开关转换器控制制造技术

本发明专利技术的各个实施例涉及开关转换器控制。公开了一种用于操作开关功率转换器的装置和方法。在一个实施例中，电路包括开关功率转换器，该开关功率转换器具有：半桥，包括连接至低侧半导体开关的高侧半导体开关；以及电感器，耦合至半桥输出节点。该电路进一步包括：控制电路，配置为生成驱动信号，以导通和断开高侧半导体开关和低侧半导体开关，其中生成驱动信号以保证在低侧开关的断开与后续的高侧开关的导通之间的死区时间，并且其中当在切换之时电感器电流为负时，死区时间设置为第一值，而当在该切换之时电感器电流为正时，死区时间设置为小于第一值的第二值。

【技术实现步骤摘要】

本公开涉及开关转换器和开关模式电源领域。
技术介绍
开关模式电源(SMPS)被普遍使用，并且逐渐取代由变压器和线性稳压器组成的“经典”电源。SMPS使用开关功率转换器将一个电压(例如，由电池提供的DC电压)转换为另一个电压，该另一个电压可以用作用于电气装置或电子电路的电源电压。例如，开关功率转换器广泛用于将例如12V的较高电池电压转换为例如3.3V的更低电压。需要这种低电压来给用在汽车或移动装置(诸如，移动电话、便携式计算机等)中的数字电路系统和信号处理器供电。在许多应用中，期望在遍及宽的输出电流范围内实现高能量转换效率。在高输出电流下，损耗的主要原因是在开关功率转换器中使用的半导体开关(功率晶体管)的导通状态电阻。导通状态电阻与功率晶体管的有源面积基本上呈反比。对于具体应用，可以针对给定的期望导通状态电阻、或者针对期望能量转换效率，来计算最小芯片面积。一般而言，更大的晶体管(具有更大的有源面积)具有更低的导通状态电阻，并且因此允许对于高输出电流的更高的能量转换效率。然而，更大的晶体管引起更高的固有电容，其对能量转换效率有负面影响。在低输出电流下，损耗的主要原因是功率晶体管的固有电容的充电和放电。结果，电路设计者面临目标冲突，这是由于在高输出电流下(即，在全负载下)的高能量转换效率不利于在低输出电流下(即，在轻负载下)的高能量转换效率；并且许多电路大多数时候在低电流下(待机、节电模式等)操作。对于具有同步整流器的开关转换器，在低侧开关的断开与随后的高侧开关的导通(反之亦然)之间的死区时间也与功率损耗有关，并且由此，现代驱动器电路可以控制开关功率转换器的操作，从而使得所提及的死区时间(接近)处于最小。然而，需要最小死区时间来避免桥臂贯通(cross-conduction)。
技术实现思路
描述了一种用于控制开关功率转换器的操作的控制电路。开关功率转换器包括：高侧半导体开关和低侧半导体开关，高侧半导体开关和低侧半导体开关连接为形成半桥；以及电感器，耦合至半桥的输出节点。根据本专利技术的一个示例，控制电路配置为生成驱动信号以根据给定控制规则切换这两个高侧半导体开关和低侧半导体开关导通和断开。生成驱动信号以保证在低侧开关的断开与后续的高侧开关的导通之间的死区时间。当在切换之时电感器电流为负时，死区时间设置为大于或等于第一值；而当在切换之时电感器电流为正时，死区时间设置为小于第一值的第二值。低侧半导体开关可以由低侧晶体管和并联耦合至该低侧晶体管的辅助晶体管组成。根据本专利技术的另一示例，控制电路配置为：生成驱动信号以根据给定控制规则切换高侧半导体开关和低侧晶体管导通和断开，以在以下模式中的至少一种模式下操作开关功率转换器：连续导通模式(CCM)和不连续导通模式(DCM)。当在CCM下时，生成驱动信号以保证在低侧晶体管的断开与后续的高侧开关的导通之间的死区时间。当在切换之时电感器电流为负时，死区时间设置为大于或等于第一值，而当在切换之时电感器电流为正时，死区时间设置为小于第一值的第二值。可替代地，当在DCM下操作并且电感器电流基本为零时，生成驱动信号以导通辅助晶体管达给定时间间隔，由此使电感器电路变为负。生成驱动信号以保证在辅助晶体管的断开与后续的高侧开关的导通之间的为大于或等于第一值的死区时间。此外，描述了一种用于操作开关功率转换器的方法。功率转换器包括：高侧半导体开关和低侧半导体开关，高侧半导体开关和低侧半导体开关连接为形成半桥；以及电感器，耦合至半桥的输出节点。根据本专利技术的一个示例，该方法包括：生成驱动信号以根据给定控制规则切换高侧半导体开关和低侧半导体开关导通和断开。生成驱动信号以保证在低侧开关的断开与后续的高侧开关的导通之间的死区时间。当在切换之时电感器电流为负时，死区时间设置为大于或等于第一值，以及当在切换之时电感器电流为正时，死区时间设置为小于第一值的第二值。附图说明参照以下附图和说明可以更好地理解本专利技术。在图中的部件并不一定是按比例绘制而成，而是将重点放在图示本专利技术的原理上。而且，在图中类似的附图标记表示对应的部分。在图中：图1图示了包括具有同步整流器的降压转换器的一个示例性开关模式电源(SMPS)电路；图2图示了在图1的电路中使用的低侧晶体管的模型，其中通过使用电容器电阻器串联电路来对寄生电容和电阻建模；图3包括定时图，其图示了图1的降压转换器的半导体开关的栅极信号；图4包括定时图，其图示了图1的降压转换器的当在连续电流模式(CCM)下操作时的半导体开关的栅极电压和漏极-源极电压和电感器电流；图5包括定时图，其图示了图1的降压转换器的当在不连续电流模式(DCM)下操作时的半导体开关的栅极电压和漏极-源极电压和电感器电流；图6包括定时图，其图示了图1的降压转换器的当根据一个实施例在不连续电流模式(DCM)下操作时的半导体开关的栅极电压和漏极-源极电压和电感器电流；图7图示了包括具有同步整流器的降压转换器的开关模式电源(SMPS)电路的另一示例性实施例；以及图8包括定时图，其图示了图7的降压转换器的当根据一个实施例在不连续电流模式(DCM)下操作时的半导体开关的栅极电压和漏极-源极电压和电感器电流。具体实施方式图1示出了包括降压转换器的开关模式电源(SMPS)电路，作为开关功率转换器和控制器电路10的图示示例。降压转换器包括两个半导体开关THS、TLS，这两个半导体开关连接为形成半桥。因此，半导体开关THS(高侧开关)连接在施加有输入电压VIN的输入端子IN与半桥输出节点之间。半导体开关TLS(低侧开关)连接在半桥输出节点与耦合有参考电位VGND(接地电位)的接地端子GND之间。半桥输出节点经由电感器LOUT耦合至功率转换器输出端子OUT，并且输出电容器电连接在输出端子与参考电位VGND之间以缓冲设置在输出端子OUT处的输出电压VOUT。在本示例中，半导体开关THS和TLS实施为功率MOS场效应晶体管(MOSFET)。晶体管THS和TLS的漏极-源极电流路径串联连接为形成上面提及的半桥。晶体管THS和TLS的栅极电极连接至控制器电路10，该控制器电路10配置为控制开关功率转换器的开关操作。控制器10也可以供应有输入电压VDD并且耦合至接地端子GND。然而，可以使用不同的电源电压来操作控制器10。取决于实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电路，包括：开关功率转换器，包括：半桥，包括连接至低侧半导体开关的高侧半导体开关；以及电感器，耦合至半桥输出节点；以及控制电路，配置为生成驱动信号，以切换所述高侧半导体开关和所述低侧半导体开关导通和断开；其中生成所述驱动信号以保证在所述低侧开关的断开与后续的所述高侧开关的导通之间的死区时间，并且其中当在切换之时电感器电流为负时，所述死区时间设置为第一值，而当所述电感器电流在所述切换之时为正时，所述死区时间设置为小于所述第一值的第二值。

