開關(guān)模式電源、基站以及操作開關(guān)模式電源的方法與流程

本技術(shù)領(lǐng)域一般涉及開關(guān)模式電源(smps:es)和操作開關(guān)模式電源的方法。開關(guān)模式電源可被安裝在移動通信網(wǎng)絡(luò)的基站中。

背景技術(shù)：

使用具有恒定占空比的固定比轉(zhuǎn)換器中間總線轉(zhuǎn)換器(ibc)引起輸出電壓取決于輸入電壓范圍而在大范圍中變化。這對輸入電壓范圍施加限制，以便避免對由ibc提供的負(fù)載轉(zhuǎn)換器的下游點的過電壓。通過控制和切換變壓比，可減小輸出電壓范圍。

在大多數(shù)smps拓?fù)渲校敵鲭妷号c輸入電壓成正比，vo∝ndvi，其中d是占空比，并且如果在smps中使用變壓器，則n是變壓比。

缺少對輸出電壓的控制的固定比轉(zhuǎn)換器或中間總線轉(zhuǎn)換器(又稱為未調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器)以固定的最大化占空比運行。這產(chǎn)生最大化的功率效率，因為除了在切換期間所需的停工時間以外，轉(zhuǎn)換器在幾乎100％的時間傳遞能量。用這種策略，輸出電壓根據(jù)以上公式隨輸入電壓變化。通過稱為負(fù)載調(diào)節(jié)器的點的第二層smps來處理電壓的窄調(diào)節(jié)：這種功率體系結(jié)構(gòu)稱為中間總線體系結(jié)構(gòu)，見美國專利no.7787261b1。

半調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器以降低功率效率的變化的占空比為代價來補償變化的輸入電壓(線性調(diào)節(jié))。負(fù)載影響輸出電壓，并且輸出電壓隨負(fù)載增大而降低，也稱為電壓降。由于smps的輸出端具有l(wèi)c濾波器，所以負(fù)載瞬變引起輸出電壓振蕩，其中只有固有的寄生電阻抑制振蕩。

在上文引用的美國專利no.7787261b1中描述的準(zhǔn)調(diào)節(jié)總線轉(zhuǎn)換器只在輸入電壓范圍的一部分中被線性調(diào)節(jié)，而在輸入電壓范圍的其它部分中，使用100％占空比而不調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器。這產(chǎn)生增加的輸入電壓范圍而不增加輸出電壓范圍。

輸出調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器通過輸出電壓的反饋來補償變化的負(fù)載條件和輸入電壓變化。經(jīng)常采用電壓前饋控制以便減少由于輸入電壓瞬變的輸出電壓擾動。這種類型的調(diào)節(jié)以較低效率為代價提供最穩(wěn)定的輸出電壓。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

背景技術(shù)中描述的控制策略在輸出電壓容差、瞬變響應(yīng)和功率效率方面具有缺點。由于這些特性中的許多特性彼此依賴，所以優(yōu)化一個特性導(dǎo)致其它特性更差。

一個目的是提供開關(guān)模式電源，由此可以減輕或至少緩解以上缺點。

第一方面涉及一種開關(guān)模式電源，它包括用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電壓的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器和用于控制開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的控制器。

開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器包括：在初級側(cè)上，初級繞組和在初級繞組上連接輸入電壓的基于可控開關(guān)的電路；以及在次級側(cè)上，耦合到初級繞組的次級繞組，以及連接在次級繞組上的電容性元件，其中輸出電壓作為電容性元件上的電壓來獲得。初級繞組包括第一繞組部分和至少一個另外的繞組部分；并且基于開關(guān)的電路包括可控開關(guān)，可控開關(guān)能夠被切換以便由此控制開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的占空比并且能夠在第一操作狀態(tài)(其中輸入電壓僅連接在第一繞組部分上)與至少第二操作狀態(tài)(其中輸入電壓連接在第一和至少一個另外繞組部分上)之間切換，由此實現(xiàn)兩個不同變壓比之間的切換。

控制器包括：第一控制布置，其連接成監(jiān)測開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，并且操作上連接到可控開關(guān)以響應(yīng)于監(jiān)測的輸出電壓和參考電壓使用pid反饋控制來控制可控開關(guān)切換以便由此控制占空比；以及第二控制布置，其連接成監(jiān)測開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，并且操作上連接到可控開關(guān)以響應(yīng)于監(jiān)測的輸入電壓而控制可控開關(guān)在第一操作狀態(tài)與至少第二操作狀態(tài)之間切換。

