CN103872908A - 电源系统及将电源进行分流以减小输出纹波的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请在一个实施例中提供了一种电源系统及将电源进行分流以减小输出纹波的方法。所述方法包括：确定DC/DC转换器电路的至少一个性能参数；产生第一参考信号，其中所述第一参考信号基于所述性能参数；将所述第一参考信号与所述性能参数进行比较；以及至少部分地基于所述性能参数与所述第一参考信号的比较产生从输入电源到所述DC/DC转换器电路的输出节点的分流电流。

Description

电源系统及将电源进行分流以减小输出纹波的方法
技术领域
本申请涉及直流/直流（DC/DC）转换器拓扑结构，并且更具体地讲，涉及包括分流电路（shunt circuitry）的DC/DC转换器拓扑结构。
背景技术
诸如RF应用的多种应用，对由电感型DC/DC转换器电源所导致的输出纹波敏感。当DC/DC转换器被迫在最大占空比以上操作时，大多数DC/DC转换器中的开关频率将减小。减小开关频率导致输出纹波电压升高，而输出纹波电压升高通常是由纹波电流的增大造成的。DC/DC转换器的占空比增大是由于电源电压的减小和/或负载电流的增大造成的。尝试解决这些问题的常规方法包括使用低压差输出（LDO）型电路。LDO电路向负载输出与其输入成比例的电流，然而在该过程中耗散了相当多的功率。
发明内容
在一个示例中，提供一种电源系统，包括：DC/DC转换器电路，其被配置成将功率递送至输出节点，以为连接至所述输出节点的负载电路供电；所述DC/DC转换器电路包括脉宽调制（PWM）控制器电路，所述脉宽调制控制器电路被配置成产生具有与递送至所述输出节点的功率的量成比例的占空比的PWM信号；以及分流电路，所述分流电路连接在输入电源和所述输出节点之间，所述分流电路被配置成至少部分地基于所述PWM信号的占空比与第一占空比参考信号的比较来产生从所述输入电源到所述输出节点的分流电流。
在另一示例中，提供一种电源系统，包括：连接在输入电源与DC/DC转换器电路的输出节点之间的分流电路，所述分流电路被配置成至少部分地基于由所述DC/DC转换器电路产生的PWM信号的占空比与第一占空比参考信号的比较来产生从所述输入电源到所述输出节点的分流电流。
在另一示例中，提供一种将电源进行分流以减小输出纹波的方法，包括：确定DC/DC转换器电路的至少一个性能参数；产生第一参考信号，其中所述第一参考信号基于所述性能参数；将所述第一参考信号与所述性能参数进行比较；以及至少部分地基于所述性能参数和所述第一参考信号的比较，产生从输入电源到所述DC/DC转换器电路的输出节点的分流电流。
附图说明
从下面符合要求保护的主题的实施例的详细描述中，要求保护的主题的特征和优点将变得清楚，应该参照附图来理解本说明，其中：
图1示出了符合本申请的各个实施例的电源系统；
图2示出了根据本申请的一个实施例的占空比测量电路；
图3示出了根据本申请的一个实施例的参考和控制电路；
图4示出了根据本申请的一个实施例的分流开关控制电路和分流开关电路；以及
图5示出了符合本申请的一个实施例的操作的流程图。
虽然下面的具体实施方式将参照示例性实施例进行，但是实施例的许多替代形式、修改形式和变型对于本领域技术人员来说将是清楚的。
具体实施方式
图1示出了符合本申请的各个实施例的电源系统100。图1中描绘的电源系统100可被包括在诸如半导体集成电路芯片、片上系统（SoC）等的通用或定制集成电路（IC）中或形成其一部分。电源系统100通常包括配置成向负载电路112供电的DC/DC转换器电路102。DC/DC转换器电路102可包括各种已知的开关转换器拓扑结构（诸如降压型、升压型、升降压型、SEPIC型、反激型（flyback）、B类等）和/或其它已知的或后开发的DC/DC转换器拓扑结构，并且通常被配置成接收输入电压Vin并产生输出电压Vout，以向负载电路112供电。DC/DC转换器电路102连接至电感器电路111和输出电容器电路C。如熟知的那样，DC/DC转换器电路102的操作激励电感器电路111以可控方式将功率递送至负载电路112。