CN106549587B - 功率转换器中的极限-谷值比率电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于开关模式功率转换器的控制器，包括极限‑谷值比率电路、接通时间发生器和驱动电路。所述极限‑谷值比率电路被耦接以响应于感测一开关的开关电流而生成比率信号，所述开关调整开关模式功率转换器的输出。所述比率信号表示所述开关电流处于或超过开关电流极限的第一长度时间与所述开关电流处于或低于开关电流谷值的第二长度时间之间的时间比率，所述开关电流谷值为所述开关电流极限的一部分。所述接通时间发生器被耦接以响应于接收所述比率信号而改变开关接通时间信号。所述驱动电路被耦接以响应于接收所述开关接通时间信号而将驱动信号输出至所述开关的控制端。

Description

功率转换器中的极限-谷值比率电路
技术领域
本公开文本总体上涉及功率转换器，并且具体涉及开关模式功率转换器。
背景技术
电子装置用电力来运行。开关模式功率转换器由于它们的效率高、尺寸小以及重量轻，而普遍被用于给许多现今的电子设备供电。传统的壁式插座提供高压交流电。在开关功率转换器中，转换高压交流电流(ac)输入以通过能量传递元件将高度稳定的直流电流(dc)输出提供给负载。在运行中，使用开关以通过改变功率转换器中的开关的占空比(通常是开关的接通时间与总切换周期的比率)、改变切换频率或者改变每单位时间的脉冲数量，来提供期望的输出。
功率转换器还包括控制器。控制器可以响应于功率转换器的感测参数控制开关。当设计功率转换器和控制器时，通常考虑其特性，诸如效率、尺寸、重量和成本。功率转换器和控制器还可以被设计成满足管理机构制定的标准。例如，壁式插座提供具有符合幅度、频率和谐波含量标准的波形的交流电压。然而，从壁式插座汲取的电流波形的特征由接收交流电压的功率转换器确定。管理机构可以在交流电流的特定频率分量的幅度上设置限制或根据壁式插座提供的功率量限制电流的均方根值。功率系数和总谐波失真(THD)可以作为测量值使用以确定功率转换器是否满足管理机构制定的标准。
发明内容
本发明通过提供一种开关模式功率转换器和一种用于开关模式功率转换器的控制器来解决上述问题至少之一。
一方面，本发明提供一种开关模式功率转换器，包括：
开关；
能量传递元件，所述能量传递元件耦接到所述开关；以及
控制器，所述控制器耦接到所述开关以调整所述开关模式功率转换器的输出，其中所述控制器包括：
极限-谷值比率电路，所述极限-谷值比率电路被耦接以响应于感测所述开关的开关电流而生成比率信号，其中所述比率信号表示所述开关电流处于或超过开关电流极限的第一长度时间与所述开关电流处于或低于开关电流谷值的第二长度时间之间的时间比率，所述开关电流谷值为所述开关电流极限的一部分；
接通时间发生器，所述接通时间发生器被耦接以响应于接收所述比率信号而改变开关接通时间信号；以及
驱动电路，所述驱动电路被耦接以响应于接收所述开关接通时间信号而将驱动信号输出至所述开关的控制端。
另一方面，本发明提供一种用于开关模式功率转换器的控制器，包括：
极限-谷值比率电路，所述极限-谷值比率电路被耦接以响应于感测所述开关模式功率转换器的开关的开关电流而生成比率信号，所述开关调整所述开关模式功率转换器的输出，其中所述比率信号表示所述开关电流处于或超过开关电流极限的第一长度时间与所述开关电流处于或低于开关电流谷值的第二长度时间之间的时间比率，所述开关电流谷值为所述开关电流极限的一部分；
接通时间发生器，所述接通时间发生器被耦接以响应于接收所述比率信号而改变开关接通时间信号；以及
驱动电路，所述驱动电路被耦接以响应于接收所述开关接通时间信号而将驱动信号输出至所述开关的控制端。
附图说明
参照以下附图对本发明的非限制且非穷举性的实施方案进行描述，其中除非另有说明，贯穿各视图中相似的附图标记指代相似的部件。
图1是根据本公开文本的一个实施方案、用于响应于极限区段和谷值区段间的比率而确定接通时间阈值的一个示例性功率转换器和控制器的功能框图。
图2A是根据本公开文本的一个实施方案例示了图1的输入电压、开关电流和电感器电流的示例性波形的简图。
图2B是根据本公开文本的一个实施方案进一步例示了图2A的示例性开关电流和电感器电流的简图。
图2C是根据本公开文本的一个实施方案进一步例示了图2A的示例性开关电流和电感器电流的另一个简图。
图3是根据本公开文本的一个实施方案例示了图1的开关电流、电感器电流、极限信号和谷值信号的示例性波形的简图。
图4是根据本公开文本的一个实施方案响应于极限区段和谷值区段间的比率而确定接通时间阈值的示例性方法的流程图。
图5是根据本公开文本的一个实施方案用于响应于极限区段和谷值区段间的比率而确定接通时间阈值的图1的示例性控制器的功能框图。
图6是根据本公开文本的一个实施方案例示了图5的一个示例性查找地址表的图表。
图7A是根据本公开文本的一个实施方案例示了示例性接通时间阈值与图5的查找地址表的各种状态的图表。
图7B是根据本公开文本的一个实施方案例示了示例性接通时间阈值和峰值输入电压值的图表。
具体实施方式
本文描述了功率转换器、用于功率转换器的控制器以及操作功率转换器的方法的多个实施方案。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施方案的全面的理解。然而，本领域技术人员将认识到，本文描述的技术可以不用一个或多个具体细节，或用其他方法、部件、材料等来实践。在其他实例中，未示出或详细描述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊。
整个说明书中提到的“一个实施方案”或“一实施方案”意味着结合该实施方案描述的特定的特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，贯穿本说明书中多个位置出现的短语“在一个实施方案中”或“在一实施方案中”未必全部指代相同的实施方案。此外，特定的特征、结构或特性可以在一个或多个实施方案中以任何适合的方式结合。