第一和第二控制布置通?？膳渲贸山?jīng)由包括一個或多個驅(qū)動器的驅(qū)動器布置來控制可控開關(guān)。

在一個實施例中，第二控制布置配置成控制可控開關(guān)，以便在監(jiān)測的輸入電壓升高至第一閾值電壓以上時，從第一操作狀態(tài)切換到第二操作狀態(tài)，以及在監(jiān)測的輸入電壓降低至第一閾值電壓以下時，從第二操作狀態(tài)切換回第一操作狀態(tài)。

在備選實施例中，第二控制布置配置成控制可控開關(guān)，以便在監(jiān)測的輸入電壓升高至第一閾值電壓以上時，從第一操作狀態(tài)切換到第二操作狀態(tài)，而在監(jiān)測的輸出電壓降低至第二閾值電壓以下時，從第二操作狀態(tài)切換回第一操作狀態(tài)，其中第一閾值電壓高于第二閾值電壓。

pid反饋控制可包括響應(yīng)于比例項、積分項和微分項而控制占空比，每項都被提供了定標(biāo)因子(scalingfactor)，其中第一控制布置可配置成當(dāng)?shù)诙刂撇贾每刂瓶煽亻_關(guān)在第一操作狀態(tài)與至少第二操作狀態(tài)之間切換時，同時更改pid反饋控制的積分項的定標(biāo)因子。

第一控制布置可配置成：當(dāng)?shù)诙刂撇贾每刂瓶煽亻_關(guān)從第一操作狀態(tài)切換到第二操作狀態(tài)時，將pid反饋控制的積分項的定標(biāo)因子更改成第一值；而當(dāng)?shù)诙刂撇贾每刂瓶煽亻_關(guān)從第二操作狀態(tài)切換回第一操作狀態(tài)時，將pid反饋控制的積分項的定標(biāo)因子更改成第二值。

當(dāng)?shù)诙刂撇贾每刂瓶煽亻_關(guān)在第一操作狀態(tài)與第二操作狀態(tài)之間切換時，第一值和第二值可以是根據(jù)監(jiān)測的輸入電壓以及第一和第二操作狀態(tài)的變壓比計算的常數(shù)。

備選地，第一控制布置配置成重復(fù)地將pid反饋的積分項的定標(biāo)因子更改成一值，所述值每次根據(jù)當(dāng)前占空比以及所述第一和第二操作狀態(tài)的變壓比計算。

在另外的實施例中，第二控制布置連接成監(jiān)測開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。當(dāng)監(jiān)測的輸入電壓在第一閾值電壓以下時，第一控制布置配置成響應(yīng)于監(jiān)測的輸出電壓和參考電壓使用pid反饋控制來控制可控開關(guān)切換以便由此控制占空比，而第二控制布置配置成將開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器保持在第二第一狀態(tài)。

當(dāng)監(jiān)測的輸入電壓在第一閾值電壓以上但在第二閾值電壓(其比第一閾值電壓更高)以下時，第二控制布置配置成響應(yīng)于監(jiān)測的輸出電壓而控制可控開關(guān)在第一操作狀態(tài)與第二操作狀態(tài)之間切換，而第一控制布置配置成保持占空比恒定。

最后，當(dāng)監(jiān)測的輸入電壓在第二閾值電壓以上時，第一控制布置配置成響應(yīng)于監(jiān)測的輸出電壓和參考電壓使用pid反饋控制來控制可控開關(guān)切換以便由此控制占空比，而第二控制布置配置成將開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器保持在第二操作狀態(tài)。

通過控制有效初級繞組匝數(shù)，可在運行中改變變壓比。

初級側(cè)上的基于可控開關(guān)的電路可以是全橋、半橋或基于推挽(push-pull)的電路中的任一種。次級側(cè)電路可以是基于單繞組或雙中心抽頭繞組的電路中的任一種。轉(zhuǎn)換器可被提供有同步和非同步整流電路。

在一個實施例中，可控開關(guān)可包括三個分支中的六個開關(guān)，其中所述三個分支中的每個分支中兩個開關(guān)，其中每一個分支可與輸入電壓并聯(lián)連接，并且分支中的第一分支的開關(guān)之間的點可連接到初級繞組的一端，分支中的第二分支的開關(guān)之間的點可連接到初級繞組的相對端，而分支中的第三分支的開關(guān)之間的點可連接到初級繞組的分離第一繞組部分與至少一個另外繞組部分的點。

在另一實施例中，初級繞組可包括第一繞組部分、第二繞組部分和第三繞組部分，其中基于開關(guān)的電路可包括可控開關(guān)，所述可控開關(guān)能夠在第一操作狀態(tài)(其中輸入電壓僅連接在第一繞組部分上)、第二操作狀態(tài)(其中輸入電壓連接在第一和第二繞組部分上)以及第三操作狀態(tài)(其中輸入電壓連接在第一、第二和第三繞組部分上)之間切換，由此實現(xiàn)三個不同變壓比之間的切換。

可控開關(guān)可包括四個分支中的八個開關(guān)，其中所述四個分支中的每個分支中兩個開關(guān)，其中每一個分支都可與輸入電壓并聯(lián)連接，并且分支中的第一分支的開關(guān)之間的點可連接到初級繞組的一端，分支中的第二分支的開關(guān)之間的點可連接到初級繞組的相對端，分支中的第三分支的開關(guān)之間的點可連接到初級繞組的分離第一繞組部分與第二繞組部分的點，并且分支中的第四分支的開關(guān)之間的點可連接到初級繞組的分離第二繞組部分與第三繞組部分的點。

分支中的至少一個分支中的兩個開關(guān)各包括兩個mosfet晶體管，它們的漏極和源極連接在一起。

如果控制器配置成控制可控開關(guān)以在其中初級繞組連接到輸入電壓的連接狀態(tài)與其中輸入電壓與初級繞組斷開的斷開狀態(tài)之間切換，由此控制占空比，控制器可配置成控制可控開關(guān)切換，使得每當(dāng)初級繞組連接到輸入電壓時，更改通過初級繞組的電流方向。

開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器可以是dc-dc轉(zhuǎn)換器，例如dc-dc電壓下轉(zhuǎn)換器，例如配置成以在10-100v范圍內(nèi)的輸入和輸出電壓操作。

第二方面涉及包括第一方面的開關(guān)模式電源的基站。

第三方面涉及一種操作第一方面的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的方法。根據(jù)所述方法，監(jiān)測輸出電壓，響應(yīng)于監(jiān)測的輸出電壓和參考電壓使用pid反饋控制來切換可控開關(guān)以便由此控制開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的占空比，監(jiān)測輸入電壓，并且響應(yīng)于監(jiān)測的輸出電壓而在第一操作狀態(tài)與至少第二操作狀態(tài)之間切換可控開關(guān)。

第三方面的方法可包括按照上面參考第一方面所公開的控制方案、方法和步驟中的任一個切換開關(guān)。

根據(jù)下文給出的實施例的詳細描述以及附圖1-16，另外的特性和優(yōu)點將顯而易見，附圖1-16僅作為圖示給出。

附圖說明

圖1用框圖來示意性地示出開關(guān)模式電源的實施例。

圖2示意性地示出包括一個或多個圖1的開關(guān)模式電源的基站的實施例。

圖3用電路圖來示意性地示出可在圖1的開關(guān)模式電源中使用的轉(zhuǎn)換器的實施例。

圖4用圖來示意性地示出圖3的轉(zhuǎn)換器的切換模式。

圖5用框圖來示意性地示出圖3的轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動器和控制器布置的實施例。

圖6a-e用相應(yīng)的圖示意性地示出在使用圖5的驅(qū)動器和控制器布置的仿真操作期間，圖3的轉(zhuǎn)換器的輸入電壓、變壓比、輸出電壓、占空比和扼流圈電流。

圖7用框圖來示意性地示出圖3的轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動器和控制器布置的備選實施例。

圖8a-b示意性地示出在圖7的控制器布置中使用的控制塊和用于預(yù)加載占空比的塊。

圖9a-e用相應(yīng)的圖示意性地示出在使用圖7的驅(qū)動器和控制器布置的仿真操作期間，圖3的轉(zhuǎn)換器的輸入電壓、變壓比、輸出電壓、占空比和扼流圈電流。

