用于控制電源的控制器和方法以及電源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供用于控制電源的控制器和方法以及電源。一種示例控制器包括：用于接收輸入電流讀出信號、輸入電壓讀出信號以及輸出電壓讀出信號的裝置；以及，用于生成控制信號以控制所述電源的開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電流的裝置。生成所述控制信號包括：在所述控制信號的開關周期期間對所述輸入電流讀出信號進行積分從而生成積分信號，該積分信號代表從所述電源的輸入電壓源取得的電荷；以及，控制所述開關的切換以使得所述積分信號成比例于所述輸出電壓讀出信號與所述輸入電壓讀出信號的比率。
【專利說明】用于控制電源的控制器和方法以及電源
[0001]本申請是申請日為2010年5月28日、名稱為“用于電源的輸入電荷控制的方法和設備”的第201010188487.2號發(fā)明專利申請的分案申請。
【技術領域】
[0002]本發(fā)明總體上涉及電源，更具體而言，本發(fā)明涉及通過測量從電源輸入接收的電荷的量來調節(jié)該電源的輸出的控制電路。
【背景技術】
[0003]在典型的開關模式(switched-mode)電源應用中，ac_dc電源從普通的ac插座接收介于100伏特和240伏特rms (均方根)之間的輸入。該電源中的開關被控制電路接通和斷開以提供已調節(jié)的輸出，該輸出可適于運行電子器件，或適于對向電子器件供電的電池充電。該已調節(jié)的輸出典型地是小于10伏dc的dc電壓。此外，當該電源對電池充電時，來自該輸出的電流通常是已調節(jié)的。
[0004]安全機構通常要求電源在輸入和輸出之間提供流電隔離(galvanic isolation)。流電隔離防止dc電流在電源的輸入和輸出之間流動。換句話說，施加在該電源的輸入端和輸出端之間的高的dc電壓將不會在該電源的輸入端和輸出端之間產(chǎn)生dc電流。對流電隔離的要求是電源成本的一個因素。
[0005]具有流電隔離的電源必須維持一個隔離屏障(isolation barrier),該隔離屏障將輸入與輸出在電學上隔離。能量必須被傳遞穿過隔離屏障才能將功率提供到輸出，且在許多情況下，反饋信號形式的信息被傳遞穿過隔離屏障以對輸出進行調節(jié)。流電隔離典型地是用電磁器件和電光器件實現(xiàn)的。電磁器件一諸如變換器(transformer )和耦合電感
(coupled inductor)-通常被用于在輸入和輸出之間傳遞能量以提供輸出功率，而電光
器件通常被用于在輸出和輸入之間傳遞信號以控制輸入和輸出之間的能量傳遞。
[0006]降低電源成本的努力一直聚焦于除去電光器件及其關聯(lián)電路。替代方案通常使用單個能量傳遞元件——例如變換器或例如耦合電感——來向輸出提供能量，并且也獲得對控制該輸出所必需的信息。成本最低的配置典型地將控制電路和高壓開關布置在隔離屏障的輸入側?？刂破魍ㄟ^對能量傳遞元件的繞組處的電壓的觀察，間接地獲得關于輸出的信息。提供該信息的繞組也位于隔離屏障的輸入側。為了進一步降低成本和復雜度，控制器也可使用能量傳遞元件的同一繞組來獲得關于到電源的輸入的信息，以控制該電源的輸出。
[0007]隔離屏障的輸入側有時被稱為初級側，而隔離屏障的輸出側有時被稱為次級側。未與初級側流電隔離的能量傳遞元件的繞組也是初級側繞組，有時被稱為初級參考繞組(primary reference winding)。初級側上的、稱合到輸入電壓并且從輸入電壓接收能量的繞組，有時被簡單地稱為初級繞組。向初級側上的電路遞送能量的其他初級參考繞組可具有描述其主要功能的名稱，例如偏置繞組(bias winding),或者例如讀出繞組(sensewinding)。與初級側繞組流電隔離的繞組是次級側繞組，有時被稱為輸出繞組。
[0008]雖然使用隔離屏障的輸入側的繞組來間接地獲得關于流電隔離輸出電壓的信息是相當明了的，但間接地獲得關于流電隔離輸出電流的信息則是一項不同的挑戰(zhàn)。在許多電源拓撲結構中，僅靠對輸入繞組中的電流的測量不足以確定輸出電流。用于測量輸出電流的傳統(tǒng)方案通常包括電流到電壓的轉換，該轉換浪費功率并且使用昂貴的組件來將信號傳過隔離屏障。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明提供了一種用于電源的控制器，所述控制器包括:恒定電流控制電路，其待被耦合以接收輸入電流讀出信號、輸入電壓讀出信號以及輸出電壓讀出信號，并被配置為，通過生成控制信號以控制所述電源的開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電流；以及積分器，其被包括在所述恒定電流控制電路中并被耦合，以在所述控制信號的開關周期期間對所述輸入電流讀出信號進行積分從而生成積分信號，該積分信號代表從所述電源的輸入電壓源取得的電荷，其中所述恒定電流控制電路被配置為，控制所述開關的切換以使得所述積分信號成比例于所述輸出電壓讀出信號與所述輸入電壓讀出信號的比率。
