专利名称：用于改进二级变换器的动态响应的技术的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及电源变换器的反馈电路。
背景技术：
本部分的描述仅提供与本发明相关的背景信息，并不构成现有技术。
对于高输入电压和低输出电压/高输出电流的应用来说，二级变换器已经越来越有吸引力。二级变换器典型地在第一级包含降压变换器(buck converter)。第二级典型地包含带有隔离的直流-直流(DC-DC)变换器，并且在约50％的恒定占空因数下工作。第二级变换器典型地是推挽型、半桥型、正向型和全桥型变换器设计中的一种。
二级变换器具有一些令人满意的特性。比如，由于变压器的次级电压被降至最低，所以第二级中的同步整流可以被优化，以使用额定电压较低的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。另一特性是第二级中的变压器初级电压是经第一级降压变换器降压和调节之后的电压。这样可通过使用通态电阻Rds(on)较低的MOSFET作为初级侧开关，使得第二级的效率提高至优于单级设计。
二级变换器还具有一些缺点。比如，二级变换器通常只用一个控制环来调节输出电压。因为第一级和第二级都包含LC滤波器，所以控制传递函数变为4阶，这给控制系统的设计带来挑战。尽管传统的补偿可用于稳定二级变换器，但是动态响应将会变差。另外，当二级变换器工作在高电压输入下时，比如400V时，在第一级进行同步整流将变得不可能。如果没有同步整流，降压变换器的特性将在轻载下变化。这进一步复杂化了控制系统的设计。
现在参见图1，其示出了现有技术中第一类型的二级变换器100。第一级102包括馈给DC-DC变换器第二级104的降压变换器。第一级102包括直流(DC)电源106。在一些实施例中，直流电源106提供介于300V到400V之间的电压。直流电源106的正端子连接到场效应晶体管(FET)Q1的漏极和电容器C1的一端。直流电源106的负端子连接到地108和负载感知电阻器Rs的一端。第一电感器L1连接在FET Q1的源极与电容器C1的另一端之间。FET Q2的漏极连接到FET Q1的源极。FET Q2的源极连接到负载感知电阻器Rs的另一端。
降压控制电路110向FET Q1的栅极提供第一栅极驱动信号112，向FET Q2的栅极提供第二栅极驱动信号114。降压控制电路110根据在负载感知电阻器Rs两端产生的负载反馈信号116，产生第一栅极驱动信号112和第二栅极驱动信号114。在电容器C1的两端产生第一级102的输出电压。
第二级104是全桥式DC-DC变换器。FET Q3的源极连接到FET Q5的漏极和变压器T1的第一端子120。FET Q4的源极连接到FET Q6的漏极和变压器T1的第二端子122。第二级104从第一级102的输出中接收电能。出现在电容器C1上部的输入电压正节点，连接到FET Q3的漏极和FET Q4的漏极。出现在电容器C1的下部的输入电压负节点，连接到FET Q5的源极和FET Q6的源极。全桥式开环控制器122产生供应到各个FET Q3～Q6的栅极的栅极信号。
变压器T1包括带中心抽头的次级绕组。该次级绕组包括第一端子130、第二端子132和中心抽头134。整流器D1具有连接到第一端子130的阳极和连接到第二电感器L2的第一端的阴极。整流器D2具有连接到第二端子132的阳极以及连接到整流器D1的阴极和第二电感器L2的第一端的阴极。电感器L2的另一端连接到电容器C2的一端。电容器C2的另一端连接到中心抽头134。在电容器C2的两端产生二级变换器100的输出电压。