功率转换器和控制器可以被设计以使得功率因数最大化并且限制总谐波失真(THD)。功率因数可以是关于输入交流电流如何紧密接近于理想值的度量。换言之，功率因数是输出功率除以均方根电流乘以均方根电压的乘积。THD可以是功率转换器的所有谐波分量的功率总和与基频的功率的比值。
如上提到的，功率转换器可以利用开关通过能量传递元件提供输出。响应于功率转换器的一个或多个参数，控制器可以控制开关的一个或多个参数(例如，接通时间、断开时间、占空比或每单位时间的脉冲的数目)。在一个实施例中，带有功率因数校正(PFC)的控制器可以运行在临界导通模式。对于临界导通模式，一旦能量传递元件中的电流已经大体上接近零，开关就接通。在一个实施例中，当开关的接通时间达到接通时间阈值或开关电流已经达到电流极限时，开关断开。
对于小的输入电压值，通常在开关电流已经达到电流极限之前达到接通时间阈值。对于大的输入电压值，在接通时间已经达到接通时间阈值之前开关电流通常已经达到电流极限。峰值开关电流的包络形状可以是三角形、梯形或矩形并且可以由接通时间阈值、电流极限之一或二者部分地确定。例如，较低的电流极限可以导致矩形形状包络，而大的电流极限可以导致三角形状包络。较长的接通时间阈值可以导致较矩形形状的包络，而较短的接通时间阈值可以导致三角形状包络。在包络形状为较矩形时，可以传送更大的输出功率，但是THD可能会增加。
峰值开关电流的包络可以用峰值开关电流大体上等于电流极限的时间长度和峰值开关电流小于谷值极限的时间长度来表征。在一个实施例中，谷值极限占电流极限一定百分比。峰值开关电流大体上等于电流极限的时间长度可以被称为极限区段，而峰值开关电流小于谷值区段的时间长度可以被称为谷值区段。相比于极限区段对谷值区段的较小比率，极限区段对谷值区段的较大比率可以对应于较大的功率传送但是高的THD。本发明的实施例可以确定极限区段和谷值区段间的比率。如果该比率高于某一数值，则接通时间阈值可被减小。如果该比率小于该数值，则接通时间阈值可被增加。这样，控制器控制开关使得极限区段与谷值区段的比率可被调整到该数值。
图1例示了一个示例性功率转换器100的功能框图，该功率转换器包括整流器104、输入电容器CIN 108、输入返回端111、功率开关110、能量传递元件112(例示为电感器L1)、续流(freewheel)二极管D1 114、输出电容器CO 116以及控制器120。控制器120还被例示为包括极限-谷值(limit-to-valley)比率电路175、开关接通时间发生器块128以及驱动电路130。极限-谷值比率电路175包括比较器122和124，以及极限-谷值比率确定块126。图1中还例示了交流输入电压VAC 102、输入电压VIN 106、开关电流ISW 134、驱动信号UDR 132、电感器电流IL 136、电感器电压VL 137、输出电压VO 138、输出电流IO 140、开关电流感测141、电感器感测信号142、电流极限ILIM 144、谷值极限X％*ILIM 146、极限信号ULIM 148、谷值信号UVALLEY 150、比率信号UR 152以及接通时间阈值UTON_M 154。功率转换器100作为非隔离式降压转换器被耦接。然而，其他功率转换器拓扑或配置也可以受益于本公开文本的教导。另外，虽然功率转换器被例示为非隔离式功率转换器(例如，直流电流能在功率转换器100的输入端和输出端之间流动)，但是应理解的是也可以使用隔离式功率转换器。
功率转换器100从未经调节的输入电压(例如，交流输入电压VAC 102或输入电压VIN 106)将输出功率提供给负载118。如示出的，整流器104接收并整流所述交流输入电压VAC 102以生成输入电压VIN 106。输入电容器CIN 108被耦接至整流器104并且过滤来自功率开关110的高频电流。对于一些应用，输入电容器CIN 108可以足够大，使得输入电压VIN 106对于每个线路周期(line cycle)而言为基本直流电压。然而，对于带有功率因数校正(PFC)的功率源或对于驱动LED负载，小的输入电容器CIN 108可以用于允许输入电压VIN 106大致随着经整流的交流输入电压VAC 102。
输入电容器CIN 108耦接至功率开关110的一个端部。功率开关110的另一个端部耦接至能量传递元件L1 112和续流二极管D1 114。能量传递元件L1 112和续流二极管D1 114二者均耦接至输出电容器CO 116。输出被提供给负载118并且可以被设置为输出电压VO138、输出电流IO 140之一或者二者的组合。在一个实施例中，负载118可以包括LED、LED模块或者LED阵列。
功率转换器100还包括感测能量传递元件L1 112并且提供电感器感测信号142的电路，该电感器感测信号表示电感器电流IL 136、电感器电压VL 137或者二者。功率转换器100还可以包括感测开关电流ISW 134并且提供开关电流感测信号141的电路，该开关电流感测信号表示开关电流ISW 134。具体地，开关电流感测信号141可以表示峰值开关电流ISW134。电感器感测信号142还可以表示开关电流ISW 134和/或峰值开关电流ISW 134。在示出的实施例中，当功率开关110导通时，电感器电流IL 136大体上等于开关电流ISW 134。控制器120被例示为接收电感器感测信号142和开关电流感测信号141二者，然而，所接收的开关电流感测信号141可以是可选的，因为电感器感测信号142还可以表示开关电流ISW 134。
