开关电源转换器和用于控制多个开关电源转换器的系统技术方案

一种开关电源转换器，其包括：环形振荡器，其由多个串联的反相器组成；反馈环路，其连接在反相器组的最后一个反相器的输出导线到反相器组的第一个反相器的输入导线；选择电路，其能够从所述串联连接的反相器串的反相器中选择至少一个 输出信号；异或门，其在一个输入导线上接收所述选择的输出信号，和在另一个输入导线上从所述反相器串中的反相器的输出导线上接收参考输出信号。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及开关电源或变换器。特别地，本专利技术涉及简单、耐用的开关电源，其能够为给定电路中多个不同的稳压电源提供电能。
技术介绍
开关电源被用于在多个产品中例如蜂窝电话、照相机、PDA(个人数字助理)、计算器、便携式计算机以及类似的电子设备提供电能。这种开关电源十分复杂，并且使用大量元件以提供多个精确地调整的输出电压，以为包含在被供电的产品中的各种集成电路和其它元件提供电能。相对于使用它们的产品的成本和质量，这种电源是昂贵的、体积大并且效率低。对于为设备提供长电池寿命的功效是很重要的。图1示出了由电池10供电的在便携设备中使用的典型的现有技术的电源。来自电池10的信号通过导线10a传输到电平转换电路12，该电平转换电路被来自模拟脉冲宽度调制的控制器11的控制信号所控制。来自模拟脉冲宽度调制控制器的控制信号对导线17a和17b上的信号检测到的电阻器16两端的压降敏感，导线17a和17b分别将电阻器16的两端连接到模拟PWM控制器11。连接N沟道MOS晶体管13a和13b，以互补方式工作。电平转换电路12为N沟道晶体管13a的栅极提供高电平电压，以将来自电池10的脉冲应用于线圈15的一个输入端。线圈15的另一个输入端连接到电阻器16的一端。电阻器16的另一端连接到负载电容器18，该负载电阻器18包含为该具体的电路供电所必需的电压的充电，其中具体的电路由电源的该部分供电。模拟PWM控制器11测量通过电阻器16的电流并控制N沟道MOS晶体管13a的导通时间。N沟道MOS晶体管13b由驱动N沟道MOS晶体管13a的栅极的信号的反信号(complement)驱动，并且导通以使线圈15的输入导线接地并切断通过电阻器16提供给电源所需要的电流。图2示意性地示出了模拟脉冲宽度控制器11的内部电路。如图2所示，电流源20为电容器21提供充电电流，以生成该电容器两段的斜线电压(ramp voltage)。该斜线电压被提供给差分放大器22a的正极输入导线，其负极输入导线接收差分放大器22b的输出信号。放大器22b的正极输入导线连接到负载电容器18并传递表示负载电容器18两端电压的信号。差分放大器22b的负极输入导线连接到电阻器23a和23b之间的节点，电阻器23a和23b组成分压器(其一端连接到参考电压VREF，而另一端连接到差分放大器22b的输出导线)。这样当电容器18两端的输出电压小于电阻器23a和电阻器23b之间的节点A的电压时，差分放大器22b的输出电压转向低电平。该低电平输出电压被提供给放大器22a的负极输入导线，使放大器22a产生正的输出脉冲。该正的输出脉冲被传输到线圈15，以为电容器18提供充电电流。随着时间的增加，电容器18上的电荷增加，直到电容器18两端的电压超过节点A处的电压。在这一点上，差分放大器22b的输出电压转向高电平，以致差分放大器22a的负极输入导线上的电压超过差分放大器22a的正极输入导线上的电压，使放大器22a的输出电压变为低电平，并因此防止电容器18的进一步充电。线圈15两端的电压为负，反映电流的负的变化率，其是响应来自放大器22a的脉冲的下降沿从高电平变为低电平。由于线圈的磁场，通过线圈15的电流不会瞬间变化，但是随时间逐渐变化。这种类型的电源，其特点在于电流源驱动电容器，其被认为是模拟补偿转换器。每个MOSFET调制周期由精密比较器和误差放大器形成。这种电源难于定标和集成到集成电路中，并且典型地利用受控(captive)半导体工厂专用的模拟加工工艺制造。因此，需要一种能提供不同电平精度电压并同时易于用比现有技术更少的元件来实现的电源。这种电源同时必须相对便宜、耐用和可靠。
技术实现思路
根据本专利技术，提供了一种开关电源，其既便宜又耐用，并且同时能够提供多个不同的输出电压。根据本专利技术的一个实施例，环形振荡器与开关矩阵一同使用，以提供一对信号，然后该对信号用于产生脉冲宽度调制信号以控制通过电感器的电流和电源中输出电容器两端的电压。来自环形振荡器被选为产生脉冲宽度调制信号的一对特殊的信号由控制器确定，该控制器检测输出电容器两端的电压并提供足够的电流以保持输出电容器两端希望的电压。输出电容器为电源驱动的电路提供选择的电压时的电流。可以控制脉冲宽度调制信号的占空比为从0到接近100％的值。环形振荡器包括奇数个反相器，反相器的数目越多，占空比越可以接近100％。相位比较器将环形振荡器的振荡频率锁定为要求的值。在可选的实施例中，n位计数器用于产生两个信号，一个信号与另一个信号有时间偏差，从而两个信号之间的延迟控制脉冲宽度调制器输出的脉冲的宽度。在一个实施例中，该结构包括两个数字比较器，每个驱动触发电路(flp-flop)，该触发电路产生由每个比较器中的时延延迟的输出信号。本专利技术的电路可以控制多个不同电源的电压电平。特别地，环形震荡器上不同抽头的可用性允许选择不同对信号，每对信号用于响应相应的输出电容器上不同于要求的标称值的电压，产生单独的脉冲宽度调制信号。因此根据本专利技术的单个控制器可以控制系统中的多个电源，每个电源提供不同的电压。本专利技术的脉冲宽度调制控制电路经济，便于利用商业半导体工厂可用的标准生产工艺在集成电路基片上制造，并且能够用于要求的脉冲宽度调制输出信号的多种应用中。根据本专利技术的一个实施例，提供预测控制回路以调整一个或多个输出电压。该预测控制回路可以使用计算单元(例如，微控制器)以应用数字控制技术来调整输出电压。在一个实施例中，信号的占空比驱动脉冲宽度调制转换器中的开关以改变外部电感器中的电流，以响应转换器输出电压的改变。在根据本专利技术的一项控制技术中，利用转换器的线性电路模型，转换器预测对输出电压变化的响应(例如，当负载被接通时)，并将非线性修正应用到多个时间步长上。在一个实施例中，转换器试图将其恢复到平衡状态，其中输出电压被恢复，电感器中的平均电流(“线圈电流”)是负载中的平均电流，以及线圈电流从时间步长到时间步长不发生变化。结合与下面详细描述一起说明的附图，将更充分地理解本专利技术。附图说明图1表示现有技术中模拟降压变换器的基本结构； 图2表示图1中模拟PWM控制器11的详细结构；图3表示根据本专利技术的使用环形振荡器的脉冲宽度调制控制器的基本结构；图4表示根据本专利技术的脉冲宽度调制控制器的可选的实施方案；图5表示使用图3的结构产生的波形的例子；图6表示根据本专利技术使用的环形振荡器和用于从环形振荡器中选择特定的输出信号的开关矩阵，该输出信号被提供给异或门63的两条输入导线，以生成脉冲宽度调制的信号；图7表示利用图6的结构产生的信号的波形；图8表示利用图6的结构产生的波形，其中在图6中，在环形振荡器的每个偶数反相器的输出引线和由信号G，H，I，J及K驱动的旁路晶体管之间连接反相器；图9表示当从图6的环形振荡器中的反相器对的不同组合选择信号时，得到的相对延时；图10表示用于控制对特定门的选择，以将选择的一对信号传输到图6中的异或门63，以产生脉冲宽度调制信号的电路；图11表示根据本专利技术的原理，从图6中的异或门63产生脉冲宽度调制信号的另一个电路；图12是根据本专利技术一个实施例的开关电源控制器1200的框图；图13是根据一个实施方案的表示数字脉冲变换器封装(wrapper)1201的接口信号的框图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：肯特·科纳罕，约翰·卡尔·托马斯，伊莱尔斯·劳兹艾诺，大卫·F·弗雷泽，杰克·罗恩，丹尼尔·W·尤德，
申请(专利权)人：艾科嘉公司，
类型：发明
国别省市：