在图1的例子中，DC/DC转换器电路102包括脉宽调制（PWM）控制器电路106、功率开关驱动器电路108、功率开关电路110和电感器电路114。PWM控制器电路106被配置成产生具有可控占空比的PWM信号Q（107）。功率开关驱动器电路108被配置成调制Q，以产生至少一个PWM开关控制信号109A、…、109n。功率开关电路110包括至少一个功率开关器件（例如，PMOS、NMOS、SiC、BJT等），通过控制所述功率开关器件切换Vin来为电感器111充电。例如，在两个开关降压型转换器中，功率开关电路可包括串联连接在Vin和接地点（或其它参考电位）之间的“高侧”开关和“低侧”开关。在该例子中，功率开关驱动器电路可被配置成产生用于控制“高侧”开关的PWM控制信号109A和用于控制“低侧”开关的互补PWM控制信号109B。如熟知的，功率开关控制电路110在Q的控制下以可控方式激励电感器L，以在Vout节点处产生功率，并将其供应至与Vout节点连接的负载电路112。PWM控制器电路106还被配置成从输出节点（Vout）接收反馈信号113。反馈信号113表征连接至Vout节点的负载电路112的负载状况（负载要求）。PWM控制器电路106还被配置成至少部分地基于反馈信号113调节PWM信号107的占空比。
随着PWM信号107的占空比增大，在输出节点Vout会观察到纹波电压的升高。这种升高的纹波电压可超过负载电路112的可容许极限，因此，DC/DC转换器电路102可能不能在各种变化的状况下正确地向负载电路供电。因此，本申请的电源系统100还包括分流电路104，分流电路104连接至输出节点（Vout）并通常被配置成将分流电流Ishunt提供至负载电路112，以减小或消除因为PWM信号107的占空比增大、负载电流要求增大、输入电压减小、开关频率减小等造成的纹波效应。分流电路104通常连接至电感器电路111的输出，即，使得分流电流在绕过DC/DC转换器电路102和电感器电路111的同时可递送至负载电路112。分流电路104被配置成：当DC/DC转换器电路102向负载电路112供电时基于会影响负载电路112的效率或操作的至少一个性能参数（例如，纹波、电流、占空比等）产生分流电流。分流电流可用于向负载电路112额外供电，因此减小DC/DC转换器电路102的IR压降效应。另外，分流电路104被配置成在各种状况下至少部分地控制DC/DC转换器电路102的操作，如将在下文描述的。在本申请的例子中，分流电路104利用PWM信号107的占空比作为用于确定分流电路104应该何时开始供应分流电流Ishunt的性能参数。在其它实施例中，可使用其它性能参数，包括例如负载电流要求、输入电压、开关频率等，因此，虽然上述例子具体使用PWM信号107的占空比作为性能参数，但是本领域技术人员应该理解，可使用其它性能参数作为在输出节点处的纹波的指示。
分流电路104包括占空比测量电路116，占空比测量电路116被配置成接收PWM信号107并产生占空比测量信号117，占空比测量信号117表征PWM信号107的占空比或与PWM信号107的占空比成比例。分流电路104还包括参考和控制电路114，参考和控制电路114被配置成产生表征所选择的占空比或与所选择的占空比成比例的至少一个参考信号115。由参考信号115表征的所选择的占空比可以是这样的值，该值指示由DC/DC转换器电路102产生的PWM信号107的占空比何时在Vout处导致或已知何时会在Vout处导致不可接受的纹波，从而通过电路104从Vin向Vout提供分流电流Ishunt以减小或消除这些纹波效应。参考信号115的值还可基于例如电路参数（例如，电感器尺寸/限制）、负载的纹波要求、电路容差等。参考和控制电路114还可被配置成在某些情况下控制PWM控制器电路106。为此目的，参考和控制电路114被配置成产生PWM转换器控制信号123。PWM转换器控制信号123被配置成控制PWM控制器电路106在预定电平（例如，最大电平）下操作。例如，PWM转换器控制信号123可导致PWM控制器106产生具有大约100%占空比的PWM控制信号107。当增大负载要求原本会造成Vout处的纹波增大时，迫使PWM控制器106在最大占空比下操作可对减小Vout处的纹波效应起作用。
