CN103078503B - 接通时间采样防止 - Google Patents

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Abstract

一种用于功率转换器的示例控制器包括反馈采样电路、驱动逻辑以及错误采样防止电路。所述反馈采样电路被耦合以对接收自所述控制器的一个端子的反馈信号进行采样，并且产生代表所述反馈信号的值的采样信号。所述驱动逻辑耦合至所述反馈采样电路，并且被耦合以响应于所述采样信号控制所述功率开关，从而调节所述功率转换器的输出。所述错误采样防止电路被耦合以接收采样完成信号，所述采样完成信号指示对反馈信号的采样何时完成。所述错误采样防止电路还被耦合至所述驱动逻辑，以延长所述功率开关的断开时间，直到所述采样完成信号指示所述反馈采样电路对所述反馈信号的采样完成。

Description

接通时间采样防止
技术领域
本发明总体涉及功率转换器控制器，更具体地，本发明涉及用于初级侧调节的功率转换器控制器。
背景技术
许多电子设备——诸如蜂窝电话、个人数字助理（PDA）、膝上电脑等——都利用电力来运行。因为电力通常是以高压交流（ac）的形式经由墙上的插座输送，因此可利用一种一般被称为功率转换器的装置来通过能量传递元件将高压交流（ac）输入转变成经良好调节的直流（dc）输出。在如今许多电子器件中常常使用开关模式功率转换器来改善效率、尺寸以及减少部件数量。开关模式功率转换器可使用一个功率开关，该功率开关在闭合位置（通态）（ON state）和断开位置（断态）（OFFstate）之间切换，以将能量从功率转换器的输入传递到功率转换器的输出。在运行中，功率转换器可以使用控制器，以通过闭环感测和控制功率转换器的输出电压和/或电流来为电子设备（通常被称为负载）提供经调节的输出。可以通过功率开关的开关频率（switchingfrequency）来定义开关循环（switching cycle）。在一个实施例中，开关循环的持续时间包括功率开关转变到通态，接着开关转变到断态。控制器可被耦合以接收关于功率转换器的输出的反馈信息，以调节输送至负载的输出量。控制器通过响应于反馈信息控制功率开关导通和关断以从一个输入电力源诸如电力线将能量脉冲传递到功率转换器输出，来调节输送到负载的输出量。
对于某些应用，可能需要一个功率转换器来提供电流隔离（galvanic isolation）。具体地，电流隔离防止直流电流在功率转换器的输入侧和输出侧之间流动，且通常是为满足安全规定所必需的。使用电流隔离的一种特定类型的功率转换器是回扫式功率转换器。
一种类型的用于电流隔离功率转换器的控制方法是初级侧控制。具体地，初级侧控制是当控制器使用一个与功率转换器的次级侧电隔离的感测元件时。一种类型的初级侧调节可使用一个附加的绕组（例如，偏置绕组），该附加的绕组电耦合至输入侧并且通过磁耦合接收来自输出侧的信息。在一个实施例中，偏置绕组可被用来感测回扫式功率转换器的输出电压。
功率转换器可适合于在两个运行模式下运行。在第一运行模式——被称为不连续传导模式——下，存储在能量传递元件中的所有能量都在功率开关的断态期间被传递到输出。在此运行模式下，在功率开关闭合（处在断态）之后有一段偏置绕组电压可代表功率转换器的输出电压的有限量的时间。在第二运行模式——被称为连续传导模式——下，存储在能量传递元件中的能量的仅一部分在功率开关的断态期间被传递到输出。在此运行模式下，偏置绕组电压在功率开关闭合（处在断态）的基本上整个时间内可代表输出电压。即使偏置绕组电压在连续传导模式期间可在基本整个断开时间（当功率开关处在断态时的时间）内代表输出电压，但偏置绕组电压代表输出电压的时间的持续时间仍然短于当控制器在不连续传导模式下运行时。这种情况可产生是因为，在不连续传导模式下功率开关的断开时间的持续时间足够长以使所有能量被传递到功率转换器的输出；而在连续传导模式下功率开关的断开时间在所有能量被输送到功率转换器的输出之前就被截断（以开始下一个开关循环）。因此，当控制器在连续传导模式下运行时，获取代表输出电压的偏置绕组电压的样本的时间就更少。
此外，在偏置绕组电压代表输出电压的时间内可能有耦合至该偏置绕组的开关噪声，这更进一步地缩短了用于控制器从该偏置绕组捕获代表功率转换器的输出电压的相对“干净（c l ean）”（没有噪声）的信号的时间窗口。甚至，在某些负载条件下（例如，在高负载要求的情况下），可能要求功率转换器通过增加开关频率来增加功率输送，对于每个开关循环来说，这进一步缩短了功率开关处于断态的时间的持续时间。因此，进一步减小了用于获取干净信号的采样窗口。
发明内容
根据本发明的一方面，提供用于功率转换器的集成电路控制器，所述控制器包括：
反馈采样电路，被耦合以对接收自所述控制器的一个端子的反馈信号进行采样，并且产生代表所述反馈信号的值的采样信号，其中所述反馈信号在功率开关的至少一部分断开时间期间代表所述功率转换器的输出电压；
驱动逻辑，耦合至所述反馈采样电路，并且被耦合以响应于所述采样信号控制所述功率开关，从而调节所述功率转换器的输出；以及
错误采样防止电路，被耦合以接收采样完成信号，其中所述错误采样防止电路还被耦合至所述驱动逻辑，以延长所述功率开关的断开时间直到所述采样完成信号指示所述反馈采样电路对所述反馈信号的采样完成。
根据本发明的另一方面，提供开关功率转换器，该开关功率转换器包括：
能量传递元件，耦合至所述功率转换器的输入；
功率开关，被耦合以控制通过所述能量传递元件的能量传递；
控制器，耦合至所述功率开关，所述控制器包括：
反馈采样电路，被耦合以对一个反馈信号进行采样，并且产生代表所述反馈信号的值的采样信号，其中所述反馈信号在功率开关的至少一部分断开时间期间代表所述功率转换器的输出电压；
驱动逻辑，耦合至所述反馈采样电路，并且被耦合以响应于所述采样信号控制所述功率开关，从而调节所述功率转换器的输出；以及
