CN104518668A - 用于控制电源的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

根据一个实施例，用于开关电源的控制器包括平均电流比较器和耦合至平均电流比较器的开关信号生成电路，该平均电流比较器确定开关电源内的平均电流是否低于电流阈值，该开关信号生成电路具有开关信号输出，该开关信号输出被配置为耦合至开关电源的切换电路。开关信号生成电路在第一操作模式中产生第一切换模式，并且在第二操作模式中产生第二切换模式。当平均电流比较器确定平均电流低于电流阈值时，以第一模式对开关信号生成电路进行操作，并且当平均电流比较器确定平均电流不低于电流阈值时，以第二模式对开关信号生成电路进行操作。

Description

用于控制电源的系统和方法
技术领域
本发明总体涉及电子电路和电源，并且在具体实施例中，涉及用于控制电源的系统和方法。
背景技术
电源系统遍布在从计算机到汽车的许多电子应用中。通常，电源系统内的电压通过对加载有电感器或换能器的开关进行操作而执行DC-DC、DC-AC和/或AC-DC变换来生成。一类这样的系统包括开关电源(SMPS)。SMPS通常比其它类型的功率变换系统更高效，因为功率变换通过对电感器或换能器进行受控的充电和放电来执行，并且由于跨电阻式电压降的功率耗散而减少了能量损耗。
SMPS通常包括至少一个开关以及电感器或换能器。一些特定拓扑结构包括其中的降压变换器、升压变换器以及反激式变换器等。控制电路通常用于断开和闭合开关以对电感器进行充电和放电。在一些应用中，被供应至负载的电流和/或被供应至负载的电压经由反馈回路进行控制。
在一些电源应用中，可以以两种不同模式对开关电源进行操作：连续导通模式(CCM)和非连续导通模式(DCM)。在CCM期间，可以对开关进行操作以连续地对电感器进行充电或放电。在DCM期间，可以对开关进行操作，以便限制在每个周期期间在电感器中流动的负电流量，以便提高效率。在电池充电应用中，可以在充电周期的中间期间使用CCM，并且可以在充电周期即将结束时使用DCM。在负载电压或电池充电接近目标或供电电压时，可以以DCM对电源进行操作以便减少由负电流从负载或电池移除的电荷。为了能量效率以及防止电池损坏，这样的手段在充电应用中是常见的。
发明内容
根据一个实施例，用于开关电源的控制器包括平均电流比较器和耦合至平均电流比较器的开关信号生成电路。平均电流比较器确定开关电源内的平均电流是否低于电流阈值。开关信号输出被包括在开关信号生成电路中，开关信号输出可以被耦合至开关电源的切换电路。开关信号生成电路在第一操作模式中在开关信号输出处产生第一切换模式，并且在第二操作模式中在开关信号输出处产生第二切换模式。当平均电流比较器确定平均电流低于电流阈值时，以第一模式对开关信号生成电路进行操作，并且当平均电流比较器确定平均电流不低于电流阈值时，以第二模式对开关信号生成电路进行操作。
附图说明
为了更全面理解本发明及其优点，现在结合附图对以下描述进行参考，在附图中：
图1a至图1b图示实施例切换电源系统的框图和用于实施例电源控制器的信号波形；
图2图示实施例切换电源电路的示意图；
图3图示实施例电源系统的框图；
图4图示实施例电源系统的波形图；
图5图示实施例电源系统的波形图；
图6图示实施例电流比较器电路的示意图；
图7图示实施例电流比较器电路的示意图；
图8a至图8b图示对电源系统进行操作的实施例方法的框图；
图9图示实施例系统的波形；
图10图示对切换电源电路进行操作的实施例方法的框图；以及
图11图示对切换电源电路进行操作的另一实施例方法的框图。
不同附图中对应的数字和符号通常指代对应的部分，除非另有指明。附图被绘制以清楚地图示实施例的相关方面，而未必按比例绘制。
具体实施方式
以下详细讨论对各个实施例的制作和使用。然而应当理解，在本文中所描述的各个实施例可用于多种具体背景。所讨论的具体实施例仅说明制作和使用各个实施例的具体方式，而不应以限制性范围进行解释。
关于具体背景中的各个实施例进行描述，即功率变换器电路。在本文中所描述的各个实施例包括AC-AC或DC-DC电压变换器、切换电源系统和电路、电池充电电路、电流比较器电路、电源控制器和其它变换器电路。在其它实施例中，各个方面也可以应用于其它应用，包含根据本领域中众所周知的任何方式使用集成部件或分立部件的任何类型的变换器或负载驱动电路。
根据在本文中所描述的实施例，切换电源系统以及对切换电源系统进行操作的方法包括以至少两种模式对切换电源系统进行操作，包括至少连续导通模式(CCM)和非连续导通模式(DCM)。CCM可以包括周期性地对被耦合至负载的电感元件进行充电和放电，并且DCM可以包括周期性地针对一段时间进行充电、针对一段时间进行放电以及针对一段时间将电感元件连接于高阻抗中。在各个实施例中，切换电源系统被配置用于一旦在电感元件中流动的平均电流降至第一阈值以下则从CCM切换至DCM。这一平均电流可以相对于多个切换周期的过程进行确定。切换电源系统还被配置为，在DCM期间，预估在电感器中流动的电流变为零的时间。在一些实施例中，在不对电感器电流进行直接测量的情况下执行这一预估。在本文中所描述的各个实施例提供了根据本发明的各个实施例的结构和操作的细节。
图1a图示实施例切换电源系统100的框图，具有控制器110、电流比较器120、切换变换器电路130和负载140。根据一个实施例，切换变换器电路130向负载140提供正电压线118和负电压线116。切换变换器电路130接收幅度为Vin的输入电压112，并且被参考至节点115。在各个实施例中，节点115可以是接地节点或者可以是除接地之外的参考电压。
