使用脉冲宽度调制和电流模式控制的开关转换器制造技术

本文公开了使用脉冲宽度调制和电流模式控制的开关转换器。本文中描述了一种开关转换器。根据一个实施例，开关转换器包括开关电路，该开关电路被配置为接收开关信号并且根据开关信号(SPWM)交替地将开关电路的输出节点与电源节点和参考节点连接。输入电压可操作地施加在电源节点与参考节点之间。开关转换器进一步包括耦合在开关电路的输出节点与开关转换器的输出节点之间的电感器以及被配置为生成具有取决于输入电压的振荡器频率的时钟信号的振荡器。开关控制器被配置为接收时钟信号并且使用脉冲宽度调制(PWM)生成开关信号，其中开关信号的频率是根据振荡器频率来设置的，并且开关信号的占空比是使用电流模式控制来确定的。

Switch Converter Using Pulse Width Modulation and Current Mode Control

This paper discloses a switching converter using pulse width modulation and current mode control. A switching converter is described in this paper. According to one embodiment, the switching converter includes a switching circuit configured to receive the switching signal and alternately connect the output node of the switching circuit to the power supply node and the reference node according to the switching signal (SPWM). The input voltage is operatively applied between the power supply node and the reference node. The switching converter further includes an inductor coupled between the output node of the switching circuit and the output node of the switching converter, and an oscillator configured to generate a clock signal having an oscillator frequency depending on the input voltage. The switching controller is configured to receive clock signals and generate switching signals using pulse width modulation (PWM), where the frequency of the switching signals is set according to the oscillator frequency, and the duty cycle of the switching signals is determined by current mode control.

