隔離開關模式電源中變壓器通量密度的控制的制作方法
【專利摘要】控制電路(200)生成控制信號(D)以控制開關模式電源(100)的占空比，使得變壓器中的磁通量密度得以平衡，由此防止變壓器芯的飽和。這允許在開關循環(huán)內使用不對稱占空比，從而產生改進的負載瞬變響應。控制電路(200)包括通量密度計算器(201)和調節(jié)器(202)。通量密度調節(jié)器接收指示開關模式電源的輸入電壓的信號和包括生成的控制信號的反饋信號，并且它從中生成平均通量密度信號。調節(jié)器接收生成的平均通量密度信號和指示開關模式電源的輸出電壓的信號，并且依據平均通量密度信號、參考通量密度信號、指示輸出電壓的信號及參考電壓信號生成控制信號。
【專利說明】隔離開關模式電源中變壓器通量密度的控制
[0001]

【技術領域】
[0002]本發(fā)明一般涉及開關模式電源領域，并且更具體地，涉及隔離開關模式電源的變壓器通量密度的控制。

【背景技術】
[0003]開關模式電源(SMPS)是熟知類型的功率轉換器，由于其小的大小和重量及其高效率而具有范圍廣泛的應用。例如，SMS在個人計算機和諸如移動電話的便攜式電子裝置中廣泛使用。SMPS通過在高頻率(通常數十到幾百kHz)對諸如功率MOSFET的開關元件進行開關而實現(xiàn)這些優(yōu)點，開關的頻率或占空比定義將輸入電壓轉換成期望輸出電壓所使用的效率。
[0004]圖1示出具有多個開關裝置Ql - Q6的標準隔離SMPS。使用開關裝置Q1-Q4控制跨變壓器Tl的初級側的電壓。使用開關裝置Q5和Q6實現(xiàn)跨變壓器Tl的次級側電壓的整流。
[0005]如圖1所示，隔離SMPS Q1-Q4的初級側上的開關裝置在全橋式配置中。其它常見的初級側拓撲是半橋或推拉式。
[0006]圖1也示出使用中心抽頭變壓器的隔離SMPS中用于變壓器Tl的次級側的標準拓撲。這產生了在變壓器Tl的次級側上只使用兩個開關裝置的全波整流，與使用四個開關裝置用于全波整流的單個次級繞組和全橋形成對比。要注意的是，開關裝置Q1-Q6具有在開關裝置符號中未示出的內體漏極二極管。由于能夠使用其它類型，因此，開關裝置不限于使用 N-MOSFET、P-MOSFET 或 IGBT。
[0007]隔離SMPS的限制是為了防止飽和，變壓器的磁通量必須保持平衡。傳統(tǒng)上，為平衡磁通量，使用了完全開關循環(huán)中的對稱占空比。
[0008]更具體地，圖2中示出用于對稱占空比開關的時序圖。如果DjP D2是分別用于開關裝置對(pair)Ql/Q4和Q2/Q3的占空比，則開關周期表示為T。為使變壓器磁通量平衡，在每個開關周期中Q1/Q4和Q2/Q3的接通時間應該相同。因此，占空比D1和D2應相同。下面陳述使用此類方案的完全開關循環(huán):
1.時間期:0到DJ/2:Q1/Q4在傳導，并且能量從輸入源傳送到次級側。
[0009]2.時間期:DJ/2到T/2:Q5和Q6均在傳導，并且電流通過兩個次級側繞組續(xù)流以便使變壓器通量平衡。
[0010]3.時間期T/2到T/2+ D2T/2:Q2/Q3在傳導，并且能量被傳送到次級側。
[0011]4.時間T/2+ D2T/2到T:與2中相同。
[0012]然而，與使用對稱占空比平衡磁通量有關的一個問題是控制環(huán)必須在開關頻率的一半運行，這產生了差的負載瞬變響應。也就是說，保持占空比A和見與開關循環(huán)中相同的約束與無此限制的情況相比產生了輸出電壓控制的減半波長。這產生了差的負載瞬變響應，該響應要求在輸出的大電容解耦合組(bank)以便使在瞬變期間的電壓偏移保持在可接受級別。