控制器120将驱动信号UDR 132提供给功率开关110，以控制功率开关110的各种切换参数，从而控制能量从功率转换器100的输入端到输出端的传输。所述参数的实施例可以包括功率开关110的切换频率、切换周期、占空比、相应的接通和断开时间或者功率开关110每单位时间的脉冲数量。在一个实施例中，功率开关110可以是晶体管，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在另一个实施例中，控制器120可以被实现为单片集成电路，或者可以用分立的电子部件实现或者用分立部件和集成部件的组合实现。控制器120和功率开关110可以形成被制成混合集成电路或者单片集成电路之一的集成电路的一部分。
控制器120还包括比较器122和124、极限-谷值比率确定块126、开关接通时间发生器128以及驱动电路130。比较器122和124被耦接以接收开关电流感测信号141(分别在反相输入端和非反相输入端)。然而，电感器感测信号142还可以表示开关电流ISW 134。这样，比较器122和124可以接收电感器感测信号142代替开关电流感测信号141。如例示的，谷值比较器122还接收谷值极限X％*ILIM 146，而极限比较器124接收电流极限ILIM 144(分别在非反相输入端和反相输入端)。在一个实施例中，谷值极限X％*ILIM 146可以是电流极限ILIM144的某一百分比量。例如，谷值极限146可以是电流极限144的X％。在一个实施例中，谷值极限146可以是电流极限144的30％。谷值比较器122输出谷值信号UVALLEY 150，而极限比较器124输出极限信号ULIM 148。极限-谷值比率确定块126被耦接以接收谷值信号UVALLEY 150和极限信号ULIM 148，并且响应于谷值信号UVALLEY 150和极限信号ULIM 148而输出比率信号UR 152。开关接通时间发生器128被耦接以接收比率信号UR 152，并且响应于比率信号UR152输出接通时间阈值UTON_M 154。如例示的，驱动电路130可以被耦接以接收接通时间阈值UTON_M 154和电感器感测信号142，并且可以响应于接通时间阈值UTON_M 154和电感器感测信号142而输出驱动信号UDR 132。此外，驱动信号UDR 132还可以被耦接以接收开关电流感测信号141并对开关电流感测信号141做出响应。开关110可以被耦接以在开关110的控制端(例如，栅极)接收驱动信号UDR 132。
在操作中，响应于感测所述开关的开关电流，极限-谷值比率电路175生成比率信号UR 152。具体地，比较器122和124将开关电流ISW 134(由开关电流感测信号141提供)与谷值极限X％*ILIM 146和电流极限ILIM 144比较。谷值信号UVALLEY 150和极限信号ULIM 148二者可以是带有不同长度的逻辑高区段和逻辑低区段的矩形脉冲波形。在示出的实施例中，当峰值开关电流ISW 134小于谷值极限X％*ILIM 146时(被称为谷值区段)，谷值信号UVALLEY 150是逻辑高，而当峰值开关电流ISW 134大于或等于电流极限ILIM 144时(被称为极限区段)，极限信号ULIM 148是逻辑高。因此，谷值信号UVALLEY 150可以表示峰值开关电流ISW 134小于谷值极限X％*ILIM 146的时间长度，而极限信号ULIM 148可以表示峰值开关电流ISW 134大于或等于电流极限ILIM 144的时间长度。
极限-谷值比率确定块126确定极限信号ULIM 148为逻辑高的时间长度和谷值信号UVALLEY 150为逻辑高的时间长度之间的比率(K：1)。换言之，极限-谷值比率确定块126确定峰值开关电流ISW 134大于或等于电流极限ILIM 144的时间长度和峰值开关电流ISW 134小于谷值极限X％*ILIM 146的时间长度之间的比率。所确定的比率被作为比率信号UR 152输出到开关接通时间发生器128。因此，比率信号UR 152表示开关电流处于或超过开关电流极限的第一长度时间与开关电流处于或低于作为开关电流极限的一部分的开关电流谷值的第二长度时间之间的时间比率。此外，极限-谷值比率确定块126还可以确定该比率是否高于或低于设定的值，K：1。输出的比率信号UR 152还可以表明所确定的比率是否大于或小于所述设定的值，K：1。
响应于接收的比率信号UR 152，开关接通时间发生器128可以增加或减小接通时间阈值UTON_M 154。在一个实施例中，若确定的比率大于设定的值，K：1，则可以减小接通时间阈值UTON_M 154。若确定的比率小于设定的值，K：1，则可以增加接通时间阈值UTON_M 154。峰值开关电流ISW 134的包络可以由极限区段和谷值区段之间的比率表征。与极限区段对谷值区段的较小比率相比，极限区段对谷值区段的较大比率可以对应于较大的功率传送但是高的THD。所述比率可以被调整到设定的值，K：1，该设定的值可以是由设计者选择的预定值。如将进一步讨论地，在一个实施例中，可以通过设置计时器计算的速度设置K值。在另一个实施例中，K值可以被设置为一个阈值。在另一个实施例中，K值可以被存储为数字字。通过增加或减小接通时间阈值UTON_M 154，可以调整极限区段和谷值区段之间的比率。例如，接通时间阈值UTON_M 154的增加可以导致极限区段和谷值区段之间的比率的增加，而接通时间阈值UTON_M 154的减小可以导致极限区段和谷值区段之间的比率的减小。
