CN106300949A - 用于启动开关模式电源的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供用于启动开关模式电源的系统和方法。根据实施例，操作开关模式电源(SMPS)的方法包括通过基于SMPS的输入电压和开关频率确定脉冲宽度调制(PWM)信号的占空比的增加速率；以及根据所确定的增加速率生成具有占空比的PWM信号，来启动开关模式电源。

Description

用于启动开关模式电源的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请涉及以下共同未决和普通受让的专利申请：____日提交，代理人案号为INF2015P 50411，序列号____，该申请通过引用将其整体并入于此。

技术领域

本发明总体上涉及电子电路，并且在特定实施例中，涉及用于启动开关模式电源的系统和方法。

背景技术

开关模式电源(SMPS)系统被广泛用于从计算机到汽车的许多电子应用。通常，SMPS系统内的输出电压是通过借助于操作耦合到电感器或者变压器的开关执行DC-DC、DC-AC、和/或AC-DC转换生成的。很多SMPS系统使用高值电容器作为输出负载。使用电感器与高值输出电容器串联的SMPS系统可以在首次开启期间引起高电压和高电流尖峰。

当设计SMPS系统时，可以考虑各种设计属性，例如效率、功率、以及启动控制。还可以考虑在SMPS系统的启动期间的涌入电流。该涌入电流被称为峰值瞬时电流，其由当电源首次开启时充当短路的输出电容器引起。如果在短时间量内从输入电压抽取大的电流，则SMPS系统的输入电压可能显著降低，并且可能引起电源重置或者阻止电源启动。启动电路可以被用于SMPS系统以减少这种涌入电流状况，以及在启动期间防止和避免各种过电压和/或过电流状况。

发明内容

根据实施例，操作开关模式电源(SMPS)的方法包括：通过基于SMPS的输入电压和开关频率确定脉冲宽度调制(PWM)信号的占空比的增加速率；以及通过根据所确定的增加速率生成具有占空比的PWM信号，来启动开关模式电源。

附图说明

为了更彻底地理解本发明以及本发明的优势，现在参照结合附图进行的以下描述，其中：

图1图示了示例数字启动控制电路的框图；

图2图示了实施例SMPS的框图；

图3图示了针对实施例SMPS的流程图；

图4图示了针对第二实施例的流程图；

图5a和图5b图示针对非过电流和过电流情况的本实施例中的各种信号在启动时段期间的波形图；

图5c图示了针对输入电压改变的本实施例中的各种信号的波形图；

图6图示了示例启动电路；

图7图示了根据另一实施例的启动电路；

图8图示了根据另一实施例的混合信号启动电路；

图9图示了实施例方法的流程图；并且

图10图示了实施例方法的流程图。

不同图中的对应数字和符号一般指代对应的部分，除非另外指出。绘制附图是为了清楚地图示优选实施例的相关方面，而不必要按比例绘制。为了更清楚地图示某些实施例，附图数字之后可以有指示相同结构、材料、或者过程步骤的变化的字母。

具体实施方式

下文详细讨论了对当前优选实施例的制作和使用。然而，应该领会的是，本发明提供了很多可应用的发明性概念，这些可应用的发明性概念可以体现在各种各样的特定情境中。所讨论的特定实施例仅说明了制作和使用本发明的特定方式，而未限制本发明的范围。

现在将关于特定情境中的优选实施例(即用于控制开关模式电源(SMPS)系统的启动的系统和方法)描述本发明。本发明的其它实施例也可以被应用于在从开环启动到闭环脉冲宽度调制(PWM)模式的转变期间利用各种SMPS系统以便在输出处调节目标电压的系统。

SMPS系统通过以快速启动SMPS系统同时避免过电流状况的速率将占空比从初始占空比增加到目标占空比来启动。在一个实施例中，占空比增加的速率基于SMPS的输入电压Vin和SMPS的开关频率f_sw。在一些实施方式中，通过在预定数目的开关周期之后将占空比增加预定量，占空比斜升。在一些实施例中，启动程序在开环模式下执行。当占空比达到阈值或者SMPS系统的输出电压达到目标电压时，进行从启动模式到开环模式的转变。该转变之前的占空比值在反馈控制回路的积分器中被初始化，并且SMPS系统在转变到闭环脉冲宽度调制(PWM)模式时使用占空比的这一初始化值。