降压控制电路110接收基于电容器C2两端的输出电压的反馈信号140。该反馈信号通过包含补偿电路150和光隔离器152在内的反馈路径到达降压控制电路110。电容器C2两端的输出电压施加到电容器C3的第一端和电阻器R1的一端。电容器C3的另一端连接到电阻器R2的第一端。电阻器R1的第二端和电阻器R2的第二端连接在一起，并且还连接到电阻器R3的一端和运算放大器156的倒相输入端154。电阻器R3的另一端连接到地108。运算放大器156的非倒相输入端从次级直流电源159接收参考电压。该次级直流电源159参考于地108。运算放大器156的输出端160经与电阻器R4和电容器C5的串联组合并联地连接的电容器C4，连接到倒相输入端154。输出端160还连接到电阻器R5的第一端。电阻器R5的另一端连接到光隔离器152的阳极。光隔离器152的阴极连接到地108。由光隔离器152的开路集电极输出产生反馈信号140。该开路集电极晶体管的发射极连接到地108。
现在参见图2，其示出了现有技术中第二类型的二级变换器200。除了具有包括可替换结构的降压变换器的第一级202之外，二级变换器200与二级变换器100类似。第一级202从直流电源106接收电能。直流电源106的正端子连接到整流器D4的阴极和电容器C10的一端。电容器C10的另一端连接到电感器L3的一端。电感器L3的另一端连接到整流器D4的阳极和FET Q10的漏极。FET Q10的源极连接到负载感知电阻器Rs的一端。负载感知电阻器Rs的第二端连接到地108和直流电源106的负端子。在电容器C10的两端产生第一级202的输出电压，并且该电压施加到第二级104的全桥式整流器。
降压控制电路204接收在负载感知电阻器Rs两端产生的感知的电感器电流信号206。降压控制电路204采用由第一集成电路U1实现的峰值电流模式控制电路。在一些实施例中，集成电路U1包括可从金发男孩半导体(fairchildsemiconductor)得到的UC3842器件。降压控制电路204产生栅极驱动信号208，该信号经电阻器R12施加到FET Q10的栅极。电阻器R12的另一端连接到集成电路U1的管脚6。次级参考电源210参考于地108，并连接到集成电路U1的管脚7。来自光隔离器152的反馈信号140连接到电阻器R14的一端和集成电路U1的管脚1。电阻器R14的另一端连接到集成电路U1的管脚8和电阻器R16的一端。电阻器R16的另一端连接到电阻器R17的一端、电容器C11的一端和集成电路U1的管脚4。电容器C11的另一端连接到地108。电容器C12连接在集成电路U1的管脚3和地108之间。集成电路U1的管脚2和5连接到地108。感知的电感器电流信号206连接到电阻器R18的一端。电阻器R18的另一端连接到电阻器R17的另一端、电容器C12的另一端和集成电路U1的管脚3。集成电路U1在管脚4产生斜波波形。该斜波波形通过电阻器R17叠加到感知的电感器电流信号206，并在集成电路U1的管脚6产生给FET Q10的栅极驱动信号。
现在参见图3，其示出了二级变换器200的输出电压波形220。输出电压波形显示了当施加到二级变换器200的负载以0.3A/μS在4A～43A之间变化时的712mV峰-峰电压纹波。需要在不引入复杂和/或昂贵的控制系统的前提下，减小输出纹波的幅值。
发明内容
本发明公开了一种二级变换器，该二级变换器包括降压变换器；DC-DC变换器，其从降压变换器接收电能并产生该二级变换器的输出电压；以及降压控制电路，其产生针对该降压变换器的控制信号。该控制信号以表示输出电压的第一信号、表示施加到降压变换器上的负载的第二信号以及补偿信号为根据。该补偿信号的特性根据该输出电压而改变。
本发明公开了一种操作二级变换器的方法。该方法包括将第一电压降至第二电压；将第二电压降至负载电压；以及根据表示该负载电压的第一信号、表示施加到该第二电压上的负载的第二信号以及补偿信号来控制第二电压。该补偿信号的特性根据该输出电压而改变。
本发明公开了一种二级变换器，该二级变换器包括降压变换器，其将第一电压降至第二电压；DC-DC变换器，其将第二电压降至负载电压；以及降压控制电路，其产生针对该降压变换器的脉冲宽度调制(PWM)控制信号。该控制信号的占空因数以负载电压、施加到该降压变换器上的负载以及基于该占空因数的补偿信号为根据。
本发明公开了一种操作二级变换器的方法。该方法包括将第一电压降至第二电压；将第二电压降至负载电压；以及产生控制第一电压和第二电压之间的差的PWM控制信号。该控制信号的占空因数以该负载电压、施加到该降压变换器上的负载以及基于该占空因数的补偿信号为根据。