响应于接通时间阈值UTON_M 154、电感器感测信号142和开关电流感测信号141，驱动电路130可以输出驱动信号UDR 132。驱动信号UDR 132可以是具有不同长度的逻辑高区段和逻辑低区段的矩形脉冲波形。在一个实施例中，在驱动信号UDR 132为逻辑高时，功率开关110接通并且反之亦然。控制器120可以在临界模式下运行并且在能量传递元件L1 112上的能量大体为零时接通功率开关110。驱动电路130可以确定在电感器电流IL 136或电感器电压VL 137大体为零时，能量传递元件L1 112上的能量大体为零。在一个实施例中，驱动电路可以在电感器电流IL 136或电感器电压VL 137(由电感器感测信号142提供)小于阈值时，接通功率开关110。在感测的开关电流ISW 134(可以由电感器感测信号142或开关电流感测信号141提供)已经达到电流极限ILIM 144或功率开关110的接通时间已经到达接通时间阈值UTON_M 154时，驱动电路130断开功率开关110。这样，增加或减小接通时间阈值UTON_M 154可以调整极限区段和谷值区段间的比率。
图2A例示了输入电压VIN 206、开关电流ISW 234和电感器电流IL 236的示例性波形的时序图200。在图2A中还示出了电流极限ILIM 244、谷值极限X％*ILIM 246、半线路周期THL256、包络258和斜率m1260。输入电压VIN 206、开关电流ISW 234,以及电感器电流IL 236、电流极限ILIM 244，以及谷值极限X％*ILIM 246可以是相对于图1所讨论的类似命名和编号的要素的一个实施例。关于图2B和图2C，还例示了窗口201和203。
通常，交流输入电压VAC是具有被称为全线路周期TFL的时段的正弦波形。数学上：VAC＝VP sin(2πfLt)，其中，VP是交流输入电压VAC的峰值电压，且fL是交流输入电压VAC的频率。例示的输入电压VIN 206大体上是经整流的交流输入电压VAC，或者数学上：VIN＝|VP sin(2πfLt)|。应当理解的是，全线路周期TFL是线路频率fL的倒数，或者数学上：
Figure BDA0001115425050000091
此外，半线路周期THL 256是线路频率两倍的倒数，或者数学上：
Figure BDA0001115425050000092
如例示的，输入电压VIN 206大体上接近零，并且半线路周期THL 256可以是两个随后接近零交叉点之间的时间长度。
开关电流ISW 234和电感器电流IL 236是基本三角波形，然而，由于开关电流ISW234和电感器电流IL 236的开关频率fSW大于线路频率fL和两倍的线路频率2fL，它们被例示成细线。粗线表示包络258，该包络258由开关电流ISW 234和电感器电流IL 236的峰值允许值限定。进一步地，对于关于图1例示的功率转换器100，在功率开关110接通并导通时，电感器电流IL 236大体等于开关电流ISW 234。
示出的包络258大体为梯形。然而，包络还可以是矩形或三角形。如上面提到的，包络258的形状可以由电流极限ILIM 244和接通时间阈值TON_M254的值表征，如关于图2B和2C进一步例示的。例如，较低的电流极限ILIM 244可以导致矩形形状的包络，而大的电流极限ILIM 244可以导致三角形状的包络。较长的接通时间阈值TON_M 254可导致较矩形形状的包络，而较短的接通时间阈值TON_M 254可导致三角形状的包络。包络258的形状也可以由开关电流ISW 234或电感器电流IL 236的峰值大体等于电流极限ILIM 244的时间长度以及开关电流ISW 234或电感器电流IL 236的峰值小于谷值极限X％*ILIM 246的时间长度来表征。进一步地，包络258可以具有包络大体不变的区段、包络大体以斜率m1 260增长的区段或者包络大体减小的区段。在一个实施例中，包络大体以斜率-m1减小。
图2B例示了对于图2A中窗口201的开关电流ISW 234和电感器电流IL 236。在包络258增加或减小时，控制器可以运行在恒定的接通模式。功率开关接通，并且开关电流ISW234和电感器电流IL 236增加。对于图1中例示的功率转换器，开关电流ISW 234和电感器电流IL 236增加的速率与输入电压VIN和输出电压VO间的差是成正比的。对于示出的示例性窗口201，在开关电流ISW 234和电感器电流IL 236达到电流极限ILIM 244前，达到接通时间阈值TON_M 254。这在某种程度上是由于输入电压VIN 206的值。这样，功率开关110的接通时间大体等于接通时间阈值TON_M 254。
一旦开关断开，开关电流ISW 234大体等于零，并且电感器电流IL 236开始下降。对于运行在临界导通模式的功率转换器和控制器，一旦能量传递元件中没有能量，功率开关接通。如图2B中例示的，一旦电感器电流IL 236达到零并且开关电流ISW 234和电感器电流IL 236再次开始增加，功率开关接通。对于图2B，断开时间TOFF 261是电感器电流IL 236大体达到零所花费的时间量。电感器电流减小的速率部分原因在于输出电压VO的值。切换期间TSW 257被例示为功率开关的接通时间TON(大体上等于接通时间阈值TON_M 254)和断开时间TOFF 261的总和。切换期间TSW 257远短于半线路周期THL 256。类似地，对于包络258减小的部分，功率开关的接通时间大体等于接通时间阈值TON_M 254。
开关电流ISW 234和电感器电流IL 236的峰值的包络258被例示为以斜率m1 260增加。斜率m1 260的值与接通时间阈值TON_M 254成正比。在一个实施例中，斜率m1 260随着接通时间阈值TON_M 254的增加而增加。如上所述，在一个实施方案中，响应于开关电流ISW 234或电感器电流IL 236的峰值大体等于电流极限ILIM 244的时间长度与开关电流ISW 234或电感器电流IL 236小于谷值极限X％*ILIM 246的时间长度之间的比率，接通时间阈值TON_M 254的值可以变化。例如，如果该比率大于设定的值K，可以减小接通时间阈值TON_M 254，并且如果该比率小于设定的值K，可以增加接通时间阈值TON_M 254。