圖10用框圖來示意性地示出圖3的轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動器和控制器布置的另外的備選實施例。

圖11示意性地示出在圖10的控制器布置中使用的控制塊。

圖12a-b示意性地示出在圖10的控制器布置中使用的用于鎖定占空比的兩個備選塊。

圖13a-e用相應(yīng)的圖示意性地示出在使用圖10的驅(qū)動器和控制器布置的仿真操作期間，圖3的轉(zhuǎn)換器的輸入電壓、變壓比、輸出電壓、占空比和扼流圈電流。

圖14用電路圖來示意性地示出可在圖1的開關(guān)模式電源中使用的轉(zhuǎn)換器的備選實施例。

圖15用電路圖來示意性地示出可在圖1的開關(guān)模式電源中使用的轉(zhuǎn)換器的另外的備選實施例。

圖16是操作轉(zhuǎn)換器(諸如，例如圖3的轉(zhuǎn)換器)的方法的實施例的示意性流程圖。

具體實施方式

圖1示意性地示出開關(guān)模式電源11的實施例，開關(guān)模式電源11包括用于將輸入電壓vin轉(zhuǎn)換為輸出電壓vout的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器12、用于驅(qū)動轉(zhuǎn)換器12的驅(qū)動器15、用于控制驅(qū)動器15并且從而控制轉(zhuǎn)換器12的操作的控制器16、以及管家或輔助轉(zhuǎn)換器17，所述管家或輔助轉(zhuǎn)換器17用于將輸入電壓vin向下轉(zhuǎn)換為適合于控制器16的電壓以使得可通過輸入電壓vin為控制器16供電。

轉(zhuǎn)換器12可以是隔離式dc-dc轉(zhuǎn)換器，它通常將輸入電壓vin向下轉(zhuǎn)換為合適的輸出功率vout。轉(zhuǎn)換器12可通常以10-100v范圍中的輸入vin和輸出vout電壓進行操作。

圖2示意性地示出包括一個或多個圖1的開關(guān)模式電源11的基站21的實施例。

圖3用電路圖來示意性地示出可在圖1的開關(guān)模式電源中使用的轉(zhuǎn)換器的實施例，其中通過擴展的全橋開關(guān)電路來驅(qū)動開關(guān)式初級繞組變壓器。

轉(zhuǎn)換器在初級側(cè)上包括初級繞組x1和在初級繞組x1上連接輸入電壓vin的基于可控開關(guān)的電路31。初級繞組x1包括第一繞組部分或第一繞組匝數(shù)np1以及第二繞組部分或第二繞組匝數(shù)np2?；陂_關(guān)的電路31包括能夠在第一操作狀態(tài)和第二操作狀態(tài)之間切換的可控開關(guān)q11、q41、q12、q42、q21、q31，其中在第一操作狀態(tài)，輸入電壓vin只連接在第一繞組部分np1上，并且在第二操作狀態(tài)，輸入電壓連接在第一np1和第二np2繞組部分上，從而使得能夠在由以下給出的兩個不同的變壓比n1、n2之間切換：

其中ns是次級側(cè)上的繞組匝數(shù)。

開關(guān)q11、q41、q12、q42、q21、q31布置在三個分支中，其中在所述三個分支的每一個分支中兩個開關(guān)，其中每一個分支與輸入電壓vin并聯(lián)連接，并且分支中的第一分支的開關(guān)q11、q41之間的點連接至初級繞組x1的一端，分支中的第二分支的開關(guān)q21、q31之間的點連接至初級繞組x1的相對端，并且分支中的第三分支的開關(guān)q12、q42之間的點連接至初級繞組x1的分離第一np1和第二np2繞組部分的點。

轉(zhuǎn)換器在次級側(cè)上包括耦合到初級繞組x1的次級繞組x2、連接到次級繞組x2的一端的電感性元件l以及連接在次級繞組x2上的電容性元件c，其中作為電容性元件c上的電壓來獲得輸出電壓。次級繞組x2可以是在每個繞組中具有ns繞組匝數(shù)的雙繞組，并且以習(xí)慣的方式提供開關(guān)q5和q6用于次級側(cè)切換。

