有超低无负载功耗的最优动态负载响应的开关功率转换器制造技术

本文涉及有超低无负载功耗的最优动态负载响应的开关功率转换器。其公开了一种开关控制器，该开关控制器适应性地控制开关功率转换器的操作频率，以改善一次性负载响应和重复动态负载响应。在从高负载到低负载条件的转换期间，在允许操作频率回到与低负载条件相关联的频率之前，开关控制器将开关功率转换器的操作频率钳制在中间频率持续一段时间。所钳制的频率高于与低负载条件相关联的频率，由此允许改善对到高负载条件的后续负载变化的响应。因此，该系统改善了动态负载响应，而不对无负载功耗产生影响。

【技术实现步骤摘要】

概括地说，本文所公开的实施例涉及功率转换器，并且更为具体地说，涉及具有开关控制器的功率转换器，所述开关控制器适应性地设定功率转换器的开关循环的频率，以实现最优的动态负载响应(DLR)。
技术介绍
典型地，开关功率转换器要求在功率转换器的输出电压和参考电压之间提供“误差”信号的误差电路，以调整输出电压。误差电路提供指示输出电压相对于参考电压的幅度和极性(正或负)的误差信号。误差信号允许功率转换器通过响应于该误差信号来增加或减小递送给功率转换器的输出端的功率的量来调整输出电压。典型地，传统的功率转换器通过感测为模拟值的输出电压，并且导出感测到的输出电压和为模拟值的参考电压之间的差，来生成误差信号。将感测到的输出电压和参考电压之间的差进行放大，以基于经放大的信号来适当地调整输出电压。取决于转换器中所使用的控制方案，传统的功率转换器也可以使用模数转换器(A/D转换器)来生成误差信号。 其他传统的功率转换器可以使用模拟误差放大器来生成误差信号。在许多传统的隔离式开关功率转换器中，直接在变压器电路的次级侧感测输出电压，并且将其与一般而言固定于选定电压的参考电压进行比较。这允许基于该比较来将功率转换器的输出电压调整到目标电平。备选地，其他传统的隔离式开关功率转换器并不直接感测输出电压。与之相对，这些转换器只感测开关功率转换器的变压器电路的初级侧的信号以检测输出电压电平。这些仅初级信号与固定于选定电压的参考电压进行比较，以使得功率转换器的输出电压被调整到目标电平。这些隔离式开关功率转换器通常称为仅初级反馈转换器。对于用于向便携设备(例如，智能手机、膝上型计算机)提供经调整的功率的开关功率转换器而言，开关功率转换器有三种工作模式待机模式、充电模式和操作模式。待机模式是当开关功率转换器耦合到AC市电(S卩，供电电压)，但是与电子设备断开时。因此，开关功率转换器在低负载条件(即，无负载)下进行操作。在待机模式期间， 开关功率转换器必须在无负载条件下维持输出电压调整。此外，为了满足强制的环境标准， 开关功率转换器必需使得内部功耗最小化。举例而言，根据5星级能量标准，在230V交流输入电压下，蜂窝电话充电器的最大可允许待机功耗通常是30mW。在待机模式所采用的方法中，脉冲频率调制是有效的并且经常使用的方法，其中， 响应于无负载条件，开关转换器的操作频率降低到待机模式操作频率。功耗的新趋势要求超低的待机功耗，例如，小于IOmw并且甚至小于5mW，这需要低得多的无负载操作频率以调整输出电压。充电模式是当开关功率转换器耦合到AC市电和电子设备这两者时。因此，开关功率转换器在负载条件下进行操作。此处，开关功率转换器提供经调整的功率，以在电子设备不在活动使用中的情况下对电子设备的内部电池进行充电。在这种情况中，在当电子设备初始连接到开关功率转换器时，在开关功率转换器上置有一次性的“低到高”动态负载。在这种情形下，开关功率转换器从待机模式转换到充电模式。在该转换期间，操作频率从待机操作频率增加到与负载条件相关联的较高频率。响应于输出负载的突然增加，存在输出电压的初始下降，以及输出电压的过冲振荡(overshoot ringing)。输出电压下降和振荡的量很大程度上基于输出滤波器组件和控制环路的速度。一旦连接，置于开关电源上的负载通常是静态的，并且随着电池充电状态逐渐地增加而缓慢地改变。