[0013]另一方面，如果允許占空比不對稱，因而在開關循環(huán)內變化，則變壓器中的磁通量必須以另一種方式平衡，即，不但輸出電壓，而且磁通量密度均必須調節(jié)。這要求增大控制器復雜性。工業(yè)標準PID控制器不能處理此類MIMO系統(tǒng)。


【發(fā)明內容】

[0014]鑒于已知SMPS控制策略中的問題，本發(fā)明旨在提供用于生成控制信號以控制SMPS的占空比使得SMPS的磁通量密度得以平衡的設備和方法。
[0015]根據本發(fā)明，提供有可操作以生成控制信號以控制開關模式電源的占空比的控制電路。控制電路包括通量密度計算器和調節(jié)器。通量密度計算器可操作以接收包括由控制電路生成的控制信號的反饋信號并且可操作以生成取決于反饋控制信號的平均通量密度信號。調節(jié)器可操作以接收生成的平均通量密度信號，并且可操作以依據平均通量密度信號和參考通量密度信號來生成控制信號以控制開關模式電源的占空比。
[0016]此外，本發(fā)明提供具有此類控制電路的開關模式電源。
[0017]另外，本發(fā)明提供了一種生成控制信號以控制開關模式電源的占空比的控制方法。方法包括接收包括以前生成的控制信號的反饋信號，生成取決于反饋控制信號的平均通量密度信號，以及依據平均通量密度信號和參考通量密度信號生成控制信號以控制開關模式電源的占空比。
[0018]這些特征提供多個優(yōu)點。例如，由于SMPS的變壓器中的磁通量密度通過占空比控制信號來平衡，因此，占空比不要求對稱，并且現(xiàn)在能夠是非對稱的，從而提供了對負載瞬變的改進響應。
[0019]這些特征也允許將實施例實現(xiàn)為使用狀態(tài)空間技術控制的MISO系統(tǒng)。然而，象兩個并聯(lián)PID控制器的更簡單和更常見的控制技術起作用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]現(xiàn)在將僅通過示例的方式，參照附圖描述本發(fā)明的實施例，其中:
圖1示出已知DC-DC隔離開關模式電源的電路圖。
[0021]圖2示出用于圖1中所示開關模式電源的開關裝置的占空比的對稱開關的時序圖。
[0022]圖3是開關模式電源和根據本發(fā)明的第一實施例用于生成控制信號以便控制開關模式電源的控制電路的框圖。
[0023]圖4是示出第一實施例的控制電路和開關模式電源的互連使得控制電路能夠控制開關模式電源的占空比的電路圖。
[0024]圖5是示出根據本發(fā)明的第一實施例的控制電路的另外細節(jié)的框圖。
[0025]圖6a示出在用于全橋的典型開關循環(huán)期間施加到變壓器的電壓的預期變化。
[0026]圖6b示出在用于全橋的典型開關循環(huán)期間在變壓器中磁通量密度的預期變化。
[0027]圖7示出包括連接到變壓器的初級側的磁化電感和電阻阻尼的開關模式電源的典型模型。
[0028]圖8是示出根據本發(fā)明的第一實施例的通量密度計算器的另外細節(jié)的框圖。
[0029]圖9是示出根據本發(fā)明的第一實施例的通量密度計算器仍有的另外細節(jié)的框圖。
[0030]圖10是示出根據本發(fā)明的第一實施例的調節(jié)器的另外細節(jié)的框圖。
[0031]圖11是示出根據本發(fā)明的第一實施例的脈沖寬度調制器的另外細節(jié)的框圖。
[0032]圖12是示出根據本發(fā)明的第一實施例，執(zhí)行用于生成控制信號的過程的流程圖。
[0033]圖13a示出用于具有非對稱占空比和未調節(jié)通量密度的控制電路的占空比變化的實驗結果。
[0034]圖13b示出根據第一實施例，用于具有非對稱占空比和調節(jié)的通量密度的控制電路的占空比中的變化的實驗結果。
