具有自适应占空控制和操作模式的无缝转变的增强型开关调节器拓扑制造技术

本发明专利技术公开了一种电压转换器，电压转换器自适应为用于不同负载状况的电流模式控制降压调节器。电压转换器在重负载状况期间使用脉冲宽度调制(PWM)以连续传导模式操作。当零电流检测器在轻负载状况期间(不连续传导模式区域)确定没有电感器电流时，控制器使用脉冲频率调制(PFM)来启动自适应占空控制。当处于PFM模式时，自适应占空估计电路对功率电感器充电，以保持电压精度并使效率最大化。使用时钟同步和单个控制回路，自动执行PFM模式、PWM模式和旁路模式之间的平滑转变。电感器零电流检测器触发与主振荡器同步的自适应估计占空比。

Enhanced switching regulator topology with seamless transition of adaptive duty cycle control and operation mode

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有自适应占空控制和操作模式的无缝转变的增强型开关调节器拓扑相关专利申请本申请要求2017年9月14日提交的由AlexHsu、SamTsui、PaoloNora和TszYinMan共同拥有的名称为“HighEfficiency,SmallVoltageRippleBuckConverterwithAdaptiveCalculation(具有自适应计算的高效、小电压纹波降压转换器)”的美国临时专利申请序列号62/558,855的优先权；并且据此以引用方式并入本文以用于所有目的。
本公开涉及电压转换器，并且更具体地讲，涉及具有自适应占空控制的高效、小电压纹波降压转换器。
技术介绍
电压转换器(例如，开关模式电源(SMPS))中的轻负载状况下的效率通常由SMPS控制器使用脉冲频率调制(PFM)模式而不是更标准的脉冲宽度调制(PWM)模式来改善。PWM提供更好的输出电压调节，但是PFM在轻电流负载下提供更高的SMPS效率。遗憾的是，PFM的副作用是减小电压输出精度的较大输出纹波电压。期望将PFM模式用于轻电流负载，而将PWM模式用于较重电流。然而，在SMPS控制器中同时实现PFM模式和PWM模式可能需要具有预定义和准确阈值的模式转变，这在生产SMPS中可能很难实现。此外，由于高电流负载，当PWM一直接通时，可能会发生旁路模式。模式转变选择可能需要阈值调整，并且缺乏用于输出电压精度的自适应占空控制。用以实现模式转变的本技术解决方案可能需要一个或多个预定义的转换阈值，用于PFM模式的附加比较器，用于旁路模式的附加电路，并且模式选择可能来回反弹。另外，在轻负载下，PFM模式可能变得不同步。
技术实现思路
因此，需要开关调节器拓扑，该开关调节器拓扑在PFM模式、PWM模式和旁路模式的操作之间无缝地转变；并且良好的电压调节和频率同步。根据实施方案，用于开关调节器中的无缝模式转变的方法可包括以下步骤：当在第一负载状况期间处于连续传导模式(CCM)时，使用脉冲宽度调制(PWM)模式向功率电感器提供电流脉冲；当在第二负载状况期间处于不连续传导模式(DCM)时，使用脉冲频率调制(PFM)模式向功率电感器提供电流脉冲，其中第一负载状况可大于第二负载状况；以及使PWM模式和PFM模式之间的切换同步到具有一定频率的主时钟。根据方法的另外的实施方案，使PWM模式和PFM模式之间的切换同步的步骤可利用单个控制回路完成。根据方法的另外的实施方案，使用PFM模式的步骤还可包括用自适应时钟分频和占空比估计来降低切换频率的步骤。根据方法的另外的实施方案，自适应时钟分频的步骤可包括将主时钟频率除以N的步骤。根据方法的另外的实施方案，占空比估计的步骤可包括基于输入电压和输出电压计算占空比持续时间的步骤。根据方法的另外的实施方案，占空比估计的步骤可包括与主时钟分频成比例地缩放占空比持续时间的步骤。根据方法的另外的实施方案，N可以等于二(2)。根据方法的另外的实施方案，N可以是正整数。根据方法的另外的实施方案，N可以等于2P，其中P可以是等于或大于一(1)的正数。根据方法的另外的实施方案，将主时钟频率除以N的步骤还可包括当可以检测到功率电感器中的基本上零(0)电流时将主时钟频率除以N的步骤。根据方法的另外的实施方案，可包括在下一个时钟循环之前检测功率电感器中的基本上零(0)电流的步骤。根据方法的另外的实施方案，当负载电流降低时，切换频率可能降低。根据方法的另外的实施方案，可包括在第三负载状况期间使用旁路模式向功率电感器提供电流的步骤，其中第三负载状况可大于第一负载状况。