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CN100566104C - 具有前向和后向控制的转换器电路 - Google Patents

具有前向和后向控制的转换器电路 Download PDF

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Abstract

一种转换器电路和一种转换方法，基于开关操作模式而把具有第一值的输入信号转换为具有第二值的输出信号，其中，提供输出反馈回路(40)和附加的输入前向控制回路(60)。附加的输入前向控制回路(60)不仅关于输出负载，而且在较宽的输入电压范围对开关参数进行正确的控制。这就提高了功率效率和转换器电路的可靠性。

Description

具有前向和后向控制的转换器电路
技术领域
本发明涉及一种转换器电路，它基于开关操作模式而把具有第一值的输入信号转换为具有第二值的输出信号。本发明还涉及一种相应的转换方法。
背景技术
在所有的电子设备中实际上都可以找到受调节的供电设备或受控供电设备，这些设备包括：电池充电器、蜂窝电话、计算机、计算机监视器、电视机、音频设备和视频摄像机。一种典型的供电设备是转换器，例如直流-直流转换器(下称DC转换器)，它由电源供电而工作，作为中间过程产生交流信号，并且把输出信号传递给负载。DC转换器接受DC输入电压，并产生DC输出电压。通常，所得到的输出电压与输入电压的值或电平不相同。
在典型的脉宽调制(PWM)调节器电路中，向开关器件的控制端提供方波，以控制其接通状态和断开状态。由于开关器件不断增大的接通时间导致输出电压增大(反之亦然)，可以通过操纵方波的占空比来控制输出电压。由控制回路中的控制电路完成这样的操纵，该控制电路持续地比较输出电压和参考电压，并调整方波的占空比，以维持实际上恒定的输出电压。
作为选择，在比上述PWM模式小的输出电流值情况下，电压调节的脉冲频率调制(PFM)可给出较好的效率。首先，PFM模式所需的用于维持恒定输出电压的导通转变比PWM模式要小，这就导致开关晶体管中的栅极驱动功耗比较低。其次，由于能够以具有较少组件的更为简单的控制电路来实现PFM模式，所以PFM模式的控制回路中的功耗小于PWM模式的控制回路中的功耗。然而，当输出电流达到中等水平时，电压调节的PFM模式变得不切实际，这是因为PFM模式的最大可用输出电流通常小于PWM模式的最大可用输出电流。
图1示出传统转换器电路的示意性框图，该电路根据可变的输入电压Vin产生受调节的输出电压Vout。输出电压Vout可以具有比输入电压Vin更高的值，而且尽管输入电压Vin和负载可能发生变化，但输出电压Vout实际上是恒定的。这种DC电压转换器通常使用电感器L来存储流过电感器L和开关器件20的电流所产生的能量，其中开关器件可以是功率三极管或其它可控半导体开关器件。开关器件20用于切断各自的电流路径，从而把存储在电感器L中的能量以电流的方式通过二极管D发送到输出端，并对与输出端并联的电容器C进行充电。通过持续地接通和切断开关器件20，持续地把存储在电感器L中的能量通过二极管D转移到电容器C，并对电容器C进行充电。二极管D用于提供电容器C的电压与开关器件20的电压之间的去耦合，从而，使得输出电压Vout可以高于输入电压Vin。正如已经提到的那样，开关器件20可以受具有固定频率的PWM操作模式的控制，其中，对开关阶段的占空比或持续时间进行控制，以保持输出电压Vout实际上恒定。
另一方面，开关器件20可按PFM操作模式工作，其中，改变开关频率，以保持输出电压Vout实际上恒定。开关操作模式受驱动器电路10的控制，该电路包括振荡器并产生相应的控制信号(如矩形信号)，该信号被提供给开关器件20的控制端。
输出电压Vout受到反馈回路40的调节或控制，反馈电路40将输出电压Vout的值与参考电压进行比较，并根据比较结果而调整开关频率或占空比。为了提高转换器的效率，可以在二极管D处提供附加的开关器件30，或是为了去除二极管D的阈值电压而用开关器件30取代二极管D。所述附加的开关器件30可以由单独的驱动器设备来控制，也可以由控制开关器件20的驱动器设备10来控制。
下面描述DC转换器的完整三段工作周期：
在第一阶段，接通开关器件20并切断附加的开关器件30，从而使电流流过电感器L和开关器件20，并将一个振荡器周期的能量存储在电感器L中。
在第二阶段，切断开关器件20并接通附加的开关器件30，从而现在电流流至电容器C，并将能量发送到电容器C。
在第三阶段，同时切断开关器件20和附加的开关器件30，例如在第一和第二阶段之间，或者是在输出电压Vout已经达到正确或期望的电压值时。
如果输出电压过低，则通过反馈回路40能够或开始新的工作周期，使输出电压Vout受到反馈回路40的控制，从而增大开关频率或占空比。为了避免开关器件20和附加的开关器件30同时被接通，驱动器设备10必须小心地控制开关阶段。
能够发送到输出端的能量总量与电感器L的电感值和驱动器设备10中的振荡器的开关周期直接相关。对于给定的电感值和振荡器频率，仅能够针对有限的输入电压范围而传递期望的输出功率。结果，所不期望的或者突然的超过这一有限范围之外的输入电压下降可能会导致输出电压发生相当大的变化。
文献US 2003/0214276A1公开了一种DC转换器，其中使用用于提供输出电流的开关器件，以产生受调节的输出电压和输出电流，并使用在PWM模式下工作的第一控制电路，并以可选择的方式使用在PFM模式下工作的第二控制电路，来控制所述开关器件。第二控制电路中包括第二反馈电路，而且在第二反馈电路中引入了时间的延迟，以便引入脉冲频率限制。借此，能够检测转换器在PFM模式下工作时可能出现的过载条件，而且能够切换回PWM模式。
发明内容
本发明的目的是提供一种转换器电路和转换方法，借助所述电路和方法，能够防止，或者至少减轻所不期望的输入电压下降导致的有害影响。
通过一种上述类型的转换器电路实现本发明的目的，所述电路包括：
a)第一控制回路，用于把所述输入信号的第一值与第一参考值进行比较，并响应比较结果而控制所述开关操作模式的开关参数；以及
b)第二控制回路，用于把所述输出信号的第二值与第二参考值进行比较，并响应比较结果而控制所述开关操作模式的开关参数。
另外，通过一种上述类型的方法来实现本发明的目的，所述方法包括步骤：
a)第一比较步骤，用于把所述输入信号的第一值与第一参考值进行比较；
b)第一控制步骤，用于响应所述第一比较步骤的结果而起始对所述开关操作模式的开关参数的控制；
c)第二比较步骤，用于把所述输出信号的第二值与第二参考值进行比较；以及
d)第二控制步骤，用于响应所述第二比较步骤的结果而起始对所述开关参数的控制。
相应地，给出一种附加的前向控制回路，它监测输入信号值，并基于监测结果而控制开关参数，从而在输入电压下降或变化时，能够直接改变开关频率或另一开关参数。因此，不仅关于输出负载，而且还在较宽的输入电压范围上对输出电压Vout进行正确的调节。这就提高了电能的效率和转换器电路的可靠性。
所述第一值可以是输入信号的电压值，第二值可以是输出信号的电压值。由此，作为双回路转换器电路的特殊示例，能够获得改进的DC电压转换器。
所述开关参数可以是开关操作模式的工作频率。在这种情况下，第一受控回路适于在第一值下降到第一参考值之下时降低工作频率。作为开关参数而使用的工作频率，提供了具有简单可控振荡器(如电压受控振荡器)的简单驱动器设备的优点。
此外，所述转换可以基于至少一个开关电感器。
此外，可以提供序列发生器装置，用于仅当完成一个操作周期后才允许对开关参数进行控制。这确保了操作周期总是正确地结束，而且不会由于阶段改变而对输出电压造成有害影响。另外，序列发生器装置可以首选为第二控制回路。由此确保了两个控制回路的工作而不出现干扰。
可将所述转换器电路布置在用于产生电子设备供电的集成电路中，其中，第一控制回路包括用于监测集成电路供电电压的监测装置。这一点是有利的，因为能够把集成电路中已经提供的电压监测电路至少部分地并入转换器电路。
附图说明
以下将参照附图，根据本发明的优选实施例对本发明进行描述。
图1示出传统DC转换器电路的示意性框图；
图2示出所述优选实施例的DC转换器电路的示意性框图。
具体实施方式
在DC转换器的基础上描述优选实施例，其中，所述DC转换器可以在用于产生电子设备(如智能卡)供电的集成电路中使用。
图2示出所述优选实施例DC转换器的示意性框图。除了图1中的传统电路之外，本优选实施例包括输入控制回路60，控制回路60监测或测量输入电压Vin的值，并把这个值与参考电压发生器52提供的输入参考电压进行比较，其中，参考电压发生器52可以是适于根据供电电压而产生参考电压的半导体电路或电阻网络。在本优选实施例中，参考电压发生器52还可以产生第一参考电压，这个电压被提供给输出控制或反馈回路40。
