CN105075088B - 用于在开关式调控器中实现100%占空比的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开包括用于在开关式调控器中实现100％占空比的系统和方法。一种开关式调控器电路包括用于产生具有周期的斜坡信号的斜坡生成器、和用于接收该斜坡信号及误差信号并且据此产生调制信号的比较器。在第一操作模式中，该斜坡信号增大以与该误差信号相交，并且据此，在该斜坡信号的每个周期期间改变开关晶体管的状态。在第二操作模式中，该误差信号增大到该斜坡信号的最大值以上，并且据此，该开关晶体管被导通长达该斜坡信号的一个或多个完整周期。

Description

用于在开关式调控器中实现100%占空比的系统和方法

相关申请的交叉引用

本公开要求于2013年3月14日提交的美国非临时申请No.13/828,044的优先权，该申请的内容出于所有目的通过援引整体纳入于此。

背景

本公开涉及开关式调控器，并且尤其涉及用于在开关式调控器中实现100％占空比的系统和方法。

开关式调控器被广泛用在各种电子应用中。开关式调控器的一种常见应用是用于生成向一个或多个集成电路(IC)供应经调控电压的电源电压。一种示例开关式调控器是降压调控器。在降压调控器中，电源提供输入电压和输入电流。该电源被耦合到开关的一个端子，该开关通常是开关晶体管(例如，PMOS晶体管)。该开关的另一个端子通过滤波器被耦合到负载。在降压转换器中，输出电压低于输入电压。这通常是通过以根据下式的占空比来断开和闭合该开关来达成的。

占空比＝Vout/Vin。

降压开关式调控器通常对于该开关有低于100％的最大占空比限制。此限制是来自控制电路的要每个开关周期被复位(诸如电流模式架构中的斜率补偿)的要求的结果。如果用于降压调控器的控制器不能支持最高达100％占空比的操作，则这直接影响用于支持经调控输出的最小输入电压达因数Vout/占空比。

概述

本公开包括用于在开关式调控器中实现100％占空比的系统和方法。开关式调控器电路包括用于产生具有周期的斜坡信号的斜坡生成器、和用于接收该斜坡信号及误差信号并且据此产生调制信号的比较器。在第一操作模式中，该斜坡信号增大以与该误差信号相交，并且据此，在该斜坡信号的每个周期期间改变开关晶体管的状态。在第二操作模式中，该误差信号增大到该斜坡信号的 最大值以上，并且据此，该开关晶体管被导通长达该斜坡信号的一个或多个完整周期。

以下详细描述和附图提供对本公开的本质和优点的更好理解。

附图简述

图1解说根据一个实施例的开关式调控器。

图2解说与图1中的开关式调控器相关联的波形。

图3解说根据一个实施例的开关式调控器中的示例控制逻辑。

图4解说根据一个实施例的开关式调控器。

图5解说与图4中的开关式调控器相关联的波形。

详细描述

本公开涉及开关式调控器。在下面的描述中，出于说明目的阐述了众多示例和具体细节以便提供对本公开的透彻理解。然而，本领域技术人员将显而易见的是，在权利要求书中表达的本公开可单独地或与下文描述的其他特征相组合地包括这些示例中的一些或全部特征，并且还可包括在本文描述的特征和概念的修改和等效方案。

图1解说根据本公开一实施例的示例开关式调控器电路。开关式调控器100包括PMOS晶体管Tp 150、NMOS晶体管Tn 151、电感器L1 152、电容器C1 153、以及由Rload 154解说的负载。该负载可以例如是一个或多个电子电路，诸如集成电路。Tp的一个端子接收输入电压Vin并且Tp的另一个端子被耦合到具有电压Vsw的开关节点。Tn的一个端子被耦合到该开关节点并且Tn的另一个端子被耦合到参考电压(例如，接地)。Tn和Tp担当开关以将该电路中的诸节点选择性地耦合在一起。尽管在此示例中Tp是PMOS晶体管并且Tn是NMOS晶体管，但是应理解，可以使用其他开关结构和安排。此处所示出的该示例开关式调控器架构仅仅是可使用本文中所描述的诸技术的许多种开关拓扑中的一种。

激励器101和102将Tp和Tn导通和截止。当Tp导通时，Tn截止，并且Vsw等于Vin。在此状态中，跨该电感器的ac电压是Vin–Vout，并且电感 器电流I_L增大。对于此示例中所示的降压转换器架构，Vin大于Vout(Vin>Vout)。当Tn导通时，Tp截止，并且Vsw等于接地。在此状态中，跨该电感器的ac电压是-Vout，并且电感器电流I_L减小。进入到输出负载中的此电感器电流生成输出电压Vout。在此示例中，反馈作用于将此输出电压维持在预定电压。在以下描述的其他实施例中，例如，电流可被用作反馈参数(例如，电流控制模式)。相应地，本公开的实施例可包括感测输出电压、输出电流、或两者的开关式调控器。

在此示例中，输出电压Vout被用作反馈。一个示例反馈电路包括电阻器R1 113和R2 114，其可接收Vout并产生至误差放大器(ea)111的输入的反馈信号Vfb。误差放大器111还可接收参考(例如，在此情形中为电压，Vref)以产生误差信号Vea。Vea可以基于输出电压，或者在其他实施例中可基于输出电流。在此示例中，误差放大器111的输出被耦合到比较器112的输入。比较器112的另一输入被耦合到斜坡生成器120。比较器112是用于比较斜坡信号和误差信号以产生调制信号的一个示例装置。斜坡生成器120产生斜坡信号Vramp。将Vramp与Vea作比较以产生调制信号Vdc，其可被耦合到状态机1120以产生用于使Tp和Tn导通和截止的激励信号HS和LS。

在此示例中，斜坡生成器120包括电流源123、电容器(C2)122以及放电晶体管121。电流源123、电容器122、和放电晶体管121是用于生成斜坡信号的一个示例装置。电流源123产生进入电容器122的电流I1。随着电流I1流入C2中，电容器122上的电压大致线性地增大以产生Vramp。状态机110产生复位信号RSET。在此示例中，晶体管121担当用于使电容器C2放电的开关。例如，RSET使晶体管121导通，并且存储在电容器122上的电荷被耦合到参考电压(例如，接地)。RSET是与时钟信号CLK相关的周期性信号。由此，电容器122上的电压Vramp可以与RSET相同的周期来线性地增大到最大值，并且随后减小到接地。电流I1、电容C2、参考电压(例如，接地)、以及RSET的周期和占空比可决定Vramp的最大值和最小值。如以下更详细地描述的，由于电流I1的大小设置Vramp的斜率，所以来自电流源123的电流I1的大小可被配置成将斜坡信号的最大值设置成例如小于误差信号的最大值。

图2解说与图1中的开关式调控器相关联的波形。图2示出具有50％占空 比和周期T的时钟信号CLK。复位信号RSET可具有与CLK相同的周期，但占空比不同。在此，RSET在CLK的上升沿之前转变到高状态。CLK的上升沿使RSET转变到低状态。如以上所描述的，Vramp在RSET为低之时增大。当RSET处于高状态时，Vramp被复位到常数值(例如，接地)。当RSET处于低状态时，Vramp增大到最大值。相应地，RSET处于低状态的时段(其与RSET的周期和占空比相关)可被配置成将斜坡信号的最大值设置成小于误差信号的最大值。

图2为解说目的示出了跨一定的值范围的误差信号Vea。随着Vramp增大，其可与Vea相交。当Vramp小于Vea时，Vdc(比较器112的输出)为低，并且当Vramp大于Vea时，Vdc为高。当斜坡被复位时，Vramp再次与Vea相交。相应地，当Vea小于Vramp的最大值且大于Vramp的最小值(在此为接地)时，Vdc在该斜坡信号的每个周期期间在状态之间转变(例如，两次)。例如，当Vramp增大以与Vea相交时，Vdc从低状态转变到高状态，并且当Vramp被复位时，Vdc从高状态转变到低状态。

如图2中所解说的，Vdc为高的时段随着Vea增大而减小。Vdc进而可被用来控制开关晶体管Tp和Tn。在此示例中，高侧激励信号HS随CLK的上升沿而变为高，并且低侧激励信号LS随着CLK的上升沿而变为低。在此状态中，Tp导通，Tn截止，并且开关节点Vsw等于Vin。在此示例中，这些激励信号在Vdc的上升沿上发生转变。由此，当Vramp与Vea相交从而致使Vdc变为高时，HS变为低并且LS变为高。在此状态中，Tn导通，Tp截止，并且Vsw等于接地。随着Vea增大，图2解说了调制信号Vdc为高的时段减小。进而，HS为高且LS为低的时间增大，这对应于Tp导通的时间更长且Tn的截止时间更长，如此增大了电感器电流。

在一个实施例中，开关式调控器以如图2中所解说的两种模式来操作。在第一模式中，斜坡信号Vramp增大以与误差信号Vea相交。如以上所描述的，Vea上的变化结果导致对Vdc的调制，并且在该斜坡信号的每个周期期间Tp和Tn的状态改变(例如，从导通到截止)。由此，该模式称为PWM模式。然而，如图2中所解说的，在第二操作模式中，误差信号Vea增大到该斜坡信号Vramp的最大值以上。相应地，开关晶体管Tp被导通长达斜坡信号Vramp 的一个或多个完整周期。当Tp导通长达一完整周期时，占空比为100％。由此，此模式称为100％占空比模式(100％DC模式)。例如，如果进入负载中的电流增大，则Vout和Vfb可能下降，从而致使Vea上升。图2中解说了跨Vea的值范围的负载电流I_L。如图所示，当Vea增大到Vramp的最大值以上时，占空比为100％并且电感器电流跨Vramp的多个周期持续增大。在100％DC模式中，Vout将最终为约等于Vin并且电感器电流的斜率将大约为零(例如，平坦)。

本公开的特征和优势包括可达成比Vramp的最大值更大的值的误差信号。例如，误差放大器111可具有比Vramp的全范围更宽的、响应于Vfb的输入范围的输出电压范围。尤其，误差放大器111可具有放大Vfb与Vref之间的差以生成跨比斜坡信号Vramp的值范围更大的值范围的Vea的增益。为误差放大器111实现的特定增益可取决于设计参数，其包括例如输出电流和电压、反馈电阻器分压器(例如，电阻器113和114)的衰减、以及斜坡信号的最小值、最大值、以及斜率(例如，I1和C2)。

图3解说了状态机110中的控制逻辑的一部分。在一个实施例中，高频时钟HF_CLK可被向下分频以产生开关频率时钟CLK和复位信号RSET。在此示例中，HF_CLK被分频器电路301接收。分频器电路301对HF_CLK进行分频以产生CLK和RSET。如以上所解说的，CLK可具有50％占空比并且RSET具有低于50％的占空比。RSET通过以设定频率来将图1中的电容器C2放电来设置斜坡信号的周期。CLK被触发器(FF)302接收以产生高侧激励信号HS和低侧激励信号LS。在此示例中，FF 302是延迟类型触发器(D-FF)，其具有用于接收高电压(例如，Vdd)的延迟输入(D)、以及CLK输入，以用于将D输入处的逻辑值传递到输出Q。在FF 302的复位(RST)输入上接收调制信号Vdc。FF 302的Q输出产生HS信号，并且Q*(Q的逻辑反)输出产生LS信号。CLK和RSET具有相同周期，并且在图2的示例中，CLK的上升沿(其控制HS和LS的一次转变)与RSET的下降沿(其开启Vramp)重合。相应地，HS和LS的第一转变与由VDC产生的第二转变之间的时段对应于Vea的值。

图4解说根据本公开另一实施例的示例开关式调控器电路。开关式调控器 400基本与开关式调控器100相同，但被配置成进行电流控制。在此示例中，电流控制电路包括电流反馈电路401，其具有耦合到晶体管Tp 150的端子(例如，在此情形中为输入端子)的输入。电流反馈电路401具有耦合到电容器122的端子的输出。电流反馈电路401感测Tp中的电流，其对应于每个周期中当Tp被导通的部分期间的输出电流。电流反馈电路401产生斜坡信号Vramp中的偏移，如图4中403处所解说的。电流源的大小以及该偏移可被配置成将Vramp的最大值设置成小于误差信号的最大值，如下所述。使用比较器112将Vea与Vramp作比较。在此示例中，比较器112的输出被耦合到触发器404。触发器404的输出产生调制信号Vdc，如以下更详细地描述的。触发器404可例如作为状态机110的一部分被包括，但是为解说目的在此被示为分开的。

图5解说与图4中的开关式调控器400相关联的波形。如图5中所解说的，当RSET变为低时，Vramp增大到与输出电流相对应的第一偏移电压，并且随后开始线性地增大。初始，在每个时钟周期的开始，Vdc为低，HS为高，并且LS为低，这对应于Tp导通以及Tn截止(增大输出电流)。当Vramp与Vea相交时，比较器112生成去往触发器404的脉冲。比较器112的输出产生Vdc中从低到高的转变。当Vdc变为高时，HS变为低并且LS变为高，这对应于Tp截止并且Tn导通(减小输出电流)。Vdc保持为高，直至RSET的下一上升沿。当RSET从低转变为高时，Vdc在FF 404的输出处被复位为低。在此示例中，电容器C2基于以下两个条件中的任一者来被复位：Vdc高或RSET高。因此，当Vramp与Vea相遇时，Vdc变为高，并且Vdc通过或门402被耦合到晶体管121以将Vramp设置为接地。然而，Vramp保持在接地，因为RSET从低转变为高，这将FF 404复位，并且将Vdc复位至低，但保持晶体管121导通。

图5进一步解说了可达成比Vramp的最大值更大的值的误差信号Vea。类似于图1和2中的实施例，误差放大器111可具有比Vramp的全范围更宽的、响应于Vfb的输入范围的输出电压范围。相应地，开关式调控器400以如图5中所解说的两种模式来操作。在第一模式中，Vramp增大以与误差信号Vea相交。如以上所描述的，Vea上的变化结果导致对Vdc的调制，并且在该斜坡信号的每个周期期间Tp和Tn的状态改变(例如，从导通到截止)。由此，该模 式被类似地称为PWM模式。然而，如图5中所解说的，在第二操作模式中，误差信号Vea增大到Vramp的最大值以上。相应地，开关晶体管Tp被导通长达Vramp的一个或多个完整周期。当Tp导通长达完整周期时，占空比为100％(100％DC模式)。图5解说对于Vdc的不同状态以及不同操作模式的开关节点Vsw、电感器电流I_L、以及晶体管Tp中的高侧电流。

有100％占空比操作是有利的一示例是针对被开关模式电池充电器。例如，最大降压占空比连同功率路径电阻可决定能支持给定充电电流和充电结束(浮置)电压的最小充电器输入电压。100％占空比操作可在电池充电器应用中被用来允许较低的输入电压和/或较高的充电电流。

以上描述解说了本发明的各实施例连同特定实施例的各方面可被如何实现的示例。以上示例不应被认为是仅有的实施例，并且被呈现来解说所附权利要求所定义的特定实施例的灵活性和优点。基于以上公开和所附权利要求书，其他安排、实施例、实现、以及等效方案可被采用而不背离权利要求书所定义的本公开的范围。

Claims (15)

1.一种开关式调控器电路，包括：

第一开关晶体管，其具有用于接收输入电压的输入端子和通过电感器耦合到输出节点的输出端子；

斜坡生成器，其用于产生具有周期的斜坡信号；以及

比较器，其用于接收所述斜坡信号和误差信号，并据此产生调制信号，

其中，在第一操作模式中，所述斜坡信号增大以与所述误差信号相交，并且据此在所述斜坡信号的每个周期期间改变所述第一开关晶体管的状态，并且在第二操作模式中，所述误差信号增大到所述斜坡信号的最大值以上，并且据此，所述第一开关晶体管被导通长达所述斜坡信号的一个或多个完整周期，其中当所述误差信号在所述斜坡信号的所述最大值以上时，通过所述电感器至所述输出节点的电流跨所述斜坡信号的多个周期持续增大。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述误差信号由误差放大器生成，所述误差放大器具有耦合成接收来自所述输出节点的反馈电压的第一输入、以及耦合到参考电压的第二输入。

3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述斜坡生成器包括：

电流源；

电容器，其具有耦合到所述电流源的端子；以及

开关，

其中所述电流源的大小被配置成将所述斜坡信号的所述最大值设置成小于所述误差信号的最大值。

4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述斜坡生成器接收复位信号，其中当所述复位信号处于第一状态时，所述斜坡信号具有常数值，并且其中当所述复位信号处于第二状态时，所述斜坡信号增大到所述最大值，并且其中所述复位信号的第二状态的时段被配置成将所述斜坡信号的所述最大值设置成小于所述误差信号的最大值。

5.如权利要求4所述的电路，其特征在于，进一步包括分频器电路，其用于接收时钟信号并产生所述复位信号，所述时钟信号设置所述斜坡信号的所述周期。

6.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述斜坡生成器进一步包括电流反馈电路，其用于感测所述开关式调控器中的电流并产生所述斜坡信号中的偏移，其中所述斜坡信号的所述最大值小于所述误差信号的最大值。

7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述斜坡生成器包括：

电流源；

电容器，其具有耦合到所述电流源的端子；

开关；以及

或门，其具有耦合成接收复位信号的第一输入和耦合成接收所述调制信号的第二输入，其中当所述复位信号处于第一状态时，所述斜坡信号具有常数值，并且其中当所述复位信号处于第二状态时，所述斜坡信号增大到所述最大值；

其中所述电流源的大小和所述偏移被配置成将所述最大值设置成小于所述误差信号的最大值。

8.一种用于开关式调控器中的100％占空比的方法，包括：

在第一开关晶体管的输入端子上接收输入电压，所述第一开关晶体管具有通过电感器耦合到输出节点的输出端子；

生成具有周期的斜坡信号；以及

将所述斜坡信号与误差信号作比较以产生调制信号，

其中，在第一操作模式中，所述斜坡信号增大以与所述误差信号相交，并且据此在所述斜坡信号的每个周期期间改变所述第一开关晶体管的状态，并且在第二操作模式中，所述误差信号增大到所述斜坡信号的最大值以上，并且据此，所述第一开关晶体管被导通长达所述斜坡信号的一个或多个完整周期，其中当所述误差信号在所述斜坡信号的所述最大值以上时，通过所述电感器至所述输出节点的电流跨所述斜坡信号的多个周期持续增大。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述误差信号是基于来自所述输出节点的反馈电压、以及参考电压来生成的。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，生成所述斜坡信号包括：

生成进入电容器的电流；以及

响应于第一信号，使所述电容器放电，

其中所述电流的大小被配置成将所述斜坡信号的所述最大值设置成小于所述误差信号的最大值。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，生成所述斜坡信号包括：

接收复位信号，其中当所述复位信号处于第一状态时，所述斜坡信号具有常数值，并且其中当所述复位信号处于第二状态时，所述斜坡信号增大到所述最大值，并且其中所述复位信号的第二状态的时段被配置成将所述斜坡信号的所述最大值设置成小于所述误差信号的最大值。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括将时钟信号分频并产生所述复位信号，所述时钟信号设置所述斜坡信号的所述周期。

13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括：

感测所述开关式调控器中的电流；以及

基于所感测到的电流来产生所述斜坡信号中的偏移，其中所述斜坡信号的所述最大值小于所述误差信号的最大值。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，生成所述斜坡信号包括：

生成进入电容器的电流；以及

响应于复位信号与所述调制信号的逻辑或，使所述电容器放电，

其中当所述复位信号处于第一状态时，所述斜坡信号具有常数值，并且其中当所述复位信号和调制信号两者均处于第二状态时，所述斜坡信号增大到所述最大值；

其中所述电流的大小和所述偏移被配置成将所述斜坡信号的所述最大值设置成小于所述误差信号的最大值。

15.一种开关式调控器电路，包括：

第一开关晶体管，其具有用于接收输入电压的输入端子和通过电感器耦合到输出节点的输出端子；

用于生成斜坡信号的装置，所述斜坡信号具有周期；以及

用于将所述斜坡信号与误差信号作比较以产生调制信号的装置，

其中，在第一操作模式中，所述斜坡信号增大以与所述误差信号相交，并且据此在所述斜坡信号的每个周期期间改变所述第一开关晶体管的状态，并且在第二操作模式中，所述误差信号增大到所述斜坡信号的最大值以上，并且据此，所述第一开关晶体管被导通长达所述斜坡信号的一个或多个完整周期，其中当所述误差信号在所述斜坡信号的所述最大值以上时，通过所述电感器至所述输出节点的电流跨所述斜坡信号的多个周期持续增大。