分流电路104还包括分流开关控制电路118和分流开关电路120。分流开关电路120通常包括连接在Vin和Vout之间的可控开关。可控开关的导通状态通常控制通过电路104的递送至Vout节点的分流电流（Ishunt）的量。分流开关控制电路118被配置成至少部分地基于占空比参考信号115和占空比测量信号117产生对分流开关电路120的导通状态进行控制的开关控制信号119，从而以可控方式将分流电流递送至Vout节点。通常，如果占空比测量信号117超过由占空比参考信号115表示的第一阈值，则分流开关控制电路被配置成产生使分流开关电路导通的开关控制信号119，以使得分流电流Ishunt从Vin流向Vout。在一些实施例中，分流电流被添加至DC/DC转换器电路102产生的功率，以向负载电路112提供额外功率。分流开关电路120可在开关控制信号119的控制下作为可变电阻器操作，从而控制递送至输出节点的分流电流（Ishunt）的量。这些操作将在下面更加详细地描述。
图2示出了根据本申请的一个实施例的占空比测量电路116’。该实施例包括缓冲电路202和低通滤波器（LPF）电路204，缓冲电路202和低通滤波器（LPF）电路204被配置成接收PWM信号107（Q）并产生占空比测量信号117。在该例子中，信号117是与PWM信号107的占空比成比例的DC信号。图3示出了根据本申请的一个实施例的参考和控制电路114’。该实施例包括参考信号产生电路302，其被配置成根据输入电压Vin产生多个占空比参考信号303a、…、303n。占空比参考信号303a、……、303n可均为与PWM信号107的所选择的占空比成比例的DC信号，并且可根据Vin产生各参考信号。因此，例如，电路302可被配置成产生四个参考信号303a、303b、303c和303d，其中，信号303a是表征PWM信号107的95%占空比或与之成比例的DC信号，信号303b是表征PWM信号107的90%占空比或与之成比例的DC信号，信号303c是表征PWM信号107的85%占空比或与之成比例的DC信号，并且信号303d是表征PWM信号的80%占空比或与之成比例的DC信号。当然，这只是可产生的占空比参考信号的数量及它们各自的值的一个例子。通常，可基于例如负载要求产生占空比参考信号，以使得至少一个占空比参考信号具有这样的值，该值大约等于可在输出节点Vout造成不期望的纹波效应的PWM信号107的占空比。在一个实例中，电路302可包括电阻梯形网络（未示出），在电阻梯形网络中，多个电阻器在Vin和参考节点（地）之间串联地连接在一起。在该例子中，每个电阻器上的电压降表示PWM信号107的占空比的预定比例。在其它例子中，第一参考信号和第二参考信号可以是用户定义的和/或可编程的，以使得这些值可基于逐个电路进行设置。
参考和控制电路114’还可包括下限和上限参考信号选择电路304，下限和上限参考信号选择电路304被配置成从电路302产生的多个参考信号303a、…、303n中选择第一参考信号（例如，参考信号115）和第二参考信号（例如，参考信号305）。所选择的第一参考信号115可表示“下限”值，在该值以上，分流电路104被配置成开始供应分流电流。第二参考信号305可表示“上限”值，在该值以上，PWM控制器电路106可被迫进入最大占空比状态（以上所述）。为此目的，参考和控制电路114’还可包括比较器电路306，比较器电路306被配置成将第二参考信号305与占空比测量信号117进行比较并产生PWM转换器控制信号123。如果占空比测量信号117超过第二参考信号305，则PWM转换器控制信号123可致使PWM控制器电路106在大约100%的占空比下操作，以通过DC/DC转换器电路102递送最大电流。因此，例如，如果第二参考信号305被选择为表示PWM信号107的95%的占空比，则当占空比测量信号117超过第二参考信号305时，比较器电路306可致使PWM转换器控制信号123改变状态（例如，从低变为高），PWM转换器控制信号123继而可被用于控制PWM控制器电路106在最大占空比（例如，100%的占空比）下操作。一般来说，下限占空比参考信号115控制分流电流Ishunt的产生，上限占空比参考信号305确定何时迫使PWM控制器电路106在预定的（例如，最大的）占空比下操作。
