CN101019320B - 具有动态偏移补偿的dc/dc转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种以开关调节器(100)的形式实现的DC/DC转换器(100)。该DC/DC转换器(100)利用了用于控制电容元件(112)的充电电流的开关晶体管(104)。此外，该DC/DC转换器(100)提供了控制装置(106、140)，以实现在充电电流等于零时的时间点处的开关晶体管(104)的准确断开。利用第二控制装置(140)来检测第一控制装置(106)的偏差，并生成相应的偏移信号(142)，用于在后续的工作周期内减小第一控制装置的偏移。

Description

具有动态偏移补偿的DC/DC转换器
技术领域
本发明涉及DC/DC转换领域。
背景技术
DC/DC转换器用于提供DC输入电压至不同的DC输出电压的转换。DC/DC转换器广泛地用于电池驱动电子设备，该设备需要不同于由例如电池所提供的电压的输入电压。可以以多种不同的方式来实现DC/DC转换器。优选地，将DC/DC转换器实现为线性调节器或开关调节器。线性调节器仅提供了逐级下降转换，而开关调节器可以任意地配置用于提供输出电压相对于输入电压的逐级向上、逐级下降或反相。通常，开关调节器包括电感元件、电容元件和某种开关，例如，开关晶体管。电感元件和电容器用作能量存储装置，以离散的分组将能量从输入端口转移至输出端口。原理上，开关调节器具有比线性调节器高效的特征。
图1示出了现有技术中公知的DC/DC上转换器100的电路图。DC/DC转换器100具有输入电压源110，典型地，输入电压源110是电池。DC/DC转换器100还具有输出电容器112和电感元件108，典型地，电感元件108被实现为线圈。此外，DC/DC转换器100具有两个开关102、104，这两个开关102、104分别通过例如NMOS和PMOS晶体管来实现。两个开关102、104并联。电容器112设置为与开关104串联，并且线圈108设置为与开关104、102串联。此外，比较器106与开关104并联。
利用控制单元114来控制两个开关晶体管102、104的开关。控制单元114还与比较器106的输出连接。优选地，利用控制单元114，以推挽模式驱动两个开关晶体管102、104。开关晶体管102或开关晶体管104允许有关电流的流动。在操作期间，两个开关晶体管102、104中的任何一个或两个中断它们的有关电流。
图1中示出的DC/DC转换器的原理操作可以利用图2的电压图120和图3的相应电流图130来进行阐述。电压图120示出了开关晶体管102两端的电压比时间，电流图130描述了流经线圈108的电流比时间。在t0处，断开开关晶体管102、104，即，中断电的导通。紧接在t0之后将开关晶体管102接通，如可通过图3的电路图的上升沿132看出的，流过线圈108的电流沿斜面增大。这里，上升沿132仅以简化的方式示出了线圈108中电流的增大；典型地，电流的增大与时间呈线性。实质上，这取决于输入和输出电压之差、以及线圈的大小。然而，电流的增大还可能由于寄生效应而具有非线性行为的特征。通常，电流的增大是由于线圈108的电感影响。
在电流增大时，线圈108用于存储电能。典型地，当电流在t1处达到最大值时，断开开关晶体管102并接通开关晶体管104。这导致了电压突然增大到大于输入电压电平124。该电压甚至增大到超过输出电压电平122。t1处电压增大到大于输入电压电平124是由于存储于线圈108中的电能的释放。因此，可以通过下降沿134来描述流经线圈108的电流。在该下降沿134期间，对电容器112进行充电。此外，在t1与t2之间的这个时间间隔期间，开关晶体管102两端的电压减小至输出电压电平122。
在t2处，开关晶体管102两端的电压等于电容器112两端的所期望的输出电压。因此，开关晶体管104两端的电压大致等于零，因此，流经开关晶体管104、并继而流经线圈108的电流等于零。现在，必须立即断开开关晶体管104，以防止电容器102的不期望的放电。
如果没有及时断开，则存储于电容器112中的能量会以电流的形式向线圈108耗散，该电流以与充电电流相比相反的方向流经开关晶体管104。为了防止出现这种反向的电流，比较器106用于检测在时间t2处的电流过零(zero crossing)。可以通过检测开关晶体管104两端的零电压来间接地执行电流过零的检测。响应于检测到过零，比较器106向控制单元114提供断开信号，控制单元114继而断开开关晶体管104。