错误采样防止电路，被耦合以接收采样完成信号，其中所述错误采样防止电路还被耦合至所述驱动逻辑，以延长所述功率开关的断开时间直到所述采样完成信号指示所述反馈采样电路对所述反馈信号的采样完成。
根据本发明的又一方面，提供一种方法，该方法包括：
对接收自集成电路控制器的一个端子的反馈信号进行采样，并且产生代表所述反馈信号的一个采样信号，其中所述反馈信号在功率开关的至少一部分断开时间期间代表功率转换器的输出电压；
产生采样完成信号，该采样完成信号指示对所述反馈信号的采样完成；
响应于所述采样信号控制所述功率开关，以调节所述功率转换器的输出；以及
延长所述功率开关的断开时间，直到所述采样完成信号指示对所述反馈信号的采样完成。
根据本发明的再一方面，提供集成电路控制器，该集成电路控制器包括：
反馈采样电路，被耦合以对接收自所述控制器的一个端子的反馈信号进行采样，并且产生代表所述反馈信号的值的采样信号，其中所述反馈信号在功率开关的至少一部分断开时间期间代表所述功率转换器的输出电压；
驱动逻辑，耦合至所述反馈采样电路，并且被耦合以响应于所述采样信号且响应于一个接通时间信号控制所述功率开关；以及
振荡器，被耦合以产生具有一开关周期的所述接通时间信号，所述振荡器包括：
电容器；
第一电流源和第二电流源，被耦合以分别在上基准电压和下基准电压之间交替地对所述电容器进行充电和放电，以产生一个时钟信号；
锁存器，被耦合以产生所述接通时间信号；以及
逻辑门，被耦合以响应于所述时钟信号且响应于一个采样完成信号将锁存器置位和复位，以延长所述接通时间信号的开关周期，直到所述采样完成信号指示所述反馈采样电路对所述反馈信号的采样完成，以减少所述反馈采样电路对所述反馈信号的错误采样。
附图说明
参考下面的附图描述本发明的非限制性和非穷举性实施例，其中，除非另有说明，在所有各幅视图中，相似的参考数字指相似的部分。
图1是示出了根据本发明教导的包括一个控制器的示例功率转换器的功能方框图。
图2是图1的功率转换器的偏置绕组的示例电压波形。
图3是示出了根据本发明教导的一个示例控制器的功能方框图。
图4是示出了根据本发明教导的一个示例采样延迟电路的功能方框图。
图5是示出了根据本发明教导的一个示例反馈采样电路的功能方框图。
图6是示出了根据本发明教导的一个振荡器的功能方框图。
图7A示出了根据本发明教导的用于通过功率转换器控制器进行接通时间采样防止的一个示例过程。
图7B示出了与根据本发明教导的示例功率转换器控制器相关联的示例电压和电流波形以及时钟信号。
图8示出了图7B的振荡器电压和采样完成信号波形的分解图。
图9是示出了根据本发明教导的另一个示例振荡器的功能方框图。
图10示出了与根据本发明教导的另一个示例功率转换器控制器相关联的示例电压和电流波形以及时钟信号。
图11示出了图10的振荡器电压和采样完成信号波形的分解图。
具体实施方式
公开了涉及功率转换器控制器中的错误采样防止的实施例。为提供对本发明的透彻理解，在下面的描述中阐明了许多具体细节。然而，本领域普通技术人员会明了，实施本发明不是必须采用所述具体细节。在其他情形下，为避免模糊本发明，没有详细描述众所周知的材料或方法。
在本说明书全文中提到“一个实施方案”、“一实施方案”、“一个实施例”或“一实施例”意指关于该实施方案或实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，在本说明书全文中多处出现的短语“在一个实施方案中”、“在一实施方案中”、“一个实施例”或“一实施例”未必全都指相同的实施方案或实施例。此外，具体的特征、结构或特性可以在一个或多个实施方案或实施例中以任何合适的组合和/或子组合结合。具体的特征、结构或特性可被包括在提供所述的功能性的集成电路、电子电路、组合逻辑电路或其他合适的部件中。此外，应理解，在此所提供的附图仅仅是出于向本领域普通技术人员解释的目的，且这些附图未必按比例绘制。
如将讨论的，用于功率转换器的示例集成控制器通过闭环感测和控制功率转换器的输出来提供输出调节。在利用初级侧控制的功率转换器中，功率转换器可依赖于能量传递元件的隔离的绕组之间的磁耦合来提供代表输出电压的反馈信号。例如，能量传递元件可以是一个耦合电感器，该耦合电感器包括磁耦合在一起的一个输出绕组和一个偏置绕组，以向控制器提供一个代表功率转换器的输出电压的反馈信号。
当在回扫式功率转换器布局（topology）中使用偏置绕组感测输出电压时，偏置绕组在功率开关处于断态时能量被传递到输出的时间期间可代表输出电压。在运行中，控制器可使用采样电路，该采样电路包括一个电容器，以当偏置绕组电压代表输出电压时捕获偏置绕组电压。所采样的信号可以存储在电容器上，且接下来可以由控制器的驱动逻辑用来控制功率开关。
由于功率开关处于断态的时间量有限，因此控制器可被设计为在一特定的时间窗口内采样偏置绕组电压。该时间窗口可能被进一步减小，取决于功率转换器正处的运行模式。
具体地，功率转换器可适合于在两个运行模式下运行。在第一运行模式——被称为不连续传导模式——下，存储在能量传递元件中的所有能量都在功率开关的断态期间被传递到输出。在此运行模式下，在功率开关闭合（处在断态）之后有一段偏置绕组电压可代表功率转换器的输出电压的有限量的时间（能量被传递到输出所花费的时间的持续时间）。在第二运行模式——被称为连续传导模式——下，存储在能量传递元件中的能量的仅一部分在功率开关的断态期间被传递到输出。在此运行模式下，偏置绕组电压在功率开关闭合（处在断态）的基本上整个时间内可代表输出电压。即使在运行在不连续传导模式期间偏置绕组电压可以在一部分断开时间（当功率开关处在断态时的时间）内代表输出电压，但是偏置绕组电压代表输出电压的时间的持续时间仍然长于当控制器在连续传导模式下运行时。这种情况可产生是因为，偏置绕组仅在能量被传递到功率转换器的输出的时间内代表输出电压。因为在连续传导运行模式下功率开关的断开时间在所有能量被输送到功率转换器的输出之前就被截断（以开始下一个开关循环），因此偏置绕组代表输出电压的时间的持续时间就更短。因此，当控制器在连续传导模式下运行时，获取代表输出电压的偏置绕组电压的样本的时间比在不连续传导模式下运行时更少。