图4示出了根据本申请的一个实施例的分流开关控制电路118’和分流开关电路120’。该实施例包括放大器电路402，放大器电路402被配置成将第一（下限）占空比参考信号115与占空比测量信号117进行比较，以产生用于控制开关电路120’的导通状态的开关控制信号119。因此，例如，如果第一占空比参考信号115被选择为表示PWM信号107的80%的占空比，则当占空比测量信号117超过第一参考信号115时，放大器电路402可产生足以致使开关电路120’开始导通的开关控制信号119，因此产生递送至输出节点Vout的分流电流Ishunt。如果占空比测量信号117增大，则开关控制信号的值可增大，以提供更大的分流电流值。当然，提供值80%只是作为例子，在其它实施例中，第一参考信号的值可基于例如在输出节点处的纹波参数超过负载容差的时间。
图5示出了符合本申请的一个实施例的操作的流程图500。该实施例的操作可包括确定DC/DC转换器电路的至少一个性能参数502。性能参数的例子包括占空比、输入电压、输出电压、负载电流要求等。操作还可包括产生第一参考信号，其中，第一参考信号基于性能参数504。使用占空比作为性能参数例子，第一参考信号可基于DC/DC转换器电路的占空比。操作还可包括第二参考信号，其中，第二参考信号基于性能参数506。继续使用占空比作为性能参数例子的例子，第二参考信号可基于DC/DC转换器电路的占空比。操作还可包括判定性能参数是否大于第一参考信号508。如果性能参数小于第一参考信号，则操作可包括将功率从DC/DC转换器电路递送至负载电路510。如果性能参数大于第一参考信号，则操作可包括判定性能参数是否大于第二参考信号512。如果性能参数小于第二参考信号，则操作可包括对从DC/DC转换器电路到负载电路的功率进行分流514。分流可包括例如将输入电源连接至DC/DC转换器电路的输出节点，以使得DC/DC转换器电路供应的功率减小。如果性能参数大于第二参考信号，则操作可包括控制DC/DC转换器电路以产生预定功率输出516。
虽然图5示出了根据一个实施例的各种操作，但应当理解并非所有这些操作都是必要的。实际上，本文中完全设想到在本申请的其它实施例中，图5中描绘的操作和/或本文中别处描述的操作可按照未在任何附图中具体示出但仍然完全符合本申请的方式组合。因此，认为涉及未明确在一幅附图中示出的特征和/或操作的权利要求落入本申请的范围和内容内。另外，如本文的任何实施例中所用的“电路”可包括例如单独的或任意组合的硬连线电路、可编程电路、状态机电路和/或可用于较大系统中的电路，例如可被包括作为集成电路的一部分的分立元件。另外，本文所述的任何开关器件可包括任何类型的已知或后开发的开关电路，诸如例如，MOS晶体管、BJT、SiC晶体管等。
本文中采用的术语和表达方式作为描述而非限制的术语使用，并且在使用这种术语和表达方式的过程中，不旨在排除示出和描述的特征的任何等同物（或其一部分），并且认识到，各种修改形式可落入权利要求书的范围内。因此，权利要求书旨在涵盖所有这种等同物。已在本文中描述了各种特征、方面和实施例。这些特征、方面和实施例容许存在相互组合以及变形形式和修改形式，如本领域技术人员将理解的那样。因此，应该认为本申请涵盖这种组合、变形形式和修改形式。

Claims (20)

1.一种电源系统，包括：
DC/DC转换器电路，其被配置成将功率递送至输出节点，以为连接至所述输出节点的负载电路供电；所述DC/DC转换器电路包括脉宽调制（PWM）控制器电路，所述脉宽调制控制器电路被配置成产生具有与递送至所述输出节点的功率的量成比例的占空比的PWM信号；以及
分流电路，所述分流电路连接在输入电源和所述输出节点之间，所述分流电路被配置成至少部分地基于所述PWM信号的占空比与第一占空比参考信号的比较来产生从所述输入电源到所述输出节点的分流电流。
2.根据权利要求1所述的电源，其中所述第一占空比参考信号被选择为具有下述值：该值大约表征所述PWM信号的使所述输出节点处的纹波参数超过纹波阈值的占空比，或该值大约与所述占空比成比例。
3.根据权利要求1所述的电源，其中所述分流电流在所述输出节点处被增加至通过所述DC/DC转换器电路产生的功率。
4.根据权利要求1所述的电源系统，其中所述分流电路还被配置成至少部分地基于所述PWM信号的占空比与第二占空比参考信号的比较来产生PWM控制器信号，并且其中所述PWM控制器信号被配置成控制所述PWM控制器电路以致使所述PWM控制器电路产生具有预选的占空比的PWM信号。
5.根据权利要求4所述的电源，其中所述预选的占空比是最大占空比。
6.根据权利要求4所述的电源，其中所述第二占空比参考信号被选择为具有下述值：该值大约表征所述PWM信号的使所述输出节点处的纹波参数超过纹波阈值的占空比，或该值大约与所述占空比成比例。
7.根据权利要求4所述的电源，其中所述分流电路还被配置成至少部分地基于所述PWM信号的占空比与所述第二占空比参考信号的比较来中断所述分流电流。
8.根据权利要求1所述的电源系统，还包括连接在所述DC/DC转换器电路和所述输出节点之间的电感器电路。
9.一种电源系统，包括：
连接在输入电源与DC/DC转换器电路的输出节点之间的分流电路，所述分流电路被配置成至少部分地基于由所述DC/DC转换器电路产生的PWM信号的占空比与第一占空比参考信号的比较来产生从所述输入电源到所述输出节点的分流电流。
10.根据权利要求9所述的电源，其中所述第一占空比参考信号被选择为具有下述值：该值大约表征由所述DC/DC转换器电路产生的所述PWM信号的使所述输出节点处的纹波参数超过纹波阈值的占空比，或该值大约与所述占空比成比例。
11.根据权利要求9所述的电源系统，其中所述分流电路还被配置成至少部分地基于所述PWM信号的占空比与第二占空比参考信号的比较来产生PWM控制器信号，并且其中所述PWM控制器信号被配置成控制所述DC/DC转换器电路以致使所述DC/DC转换器电路产生具有预选的占空比的PWM信号。
12.根据权利要求11所述的电源，其中所述第二占空比参考信号被选择为具有下述值：该值大约表征所述PWM信号的、使所述输出节点处的纹波参数超过纹波阈值的占空比，或该值大约与所述占空比成比例。
13.根据权利要求11所述的电源，其中所述分流电路还被配置成至少部分地基于所述PWM信号的占空比与所述第二占空比参考信号的比较来中断所述分流电流。
14.根据权利要求11所述的电源，其中所述预选的占空比是最大占空比。
15.一种将电源进行分流以减小输出纹波的方法，包括：
确定DC/DC转换器电路的至少一个性能参数；
产生第一参考信号，其中所述第一参考信号基于所述性能参数；
将所述第一参考信号与所述性能参数进行比较；以及
至少部分地基于所述性能参数和所述第一参考信号的比较，产生从输入电源到所述DC/DC转换器电路的输出节点的分流电流。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述性能参数选自占空比、输出电压、输入电压和输出纹波。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括：
产生第二参考信号，其中所述第二参考信号基于所述性能参数；
将所述性能参数与所述第二参考信号进行比较；
至少部分地基于所述性能参数与所述第二参考信号的比较，控制所述DC/DC转换器电路具有预定功率输出。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
至少部分地基于所述性能参数与所述第二占空比参考信号的比较，中断所述分流电流。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一参考信号被选择为具有下述值：该值大约表征由所述DC/DC转换器电路产生的PWM信号的、使所述输出节点处的纹波参数超过纹波阈值的占空比，或该值大约与所述占空比成比例。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述第二参考信号被选择为具有下述值：该值大约表征由所述DC/DC转换器电路产生的PWM信号的、使所述输出节点处的纹波参数超过纹波阈值的占空比，或该值大约与所述占空比成比例。
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