应予注意的是，开关器件20、具有振荡器的驱动器设备10、附加的开关器件30以及输出控制回路40的基本功能实际上与结合图1所描述的传统电路相对应，所以，为简明计，这里就可以省略对电路中这些部件的描述。
附加的输入控制回路60可以被看作是前向控制回路，由于振荡器的频率或任何其它开关参数，如占空比状况等，是基于输入电压Vin的值的监测结果而被调整的，所以，附加的输入控制回路60利用唯一一个电感器L的电感值而得到较宽的输入电压范围。当输入电压Vin过低时，降低振荡器频率，以增大转换器电路工作周期中最初描述的第一阶段持续时间，从而，使得在电感器L中能够存储更多的能量，由此，就能够向输出端(电容器C)发送更多的能量。
当然，输入控制回路60可以控制开关工作中的其它开关参数，借此调整转换器电路操作阶段的持续时间。
在输入电压Vin出现快速变化的情况下，新的输入控制回路60通过改变振荡器频率或其它开关参数而进行快速的反应。然而，这个快速参数改变可能导致状态的改变，这可能对当前工作周期产生干扰，例如，这会同时接通开关器件20和附加的开关器件30，从而导致输出电压Vout的急剧下降。通过可选地提供附加的序列发生器70，可以避免这种有害的影响。附加的序列发生器70对开关器件20和附加的开关器件30所涉及的不同工作状态进行控制，并且，仅当完成一个工作周期后，才可使开关参数发生改变。序列发生器70可以是被布置为状态机构的数字序列发生器，比如具有状态锁存或存储行为的逻辑电路。序列发生器70给出的优点在于：工作循环总是正确的，而且能够防止输出电压的急剧下降。
所提出的具有如此附加输入控制回路60和可选的序列发生器70的转换器电路提供如下效果：在输入电压Vin下降或改变时，自动地进行改变振荡器频率和其它开关参数当中的至少一项。如果提供了序列发生器70，那么控制回路40、60工作时不会发生干扰。然而，可以首选输出控制回路40，从而使输出控制回路40能够在由输入控制回路60导致开关参数出现任何改变之前，即完成其工作周期。结果，工作循环总是正确的，并且是完整的，而不会出现由突然的状态改变所引致的输出电压假信号或短路。因此，不仅关于输出负载的变化、而且在较宽的输入电压范围，都能够对输出电压Vout进行正确的调节或控制。这就提高了功率效率和所提出的转换器的可靠性。
应予注意的是，所提出的转换器可以用于需要参照收入信号值的较宽变化而调节输出信号的任何电路中，其中，所述输出信号可以是输出电压Vout或输出电流，而所述输入信号可以是输入电压Vin或输入电流。作为特殊的示例，所提出的转换器可以在用于产生电子设备(如智能卡)供电的集成电路中使用。
如果用于集成电路中，那么输入控制回路60可以包括电压监控器、监测电路或单元，它对集成电路自身的供电进行测量或监测。当供电突然下降时，监控器电路向所提出的转换器发送信号，以改变转换器的开关参数(如工作频率)，而不会引起转换器输出端的任何电压下降。因此，比如智能卡的停用阶段，可以把用于向比如智能卡供电的输出电压Vout保持在正确的调节值。
总之，所提出的附加的输入控制回路60能够防止输入电压Vin快速改变期间出现的所不期望有的开关状态，并能防止随后发生的控制电路开关频率或开关参数状况改变。作为优选，可以使用附加的序列发生器70，它允许开关参数仅当完成一个工作周期后才发生改变。借此，两个控制回路40、60能够不发生干扰地工作着，同时，可以首选控制回路40、60当中之一，最好是输出控制回路40。
应予注意的是，本发明不限于上述优选实施例，而是可以用于使用开关操作模式把具有第一值的输入信号转换为具有第二值的输出信号的任何转换器电路。此外，所提出的附加输入控制回路60可以用于基于开关操作模式的所有种类的转换器电路，例如，逐步降低降压的转换器、逐步升高升压的转换器、降压-升压转换器、CUK转换器、隔离DC转换器、回扫转换器、前向转换器和电流转换器。因此，所述优选实施例可以在所附权利要求的范围内发生改变。
还必须注意的是，说明书和权利要求中使用的术语“包括”指定了所述特征、装置、步骤或组件的存在，但是不排除附加的一个或多个其它特征、装置、步骤、组件或其组合的存在。此外在权利要求中，元件前面的单数冠词不排除存在多个该元件。此外，任何附图标记都不会限制权利要求的范围。本发明能够通过硬件和软件来实现，而且若干个“装置”可以由同一项或同一个硬件来表示。还应当注意的是，单独描述的或者与其它特征或优点一起描述的本发明的特征和优点也能够以组合的形式或者单独的形式出现。

Claims (8)

1.一种转换器电路，它根据开关操作模式而把具有第一值的输入信号转换为具有第二值的输出信号，所述转换器电路包括：
a)第一控制回路(60)，用于把所述输入信号的第一值与第一参考值进行比较，并响应比较结果而控制所述开关操作模式的开关参数；以及
b)第二控制回路(40)，用于把所述输出信号的第二值与第二参考值进行比较，并响应比较结果而控制所述开关操作模式的所述开关参数；以及
c)序列发生器装置(70)，用于仅当完成一个工作周期后才允许对所述开关参数进行控制，
其中，所述序列发生器装置(70)使所述第二控制回路(40)优先。
2.根据权利要求1所述的转换器电路，其中，所述第一值是所述输入信号的电压值，第二值是所述输出信号的电压值。
3.根据权利要求1所述的转换器电路，其中，所述开关参数是所述开关操作模式的工作频率。
4.根据权利要求1所述的转换器电路，其中，所述第一控制回路(60)适于在所述第一值下降到第一参考值之下时降低操作频率。
5.根据权利要求1所述的转换器电路，其中，所述把具有第一值的输入信号转换为具有第二值的输出信号基于至少一个开关电感器L。
6.一种用于产生电子设备供电的集成电路，所述集成电路包括权利要求1所述的转换器电路，其中，所述第一控制回路(60)包括用于监测所述集成电路供电电压的监测装置。
7.根据权利要求6所述的集成电路，其中，所述电子设备是智能卡设备。
8.一种基于开关操作模式而把具有第一值的输入信号转换为具有第二值的输出信号的方法，所述方法包括：
a)第一比较步骤，用于把所述输入信号的第一值与第一参考值进行比较；
b)第一控制步骤，用于响应所述第一比较步骤的结果而开始对所述开关操作模式的开关参数的控制；
c)第二比较步骤，用于把所述输出信号的第二值与第二参考值进行比较；以及
d)第二控制步骤，用于响应所述第二比较步骤的结果而开始对所述开关参数的控制，
其中由用于把所述输出信号的第二值与第二参考值进行比较的控制回路仅当完成一个工作周期后才允许对所述开关参数进行控制。
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