[0035]圖13c示出用于具有對稱占空比的控制電路的占空比中的變化的實驗結果。
[0036]圖14a示出用于具有非對稱占空比和未調節(jié)通量密度的控制電路的磁通量密度中的變化的實驗結果。
[0037]圖14b示出根據第一實施例，用于具有非對稱占空比和調節(jié)的通量密度的控制電路的磁通量密度中的變化的實驗結果。
[0038]圖14c示出用于具有對稱占空比的控制電路的磁通量密度中的變化的實驗結果。
[0039]圖15a示出用于具有非對稱占空比和未調節(jié)通量密度的控制電路的輸出電壓中的變化的實驗結果。
[0040]圖15b示出根據第一實施例，用于具有非對稱占空比和調節(jié)的通量密度的控制電路的輸出電壓中的變化的實驗結果。
[0041]圖15c示出用于具有對稱占空比的控制電路的輸出電壓中的變化的實驗結果。
[0042]圖16示出其中組合了阻尼積分器和平均計算器的第一實施例的通量密度計算器的修改。
[0043]圖17示出在通過調節(jié)的輸入電壓控制SMPS時使用的第一實施例的通量密度計算器的修改。

【具體實施方式】
[0044]如下面將詳細解釋的，本發(fā)明的實施例合并用于開關模式電源的控制策略，其保持變壓器中平衡的磁通量密度以防止變壓器芯飽和。這允許在開關循環(huán)內使用不對稱占空t匕，從而產生改進的負載瞬變響應。
[0045]圖3示出根據第一實施例的開關模式電源(SMPS) 100和控制電路200的頂級框圖。在所述實施例中，控制電路200布置成生成占空比控制信號以調節(jié)SMPS 100的磁通量密度和輸出電壓。然而，輸出電壓的調節(jié)不是必需的，并且可省略。
[0046]更具體地說，所述實施例的控制電路200布置成接收指示SMPS 100的輸入電壓Vin和輸出電壓Vwt的信號。然而，應注意的是，如果控制電路200不提供輸出電壓的調節(jié)，則指示輸出電壓的信號不是必需的，并且如后面解釋的，如果SMPS 100具有調節(jié)(并且因此恒定)的輸入電壓，則指示輸入電壓的信號不是必需的。輸入信號可包括電壓本身的模擬信號或包含定義測量設備(未示出)測量的電壓值的信息的數字信號。
[0047]將領會的是，控制電路200能夠與SMPS 100分開制造和銷售。
[0048]圖4更詳細地示出開關模式電源100和一實施例的控制電路200的集成。在此圖中，示出了具有中心抽頭次級側的全橋式SMPS，但本發(fā)明的實施例能夠用于控制其它類型的SMPS。SMPS 100的操作通過控制六個開關裝置，即晶體管Q1-Q6來實現(xiàn)。更具體地說，使用變壓器Tl，電路被指向DC-DC轉換器。提供H橋用于生成從開關元件Q1-Q4形成的AC信號。具體而言，Ql和Q4最初將被接通，并且Q2和Q3將被斷開。這生成跨變壓器的初級線圈的正擺動信號，由此產生磁通量的變化。因此，跨變壓器的次級線圈感應生成電壓。然后，接通Q6，并且斷開Q5以提供信號的矯正。類似地，通過斷開Q1、Q4和Q6，并且接通Q2、Q3和Q5以捕捉來自循環(huán)的負部分的能量來反向執(zhí)行相同操作以生成負擺動信號。
[0049]如圖4所示,并且如上參照圖3所述,所述實施例中的控制電路200具有指示開關模式電源100的輸入電壓Vin和輸出電壓Vtjut的輸入。基于這些輸入及內部生成的占空比信號，控制電路200生成用于控制開關模式電源100的開關裝置Q1-Q6的開關信號。在所述實施例中，接地參考在次級側。
[0050]圖5是所述實施例中控制電路200的示意框圖。控制電路200包括通量密度計算器201、調節(jié)器202和脈沖寬度調制器203 (但脈沖寬度調制器能夠與控制電路200分開提供，例如，作為獨立單元或作為SMPS 100的一部分)。
