CN103795239A - 用于控制开关模式电力供应器中的电感器电流的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于控制开关模式电力供应器中的电感器电流的设备及方法。在一个实施例中，开关模式电力供应器(100)包含电感器(L1)、耦合到所述电感器(L1)的高侧开关(S_H1)、耦合到所述电感器(L1)的低侧开关(S_L1)及控制器(102)。所述控制器(102)耦合到所述高侧开关(S_H1)及所述低侧开关(S_L1)中的至少一者。所述控制器(102)包含第一电容器及电流源。所述控制器(102)经配置以通过基于经由所述电流源对所述第一电容器进行充电的时间而实现通过所述高侧开关(S_H1)及所述低侧开关(S_L1)中的所述至少一者的电流流动来控制向所述电感器(L1)的电流切换的计时。所述时间为跨越所述电感器(L1)的电压的函数。

Description

用于控制开关模式电力供应器中的电感器电流的设备及方法

相关申请案交叉参考

本申请案主张2012年10月17日提出申请的第61／715,083号美国临时专利申请案的优先权，所述美国临时专利申请案特此以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本申请案大体来说涉及开关模式电力供应器。

背景技术

开关模式电力供应器(SMPS)为将输入直流(DC)供应电压转换成在量值上高于或低于输入DC供应电压的一个或一个以上DC输出电压的电子电路。产生低于输入电压的输出电压的SMPS称为降压或减压转换器。产生高于输入电压的输出电压的SMPS称为升压或增压转换器。

典型的SMPS包含用于响应于切换信号而交替地断开及闭合通过电感器的电流路径的开关。在操作中，跨越电感器施加DC电压。通过依据切换信号交替地断开及闭合开关而将电能转移到连接到电感器的负载。转移到负载的电能的量为开关的工作循环及切换信号的频率的函数。开关模式电力供应器广泛地用于给电子装置供电，特定来说蓄电池供电式装置，例如便携式蜂窝式电话、膝上型计算机及其中需要高效使用电力的其它电子系统。

发明内容

本文中揭示用于控制开关模式电力供应器中的电感器电流的设备及方法。在一个实施例中，一种开关模式电力供应器包含电感器、耦合到所述电感器的高侧开关、耦合到所述电感器的低侧开关及控制器。所述控制器耦合到所述高侧开关及所述低侧开关中的至少一者。所述控制器包含第一电容器及电流源。所述控制器经配置以通过基于经由所述电流源对所述第一电容器进行充电的时间而实现通过所述高侧开关及所述低侧开关中的至少一者的电流流动来控制向所述电感器的电流切换的计时。所述时间为跨越所述电感器的电压的函数。

在另一实施例中，一种用于开关模式电力供应器的控制器包含电流源及开关计时电路。所述开关计时电路经配置以控制切换所述开关模式电力供应器的电感器中的电流的高侧晶体管及低侧晶体管中的至少一者的开关计时。计时电路包含第一充电节点及晶体管驱动器电路。所述晶体管驱动器电路耦合到所述电流源。所述晶体管驱动器电路经配置以基于经由所述电流源提供的电流在与所述电感器的输入电压及所述电感器的输出电压成正比的电压之间改变所述充电节点处的电压的时间而产生所述计时。所述计时提供所述电感器中的峰电流及所述电感器中的电流零交叉的预测中的至少一者。

在另一实施例中，一种用于控制开关模式电力供应器的电感器中的电流的方法包含将第一电容器从第一电压充电到第二电压。所述第一及第二电压与所述电感器的输入及输出中的一者处的电压成正比。启用耦合到所述电感器的高侧开关及低侧开关中的一者达所述充电的持续时间。基于所述充电的所述持续时间而提供所述电感器中的峰电流及所述电感器中的电流零交叉的预测中的至少一者。

附图说明

为详细描述各种实例，现在将参考附图，其中：

图1展示根据各种实施例的布置为降压转换器的开关模式电力供应器的示意图；

图2展示根据各种实施例的用于控制布置为降压转换器的开关模式电力供应器的电感器中的峰电流的峰电流控制器的示意图；

图3展示根据各种实施例的布置为升压转换器的开关模式电力供应器的示意图；

图4展示根据各种实施例的用于控制布置为升压转换器的开关模式电力供应器的电感器中的峰电流的峰电流控制器的示意图；且

图5展示根据各种实施例的用于控制开关模式电力供应器中的峰电流的方法的流程图。

记法及命名法

在以下描述及所附权利要求书通篇中使用某些术语来指代特定系统组件。如所属领域的技术人员将了解，公司可通过不同的名称来指代一组件。此文件不打算在名称不同但无关紧要的组件之间进行区分。在以下论述中及在权利要求书中，以开端方式使用术语“包含”及“包括”，且因此其应解释为意指“包含但不限于...”。此外，术语“耦合”打算意指间接或直接电连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，那么所述连接可通过直接电连接或通过经由其它装置及连接的间接电连接进行。叙述“基于”打算意指“至少部分地基于”。因此，如果X基于Y，那么X可基于Y及任何数目个其它因子。