根据一个实施例，切换变换器电路130从控制器110接收切换控制信号124，并且向控制器110提供反馈信号128以及向电流比较器120提供测量信号126。在各个实施例中，测量信号126是由测量模块132提供的电压和/或电流测量，并且对应于被供应至负载140的电流。测量信号126被连接至电流比较器120，电流比较器120将测量信号126与阈值进行比较并且向控制器110提供比较信号122。在一些实施例中，比较信号122传达在被供应至负载140的电流与阈值之间的比较结果。在各个实施例中，电流比较器120可以执行在被供应至负载140的电流与阈值之间的电流比较。
在一些实施例中，控制器110可以是比例积分微分(PID)控制器。备选地，控制器110可以被实施为能够直接接收电流测量信号126的电流控制器110。在这样的实施例中，可以省略电流比较器120并且在电流控制器110中执行电流比较。在另一实施例中，电流控制器110可以是峰值电流控制器110，其测量经由电流测量信号126被供应至负载140的峰值电流。在其它实施例中，电流控制器110可以是平均电流控制器110，其测量经由电流测量信号126被供应至负载140的平均电流。
控制器110从电流比较器120接收比较信号122并且从切换变换器电路130接收反馈信号128。根据各个实施例，反馈信号128包括关于跨负载140的电压、进入或流出负载140的电流、或负载140的电压和通过负载140的电流二者的信息。尽管被描绘为单个线路，但是应当注意在图1a中所描绘的连接图示了连接并且可以包括单个连接或多个连接(诸如总线)。在一个实施例中，控制器110使用比较信号122和反馈信号128来确定切换控制信号124，切换控制信号124被提供至切换变换器电路130。
根据具体实施例，负载140是电池，并且电源系统100是电池充电系统。根据具体实施例，负载140被充电至低于线路114上的输入电压112的电压。在备选实施例中，负载140可以被充电至约输入电压112(即约Vin的电压)，或者负载140可以被充电至不等于Vin的电压。将负载140充电至最终电压由切换变换器电路130来完成。在实施例中，切换变换器电路包含电感器106和连接至电感器106的开关102和104。开关102和104被断开和闭合，以便向电感器106施加电压输入，以对电感器106进行充电和放电并且向负载140供应电流。根据具体实施例，切换变换器电路包括开关电源(SMPS)。开关102和104由从控制器110接收的切换控制信号124进行控制。
在一个实施例中，控制器110确定用于断开和闭合开关102和104的占空比。可以以两种不同操作模式对电源系统100进行操作：连续导通模式(CCM)和非连续导通模式(DCM)。在CCM和DCM中，控制器110可以不同地确定开关102和104的占空比。在一些实施例中，控制器110根据比较信号122从CCM转换成DCM，比较信号122例如可以是用于从第一操作模式转换成第二操作模式的使能信号(enable signal)。比较信号122可以在被供应至负载140的电流低于阈值时被使能。备选地，比较信号122可以在被供应至负载140的电流低于特定值时被禁用。
图1b图示了用于电源控制器110的实施例控制信号波形。上开关波形102g是被施加至开关102的控制端子的控制信号，并且下开关波形104g是被施加至开关104的控制端子的控制信号。根据所示的实施例，如果上开关波形102g为高，则闭合开102，并且如果下开关波形104g为高，则闭合开关104。以由操作模式138指示的两种不同模式对开关102和104进行操作。当操作模式138是CCM时，闭合开关102或104。从另一方面，在CCM期间，电感器106通过开关102充电或通过开关104放电。在所示的实施例中，当操作模式138是CCM时，上开关波形102g和下开关波形104g彼此相反。根据一个实施例，控制器110将确定用于控制开关102和104的占空比。在所示的实施例中，用于上开关波形102g和下开关波形104g的开关控制占空比约为50％，然而，实际占空比可以在操作期间变化以进而包括各种其它占空比。在各个具体实施例中，CCM可以被称为第二操作模式。在备选实施例中，CCM可以被称为第一操作模式。
继续参照图1b，在转变142之后，控制器110将电源系统100从操作于CCM切换至DCM，如由操作模式138所指示的那样。在DCM期间，上开关波形102g和下开关波形104g在两个开关102和104均断开时在区域144中展现出三态(tristate)或高阻抗配置。在示例性操作序列中，上开关波形102g变高，从而闭合开关102并且对电感器106充电。随后，下开关波形104g在上开关波形102g变低时变高，因此闭合开关104、断开开关102并且对电感器106放电。最终，在电感器106未连接至充电节点或放电节点时在区域144中的高阻抗时段期间，下开关波形104g在上开关波形102g保持低时变低。根据在本文中所描述的实施例，断开两个开关102和104以便进入区域144中的高阻抗时段的时间被确定为使得当两个开关被断开时，电感器106中的电流接近于零。在各个实施例中，在DCM期间可以预估电感器电流过零作为确定进入高阻抗模式的时间的部分。在DCM期间可以使用控制器(诸如控制器110)来预估电感器电流过零。在各个具体实施例中，DCM可以被称为第一操作模式。在备选实施例中，DCM可以被称作第二操作模式。
图2图示了实施例切换电源电路200的示意图，切换电源电路200具有第一开关202、第二开关204和电感器206。切换电源电路200可以对应于如参照图1a至图1b所描述的实施例切换变换器电路130。在示例性实施例中，在开关202被闭合时，在输入节点212与及节点203之间形成导通路径，电流从输入节点212流入电感器206中。开关204可以在开关202被闭合或导通时为断开或非导通。随后，断开开关202并且闭合开关204。由于电感器的特性，电流在开关204被闭合时继续流经电感器206、电阻器232并且流入负载240中。因为在开关204被闭合并且开关202断开时电感器206被耦合至参考节点215并且不耦合至电源或输入节点(诸如212)，所以流经电感器206的电流可以以近似线性方式减小。
