限制峰值受控升压转换器中的平均电流的制作方法

本公开总体上涉及用于电子设备的电路，其包括但不限于诸如无线电话和媒体播放器之类的个人音频设备，并且更具体地涉及峰值控制的升压转换器中的有限的平均电流。

背景技术：

个人音频设备，包括无线电话(诸如移动/蜂窝电话、无绳电话、mp3播放器和其他消费类音频设备)得到了广泛使用。这样的个人音频设备可以包括用于驱动一对耳机或一个或多个扬声器的电路。这样的电路通常包括扬声器驱动器，其包括用于驱动向耳机或扬声器的音频输出信号的功率放大器。通常，功率转换器可以用于向功率放大器提供电源电压，以便放大驱动到扬声器、耳机或其他换能器的信号。开关功率转换器是一种电子电路，其将电源从一个直流(dc)电压电平转换为另一个dc电压电平。这种开关dc-dc转换器的示例包括但不限于升压转换器、降压转换器、降压-升压转换器、反相降压-升压转换器以及其他类型的开关dc-dc转换器。因此，使用功率转换器，可以将诸如由电池提供的dc电压转换为用于向功率放大器供电的另一个dc电压。

通常，升压转换器用作峰值电流受控的升压转换器，其中控制系统的主控制回路用于确定升压转换器的每个开关相位上的峰值电流需求，以便产生升压转换器所需的升压输出电压。对于升压占空比其中占空比(例如，其可以通过从数字中减去算术比来确定，其中算术比等于提供给升压转换器的输入电压除以升压转换器的升压输出电压)可能需要斜率补偿电路来避免升压转换器的次谐波行为。在许多升压转换器控制系统中还存在保护电路，以确保升压转换器的电流保持在最大值以下。根据主控制回路的峰值电流检测和最大可允许电流检测通常由两个单独的电路执行：第一比较器，将测得的电流(例如，升压转换器的功率电感器的测得的电流)与斜率补偿的目标峰值电流信号进行比较，以及第二比较器，将测得的电流与最大电流限制进行比较。主控制回路(其也可以称为补偿器)可以产生目标峰值电流信号，其可以通过斜率补偿电路修改，并且这样的斜率补偿目标峰值电流信号可以由第一比较器与测得的电流进行比较，以便执行升压转换器的峰值电流控制。然而，由于斜率补偿可能发生在模拟电路中，因此在第一比较器切换的点处可能存在未知量的校正。在调节功率转换器输出的升压电压时，主控制回路可以消除这种误差。

然而，此未知误差的存在可能导致无法在升压转换器的任何特定开关周期内直接控制最大电流。这是因为第二比较器允许进行测量，而不会在阈值以上对电感器电流进行斜率补偿。如果使用第二个比较器直接控制电感器中的电流，则此测量中缺少斜率补偿可能会导致次谐波行为。为了避免这种次谐波行为，同时限制第二比较器检测到的电流，可以反馈回第二比较器的输出，以允许控制电路将所需的限制行为应用于斜率补偿的目标峰值电流信号。例如，可以存在附加的控制回路，使得当在电流限制条件下操作时，修改斜率补偿的目标峰值电流信号以获得所需的电流限制行为。

结果，可以创建控制系统，其导致将升压转换器的功率电感器的峰值电流限制和控制在最大阈值以下。但是，在许多系统中，峰值电感器电流和平均电感器电流之间的误差可能会很大，并且电感器的变化在确定合适的峰值电流限制时会带来巨大挑战。

技术实现要素：

根据本公开的教导，可以减少或消除与操作功率转换器的现有方法相关的一个或多个缺点和问题。

根据本公开的实施例，一种方法可以包括监视通过升压转换器的功率电感器的电流并且检测如所监视的电流与功率电感器的所需的平均电流之间的差值的数学积分何时等于零。

根据本公开的这些和其他实施例，一种方法可以包括在升压转换器的第一操作模式下，控制升压转换器的开关的开关行为以调节由升压转换器产生的输出电压，并且在升压转换器的第二操作模式下，控制升压转换器的开关的开关行为以调节由升压转换器接收的输入电流。

根据本公开的这些和其他实施例，一种方法可以包括监视通过升压转换器的功率电感器的电流并且检测如所监视的电流何时超过功率电感器的最大电流。

根据本文包括的附图、说明书和权利要求书，本公开的技术优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。实施例的目的和优点将至少通过权利要求中特别指出的要素、特征和组合来实现和获得。

应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述两者都是示例和解释性的，并且不限制本公开中提出的权利要求。

