DC-DC转换器电路和对应操作方法与流程

本说明书涉及dc-dc开关转换器，特别涉及被配置为在轻负载条件下以不连续导通模式(dcm)或脉冲跳过模式操作的dc-dc转换器。

背景技术：

1、dc-dc转换器用于各种应用中以生成复杂系统正确操作并且根据预期性能所需要的电源电压轨。很多这样的系统都是为高效率和高性能而设计的，并且转换器通常在设计阶段“量身定制”以满足客户的应用场景。为了提高效率和性能两者，常规的dc-dc转换器可以以多种操作模式操作。特别地，在重负载条件下，期望转换器在连续导通模式(ccm)下操作，即，依赖于在特定(固定)开关频率fsw下的脉宽调制(pwm)控制。在轻负载条件下，期望转换器在不连续导通模式(dcm)或脉冲跳过模式下操作，以减少能耗。脉冲跳过模式操作用于以控制的方式减少开关活动，并且它在低负载下提高了效率(例如，减少了转换器静态电流)。

2、参考图1a和图1b可以更好地理解dc-dc转换器中对多种操作模式的需求。特别地，图1a示出了dc-dc转换器的功率损耗ploss(上部)和效率η(下部)作为负载电流iload的函数的示例图，其中转换器在整个iload范围之上以pwm模式操作。图1b示出了dc-dc转换器的功率损耗ploss(上部)和效率η(下部)作为负载电流iload的函数的示例图，其中转换器在轻负载下(即，当负载电流iload低于阈值ith：iload<ith时)以跳过模式操作，而在重负载下(即，当负载电流iload高于阈值ith：iload>ith时)以pwm模式操作。在图1a和图1b的上图中，指出了对功率损耗ploss的各种贡献，特别是：静态贡献(实线)、开关贡献(虚线)和传导贡献(点划线)。因此，pwm操作的dc-dc转换器中的损耗机制可以大致分为三类：传导损耗、开关损耗、以及静态损耗，静态损耗是由于由控制和其他辅助电路系统汲取的静态电流引起。在pwm模式中，转换器通过以固定频率fsw操作来调节输出，因此开关损耗和静态损耗是恒定的，而传导损耗是作为负载电流的函数(例如，与负载电流成比例)而改变。高开关频率带来的大开关损耗严重降低了轻负载条件下的效率。

3、因此，如图1b所示，轻负载下的效率可以通过以下技术来提高：转换器不再在ccm中操作，而是在dcm中操作，使得线圈电流不会变为负，并且可以防止负载向输入电源放电；和/或在保持输出调节的同时降低开关活动；在这种情况下，必须容忍更高的输出纹波。

4、在本领域和本说明书中，术语“跳过模式”通常用于指示非pwm操作，其中通过改变开关频率而不是调制转换器控制信号的占空比来获取转换器的输出调节。跳过模式的一种特殊情况是脉冲频率调制(pfm)，也称为“单脉冲操作”，其中转换器开关频率根据输出负载的需要被调制(即，负载越低，开关活动越低)。另一种跳过模式是突发模式：在这种情况下，通过故意避免(跳过)一个或多个pwm周期来获取跳过操作，使得转换器以pfm与pwm之间的一种混合模式操作。与pfm相反，在突发模式中，转换器不以单个脉冲操作，因为它向输出提供多个脉冲或电荷分组(即，脉冲串或突发)，然后再次等待。术语“跳过模式”通常也用于指示突发模式。

5、所有上述跳过模式在本领域中是已知的(通常简单地表示为低功率模式)，并且在减少轻负载下的静态消耗以及因此提高效率方面是有效的。

6、在特定应用领域，诸如用于为amoled显示器供电的dc-dc转换器(例如，用于智能手机、平板电脑、智能手表等)，期望特征是在转换器开关频率和采样窗口上平均的跳过/突发活动两个方面选择性地避免转换器在特定频带中操作的可能性。这样的(可编程的)“阻带”通常跨越1khz至100khz的范围，并且可以由客户即时改变。例如，第一阻带可以跨越15khz至35khz的范围，第二阻带可以跨越30khz至50khz的范围，第三阻带可以跨越60khz至80khz的范围。并且dc-dc转换器可以是可编程的以动态地从一个阻带切换到另一阻带。在这种情况下，dc-dc转换器被要求具有监测其活动并且检测其操作何时位于这种不期望的频带内的能力。转换器因此被配置为在其检测到其在禁止频带内以稳态操作时改变其操作。