此外，当功率开关切换到断态时，还必须考虑初始存在于偏置绕组中的开关噪声。例如，控制器可能需要在获取相对干净的偏置电压样本之前将采样延迟。此采样延迟进一步减小了当偏置绕组电压代表输出电压时采样偏置绕组电压的时间窗口。此外，当功率开关的开关频率增大时（通常在更大的输出负载期间），在每个开关周期（switching period）的断开时间期间采样偏置绕组电压的时间量变得更短。因此，在某些条件（例如，不连续传导模式、低输入电压和高负载条件）下，可能迫使控制器就在功率开关将要为下一个开关循环接通之前进行采样。对于常规控制器，控制器可能被迫或是意外地在功率开关已经接通之后（即，当功率开关从断态转变到通态时）进行采样，导致错误采样。例如，在一个控制器设计中，功率开关的最小断开时间可以是2.5μs，而采样延迟时间（自功率开关关断之后到控制器可以开始采样所过的时间）也可以是2.5μs。因此，在控制器以最小断开时间运行的情形下，采样可能发生在开关已经切换到通态之后。因此，控制器可能接收到不代表输出电压的偏置绕组电压的采样。因此，本发明的实施方案包括一个用于功率转换器的控制器，该控制器通过防止在功率开关的接通时间期间对反馈信号进行采样而允许此类定时交叠（例如，采样延迟时间≥最小断开时间）。在一个实施例中，在功率转换器以最小断开时间运行且具有大的采样延迟时间的情况下的这种时间交叠可能仅在短暂的持续时间内在某一组情形下——例如，在高负载条件下在连续传导模式下运行且使用低输入电压时的瞬时负载条件期间——出现。
在另一情形下，常规控制器在接通时间期间的采样可能会意外地发生，即便在采样延迟时间和功率开关的最小断开时间之间没有刻意的交叠。例如，由于控制器内部的个别部件或定时变化，功率控制器可能在断态期间错过采样，并可能无意中在随后的通态期间进行采样，从而获得错误样本。在通态期间采样反馈信号时对反馈信号的采样在本文中可被称为“错误采样”。因此，本发明的实施方案利用了包括在控制器中的错误采样防止电路，以减少在功率开关处于通态时错误采样的发生。在一个实施例中，错误采样防止电路延长功率开关的断态，直到对反馈信号的采样完成。换句话说，延迟开始下一个开关循环的功率开关的接通，直到对偏置绕组电压的采样完成。在下文将更详细地讨论此实施方案和其他实施方案。
图1是示出根据本发明教导的包括控制器102的示例功率转换器100的功能方框图。所示出的功率转换器100的实施例包括输入（即输入端子101）、控制器102、输出（即输出端子103）、能量传递元件T1、能量传递元件T1的初级绕组104、能量传递元件T1的次级绕组106、功率开关S1、输入回路（input return）108、箝位电路110、整流器D1、输出电容器C1、偏置绕组112、电阻器R1、R2和R3，以及电容器C2和C 3。控制器102被示为被包括在集成电路126中，集成电路126包括反馈端子114。控制器102包括反馈采样电路116、振荡器118以及驱动逻辑120。在图1中还示出了输入电压VIN、输出电压VOUT、输出电流IOUT、反馈电压VFB、旁路电压VBP、反馈信号UFB、驱动信号UDRIVE以及开关电流ISW。在所示的实施例中，出于解释目的，功率转换器100被示为具有回扫式布局的功率转换器。应理解，其他已知的功率转换器布局和配置亦可得益于本发明的教导。
在一个实施方案中，功率转换器100从未经调节的直流输入VIN向负载122提供输出功率。例如，输入VIN可以源自经整流和滤波的交流线电压。如所示，能量传递元件T1被耦合以接收输入VIN。在一些实施方案中，能量传递元件T1是一个耦合电感器。在一些其他实施方案中，能量传递元件T1是一个变换器（transformer）。在图1的实施例中，能量传递元件T1包括初级绕组104和次级绕组106。NP和NS分别是初级绕组104和次级绕组106的匝数。在图1的实施例中，初级绕组104可被称为输入绕组，次级绕组106可被称为输出绕组。如所示，初级侧绕组104被电耦合至输入回路108，而次级绕组106被电耦合至输出回路（output return）109。在一个实施例中，电耦合至输入回路108的电路可被称为在功率转换器100的“输入侧”，而电耦合至输出回路109的电路可被称为在功率转换器100的“输出”侧。如所示，初级绕组104还被耦合至功率开关S1，功率开关S1又被进一步耦合至输入回路108。此外，箝位电路110耦合在能量传递元件T1的初级绕组104的两端，以限制初级绕组104两端的电压降。
能量传递元件T1的次级绕组106被耦合至输出整流器D1。在图1中所示的实施例中，整流器D1包括一个输出二极管，且次级绕组106被耦合至输出二极管D1的正极。然而，在一些实施方案中，整流器D1可以是一个被用作同步整流器的晶体管。输出电容器C1和负载122均被耦合至整流器D1。在图1的实施例中，输出电容器C1和负载122都被耦合至整流器D1的负极。功率转换器100在输出端子103处向负载122提供经调节的输出，该经调节的输出可以是输出电压VOUT、输出电流IOUT或两者的组合。
在图1的实施例中，输入电压VIN相对于输入回路108为正。图1的实施例还示出了在输入回路108和功率转换器100的输出之间的电流隔离。换句话说，在输入回路108和功率转换器100的输出之间没有用于直流电流的直接路径。因此，功率转换器100的输入侧与功率转换器100的输出侧电流隔离。
