[发明专利]用于开关电源的非线性控制器

说明书

背景技术

本发明涉及开关变换器、例如直流-直流变换器。本装置用于有效地 将处于一个水平的电压和电流变换到不同水平的电压和电流。当不管大 功率还是电池工作需要高效率时，开关变换器尤其重要。开关变换器普 及到众多消费产品中，他们几乎处于日常生活的每个角落，例如移动电 话(cell phone)、个人数字助理(Personal Digital Assistants，PDA)、个人 电脑(personal computer)等。直流-直流变换器的关键特征是其尺寸小，成 本低。这些是通过有效的设计实现的。

开关变换器用于将输入直流电压转换为输出直流电压。这种变换器 可以降低(降压)或者增加(升压)输入直流电压(也可以是降压-升 压型变换器)。

传统的电源使用脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制用于 变换器中的电源装置。开关变换器的一种类型是同步降压型变换器。这 种变换器典型地具有控制器、驱动器、一对开关以及耦接至该对开关的 LC滤波器。控制器为驱动器提供控制信号，该驱动器然后驱动该对开 关，比如高压侧开关和低压侧开关。该驱动器交替接通和断开每个开关 从而控制电感器电流以及直流-直流变换器(DC to DC converter)的输 出电压。这种控制器典型地利用脉宽调制信号控制高压侧开关和低压侧 开关的状态。

改进开关变换器的大小和成本的方法之一是最优化外部无源组件的 大小。这可以通过最优化开关频率和控制回路达到。

随着深亚微米(deep sub-micro)互补式金属-氧化层-半导体 (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)的出现，需要具 有极低电压、高容差和高电流的电源。导致了无源滤波器组件必需被标 度到极小的阻抗，具体说，输出电容被标度到优质和高值。该电容器决 定用于亚微米CMOS的开关变换器的大小和成本。总体上来说，电容器 越小，成本越低。

这就需要能使输出电容器缩小的控制技术。

如图1表示一种典型的电压模式控制器，该控制器由控制脉宽调制 器的固定补偿器组成。输入到固定补偿控制器的输入是误差信号，该信 号是所需参考电压和输出电压的差值。固定补偿器的典型形式具有比例- 积分-微分控制器(proportional derivatives and integral control，PID)。这 种控制器考虑到相对快速的性能，它使变换器保持既可以不连续导电也 可以连续导电。如果这两种动作模式是可能的，那么为了保证稳定的补 偿，需要减少补偿器带宽。因为连续导电和不连续导电间的输出电压占 空比转换函数是不同的。

如图2所示，上述问题的一个解决方案是增加内部高速电流反馈回 路。这类似于用于伺服机构的比率控制。这种内部电流回路使电感器电 流的控制线性化。这样指令输出电压的电流是相同的，不依赖于传导模 式，因此用于这两种工作模式的补偿器可以是相同的。

然而这种技术是有局限性的。主要的局限来自于内部电流回路限制 了控制权限，以及因而使回路内部中的比率饱和。这是由可以应用到电 感器的有限电源引起的。这种比率饱和导致回路以及用于高带宽的不稳 定性。这样，电流模式控制器为了稳定，尤其是为了在高占空比和低占 空比稳定，就必须具有一个较低的带宽。因此，在有些传统方法中，系 统对干扰或者其它变化的响应可能会比所需程度慢。

需要能高带宽工作的控制方法。

发明内容

在一个实施例中，本发明的控制器包括非线性控制器组件，该组件 能够为开关驱动器提供开关状态，该开关状态对应于至少一个预定的开 关电源状态变量。该非线性控制器组件可操作地连接，以接收至少一个 作为输入的预定的开关电源状态变量。开关状态和至少一个预定的开关 电源状态变量之间的关系通过预定的方法获得。

还公开了本发明的控制器的其他实施例，包括开关电源的至少某些 内部状态被估计的实施例。

还公开了本发明的受控开关电源的实施例。

参照附图和详细说明以更好地理解本发明，以及其中其它和进一步 的需要，其保护范围在权利要求中指出。

附图说明

图1是传统的电压模式控制器；

图2是另一个传统的电流模式控制器；