用于提供最小ON时间的PWM控制方案制造技术

根据某些方面，本实施方式基于改进的开关电容(SC)转换器拓扑，SC转换器拓扑典型地不包括电感器。特别地，拓扑包括配置为电容分压器的梯形SC电路。电容分压器可用于提供未调节的输出电压Vout，未调节的输出电压Vout是输入电压Vin的几(例如2)分之一，例如Vin/2(即，占空比≈50％)。在用于该拓扑的PWM控制方案的一些实施方式中，PWM OFF脉冲是自由运行的，由定时器和VOUT比较器的逻辑组合确定。PWM OFF脉冲宽度经测量并用作最小PWM ON定时器的参考。因此，PWM ON脉冲被强制至少是与PWM OFF脉冲成比例的最小宽度。可以添加UVOV保护窗口，以忽略负载瞬变期间的最小PWM ON定时器。

PWM Control Scheme for Minimum ON Time

According to some aspects, the present implementation is based on an improved switched capacitor (SC) converter topology, which typically does not include inductors. In particular, the topology includes trapezoidal SC circuits configured as capacitive dividers. Capacitance dividers can be used to provide an unregulated output voltage Vout, which is one-half of the input voltage Vin, such as Vin/2 (i.e., duty cycle 50%). In some implementations of PWM control schemes for this topology, the PWM OFF pulses run freely and are determined by a logical combination of a timer and a VOUT comparator. The pulse width of PWM-OFF is measured and used as a reference for the minimum PWM-ON timer. Therefore, the PWM ON pulse is forced to have at least the minimum width proportional to the PWM OFF pulse. UVOV protection window can be added to ignore the minimum PWM ON timer during load transient.

【技术实现步骤摘要】
用于提供最小ON时间的PWM控制方案相关申请的交叉引用本申请要求2017年7月14日提交的美国临时专利申请No.62/532,829的优先权，在此通过引用将其全部内容并入。
本实施方式涉及移动电源管理，并且更具体地涉及提供最小ON时间的PWM控制方案。
技术介绍
DC-DC转换器从输入源(例如，主电源，电池等)接收输入电压并使用它来向负载(例如，计算机，物联网设备等)提供输出电压。传统的DC-DC转换器经常采用包括电感器和诸如功率MOSFET的功率开关的拓扑。这种基于电感器的拓扑存在问题和/或它们存在某些设计考虑因素，这些因素通常不容易解决。
技术实现思路
根据某些方面，本实施方式基于改进的开关电容(SC)转换器拓扑，该SC转换器拓扑典型地不包括电感器。特别地，所述拓扑包括配置为电容分压器的梯形SC电路。电容分压器可用于提供未调节的输出电压Vout，未调节的输出电压Vout是输入电压Vin的几(例如2)分之一，例如Vin/2(即，占空比≈50％)。在用于该拓扑的PWM控制方案的一些实施方式中，PWMOFF脉冲是自由运行的，由定时器和VOUT比较器的逻辑组合确定。PWMOFF脉冲宽度经过测量并用作最小PWMON定时器的参考。因此，PWMON脉冲被强制至少是与PWMOFF脉冲成比例的最小宽度。可以添加UVOV保护窗口，以忽略负载瞬变期间的最小PWMON定时器。附图说明通过结合附图阅读以下具体实施方式的描述，本专利技术的这些和其他方面和特征对于本领域技术人员将变得显而易见，其中：图1是表示具有电容分压器拓扑的示例性电压调节器的方框图；图2A和2B表示在电容分压器拓扑中对飞跨电容器充电和放电的操作方面；图3是表示用于实现可变频率调制的一个示例性传统方法的方框图；图4是表示根据本实施方式的用于提供具有至少最小ON时间的PWM信号的示例性PWM控制器的方框图；图5是表示根据本实施方式的用于产生PWMOFF信号的示例性逻辑块的方框图；图6是表示根据本实施方式的用于产生具有至少最小持续时间的PWMON信号的示例性逻辑块的方框图；图7是表示根据本实施方式的用于产生最终PWM信号的示例性逻辑块的方框图；和图8是表示根据本实施方式的示例性PWMON时间控制方法的流程图。具体实施方式现在将参考附图详细描述本专利技术的实施方式，附图被提供作为实施方式的说明性示例，以使得本领域技术人员能够实践对本领域技术人员显而易见的实施方式和替代方案。值得注意的是，下面的附图和示例并不意味着将本实施方式的范围限制为单个实施方式，通过互换一些或所有所描述或示出的元件，其他实施方式也是可能的。此外，在使用已知部件可以部分或完全实现本实施方式的某些元件的情况下，将仅描述对于理解本实施方式所必需的这些已知部件的那些部分，并且将省略对这些已知部件的其他部分进行详细描述，以免模糊本实施方式。如本领域技术人员将显而易见的，描述为以软件实现的实施方式不应限于此，而是可包括以硬件实现的实施方式，或软件和硬件的组合，反之亦然，除非本文另有说明。在本说明书中，示出单个部件的实施方式不应被视为限制；相反，除非本文另有明确说明，否则本公开内容旨在涵盖包括多个相同部件的其他实施方式，反之亦然。此外，除非明确说明，否则申请人不打算将说明书或权利要求书中的任何术语赋予不常见或特殊含义。此外，本专利技术的实施方式包括本文中通过说明的方式提及的已知部件的当前和未来可知的等同物。根据某些方面，本实施方式基于改进的开关电容(SC)转换器拓扑，该SC转换器拓扑典型地不包括电感器。特别地，拓扑包括配置为电容分压器的梯形SC电路。电容分压器可用于提供未调节的输出电压Vout，未调节的输出电压Vout是输入电压Vin的几(例如2)分之一，诸如Vin/2(即，占空比≈50％)。因此，例如它可用于从2S电池产生1S电压。由于它具有无电感拓扑，与基于电感的拓扑相比，可以实现相对较小的电路板空间、降低的损耗和高效率(>96％，特别是在轻负载条件下)。例如，基于负载条件，使用可变频率调制(VFM)方案来调制栅极驱动信号。图1是表示用于SC转换器的示例性电容分压器拓扑的方框图。如该示例所示，输入电压Vin由2S电池提供。示例Vout被示为等效于1S电池(即，Vout＝Vin/2)。栅极驱动器102驱动耦接在Vin、Vout与地之间的四个开关(例如NFET)104，以便对飞跨电容器Cfly106充电和放电，由此将能量从输入传输到输出。如图1中进一步所示，栅极驱动信号被发送到栅极驱动器102以驱动NFET104，如下面将更详细描述的。栅极驱动信号具有开关频率Fs、开关周期Ts和占空比D，在这种情况下，由于在所示实施方式中输入和输出电压Vin和Vout的比率，理想情况下占空比D约为50％。然而，对于该实施方式和其他实施方式(例如，Vout＝Vin/3，Vout＝Vin/4，Vout＝2Vin，Vout＝3Vin，Vout＝4Vin等)，其他占空比也是可能的，以实现某些性能指标，例如效率、纹波或声噪声。此外，尽管在该示例中Vin被示为由电池提供，但是其他类型的电源也是可能的，例如来自适配器、移动电源或提供足够DC电压的其他电源的电力。Vout可以提供给任何类型的负载，例如CPU电压调节器、电子负载、电池、便携式设备、物联网设备等。如本领域技术人员将理解的，图1中所示的开关电容转换器采用梯形拓扑，该拓扑可以容易地扩展到需要其他Vout-Vin比率的其他实施方式。例如，通过添加两个或更多个开关电容(即，飞跨电容器和相关的开关)，图1的电路可适用于提供Vout＝Vin/3比率和/或Vout＝2Vin/3比率。然而，为了本专利技术的清楚起见，这里将省略其进一步的细节。还应注意，本实施方式不限于梯形拓扑，并且其他拓扑也是可能的，诸如串并联拓扑、倍增拓扑等，并且本领域技术人员将能够理解如何在由本示例教导之后，在这样的其他拓扑中实现本实施方式。图2A和2B更详细地表示根据实施方式的开关电容DC-DC转换器的操作方面。如图2A所示，为了对飞跨电容器Cfly充电，NFETQ2和Q4接通，同时NFETQ1和Q3断开(例如，根据PWMOFF脉冲)。这使得飞跨电容器Cfly从输入充电(具体地，将电荷从“去耦”电容器C2转移到Cfly，电容器C2通过Q2和Q4切换为与Cfly并联)。如图2B所示，为了使飞跨电容器Cfly放电，NFETQ1和Q3接通，同时NFETQ2和Q4断开(例如，根据PWMON脉冲)，这导致电容器放电到输出(具体地，将电荷从Cfly转移到“输出”电容器C1，电容器C1通过Q1和Q3切换为与Cfly并联，从而在输出建立输出电压Vout)。因此，飞跨电容器的充电和放电操作导致从输入到输出的能量转移。如上所述，尽管占空比D可以基于所需的降压或输入-输出电压转换比率n(例如，n＝1/2)保持基本恒定，但是仍需要开关频率Fs的可变频率调制方案来改善性能指标，诸如效率、纹波和声噪声。一种调制方法称为基于Vin-阈值的调制。在该方法中，其示例在图3中示出，基于比较器302的输出调节栅极驱动信号的产生。该方法需要两个感测电路304、306(一个用于VIN，一个用于Vout)以及比较器302。基于比较(VIN*n-VIN阈值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于开关电容转换器的控制器，所述控制器产生用于将输入电压转换为输出电压的PWM信号，所述PWM信号具有PWM OFF部分和PWM ON部分，PWM OFF部分和PWM ON部分共同限定了所述PWM信号的占空比，所述控制器包括：PWM OFF逻辑块，产生所述PWM信号的所述PWM OFF部分；和PWM ON逻辑块，测量所述PWM信号的所述PWM OFF部分的OFF持续时间，并且被配置为使所述PWM信号的所述PWM ON部分具有基于所述OFF持续时间的ON持续时间。

【技术特征摘要】
2017.07.14 US 62/532,8291.一种用于开关电容转换器的控制器，所述控制器产生用于将输入电压转换为输出电压的PWM信号，所述PWM信号具有PWMOFF部分和PWMON部分，PWMOFF部分和PWMON部分共同限定了所述PWM信号的占空比，所述控制器包括：PWMOFF逻辑块，产生所述PWM信号的所述PWMOFF部分；和PWMON逻辑块，测量所述PWM信号的所述PWMOFF部分的OFF持续时间，并且被配置为使所述PWM信号的所述PWMON部分具有基于所述OFF持续时间的ON持续时间。2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述占空比是1/2，并且所述ON持续时间与所述OFF持续时间基本相同。3.根据权利要求1所述的控制器，其中所述PWMOFF逻辑块通过将所述输出电压和与所述输入电压成比例的电压进行比较来产生所述PWM信号的所述PWMOFF部分。4.根据权利要求1所述的控制器，其中所述PWMON逻辑块包括第一电容器，所述第一电容器在所述PWMOFF部分期间被充电，以便测量所述PWM信号的所述OFF持续时间。5.根据权利要求4所述的控制器，其中所述PWMON逻辑块进一步包括第二电容器，所述第二电容器在所述PWMON部分期间被充电，其中所述第二电容器上的电压用于控制所述PWM信号的所述ON持续时间。6.根据权利要求1所述的控制器，其中所述PWMOFF逻辑块进一步包括欠压保护电路。7.根据权利要求1所述的控制器，进一步包括最小开关频率保护电路。8.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：李·斌，米胡尔·沙阿，明华·李，埃里克·索利，
申请(专利权)人：瑞萨电子美国有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US