具有延遲補償的功率變換的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的奪叉引用
[0002] 本申請要求2014年2月26日提交的第61/944, 869號美國臨時專利申請的優先 權，該申請通過引用將其整體結合于此。
技術領域
[0003] 本公開一般而言涉及功率變換，特別涉及具有延遲補償的功率變換。
【背景技術】
[0004] 電源系統普遍存在于從計算機到汽車等多種電子應用中。通常，通過操作裝載有 電感器或變壓器的開關來執行DC-DC、DC-AC和/或AC-DC變換產生電源系統中的電壓。這 種系統中的一種類別包括開關電源（SMPS)。由于功率變換是通過電感器或變壓器的可控充 電和放電來執行的，SMPS-般比其它種類的功率變換系統具有更高的效率并且可以減小由 于電阻壓降上的功率損耗所導致的能量損失。
[0005]SMPS-般包括至少一個開關和電感器或變壓器。一些具體拓撲包括降壓式變換 器、升壓式變換器和反激式變換器等等。控制電路通常用于接通和關斷開關以對電感器充 電和放電。在一些申請中，提供至負載的電流和/或提供至負載的電壓通過反饋回路控制。
【發明內容】
[0006] -個實施例涉及一種方法。該方法包括在連續的驅動周期中驅動開關模式功率變 換器中的電子開關，其中在每一個驅動周期中驅動開關包括在接通期接通電子開關，以及 隨后在關斷期關斷電子開關。該方法進一步包括基于接通時間信號和關斷閾值的比較建立 接通期，基于開關模式功率變換器的輸出信號和補償偏置計算關斷閾值，以及基于估計的 延遲時間計算在一個驅動周期內的補償偏置，其中估計的延遲時間是基于測量的延遲時間 和前一驅動周期內估計的延遲時間計算。
【附圖說明】
[0007] 下面將參考附圖描述示例。附圖用于示出某些原理，因此僅僅示出有助于理解這 些原理所必須的方面。附圖不是按比例繪制的。在附圖中，相同的附圖標記表示相似的特 征。
[0008] 圖1圖示了開關模式功率變換器的一個實施例；
[0009] 圖2示出了開關模式功率變換器中的電子開關的一個實施例；
[0010] 圖3示出了示出開關模式功率變換器的一種操作方式的時序圖；
[0011] 圖4原理性圖示了開關模式功率變換器的控制器的一個實施例；
[0012] 圖5示出了示出控制器的一種操作方式的時序圖；
[0013] 圖6圖示了計算控制器中的延遲補償關斷閾值的一個實施例；
[0014] 圖7更具體地示出了延遲補償的一個實施例；
[0015] 圖8圖示了圖7所示出的延遲補償的改進；
[0016] 圖9示出了由反激式變換器拓撲實現的開關模式功率變換器的一個實施例； [0017]圖10示出了圖9所示的開關模式功率變換器中的整流電路的一個實施例；
[0018]圖11示出了圖9所示的開關模式功率變換器中的反饋電路的一個實施例；
[0019] 圖12示出了圖9所示的開關模式功率變換器中的一種操作方式的時序圖；
[0020] 圖13示出了控制器中的關斷檢測器的一個實施例；
[0021] 圖14圖示了圖7所示出的延遲補償的另一個改進；以及
[0022] 圖15示出了由升壓變換器拓撲實現的開關模式功率變換器的一個實施例。
【具體實施方式】
[0023] 在下述具體描述中，可參考附圖。附圖構成描述的一部分并且以圖示的方式示出 本發明可以在其中實施的具體實施例。應該理解的是，在此描述的各種實施例的特征可以 互相結合，除非特別指明。
[0024] 圖1示出了開關模式功率變換器的一個實施例。圖1中示出的開關模式功率變換 器包括用于接收輸入電壓Vin和輸入電流Iin的輸入端11、12,和用于向可以連接到輸出端 13、14的負載Z(圖1中虛線所示）提供輸出電壓Vout和輸出電流lout的輸出端13、14。 輸入端可以包括第一輸入節點11和第二輸入節點12,以及輸出端可以包括第一輸出節點 13和第二輸出節點14。根據一個實施例，開關模式功率變換器被設置為產生輸出信號，使 得輸出信號具有基本恒定的信號值，其完全獨立于負載Z的功率損耗。"輸出信號"可以是 輸出電壓Vout,輸出電流lout或輸出功率Pout。S卩，開關模式功率變換器可以被設置為調 節輸出電壓Vout或輸出電流lout。在下文中，輸出信號被稱為Sout。
[0025] 開關模式功率變換器被配置為通過適當地驅動與電感器21串聯連接的電子開關 31來調節輸出信號。電感器21是網絡1的一部分，網絡1除了電感器21和電子開關31，可 以包括具有至少一個整流元件和電容器的整流電路。該網絡可以包括反激式變換器拓撲、 降壓式變換器拓撲、升壓式變換器拓撲等。網絡1的一些示例性實施例將參考下面的附圖 描述。
[0026] 參考圖1，開關模式功率變換器包括被配置為驅動電子開關31的控制器（也可以 被稱為驅動電路）。具體地，控制器10產生在電子開關31的控制節點上接收的驅動信號 GD并接通和關斷電子開關31。控制器可以被設置為以PWM(脈沖寬度調制）方式驅動電子 開關31。在這種情況下，驅動信號⑶是PWM信號。
[0027] 控制器10被配置為基于輸出信號Sout(即，輸出電壓Vout或輸出電流lout)驅 動電子開關31。為此，控制器10接收基于來自反饋電路42的輸出信號的反饋信號FB。反 饋電路42可以包括調節器，該調節器接收輸出信號Sout或接收參考電壓SKEF(如圖所示）， 或內部產生基準信號SKEF。調節器比較輸出信號和基準信號SKEF，并基于比較結果產生反饋 信號FB。基準信號SKEF表示輸出信號Sout的期望信號值（給定值）。調節器421可能具 有比例（P)特性、比例積分（PI)特性等之一的特性。
[0028] 反饋電路42可以進一步包括適用于在勢壘上傳輸反饋信號FB的傳輸電路。當網 絡1包括電隔離開關模式功率變換器的輸入端11、12和輸出端13、14的勢壘時，可以使用 這種傳輸電路。傳輸電路可以包括光耦合器，或適用于跨勢壘傳輸信號的其它類型電路。根 據另一個實施例，傳輸電路包括變壓器。
[0029] 電子開關31可以是傳統的電子開關。根據圖2所示的一個實施例，電子開關31 是M0SFET(金屬氧化物場效應晶體管）。該M0SFET包括漏極和源極之間的負載路徑，以及 柵極作為控制極。當圖2所示的M0SFET作為圖1所示的開關模式功率變換器中的電子開 關31使用時，柵極節點接收驅動信號GD，并且負載路徑（漏-源路徑）與電感器21串聯連 接。然而，電子開關31并不僅限于由M0SFET實現。也可以使用另一種類型的晶體管，例如 IGBT(絕緣柵雙極晶體管）、BJT(雙極結型晶體管）、JFET(結型場效應晶體管）或者甚至 是多個晶體管的組合，例如JFET和M0SFET的級聯電路。
[0030] 開關模式功率變換器的一種操作方式參考圖3描述。圖3示出，在開關模式功率 變換器的一個驅動周期中，驅動信號GD和電感器電流L的時序圖。電感器電流U是電感 器21上的電流。根據一個實施例，電感器電流]^對應于輸入電流Iin。
[0031] 控制器10被配置為在連續驅動周期中驅動電子開關31。參考圖3,每個驅動周期 包括電子開關31接通（在接通狀態）的接通期，和隨后電子開關31關斷（在關斷狀態）的 關斷期。一個驅動周期的整個持續時間Tp通過接通期的持續時間Ton與關斷期的持續時 間Toff相加得到。以下接通期的持續時間Ton被稱為接通時間，以及以下關斷期的持續時 間Toff被稱為關斷時間。整個持續時間Tp取決于開關頻率fsw，其為驅動信號⑶接通和 關斷的頻率，Tp=l/fsw。根據一個實施例，開關頻率在20kHz和100kHz之間。在這種情況 下，一個驅動周期的持續時間Tp在10微秒（ys) ( =l/100kHz)至50微秒（=l/20kHz) 之間。
[0032] 參考圖3,在接通時間Ton內，電感器電流、增加，而在關斷時間Toff內，電感器 電流L減小。增加的斜率可以取決于輸入電壓Vin。下面可以進一步參考本文中的實施例 描述。
[0033] 電子開關31的接通時間Ton和關斷時間Toff由驅動信號⑶決定。為了接通電 氣開關31，驅動信號GD呈現接通電平，以及為了關斷電子開關31，驅動信號GD呈現關斷電 平。僅僅是作為示例的目的，假設驅動信號的接通電平對應于高信號電平，并且關斷電平對 應于低信號電平。在圖3中，T〇n(；D表示當驅動信號GD具有接通電平的時間段。以下具有 接通電平的驅動信號GD的信號脈沖將被稱為接通脈沖。由于控制器10和電子開關31中 不可避免的延遲，當驅動信號GD的信號值從接通電平變換為關斷電平時，電子開關31不會 立即關斷。也就是說，電子開關31在驅動信號GD的信號值從接通電平變為關斷電平的某 個時間段（延遲時間）Tdel保持接通狀態。