用于開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及開(kāi)關(guān)電路，并且在特定實(shí)施例中涉及用于開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電源系統(tǒng)在從計(jì)算機(jī)到汽車的許多電子應(yīng)用中是普遍的。一般地，通過(guò)執(zhí)行DC-DC、DC-AC和/或AC-DC轉(zhuǎn)換來(lái)生成電源系統(tǒng)內(nèi)的電壓，該轉(zhuǎn)換是通過(guò)操作加載有電感器或變壓器的開(kāi)關(guān)。此類系統(tǒng)的一個(gè)類別包括開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS) AMPS通常比其它類型的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)更加高效，因?yàn)楣β兽D(zhuǎn)換是通過(guò)電感器或變壓器的受控充電和放電而執(zhí)行的，并且減少了由于跨電阻性電壓降的功率耗散而損失的能量。
[0003]SMPS通常包括至少一個(gè)開(kāi)關(guān)和電感器或變壓器。某些特定拓?fù)?topology)特別地包括降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器、以及回掃轉(zhuǎn)換器(flyback converter)。一般地使用控制電路來(lái)打開(kāi)和閉合開(kāi)關(guān)以對(duì)電感器充電和放電。在某些應(yīng)用中，經(jīng)由反饋環(huán)路來(lái)控制供應(yīng)給負(fù)載的電流和/或供應(yīng)給負(fù)載的電壓。
[0004]例如，降壓轉(zhuǎn)換器是用來(lái)通過(guò)受控開(kāi)關(guān)使輸入電壓逐步下降的特定拓?fù)?。該電感器被重?fù)地充電和放電，使得供應(yīng)給負(fù)載的電壓保持在輸入電壓以下的水平。在開(kāi)關(guān)期間，連接到開(kāi)關(guān)并為開(kāi)關(guān)供應(yīng)控制信號(hào)的控制器在監(jiān)視各種系統(tǒng)參數(shù)的同時(shí)操作。此類參數(shù)可用來(lái)計(jì)算反饋控制和開(kāi)關(guān)信號(hào)。例如，某些控制器監(jiān)視輸出電壓或輸出電流并改變開(kāi)關(guān)參數(shù)，諸如占空比(duty cycIe)，以便實(shí)現(xiàn)特定輸出電壓或輸出電流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)各種實(shí)施例，一種用于操作開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的方法包括確定開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的操作參數(shù)，并且如果操作參數(shù)在第一操作范圍外面，則調(diào)整控制參數(shù)以便將操作參數(shù)調(diào)整至在第一操作范圍內(nèi)。操作參數(shù)包括開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率和輸出電流的電流波紋值中的至少一個(gè)。
【附圖說(shuō)明】
[0006]為了更完全地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在對(duì)結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述進(jìn)行參考，在所述附圖中:
圖1圖示出實(shí)施例降壓轉(zhuǎn)換器的示意圖；
圖2圖示出操作中的實(shí)施例開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的波形圖；
圖3圖不出實(shí)施例控制變量的圖；
圖4圖示出實(shí)施例控制器的框圖；
圖5圖示出另一實(shí)施例控制器的框圖；
圖6圖示出另一實(shí)施例控制器的框圖；
圖7圖示出又一實(shí)施例控制器的框圖； 圖8圖示出另一實(shí)施例降壓轉(zhuǎn)換器的示意圖；
圖9圖示出來(lái)自操作中的實(shí)施例開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的控制變量的圖；
圖10圖示出來(lái)自操作中的實(shí)施例開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的另外控制變量的圖；
圖11圖示出操作的實(shí)施例方法的框圖；以及圖12圖示出實(shí)施例集成電路的示意圖。
[0007]除非另外指明，不同圖中的對(duì)應(yīng)數(shù)字和符號(hào)一般地指的是對(duì)應(yīng)的部分。繪制附圖是為了清楚地圖示出實(shí)施例的相關(guān)方面且不一定按比例繪制。
【具體實(shí)施方式】
[0008]下面詳細(xì)地討論各種實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)和使用。然而，應(yīng)認(rèn)識(shí)到的是本文所述的各種實(shí)施例在多種特定的上下文中適用。所討論的特定實(shí)施例僅僅說(shuō)明實(shí)現(xiàn)和使用各種實(shí)施例的特定方式，并且不應(yīng)在受限范圍中解釋。
[0009]相對(duì)于特定上下文中的各種實(shí)施例進(jìn)行描述，即開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器以及更特別地降壓轉(zhuǎn)換器。本文所述的各種實(shí)施例中的某些包括用于開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的控制器和頻率波紋控制器。在其它實(shí)施例中，還可根據(jù)本領(lǐng)域中已知的任何方式將各方面應(yīng)用于涉及到任何類型的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器、控制器或開(kāi)關(guān)電路的其它應(yīng)用。
[0010]根據(jù)本文所述的各種實(shí)施例，各種類型的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器以各種輸出負(fù)載電壓操作。可控制開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器將用于輸出到負(fù)載的電流的電流波紋值保持在電流波紋范圍內(nèi)。還可以控制開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器以將開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率保持在頻率范圍內(nèi)。在各種實(shí)施例中，控制器監(jiān)視開(kāi)關(guān)頻率或輸出電流中的電流波紋，并調(diào)整用于開(kāi)關(guān)控制信號(hào)的閾值以將電流波紋或開(kāi)關(guān)頻率保持在指定操作范圍內(nèi)。例如，控制器調(diào)整最大或最小電流閾值以便控制電流波紋和開(kāi)關(guān)頻率。在另一示例中，控制器調(diào)整導(dǎo)通計(jì)時(shí)器或斷開(kāi)計(jì)時(shí)器以控制開(kāi)關(guān)持續(xù)時(shí)間并有效地控制電流波紋和開(kāi)關(guān)頻率。在某些實(shí)施例中，控制器控制導(dǎo)通時(shí)間、斷開(kāi)時(shí)間、最大電流以及最小電流的混合。
[0011]在各種實(shí)施例中，某些開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器是高度靈活的且可適應(yīng)于寬范圍的輸出負(fù)載，并且跨輸出負(fù)載的頻譜展示出改善的性能特性。在特定示例中，某些優(yōu)點(diǎn)可包括開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，其保持減少的損耗、減少的電磁干擾(EMI)、以及減少的可聽(tīng)噪聲，同時(shí)在沒(méi)有電路部件修改的情況下在不同使用情形中供應(yīng)不同的輸出負(fù)載電壓或電流。
[0012]在某些開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中，可針對(duì)特定類型的負(fù)載優(yōu)化開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。此優(yōu)化可包括用于電路部件的特定特性，包括例如電感器、開(kāi)關(guān)晶體管、各種電容器、二極管及其它部件。如果將由開(kāi)關(guān)系統(tǒng)供應(yīng)不同的負(fù)載電壓，則針對(duì)特定負(fù)載設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器可展示出性能變化。雖然被耦合到開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的控制器可有效地修改開(kāi)關(guān)信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率或占空比以便輸出要求的負(fù)載電流或電壓，但可影響此類系統(tǒng)的性能。例如，開(kāi)關(guān)頻率可變化到高或低頻率。在另一情形中，最大或最小電流波紋也可針對(duì)不同的負(fù)載電壓顯著地改變，引起增加的輸出電流變化。根據(jù)本文所述的各種實(shí)施例，控制開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的操作以跨輸出負(fù)載的寬頻譜保持具有指定操作范圍的電流波紋和開(kāi)關(guān)頻率。
[0013]圖1圖示出被耦合到負(fù)載102且包括二極管104、電感器106以及由來(lái)自控制器110的開(kāi)關(guān)信號(hào)SW控制的開(kāi)關(guān)108的實(shí)施例降壓轉(zhuǎn)換器100的示意圖。根據(jù)各種實(shí)施例，由控制器110來(lái)控制開(kāi)關(guān)108以定期地打開(kāi)和閉合以便使電感器106充電和放電。在某些實(shí)施例中，控制電感器106以保持到負(fù)載102的恒定平均電流。當(dāng)開(kāi)關(guān)108被閉合并導(dǎo)電時(shí)，向串聯(lián)的負(fù)載102、電感器106以及開(kāi)關(guān)108供應(yīng)輸入電壓Vin。電流流過(guò)串聯(lián)的這些元件并使電感器106充電。當(dāng)開(kāi)關(guān)108打開(kāi)且不導(dǎo)電時(shí)，電流由于儲(chǔ)存在電感器106中的能量而繼續(xù)流過(guò)如所示的負(fù)載102、電感器106以及二極管104?？芍貜?fù)地打開(kāi)和閉合開(kāi)關(guān)108以使電感器106充電和放電并以小于Vin的電壓和恒定平均電流來(lái)供應(yīng)負(fù)載102。