在实施例中，包括模拟到数字转换器(ADC)的数字控制器电路、比例-积分-微分(PID)控制器、以及数字脉冲宽度调制器(DPWM)被用于在SMPS的开环启动期间控制占空比。在启动开始时，控制器开始以最小初始占空比驱动。对于整数数目的开关周期，占空比增加1LSB(或者更多)。逐步降低SMPS系统的启动时间T_su由以下方程式给出：

$T_{su}=\frac{Vout}{Vin}*\frac{fck}{fsw}*\frac{N}{fsw},---\left(1\right)$

其中Vout是输出电压，Vin是输入电压，f_ck是用于数字控制块的高频时钟，而f_sw是SMPS的开关频率并且N是整数值。在实施例中，可以针对400KHz或者2.2MHz的开关频率f_sw选择160MHz的时钟频率f_ck。

整数值N被选择为使得其为输入电压Vin和开关频率f_sw的函数。方程式(1)指示，当整数值N被选择为与输入电压Vin和开关频率f_sw成正比的值时，启动时间T_su可以独立于输入电压Vin并且与开关频率f_sw成反比。开关频率f_sw还根据以下关系受时钟频率f_ck控制：

f_ck＝OS*f_sw, (2)

其中OS是表示作为数字时钟频率f_ck的倍数的开关频率f_sw的过采样因子。在实施例中，对于160MHz的时钟频率f_ck和2.2MHz的开关频率f_sw而言，OS因子被确定为值72。相似地，对于400KHz的开关频率f_sw而言，OS因子被确定为值400。应该理解的是，这些OS因子值仅是很多可能值的一个示例。不同的实施例可以基于不同的开关频率f_sw和时钟频率f_ck。

在降压SMPS系统的操作的闭环PWM模式期间，目标占空比D与输入电压Vin线性相关，如由以下方程式所示：

D＝Vout/Vin, (3)

其中Vout是SMPS的输出电压。在一个示例实施例中，基于40V的输入电压和5V的输出电压，SMPS被确定为具有12.5％的目标占空比。在本实施例中，占空比递增，直到达到目标输出电压和/或满足目标占空比。这时，启动操作的开环控制结束，且闭环操作开始。，PID控制器的积分部分则在从操作的启动模式转变到闭环模式之前被以目标占空比初始化。这为SMPS提供了从开环启动到闭环PWM模式操作的平滑转变。

本实施例在启动期间进一步提供反馈控制回路以处理故障状况。故障状况可以是过电流情况或者过电压或者过温状况之一。如果在启动期间出现过电流，则回路将占空比减少LSB或者更多。占空比继续递减，直到故障状况(即过电流)被去除。在其中SMPS被设计为驱动接近过电流限制的高电流负载的实施例中，具有最小过冲的转变减轻了操作的启动模式结束时的任何不想要的过冲情况。

图1图示了包括ADC 102、求和器104、PID控制器120、以及DPWM 116的SMPS系统的示例性数字控制器100的框图。ADC 102提供SMPS的输出电压的数字化值作为反馈电压Vfb。通过在求和器104中将Vfb与参考值Vref比较生成误差值Verr。一般地，误差值表示系统的需要校正的实际值和期望值之差。误差值Verr接着被应用于PID控制器120内的比例路径106、积分路径108、以及微分路径110。在启动期间，积分路径108在PID控制器120中可用。一对开关112被用于将比例路径106和微分路径110耦合到PID控制器120的求和结点。这两个开关在启动期间开启，并且积分路径108被用于驱动DPWM 116。PID控制器120的输出耦合到DPWM 116以基于积分路径108的输出生成占空比。

在启动期间，积分路径108将来自求和器104的误差值Verr积分并且生成用于SMPS的占空比。当反馈电压Vfb达到表示SMPS的输出电压的目标值时，PID控制器120转变为闭环PWM模式。在一些应用中，启动结束时目标占空比和实际应用的占空比之间的失配可以使得SMPS的输出电压过冲，这是不期望的。在一些应用中，更长的启动时间被用于覆盖各种设计参数(诸如输入电压Vin、补偿网络、开关频率、以及负载电流)的变化。在这种情形下，启动结束时的占空比可以与在闭环操作期间所使用的目标占空比完全不同。启动结束时实际占空比与目标占空比的失配可以引起SMPS的不期望的过电流或者过电压状况。在其它应用中，快速的启动时间可以引起转变期间的过电流状况，因为达到目标输出所必要的输出电压步长可能必须是大的，以满足快速的启动时间。

