具有动态阈值的磁滞降压变换器的制造方法
【专利说明】具有动态阈值的磁滞降压变换器
[0001]本申请是中国专利申请200980133008.2(母案)的分案申请，母案的申请日是2009年6月19日，发明名称是“具有动态阀值的磁滞降压变换器”。母案的国际申请号是PCT/US2009/048016。
技术领域
[0002]本发明通常涉及磁滞降压变换器控制方案，尤其涉及一种使用输出电流指示来动态调节接通定时的降压变换器控制电路。
【背景技术】
[0003]在低输出电流电平，脉宽调制器(pulse width modulator, PWM)控制器以及其他类型的在高负载条件下输送高电流电平的切换功率调节器是低效的。由于脉宽对于低输出电流电平变得非常窄，变换器的功耗受用于操作切换电路和控制/传感电路且通常不随负载电流需量变化的功率支配，由此使变换器在低需量条件下非常低效。在备用低功率模式下经常使用可选的控制器模式操作变换器，由此虽不能获得完全的变换器动态特性，但可保持最小输出电压，以在低负载电流需量时提供所需的电源电压。由于可在负载需量基础上任意降低脉冲频率，脉冲频率调制器(Pulse-frequency modulator, PFM)电路经常用于低功率操作模式。已使用输出电压被保持在两个预设定点之间的磁滞控制电路提供这类低功率操作模式。由于磁滞变换器只在输出电压小于容许极限时起作用，因而它们具有宽的动态范围和可能的低功耗。
[0004]此外，在复杂性或PWM操作所需功率不符合要求的低功率应用中，由于控制电路本身可被完全置于备用模式下，且下限电压传感电路是唯一需要操作的电路，因而磁滞控制器有时用于对所有输出电流电平提供电源控制算法。当必须提高输出电压时，下限电压传感电路的输出于是可起动变换器的剩余者。另外，在PWM变换器的瞬态响应不能足够快地对负载瞬态作出响应的任何应用中，磁滞变换器也用于对变化的负载条件作出快速响应。
[0005]在典型的磁滞变换器中，当输出电压小于下限阈值时可提供恒定宽度脉冲，由此向输出电容器内注入电荷，从而使输出电压升高预定的量。然而，如果输出电流或输入电压条件发生变化，由于恒定宽度脉冲不能对不同电平的负载电流或输入电压作出响应，这种变换器会产生不符合要求的脉动水平。在其他类型的磁滞变换器中，对输入电压和其他电源条件进行监测，并对输出脉宽进行控制，以将脉动水平控制在比恒定宽度控制器可提供的更高程度。
[0006]然而，上述磁滞控制器、负载瞬态或输入压降均可由于变换器需要响应时间而引起下限阈值的负尖峰。在恒定宽度变换器中，可能需要一些脉冲使输出电压恢复，且在宽度受控磁滞变换器中存在初始负尖峰，这些负尖峰由已被触发的脉冲进行校正。
[0007]因此，希望提供一种通过控制负尖峰减小磁滞变换器中脉动的电源电路和控制方法。
【发明内容】
[0008]上述控制磁滞变换器中负尖峰的目的可通过一种降压切换电压调节器电路以及一种用于操作该降压切换电压调节器电路的方法实现。
[0009]通过预期由于负载电流变化而产生的脉动的大小，降压切换电压调节器电路可改善脉动控制。该电路可以是在切换调节器的备用模式下有源的控制电路，例如在较高电流输出需量条件下使用PWM控制模式、且在较低电流输出需量条件下进入备用模式的PWM调节器。比较电路将变换器的输出电压与由变换器输出电流指示产生的波形作比较，从而使变换器的接通时间随输出电流需量的增加而提前，且调节电压下限，以避免使负尖峰低于指定的脉动电压下限。变换器的断开时间由限制脉动电压最大值的上限阈值控制。输出电流指示可以是对输出电流的量度，或可以是由输入电压和输出电压波形计算得到的值。
[0010]从下文尤其是对本发明优选实施方式的说明，并结合附图，显而易见本发明的前述以及其他目的、特征和优点。
【附图说明】
[0011]图1A-1B是本发明实施方式所述功率切换电路的方框图。
[0012]图2A是图1A中控制电路1A的简化示意图。
[0013]图2B是图1B中控制电路1B的简化示意图。
[0014]图3A是显不在不连续传导模式(discontinuous conduct1n mode, DCM)下在图2A中的阈值产生器和控制电路20A内、以及在图2B中的阈值产生器和控制电路20B内所进行的计算的信号波形图。
[0015]图3B是显不在连续传导模式(continuous conduct1n mode, CCM)下在图2A中的阈值产生器和控制电路20A内、以及在图2B中的阈值产生器和控制电路20B内所进行的计算的信号波形图。
[0016]图4A-4B是显示图1A-1B和图2A-2B中所示电路内信号的信号波形图。
【具体实施方式】
[0017]本发明包括用于对降压切换电压调节器进行控制的电路和方法，其中根据流经负载的输出电流的指示通过控制接通阈值而避免脉动负尖峰。可通过直接测量输出电流提供输出电流指示，或如下文所述，可由输出电压波形和输入电压值计算得到输出电流指示。
[0018]图1A显示本发明的一实施方式所述的降压切换电压调节器电路。当使用控制信号/sa起动晶体管Pl时，一控制电路即控制器10A向切换电路SWA提供栅极驱动信号，且该切换电路SWA将电感器LI串联耦合在输入电压源Vin与输出端子Vot之间。当使用控制信号Sb起动晶体管NI时，切换电路SWA将电感器LI并联耦合在输出端子Vqut与公共返回路径(地面)之间，且该公共返回路径(地面)与输入电压源Vin和输出端子Vqut相关。输出电容器Cl过滤降压切换电压调节器电路的输出，以使在输出端子Vtot处产生的电压除脉动电压外大体上保持恒定。在低需量条件下，即在向负载Zjft应低负载电流I d勺条件下，控制器10A在不连续传导模式(discontinuous conduct1n mode, DCM)下工作，即它首先起动晶体管Pl通过电感器LI向输出电容器Cl充电，然后停用晶体管Pl，并起动晶体管NI将储存在电感器LI上的能量释放给电容器，最后停用晶体管NI直到输出端子Vtot的电压小于阈值大小。在较高电平的负载电流Il下，控制器1A可在连续传导模式(continuousconduct1n mode, CCM)下用作磁滞变换器，或可直接转换为另一 CCM控制算法，例如脉宽调制(pulse-width modulat1n, PWM)。即使对于变换器的磁滞操作实施CCM操作，在超出使用磁滞CCM操作时的负载电流L的范围之后，也可起动PWM或其他操作模式。
[0019]在本发明的降压切换电压调节器中，用于确定晶体管Pl的接通时间的阈值大小是一种时变波形，该时变波形由从输出端子Vott向负载提供的输出电流指示、以及由从电压源Vin提供的输入电压大小产生。由此，当输出电流增加或输入电压降低时，晶体管Pl的起动时间提前；且当输出电流减小或输入电压升高时，晶体管Pl的起动时间推后。从输出电流指示计算得到阈值大小，该输出电流指示可以是对由感应电阻器Rs产生的输出电流的量度；由此提供不同于与负载电流Itl成比例的输出端子Vott电压的电压+V IUM。(为说明起见，Vtot也被指定为-V MAD。)控制器1A由电压源Vin提供的输入电压以及输出端子V ουτ的电压计算晶体管Pl的断开时间，该断开时间也是晶体管NI的接通时间，以使在输出端子Vtot处的脉动电压不超过指定的最大值。最后，晶体管NI的断开时间可由通过电感器L向电容器Cl提供的电流込控制，该电流U由电阻器L两端的电压(+/-V1J测得，且达到零或稍负的值，以确保在电感器L中未储存剩余能量。
[0020]图1B显示本发明的另一实施方式所述的降压切换电压调节器。图1B中的降压切换电压调节器与图1A中的降压切换电压调节器类似，因此下文将只描述它们之间的差异。此外，图1B中降压切换电压调节器的各种特征可作为图1A中降压切换电压调节器的特征选项，反