在所示的实施方案中，反馈端子114被耦合以接收反馈信号UFB。电阻器R1和R2被耦合至偏置绕组112，以按比例缩小偏置绕组电压VBIAS，从而提供反馈电压VFB。在所示的实施例中，电阻器R2两端的电压（即反馈电压VFB）被用作反馈信号UFB。反馈电压VFB由控制器102经由端子114接收，且进一步由反馈采样电路116接收（下文将更详细讨论）。
如所示，集成电路126可包括除了反馈端子114之外的端子。例如，集成电路126可包括用于接收消耗电压（drain voltage）的消耗端子125。包括在集成电路126中的电流感测（current sense）127可向控制器102提供代表开关电流ISW的电流感测信号UISENSE124。此外，控制器102向功率开关S1提供驱动信号UDRIVE，以控制各个开关参数。这样的参数的例子可包括：功率开关S1的开关频率、开关周期、占空比或相应的接通时间和断开时间。
在一些实施方案中，功率开关S1可以是一个晶体管，而控制器102可包括无源电子部件和/或分立电子部件。在一个实施方案中，控制器102和功率开关S1被一起包括进单个集成电路126中。在一个实施例中，集成电路126是单片集成电路。在另一个实施例中，集成电路126是混合集成电路。
如图1中所示，控制器102包括被耦合以接收反馈信号UFB的反馈采样电路116。在运行中，反馈采样电路116采样反馈信号UFB，且提供代表反馈信号UFB的采样信号USAMPLE128。采样信号USAMPLE128接下来被驱动逻辑120接收。驱动逻辑120还接收电流感测信号UISENSE124，并响应于采样信号USAMPLE128以及响应于由振荡器118产生的接通时间信号（on-time signal）UON132输出驱动信号UDRIVE。在一些实施方案中，驱动逻辑120还响应于电流感测信号UISENSE124输出驱动信号UDRIVE。
在通态和断态之间切换功率开关S1在初级绕组104两端产生一个时变电压VP。能量传递元件T1在功率开关S1的通态期间在次级绕组106两端产生初级电压VP的一个按比例的复制，比例因子是次级绕组106的匝数NS除以初级绕组104的匝数NP的比值。功率开关S1的切换还在整流器D1处产生一个脉动电流。整流器D1中的电流被输出电容器C1滤波，以在输出端子103处产生基本恒定的输出电压VOUT、输出电流IOUT或者两者的组合。
在运行期间，偏置绕组112产生偏置绕组电压VBIAS，该偏置绕组电压VBIAS响应于在整流器D1导通时的输出电压VOUT。反馈电压VFB以及由此反馈信号UFB在功率开关S1的至少一部分断开时间内代表输出电压VOUT。在一个实施方案中，当控制器102在不连续传导模式下运行时，反馈信号UFB仅在一部分断开时间内代表输出电压VOUT。不连续传导模式可被定义为能量传递元件T1中的能量在功率开关的断态期间被降到基本为零时。换句话说，在不连续传导运行模式期间，整流器D1在功率开关S1处于断态的仅一部分时间内导通。在另一个实施例中，反馈信号UFB在整个断开时间期间都代表输出电压VOUT。在另一个实施方案中，当控制器102在连续传导模式下运行时，反馈信号UFB在功率开关S1处于断态的基本上整个时间内都代表输出电压VOUT。连续传导模式可被定义为能量传递元件T1中的能量在功率开关的断态期间基本不被降到零时。换句话说，在连续传导运行模式期间，整流器D1在功率开关S1处于断态的整个持续时间内都导通。
在一个实施例中，偏置绕组VBIAS112也可以为控制器102提供功率源。具体地，二极管D2、电容器C2和C3以及电阻器R3产生一个直流供电电压（即旁路电压VBP），该直流供电电压被提供给功率控制器102。如所示，控制器102被耦合以通过旁路端子143接收旁路电压VBP。
使用偏置绕组112感测输出电压VOUT提供了输出电压VOUT和控制器102之间的电流隔离，而无需使用光耦合器。然而，当使用能量传递元件T1的一个绕组来感测输出电压VOUT时，偏置绕组112处的偏置绕组电压VBIAS仅当输出整流器D1导通时可代表输出电压VOUT。因此，反馈采样电路116仅仅可以在功率开关S1的断态期间采样反馈信号UFB。此外，当功率开关S1的开关频率高（对应于开关周期中较短的开关断态）时，反馈信号UFB代表输出电压VOUT的时间较少。
图2示出了当图1的功率转换器100在连续传导模式下运行时偏置绕组电压VBIAS的一个示例电压波形。如图2中所示，电压VBIAS在每个开关循环的断开时间tOFF期间代表输出电压VOUT。在重负载条件期间，当功率转换器100已经在连续传导模式下运行时，开关频率可能增加，从而减少每个开关周期的断开时间tOFF。因此，当功率转换器100在连续传导模式下运行时，感测输出电压VOUT的时间也就较少。此外，反馈信号UFB的采样可能被朝断开时间tOFF的末尾延迟，部分是为了保证采样到对输出电压VOUT的更准确表示，以允许偏置绕组电压VBIAS中的振铃噪声（ringing noise）减退。因此，图1的反馈采样电路116可以在功率开关S1关断之后过一段采样延迟时间TDELAY采样反馈信号UFB。然而，由于功率转换器中的或控制器自身内的具体运行条件和/或个别部件或其他参数变化，常规电路可能会在不正确的时间采样反馈信号UFB。
图2通过示例的方式示出了当偏置绕组电压中的大部分振铃已经减退时，快到断开时间tOFF的末尾时发生的对反馈信号UFB的有效采样。然而，在功率开关S1已经在随后的开关循环中接通之后，负载处的部件失配和/或瞬时事件可能导致常规电路错误地采样反馈信号UFB。在一个实施方案中，偏置绕组电压VBIAS在接通时间TON期间代表输入电压VIN。因此，由控制器中的采样电路作出的错误采样会提供导致不恰当的调节的无效信息。