图2图示了使用实施例启动电路206的SMPS 200，该实施例启动电路206包括速率计算器216和斜坡生成器218。启动控制回路与启动电路206一起操作，从而在SMPS的启动期间控制占空比的增加速率。该速率在速率计算器216中基于SMPS的输入电压VIN和开关频率f_sw确定。该速率被用于在斜坡生成器218中生成斜坡，并且该斜坡被提供给脉冲宽度调制器(PWM)电路210以生成具有不断增加的占空比的脉冲宽度调制信号。不断增加的占空比被用于驱动模拟驱动器212，模拟驱动器212控制SMPS的高侧(HS)和低侧(LS)开关晶体管的开关。启动电路206还使用来自过电流检测器块214的OVERCURRENT信号减少脉冲宽度调制信号的占空比，直到过电流状况被去除。此外，启动电路206还负责确定何时从SMPS的启动转变为闭环模式。从启动转变为闭环的决定是在SMPS的输出电压VOUT达到目标电压Vtarget或者占空比达到阈值时做出的。控制信号START_UP是在转变期间在控制复用器(MUX)208的输出的启动电路206中生成的。

启动操作到闭环操作之间的转变通过MUX 208从PID控制器204选择输出以提供到PWM电路210而发生。求和器202基于输出电压的反馈值Vfb和参考值Vref生成误差值Verr。误差值Verr由PID控制器204补偿以调节SMPS的输出电压VOUT。

启动电路206在转变之前将占空比值存储在PID控制器204的积分器中。PID控制器204被初始化以接近在转变为闭环操作之前所应用的占空比的占空比START_UP_DUTY。占空比的初始化值将转变期间的电压或者电流的任何过冲最小化，因为所初始化的占空比接近所应用的占空比。在一些实施例中，输出电压VOUT和输入电压VIN通过ADC数字化。在一些实施例中，斜坡生成器218可以由计数器实施。在另一实施例中，斜坡生成器218可以通过使用与SMPS的输入电压VIN和开关频率f_sw成比例的电流值对电容器充电来实施。在一些实施例中，斜坡生成器可以是启动电路206的一部分或者PWM电路210的一部分。

图3图示了启动控制器系统300的实施例方法310的流程图。实施例方法在流程图中提供对启动控制过程的逐步描述。在步骤302处，发生重置，其中控制器被重置到根据SMPS要求设置的其初始值。流程图接着移至步骤304，其中控制器生成在开环启动控制开始之前的等待时间。等待时间允许SMPS的各种电路在启动之前准备好。实施例方法310在步骤312处开始，其中控制器被初始化以初始最小占空比值。在步骤314中，根据输入电压Vin[n]和开关频率f_sw计算表示针对每个占空比的开关周期的数目的整数值N。在步骤316中，整数值N根据占空比乘以值因子以调整启动时间。在一些实施例中，整数值N被放大，其中SMPS被设计为针对大的输出电容器或者针对对启动时间的独立调整而进行调整。

如图3所示，流程图从步骤312转变到步骤318，其中值N(表示针对占空比的每个递增步长的开关周期的计数数目)被初始化并且控制器通过应用初始占空比开始开环启动。接着在步骤320中，基于过电流值进行流决定。过电流的值可以例如基于SMPS的负载要求。如果SMPS经历过电流，则流程图继续到步骤330，其中占空比减少1LSB。占空比减少1LSB，直到过电流状况被去除。如果没有过电流，则流程图继续到步骤322，其中进行退出状况决定。退出状况决定基于具有等于duty_max值的占空比(duty)值或者等于或者接近目标ADC值的ADC值中的至少一种。目标ADC值表示SMPS的输出电压。当做出了退出状况决定时，流程图从递增占空比转变到步骤324。在步骤324中，积分器被初始化以所应用的占空比并且流程图移至步骤306。积分器的初始化保证了从开环启动到操作的闭环PWM模式的平滑转变。

步骤306指示开环启动的结束和操作的闭环脉冲宽度调制(PWM)模式的开始。然而，如果占空比低于duty_max并且ADC值不在目标ADC值内，则流程图移至步骤326。在步骤326中，计数周期与整数值N比较。如果计数周期小于N，则流程图回到具有相同占空比的状态320的开始，并且开始对针对每个占空比的开关周期的数目进行计数。如果计数周期达到整数值N，则占空比递增一个LSB，整数值N被更新并且流程图回到状态320的开始，并且重复相同的流程。该方法在从启动操作到闭环操作的转变期间提供接近所应用值的占空比值。占空比的初始化值在开环操作期间由控制器使用。

图4图示了启动控制器400的另一实施例方法410的第二流程图。实施例方法410不同于实施例方法310，因为实施例方法410再使用在PID控制器的积分部分中使用的累加器。累加器保持对N累加，直到达到退出状况，并且当检测到过电流状况时对负N进行累加。实施例方法310针对过电流状况使用分立计数，而实施例方法410利用PID控制器的在步骤422处的积分器中的累加器，PID控制器在过电流事件期间被调整以在启动期间减少SMPS的占空比。步骤402相似于控制器300，其中启动控制器400被重置为根据SMPS的设计的其初始值。接着在步骤404中，启动控制器包括在其继续进行到开环启动之前的等待时间。等待时间允许SMPS中的电路在启动SMPS之前被安排好。接着在步骤412中，启动控制器400被初始化以根据输出电压和输入电压的初始最小占空比值。在步骤414中，根据SMPS的输入电压Vin和开关频率f_sw计算整数值N。N的值可以基于查找表(LUT)计算。

在实施例中，对于小于10V的输入电压、2.2MHz的开关频率f_sw、160MHz的时钟频率f_ck、以及5V的输出电压，N的整数值被确定为8。当输入电压在10V和20V之间时，整数值N被确定为16。当输入电压大于20V时，整数值N被确定为32。要理解的是，这些整数值N仅是针对具有不同的开关频率f_sw、输入电压、以及时钟频率f_ck组合的不同实施例确定的很多可能的N值的一个示例。

在步骤426中，N的整数值乘以值因子，以便针对大的输出电容器或者针对对启动时间的独立调整而进行调整。在步骤414中，整数值N被初始化并且启动控制器400以初始占空比开始。在步骤418中，基于ADC目标值和最大占空比duty_max做出决定。ADC目标值是具有一些容忍度的用于输出电压的数字值。容忍度值可以根据ADC测量的准确度和SMPS的输出电压处的可允许纹波进行选择。

流程图继续到步骤418以基于等于或者接近目标ADC值的输出电压值或者达到最大占空比duty_max的占空比来确定退出状况。当满足了退出状况时，流程图继续到步骤424，其中所应用的占空比被初始化到积分器422作为SMPS的反馈控制回路中的积分器系数。在将积分器初始化之后，流程图继续到步骤406并且从开环启动控制退出到闭环PWM模式操作。

在步骤418中，如果ADC值不在目标内和/或占空比未达到最大占空比duty_max，则流程图继续到步骤420。在步骤420中，基于SMPS中的过电流值做出决定。过电流的值可以基于SMPS的负载电流要求进行选择。流程图继续到步骤422以更新SMPS的反馈控制回路的积分器中的累加器。累加器在没有过电流时累加正的整数值N，然而，在存在过电流情况时累加负的整数值N。在步骤422结束时，值N被更新并且流程图回到状态418的开始，并且重复相同的流程。本实施例在启动期间再使用步骤422中的积分器的累加器，并且将附加电路实施方式最小化。

图5a图示了针对启动时段的一部分，实施例启动控制电路内的各种信号的波形图。标记为DPWM COUNTER的信号表示从过采样OS值100开始倒数的计数器的波形。当信号DPWM COUNTER倒数到零时，控制SMPS的开关周期的信号DPWM COUNTER重置到OS值。标记为PWM的信号示出了如下波形，该波形的脉冲宽度基于在被标记为DUTY的信号中所示的值而被调制，并且表示SMPS的开关周期。SMPS的占空比的实际值是值DUTY的函数。标记为N的信号表示DUTY的值所增加的计数值。值N表示被用于SMPS的占空比的每个值的开关周期的数目。OVERCURRENT信号表示描绘具有非零电平的过电流事件和不存在具有零电平的过电流事件的数字波形。如图5a所示，启动控制电路提供针对每N个PWM周期的不断减少的DUTY值。DUTY的值在90处开始并且在两个PWM周期之后减少到89。在不存在过电流事件时，DUTY的值继续减少，直到DUTY的值等于阈值或者SMPS的输出达到目标值。

图5b图示了针对过电流情况下的实施例在图5a中描绘的信号的波形图。信号DPWMCOUNTER继续从OS值100开始计数。信号DUTY以值70开始，并且其在如由信号N的值2所示的每两个开关周期之后减少。如图5b所示，过电流事件在PWM的第一周期期间发生。OVERCURRENT信号升高并且这引起DUTY的值增加到71。DUTY的增加值将实际占空比减少以减少SMPS的输出电流。当OVERCURRENT信号变低时，过电流事件被去除。变低的OVERCURRENT信号指示过电流状况被去除并且SMPS回到不断增加的占空比。因此，DUTY的值被减少到70并且在每N个周期之后继续减少。

图5c图示了在其中SMPS的输入电压从9V的值增加到12V的值的情形下，针对本实施例的图5a和图5b中描绘的信号的另一波形图。SMPS的输入电压由图5c中的信号VIN表示。图5c示出了启动时段的一部分，如图5a和图5b所示那样以如由信号N的值所示那样每2个PWM周期减少的信号DUTY开始。信号DUTY从90开始并且在信号PWM的两个周期之后减少。在VIN信号从9V上升到12V时(指示SMPS的输入电压上升)，启动控制电路通过将信号N的值从2增加到4而对其作出反应。信号DUTY在每4个PWM周期(如通过信号PWM看到的)之后减少其值，信号PWM在4个周期之后改变其脉冲宽度。因此，信号DUTY在4个PWM周期之后从88减少到87。

图6图示了包括误差放大器602、pnp双极晶体管T1、补偿网络604、以及脉冲宽度调制(PWM)生成器606的示例启动系统600。基于参考电压VREF和来自SMPS输出的反馈电压VFB，误差放大器602生成误差电压VERR。补偿网络604跨误差放大器602的反相输入和输出连接。补偿网络部件的合适值被选择为设置SMPS的回路的带宽。误差放大器602的输出连接到PWM生成器606的输入，PWM生成器606基于从误差放大器602输出接收的输入生成占空比。双极晶体管T1被用于将误差放大器602输出钳位到由PIN处的电压固定的值，在PIN处连接外部电容器Css。偏置电流Iss被用于对耦合到PIN的pnp晶体管T1的基极充电，并且T1的基极节点的转换速率控制去往PWM生成器606的输入的发射极。

启动时间由电流值Iss和电容器值Css控制。T1的基极节点处的电压斜坡速率以由以下方程式给出的速率上升：

dV/dt＝Iss/Css, (4)

其中Iss是对电容器Css充电的电流。这一斜坡速率dv/dt控制以相同速率改变占空比的PWM生成器606的输入。在一些实施例中，改变Css或者Iss的值以增加或者减少SMPS的启动时间。启动系统600针对被集成在单个IC中的SMPS的不同应用而利用额外的引脚(pin)和外部电容器。在一些应用中，电容器控制SMPS的开关频率和启动时间。据此，不同值的电容器被用于不同的开关频率、启动时间、以及输入电压。

图7图示了使用诸如电流源之类的模拟部件控制启动期间的占空比的本发明的实施例。系统使用不同的电流源对电容器充电或者放电以控制方程式4中描述的电压的转换速率。电流源被选择为使得它们与SMPS的输入电压Vin和开关频率f_sw成比例。如图7所示，启动控制系统700被附加到在图6中描述的启动系统600，其中启动时间由电流源I1控制，电流源I1具有与输入电压Vin的由以下方程式给出的线性关系：

I1＝K1*Vin, (5)

其中K1是常数。启动时间进一步由第二电流源I2控制，第二电流源I2具有与开关频率f_sw的由以下方程式给出的线性关系：

I2＝K2*f_sw, (6)

其中K2是另一常数。在过电流状况期间使用预定值的第三电流源I3。在实施例中，启动时间由被用于对外部电容器Css充电的电流的量控制。在其它实施例中，电容器Css可以被集成在IC内部。双极晶体管T1的基极节点中生成的斜坡由发射极以电压移位复制。T1的发射极的转换速率控制SMPS的启动时间。基极节点的充电速率是跨电容器Css的电流Ibias、I1、以及I2的和。因此，如果输入电压Vin和/或开关频率f_sw改变，则电流I1和I2也改变并且相应地调整SMPS的启动时间。在应用中，大的输入电压Vin导致大的电流I1值，这导致基极节点的长的或者缓慢的斜坡时间并且因此导致缓慢的启动时间。

