專(zhuān)利名稱(chēng)：用于控制開(kāi)關(guān)式電源的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體器件和方法并且更具體地涉及一種用于控制開(kāi)關(guān)式電源的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，關(guān)于電源的效率的迫切需求已使得注意到對(duì)開(kāi)關(guān)式電源(SMPS)的使用。 然而，SMPS的實(shí)際效率取決于確定SMPS中包括的一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)時(shí)間的控制器。一種用于控制SMPS的開(kāi)關(guān)的方案是使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)，其可以被相當(dāng)容易地實(shí)現(xiàn)。然而，使用PWM來(lái)控制SMPS以調(diào)節(jié)其輸出電壓或輸出電流不一定在大范圍的輸出電流上保證
高效率?；赑WM的控制器單元在固定頻率(PWM頻率)處進(jìn)行操作。對(duì)矩形PWM信號(hào)的占空比進(jìn)行調(diào)制以便調(diào)節(jié)電源輸出電壓或電流。在一些情況下，在驅(qū)動(dòng)損耗保持恒定時(shí)，功率轉(zhuǎn)換器的效率在低輸出電流處降低。這些驅(qū)動(dòng)損耗與因接通和關(guān)斷在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出級(jí)中使用的一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)所消耗的功率相關(guān)。為了減小驅(qū)動(dòng)損耗對(duì)總損耗量的貢獻(xiàn)，可以使用脈沖頻率調(diào)制(PFM)來(lái)控制開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出級(jí)中所包括的一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。使用PFM的控制器單元通過(guò)在保持恒定導(dǎo)通時(shí)間時(shí)降低開(kāi)關(guān)頻率而不是如在PWM 控制的情況下進(jìn)行的那樣在恒定頻率下降低導(dǎo)通時(shí)間來(lái)降低占空比。然而隨著開(kāi)關(guān)頻率和輸出電流增大，PFM控制的效率變得越來(lái)越大,從而造成開(kāi)關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗的對(duì)應(yīng)增大。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，一種操作開(kāi)關(guān)式電源的方法包括基于電源輸出電壓與參考電壓之間的差異來(lái)產(chǎn)生誤差信號(hào)。產(chǎn)生與上至最高頻率的誤差信號(hào)成比例的時(shí)鐘頻率，并產(chǎn)生與開(kāi)關(guān)式電源中的電流成比例的感測(cè)電流信號(hào)。將所述誤差信號(hào)與所述感測(cè)電流信號(hào)進(jìn)行求和以產(chǎn)生第一信號(hào)，并將所述第一信號(hào)與第一閾值進(jìn)行比較。所述方法還包括在所述時(shí)鐘信號(hào)的第一邊沿處產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的第一邊沿；并且當(dāng)基于所述比較，所述第一信號(hào)沿第一方向越過(guò)(cross)所述第一閾值時(shí)產(chǎn)生所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的第二邊沿，其中所述第二邊沿與所述第一邊沿相反。前面相當(dāng)寬泛地概述了本發(fā)明的實(shí)施例的特征以便可以更好地理解本發(fā)明的以下詳細(xì)描述。在下文中將描述本發(fā)明的實(shí)施例的附加特征和優(yōu)勢(shì)，其形成本發(fā)明的權(quán)利要求的主題。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，所公開(kāi)的概念和具體實(shí)施例可以容易地用作用于修改或設(shè)計(jì)其他結(jié)構(gòu)或過(guò)程以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的相同目的的基礎(chǔ)。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，這種等效構(gòu)造并不脫離所附權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明的精神和范圍。


為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在參照結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述，在附Ia-Ib示意了實(shí)施例電源系統(tǒng)的框圖2示意了實(shí)施例電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)；
圖3示意了實(shí)施例壓控振蕩器(VCO)的示意圖4示意了示出實(shí)施例電源控制器的操作的波形圖5a-b示意了根據(jù)備選實(shí)施例的雙張弛振蕩器以及對(duì)應(yīng)的時(shí)序圖6示意了實(shí)施例跨導(dǎo)放大器；
