本申請涉及升壓變換器的輸出功率最大化的占空比的檢測，并且特別地涉及具有生成占空比并且根據(jù)占空比操作升壓變換器的反饋級的升壓變換器。

背景技術(shù)：

升壓變換器在傳統(tǒng)上以具有固定的最大值的可變占空比操作。將升壓變換器限制為最大占空比保護(hù)升壓變換器免受過多的電感器電流的影響，但是沒有使由升壓變換器提供的輸出功率最大化。例如，當(dāng)由電壓源(諸如電池)提供的輸入可變(最大)功率隨著時間和使用而降低時，升壓變換器的輸出功率意圖通過反饋調(diào)節(jié)回路保持恒定。然而，在占空比被限制為最大值D_MAX的情況下，升壓變換器沒有達(dá)到期望的輸出電壓，并且因此沒有達(dá)到期望的輸出功率。另外，在沒有固定(或者在高值)占空比極限的情況下操作升壓變換器引入了使得升壓變換器變得不穩(wěn)定的風(fēng)險。通過超過某個臨界占空比值D_CRIT，升壓變換器變得不穩(wěn)定并且落入升壓變換器輸入輸出變換特性的負(fù)增益區(qū)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

升壓變換器是一種直流(DC)到DC(DC到DC)變換器，其(向負(fù)載)提供比(例如通過電源，諸如電池)向升壓變換器提供的輸入電壓大的輸出電壓。升壓變換器可以根據(jù)指定升壓變換器的開關(guān)的定時的占空比來操作。在0到1的范圍內(nèi)的占空比指定升壓變換器的輸出電壓。

為了操作升壓變換器，存在使升壓變換器的輸出功率(和輸出電 壓)最大化的臨界占空比。以更低的占空比操作升壓變換器不會產(chǎn)生最大可能輸出電壓。然而，在很多應(yīng)用和情況下，期望的輸出電壓小于最大可能輸出電壓。因此，在這些情況下，升壓變換器可以以小于臨界占空比D_CRIT的占空比操作。如果想要更高的輸出電壓，則增加占空比以提供更高的輸出電壓。然而，重要的是不超過臨界占空比。以比臨界占空比更高的占空比操作升壓變換器將產(chǎn)生更低的電壓并且可能導(dǎo)致使升壓變換器變得不穩(wěn)定(由于負(fù)增益)。

本公開的目的是提供一種檢測設(shè)備，以至少部分地解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題。

根據(jù)本公開的一個方面，提供了一種檢測設(shè)備，包括：

升壓變換器，包括具有第一寄生電阻的第一開關(guān)和具有第二寄生電阻的第二開關(guān)以及具有第三寄生電阻的電感，所述升壓變換器被配置成輸出輸出電壓；

脈沖寬度調(diào)制器，被配置成根據(jù)占空比操作所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)并且基于所接收的電壓調(diào)節(jié)所述占空比；

多個電壓感測級，被配置成感測相應(yīng)的多個電壓，所述多個電壓中的每個電壓取決于以下項(xiàng)中的一項(xiàng)或多項(xiàng)：所述輸出電壓、跨所述第一寄生電阻的電壓、跨所述第二寄生電阻的電壓以及跨所述第三寄生電阻的電壓；

占空比限制器，被配置成將所述多個電壓相比較并且輸出指示用于操作所述升壓變換器的臨界占空比的第一電壓差；以及

反饋控制器，被配置成：

接收所述輸出電壓、參考電壓和所述第一電壓差；

確定所述輸出電壓與所述參考電壓之間的第二電壓差；

將所述第二電壓差限制為所述第一電壓差；以及

向所述脈沖寬度調(diào)制器輸出所述第二電壓差以調(diào)節(jié)用以操作所述升壓變換器的所述占空比。

根據(jù)示例性實(shí)施例，所述多個電壓包括第一電壓和第二電壓，所述第一電壓是所述輸出電壓與跨所述第二寄生電阻和所述第三寄生 電阻的電壓的和之間的差值。

根據(jù)示例性實(shí)施例，所述第一電壓僅在所述占空比的第二周期上被供應(yīng)，并且在所述占空比的持續(xù)時間上被求平均。

根據(jù)示例性實(shí)施例，所述多個電壓包括第一電壓和第二電壓，所述第二電壓是跨所述第一寄生電阻和所述第三寄生電阻的電壓之和。

根據(jù)示例性實(shí)施例，所述第二電壓僅在所述占空比的第一周期上被供應(yīng)，并且在所述占空比的持續(xù)時間上被求平均。

根據(jù)示例性實(shí)施例，所述占空比具有第一周期和第二周期，在所述第一周期期間，所述脈沖寬度調(diào)制器將所述第一開關(guān)切換至導(dǎo)電狀態(tài)并且將所述第二開關(guān)切換至非導(dǎo)電狀態(tài)，在所述第二周期期間，所述脈沖寬度調(diào)制器將所述第一開關(guān)切換至所述非導(dǎo)電狀態(tài)并且將所述第二開關(guān)切換至所述導(dǎo)電狀態(tài)。

根據(jù)本公開的另一方面，提供了一種檢測設(shè)備，包括：

升壓變換器，具有多個電部件，所述多個電部件分別具有多個寄生電阻，所述升壓變換器被配置成根據(jù)占空比操作并且被配置成輸出輸出電壓；以及

反饋級，被配置成感測相應(yīng)的多個電壓，所述多個電壓中的每個電壓分別取決于跨所述多個寄生電阻的多個電壓降中的一個或多個電壓降，所述反饋級被配置成至少部分基于所述多個電壓確定臨界占空比并且將用以操作所述升壓變換器的所述占空比限制為所述臨界占空比。

根據(jù)示例性實(shí)施例，所述升壓變換器包括第一開關(guān)、第二開關(guān)和電感，所述多個寄生電阻包括用于所述第一開關(guān)的第一寄生電阻、用于所述第二開關(guān)的第二寄生電阻以及用于所述電感的第三寄生電阻，并且所述占空比具有第一周期和第二周期，在所述第一周期期間，所述第一開關(guān)處于導(dǎo)電狀態(tài)并且所述第二開關(guān)處于非導(dǎo)電狀態(tài)，在所述第二周期期間，所述第一開關(guān)處于所述非導(dǎo)電狀態(tài)并且所述第二開關(guān)處于所述導(dǎo)電狀態(tài)。