在另一应用中，大的I2值转化为对pnp晶体管T1的基极节点充电的大的电流值，并且因此转化为短的启动时间。快速的开关频率f_sw转化为高的I2值和快速的启动时间。实施例还提供控制以通过具有当检测到过电流状况时被切换的电流I3来减少占空比。设计得合适的电流源I3的值降低应用到脉冲宽度调制(PWM)生成器606的电压，并且生成更低的占空比。在其它实施例中，pnp晶体管T1可以被金属氧化物半导体(MOS)晶体管代替。

图8图示了使用了闭环方法的用于SMPS的另一实施例启动控制系统800。启动控制系统800包括数字至模拟转换器(DAC)804，DAC 804以与SMPS的输入电压Vin和开关频率f_sw成比例的速率被递增。时钟被用于使用从查找表(LUT)812生成的计数值P的计数器802。基于SMPS的输入电压Vin和开关频率f_sw计算计数值P。启动时间由DAC 804输出的递增速率控制。DAC 804输出被提供到误差放大器(EA)810，误差放大器810将SMPS的输出电压的反馈值Vfb和DAC 804输出之间的误差积分。误差放大器810的输出被提供到PWM生成器电路以生成PWM占空比。当DAC 804输出值达到参考值Vref时，误差放大器的输入被替换以参考值Vref。回路接着转变为闭环操作，并且开始基于参考值Vref和反馈值Vfb之间的误差生成占空比。

通过减少DAC 804输出直到过电流状况被去除，来处理过电流情况。误差放大器810的输入由复用器(MUX)808控制，MUX 808在DAC 804输出和参考值Vref之间进行选择。误差放大器810在启动模式期间使用DAC 804输出，并且在PWM模式期间其选择作为SMPS的目标输出电压的参考值Vref。由PWM生成的占空比随DAC 804输出值增加而增加。SMPS输出电压随占空比增加而增加。MUX 808输出由比较器806的输出控制，比较器806将DAC 804输出和参考值Vref进行比较。在其它实施例中，使用复杂算法或者微控制器或者数字信号处理器(DSP)计算计数值P。

图9图示了用于启动开关模式电源(SMPS)的实施例方法900的流程图。该方法在步骤902处开始，其中测量最小初始占空比并且在启动开始时应用该最小初始占空比。流程图接着移至步骤904，其中最小初始占空比在每N个计数时递增，同时SMPS以开环模式启动。基于SMPS的输入电压Vin和开关频率f_sw计算N的值。在步骤906中，占空比递增，直到达到目标电压或者最大占空比值。如果检测到故障状况则占空比递减。故障状况可以包括SMPS的过电流、过电压、电压不足、以及过温状况中的至少一种。最后在步骤908处，发生从开环启动模式到闭环脉冲宽度调制(PWM)模式的转变。仅当SMPS达到目标电压或者SMPS的占空比达到最大占空比值时发生转变。在SMPS进行从开环启动模式到闭环PWM模式的转变之前，转变期间的占空比值被初始化至SMPS的反馈控制回路的积分器。

图10图示了用于启动SMPS的另一实施例方法1000的流程图。该方法在步骤1002处开始，其中确定了脉冲宽度调制(PWM)信号的增加速率。该速率是基于SMPS的输入电压Vin和开关频率f_sw确定的。流程移至步骤1004，其中基于在步骤1002中确定的增加速率生成脉冲宽度调制(PWM)信号。

本发明的实施例可以被应用于不同的SMPS启动控制电路。在一些实施例中，不同的启动时间可以被设计用于不同的输入电压。

根据各种实施例，电路或者系统可以被配置为凭借具有安装在系统上的在操作中使得系统执行行动的硬件、软件、固件、或者它们的组合来执行特定操作或者行动。一个通用方面包括操作开关模式电源(SMPS)的方法。该方法包括启动开关模式电源，启动包括基于SMPS的输入电压和开关频率确定脉冲宽度调制(PWM)信号的占空比的增加速率；以及根据所确定的增加速率生成具有占空比的PWM信号。