与之相对，当开关功率转换器从充电模式转换到待机模式时，在开关功率转换器上置有一次性的“高到低”动态负载。当开关控制器检测到高到低的动态负载时，开关功率转换器被置于待机模式，而开关频率相关联地降低到对应于无负载条件的待机操作频率。 在这种情况中，当高到低的动态负载被置于转换器上时，存在相关联的输出电压的上升和过冲振荡。图IA示出了在待机模式和充电模式之间转换(并且反之亦然)时，传统开关功率转换器的波形，该转换另外被称为“一次性”动态负载响应。一次性动态负载条件参考输出负载的低频变化，通常低于10Hz。具体地，图IA示出了在一次性动态负载响应期间，传统的开关功率转换器的输出负载(Iout)波形101、操作频率(Fsw finaJ波形103和输出电压(Vqut) 波形105。对于采用仅初级反馈的传统开关功率转换器而言，反馈信号表示在每个开关循环处感测到的开关功率转换器的输出电压。因此，对传统的仅初级反馈的开关功率转换器的限制在于转换器的开关控制器只能在电压反馈信号的下降沿处逐个开关循环地响应于负载变化。在检测到输出电压的变化时，开关控制器对开关功率转换器的操作频率进行控制。 输出电压的变化指示输出负载的变化。如果开关频率较低(例如，300Hz)，例如在低负载条件下，那么开关周期可以是长时间周期。这个长周期另外被称为空白时间(blank time)或盲点(blind spot)，这是因为在开关功率转换器正进行操作并且尝试调整输出电压时，在两个开关循环之间变压器的初级绕组不具有任何样本信息。在图IA中，输出负载波形101示出了在一次性“低到高”和“高到低”动态负载期间一个周期的输出负载。输出负载波形101在“低”负载条件(即，无负载)和“高”负载条件之间循环。输出电压波形105示出了在一次性动态负载响应期间输出电压的暂态响应。开关功率转换器将输出电压维持在表不转换器的稳态输出电压的电压设定点(V-out 设定点)处，但是其可以在最大可允许输出电压(V-out(MAX))和最小可允许输出电压 (V-out(MIN))内进行操作。操作频率波形103示出了一次性动态负载响应期间传统的开关功率转换器的开关频率。当输出负载较低107时,传统的开关功率转换器在与待机模式操作或低输出负载条件相关联的待机模式操作频率(例如，300Hz) 109下进行操作。在低输出负载条件期间， 开关功率转换器的输出电压位于输出电压设定点(V-out设定点)处。在低输出负载107 期间的低操作频率使得开关功率转换器的开关控制器不太能够检测动态负载的上升沿。5换句话说，低操作频率导致表示长开关周期的长盲点。当输出负载从低负载条件 107转换113到高负载条件121时，长盲点导致较慢的动态负载响应。取决于相对于盲点何时发生从低负载107到高负载121的转换113，输出电压下降(下冲)115，这是因为转换器的低操作频率109阻止转换器快速响应于负载变化。响应于指示转换113到高输出负载条件121的输出电压下冲115，开关控制器将开关功率转换器的操作频率增加117到高输出负载操作频率119。高输出负载操作频率119 是转换器在高输出负载121期间操作的频率。将操作频率提高到高输出负载操作频率121 使得输出电压达到稳态输出电压设定点111。当输出负载从高输出负载条件121转换123到低负载条件107时，输出电压上升(过冲)125。输出电压的上升125由开关控制器检测，并且其指示负载回到低负载状态 107的变化。开关控制器通过控制开关循环以将降低的能量递送给次级负载来立即做出响应。因此，响应于输出负载的突然降低，开关控制器将操作频率降低127到待机模式操作频率109。通过将操作频率降低到待机模式操作频率109，输出电压达到稳态输出电压设定点 111。图IB示出了在从高负载121转换123到低本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，史富强，高小林，D·恩古延，
申请(专利权)人：艾沃特有限公司，
类型：发明
国别省市：