接下来，将晶体管102、104都断开；开关晶体管102两端的电压降至输入电压电平124，以及经过线圈108的电流大致保持为零。在经过了特定时间间隔之后，重复整个工作周期。通过与DC/DC转换器的输出连接的负载来控制两个连续工作周期之间的时间间隔。
对于DC/DC转换器的有效且可靠的操作，开关晶体管104的断开恰好与电流的过零匹配。在延迟断开的情况下，会出现电容器112的反向放电电流，这对DC/DC转换的效率产生了负面影响。在相反的场景中，如果过早地断开开关晶体管104(即，先于电流过零)，则晶体管104两端的剩余电压将不得不耗散。可以经由在开关晶体管104的漏极和源极之间存在的寄生二极管，对有关电流进行放电。
这种放电反映于明显(distinct)电压峰值126中，相对于输出电压电平122，该明显电压峰值126略大于t1处的初始电压偏移(offset)。此外，在该场景中，DC/DC转换器的操作是次优的，这是由于存储于线圈108中的特定量的能量没有有效地用于输出电容器112的充电。
原理上，相当难以实现开关晶体管104的断开与电流的过零的准确匹配。由于通过控制单元114(适于对从比较器106得出的输入信号起作用)来控制开关晶体管102、104的开关，所以不可避免地存在特定的延迟。然而，可以通过以预定偏移来操作比较器106，来补偿这种延迟，但是DC/DC转换器可以仍然对环境的改变非常敏感，例如，对DC/DC转换器的不同电子组件的时间行为具有不可忽略的影响的改变的温度。
此外，组件106必须提供高级准确性，以测量在晶体管104的漏极和源极之间的非常小的电压差。因此，在现有技术中，比较器106必须满足严格的规范需求。
发明内容
本发明致力于克服现有技术的缺点，并致力于提供一种DC/DC转换器，具有用于检测开关晶体管两端的零电流或零电压的改进装置。
本发明提供了一种DC/DC转换器，该DC/DC转换器具有开关晶体管，用于控制对电容元件进行充电的电流的流动。通过DC电压源和适于存储电能的电感元件来提供用于对电容元件进行充电的电流。该DC/DC转换器包括第一控制装置，用于响应于检测到电流过零，来启动开关晶体管的断开；以及第二控制装置，用于检测第一控制装置的偏差，并用于生成减小第一控制装置的偏差的偏移控制信号。将通过第二控制装置生成的该偏移控制信号提供给第一控制装置。
在上下文中，第一控制装置的偏差是指开关晶体管的断开与电流的过零之间的时间失配。该偏差并不仅仅是由于第一控制装置引起的。这还由于开关晶体管自身的时间行为、以及适于检测开关晶体管两端的电流过零和/或电压过零的其它信号处理装置。
第二控制装置适于检测开关晶体管的断开与电流的过零之间的失配。在检测到这种偏差时，第二控制装置生成反馈回第一控制装置的偏移控制信号，以减小在DC/DC转换器的后续工作周期中的偏差。以这种方式，第二控制装置提供了反馈环路，以控制第一控制装置和/或开关晶体管的准确操作。
此外，第二控制装置可以进行动态失配补偿，即，检测并测量断开与零电流检测之间的可能失配，并有效地生成相应的偏移控制信号，以有效地补偿后续工作周期中的失配。以这种方式，本发明的DC/DC转换器可以动态地适用于不同的外部条件，该外部条件可以在DC/DC转换器的操作期间任意改变。具体地，该动态失配或偏移补偿可以实现具有较大容限余量(tolerance margin)的特征且为低成本组件的电子组件。因此，通过利用该动态补偿和有效的零电流检测方案，不再必须严格地满足现有技术中公知的严格的规范需求。
根据本发明地优选实施例，第一控制装置的偏差包括开关晶体管在电流过零之前的断开。此外，该偏差并不局限于第一控制装置的偏差。在本实施例中，该偏差是指相对于流经晶体管的电流的过零，开关晶体管的早断开。在这种情况下，利用第二控制装置，仅检测开关晶体管的早断开。因此，第二控制装置没有检测到延迟的断开，即，电流和/或电压过零之后的电路的中断。因此，第二控制装置仅适于检测断开与过零之间的提前失配。
根据本发明的另一优选实施例，第二控制装置实现为比较器，该比较器适于检测开关晶体管两端的电压峰值。该电压峰值表示开关晶体管在电流过零之前的断开。因此，如果晶体管断开过早，即先于电流和/或电压的过零，则代表第二控制装置的比较器能够检测到出现在开关晶体管两端的特定电压峰值。在典型的基于金属氧化物半导体(MOS)技术来实现开关晶体管的实施方式中，该电压峰值可以超过几百mV。
根据本发明的另一优选实施例，第二控制装置还适于生成偏移控制信号，用于如果第二控制装置检测到开关晶体管在电流过零之前的断开，则延迟开关晶体管的断开。如果第二控制装置(例如，比较器)通过在过零附近检测到开关晶体管两端的明显电压峰值，检测到开关晶体管的早断开，则由比较器生成的偏移控制信号用于在后续的工作周期中延迟开关晶体管的断开。
优选地，该偏移控制信号表示第一控制装置延迟的递增。由于通过预定偏移有效地控制了第一控制装置延迟，所以偏移控制信号用于无论何时经由对开关晶体管两端的明显电压峰值的检测而检测到开关晶体管的早断开，便使该预定延迟递增。
根据本发明的另一优选实施例，第二控制装置还适于生成偏移控制信号，用于如果第二控制装置没有检测到开关晶体管在电流过零之前的断开，则将提前开关晶体管的断开。在本实施例中，DC/DC转换器考虑了相对于充电电流的过零来延迟开关晶体管的断开的那些情况。没有开关晶体管两端的明显电压峰值则表示晶体管断开的零失配或延迟。
即使断开和过零的准确匹配表示了DC/DC转换器的最佳操作模式，第二控制装置也不允许区分断开的零失配与严重延迟。由于断开的相当大的延迟比将准确的断开提前一个增量具有更大的负面影响，所以无论何时在出现电流过零的所考虑时间间隔内没有检测到开关晶体管的早断开，第二控制装置都适于生成用于第一控制装置的提前偏移控制信号。
根据本发明的另一优选实施例，通过第二控制装置检测到的电压峰值的大小确定了偏移控制信号的幅值。典型地，由于开关晶体管的早断开而出现的电压峰值的大小还表示断开与电流过零之间的失配的大小。因此，通过利用第二控制装置来分析电压峰值的大小，提供给第一控制装置的偏移控制信号可以启动多个增量的偏移。
因此，不但通过检测存在、而且通过检测这个明显电压峰值的大小，相应的偏移控制信号可以启动用于第一控制装置的相应偏移信号。以这种方式，可以检测到大的失配，并可以生成相应的大补偿信号并提供给第一控制装置。作为优点，可以通过单个工作周期来补偿相当大的失配，而不是反复地执行多个连续的工作周期，每个工作周期提供开关晶体管断开的预定延迟。
根据本发明的另一优选实施例，第一控制装置还适于启用第二控制装置。由于第二控制装置仅设计用于在电流过零附近的时间间隔内(即，在工作周期的结尾处)检测第一控制装置的偏差，所以第二控制装置不必在整个工作周期内都是活跃的。具体地，通过第一控制装置来启用第二控制装置有效地实现了第二控制装置的高效使用。
优选地，例如实现为比较器的第二控制装置与第一控制装置的输出连接。例如，响应于第一控制装置的标记，即在第一控制装置生成了断开信号时，启用第二控制装置。优选地，第二控制装置还具有快速响应的特征，该快速响应足以在启用第二控制装置之后检测到出现在开关晶体管两端的明显电压峰值。
否则，例如，当明显的电压峰值由于延迟的断开而不出现时，也启用第二控制装置。在这种情况下，由于电压峰值没有出现，所以第二控制装置不能检测到明显的电压峰值。由于没有检测到不存在的电压峰值，所以第二控制装置适于生成适合的偏移控制信号，用于将开关晶体管的后续断开提前。
可选地，还可以通过控制单元来控制第二控制装置的启用。由于控制单元适于触发开关晶体管的开关，所以可以很好地适于附加地触发第二控制装置。
根据本发明的另一优选实施例，本发明的DC/DC转换器适于提供DC/DC上转换。以这种方式，DC/DC转换器的不同组件向输出电容器提供了电能的逐分组的转移。这种逐分组能量转移用于提供实质上大于DC输入电压的DC输出电压。优选地，由本发明的DC/DC转换器提供的动态偏移补偿或失配补偿机制可应用于对输出电容器的充电电流的过零进行检测。该配置具体与DC/DC上转换相关。
然而，可以普遍地基于本发明的动态失配补偿机制来实现零电流和/或零电压的检测、以及预定电流电平或电压电平的检测。因此，本发明并不局限于零电压检测，而是可以任意地用于预定电流或电压电平的检测，这对于例如DC/DC下转换器非常有用。
根据本发明的另一优选实施例，第二控制装置还适于检测持续时间在毫微秒范围内的电压峰值。典型地，由于开关晶体管的早断开而出现的明显电压峰值具有持续时间为几毫微秒的特征。为了能够检测该明显电压峰值，优选地，基于可以检测毫微秒范围内的电压信号的比较器来实现第二控制装置。
在另一方面，本发明提供了一种操作DC/DC转换器的方法，该DC/DC转换器具有开关晶体管，用于控制对电容元件进行充电的电流的流动。通过DC电压源和用于存储并提供电能的电感元件来提供该充电电流。该DC/DC转换器还具有第一控制装置，用于响应于检测到充电电流的过零，来启动开关晶体管的断开。该操作DC/DC转换器的方法包括：基于第二控制装置来检测第一控制装置的偏差，以及利用第二控制装置来生成偏移控制信号，并向第一控制装置提供该偏移控制信号，以减小第一控制装置的偏差。在上下文中，偏差包括在流经开关晶体管的电流的过零之前的开关晶体管的断开。
在另一方面，本发明提供了电池驱动电子设备，该设备包括DC/DC转换器，该DC/DC转换器具有用于控制对电容元件进行充电的电流流动的开关晶体管。电池驱动电子设备的DC/DC转换器包括第一控制装置，用于响应于检测到充电电流的过零，来启动开关晶体管的断开；以及第二控制装置，用于检测第一控制装置的偏差，并用于生成减小第一控制装置的偏差的偏移控制信号。此外，将该偏移控制信号提供给第一控制装置。
此外，应当注意，权利要求中的任何附图标记并不应理解为限制本发明的范围。
附图说明
以下，通过参照附图来更加详细的描述本发明的优选实施例，其中：
图1示意性地示出了现有技术的DC/DC上转换器的电路图，
图2示出了DC/DC上转换器的两个连续工作周期的电压图，
图3示出了DC/DC上转换器的两个连续工作周期的电路图，
图4示意性地示出了本发明的DC/DC转换器的电路图。
具体实施方式
图2的电压图120和图3相应的电流图130是指如图1所示的DC/DC转换器的现有技术实施方式、以及图4所示的本发明的DC/DC转换器。在图2中示出了：在流经开关晶体管104的充电电流过零之前出现了开关晶体管104的断开时，明显电压峰值126出现。在这种情况下，比较器106的偏移是比较器106过早地进行标记而导致了开关晶体管104的过早开关。
图4示出了具有动态偏移控制的本发明的DC/DC转换器。DC/DC转换器100具有两个开关晶体管102、104，优选地，这两个开关晶体管102、104分别实现为NMOS和PMOS晶体管。DC/DC转换器还具有用于存储由电压源110提供的电能的线圈108及电容器112。例如，电压源110实现为提供DC电压和相应的DC电流的电池。通过未在此明确示出的控制单元来控制两个开关晶体管102、104。
开关晶体管102的接通导致出现了流经线圈108的电流。两个晶体管的后续交替开关，即，晶体管102的断开和晶体管104的接通，导致了晶体管102两端和电容器112两端的电压的突然增大。由于由线圈108和DC电压源110来提供电能，所以可以从电容器112两端输出的输出电压甚至增大至大于输出电压电平122。由于线圈108中充电的电能是有限的，所以电容器112两端的电压会减小，直至达到输出电压电平122的值。在时间t2点处，流经晶体管104的电流大致等于零，该电流通过比较器106来检测。响应于该零检测，比较器106进行标记并向控制单元提供相应的标记信号，以断开晶体管104。还将标记信号传输至比较器140，以启用该比较器140。比较器140有效地提供了第二控制装置，该第二控制装置用于在流经晶体管104的电流过零之前断开晶体管104的情况下，来检测出现在晶体管104两端的明显电压峰值。
因此，比较器140的输入端与晶体管104的源极和漏极连接，以测量晶体管104两端的电压峰值。比较器140的输出端经由偏移控制线142与比较器106连接。以这种方式，可以将利用比较器140生成的偏移控制信号有效地提供给比较器106。该偏移控制线142用于使两个比较器140、106直接连接。
优选地，比较器140适于提供两种不同的偏移控制信号。第一种偏移控制信号用作延迟偏移信号，以及第二种偏移控制信号用作超前偏移信号。响应于检测到晶体管104两端的明显电压峰值(表示晶体管104早断开)，利用比较器140来生成延迟偏移信号。在良好的(complimentary)情况下，即，当在所考虑的时间间隔内没有检测到明显的电压峰值时，利用比较器140来生成超前信号。
以这种方式，永久地并有效地控制比较器106的偏移。比较器140用于生成递增或递减的偏移信号，分别用于对比较器106的偏移进行递增或递减。因此，为了保持开关晶体管104断开与相应电流过零的最小失配，有效地并重复地处理用于控制晶体管104开关时间的比较器106的偏移。
以这种方式，比较器106不再必须实现为具有小固有偏移和低温度效应的特征的高精度比较器。比较器106的动态偏移控制可以实现具有相当的制造容限和温度漂移的特征的比较器。此外，用于检测明显电压峰值的比较器140还可以实现为具有低灵敏度的比较器，这是由于特征电压峰值典型地超过100mV。比较器140仅必须在经由启用线144，利用比较器106的标记被启用时，提供足够快的响应。由于与用于现有技术中的比较器相比，实质上降低了对比较器106、140的规范需求，所以还可以以更加紧凑、因而节省了空间的方式来实现比较器106、140。
此外，应当提及，开关晶体管102、104和比较器106、140的技术实现并不局限于金属氧化物半导体技术(MOS)或互补金属氧化物半导体技术(CMOS)。通常，可以基于任何适合的半导体技术(如，硅双极技术或砷化镓(GaAs)异质结双极型晶体管(HBT)技术)来实现DC/DC转换器的电子组件。
附图标记列表
100    DC/DC转换器
102    开关晶体管
104    开关晶体管
106    比较器
108    线圈
110    电压源
112    电容器
114    控制单元
120    电压图
122    输出电压电平
124    输入电压电平
126    电压峰值
130    电流图
132    上升电流沿
134    下降电流沿
136    过零
140    比较器
142    偏移控制线
144    启用线
146    比较器输出线

Claims (10)

1.一种DC/DC转换器(100)，具有用于控制对电容元件(112)进行充电的电流流动的开关晶体管(104)，所述DC/DC转换器包括：
第一控制装置(106)，用于响应于检测到流经所述开关晶体管的电流过零(136)，来启动所述开关晶体管的断开；
第二控制装置(140)，用于检测所述第一控制装置的偏差，并用于生成减小所述第一控制装置的偏差的偏移控制信号，其中所述偏移控制信号被提供给所述第一控制装置，
其中，所述第二控制装置被实现为比较器(140)，并适于检测所述开关晶体管(104)两端的电压峰值，所述电压峰值(126)表示所述开关晶体管在电流过零(136)之前的断开。
2.如权利要求1所述的DC/DC转换器(100)，其中，所述第一控制装置(106)的偏差包括所述开关晶体管(104)在电流过零(136)之前的断开。
3.如权利要求2所述的DC/DC转换器(100)，其中，所述第二控制装置(140)适于：如果所述第二控制装置检测到所述开关晶体管(104)在电流过零(136)之前的断开，则生成用于延迟所述开关晶体管的断开的偏移控制信号。
4.如权利要求2所述的DC/DC转换器(100)，其中，所述第二控制装置(140)适于：如果所述第二控制装置没有检测到所述开关晶体管(104)在电流过零(136)之前的断开，则生成用于将所述开关晶体管的断开提前的偏移控制信号。
5.如权利要求1所述的DC/DC转换器(100)，其中，利用所述第二控制装置(140)检测的电压峰值的大小确定了所述偏移控制信号的幅值。
6.如权利要求1所述的DC/DC转换器(100)，其中，所述第一控制装置(106)适于启用所述第二控制装置(140)。
7.如权利要求1所述的DC/DC转换器(100)，用于提供DC/DC上转换。
8.如权利要求2所述的DC/DC转换器(100)，其中，所述第二控制装置(140)适于检测持续时间在毫微秒范围内的电压峰值(126)。
9.一种操作DC/DC转换器(100)的方法，所述DC/DC转换器具有用于控制对电容元件(112)进行充电的电流流动的开关晶体管(104)，所述DC/DC转换器还具有第一控制装置(106)，用于响应于检测到流经所述开关晶体管的电流过零(136)，来启动所述开关晶体管的断开，所述操作方法包括以下步骤：
基于第二控制装置(140)来检测所述第一控制装置的偏差，所述偏差包括开关晶体管在电流过零之前的断开，其中，所述第二控制装置被实现为比较器(140)，并适于检测所述开关晶体管(104)两端的电压峰值，所述电压峰值(126)表示所述开关晶体管在电流过零(136)之前的断开；
利用所述第二控制装置来生成偏移控制信号，并向所述第一控制装置提供所述偏移控制信号，以减小所述第一控制装置的偏差。
10.一种电池驱动电子设备，包括如权利要求1至8之一所述的DC/DC转换器(100)。
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