实施方式可以包括以下特征中的一个或者多个。该方法中，PWM信号的占空比增加直到达到退出状况。该方法中，退出状况包括SMPS的输出电压达到目标电压和占空比达到阈值中的至少一个。该方法中，退出状况进一步包括SMPS从启动转变为闭环PWM模式操作。该方法中，SMPS的启动进一步包括检测过电流状况。该方法进一步包括当检测到过电流时减少PWM信号的占空比。该方法中，确定速率包括使用查找表(LUT)。该方法中，所确定的速率与SMPS的输入电压和开关频率成比例。

在一些实施例中，SMPS的启动进一步包括生成占空比的初始值，基于第一值递增占空比的初始值，当检测到故障状况时递减占空比，以及存储在退出状况期间生成的第二值以用于在开环PWM模式下使用。在一些实施例中，生成初始值包括使用查找表(LUT)。第一值可以是SMPS的积分比例微分(PID)控制器中的积分器的输出。故障状况可以是过电流状况、过温状况、电压不足状况、以及过电压中的至少一种。在一些实施例中，存储第二值包括将第二值存储在可以包括累加器的数字存储元件中。备选地，存储第二值包括将第二值存储在可以使用电容器实施的模拟存储元件中。

另一通用方面包括开关模式电源控制器，该开关模式电源控制器具有：脉冲宽度调制器；启动控制电路，包括被配置为基于输入电压和开关频率确定用于启动开关模式电源的占空比的改变速率的斜率计算电路；以及斜率生成器，具有耦合到脉冲宽度调制器的控制输入的输出，其中斜率生成器被配置为根据所确定的改变速率产生斜率。

实施方式可以包括以下特征中的一个或者多个。开关模式电源控制器包括耦合在开关模式电源的反馈输出和脉冲宽度调制器的输入之间的动态控制器。开关模式电源控制器可以进一步包括退出状况检测器和耦合到退出状况检测器和脉冲宽度调制器的输入的选择电路。选择电路可以被配置为基于由退出状况检测器检测的退出状况将脉冲宽度调制器的输入路由到动态控制器的输出和斜率生成器的输出中的一个。在另一实施例中，退出状况检测器被配置为检测开关模式电源的输出信号何时达到目标值。退出状况检测器可以被进一步配置为检测开关模式电源的过电流状况。在实施例中，动态控制器包括积分器，并且启动控制器被配置为在检测到退出状况时使用占空比值将积分器初始化。

在一些实施例中，开关模式电源控制器进一步包括：耦合在开关模式电源的反馈输出和脉冲宽度调制器的输入之间的动态控制器；和被配置为将动态控制器的输出限制于斜率生成器的输出值的限制器电路。在一些实施例中，斜率生成器包括计数器。在又一实施例中，斜率生成器包括耦合到电容器的可控电流源；使得可控电流源被配置为基于所确定的改变速率提供电流。

又一通用方面包括开关模式电源(SMPS)系统，该开关模式电源系统具有：动态控制器；斜率计算器，被配置为基于SMPS的输入电压和脉冲宽度调制信号的开关频率计算用于启动SMPS的脉冲宽度调制信号的占空比的斜率；斜率生成器，具有输出，被配置为根据所计算的斜率产生有斜率信号；模式选择电路，被配置为在SMPS的启动模式期间选择斜率生成器的输出并且在SMPS的闭环操作模式期间选择动态控制器的输出；以及脉冲宽度调制器，耦合到模式选择电路的输出。

在一些实施例中，模式选择电路被配置为当SMPS的输出达到目标电压时将SMPS从启动模式转变为闭环操作模式。

实施例的优势包括基于开关频率f_sw控制启动时间的能力。在启动结束时生成的占空比提供了开环启动和闭环PWM之间的平滑转变。一些实施例可以消除在从启动SMPS到在PWM模式下操作SMPS的转变时的任何过电流或者过电压情况。通过减少占空比直到将过电流状况去除，一些实施例的又一优势包括故障处理(诸如过电流状况)的稳健处理。

虽然参照说明性实施例描述了本发明，但是这一描述不旨在被解释为限制意义。说明性实施例以及本发明的其它实施例的各种修改和组合，将在参照描述时对本领域技术人员变得明显。因此，所旨在的是，所附权利要求包含任何这种修改或者实施例。

Claims (27)