图2C例示了对于图2A中的窗口203的开关电流ISW 234和电感器电流IL 236。在包络258大体等于电流极限ILIM 244时，控制器可以运行在恒定电流模式。图2C中示出的开关电流ISW 234和电感器电流IL 236的特征与图2B中示出的开关电流ISW 234和电感器电流IL236的特征类似，然而，在达到接通时间阈值TON_M 254之前，开关电流ISW 234和电感器电流IL 236达到电流极限ILIM 244。这样，接通时间TON 262小于接通时间阈值TON_M 254。这部分原因是由于输入电压VIN 206的值。输入电压VIN 206的值越大，越可能在接通时间阈值TON_M254之前达到电流极限ILIM 244。
图3例示了开关电流ISW 334、电感器电流IL 336、极限信号ULIM 348以及谷值信号UVALLEY 350的示例性波形的时序图300。图3中还示出了电流极限ILIM 344、谷值极限X％*ILIM346、包络358、斜率m1 360、极限区段TLIM 349以及谷值区段TVLY 351。开关电流ISW 334、电感器电流IL 336、极限信号ULIM 348、谷值信号UVALLEY 350、电流极限ILIM 344、谷值极限X％*ILIM 346、包络358、斜率m1 360、极限区段TLIM 349以及谷值区段TVLY 351可以是关于图1、2A、2B和2C讨论的类似命名和编号的元件的一个实施例。
可以从图1中例示的比较器124和122输出极限信号ULIM 348和谷值信号UVALLEY350。如上所述，比较器122和124将开关电流ISW 334(或者可选的电感器电流IL 336)的峰值与谷值极限X％*ILIM 346和电流极限ILIM 344比较。在示出的实施例中，在开关电流ISW 334(或者可选的电感器电流IL 336)的峰值大体等于电流极限ILIM 344时，极限信号ULIM 348为逻辑高。极限信号ULIM 348为逻辑高的时间长度可以被称为极限区段TLIM 349。或者换言之，极限区段TLIM 349可以是开关电流ISW 334的峰值大体等于电流极限ILIM 344的时间长度。在示出的实施例中，当峰值开关电流ISW 334(或者可选的电感器电流IL 336)小于谷值极限X％*ILIM 346时，谷值信号UVALLEY 350为逻辑高。谷值信号UVALLEY 350为逻辑高的时间长度可以被称为谷值区段TVLY 351。或者换言之，谷值区段TVLY 351可以是峰值开关电流ISW 334小于谷值极限X％*ILIM 346的时间长度。
斜率m1 360可以与极限区段TLIM 349和谷值区段TVLY 351间的比率成正比，并且斜率m1 360还可以与接通时间阈值TON_M成正比。这样，接通时间阈值TON_M可以与极限区段TLIM349和谷值区段TVLY 351之间的比率成正比。示例性实施方案可以确定极限区段TLIM 349和谷值区段TVLY 351间的比率以及改变接通时间阈值TON_M。如果该比率大于设定的值K，可以减小接通时间阈值TON_M 254，且反之亦然，并且极限区段TLIM 349和谷值区段TVLY 351的比率可以被调整到该设定的值。
图4是根据本公开文本的一个实施方案例示了响应于极限区段TLIM和谷值区段TVLY之间的比率而确定接通时间阈值TON_M的示例性过程400的流程图。过程块的一些或全部在过程400中出现的顺序不应被视为限制性的。当然，得益于本公开文本的本领域技术人员将明了，一些过程块可以以未例示的多种顺序执行，或者甚至并行执行。
所述过程始于块405，在块405中为电流半线路周期THL确定峰值开关电流ISW大于或等于电流极限ILIM的时间长度，该时间长度也被称为极限区段TLIM。在块410中，为电流半线路周期THL确定峰值开关电流ISW小于或等于谷值极限X％*ILIM的时间长度，该时间长度也被称为谷值区段TVLY。在下一个块415中，确定在极限区段TLIM与谷值区段TVLY之间的比率(UR)。
所述过程继续到块420，在该块420中确定所述比率(UR)是否大于设定的值K:1。如果所述比率(UR)大于设定的值K:1，则所述过程继续到块425，并且对于下一个半线路周期THL，减小接通时间阈值TON_M。一旦减小接通时间阈值TON_M，所述过程返回至块405。
然而，如果所述比率(UR)不大于设定的值K:1，所述过程继续到块430。在块430，确定所述比率(UR)是否小于设定的值K:1。如果所述比率(UR)小于设定的值K:1，所述过程继续到块435，并且对于下一个半线路周期THL，增加接通时间阈值TON_M。一旦增加接通时间阈值TON_M，所述过程返回至块405。
图5例示了一个示例性控制器500，该控制器包括比较器522和524、比率确定电路526(例示为计数器526)、接通时间发生器528以及驱动电路530。接通时间发生器528被示出为包括查找表566和数字模拟转换器(DAC)568。驱动电路530被示出为包括接通时间触发器电路570、比较器572和574、或门576、S-R锁存器578以及电容器582。图5中还例示了驱动信号UDR 532、开关电流感测信号541、电感器感测信号542、电流极限ILIM 544、谷值极限X％ILIM546、极限信号ULIM 548、谷值信号UVALLEY 550、比率信号UR 552、接通时间阈值UTON_M 554、半线路周期THL 556、时钟信号TCLK以及参考电压VREF 580。
在一个实施例中，控制器500运行在临界模式并且在能量传递元件上的能量大体为零时使功率开关接通。驱动电路530被例示为包括接通时间触发器电路570，该接通时间触发器电路接收电感器感测信号542，并且确定在电感器电流IL大体等于零或者电感器电压VL小于阈值时能量传递元件L1上的能量是否大体为零。如例示的，驱动电路530还包括锁存器578，该锁存器被耦接以(在S输入)接收接通时间触发器电路570的输出并且输出驱动信号UDR 532。在运行中，在接通时间触发器电路570确定能量传递元件L1上的能量大体为零时，设置锁存器578，并且驱动信号UDR 532转变到逻辑高值且使功率开关接通。