附图说明

通过参考以下结合附图的描述，可以获得对本发明实施例及其优点的更完整的理解，其中，相似的附图标记表示相似的特征，并且其中：

图1示出了根据本公开的实施例的示例个人音频设备；

图2示出了根据本公开的实施例的个人音频设备的示例音频集成电路的所选组件的框图；

图3示出了根据本公开实施例的具有平均电流限制控制的示例性峰值电流控制升压转换器的所选组件的框图，其可用于实现图2所示的电源；

图4示出了根据本公开的实施例的描绘实际电感器电流和目标平均电感器电流与时间的关系以及目标平均电感器电流和实际电感器电流目标的量的差值的数学积分的示例波形的图；以及

图5示出了根据本公开的实施例的具有最大电流限制控制的示例峰值电流控制升压转换器的所选组件的框图，其可以用于实现图2所示的电源。

具体实施方式

图1示出了根据本公开的实施例的示例个人音频设备1。图1描绘了以一对耳塞式扬声器8a和8b的形式耦合到耳机3的个人音频设备1。图1中描绘的耳机3仅是示例，并且应当理解，个人音频设备1可以与包括但不限于头戴式耳机、耳塞、入耳式耳机和外部扬声器的各种音频换能器连接使用。插头4可以用于将耳机3连接到个人音频设备1的电气端子。个人音频设备1可以使用触摸屏2向用户提供显示并接收用户输入，或者可替选地，标准液晶显示器(lcd)可以与各种按钮、滑块和/或设置在个人音频设备1的正面和/或侧面上的调节器(dial)组合。如图1所示，个人音频设备1可以包括音频集成电路(ic)9以用于产生模拟音频信号以传输到耳机3和/或另一个音频换能器。

图2示出了根据本公开的实施例的个人音频设备的示例音频ic9的所选组件的框图。如图2所示，微控制器核18可以将数字音频输入信号dig_in提供给数模转换器(dac)14，其可以将数字音频输入信号转换为模拟信号vin。dac14可以将模拟信号vin提供给放大器16，其可以放大或衰减音频输入信号vin以提供差分音频输出信号vout，其可以操作扬声器、头戴式耳机换能器、线路电平信号输出和/或其他合适的输出。在一些实施例中，dac14可以是放大器16的组成部分。电源10可以提供放大器16的电源轨输入。在一些实施例中，电源10可以包括开关模式功率转换器，如在以下更详细的描述中。尽管图1和图2考虑了音频ic9驻留在个人音频设备中，但是本文描述的系统和方法也可以应用于除个人音频设备之外的电气和电子系统以及设备，包括用于比个人音频设备更大的计算设备、汽车、建筑物或其他结构中的音频系统。

图3示出了根据本公开实施例的具有平均电流限制控制的示例峰值电流控制升压转换器20a的所选组件的框图，其可用于实现图2所示的电源10。如图3所示，升压转换器20a可包括电池22、功率电感器30、实现为n型金属氧化物半导体场效应晶体管(nfet)的开关28、实现为p型金属氧化物半导体场效应晶体管(pfet)的开关29和控制电路32。图4示出了根据本公开的实施例的图，其描绘了实际电感器电流il和目标平均电感器电流iavg_lim与时间的关系以及目标平均电感器电流iavg_lim和实际电感器电流il的数量之差的数学积分的示例波形。

在升压转换器20a的开关周期的第一相位(在图4中标记为“相位a”)中，控制电路32可以使开关28被激活(例如，闭合、接通、启用)并且使开关29去激活(例如，打开、断开、禁用)。因此，在第一相位期间，开关节点(在图3中标记为“sw”)可以有效地短路到地电势，使得电池22将其电压vbat施加到功率电感器30的端子上。其结果是，在第一相位期间，在功率电感器30中流动的电感器电流il可以增加。如下面更详细地描述的，控制电路32可以使电感器电流il增大，直到电感器电流il达到第一相位可以结束的斜率补偿峰值电流限制ipk'的这样的点为止。

在升压转换器的开关周期的第二相位(在图4中标记为“相位b”)中，控制电路32可以使开关28去激活并且使开关29激活。结果，在第二相位期间，随着功率电感器30放电到升压电容器26中，电感器电流il可能减少，从而将电源电压vsupply升压到高于电池电压vbat的电压。在连续导通模式(ccm)中，第二相位(相位b)可以持续到开关周期结束为止，然后再次出现第一相位(相位a)，如图4所示。在不连续导通模式(dcm)中，第二相位(相位b)可以继续直到电感器电流il达到零为止，此时开关周期的第三相位(图4中未示出)可以开始。在第三相位中，如果存在第三相位，则控制电路32可以使开关28和29均去激活，并且电感器电流il可以保持为零，直到下一个开关周期开始为止，其中，第一相位(相位a)再次发生。在一些实施例中，控制电路32可以在第二相位(相位b)期间去激活开关29，使得实现开关29的pfet的体二极管传导电感器电流il直到其达到零为止。