根據(jù)示例性實(shí)施例，所述反饋級包括第一電壓感測級和第二電壓 感測級。

根據(jù)示例性實(shí)施例，所述第一電壓感測級包括：

第一濾波器，與所述電感并聯(lián)耦合，并且被配置成感測作為跨第一寄生電阻和第三寄生電阻的電壓降之和的第一電壓并且輸出所述第一電壓；

第一周期電壓縮放級，耦合到所述第一濾波器并且被配置成按照所述第一周期與所述占空比的持續(xù)時間的比例縮放所述第一電壓；

第二濾波器，耦合到所述第一周期電壓縮放級，并且被配置成感測縮放后的所述第一電壓并且輸出縮放后的所述第一電壓。

根據(jù)示例性實(shí)施例，所述第一濾波器包括在第一中間節(jié)點(diǎn)處彼此串聯(lián)耦合的第一電阻和第一電容；

所述第一電壓縮放級包括第三開關(guān)和第四開關(guān)，所述第三開關(guān)耦合在所述第一中間節(jié)點(diǎn)與第二中間節(jié)點(diǎn)之間，所述第四開關(guān)耦合在所述第二中間節(jié)點(diǎn)與接地節(jié)點(diǎn)之間，所述第三開關(guān)被配置成在所述第一周期期間被置于所述導(dǎo)電狀態(tài)并且在所述第二周期期間被置于所述非導(dǎo)電狀態(tài)，所述第四開關(guān)被配置成在所述第一周期期間被置于所述非導(dǎo)電狀態(tài)并且在所述第二周期期間被置于所述導(dǎo)電狀態(tài)；

所述第二濾波器包括彼此串聯(lián)耦合的第二電阻和第二電容，所述第二濾波器與所述第四開關(guān)并聯(lián)耦合，所述第二濾波器感測跨所述第二電容的所述第一電壓。

根據(jù)示例性實(shí)施例，所述第二電壓感測級包括：

電壓求和級，耦合到所述第一電壓感測級并且被配置成感測跨所述第二寄生電阻和所述第三寄生電阻的電壓降之和；

電壓減法級，耦合到所述電壓求和級和所述升壓變換器的輸出端子，并且被配置成確定由所述輸出端子提供的所述升壓變換器的輸出電壓與跨所述第二寄生電阻和所述第三寄生電阻的所述電壓降之和之間的電壓差；

第二周期電壓縮放級，耦合到所述電壓減法級并且被配置成按照所述占空比的所述第二周期與所述占空比的持續(xù)時間的比例縮放所 述電壓差；

濾波器，耦合到所述第二周期電壓縮放級，并且被配置成感測縮放后的所述電壓差并且輸出縮放后的第二電壓。

根據(jù)示例性實(shí)施例，所述反饋級包括：

占空比限制級，耦合到所述第一電壓感測級和所述第二電壓感測級，并且被配置成從所述第一電壓感測級接收縮放后的第一電壓并且從所述第二電壓感測級接收縮放后的第二電壓，所述占空比限制級被配置成確定所述縮放后的第一電壓與所述縮放后的第二電壓之間的第一電壓差并且輸出所述第一電壓差。

根據(jù)示例性實(shí)施例，所述反饋級包括：

脈沖寬度調(diào)制器，被配置成根據(jù)所述占空比操作所述升壓變換器；以及

反饋控制級，耦合到所述升壓變換器、所述占空比限制級和所述脈沖寬度調(diào)制器，所述占空比限制級被配置成接收參考電壓和所述升壓變換器的輸出電壓，確定所述參考電壓與所述輸出電壓之間的第二電壓差，確定所述第一電壓差和所述第二電壓差中的最小電壓并且向所述脈沖寬度調(diào)制器輸出所述最小值。

根據(jù)示例性實(shí)施例，所述脈沖寬度調(diào)制器被配置成根據(jù)所述最小電壓調(diào)節(jié)所述升壓變換器的所述占空比，使得所述占空比不超過使所述升壓變換器的輸出功率最大化的臨界占空比。

本文中描述了一種反饋級，其檢測升壓變換器的臨界占空比D_CRIT。在升壓變換器的操作期間，當(dāng)期望更高的輸出電壓并且占空比增加時，反饋級確保升壓變換器以臨界占空比D_CRIT或者低于臨界占空比D_CRIT操作(封頂)。封頂占空比確保在想要的情況下輸出最大輸出電壓。另外，封頂占空比避免了通過增加占空比使其超過臨界占空比D_CRIT而將升壓變換器的增益反轉(zhuǎn)并且避免了使升壓變換器變得不穩(wěn)定或者破壞升壓變換器。

附圖說明

圖1示出了包括升壓變換器和占空比限制反饋級的設(shè)備的框圖；

圖2示出了耦合到脈沖寬度調(diào)制器的升壓變換器；

圖3示出了具有建模的寄生電阻和負(fù)載電阻的升壓變換器；

圖4示出了取決于變化后的占空比的用于各種寄生電阻和負(fù)載電阻的升壓變換器的輸出電壓的圖；

圖5示出了耦合到電壓感測級的升壓變換器；

圖6示出了根據(jù)實(shí)施例的耦合到電壓感測級的升壓變換器；

圖7示出了耦合到動態(tài)占空比限制器的參考圖5描述的電壓感測級；

圖8示出了根據(jù)實(shí)施例的耦合到電壓感測級的升壓變換器；

圖9示出了根據(jù)實(shí)施例的耦合到電壓感測級的升壓變換器；以及

圖10示出了根據(jù)實(shí)施例的耦合到反饋控制器的動態(tài)占空比限制器。

具體實(shí)施方式

圖1示出了包括升壓變換器102a和反饋級101a的設(shè)備100a的框圖。反饋級101a包括臨界占空比檢測器104a、動態(tài)占空比限制器106a、反饋控制器106b和脈沖寬度調(diào)制器112a。臨界占空比檢測器104a包括電壓感測級105a。臨界占空比檢測器104a耦合到升壓變換器102a和動態(tài)占空比限制器106a。特別地，臨界占空比檢測器104a的電壓感測級105a在其輸入處耦合到升壓變換器102a并且在其輸出處耦合到動態(tài)占空比限制器106a。動態(tài)占空比限制器106a在其輸入處耦合到臨界占空比檢測器104a的輸出。動態(tài)占空比限制器106a在其輸出處耦合到反饋控制器106b。反饋控制器106b在其輸入處耦合到動態(tài)占空比限制器106a的輸出、升壓變換器102a的輸出端子118和參考電壓。反饋控制器106b的輸出耦合到脈沖寬度調(diào)制器112a的輸入。脈沖寬度調(diào)制器112a在其輸出處耦合到升壓變換器102a。