因此，本发明的实施方案包括一个功率转换器控制器（例如，图1的控制器102），该控制器包括错误采样防止电路，用于防止错误采样的发生（例如防止在功率开关S1的接通时间期间采样）。在一个实施方案中，错误采样防止电路延长功率开关的断开时间tOFF，直到反馈采样电路116对反馈信号的采样完成。通过延长断开时间tOFF直到采样完成，控制器102能够确保由反馈采样电路进行的采样在偏置绕组电压VB改变之前完成。延迟接通时间直到采样电路116获得准确样本会在短暂的时间段内改变有效开关频率，这将在下文进一步详细讨论。
图3是示出根据本发明教导的示例控制器300的功能方框图。控制器300是图1的控制器102的一个可行的实现。所示出的控制器300的实施例包括反馈采样电路302、振荡器304、采样延迟电路306、驱动逻辑308以及电压调节器310。振荡器304被示出包括错误采样防止电路312。在图3中还示出了旁路电压VBP、供电电压VSUPPLY、反馈信号UFB、采样开始信号USAMP_START、采样信号USAMPLE、采样完成信号USAMP_COMP、接通时间信号UON、负载信号ULOAD以及驱动信号UDRIVE。
如图3中所示，电压调节器310被耦合以接收旁路电压310，并提供经调节的供电电压VSUPPLY以为控制器300中的电路供电。例如，电压调节器310可被耦合以提供供电电压VSUPPLY以为反馈采样电路302、振荡器304、采样延迟电路306和/或驱动逻辑308供电。
图3还示出了驱动逻辑308被耦合以产生驱动信号UDRIVE。在一个实施方案中，驱动逻辑308使用固定频率脉冲宽度调制器（PWM）控制来运行，该固定频率脉冲宽度调制器（PWM）控制适合于调整功率开关S1的占空比，从而调节功率转换器的输出。在此实施方案中，驱动逻辑308适于在每个开关循环响应于接通时间信号UON来接通功率开关S1。在运行中，通过在稳态期间在由固定频率所确定的时间的设定持续时间之后将功率开关切换到通态，接通时间信号UON可以设置功率开关的开关频率。此外，驱动逻辑308可以每个开关循环响应于采样信号USAMPLE的值关断功率开关S1，以调节传递至功率转换器100的输出的能量。如下文将讨论的，采样信号USAMPLE代表反馈信号UFB，反馈信号UFB可代表在功率开关S1的一部分断开时间期间获得的功率转换器的输出电压。因此，控制器300包括一个振荡器304和一个反馈采样电路302，该振荡器304和反馈采样电路302被耦合以分别向驱动逻辑308提供接通时间信号UON和采样信号USAMPLE。
如图2中所示，在功率开关S1关断之后，偏置绕组电压VBIAS立刻开始振铃。因此，控制器300还包括采样延迟电路306，以延迟反馈采样电路302在功率开关S1关断之后采样反馈信号UFB的时间。在图3中所示的实施例中，采样延迟发生器306生成采样开始信号USAMP_START，采样开始信号USAMP_START在功率开关S1关断之后过一个时间延迟TDELAY开始。在一个实施方案中，采样延迟电路306响应于负载信号ULOAD且响应于驱动信号UDRIVE生成采样开始信号USAMP_START。例如，采样延迟电路306可以在功率开关S1关断——如驱动信号UDRIVE转变至逻辑低所指示的——之后过一时间延迟TDELAY，使采样开始信号USAMP_START产生脉冲（pulse）。此外，时间延迟TDELAY的长度响应于如负载信号ULOAD所指示的功率转换器输出处的负载条件。
在一个实施方案中，负载信号ULOAD代表功率转换器输出处的负载条件。如上文所提到的，断开时间tOFF和二极管导通时间TD1COND(例如，图2)响应于这样的负载条件。
图4是示出了根据本发明教导的示例采样延迟电路400的功能方框图。采样延迟电路400是图3的采样延迟电路306的一个可行的实现。如图4中所示，采样延迟电路400包括比较器402、可变电流源404、开关406、电容器408、触发器410以及反相器412。
图4将反相器412示为接收驱动信号UDRIVE且将驱动信号UDRIVE的反相提供给触发器410的时钟输入。因此，当驱动信号UDRIVE转变为逻辑低时(即断开时间开始，且当功率开关S1关断时)，触发器410的输出转变为逻辑低。触发器410被耦合以在输出为低时断开开关406，从而允许开始用可变电流源404对电容器408充电。比较器402被耦合以将电容器408上的电压VDELAY与基准电压VREFTD进行比较。当电容器408上的电压VDELAY达到基准电压VREFTD时，比较器402转变为逻辑高，以将触发器410复位。当触发器410被复位时，触发器410的输出闭合开关406，从而使电容器408放电。在所示的实施例中，比较器402的输出还被耦合以产生采样开始信号USAMP_START。
由可变电流源404提供的电流的幅度由负载信号ULOAD控制。在一个实施方案中，为了减少在采样开始信号USAMP_START产生脉冲(开始采样)之前的时间延迟TDELAY，功率转换器输出处的负载条件越轻，可变电流源404所提供的电流就越大。
图5是示出根据本发明教导的示例反馈采样电路500的功能方框图。反馈采样电路500是分别在图1和图3中的反馈采样电路116和反馈采样电路302的一种可行的实现。示出的反馈采样电路500的实施例被示为包括采样电容器502、开关504、缓冲器506、定时电路508、单稳态(单触发)电路510、反相器512以及D触发器514。
在图5中所示的实施例中，反馈采样电路500包括一个采样保持电路503，该采样保持电路503包括采样电容器502、开关504和缓冲器506。缓冲器506被耦合以接收反馈信号UFB，且还被耦合至开关504。开关504还被耦合至采样电容器502以控制何时将值采样到采样电容器502上。例如，当开关504被启用(即闭合)时，采样电容器502两端的电压在采样时间上对缓冲器506的输出(即反馈信号UFB)进行积分。类似地，当开关504在采样时间的末尾被禁用（即断开）时，电容器502两端的电压被保持。在一个实施方案中，保持在电容器502上的值是采样信号USAMPLE。