通过这里提供的说明，本发明进一步的应用范围将变得清晰。应理解，说明书和特定实例都仅用于示例的目的，并不用来限定本公开的范围。
这里绘出的附图仅用于示例目的，无论如何，并非用来限定本公开的范围。
图1是现有技术中第一种二级变换器的示意图；图2是现有技术中第二种二级变换器的示意图；图3是图2的第二种二级变换器的输出电压波形；图4是一种改进的二级变换器的示意图；图5是第二种改进的二级变换器的示意图；图6是用于二级变换器的控制电路的框图；图7是动态斜波发生器的示意图；图8是第二种改进的二级变换器的输出电压波形。
具体实施例方式
下文的说明在本质上仅是示例性的，并不用来限定本公开、本发明的应用或用途。应理解，在所有的附图中，相应的附图标记指代相似或相应的部件和特征。
现在参见图4，其示出了改进的二级变换器400的多个实施例中的一个。第一级402包括降压变换器，第二级404包括全桥式DC-DC变换器。第一级402从直流电源406接收电能。直流电源406的正端子连接到FET Q20的漏极。FET Q20的源极连接到整流器D20的阴极和电感器L20的一端。电感器L20的另一端连接到电容器C20的一端。电容器C20的另一端连接到整流器D20的阳极。直流电源406的负端子连接到地408和负载感知电阻器Rs的一端。在电容器C20两端产生第一级402的输出电压。
降压控制电路410产生降压变换器控制信号412，该信号施加到第一级402。在一些实施例中，降压变换器控制信号412传送给FET Q20的栅极。降压控制电路410接收斜波信号418、在负载感知电阻器Rs两端产生的负载信号414以及基于二级变换器400的输出电压信号的反馈信号416。诸如斜波信号418的上升时间之类的特性，是以施加到二级变换器400上的负载RL的电流消耗(current draw)为基础的。斜波信号418由动态斜波发生器419产生。下文将说明动态斜波发生器419的多个实施例中的一个。
第二级404从第一级402接收电能。电容器C20的第一端处的正电压施加到FET Q22和FET Q23的漏极。FET Q22的源极连接到FET Q24的漏极和变压器T2的初级端子420。FET Q23的源极连接到FET Q25的漏极和变压器T2的初级绕组的第二端子422。FET Q24和FET Q25的源极连接到电容器C20的另一端。全桥式开环控制器424产生栅极信号，该信号分别施加到FET Q22、FET Q23、FET Q24和FET Q25各自的栅极。
变压器T2包括带中心抽头的次级绕组，该次级绕组具有第一端子426、第二端子428和中心抽头430。第一端子426连接到整流器D22的阳极。第二端子428连接到整流器D24的阳极。整流器D22的阴极与整流器D24的阴极连接在一起并连接到电感器L22的一端。电感器L22的另一端连接到电容器C22的一端。电容器C22的另一端连接到中心抽头430和参考节点440。在电容器C22两端产生第二级404的输出电压，该输出电压施加到反馈补偿电路442。
反馈补偿电路442根据在电容器C22两端出现的输出电压产生反馈信号416。反馈补偿电路442包括与电阻器R22和电容器C24的串联组合并联地连接的第一电阻器R20。电阻器R20的一端从电容器C22接收输出电压。电阻器R20的另一端和电阻器R22的另一端连接到运算放大器446的倒相输入端和电阻器R24的一端。电阻器R24的另一端连接到参考节点440。次级电源449参考于参考节点440，并且施加正电压到运算放大器446的非倒相输入端。反馈电路连接在运算放大器446的输出端448和倒相输入端之间。反馈电路包括与电容器C28和电阻器R26的串联组合并联地连接的电容器C26。输出端448经电阻器R28连接到光隔离器444的输入端。光隔离器444的输出端产生反馈信号416。