圖7示意了根據(jù)備選實(shí)施例的電源控制器；以及圖8示意了示出實(shí)施例通電序列的波形圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)討論當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)和使用。然而應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明提供了可以體現(xiàn)在廣泛的各種具體背景中的許多可適用的發(fā)明概念。所討論的具體實(shí)施例僅示意了用于實(shí)現(xiàn)和使用本發(fā)明的具體方式，而不限制本發(fā)明的范圍。將在具體背景(S卩，一種用于控制開(kāi)關(guān)式電源的系統(tǒng)和方法)中關(guān)于優(yōu)選實(shí)施例來(lái)描述本發(fā)明。在一個(gè)實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)式電源控制器從較低電源輸出電流下的PFM操作平滑地過(guò)渡至較高電源輸出電流下的PWM操作。在一個(gè)實(shí)施例中，與誤差放大器的輸出耦合的壓控振蕩器(VCO)生成時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)所述時(shí)鐘信號(hào)來(lái)導(dǎo)出開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，電壓至頻率轉(zhuǎn)移函數(shù)是線性上升的，直到VCO達(dá)到最高頻率或直到檢測(cè)到指定的誤差電壓， 此時(shí)VCO在最高頻率處進(jìn)行操作。在操作期間，PWM系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比進(jìn)行調(diào)制，同時(shí)該系統(tǒng)正在VCO的最高頻率處進(jìn)行操作。當(dāng)VCO正在其最高頻率以下進(jìn)行操作時(shí)，相同的PWM調(diào)制系統(tǒng)針對(duì)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器生成PFM信號(hào)。在一些實(shí)施例中，關(guān)斷電源系統(tǒng)的一些部分以便降低總體電流消耗。例如，在一些實(shí)施例中，可以在PFM輸出脈沖之間關(guān)斷電源電路的除誤差放大器和VCO外的一些部分。圖Ia示意了從輸入電壓VBAT產(chǎn)生調(diào)節(jié)后的電壓VOUT的實(shí)施例電源系統(tǒng)100。在一個(gè)實(shí)施例中，VBAT處于IOV與15V之間，并且VOUT被調(diào)節(jié)至約5V。在其他實(shí)施例中，可以使用其他輸入電壓和調(diào)節(jié)后的電壓。在所示意的實(shí)施例中，電源系統(tǒng)100被配置為降壓轉(zhuǎn)換器，該降壓轉(zhuǎn)換器包括在節(jié)點(diǎn)SW處耦合至二極管110和電感器108的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)106。 在操作期間，控制器102生成脈沖寬度調(diào)制(PWM)或脈沖頻率調(diào)制(PFM)信號(hào)PSIG，該信號(hào) PSIG經(jīng)由驅(qū)動(dòng)器104來(lái)驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)106，從而將蓄電池電壓VBAT與節(jié)點(diǎn)SW耦合和去耦合。當(dāng)開(kāi)關(guān)106導(dǎo)通時(shí)，電流從端子VBAT流動(dòng)經(jīng)過(guò)電感器108以充電電容器112。當(dāng)開(kāi)關(guān) 106關(guān)斷時(shí)，電流經(jīng)由二極管110繼續(xù)流動(dòng)經(jīng)過(guò)電感器108。在其中電源操作于不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)的實(shí)施例中，在電感器108中存儲(chǔ)的能量已耗散后電容器112經(jīng)由電阻器114和 116并經(jīng)由所耦合的負(fù)載進(jìn)行放電。在一個(gè)實(shí)施例中，電感器108具有約2 μ H與約100 μ H 之間的值，開(kāi)關(guān)106能夠在約IA至約4Α之間導(dǎo)通，電容器112具有約10 μ F與約ImF之間的電容，并且電源在約100 KHz至約3 MHz之間的開(kāi)關(guān)頻率處進(jìn)行操作。在備選實(shí)施例中， 可以使用電感、電流額定值、電容和開(kāi)關(guān)頻率的不同范圍，包括所聲明的范圍以外的值。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，圖Ia中所示意的降壓轉(zhuǎn)換器僅是使用實(shí)施例概念的電源拓?fù)涞囊粋€(gè)示例。本發(fā)明的另外實(shí)施例可以適用于轉(zhuǎn)換器，這些轉(zhuǎn)換器包括但不限于升壓轉(zhuǎn)換器、降壓轉(zhuǎn)換器、單端初級(jí)電感器轉(zhuǎn)換器(SEPIC)以及Cuk轉(zhuǎn)換器。在這些實(shí)施例中，根據(jù)特定拓?fù)鋪?lái)放置外部組件。備選實(shí)施例電源拓?fù)溥€可以包括使用變壓器而不是電感器的電源或者既使用電感器又使用變壓器的拓?fù)洹Ｔ谝粋€(gè)實(shí)施例中，輸出節(jié)點(diǎn)OUT經(jīng)由由電阻器114和116制成的電阻分壓器耦合至控制器102的反饋輸入VFB。