在所示实施例中，被耦合至控制端子222的控制信号断开和闭合开关202，并且被耦合至控制端子224的控制信号断开和闭合开关204。在闭合开关202并且断开开关204时，流经电感器206的电流增加。另一方面，在闭合开关204并且断开开关202时，流经电感器206的电流减小。在一些实施例中，断开和闭合开关202和204通过电感器206向负载240供应电流。在一个示例性实施例中，被供应至负载240的电流可以针对一个时间段较大而针对另一时间段较小。在涉及电池充电的示例中，电流在常规充电期间较大并且在最终充电期间(即接近在负载/电池几乎被充满时的充电周期末端)较小。在所示实施例中，与负载240并联连接的电容器208用作低通滤波器并且减小了跨负载240的供电纹波。
在图2中所描绘的实施例中，输出信号226和输出信号228可以被连接作为去往控制电路装置(图2中未示出)的电流或电压测量反馈。电阻器232和234可以具有已知的电阻，使得可以使用电压差Vm1和Vm2利用欧姆定律来计算被供应至负载240或通过负载240的电流。
在图2中所描绘的实施例中，开关202被耦合在输入节点212(具有电压信号Vin)与节点203之间，并且开关204被耦合在参考节点215与节点203之间。电感器206被耦合在节点203与节点214之间。电阻器232在节点214处被耦合至电感器206，并且电阻器234被耦合至参考节点215。电容器208经由节点218和216在电阻器232和电阻器234之间与负载240并联耦合。提供跨电阻器232的电压差作为被描绘为Vm1的输出信号226，并且提供跨电阻器234的电压差作为被描绘为Vm2的输出信号228。
在一些实施例中，当少量电流流经电感器206时，可以同时断开两个开关202和204。在各个实施例中，同时断开两个开关在DCM中完成，并且对应于高阻抗或三态时段。同时断开两个开关202和204可以防止负电流经过电感器206，该负电流将从负载240移除电荷。在一些实施例中，通过开关202和204以及电感器206被供应至负载240的电流被控制，以便避免可以对被连接作为负载240的电池进行放电的负电流。在一些实施例中，通过开关202和204以及电感器206被供应至负载240的电流被控制，以便避免供给太多电流，以防止对被连接作为负载240的电池过充电。
在各个实施例中，两个开关202和204在尽可能少的电流在电感器206中流动时同时断开。如参考图1b所描述的那样，可以预估电感器电流过零，以便于在DCM期间紧邻电流过零而断开两个开关202和204。然而，仍在电感器206中流动的少量电流可以在两个开关202和204被关断之后继续流动。在一些实施例中，电流可以流经开关202和/或204的体二极管(未示出)。在特定实施例中，来自电感器206中的负电流(即流入开关204)在存储于电感器206中的能量被耗散时将继续流经开关204的体二极管。在备选实施例中，在电感器206中流动的少量电流可以在开关204和/或202的开关电容与电感器之间来回流动。
图3图示了实施例电源系统300的框图，电源系统300具有在功率级(power stage)330中的切换电源，功率级330通过以至少两种操作模式(CCM和DCM)对开关302和304进行操作来为负载340供电。在一些实施例中，电源系统300在被供应至负载340的平均电流降至被存储、编程或提供至电流比较器320的阈值以下时从CCM转变成DCM。在CCM和DCM二者中，控制器310可以基于与被供应至负载340的输出电压或电流有关的误差计算来确定用于控制开关302和304的占空比。在DCM中，控制器310还可以预估用于使能开关302和304的三态操作的电感器电流过零阈值。
在图3的实施例中，电源系统300包括控制器310、功率级330、电流比较器320和数字脉宽调制(DPWM)模块336。功率级330包括类似于图2中所示的切换电源电路200的切换电源电路。功率级330包括被耦合在电压输入节点312与切换节点303之间的高侧开关302以及被耦合在切换节点303与参考节点315之间的低侧开关304。在一些实施例中，参考节点315连接至接地。电感器306和电阻器332被串联耦合在切换节点303与输出节点318之间。负载340和电容器308被并联耦合在输出节点318与输出节点316之间。电阻器334被耦合在参考节点315与输出节点316之间。
根据一些实施例，开关控制信号322断开和闭合开关302，并且开关控制信号324断开和闭合开关304，以便对电感器306进行充电和放电。DPWM模块306提供控制信号322和324。在各个实施例中，DPWM模块可以是数字计数器。控制器310向DPWM模块336提供第一阈值信号335和第二阈值信号337。在一些实施例中，第一阈值信号335对应于在高侧开关302和低侧开关304之间的切换占空比。第二阈值信号337可以对应于过零阈值。在一些实施例中，第二阈值信号337用于指示应当何时同时关断两个开关302和304。根据一个实施例，在切换电源的DCM操作期间使用第二阈值信号337。在下文中将进一步描述开关302和304以及第一和第二阈值信号的操作。
在一些实施例中，电流比较器320向控制器310提供使能信号321。电流比较器320可以是慢电流比较器，诸如相对于数个周期对电流进行平均的平均电流比较器。电流比较器320从跨电阻器332的电压差接收电压信号326，并且基于阈值电流与被供应至负载340以及流经电阻器332的电流之间的电流比较来确定使能信号321。在各个实施例中，由电流比较器320使用的阈值电流是可编程的，并且可以响应于系统特性和需求而改变。在一些实施例中，被供应至负载的电流使用欧姆定律和电压信号326来确定。控制器310可以对DPWM模块336进行操作，并且随后以两种不同模式CCM和DCM对开关302和304进行操作。在一些实施例中，使能信号321可以使得控制器310在CCM和DCM之间切换。
进一步参考图3，电流模拟至数字(A2D)模块354可以提供从负载340向误差计算模块350的电流测量。电流A2D模块354接收对应于跨电阻器334的电压差的模拟电压信号328、将模拟信号变换成数字信号、并且将对应于电压测量的数字信号从电阻器334提供至误差计算模块350(其可以用于基于欧姆定律计算经过电阻器334的电流)。电压A2D模块352从负载340接收模拟电压信号361、将模拟信号变换成数字信号、并且将对应于电压测量的数字信号从负载340提供至误差计算模块350。误差计算模块350计算误差信号329，误差信号329被提供至控制器310。在各个实施例中，控制器310使用误差信号329来确定第一和第二阈值信号335和337。在一些实施例中，误差信号329可以由误差计算模块350借助于查找表356和358来计算出。查找表356和358可以包括目标电流和/或电压以及基于来自于电流A2D模块354和电压A2D模块352的电流和电压测量信号的对应的误差信号。在一些实施例中，查找表356和358被实施为可编程寄存器。在其它实施例中，查找表356和358可以使用任何类型的可寻址存储器来实施。
图4图示了实施例电源系统的波形图，该波形图示出了电感器电流信号400、脉宽调制(PWM)信号410、三态使能信号420以及在各个操作模式期间的控制模式430。在图4、5、8和9中所描述的实施例电源系统可以对应于在本文中所描述的附图(诸如图1-3)或对应于其它切换电源系统。如图4中所示，电感器电流信号400响应于PWM信号410而增加或减小。当PWM信号410为高时，电感器电流信号400增加，并且当PWM信号410为低时，电感器电流信号400减小。还示出了平均电感器电流信号402、电流阈值404和零电流水平406。
在操作期间，实施例电源系统可以操作于不同模式。图4描绘了具有两个主操作模式以及在两个主模式之间的转变模式的实施例。控制模式430描绘了两个操作模式和转变：CCM、转变和DCM。在CCM的实施例中，三态使能信号420未被断言(assert)，并且电感器电流信号400还仍然为正(即不低于零电流水平406)。如由电感器电流信号400所示，电感器电流可以在CCM期间在电流减小时变负。在一些实施例中，通过切换至DCM来避免负电感器电流。
在各个实施例中，使用平均电感器电流信号402来指示何时从CCM改变至DCM。具体而言，如果平均电感器电流402低于电流阈值404，则操作模式可以改变。在一个实施例中，模式在平均电感器电流信号402低于电流阈值404时从CCM改变至DCM。在各个实施例中，电流阈值404是可编程的。转变时段或模式在一些实施例中可能是有用的。如图4中所示，在平均电感器电流信号402低于电流阈值404时，控制模式430从CCM改变至CCM-DCM转变模式。在一些实施例中，CCM-DCM转变模式包括设定数目周期。在具体实施例中，周期的数目范围从1至128.
根据各个实施例，CCM-DCM转变模式为控制器提供了时间，以针对高侧开关和低侧开关计算用于DCM的新占空比，并且可以为控制回路提供时间，以使得电感器电流变得更稳定。在具体实施例中，低侧开关在CCM-DCM转变模式期间被关断，其可以防止电感器中的负电流。根据一些实施例，当低侧开关被关断时，平均电感器电流信号402可以增加。在这样的实施例中，控制器可以保持控制模式430处于CCM-DCM转变模式，即使平均电感器电流信号402增加至电流阈值404以上。在一些实施例中，CCM-DCM转变模式可以非常短或者被省略，这是因为新占空比针对特定系统可以被预计算或者所使用的控制器可以非常快。在CCM-DCM转变模式之后，控制模式430可以改变至DCM。
在一个实施例中，在CCM-DCM转变模式期间，三态使能信号420在PWM信号410为低时被断言。断言三态使能信号420可以指示被连接至电感器的所有开关是断开的。根据各个实施例，三态使能信号420对应于关断低侧开关和高侧开关，并且对于高侧开关和低侧开关而言无需包括与两个控制信号分离的单独的物理控制信号。例如，断言三态使能信号420可以指示图3中的开关302和304同时断开。根据备选实施例，三态使能信号420包括被附接至高侧开关和低侧开关的物理控制信号。
在一些实施例中，在CCM-DCM转变模式期间，电感器电流在三态使能信号420被断言时流经低侧晶体管的体二极管。在一个实施例中，在DCM期间，三态使能信号420在PWM信号410为低时有时被断言。根据一个实施例，在DCM期间，三态使能信号420在电感器电流信号400为零或低于零时被断言。在一些实施例中，其中电感器电流信号400变为零的点被预估，并且在控制模式430操作于DCM中时不在控制模块中直接进行测量。
图5图示了在DCM操作期间实施例电源系统的波形图。描绘了如下周期，在该周期期间PWM计数信号500减小。在一个实施例中，在PWM计数信号500达到特定阈值时，断开或闭合不同的开关。在一个实施例中，高侧控制信号522是用于被耦合至输入电压的开关(诸如图3中的开关302)的控制信号，并且低侧控制信号524是用于被耦合至参考节点的开关(诸如图3中的开关304)的控制信号。
