直流－直流变换器方法和电路技术

本发明专利技术涉及直流－直流变换器电路和方法。该电路包括：脉冲宽度调制器控制器和磁滞模式控制器，每个控制器用来在一系列重复切换循环期间把第一电压变换成第二电压；模式选择电路，根据耦合到第二电压上的负载的电流要求选择两个控制器之一；比较器，用来比较第二电压与基准电压，并且在每个切换循环末端处产生代表第二电压的极性信号；以及一个或多个计数器，被耦合到比较器和模式选择电路，只要在每个切换循环末端处的第二电压的极性与最后ｎ数量个切换循环相同，用来将模式选择电路保持在当前模式中，以及当切换循环末端处的第二电压极性从前一个切换循环变化并且该极性变化持续ｎ数量个切换循环时，用来操作模式选择电路以便选择另一个控制器。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及直流-直流变换器方法和电路。技术背景用于计算机、个人数字辅助装置、蜂窝电话及其它手持移动电子 设备和系统的电源具有严格要求。两种类型的变换器用来满足这些要 求。 一种类型是脉冲宽度调制(PWM)变换器，而另一种是磁滞(波紋) 变换器。带有PWM或磁滞控制器的典型单模式直流-直流变换器8表 示在图la中。变换器8带有一个PWM控制器12或一个磁滞控制器 14。控制器的输出驱动输出开关的栅极，典型地是上部和下部金属氧 化物半导体场效应晶体管(mosfet)式功率晶体管16、 18。金属氧化物 半导体场效应晶体管在一个切换节点20处连接在一起。在高输出电流 电平下，带有一个同步整流器的PWM控制器提供有效和可控制的输 出调节。对于小输出电流，在固定频率PWM模式中搡作的直流-直流 变换器的效率变低，因为PWM切换损失成为主要的。另一方面，磁 滞变换器对于小输出电流是有效的，但对于大输出电流是无效的。对系统的要求在短到几微秒的时间内能从几十安到几十毫安变 化。为了满足可变和常常不一致的电流要求，多种直流-直流变换器， 特别是用在移动系统中的那些，包括一个脉冲宽度调制(PWM)变换器 和一个磁滞变换器。这种双模式控制器提供在宽负栽电流电平范围上 的高效率。一种典型的双模式变换器IO表示在图lb中。变换器10带有一个PWM控制器12和一个磁滞控制器14。控制器的输出驱动上部和 下部金属氧化物半导体场效应晶体管式功率晶体管16、 18。金属氧化 物半导体场效应晶体管在一个切换节点20处连接在一起。切换节点20连接到一个电感器22上，后者连接到包括一个输出电容器23和一 个由电阻器24代表的负载的并联网络上。 一个检测电阻器26与电感 器22串联连接。跨过检测电阻器的电压联接到控制器10上以提供关 于负载电流的数据。在控制器中的一个比较器13从检测电阻器26接 收电压信号，把它与指示临界电流的一个基准值相比较，及操作一个 开关以便当检测电流下降到输入到比较器的基准阈值以下时把控制器 在PWM调制器12与磁滞控制器14之间切换。在高输出电流电平下，带有一个同步整流器的PWM控制器提供 有效和可控制的输出调节。当负载电流变小时，在固定频率PWM模 式中操作的直流-直流变换器的效率变低，因为PWM切换损失成为主 要的。 一个简单的磁滞(波紋)控制器提高用于轻负载的变换器效率。 集成电路检测负栽电流，并且当负栽电流下降到一个最小阈值以下时， 它调用磁滞(波紋)控制器并且使PWM控制器无效。当负载电流增大 到最小阈值以上时，PWM控制器恢复控制。以这种方式，在宽负载 电流范围上保持高效率。用于阈值电流的最佳过渡点通常位于电感器电流成为"临界的" 的一个负载电流值处。临界电流是一个对其存储在电感器22中的总能 量每个循环输送到负载的负栽电流值。在临界值以下的负载电流处， 电感器电流必定在循环中的某一点处经过零和反向。当电感器电流改 变方向时，由于同步整流器、下部场效应晶体管18的双向导电性，从 输出滤波器电容器23获取能量。为了保持在调节中的输出，在下个操 作循环把较多能量输送到滤波器电容器23。如果不把控制器切换到磁 滞控制器14,变换器效率就显著降低。浪费功率和能量。在移动系统 中，这取决于电池功率，同样减小系统的整个寿命。为了防止操作在亚临界电流下的能量损失，对下部金属氧化物半 导体场效应晶体管18有二极管状传导的要求。这保证间断的电感器电流操作。因为小信号环路断开，在固定PWM模式控制下在间断传导 模式中操作变换器10将产生其自身的问题，封闭环路增益增大，并且 变换器容易成为不稳定的。这导致这样的结论，在亚临界电流下为了 安全、稳定及高效操作磁滞模式是希望的。为了选择PWM或磁滞操作模式，控制器IO检测负载电流或在 电路中与负载电流成比例的任何电流，并且把检测的负载电流与一个 基准相比较。如果负载电流高于基准，则致动PWM操作模式。否贝ij， 变换器10在磁滞模式中操作。这种广泛使用的方法取决于当前检测电 路的容差。由于用于现代计算机用途的直流-直流变换的输出电压变得 越来越低，而输出电流变得越来越大，并且在短时间段上大范围变化， 所以精确和高效地测量电流变得非常困难。这导致增大的切换点不确 定性，并因此导致整个变换器的不可预测操作。