【技术实现步骤摘要】
使用脉冲宽度调制和电流模式控制的开关转换器
本公开涉及诸如DC/DC降压转换器的开关转换器领域。
技术介绍
开关转换器通常根据诸如输入电压、输出电压和输出电流(即，负载)等一个或多个参数以不同的操作模式进行操作。不同的操作模式在控制通过开关转换器的电感器(扼流圈)的电流的电子开关的开关控制方面不同。开关转换器可以以连续导通模式(CCM)和不连续导通模式(DCM)进行操作。在CCM中，电感器电流连续通过电感器而不会降至零，而在DCM中，电感器电流具有不连续的波形，因为电流在每个开关周期中降至零。电子开关的切换操作是由触发电子开关的激活/去激活的开关信号确定的。开关信号是逻辑信号(即，假定仅逻辑高电平或逻辑低电平)，其可以使用不同的调制方案进行调制以便调节例如输出电压或输出电流。常见的调制方案是脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)。当使用PWM时，开关信号的占空比是通过调节开关信号在每个开关周期中的导通时间(即，脉冲宽度)来调节的，而开关频率是恒定的。当使用PFM时，开关频率是通过调节开关信号的脉冲的时间位置来调节的，而脉冲宽度(即，开关周期中的导通时间)是恒定的。CCM和DCM这两种模式可以与调制方案PWM和PFM中的一种组合。因此，可以区分四种操作模式，即PFM-DCM、PWM-DCM、PWM-CCM和PFM-CCM。针对特定操作点针对不同操作模式(例如，针对输入电压、输出电压、输出电流的特定组合)，功率转换的可实现效率可以是不同的。此外，某些操作模式可能不适合特定范围的操作模式。为了优化效率，已经开发了多模式开关转换器，这些多模式开关转换器被配置为在两种或更多种不同的操作模式中操作。监测开关转换器的操作点，并且如果达到模式切换条件，则改变操作模式。在一些操作模式中，可能发生稳定性问题，而在使用PWM-CCM时通常可以容易地保证稳定操作。然而，CCM在特定的工作点范围(诸如具有高输入电压和高输出电流(高负载)的工作点)内稳定可能并不容易。
技术实现思路
本文中描述了一种开关转换器。根据一个实施例，开关转换器包括开关电路，该开关电路被配置为接收开关信号并且根据开关信号(SPWM)交替地将开关电路的输出节点与电源节点和参考节点连接。输入电压可操作地施加在电源节点与参考节点之间。开关转换器进一步包括耦合在开关电路的输出节点与开关转换器的输出节点之间的电感器以及被配置为生成具有取决于输入电压的振荡器频率的时钟信号的振荡器。开关控制器被配置为接收时钟信号并且使用脉冲宽度调制(PWM)生成开关信号，其中开关信号的频率是根据振荡器频率来设置的，并且开关信号的占空比是使用电流模式控制来确定的。此外，本文中描述了一种方法。根据一个实施例，该方法包括使用被包括在开关转换器中的开关电路根据开关信号交替地将输入电压和参考电位施加到开关转换器的电感器的第一端子。该方法进一步包括生成具有取决于输入电压的振荡器频率的时钟信号，以及使用脉冲宽度调制(PWM)生成开关信号，其中开关信号的频率是根据振荡器频率来设置的，并且开关信号的占空比是使用电流模式控制来确定的。附图说明参考以下附图和描述可以更好地理解本专利技术。图中的部件不一定按比例绘制；相反，重点在于说明本专利技术的原理。在附图中，相同的附图标记表示相应的部分。在图中：图1是示出具有电流模式控制的PWM的降压转换器的一个示例的电路图。图2是示出在PFM中操作的降压转换器的一个示例的电路图。图3是示出PFM-DCM、PWM-DCM、PWM-CCM和PFM-CCM之间的模式切换的模式切换条件的图。图4是示出在从PWM-CCM到PFM-CCM以及反之亦然的模式切换期间的开关频率的图。图5是示出针对高输入电压具有PWM开关频率的连续变化的开关转换器的一个示例性实施例的电路图。图6是示出图5的实施例的电路图，其中更详细地示出了开关控制器的一个示例性实现。图7是示出取决于输入电压而变化的PWM开关频率所根据的特性曲线以及用于在PWM-CCM与PFM-CCM之间进行切换的模式切换条件的图。图8示出了可以在本文中描述的实施例中使用的PWM频率控制的一个示例性实现。图9是示出图8的PWM频率控制电路的功能的图。图10是示出类似于图3的模式切换条件的图，其中与图3的示例相比，可以使用PWM-CCM进行处理的输入电压的范围增加。具体实施方式图1是示出具有能够在PWM-CCM中(在其他操作模式中)操作的开关控制器的降压转换器的一个示例的电路图。在当前示例中，仅示出了电路的用于PWM控制的那些部分，以使图示简单。此外，应当理解，尽管在本文中描述的实施例中使用降压转换器，但是所使用的概念不限于降压转换器并且可以容易地应用于其他类型的开关转换器，诸如反激转换器、升压转换器等。在本示例中，降压转换器包括连接在输入电路节点与参考节点之间的开关电路。在电源节点与参考节点之间施加有输入电压VIN，输入电压VIN通常处于参考电位(例如，接地电位)。在本示例中，开关电路被实现为由高侧晶体管THS和低侧晶体管TLS组成的晶体管半桥。两个晶体管TLS和THS在开关电路的输出电路节点处串联连接。在本示例中，两个晶体管TLS和THS实现为MOS晶体管(MOSFET)。然而，也可以采用任何其他类型的晶体管。在一些示例中，可以使用二极管代替低侧晶体管TLS。开关转换器进一步包括连接在开关电路(例如，晶体管半桥)的输出电路节点与开关转换器的输出电路节点(简称为输出)之间的电感器LO，在输出电路节点处施加有输出电压VOUT。根据本示例，输出电容器CO可以连接在开关转换器的输出与参考电路节点(例如，接地节点)之间，以便缓冲输出电压VOUT。通常，开关电路被配置为交替地将输入电压VIN和参考电压(例如，0伏，接地电位)施加到电感器LO。开关电路的开关操作可以由一个或多个开关信号确定，这些开关信号由开关控制器10生成。在图1的本示例中，提供给高侧晶体管的开关信号表示为SPWM，而提供给低侧晶体管的开关信号表示为注意，信号基本上是信号SPWM的反转版本(除了小的死区时间)。在其他实现中，单个开关信号SPWM可能是足够的，例如，因为开关电路包括用于将开关信号SPWM分配给两个或更多个电子开关的仅一个有源电子开关或电路。PWM在开关转换器领域中是已知的，并且因此这里仅简要概述了开关信号的生成。通常，开关信号SPWM具有被表示为fPWM的恒定频率，而开关信号SPWM的导通时间TON在每个开关周期中被调节。导通时间TON与开关周期TPWM＝fPWM-1之间的比率通常称为占空比。换言之，开关信号的占空比在每个开关周期中被更新，以便调节输出电压或输出电流，同时开关周期基本上恒定。开关频率fPWM由可以由振荡器OSC生成的时钟信号SCLK确定。振荡器OSC可以使用诸如张弛振荡器电路等任何已知的振荡器电路来实现。在本示例中，开关控制器10实现所谓的电流模式控制(例如，在本示例中的峰值电流模式控制)，电流模式控制包括两个反馈回路，即，电流反馈以及电压反馈。基本上，第一(内部)控制回路调节电感器电流iL的峰值。用于电流控制的电流设定点(参见图1的VCOMP)由第二(外部)控制回路确定，并且被设置为使得输出电压VOUT稳定在期望的电压设定点。在图1的示例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关转换器，包括：开关电路(THS，TLS)，被配置为接收开关信号(SPWM)，并且根据所述开关信号(SPWM)交替地将输出节点与电源节点和参考节点连接，输入电压(VIN)可操作地施加在所述电源节点与所述参考节点之间；电感器(LO)，耦合在所述开关电路的输出节点与所述开关转换器的输出节点之间；振荡器(OSC)，被配置为生成具有根据所述输入电压(VIN)的振荡器频率(fPWM)的时钟信号(SCLK)；以及开关控制器(10)，被配置为接收所述时钟信号(SCLK)并且使用脉冲宽度调制(PWM)生成所述开关信号(SPWM)，其中所述开关信号的频率根据所述振荡器频率(fPWM)来被设置，并且所述开关信号(SPWM)的占空比使用电流模式控制来被确定。

