CN104737431A - 用于控制dc/dc降压转换器的启动序列的方法和装置 - Google Patents

用于控制dc/dc降压转换器的启动序列的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种控制DC/DC降压转换器的启动序列的方法，该方法的特征在于如下步骤：连续地将该降压转换器的输出电压与内部参考电压比较，并连续地监控降压转换器启动信号，其中，如果当检测到降压转换器启动信号时输出电压大于参考电压，则断开降压转换器并通过下拉单元使降压转换器的输出电容器放电，直到输出电压基本上等于内部参考电压，然后重新启动降压转换器。

Description

用于控制DC/DC降压转换器的启动序列的方法和装置
技术领域
本发明涉及降压DC/DC电压转换器，更特别地，涉及但不限于一种用于控制DC/DC降压转换器的启动序列的方法和装置。
背景技术
降压转换器提供用于将DC电源的电压从假设12V的电池的电压降低到集成电路所需的低电压的便利方式，该低电压通常小于1V。
通常来说，当反复地接通和断开所应用的输入电压时，降压转换器采用电感器和电容器，通过依赖用于改变其电压的电感器的磁阻来逐步降低所应用的输入电压。当接通输入电压时，电感器将有效地抵抗电流，从而提供为电容器充电的电压源，当断开输入电压时，电容器两端的电压反过来对电感器起作用，以输入用于促使电感器中的电流在反方向上流动的电压。最后，通过电容器的充电和放电达到稳定态的管理，并且电感器中的恒定反转的电流引起比所应用的切换输入电压低的输出电压，从而将输入电压逐步降低到期望水平。当然，输出电压水平取决于电感器和电容器、输入电压和切换频率的值，因此可以被选择成满足设计需求。
降压转换器明显比分压器更有效，降压转换器有效地摒弃过量功率(参看电压)作为热量，因此，特别地在用于无线设备的集成电路(IC)中，降压转换器发现有用的应用，无线设备例如为移动终端系统(例如蜂窝手机、智能手机等)、数字媒体播放器(例如MP3播放器和MP4播放器)、DVD播放器、便携式PC、平板PC等。
然而，降压转换器面临难以在运行中重新启动的已知问题，也就是说，将降压转换器断开几微秒，然后重新启动，这是因为在这种情况下可能使降压转换器过载。当输入电压突然降到零且然后在已使电容器充分放电之前再次应用输入电压时，过载发生，这可造成很高的电流幅值，在某些场景中，很高的电流强度可导致对连接的IC的破坏。
因此，当将降压转换器与许多IC一起使用时，需要采用控制例程，控制例程等待预先指定的在再次启动降压转换器之前的“最短断开时间”。最短断开时间(通常约1ms)的目的是允许降压转换器的电容器放电到将使重新启动时的电流冲击限制到安全参数之内的水平，从而保护连接的IC。
然而，在现实生活情况中，连接到降压转换器且触发降压转换器的重新启动的IC的“启动”命令可以是异步的。在这种情况下，IC必须需要能够在运行时启动的降压转换器，不管输出电容器的放电状态如何。在这些情况下，降压转换器可以传送有可能损坏IC的电流，因此存在对降压转换器的需求，以允许在运行时的重新启动，但没有损坏IC的风险。
发明内容
因此，本发明的目的是使能够在运行时安全地启动和/或重新启动DC/DC降压转换器，和/或解决以上问题中的一个或多个问题。本发明的目的也是提供用于DC/DC降压转换器的改进的和/或替选的启动控制器。
本发明的第一方面涉及一种控制DC/DC降压转换器的启动序列的方法。
本发明的第二方面涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括处理器可访问的一个或多个存储的指令序列，当处理器执行上述指令序列时，上述指令序列使处理器进行本发明的第一方面的方法的步骤。
本发明的第三方面涉及一种装置，例如集成电路(IC)，该装置包括用于控制根据第一方面的方法的DC/DC降压转换器的启动序列的部件。