控制器102根據(jù)在節(jié)點(diǎn)OUT處檢測(cè)到的電壓并根據(jù)在電阻器Rsense上感測(cè)到的電流來(lái)調(diào)整驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)106的信號(hào)DR的占空比，使得將節(jié)點(diǎn)VOUT處的電壓調(diào)節(jié)至預(yù)定電壓。在一些實(shí)施例中，預(yù)定電壓由VREF處的電壓設(shè)置。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器102基于如誤差放大器118所測(cè)量的參考電壓VREF與反饋電壓VFB之間的差異并基于如電流傳感器120所測(cè)量的電流Il而產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號(hào) PSIG。電流傳感器120和誤差放大器118的輸出由求和塊122求和，該求和塊122的輸出耦合至比較器124。比較器124的輸出耦合至鎖存器126的重置輸入。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，控制器102中所示的塊本質(zhì)上是功能性的并可以以各種方式實(shí)現(xiàn)。例如，誤差放大器118和電流傳感器120可以使用跨導(dǎo)放大器而實(shí)現(xiàn)，并且求和塊122可以使用一個(gè)或多個(gè)電流求和節(jié)點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)施例中，斜率補(bǔ)償信號(hào)還由求和塊122求和。在一個(gè)實(shí)施例中，誤差放大器的輸出還稱(chēng)合至振蕩器128的輸入,該振蕩器128的輸出耦合至鎖存器126的設(shè)置輸入。在一個(gè)實(shí)施例中，振蕩器128的頻率在特定輸入范圍上與誤差放大器118的輸出線性相關(guān)，在該特定輸入范圍以上將頻率限于最高頻率。圖Ia 的圖通過(guò)示出限幅器130與VCO 132串聯(lián)而在系統(tǒng)級(jí)上功能性地表示該特性。應(yīng)當(dāng)理解，振蕩器128可以以各種方式實(shí)現(xiàn)以獲得由塊128表示的電壓-頻率特性。在一些實(shí)施例中， 電壓-頻率特性展示了硬限幅特性。備選地，可以使用軟限幅特性和/或非線性電壓-頻率轉(zhuǎn)移特性。驅(qū)動(dòng)器104耦合至鎖存器126的輸出并驅(qū)動(dòng)由NMOS晶體管106表示的開(kāi)關(guān)。在一些實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)器使用本領(lǐng)域中已知的結(jié)構(gòu)和技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明的備選實(shí)施例中，根據(jù)特定應(yīng)用及其說(shuō)明，開(kāi)關(guān)106可以由PMOS器件、BJT器件、JFET器件、IGBT器件或其他器件類(lèi)型實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器102駐留于單個(gè)集成電路上。在另外實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器 104、開(kāi)關(guān)晶體管106、二極管110和/或電感器108還可以包括在相同的集成電路上。在一個(gè)實(shí)施例中，輸出電壓由電阻器114和116的比率設(shè)置，和/或輸出電流經(jīng)由外部組件諸如電感器108、電容器112和晶體管106的大小以及感測(cè)電阻器Rsense的電阻值來(lái)設(shè)置。在一個(gè)實(shí)施例中，電阻器Rsense感測(cè)從蓄電池輸入節(jié)點(diǎn)至半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的輸入的電流。在備選實(shí)施例中，Rsense可以位于電源系統(tǒng)內(nèi)的其他地方,例如與電感108串聯(lián)或與二極管110串聯(lián)。圖Ib示意了實(shí)施例系統(tǒng)150，其中Rsense耦合在地與二極管110的陽(yáng)極之間。在一個(gè)實(shí)施例中，鎖存器126的設(shè)置和重置輸入關(guān)于圖Ia的實(shí)施例反轉(zhuǎn)，因此鎖存器126的設(shè)置輸入耦合至比較器124的輸出，而鎖存器126的重置輸入耦合至振蕩器128的輸出。在這種實(shí)施例中，系統(tǒng)150操作于谷值電流模式。備選地，Rsense還可以與二極管110的陰極串聯(lián)放置。圖2示意了示出圖I的系統(tǒng)關(guān)于在誤差放大器118的輸出處看到的誤差電壓的負(fù)版本的轉(zhuǎn)移特性的波形圖。軌跡151表示驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)106 (圖Ia)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的輸出頻率。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)反饋節(jié)點(diǎn)小于或等于振蕩器128內(nèi)的內(nèi)部參考電壓Vref2時(shí)， 輸出頻率151非常低。這表示小誤差或過(guò)電壓的情況。在一些實(shí)施例中，當(dāng)反饋電壓小于或等于Vref2時(shí)，振蕩器的輸出頻率為零。當(dāng)誤差電壓處于Vref2與閾值電壓VTl之間時(shí)， 頻率150與誤差電壓成比例。在一些實(shí)施例中，VCO的電壓-頻率特性是線性的，而在其他實(shí)施例中，電壓-頻率特性可以是非線性的。