[0051]通量密度計算器201布置成接收包括以前生成的控制信號D和指示開關模式電源100的輸入電壓Vin的信號的反饋信號。通量密度計算器201可操作以生成取決于反饋控制信號D和指示輸入電壓Vin的信號的平均通量密度信號B。
[0052]調節(jié)器202布置成接收生成的平均通量密度信號I和指示開關模式電源100的輸出電壓Vwt的信號。調節(jié)器可操作以依據平均通量密度信號S、參考通量密度信號Bm、指示開關模式電源的輸出電壓Vwt的信號和參考電壓信號Vref，生成控制信號D以控制開關模式電源100的占空比。
[0053]在所述實施例中，參考信號Bref和Vref由控制電路200在內部生成。然而，同樣可能從控制電路200外部的源接收參考信號B,ef和V,ef。參考信號Bref和Vref的值可以是固定或可變的。可變參考電壓在共同待定的PCT申請PCT/EP2011/053177和共同待定的PCT申請PCT/EP2012/051429中公開，這兩個申請的完整內容通過交叉引用結合在本文中。
[0054]脈沖寬度調制器203布置成接收生成的控制信號D，并且可操作以依據生成的控制信號D生成用于將開關模式電源100的開關裝置Q1-Q6進行開關的開關信號。
[0055]更詳細地考慮通量密度計算器201，通常沒有直接測量典型SMPS的變壓器中的磁通量的合理(空間和成本)可能性。相應地，在所述實施例中，通量密度計算器布置成基于物理模型計算變壓器中的通量密度。由于磁通量的數字實現(xiàn)和變壓器的固有阻尼中輸入電壓的測量的高準確度和占空比的任意高分辨率原因，這是可能的。
[0056]相應地，在描述通量密度計算器201前，將描述基礎理論。為此，系統(tǒng)能夠分成兩個子系統(tǒng):
1.變壓器芯的磁通量密度；以及
2.電容器和電感器的電動態(tài)這兩個方面不相互依賴，而是它們確實具有相同輸入，即，占空比。這在所述實施例中用于提供簡單和優(yōu)雅的控制策略。在所述實施例中，通過執(zhí)行磁通量密度調節(jié)來處理變壓器芯的磁通量密度，而通過執(zhí)行輸出電壓調節(jié)來處理電容器和電感器的電動態(tài)(盡管能夠如前面所述省略輸出電壓調節(jié))。
[0057]磁通量密度B是在初級側變壓器繞組上施加的電壓的函數，并且由等式I描述:

【權利要求】
1.一種可操作以生成控制信號⑶以控制開關模式電源(100)的占空比的控制電路(200)，所述控制電路(200)包括: 通量密度計算器(201)，可操作以接收包括生成的控制信號⑶的反饋信號并且可操作以生成取決于所述反饋控制信號⑶的平均通量密度信號(B );以及 調節(jié)器(202)，可操作以接收生成的平均通量密度信號(E )，并且可操作以依據所述平均通量密度信號(E )和參考通量密度信號(Brrf)生成所述控制信號(D)以控制所述開關模式電源(100)的所述占空比。
2.如權利要求1所述的控制電路(200)，其中所述通量密度計算器(201)還可操作以接收指示所述開關模式電源(100)的輸入電壓(Vin)的信號，并且可操作以依據所述反饋控制信號(D)和指示所述輸入電壓(Vin)的所述信號生成所述平均通量密度信號(B )。
3.如權利要求1或權利要求2所述的控制電路(200)，其中所述調節(jié)器(202)包括: 通量比較器(2021)，可操作以接收所述平均通量密度信號(I )和所述參考通量密度信號(Bm)，并且可操作以依據所述平均通量密度信號(E )和所述參考通量密度信號(Bref)生成通量密度誤差信號(Eb);以及 通量密度調節(jié)器(2022)，可操作以接收所述通量密度誤差信號(Eb)，并且可操作以生成所述控制信號(D)以控制取決于所述通量密度誤差信號(Eb)的所述開關模式電源(100)的所述占空比。