反馈采样电路还可包括一个定时电路508，以提供采样时间信号USAMPLETIME。在一个实施方案中，定时电路508响应于采样开始信号USAMP_START生成采样时间信号USAMPLETIME。具体地，采样开始信号USAMP_START可以触发采样时间的开始。例如，定时电路508可包括一个单触发，以产生采样时间信号USMAPLETIME，采样时间信号USMAPLETIME是响应于采样开始信号USAMP_START产生脉冲而开始的具有固定持续时间的脉冲。
反馈采样电路500还可产生代表采样何时完成的采样完成信号USAMP_COMP。换句话说，采样完成信号USAMP_COMP可指示开关504断开、所采样的值被保持在电容器502上的时间。在一个实施方案中，反馈采样电路500响应于如采样时间信号USAMPLE所指示的采样时间的末尾产生采样完成信号USAMP_COMP。例如，反馈采样电路500包括D触发器514，D触发器514被耦合以借助于单稳态电路510在采样时间信号USAMPLETIME的下降沿处被复位。换句话说，当开关504断开时，单稳态电路510产生脉冲。因此，当D触发器514的Q输出转变为逻辑低时，D触发器514指示采样完成。D触发器514还被耦合以借助于反相器512接收驱动信号UDRIVE的反相，以使得在每个开关循环当功率开关S1被关断时触发器514的Q输出被置位。
图6是示出根据本发明教导的振荡器600的功能方框图。振荡器600是分别在图1和图3中的振荡器118和振荡器304的一个可行的实现。所示出的振荡器600的实施例包括错误采样防止电路602、比较器604、可变电流源606和608、振荡器电容器COSC以及开关610、612、614和616。错误采样防止电路602被示为包括一个逻辑门618和一个锁存器620。
在图6的实施例中，可变电流源606被耦合以当开关610被启用（即闭合）时对电容器COSC充电，可变电流源608被耦合以当开关612被启用时使电容器COSC放电。比较器604被耦合以将电容器COSC两端的电压VOSC与由开关614和616确定的上基准电压VREFH和下基准电压VREFL进行比较。在运行中，用接通时间信号UON控制开关610和612，以交替地对电容器COSC充电和放电，从而在比较器604的输出处产生时钟信号UCLK，使得接通时间信号UON具有开关频率和相应的开关周期。例如，当接通时间信号UON是逻辑高时，开关610和614被启用，以对电容器充电，同时振荡器电压VOSC与上基准电压VREFH作比较。继续该实施例，当接通时间信号UON为低（即为高）时，开关612和616被启用，以对电容器进行放电，同时振荡器电压VOSC与下基准电压VREFL作比较。在一个实施例中，开关610和614被一起切换，且开关612和616被一起切换。在另一个实施例中，当开关610和614处于一个状态时，开关612和616处于另一个状态。例如，当开关610和614被启用时，开关612和616被禁用，当开关610和614被禁用时，开关612和616被启用。
如图6中所示，电流源606和608是可变电流源，被耦合以接收负载信号ULOAD。因此，由电流源606和608提供的电流的幅度响应于功率转换器100的输出处的负载条件。在一个实施方案中，负载条件越大，由电流源606和608提供的电流的幅度就越大，从而增大时钟信号UCLK的频率。以此方式，可以响应于一个代表功率转换器输出处的负载条件的负载信号设置振荡器频率。虽然图6将电流源606和608示为可变电流源，但是电流源606和608中的一个或多个可以是固定电流源，提供固定电流以对电容器COSC进行充电和/或放电。
图6进一步示出了错误采样防止电路602，错误采样防止电路602被耦合以接收采样完成信号USAMP_COMP和时钟信号UCLK。锁存器620被耦合以产生接通时间信号UON。如上所述，接通时间信号UON确定功率开关的接通时间，且被用来设置驱动信号UDRIVE的频率。换句话说，接通时间信号UON可向驱动逻辑指示何时结束功率开关S1的断开时间TOFF以结束每个开关周期。
在图6的实施方案中，锁存器620经由锁存器620的输出提供接通时间信号。因此，当锁存器620复位时，锁存器620使接通时间信号UON有效(assert)以接通功率开关S1，并且因而结束断开时间。然而，错误采样防止电路602还包括逻辑门618，该逻辑门618被耦合以延长功率开关S1的断开时间直到采样完成信号USAMP_COMP指示反馈采样电路（例如，图3的反馈采样电路302）所进行的采样完成。具体地，仅当振荡器VOSC被放电至下基准电压VREFL（以维持想要的频率）并且对偏置绕组电压VBIAS的采样完成时，逻辑门618才将锁存器620复位。如果当振荡器电压VOSC达到下基准电压VREFL时采样未完成，则逻辑门618阻止锁存器620复位，从而延长功率开关S1的断开时间直到采样完成信号USAMP_COMP指示采样确实完成。通过延长开关周期的断开时间以防止错误采样（例如，防止在接通时间期间的采样），开关循环的周期可被延长，这可临时调整开关频率。根据本发明的教导，如果开关频率临时扩展（extend）而不获取错误样本，则功率转换器可维持更好的调节。
图7A示出根据本发明的教导用于通过功率转换器控制器防止错误采样的示例过程718。图7B示出了与根据本发明教导的示例功率转换器控制器相关联的示例电压和电流波形以及时钟信号。现在将参考图3-7B进一步详细描述控制器300的运行。