對(duì)于大于VTl的誤差電壓，輸出頻率是fmax。軌跡152表示驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)106 (圖Ia)的信號(hào)的占空比。在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于小于 Vref2的誤差電壓，占空比是最小值。備選地，在該區(qū)域中占空比為零。在其中VCO具有針對(duì)Vref2與VTl之間的輸入的線性電壓-頻率特性以及固定導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間的實(shí)施例中，占空比相對(duì)于誤差電壓的斜率是雙曲線的(Ton/頻率)。在其中VCO不具有線性電壓-頻率特性的備選實(shí)施例中，占空比相對(duì)于誤差電壓的特性可以不同。對(duì)于與其中振蕩器的頻率是恒定的區(qū)域相對(duì)應(yīng)的大于VTl的誤差電壓輸入，占空比相對(duì)于誤差電壓線性地變化上至 100%的最聞?wù)伎毡?。備選地，可以使用更小的最聞?wù)伎毡?。在一些?shí)施例中，可以對(duì)頻率和脈沖持續(xù)時(shí)間兩者進(jìn)行調(diào)制，并且占空比相對(duì)于誤差電壓的特性可以與曲線152的特性不同。在另外實(shí)施例中，以如下這樣的方式對(duì)頻率和脈沖持續(xù)時(shí)間兩者進(jìn)行調(diào)制產(chǎn)生單調(diào)的占空比相對(duì)于誤差電壓的特性以防止不穩(wěn)定性并限制關(guān)于脈沖持續(xù)時(shí)間和頻率的變化的周期。在一些實(shí)施例中，將單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間定義為使得邊界條件(Vin、Vout、電感值等) 對(duì)于給定的頻率而言是固定的。圖3示意了實(shí)施例振蕩器200的示意圖。在一個(gè)實(shí)施例中，跨導(dǎo)放大器202利用與 Ea電壓和Vref之間的電壓差成比例的電流來(lái)對(duì)電容器C進(jìn)行充電。如果信號(hào)EA電壓低于參考電壓Vref2，則節(jié)點(diǎn)VC0_0UT處的電壓保持為低并被跨導(dǎo)放大器202放電。另一方面， 當(dāng)Ea電壓高于Vref時(shí)，跨導(dǎo)放大器202對(duì)電容器C進(jìn)行充電，從而造成節(jié)點(diǎn)VC0_0UT處的電壓增大。當(dāng)節(jié)點(diǎn)VC0_0UT處的電壓越過(guò)比較器204的閾值時(shí)，設(shè)置鎖存器206。然后，信號(hào)CLK在大約Tonmin的持續(xù)時(shí)間內(nèi)變高，然后在Tonmin的最小持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持為低。使用延遲元件208和214來(lái)設(shè)置Tonmin和Tonmin的持續(xù)時(shí)間，所述延遲元件208和214使用本領(lǐng)域中已知的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，Tonmin處于約50ns與500ns之間，而 Toffmin處于約50ns與500ns之間。備選地，可以使用其他時(shí)間范圍。此外，當(dāng)信號(hào)CLK變高時(shí)，經(jīng)由開(kāi)關(guān)220對(duì)電容器C進(jìn)行放電，并將節(jié)點(diǎn)VC0_0UT重置至地，從而開(kāi)始新的充電階段。在一個(gè)實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)220可以使用例如NMOS或PMOS開(kāi)關(guān)或由另一器件類(lèi)型實(shí)現(xiàn)的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，SR鎖存器206提供了重置主導(dǎo)路徑，其將振蕩器200的最高開(kāi)關(guān)頻率有效地限制于約l/(Tonmin+Toffmin)。在備選實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)220可以耦合至VDD，使得電容器C被跨導(dǎo)放大器202放電。在一個(gè)這種實(shí)施例中，對(duì)放大器202的極性進(jìn)行反轉(zhuǎn)以適應(yīng)與VDD耦合的開(kāi)關(guān)220。在一個(gè)實(shí)施例中，振蕩器200包括延遲元件208和214、邏輯門(mén)210、212和216以及SR鎖存器206。在備選實(shí)施例中，可以使用其他邏輯結(jié)構(gòu)、門(mén)類(lèi)型和邏輯類(lèi)型來(lái)實(shí)現(xiàn)所示意的邏輯功能。在另外實(shí)施例中，可以使用其他技術(shù)來(lái)限制振蕩器200的最高頻率，諸如使用諸如電阻器的外部組件來(lái)設(shè)置最高頻率。例如，在其中控制器駐留于集成電路上的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)將電阻器耦合在外部引腳與地之間來(lái)設(shè)置振蕩器的頻率。使用放大器，對(duì)電阻器強(qiáng)加等于帶隙電壓的一小部分的電壓，并將電阻器上的電流鏡像至電容器，其中生成鋸齒波以對(duì)電容器進(jìn)行充電和放電。在一個(gè)實(shí)施例中，鏡像的電流用來(lái)將放大器202中的偏置電流設(shè)置為使得可用于充電電容器C的最大輸出電流設(shè)置振蕩器的最高頻率。圖4示意了示出振蕩器200 (圖3)的操作的波形圖。在其中Ea電壓302小于 Vref 304的區(qū)域310中，節(jié)點(diǎn)VC0_0UT保持為低并且振蕩器頻率為零。