開關(guān)模式電源11的控制器16在操作上連接成監(jiān)測輸入電壓vin和輸出電壓vout，并且配置成控制可控開關(guān)q11、q41、q12、q42、q21、q31切換以便(i)控制轉(zhuǎn)換器12的占空比，以及(ii)響應(yīng)于監(jiān)測的輸出電壓vout而在第一和第二操作狀態(tài)之間切換，以便由此減小輸出電壓變化。

為了獲得合適的占空比，控制器16可配置成控制可控開關(guān)q11、q41、q12、q42、q21、q31以便在連接狀態(tài)和斷開狀態(tài)之間切換，其中在連接狀態(tài)，初級繞組x1連接至輸入電壓vin，并且在斷開狀態(tài)，輸入電壓vin從初級繞組x1斷開。

開關(guān)模式電源11的控制器16可使用模擬或數(shù)字電子設(shè)備實現(xiàn)。控制器可布置在轉(zhuǎn)換器的初級側(cè)或次級側(cè)上，優(yōu)選是初級側(cè)。

圖4用時序圖來示意性地示出圖3的轉(zhuǎn)換器的切換模式。示出到相應(yīng)開關(guān)q21、q42、q41、q31、q12、q11、q5和q6的門信號以及有效變壓比。

首先，具有開關(guān)q41和q11的分支是有效的，產(chǎn)生第一操作狀態(tài)中的變壓比n1，并且此后具有開關(guān)q42和q12的分支是有效的，產(chǎn)生第二操作狀態(tài)中的變壓比n2。應(yīng)注意，第一操作狀態(tài)中的開關(guān)q41和q11以及第二操作狀態(tài)中的開關(guān)q42和q12與開關(guān)q21和q31同步，使得在第一和第二操作狀態(tài)的每個操作狀態(tài)中，經(jīng)過初級繞組x1的電流方向交變。如所指示的，以習(xí)慣的方式切換次級側(cè)上的開關(guān)q5和q6。

與使用全橋切換的固定變壓比操作相比較，切換需要用于驅(qū)動開關(guān)q21、q42、q41、q31、q12、q11的驅(qū)動器的額外集合以及用于選擇變壓比n的控制布置。

圖5用框圖來示意性地示出圖3的轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動器和控制器的實施例，包括用于轉(zhuǎn)換器12的相應(yīng)分支的驅(qū)動器15a-c、用于選擇變壓比n的控制電路16a、脈沖寬度調(diào)制器(pwm)51和pid控制器52。驅(qū)動器15a-c可包含在圖1的開關(guān)模式電源11的驅(qū)動器15中，并且控制電路16a、脈沖寬度調(diào)制器51和pid控制器52可包含在圖1的開關(guān)模式電源11的控制器16中?？刂齐娐?6a配置成取決于監(jiān)測的輸出電壓vout來選擇變壓比n，并使得能夠切換分支q12、q42或分支q11、q41。pid控制器52配置成響應(yīng)于監(jiān)測的輸出電壓vout和參考電壓使用pid反饋控制來控制占空比。

在圖5的驅(qū)動器和控制器布置的第一控制方案中，控制電路16a配置成控制可控開關(guān)q11、q41、q12、q42、q21、q31，以便當(dāng)監(jiān)測的輸入電壓vi升高至第一閾值電壓vh以上時，從第一操作狀態(tài)切換到第二操作狀態(tài)，而當(dāng)監(jiān)測的輸入電壓vi降低至第一閾值電壓vh以下時，從第二操作狀態(tài)切換回第一操作狀態(tài)。

在圖5的驅(qū)動器和控制器布置的第二控制方案中，控制電路16a配置成控制可控開關(guān)q11、q41、q12、q42、q21、q31，以便當(dāng)監(jiān)測的輸入電壓vin升高至第一閾值電壓vh以上時，從第一操作狀態(tài)切換到第二操作狀態(tài)，而當(dāng)監(jiān)測的輸入電壓vin降低至第二閾值電壓vl以下時，從第二操作狀態(tài)切換回第一操作狀態(tài)，第二閾值電壓vl低于第一閾值電壓vh以獲得遲滯控制。

圖6a-e用相應(yīng)的圖示意性地示出在使用第二控制方案的仿真操作期間，圖3的轉(zhuǎn)換器的輸出電壓、變壓比、輸出電壓、占空比和扼流圈電流。

仿真由具有三個和四個初級繞組匝(在兩個操作狀態(tài)中)以及一個次級繞組匝(即，變壓比分別為3:1和4:1)的轉(zhuǎn)換器組成。在范圍[30,60]v中掃描輸入電壓，將第一閾值電壓vh設(shè)置成46v，并將第二閾值電壓vl設(shè)置成45v。使用調(diào)節(jié)比，朝10.8v的參考電壓調(diào)節(jié)輸出電壓。輸出扼流圈為400nh，并且總電容為1.5mf，這在許多應(yīng)用中是小電容。

仿真示出三個不同工作區(qū)域：

(i)輸入電壓vin太低而不能將輸出電壓vout保持在10.8v，并且當(dāng)輸入電壓vin升高時，輸出電壓vout升高。使用較低變壓比3:1。參考電壓跟隨輸入電壓，即，使用調(diào)節(jié)的比。

(ii)輸入電壓vin在范圍35-46v內(nèi)，并且pid控制器52正以10.8v的恒定參考電壓進行操作，仍使用3:1的較低變壓比。

(iii)輸入電壓vin在范圍45-60vin內(nèi)，并且pid控制器52仍以10.8v的恒定參考電壓工作，但變壓比現(xiàn)在改變?yōu)?:1。

仿真示出在變壓比的切換期間的瞬變，其中輸出電壓瞬變大約+/-0.7v。而電流瞬變達到在扼流圈中的額定電流波紋以上的160a峰值。

pid反饋控制包括響應(yīng)于比例項、積分項和微分項而控制占空比，其中每項都被提供了定標(biāo)因子。

為了使瞬變最小化，占空比的定標(biāo)可通過定標(biāo)pid反饋控制的積分項(其包含在穩(wěn)定期間對應(yīng)于占空比的值)來執(zhí)行。由于次級側(cè)繞組匝數(shù)恒定，因此僅初級側(cè)繞組匝數(shù)足以包含在公式中。即，在切換變壓比時，獲得如下公式：

其中dnew是切換之后要使用的新占空比，dold是切換之前的占空比，primarynew是切換之后在初級側(cè)的繞組匝數(shù)，并且primaryold是切換之前在初級側(cè)的繞組匝數(shù)。

因此，僅兩個組合是可能的：

其中dlow是在初級側(cè)上從較高繞組匝數(shù)切換到較低繞組匝數(shù)之后要使用的新占空比，primarylow是較低繞組匝數(shù)，而primaryhigh是較高繞組匝數(shù)。dhigh是在初級側(cè)上從較低繞組匝數(shù)切換到較高繞組匝數(shù)之后要使用的新占空比。

為了避免計算，常數(shù)klow和khigh可預(yù)先計算并存儲在存儲器中，其中常數(shù)是：

取決于是從較高繞組匝數(shù)向較低繞組匝數(shù)還是從較低繞組匝數(shù)向較高繞組匝數(shù)進行切換，當(dāng)變壓比改變時需要的實時計算是以下公式之一。

dlow＝klowdold

dhigh＝khighdold。

圖7用框圖來示意性地示出圖3的轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動器和控制器布置的實施例，以便實現(xiàn)以上方法?？刂齐娐?6a從pid控制器52讀取舊占空比duty_old，根據(jù)以上公式之一計算新占空比duty_new，并在每次切換操作狀態(tài)時，將它加載到pid控制器52中。pid控制器42在pid反饋控制的積分項中使用加載的占空比duty_new。

圖8a-b示意性地示出在圖7的控制器布置中使用的控制塊和用于預(yù)加載占空比的塊的示例。

遲滯塊確定應(yīng)該使用哪個變壓比，并生成到驅(qū)動器15b和15c的對應(yīng)啟用信號。啟用信號中的任何改變通過δ塊δ檢測，并且計算塊f(duty)實現(xiàn)以上公式之一。取決于實現(xiàn)哪個功能，在計算塊內(nèi)部可使用改變變壓比的方向。圖8b示出標(biāo)準(zhǔn)pid實現(xiàn)，其中多路復(fù)用器σ實現(xiàn)將新占空比duty_new加載到寄存器t中，這實現(xiàn)一個樣本延遲。在pid控制器52的傳送函數(shù)中，系數(shù)a1、…a3設(shè)置0。