7、通常，当转换器在ccm中操作时，避免(多个)阻带不是问题，因为开关频率fsw通常远高于(多个)阻带的上限(例如，fsw可以约为1.5mhz)。当转换器以跳过/突发操作模式(例如，在轻负载操作区域)操作时，避免在(多个)阻带中的操作可能更加困难。

8、当dc-dc转换器在禁止频带内以跳过模式操作时，必须在不影响性能的情况下改变其操作。特别地，转换器应当保持在跳过模式而不移动到固定频率dcm/ccm模式(即，不移动到纯pwm操作)，以便不降低轻负载效率和/或静态消耗。此外，输出纹波仍不应当超过最大指定限值，并且ccm模式下的性能(例如，稳定性、效率、电流能力等)不应当受到影响。

9、此外，转换器避免在某些禁止频带中操作同时仍然满足预期性能的能力应当针对可能的变化而保留，例如，这是由于：操作条件和参数(例如，输入电压vin、输出电压vout、负载、电感l、电容c、开关频率fsw、寄生效应等的变化)；工艺、电压或温度(pvt)变化；和/或在转换器电路的最终测试、封装和组装之后也发生的其他原因(例如，老化、焊接等)。

10、因此，在本领域中需要为dc-dc转换器提供关于阻带避免功能的改进的操作(例如，改进的控制算法)，特别是在轻负载条件下。

11、本领域需要在提供这种改进的dc-dc转换器方面做出贡献。

技术实现思路

1、一个或多个实施例可以涉及一种dc-dc转换器电路。

2、一个或多个实施例可以涉及一种操作dc-dc转换器的对应方法。

3、根据本说明书的第一方面，dc-dc转换器电路中的开关级被配置为产生输出电压。误差放大器具有第一输入端子和第二输入端子，第一输入端子被配置为接收指示输出电压的反馈信号，第二输入端子被配置为接收参考电压信号以产生用于dc-dc转换器的占空比控制信号。第一比较器具有第一输入端子和第二输入端子，第一输入端子被配置为接收占空比控制信号，第二输入端子被配置为接收斜坡信号以产生用于控制开关级的脉宽调制驱动信号。第二比较器具有第一输入端子和第二输入端子，第一输入端子被配置为接收占空比控制信号，第二输入端子被配置为接收跳过阈值信号以产生用于控制开关级的跳过控制信号。开关级的开关操作响应于跳过控制信号被解除断言而被停止。时钟发生器被配置为产生时钟信号。控制电路被配置为：在具有限定持续时间的监测时间窗口期间对跳过控制信号的周期数进行计数；在跳过控制信号的周期期间对时钟信号的周期数进行计数；当所计数的跳过控制信号的周期数在第一范围内并且所计数的时钟信号的周期数在第二范围内时，断言共用检测信号；并且响应于共用检测信号被断言而改变跳过阈值信号的值。

4、因此，一个或多个实施例可以有助于避免dc-dc转换器在禁止频带中的操作，特别是在转换器以跳过模式操作时的轻负载条件下。

5、在一个或多个实施例中，控制电路包括第一计数器，第一计数器被配置为在相应时钟输入端子处接收时钟信号并且在相应异步复位端子处接收第一使能信号。第一计数器响应于第一使能信号被解除断言而被复位，并且响应于第一使能信号被断言而对时钟信号的脉冲进行计数以产生第一计数值。控制电路包括第一逻辑电路，第一逻辑电路被配置为接收时钟信号、跳过控制信号和第一计数值，并且产生第一使能信号和第一检测信号。第一使能信号在时钟信号的边缘被检测到时被断言，并且在第一计数值高于第二范围的上限时被解除断言，并且还在跳过控制信号的每个周期的开始处被周期性地解除断言。第一检测信号在跳过控制信号的边缘被检测到时被断言，并且在第一计数值高于第二范围的上限时或者在跳过控制信号的周期的开始处第一计数值在第二范围之外的情况下不被断言。

6、在一个或多个实施例中，控制电路包括第二计数器，第二计数器被配置为在相应时钟输入端子处接收时钟信号并且在相应异步复位端子处接收第二使能信号。第二计数器响应于第二使能信号被解除断言而被复位，并且响应于第二使能信号被断言而对时钟信号的脉冲进行计数以产生定时器计数值。控制电路包括第三计数器，第三计数器被配置为在相应时钟输入端子处接收跳过控制信号并且在相应异步复位端子处接收第二使能信号。第三计数器响应于第二使能信号被解除断言而被复位，并且响应于第二使能信号被断言而对跳过控制信号的脉冲进行计数以产生第二计数值。控制电路包括第二逻辑电路，第二逻辑电路被配置为接收时钟信号、跳过控制信号、第一计数值、第一检测信号、第二计数值和定时器计数值，并且产生第二使能信号和共用检测信号。第二使能信号响应于时钟信号中的脉冲而被断言，并且响应于以下各项而被解除断言：i)时钟信号被解除断言并且第二计数值等于0并且跳过控制信号被解除断言，或者ii)定时器计数值达到阈值，或者iii)第二计数值高于第一范围，或者iv)第一检测信号被解除断言。如果当定时器计数值达到阈值时第二计数值在第一范围内，则共用检测信号被断言。

7、在一个或多个实施例中，dc-dc转换器电路包括第四计数器，第四计数器被配置为产生指示共用检测信号的连续断言的次数的第三计数值。控制电路被配置为根据第三计数值来改变跳过阈值信号的值。

8、在一个或多个实施例中，控制电路被配置为响应于第三计数值增加而迭代地调节跳过阈值信号的值，特别地，在第三计数值低于阈值时迭代地增加跳过阈值信号的值，而在第三计数值高于阈值时迭代地减小跳过阈值信号的值。

9、在一个或多个实施例中，电阻分压器被配置为产生多个电压信号，并且多路复用器电路被配置为根据第三计数值来选择多个电压信号中的一个电压信号并且将所选择的电压信号传递到第二比较器的第二输入端子。

10、在一个或多个实施例中，参考输入节点被配置为接收另外的参考电压信号，并且电压缓冲电路被配置为将另外的参考电压信号传播到电阻器的第一端子。电阻器具有耦合到第二比较器的第二输入端子的第二端子。可编程电流源被配置为向电阻器的第二端子源送可编程电流。可编程电流的值取决于第三计数值。

11、在一个或多个实施例中，参考输入节点被配置为接收另外的参考电压信号。电压缓冲电路被配置为将另外的参考电压信号传播到可编程电阻器的第一端子。可编程电阻器具有耦合到第二比较器的第二输入端子的第二端子。可编程电阻器的电阻值取决于第三计数值。电流源被配置为向可编程电阻器的第二端子源送电流。

12、根据本说明书的另一方面，根据一个或多个实施例的一种操作dc-dc转换器电路的方法包括：在开关级产生输出电压；在误差放大器处接收指示输出电压的反馈信号、和参考电压信号，从而产生用于dc-dc转换器的占空比控制信号；在第一比较器处接收占空比控制信号和斜坡信号，从而产生用于控制开关级的脉宽调制驱动信号；在第二比较器处接收占空比控制信号和跳过阈值信号，从而产生用于控制开关级的跳过控制信号，其中开关级的开关操作响应于跳过控制信号被解除断言而停止；在时钟发生器处产生时钟信号；在具有限定持续时间的监测时间窗口期间对跳过控制信号的周期数进行计数；在跳过控制信号的周期期间对时钟信号的周期数进行计数；当所计数的跳过控制信号的周期数在第一范围内并且所计数的时钟信号的周期数在第二范围内时，断言共用检测信号；以及响应于共用检测信号被断言而改变跳过阈值信号的值。