如图3所示，控制电路32可以包括补偿器34、电流平均限制控制块35、多路复用器37、电流传感器电路36、数模转换器(dac)38、dac40、斜率发生器42、峰值电流比较器44、时钟(clk)发生器46、锁存器48、开关块控件50、积分器52、积分器比较器54和锁存器56。

在ccm和dcm中的操作中，开关28的占空比(例如，第一相位(相位a)的持续时间)可以确定电源电压vsupply相对于电池电压vbat的大小。例如，在ccm中，提供所需的电源电压vsupply所需的占空比d可以由d＝1-vbat/vsupply给出。因此，对于所需的电源电压vsupply电平(例如，其可以基于放大器的输出信号的包络线)，控制电路32可以基于测量的电源电压vsupply和测量的电感器电流il(其可以由电流传感器电路36测量(例如，使用具有电阻rsense的感测电阻器；在一些实施例中，rsense可以具有大约10mω的电阻))来实现反馈控制回路，其可以在补偿器34的内部。因此，控制电路32可以监视实际电源电压vsupply，将其与所需的电源电压vsupply进行比较，并且通过增加或减少电感器电流il的峰值来增加或减少实际电源电压vsupply。在这种情况下，补偿器34可以产生指示所需的峰值电流的数字信号，并且当选择多路复用器37以输出补偿器34的输出时，dac38可以将这种数字信号转换为模拟等效峰值电流信号ipk。斜率发生器42可以产生斜率补偿信号。在一些实施例中，斜率发生器42可以将斜率补偿信号产生为三角形或锯齿波形。斜率补偿信号可以与峰值电流信号ipk组合以产生斜率补偿的峰值电流信号ipk。峰值电流比较器44可以在第一相位(相位a)期间比较测量的电感器电流il(例如，由电流传感器电路36测量的)，从而响应于比较结果而产生控制信号。比较器44、时钟发生器46和锁存器48的输出可以如图所示一起布置，或以另一种合适的方式布置，以产生到开关控制块50的控制信号。例如，时钟发生器46可以产生时钟信号，指示开关周期的开始(例如，第一相位/相位a的开始)，并且比较器44可以基于测得的电感器电流il达到峰值电流ipk的点，产生指示第一相位(相位a)结束的信号。基于这样的信号，其指示升压转换器20a的开关周期和开关相位的定时，锁存器48可以产生到开关控制块50的一个或多个适当的控制信号，其继而可以向开关28和29产生适当的控制信号以相应地选择性地激活和去激活开关28和29。

另外，电流平均限制控制块35可以产生指示目标平均电流限制的数字信号，dac40可以将其转换为表示流过功率电感器30的最大平均电流的等效模拟目标平均电流信号iavg_lim。可以基于功率电感器30的最大电流限制来设置这种目标平均电流信号iavg_lim，该最大电流限制可以在平均限制控制块35接收的参数之中。平均限制控制块接收的其他参数可以包括电池电压vbat和/或被编程为表示随着电池电压vbat变化的最大电流的参数。附加或替代参数可包括电源电压vsupply、数字音频输入信号dig_in和/或模拟信号vin。

平均限制控制块35还可以基于目标平均电流信号iavg_lim来产生其自己的峰值电流ipk的版本(其可能与补偿器34所产生的峰值不同)，以使得基于控制回路，电感器电流il不超过最大电流限制，该控制回路包括积分器52、积分比较器54和锁存器56。如图3所示，多路复用器37可以基于从多路复用器选择块39传送来的控制信号，选择由补偿器34和平均限制控制块35产生的峰值电流信号之一。

可以配置多路复用器选择块39，使得如果由补偿器34确定的峰值电流小于由平均限制控制块35确定的峰值电流，则多路复用器选择块39可以使多路复用器37选择由补偿器34确定的峰值电流。另一个方面，如果由补偿器34确定的峰值电流大于由平均限制控制块35确定的峰值电流，则多路复用器选择块39可使多路复用器37选择由平均限制控制块35确定的峰值电流。