【技术特征摘要】
2017.11.20 DE 102017127263.11.一种开关转换器，包括：开关电路(THS，TLS)，被配置为接收开关信号(SPWM)，并且根据所述开关信号(SPWM)交替地将输出节点与电源节点和参考节点连接，输入电压(VIN)可操作地施加在所述电源节点与所述参考节点之间；电感器(LO)，耦合在所述开关电路的输出节点与所述开关转换器的输出节点之间；振荡器(OSC)，被配置为生成具有根据所述输入电压(VIN)的振荡器频率(fPWM)的时钟信号(SCLK)；以及开关控制器(10)，被配置为接收所述时钟信号(SCLK)并且使用脉冲宽度调制(PWM)生成所述开关信号(SPWM)，其中所述开关信号的频率根据所述振荡器频率(fPWM)来被设置，并且所述开关信号(SPWM)的占空比使用电流模式控制来被确定。2.根据权利要求1所述的开关转换器，其中对于电流模式控制，所述占空比基于通过所述电感器(LO)的电感器电流(iL)以及进一步基于所述开关转换器的输出节点处的输出电压(VOUT)来被设置。3.根据权利要求1所述的开关转换器，进一步包括：电压感测电路(VS)，耦合到所述开关转换器的输出节点，并且被配置为提供表示所述输出电压(VOUT)的电压感测信号(VVS)；电流感测电路(CS)，耦合到所述电感器(LO)，并且被配置为提供表示所述电感器电流(iL)的电流感测信号(VCS)；其中对于电流模式控制，所述占空比基于所述电流感测信号(VCS)和所述电压感测信号(VVS)来被设置。4.根据权利要求1至3中任一项所述的开关转换器，其中所述振荡器(OSC)被配置为接收根据所述输入电压(VIN)的频率控制信号(SF，iCH-iFF)，并且生成具有根据所述频率控制信号(SF，iCH-iFF)设置的所述振荡器频率(fPWM)的所述时钟信号(SCLK)。5.根据权利要求4所述的开关转换器，进一步包括：频率控制电路(11)，被配置为接收所述输入电压(VIN)并且生成所述频率控制信号(SF，iCH-iFF)。6.根据权利要求5所述的开关转换器，其中所述频率控制电路(11)被配置为生成所述频率控制信号(SF，iCH-iFF)，使得如果所述输入电压(VIN)大于预定义阈值(VIN*)，则所述振荡器频率(fPWM)随着所述输入电压(VIN)的增加而减小。7.根据权利要求5或6的开关转换器，其中所述频率控制电路(11)被配置为生成所述频率控制信号(SF，iCH-iFF)，使得所述振荡器频率(fPWM)针对不大于预定义阈值(VIN*)的输入电压(VIN)保持基本恒定。8.根据权利要求5至7中任一项所述的开关转换器，其中如果所述输入电压(VIN)大于预定义阈值(VIN*)，则所述振荡器频率(fPWM)线性地减小或根据1/x特性减小。9.根据权利要求1至8中任一项所述的开关转换器，其中所述开关控制器是被...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·瓦宁，C·加伯萨，S·奥尔兰迪，W·范斯洛滕，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE