CN107659147B - 用于开关变换器的过流情况下的输出电压控制 - Google Patents

用于开关变换器的过流情况下的输出电压控制 Download PDF

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Abstract

公开了用于开关变换器的过流情况下的输出电压控制。提供了一种用于控制变换器的方法和装置。在该方法和装置中，根据占空比并基于代表变换器的输出电压的反馈信号与参考信号之间的差异来操作该变换器。在该变换器中检测到过流情况。响应于检测到该过流情况，用于操作该变换器的该占空比被限制并且使该参考信号跟踪该反馈信号从而减轻在该过流情况结束时的输出电压过冲。

Description

用于开关变换器的过流情况下的输出电压控制
技术领域
本申请涉及控制变换器的运行，并且具体涉及控制电路，当由于检测到过流情况而施加占空比限制时，该控制电路控制该变换器。
背景技术
比如DC-DC变换器等变换器(包括降压变换器和升压变换器)广泛地用于各种电子应用。变换器提供输出电压，该输出电压根据该变换器的输入电压而变化。一般根据占空比来操作变换器，该占空比指定变换器的功率级的切换时间以及因而其输出电压。
可以对变换器的占空比施加限制，从而防止负载比变换器额定的牵引更多电流而导致变换器输出电压和相关反馈电压的下降。一旦占空比限制结束，参考电压与经改变的反馈电压之间的不匹配导致变换器的输出电压不理想地过冲。
期望的是防止和减轻过流情况结束之后对输出电压的不利影响。
发明内容
在实施例中，一种设备包括电压变换器、电压控制级、过流控制级和参考电压控制级。该电压变换器具有输入端和输出端。该电压变换器被配置成用于在该输入端处接收用于根据占空比操作该电压变换器的控制信号并在该输出端处提供输出电压。该电压控制级具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，该第一输入端耦合至该电压变换器的该输出端，该输出端耦合至该电压变换器的该输入端。该电压控制级被配置成用于：在该第一输入端处接收代表该输出电压的反馈电压信号；在该第二输入端处接收参考电压信号，在该第三输入端处接收过流保护信号，基于该反馈电压信号与该参考电压信号之间的差异生成该控制信号，响应于该过流保护信号被断言，限制该控制信号的该占空比，并且在该电压控制级的该输出端处输出该控制信号。
该过流控制级具有耦合至该电压变换器的该输出端的输入端、以及耦合至该电压控制级的该输入端的输出端。该过流控制级被配置成用于：检测该电压变换器中的过流情况；响应于检测到该过流情况而断言该过流保护信号；以及在该过流控制级的该输出端处输出该过流保护信号。该参考电压控制级具有耦合至该过流控制级的该输出端的输入端、以及耦合至该电压控制级的第二输入端的输出端。该参考电压控制级被配置成用于：响应于该过流保护信号被断言而接收该过流保护信号；使能参考电压控制阶段，该参考电压控制阶段使得该参考电压信号跟踪该反馈电压信号；并且在该参考电压控制级的该输出端处输出该参考电压信号。
在实施例中，一种方法包括：根据占空比并基于代表变换器的输出电压的反馈信号与参考信号之间的差异来操作该变换器。该方法还包括：检测该变换器中的过流情况；以及响应于检测到该过流情况，限制用于操作该变换器的该占空比并且使该参考信号跟踪该反馈信号从而减轻该过流情况结束时的输出电压过冲。
附图说明
图1示出了电压控制级和过流控制级控制的变换器的示意图。
图2示出了根据实施例的变换器的功率级的示意图。
图3根据实施例示出了电压控制级和过流控制级控制的变换器的示意图。
图4示出了用于驱动变换器的脉宽调制信号的生成的示例。
图5示出了根据实施例的控制级的示意图。
图6示出了过流情况期间和之后输出电压信号、反馈电压信号和控制信号的图的示例。
图7示出了电压控制级、过流控制级和参考电压控制级控制的变换器的示意图。
图8示出了电压控制级、过流控制级和参考电压控制级控制的变换器的示意图。
图9示出了用于提供多个参考电压电平中的选定参考电压电平的模数变换器。
图10示出了过流情况期间过流情况使能信号、参考电压控制使能信号、反馈电压信号和参考电压信号的图。
图11示出了参考电压控制下的输出电流、输出电压信号、控制信号、反馈电压信号和参考电压信号的图的示例。
图12示出了在有和没有参考电压控制情况下的输出电压信号、反馈电压信号和参考电压信号的图之间的比较。
具体实施方式
图1示出了电压控制级102a和过流控制级104控制的变换器100的示意图。变换器100包括电容106、电感108和功率级110。即使电容106和电感108被示为变换器100的一部分，要注意的是，在各实施例中，电容106和电感108相对于变换器可以在外部(例如，电容106和电感108可以是外部部件)。电容106耦合在电压输出节点112与接地节点114之间。电感108耦合在电压输出节点112与中间节点116之间。变换器100的功率级110耦合在中间节点116、接地节点114和电压控制级102a的输出端之间。要注意的是，功率级110可以耦合至与接地节点114不同的节点(具有零参考电压以便接地)。
电压控制级102a的第一输入端耦合至电压输出节点112，并且电压控制级102a的第二输入端耦合至过流控制级104的输出端。过流控制级104的输入端耦合至中间节点116。
即使变换器100在图1中被示为耦合至功率级110的电感-电容滤波器(LC滤波器)，本领域技术人员认识到在不背离在此该实施例的教导的情况下可以使用替代性电路实现变换器100。
变换器100在电压输出节点112产生输出电压(表示为V输出)。输出电压112用于为负载供电或驱动负载。输出电压根据功率级110处施加的输入电压而变化。输出电压还根据用于操作功率级110的占空比而变化。功率级110可以包括可操作用于根据占空比驱动变换器100的多个开关(例如，三极管)和二极管。在第一段时间(例如，控制信号的高侧，代表占空比D)，将输入电压施加于中间节点116。在与该第一段时间互补的第二段时间(例如，控制信号的低侧，用1-D表示)，将输入电压从中间节点116移除。移除该电压导致通过电感108的电流下降并导致电容106成为用于提供输出电压的电压源。电感108可以是“再注满”电容106的电流源。
如上所述，电压控制级102a的第一输入端耦合至电压输出节点112。相应地，该电压控制级102a在该第一输入端处接收代表该输出电压的信号。该电压控制级102a对比输出电压与参考电压并基于该比较调整或调制占空比。电压控制级102a调整占空比以将输出电压保持在期望电平。因而，变换器100继续向负载提供期望的输出电压。如果输出电压在参考电压以下，电压控制级102a提高占空比，反之亦然。提高驱动变换器100时所使用的占空比提高了输出电压，同时降低占空比降低了输出电压。
电压控制级102a向功率级110输出第一和第二功率级驱动信号110、120。该第一和第二功率级驱动信号110、120可以用于根据占空比驱动功率级110的两个开关。例如，可以在控制阶段的占空比部分期间断言该第一功率级驱动信号118，并且可以在控制阶段的低侧期间断言该第二功率级驱动信号120。即使在此描述了两个功率级驱动信号118、120，要注意的是，在替代性实施例中可以使用另一数量的驱动信号。
在过流情况期间，过流控制级104限制变换器100的占空比。当供应给负载的输出电流大于额定电流(或电流阈值)时，视为存在过流情况，所述输出电流与流经电感108的电流(表示为I线圈)相同。当输出电流大于额定电流时，可能发生对变换器100的部件的损坏。该电流(I线圈)具有三角形形状，其平均值是负载电流。将过流情况阈值应用于不应该超过变换器100的额定电流的I线圈。
过流控制级104检测是否发生了过流情况并断言被输出至电压控制级102a的过流情况使能信号151。电压控制级102a基于对该过流情况使能信号151的断言来限制占空比。限制占空比将输出电流保持在了额定电流以内。在操作期间，电压控制级102a调整占空比(通过提高或降低占空比)从而维持输出电压尽可能地接近期望输出电压。然而，在一定条件下，负载可以牵引比针对变换器100额定的更大量的输出电流。当发生这种情况时，过流控制级104抵消电压控制级102a的影响并限制占空比。限制占空比降低了功率级110(I线圈)所提供的输出电流并防止对变换器100的损坏。
图2示出了根据实施例的变换器100的功率级110的示意图。功率级110包括串行地耦合在输入电压节点123与接地节点114之间的第一晶体管119和第二晶体管121。第一晶体管119和第二晶体管121均耦合至变换器100的中间节点116。
具体地，第一晶体管119的栅极耦合至电压控制级102a并被电压控制级102a输出的第一功率级驱动信号118驱动。第一晶体管119的漏极耦合至输入电压节点123，并且第一晶体管119的源极耦合至中间节点116。第二晶体管121的栅极耦合至电压控制级102a并被电压控制级102a输出的第二功率级驱动信号120驱动。第二晶体管121的漏极耦合至中间节点116以及因而第一晶体管119的源极。第二晶体管121的源极耦合至接地节点114。
在代表占空比的控制信号高侧，断言第一功率级驱动信号118，从而使得变换器100的LC滤波器被输入电压节点123所供应的输入电压驱动。在控制信号的低侧，第二功率级驱动信号120被断言，从而使得接地电压零被应用于LC滤波器。
图3根据实施例示出了电压控制级102a和过流控制级104控制的变换器100的示意图。图3中与参考图1所描述的类似的元件具有相同的参考数字。
电压控制级102a包括用于控制变换器100的功率级110的控制级122。电压控制级102a还包括脉宽调制比较器124、误差放大器126、第一阻抗128、第二阻抗130、电压源138和分压器电路132，该分压器电路包括第一电阻134与第二电阻136
分压器电路132耦合在电压输出节点112与接地节点114之间。要注意的是，在此使用接地节点114来指代所有提供零参考电压并充当接地端的节点。分压器节点140(第一电阻134与第二电阻136均与其耦合)耦合至误差放大器126的反相输入端。第一阻抗128耦合在电压输出节点112与分压器节点140之间。第二阻抗130耦合在误差放大器126的反相输入端与误差放大器126的输出端之间。电压源138的阳极耦合至接地节点114，并且电压源138的阴极耦合至误差放大器126的非反相输入端。
误差放大器126的输出端耦合至脉宽调制比较器124的反相输入端。脉宽调制比较器124的非反相输入端耦合至提供锯齿信号147的电压源(未示出)。脉宽调制比较器124的输出端耦合至控制级122的第一输入端。控制级122向变换器100的功率级110输出该第一和第二功率级驱动信号118、120。
过流控制级104包括电压源142和过流控制比较器144。过流控制比较器144的反相输入端耦合至变换器100的中间节点116。过流控制比较器144的非反相输入端耦合至电压源142的阴极。电压源142的阳极耦合至接地节点114。过流控制比较器144的输出端耦合至电压控制级102a的控制级122的第二输入端。
参照电压控制级102a，分压器132按照第一电阻134与第一和第二电阻134、136之和的比来缩放输出电压。分压器132在分压器节点140产生经缩放的输出电压(在此称为反馈电压信号141)。误差放大器126在反相输入端接收反馈电压信号141。误差放大器126在非反相输入端接收电压源138所输出的参考电压信号143。误差放大器126输出代表反馈电压信号141与参考电压信号143之间的差异的控制信号145。
使用分压器132允许让电压源138生成具有比期望输出电压更低的电压的参考电压信号143。然而，在一些实施例中，当电压源138生成具有与期望输出电压相同电平的电压时，可以处理分压器132。在这些实施例中，电压输出节点可以直接耦合至误差放大器126的反相输入端。
控制信号145代表输出电压与期望输出电压的偏离。当输出电压相对接近期望输出电压时，控制信号145具有相对较小值。相反，当输出电压与期望输出电压之间的差异相对较大时，控制信号145具有相对较大的值。脉宽调制比较器124在其非反相输入端处接收控制信号145并在其反相输入端处接收锯齿信号147。当控制信号145大于锯齿信号147时，脉宽调制比较器124生成并输出被断言的脉宽调制信号149。
图4示出了用于驱动控制级122的脉宽调制信号149的生成的示例。图4中示出了控制信号145、锯齿信号147和脉宽调制信号149。控制信号145可以具有相对大的值，例如由于输出电压比期望输出电压低得多。当控制信号145可以具有相对较大值时，它更可能大于锯齿信号147。在这种情况下，脉宽调制信号149更可能被断言。脉宽调制信号149被断言的时间越长，占空比(即，脉宽调制信号149的有效时期或脉宽调制信号149的高侧)将越大。提高占空比导致变换器100的输出电压也增大。
相反，当输出电压相对接近期望输出电压时，控制信号145将具有相对中等值。脉宽调制信号149将进而具有相对中等占空比或有效时期。这将导致保持变换器100的输出电压接近其当前值。
返回参照图3，控制级122接收脉宽调制信号149。控制级122根据脉宽调制信号149来输出第一和第二功率级驱动信号118。第一和第二功率级驱动信号118、120基于脉宽调制信号驱动变换器100的功率级110。
在检测到过流情况时，过流控制级104限制脉宽调制信号149的占空比。过流控制比较器144在其反相输入端处接收代表变换器100的中间节点116的电压的电压。过流控制比较器144在其非反相输入端处接收电压源142所供应的参考电压。
在反相输入端处接收的电压代表在输入电压节点123(V输入)处供应的电压减去第一晶体管119两端的电压降(VT1)或V输入–VT1。由于第一晶体管119两端的电压降可以用第一晶体管119的内阻与流经电感108的电流的乘积(RT1I线圈)表示，在反相输入端处接收的电压可以表示为(V输入–RT1I线圈)。将在反相输入端处接收的电压与被表示为V输入–RT1IOCP的电压源142的输出电压进行比较，其中，IOCP代表变换器的额定电流，高于额定电流被视为存在过流情况。当I线圈大于IOCP时，过流控制比较器144输出过流情况使能信号151，该过流情况使能信号被断言以表示检测到过流情况。
控制级122接收过流情况使能信号151。当过流情况使能信号151被断言时，控制级122通过终止或抑制占空比来调整脉宽调制信号149。控制级122根据经调整的脉宽调制信号149来控制变换器100的功率级110。当过流情况使能信号151被解除断言时，控制级122根据没有调整的脉宽调制信号控制功率级110。
图5示出了根据实施例的控制级122的示意图。控制级122包括第一反相器160、第二反相器162和逻辑与运算符(被示为AND门164)。第一反相器160的输入端耦合至过流控制比较器144的输出端。第一反相器160的输入端接收过流情况使能信号151。第一反相器160的输出端耦合至AND门164的第一输入端。AND门164的第二输入端耦合至脉宽调制比较器124的输出端。AND门164的第二输入端接收脉宽调制信号149。
AND门164的输出端提供第一功率级驱动信号118。AND门164的输出端还耦合至第二反相器162的输入端。第二反相器162的输出端提供第二功率级驱动信号120。
当过流情况使能信号151被使能时，控制级122抑制脉宽调制信号149的高侧(通过取消断言高侧)并减小脉宽调制信号149的占空比。因而，变换器100的输出电流(I线圈)被减小。当过流情况结束或不再存在时，过流情况使能信号151被取消断言并且控制级122不抑制脉宽调制信号149的高侧。
过流控制具有负面地影响电压控制级102a的运行的不期望结果。在过流情况下，过流控制抑制脉宽调制信号149。然而，过流控制留下用于生成控制信号145的参考电压信号143不受影响。过流控制仅调整下游脉宽调制信号149的占空比。
在过流情况下，控制信号145具有与用于运行变换器100的脉宽调制信号149的受抑制占空比不相称的电压电平。
过流控制减小功率级100所提供的电流。这导致变换器100的输出电压的减小，从而减小反馈电压信号141的电压电平。减小输出电压导致控制信号145的电压电平升高超过与稍后经抑制脉宽调制信号149相称的电平。当过流情况结束时，如果尚未施加过流控制，则在控制信号145的电压电平与控制信号145应该具有的电压电平之间将存在差异。该差异导致负面地影响变换器100的运行的输出电压过冲。
图6示出了过流情况期间和之后输出电压信号300、反馈电压信号141和控制信号145的图的示例。在第一时刻302之前，变换器100不经历过流情况。在第一时刻302，过流控制级104检测过流情况。结果是，减小了脉宽调制信号149(未示出)的占空比。减小占空比导致输出电压300以及因此反馈电压信号141的电压电平的减小。由于参考电压信号(未示出)的电压电平是固定的，减小反馈电压信号141导致控制信号145的电压电平升高。在不存在过流情况时，控制信号145的电压电平的升高应该导致占空比与输出电压信号300两者的升高并压低控制信号145。然而，由于过流情况的存在，占空比被抑制并且控制信号145的电压电平的升高无关紧要。贯穿过流情况，控制信号145保持升高的电压电平。
在第二时刻304，过流情况结束(例如，由于负载牵引较少电流)。结果是，电流控制级104施加于占空比的限制被消除。电压控制级102a唯一地基于控制信号145而作出反应。由于控制信号145具有升高的电平，使用相对较高的占空比来驱动变换器100。该占空比不受抑制，因为过流情况已经结束。相应地，如图6中所示，输出电压信号300经历过冲。
图7示出了电压控制级102b、过流控制级104和参考电压控制级166控制的变换器100的示意图。图7中所示的与参考图1所描述的类似的元件具有相同的参考数字。
参考电压控制级166的第一输入端耦合至过流控制级104的输出端。参考电压控制级166的第二输入端耦合至电压控制级102b的输出端。参考电压控制级166的输出端耦合至电压控制级102b的输入端。
在其第一输入端，参考电压控制级166接收过流情况使能信号151。在其第二输入端，参考电压控制级166接收指示电压控制级166所使用的反馈电压的反馈电压信号。参考电压控制级166调整参考电压，从而使得参考电压跟踪反馈电压。使参考电压跟踪反馈电压使得参考电压与反馈电压之间的差异最小化。
参考电压控制级166向电压控制级102b输出指示参考电压的参考电压信号167。参考电压信号167代表参考电压控制级166所设定的参考电压。电压控制级102b使用参考电压来确定控制信号145。参考电压控制级166继续推动参考电压跟踪反馈电压，直到参考电压返回其过流情况前的电平。参考电压可以不返回其过流情况前的电平，直到过流情况结束后的某一时间。
图8示出了电压控制级102b、过流控制级104和参考电压控制级166控制的变换器100的示意图。图8中所示的与参考图3所描述的类似的元件具有相同的参考数字。
参考电压控制级166包括参考电压比较器168、参考电压控制逻辑170、反相器171、数模变换器172、第一开关174和第二开关176。参考电压控制级166还包括用于生成参考电压的电压源138。参照图3将电压源138描述为电压控制级102a的一部分。
参考电压比较器168的非反相输入端耦合至分压器节点140，并且参考电压比较器168的反相输入端耦合至参考电压节点178。参考电压比较器168的输出端耦合至参考电压控制逻辑170的第一输入端。参考电压控制逻辑170的第二输入端耦合至过流控制级104的输出端。参考电压控制逻辑170的第一输出端耦合至第一开关174的控制端子。第一输出端还耦合至反相器171的输入端。反相器171的输出端耦合至第二开关176的控制端子。参考电压控制逻辑170的第二输出端耦合至模数变换器172的控制端子。
第一开关174耦合在模数变换器172的输出端与参考电压节点178之间。模数变换器172具有多个输入端，该多个输入端分别接收具有递减的电压电平的多个参考电压电平。在该多个输入端中的第一输入端接收该多个参考电压电平中的第一参考电压电平。该第一参考电压电平具有该多个参考电压电平中最高的参考电压电平。
电压源138的阳极耦合至接地节点114，并且电压源138的阴极耦合至模数变换器172的第一输入端。第二开关176耦合在第一输入端与参考电压节点178之间。
在此描述了参考电压控制级166的运行。参考电压控制逻辑170从过流控制级104接收过流情况使能信号151。过流情况使能信号151被断言以指示检测到了过流情况。响应于对过流情况使能信号151的断言，参考电压控制逻辑170断言参考电压控制使能信号180。参考电压控制逻辑170在其第一输出端输出参考电压控制使能信号180。
第一反相器171使参考电压控制使能信号180反相并输出被取消断言的互补参考电压控制使能信号182。第一反相器171向第二开关176的控制端子输出该互补参考电压控制使能信号182。该互补参考电压控制使能信号182将第二开关176切换至不导电状态(即，开态)。将第二开关176切换至不导电状态的结果是，误差放大器126停止接收电压源138所提供的参考电压信号143。也就是，误差放大器126停止接收具有第一参考电压电平的参考电压信号143。在参考电压节点178处不再提供第一参考电压电平。
当在第二开关176的控制端子处接收到该互补参考电压控制使能信号182时，在第一开关174的控制端子处接收到参考电压控制使能信号180。对参考电压控制使能信号180的断言将第一开关174切换至导电状态(即，闭态)。关闭第一开关174的结果是，在参考电压节点178处提供模数变换器172所提供的参考电压电平。将相同的参考电压电平提供给误差放大器126。打开第二开关176和关闭第一开关174的结果是，用于控制变换器100的参考电压电平不再是静态的。相反，如在此所描述的动态地控制参考电压电平。
参考电压比较器168接收反馈电压信号141和参考电压信号143并比较这些信号141、143。参考电压比较器168输出比较信号184。当参考电压信号143的参考电压电平大于反馈电压信号141的电压电平时，断言比较信号184。当参考电压信号143的参考电压电平小于反馈电压信号141的电压电平时，取消断言比较信号184。
参考电压控制逻辑170接收比较信号184。参考电压控制逻辑170基于该比较信号184输出计数器信号186。比较信号184可以通过总线(例如，n位的总线)被输出并且可以采取0与2n-1之间的值。
当比较信号184被断言(即，参考电压信号143的参考电压电平大于反馈电压信号141的电压电平)，计数器信号186的值被减量。当比较信号184被取消断言(即，参考电压信号143的参考电压电平小于反馈电压信号141的电压电平)，计数器信号186的值被增量。最初并在过流情况开始时，计数器信号186可以具有最大值2n-1。当脉宽调制信号149的占空比在过流情况下减小时，计数器信号186的值可以被减量。
数模变换器172接收计数器信号186。数模变换器172基于计数器信号186的值选择分别在该多个输入端处接收的该多个参考电压电平之一。数模变换器172输出选定的参考电压电平。在参考电压节点178和误差放大器126的非反相输入端处提供选定的参考电压电平。
在过流情况开始时，计数器信号186将具有值2n-1，并且该第一参考电压电平(与电压源138所输出的电压电平相对应)将被模数变换器172输出。当占空比在过流情况下减小时，反馈电压信号141的电压电平将减小。参考电压比较器168和参考电压控制逻辑170运行用于减小计数器信号186的值。数模变换器172通过选择并输出更低的参考电压电平来反应。参考电压控制级166运行以将选定的参考电压电平维持尽可能接近反馈电压信号141的电压电平。
当过流控制级104确定过流情况已经结束时，过流控制级104取消断言过流情况使能信号151。参考电压控制逻辑170接收取消断言过流情况使能信号151。当过流情况结束时，计数器信号186的值可以低于其最大值(例如，2n-1)。参考电压控制逻辑170继续断言参考电压控制使能信号180。在过流情况结束之后，参考电压控制逻辑170继续使得参考电压电平跟踪反馈电压信号141的电压电平(即，继续参考电压控制阶段)。当计数器信号186达到其最大值时，参考电压控制逻辑170取消断言参考电压控制使能信号180(并停止参考电压控制阶段并停止使参考电压电平跟踪反馈电压信号141的电压电平)。该最大值可以是参考电压控制阶段开始时计数器信号186的值。第一开关174被切换至不导电状态并且第二开关176被切换至导电状态。第一参考电压电平由参考电压控制级166提供，直到检测到另一过流情况，此时使参考电压电平跟踪反馈电压信号141的电压电平。
图9示出了用于提供多个参考电压电平中的选定参考电压电平的模数变换器172。数模变换器172具有多个输入端
Figure BDA0001254285790000131
至1880。多大多个输入端
Figure BDA0001254285790000132
至1880中的每个输入端接收多个参考电压电平的对应参考电压电平。参考电压电平在电压上递减。
如图9中所示，第一输入端
Figure BDA0001254285790000133
接收第一参考电压电平，该第一参考电压电平是该多个参考电压电平中的最高参考电压电平。该第一参考电压电平提由电压源138提供。最后一个输入端1880接收该多个参考电压电平中的最低参考电压电平，此最低参考电压电平是零伏特的第电压。
包括多个电阻
Figure BDA0001254285790000141
至1920的分压器190用于提供剩余的参考电压
Figure BDA0001254285790000142
至1880。该多个电阻
Figure BDA0001254285790000143
至1920中的第一电阻
Figure BDA0001254285790000144
耦合在第一输入端
Figure BDA0001254285790000145
与第二输入端
Figure BDA0001254285790000146
之间。该多个电阻
Figure BDA0001254285790000147
至1920中的第二电阻
Figure BDA0001254285790000148
耦合在第二输入端
Figure BDA0001254285790000149
与第三输入端
Figure BDA00012542857900001410
之间。由于分压，第二输入端
Figure BDA00012542857900001411
处提供的第二参考电压电平小于第一输入端
Figure BDA00012542857900001412
处提供的第一参考电压电平等等。如果该多个电阻
Figure BDA00012542857900001413
至1920各自具有相等的电阻值，则第一参考电压电平之后的随后每个参考电压电平被减量是第一参考电压电平与2n–1商的电压电平。
数模变换器172接收具有0和2n-1之间的值的计数器信号186。数模变换器172选择并输出与计数器信号186的值相对应的参考电压电平。
图10示出了过流情况期间过流情况使能信号151、参考电压控制使能信号180、反馈电压信号141和参考电压信号143的图。在第一时刻1002，过流情况使能信号151被过流控制级104断言，从而指示已经检测到过流情况。响应于对过流情况使能信号151的断言，参考电压控制级166断言参考电压控制使能信号180。对参考电压控制使能信号180的断言开始使参考电压信号143的电压电平跟踪反馈电压信号141的电压电平。
在过流情况下，减小了脉宽调制信号149(未示出)的占空比。占空比的减小导致减小功率级100所提供的电流以及因此输出电压和因袭反馈电压信号141的电压电平。参考电压控制级166通过减小参考电压信号143的电压电平以跟踪反馈电压信号141的电压电平来进行响应。由于数模变换器172是有限的，参考电压信号143的电压电平可以不与反馈电压信号141的电压电平完全相同，但鉴于数模变换器172的分辨率及其输入参考电压电平，它将尽可能地接近。
在第二时刻1004，过流控制级104取消断言过流情况使能信号151，从而指示过流情况已经结束。过流情况的结束不自动触发对参考电压控制使能信号180的取消断言以及停止对参考电压信号143的电压电平的跟踪。相反，参考电压控制逻辑170检测到参考电压信号143的电压电平与电压源138所输出的电压不对应(或不同)。也就是，参考电压控制逻辑170检测到计数器信号186不处于其最大值。相应地，在过流情况结束后，参考电压控制逻辑170继续断言参考电压控制使能信号180。结果是，过流控制级别104继续将参考电压信号143的电压电平设置为反馈电压信号141的电压电平。
当过流情况结束时，对占空比施加的任何限制被消除。因此，反馈电压信号141的电压电平升高。参考电压控制级166渐增地提高参考电压信号143的电压电平以跟踪反馈电压信号141的电压电平。当参考电压控制使能信号180被断言时，参考电压控制级166继续将参考电压信号143的电压电平设置为尽可能地接近反馈电压信号141的电压电平。
当参考电压信号143的电压电平达到电压源138的输出电压时，参考电压控制逻辑170在第三时刻1006取消断言参考电压控制使能信号180。响应于取消断言参考电压控制使能信号180，参考电压控制级166停止将参考电压信号143的电压电平设置为尽可能地接近反馈电压信号141的电压电平。相反，参考电压信号143的电压电平被设置为电压源138所输出的静态电压电平。
因而，当过流情况在第二时刻1004结束时，参考电压信号143和反馈电压信号141的电压电平是相当的。避免了变换器100的输出电压过冲。
图11示出了在参考电压控制下的输出电流310、输出电压信号300、控制信号145、反馈电压信号141和参考电压信号143的图的示例。在第一时刻1102，过流情况开始并且之后输出电流310升高。过流控制级104保持输出电流310在最大电平以下。输出电压信号300的电压电平降低，并且反馈电压信号141的电压电平也如此。参考电压控制级166运行以保持参考电压信号143的电压电平尽可能接近反馈电压信号141的电压电平。
在第二时刻1104，过流情况结束。参考电压控制级166继续逐步跟踪参考电压信号143的电压电平。在第三时刻1106，输出电压信号300的电压电平恢复至其过流情况前的电平。此时，参考电压控制结束。
图12示出了在有和没有参考电压控制情况下的输出电压信号300、反馈电压信号141和参考电压信号143的图之间的比较。过流情况开始于第一时刻1202。作为响应，过流控制级104施加过流控制。结果是，输出电压信号300和反馈电压信号141的电压电平降低。当不施加参考电压控制时，控制信号145的电压电平(用虚线表示)升高至不期望的电平。然而，当施加参考电压控制时，控制信号145的电压电平(用实线表示)被保持在一定范围内被并且不提高。
过流情况结束于第二时刻1204。当不施加参考电压控制时，控制信号145的提高的电压电平导致输出电压信号300的电压电平过冲。然而，当施加参考电压控制时，控制信号145的电压电平(用实线表示)不提高。结果是，输出电压稳定地升高至期望值。在第三时刻1206，参考电压控制结束。
上述各实施例可以组合以提供进一步的实施例。鉴于以上的详细描述，可以对实施例做出这些和其他改变。总之，在以下权利要求书中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求书局限于本说明书和权利要求书中所披露的特定实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例、连同这些权利要求有权获得的等效物的整个范围。因此，权利要求书并不受本披露的限制。

Claims (18)

1.一种用于控制输出电压的设备，包括：
电压变换器，所述电压变换器具有输入端和输出端并被配置成用于在所述输入端处接收用于根据占空比操作所述电压变换器的控制信号并在所述输出端处提供所述输出电压；
电压控制级，所述电压控制级具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，所述第一输入端耦合至所述电压变换器的所述输出端，所述输出端耦合至所述电压变换器的所述输入端，并且所述电压控制级被配置成用于：
在所述第一输入端处接收代表所述输出电压的反馈电压信号，
在所述第二输入端处接收参考电压信号，
在所述第三输入端处接收过流保护信号，
基于所述反馈电压信号与所述参考电压信号之间的差异生成所述控制信号，
响应于所述过流保护信号被断言，限制所述控制信号的所述占空比，并且
在所述电压控制级的所述输出端处输出所述控制信号；以及过流控制级，所述过流控制级具有耦合至所述电压变换器的所述输出端的输入端以及耦合至所述电压控制级的所述第三输入端的输出端，并且被配置成用于检测所述电压变换器中的过流情况，响应于检测到所述过流情况而断言所述过流保护信号并在所述过流控制级的所述输出端处输出所述过流保护信号；以及
参考电压控制级，所述参考电压控制级具有耦合至所述过流控制级的所述输出端的输入端以及耦合至所述电压控制级的所述第二输入端的输出端，并且被配置成用于：响应于所述过流保护信号被断言而接收所述过流保护信号；使能参考电压控制阶段，所述参考电压控制阶段使得所述参考电压信号跟踪所述反馈电压信号并且在所述过流情况期间所述控制信号被限制；并且在所述参考电压控制级的所述输出端处输出所述参考电压信号。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述过流控制级被配置成用于当所述电压变换器的输出电流超过所述输出电流的阈值时检测所述过流情况。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述参考电压控制级被配置成用于：通过从多个参考电压电平中选择与所述反馈电压信号的电压电平最接近的参考电压电平并将所述参考电压信号的电压电平设置为所述多个参考电压电平中的所述参考电压电平，使得所述参考电压信号跟踪所述反馈电压信号。
4.如权利要求1所述的设备，其中，所述参考电压控制级被配置成用于：
确定跟踪所述反馈电压信号的所述参考电压信号的电压电平已经返回到使能所述参考电压控制阶段之前的其电压电平；并且
响应于确定了跟踪所述反馈电压信号的所述参考电压信号的所述电压电平已经返回到使能所述参考电压控制阶段之前的其电压电平，禁用所述参考电压控制阶段。
5.如权利要求4所述的设备，其中，所述参考电压控制级被配置成用于当所述参考电压控制阶段被禁用时将所述参考电压信号的所述电压电平设置为静态参考电压电平。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述参考电压控制级包括：
比较器，所述比较器具有用于接收所述参考电压信号的反相输入端、用于接收所述反馈电压信号的非反相输入端以及用于提供比较信号的输出端；
控制逻辑，所述控制逻辑具有耦合至所述比较器的所述输出端的输入端以及用于提供计数器信号的输出端，所述控制逻辑被配置成用于基于所述比较信号被断言还是未被断言而确定所述计数器信号的逻辑值；
数模变换器，所述数模变换器具有耦合至所述控制逻辑的所述输出端的控制输入端、用于分别接收多个参考电压电平的多个参考电压输入端、以及输入端，所述数模变换器被配置成用于基于所述计数器信号选择所述多个参考电压电平中的参考电压电平并在所述数模变换器的所述输出端处提供所选择的参考电压电平；以及
电压设置电路，所述电压设置电路耦合至所述数模变换器的所述输出端并被配置成用于当所述参考电压控制阶段被使能时将所述参考电压信号的电压电平设置为所选择的参考电压电平。
7.一种用于控制输出电压的设备，包括：
电压控制级，所述电压控制级被配置成用于接收参考电压信号以及代表变换器的所述输出电压的反馈电压信号，并基于所述反馈电压信号与所述参考电压信号之间的差异输出用于根据占空比操作所述变换器的控制信号，所述电压控制级被配置成用于当过流保护信号被断言时接收所述过流保护信号并限制所述占空比；
过流控制级，所述过流控制级被配置成用于检测所述变换器中的过流情况，并响应于检测到所述过流情况而断言所述过流保护信号；以及
参考电压控制级，所述参考电压控制级被配置成用于响应于所述过流保护信号被断言而使能参考电压控制阶段，并且当所述参考电压控制阶段被使能时使得所述参考电压信号跟踪所述反馈电压信号。
8.如权利要求7所述的设备，其中，所述过流控制级被配置成用于响应于所述变换器的输出电流超过所述输出电流的阈值而检测所述过流情况。
9.如权利要求7所述的设备，其中，所述参考电压控制级被配置成用于：通过从多个参考电压电平中选择与所述反馈电压信号的电压电平最接近的参考电压电平并将所述参考电压信号的所述电压电平设置为所述多个参考电压电平中的所述参考电压电平，使得所述参考电压信号跟踪所述反馈电压信号。
10.如权利要求7所述的设备，其中，所述参考电压控制级被配置成用于：
确定跟踪所述反馈电压信号的所述参考电压信号的电压电平已经返回到使能所述参考电压控制阶段之前的其电压电平；并且
响应于确定了跟踪所述反馈电压信号的所述参考电压信号的所述电压电平已经返回到使能所述参考电压控制阶段之前的其电压电平，禁用所述参考电压控制阶段。
11.如权利要求10所述的设备，其中，所述参考电压控制级被配置成用于当所述参考电压控制阶段被禁用时将所述参考电压信号的所述电压电平设置为静态参考电压电平。
12.如权利要求7所述的设备，其中，所述参考电压控制级包括：
比较器，所述比较器具有用于接收所述参考电压信号的反相输入端、用于接收所述反馈电压信号的非反相输入端以及用于提供比较信号的输出端；
控制逻辑，所述控制逻辑具有耦合至所述比较器的所述输出端的输入端以及用于提供计数器信号的输出端，所述控制逻辑被配置成用于基于所述比较信号被断言还是未被断言而确定所述计数器信号的逻辑值；
数模变换器，所述数模变换器具有耦合至所述控制逻辑的所述输出端的控制输入端、用于分别接收多个参考电压电平的多个参考电压输入端、以及输入端，所述数模变换器被配置成用于基于所述计数器信号选择所述多个参考电压电平中的参考电压电平并在所述数模变换器的所述输出端处提供所选择的参考电压电平；以及
电压设置电路，所述电压设置电路耦合至所述数模变换器的所述输出端并被配置成用于响应于所述参考电压控制阶段被使能而将所述参考电压信号的电压电平设置为所选择的参考电压电平。
13.一种用于控制输出电压的方法，包括：
根据占空比并基于代表变换器的所述输出电压的反馈信号与参考信号之间的差异来操作所述变换器；
检测所述变换器中的过流情况；
响应于检测到所述过流情况：
限制用于操作所述变换器的所述占空比；并且
使得所述参考信号跟踪所述反馈信号，从而减轻所述过流情况结束时的输出电压过冲；确定跟踪所述反馈信号的所述参考信号的电压电平已经返回到在检测到所述变换器中的所述过流情况之前的其电压电平；以及
响应于确定了跟踪所述反馈信号的所述参考信号的电压电平已经返回到在检测到所述过流情况之前的其电压电平，停止使所述参考信号跟踪所述反馈信号。
14.如权利要求13所述的方法，其中，使得所述参考信号跟踪所述反馈信号使得在所述过流情况期间基于所述差异生成的控制信号受到限制。
15.如权利要求13所述的方法，其中，检测所述变换器中的所述过流情况包括检测所述变换器的输出电流超过所述输出电流的阈值。
16.如权利要求13所述的方法，其中，使得所述参考信号跟踪所述反馈信号包括：
从多个参考电压电平中选择与所述反馈信号的电压电平最接近的参考电压电平；以及
将所述参考信号的电压电平设置为所述多个参考电压电平中的所述参考电压电平。
17.如权利要求13所述的方法，其中，停止使所述参考信号跟踪所述反馈信号包括：将所述参考信号的所述电压电平设置为静态参考电压电平。
18.如权利要求17所述的方法，进一步包括：
在检测到所述过流情况之前，将所述参考信号的所述电压电平设置为所述静态参考电压电平。
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