升壓變換器102a在升壓變換器102a的輸入處耦合到電壓源114a并且在升壓變換器102a的輸出處耦合到負(fù)載116a。可以是諸如鋰離 子電池等電池的電壓源114a向升壓變換器102a供應(yīng)電壓(輸入電壓)。所供應(yīng)的電壓可以根據(jù)電壓源114a的額定電壓，其例如可以是3伏特(V)或者其他額定電壓。另一方面，負(fù)載116a從升壓變換器102a汲取電壓(輸出電壓)。負(fù)載116a可以是升壓變換器向其供應(yīng)電壓的消費(fèi)電子耳機(jī)等。負(fù)載116a在圖1中被示出為從升壓變換器102a的輸出端子118汲取輸出電壓。

升壓變換器102s向負(fù)載116a供應(yīng)比電壓源114a向升壓變換器102s供應(yīng)的輸入電壓高的輸出電壓。

如本文中所描述的升壓變換器102a的操作依賴于升壓變換器102a的一對開關(guān)的接通(置于導(dǎo)電狀態(tài))和斷開(置于非導(dǎo)電狀態(tài))的定時。脈沖寬度調(diào)制器112a如本文中所描述地根據(jù)占空比控制升壓變換器102a的開關(guān)的接通和斷開。占空比表示開關(guān)之一接通的時間與該開關(guān)接通或斷開的總時間的百分比。

臨界占空比檢測器104a的電壓感測級105a感測如本文中所描述的升壓變換器102a的電壓數(shù)并向動態(tài)占空比限制器106a輸出所感測的電壓。動態(tài)占空比限制器106a接收所感測的電壓并且比較所感測的電壓。所感測的電壓之間的差值指示可以以其對升壓變換器102a進(jìn)行操作的臨界占空比。臨界占空比表示在電壓源114a的輸出功率給定的情況下升壓變換器102a以其提供最高輸出電壓的占空比。臨界占空比還維持升壓變換器102a的穩(wěn)定性和安全操作。維持穩(wěn)定的升壓變換器102a包括避免升壓變換器102a的增益反轉(zhuǎn)以及避免負(fù)反饋情況。

升壓變換器102a不一定需要以臨界占空比操作。臨界占空比是在輸入功率給定的情況下升壓變換器102a以其輸出最大電壓的極限或邊界。如果想要更小的輸出電壓，則升壓變換器102a可以使用更低的占空比來操作。

反饋控制器106b從動態(tài)占空比限制器106a接收臨界占空比的指示。反饋控制器106b還接收升壓變換器102a的輸出電壓作為輸出端子118上的輸出。反饋控制器106b還接收參考電壓，以便提供期望 輸出電壓的反饋調(diào)節(jié)。參考電壓可以具有想要被升壓變換器102a輸出的電壓電平。反饋控制器106b將輸出電壓與參考電壓相比較?；诒容^，反饋控制器106b確定應(yīng)當(dāng)增加還是降低升壓變換器102a以其進(jìn)行操作的占空比。例如，如果輸出電壓小于參考電壓，則可以增加占空比，反之亦然。反饋控制器106b確保占空比沒有被增加超過由動態(tài)占空比限制器106a的輸出信號指示的臨界占空比。

反饋控制器106b向脈沖寬度調(diào)制器112a輸出指示升壓變換器102a的占空比的變化的輸出信號。脈沖寬度調(diào)制器112a接收反饋控制器106b的輸出信號，相應(yīng)地調(diào)節(jié)升壓變換器102a在其上操作的占空比。脈沖寬度調(diào)制器112a根據(jù)占空比操作升壓變換器102a的開關(guān)以實(shí)現(xiàn)接通/斷開定時。

雖然圖1中未示出，然而設(shè)備100a還可以包括警告系統(tǒng)。警告系統(tǒng)可以從動態(tài)占空比限制器106a接收臨界占空比的指示并且確定電壓源114a的輸出功率是否低于閾值。如果是，則警告系統(tǒng)輸出輸出功率低于閾值的警告。另外，設(shè)備100a還可以包括電壓源管理系統(tǒng)。電壓源管理系統(tǒng)可以保護(hù)電壓源114a避免出現(xiàn)過度放電。例如，電壓源管理系統(tǒng)可以對臨界占空比強(qiáng)加另外的限制以限制電壓源出現(xiàn)過度放電。

圖2示出了耦合到脈沖寬度調(diào)制器112b的升壓變換器102b。升壓變換器102b包括電感122、電容124、第一開關(guān)126和第二開關(guān)128。電感耦合在升壓變換器102b的輸入端子120與中間節(jié)點(diǎn)130之間。第一開關(guān)126耦合在中間節(jié)點(diǎn)130與作為接地參考的接地節(jié)點(diǎn)132之間。第二開關(guān)128耦合在中間節(jié)點(diǎn)130與升壓變換器120b的輸出端子118之間，并且電容124耦合在輸出端子118與接地節(jié)點(diǎn)132之間。

脈沖寬度調(diào)制器112b控制在導(dǎo)電狀態(tài)(即當(dāng)開關(guān)126、128接通時)與非導(dǎo)電狀態(tài)(即當(dāng)開關(guān)126、128斷開時)之間切換第一開關(guān)126和第二開關(guān)128。脈沖寬度調(diào)制器112b操作開關(guān)126、128使得開關(guān)126、128隨著時間在導(dǎo)電狀態(tài)和非導(dǎo)電狀態(tài)之間交替并且開關(guān)126、128在任何一個點(diǎn)具有相反的狀態(tài)。

對于第一時間段，脈沖寬度調(diào)制器112b將第一開關(guān)126置于導(dǎo)電狀態(tài)并且將第二開關(guān)128置于非導(dǎo)電狀態(tài)。對于第二時間段，脈沖寬度調(diào)制器112b反轉(zhuǎn)開關(guān)126、128的狀態(tài)并且將第二開關(guān)128置于導(dǎo)電狀態(tài)并且將第一開關(guān)16置于非導(dǎo)電狀態(tài)。第一周期的長度與第一周期和第二周期的長度之和之比被稱為升壓變換器102b的占空比，并且在本文中用“D”表示。占空比在0到1之間。

