CN102104334A - 谷值电流模式控制的dc至dc转换器的ccm和dcm之间的干净转换 - Google Patents

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CN102104334A CN2010105936217A CN201010593621A CN102104334A CN 102104334 A CN102104334 A CN 102104334A CN 2010105936217 A CN2010105936217 A CN 2010105936217A CN 201010593621 A CN201010593621 A CN 201010593621A CN 102104334 A CN102104334 A CN 102104334A
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Abstract

本发明公开了一种谷值电流模式DC至DC转换器，所述转换器可包括电子控制系统，所述电子控制系统被设置成促使DC至DC转换器在连续电流模式和非连续电流模式下工作。所述电子控制系统可包括电流感应系统，所述电流感应系统被设置成感测通过电感的电流；双阈值发生器，所述双阈值发生器被设置成产生第一和不同的第二阈值；和比较器系统，所述比较器系统被设置成当DC至DC转换器工作在连续电流模式时将由电流感应系统所感测的电流与第一阈值进行比较，并且当DC至DC转换器工作在非连续电流模式时将由电流感应系统所感测的电流与第二阈值进行比较。

Description

谷值电流模式控制的DC至DC转换器的CCM和DCM之间的干净转换
技术领域
本发明涉及使用谷值电流模式控制的DC至DC转换器。
背景技术
切换DC至DC转换器可以通过利用开关网络周期性地在规定的工作周期(占空比)期间将能量传送入电感来调整输出电压。尽管在负载和/或输入电压上有变化，可以调节工作周期(占空比)以使输出电压保持不变。
电流模式控制已被用于调节工作周期(占空比)。一种类型的电流模式控制被称为谷值电流模式控制。电流感应可能发生在电流通过电感或Bottom MOSFET(底部金属氧化物半导体场效应管)的下降斜率的时间间隔期间。
控制器可以在有些时候使得DC至DC转换器工作在连续电流模式(“CCM”)，在所述连续电流模式期间电流可以一直流过电感。控制器可以在另一些时侯使得DC至DC转换器工作在非连续电流模式(“DCM”)，在所述非连续电流模式期间电流可能在每个周期的一部分期间停止流过电感。DC至DC转换器是工作在CCM模式还是工作在DCM模式可取决于负载、输入电压和所希望的输出电压之间的差值、以及其它因素。
这两种工作模式之间的转换可能导致转换器输出的不稳定和相关的噪声。
发明内容
谷值电流模式DC至DC转换器可包括电感，所述电感具有第一和第二连接点；电容，所述电容连接至电感的第二连接点并被设置成在第二连接点处过滤电压；电子开关系统，所述电子开关系统连接至电感的第一连接点并被设置成可控制地将第一连接点连接至电压源；以及电子控制系统。
所述电子控制系统可被设置成控制电子开关系统并且使得电子开关系统促使DC至DC转换器在某些条件下工作在连续电流模式并在某些其它条件下工作在非连续电流模式。
所述电子控制系统可包括电流感应系统，所述电流感应系统被设置成感测通过电感的电流；双阈值发生器，所述双阈值发生器被设置成产生第一和不同的第二阈值；和比较器系统，所述比较器系统被设置成当DC至DC转换器工作在连续电流模式时将由电流感应系统感测的电流与第一阈值进行比较，而当DC至DC转换器工作在非连续电流模式时将由电流感应系统感测的电流与第二阈值进行比较。
上述以及其它部件、步骤、特征、目的、益处和优势，会通过参见下文详细描述的示例性实施例、附图和权利要求而变得更为清楚。
附图说明
附图披露了示例性实施例。附图并没有描绘所有的实施例。可以另外使用或替换使用其它的实施例。显而易见或不是必要的细节可能被省略，以便节省篇幅或以便进行更有效地描述。相反地，在没有使用所有披露的细节的情况下也可以实施一些实施例。当相同的附图标记出现在不同的附图中时，其表示相同或相似的部件或步骤。
图1示出了使用谷值电流模式控制的现有技术的DC至DC转换器。
图2示出了当DC至DC转换器工作在连续电流模式时(例如当转换器上的负载为重负载时)可流过图1所示DC至DC转换器中的电感的电流。
图3示出了当DC至DC转换器工作在非连续电流模式时(例如当转换器上的负载为轻负载时)可流过图1所示DC-至-DC转换器中的电感的电流。
图4示出了当DC-至-DC转换器处于连续电流模式和非连续电流模式之间的转换(过渡)时(例如当转换器上的负载为中等负载时)可流过图1所示DC至DC转换器中的电感的电流。
图5示出了使用谷值电流模式控制并根据DC至DC转换器的工作模式改变反向电流比较系统中的阈值的DC至DC转换器。
图6示出了当DC-至-DC转换器从连续电流模式向非连续电流模式转换时(例如当转换器上的负载减轻时)可流过图5所示DC至DC转换器中的电感的电流。
具体实施方式
现在讨论示例性实施例。可以使用其它实施例作为补充或替换。显而易见或不是必要的细节可能被省略以便节省篇幅或以便更有效的演示。相反地，在没有使用所披露的所有细节的情况下可以实施一些实施例。
图1示出了使用谷值电流模式控制的现有技术的DC至DC转换器。
如图1所示，现有技术的DC至DC转换器可包括电感101，电容103，可包括电子开关105和107的电子开关系统，可包括电流感应系统的电子控制系统(其中所述电流感应系统可包括电阻109和计数器(scaler)111)，可包括正向电流比较器113和反向电流比较器117的比较器系统，和脉宽调制器123。如图1所示，现有技术的DC至DC转换器可包括其它部件，例如可提供网络补偿的部件。
电子开关105可被设置成可控制地将电感101连接至电压源121。电子开关107可被设置成可控制地将电感101连接至接地。
脉宽调制器123连同正向电流比较器113、反向电流比较器117和其它部件可被设置成为DC至DC转换器提供电流模式控制。它们可被设置成提供谷值电流模式控制，所述谷值电流模式控制可在电流通过电感101的下降(谷值)斜率期间促使发生电子开关105和/或107的状态的改变。
这些部件可被设置成使DC至DC转换器在某些时侯工作在连续电流模式(CCM)而在另一些时侯工作在非连续电流模式(DCM)。在连续电流模式中，通过电感101的电流可在每个周期的所有部分期间流过。在非连续电流模式中，对于每个周期的一部分期间，电流可能停止流过电感101。
正向电流比较器113和反向电流比较器117都可被设置成感测电感电流的下降(谷值)斜率。正向电流比较器113可被设置成通过与脉宽调制器123的配合接通电子开关105并关断电子开关107。反向电流比较器117可被设置成越过脉宽调制器并关断电子开关107。反向电流比较器117可被设置成一旦电感电流下降至零并开始反向就如此工作。
可能不能预见CCM和DCM之间的边界(界限)，以及在边界(界限)情况期间通过电感101的电流的波形。这可能导致系统在CCM和DCM之间转换时噪声的增大。这可归因于当电感电流刚开始反向时在边界处正向电流比较器113和反向电流比较器117之间的竞争现象。此外，当电子开关107被关断时，由于对电子开关107中的电容进行放电可能导致接地反弹。这些噪声源可能导致不希望的正向电流比较器性能并可能导致转换器输出VO的更多纹波(ripple)。
图2-4示出了这些工作模式。
图2示出了当转换器工作在连续电流模式时(例如当转换器上的负载为重负载时)可流过图1所示DC至DC转换器中的电感的电流。如图2所示，流过电感101的电流可能变化，但可以是连续的。在该连续电流模式期间，正向电流比较器113可单独负责开启(接通)/关断电子开关105/107。此外，在该连续电流模式期间，反向电流比较器117可能不产生任何输出。
图3示出了当转换器工作在非连续电流模式(例如当转换器上的负载为轻负载时)可流过图1所示DC至DC转换器中的电感的电流。如图3所示，通过电感的电流可能是非连续的，因为所述电流可能在每个周期的一部分期间停止流过电感。在该模式时，反向电流比较器117在每次电流下降至零并开始反向时关断电子开关107。
图4示出了当转换器处于连续电流模式和非连续电流模式之间的转换(过渡)时(例如当转换器上的负载为中等负载时)可流过图1所示DC至DC转换器中的电感的电流。在该边界(界限)处，正向电流比较器113和反向电流比较器115可能改变状态并且关于哪个改变状态可能存在不稳定性。每次在关断电子开关107时接地反弹也可能被注入系统。该不稳定性和接地反弹可能将噪声注入系统，这可能导致输出VO中的更大纹波。
图5示出了使用谷值电流模式控制并根据DC至DC转换器的工作模式改变反向电流比较系统中的阈值的DC至DC转换器。
图5中所示的DC至DC转换器可以包括电感501，电容503，可包括电子开关505和电子开关507的电子开关系统，以及电子控制系统。电子控制系统可包括电流感应系统，所述电流感应系统可包括感测电阻509和计数器(scaler)511；比较系统，所述比较系统可包括正向电流比较器513和一组反向电流比较器517和518；模式检测器519；双阈值发生器523；和脉宽调制器527。在图5中还可以看到，DC至DC转换器还可包括可被设置成提供网络补偿或其它功能的其它部件。
电感501可包括以任何结构(设置)连接的一个或多个电感。
电容503可被设置成过滤DC至DC转换器输出的电压并可包括以任何结构(设置)连接的一个或多个电容。
电子开关系统可被连接至电感501。电子开关系统可被设置成可控地将电感501连接至电压源521。在电子开关系统中可以使用任何数量或类型的电子开关，例如一个或多个BJT，FET，MOSFET和/或二极管。本文所用的术语“连接”旨在包含没有介于其间的部件的直接连接和可能涉及介于其间的部件(例如电流感测电阻)的间接连接。
电子控制系统可被设置成控制电子开关系统并使得电子开关系统促使DC至DC转换器在某些条件下工作在连续电流模式而在某些其它条件下工作在非连续电流模式。电子控制系统的部件可能与图5所示的那些不同。
电流感应系统可被设置成感测通过电感501的电流。
模式检测器519可被设置成检测并指示DC至DC转换器是工作在连续电流模式还是非连续电流模式。模式检测器519可以使用任何部件或部件的组合并且可以接收和处理任何类型的信号或多个信号以确定DC至DC转换器的工作模式。例如，模式检测器可接收来自反向电流比较器517和518的信号，如图5所示。模式检测器519可包括时钟控制的(clocked)存储器(例如时钟锁存器)，所述时钟控制的存储器可时钟输入这些信号的逻辑OR(或)，使得时钟控制的存储器装置的输出反映DC至DC转换器的模式。正向电流比较器513输出自身可充当这样的时钟以便锁存模式改变事件。
模式检测器519可提供互补输出，一个连接至反向电流比较器517的激活输入(端)525，而另一个连接至反向电流比较器518的激活输入(端)527。当检测到连续电流模式时，连接至反向电流比较器517的模式检测器519的互补输出可导致反向电流比较器517被激活。类似的，当模式检测器519检测到非连续模式时，连接至反向电流比较器518的模式检测器519的另一互补输出可导致反向电流比较器518被激活。也就是说，模式检测器519可被设置成在连续电流模式期间激活反向电流比较器517，而在非连续电流模式期间激活反向电流比较器518。
双阈值发生器523可被设置成产生第一和不同的第二阈值，分别标为V1和V2。第一阈值和第二阈值可具有相反的极性。例如，第一阈值可具有负值而第二阈值可具有正值。
第一和第二阈值可提供比较迟滞，所述比较迟滞减少了由于DC至DC转换器在连续电流模式和非连续电流模式之间转换(过渡)时出现噪声而导致的DC至DC转换器的输出的波动。第一和第二阈值之间的差异可能大于由电流感应系统所感测到的电流中的噪声。如上文所指出的，该噪声可能在DC至DC转换器在连续电流模式和非连续电流模式之间转换(过渡)时产生。
图5所示结构的净效应可导致反向电流比较器517在连续电流模式期间将由电流感应系统所感测到的电流与V1阈值进行比较，并且导致反向电流比较器518在非连续电流模式期间将由电流感应系统所感测到的电流与阈值V2进行比较。反向电流比较系统因此可具有两个阈值，一个高于零电流水平的正阈值和一个低于零电流水平的负阈值。
当通过电感501的电流下降时，反向电流比较器517可以直到达到负阈值时才决定关断电子开关507。这可保证通过电感501的电流确实穿过零电流水平并且确定反向。
一旦DC至DC转换器回到连续电流模式，反向电流比较器518可通过模式检测器519被激活并可要求通过电感501的电流在下降到被触发前降至正水平。由反向电流比较系统评估的阈值之间的该迟滞可确保CCM和DCM之间的平稳转换。这可能还导致电子开关507在正向电流比较器决定是否接通(开启)电子开关505之前很久就关断。这可消除上文所讨论的竞争现象并使电子控制系统免受电子开关507关断所产生的噪声。
图6示出了当转换器从连续电流模式向非连续电流模式转换时(例如转换器上的负载减轻时)可流过图5所示DC至DC转换器中的电感的电流。当电感电流远远高于反向电流比较器阈值V1和V2时，没有反向电流比较器可被触发。模式检测器519可检测该状态并且预置模式检测器519的输出为CCM，这可激活反向电流比较器517并取消激活反向电流比较器518。当通过电感501的电流在点601降至第一阈值V1时，反向电流比较器517可触发。在这时，反向电流比较器517可触发并且模式检测器519可记录该事件并激活反向电流比较器518及取消激活反向电流比较器517。当电流在点603降至低于第二阈值V2时，反向电流比较器518可此时触发。阈值的变化可提供除去噪声所必要的迟滞并且还提供足够的时间让正向电流比较器513决定何时再次接通MOSFET 505。只有当反向电流比较器518不再触发时，模式检测器519可将状态改变至其初始状态的CCM模式。这在输出负载增大至某一点时可能发生。在该点，周期可如上所述重复自身。
上文所讨论的部件、步骤、特征、目的、益处和优势仅仅是示例性的。它们本身以及与之有关的讨论都不旨在以任何方式限制本发明的保护范围。此外还包括多个其它的实施例。这些实施例包括具有更少、补充和/或不同的部件、步骤、特征、目的、益处和优势的实施例。这些实施例还包括部件和/或步骤的排列和/或顺序不同的实施例。
例如，反向电流比较系统可以仅由单个比较器构成，而不是两个比较器。在这种情况，单个比较器的输入可以在两个不同的阈值之间被多路传输。
反向电流比较器的阈值可以由使用者外部设定以适应任何具体的应用。用于感应电感中的电流的位置和/或技术也可以变化。
除非特别说明，本说明书(包括所附权利要求书)中所述的所有测量结果、值、额定值、位置、量级、尺寸、和其它说明都是近似的而非精确的。它们旨在表示具有与其相关的功能以及与其所相关领域的习惯相一致的合理范围。
“电感”和“电容”旨在表示分别提供电感和电容的一个或多个部件的简化符号。
本申请所引用的所有文章、专利、专利申请和其它的公开文献在此被结合入本文作为引用。
短语“用于……的装置”当用于权利要求中时旨在表示并应当被理解为包含所述的对应结构和材料及其等同结构和材料。相似的，短语“用于……的步骤”当用于权利要求中时旨在表示并应当被理解为包含所述的对应动作及其等同动作。在权利要求中缺少这些短语表示权利要求不旨在表示或不应被理解为限制在任何的对应结构、材料或动作或它们的等同物。
所述或所示的任何公开内容均不旨在表示或不应被理解为将任何的部件、步骤、特征、目的、益处、优势或其等同贡献给公众，不管在权利要求书中是否有表述。
本发明的保护范围仅由所附的权利要求书限定。权利要求书的范围旨在并应被理解为当按照本说明书和随后的申请过程解释时与用于权利要求中的语言的通常意思一样宽泛，并包括所有的结构上和功能上的等同。

Claims (20)

1.一种谷值电流模式DC至DC转换器，包括：
电感，所述电感具有第一和第二连接点；
电容，所述电容连接至电感的第二连接点并被设置成在第二连接点处过滤电压；
电子开关系统，所述电子开关系统连接至电感的第一连接点并被设置成可控制地将第一连接点连接至电压源；和
电子控制系统，所述电子控制系统被设置成控制电子开关系统并使得电子开关系统促使DC至DC转换器在某些条件下工作在连续电流模式并在某些其它条件下工作在非连续电流模式，所述控制系统包括：
电流感应系统，所述电流感应系统被设置成感测通过所述电感的电流；
双阈值发生器，所述双阈值发生器被设置成产生第一和不同的第二阈值；和
比较器系统，所述比较器系统被设置成当DC至DC转换器工作在连续电流模式时将由所述电流感应系统所感测的电流与第一阈值进行比较，并且当DC至DC转换器工作在非连续电流模式时将由电流感应系统所感测的电流与第二阈值进行比较。
2.根据权利要求1所述的DC至DC转换器，其中所述第一和第二阈值具有相反的极性。
3.根据权利要求2所述的DC至DC转换器，其中所述第一阈值具有负值而所述第二阈值具有正值。
4.根据权利要求2所述的DC至DC转换器，其中：
所述电子开关系统包括第一电子开关，所述第一电子开关被设置成可控制地将电感的第一连接点连接至电压源；和第二电子开关，所述第二电子开关被设置成可控制地将电感的第一连接点连接至接地；和
当电流感应系统所感测到的电流达到第一阈值时，所述电子控制系统被设置成促使第二开关被打开。
5.根据权利要求4所述的DC至DC转换器，其中所述第一阈值具有负值而所述第二阈值具有正值。
6.根据权利要求1所述的DC至DC转换器，还包括模式检测器，所述模式检测器被设置成检测并指示所述DC至DC转换器是工作在连续电流模式还是工作在非连续电流模式。
7.根据权利要求1所述的DC至DC转换器，其中所述第一和第二阈值提供比较迟滞，所述比较迟滞减少了由于DC至DC转换器在连续电流模式和非连续电流模式之间转换时所出现的噪声而引起的DC至DC转换器的输出的波动。
8.根据权利要求7所述的DC至DC转换器，其中所述第一和第二阈值之间的差异大于当DC至DC转换器在连续电流模式和非连续电流模式之间转换时所产生的由电流感应系统所感测到的电流中的噪声。
9.根据权利要求1所述的DC至DC转换器，其中所述比较器系统包括正向电流比较系统，所述正向电流比较系统被设置成比较通过电感的正向电流；和反向电流比较系统，所述反向电流比较系统被设置成比较通过电感的反向电流。
10.根据权利要求9所述的DC至DC转换器，其中所述反向电流比较系统包括两个比较器，其中的一个被设置成将由电流感应系统所感测到的电流与第一阈值进行比较，其中的另一个被设置成将由电流感应系统所感测到的电流与第二阈值进行比较。
11.一种用于谷值电流模式DC至DC转换器的电子控制系统，所述电子控制系统包括：电感，所述电感具有第一和第二连接点；电容，所述电容连接至电感的第二连接点并被设置成在第二连接点处过滤电压；和电子开关系统，所述电子开关系统连接至电感的第一连接点并被设置成可控制地将第一连接点连接至电压源；其中所述电子控制系统被设置成控制电子开关系统并使得电子开关系统促使DC至DC转换器在某些条件下工作在连续电流模式并在某些其它条件下工作在非连续电流模式，并包括：
电流感应系统，所述电流感应系统被设置成感测通过所述电感的电流；
双阈值发生器，所述双阈值发生器被设置成产生第一和不同的第二阈值；和
比较器系统，所述比较器系统被设置成当DC至DC转换器工作在连续电流模式时将由所述电流感应系统所感测到的电流与第一阈值进行比较，并且当DC至DC转换器工作在非连续电流模式时将由电流感应系统所感测到的电流与第二阈值进行比较。
12.根据权利要求11所述的电子控制系统，其中所述第一阈值和第二阈值具有相反的极性。
13.根据权利要求12所述的电子控制系统，其中所述第一阈值具有负值而所述第二阈值具有正值。
14.根据权利要求12所述的电子控制系统，其中
所述电子开关系统包括第一电子开关，所述第一电子开关被设置成可控制地将电感的第一连接点连接至电压源；和第二电子开关，所述第二电子开关被设置成可控制地将电感的第一连接点连接至接地；和
当电流感应系统所感测到的电流达到第一阈值时，电子控制系统被设置成促使第二开关被打开。
15.根据权利要求14所述的电子控制系统，其中所述第一阈值具有负值而所述第二阈值具有正值。
16.根据权利要求11所述的电子控制系统，还包括模式检测器，所述模式检测器被设置成检测并指示所述DC至DC转换器是工作在连续电流模式还是非连续电流模式。
17.根据权利要求11所述的电子控制系统，其中所述第一和第二阈值提供比较迟滞，所述比较迟滞减少了由于DC至DC转换器在连续电流模式和非连续电流模式之间转换时出现的噪声所引起的DC至DC转换器的输出的波动。
18.根据权利要求17所述的电子控制系统，其中第一和第二阈值之间的差异大于当DC至DC转换器在连续电流模式和非连续电流模式之间转换时所产生的由电流感应系统感测到的电流中的噪声。
19.根据权利要求11所述的电子控制系统，其中所述比较器系统包括正向电流比较系统，所述正向电流比较系统被设置成比较通过电感的正向电流；和反向电流比较系统，所述反向电流比较系统被设置成比较通过电感的反向电流。
20.根据权利要求19所述的电子控制系统，其中所述反向电流比较系统包括两个比较器，其中的一个被设置成将由电流感应系统感测到的电流与第一阈值进行比较，其中的另一个被设置成将由电流感应系统感测到的电流与第二阈值进行比较。
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