在一些实施例中，可以通过分析锁存器48的输出和锁存器56的输出的定时信息来确定功率电感器30的最大电流限制。因为补偿器34的输出可以被添加有斜率补偿值，所以电感器电流il的峰值电流的实际的值可能不同于补偿器34的输出所代表的值。这样，当施加限流行为时(例如，通过多路复用器选择模块39，使多路复用器37选择由平均限制控制块35确定的峰值电流)时，补偿器34在该时间点的值可以由平均限制控制块35记录，并用作确定补偿器34的值是否已减少到低于受控限制电流值的参考，如由目标平均电流信号iavg_lim所表示的。

因此，平均限制控制块35可以操作以维持如在升压转换器20a的多个开关周期上测量的电感器电流il，以在如由平均限制控制块35在dac40的输入上设置的平均电流限制下操作。因此，升压转换器20a可以增加输送到dac38的输入的峰值电流的值，直到电感器电流il的平均值大于传递到dac40的输入的峰值电流的值为止。一旦发生这种情况，平均限制控制块35就可以操作，以减少传递到dac38的输入的峰值电流的值，直到电感器电流il的平均值小于传递到dac40的输入的峰值电流的值的值为止。这样的操作可以随着时间的流逝将平均电感器电流保持在由dac40的输出表示的当前iavg_lim值。

为了进一步说明，请考虑图4所示的测量电流il和目标平均电流信号iavg_lim的波形。由于升压转换器20a必须在伏秒平衡下操作，因此ccm第二相位(相位b)期间的平均电流必须等于处于稳定状态下第一相位(相位a)期间的平均电流。一个简单的分析可以表明，在第一相位(相位a)期间，如果功率电感器30的平均电流等于所需的平均电流iavg_desired，则第一相位(相位a)期间实际电感器电流il的数学积分将等于第一相位期间所需的平均电流的数学积分。因此，如果第一相位的持续时间为t1，则可以知道：

因此：

并且

因此：

如上面的方程式所示，如果在第一相位(相位a)对测量的电感器电流il与所需的平均电流iavg_desired之间的差进行积分，则积分的结果将为零(0)。上面的方程式表明，如果对t1周期内的值进行积分，则该值将为零。同样，如果对差进行积分，则积分结果为零(0)时可以找到t1值。图4还示出了所测量的电感器电流il与所需的平均电流iavg_desired之间的差的积分值。减法的顺序并不严格，因为关键检测点是积分等于零时。

为了利用上述分析，积分器52可以计算实际电感器电流il与目标平均电流信号iavg_lim之间的差的数学积分，并且积分器比较器54可以将结果与零进行比较，使得锁存器56可以产生指示当积分器52执行的积分为零时的输出。作为这种输出的结果，数字补偿和电流平均限制控制块34可以适当地修改升压转换器20a的后续开关周期的目标平均电流信号iavg_lim和峰值电流ipk。

因此，为了在控制峰值电流的同时减少对电感器变化的担忧并完全消除确定平均电流时的相关误差，可以在电流平均比较器之前提供积分器电路以允许确定何时升压转换器的平均输入电流越过阈值电路。可以提供消隐电路(blankingcircuitry)(未示出)以允许电流平均比较器在第一相位(相位a)开始时不指示阈值被越过，因为积分器可以在第一相位开始时设置为零。

图5示出了根据本公开的实施例的具有最大电流限制控制的示例峰值电流控制升压转换器20b的所选组件的框图，其可以用于实现图2所示的电源10。图5的升压转换器20b在许多方面可以与图3的升压转换器20a相似。因此，下面仅描述升压转换器20b和升压转换器20a之间的材料差异。

特别地，升压转换器20b和升压转换器20a之间的主要差异在于：(a)将升压转换器20a的平均限制控制块35替换为升压转换器20b中的最大限制控制块41，(b)升压转换器20a的积分器52在升压转换器20b中不存在，(c)比较器54接收测量的电感器电流il和由最大限制控制块41产生并由dac40转换为数字域的最大电流imax_lim作为其输入。

在操作中，电流最大限制控制块41可以产生指示目标最大电流限制的数字信号，dac40可以将其转换为表示流过功率电感器30的最大瞬时电流的等效模拟目标最大电流信号imax_lim。可以基于最大限制控制块41接收的一个或多个参数来设置目标最大电流信号。平均限制控制块接收的其他参数可以包括电池电压vbat和/或被编程为表示随着电池电压vbat变化的最大电流的参数。附加或替代参数可包括电源电压vsupply，数字音频输入信号dig_in和/或模拟信号vin。

最大限制控制块41还可以基于目标最大电流信号imax_lim来产生其自己的峰值电流ipk的版本(其可以与补偿器34所产生的峰值不同)，使得电感器电流il基于包括比较器54和锁存器56的控制回路不超过最大电流限制。如图5所示，多路复用器37可以基于从多路复用器选择块39传送的控制信号，选择由补偿器34和最大限制控制块41产生的峰值电流信号之一。