[0010]優(yōu)選地，其中所述控制信號是第一控制信號，所述控制器還包括恒定電壓控制電路，以響應于所述輸出電壓讀出信號而生成第二控制信號，以控制所述開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電壓。
[0011 ] 優(yōu)選地，所述控制器還包括邏輯電路，其被耦合到所述恒定電壓控制電路，以當所述輸出電流小于閾電流時響應于所述第二控制信號來控制所述開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電壓，且所述邏輯電路被耦合到所述恒定電流控制電路，以當所述輸出電壓小于閾電壓時響應于所述第一控制信號來控制所述開關的切換從而調節(jié)所述輸出電流。
[0012]優(yōu)選地，所述控制器還包括振蕩器以產(chǎn)生最大占空比信號，其中所述邏輯電路的第一輸入被耦合以接收所述第一控制信號，所述邏輯電路的第二輸入被耦合以接收所述第二控制信號，且所述邏輯電路的第三輸入被耦合以接收所述最大占空比信號。
[0013]優(yōu)選地，其中當調節(jié)所述輸出電壓時，所述輸出電壓被調節(jié)至所述閾電壓，并且其中當調節(jié)所述輸出電流時，所述輸出電流被調節(jié)至所述閾電流。
[0014]優(yōu)選地，其中所述控制器響應于如下現(xiàn)象而將所述開關從開態(tài)切換到關態(tài):所述積分信號達到這樣的值，該值成比例于所述輸出電壓讀出信號與所述輸入電壓讀出信號的比率。
[0015]優(yōu)選地，其中所述恒定電流控制電路還包括算術運算器電路，其被耦合以對所述輸入電壓讀出信號進行乘、除或縮放。
[0016]優(yōu)選地，其中所述算術運算器電路被耦合，以將所述輸出電壓讀出信號除以所述輸入電壓讀出信號從而生成參考信號，所述恒定電流控制電路還包括比較器，該比較器具有:第一輸入，其被耦合以接收所述參考信號；第二輸入，其被耦合以接收所述積分信號；以及輸出，其被耦合以輸出所述控制信號。
[0017]優(yōu)選地，其中所述算術運算器電路被耦合，以將所述輸入電壓讀出信號乘以所述積分信號從而生成乘法信號，所述恒定電流控制信號還包括比較器，該比較器具有:第一輸入，其被耦合以接收所述乘法信號；第二輸入，其被耦合以接收所述輸出電壓讀出信號；以及輸出，其被耦合以輸出所述控制信號。
[0018]優(yōu)選地，所述控制器還包括:第一可變電流源，其被所述輸入電壓讀出信號控制，以生成第一電流；第一積分器，其被耦合，以對所述第一電流進行積分從而生成電壓斜波信號；第二可變電流源，其被所述輸出電壓讀出信號控制，以生成第二電流；第二積分器，其被耦合，以當所述開關處于關態(tài)時對所述第二電流進行積分從而提供跟蹤和保持電壓，其中在所述電壓斜波信號達到參考電壓之際，所述跟蹤和保持電壓成比例于所述輸出電壓讀出信號與所述輸入電壓讀出信號的比率；以及比較器，其具有:第一輸入，其被耦合以接收所述跟蹤和保持電壓；第二輸入，其被耦合以接收所述積分信號；以及輸出，其被耦合以輸出所述控制信號。
[0019]優(yōu)選地，所述控制器還包括:輸入端，其待被耦合以接收組合電壓讀出信號，該組合電壓讀出信號代表所述電源的輸入電壓和輸出電壓；以及信號分離器，其被I禹合在所述輸入端和所述恒定電流控制電路之間，以將所述組合電壓讀出信號分離成所述輸入電壓讀出信號和所述輸出電壓讀出信號。
[0020]優(yōu)選地，其中所述開關和所述恒定電流控制電路被集成到單個單片集成器件中。
[0021]本發(fā)明還提供了一種用于電源的控制器，所述控制器包括:恒定電流控制電路，其待被耦合以接收輸入電流讀出信號、輸入電壓讀出信號以及輸出電壓讀出信號，并被配置為，通過生成控制信號以控制所述電源的開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電流；積分器，其被包括在所述恒定電流控制電路中并被耦合，以在所述控制信號的開關周期期間對所述輸入電流讀出信號進行積分從而生成積分信號，該積分信號代表從所述電源的輸入電壓源取得的電荷；算術運算器電路，其被耦合以生成參考信號，該參考信號成比例于所述輸出電壓讀出信號與所述輸入電壓讀出信號的比率；以及比較器，其被耦合到所述積分器和所述算術運算器，其中所述比較器待被耦合以響應于如下現(xiàn)象而將所述開關變到關態(tài):所述積分信號達到所述參考信號的值。
[0022]優(yōu)選地，所述控制器還包括恒定電壓控制電路，以響應于所述輸出電壓讀出信號來控制所述開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電壓。
[0023]優(yōu)選地，所述控制器還包括邏輯電路，其被耦合到所述恒定電壓控制電路，以當所述輸出電流小于閾電流時控制所述開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電壓，且所述邏輯電路被耦合到所述恒定電流控制電路，以當所述輸出電壓小于閾電壓時控制所述開關的切換從而調節(jié)所述輸出電流。
[0024]優(yōu)選地，所述控制器還包括振蕩器以生成最大占空比信號，其中所述邏輯電路的第一輸入被耦合到所述恒定電流控制電路，所述邏輯電路的第二輸入被耦合到所述恒定電壓控制電路，且所述邏輯電路的第三輸入被耦合以接收所述最大占空比信號。