响应于开关电流感测信号541或接通时间阈值UTON_M 554，可以重置锁存器578以使功率开关断开。驱动电路包括比较器572和574。比较器572被耦接以接收开关电流感测信号541(在非反相输入端)和电流极限ILIM 544(在反相输入端)。比较器574被耦接以接收接通时间阈值UTON_M 554(在非反相输入端)和参考电压VREF 580(在反相输入端)。比较器572和574的输出被耦接到或门576的输入端。或门576的输出被锁存器578接收(在R输入端)。在感测的开关电流ISW(其可以由电感器感测信号542或开关电流感测信号541提供)已经达到电流极限ILIM 544或者功率开关的接通时间已经达到接通时间阈值UTON_M 554时，驱动电路530使功率开关断开。在图5例示的实施例中，在开关电流感测信号541提供的感测的开关电流ISW已经达到电流极限ILIM 544时，或者在接通时间阈值ITON_M 554的电流信号已经达到参考电压VREF 580时，重置锁存器578。
如例示的，驱动电路530还包括电容器582和返回端511。电容器582被耦接到比较器574的非反相输入端和返回端511。在一个实施例中，由驱动电路520接收的接通时间阈值ITON_M 554可以是电流信号。电容器582充电的速度部分地由接通时间阈值ITON_M 554的电流信号值确定。该值越大，电容器582充电的速度越快，并且电容器582两端的电压越快达到参考电压VREF 580且锁存器578越快被重置。这样，接通时间阈值ITON_M 554的较大电流信号值导致功率开关的较短的接通时间阈值，并且反之亦然。换言之，电容器582两端的电压达到参考电压VREF 580所用的时间大体为接通时间阈值。这样，接通时间阈值ITON_M 554的电流信号表示接通时间阈值，因为电流信号554的值确定电容器582两端的电压达到参考电压VREF580所用的时间长度。电容器582两端的电压达到参考电压VREF 580表明已经达到接通时间阈值TON_M，并且比较器574的输出大体为逻辑高，这使得锁存器578重置且使得功率开关断开。
接通时间阈值ITON_M 554的电流信号值(以及同样地，接通时间阈值)可以通过比较所述极限区段和谷值区段之间的比率来确定。控制器520还包括比较器522和524以及极限-谷值比率确定块526。比较器522和524被耦接以接收开关电流感测信号541(分别在反相输入端和非反相输入端)。尽管，应当理解的是电感器感测信号542还可以表示开关电流ISW134，并且比较器522和524可以接收电感器感测信号542。与上面类似，比较器522和524分别在非反相输入端和反相输入端接收谷值极限X％ILIM 546和电流极限ILIM 544。比较器522的输出可以被称为谷值信号UVALLEY 550并且表示峰值开关电流ISW小于谷值极限X％ILIM 546的时间量。比较器524的输出可以被称为极限信号ULIM 548并且可以表示峰值开关电流ISW达到电流极限ILIM 544的时间量。
图5中示出的极限-谷值比率确定块526可以被示例为M比特计数器526。该计数器526具有被示例为BM、BM-1、…B2、B1比特的内部计数，其中BM为最高有效位(MSB)，B1为最低有效位(LSB)。在示出的实施例中，计数器526在它的上输入端(U)接收谷值信号UVALLEY 550，在它的下输入端(D)接收极限信号ULIM 548。当在其下输入端(D)接收逻辑高值时计数器526减小其内部计数，当在其上输入端(U)接收逻辑高值时，该计数器增加其内部计数。换言之，当谷值信号UVALLEY 550为逻辑高时计数器526增加其内部计数，当极限信号ULIMIT 548为逻辑高时，该计数器减小它的内部计数。在一个实施例中，计数器526的内部计数被预先设置/重置为计数器526的总值的一半。对于8比特的计数器的一个实施例，计数器将被预先设置/重置到128使得一个向上计数或一个向下计数会切换8比特计数器的MSB。
计数器526增加和减小其内部值的速度由在计数器的时钟输入端接收的时钟信号564控制。时钟信号564可以具有增加至逻辑高值并快速降至逻辑低值的脉冲波形。前沿之间的时间可以为时钟信号564的频率。在示出的实施例中，时钟信号564可以有两个频率，时钟频率fCLK和划分的时钟频率fCLK/K。在频率大体为时钟频率fCLK时，前沿之间的时间为时钟周期TCLK。在频率大体为划分的时钟频率fCLK/K时，前沿之间的时间为时钟周期TCLK的倍数K*TCLK。K的值可以大体为极限信号ULIM 548和谷值信号UVALLEY 550间期望的比率。
在一个实施例中，在谷值信号UVALLEY 550为逻辑高时，时钟信号564的频率大体为时钟频率fCLK，并且在极限信号ULIM 548为逻辑高时，时钟信号564的频率大体为划分的时钟频率fCLK/K。这样，计数器526增加的速度比计数器526减小的速度快K倍。在计数器重置输入端接收的半线路周期THL/fHL 556结束时，计数器526重置。将MSB BM作为比率信号UR 552从计数器526输出。如果极限信号ULIM 548和谷值信号UVALLEY 550之间的比率大于比率K(并且由此计数器526向下计数多于向上计数)，则比特BM(并且因此比率信号UR 552)为逻辑低。如果极限信号ULIM 548和谷值信号UVALLEY 550之间的比率小于比率K(并且由此计数器向上计数多于向下计数)，则比特BM(并且因此比率信号UR 552)为逻辑高。如上所述，计数器526的内部计数被预设/重置为计数器526的总值的一半，使得在极限信号ULIM 548和谷值信号UVALLEY 550之间的比率高于或低于K时，切换MSB BM。