已經(jīng)執(zhí)行了其中定標(biāo)占空比同時切換變壓比的這個策略的仿真。否則，以與上面報告的仿真相同的設(shè)置進行仿真。轉(zhuǎn)換器具有三個和四個初級繞組匝以及一個次級繞組匝，即，變壓比分別為3:1和4:1。在范圍[30,60]v中掃描輸入電壓，將第一閾值電壓vh設(shè)置成46v，并將第二閾值電壓vl設(shè)置成45v。使用調(diào)節(jié)比，朝10.8v的參考電壓調(diào)節(jié)輸出電壓。輸出扼流圈為400nh，并且總電容為1.5mf，這在許多應(yīng)用中是小電容。

圖9a-e用相應(yīng)的圖示意性地示出仿真的輸入電壓、變壓比、輸出電壓、占空比和扼流圈電流。輸出電壓瞬變從0.7v向下降至0.15v，并且電流瞬變在自然電流波紋上從160a向下降至10a。

另一個甚至更簡單的備選是使用兩個預(yù)先計算的dhigh和dlow占空比值，使用根據(jù)閾值電壓vh、vl和變壓比計算的常數(shù)，作為初級繞組匝數(shù)plow和phigh給出。

當(dāng)變壓比應(yīng)該從3個初級側(cè)繞組匝切換到4個時，應(yīng)該加載如下額定占空比：

當(dāng)變壓比應(yīng)該從4個初級側(cè)繞組匝切換到3個時，應(yīng)該加載如下占空比：

圖10用框圖來示意性地示出圖3的轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動器和控制器布置的另外的備選實施例。圖11示意性地示出在圖10的控制器布置中使用的控制塊的示例，并且圖12a-b示意性地示出在圖10的控制器布置中使用的用于鎖定占空比的塊的兩個備選示例。

圖13a-e用相應(yīng)的圖示意性地示出在使用圖10的驅(qū)動器和控制器布置的仿真操作期間，圖3的轉(zhuǎn)換器的輸入電壓、變壓比、輸出電壓、占空比和扼流圈電流。用除了如下差之外的先前設(shè)置來進行仿真。

在此控制方法中，pid反饋控制與輸出電壓遲滯組合用于變壓比的切換。

可標(biāo)識三個不同操作區(qū)域。

(i)輸入電壓vin在第一閾值電壓以下。在此區(qū)域中，輸入電壓vin太低而不能保持10.8v的輸出電壓vout。使用3:1的較低變壓比，并且參考電壓跟隨輸入電壓vin，即，采用調(diào)節(jié)的比。此區(qū)域備選地可被檢測為vout小于輸出閾值電壓或參考電壓，例如10.8v。

(ii)輸入電壓vin在范圍35-45v內(nèi)，并且使用輸出電壓遲滯來選擇變壓比，即，初級側(cè)繞組匝數(shù)。占空比被鎖定為恒定值，例如0.95的額定值dnom。占空比的鎖定由如圖10所示的控制電路16a進行。

(iii)輸入電壓vin在45v以上，即在范圍45-60v內(nèi)，pid控制器52現(xiàn)在以10.8v的恒定參考電壓操作，并且使用4:1的變壓比。

參考圖11，遲滯塊決定控制器16應(yīng)該在哪個操作區(qū)域中操作，即，何時應(yīng)該鎖定占空比。在35-45v的輸入電壓，切換比輸出電壓遲滯或等級(與參考電壓的比較)正在控制輸出電壓，同時鎖定pid的積分值。在較高輸入電壓(在45v以上)，變壓比固定在較高初級側(cè)匝數(shù)，并且占空比被釋放，并且pid控制器52以正常方式控制輸出電壓。

參考圖12a-b，當(dāng)鎖定/解鎖占空比時，可用具有類似性能的至少兩種不同方式鎖定pid占空比。在圖12a中，通過使用多路復(fù)用器σ將輸出反饋回輸入來獲得占空比的鎖定。在圖12b中，借助于多路復(fù)用器σ或乘法器將誤差歸零到pid控制器中。

圖14用電路圖來示意性地示出可在圖1的開關(guān)模式電源中使用的轉(zhuǎn)換器的備選實施例，其中分支中的至少一個分支中的兩個開關(guān)各包括兩個mosfet晶體管，它們的漏極和源極連接在一起。