在第一周期期間，由耦合到輸入端子120和接地節(jié)點(diǎn)132的電壓源提供的電壓引起電流流過電感122和第一開關(guān)126。因此，電感122存儲能量。同時，先前已經(jīng)存儲電荷的電容124向耦合在輸出端子118與接地節(jié)點(diǎn)132之間的負(fù)載中放電。因?yàn)榈诙_關(guān)128處于非導(dǎo)電狀態(tài)，所以電容124被阻止向中間節(jié)點(diǎn)130中放電。

在第二周期期間，由電感122存儲的能量被釋放以維持電流流過第二開關(guān)128到達(dá)負(fù)載。電容124的電荷由于來自電感122以及電壓源的電流而被補(bǔ)充。由電感122和電壓源提供的電流的組合(在輸入端子120處)以比由電壓源提供的電壓更高的電壓對電容124充電。因此，在其操作過程期間，升壓變換器102b被稱為對由電壓源提供的輸入電壓升壓。也就是，升壓變換器102b輸出大于輸入電壓的輸出電壓。當(dāng)占空比增加時，升壓變換器102b的輸出電壓也增加，只要占空比不超過升壓變換器102b的臨界占空比。優(yōu)選的是，在占空比增加到臨界占空比以上時在臨界占空比以下操作升壓變換器102b，導(dǎo)致如本文中所描述地反轉(zhuǎn)升壓變換器102b的增益。

升壓變換器102b的電感122、第一開關(guān)126和第二開關(guān)128是非理想部件并且包括寄生電阻。電部件的寄生電阻是指作為部件的一部分的內(nèi)部電阻。寄生電阻阻止部件理想地工作，從而，例如，電開關(guān)可能沒有操作為具有零電阻的路徑。相反，電開關(guān)可能包括通常相對小的寄生電阻。因此，電開關(guān)可能操作為串聯(lián)耦合到寄生電阻的非理想開關(guān)。

由于電感122、第一開關(guān)126和第二開關(guān)128的寄生電阻，參考圖2描述的升壓變換器102b可以建模為具有耦合到其相應(yīng)的寄生電 阻的理想的電感122、第一開關(guān)126和第二開關(guān)128。

圖3示出了具有所建模的寄生電阻的升壓變換器102c。與參考圖2描述的升壓變換器102b類似的圖3的升壓變換器102c的元件具有相同的附圖標(biāo)記。假定升壓變換器102c的電感122、第一開關(guān)126和第二開關(guān)128為沒有寄生電阻的理想部件。它們的寄生電阻分別串聯(lián)耦合到這些元件。

因此，電感電阻134串聯(lián)耦合到電感122。電感電阻134耦合在電感122與輸入端子120之間。第一開關(guān)電阻136串聯(lián)耦合到第一開關(guān)126(在第一開關(guān)126與接地節(jié)點(diǎn)132之間)。第二開關(guān)電阻138串聯(lián)耦合到第二開關(guān)128(在第二開關(guān)128與接地節(jié)點(diǎn)132之間)。注意，圖3所示的寄生耦合是示例性的，在各種實(shí)施例中，電阻134、136、138可以耦合到相應(yīng)的電感122、第一開關(guān)126或第二開關(guān)128的其他端子。

升壓變換器102c的輸出功率(即在輸出端子118與接地節(jié)點(diǎn)132之間獲得的功率)表示為：

P_OUT＝P_IN-P_LOSS 等式(1)，

其中P_IN為在輸入端子120與接地節(jié)點(diǎn)132之間供應(yīng)的輸入功率，P_LOSS為升壓變換器102c中的功率損失。升壓變換器102c中的功率損失通過寄生電阻134、136、138(分別表示為R_COIL、R_DOWN和R_UP)來耗散。升壓變換器102c的輸入功率是到升壓變換器102c的輸入電壓(V_IN)與輸入電流之積。注意，輸入電壓源可以建模為假設(shè)具有零串聯(lián)電阻。也就是，電壓源的最終寄生電阻被包括在R_COIL中，因?yàn)樗鼈兇?lián)連接。到升壓變換器102c的輸入電流整個流過電感122(及其相關(guān)聯(lián)的電感電阻134)并且在本文中表示為I_COIL。因此，升壓變換器102c的輸出功率可以表示為：

由于通過電感122的電流在占空比(表示為D)的第一部分期間 通過第一開關(guān)126及其相關(guān)聯(lián)的第一開關(guān)電阻136，所以第一開關(guān)電阻136耗散的功率被D縮放。類似地，第二開關(guān)電阻138耗散的功率被互補(bǔ)值1-D縮放。

想要使輸出功率最大化的占空比。當(dāng)其相應(yīng)導(dǎo)數(shù)具有零值時，輸出功率最大化，如本文中所描述的。

圖4示出了針對寄生電阻134、136、138以及負(fù)載116a的電阻的各個值的升壓變換器102c的輸出電壓的曲線圖402-408。在特定曲線圖402中，示出了如下升壓變換器的輸出電壓，其輸入電壓為1伏特(V)、電感電阻134為50毫歐(mΩ)、第一開關(guān)電阻136為150mΩ、第二開關(guān)電阻138為250mΩ、負(fù)載電阻為16歐姆(Ω)、并且電容器124電容為4微法拉(μF)。曲線圖404示出了如下升壓變換器的輸出電壓，其輸入電壓為1V、電感電阻134為400mΩ、第一開關(guān)電阻136為320mΩ、第二開關(guān)電阻138為520mΩ、負(fù)載電阻為16Ω、并且電容器124電容為4μF。曲線圖406示出了如下升壓變換器的輸出電壓，其輸入電壓為1V、電感電阻134為1Ω、第一開關(guān)電阻136為320mΩ、第二開關(guān)電阻138為520mΩ、負(fù)載電阻為16Ω、并且電容器124電容為4μF。曲線圖408示出了升壓變換器的輸出電壓，其中輸入電壓為1V、電感電阻134為1Ω、第一開關(guān)電阻136為320mΩ、第二開關(guān)電阻138為520mΩ、負(fù)載電阻為8Ω、并且電容器124電容為4μF。