技术实现思路
本专利技术包括一种直流-直流变换器电路，该电路包括 一个脉冲 宽度调制器控制器和一个磁滞控制器，每个控制器用来在一系列重复 切换循环期间把一个第一电压变换成一个第二电压； 一个模式选择电 路，用来按照联接到第二电压上的负载的电流要求选择两个控制器之 一； 一个比较器，用来把第二电压与一个基准电压相比较，并且在每个切换循环末端处产生代表第二电压的一个极性信号；及一个或多个计数器联接到比较器和模式选择开关上，用来记录在每个切换循环末 端处的第二电压的极性，用来在每个循环末端处的第二电压极性与最后n数量个切换循环相同就把模式选择开关保持在其当前模式中，及 用来操作模式选择开关以便当在循环末端处的第二电压极性从前一个 循环变化并且极性变化持续n数量个切换循环时选择另一个控制器。 本专利技术还包括一种直流-直流变换器，该直流-直流变换器包括用 来在一 系列重复切换循环期间脉沖宽度调制或波紋调制 一个第 一 电压 以把第一电压变换成一个第二电压的装置、用来按照联接到第二电压 上的负载的电流要求选择两个调制装置之一的装置、用来检测在切换循环末端处的第二电压的极性的装置、及当第二电压的极性在切换循 环末端处变化时用来从一个调制装置切换到另 一个调制装置的装置。本专利技术也包括一种用来把一种直流电压变换成另一种直流电压 的方法，该方法包括脉冲宽度调制器模式和一种磁滞调制器模式，用 来在 一 系列重复切换循环期间产生 一 个第二电压，按照联接到第二电 压上的负载的电流要求选择两个模式之一，检测在切换循环末端处的第二电压的极性，只要在每个循环末端处的第二电压极性与最后n数 量个切换循环相同就保持当前模式，及当在循环末端处的第二电压极 性从前一个循环变化并且极性变化持续n数量个切换循环时选择另一 种模式。便利的是直流-直流变换器电路和用于直流-直流变换的方法。电 路包括一个脉沖宽度调制器控制器和一个磁滞控制器。两个控制器在 一系列重复切换循环期间把一个输入第 一 电压变换成一个输出第二电 压。电路带有一个用来按照经一个电感器联接到第二电压上的负栽的 电流需要选择两个控制器之一的模式选择电路。模式选择开关带有一 个用来把第二电压与一个基准电压(地)相比较以便检测在每个切换循 环末端处的第二电压极性的比较器。在切换循环末端处的输出电压极 性是电感器状态的一种度量。如果电感器在连续操作中，并且负载电 流在临界电流以上，那么开关节点的极性是正的。如果电感器在间断 操作中，那么开关节点的极性是负的。方便的是， 一个或多个计数器联接到比较器上，并且联接到模式 选择开关上。计数器记录在每个切换循环末端处的第二电压的极性， 并且在给定数量个循环期间保持该数据。如果开关节点的极性不改变， 那么控制器保持在已经操作在其中的任一种模式(PWM或磁滞)中。通 过使用计数器，本专利技术避免对于极性单个变化的过早切换本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流－直流变换器电路，包括：脉冲宽度调制器控制器和磁滞模式控制器，每个控制器用来在一系列重复切换循环期间把第一电压变换成第二电压；模式选择电路，用于根据耦合到第二电压上的负载的电流要求选择两个控制器之一；比较器，用来把第二电压与基准电压相比较，并且在每个切换循环末端处产生代表第二电压的极性信号；以及一个或多个计数器，被耦合到比较器和模式选择电路，只要在每个切换循环末端处的第二电压的极性与最后ｎ数量个切换循环相同，用来将模式选择电路保持在其当前模式中，以及当切换循环末端处的第二电压极性从前一个切换循环变化并且该极性变化持续ｎ数量个切换循环时，用来操作模式选择电路以便选择另一个控制器。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：瓦勒蒂米尔穆拉托夫，罗博特霍德金，托马斯乔初姆，
申请(专利权)人：英特赛尔公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]