[0025]優(yōu)選地，其中當調節(jié)所述輸出電壓時，所述輸出電壓被調節(jié)至所述閾電壓，并且其中當調節(jié)所述輸出電流時，所述輸出電流被調節(jié)至所述閾電流。
[0026]優(yōu)選地，其中所述算術運算器電路被耦合，以將所述輸出電壓讀出信號除以所述輸入電壓讀出信號從而生成所述參考信號。
[0027]優(yōu)選地，其中所述算術運算器包括:第一可變電流源，其被所述輸入電壓讀出信號控制，以生成第一電流；第一積分器，其被耦合，以對所述第一電流進行積分從而生成電壓斜波信號；第二可變電流源，其被所述輸出電壓讀出信號控制，以生成第二電流；和第二積分器，其被耦合，以當所述開關處于關態(tài)時對所述第二電流進行積分從而提供所述參考信號，其中在所述電壓斜波信號達到參考電壓之際，所述參考信號成比例于所述輸出電壓讀出信號與所述輸入電壓讀出信號的比率。
[0028]優(yōu)選地，其中所述開關和所述恒定電流控制電路被集成到單個單片集成器件中。
[0029]本發(fā)明還提供了一種用于電源的控制器，所述控制器包括:恒定電流控制電路，其待被耦合以接收輸入電流讀出信號、輸入電壓讀出信號以及輸出電壓讀出信號，并被配置為，通過生成控制信號以控制所述電源的開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電流；積分器，其被包括在所述恒定電流控制電路中并被耦合，以在所述控制信號的開關周期期間對所述輸入電流讀出信號進行積分從而生成積分信號，該積分信號代表從所述電源的輸入電壓源取得的電荷；算術運算器電路，其被耦合以生成乘法信號，該乘法信號成比例于所述輸入電壓讀出信號與所述積分信號的乘積；以及比較器，其被耦合以接收所述輸出電壓讀出信號，并被耦合至所述算術運算器，其中所述比較器待被耦合以響應于如下現(xiàn)象而將所述開關變到關態(tài):所述積分信號達到所述輸出電壓讀出信號的值。
[0030]優(yōu)選地，所述控制器還包括恒定電壓控制電路，以響應于所述輸出電壓讀出信號來控制所述開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電壓。
[0031 ] 優(yōu)選地，所述控制器還包括邏輯電路，其被耦合到所述恒定電壓控制電路，以當所述輸出電流小于閾電流時控制所述開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電壓，且所述邏輯電路被耦合到所述恒定電流控制電路，以當所述輸出電壓小于閾電壓時控制所述開關的切換從而調節(jié)所述輸出電流。
[0032]優(yōu)選地，所述控制器還包括振蕩器以生成最大占空比信號，其中所述邏輯電路的第一輸入被耦合到所述恒定電流控制電路，所述邏輯電路的第二輸入被耦合到所述恒定電壓控制電路，且所述邏輯電路的第三輸入被耦合以接收所述最大占空比信號。
[0033]優(yōu)選地，其中當調節(jié)所述輸出電壓時，所述輸出電壓被調節(jié)至所述閾電壓，且其中當調節(jié)所述輸出電流時，所述輸出電流被調節(jié)至所述閾電流。
[0034]優(yōu)選地，其中所述開關和所述恒定電流控制電路被集成到單個單片集成器件中。
[0035]本發(fā)明還提供一種用于控制電源以具有恒定電流輸出的控制器，所述控制器包括:
[0036]用于接收輸入電流讀出信號、輸入電壓讀出信號以及輸出電壓讀出信號的裝置；以及
[0037]用于生成控制信號以控制所述電源的開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電流的裝置，其中生成所述控制信號包括:
[0038]在所述控制信號的開關周期期間對所述輸入電流讀出信號進行積分從而生成積分信號，該積分信號代表從所述電源的輸入電壓源取得的電荷；以及
[0039]控制所述開關的切換以使得所述積分信號成比例于所述輸出電壓讀出信號與所述輸入電壓讀出信號的比率。
[0040]本發(fā)明還提供一種用于控制電源以具有恒定電流輸出的方法，所述方法包括:
[0041]接收輸入電流讀出信號、輸入電壓讀出信號以及輸出電壓讀出信號的裝置；以及
[0042]生成控制信號以控制所述電源的開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電流，其中生成所述控制信號包括:
[0043]在所述控制信號的開關周期期間對所述輸入電流讀出信號進行積分從而生成積分信號，該積分信號代表從所述電源的輸入電壓源取得的電荷；以及[0044]控制所述開關的切換以使得所述積分信號成比例于所述輸出電壓讀出信號與所述輸入電壓讀出信號的比率。
[0045]本發(fā)明還提供一種電源，該電源包括:
[0046]能量傳遞元件，其耦合在所述電源的輸入電壓源和輸出之間；
[0047]開關，其耦合至所述能量傳遞元件，其中所述開關響應于驅動信號而斷開和閉合；以及
[0048]控制器，其耦合至所述開關以控制所述開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電流，其中所述控制器包括:
[0049]邏輯電路，其被耦合以響應于控制信號而生成所述驅動信號；
[0050]恒定電流控制電路，其耦合至所述邏輯電路并被耦合以響應于所接收的輸入電流讀出信號、輸入電壓讀出信號以及輸出電壓讀出信號而生成所述控制信號；以及
[0051]積分器，其被包括在所述恒定電流控制電路中，其中所述積分器適于在所述控制信號的開關周期期間對所述輸入電流讀出信號進行積分從而生成積分信號，該積分信號代表從所述輸入電壓源取得的電荷，其中所述恒定電流控制電路適于生成所述控制信號以使得所述積分信號成比例于所述輸出電壓讀出信號與所述輸入電壓讀出信號的比率。
[0052]本發(fā)明還提供一種電源，該電源包括:
[0053]能量傳遞元件，其耦合在所述電源的輸入電壓源和輸出之間；
[0054]開關，其耦合至所述能量傳遞元件，其中所述開關響應于驅動信號而斷開和閉合；以及
[0055]控制器，其耦合至所述開關以控制所述開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電流，其中所述控制器包括:
[0056]邏輯電路，其被耦合以響應于控制信號而生成所述驅動信號；
[0057]恒定電流控制電路，其耦合至所述邏輯電路并被耦合以響應于所接收的輸入電流讀出信號、輸入電壓讀出信號以及輸出電壓讀出信號而生成所述控制信號；以及
[0058]積分器，其被包括在所述恒定電流控制電路中，其中所述積分器適于在所述控制信號的開關周期期間對所述輸入電流讀出信號進行積分從而生成積分信號，該積分信號代表從所述電源的輸入電壓源取得的電荷；
[0059]算術運算器電路，其被耦合以生成成比例于所述輸出電壓讀出信號與所述輸入電壓讀出信號的比率的參考信號；以及
[0060]比較器，其具有:第一輸入，其被稱合以接收所述積分信號；第二輸入，其被I禹合以接收所述參考信號；以及，輸出，其被耦合以響應于所述積分信號達到所述參考信號的值而使所述開關為關態(tài)。
[0061]本發(fā)明還提供一種電源，該電源包括:
[0062]能量傳遞元件，其耦合在所述電源的輸入電壓源和輸出之間；
[0063]開關，其耦合至所述能量傳遞元件，其中所述開關響應于驅動信號而斷開和閉合；以及
[0064]根據(jù)本發(fā)明的前述控制器，其耦合至所述開關以控制所述開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電流?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0065]參考下列附圖描述了本發(fā)明的非限制性和非窮舉性的實施方案和實施例，其中在各視圖中，相似的標號指的是相似的部分，除非另有說明。
[0066]圖1是根據(jù)本發(fā)明的教導的dc-dc電源的功能方框圖，該電源包括一個恒定電壓恒定電流控制器(constant-voltage constant-current controller),該控制器將該電源的輸出控制在已調節(jié)電壓區(qū)域(regulated voltage region)內和已調節(jié)電流區(qū)域(regulated current region)內。
[0067]圖2是根據(jù)本發(fā)明的教導的電源的輸出特性的曲線圖，其被示為包括一個已調節(jié)電壓區(qū)域和一個已調節(jié)電流區(qū)域。
[0068]圖3是根據(jù)本發(fā)明的教導的示例恒定電流控制電路的功能方框圖。
[0069]圖4是根據(jù)本發(fā)明的教導的另一示例恒定電流控制電路的功能方框圖。
[0070]圖5是根據(jù)本發(fā)明的教導的示例算術運算器電路的示意圖。
[0071]圖6是根據(jù)本發(fā)明的教導的示例算術運算器電路的示意圖。
[0072]圖7是來自圖6的算術運算器電路的信號的波形的時序圖。
[0073]圖8是根據(jù)本發(fā)明的教導的示例反激式電源(flyback power supply)的功能方框圖，該電源在已調節(jié)輸出電流區(qū)域內運行。
[0074]圖9是根據(jù)本發(fā)明的教導的示例反激式電源的功能方框圖，該電源在已調節(jié)輸出電壓區(qū)域內運行。
[0075]圖10是一個示例反激式電源的功能方框圖，該電源具有對輸入電壓和輸出電壓的間接讀出(indirect sensing),以提供具有已調節(jié)電壓區(qū)域和已調節(jié)電流區(qū)域的輸出。
[0076]圖11是根據(jù)本發(fā)明的教導的另一示例算術運算器電路的示意圖。
[0077]圖12是根據(jù)本發(fā)明的教導的用于控制如下電源的方法的流程圖，該電源提供具有已調節(jié)電壓區(qū)域和已調節(jié)電流區(qū)域的輸出。
【具體實施方式】
[0078]公開了方法和設備，其用于使電源能夠提供具有已調節(jié)電壓區(qū)域和已調節(jié)電流區(qū)域的、流電隔離的輸出。在下面的說明中，列出了諸多具體細節(jié)以提供對本發(fā)明的透徹理解。然而顯然，對于本領域普通技術人員而言，無需采用這些具體細節(jié)來實踐本發(fā)明。在其他情況下，公知的材料或方法未被詳細描述，以避免模糊本發(fā)明。
[0079]在本說明書全文中，“一個(one)實施方案”“一(a)實施方案”“一個實施例”或“一實施例”的意思是，關乎該實施方案或實施例的具體特征、結構或特性被包括在本發(fā)明的至少一個實施方案中。因此，在本說明書全文中各處出現(xiàn)的詞組“在一個實施方案中” “在一實施方案中” “一個實施例”或“一實施例”并不必然全都指同一個實施方案或實施例。此夕卜，在一個或多個實施方案或實施例中，特定特征、結構或特性可以以任何合適的組合和/或子組合被結合。另外，應理解，隨此提供的附圖是為了向本領域普通技術人員作解釋，且這些附圖不必然按比例繪出。
[0080]圖1的功能方框圖示出了 dc-dc電源100的一個實施例，該電源接收一個輸入電壓Vin105以在一個負載145處產(chǎn)生一個輸出電壓VtjHO和一個輸出電流IJ35。在一個實施例中，電源100是ac-dc電源,其中dc輸入電壓VIN105是從一個輸入電壓源(未不出)接收的已整流且已濾波的ac輸入電壓。輸入電壓VIN105相對于輸入返回(input return) 108而言是正的。輸出電壓Vol40相對于輸出返回112是正的。
[0081]在圖1的實施例中，dc-dc電源100包括一個dc-dc轉換器115，其被控制器155所控制，以調節(jié)輸出電壓Vq140和輸出電流1。135?？刂破?55可被稱為CV-CC控制器，因為它可被用來將dc-dc轉換器115的輸出控制為具有一個恒定電壓(CV)區(qū)域和一個恒定電流(CC)區(qū)域。所述dc-dc轉換器115典型地包括至少一個開關120、至少一個耦合電感125和至少一個電容器130。所有用來提供流電隔離輸出的標準轉換器配置，例如反激式轉換器以及例如降壓轉換器(buck converter)的許多變體,可由圖1的實施例中的dc_dc轉換器塊115代表的開關、耦合電感和電容器裝置來實現(xiàn)。
[0082]在圖1的實施例中，CV-CC控制器155接收一個代表輸入電流IinIIO的Iinsense信號150、一個代表輸入電壓Vin105的Vinsense信號175以及一個代表輸出電壓￥。140的V_SE信號180。在圖1的實施例中，包括在dc-dc轉換器115中的開關120響應于從CV-CC控制器155接收的CVotCQjut信號185。在圖1的實施例中，CVotCQjutISS是在一個開關周期Ts內可以為高或低的邏輯信號。在一個實施例中，當CVJCJ85為高時，開關120是閉合的，而當CVotCQjutISS為低時，開關120是斷開的。閉合的開關有時被稱為處于開態(tài)(on state)。斷開的開關有時被稱為處于關態(tài)(off state)。換句話說，開著的開關是閉合的，關著的開關是斷開的。
[0083]在一個實施例中，開關120是金屬氧化物半導體場效應晶體管(M0SFET)。在另一個實施例中，CV-CC控制器155可被實施為單片(monolithic)集成電路,或可由分立的電子部件或者分立部件和集成部件的組合來實施。CV-CC控制器155和開關120可形成集成電路的一部分，該集成電路被制造為混合(hybrid)或單片集成電路。產(chǎn)生Iinsense信號150的電流傳感器也可形成該集成電路的一部分。
[0084]在圖1的實施例中，輸入電流IinIIO是脈動電流，其當CVotCQjut信號185為低時基本為零。輸入電流IinIIO的波 形可展現(xiàn)出兩種不同的形狀。每種形狀對應于dc-dc轉換器115的一種不同的運行模式。當輸入電流具有三角形形狀一其幅度在開關120閉合之后立即為零——時，dc-dc轉換器115以不連續(xù)傳導模式(DCM)運行。當輸出電流具有梯形形狀一其幅度在開關120閉合之后不立即為零一時，dc-dc轉換器115以連續(xù)傳導模式(CCM)運行。運行模式取決于輸入電壓VIN105、輸出電壓Vol40、負載145以及該轉換器的特定設計。例如，運行模式典型地隨著輸入電壓Vin105的增大而從CCM變到DCM，并且典型地隨著負載的增大而從DCM變到CCM。應理解，dc-dc轉換器115可被設計為,在受限的輸入電壓和負載范圍內僅以CCM或僅以DCM運行。根據(jù)本發(fā)明的實施例允許單個設計為DCM和CCM運行提供對輸出電壓和輸出電流的期望調節(jié)。
[0085]圖1的實施例中的CV-CC控制器155包括恒定電流控制電路160、恒定電壓控制電路170以及邏輯電路165。在圖1的實施例中，恒定電流控制電路160和恒定電壓控制電路170接收輸入電流讀出信號(input current sense signal) IINSENSE150、輸入電壓讀出信號Vinsense175以及輸出電壓讀出信號Vqsense180。
[0086]應理解,輸入電壓讀出信號Vinsense175和輸出電壓讀出信號V_se180可以是分別與輸入電壓Vin105和輸出電壓VtjHO有已知關系的任何信號。換句話說，不必直接對輸入電壓或輸出電壓進行讀出以獲得各自的信號Vinsense175和￥__180。例如，電感中的電流以與跨越該電感的電壓成正比例(directly proportional)的速率變化。因此,在一個實施例中，信號VINSENSE175可以是這樣的時序信號:當電感中的電流大于第一值且小于第二值時，該時序信號為高。在一個實施例中，VINSENSE175可代表電感中的電流從第一值變到第二值所花費的時間量。在一個實施例中，VINSENSE175可代表數(shù)字信號的平均值，其中在電感中的電流從第一值變到第二值所花費的時間內，該數(shù)字信號為高，從而可得出輸入電壓Vin105的值。
[0087]恒定電流控制電路160產(chǎn)生一個控制信號190，以在已調節(jié)輸出電流區(qū)域內運行dc-dc轉換器115。恒定電壓控制電路170產(chǎn)生一個控制信號195，以在已調節(jié)輸出電壓區(qū)域內運行dc-dc轉換器115。邏輯電路165響應于控制信號195和190來產(chǎn)生一個適當?shù)腃VqutCCot信號185，以控制dc-dc轉換器115中的開關120從而實現(xiàn)如圖2中的曲線圖所示的已調節(jié)電壓區(qū)域和已調節(jié)電流區(qū)域。
[0088]圖2是一個電源的輸出特性200的示例曲線圖，其具有已調節(jié)輸出電壓區(qū)域210和已調節(jié)輸出電流區(qū)域220。輸出特性200是圖1的電源100的一種可能的輸出特性。該實施例顯示出，當輸出電流IJ35小于一個閾電流一其在一個實施例中可以是已調節(jié)值Ieeg240——時，輸出電壓VQ140是一個基本恒定的已調節(jié)值VKEe230。該實施例也顯示出，當輸出電壓Vq140小于一個閾電壓值且大于一個可選的自動重啟電壓Vak260時,輸出電流
1。135是一個基本恒定的已調節(jié)值IKEe240。在一個實施例中，所述閾電壓值可以是已調節(jié)值V-230。
[0089]在某些實施例中，不期望將已調節(jié)電流區(qū)域220延伸到零伏的輸出電壓。例如，給電池充電的電源通常不具有零伏的輸出電壓，因為即使已完全放電的電池當其正在充電時也展現(xiàn)出最小電壓。因此，小于最小值的輸出電壓表明了電池的故障，并且典型地要求電源在這樣的情況下遞送明顯小于已調節(jié)電流的電流。
[0090]在其他實施例中，當輸出電壓處于零伏時，實際電路的限制會阻止電源將電流調節(jié)到規(guī)定界限內。因此，當輸出電壓低于最小值時，電源可進入自動重啟模式，以保證平均輸出電流不超過最大期望值。當在自動重啟模式下運行時，電源在正常情況下將典型地遞送其最大輸出電流長達一段時間，該時間足夠長以將輸出電壓升到自動重啟值Vak260以上。如果輸出電壓在指派時間之后不高于自動重啟值VAK260，則該電源典型地將在重復遞送最大輸出電流之前相當長的一段時間——可以是數(shù)百或數(shù)千個開關周期——內不遞送輸出電流。
[0091]負載145的特性確定該電源將運行在輸出特性200的曲線圖上的何處。當負載145要求明顯小于值IKEe240的低電流時，該輸出將是具有值VKEe230的已調節(jié)電壓。在此情況下，邏輯電路165選擇來自恒定電壓控制電路170的控制信號195，以控制dc_dc轉換器115的開關120。隨著負載145在已調節(jié)電壓Vkk取得更多電流，來自該輸出的功率將增大，直到該功率達到dc-dc轉換器115的設計極限為止。dc-dc轉換器115的設計極限對應于最大輸出功率250。隨著該負載要求比IKEe240更大的電流，輸出電壓VQ140落到已調節(jié)值Veeg230以下。邏輯電路165檢測恒定電壓控制電路170對輸出電壓VQ230的降低的響應，并且選擇來自恒定電流控制電路160的控制信號190，以將輸出電流1。135調節(jié)至值IKEe240，直到該輸出電壓降至該曲線圖上的點270處的自動重啟值Vak260為止。
[0092]當遞送至負載145的輸出電流1。135小于值IKEe240，且輸出電壓V。大于自動重啟值Vak260時，輸出電壓Vq140升高，直到其達到已調節(jié)值VKEe230為止。隨著負載電流進一步減小，邏輯電路165檢測恒定電壓控制電路170對輸出電壓VJ30的升高的響應，并且選擇來自恒定電壓控制電路170的控制信號195，以將輸出電壓VQ140調節(jié)至值VKEe230。
[0093]圖1的示例電源100中的恒定電壓控制電路170可使用本領域公知的多種技術中的任一種來調節(jié)電源的輸出電壓。這些技術的實施例包括:具有恒定開關頻率的脈沖寬度調制(PWM)、具有可變開關頻率的PWM、具有固定脈沖寬度的脈沖頻率調制(PFM)、以及開/關控制。脈沖寬度調制是這樣一種技術，其改變開關在一個開關周期內導通的時間長度。所述開關周期可以是恒定的或可變的。當開關周期恒定時，開關導通的時間長度以及開關不導通的時間長度均必須改變。當開關周期可變時，開關導通的時間長度以及開關不導通的時間長度可獨立地改變。脈沖頻率調制是這樣一種技術，其改變開關斷開的時間長度，同時保持接通時間基本恒定。開/關控制是這樣一種技術，其在一個開關周期內或是允許開關導通或是阻止開關導通，從而產(chǎn)生一個規(guī)則的開關周期序列，其中該開關在某些開關周期內導通且該開關在其他開關周期內不導通。因此，本發(fā)明的實施例可與許多不同技術一起使用，以調節(jié)輸出電壓。
[0094]在本公開內容中描述的本發(fā)明的實施例也可使用許多技術以將輸入電流IinIIO作為電流讀出信號IINSENSE150來讀出。圖1中的電流傳感器符號114可代表用于對電流進行讀出的許多已知方式中的任一種。例如，輸入電流可被讀出為:分立電阻器上的電壓；或者來自電流變換器的電流；或者當輸入電流與金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)中的電流相等時，跨越該晶體管的導通電阻的電壓；或者來自電流敏感場效應晶體管(senseFET)的讀出輸出(sense output)的電流。
[0095]雖然將輸出電壓Vq140作為相對于輸入返回108的電壓而間接地讀出是有利的，但在不需要流電隔離的實施例中，或者在電光隔離的成本為可接受的實施例中，可從對相對于輸出返回112的輸出電壓VtjHO的測量直接地獲得輸出電壓讀出信號￥__180。應理解，與用間接讀出可實現(xiàn)的相比，輸出電壓％140的直接讀出典型地將在恒定輸出電壓區(qū)域210內提供距期望值VKEe230更小的偏差。輸出電壓讀出信號Vqsense180可通過間接的或直接的讀出方法來獲得。
[0096]本發(fā)明的實施例在不直接測量輸出電流IJ35的情況下提供了具有已調節(jié)電流區(qū)域220的輸出。這是通過利用如下所述的各信號值之間的數(shù)學關系而完成的:
[0097]對于一個無損功率轉換器，平均輸入功率等同于平均輸出功率。一個開關周期Ts內的功率平衡可被寫成
I 丁.1 τ
[0098]—- [ VinIin dl = — [ V010di 等式 I
Ts J()Ts jO
[0099]對于諸如圖1的實施例的dc-dc轉換器，其中在一個開關周期期間隨著時間明顯改變的唯一量是輸入電流IIN110，等式(I)簡化為
[0100]Vin J0 - V010Ts 等式 2
[0101]等式(2)中的積分代表在開關周期Ts上從輸入電壓源取得的(和由dc-dc轉換器接收的)全部電荷Q。
[0102]VinQ = V010Ts等式 3[0103]因此，輸出電流可用其他量寫為
[0104]
【權利要求】
1.用于控制電源以具有恒定電流輸出的控制器，所述控制器包括: 用于接收輸入電流讀出信號、輸入電壓讀出信號以及輸出電壓讀出信號的裝置；以及用于生成控制信號以控制所述電源的開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電流的裝置，其中生成所述控制信號包括: 在所述控制信號的開關周期期間對所述輸入電流讀出信號進行積分從而生成積分信號，該積分信號代表從所述電源的輸入電壓源取得的電荷；以及 控制所述開關的切換以使得所述積分信號成比例于所述輸出電壓讀出信號與所述輸入電壓讀出信號的比率。
2.根據(jù)權利要求1所述的控制器，其中所述控制信號是第一控制信號，所述控制器還包括用于響應于所述輸出電壓讀出信號而生成第二控制信號以控制所述開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電壓的裝置。
3.根據(jù)權利要求1所述的控制器，還包括用于當所述輸出電流小于閾電流時響應于所述第二控制信號來控制所述開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電壓且當所述輸出電壓小于閾電壓時響應于所述第一控制信號來控制所述開關的切換從而調節(jié)所述輸出電流的 裝直。
4.根據(jù)權利要求3所述的控制器，還包括用于響應于所述積分信號達到成比例于所述輸出電壓讀出信號與所述輸 入電壓讀出信號的比率的值而將所述開關從開態(tài)切換到關態(tài)的裝置。
5.根據(jù)權利要求1所述的控制器，還包括用于將所述輸出電壓讀出信號除以所述輸入電壓讀出信號從而生成參考信號的裝置，并且其中用于生成所述控制信號的裝置包括用于響應于將所述參考信號與所述積分信號比較而生成所述控制信號的裝置。
6.根據(jù)權利要求1所述的控制器，還包括用于將所述輸入電壓讀出信號乘以所述積分信號從而生成乘法信號的裝置，并且其中用于生成所述控制信號的裝置包括用于響應于將所述乘法信號與所述輸出電壓讀出信號比較而生成所述控制信號的裝置。
7.根據(jù)權利要求1所述的控制器，還包括算術運算器電路，該算術運算器電路被耦合以生成成比例于所述輸出電壓讀出信號與所述輸入電壓讀出信號的比率的參考信號。
8.根據(jù)權利要求7所述的控制器，還包括比較器，該比較器具有:第一輸入，其被耦合以接收所述積分信號；以及，第二輸入，其被耦合以接收所述參考信號。
9.根據(jù)權利要求8所述的控制器，其中所述比較器具有輸出，該輸出被耦合以響應于所述積分信號達到所述參考信號的值而使所述開關為關態(tài)。
10.根據(jù)權利要求1所述的控制器，還包括算術運算器，該算術運算器被耦合以生成成比例于所述輸入電壓讀出信號與所述積分信號的乘積的參考信號。
11.根據(jù)權利要求10所述的控制器，還包括比較器，該比較器具有:第一輸入，其被耦合以接收所述輸出電壓讀出信號；以及，第二輸入，其被耦合以接收所述參考信號。