4.如前述權利要求中任一項所述的控制電路(200)，還包括: 脈沖寬度調制器(203)，可操作以接收所述生成的控制信號(D)，并且可操作以生成開關信號以便依據所述生成的控制信號(D)控制所述開關模式電源(100)。
5.如前述權利要求中任一項所述的控制電路(200)，其中所述調節(jié)器(202)可操作以接收指示所述開關模式電源(100)的輸出電壓(V。」的信號，并且可操作以依據所述平均通量密度信號(f )、所述參考通量密度信號(Bm)、指示所述輸出電壓(Vwt)的信號和參考電壓信號(U生成所述控制信號(D)。
6.如權利要求5所述的控制電路(200)，其中所述調節(jié)器包括: 通量密度調節(jié)電路(204)，包括: 通量比較器(2021)，可操作以接收所述平均通量密度信號(I )和所述參考通量密度信號(Bm)，并且可操作以依據所述平均通量密度信號(f )和所述參考通量密度信號(Bref)生成通量密度誤差信號(Eb);以及 通量密度調節(jié)器(2022)，可操作以接收所述通量密度誤差信號(Eb)，并且可操作以生成取決于所述通量密度誤差信號(Eb)的通量密度控制信號(Dflux)； 電壓調節(jié)電路(206)，包括: 電壓比較器(2024)，可操作以接收指示所述開關模式電源(100)的所述輸出電壓(Vout)的所述信號和所述參考電壓(VMf)，并且可操作以生成取決于指示所述輸出電壓(Vout)的所述信號和所述參考電壓(Vref)的電壓誤差信號(Ev);以及 電壓調節(jié)器(2025)，可操作以接收所述電壓誤差信號(Ev)，并且可操作以生成取決于所述電壓誤差信號(Ev)的電壓控制信號(Dvtjlt);以及 組合單元(2026)，可操作以組合所述通量密度控制信號(Dflux)和所述電壓控制信號(Dvolt)以生成所述控制信號⑶來控制所述開關模式電源(100)的所述占空比。
7.如權利要求6所述的控制電路(200)，其中所述通量密度調節(jié)電路(204)和所述電壓調節(jié)電路(206)布置成并行生成所述通量密度控制信號(Dflux)和所述電壓控制信號(Dv0It)。
8.如權利要求2所述的控制電路(200)，其中所述通量密度計算器(201)包括: 第一組合單元(2011)，可操作以接收指示所述開關模式電源(100)的所述輸入電壓(Vin)的所述信號和包括所述生成的控制信號(D)的所述反饋信號，并且可操作以生成取決于指示所述開關模式電源(100)的所述輸入電壓(Vin)的所述信號和所述反饋控制信號(D)的組合信號； 阻尼積分器(2014)，可操作以接收所述組合信號，并且可操作以生成取決于所述組合信號的通量密度信號(B);以及 平均計算器(2015)，可操作以接收所述通量密度信號(B)，并且可操作以生成取決于所述通量密度信號(B)的平均通量密度信號(B )。
9.如權利要求8所述的控制電路(200)，其中所述阻尼積分器(2014)和平均計算器(2015)包括: 第一組合單元(2016)，可操作以接收所述組合信號和反饋時間延遲組合信號，并且可操作以組合所述信號以生成取決于所述組合信號和所述反饋時間延遲組合信號的第二組合信號(al)； 時間延遲單元(2017)，可操作以接收所述第二組合信號(al)，并且可操作以生成取決于所述第二組合信號(al)的所述時間延遲組合信號；以及 第二組合單元(2019)，可操作以接收所述第二組合信號(al)和所述時間延遲組合信號，并且可操作以組合所述信號以生成取決于所述第二組合信號(al)和所述時間延遲組合信號的平均通量密度信號(B)。