可以配置多路复用器选择块39，使得如果由补偿器34确定的峰值电流小于由最大限制控制块41确定的峰值电流，则多路复用器选择块39可以使多路复用器37选择由补偿器34确定的峰值电流。另一个方面，如果由补偿器34确定的峰值电流大于由最大限制控制块41确定的峰值电流，则多路复用器选择块39可使多路复用器37选择由最大限制控制块41确定的峰值电流。

在一些实施例中，可以通过分析锁存器48的输出和锁存器56的输出的定时信息来确定功率电感器30的最大电流限制。因为补偿器34的输出可以被添加有斜率补偿值，所以电感器电流il的峰值电流的实际的值可能不同于补偿器34的输出所代表的值。这样，当施加限流行为时(例如，通过多路复用器选择模块39，使多路复用器37选择由最大限制控制块41确定的峰值电流)，补偿器34在该时间点的值可以由最大限制控制块41记录，并用作确定补偿器34的值是否已降低到低于受控限制电流值的参考，如由目标最大电流信号imax_lim所示。

因此，最大限制控制块41可以操作以维持如升压转换器20b内所测量的电感器电流il，以在由最大限制控制块41在到dac40的输入上设置的最大电流限制之下操作。因此，升压转换器20b可以增加传递到dac38的输入的峰值电流的值，直到电感器电流il大于传递到dac40的输入的峰值电流的值为止。一旦发生这种情况，最大限制控制块41可以操作以减小传递到dac38的输入的峰值电流的值，直到电感器电流il小于传递到dac40的输入的峰值电流的值为止。这样的操作可以随着时间的流逝将电感电流保持在如由dac40的输出所示的imax_lim值或以下。

根据前述内容，本文公开的系统和方法可以提供用于通过监视流过升压转换器的功率电感器的电流并检测当功率电感器的所监视的电流与所需的平均电流之间的差的数学积分何时等于零来限制峰值受控转换器中的平均电流的方法。此外，本文公开的系统和方法提供用于基于对差的数学积分何时等于零的检测来控制升压转换器的开关的开关行为。例如，可以基于功率电感器的峰值电流的设置来控制升压转换器的开关的开关行为，并且可以基于对差的数学积分何时等于零的检测来控制升压转换器。升压转换器的开关的开关行为可以被控制为使得升压转换器根据所需的升压输出电压来产生实际的升压输出电压。此外，可以实现回路滤波器以控制升压转换器的开关的开关行为，以使升压转换器根据所需的升压输出电压来产生实际的升压输出电压。

此外，本文公开的系统和方法可以通过在升压转换器的开关周期期间检测到与升压转换器相关的测得的平均电流等于或大于所需的值并且基于检测控制升压转换器的开关的开关行为来提供用于限制峰值受控升压转换器中的平均电流的方法。可以基于功率电感器的峰值电流的设置来控制升压转换器的开关的开关行为，并且可以基于与升压转换器相关的测得的平均电流等于或大于所需的平均电流来控制升压转换器。升压转换器的开关的开关行为可以被控制为使得升压转换器根据所需的升压输出电压来产生实际的升压输出电压。此外，可以实现回路滤波器以控制升压转换器的开关的开关行为，以使升压转换器根据所需的升压输出电压来产生实际的升压输出电压。

如本文中所使用的，当两个或两个以上元件被称为彼此“耦合”时，该术语表示这样的两个或更多个元件处于电子通信或机械通信中(视情况而定)，无论是间接连接还是直接连接、带有或不带有中间元件。

本公开内容包括本领域普通技术人员将理解的对本文的示例性实施例的所有改变、替换、变化、变更和修改。类似地，在适当的情况下，所附权利要求涵盖本领域技术人员将理解的对本文的示例性实施例的所有改变、替换、变化、变更和修改。此外，适用于、布置为、能够、配置为、启用、可操作或有效以执行特定功能的装置或系统的组件或所附权利要求中的装置或系统的参考包括该装置、系统或组件，无论它或其特定功能是否被激活、接通或解锁，只要该装置、系统或组件如此适用、布置、能够、配置、启用、可操作或有效即可。

本文叙述的所有示例和条件语言旨在用于教学目的，以帮助读者理解本发明和发明人为进一步发展本领域所做出的构思，并且被解释为不限于这种具体叙述的示例和条件。尽管已经详细描述了本发明的实施例，但是应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变、替换和变更。