12.根據(jù)權利要求11所述的控制器，其中所述比較器具有輸出，該輸出被耦合以響應于所述積分信號達到所述參考信號的值而使所述開關為關態(tài)。
13.用于控制電源以具有恒定電流輸出的方法，所述方法包括: 接收輸入電流讀出信號、輸入電壓讀出信號以及輸出電壓讀出信號的裝置；以及 生成控制信號以控制所述電源的開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電流，其中生成所述控制信號包括: 在所述控制信號的開關周期期間對所述輸入電流讀出信號進行積分從而生成積分信號，該積分信號代表從所述電源的輸入電壓源取得的電荷；以及 控制所述開關的切換以使得所述積分信號成比例于所述輸出電壓讀出信號與所述輸入電壓讀出信號的比率。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中所述控制信號是第一控制信號，所述方法還包括響應于所述輸出電壓讀出信號而生成第二控制信號以控制所述開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電壓。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，還包括: 當所述輸出電流小于閾電流時響應于所述第二控制信號來控制所述開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電壓；以及 當所述輸出電壓小于閾電壓時響應于所述第一控制信號來控制所述開關的切換從而調節(jié)所述輸出電流。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，還包括:響應于所述積分信號達到成比例于所述輸出電壓讀出信號與所述輸入電壓讀出信號的比率的值而將所述開關從開態(tài)切換到關態(tài)。
17.根據(jù)權利要求13所述的方法，還包括:將所述輸出電壓讀出信號除以所述輸入電壓讀出信號從而生成參考信號，并且其中生成所述控制信號包括響應于將所述參考信號與所述積分信號比較而生成所述控制信號。
18.根據(jù)權利要求13所述的方法，還包括:將所述輸入電壓讀出信號乘以所述積分信號從而生成乘法信號，并且其中生成所述控制信號包括響應于將所述乘法信號與所述輸出電壓讀出信號比較而生成所述控 制信號。
19.電源,包括: 能量傳遞元件，其耦合在所述電源的輸入電壓源和輸出之間； 開關，其耦合至所述能量傳遞元件，其中所述開關響應于驅動信號而斷開和閉合；以及控制器，其耦合至所述開關以控制所述開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電流，其中所述控制器包括: 邏輯電路，其被耦合以響應于控制信號而生成所述驅動信號； 恒定電流控制電路，其耦合至所述邏輯電路并被耦合以響應于所接收的輸入電流讀出信號、輸入電壓讀出信號以及輸出電壓讀出信號而生成所述控制信號；以及 積分器，其被包括在所述恒定電流控制電路中，其中所述積分器適于在所述控制信號的開關周期期間對所述輸入電流讀出信號進行積分從而生成積分信號，該積分信號代表從所述輸入電壓源取得的電荷，其中所述恒定電流控制電路適于生成所述控制信號以使得所述積分信號成比例于所述輸出電壓讀出信號與所述輸入電壓讀出信號的比率。
20.電源,包括: 能量傳遞元件，其耦合在所述電源的輸入電壓源和輸出之間； 開關，其耦合至所述能量傳遞元件，其中所述開關響應于驅動信號而斷開和閉合；以及控制器，其耦合至所述開關以控制所述開關的切換從而調節(jié)所述電源的輸出電流，其中所述控制器包括: 邏輯電路，其被耦合以響應于控制信號而生成所述驅動信號；恒定電流控制電路，其耦合至所述邏輯電路并被耦合以響應于所接收的輸入電流讀出信號、輸入電壓讀出信號以及輸出電壓讀出信號而生成所述控制信號；以及 積分器，其被包括在所述恒定電流控制電路中，其中所述積分器適于在所述控制信號的開關周期期間對所述輸入電流讀出信號進行積分從而生成積分信號，該積分信號代表從所述電源的輸入電壓源取得的電荷； 算術運算器電路，其被耦合以生成成比例于所述輸出電壓讀出信號與所述輸入電壓讀出信號的比率的參考信號；以及 比較器，其具有:第一輸入，其被耦合以接收所述積分信號；第二輸入，其被耦合以接收所述參考信號；以及，輸出，其被耦合以響應于所述積分信號達到所述參考信號的值而使所述開關為關態(tài)。
21.電源,包括: 能量傳遞元件，其耦合在所述電源的輸入電壓源和輸出之間； 開關，其耦合至所述能量傳遞元件，其中所述開關響應于驅動信號而斷開和閉合；以及根據(jù)權利要求1 一 12中任一項所述的控制器，其耦合至所述開關以控制所述開關的切換從而調節(jié)所述電源 的輸出電流。
【文檔編號】H02M3/335GK103475228SQ201310364572
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2010年5月28日 優(yōu)先權日:2009年6月2日
【發(fā)明者】D·龔, W·M·波利夫卡 申請人:電力集成公司