其提供比例和积分控制。该电压调节器电路能够在调节器输出电压处响应负载变化的速度在很大程度上由调节环路的积分器部分能够多快速地将调节器输出电压拉回到预定的基准电压所指示的设定点电压来决定。因此，调节环路的积分器部分的高或大的积分器增益是有利的。

不幸的是，根据通过传统的反馈控制原理所确定的条件，高积分器增益趋于使电压调节器不稳定。因此，将期望提供一种具有比现有技术的电压调节器高的积分器增益的电压调节器，以改善对负载波动的响应时间以及调节器输出电压的跟踪精度。提供具有高的环路增益而没有稳定性问题的并且包括数字误差信号的数字处理的PI调节环路也将是有利的。此外，使调节环路的模拟和/或数字电路的量最小化以降低开关模式电压调节器的复杂性、大小和成本将是有利的。

发明内容

本发明的第一方面涉及一种开关模式电压调节器电路，其包括用于接收调节器输入电压的输入端子和可连接到输出电容器用于供应输出电压的输出端子。所述开关模式电压调节器电路包括转换器电感，被配置用于在第一调节器模式中通过第一半导体开关从调节器输入电压充能，以及用于在第二调节器模式中通过第二半导体开关将存储的能量排放到输出电压。开关驱动器被配置为根据脉冲宽度和脉冲密度调制的驱动器控制信号供应开关控制信号到所述第一和第二半导体开关。调节环路耦接在输出电压和输入驱动器之间，并且包括误差信号发生器，其操作耦接到所述输出电压和基准电压。所述误差信号发生器被配置为供应表示输出电压和基准电压之间的电压差的数字误差信号。线性数字滤波器耦接用于接收数字误差信号以提供线性滤波的数字误差信号；以及非线性数字滤波器，其耦接用于接收所述的数字误差信号以提供非线性地滤波的数字误差信号。数字加法器耦接用于接收所述线性地和非线性地滤波的数字误差信号，以提供组合或混合的数字误差信号。数字脉冲调制器被配置来根据所述组合数字误差信号产生脉冲宽度或脉冲密度调制的驱动器控制信号。

可以通过并入升压功率转换器、降压功率转换器或升压-降压类型的功率转换器，来使开关模式电压调节器电路适于调节器输入电压的步增（step-up）和/或步降（step-down）。本领域技术人员将理解,可以通过选择转换器电感和第一和第二半导体开关的适当耦接来设计这些不同的功率转换器拓扑结构。优选地，所述第一和第二半导体开关中的至少一个，优选两者，包括一个或多个MOS、双极或IGBT晶体管。所述MOS晶体管可以是在包括开关模式电压调节器电路的整体或主要部分的CMOS半导体管芯或基板中形成的NMOS晶体管。转换器电感可以包括外部电感器，其通过适当配置的其一个或多个焊盘和一个或多个端子，耦接到开关模式电压调节器电路的集成部分。