10.一種具有如前述權利要求任一項所述的控制電路(200)的開關模式電源(100)。
11.一種生成控制信號(D)以控制開關模式電源(100)的占空比的方法，所述方法包括: 接收包括生成的控制信號的反饋信號(SlOOl)； 生成取決于所述反饋控制信號的平均通量密度信號(E ) (S1002);以及依據所述平均通量密度信號(E )和參考通量密度信號，生成控制信號(D)以控制所述開關模式電源(100)的所述占空比(S1003)。
12.如權利要求11所述的控制方法，其中: 所述方法還包括接收指示所述開關模式電源(100)的輸入電壓(Vin)的信號；以及依據所述反饋控制信號(D)和指示所述輸入電壓(Vin)的所述信號生成所述平均通量密度信號(B)。
13.如權利要求12或權利要求13所述的控制方法，其中所述控制信號(D)的所述生成包括:生成取決于所述平均通量密度信號(E )和所述參考通量密度信號(Bref)的通量密度誤差信號(Eb);以及 依據所述通量密度誤差信號(Eb)生成所述控制信號(D)。
14.如權利要求11到13任一項所述的控制方法，其中所述方法還包括: 依據所述生成的控制信號(D)生成開關信號以便控制所述開關模式電源(100)的開關>j-U ρ?α裝直。
15.如權利要求11到14任一項所述的控制方法，其中: 所述方法還包括接收指示所述開關模式電源(100)的輸出電壓(Vrat)的信號；以及依據所述平均通量密度信號(f )、所述參考通量密度信號(Brrf)、指示所述輸出電壓的所述信號(U和參考電壓信號(VMf)生成所述控制信號(D)。
16.如權利要求15所述的控制方法，其中所述控制信號(D)的所述生成包括: 通過以下操作生成通量密度控制信號(Dflux): 生成取決于所述平均通量密度信號(E )和所述參考通量密度信號(Bref)的通量密度誤差信號(Eb);以 及 生成取決于所述通量密度誤差信號(Eb)的通量密度控制信號(Dflux)； 通過以下操作生成電壓控制信號(Dvtjlt): 生成取決于指示所述開關模式電源的所述輸出電壓(U的所述信號和所述參考電壓(Vref)的電壓誤差信號(Ev);以及 生成取決于所述電壓誤差信號(Ev)的電壓控制信號(Dvtjlt);以及組合所述通量密度控制信號(Dflux)和所述電壓控制信號(Dvtjlt)以生成所述控制信號(D)來控制所述開關模式電源(100)的所述占空比。
17.如權利要求16所述的控制方法，其中所述通量密度控制信號(Dflux)和所述電壓控制信號(Dvtjlt)并行生成。
18.如權利要求12所述的控制方法，其中所述平均通量密度信號(I)的所述生成包括: 生成取決于指示所述開關模式電源(100)的所述輸入電壓(Vin)的所述信號和所述反饋控制信號(D)的第一組合信號； 生成取決于所述組合信號的通量密度信號(B);以及 生成取決于所述通量密度信號(B)的平均通量密度信號(B )。
19.如權利要求18所述的控制信號，其中所述通量密度信號(B)和所述平均通量密度信號(I)的所述生成包括: 生成取決于所述組合信號和反饋時間延遲組合信號的第二組合信號(al)； 生成取決于所述第二組合信號(al)的所述時間延遲組合信號；以及生成取決于所述第二組合信號(al)和所述時間延遲組合信號的平均通量密度信號(B )。
【文檔編號】H02M1/40GK104081639SQ201280069352
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2012年2月9日 優(yōu)先權日:2012年2月9日
【發(fā)明者】M.卡里斯森, M.阿佩伯格, O.佩斯森 申請人:瑞典愛立信有限公司