无需最大占空因数控制就能扩展降压开关转换器占空比的系统及方法技术方案

本发明专利技术提出了一种系统和方法，可以将降压开关转换器的最大占空比扩展接近100％，同时保持稳定的开关频率。该系统包括由前沿消隐(LEB)信号驱动的电压模式或电流模式降压转换器，在所需的开关频率下运行。更确切地说，LEB信号连接到斜坡产生器和/或电流传感网络上。在每个开关循环中，LEB信号迫使斜坡信号和/或电流传感信号复位，从而获得稳定的开关频率。本发明专利技术还提出了如何扩展降压开关转换器的最大占空比，同时保持稳定频率的相应方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电源或调制系统的功率。更确切地说，本专利技术涉及无需使用最大占空比电路，就能使占空比最大并维持稳定开关频率的系统及方法。
技术介绍
开关转换器通过调制将功率从电源连接到负载的功率开关的占空比，调节负载电源。图1表示不带最大占空比控制的原有技术的降压开关转换器的电路图。图1所示的现有技术转换器，包括一对开关Q1和Q2，串联在输入电压VIN和接地节点GND之间。开关Q1和Q2的相节点107同时连接到电感器L的第一端以及电流传感网络101上，电流传感网络101产生电流信号ISNS，表示当高端开关Q1接通时，通过电感器L的电流。然后，电流信号ISNS连接到总网络108，其中ISNS与斜坡信号产生器110产生的斜坡信号ISLOPE相结合，以产生结合电流信号ISLOPE+SNS。电感器L的第二端连接到具有输出电压VOUT的输出节点111。输出节点还连接到负载网络102和电阻器R1和R2构成的分压器。分压器产生反馈电压VFB，表示VOUT。VFB和参考电压VREF分别连接到误差放大器104的反相输入和同相输入。误差放大器104将VFB和VREF作比较，并放大二者的差值。补偿网络103，例如被动元件R3、C1和C2构成的II型网络，连接到误差放大器104的输出端，从而产生误差信号VCOMP。VCOMP和电压信号VSUM表示ISLOPE+SNS分别连接到脉宽调制(“PWM”)比较器105的反相输入端和同相输入端，脉宽调制比较器105将VCOMP和VSUM作比较，产生输出信号RESET。RESET和时钟信号CLK分别连接到复位主锁存器106的R输入端和S输入端，复位主锁存器106输出提供栅极驱动器GD109的占空比信号。栅极驱动器GD109产生HS和LS信号，控制开关Q1和Q2的开关频率，从而实现对负载网络102的电源调制。图2表示图1所示现有技术转换器的波形图，其中VIN、VOUT、VCOMP和VSUM的电压绘制随时间变化。在每个开关循环中，控制循环VSUM从斜坡底部的基极电压VSUM0处起始，在基本稳定的转换速率处增大。当VSUM升高到与VCOMP相同的电压时，用作最高限度，VSUM重置到初始电压VSUM0，重复斜率周期。在一个典型的开关循环中，开关频率、VSUM的转换速率以及VCOMP之间的关系由方程(1)表示，其中FS为开关频率，TS为开关时间、m为转换速率，以及VSUM0为VSUM的基极电压。图2分成三个时间阶段，以阐明当输入-输出压差(即VIN和VOUT之间的差值)暂时降至脱落电压VTHRESHOLD以下时，原有技术的转换器遇到的问题。在I阶段中，当输入-输出电压差大于脱落电压VTHRESHOLD时，VIN、VOUT和VCOMP在它们各自的稳定状态条件下。阶段I中转换器的开关频率可以用方程式(2)表示，其中FSI、TSI以及VCOMPI分别为阶段I的开关频率、开关时间以及VCOMP。斜坡信号VSUM的电压从基极电压VSUM0开始，增大至VCOMP1，然后回复至VSUM0。在这种情况下，每TS1秒重复一次，保持FSI的开关频率，直到VCOMP发生变化。在阶段II中，通过t1至t3的时间后，VIN从初始稳定状态电压降至VOUT的目标电压以下。在时间t2，当输入-输出压差降至脱落电压VTHRESHOLD以下时，VOUT开始降低。VOUT的降低触发了补偿响应，其中VCOMP升高，使VOUT增大至初始的目标电压。然而，由于VOUT不能超过VIN，从而当VIN低于目标电压时，防止VOUT达到目标电压。虽然VOUT低于目标电压，但是VCOMP持续升高，直至饱和，在某个点VCOMP趋于平衡。如上所述，VCOMP提供上阈值，用于触发VSUM复位；VCOMP的增大使VSUM不受限制地升高，直到饱和。从时间t4至t6，VIN逐渐恢复到起初始稳态值。随着VIN的增加，输入-输出压差和VOUT也开始增大。在t5时，输入-输出压差超过VTHRESHOLD，这时VOUT恢复到它的目标电压。随着VOUT的增加，VCOMP逐渐降低，直到在t7时获得新的稳态值。当VCOMP降至与VSUM相同的电压时，斜坡信号VSUM复位，重新获得上述斜坡和复位循环。在阶段III中，VIN和VOUT都恢复到它们原来的稳态电压。VCOMP趋于平衡直至新的稳态电压VCOMP3，这与初始稳态电压VCOMP1不同。阶段III中转换器的开关频率可以用方程式(3)表示，其中FS3、TS3和VCOMP3分别为阶段III中的开关频率、开关时间以及VCOMP。由于VSUM的转换速率基本稳定，VCOMP提供上阈值，用于触发VSUM，使斜坡循环复位，每个斜坡循环的时长取决于VCOMP和VSUM0之间的差值。VCOMP和VSUM0之间的差值越大，VSUM越长，就会达到VCOMP阈值。在方程式(1)中引入的开关时间TS为开关频率FS的反相。当VCOMP的变化致使开关时间TS变化时，开关频率FS也会变化。作为实例，假设VSUM0为0，VCOMP3＝2VCOMP1；然后开关频率FS1和FS3之间的关系可以通过方程式(2)至(5)的代数运算得出。将方程式(2)和(4)代入方程式(6)，当VCOMP加倍时，开关频率减半。VSUM0＝0方程式(4)VCOMP3＝2VCOMP1方程式(5)上述实例表示现有技术转换器的开关频率取决于VCOMP。当电路的输入电压经历了一个临时性的异常减少之后，开关频率漂移的趋势，使得该原有技术的转换器不适用于维护开关频率是理想的甚至是必须稳定的情况。
技术实现思路
综上所述，本专利技术提出了一种将降压开关转换器的最大占空比扩展到几乎100％，同时保持开关频率稳定的一种系统和方法。该系统包括一个电压模式或电流模式降压转换器，由前沿消隐(LEB)信号驱动，在所需的开关频率下运行。更确切地说，LEB信号连接到斜坡产生器和/或电流传感网络上。在每个开关循环这，LEB信号迫使斜坡信号和/或电流传感信号复位，从而实现稳定开关。本专利技术中还提出了系统运行方法的相应方法。附图说明参照附图并结合以下说明，本专利技术的上述及其他目的、特征及优势将更加清晰。在附图中：图1表示一种现有技术的降压开关转换器的结构图；图2表示原有技术的降压开关转换器VIN、VOUT、VCOMP和VSUM随时间变化的波形图；图3A表示本专利技术的第一实施例的简化结构图；图3B表示依据本专利技术第一实施例，一种电路的详细电路图；图4A表示本专利技术的第二实施例的简化结构图；图4B表示依据本专利技术第二实施例，一种电路的详细电路图；图5A表示本专利技术的第三实施例的简化结构图；图5B表示依据本专利技术第三实施例，一种电路的详细电路图；图6表示与本专利技术的降压开关转换器有关的波形数量；各个附图这相似的参考数字和名称表示类似的元件。具体实施方式本专利技术实施例的各种功能均参照附图给出了详细说明，多个视图中相似的参考数字表示类似元件。附图不一定按照比例绘制，在一些情况下，附图已被放大和/或简化，仅用于说明用途。参照一个特殊实施例，不会限制本专利技术的范围。本领域的技术人员根据文中介绍的基本原理，将获得多种可能的应用及变化，并且可用于其他实施例。本专利技术应符合文中所述的原理和新颖特点相一致的最广范围。参见图3A，表示出了本专利技术第一实施例的结构图。第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种降压开关转换器系统，该系统无需最大占空比控制，就能延长降压开关转换器的最大占空比，其特征在于，该降压开关转换器系统包括：一个前沿消隐网络，产生RSTB信号，用于在所需的开关频率处，根据第一时钟信号，重置斜坡信号；一个连接到前沿消隐网络的斜坡信号产生器，产生斜坡信号，根据RSTB信号，在所需的开关频率处，周期性复位；一个开关网络，将具有输入电压的输入节点连接到电感器，电感器进一步连接到具有输出电压的输出节点，开关网络包括一个高端开关，连接在输入节点和具有相位节点电压的相位节点之间，以及一个低端元件，连接在相位节点和接地端之间；一个连接到输出节点的反馈网络，产生反馈电压信号，表示输出电压；一个连接到反馈电压的误差放大器，根据反馈信号和参考电压之间的比较，产生误差信号；一个连接到误差放大器的脉宽调制网络，根据误差信号、第二时钟信号以及表示斜坡信号的和信号，产生占空信号；以及一个连接到脉宽调制网络的栅极驱动器，根据占空信号，产生一个或多个控制信号，用于控制开关网络。

【技术特征摘要】
2015.09.24 US 14/864,5451.一种降压开关转换器系统，该系统无需最大占空比控制，就能延长降压开关转换器的最大占空比，其特征在于，该降压开关转换器系统包括：一个前沿消隐网络，产生RSTB信号，用于在所需的开关频率处，根据第一时钟信号，重置斜坡信号；一个连接到前沿消隐网络的斜坡信号产生器，产生斜坡信号，根据RSTB信号，在所需的开关频率处，周期性复位；一个开关网络，将具有输入电压的输入节点连接到电感器，电感器进一步连接到具有输出电压的输出节点，开关网络包括一个高端开关，连接在输入节点和具有相位节点电压的相位节点之间，以及一个低端元件，连接在相位节点和接地端之间；一个连接到输出节点的反馈网络，产生反馈电压信号，表示输出电压；一个连接到反馈电压的误差放大器，根据反馈信号和参考电压之间的比较，产生误差信号；一个连接到误差放大器的脉宽调制网络，根据误差信号、第二时钟信号以及表示斜坡信号的和信号，产生占空信号；以及一个连接到脉宽调制网络的栅极驱动器，根据占空信号，产生一个或多个控制信号，用于控制开关网络。2.如权利要求1所述的降压开关转换系统，其特征在于，所述的前沿消隐网络包括：一个第一转换器，接收第一时钟信号，第一转换器产生一个反相第一时钟信号；一个延时网络，连接到第一时钟信号，配置延时网络用于产生延迟的第一时钟信号；一个NOR门，接收反相第一时钟信号和延迟的第一时钟信号，产生一个中间的前沿消隐信号；以及一个第二转换器，接收中间前沿消隐信号，第二转换器产生RSTB信号。3.如权利要求1所述的降压开关转换系统，其特征在于，所述的脉宽调制网络包括：一个PWM比较器，接收到达PWM比较器反相输入端的误差信号以及到达同相输入端的和信号，配置PWM比较器，根据误差信号与和信号之间的差值，产生PWM比较器输出信号；以及连接一个锁存器，接收PWM比较器的输出信号以及第二时钟信号，配置锁存器产生占空信号的输出。4.如权利要求3所述的降压开关转换系统，其特征在于，所述的第一时钟信号和第二时钟信号是同步的。5.如权利要求1所述的降压开关转换系统，其特征在于，所述的低端元件由一个低端开关构成。6.如权利要求1所述的降压开关转换系统，其特征在于，所述的低端元件由一个被动整流器构成。7.如权利要求1所述的降压开关转换系统，其特征在于，还包括：一个电流传感网络，连接到输入节点和相位节点，产生电流传感信号，当高端开关接通时，表示通过电感器的电流；以及一个加法器，通过将电流传感信号和斜坡信号相加，产生和信号。8.如权利要求7所述的降压开关转换系统，其特征在于，所述的电流传感网络包括：一个具有第一端的电阻器RP，连接到输入节点；一个电流传感比较器，具有：一个连接到相位节点的同相输入端；一个反相输入端，连接到电阻器RP的第二端以及电流传感晶体管的源极端；以及一个电流传感比较器的输出端，连接到电流传感晶体管的栅极端；以及电流传感晶体管的漏极端产生电流传感信号。9.如权利要求1所述的降压开关转换系统，其特征在于，还包括一个补偿网络，连接在误差放大器的输出节点和接地端之间。10.一种降压开关转换系统，其特征在于，包括：一个前沿消隐网络，产生RSTB信号，用于在所需的开关频率处，根据第一时钟信号，重置斜坡信号；一个开关网络，将具有输入电压的输入节点连接到电感器，电感器进一步连接到具有输出电压的输出节点，开关网络包括一个高端开关，连接在输入节点和具有相位节点电压的相位节点之间，以及一个低端元件，连接在相位节点和接地端之间；一个电流传感网络，产生电流传感信号，当高端开关接通时，表示通过电感器的电流，并根据RSTB信号，在所需的开关频率处，周期性地复位，电流传感网络连接到前沿消隐网络、输入节点以及相位节点；一个连接到输出节点的反馈网络，产生反馈电压信号，表示输出电压；一个连接到反馈电压的误差放大器，根据反馈信号和参考电压之间的比较，产生误差信号；一个连接到误差放大器的脉宽调制网络，根据误差信号、第二时钟信号以及表示斜坡信号的和信号，产生占空信号；以及一个连接到脉宽调制网络的栅极驱动器，根据占空信号，产生一个或多个控制信号，用于控制开关网络。11.如权利要求10所述的降压开关转换系统，其特征在于，所述的前沿消隐网络包括：一个第一转换器，接收第一时钟信号，第一转换器产生一个反相第一时钟信号；一个延时网络，连接到第一时钟信号，配置延时网络用于产生延迟的第一时钟信号；一个NOR门，接收反相第一时钟信号和延迟的第一时钟信号，产生一个中间的LEB信号；以及一个第二转换器，接收中间LEB信号，第二转换器产生RSTB...

【专利技术属性】
技术研发人员：金英福，
申请(专利权)人：万国半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US