[0014]根據(jù)各種實(shí)施例，操作控制器110以控制開(kāi)關(guān)108以便向負(fù)載102供應(yīng)特定輸出電壓或輸出電流，并且其可包括用于反饋的電壓和電流測(cè)量部件(未示出)?？蓪⒖刂破?10配置成確定開(kāi)關(guān)頻率和電流波紋并調(diào)整兩個(gè)參數(shù)以將參數(shù)保持在指定開(kāi)關(guān)頻率范圍和電流波紋范圍內(nèi)。下面參考其它圖來(lái)進(jìn)一步描述操作和技術(shù)的實(shí)施例方法。
[0015]圖2圖示出包括開(kāi)關(guān)信號(hào)SW和輸出電流1ut的操作中的實(shí)施例開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的波形圖。參考圖1中的降壓轉(zhuǎn)換器100來(lái)應(yīng)用圖2的描述，但是其還可應(yīng)用于具有各種拓?fù)涞母鞣N其它開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器。根據(jù)各種實(shí)施例，當(dāng)開(kāi)關(guān)信號(hào)SW是邏輯高時(shí)(對(duì)應(yīng)于閉合開(kāi)關(guān)108)，輸出電流1ut增加，因?yàn)殡姼衅?06通過(guò)與電壓供應(yīng)Vin的耦合而被充電。當(dāng)開(kāi)關(guān)信號(hào)SW為邏輯低時(shí)(對(duì)應(yīng)于打開(kāi)開(kāi)關(guān)108)，輸出電流1ut減小，因?yàn)殡姼衅?06通過(guò)負(fù)載102和二極管104而被放電。在其它實(shí)施例中，可使開(kāi)關(guān)信號(hào)SW的邏輯電平相反(reverse)，或者其可采取任何離散或連續(xù)值。
[0016]根據(jù)各種實(shí)施例，可將輸出電流1ut的電流波紋定義為最大電流Imax和最小電流Imin之間的差異。當(dāng)開(kāi)關(guān)信號(hào)SW是有效的(例如，邏輯高)且開(kāi)關(guān)108正在進(jìn)行傳導(dǎo)時(shí)，輸出電流1ut可在最小電流Imin與最大電流Imax之間線性地增加。當(dāng)輸出電流1ut線性地增加和減小時(shí)，平均電流Iavg可以分別地是最大和最小電流Imax和Imin之前的中點(diǎn)。在各種實(shí)施例中，為了控制電流波紋，可增加或減小控制最大電流Imax或最小電流Imin的閾值。如果將平均電流Iavg保持在恒定值，則在某些實(shí)施例中必須同樣地增加或減小最大電流Imax和最小電流Imin。在某些實(shí)施例中，將輸出電流1ut與最大和最小電流閾值相比較，并調(diào)整接通時(shí)間Ton和關(guān)斷時(shí)間Toff以調(diào)節(jié)輸出電流波紋和開(kāi)關(guān)頻率。在各種實(shí)施例中，可由閾值來(lái)控制導(dǎo)通時(shí)間Ton、斷開(kāi)時(shí)間Toff、最大電流Imax以及最小電流Imin中的任何并將其與閾值相比較。
[0017]根據(jù)各種實(shí)施例，開(kāi)關(guān)信號(hào)SW的開(kāi)關(guān)頻率fsw由開(kāi)關(guān)信號(hào)SW的導(dǎo)通循環(huán)和斷開(kāi)循環(huán)的開(kāi)關(guān)時(shí)段Tsw確定。開(kāi)關(guān)時(shí)段Tsw等于導(dǎo)通時(shí)間Ton加上斷開(kāi)時(shí)間Toff，即Tsw = Ton +Toff。開(kāi)關(guān)頻率fsw等于開(kāi)關(guān)時(shí)段Tsw的倒數(shù)，S卩fSw= I+Tsw。在各種實(shí)施例中，隨著調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間Ton或斷開(kāi)時(shí)間Toff，開(kāi)關(guān)時(shí)段Tsw以及因此的開(kāi)關(guān)頻率f sw也被改變。在各種實(shí)施例中，控制器110可調(diào)整導(dǎo)通時(shí)間Ton、斷開(kāi)時(shí)間Toff、最大電流Imax或最小電流Imin。
[0018]在各種實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)頻率fsw與電流波紋相關(guān)。在某些特定實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)頻率f sw與電流波紋Iripple反相關(guān)。隨著開(kāi)關(guān)期間的最大電流Imax與最小電流Imin之間的差異增加(對(duì)應(yīng)于增加電流波紋Iripple)，需要更多的時(shí)間來(lái)使傳導(dǎo)輸出電流1ut的儲(chǔ)能元件(諸如電感器或變壓器)充電和放電。此增加的充電和放電時(shí)間增加開(kāi)關(guān)時(shí)段Tsw，從而減小開(kāi)關(guān)頻率fsw。相反地，增加開(kāi)關(guān)頻率f sw減小可用于使輸出電流1ut充電和放電至最大和最小水平的時(shí)間，由此減小電流波紋Iripple。
[0019]在各種實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)頻率可影響由于與開(kāi)關(guān)頻率成比例的損耗而引起的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中的損耗，其由充電和放電寄生電容引起。實(shí)施例系統(tǒng)可包括用于具有最大和最小閾值的