本发明的第四方面涉及一种无线设备，例如，在引言中所给出的示例中的无线设备，该无线设备包括根据第二方面的设备。
本发明的第五方面提供一种控制DC/DC降压转换器的启动序列的方法，该方法的特征在于如下步骤：连续地将降压转换器的输出电压与内部参考电压比较，并连续地监控降压转换器启动信号，其中，如果当检测到降压转换器启动信号时输出电压大于参考电压，则断开降压转换器并通过下拉单元使降压转换器的输出电容器放电，直到输出电压基本上等于内部参考电压，然后重新启动降压转换器。
适当地，该方法还包括：当输出电压小于参考电压时，保持降压转换器接通。
本发明的第六方面提供一种包括启动控制器的DC/DC降压转换器，其特征在于，该启动控制器包括比较器，该比较器可操作地连接成且适用于将对应于降压转换器的输出电压的第一电压与对应于内部参考电压的第二电压比较，比较器的输出端为与逻辑控制器提供第一输入端，该与逻辑控制器的第二输入端可操作地连接到降压转换器启动信号，其中，该与逻辑控制器配置成当与逻辑控制器的输入端都处于逻辑态“1”时，断开降压转换器并通过下拉单元使降压转换器的输出电容器放电。
适当地，当降压转换器的输出电压小于参考电压时，本发明的第六方面的DC/DC降压转换器保持该降压转换器接通。
因此，本发明的第六方面的DC/DC降压转换器配置成，在检测到降压转换器启动信号的同时降压转换器的输出电压大于内部参考电压时，关闭降压转换器并使降压转换器的输出电容器放电。也将理解，当降压转换器的输出电压下降到内部参考电压以下时，与逻辑控制器的第一逻辑输入端达到逻辑态“0”，这表示降压转换器的输出电容器已经充分放电，从而允许安全地重新启动降压转换器，而不具有强烈的电流反转。
适当地，本发明使DC/DC降压转换器能够在运行时重新启动，而不具有强烈的电流倒置的风险。适当地，在重新启动降压转换器期间，将降压转换器的输出电压保持在非零值。
本发明的适当实施方式提供了，如果降压转换器的启动可能是危险的，例如，如果使输出电容器过度充电，则在下拉单元的帮助下使电容器放电。一旦系统的状态是安全的，也就是说，当输出电容器的充电状态下降到特定值(该特定值是参考输出电压相对于内部参考电压而确定的)以下时，则本发明使降压转换器启动。也适当地，如果在请求启动时系统的状态是安全的，则本发明配置成允许重新启动降压转换器而不首先使其输出电容器放电。
附图说明
现在将参照附图，仅通过示例描述本发明的实施方式，附图中：
图1为已知的DC/DC降压转换器的示意电路图；
图2为示出用于图1中所示的降压转换器的传统启动序列的步骤的流程图；
图3为示出在图2的启动序列期间图1的DC/DC降压转换器的线圈内部的、作为时间的函数的电流的曲线图；
图4为示出在运行时的启动序列期间图1的DC/DC降压转换器的线圈内部的、作为时间的函数的电流的曲线图；
图5为示出当使用断开时间时，在运行时的启动序列期间DC/DC降压转换器的线圈内部的、作为时间的函数的电流的曲线图；
图6为根据本发明的DC/DC降压转换器的示意电路图；
图7为示出根据本发明的实施方式的启动序列的步骤的流程图；
图8为示出具体地在运行时接收到启动命令之后，在图7中所示的启动序列期间图6的DC/DC降压转换器的线圈内部的、作为时间的函数的电流的曲线图；以及
图9为示出具体地在运行时接收到启动命令之后，在运行时的启动序列期间图6的DC/DC降压转换器的线圈内部的、作为时间的函数的电流的曲线图。
具体实施方式
参照图1，已知的DC/DC降压转换器10包括串联接线的电感器线圈12，以及与输出端16和输入端18并联接线的电容器14。输入端18本质上是传送脉冲输入电压的开关机构20。输入电压的脉冲由斜坡发生器生成，输入电压流入比较器26的一个输入端24，比较器26的另一个输入端28连接到第二比较器30的输出端。第二比较器30在一个输入端32连接到转换器10的输出电压34，在其另一输入端36连接到由电流源37驱动的电压发生器。电流源37连接到输入电容器38以提供内部参考电压42。