具体实施方式

以下论述针对本发明的各种实施例。虽然这些实施例中的一者或一者以上可为优选的，但所揭示的实施例不应解释为或以其它方式用于限制本发明(包含权利要求书)的范围。另外，所属领域的技术人员将理解，以下描述具有广泛应用且对任何实施例的论述仅意在示范所述实施例且并不打算暗示本发明(包含权利要求书)的范围限制于所述实施例。

在例如降压转换器的开关模式电力供应器(SMPS)中，每一循环将SMPS的电感器中的电流驱动到峰值。峰电流确定每循环所转移的能量的量，且因此对于SMPS的效率是重要的。将峰电流设定得高会增加传导损耗，而将峰电流设定得低会增加切换损耗。因此，控制电感器中的峰电流对于优化SMPS性能来说是重要的。

常规SMPS设计试图通过测量跨越切换晶体管的电压降来确定电感器中的电流，电流通过所述切换晶体管提供到所述电感器。将所测量的跨越晶体管的电压降与预定阈值进行比较。当电压降超过阈值时，假定已达到峰电流，且禁止电流流动通过晶体管。遗憾地，以此方式控制峰电感器电流遭受各种误差。举例来说，跨越切换晶体管的电阻的微小变化可导致峰电流确定中的实质不准确性(例如，±50％)。

本发明的实施例在不需要切换晶体管电压降测量的情况下提供对SMPS的电感器中的峰电流的准确控制。因此，实施例在峰电流确定中不遭受如在常规SMPS架构中因晶体管变化而诱发的误差。本文中所揭示的SMPS的实施例依据对应于峰电感器电流的电感器输入及输出电压来控制驱动电感器的晶体管的切换时间且继而控制电感器中的峰电流。

图1展示根据各种实施例的布置为降压转换器的SMPS100的示意图。SMPS100包含在一侧上耦合到电容器C_L1及负载114且在另一侧上耦合到驱动晶体管S_H1及S_L1的电感器L1。晶体管S_H1为高侧开关，其在闭合时将电感器L1连接到电压V_i，从而致使电感器L1中的电流升高。晶体管S_L1为低侧开关，其在闭合时将电感器L1连接到接地。

晶体管S_H1及S_L1激活及去激活的计时由峰电流控制器102来控制。峰电流控制器102对由缓冲器104缓冲的高侧开关控制信号116的断言激活晶体管S_H1。峰电流控制器102对高侧开关控制信号116的否定在延迟108之后设定触发器110。触发器110的由缓冲器106缓冲的输出激活晶体管S_L1。比较器112基于电感器L1的输入侧处的电压而对触发器110进行复位。

对于SMPS100，电感器L1中的峰电流为开关S_H1闭合的时间的函数。跨越电感器L1的电压可表达为电感、电流及时间的函数：

$V=L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

对应地，当跨越高侧开关S_H1的电压降较小时，电感器L1中的峰电流与开关S_H1有效(即，闭合)时间的关系可表达为：

$T_{H1}=\frac{{\mathrm{LI}}_P}{(V_i-V_O)}---\left(2\right)$

$I_P=\frac{T_{H1}(V_i-V_O)}{L}---\left(3\right)$

其中：

I_P为电感器L1中的峰电流；

L为电感器L1的电感；

V_i为电感器L1的输入侧处的电压(即，通过高侧开关S_H1获得的电压)。

V_O为电感器L1的输出侧处的电压；且

T_H1为其间高侧开关S_H1闭合的时间。

根据上文，峰电流控制器102的实施例通过产生与V_i-V_O成反比的高侧开关激活计时T_H1来控制电感器L1中的峰电流。图2展示根据各种实施例的峰电流控制器102的示意图。峰电流控制器102包含电流源202、开关计时产生器204及初始化电路210。电流源202产生与V_i-V_O成正比的电流。所述电流源包含晶体管S21及S22以及电阻器R21。晶体管S21的栅极耦合到电阻器R21及晶体管S21的漏极。晶体管S21的源极耦合到V_O，即电感器L1的输出处的电压。电阻器R21的值较大(例如，在兆欧姆的范围内)，从而致使节点212稳定在电压V_O-V_T下，其中V_T为晶体管S21的阈值电压。晶体管S21的漏极耦合到晶体管S22的栅极。晶体管S22的源极耦合到V_i，即在开关S_H1闭合时提供于电感器L1的输入侧处的电压。因此，晶体管S22处的栅极-源极电压为V_i-V_O+V_T，根据金属氧化物半导体(MOS)电流方程式：