在图5中所描绘的实施例中，控制信号522在第一时间段T_HS(时间高侧)期间被断言，控制信号524在第二时间段T_LS(时间低侧)期间被断言，并且使能三态信号520针对周期时段Tsw的剩余时间(即Tsw-(T_HS+T_LS))被断言。根据各个实施例，使能三态信号520对应于当控制信号522和524均为低(或被禁用)时的时间段，并且不包括单独的物理控制信号。在其它实施例中，使能三态信号520可以被实施为物理控制信号，该物理控制信号禁用高侧和低侧开关。
T_HS可以对应于在PWM计数信号500从其开始减小至占空阈值535时的时间，T_LS可以对应于在PWM计数信号500从占空阈值535减小至过零阈值537时的时间，剩余的时间对应于时段Tsw剩余的计时。在其它实施例中，可以实现计数到占空阈值的增加计数器。根据所示的实施例，时间段T_HS可以对应于占空阈值535，占空阈值535基于通过来自电源负载的反馈所确定的误差信号(诸如图3中的误差信号329)来计算。在各个实施例中，时间段T_LS可以对应于过零阈值537，过零阈值537根据以下等式来估计，
T _ LS = T _ HS * ( V in V out - 1 )
其中Vin是向电源系统供应的输入电压，Vout是电源系统的负载上的电压。在一些实施例中，在控制模块(诸如图3中的控制器)中计算出T_LS。在各个实施例中，过零阈值537是在流经电感器到负载的电流达到零时的估计点。
图6图示了跨感测电阻器602附接的实施例电流比较器电路600。如所示，电流比较器电路600包括平均电流测量电路601和比较器611。电感器606与电阻器602在第一节点603和第二节点604之间串联连接。在一些实施例中，节点603对应于图3中的切换节点303，并且节点604对应于图3中的节点318。流经电阻器602的电流引起跨电阻器602的电压，其确定电流比较器电路600的响应。
在图6中所示的实施例中，使用跨电阻器602的电压作为去往运算跨导放大器(OTA)608的输入。OTA 608可以将输入电压变换成流入节点618的输出电流。节点618连接至差分放大器610的正端子。流入节点618的电流可以在节点618上产生电压，通过差分放大器610将该电压与由去往差分放大器610的负输入的阈值输入614供应的阈值电压进行比较。输出节点621对应于输入614上的阈值电压与OTA的输出之间的比较结果。在所示实施例中，电容器612与电阻器616并联连接在节点618与参考节点之间。在各个实施例中，参考可以是接地。电容器612可以防止电压尖峰或跳变，并且电阻器616可以提供去往参考节点的电流路径。电容器612也可以对节点618上的电压信号进行滤波和/或平均。在备选实施例中，平均电流测量电路601和比较器611可以使用本领域中已知的其它电路和方法来实施。
根据一个实施例，输出节点621可以用作用于控制器的使能信号(诸如图3中的控制器310和使能信号321)。在各个实施例中，输出节点621可以提供信号，以使能或禁用控制器内的第一或第二操作模式。在一些实施例中，输入614上的Vthresh被选择作为阈值电压，该阈值电压对应于流经电感器606和电阻器602的特定电流值。如果流经电感器606和电阻器602的电流降至对应于节点618上的电压(小于Vthresh)的特定水平以下，输出节点621可以改变符号。在各个实施例中，输出节点621可以产生有效高信号或有效低信号。
图7图示了实施例电流比较器电路700的示意图，电流比较器电路700具有被耦合到电阻器702的两个晶体管708和710。电感器706和电阻器702被串联连接在第一节点703和第二节点704之间。电流源712可以对晶体管710进行偏置，并且可变电流源714可以对晶体管708进行偏置。可变电流源714被设置为阈值电流I2，阈值电流I2可以被选择为对应于流经电阻器702和电感器706的特定电流。流经晶体管708的电流与流经电阻器702的电流成反比。随着流经电阻器702的电流减小(其也意味着流经电感器706的电流减小)，流经晶体管708的电流增加。在流经晶体管708的电流高于阈值电流I2时，电流流入电容器716。
在一些实施例中，电容器716对缓冲器718的输入电压进行滤波。缓冲器718对输出721进行驱动，在流经电阻器702和电感器706的电流超过由阈值电流I2所确定的可编程阈值时，输出721触发。在一些实施例中，缓冲器718可以是如图7中所示的反相器。输出721可以提供有效高信号或有效低信号。根据特定实施例，输出721提供数字输出信号。
图8a至图8b图示了对电源系统进行操作的实施例方法的框图。图8a图示了估计切换电源中的电感器电流过零的实施例方法800。方法800包括在步骤802中首先填充查找表。在一些实施例中，如果(例如使用处理器)实时执行相关计算，则可以省略步骤802。在步骤802之后，在步骤804中使能DCM，并且在步骤806中测量输出电压，输出电压可以是跨负载(诸如图1至图3中的负载140、240和340)的电压。在一个实施例中，输出电压在充电期间是电池电压。在步骤806之后，在步骤808中使用输出电压来查找将在上述等式中使用的相除结果。使用来自步骤808的相除结果和时间段T_HS，在步骤810中完成T_LS的计算，并且在步骤812中最终被提供至切换模块(诸如图3中的DPWM模块336)。在各个实施例中，切换模块包括用于等待或计数所确定的时间段(T_HS、T_LS及剩余时间段)的电路装置。切换模块中的电路装置包括数字计数器。在一些实施例中，可以通过如由箭头814所示返回到步骤806利用新测量的输出电压来重新计算T_LS。根据各个实施例，可以每个切换时段对Vout和/或Vin进行一次测量，并且可以在切换时段期间执行T_LS和/或T_HS的计算。