從曲線圖402-408可知，存在在其處使升壓變換器102c輸出最大電壓的臨界占空比D_CRIT。在高于臨界占空比的占空比中，存在負(fù)增益區(qū)域。在負(fù)增益區(qū)域中，增加占空比導(dǎo)致降低升壓變換器102c的輸出電壓。

為了確定臨界占空比，將升壓變換器102c的輸出功率關(guān)于輸入電流求微分，并且使其等于0。因此：

求得使輸出功率最大化的輸入電流為：

給定等式(4)的輸入電流，在等式(2)中被表示為

的功率損失被確定為：

另外，輸出功率V_INI_COIL-P_Loss被確定為：

升壓變換器102c的功率損失項(xiàng)和輸出功率項(xiàng)相同。因此，推導(dǎo)出，升壓變換器102c的輸出功率在其與升壓變換器102c的功率損失相同時被最大化。

升壓變換器102c的輸出功率可以在輸入電流方面被表示為P_OUT＝I_COIL(1-D)V_OUT。通過使得輸出功率項(xiàng)與等式(2)的功率損失項(xiàng)相等，獲得以下相等關(guān)系：

P_LOSS＝P_OUT 等式(7)，

有利地，消除了I_COIL的平方。等式(7)還可以表示為：

因此，跨當(dāng)電感電阻134、第一開關(guān)電阻136和第二開關(guān)電阻138的平均電壓之和與按照占空比的互補(bǔ)周期(1-D)縮放后的平均輸出電壓相同時，升壓變換器102c的輸出功率被最大化。等式(8)中表示的各種電壓可以被感測，并且占空比可以從0到1被修改，以便獲得具有滿足等式(8)的相等關(guān)系的感測電壓的輸出功率最大化占空比。

圖5示出了耦合到電壓感測級105b的升壓變換器102c。電壓感測級105b包括四個電壓感測子級140a-146a。每個電壓感測子級140a-146a感測等式(8)的相應(yīng)電壓項(xiàng)。電壓感測子級140a-146a可 以是可以感測跨相應(yīng)寄生電阻的平均電壓以及輸出電壓的RC濾波器。另外，電壓感測子級140a-146a可以包括按照互補(bǔ)周期1-D縮放電壓所必需的縮放電路。

第一電壓感測子級140a感測跨電感122的平均電壓，并且因此感測跨電感電阻134的平均電壓。第二電壓感測子級142a感測跨第一開關(guān)電阻136的平均電壓，第三電壓感測子級144a感測跨第二開關(guān)電阻138的平均電壓。第四電壓感測子級146a感測在輸出電壓僅在占空比的第二周期上被提供的情況下的平均輸出電壓。

第一電壓感測子級140a耦合在輸入端子120與中間節(jié)點(diǎn)130之間。第二電壓感測子級142a耦合在中間節(jié)點(diǎn)130與接地節(jié)點(diǎn)132之間。第三電壓感測子級144a耦合在中間節(jié)點(diǎn)130與輸出端子118之間。第四電壓感測子級146a耦合在輸出端子118與接地節(jié)點(diǎn)132之間。電壓感測子級140a-146a可以是如本文中所描述的電阻電容(RC)濾波器。另外，電壓感測子級還可以包括電壓縮放級。如果感測電壓被假定為僅在占空比的一個周期上被提供，則電壓縮放級被包括在電壓感測子級中。例如，第四電壓感測子級146a具有電壓感測級，因?yàn)槠涓袦y(1-D)V_OUT(即輸出電壓在時間上被求平均并且僅在占空比的第二周期上被提供)。

圖6示出了根據(jù)實(shí)施例的耦合到電壓感測級105c的升壓變換器102c。電壓感測級105c包括多個電壓感測子級140b-146b。每個電壓感測子級140b-146b包括RC濾波器并且分別包括分別串聯(lián)耦合的電阻150-156以及電容160-166。除了串聯(lián)耦合的電阻156和電容166，第四電壓感測子級148b還包括第二周期電壓縮放級168。第二周期電壓縮放級168僅在占空比的第二周期上激活輸出電壓。第四電壓感測子級148b的RC濾波器感測在僅在占空比的第二周期上提供輸出電壓的情況下的平均電壓。

第二周期電壓縮放級168包括兩個開關(guān)：耦合在輸出端子118與中間節(jié)點(diǎn)174之間的第一開關(guān)170以及耦合在中間節(jié)點(diǎn)174與接地節(jié)點(diǎn)132之間的互補(bǔ)開關(guān)172。第一開關(guān)170可操作以在占空比的第二 周期(斷開周期)期間切換到導(dǎo)電狀態(tài)并且在占空比的第一周期(接通周期)期間切換到非導(dǎo)電狀態(tài)。第二開關(guān)172具有互補(bǔ)的第一開關(guān)170的反轉(zhuǎn)狀態(tài)。第四電壓感測電路148b的RC濾波器171耦合在中間節(jié)點(diǎn)174與接地節(jié)點(diǎn)132之間。第四電壓感測電路148b的RC濾波器171感測在僅在占空比的第二周期上提供輸出電壓的情況下的平均電壓。使用電壓感測子級140b-146b感測的電壓跨子級的相應(yīng)電容器160-166來讀取。

圖7示出了耦合到動態(tài)占空比限制器106c的參考圖5描述的電壓感測級105b。電壓感測級105b包括多個電壓感測子級140a-146a。動態(tài)占空比限制器106c包括加法器176和比較器178。

第一、第二和第三電壓感測子級140a-144a的輸出耦合到加法器178的輸入。加法器178的輸出以及第四電壓感測子級146a的輸出分別耦合到比較器178的輸入。

第一、第二和第三電壓感測子級140a-144a分別向加法器176輸出感測電壓。加法器176接收第一、第二和第三電壓感測子級140a-144a的輸出。加法器176將所接收的電壓相加以到達(dá)等式(8)的右側(cè)的項(xiàng)。加法器176向比較器178輸出和。第四電壓感測子級146a輸出表示等式(8)的左側(cè)的項(xiàng)的輸出電壓。比較器178將第四電壓感測子級146a的輸出與加法器176的輸出相比較。比較器178輸出電壓之間的差值。該差值用于限制升壓變換器102c的占空比的變化。

等式(8)的輸出功率最大化相等關(guān)系需要感測四個電壓，這需要使用四個電壓感測電路。已知跨電感電阻134的電壓(I_COILR_COIL)可以表示為占空比的第一周期期間跨電感電阻134的電壓(DI_COILR_COIL)與占空比的第二周期上跨電感電阻134的電壓((1-D)I_COILR_COIL)之和，則等式(8)可以重寫為：

(1-D)V_OUT＝DI_COILR_COIL+(1-D)I_COILR_COIL+DI_COILR_DOWN+(1-D)I_COILR_UP

等式(9)。

在相等關(guān)系的相對側(cè)聚集D項(xiàng)和1-D項(xiàng)，等式(9)可以重寫為：

(1-D)(V_OUT-I_COILR_COIL-I_COILR_UP)＝D(I_COILR_COIL+I_COILR_DOWN)

等式(10)

每個等式(10)，僅需要感測兩個電壓并且將其相比較以獲得占空比最大化輸出功率。

圖8示出了根據(jù)實(shí)施例的耦合到電壓感測級105d的升壓變換器102c。電壓感測級105d包括第一電壓感測子級180和第二電壓感測子級182。第一電壓感測子級180包括第一RC濾波器184、第一周期電壓縮放級186和第二RC濾波器188。第二電壓感測子級182包括電壓求和級190、電壓減法級192、第二周期電壓縮放級194和第三RC濾波器196。

在第一電壓感測子級180中，第一RC濾波器184耦合在輸入端子120與中間節(jié)點(diǎn)130之間。第一周期電壓縮放級186耦合到第一RC濾波器184，并且第二RC濾波器188耦合到第一周期電壓縮放級186。

在第二電壓感測子級182中，電壓求和級190耦合到第一電壓感測子級180的第一RC濾波器184和升壓變換器102c的輸出端子118二者。電壓減法(反轉(zhuǎn))級192耦合到電壓求和級190和升壓變換器102c的輸出端子118。第二周期電壓縮放級194耦合到電壓減法級192和升壓變換器102c的接地節(jié)點(diǎn)132。第三RC濾波器196耦合到第二周期電壓縮放級194和升壓變換器102c的接地節(jié)點(diǎn)132。

第一電壓感測子級180用于感測表示等式(10)的右側(cè)的電壓，第二電壓感測子級182用于感測表示等式(10)的左側(cè)的電壓。感測電壓然后被比較并且用于限制升壓變換器102c的占空比的變化，如本文中所描述的。

特別地，第一RC濾波器184感測跨電感電阻134的電壓。第一周期電壓縮放級186在電壓僅在占空比的第一周期上被提供的情況下縮放電壓。第二RC濾波器188感測表示等式(10)的右側(cè)的縮放后的電壓。

在第二電壓感測子級182中，電壓求和級190對跨第二開關(guān)電阻 138和電感電阻134的電壓求和。電壓減法級192從輸出電壓中減去求和電壓。第二周期電壓縮放級194縮放僅要在占空比的第二周期上提供的電壓減法級192的輸出。第三RC濾波器196感測被第二周期電壓縮放級194縮放后的電壓。由第三RC濾波器196感測的電壓表示等式(10)的左側(cè)。RC濾波器的電阻和電容值可以被選擇為使得RC濾波器的截止頻率低于主切換頻率。

第一RC濾波器184包括與在其之間的第一節(jié)點(diǎn)204串聯(lián)耦合的第一電阻198和第一電容202。第一周期電壓縮放級186包括與在其之間的第二節(jié)點(diǎn)210串聯(lián)耦合的第一開關(guān)206和第二開關(guān)208。第一開關(guān)206是第一周期開關(guān)(其在占空比的第一周期處于導(dǎo)電狀態(tài)并且在占空比的第二周期處于非導(dǎo)電狀態(tài))。相反，第二開關(guān)208是第二周期開關(guān)(其在占空比的第二周期處于導(dǎo)電狀態(tài)并且在占空比的第一周期處于非導(dǎo)電狀態(tài))。

第一開關(guān)206耦合到第一RC濾波器184的第一節(jié)點(diǎn)204和第二節(jié)點(diǎn)210。另一方面，第二開關(guān)208耦合到第二節(jié)點(diǎn)210和第三節(jié)點(diǎn)212。第三節(jié)點(diǎn)212可以是接地節(jié)點(diǎn)。

第二RC濾波器188耦合在第二和第三節(jié)點(diǎn)210、212之間。第二RC濾波器包括與在其之間的第四節(jié)點(diǎn)218串聯(lián)耦合的第二電阻214和第二電容216。第一電壓感測級184的感測電壓跨第二電容216被感測(即第三和第四節(jié)點(diǎn)212、218之間的電壓差)。

轉(zhuǎn)向第二電壓感測子級182，電壓求和級190包括第一和第二開關(guān)220、222以及第一電容224。第一和第二開關(guān)220、222是第二周期開關(guān)。第一開關(guān)220耦合在第一電壓感測子級180的第一節(jié)點(diǎn)204與電壓求和級190的第一節(jié)點(diǎn)226之間。第二開關(guān)222耦合在輸出端子118與電壓求和級190的第二節(jié)點(diǎn)228之間。另一方面，第一電容224耦合在第一節(jié)點(diǎn)226與第二節(jié)點(diǎn)228之間。第一電容224存儲由電壓求和級190求和的電壓。

電壓減法級192包括第三和第四開關(guān)230、232以及第二電容234。第三和第四開關(guān)230、232是第一周期開關(guān)。第三開關(guān)230耦合在電 壓求和級190的第一節(jié)點(diǎn)226與升壓變換器102c的輸出端子118之間。第四開關(guān)232耦合在電壓求和節(jié)點(diǎn)190的第二節(jié)點(diǎn)228與第三節(jié)點(diǎn)236之間。第二電容234耦合在第三節(jié)點(diǎn)236與輸出端子118之間。第二電容234存儲作為升壓變換器102c的輸出電壓與第一電容224中存儲的電壓之間的差值的電壓。

第二周期電壓縮放級194包括與在其之間的第四節(jié)點(diǎn)242串聯(lián)耦合的第五和第六開關(guān)238、240。第五開關(guān)238是第二周期開關(guān)，而第六開關(guān)240是第一周期開關(guān)。第五開關(guān)238耦合在第三節(jié)點(diǎn)236與第四節(jié)點(diǎn)242之間。第六開關(guān)240耦合在第四節(jié)點(diǎn)242與接地節(jié)點(diǎn)132之間。

第三RC濾波器196與第六開關(guān)240并聯(lián)耦合，使得使用第三RC濾波器196感測的電壓以互補(bǔ)占空比被縮放。第三RC濾波器196包括與在其之間的中間節(jié)點(diǎn)248彼此串聯(lián)耦合的第三電阻244和第三電容246。第三RC濾波器196耦合在第四節(jié)點(diǎn)248與接地節(jié)點(diǎn)132之間。由等式(10)的左手側(cè)表示的電壓可以跨第三電容246被感測(即在中間節(jié)點(diǎn)248與接地節(jié)點(diǎn)132之間)。

電壓求和級190在第二周期上對跨電感電阻134和第二開關(guān)電阻138二者的電壓求和，并且將和存放在第一電容224中。在第一周期期間，電壓減法級192在第二電容234中存儲與第一電容224中存儲的電壓相同的電壓。

第二周期電壓縮放級194按照互補(bǔ)占空比(1-D)對第二電容器234中存儲的電壓進(jìn)行縮放。第三RC濾波器196感測通過第二周期電壓縮放級194被縮放的電壓。注意，第一電壓感測子級180的開關(guān)206、208以及第二電壓感測子級182的開關(guān)220、222、230、232、238、240與升壓變換器102c的第一開關(guān)126和第二開關(guān)128類似地被控制。第一和第二電壓感測子級180、182的開關(guān)可以由參考圖1描述的脈沖寬度調(diào)制器102a根據(jù)用于操作升壓變換器102c的占空比來控制。第一周期開關(guān)126、206、230、232、240在占空比的第一周期中閉合并且在第二周期中斷開。相反地，第二周期開關(guān)128、208、 220、222、238在占空比的第二周期中閉合并且在第一周期中斷開。

在實(shí)施例中，第二電壓感測子級182可以包括執(zhí)行由電壓求和和減法級190、192執(zhí)行的對電壓的求和和減法。

圖9示出了根據(jù)實(shí)施例的耦合到電壓感測級105e的升壓變換器102c。與參考圖8描述的相似的圖9的元件具有相同的附圖標(biāo)記。電壓感測級105e包括第一電壓感測子級180和第二電壓感測子級250。第二電壓感測子級250包括電壓求和和減法級252、第二周期電壓縮放級194和第三RC濾波器196。

電壓求和和減法級252在其輸入處耦合到第一電壓感測子級180和輸出端子118。電壓求和和減法級252的輸出耦合到第二周期電壓縮放級194。第三RC濾波器196耦合到第二周期電壓縮放級194。

電壓求和和減法級252從升壓變換器102c的輸出端子119接收輸出電壓。電壓求和和減法級252還從第一電壓感測子級180接收僅在占空比的第二周期上供應(yīng)的作為輸出電壓、跨電感電阻134的電壓降和跨第二開關(guān)電阻138的電壓降之和的電壓。電壓求和和減法級252每個等式(10)根據(jù)需要確定輸出電壓與跨電感電阻134和第二開關(guān)電阻138的電壓降的和之間的差值。電壓求和和減法級252向第二周期電壓縮放級194輸出所確定的電壓。第二周期電壓縮放級194在電壓僅在第二周期上被供應(yīng)的情況下縮放電壓。第三RC濾波器196感測由第二周期電壓縮放級194縮放的電壓。

電壓求和和減法級252包括作為第二周期開關(guān)的第一開關(guān)254、第一電阻256、第二電阻258、第一電容260和運(yùn)算放大器262。第一開關(guān)254耦合在第一RC濾波器184的第一節(jié)點(diǎn)204與電壓求和和減法級252的中間節(jié)點(diǎn)264之間。第一電阻256耦合在中間節(jié)點(diǎn)264與運(yùn)算放大器262的反相輸入之間。第一電容260耦合在中間節(jié)點(diǎn)264與運(yùn)算放大器262的非反相輸入之間。運(yùn)算放大器262的非反相輸入還耦合到升壓變換器102c的輸出端子118。第二電阻258耦合在運(yùn)算放大器262的反相輸入與運(yùn)算放大器262的輸出之間。運(yùn)算放大器262的輸出耦合到第二周期電壓縮放級194。特別地，運(yùn)算放大器的輸出 耦合到第二周期電壓縮放級194的第五開關(guān)238以便提供運(yùn)算放大器262的輸出電壓用于縮放。

運(yùn)算放大器262的非反相輸入接收升壓變換器102c的輸出電壓。另一方面，電壓求和和減法級252的中間節(jié)點(diǎn)264接收作為輸出電壓、跨第二開關(guān)電阻138的電壓降和跨電感電阻134的電壓降之和的電壓?？珉娙莸碾妷航蹬c跨電感電阻134和第二開關(guān)電阻138的電壓降之和相同。因此，運(yùn)算放大器262的非反相輸入接收升壓變換器102c的輸出電壓。運(yùn)算放大器262的反相輸入接收跨電感電阻134和第二開關(guān)電阻138的電壓之和。運(yùn)算放大器262輸出表示在沒有電壓縮放的情況下等式(10)的左側(cè)項(xiàng)的電壓。

如參考圖8所描述的，第二周期電壓縮放級194和第三RC濾波器196的組合用于感測表示等式(10)的左側(cè)項(xiàng)的電壓。注意，通過電阻256、258的電流可以非常低(例如接近零)，其可以通過非常大的電阻256、258來獲得。

圖10示出了根據(jù)實(shí)施例的耦合到反饋控制器106b的動態(tài)占空比限制器106d。動態(tài)占空比限制器106d和反饋控制器106b可以是反饋級(諸如參考圖1描述的反饋級101)的部分。動態(tài)占空比限制器106d的輸入分別耦合到參考圖8和9描述的電壓感測級105d、105e(未示出)的輸出。動態(tài)占空比限制器106d的輸出耦合到反饋控制器106b的輸出。反饋控制器106b的輸出可以耦合到脈沖寬度調(diào)制器(未示出)(諸如參考圖1描述的脈沖寬度調(diào)制器112a)的輸入。

占空比限制器106d包括第一放大器266、第二放大器280、第一、第二、第三和第四電容268-274以及第一和第二電阻276、278?？梢允沁\(yùn)算跨導(dǎo)放大器的第一放大器266的輸出端子耦合到第二放大器280的非反相輸入端子。有利地，放大器266的輸入呈現(xiàn)非常高的(理想情況下為無限的)輸入阻抗。類似地，放大器280的輸出呈現(xiàn)非常低的(理想情況下為零的)輸出阻抗。第一電容268在第一放大器266的輸出端子與接地節(jié)點(diǎn)282之間串聯(lián)耦合到第一電阻276。第二電容也耦合在第一放大器266的輸出端子與接地節(jié)點(diǎn)282之間。第一放大 器266具有用于接收感測電壓并且將感測電壓相比較的兩個電壓輸入節(jié)點(diǎn)，如本文中所描述的。另外，第一放大器266具有用于接收偏置電流的偏置電流輸入節(jié)點(diǎn)。

第三電容272耦合在第二放大器280的反相輸入與接地節(jié)點(diǎn)282之間。第二電阻278和第四電容274二者在第二放大器280的反相輸入與第二放大器280的輸出之間關(guān)于彼此并聯(lián)耦合。

動態(tài)占空比反饋控制器106b包括分壓器(具有第一和第二分壓電阻286、288)、第一和第二RC電路290、292、運(yùn)算放大器294和電壓限制器296。第一RC電路290包括第一電阻304和第一電容306，第二RC電路292包括第二電阻308和第二電容310。

分壓器284耦合在升壓變換器的輸出端子(諸如本文中所描述的升壓變換器102c的輸出端子118)與接地節(jié)點(diǎn)302之間，接地節(jié)點(diǎn)302可以連接到接地。第一和第二分壓電阻286、288二者均耦合至其的分壓器284的中間節(jié)點(diǎn)298耦合至運(yùn)算放大器294的反相輸入。

第一RC電路290耦合在輸出端子118與運(yùn)算放大器294的反相輸入之間，第二RC電路292耦合在運(yùn)算放大器294的反相輸入與電壓限制器296的輸出之間。運(yùn)算放大器294的非反相輸入耦合到供應(yīng)參考電壓的參考電壓節(jié)點(diǎn)312。另外，運(yùn)算放大器294的輸出耦合到電壓限制器296的第一輸入。電壓限制器296的第二輸入耦合到占空比限制器106d的輸出。電壓限制器296的輸出可以耦合到脈沖寬度調(diào)制器(諸如參考圖1描述的脈沖寬度調(diào)制器112a)的輸入。

在占空比限制器106d中，可以是如本文中所描述的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的第一放大器266是壓控電流源。第一放大器266在其電壓輸入處分別接收電壓感測級(諸如參考圖8和9描述的電壓感測級105d、105e)感測的電壓。例如，如參考圖8所描述的，第一放大器266的第一電壓輸入可以耦合到節(jié)點(diǎn)248，第一放大器266的第二電壓輸入可以耦合到節(jié)點(diǎn)218。因此，第一放大器266的第一電壓輸入接收用等式(10)的左側(cè)項(xiàng)表示的電壓，而第一放大器266的第二電壓輸入接收用等式(10)的右側(cè)項(xiàng)表示的電壓。第一放大器266將電壓相 比較并且在其輸出處輸出表示電壓之間的差值的電流。第一放大器266的傳輸函數(shù)是第一電阻276以及第一和第二電容268、270的函數(shù)。

第二放大器280具有作為第三和第四電容272、274以及第二電阻174的函數(shù)的傳輸函數(shù)。還產(chǎn)生了限制器296所需要的“低阻抗”輸出。第二放大器280在其非反相輸入處接收第一放大器266的輸出。可以操作為導(dǎo)數(shù)級的第二放大器280輸出表示達(dá)到臨界占空比所需要的占空比的變化的電壓。如果要限制占空比，則第二放大器280的輸出限制輸出電壓V_ERROR的值。當(dāng)向脈沖寬度調(diào)制器供應(yīng)這一最大電壓時，升壓變換器以臨界占空比操作。如果升壓變換器102c已經(jīng)在臨界占空比操作，則期望到第一放大器266的電壓輸入相同。因此，第二放大器280輸出的最大電壓差為V_ERROR。

轉(zhuǎn)向反饋控制器106b，分壓器284將輸出電壓縮放為參考電壓。例如，如果參考電壓為1V并且生成電壓想要是3V，則第一和第二分壓電阻286、288的電阻值的比率可以是二比一。運(yùn)算放大器294在其非反相輸入處接收參考電壓并且在其反相輸入處接收縮放后的輸出電壓。運(yùn)算放大器294在其輸出處輸出參考電壓與輸出電壓之間的差值。如果升壓變換器102c的輸出電壓符合參考電壓(即在被分壓器284縮放時與參考電壓相同)，則運(yùn)算放大器294的輸出在零與正電源電壓之間的某處并且占空比不變。相反，如果縮放后的輸出電壓的輸出小于參考電壓，則運(yùn)算放大器294輸出電壓差。電壓差表示使縮放后的輸出電壓與參考電壓相同所需要的占空比的增加。

電壓限制器296在其第一輸入處接收運(yùn)算放大器294輸出的電壓差。電壓限制器296還在其第二輸入處接收來自占空比限制器106d的最大電壓差。電壓限制器296在其輸出處輸出等于294的輸出電壓但是通常低于(被限制為、被鉗位為)280的輸出V_{ERROR_MAX}的電壓。電壓限制器296將其輸出提供給脈沖寬度調(diào)制器(未示出)。電壓限制器296將電壓V_ERROR限制為放大器280的最大電壓。因此，占空比沒有被脈沖寬度調(diào)制器增加為超過臨界占空比。

可以組合以上描述的各種實(shí)施例以提供另外的實(shí)施例?？梢澡b于 以上詳述的描述對實(shí)施例做出這些和其他變化?？傊谝韵聶?quán)利要求中，所使用的術(shù)語不應(yīng)當(dāng)被理解為將權(quán)利要求限制為本說明書和權(quán)利要求中公開的具體實(shí)施例，而是應(yīng)當(dāng)被理解為包括所有可能的實(shí)施例連同這樣的權(quán)利要求被授權(quán)的等同方案的整個范圍。因此，權(quán)利要求不受本公開的限制。