根据另一个实施方案，用于具有自适应占空控制和操作模式的无缝转变的开关调节器的控制器可包括：高侧电流传感器，该高侧电流传感器用于提供表示流进功率电感器的电流的高侧电流信号；低侧电流传感器，该低侧电流传感器用于提供表示功率电感器中的电流的低侧电流信号；零电流检测器，该零电流检测器耦接到低侧电流传感器并且在功率电感器中提供基本上零电流的检测；脉冲发生器，该脉冲发生器用于生成脉冲宽度调制和脉冲频率调制；自适应导通占空发生器，该自适应导通占空发生器耦接到脉冲发生器并且控制其高侧导通时间；差分放大器，该差分放大器具有耦接到开关调节器的电压输出的第一输入和耦接到电压参考的第二输入；电压比较器，该电压比较器具有耦接到差分放大器的输出的第一输入以及耦接到具有来自电流感测和斜率补偿电路的锯齿波形的电压的第二输入，其中电流感测和斜率补偿电路可耦接到高侧电流传感器，其中当来自电流感测和斜率补偿电路的锯齿电压在脉冲宽度调制(PWM)模式期间大于差分放大器的输出电压时，电压比较器使脉冲发生器关断耦接在电压源和功率电感器之间的高侧功率晶体管；自适应导通占空发生器，该自适应导通占空发生器耦接到零电流检测器，其中当可以在功率电感器中检测到基本上零电流时，自适应导通占空发生器切换到脉冲频率调制(PFM)模式以用于控制脉冲占空发生器以便每个切换循环具有与PWM模式的操作期间类似的能量；以及主时钟振荡器，该主时钟振荡器耦接到自适应导通占空发生器。根据另外的实施方案，自适应导通占空发生器可包括导通定时器和逻辑电路以用于估计在PFM模式的操作期间所需的导通时间。根据另外的实施方案，差分放大器可包括运算跨导放大器(OTA)。根据另外的实施方案，差分放大器可包括电压运算放大器。根据另外的实施方案，电压参考可包括数模转换器(DAC)。根据另外的实施方案，用于开关调节器的控制器可包括混合信号微控制器。根据另外的实施方案，微控制器可包括功率管理集成电路(PMIC)。根据又一个实施方案，具有自适应占空控制和操作模式的无缝转变的开关调节器电压转换器可包括：功率电感器，该功率电感器具有第一节点和第二节点；电容器，该电容器耦接在功率电感器的第二节点和电压公共之间，其中功率电感器的第二节点和电压公共可适于耦接到电子设备并且将经调节的电压和电流提供给电子设备；高侧电流传感器，该高侧电流传感器用于提供表示流进功率电感器的电流的高侧电流信号；高侧功率晶体管，该高侧功率晶体管耦接在电压源和功率电感器的第一节点之间；低侧功率晶体管，该低侧功率晶体管耦接在功率电感器的第一节点和电压公共之间；低侧电流传感器，该低侧电流传感器用于提供表示功率电感器中的电流的低侧电流信号；零电流检测器，该零电流检测器耦接到低侧电感器电流传感器并且在功率电感器中提供基本上零电流的检测；脉冲发生器，该脉冲发生器用于生成脉冲宽度调制和脉冲频率调制；自适应导通占空发生器，该自适应导通占空发生器耦接到脉冲发生器并且控制其高侧导通时间；差分放大器，该差分放大器具有耦接到功率电感器的第二节点的第一输入以及耦接到电压参考的第二输入；电压比较器，该电压比较器具有耦接到差分放大器的输出的第一输入以及耦接到具有来自电流感测和斜率补偿电路的锯齿波形的电压的第二输入，其中电流感测和斜率补偿电路可耦接到高侧电流传感器，其中当来自电流感测和斜率补偿电路的锯齿电压在脉冲宽度调制(PWM)模式期间大于差分放大器的输出电压时，电压比较器使脉冲发生器关断耦接在电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于开关调节器中的无缝模式转变的方法，所述方法包括以下步骤：/n当在第一负载状况期间处于连续传导模式(CCM)时，使用脉冲宽度调制(PWM)模式向功率电感器提供电流脉冲；/n当在第二负载状况期间处于不连续传导模式(DCM)时，使用脉冲频率调制(PFM)模式向所述功率电感器提供电流脉冲，其中所述第一负载状况大于所述第二负载状况；以及/n使PWM模式和PFM模式之间的切换同步到具有一定频率的主时钟。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170914 US 62/558,855;20180911 US 16/127,6331.一种用于开关调节器中的无缝模式转变的方法，所述方法包括以下步骤：
当在第一负载状况期间处于连续传导模式(CCM)时，使用脉冲宽度调制(PWM)模式向功率电感器提供电流脉冲；
当在第二负载状况期间处于不连续传导模式(DCM)时，使用脉冲频率调制(PFM)模式向所述功率电感器提供电流脉冲，其中所述第一负载状况大于所述第二负载状况；以及
使PWM模式和PFM模式之间的切换同步到具有一定频率的主时钟。