I=K(V_gs-V_t)²    (4)

其产生如下的通过晶体管S22的电流：

I=K(V_i-V_O)²    (5)

因此，电流源202产生与电感器L1的输入侧与输出侧处的电压差(V_i-V_O)成正比的电流。

开关计时产生器204耦合到电流源202并施加由电流源202提供的电流以产生与V_i-V_O成反比的高侧开关计时信号116。开关计时电路204包含电容器C1、切换晶体管S23、比较器206及触发器208。电容器208形成由初始化电路210充电到

的充电节点。当通过信号EN的转变而设定触发器208时，开关S23闭合且由电流源202提供的电流流动通过开关S23以对电容器C1进行充电。当跨越电容器C1的电压从

增加到

时，比较器206对触发器208进行复位，且开关C23断开。如图1中所展示，信号116经由缓冲器104提供到高侧开关S_H1。

提供到电容器C1的电流可表达为：

$I=C\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

且充电时间可表达为：

$T=\frac{C(V_i-V_O)}{I}---\left(7\right)$

由于由电流源202提供的电流(I)与(V_i-V_O)²成正比，因此设定触发器208的时间及闭合高侧开关S_H1的时间与

成正比。如上所述，使高侧开关S_H1保持有效达与(V_i-V_O)成反比的时间会产生电感器L1中的最优峰电流。因此，峰电流控制器102产生电感器L1中的峰电流。

当触发器208由比较器206复位时，触发器110在延迟108之后被设定，且低侧晶体管S_L1被激活直到触发器110由比较器112复位为止。在触发器208被复位时，将电容器C1放电到

初始化电路210产生

初始化电路210包含布置为二极管的晶体管S24及S25以形成产生

的分压器。

经由开关S26切换到电容器C1，同时触发器208经复位以将电容器C1预充电到

以便为从

充电到

的下一循环做准备。初始化电路可包含缓冲器或其它电路以将晶体管S24及S25与开关计时产生器204隔离且抑制由初始化电路210产生的

电压在对电容器C1进行预充电时变更。

上文所解释的电流控制技术也适用于预测升压转换器中的电感器电流的零交叉。通过提供零交叉预测，实施例允许制作使用比在常规升压转换器中所使用的零交叉检测方法将需要的更低的电压过程的升压转换器。图3展示根据各种实施例的布置为升压转换器的SMPS300的示意图。SMPS300包含电感器L2、分别布置为高侧开关及低侧开关的切换晶体管SL2及SH2、电容器CL2、负载312、缓冲器304及306以及电流控制器302。

电流控制器302闭合低侧开关SL2以从输入电压源Vi诱发通过电感器L2的电流流动。当低侧开关SL2断开时，电流控制器302可闭合高侧开关SH2以将电容器CL2充电到存在于电感器L2的输出处的经升压电压。电流控制器302产生信号308及310，其控制切换晶体管SL2及SH2的计时以便预测电感器电流零交叉的计时。

依据以上方程式(1)：

$V=L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}---\left(8\right)$

因此，低侧开关SL2的有效时间为：

$T_{L2}=\frac{{\mathrm{LI}}_P}{V_i}---\left(9\right)$

且高侧开关SH2的有效时间为：

$T_{H2}=\frac{{\mathrm{LI}}_P}{(V_O-V_i)}---\left(10\right)$

其中：

I_P为电感器L2中的峰电流；

L为电感器L2的电感；

V_i为电感器L2的输入侧处的电压；

V_O为电感器L2的输出侧处的电压；

T_L2为其间低侧开关S_L2闭合的时间；且

T_H2为其间高侧开关S_H2闭合的时间。

因此，晶体管SL2及SH2的相对有效时间可表达为：

$\frac{T_{L2}}{T_{H2}}=\frac{(V_O-V_i)}{V_i}---\left(11\right)$

电流控制器302的实施例提供与V_O-V_i成正比的低侧开关激活计时及与V_i成正比的高侧开关激活计时以预测电感器L2中的电流零交叉。

图4展示根据各种实施例的电流控制器302的示意图。电流控制器302包含低侧计时产生器402及高侧计时产生器404。低侧计时产生器402提供控制低侧开关SL2的激活的计时信号308。高侧计时产生器404提供控制高侧开关SH2的激活的计时信号310。