参见图7A，过程718包括一个过程方框720，在该处功率开关S1被关断以开始断开时间。如图7B中所示，断开时间在时间t2开始，同时驱动信号UDRIVE转变为逻辑低。驱动信号UDRIVE转变为逻辑低触发采样延迟电路400的电容器408的充电，以开始时间延迟tDELAY。在时间t3（即时间延迟tDELAY的末尾），采样延迟电路400使采样开始信号USAMP_START有效。同样在时间t3，响应于采样开始信号USAMP_START，反馈采样电路500通过闭合开关504开始采样反馈信号UFB（即过程方框724）。当采样完成时，反馈采样电路500将采样完成信号USAMP_COMP转变为逻辑低。在判决方框726中，振荡器600的比较器604确定振荡器电压VOSC是否达到了下基准电压VREFL。如图7A中所示，振荡器电压VOSC在时间t4达到下基准电压VREFL。在判决方框728中，错误采样防止电路602确定采样已经完成（如采样完成信号USAMP_COMP在时间t4处处于逻辑低状态所指示的）。在过程方框730，错误采样防止电路602然后使接通时间信号UON有效，以接通功率开关S1，且因此结束断开时间（即开始接通时间）。
继续图7B中的电压波形，在随后的开关周期TP2中，在时间t7，振荡器电压VOSC再次达到下基准电压VREFL。然而，反馈采样电路500对反馈信号UFB的采样在时间t7尚未完成。因此，错误采样防止电路602在时间t7不使接通时间信号UON有效，从而保持功率开关S1禁用（即断开）。在时间t8，如采样完成信号USAMP_COMP转变为逻辑低所指示的，采样完成。因此，错误采样防止电路602将接通时间信号的开关周期延长了一时间tEXTOFF，以保持功率开关S1断开直到时间t8。
如上文所提到的，参见振荡器600，接通时间信号UON可被用于控制开关610和612，以确定电容器COSC被充电和放电的时间。从图7B的部分702可见，通过延迟接通时间信号UON来延长开关周期使得电容器COSC放电至下基准电压VREFL以下。图8示出了部分712的分解图。如从图8可见，接通时间信号UON的开关周期以及由此功率开关S1的断开时间被延长了一断开时间延长TEXTOFF。此外，因为振荡器电压VOSC放电至下基准电压VREFL以下，因此随后的开关周期也被延长一随后的延长时间（subsequent extension time）TEXTSUB。在一个实施方案中，断开时间延长tEXTOFF基本等于随后的延长时间TEXTSUB。图9是示出根据本发明教导的另一个示例振荡器900的功能方框图。振荡器900是分别在图1和图3中的振荡器118和振荡器304的一个可行的实现。振荡器900类似于图6的振荡器600，其中相同的参考数字被用于指代相同的对象。然而，不同于图6的振荡器，振荡器900利用分开的信号来控制开关610和612。具体地，响应于接通时间信号UON控制开关610，而响应于时钟信号UCLK控制开关612。如图10中所示，使用时钟信号UCLK来控制电容器COSC的放电允许振荡器电压VOSC保持在下基准电压VREFL，直到采样完成信号USAMP_COMP指示采样完成。固然，在时间t 7，振荡器电压VOSC已经达到下基准电压VREFL。然而，由反馈采样电路500对反馈信号UFB进行的采样在时间t7尚未完成。因此，错误采样防止电路在时间t7不使接通时间信号UON有效，从而保持功率开关S1禁用（即断开）。然而，在时间t 7，当达到下基准电压VREFL时，振荡器900的比较器604的输出（即时钟信号UCLK）转变为逻辑低，从而断开开关612。开关612在时间t 7断开防止电容器COSC进一步放电，并在电容器上保持下基准电压VREFL。在时间t 8,如采样完成信号USAMP_COMP转变为逻辑低所指示的，采样完成，从而启用开关610，以通过对电容器COSC进行充电开始下一个周期。因此，振荡器900的错误采样防止电路602延长了接通时间信号的开关周期，以保持功率S1开关断开直到时间t8。
图11示出了图10的振荡器电压的部分1020的分解图。如从图11可见，接通时间信号UON的开关周期以及由此功率开关S1的断开时间被延长了一断开时间延长TEXTOFF。此外，由于振荡器电压VOSC被保持在下基准电压VREFL，因此随后的开关周期不会像图6的实施方案中的情况一样被延长。在此实施方案中，只有一次开关循环的开关周期受到影响。
对示出的本发明的实施例的上述描述——包括在摘要中所描述的——不意在是穷举性的或限制所公开的准确形式。虽然出于示例目的在本文中描述了本发明的特定实施方案和实施例，但是在不偏离本发明的更宽泛主旨和范围的情况下，各种等同修改是可能的。事实上，应意识到，具体的电压、电流、频率、功率范围值、时间等是出于解释目的而提供的，且根据本发明的教导，在其他实施方案和实施例中也可采用其他值。
可根据以上详细描述对本发明的实施例作出这些修改。在下面的权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制到说明书和权利要求中所公开的具体实施方案。而是，本发明的范围完全由下列权利要求确定，这些权利要求应根据权利要求解释的既定原则进行解释。因此，本说明书和附图应当被视为示例性的而非限制性的。

Claims (20)

1.用于功率转换器的集成电路控制器，所述控制器包括：
反馈采样电路，被耦合以对接收自所述控制器的一个端子的反馈信号进行采样，并且产生代表所述反馈信号的值的采样信号，其中所述反馈信号在功率开关的至少一部分断开时间期间代表所述功率转换器的输出电压；
驱动逻辑，耦合至所述反馈采样电路，并且被耦合以响应于所述采样信号控制所述功率开关，从而调节所述功率转换器的输出；以及
错误采样防止电路，被耦合以接收采样完成信号，其中所述错误采样防止电路还被耦合至所述驱动逻辑，以延长所述功率开关的断开时间直到所述采样完成信号指示所述反馈采样电路对所述反馈信号的采样完成。
2.根据权利要求1所述的集成电路控制器，还包括振荡器，该振荡器被耦合以产生一个具有一开关周期的接通时间信号，其中所述错误采样防止电路被包括在所述振荡器中，以响应于所述采样完成信号延长所述开关周期，且其中所述驱动逻辑被耦合以响应于所述接通时间信号接通所述功率开关。
3.根据权利要求2所述的集成电路控制器，其中所述振荡器还包括：
电容器；以及
第一电流源和第二电流源，被耦合以分别在上基准电压和下基准电压之间交替地对所述电容器进行充电和放电，以产生具有所述开关周期的所述接通时间信号，其中所述驱动逻辑被耦合以在所述采样完成信号指示对所述反馈信号的采样完成的情况下响应于所述电容器被放电至所述下基准电压接通所述功率开关。
4.根据权利要求3所述的集成电路控制器，其中所述第二电流源被耦合以在当达到所述下基准电压时所述采样完成信号未指示采样完成的情况下将所述电容器放电至所述下基准电压以下。
5.根据权利要求4所述的集成电路控制器，其中所述第二电流源被耦合以持续将所述电容器放电至所述下基准电压以下，直到所述采样完成信号指示采样完成。
6.根据权利要求3所述的集成电路控制器，其中如果当达到所述下基准电压时所述采样完成信号未指示采样完成，所述电容器上的电压被保持在所述下基准电压。
7.根据权利要求6所述的集成电路控制器，其中所述电容器上的电压被保持在所述下基准电压，直到所述采样完成信号指示采样完成。
8.根据权利要求1所述的集成电路控制器，其中所述功率开关被包括在所述集成电路控制器中。
9.开关功率转换器，包括：
能量传递元件，耦合至所述功率转换器的输入；
功率开关，被耦合以控制通过所述能量传递元件的能量传递；
控制器，耦合至所述功率开关，所述控制器包括：
反馈采样电路，被耦合以对一个反馈信号进行采样，并且产生代表所述反馈信号的值的采样信号，其中所述反馈信号在功率开关的至少一部分断开时间期间代表所述功率转换器的输出电压；
驱动逻辑，耦合至所述反馈采样电路，并且被耦合以响应于所述采样信号控制所述功率开关，从而调节所述功率转换器的输出；以及
错误采样防止电路，被耦合以接收采样完成信号，其中所述错误采样防止电路还被耦合至所述驱动逻辑，以延长所述功率开关的断开时间直到所述采样完成信号指示所述反馈采样电路对所述反馈信号的采样完成。
10.根据权利要求9所述的开关功率转换器，其中所述控制器还包括振荡器，该振荡器被耦合以产生一个具有一开关周期的接通时间信号，其中所述错误采样防止电路被包括在所述振荡器中以响应于所述采样完成信号延长所述开关周期，且其中所述驱动逻辑被耦合以响应于所述接通时间信号接通所述功率开关。
11.根据权利要求10所述的开关功率转换器，其中所述振荡器还包括：
电容器；以及
第一电流源和第二电流源，被耦合以分别在上基准电压和下基准电压之间交替地对所述电容器进行充电和放电，以产生具有所述开关周期的所述接通时间信号，其中所述驱动逻辑被耦合以在所述采样完成信号指示对所述反馈信号的采样完成的情况下响应于所述电容器被放电至所述下基准电压接通所述功率开关。
12.根据权利要求11所述的开关功率转换器，其中所述第二电流源被耦合以在当达到所述下基准电压时所述采样完成信号未指示采样完成的情况下将所述电容器放电至所述下基准电压以下。
13.根据权利要求12所述的开关功率转换器，其中所述第二电流源被耦合以持续将所述电容器放电至所述下基准电压以下，直到所述采样完成信号指示采样完成。
14.根据权利要求11所述的开关功率转换器，其中如果当达到所述下基准电压时所述采样完成信号未指示采样完成，所述电容器上的电压被保持在所述下基准电压。
15.根据权利要求14所述的开关功率转换器，其中所述电容器上的电压被保持在所述下基准电压，直到所述采样完成信号指示采样完成。
16.根据权利要求9所述的开关功率转换器，其中所述控制器和所述功率开关被一起包括在单个集成电路中。
17.一种用于控制功率转换器的方法，包括：
对接收自集成电路控制器的一个端子的反馈信号进行采样，并且产生代表所述反馈信号的一个采样信号，其中所述反馈信号在功率开关的至少一部分断开时间期间代表功率转换器的输出电压；
产生采样完成信号，该采样完成信号指示对所述反馈信号的采样完成；
响应于所述采样信号控制所述功率开关，以调节所述功率转换器的输出；以及
延长所述功率开关的断开时间，直到所述采样完成信号指示对所述反馈信号的采样完成。
18.根据权利要求17所述的用于控制功率转换器的方法，还包括产生一个具有一开关周期的接通时间信号，其中控制所述功率开关包括响应于所述接通时间信号接通所述功率开关，且其中延长所述功率开关的断开时间包括延长所述接通时间信号的开关周期。
19.根据权利要求18所述的用于控制功率转换器的方法，其中产生所述接通时间信号包括分别在上基准电压和下基准电压之间交替地对一个电容器进行充电和放电，且其中响应于所述接通时间信号接通所述功率开关包括，如果所述采样完成信号指示对所述反馈信号的采样完成，响应于所述电容器放电至所述下基准电压接通所述功率开关。
20.集成电路控制器，包括：
反馈采样电路，被耦合以对接收自所述控制器的一个端子的反馈信号进行采样，并且产生代表所述反馈信号的值的采样信号，其中所述反馈信号在功率开关的至少一部分断开时间期间代表所述功率转换器的输出电压；
驱动逻辑，耦合至所述反馈采样电路，并且被耦合以响应于所述采样信号且响应于一个接通时间信号控制所述功率开关；以及
振荡器，被耦合以产生具有一开关周期的所述接通时间信号，所述振荡器包括：
电容器；
第一电流源和第二电流源，被耦合以分别在上基准电压和下基准电压之间交替地对所述电容器进行充电和放电，以产生一个时钟信号；
锁存器，被耦合以产生所述接通时间信号；以及
逻辑门，被耦合以响应于所述时钟信号且响应于一个采样完成信号将锁存器置位和复位，以延长所述接通时间信号的开关周期，直到所述采样完成信号指示所述反馈采样电路对所述反馈信号的采样完成，以减少所述反馈采样电路对所述反馈信号的错误采样。
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