现在参见图5，其示出了第二种改进的二级变换器450。除了具有可替换结构的第一级452之外，二级变换器450与二级变换器400类似。第一级452包括从直流电源406接收电能的降压变换器。直流电源406的正端子连接到整流器D28的阴极和电容器C30的一端。电容器C30的另一端连接到电感器L24的一端。电感器L24的另一端连接到整流器D28的阳极和FETQ30的漏极。FET Q30的源极连接到负载感知电阻器Rs的一端。负载感知电阻器Rs的第二端连接到地408和直流电源406的负端子。在电容器C30两端产生第一级452的输出电压，该电压施加到第二级404的全桥式整流器。
降压控制电路410的某些实施例接收在负载感知电阻器Rs两端产生的感知的电感器电流信号206。降压控制电路410利用由集成电路U2实现的峰值电流模式控制电路。在一些实施例中，集成电路U2包括可从金发男孩半导体得到的UC3842器件。降压控制电路410产生栅极驱动信号458，该信号通过电阻器R30施加到FET Q30的栅极。电阻器R30的另一端连接到集成电路U2的管脚6。次级参考电压460参考于地408并连接到集成电路U2的管脚7。来自光隔离器444的反馈信号416连接到电阻器R32的一端和集成电路U2的管脚1。电阻器R32的另一端连接到集成电路U2的管脚8和电阻器R34的一端。电阻器R34的另一端连接到电容器C30的一端、集成电路U2的管脚4以及动态斜波发生器419的多个实施例中的一个的第一节点462。电容器C30的另一端连接到地408。电容器C32连接在集成电路U2的管脚3和地408之间。集成电路U2的管脚2和管脚5连接到地408。感知的电感器电流信号464连接到电阻器R36的一端。电阻器R36的另一端连接到电容器C32的另一端、集成电路U2的管脚3以及动态斜波发生器419的第二节点466。动态斜波发生器419的第三节点468连接到电感器L24与电容器C30之间的连接点。
这里说明降压控制电路410和动态斜波发生器419的工作。动态斜波发生器419在节点466产生补偿斜波信号。动态斜波发生器根据流经负载RL的输出电流改变补偿斜波信号的上升斜率。当栅极控制信号458的占空因数随输出电流增加时，补偿斜波信号的幅值与输出电流成比例地增加。在其它实施例中，表示流经负载RL的电流和栅极控制信号458的占空因数的其它信号，可用来改变补偿斜波信号。
图4中的第一级402和图5中的第一级452的输出电压，随流经负载RL的输出电流而变化。由于第一级402和第一级452中的部件两端的电压降，以及由于变压器T2中的漏电感而补偿图4中的栅极控制信号412和图5中的栅极驱动信号458的占空因数，会导致该输出电压变化。连续地调整第二节点466处的补偿斜波信号，以使斜波信号的幅值随直流电源406与电容器C30两端的电压之间的电压差的增加而降低。这种电路与第一级402和第一级452的输出电压成比例地增加补偿该斜波信号的幅值。
现在参见图6，其示出了由降压控制电路410实现的控制电路的多个实施例中的一个的框图。电流模式控制调制器470产生栅极驱动信号458，该信号具有脉冲宽度调制(PWM)的占空因数d。感知的电流信号的斜波信号与来自动态斜波发生器419的补偿斜波信号叠加，并与参考电压比较，以控制该占空因数。在图5的实施例中，感知的电流信号由感知的电感器电流信号464提供，并在第二节点466处与补偿斜波信号叠加。叠加后的信号与由反馈信号416提供的参考电压比较，以控制栅极驱动信号458的占空因数。
现在参见图7，其示出了动态斜波发生器419的多个实施例中的一个。在电容器C70两端产生动态斜波信号，该信号通过电阻器R70提供给第二节点466。电容器R70的第一端连接到PNP晶体管Q70的集电极。PNP晶体管Q70的发射极连接到电阻器R72的一端和参考于地408的次级电源VCC。PNP晶体管Q70的基极-发射极结，被由串联连接的电阻器R73和电阻器R74形成的分阻器偏压。第三节点468处的信号施加到由电阻器R73和电阻器R74形成的分压器的一端。晶体管Q70的基极连接到位于电阻器R73和电阻器R74的连接处的中心抽头702。由电阻器R73和电阻器R74形成的分压器的另一端连接到地408。
NPN晶体管Q72的集电极连接到电容器C70和晶体管Q70的集电极。通过使电容器C70放电，晶体管Q72在第二节点466处中止动态斜波信号。晶体管Q72的发射极连接到地408。晶体管Q72的基极连接到整流器D70的阴极和电容器C72的一端。电容器C72的另一端连接到电阻器R76的一端和PNP晶体管Q74的集电极。晶体管Q74的发射极连接到电阻器R78的一端和电容器C74的一端。电阻器R76的另一端和二极管D70的阳极连接到地408。电阻器R78的另一端和电容器C74的另一端连接在一起，连接到电阻器R72的另一端、电阻器R80的一端和NPN晶体管Q76的集电极。电阻器R80的另一端连接到晶体管Q74的基极、电容器C76的一端和电阻器R82的一端。电容器C76的另一端连接到晶体管Q76的发射极和电阻器R84的一端。电阻器R82的另一端和电阻器R84的另一端连接到地408。晶体管Q76的基极连接到动态斜波发生器419的第一节点462。
现在说明动态斜波发生器419的工作。电阻器R72、电阻器R73、电阻器R74、晶体管Q70和电容器C70产生出现在第二节点466处的斜波信号。该斜波信号的幅值与第三节点468相对于地408的电压成反比。动态斜波发生器419的其它部件产生复位脉冲，以使斜波信号同步于图5的集成电路U2的管脚4上所产生的控制晶振器斜波信号。该斜波信号通过电阻器R70叠加到感知的电感器电流信号464上。
第三节点468处的电压根据二级变换器400和二级变换器450的输出负载电流而变化。由于二级变换器400和二级变换器450中的电源部件的阻抗和因用来使初级开关实现零电压开关(ZVS)的变压器T2的漏电感所导致的占空因数损失，使得第一级402和第一极452的输出电压应随二级变换器400和二级变换器450的输出负载电流的增加而增加。因此，栅极驱动信号458的占空因数相应地增加，第一级402和第一级452的输出电压随占空因数的增加而增加。由于第二节点466处的斜波信号的幅值随第一级402和第一级452的输出电压的增加而增加，所以斜率补偿与占空因数和负载电流成比例地进行动态调整。所感知的电感器电流信号464，提供与由二级变换器400和二级变换器450传送的负载电流相关的反馈。
现在参见图8，示出了二级变换器450的输出电压波形500。输出电压波形示出了当施加到二级变换器450的负载以0.3A/μs在4A～43A之间变化时的594mV峰-峰电压纹波。在同样的工作状态下，与图2的现有技术相比，电压纹波的峰峰值改进了118mV，即16.6％。
本说明书本质上仅为示例性的，因此，不背离本发明精神的变化都应涵盖在本发明范围之内。这些变化不应被认为背离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种二级变换器，包括降压变换器；DC-DC变换器，其从降压变换器接收电能并产生该二级变换器的输出电压；以及降压控制电路，其产生针对该降压变换器的控制信号，其中该控制信号以表示该输出电压的第一信号、表示施加到该降压变换器上的负载的第二信号以及补偿信号为根据，并且其中该补偿信号的特性基于该输出电压而改变。
2.如权利要求1所述的二级变换器，其中所述特性包括斜率。
3.如权利要求1所述的二级变换器，进一步包括基于施加到所述降压变换器上的负载来产生所述补偿信号的电路。
4.如权利要求1所述的二级变换器，进一步包括基于施加到所述二级变换器上的负载来产生所述补偿信号的电路。
5.如权利要求4所述的二级变换器，其中所述电路包括与所述负载串联的电阻器，并且其中所述特性基于在该电阻器两端产生的负载信号而改变。
6.如权利要求5所述的二级变换器，其中所述电路包括以基于所述负载信号的速率进行充电的电容器。
7.如权利要求1所述的二级变换器，其中所述降压变换器包括降压调节器。
8.一种操作二级变换器的方法，包括将第一电压降至第二电压；将第二电压降至负载电压；以及基于表示该负载电压的第一信号、表示施加到该第二电压上的负载的第二信号以及补偿信号来控制该第二电压，其中该补偿信号的特性基于该输出电压而改变。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述特性包括斜率。
10.如权利要求8所述的方法，进一步包括基于施加到所述第二电压上的负载来产生所述补偿信号。
11.如权利要求8所述的方法，进一步包括基于所述负载电压来产生所述补偿信号。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括基于流经施加到所述输出电压上的负载的电流来产生信号，并且基于该信号而改变所述特性。
13.一种二级变换器，包括降压变换器装置，用于将输入电压降至第二电压；DC-DC变换器装置，用于从降压变换器装置接收电能并产生该二级变换器的输出电压；以及降压控制装置，用于产生针对该降压变换器装置的控制信号，其中该控制信号以表示输出电压的第一信号、表示施加到该降压变换器装置上的负载的第二信号以及补偿信号为根据，并且其中该补偿信号的特性基于该输出电压而改变。
14.如权利要求13所述的二级变换器，其中所述特性包括斜率。
15.如权利要求13所述的二级变换器，进一步包括用于基于施加到所述降压变换器装置上的负载来产生所述补偿信号的电路装置。
16.如权利要求13所述的二级变换器，进一步包括用于基于施加到所述二级变换器上的负载来产生所述补偿信号的电路装置。
17.如权利要求16所述的二级变换器，其中所述电路装置包括与所述负载串联的电流测量装置，并且其中所述特性基于由该电流测量装置产生的电流信号而改变。
18.如权利要求17所述的二级变换器，其中所述电路装置包括用于以基于所述负载信号的速率进行充电的电容性装置。
19.如权利要求13所述的二级变换器，其中所述降压变换器装置包括用于根据所述控制信号转换所述输入电压以产生所述第二电压的降压调节器装置。
20.一种二级变换器，包括降压变换器，其将第一电压降至第二电压；DC-DC变换器，其将第二电压降至负载电压；以及降压控制电路，其产生针对该降压变换器的脉冲宽度调制PWM控制信号，其中该控制信号的占空因数以该负载电压、施加到该降压变换器上的负载以及基于该占空因数的补偿信号为根据。
21.如权利要求20所述的二级变换器，其中所述补偿信号包括基于所述占空因数而改变的斜率。
22.如权利要求20所述的二级变换器，其中所述补偿信号以所述第二电压和所述第一电压之间的差为根据。
23.如权利要求20所述的二级变换器，其中所述补偿信号以所述第二电压为根据。
24.如权利要求20所述的二级变换器，包括基于表示所述占空因数的第一信号和表示所述负载电压的第二信号来产生所述补偿信号的补偿电路。
25.如权利要求24所述的二级变换器，其中所述补偿电路包括基于所述第一信号和所述第二信号来充电和放电的电容器，并且其中所述补偿信号由该电容器产生。
26.一种操作二级变换器的方法，包括将第一电压降至第二电压；将第二电压降至负载电压；以及产生控制第一电压和第二电压之间的差的PWM控制信号，其中该控制信号的占空因数以该负载电压、施加到该降压变换器上的负载以及基于该占空因数的补偿信号为根据。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述补偿信号包括基于所述占空因数而改变的斜率。
28.如权利要求26所述的方法，其中所述补偿信号以所述第二电压和所述第一电压之间的差为根据。
29.如权利要求26所述的方法，其中所述补偿信号以所述第二电压为根据。
30.如权利要求26所述的方法，进一步包括基于表示所述占空因数的第一信号和表示所述负载电压的第二信号来产生所述补偿信号。
31.如权利要求30所述的方法，其中所述产生步骤包括基于所述第一信号和所述第二信号对能量存储设备进行充电和放电。
全文摘要
本发明公开了一种二级变换器，其包括降压变换器和从该降压变换器接收电能的DC－DC变换器。该DC－DC变换器产生该二级变换器的输出电压。一种降压控制电路产生针对该降压变换器的控制信号。该控制信号以表示该输出电压的第一信号、表示施加到该降压变换器上的第二信号以及补偿信号为根据。该补偿信号的特性基于该输出电压而变化。
文档编号H02M3/28GK1980023SQ200610099520
公开日2007年6月13日 申请日期2006年7月26日 优先权日2005年12月8日
发明者詹姆斯·苏格马尼 申请人:艾斯泰克国际有限公司