从图3可知，降压转换器的内部参考电压42被生成为从零到有限电压44的斜坡。在组合电路48中将内部参考电压42与固定的电压值46组合(如图1所示)以如下所述生成输出参考电压50：
在启动阶段52的开端，输出参考电压50由内部参考电压42给出。一旦内部参考电压42达到固定的电压值46，则输出参考电压50等于固定的电压值46。因此，在启动阶段期间，在内部可见的参考电压，即内部参考电压50，是从零伏开始、具有固定斜率的斜坡54，直到其等于固定的电压值46。
现在参照图3的下部，在输出电容器24负载阶段58期间，功率级使输出电流56下降60，因此降压转换器10的线圈12内部的电流取决于斜坡斜率54，并且由电容器的值14和斜坡54的乘积给出。
如图3的曲线所示，线圈12内部的电流56以及来自功率级的电流输出，在启动阶段58期间不具有强烈的电流反转。因此，如果功率级不过载，则只有很小的电流反转。
不幸的是，当重新启动降压转换器10时，并不是这样：输出电压34不约为零，这是因为当重新启动发生时，输出电容器14未完全放电，因此降压转换器10使输出电容器14大规模放电，以便迫使输出电压34约为零。
如图4中的曲线所示，因此在重新启动期间，在线圈12内部具有强烈的电流反转62，这是因为在激活启动阶段54之前首先迫使输出电压34为零伏64。线圈14内部的电流反转62使功率级过载，可导致功率级的损坏。因此，不可能在运行时进行启动。
因此，已知使用下拉电阻器来“软重新启动”降压转换器10，以在每次断开降压转换器10时使输出电容器14放电到零。如图5所示，应用通常用于使连接到降压转换器10的输出端的设备等待预定断开时间(通常为1ms)，以在可利用触发或“接通(on)”信号68安全地重新启动降压转换器10之前使输出电容器14充分放电。
如图5的下部所示，当允许输出电容器14放电时，在线圈12和功率级内部没有强烈的反转，因此不产生过载70，换言之，电流反转70落在预定限度72内。
然而，如上所述的“软重新启动”的使用并不总是可行的，尤其是在电源管理单元(PMU)的情况中，PMU例如为用于无线设备(例如移动终端系统、数字媒体播放器等)的IC中所使用的PMU，其中，应用软件需求可以是异步的。在现有的降压转换器10中，发生的是，在输出电容器14未完全放电的情况下，在运行时重新启动降压转换器10可导致功率级过载62且可能导致IC烧坏。
本发明的实施方式如图6所示，其包括如前所述的DC/DC降压转换器10，但在降压转换器的输入端附加启动控制器80。启动控制器80解决了降压转换器的输出电容器14中的强烈的电流反转的问题，这改变了启动阶段且安全地接通降压转换器10，即使其被异步开启。启动控制器80改善了设计性能，从而可以在运行时从任何输出电压值以及从任何输出电容器14状态重新启动降压转换器10。
启动控制器包括比较器82，比较器82将输出电压值34与固定的参考电压46相比较，并且工作在两种不同的方式下：
在第一种情况中，当降压转换器10启动请求出现时，也就是说，当“on”信号68从逻辑态0再次达到逻辑态1时，输出电压34高于固定的电压值46，于是系统通过下拉单元84使输出电容器放电。通过桥接电路86和逻辑与(AND)门88实现下拉单元84的触发，仅当输出电压34大于固定的参考电压46时且当降压转换器10启动请求信号68处于逻辑态“1”时，逻辑与门88的输出端“接通”。在这种情况下，启动控制器将识别出，输出电容器14未充分放电，因此在降压转换器10的输出中具有强烈的电流反转62的风险。因此，通过下拉单元84使输出电容器14放电，直到输出电压34已经下降到由比较器82的参数确定的预定值以下，此时，与门88处的输入端之一将被倒装(flipped)，从而断开下拉单元84并允许降压转换器10正常重新启动。
从图6将得知，在下拉阶段期间，降压转换器10保持断开。然后，一旦输出电压34达到内部参考电压46，则系统开始将斜坡电容器38加载到输出电压值34，从而使降压转换器10启动，也就是说，启动请求或“on”信号68从逻辑态“0”达到逻辑态“1”，因此斜坡从输出电压值34开始，利用固定的斜率达到固定的电压值46。
由此，该系统避免了在再次启动降压转换器10之前使输出电容器14完全放电的需要，这可通过将内部控制信号68从逻辑态“0”变为逻辑态“1”来实现。然而，在启动请求68出现之前，系统将存在于斜坡电容器38内部的电荷增加到输出电压34达到固定的电压值46所需的电荷。
在第二种情况中，当降压启动请求出现时，也就是说，当信号68从逻辑态“0”再次达到逻辑态“1”时，输出电压34小于固定的电压值46，于是系统将斜坡电容器38加载到输出电压值34，然后使降压转换器10启动。因此，该系统避免了在再次启动降压转换器10之前使输出电容器14完全放电的需要以及在启动请求出现之前增加存在于斜坡电容器38内部的电荷。
在两种情况中，因为在启动阶段期间不具有输出电容器14的强烈放电，因此通过功率级所驱动的电流在启动序列期间不是极大的。因此可以在运行时安全地进行启动，也就是说，安全地重新启动降压转换器10，而无需等待关闭时间66过去。也要注意，在每次重新启动期间，输出电压34从不达到零。
根据本发明的典型启动序列如图7的流程图所示，以及如上述两种情况所述的图8和图9的电压曲线和电流曲线所示。
参照图7，例如通过控制信号68从逻辑值“0”到逻辑值“1”的去生效来禁用降压转换器10。同时，将内部控制信号90从逻辑态“1”去生效到逻辑态“0”。在第一种情况中，如图8所示，当降压启动请求出现时，即当使信号68再次生效到逻辑值“1”时，输出电压34大于固定的电压值46。
在如图9所示的情况中，当降压启动请求出现时，输出电压34小于固定的电压值46。
本发明的优势包括：使任何降压转换器能够在运行时启动；减少启动时间，这是因为不具有用于使输出电容器14放电的被迫的“断开(off)”时间；以及输出电压34在启动期间不降低到零。
本发明也可以用软件实现，该软件作为计算机程序产品的一部分，其包括能够实现本文中所描述的方法的所有特征，并且当载入信息处理系统中时，其能够执行本发明的方法。在本文中使用或暗示计算机程序的地方，它可以指的是指令集的用任何语言、代码或符号的任何表达，该指令集意图使具有信息处理能力的系统直接或在转换成另一语言之后执行特殊功能。这样的计算机程序可以存储在计算机或机器可读介质上，该计算机或机器可读介质允许从介质中读取数据、指令、消息或消息包、以及其它机器可读信息。计算机或机器可读介质可以包括非易失性存储器，例如ROM、闪存、硬盘驱动存储器、CD-ROM和其它永久性存储器。
附加地，计算机或机器可读介质可以包括例如易失性存储器，例如RAM、缓冲器、缓存和网络电路。此外，计算机或机器可读介质可以包括暂时态介质中的计算机或机器可读信息，暂时态介质例如为允许设备读取这样的计算机或机器可读信息的网络链路和/或网络接口，包括有线网络和无线网络。
例如“包括”、“包含”、“并入”、“含有”、“是”和“具有”的表达，当解释说明书及其相关联的权利要求时，将按照非排他的方式进行理解，即理解成允许也存在未明确限定的其它项目或组件。引用单数也被理解成对复数的引用，反之亦然。
尽管已经图示和描述了目前被认为是本发明的优选实施方式的实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，可以进行各种其它修改，且可以用等效物替代，而不脱离本发明的真实范围。附加地，可以进行多种修改以使特殊情况适应本发明的教导，而不脱离本文中所描述的中心发明构思。此外，本发明的实施方式可以不包括上述所有特征。
因此，不意图将本发明限制到所公开的特定实施方式，而是意图使本发明包括落在如上文宽泛定义的本发明的范围内的所有实施方式。
本领域的技术人员将很容易理解，可以修改说明书中所公开的各种参数并且可以组合所公开的和/或所要求保护的各种实施方式，而不脱离本发明的范围。

Claims (11)

1.一种控制DC/DC降压转换器的启动序列的方法，所述方法的特征在于如下步骤：
-连续地将所述降压转换器的输出电压与内部参考电压比较，并连续地监控降压转换器启动信号，其中，如果当检测到降压转换器启动信号时所述输出电压大于所述参考电压，则断开所述降压转换器并通过下拉单元使所述降压转换器的输出电容器放电，直到所述输出电压基本上等于所述内部参考电压，然后重新启动所述降压转换器。
2.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：当所述输出电压小于所述参考电压时，保持所述降压转换器接通。
3.一种包括启动控制器(80)的DC/DC降压转换器(10)，其特征在于：所述启动控制器(80)包括比较器(82)，所述比较器(82)可操作地连接成且适用于将对应于所述降压转换器(10)的输出电压(34)的第一电压与对应于内部参考电压(46)的第二电压比较，所述比较器(82)的输出端为与逻辑控制器(88)提供第一输入端，所述与逻辑控制器(88)的第二输入端可操作地连接到降压转换器启动信号(68)，其中，所述与逻辑控制器(88)的输出端配置成当所述与逻辑控制器的输入端都处于逻辑态“1”时，断开所述降压转换器(10)并通过下拉单元(84)使所述降压转换器(10)的输出电容器(14)放电。
4.如权利要求3所述的DC/DC降压转换器，其中，当所述降压转换器(10)的输出电压(34)下降到所述内部参考电压(46)以下时，连接到所述与逻辑控制器(88)的第一逻辑输入端的所述比较器(82)的所述输出端达到逻辑态“0”。
5.如权利要求3或权利要求4所述的DC/DC降压转换器，其中，所述DC/DC降压转换器(10)包括串联接线的电感器线圈(12)以及与输出端(16)和输入端(18)并联接线的电容器(14)，所述输入端(18)包括开关部件(20)，所述开关部件包括斜坡发生器(22)和比较器(28)，所述斜坡发生器和所述比较器共同配置成传送来自电压发生器(30)的脉冲输入电压，所述电压发生器由电流源(38)驱动。
6.如权利要求5所述的DC/DC降压转换器，其中，所述电流源(38)连接到输入电容器(40)以提供所述内部参考电压(42)。
7.如权利要求3至6中任一项所述的DC/DC降压转换器，还包括组合电路(48)，所述组合电路用于将所述内部参考电压(42)与固定的电压值(46)组合以生成输出参考电压(50)。
8.如权利要求3至7中任一项所述的DC/DC降压转换器，其中，所述启动控制器(80)包括桥接电路(86)和逻辑与门(88)，仅当所述输出电压(34)大于所述固定的参考电压(46)时且当所述降压转换器(10)启动请求信号(68)处于逻辑态“1”时，所述逻辑与门(88)的输出端“接通”。
9.如权利要求8所述的DC/DC降压转换器，其中，通过所述下拉单元(84)使所述降压转换器的输出电容器(14)放电，直到所述输出电压(34)已经下降到预定值以下。
10.如权利要求9所述的DC/DC降压转换器，其中，所述预定值由所述比较器(82)的参数确定。
11.如权利要求8、权利要求9或权利要求10所述的DC/DC降压转换器，其中，在下拉阶段期间，所述降压转换器(10)保持断开，从而当所述输出电压(34)达到所述内部参考电压(46)时，系统(10)开始将所述斜坡电容器(38)加载到所述输出电压值(34)。如权利要求3至11中任一项所述的DC/DC降压转换器，其中，在当降压启动请求(68)从逻辑态“0”达到逻辑态“1”时所述输出电压(34)小于所述固定的电压值(46)的情况中，所述系统将所述斜坡电容器(38)加载到所述输出电压值34，然后使所述降压转换器(10)启动。
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