低侧计时产生器402包含恒定电流源416、切换晶体管S42、电容器C42、触发器410、比较器408及初始化电路406。电容器C42形成由初始化电路406预充电到

的充电节点。当触发器410由来自脉冲产生器418的脉冲复位时，开关S42闭合且由电流源416提供的恒定电流对电容器C42进行充电。当跨越电容器C42的电压达到

时，比较器408设定触发器410。由触发器410产生的信号308经由如图3中所展示的缓冲器304控制低侧开关S_L2。

由于电容器C42被预充电到

且电流源416提供恒定电流，因此将电容器C42从

充电到

的时间为：

$T=\frac{C}{I}\frac{(V_O-V_i)}{2}---\left(12\right)$

因此，低侧开关S_L2经由信号308闭合的时间与V_O-V_i成正比。

在触发器410被设定时，电容器C42被放电到

初始化电路406产生

初始化电路406包含布置为二极管的晶体管S46及S48以形成产生

的分压器。

经由开关S50路由到电容器C42，同时触发器410经设定以将电容器C42预充电到以便为从

充电到

的下一循环做准备。初始化电路406可包含缓冲器或其它电路以将晶体管S46及S48与低侧计时产生器402隔离且抑制由初始化电路406产生的

电压在对电容器C42进行预充电时变更。

高侧计时产生器404耦合到低侧计时产生器402，且在高侧计时产生器的触发器410经设定及低侧开关SL2经去激活时被触发。高侧计时产生器404包含恒定电流源416、切换晶体管S44、电容器C44、触发器414、比较器412及初始化开关S52。高侧计时产生器404的电流源416产生等于由低侧计时产生器402的电流源416产生的电流的电流。由于需要将恒定电流一次提供到低侧计时产生器402及高侧计时产生器404中的仅一者，因此电流控制器302的一些实施例可在计时产生器402与404之间共享电流源416的实例。

电容器C44形成由初始化开关S52放电到接地电压的充电节点。当触发器414由来自脉冲产生器420的脉冲复位时，开关S44闭合且由电流源416提供的恒定电流对电容器C44进行充电。当跨越电容器C44的电压达到时，比较器412设定触发器414。由触发器414产生的信号310经由如图3中所展示的缓冲器306控制高侧开关S_H2。在触发器414被设定时，初始化开关S52闭合以将电容器C44放电到接地电压以便为从接地充电到

的下一循环做准备。

由于将电容器C44预充电到接地电压且电流源416提供恒定电流，因此对电容器C42进行充电的时间与V_i成正比。因此，低侧计时产生器402及高侧计时产生器404结合地提供用于开关S_L2及S_H2的控制计时，使得开关S_L2及S_H2的有效时间与成正比。

图5展示根据各种实施例的用于控制SMPS的电感器中的电流的方法500的流程图。方法500适用于控制电感器中的峰电流及／或预测电感器中的电流的零交叉。虽然为了方便起见而被依序描绘，但所展示的动作中的至少一些动作可以不同次序执行及／或并行执行。另外，一些实施例可执行所展示的动作中的仅一些动作。

在框502中，产生电流。在一些实施例中，所述电流可与V_i-V_O成正比。举例来说，所述电流可为由电流源202产生的K(V_i-V_O)²以供在降压转换器计时产生中使用。在一些实施例中，所述电流可为预定恒定电流。

在框504中，将电容器预充电到第一电压。对于降压转换器，可将电容器预充电到对于升压转换器，可将第一电容器预充电到

且可将第二电容器预充电到接地电压。

在框506中，经由在框502中产生的电流将电容器从第一电压充电到第二电压。在降压转换器中，可将电容器从

充电到在升压转换器中，可将第一电容器从

充电到

且随后可将第二电容器从接地电压充电到

在框508中，使耦合到SMPS的电感器的开关闭合达在框506中执行的电容器充电的持续时间。在降压转换器中，在将电容器从充电到

时闭合高侧开关。在升压转换器中，在将第一电容器从

充电到

时，闭合低侧开关，且在将第二电容器从接地电压充电到

时闭合高侧开关。

在框510中，当电容器已被从第一电压充电到第二电压时，断开经由电容器控制的开关。在降压转换器中，当充电使电容器电压提升到

时断开高侧开关。在升压转换器中，当充电使第一电容器电压从

提升到

时断开低侧开关，且当充电使第二电容器电压从接地电压提升到时断开高侧开关。

上文论述意在图解说明本发明的原理及各种实施例。一旦充分了解以上揭示内容，所属领域的技术人员便将明了众多变化形式及修改形式。举例来说，由本文中所描述的实施例产生的各种触发器信号极性在其它实施例中可不同而产生等效开关控制信号，V_i及V_O的分数部分可不同等。打算将所附权利要求书解释为涵盖所有此些变化形式及修改形式。