2.根据权利要求1所述的方法，其中使用所述PFM模式的步骤还包括用自适应时钟分频和占空比估计来降低切换频率的步骤。


3.根据权利要求2所述的方法，其中当负载电流降低时所述切换频率降低。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中使PWM模式和PFM模式之间的切换同步的步骤是利用单个控制回路完成。


5.根据权利要求4所述的方法，其中占空比估计的步骤包括基于输入电压和输出电压来计算占空比持续时间的步骤。


6.根据权利要求4至5中任一项所述的方法，其中占空比估计的步骤包括与主时钟分频成比例地缩放所述占空比持续时间的步骤。


7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中自适应时钟分频的步骤包括将主时钟频率除以N的步骤。


8.根据权利要求7所述的方法，其中N等于二(2)。


9.根据权利要求7所述的方法，其中N是正整数。


10.根据权利要求7所述的方法，其中N等于2P，其中P是等于或大于一(1)的正数。


11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中将所述主时钟频率除以N的步骤还包括当检测到所述功率电感器中的基本上零(0)电流时将所述主时钟频率除以N的步骤。


12.根据权利要求11所述的方法，还包括在下一个时钟循环之前检测所述功率电感器中的基本上零(0)电流的步骤。


13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，还包括在第三负载状况期间使用旁路模式向所述功率电感器提供电流的步骤，其中所述第三负载状况大于所述第一负载状况。


14.一种用于具有自适应占空控制和操作模式的无缝转变的开关调节器的控制器，所述控制器包括：
高侧电流传感器，所述高侧电流传感器用于提供表示流进功率电感器中的电流的高侧电流信号；
低侧电流传感器，所述低侧电流传感器用于提供表示所述功率电感器中的电流的低侧电流信号；
零电流检测器，所述零电流检测器耦接到所述低侧电流传感器，所述零电流检测器用于在所述功率电感器中提供基本上零电流的检测；
脉冲发生器，所述脉冲发生器用于生成脉冲宽度调制和脉冲频率调制；
自适应导通占空发生器，所述自适应导通占空发生器耦接到所述脉冲发生器，所述自适应导通占空发生器用于控制其高侧导通时间；
差分放大器，所述差分放大器具有耦接到所述开关调节器的电压输出的第一输入和耦接到电压参考的第二输入；
电压比较器，所述电压比较器具有耦接到所述差分放大器的输出的第一输入以及耦接到具有来自电流感测和斜率补偿电路的锯齿波形的电压的第二输入，其中所述电流感测和斜率补偿电路耦接到所述高侧电流传感器，其中所述电压比较器被配置成当来自所述电流感测和斜率补偿电路的锯齿电压在脉冲宽度调制(PWM)模式期间大于所述差分放大器的所述输出电压时，使所述脉冲发生器关断耦接在电压源和所述功率电感器之间的高侧功率晶体管；
自适应导通占空发生器，所述自适应导通占空发生器耦接到所述零电流检测器，其中当在所述功率电感器中检测到基本上零电流时，所述自适应导通占空发生器被配置成切换到脉冲频率调制(PFM)模式以用于控制脉冲占空发生器以便每个切换循环具有与所述PWM模式的操作期间类似的能量；和
主时钟振荡器，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：许清雕，P·诺拉，徐業森，T·Y·曼，
申请(专利权)人：微芯片技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US