【技术特征摘要】
2014.08.29 US 14/473,8521.一种电路，包括：
开关功率转换器，包括：
半桥，包括连接至低侧半导体开关的高侧半导体开关；以及
电感器，耦合至半桥输出节点；以及
控制电路，配置为生成驱动信号，以切换所述高侧半导体开关和
所述低侧半导体开关导通和断开；
其中生成所述驱动信号以保证在所述低侧开关的断开与后续的
所述高侧开关的导通之间的死区时间，并且
其中当在切换之时电感器电流为负时，所述死区时间设置为第一
值，而当所述电感器电流在所述切换之时为正时，所述死区时间设置
为小于所述第一值的第二值。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制电路配置为生成驱
动信号以在以下模式中的至少一种模式下操作所述开关功率转换器：
连续导通模式(CCM)和不连续导通模式(DCM)。
3.根据权利要求2所述的电路，其中所述控制器进一步配置为：
当所述控制电路在所述CCM下操作所述开关转换器时，检测所述电
感器电流是否为负，并且当已经检测到所述电感器电流为负时，将所
述死区时间设置为所述第一值。
4.根据权利要求3所述的电路，其中所述控制电路进一步配置
为：当已经检测到所述电感器电流为正时，将所述死区时间设置为所
述第二值。
5.根据权利要求2所述的电路，其中所述控制器进一步配置为：
当所述控制电路在所述DCM下操作所述开关转换器、并且所述电感
器电流基本为零时，生成驱动信号以导通所述低侧开关达给定时间间
隔，由此使所述电感器电路变为负。
6.根据权利要求2所述的电路，其中所述低侧开关是由多个晶体
管单元组成的晶体管，并且其中所述控制器进一步配置为：当所述控

\t制电路在所述DCM下操作所述开关转换器、并且所述电感器电流基
本为零时，生成驱动信号以导通所述低侧开关的部分所述晶体管单元
达给定时间间隔，由此使所述电感器电流变为负。
7.根据权利要求2所述的电路，其中所述低侧开关包括晶体管和
并联耦合至所述晶体管的辅助开关，并且其中所述控制器进一步配置
为：当所述控制电路在所述DCM下操作所述开关转换器、并且所述
电感器电流基本为零时，生成驱动信号以导通所述辅助开关达给定时
间间隔，由此使所述电感器电流变为负。
8.根据权利要求7所述的电路，其中所述辅助开关和所述控制器
集成在相同的半导体裸片或者相同的芯片封装体中。
9.根据权利要求7所述的电路，其中在所述辅助开关的所述断开
与后续的所述高侧开关的所述导通之间的所述死区时间设置为所述
第一值。
10.根据权利要求1所述的电路，其中所述开关功率转换器为降
压转换器。
11.根据权利要求1所述的电路，其中所述控制电路配置为：在
避免通过所述半桥的桥臂贯通的同时，将所述第二值调节为尽可能
短。
12.一种电路，包括：
开关功率转换器，包括：
半桥，包括连接至低侧半导体开关的高侧半导体开关，其中
所述低侧开关包括低侧晶体管和辅助晶体管，并且其中所述辅助晶体
管并联耦合至所述低侧晶体管；
电感器，耦合至半桥...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·诺鲍尔，
申请(专利权)人：英飞凌科技奥地利有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT