CN105322791B - 用于峰值切换以减小高频dc-dc转换器中的损失的方法和装置 - Google Patents

用于峰值切换以减小高频dc-dc转换器中的损失的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种方法，该方法包括监测横跨切换节点(322)的谐振间隔。该方法还包括检测到与横跨切换节点的谐振间隔相关联的一个或多个预设值。该方法进一步包括响应于检测到与横跨切换节点的谐振间隔相关联的一个或多个预设值，启动高切换器(304)进入“接通”操作。

Description

用于峰值切换以减小高频DC-DC转换器中的损失的方法和 装置
技术领域
本发明总体涉及降压拓扑结构。更具体地，本发明涉及一种用于峰值切换以减小降压式DC-DC转换器在高频率非连续传导模式(DCM)操作期间的损失的方法和装置。
背景技术
降压转换器是一种电压逐步降低(step-down)和电流逐步升高(step-up)的转换器，其提供一种有效的机制来减少DC电源的电压。在降压转换器中，电感器中的电流常常由两个切换器/开关(switch)(通常是晶体管和二极管)来控制。
发明内容
本公开提供用于在降压转换器中的不连续传导模式(DCM)操作期间进行峰值切换的方法和装置。
在第一示例中，一种方法包括监测横跨切换节点的谐振间隔。该方法还包括检测与横跨切换节点的谐振间隔相关联的一个或多个预设值。该方法进一步包括响应于检测到与横跨切换节点的谐振间隔相关联的一个或多个预设值而启动高切换器进入“接通”操作。
在第二示例中，一种装置包括降压转换器和控制器。降压转换器被配置为耦合到电源并且包括切换节点、第一晶体管和第二晶体管。控制器被配置为监测横跨切换节点的谐振间隔。控制器还被配置为检测与横跨切换节点的谐振间隔相关联的一个或多个预设值。控制器进一步被配置为响应于检测到与横跨切换节点的谐振间隔相关联的一个或多个预设值而启动第一晶体管进入“接通”操作。
在第三示例中，一种降压转换器电路包括切换节点、第一晶体管和第二晶体管。降压转换器电路还包括被配置为监测横跨切换节点的谐振间隔的控制电路。控制电路还被配置为检测与横跨切换节点的谐振间隔相关联的一个或多个预设值。控制电路进一步被配置为响应于检测到与横跨切换节点的谐振间隔相关联的一个或多个预设值而启动第一晶体管进入“接通”操作。
根据以下附图、描述以及随附权利要求，对于本领域技术人员来说，其它技术特征可以是显而易见的。
附图说明
为更完全地理解本公开及其特征，现结合附图参照以下描述，其中：
图1示出根据本公开的示例降压转换器拓扑结构；
图2示出根据本公开的横跨切换节点和两个晶体管的谐振间隔的示例图；
图3示出根据本公开的示例降压转换器拓扑结构；
图4示出根据本公开的横跨切换节点和两个晶体管的谐振间隔的示例图；以及
图5示出根据本公开的用于在降压转换器中进行切换的示例方法。
具体实施方式
以下讨论的图1至图5和用于描述该专利文档中的本发明的原理的各种示例仅以说明的方式来展示，而不应当以限制本发明范围的任何方式来解释。本领域技术人员将理解的是，本发明的原理可以通过任何合适的方式和任何类型的适当布置的设备或系统来实现。
在具有两个切换器和一个电感器的降压转换器中，通常在电感器中存在直流电流(DC)和纹波电流二者，使得两个电流之和产生三角波形。在电感器(如在许多功率转换器拓扑结构)中，通常期望的是平均电流保持恒定，这有时被称为连续传导模式。即，在连续传导模式下，通过电感器的电流在平均值周围的上下值之间连续循环。例如，在具有10A±1A循环周期的连续传导模式下，上值和下值是围绕平均值10A的11A和9A。作为另一示例，在具有0A±1A循环周期的连续传导模式下，上值和下值是平均值0A周围的+1A和-1A。在后一个示例中，流过电感器的电流在循环周期期间改变方向。
连续传导模式可以在降压转换器中通过逐个循环周期(cycle to cycle)执行相同的操作来实现。例如，在循环周期开始时，第一切换器被接通，并且电感器中的电流上升。在上升结束时，第一切换器被关断并且第二切换器被接通，并且电感器中的电流衰减到起点。
在一些降压转换器拓扑结构中，期望的是电感器中的电流总是沿一个方向流动。因此，在其中通过电感器的电流在-1A至+1A之间循环(具有平均值0A)的上述第二实施例可能是不期望的。相反，可能期望的是电流总是大于或等于0A。为了实现这一目的，当电流为正并衰减到零时，第二切换器可在电流变到零的时间前后就被关断。然而，当第二切换器被关断时，其余的电流仍不得不流到某处。在一些降压转换器拓扑结构中，电流流到另一个二极管。应当理解的是，在同步降压转换器(诸如，使用MOSFET的高侧切换器和低侧切换器二者)中，当电感器电流接近零并且低侧切换器被关断时，电流将流过低侧切换器的体二极管。
当电感器中的电流衰减到零时打开第二切换器是不连续传导模式(DCM)操作的一个示例。在DCM中，操作的稳定状态被改变，以使操作不再被认为是连续传导模式。在上述降压转换器中，这种变化可以通过有意避免电感器中的电流倒向的事件来触发。为了避免电流倒向，可以检测电流衰减，并且一旦电流变到零，第二切换器就被关断。因此，DCM是指通过关断降压转换器低侧切换器而中断降压转换器的连续传导模式周期，以避免电感器的电流倒向。
通过降压式DC/DC转换器，当切换频率上升到高频(HF)范围时，可能增加切换器损失。实际上，在切换器转换期间可能出现的能量损失可以是如此之大以至于阻止了高频操作。然而，可能期望在高频下操作DC/DC转换器，以减小转换器的物理尺寸。
本发明描述了高频(HF)DC/DC降压转换器拓扑结构的实施例，其具有定时的切换器动作以使高侧切换器在其两端具有低电压下接通。当切换器节点电压在DCM中的谐振间隔期间移向它的峰值电压时，可能出现切换器两端的最小电压。应当理解的是，由于充当例如电感器电容器电路的输出电感器和切换器的寄生输出电容的相互作用，而使得谐振出现。在此所公开的实施例可适用于各种电源系统，诸如，使用降压转换器的那些电源系统。然而，应该理解的是，公开的实施例也可适用于其他类型的系统。例如，类似的技术可用于用来谷值切换(valley switching)的升压转换器。
图1示出根据本公开的示例降压转换器拓扑结构100。应当指出的是，图1所示的示例降压转换器拓扑结构100仅用于图示说明。在不背离本公开的范围的情况下，可以使用降压转换器拓扑结构100的其它实施例。
如图1所示，降压转换器拓扑结构100可以包括提供输入电源电压Vin的电源102。降压转换器拓扑结构100还可以包括两个晶体管Q1104和Q2106。两个晶体管Q1104和Q2106中的每个可以分别具有寄生电容114和116。降压转换器拓扑结构100可以进一步包括电容器Co108、电感器L 110以及输出端120。另外，降压转换器拓扑结构100可以具有切换节点VsW122。
晶体管Q1104和Q2106中的每个可以具有寄生电容。如图1所示，当在DCM中操作时，电感器L 110与寄生电容114和116中的每个能够在两个变换器切换器断开时产生谐振。无需任何附加的处理电路，切换可在次优点处发生，在该次优点处，存在高侧切换器或晶体管Q1104两端的相对大的电压。图2示出根据本公开的横跨图1所示的切换节点VsW 122和两个晶体管Q1104和Q2106的谐振间隔的示例图。具体地，图2示出当在谐振间隔期间的切换是次优的例子。如图2所示，切换可以发生在当切换节点VsW处的电压远离或没有增加到最大值或峰值时的时间处，使得相对高的电压存在于切换器或晶体管Q1104两端。因此，在切换时使得高切换器或晶体管Q1104被接通，由于切换器两端相对大的电压，可能出现能量损失。
图3示出根据本公开的示例降压转换器拓扑结构300。与图1类似，降压转换器拓扑结构300可以包括电源302、两个晶体管Q1304和Q2306、电容器Co308、电感器L 310以及输出320，其中每一个晶体管分别具有寄生电容314和316。降压转换器拓扑结构300还可以具有切换节点VsW 322，使得电感器L 310连接到晶体管Q2 306。
此外，降压转换器拓扑结构300可以包括控制器/控制电路330。控制器330可以被配置为当切换节点电压即将达到或已经达到最大或峰值电压时对高侧切换器“接通”的发生进行智能计时。晶体管Q1304和Q2306均可以具有寄生电容。如图3所示，当在DCM中操作时，当两个转换器切换器断开时，电感器L 310与寄生电容314和316中的每个能够产生谐振。控制器330可以使得切换出现在最优点处，在该最优点处，在高侧切换器或晶体管Q1304的两端不存在相对大的电压。
例如，控制器330可以被配置为监测横跨切换节点(诸如切换节点VsW322)的谐振间隔。当控制器330检测到横跨切换节点的谐振间隔与一个或多个预设值相关联时，该控制器330可以被配置为启动高切换器或晶体管Q1304进入“接通”操作。在一个实施例中，一个或多个预设值可以是电压阈值。例如，当横跨切换节点的谐振间隔高于阈值电压(诸如，处于、靠近或接近最大值)，使得切换器两端的电压低时，控制器330可以被配置为启动高切换器或晶体管Q1304进入“接通”操作。
在一个实施例中，一个或多个预设值可以是导函数的输出。导函数可以提供表示切换节点两端的电压值的正值、负值或零值的输出。例如，控制器300可以被配置为响应于接收来自峰值检测电路的信号而启动高切换器或晶体管Q1304进入“接通”操作，该峰值检测电路查看电压的导数。随后，控制器330可以被配置为启动高切换器或晶体管Q1304进入“断开”操作并且启动低切换器或晶体管Q2306进入“接通”操作。控制器330还可以被配置为启动低切换器或晶体管Q2306进入“断开”操作。
图4示出根据本公开的横跨图3所示的切换节点VsW 322和两个晶体管Q1304和Q2306的谐振间隔的示例图。具体地，图4示出在谐振间隔出现在处于、靠近或接近最优位置处期间进行切换时的示例。如图4所示，切换可以出现在切换节点VsW 322上的电压接近最大值或顶点(诸如峰位置)以使得切换器两端存在相对低的电压时的时间。因此，在进行切换以使得该高切换器或晶体管Q1304接通时，由于切换器两端的相对低电压，可以减小或最小化能量损失。接着，将高切换器或晶体管Q1304转到“关断”状态并且将低切换器或晶体管Q2306转到“接通”状态也可以导致额外的能量损失。
控制器330可以被配置为通过选择性地选择谐振峰值(如抖动)来调节输出电压，使得切换不在每一个谐振峰处发生。抖动可以被用于实现一系列峰值的平均峰值，以便调节输出电压。控制器330可以被配置为在第一峰值的第一百分比处的与第一峰值相关联的预设值处和在第二峰值的第二百分比处的与第二峰值相关联的预设值处，启动第一晶体管进入“接通”操作。例如，控制器330可以被配置为在第一峰值40％的时间期间启动高切换器或晶体管Q1304进入“接通”操作并且在第二峰值60％的时间期间启动其进入“接通”操作，以便调节输出电压。
在一个实施例中，控制器300可以基于计时器启动高切换器或晶体管Q1304进入“接通”操作。例如，在自高切换器或晶体管Q1304先前被“接通”(或者电源102开始提供电压)以来的预定时间已经过去之后，控制器330可以被配置为“接通”高切换器或晶体管Q1304。
控制器可以基于定时器并结合控制器330检测到横跨切换节点的谐振间隔与一个或多个预设值相关联来启动高切换器或晶体管Q1304进入“接通”操作。例如，在预定时间已经过去之后，控制器300可以等待直到横跨切换节点的谐振间隔与一个或多个预设值相关联为止，之后启动高切换器或晶体管Q1304进入“接通”操作。
该控制器可以基于计时器结合抖动来启动高切换器或晶体管Q1304到“接通”操作。例如，在预定时间已经过去之后，控制器300可以等待直到横跨切换节点的谐振间隔与一个或多个预设值相关联为止，之后启动抖动以控制何时高切换器或晶体管Q1304操作被“接通”。图5示出根据本公开的用于在降压转换器中进行切换的示例方法500。在步骤505中，控制器330可以监测横跨切换节点的谐振间隔。在步骤510中，控制器330可以检测横跨切换节点的谐振间隔的电压高于阈值电压。在一个实施例中，阈值电压可以是横跨谐振间隔的峰值电压。
在步骤515中，控制器330可以启动高切换器或晶体管Q1304到“接通”操作。例如，控制器330可以被配置为响应于检测到横跨切换节点的谐振间隔的电压高于阈值电压而启动高切换器或晶体管Q1304到“接通”操作。在步骤520中，控制器330可以启动高切换器或晶体管Q1304到“断开”操作并且启动低切换器或晶体管Q2306到“接通”操作。在步骤525中，控制器330可以启动低切换器或晶体管Q2306到“断开”操作。
尽管图5示出用于在降压转换器拓扑结构300中进行峰值切换的方法500的一个示例，但是针对图5可以作出各种改变。例如，虽然图5示出一系列步骤，但是在每幅图中的各种步骤可以重叠、并行发生、以不同的顺序出现或出现任何次数。此外，方法500的步骤中的一个或多个步骤可被删除，或者其它步骤可以被添加到方法500。
阐述贯穿本专利文档所使用的特定词语和短语的定义可能是有利的。术语“包括”和“包含”以及它们的派生词是指没有限制的包括。术语“或”是包含性的，意味着和/或。短语“关联”及其派生词可意味着包括、被包括在内、与...互连、包含、被包含在内、连接到或与...连接，耦合到或与...耦合、与...通信、与...协作、交织、并列、接近于、结合到或与...结合、具有、具有属性、关系到或与...有关系等等。短语“至少一个”当与项目列表使用时，是指可以使用列出的项目中的一个或多个项目的不同组合，并且可能需要列表中的仅一项。例如，“A、B以及C中的至少一个”包括下列任何组合：A、B、C、A和B、A和C、B和C以及A和B和C。
虽然本公开已经描述了某些实施例和通常相关联的方法，但是这些实施例和方法的改变和排列对本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，示例实施例的以上描述不限定或约束本公开。在不背离由随附权利要求所限定的本公开的精神和范围的前提下，其它改变、替代和变更也是可能的。

Claims (10)

1.一种用于减小降压转换器中的损失的方法，包括：
监测横跨切换节点的第一谐振间隔和第二谐振间隔，所述切换节点位于所述降压转换器中的低切换器和高切换器之间；
检测与横跨所述切换节点的所述第一谐振间隔相关联的第一电压谐振峰值和与横跨所述切换节点的所述第二谐振间隔相关联的第二电压谐振峰值；以及
响应于检测到所述第一电压谐振峰值和所述第二电压谐振峰值中的每个，启动所述高切换器进入“接通”操作，
其中启动所述高切换器进入所述“接通”操作包括在所述第一电压谐振峰值的第一百分比处和在所述第二电压谐振峰值的第二百分比处，启动所述高切换器进入所述“接通”操作，
其中所述第一百分比不同于所述第二百分比。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在启动所述高切换器进入所述“接通”操作之后，启动所述高切换器进入“断开”操作。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括启动所述低切换器进入“接通”操作，而启动所述高切换器进入所述“断开”操作。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述高切换器先前被“接通”以来的预定时间之后所述高切换器被启动进入所述“接通”操作。
5.一种用于减小降压转换器中的损失的装置，包括：
降压转换器，其被配置为耦合到电源，所述降压转换器包括切换节点、第一晶体管和第二晶体管，其中所述切换节点被连接在所述第一晶体管和所述第二晶体管之间；和
控制器，其被配置为：
监测横跨所述切换节点的第一谐振间隔和第二谐振间隔，
检测与横跨所述切换节点的所述第一谐振间隔相关联的第一电压谐振峰值以及与横跨所述切换节点的所述第二谐振间隔相关联的第二电压谐振峰值，以及
响应于检测到所述第一电压谐振峰值和所述第二电压谐振峰值中的每个，启动所述第一晶体管进入“接通”操作，
其中所述控制器还被配置为在所述第一电压谐振峰值的第一百分比处和在所述第二电压谐振峰值的第二百分比处，启动所述第一晶体管进入所述“接通”操作，
其中所述第一百分比不同于所述第二百分比。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述控制器进一步被配置为启动所述第一晶体管进入“断开”操作，并且启动所述第二晶体管进入“接通”操作。
7.根据权利要求5所述的装置，其中所述控制器进一步被配置为启动所述第二晶体管进入“断开”操作。
8.根据权利要求5所述的装置，其中所述控制器被配置为在所述第一晶体管先前被“接通”以来的预定时间之后启动所述第一晶体管进入所述“接通”操作。
9.一种降压转换器电路，包括：
切换节点；
第一晶体管；
第二晶体管；
其中所述切换节点被连接在所述第一晶体管和所述第二晶体管之间；以及
控制电路，其被配置为：
监测横跨所述切换节点的第一谐振间隔和第二谐振间隔，
检测与横跨所述切换节点的所述第一谐振间隔相关联的第一电压谐振峰值以及与横跨所述切换节点的所述第二谐振间隔相关联的第二电压谐振峰值，以及
响应于检测到所述第一电压谐振峰值和所述第二电压谐振峰值中的每个，启动所述第一晶体管进入“接通”操作，
其中所述控制电路还被配置为在所述第一电压谐振峰值的第一百分比处和在所述第二电压谐振峰值的第二百分比处，启动所述第一晶体管进入所述“接通”操作，
其中所述第一百分比不同于所述第二百分比。
10.根据权利要求9所述的降压转换器电路，其中所述控制电路被配置为启动所述第一晶体管进入“断开”操作，并且启动所述第二晶体管进入“接通”操作。
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