Claims (10)

1.一种开关模式电力供应器(100、300)，其包括：

电感器(L1、L2)；

高侧开关(S_H1、S_H2)，其耦合到所述电感器(L1、L2)；

低侧开关(S_L1、S_L2)，其耦合到所述电感器(L1、L2)；及

控制器(102、302)，其耦合到所述高侧开关(S_H1、S_H2)及所述低侧开关(S_L1、S_L2)中的至少一者，所述控制器(102、302)包括：

第一电容器(C1、C₄₂)；及

电流源(202、416)；

其中所述控制器(102、302)经配置以通过基于经由所述电流源(202、416)对所述第一电容器(C1、C₄₂)进行充电的时间而实现通过所述高侧开关(S_H1、S_H2)及所述低侧开关(S_L1、S_L2)中的所述至少一者的电流流动来控制向所述电感器(L1、L2)的电流切换的计时；

其中所述时间为跨越所述电感器(L1、L2)的电压的函数。

2.根据权利要求1所述的电力供应器，其中所述电流源(202)经配置以产生电流，所述电流与所述电感器(L1)处的输入电压和所述电感器(L1)处的输出电压的差成正比。

3.根据权利要求2所述的电力供应器，其中所述电流对应于所述电感器(L1)处的所述输入电压与所述电感器(L1)处的所述输出电压的所述差的平方。

4.根据权利要求1所述的电力供应器，其中所述控制器(102)包括初始化电路(210)，所述初始化电路(210)经配置以将所述第一电容器(C1)充电到第一电压，所述第一电压为所述电感器(L1)处的输出电压的预定分数。

5.根据权利要求4所述的电力供应器，其中所述控制器(102)经配置以：

将所述第一电容器(C1)从所述第一电压充电到第二电压，所述第二电压为所述电感器(L1)处的输入电压的预定分数，其中将所述第一电容器(C1)从所述第一电压充电到所述第二电压的时间与所述电感器(L1)处的输入电压和所述电感器(L1)处的所述输出电压的差成反比；且

在将所述第一电容器(C1)从所述第一电压充电到所述第二电压时，实现通过所述高侧开关(S_H1)的电流流动。

6.根据权利要求1所述的电力供应器，其中所述控制器(302)包括初始化电路(406)，所述初始化电路(406)经配置以将所述第一电容器(C₄₂)充电到第一电压，所述第一电压为所述电感器(L2)处的输入电压的预定分数。

7.根据权利要求6所述的电力供应器，其中所述控制器(302)经配置以将所述第一电容器(C₄₂)从所述第一电压充电到第二电压，所述第二电压为所述电感器(L2)处的输出电压的所述预定分数，其中将所述第一电容器(C₄₂)从所述第一电压充电到所述第二电压的时间与所述电感器(L2)处的输出电压和所述电感器(L2)处的所述输入电压的差成正比。

8.根据权利要求7所述的电力供应器，其中所述控制器(302)经配置以在将所述第一电容器(C₄₂)从所述第一电压充电到所述第二电压时启用所述低侧开关(S_L2)，且所述电力供应器(300)为增压模式转换器。

9.根据权利要求7所述的电力供应器，其中所述控制器(302)包括：

第二电容器(C₄₄)；及

初始化电路(S₅₂)，其经配置以将所述第二电容器(C₄₄)放电到接地电压；

其中所述控制器(302)经配置以将所述第二电容器(C₄₄)从所述接地电压充电到所述第一电压，且将所述第二电容器(C₄₄)从所述接地电压充电到所述第一电压的时间与所述电感器(L2)处的所述输入电压成正比；

其中所述控制器(302)经配置以根据将所述第二电容器(C₄₄)从所述接地电压充电到所述第一电压的所述时间来启用所述高侧开关(S_H2)。

10.根据权利要求1所述的电力供应器，其中所述控制器(102、302)经配置以经由所述计时提供所述电感器(L1)中的峰电流及所述电感器(L2)中的电流的经预测零交叉时间中的至少一者。

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