在其中Ea電壓略微高于Vref的區(qū)域312中，振蕩器在小于其最高頻率處進(jìn)行操作。如所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)VC0_0UT 達(dá)到比較器閾值時(shí)，鎖存器206的設(shè)置輸入變高，從而使CLK在Tonmin的持續(xù)時(shí)間內(nèi)變高， 在Tonmin的持續(xù)時(shí)間之后鎖存器206的重置輸入在Toffmin的時(shí)段內(nèi)為高。在區(qū)域314 中，Ea電壓大于Vref，使得振蕩器在其最高頻率處進(jìn)行操作。在區(qū)域316中，隨著Ea電壓降低，振蕩器的頻率降低。圖5a示意了其中圖3中所示的鎖存器206、延遲208和214以及門(mén)210、212和216 的功能由雙張弛振蕩器實(shí)現(xiàn)的備選實(shí)施例。這里，在重置節(jié)點(diǎn)VC2的同時(shí)節(jié)點(diǎn)VCl進(jìn)行充電，并且在重置節(jié)點(diǎn)VC2的同時(shí)節(jié)點(diǎn)VC2進(jìn)行充電。在一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)Q表示圖3中所示的輸出時(shí)鐘信號(hào)CLK。在一個(gè)實(shí)施例中，而參數(shù)Tonmin由電流Irefl和電容Cl設(shè)置，參數(shù)Toffmin由電流Iref2和電容C2設(shè)置。在備選實(shí)施例中，可以使用其他雙張弛振蕩器拓?fù)洹D5b示意了圖5a的實(shí)施例雙張弛振蕩器的時(shí)序圖。當(dāng)SET變高時(shí)，節(jié)點(diǎn)VCl進(jìn)行充電，直到達(dá)到第一比較器閾值346，此時(shí)節(jié)點(diǎn)VCl被放電至地，Q變低并且節(jié)點(diǎn)VC2處的電壓開(kāi)始增大。當(dāng)VC2處的電壓超過(guò)比較器閾值350時(shí)，節(jié)點(diǎn)VC2處的電壓繼續(xù)充電，直到達(dá)到界限或者直到信號(hào)SET變高。當(dāng)信號(hào)SET在時(shí)間354處變高時(shí)，節(jié)點(diǎn)VCl再次充電并且另一周期開(kāi)始。當(dāng)信號(hào)SET在時(shí)間356處開(kāi)始保持為高時(shí)，達(dá)到雙張弛振蕩器的最高頻率。圖6示意了跨導(dǎo)放大器202 (圖4)的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)方式。由PMOS器件406和408 制成的且由電流源418偏置的PMOS差分對(duì)將Ea電壓和Vref進(jìn)行比較。經(jīng)由NMOS器件 410和414以及PMOS器件402將PMOS器件406的輸出電流鏡像至PMOS輸出晶體管404。 經(jīng)由NMOS器件412將PMOS器件的輸出電流鏡像至NMOS輸出晶體管416。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，圖 6中所示的跨導(dǎo)放大器202是跨導(dǎo)放大器的一個(gè)示例實(shí)現(xiàn)方式。還可以使用本領(lǐng)域中已知的其他跨導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)。圖7示意了開(kāi)關(guān)式電源控制器500的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)方式。誤差放大器518將反饋電壓FB與節(jié)點(diǎn)BG_SS處的參考電壓進(jìn)行比較。利用跨導(dǎo)放大器將誤差放大器輸出VA轉(zhuǎn)換為電流，所述跨導(dǎo)放大器利用具有源極退化電阻器512的NMOS器件510來(lái)實(shí)現(xiàn)。補(bǔ)償電容器 508耦合至誤差放大器518的輸出并提供使電源系統(tǒng)穩(wěn)定的主導(dǎo)極點(diǎn)。還使用頻率受限VCO 530將電壓VA轉(zhuǎn)換為頻率以產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)CLK。在一個(gè)實(shí)施例中，VCO 530的操作頻率與上至最高操作頻率的電壓EA成比例，如以上關(guān)于其他實(shí)施例所描述的。電流比較器514將來(lái)自晶體管510、斜率補(bǔ)償電流源506和跨導(dǎo)放大器504的輸出的電流之和與閾值進(jìn)行比較。在一個(gè)實(shí)施例中，該閾值約為0A。在一個(gè)實(shí)施例中，電流比較器514具有由電壓源520示意性地表示的低輸入阻抗?？鐚?dǎo)放大器504產(chǎn)生與電阻器 Rsense上的電壓成比例的電流，所述電阻器Rsense感測(cè)如以上關(guān)于圖Ia和Ib所描述的電源系統(tǒng)內(nèi)的電流。在一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)CLK設(shè)置邏輯塊516內(nèi)的鎖存器，并且電流比較器514的輸出重置邏輯塊516內(nèi)的鎖存器以產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號(hào)PSIG。邏輯塊還具有對(duì)通電進(jìn)行控制并重置條件的輸入P0R、TS、0C和SoftStartEND。