具有動態(tài)閾值的磁滯降壓變換器的制造方法
【專利說明】具有動態(tài)閾值的磁滯降壓變換器
[0001]本申請是中國專利申請200980133008.2(母案)的分案申請，母案的申請日是2009年6月19日，發(fā)明名稱是“具有動態(tài)閥值的磁滯降壓變換器”。母案的國際申請?zhí)柺荘CT/US2009/048016。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明通常涉及磁滯降壓變換器控制方案，尤其涉及一種使用輸出電流指示來動態(tài)調(diào)節(jié)接通定時的降壓變換器控制電路。
【背景技術(shù)】
[0003]在低輸出電流電平，脈寬調(diào)制器(pulse width modulator, PWM)控制器以及其他類型的在高負載條件下輸送高電流電平的切換功率調(diào)節(jié)器是低效的。由于脈寬對于低輸出電流電平變得非常窄，變換器的功耗受用于操作切換電路和控制/傳感電路且通常不隨負載電流需量變化的功率支配，由此使變換器在低需量條件下非常低效。在備用低功率模式下經(jīng)常使用可選的控制器模式操作變換器，由此雖不能獲得完全的變換器動態(tài)特性，但可保持最小輸出電壓，以在低負載電流需量時提供所需的電源電壓。由于可在負載需量基礎(chǔ)上任意降低脈沖頻率，脈沖頻率調(diào)制器(Pulse-frequency modulator, PFM)電路經(jīng)常用于低功率操作模式。已使用輸出電壓被保持在兩個預(yù)設(shè)定點之間的磁滯控制電路提供這類低功率操作模式。由于磁滯變換器只在輸出電壓小于容許極限時起作用，因而它們具有寬的動態(tài)范圍和可能的低功耗。
[0004]此外，在復(fù)雜性或PWM操作所需功率不符合要求的低功率應(yīng)用中，由于控制電路本身可被完全置于備用模式下，且下限電壓傳感電路是唯一需要操作的電路，因而磁滯控制器有時用于對所有輸出電流電平提供電源控制算法。當必須提高輸出電壓時，下限電壓傳感電路的輸出于是可起動變換器的剩余者。另外，在PWM變換器的瞬態(tài)響應(yīng)不能足夠快地對負載瞬態(tài)作出響應(yīng)的任何應(yīng)用中，磁滯變換器也用于對變化的負載條件作出快速響應(yīng)。
[0005]在典型的磁滯變換器中，當輸出電壓小于下限閾值時可提供恒定寬度脈沖，由此向輸出電容器內(nèi)注入電荷，從而使輸出電壓升高預(yù)定的量。然而，如果輸出電流或輸入電壓條件發(fā)生變化，由于恒定寬度脈沖不能對不同電平的負載電流或輸入電壓作出響應(yīng)，這種變換器會產(chǎn)生不符合要求的脈動水平。在其他類型的磁滯變換器中，對輸入電壓和其他電源條件進行監(jiān)測，并對輸出脈寬進行控制，以將脈動水平控制在比恒定寬度控制器可提供的更高程度。
[0006]然而，上述磁滯控制器、負載瞬態(tài)或輸入壓降均可由于變換器需要響應(yīng)時間而引起下限閾值的負尖峰。在恒定寬度變換器中，可能需要一些脈沖使輸出電壓恢復(fù)，且在寬度受控磁滯變換器中存在初始負尖峰，這些負尖峰由已被觸發(fā)的脈沖進行校正。
[0007]因此，希望提供一種通過控制負尖峰減小磁滯變換器中脈動的電源電路和控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]上述控制磁滯變換器中負尖峰的目的可通過一種降壓切換電壓調(diào)節(jié)器電路以及一種用于操作該降壓切換電壓調(diào)節(jié)器電路的方法實現(xiàn)。
[0009]通過預(yù)期由于負載電流變化而產(chǎn)生的脈動的大小，降壓切換電壓調(diào)節(jié)器電路可改善脈動控制。該電路可以是在切換調(diào)節(jié)器的備用模式下有源的控制電路，例如在較高電流輸出需量條件下使用PWM控制模式、且在較低電流輸出需量條件下進入備用模式的PWM調(diào)節(jié)器。比較電路將變換器的輸出電壓與由變換器輸出電流指示產(chǎn)生的波形作比較，從而使變換器的接通時間隨輸出電流需量的增加而提前，且調(diào)節(jié)電壓下限，以避免使負尖峰低于指定的脈動電壓下限。變換器的斷開時間由限制脈動電壓最大值的上限閾值控制。輸出電流指示可以是對輸出電流的量度，或可以是由輸入電壓和輸出電壓波形計算得到的值。
[0010]從下文尤其是對本發(fā)明優(yōu)選實施方式的說明，并結(jié)合附圖，顯而易見本發(fā)明的前述以及其他目的、特征和優(yōu)點。
【附圖說明】
[0011]圖1A-1B是本發(fā)明實施方式所述功率切換電路的方框圖。
[0012]圖2A是圖1A中控制電路1A的簡化示意圖。
[0013]圖2B是圖1B中控制電路1B的簡化示意圖。
[0014]圖3A是顯不在不連續(xù)傳導(dǎo)模式(discontinuous conduct1n mode, DCM)下在圖2A中的閾值產(chǎn)生器和控制電路20A內(nèi)、以及在圖2B中的閾值產(chǎn)生器和控制電路20B內(nèi)所進行的計算的信號波形圖。
[0015]圖3B是顯不在連續(xù)傳導(dǎo)模式(continuous conduct1n mode, CCM)下在圖2A中的閾值產(chǎn)生器和控制電路20A內(nèi)、以及在圖2B中的閾值產(chǎn)生器和控制電路20B內(nèi)所進行的計算的信號波形圖。
[0016]圖4A-4B是顯示圖1A-1B和圖2A-2B中所示電路內(nèi)信號的信號波形圖。
【具體實施方式】
[0017]本發(fā)明包括用于對降壓切換電壓調(diào)節(jié)器進行控制的電路和方法，其中根據(jù)流經(jīng)負載的輸出電流的指示通過控制接通閾值而避免脈動負尖峰?？赏ㄟ^直接測量輸出電流提供輸出電流指示，或如下文所述，可由輸出電壓波形和輸入電壓值計算得到輸出電流指示。
[0018]圖1A顯示本發(fā)明的一實施方式所述的降壓切換電壓調(diào)節(jié)器電路。當使用控制信號/sa起動晶體管Pl時，一控制電路即控制器10A向切換電路SWA提供柵極驅(qū)動信號，且該切換電路SWA將電感器LI串聯(lián)耦合在輸入電壓源Vin與輸出端子Vot之間。當使用控制信號Sb起動晶體管NI時，切換電路SWA將電感器LI并聯(lián)耦合在輸出端子Vqut與公共返回路徑(地面)之間，且該公共返回路徑(地面)與輸入電壓源Vin和輸出端子Vqut相關(guān)。輸出電容器Cl過濾降壓切換電壓調(diào)節(jié)器電路的輸出，以使在輸出端子Vtot處產(chǎn)生的電壓除脈動電壓外大體上保持恒定。在低需量條件下，即在向負載Zjft應(yīng)低負載電流I d勺條件下，控制器10A在不連續(xù)傳導(dǎo)模式(discontinuous conduct1n mode, DCM)下工作，即它首先起動晶體管Pl通過電感器LI向輸出電容器Cl充電，然后停用晶體管Pl，并起動晶體管NI將儲存在電感器LI上的能量釋放給電容器，最后停用晶體管NI直到輸出端子Vtot的電壓小于閾值大小。在較高電平的負載電流Il下，控制器1A可在連續(xù)傳導(dǎo)模式(continuousconduct1n mode, CCM)下用作磁滯變換器，或可直接轉(zhuǎn)換為另一 CCM控制算法，例如脈寬調(diào)制(pulse-width modulat1n, PWM)。即使對于變換器的磁滯操作實施CCM操作，在超出使用磁滯CCM操作時的負載電流L的范圍之后，也可起動PWM或其他操作模式。
[0019]在本發(fā)明的降壓切換電壓調(diào)節(jié)器中，用于確定晶體管Pl的接通時間的閾值大小是一種時變波形，該時變波形由從輸出端子Vott向負載提供的輸出電流指示、以及由從電壓源Vin提供的輸入電壓大小產(chǎn)生。由此，當輸出電流增加或輸入電壓降低時，晶體管Pl的起動時間提前；且當輸出電流減小或輸入電壓升高時，晶體管Pl的起動時間推后。從輸出電流指示計算得到閾值大小，該輸出電流指示可以是對由感應(yīng)電阻器Rs產(chǎn)生的輸出電流的量度；由此提供不同于與負載電流Itl成比例的輸出端子Vott電壓的電壓+V IUM。(為說明起見，Vtot也被指定為-V MAD。)控制器1A由電壓源Vin提供的輸入電壓以及輸出端子V ουτ的電壓計算晶體管Pl的斷開時間，該斷開時間也是晶體管NI的接通時間，以使在輸出端子Vtot處的脈動電壓不超過指定的最大值。最后，晶體管NI的斷開時間可由通過電感器L向電容器Cl提供的電流込控制，該電流U由電阻器L兩端的電壓(+/-V1J測得，且達到零或稍負的值，以確保在電感器L中未儲存剩余能量。
[0020]圖1B顯示本發(fā)明的另一實施方式所述的降壓切換電壓調(diào)節(jié)器。圖1B中的降壓切換電壓調(diào)節(jié)器與圖1A中的降壓切換電壓調(diào)節(jié)器類似，因此下文將只描述它們之間的差異。此外，圖1B中降壓切換電壓調(diào)節(jié)器的各種特征可作為圖1A中降壓切換電壓調(diào)節(jié)器的特征選項，反