图8b图示了在操作模式期间控制切换电源中的开关的实施例方法830。在各个实施例中，操作模式是DCM。方法830包括高侧开关使能步骤822、低侧开关使能步骤824和开关禁用或三态步骤820。这些步骤如由箭头826所示在DCM期间可以持续重复。根据一些实施例，步骤822包括使能高侧开关(诸如图3中的开关302)持续时间段T_HS，步骤824包括使能低侧开关(诸如图3中的开关304)持续时间段T_LS，并且步骤820包括禁用高侧开关和低侧开关二者。根据各个实施例，从步骤822到步骤824的转变取决于占空阈值，并且从步骤824到步骤820的转变取决于过零阈值。在各个实施例中，过零阈值可以被数字地估计。
图9图示了在操作期间实施例电源系统的波形。波形910描绘了流经电感器或具有高侧开关和低侧开关的切换电源中的电感元件的实施例电流。波形920描绘了低侧开关的控制节点上的电压，并且波形930描绘了中间节点(诸如图3中的节点303)上的电压。在所示实施例中，当由波形910所示的电感器电流增加时，高侧开关被闭合(或导通)，如由变高的中间节点电压波形可见，并且低侧开关断开(或非导通)。当由波形910所示的电感器电流停止增加并且开始减小时，高侧开关被断开并且低侧开关被闭合，如由变高的波形920和变低的波形930可见。当由波形910所示的电感器电流到达零时，低侧开关被断开，如由变低的波形920所示。当高侧开关和低侧开关在时间段940期间断开时，防止了波形910中所示的电感器电流变得非常负。在一些实施例中，电感器和低侧晶体管的开关电容在时间段940期间表现为LC谐振电路，并且电流和电压暂时地振荡。在一个实施例中，时间段940可以对应于三态阶段，在三态阶段期间高侧开关和低侧开关均断开。
图10图示了对切换电源电路进行操作的实施例方法1000的框图，该方法1000包括为切换电源断言第一切换命令1010、断言第二切换命令1020以及断言第三切换命令1030。方法1000包括确定时间1040，时间1040确定在转变1024之间继续断言第二切换命令1020多久。
根据一个实施例，第一切换命令1010可以包括对电感器充电的步骤1012，在步骤1012期间对切换电源电路中的电感器进行充电。类似地，第二切换命令1020可以包括对电感器放电的步骤1022，在步骤1022期间对电感器进行放电，并且第三切换命令1030可以包括高阻抗步骤1032，在步骤1032期间电感器被连接至高阻抗节点。
在一些实施例中，对计数器操作的步骤1050可以包括对计数器或延迟系统进行操作，以基于第一阈值、第二阈值和周期时段来提供转变1014、转变1024和转变1034。第一阈值可以取决于负载的电学性质(例如电流或电压)，第二阈值可以取决于预估的电感器电流过零，并且周期时段可以基于系统设计特性进行选择。
根据一个实施例，方法1000包括在DCM中操作。方法1000也可以包括在CCM中操作，在CCM期间转变1016可以用于在断言第一切换命令1010和断言第二切换命令1020之间重复转变。在具体实施例中，DCM省略了转变1016并且包括转变1024以断言第三切换命令1030。
图11图示了对切换电源电路进行操作的另一实施例方法1100的框图，其包括三个模式：CCM、转变模式和DCM。如在本文中之前所述，可以以CCM对切换电源电路进行操作，直至达到平均电流阈值。当达到平均电流阈值时，控制器可以将切换电源电路的操作模式从CCM改变至转变模式。在一些实施例中，如果在切换电源电路处于转变模式时负载条件改变，则控制器可以改变回到在CCM中操作。改变的负载条件例如可以包括更高的电流命令或电压要求。在一些实施例中，在特定数目的周期之后，控制器可以改变以在DCM中操作切换电源电路。保持于转变模式中的周期的数目可以是可调的，并且可以基于系统设计和需求而取任何值。
根据在本文中所描述的各个实施例，用于开关电源的控制器包括平均电流比较器和被耦合至平均电流比较器的开关信号生成电路。平均电流比较器确定开关电源内的平均电流是否低于电流阈值。开关信号生成电路包括被耦合至开关电源的切换电路的开关信号输出。开关信号生成电路在第一操作模式中在开关信号输出处产生第一切换模式，并且在第二操作模式中在开关信号输出处产生第二切换模式。在平均电流比较器确定平均电流低于电流阈值时以第一模式对开关信号生成电路进行操作并且在平均电流比较器确定平均电流不低于电流阈值时以第二模式对开关信号生成电路进行操作。
根据另一实施例，开关信号生成电路还被配置用于：在产生第一切换模式之前，在平均电流比较器确定平均电流低于电流阈值之后，针对第一数目的切换周期在开关信号输出处产生第三切换模式。在一些实施例中，第一切换模式被配置为使开关电源操作于非连续导通模式(DCM)，第二切换模式被配置为使开关电源操作于连续导通模式(CCM)，并且第三切换模式被配置为使开关电源操作于CCM至DCM转变模式。
根据各个实施例，第二切换模式包括交替地激活第一开关信号输出和第二开关信号输出的重复周期，第一切换模式包括断言第一开关状态、随后断言第二开关状态、随后断言第三开关状态的重复周期，并且第三切换模式包括断言第一开关状态和第三开关状态的重复周期。断言第一开关状态可以包括激活第一开关信号输出并且去激活第二开关信号输出，断言第二开关状态可以包括去激活第一开关信号输出和激活第二开关信号输出，并且断言第三开关状态可以包括去激活第一开关信号输出和去激活第二开关信号输出。
在一个实施例中，控制器基于开关电源的输入电压和输出电压确定用于断言第二开关状态的时间长度。平均电流比较器可以包括平均电流测量电路和比较器。
根据一个实施例，用于开关电源的控制器包括脉宽调制器，该脉宽调制器被配置为耦合到开关电源的切换电路。在一个实施例中，在第一模式中，脉宽调制器向切换电路周期性地断言第一切换命令、第二切换命令和第三切换命令；并且基于开关电源的输入电压和输出电压确定第二切换命令的时间长度。