POR是上電重置信號(hào)，TS是指示過(guò)溫條件的熱關(guān)斷信號(hào)，OC指示過(guò)電流條件，而SoftStarEND是指示設(shè)備在關(guān)斷或過(guò)溫恢復(fù)序列之后的第一次接通器件之后的軟起動(dòng)結(jié)束的信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，如果輸出電壓在軟起動(dòng)序列期間未達(dá)到目標(biāo)電壓值，則系統(tǒng)假定已出現(xiàn)系統(tǒng)誤差(諸如輸出處的硬短路)。電壓參考?jí)K502在節(jié)點(diǎn)BG_SS處產(chǎn)生電壓。在一個(gè)實(shí)施例中，BG_SS是與正常操作期間的帶隙參考電壓BG成比例的參考電壓。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)從過(guò)溫條件恢復(fù)時(shí)以逐步的方式增大BG_SS以便防止在起動(dòng)期間來(lái)自蓄電池的涌入電流并避免輸出處的過(guò)沖。在一些實(shí)施例中，還在通電期間以逐步的方式增大BG_SS。時(shí)鐘信號(hào)CLK_250K提供了對(duì)BG_SS 的逐步增大進(jìn)行時(shí)控的時(shí)鐘信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，CLK_250K在約250 KHz處進(jìn)行操作， 然而在備選實(shí)施例中，可以使用其他頻率。圖8示意了示意軟起動(dòng)序列的波形圖。在一個(gè)實(shí)施例中，電壓BG_SS逐步增大，并且當(dāng)BG_SS逼近帶隙參考電壓BG時(shí)斷言(assert)信號(hào)SoftStartEND。此外，當(dāng)檢測(cè)到過(guò)溫條件時(shí)，斷言信號(hào)TS并將節(jié)點(diǎn)BG_SS重置至低電壓。一旦信號(hào)TS被取消斷言(de-assert) 從而指示過(guò)溫條件的結(jié)束，BG_SS就增大回到BG。實(shí)施例的優(yōu)勢(shì)包括在PFM和PWM操作之間平滑過(guò)渡的單個(gè)電源控制器電路。與使用確定在哪個(gè)模式中操作的分離PWM和PFM控制器和/或分離檢測(cè)電路的系統(tǒng)相比，這些實(shí)施例可以具有更低的硬件復(fù)雜度、更小的布局和更低的功耗。此外，在PFM和PWM模式之間平滑過(guò)渡的一些實(shí)施例是有利的，這是由于它們避免了模式切換的一些問(wèn)題。如以上所討論的，PWM控制在高輸出電流處比PFM控制更高效，而PFM控制在低輸出電流處更高效。 因此，實(shí)施例的另外優(yōu)勢(shì)包括在大范圍的輸出電流上高效操作的能力。實(shí)施例系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)包括縮放電流和電壓的能力。一些有利實(shí)施例自動(dòng)適于這種縮放。在一些實(shí)施例中，確定PFM模式至PWM過(guò)渡或PWM至PFM過(guò)渡的閾值不必需要每當(dāng)對(duì)外部組件值進(jìn)行修改以調(diào)整電源的輸出電流或輸出電壓時(shí)被重新優(yōu)化。因此，設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)的任務(wù)得以簡(jiǎn)化。另外的優(yōu)勢(shì)包括將實(shí)施例概念應(yīng)用于各種電源系統(tǒng)類(lèi)型的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的能力。例如，本發(fā)明的實(shí)施例可以包括但不限于升壓轉(zhuǎn)換器、降壓轉(zhuǎn)換器、使用電流模式控制的轉(zhuǎn)換器、使用電壓模式控制的轉(zhuǎn)換器以及即使用電流模式控制又使用電壓模式控制的轉(zhuǎn)換器。一些實(shí)施例系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)包括在PWM和PFM模式之間無(wú)縫過(guò)渡的能力。照此，一些實(shí)施例不需要可能錯(cuò)誤地選擇錯(cuò)誤操作模式的專(zhuān)用模式選擇。此外，由于一些實(shí)施例不是兩個(gè)分離PWM和PFM控制器的疊加而是統(tǒng)一的塊，更小的電路面積是可能的。另外的優(yōu)勢(shì)包括當(dāng)在PWM和PFM模式之間過(guò)渡時(shí)，不必施加(park)誤差放大器電壓。盡管參照示意性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是該描述并不意在在限制的意義上解釋。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在參照該描述后將顯而易見(jiàn)示意性實(shí)施例的各種修改和組合以及本發(fā)明的其他實(shí)施例。因此，所附權(quán)利要求意在涵蓋任何這種修改或?qū)嵤├?br> 10
權(quán)利要求
1.一種操作開(kāi)關(guān)式電源的方法，所述方法包括基于電源的輸出電壓與參考電壓之間的差異來(lái)產(chǎn)生誤差信號(hào)；基于所述誤差信號(hào)來(lái)產(chǎn)生具有時(shí)鐘頻率的時(shí)鐘信號(hào)，所述時(shí)鐘頻率與上至最高頻率的誤差信號(hào)成比例；感測(cè)所述開(kāi)關(guān)式電源中的電流以產(chǎn)生感測(cè)電流信號(hào)；將所述誤差信號(hào)與所述感測(cè)電流信號(hào)進(jìn)行求和以產(chǎn)生第一信號(hào)；將所述第一信號(hào)與第一閾值進(jìn)行比較；在所述時(shí)鐘信號(hào)的第一邊沿處產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的第一邊沿；以及當(dāng)基于所述比較，所述第一信號(hào)沿第一方向越過(guò)所述第一閾值時(shí)，產(chǎn)生所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的第二邊沿，所述第二邊沿與所述第一邊沿相反。