CN103715885A - 磁滞模式dc到dc转换器中的音调管理的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

如本发明中所揭示，两个磁滞电平(高电平、低电平)可用以设定DC-DC转换器的输出电压的周期(及切换频率)以及所述转换器的输出脉动。这两个阈值可使用一组开关来改变。通过控制所述开关的接通时间的顺序和持续时间，输出中的频谱杂波可受到控制，且所关注的振幅和频带可减小。额外杂波减少可通过使所述开关的控制随机化而成为可能的。

Description

磁滞模式DC到DC转换器中的音调管理的系统和方法
技术领域
本发明大体上涉及电子器件，且更确切地说，涉及电力管理。
背景技术
脉冲频率调制(PFM)为通常用于许多DC-DC电压转换器中以改进轻负载下的效率的切换方法。在轻负载电流下经常使用PFM，且在较重负载电流下使用脉冲宽度调制(PWM)。此类型的操作允许转换器在宽的输出电流范围内维持高效率。在PFM模式中，转换器仅在输出电压下降低于下限阈值电压值时开始切换，且继续切换直到输出电压达到上限阈值为止。一旦输出达到较高阈值，则关闭所有不必要的内部电路以减小静态电流。此控制方法将静态电流显著减小到一典型值20μA，其导致在轻负载下的较高效率。
在PFM模式中，将一系列电感电流脉冲应用于负载和输出电容器，以维持预设边界内的输出电压。此模式有效地降低切换循环事件的频率，从而降低转换器中的切换损失。存在PFM的若干变化，例如单脉冲PFM、多脉冲PFM和突发模式PFM。然而，所有PFM根据以下基本原理而操作：仅在需要时起始切换循环以维持输出电压。然而，迄今为止，在管理转换器的输出的频谱含量时，先前解决方案存在未处理的需求。
发明内容
本发明实例实施例提供磁滞模式DC-DC转换器中的音调管理的系统。简要地描述，在架构中，可如下实施系统的一个实例实施例以及其它实例实施例：电阻分压器：多个开关；及控制器，其经配置以切换所述多个开关以调整经脉冲频率调制DC-DC转换器的输出的反馈的磁滞电平。
本发明的实施例还可被看作提供磁滞模式DC-DC转换器中的音调管理的方法。在这方面，此方法的一个实施例以及其它实施例可由以下步骤来宽泛地概述：调整脉冲频率调制DC-DC转换器的输出脉动和基频，所述调整包括设定所述DC-DC转换器的输出的磁滞电平。
附图说明
图1为典型PFM DC-DC转换器的输出的信号图。
图2为典型PFM DC-DC转换器的输出的频谱含量的信号图。
图3为磁滞模式DC-DC转换器中的音调管理的系统的实例实施例的电路图。
图4为图3的开关的切换顺序的实例实施例的信号图。
图5为使用图4的切换顺序的转换器输出的信号图。
图6为磁滞模式DC-DC转换器中的音调管理的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例将在下文中参考随附图式来更全面地描述，其中相似数字贯穿若干图表示相似元件，且其中展示实例实施例。然而，权利要求书的实施例可体现于许多不同形式中，且不应被理解为局限于本文中所陈述的实施例。本文中所陈述的实例为非限制性实例，且仅为其它可能的实例当中的实例。
脉冲频率调制(PFM)经常被用作DC-DC转换器在低负载下的操作模式，这是因为其相较于脉冲宽度调制(PWM)有较佳的效率。不同于在PWM模式中，在PFM模式中，输出频谱含量并未得到良好控制。频谱含量取决于负载电流、输入电压、输出电压和外部组件，且可潜在地在由DC-DC输出电压供电的无线电中引起不合需要的音调。图2提供表示PFM DC-DC转换器的频谱含量210的信号图200。不合需要的音调220在大约300kHz处出现，但将取决于前述条件以及其它条件而改变。
如图1的信号图100中所提供，两个磁滞电平(高电平VH110和低电平VL120)可用以设定转换器的输出电压的周期140(及切换频率)以及转换器的输出脉动。这两个阈值(VH110和VL120)可使用一组开关来改变。通过控制开关的接通时间的顺序和持续时间，输出中的杂波可受到控制，且所关注的频带的振幅可减小。额外杂波减少通过使开关的控制随机化而成为可能的。
如上文所提供，当DC-DC转换器在磁滞模式中运行时，输出含有谐波含量，所述谐波含量取决于负载电流、输入电压和输出电容。磁滞可动态地变化，从而导致在多个频率之上但具有较小量值的谐波含量的传播。在不妥协RF性能的情况下可通过在磁滞模式中运行而实现较高效率。在许多应用中，例如，负载可能低到200微安且高达200或400毫安。在几十毫安的相对低的负载处，磁滞模式可为优选操作模式。在效率方面，磁滞模式提供最佳性能。然而，磁滞操作模式的输出电压中的频谱含量可能带来挑战。在频谱含量重要的应用中，操作模式可在磁滞模式与PWM模式之间切换。磁滞模式效率更高，但PWM模式的频谱更可预测。因此在PWM模式中，当频率设计为(例如)2MHz时，谐波可在4MHz、6MHz、8MHz等处预测。
针对PWM模式可设计DC-DC转换器以使得DC-DC转换器的频谱输出不会影响设计的RF输出。但当转换器的操作产生低得多的电流时，例如在10毫安处的输出电流导致低效的性能。在所述条件下，相比PWM模式，为了增加效率，在PFM模式中可能为优选的。改进的转换器将实现在低电力消耗周期期间PFM模式的效率，及在较高电力消耗周期期间PWM模式的可预测RF频谱。
在PFM模式中，输出频谱取决于输出负载。输出电容器经充电，且接着允许由负载放电。DC-DC转换器可经配置以停止切换直到输出电压下降到特定电平为止。接着，再次对电容器充电直到达到预定阈值为止，且操作重复自身。此操作的效率独立于基于输出的放电状态的负载电流。输出的周期性为负载电流的函数，这是因为其取决于输出的放电时间。举例来说，在PFM模式期间，对于20毫安负载，基频可为100KHz；但当负载变为40毫安时，基频可在200KHz处等等，从而确保RF性能不受归因于输出电流的改变性质的任何方式的影响。
可使用具有可编程性的多个磁滞电平来影响频谱输出。另外，磁滞电平可以随机方式控制和/或经控制为随机顺序。为了控制或减少与PFM控制器的输出脉动中的基频相关联的杂波，控制模块可用以控制或调整接通时间的顺序和持续时间。控制模块用以控制输出中的杂波，且减小杂波的振幅，并在频带中传播所述杂波。此情形通过调整一组开关或调整比较器的输出与磁滞输入之间的一组开关的接通时间的顺序和持续时间而实现。接通时间的顺序和持续时间可实质上随机化以增加杂波减少。开关的控制可由(例如)数字控制器执行。
图3提供磁滞模式DC-DC转换器中的音调管理的系统的实例实施例的电路图300。在比较器390的反相输入上的开关380和385提供待与特定阈值比较的输出电压的反射作为DC-DC转换器的非反相输入上的参考电压。开关380和385由比较器390的输出的状态控制。取决于输出的状态，反相输入将为比较器390的VFB_HI通过开关380或VFB_LO通过开关385。输出应在输出切换开始之前已下降低于特定电平。因此在此点，监视输出以确定输出是否已下降低于VFB_HI输入。一旦输出下降低于VFB_HI，比较器390的反相输入便切换到VFB_LO。接着输出充电直到输出达到特定值为止，且比较器390的反相输入切换到VFB_HI。比较器390的反相输入以此方式来回转换。可切换开关S1320、350、S2330、360及S3340、370以使电阻串310的可用电阻变化，从而产生VFB_HI和VFB_LO的变化电平，且按变化顺序变化，从而产生VFB_HI和VFB_LO的变化周期。此些变化将自动使输出脉动变化。
图4提供用于用开关S1320、350、S2330、360及S3340、370使VFB_HI和VFB_LO的电平变化的常规顺序400。在图4中，S3闭合且接着断开；接着S2闭合且接着断开；接着S1闭合且接着断开。此常规顺序产生使用图4中所提供的常规顺序的比较器390的输出的信号图500。然而，在替代实施例中，更随机化的定序和电压电平可用以实现甚至更佳结果。举例来说，S1可闭合且接着断开；接着S3可闭合且持续一段时间；接着S2可在不同的时间周期闭合，从而使顺序变化且随机化，以产生输出上的较低频谱音调。
图6提供磁滞模式DC-DC转换器中的音调管理的系统的实例实施例的流程图600。在块610中，接收脉冲频率调制DC-DC转换器的输出。在块620中，在高磁滞电平与低磁滞电平之间调整输出。在块630中，控制高磁滞电平和低磁滞电平的调整顺序和接通时间顺序。所述控制可用以影响磁滞模式DC-DC转换器的频谱输出。本文中所揭示的方法可供其中可使用PFM的任何拓扑使用。
所提出的方法和系统使得DC-DC操作的磁滞模式适合用于射频负载。因此，在不牺牲RF性能的情况下改进效率和电力递送。通过使磁滞控制随机化，有可能进一步减小杂波电平。
尽管已详细描述本发明，但应理解可对其作出各种改变、替换和变更，而不脱离如由所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种方法，其包括：
调整脉冲频率调制DC-DC转换器的输出脉动和基频，所述调整包括设定所述DC-DC转换器的所述输出的磁滞电平。
2.根据权利要求1所述的方法，其中设定所述磁滞包括设定高电平反馈阈值和低电平反馈阈值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述高电平反馈阈值和所述低电平反馈阈值是用电阻分压器和多个开关来设定的。
4.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括按顺序切换所述多个开关。
5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括控制所述多个开关的所述顺序和接通时间。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述顺序是实质上随机的。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括当负载电流达到预定阈值时转变到脉冲宽度调制模式。
8.一种系统，其包括：
电阻分压器；
多个开关；及
控制器，其经配置以切换所述多个开关以调整经脉冲频率调制DC-DC转换器的输出的反馈的磁滞电平。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述控制器经进一步配置以按顺序切换所述多个开关。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述顺序是实质上随机的。
11.根据权利要求8所述的系统，其中所述控制器经进一步配置以控制所述开关的接通时间。
12.根据权利要求8所述的系统，其中当负载电流达到预定阈值时，所述DC-DC转换器从脉冲频率调制切换到脉冲宽度调制。
13.一种系统，其包括：
用于调整脉冲频率调制DC-DC转换器的输出脉动和基频的构件，所述用于调整的构件包括用于设定所述DC-DC转换器的输出的磁滞电平的构件。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述用于设定所述磁滞的构件包括用于设定高电平反馈阈值和低电平反馈阈值的构件。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述用于设定所述高电平反馈阈值和所述低电平反馈阈值的构件包括电阻分压器和多个开关。
16.根据权利要求15所述的系统其进一步包括用于按顺序切换所述多个开关的构件。
17.根据权利要求16所述的系统，其进一步包括用于控制所述多个开关的所述顺序和接通时间的构件。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述顺序是实质上随机的。
19.根据权利要求13所述的系统，其进一步包括用于当负载电流达到预定阈值时转变到脉冲宽度调制模式的构件。
20.根据权利要求13所述的系统，其中所述用于调整的构件包含于射频应用中。
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