在各个实施例中，第一切换命令使得切换电路对被耦合到开关电源的输出端口的电感器进行充电，第二切换命令使得切换电路对被耦合到开关电源的输出端口的电感器进行放电，并且第三切换命令使得切换电路取得高阻抗状态。
在一些实施例中，脉宽调制器包括计数器和耦合到计数器的输出的第一比较器。脉宽调制器被配置用于在第一比较器确定在计数器的输出处的值越过第一阈值时从断言第二切换命令向第三切换命令转变。第一阈值依赖于开关电源的输入电压和输出电压。在一些实施例中，计数器包括数字计数器，并且第一比较器包括数字比较器。
在一些实施例中，控制器包括第二比较器，第二比较器被耦合到计数器的输出，并且脉宽调制器在第二比较器确定在计数器的输出处的值越过第二阈值时从断言第一切换命令向第二切换命令转变。第二阈值可以根据开关电源的输出电压和输出电流中的至少一项来确定。
在各个实施例中，脉宽调制器通过激活第一开关输出信号以及去激活第二开关输出信号来断言第一切换命令，通过去激活第一开关输出信号以及激活第二开关输出信号来断言第二切换命令，并且通过去激活第一开关输出信号以及去激活第二开关输出信号来断言第三切换命令。在一个实施例中，控制器被配置用于激活三态使能信号。断言第三切换命令可以包括激活三态使能信号。
在各个实施例中，控制器包括平均电流比较器，平均电流比较器确定开关电源内的平均电流是否低于电流阈值。脉宽调制器可以在平均电流比较器指示平均电流不低于电流阈值时操作于第二模式。在第二模式中，脉宽调制器可以向切换电路周期性地断言第一切换命令和第二切换命令。在一些实施例中，电流阈值是可调阈值。第一模式可以包括非连续导通模式(DCM)并且第二模式可以包括连续导通模式(CCM)。在各个实施例中，控制器在平均电流比较器确定平均电流低于电流阈值时从第二模式向第一模式转变。
在各个实施例中，控制器在平均电流比较器确定平均电流低于电流阈值时从第二模式向操作的第三模式转变。在第三模式中，脉宽调制器向切换电路周期性地断言第一切换命令和第三切换命令。控制器在第三模式的预定数目的周期之后也可以从第三模式向第一模式转变。在一些实施例中，如果负载条件改变则控制器从第三模式转变回第二模式。如果负载条件改变，控制器也可以直接从第一模式向第二模式转变。
根据各个实施例，对开关电源进行操作的方法包括向切换电路周期性地断言第一切换命令、第二切换命令和第三切换命令。该方法还包括基于开关电源的输入电压和输出电压确定第二切换命令的时间长度。
在一些实施例中，方法包括：在断言第一切换命令时使用切换电路对被耦合至开关电源的输出端口的电感器进行充电，在断言第二切换命令时使用切换电路对被耦合至开关电源的输出端口的电感器进行放电，以及在断言第三切换命令时将切换电路置于高阻抗状态。
在一些实施例中，周期性地断言包括对计数器进行操作并且当计数器的输出值越过第一阈值时从断言第二切换命令向断言第三切换命令转变。第一阈值可以依赖于开关电源的输入电压和输出电压。在一个实施例中，周期性地断言包括在计数器的输出值越过第二阈值时从断言第一切换命令向断言第二切换命令转变。第二阈值可以依赖于开关电源的输出电压或输出电流中的至少一项。在另一实施例中，周期性地断言还包括在计数器的输出值越过等于开关电源的周期的第三阈值时从断言第三切换命令向断言第一切换命令转变。
在本文中所描述的各个实施例的优点包括能够在不测量每个周期的电感电流的情况下通过预估电感器电流零转变点而在切换电源系统中实现DCM，由此减小功率变换器系统的尺寸、成本和功耗。一些实施例的另外有点包括能够精确地预估电感器的放电时间，由此减小了在DCM期间负电流的幅度。这样的实施例的另外的优势包括高效率。
虽然已经参考说明性实施例描述了本发明，但是该描述并不旨在以限制性意义进行解释。各个实施例和说明型实施例的组合、以及本发明的其它实施例在参考以上描述时对于本领域技术人员而言将是明显的。因此旨在所附权利要求涵盖这样的修改或实施例。

Claims (27)

1.一种用于开关电源的控制器，包括：
平均电流比较器，被配置用于确定所述开关电源内的平均电流是否低于电流阈值；以及
开关信号生成电路，被耦合到所述平均电流比较器，所述开关信号生成电路包括开关信号输出，所述开关信号输出被配置为耦合到所述开关电源的切换电路，其中所述开关信号生成电路被配置用于：
在所述平均电流比较器确定所述平均电流低于所述电流阈值时，在第一操作模式中在所述开关信号输出处产生第一切换模式，以及
在所述平均电流比较器确定所述平均电流不低于所述电流阈值时，在第二操作模式中在所述开关信号输出处产生第二切换模式。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述开关信号生成电路还被配置用于：在产生所述第一切换模式之前，在所述平均电流比较器确定所述平均电流低于所述电流阈值之后，针对第一数目的切换周期在所述开关信号输出处产生第三切换模式。
3.根据权利要求2所述的控制器，其中：
所述第一切换模式被配置为在非连续导通模式(DCM)中对所述开关电源进行操作；
所述第二切换模式被配置为在连续导通模式(CCM)中对所述开关电源进行操作；以及
所述第三切换模式被配置为在CCM至DCM转变模式中对所述开关电源进行操作。
4.根据权利要求2所述的控制器，其中：
所述第二切换模式包括交替地激活第一开关信号输出和第二开关信号输出的重复周期；
所述第一切换模式包括断言第一开关状态、随后断言第二开关状态、随后断言第三开关状态的重复周期，其中
断言所述第一开关状态包括激活所述第一开关信号输出和去激活所述第二开关信号输出，
断言所述第二开关状态包括去激活所述第一开关信号输出和激活所述第二开关信号输出，以及
断言所述第三开关状态包括去激活所述第一开关信号输出和去激活所述第二开关信号输出；以及
所述第三切换模式包括断言所述第一开关状态和所述第三开关状态的重复周期。
5.根据权利要求4所述的控制器，其中所述控制器被配置用于基于所述开关电源的输入电压和输出电压确定用于断言所述第二开关状态的时间长度。
6.根据权利要求1所述的控制器，其中所述平均电流比较器包括：
平均电流测量电路；以及
被耦合到所述平均电流测量电路的比较器。
7.一种用于开关电源的控制器，所述控制器包括：
脉宽调制器，被配置为耦合到所述开关电源的切换电路，其中，在第一模式中，所述脉宽调制器被配置用于
向所述切换电路周期性地断言第一切换命令、第二切换命令和第三切换命令；以及
基于所述开关电源的输入电压和输出电压确定所述第二切换命令的时间长度。
8.根据权利要求7所述的控制器，其中：
所述第一切换命令被配置用于使得所述切换电路对被耦合到所述开关电源的输出端口的电感器进行充电；
所述第二切换命令被配置用于使得所述切换电路对被耦合到所述开关电源的所述输出端口的所述电感器进行放电；以及
所述第三切换命令被配置用于使得所述切换电路取得高阻抗状态。
9.根据权利要求7所述的控制器，其中所述脉宽调制器包括：
计数器；以及
第一比较器，被耦合到所述计数器的输出，其中所述脉宽调制器还被配置用于在所述第一比较器确定在所述计数器的输出处的值越过第一阈值时从断言所述第二切换命令向所述第三切换命令转变，并且所述第一阈值依赖于所述开关电源的所述输入电压和所述输出电压。
10.根据权利要求9所述的控制器，其中：
所述计数器包括数字计数器；以及
所述第一比较器包括数字比较器。
11.根据权利要求9所述的控制器，还包括第二比较器，所述第二比较器被耦合到所述计数器的输出，其中所述脉宽调制器还被配置用于在所述第二比较器确定在所述计数器的所述输出处的值越过第二阈值时从断言所述第一切换命令向所述第二切换命令转变。
12.根据权利要求11所述的控制器，其中所述第二阈值根据所述开关电源的输出电压和输出电流中的至少一项来确定。
13.根据权利要求7所述的控制器，其中所示脉宽调制器被配置用于：
通过激活第一开关输出信号以及去激活第二开关输出信号来断言所述第一切换命令；
通过去激活第一开关输出信号以及激活第二开关输出信号来断言所述第二切换命令；以及
通过去激活所述第一开关输出信号以及去激活所述第二开关输出信号来断言所述第三切换命令。
14.根据权利要求13所述的控制器，其中所述控制器还被配置用于激活三态使能信号，并且其中断言所述第三切换命令包括激活所述三态使能信号。
15.根据权利要求7所述的控制器，其中：
所述控制器还包括平均电流比较器，所述平均电流比较器被配置用于确定所述开关电源内的平均电流是否低于电流阈值；以及
所述脉宽调制器还被配置用于在所述平均电流比较器指示所述平均电流不低于所述电流阈值时操作于第二模式，其中，在所述第二模式中，所述脉宽调制器被配置用于向所述切换电路周期性地断言所述第一切换命令和所述第二切换命令。
16.根据权利要求15所述的控制器，其中所述电流阈值是可调阈值。
17.根据权利要求15所述的控制器，其中所述第一模式包括非连续导通模式(DCM)，并且所述第二模式包括连续导通模式(CCM)。
18.根据权利要求15所述的控制器，其中所述控制器还被配置用于在所述平均电流比较器确定所述平均电流低于所述电流阈值时从所述第二模式向所述第一模式转变。
19.根据权利要求15所述的控制器，其中所述控制器还被配置用于：
在所述平均电流比较器确定所述平均电流低于所述电流阈值时从所述第二模式向操作的第三模式转变，其中，在所述第三模式中，所述脉宽调制器被配置为向所述切换电路周期性地断言所述第一切换命令和所述第三切换命令。
20.根据权利要求19所述的控制器，其中所述控制器还被配置为在所述第三模式的预定数目的周期之后从所述第三模式向所述第一模式转变。
21.根据权利要求19所述的控制器，其中所述控制器还被配置为如果负载条件改变则从所述第三模式转变回所述第二模式。
22.根据权利要求19所述的控制器，其中所述控制器还被配置为如果负载条件改变则直接从所述第一模式向所述第二模式转变。
23.一种对开关电源进行操作的方法，所述方法包括：
向切换电路周期性地断言第一切换命令、第二切换命令和第三切换命令；以及
基于所述开关电源的输入电压和输出电压确定所述第二切换命令的时间长度。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括：
在断言所述第一切换命令时使用所述切换电路对被耦合至所述开关电源的输出端口的电感器进行充电，
在断言所述第二切换命令时使用所述切换电路对被耦合至所述开关电源的所述输出端口的所述电感器进行放电，以及
在断言所述第三切换命令时将所述切换电路置于高阻抗状态。
25.根据权利要求23所述的方法，其中周期性地断言包括：
对计数器进行操作；以及
当所述计数器的输出值越过第一阈值时从断言所述第二切换命令向断言所述第三切换命令转变，其中所述第一阈值依赖于所述开关电源的所述输入电压和所述输出电压。
26.根据权利要求25所述的方法，其中周期性地断言包括：
在所述计数器的输出值越过第二阈值时从断言所述第一切换命令向断言所述第二切换命令转变，其中所述第二阈值依赖于所述开关电源的输出电压或输出电流中的至少一项。
27.根据权利要求25所述的方法，其中周期性地断言还包括：
在所述计数器的输出值越过等于所述开关电源的周期的第三阈值时从断言所述第三切换命令向断言所述第一切换命令转变。
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