1.一种操作开关模式电源(SMPS)的方法，所述方法包括：

启动所述开关模式电源，启动包括：

基于所述SMPS的输入电压和开关频率，确定脉冲宽度调制(PWM)信号的占空比的增加的速率；以及

根据所确定的增加的速率，生成具有所述占空比的所述PWM信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述PWM信号的所述占空比增加直到达到退出状况。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述退出状况包括所述SMPS的输出电压达到目标电压和所述占空比达到阈值中的至少一个。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述退出状况进一步包括所述SMPS从启动到闭环PWM模式操作的转变。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述SMPS的所述启动进一步包括检测过电流状况。

6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括当检测到所述过电流时减少所述PWM信号的所述占空比。

7.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述速率包括使用查找表(LUT)。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所确定的速率与所述SMPS的所述输入电压和所述开关频率成比例。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述SMPS的所述启动进一步包括：

生成所述占空比的初始值；

基于第一值递增所述占空比的所述初始值；

当检测到故障状况时，递减所述占空比；以及

存储在退出状况期间生成的第二值，以用于在开环PWM模式下使用。

10.根据权利要求9所述的方法，其中生成所述初始值包括使用查找表(LUT)。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一值是所述SMPS的积分比例微分(PID)控制器中的积分器的输出。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述故障状况是过电流状况、过温状况、电压不足状况、以及过电压中的至少一个。

13.根据权利要求9所述的方法，其中存储所述第二值包括将所述第二值存储在数字存储元件中。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述数字存储元件包括累加器。

15.根据权利要求9所述的方法，其中存储所述第二值包括将所述第二值存储在模拟存储元件中。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述模拟存储元件包括电容器。

17.一种开关模式电源控制器，包括：

脉冲宽度调制器；

启动控制电路，包括：

斜率计算电路，被配置为基于输入电压和开关频率确定用于启动开关模式电源的占空比的改变速率；以及

斜率生成器，具有耦合到所述脉冲宽度调制器的控制输入的输出，所述斜率生成器被配置为根据所确定的改变速率产生斜率。

18.根据权利要求17所述的开关模式电源控制器，进一步包括耦合在所述开关模式电源的反馈输出和所述脉冲宽度调制器的输入之间的动态控制器。

19.根据权利要求17所述的开关模式电源控制器，进一步包括：

退出状况检测器；以及

选择电路，耦合到所述退出状况检测器和所述脉冲宽度调制器的输入，所述选择电路被配置为基于由所述退出状况检测器检测的退出状况将所述脉冲宽度调制器的所述输入路由到动态控制器的输出和所述斜率生成器的所述输出中的一个。

20.根据权利要求19所述的开关模式电源控制器，其中所述退出状况检测器被配置为检测所述开关模式电源的输出信号何时达到目标值。

21.根据权利要求20所述的开关模式电源控制器，其中所述退出状况检测器进一步被配置为检测所述开关模式电源的过电流状况。

22.根据权利要求19所述的开关模式电源控制器，其中：

所述动态控制器包括积分器；并且

所述启动控制器被配置为在检测到所述退出状况时使用占空比值将所述积分器初始化。

23.根据权利要求22所述的开关模式电源控制器，进一步包括耦合在所述开关模式电源的反馈输出和所述脉冲宽度调制器的所述输入之间的所述动态控制器；以及

限制器电路，被配置为将所述动态控制器的输出限制于所述斜率生成器的输出值。

24.根据权利要求17所述的开关模式电源控制器，其中所述斜率生成器包括计数器。

25.根据权利要求17所述的开关模式电源控制器，其中：

所述斜率生成器包括耦合到电容器的可控电流源；并且

所述可控电流源被配置为基于所确定的改变速率提供电流。

26.一种开关模式电源(SMPS)系统，包括：

动态控制器；

斜率计算器，被配置为基于所述SMPS的输入电压和脉冲宽度调制信号的开关频率计算用于启动所述SMPS的所述脉冲宽度调制信号的占空比的斜率；

斜率生成器，具有输出，被配置为根据所计算的斜率产生有斜率信号；

模式选择电路，被配置为在所述SMPS的启动模式期间选择所述斜率生成器的所述输出，并且在所述SMPS的闭环操作模式期间选择所述动态控制器的输出；以及

脉冲宽度调制器，耦合到所述模式选择电路的输出。

27.根据权利要求26所述的系统，其中所述模式选择电路被配置为当所述SMPS的输出达到目标电压时将所述SMPS从所述启动模式转变为所述闭环操作模式。