當(dāng)將具有開關(guān)元件的初級側(cè)開關(guān)實現(xiàn)為嵌入式體二極管(例如mosfet)時，這些體二極管有時變成正向偏置，這終止了它們的功能性。一個解決方案是使用串聯(lián)連接的兩個mosfetq11、142、q41、141，其中漏極或源極耦合在一起，如圖14所示。在轉(zhuǎn)換器的初級側(cè)的外部分支中僅需要串聯(lián)耦合的解決方案。串聯(lián)連接的mosfetq11、142、q41、141的次序不重要，因此，四個不同組合是可能的?？捎枚喾N方式選擇到mosfet141、142的信號ctrl。在一個版本中，到mosfet141的ctrl信號與到mosfetq41的信號相同，而到mosfet142的ctrl信號與到mosfetq11的信號相同。

圖15用電路圖來示意性地示出可在圖1的開關(guān)模式電源中使用的轉(zhuǎn)換器的備選實施例。

初級繞組x1包括第一繞組部分np1、第二繞組部分np2和第三繞組部分np3，并且基于開關(guān)的電路101包括能夠在第一操作狀態(tài)、第二操作狀態(tài)和第三操作狀態(tài)之間切換的可控開關(guān)q11、q41、q12、q42、q21、q31、q22、q32，其中在第一操作狀態(tài)，輸入電壓vin只連接在第一繞組部分np1上，在第二操作狀態(tài)，輸入電壓vin只連接在第一np1和第二np2繞組部分上，并且在第三操作狀態(tài)，輸入電壓vin連接在第一np1、第二np2和第三np3繞組部分上，從而使得能夠在三種不同的變壓比之間切換。

可控開關(guān)q11、q41、q12、q42、q21、q31、q22、q32布置在四個分支中，其中所述四個分支的每一個分支中兩個開關(guān)，其中每一個分支與輸入電壓vin并聯(lián)連接，并且分支中的第一分支的開關(guān)q11、q41之間的點連接至初級繞組x1的一端，分支中的第二分支的開關(guān)q21、q31之間的點連接至初級繞組x1的相對端，分支中的第三分支的開關(guān)q12、q42之間的點連接至初級繞組x1的分離第一np1和第二np2繞組部分的點，并且分支中的第四分支的開關(guān)q22、q32之間的點連接至初級繞組x1的分離第二np2和第三np3繞組部分的點。

應(yīng)進一步認(rèn)識到，除了上文所公開的具有同步整流的全橋中心抽頭的次級側(cè)變壓器以外，響應(yīng)于輸出電壓來接通和斷開初級繞組部分的概念還可適用于各種各樣的smps拓?fù)?。這樣的拓?fù)浒ǖ幌抻冢撼跫墏?cè)上的半橋和基于推挽的電路，以及次級側(cè)上的單繞組和二極管整流電路。該概念可在初級側(cè)電路、次級側(cè)電路和整流的類型的任何組合中使用。

控制可使用模擬或數(shù)字電子設(shè)備或其組合來實現(xiàn)。

信號處理可在專用硬件中、在軟件(其例如在微控制器上運行)中或在它們的混合中實現(xiàn)。

圖16是操作轉(zhuǎn)換器(諸如，例如圖3的轉(zhuǎn)換器)的方法的實施例的示意性流程圖。根據(jù)該方法，在步驟121中監(jiān)測輸出電壓vout，并在步驟122中切換可控開關(guān)q11、q41、q12、q42、q21、q31，由此響應(yīng)于監(jiān)測的輸出電壓vout和參考電壓使用pid反饋控制而控制占空比，在步驟123中監(jiān)測輸入電壓vin，并在步驟124中，響應(yīng)于監(jiān)測的輸出電壓vout而在第一與至少第二操作狀態(tài)之間切換可控開關(guān)q11、q41、q12、q42、q21、q31。也就是說，使用pid反饋控制來微調(diào)輸出電壓vout，并且使用在操作狀態(tài)之間的切換以便能夠獲得更廣電壓范圍上的恒定輸出電壓vout。

圖16的實施例可被修改成包括按照上面所公開的任何控制方案、方法和/或步驟來切換開關(guān)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，本文公開的實施例只是示例實施例，并且任何細節(jié)和措施僅僅作為示例給出。