开关接通时间发生器528被例示为包括查找表566和DAC 568。开关接通时间发生器528可以响应于接收的比率信号UR 552而增加或减小接通时间阈值。对于示出的实施例，查找表566可以存储接通时间阈值的值。每个存储的值与查找表566的地址(或状态)相关联(或对应)。可以在查找表566的更新输入端接收比率信号UR 552。查找表566所处的地址(或状态)可以通过比率信号UR 552被更新。在一个实施例中，比率信号UR 552的逻辑高值(表明极限信号ULIM 548和谷值信号UVALLEY 550之间的比率小于比率K)可以触发查找表566增加状态，并且因此增加接通时间阈值的值。比率信号UR 552的逻辑低值(表明极限信号ULIM 548和谷值信号UVALLEY 550之间的比率大于比率K)可以触发查找表566减小状态，并且因此减小接通时间阈值的值。将接通时间阈值的数字表示作为信号UDTON输出至DAC 568。
在示出的图中，DAC 568接收所述信号UDTON并且输出表示接通时间阈值的电流信号ITON_M 554。对于示出的实施例，接通时间阈值的电流信号ITON_M 554的较大值导致功率开关的较短的接通时间阈值，并且反之亦然。换言之，电容器582两端的电压达到参考电压VREF580所用的时间大体为接通时间阈值。这样，因为电流信号554的值决定电容器582两端的电压达到参考电压VREF 580所用的时间长度，接通时间阈值的电流信号ITON_M 554代表接通时间阈值。电容器582两端的电压达到参考电压VREF 580表明已经达到接通时间阈值TON_M，并且比较器574的输出大体为逻辑高，这使得锁存器578重置且使功率开关断开。
图6例示了一个示例性查找表685，该查找表可以为图5中示出的查找表566的一个实施例。在地址0，接通时间阈值的值可以表示为UTON_M(0)。在地址1，接通时间阈值的值可以为接通时间阈值在前一地址(地址0)的值和接通时间阈值在前一地址的值的一百分比(Z％)的和，或者换言之：UTON_M(1)＝UTON_M(0)+Z％UTON_M(0)。在一个实施例中，百分比Z可以大体等于二。对于地址的每次增加，与电流地址相关联的接通时间阈值的值可以是接通时间阈值在前一地址的值和接通时间阈值在前一地址的值的一百分比(Z％)的和，或者说：UTON_M(n)＝UTON_M(n-1)+Z％UTON_M(n-1)。这样，在一个实施例中，状态间的变化可能不是恒定的。在另一实施例中，状态间的变化可以是恒定的。
图7A是例示了具有一个示例性查找地址表的各种状态的接通时间阈值的一个示例性波形的图表700。如所例示的，当地址/状态增加时，接通时间阈值754增加。另外，示出的接通时间阈值754的波形是非线性的。图7B示出了一个图表701，该图表701例示了接通时间阈值754可以如何随功率转换器接收的峰值输入电压VIN_PEAK 706而变化。当峰值输入电压VIN_PEAK 706增加时，由控制器确定的接通时间阈值754可以减小。
对本发明的例示实施例的上述描述，包括摘要中描述的内容，不意在对公开的确切形式的穷举或限制。虽然出于例示的目的在此描述了本发明的具体实施方案和实施例，但是在不背离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，各种等同修改都是可能的。事实上，能理解的是，具体的示例性电压、电流、频率、功率范围值、时间等都被提供用于解释的目的，并且也可以在根据本发明的教导的其他实施方案和实施例中采用其他值。
与计算机软件和硬件相关对以上解释的过程进行了描述。所描述的技术可以包括在有形的或非暂时性机器(例如，计算机)可读存储介质内具有的机器可执行指令，当由机器执行该指令时，将导致机器执行所描述的操作。此外，该过程可以在硬件中实施，所述硬件例如专用集成电路(“ASIC”)或其他。
有形的非暂时性机器可读存储介质包括以由机器(如计算机、网络设备、个人数字助理、制造工具、一组一个或多个处理器等任何设备)可访问的形式提供(即，存储)信息的任何机制。例如，机器可读存储介质包括可记录/不可记录媒介(例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质，闪存设备等)。
本发明例示的实施方案的上述描述，包括摘要中描述的内容，不意在为穷举性的或将本发明限制为所公开的确切形式。如本领域技术人员将认识到的，虽然出于例示的目的在此描述了本发明的具体实施方案和实施例，但是在不背离本发明的更广泛的精神和范围的前提下，各种等同修改都是可能的。
得益于上述详细描述，可以对本发明做出这些修改。在随附权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制到说明书中公开的具体实施方案。相反，本发明的范围完全由随附的权利要求确定，而权利要求应根据既定的权利要求解释的原则进行解释。

Claims (20)

1.一种开关模式功率转换器，包括：
开关；
能量传递元件，所述能量传递元件耦接到所述开关；以及
控制器，所述控制器耦接到所述开关以调整所述开关模式功率转换器的输出，其中所述控制器包括：
极限-谷值比率电路，所述极限-谷值比率电路被耦接以响应于感测所述开关的开关电流而生成比率信号，其中所述比率信号表示所述开关电流处于或超过开关电流极限的第一长度时间与所述开关电流处于或低于开关电流谷值的第二长度时间之间的时间比率，所述开关电流谷值为所述开关电流极限的一部分；
接通时间发生器，所述接通时间发生器被耦接以响应于接收所述比率信号而改变开关接通时间信号；以及
驱动电路，所述驱动电路被耦接以响应于接收所述开关接通时间信号而将驱动信号输出至所述开关的控制端。