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括當(dāng)所述時(shí)鐘頻率小于所述最高頻率時(shí)，將所述開(kāi)關(guān)式電源操作于脈沖寬度調(diào)制(PWM) 模式；以及當(dāng)所述時(shí)鐘頻率處于約所述最高頻率時(shí)，將所述開(kāi)關(guān)式電源操作于脈沖頻率調(diào)制 (PFM)模式。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括利用所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)所述開(kāi)關(guān)式電源的開(kāi)關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的第一邊沿包括所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升沿，而所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的第二邊沿包括所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的下降沿。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)包括使用具有受限輸出頻率特性的VCO來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)包括產(chǎn)生與所述誤差信號(hào)成比例的斜坡信號(hào)；將所述斜坡信號(hào)與閾值進(jìn)行比較以激活比較信號(hào)的邊沿；以及當(dāng)所述比較信號(hào)的邊沿被激活時(shí)，在第一預(yù)定持續(xù)時(shí)間內(nèi)在第一狀態(tài)中對(duì)所述時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行脈沖發(fā)射以產(chǎn)生所述時(shí)鐘信號(hào)的第一邊沿，以及重置所述斜坡信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括在第一預(yù)定持續(xù)時(shí)間內(nèi)在第一狀態(tài)中對(duì)所述時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行脈沖發(fā)射之后，在第二預(yù)定持續(xù)時(shí)間內(nèi)將所述時(shí)鐘信號(hào)保持在第二狀態(tài)中， 所述第二狀態(tài)與所述第一狀態(tài)相反。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述第一狀態(tài)包括邏輯高狀態(tài)，而所述第二狀態(tài)包括邏輯低狀態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中感測(cè)所述開(kāi)關(guān)式電源中的電流包括感測(cè)與開(kāi)關(guān)串聯(lián)的電流。
10.一種開(kāi)關(guān)式電源控制器，包括誤差放大器，具有被配置為與開(kāi)關(guān)式電源的輸出電壓耦合的輸入；可控振蕩器，具有與所述誤差放大器的輸出耦合的頻率控制輸入，所述可控振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘輸出，時(shí)鐘具有與上至最高頻率的所述頻率控制輸入的第一輸入范圍成比例的輸出頻率；電流傳感器，被配置為感測(cè)所述開(kāi)關(guān)式電源內(nèi)的電流；第一比較器，將所述誤差放大器的輸出和電流傳感器的輸出之和與第一閾值進(jìn)行比較；以及邏輯電路，被配置為在所述可控振蕩器的時(shí)鐘輸出的第一邊沿處將驅(qū)動(dòng)信號(hào)從第一狀態(tài)過(guò)渡至第二狀態(tài)，并且在所述第一比較器的輸出的第一邊沿處將所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)從所述第二狀態(tài)過(guò)渡至所述第一狀態(tài)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的開(kāi)關(guān)式電源控制器，其中所述可控振蕩器的時(shí)鐘輸出的第一邊沿包括上升沿；以及所述第一比較器的輸出的第一邊沿包括上升沿；以及所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)被配置為在所述第二狀態(tài)中激活開(kāi)關(guān)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的開(kāi)關(guān)式電源控制器，還包括第一跨導(dǎo)放大器，具有與所述誤差放大器的輸出和電流比較輸出I禹合的輸入，其中所述電流傳感器包括第二跨導(dǎo)放大器，所述第二跨導(dǎo)放大器具有與所述第一跨導(dǎo)放大器的電流比較輸出I禹合的輸出，以及所述第一比較器包括電流比較器，所述電流比較器包括與所述第一跨導(dǎo)放大器的電流比較輸出I禹合的輸入。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的開(kāi)關(guān)式電源控制器，其中所述誤差放大器包括第三跨導(dǎo)放大器。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的開(kāi)關(guān)式電源控制器，其中所述可控振蕩器包括斜坡生成器，產(chǎn)生具有與頻率控制輸入處的信號(hào)成比例的斜率的斜坡，并且在時(shí)鐘輸出的邊沿處重置所述斜坡；以及脈沖生成電路，被配置為在所述斜坡越過(guò)閾值時(shí)的第一預(yù)定時(shí)鐘持續(xù)時(shí)間內(nèi)在第一狀態(tài)中斷言所述時(shí)鐘，然后在至少第二預(yù)定時(shí)鐘持續(xù)時(shí)間內(nèi)將所述時(shí)鐘保持在第二狀態(tài)中。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的開(kāi)關(guān)式電源控制器，其中所述斜坡生成器包括加載有電容的第四跨導(dǎo)放大器、被配置為重置所述電容的重置開(kāi)關(guān)、以及被配置為檢測(cè)所述電容上的電壓何時(shí)越過(guò)所述閾值的斜坡比較器；以及所述脈沖生成電路包括鎖存器，具有與所述斜坡比較器的輸出耦合的設(shè)置輸入和與所述時(shí)鐘輸出耦合的重置輸入，以及率禹合在所述鎖存器的輸出與所述時(shí)鐘輸出之間的第一脈沖電路和I禹合在所述時(shí)鐘輸出與所述鎖存器的重置輸入之間的第二脈沖電路。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的開(kāi)關(guān)式電源控制器，其中控制器在低負(fù)載電流處操作于脈沖寬度調(diào)制模式而在高負(fù)載電流處操作于脈沖頻率調(diào)制模式。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的開(kāi)關(guān)式電源控制器，其中開(kāi)關(guān)控制器布置在集成電路上。
18.—種開(kāi)關(guān)式電源,包括控制器，包括誤差放大器，具有與所述開(kāi)關(guān)式電源的輸出節(jié)點(diǎn)耦合的輸入，可控振蕩器，具有與所述誤差放大器的輸出耦合的頻率控制輸入，所述可控振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘輸出，時(shí)鐘具有與上至最高頻率的頻率控制輸入的第一輸入范圍成比例的輸出頻率，電流傳感器，感測(cè)與所述開(kāi)關(guān)式電源的負(fù)載電流成比例的電流，第一比較器，將所述誤差放大器的輸出和電流傳感器的輸出之和與第一閾值進(jìn)行比較，以及邏輯電路，被配置為在所述可控振蕩器的時(shí)鐘輸出的第一邊沿處將邏輯電路輸出信號(hào)從第一狀態(tài)過(guò)渡至第二狀態(tài)，并且在所述第一比較器的輸出的第一邊沿處將所述邏輯電路輸出信號(hào)從所述第二狀態(tài)過(guò)渡至所述第一狀態(tài)；開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器，包括與所述邏輯電路輸出信號(hào)耦合的輸入；以及開(kāi)關(guān)，包括與所述開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器的輸出耦合的控制端子。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的開(kāi)關(guān)式電源，還包括電感器，耦合在所述開(kāi)關(guān)的輸出端子與電源輸出節(jié)點(diǎn)之間；二極管，耦合至所述開(kāi)關(guān)的輸出端子；以及電流感測(cè)電阻器，耦合在電源輸入節(jié)點(diǎn)與所述開(kāi)關(guān)的輸入端子之間，其中所述電流傳感器包括與所述電流感測(cè)電阻器的第一端子耦合的第一輸入和與所述電阻器的第二端子耦合的第二輸入，其中所述開(kāi)關(guān)式電源包括降壓轉(zhuǎn)換器。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的開(kāi)關(guān)式電源，其中當(dāng)所述可控振蕩器正在所述第一輸入范圍內(nèi)操作時(shí)，所述開(kāi)關(guān)式電源操作于脈沖頻率調(diào)制模式；以及當(dāng)所述可控振蕩器正在所述第一輸入范圍外操作時(shí)，所述開(kāi)關(guān)式電源操作于脈沖寬度調(diào)制模式。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于控制開(kāi)關(guān)式電源的系統(tǒng)和方法。在一個(gè)實(shí)施例中，一種操作開(kāi)關(guān)式電源的方法包括基于電源輸出電壓與參考電壓之間的差異來(lái)產(chǎn)生誤差信號(hào)。產(chǎn)生與上至最高頻率的誤差信號(hào)成比例的時(shí)鐘頻率，并產(chǎn)生與開(kāi)關(guān)式電源中的電流成比例的感測(cè)電流信號(hào)。將所述誤差信號(hào)與所述感測(cè)電流信號(hào)進(jìn)行求和以產(chǎn)生第一信號(hào)，并將所述第一信號(hào)與第一閾值進(jìn)行比較。所述方法還包括在所述時(shí)鐘信號(hào)的第一邊沿處產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的第一邊沿，并且當(dāng)基于所述比較，所述第一信號(hào)沿第一方向越過(guò)所述第一閾值時(shí)，產(chǎn)生所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的第二邊沿，其中所述第二邊沿與所述第一邊沿相反。
文檔編號(hào)H02M3/155GK102594137SQ20121000947
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月14日
發(fā)明者A.維吉亞托, C.加博薩, E.奧里蒂, M.弗萊巴尼 申請(qǐng)人:英飛凌科技奧地利有限公司