2.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述极限-谷值比率电路包括：
极限比较器，所述极限比较器被耦接以在所述开关电流处于或超过所述开关电流极限时输出极限信号；
谷值比较器，所述谷值比较器被耦接以在所述开关电流处于或低于所述开关电流谷值时输出谷值信号；以及
计数器，所述计数器被耦接以响应于所述谷值信号而增加所述计数器的计数，并且响应于所述极限信号而减小所述计数，其中所述计数器输出所述计数的最高有效位作为所述比率信号。
3.根据权利要求2所述的开关模式功率转换器，其中所述计数的增加和减小由时钟信号控制，并且其中在所述谷值比较器输出所述谷值信号时，所述时钟信号的频率是第一频率，并且在所述极限比较器输出所述极限信号时，所述时钟信号的频率是第二频率。
4.根据权利要求3所述的开关模式功率转换器，其中所述时钟信号的所述第一频率与所述时钟信号的所述第二频率的频率比率驱使所述时间比率朝着所述频率比率。
5.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述驱动电路还被耦接以响应于感测所述开关电流而生成所述驱动信号。
6.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述驱动电路被耦接以感测存储在所述能量传递元件中的能量，并且其中所述驱动电路被配置成在临界导通模式下运行，在所述临界导通模式下，所述开关仅在所述能量传递元件中的能量达到零时通过所述驱动信号被启用。
7.根据权利要求6所述的开关模式功率转换器，其中所述驱动电路包括锁存器和接通时间触发器，所述接通时间触发器被耦接以感测通过所述能量传递元件的电流，所述接通时间触发器被耦接以在通过所述能量传递元件的电流达到零时设置所述锁存器，并且其中所述驱动信号在所述锁存器的输出上。
8.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述接通时间发生器包括查找表，所述查找表被耦接以响应于接收所述比率信号而增加或减小所述查找表的状态，其中所述接通时间发生器响应于所述查找表的状态而输出模拟值。
9.根据权利要求8所述的开关模式功率转换器，其中所述查找表的状态对应于与前一状态对应的前一模拟值和所述前一模拟值的一百分比的和。
10.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述驱动电路包括锁存器，所述锁存器被耦接以输出所述驱动信号，其中，所述驱动电路被配置成响应于所述开关电流达到所述开关电流极限和所述开关接通时间信号达到接通时间阈值中至少之一而重置所述锁存器。
11.一种用于开关模式功率转换器的控制器，包括：
极限-谷值比率电路，所述极限-谷值比率电路被耦接以响应于感测所述开关模式功率转换器的开关的开关电流而生成比率信号，所述开关调整所述开关模式功率转换器的输出，其中所述比率信号表示所述开关电流处于或超过开关电流极限的第一长度时间与所述开关电流处于或低于开关电流谷值的第二长度时间之间的时间比率，所述开关电流谷值为所述开关电流极限的一部分；
接通时间发生器，所述接通时间发生器被耦接以响应于接收所述比率信号而改变开关接通时间信号；以及
驱动电路，所述驱动电路被耦接以响应于接收所述开关接通时间信号而将驱动信号输出至所述开关的控制端。
12.根据权利要求11所述的控制器，其中所述极限-谷值比率电路包括：
极限比较器，所述极限比较器被耦接以在所述开关电流处于或超过所述开关电流极限时输出极限信号；
谷值比较器，所述谷值比较器被耦接以在所述开关电流处于或低于所述开关电流谷值时输出谷值信号；以及
计数器，所述计数器被耦接以响应所述谷值信号而增加所述计数器的计数，并且响应于所述极限信号而减小所述计数，其中所述计数器输出所述计数的最高有效位作为所述比率信号。
13.根据权利要求12所述的控制器，其中所述计数的增加和减小由时钟信号控制，并且其中在所述谷值比较器输出所述谷值信号时，所述时钟信号的频率是第一频率，并且在所述极限比较器输出所述极限信号时，所述时钟信号的频率是第二频率。
14.根据权利要求13所述的控制器，其中所述时钟信号的所述第一频率与所述时钟信号的所述第二频率的频率比率驱使所述时间比率朝着所述频率比率。
15.根据权利要求11所述的控制器，其中所述驱动电路还被耦接以响应于感测所述开关电流而生成所述驱动信号。
16.根据权利要求11所述的控制器，其中所述驱动电路被耦接以感测存储在所述开关模式功率转换器的能量传递元件中的能量，并且其中所述驱动电路被配置成在临界导通模式下运行，在所述临界导通模式下，所述开关仅在所述能量传递元件中的能量达到零时通过所述驱动信号被使能。
17.根据权利要求16所述的控制器，其中所述驱动电路包括锁存器和接通时间触发器，所述接通时间触发器被耦接以感测通过所述能量传递元件的电流，所述接通时间触发器被耦接以在通过所述能量传递元件的电流达到零时设置所述锁存器，并且其中所述驱动信号在所述锁存器的输出上。
18.根据权利要求11所述的控制器，其中所述接通时间发生器包括查找表，所述查找表被耦接以响应于接收所述比率信号而增加或减小所述查找表的状态，其中所述接通时间发生器响应于所述查找表的状态而输出模拟值。
19.根据权利要求18所述的控制器，其中所述状态的模拟值是前一状态的前一模拟值和所述前一模拟值的一百分比的和。
20.根据权利要求11所述的控制器，其中所述驱动电路包括锁存器，所述锁存器被耦接以输出所述驱动信号，其中，所述驱动电路被配置成响应于所述开关电流达到所述开关电流极限和所述开关接通时间信号达到接通时间阈值中至少之一而重置所述锁存器。
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