CN109921611B - 开关式电力供应器和用于操作开关模式电力供应器的方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及开关式电力供应器和用于操作开关模式电力供应器的方法。实施例涉及使所述开关模式电力供应器的异步控制器的相位和频率与所述开关模式电力供应器的同步控制器的时钟信号同步，同时所述异步控制器控制所述开关模式电力供应器的功率级；在使所述异步控制器的所述相位和频率与所述同步控制器的所述时钟信号同步的同时，预设所述同步控制器的状态变量，同时所述异步控制器控制所述开关模式电力供应器的所述功率级；和在所述异步控制器的所述相位和频率与所述同步控制器的所述时钟信号同步之后并且在预设所述同步控制器的所述状态变量之后，将所述功率级的控制从所述异步控制器切换到所述同步控制器。
Description
技术领域
本发明的实施例大体上涉及电气系统和方法，并且更具体地说，涉及电力供应器电路和用于操作电力供应器电路的方法。
背景技术
电力供应器电路基于输入功率(例如，输入电压)产生所需功率(例如，输出电压)。举例来说，开关模式电力供应器使用开关式功率级将输入电压和/或电流转换成所需输出电压和/或电流。期望具有有效地转换功率的开关模式电力供应器。一个或多个控制器集成电路(IC)可用于控制开关模式电力供应器的功能或元件。举例来说，同步控制器可用于控制与时钟信号同步的开关模式电力供应器的功能，而异步控制器可用于在不与时钟信号同步的情况下控制开关模式电力供应器的功能。然而，在异步控制和同步控制之间的切换可造成扰乱开关模式电力供应器的操作，例如通过允许输出电压电平偏离所需值。
发明内容
公开开关模式电力供应器和用于操作开关模式电力供应器的方法的实施例。在实施例中，用于操作开关模式电力供应器的方法涉及使开关模式电力供应器的异步控制器的相位和频率与开关模式电力供应器的同步控制器的时钟信号同步，同时异步控制器控制开关模式电力供应器的功率级；在使异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号同步的同时，预设同步控制器的状态变量，同时异步控制器控制开关模式电力供应器的功率级；和在异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号同步之后并且在预设同步控制器的状态变量之后，将功率级的控制从异步控制器转移到同步控制器。还描述其它实施例。
在实施例中，使开关模式电力供应器的异步控制器的相位和频率与开关模式电力供应器的同步控制器的时钟信号同步涉及使开关模式电力供应器的异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号的相位和频率同步，同时异步控制器控制开关模式电力供应器的功率级。
在实施例中，方法另外涉及在使异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号同步的同时，控制多路复用器以将异步控制器的输出连接到功率级。
在实施例中，预设同步控制器的状态变量涉及响应于外部信号，预设同步控制器的状态变量。
在实施例中，预设同步控制器的状态变量涉及将同步控制器中的补偿单元的输出设定成预设状态。
在实施例中，将功率级的控制从异步控制器转移到同步控制器涉及控制多路复用器以将同步控制器的输出连接到功率级。
在实施例中，预设同步控制器的状态变量涉及响应于开关模式电力供应器的负载的变化或提供到开关模式电力供应器的输入电压的变化，预设同步控制器的状态变量。
在实施例中，用于操作开关模式电力供应器的控制器装置包括异步控制器、同步控制器和控制单元，该控制单元被配置成使开关模式电力供应器的异步控制器的相位和频率与开关模式电力供应器的同步控制器的时钟信号同步，同时异步控制器控制开关模式电力供应器的功率级；在使异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号同步的同时，预设同步控制器的状态变量，同时异步控制器控制开关模式电力供应器的功率级；和在异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号同步之后并且在预设同步控制器的状态变量之后，将功率级的控制从异步控制器转移到同步控制器。
在实施例中，同步控制器被配置成基于时钟信号控制功率级，并且异步控制器被配置成在不与时钟信号同步的情况下控制功率级。
在实施例中，控制单元另外被配置成在使异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号同步的同时，响应于开关模式电力供应器的负载的变化或输入到开关模式电力供应器的输入电压的变化，预设同步控制器的状态变量，同时异步控制器控制开关模式电力供应器的功率级。
在实施例中，控制单元包括采样保持单元，该采样保持单元被配置成在使异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号同步的同时，将同步控制器中的补偿单元的输出设定成预设状态。
在实施例中，控制单元另外包括控制逻辑电路，该控制逻辑电路被配置成确定异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号同步。
在实施例中，控制单元包括锁相控制器，该锁相控制器被配置成响应于开关模式电力供应器的负载的变化、提供到开关模式电力供应器的输入电压的变化或外部信号，使开关模式电力供应器的异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号同步，同时异步控制器控制开关模式电力供应器的功率级。
在实施例中，控制单元包括多路复用器，该多路复用器被配置成在异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号同步之后并且在预设同步控制器的状态变量之后，将同步控制器的输出连接到功率级。
在实施例中，控制单元包括频率控制器，该频率控制器被配置成使开关模式电力供应器的异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号的相位和频率同步，同时异步控制器控制开关模式电力供应器的功率级。
在实施例中，开关模式电力供应器包括：功率级；异步控制器，该异步控制器被配置成在不与时钟信号同步的情况下控制功率级；同步控制器，该同步控制器被配置成基于时钟信号控制功率级；和控制单元，该控制单元被配置成使开关模式电力供应器的异步控制器的相位和频率与开关模式电力供应器的同步控制器的时钟信号同步，同时异步控制器控制开关模式电力供应器的功率级；在使异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号同步的同时，预设同步控制器的状态变量，同时异步控制器控制开关模式电力供应器的功率级；和在异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号同步之后并且在预设同步控制器的状态变量之后，将功率级的控制从异步控制器转移到同步控制器。
在实施例中，控制单元包括采样保持单元，该采样保持单元被配置成在功率级的控制被切换到同步控制器之前，将同步控制器中的补偿单元的输出设定成预设状态。
在实施例中，控制单元另外包括控制逻辑电路，该控制逻辑电路被配置成确定异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号同步。
在实施例中，控制单元包括锁相控制器，该锁相控制器被配置成响应于开关模式电力供应器的负载的变化、提供到开关模式电力供应器的输入电压的变化或外部信号，使开关模式电力供应器的异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号同步，同时异步控制器控制开关模式电力供应器的功率级。
在实施例中，控制单元另外包括多路复用器，该多路复用器被配置成在异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号同步之后并且在预设同步控制器的状态变量之后，将同步控制器的输出连接到功率级。
根据本发明的其它方面将从借助于本发明原理的例子说明的结合附图进行的以下详细描述中变得显而易见。
附图说明
图1为根据本发明的实施例的开关模式电力供应器的示意框图。
图2描绘图1中所描绘的开关模式电力供应器的三个操作阶段。
图3描绘图1中所描绘的开关模式电力供应器的实施例。
图4为对应于图3中所描绘的开关模式电力供应器的信号时序图。
图5描绘图3中所描绘的开关模式电力供应器的功率级的实施例。
图6描绘图3中所描绘的开关模式电力供应器的同步控制器的实施例。
图7描绘图3中所描绘的开关模式电力供应器的异步控制器的实施例。
图8描绘图3中所描绘的开关模式电力供应器的锁相控制器的实施例。
图9描绘图3中所描绘的开关模式电力供应器的控制逻辑电路的实施例。
图10为图3中所描绘的开关模式电力供应器的过程流程图。
图11为根据本发明的实施例的用于操作开关模式电力供应器的方法的过程流程图。
在整个描述中，类似的附图标记可用以识别类似的元件。
具体实施方式
将容易理解，如本文中大体描述并且在附图中示出的实施例的组件可以各种各样不同的配置来布置和设计。因此，以下如图中所表示的各种实施例的更详细描述并非意图限制本公开的范围，而仅仅是表示各种实施例。虽然在图式中呈现实施例的各种方面，但除非特别地指示，否则图式未必按比例绘制。
在不脱离本发明精神或基本特性的情况下，可以其它特定形式实施本发明。所描述的实施例应视为在所有方面均仅为说明性而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是由此详细描述来指示。在权利要求书的等效物的含义和范围内的所有变化都涵盖在权利要求书的范围内。
贯穿本说明书对特征、优点或类似语言的参考并不暗示可使用本发明实现的所有特征和优点应该在或在本发明的任何单一实施例中。相反，涉及特征和优点的语言应理解成意味着结合实施例描述的特定特征、优点或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书对特征和优点的论述以及类似语言可以(但未必)是指同一实施例。
此外，本发明的所描述的特征、优点和特性可以任何合适方式在一个或多个实施例中组合。相关领域的技术人员应认识到，鉴于本文中的描述，本发明可在无特定实施例的具体特征或优点中的一个或多个特征或优点的情况下实践。在其它情况下，可在某些实施例中识别出可不存在于本发明的所有实施例中的另外特征和优点。
贯穿本说明书对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的参考意味着结合所指示的实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言可以(但未必)全部是指同一实施例。
图1为根据本发明的实施例的开关模式电力供应器100的示意框图。开关模式电力供应器将输入功率转换成所需输出功率(例如，将输入电压电平转换成在可接受范围内的用于负载电流的稳定输出电压电平)。开关模式电力供应器可用于各种应用中，如汽车应用、通信应用、工业应用、医疗应用、计算机应用和/或消费者或设备应用。在图1中所描绘的实施例中，开关模式电力供应器包括功率级102、同步控制器104、异步控制器106和控制单元108。在一些实施例中，开关模式电力供应器包括于如智能电话、平板计算机、手提式计算机等的计算装置中。在一些实施例中，控制单元实施于如半导体晶片或印刷电路板(PCB)的衬底中。在实施例中，控制单元被封装为独立式半导体IC芯片。在一些实施例中，同步控制器、异步控制器和控制单元形成于控制器装置110中或一起集成到PCB上，该控制器装置110可实施于如半导体晶片的单个衬底中。在实施例中，控制器装置被封装为半导体IC芯片。尽管在图1中开关模式电力供应器示出为包括某些电路元件，但是在其它实施例中，开关模式电力供应器可包括一个或多个另外电路元件。
功率级102被配置成响应于在开关模式电力供应器100处接收的输入功率，递送输出功率。举例来说，功率级以受控并且高效的方式将在开关模式电力供应器的输入处可获得的功率递送到负载。在一些实施例中，在开关模式电力供应器处接收的输入功率为交流(AC)功率并且输出功率为输出电压，如直流(DC)电压。功率级可包括开关式稳压器，如谐振转换器、反激式转换器或本领域中众所周知的其它类型的开关式稳压器。在一些实施例中，功率级包括至少一个晶体管、电感器、变压器和/或二极管。
同步控制器104被配置成基于时钟信号112，控制开关模式电力供应器100的功能。异步控制器106被配置成在不需要与时钟信号同步的情况下，控制开关模式电力供应器100的功能。同步控制器和/或异步控制器可实施于合适的逻辑和/或模拟电路中。在一些实施例中，使用如微控制器或中央处理单元(CPU)的处理器实施同步控制器和/或异步控制器。同步控制器和异步控制器中的每一个根据功率级将功率递送到的负载的电平和开关模式电力供应器在系统内操作的系统的需要而可具有优点或缺点。举例来说，同步控制器以固定开关频率操作，这产生一组可预测的开关频率谐波。另外，同步控制器可在其输出处提供可预测的输出阻抗并且提供给予同步控制器针对稳定性的更可预测的补偿的更可预测的瞬态响应。与同步控制器相比，异步控制器以可变开关频率操作，因为异步控制器的操作不受时钟信号束缚。异步控制器的开关频率的变化可产生各种各样的开关噪声和谐波。另一方面，因为异步控制器的操作不受时钟信号束缚，所以异步控制器可对开关模式电力供应器的负载上的瞬时干扰具有更快的响应。与同步控制器相比，异步控制器通常在较轻负载下具有较佳功率效率，因为在负载下降时异步控制器可降低操作频率，从而减少开关损耗并且根据需要向负载提供电力。另外，与异步控制器相比，同步控制器通常在较高负载下具有较佳功率效率。具体地说，异步控制器在高负载下以高频操作，这造成异步控制器的功率效率低于以固定频率操作的同步控制器的功率效率。通过具有同步控制器和异步控制器两者，可基于功率级将功率递送到的负载和开关模式电力供应器在系统内操作的系统的功率要求，控制开关模式电力供应器，具体地说，功率级102。
在图1中所描绘的实施例中，控制单元108被配置成在同步控制器104和异步控制器106之间转移开关模式电力供应器100的控制。从异步控制转移到同步控制可通过如开关模式电力供应器的负载的变化、提供到开关模式电力供应器的输入电压的变化或外部信号的事件触发，该事件使得同步控制为操作的优选模式。控制单元可实施于合适的逻辑和/或模拟电路中。举例来说，控制单元被实施为处理器，如微控制器或CPU。在一种情况下，当较大负载连接到开关模式电力供应器时，为了同步控制器的可预测性、易于稳定和高效率，控制单元将开关模式电力供应器的控制从异步控制器转移到同步控制器。在另一情况下，当较轻负载连接到开关模式电力供应器时，为了较佳功率效率，控制单元将开关模式电力供应器的控制从同步控制器转移到异步控制器。
在异步控制器106和同步控制器104之间的开关模式电力供应器100的开关控制可造成开关模式电力供应器的输出电压的偏差，这继而可造成意外复位和/或可损坏电子组件。举例来说，驱动同步控制器的时钟信号112可与异步控制器的自振开关频率异相并且不相关，这可造成意外复位和/或可损坏电子组件。当负载或其它状况使得同步控制为优选的时，控制单元108可将开关模式电力供应器的控制从异步控制器切换到同步控制器，而不造成开关模式电力供应器的输出功率(例如，输出电压)的大波动，如下文所描述。在图1中所描绘的实施例中，控制单元被配置成使开关模式电力供应器的异步控制器的相位和频率与开关模式电力供应器的同步控制器的时钟信号同步，同时异步控制器控制开关模式电力供应器的功率级；在使异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号同步的同时，预设同步控制器的状态变量，同时异步控制器控制开关模式电力供应器的功率级；和在异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号同步之后并且在预设同步控制器的状态变量之后，将功率级的控制从异步控制器转移到同步控制器。在一些实施例中，同步控制器的状态变量为同步控制器处的电压(例如，同步控制器的补偿单元处的输出电压)。预设同步控制器的状态变量可将同步控制器的占空比设定成期望值或预定值或可将功率级中的电流设定成期望值或预定值。在异步控制器的相位和频率变得与驱动同步控制器的时钟信号同步的时间期间，将同步控制器的状态变量预设成靠近同步模式中的操作值的值。当发生转移到同步控制时，同步控制器无缝地接替，因为预设同步控制器的(一个或多个)状态变量，并且在异步控制结束时的功率级的计时与在同步控制开始时的功率级的计时相同。因此，开关模式电力供应器的输出功率(例如，输出电压)可维持某一值或维持在某一值的阈值内。举例来说，在功率级的控制从异步控制器转移到同步控制器时，在转移控制之前和在转移控制之后，从同步控制器到功率级的输出可维持在预定范围内。另外，异步控制器的行为(例如，相位和频率)可平滑地调节成同步控制器的行为(例如，时钟信号112的相位和频率)，同时预设同步控制器的状态变量。因此，开关模式电力供应器的输出功率的偏差可减小并且可损坏灵敏电子组件的意外复位和/或过压的可能性可降低。
图2描绘图1中所描绘的开关模式电力供应器100的三个操作阶段210、220、230。在第一操作阶段210中，异步控制器106控制功率级。在第二操作阶段220(其为过渡阶段)中，异步控制器仍然控制功率级，同时异步控制器的频率和相位被调节成与同步控制器104的频率和相位对齐。同时，预设同步控制器的状态变量。开关模式电力供应器可自动地或响应于外部命令进入第二操作阶段。在一些情况下，如果异步控制器的相位和频率不可与同步控制器的相位和频率同步，那么逾时可迫使功率级的控制从异步控制器转移到同步控制器。在第三操作阶段230中，同步控制器控制功率级。
图3描绘图1中所描绘的开关模式电力供应器100的实施例。在图3的实施例中，开关模式电力供应器300包括功率级302、同步控制器304、异步控制器306和控制单元308。图3中所描绘的开关模式电力供应器300为图1中的开关模式电力供应器100的可能实施方案。图3中所描绘的功率级302、同步控制器304、异步控制器306和控制单元308分别为图1中所描绘的功率级102、同步控制器104、异步控制器106和控制单元108的实施例。然而，图1中所描绘的开关模式电力供应器可与图3中所描绘的开关模式电力供应器不同地实施。
在图3的实施例中，同步控制器304被配置成基于时钟信号“CLK”控制开关模式电力供应器300的功能。异步控制器306被配置成在不与时钟信号同步的情况下控制开关模式电力供应器的功能。控制单元308可将开关模式电力供应器的控制从异步控制器切换到同步控制器，而不造成开关模式电力供应器的输出电压“VOUT”的大波动。在图3中所描绘的实施例中，控制单元308包括采样保持单元320、频率控制器322、锁相控制器324、控制逻辑电路326和多路复用器328。采样保持单元被配置成基于所捕获的状态，预设同步控制器的状态变量。在一些实施例中，采样保持单元被配置成预设同步控制器的状态值，同时异步控制器的相位和频率与时钟信号CLK同步，该时钟信号CLK用于驱动同步控制器。同步控制器的状态值的例子包括(但不限于)以下的总和的复合信号：监测功率级的电感器中的电流的传感器的输出和独立或取决于功率级的(一个或多个)输入和/或输出电压的人造斜坡信号、独立或取决于功率级的(一个或多个)输入和/或输出电压的人造斜坡信号以及与到功率级的市电输入成比例的半式整流信号。举例来说，采样保持单元另外被配置成在功率级的控制转移到同步控制器之前，将同步控制器中的状态变量设定成预设值。频率控制器被配置成控制异步控制器的相位和频率。锁相控制器被配置成监测异步控制器的操作和控制频率控制器。在一些实施例中，锁相控制器被配置成响应于外部信号，使异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号CLK的相位和频率同步。控制逻辑电路被配置成控制采样保持单元、多路复用器和锁相控制器。在一些实施例中，控制逻辑电路被配置成确定异步控制器的相位和频率与用于驱动同步控制器的时钟信号CLK的相位和频率同步，并且响应于确定，触发控制从异步控制器转移到同步控制器(例如，以控制多路复用器)。多路复用器被配置成响应于来自控制逻辑电路的控制信号，将同步控制器的输出或异步控制器的输出连接到功率级。
图3中所描绘的控制单元308的例子操作描述如下。在给定时间，功率级302的输入信号“ctrl_主(ctrl_main)”可根据多路复用器328的配置而受异步控制器306控制或受同步控制器304控制。功率级302的输出可经由同步控制器204的输出信号ctrl_sync的脉冲宽度来控制。当在控制逻辑电路326处断言停用信号“DIS”并且在多路复用器处未断言用于为多路复用器选择用于将同步控制器的输出或异步控制器的输出连接到功率级的操作模式的控制信号“sel”时，多路复用器例如通过将异步控制器的输出连接到功率级的输入来提供来自异步控制器的功率级的控制。随后，异步控制器以异步方式并且在不受时钟信号CLK束缚的情况下控制功率级的输出信号VOUT。举例来说，功率级以与时钟信号CLK不相关的频率切换，并且时钟信号CLK可保持未断言或断开。当在控制逻辑电路处未断言停用信号DIS时，在时钟信号CLK的上升沿处在控制断言信号“AT”可被登记为断言之前，时钟信号CLK以固定频率提供。一旦登记信号AT，就在锁相控制器324处断言启用信号“enat”，指示可开始功率级的控制从异步控制器过渡到同步控制器。当时钟信号CLK提供固定频率并且断言信号AT时，锁相控制器监测异步控制器的控制信号“ctrl_async”的不相关频率并且产生用于频率控制器的控制信号“ctrl_ph”以通过频率控制器修改相位和/或频率反馈。异步控制器基于来自频率控制器的输入控制功率级的开关频率。频率控制器和锁相控制器执行相位/频率修改，同时异步控制器保持控制功率级的输出电压VOUT，这样可防止输出电压VOUT的大偏移。在于异步控制器处相位/频率修改的同时，允许同步控制器使用时钟信号CLK预偏置其内节点以维持状态而无需功率级的手动控制。当锁相控制器使相位/频率同步时，锁相控制器还向控制逻辑电路提供信号“phsns”，该信号“phsns”确定是否已经实现相位/频率的同步。举例来说，在确定已经实现相位/频率同步之前，控制逻辑电路等待信号phsns的脉冲流或无脉冲以及时钟信号CLK的预定数目的N次循环。在相位/频率同步的同时，控制逻辑电路在采样保持单元320处断言控制信号“采样_ON(sample_ON)”，该控制信号“采样_ON”预设同步控制器的(一个或多个)状态变量。当实现相位/频率同步时，控制逻辑电路在多路复用器处在时钟信号CLK的接下来可获得的上升沿上断言信号sel。在多路复用器处断言信号sel通过例如将同步控制器的输出连接到功率级的输入(这允许同步控制器通过控制信号“ctrl_sync”驱动功率级)来完成功率级的控制从异步控制器过渡到同步控制器。
图4为对应于图3中所描绘的开关模式电力供应器300的信号时序图。在图4中所示的信号时序图中，功率级302的控制从可实施脉冲频率调制(PFM)的异步控制器306过渡到可实施脉冲宽度调制(PWM)的同步控制器304。图4中所示的信号包括用于控制逻辑电路326的控制信号AT 410、用于控制逻辑电路的控制信号phsns 420、用于多路复用器328的控制信号sel 430、时钟信号CLK 412、来自异步控制器的输出PFM信号440和来自同步控制器的输出PWM信号450。在时间点t0，控制信号AT从逻辑0变为逻辑1，并且在预设同步控制器的(一个或多个)状态变量的同时，异步控制器和同步控制器的时钟之间的同步开始。从时间点t0到时间点t1，相位和频率同步以及状态变量预设的过程继续，同时异步控制器维持功率级的控制。在时间点t1，已经实现异步控制器的相位/频率与同步控制器的时钟的同步。从时间点t1到时间点t2，控制单元308等待几个时钟循环用于确认相位和频率锁定，并且同步控制器的(一个或多个)状态变量的预设继续，同时异步控制器维持功率级的控制。在时间点t2，确认相位和频率锁定并且准予同步控制器以PWM进行功率级的控制。
图5描绘图3中所描绘的开关模式电力供应器300的功率级302的实施例。在图5的实施例中，功率级502包括任选的电流传感器532、纹波传感器534、输出传感器536、功率场效应晶体管(FET)驱动器538、晶体管540、542、电感器544和电容器546。任选的电流传感器被配置成响应于输入电流(在此例子中等于当晶体管540导通时电感器544中的电流)，产生用于同步控制器304(在图3中示出)的控制信号“Isns*”。功率FET驱动器被配置成驱动晶体管540、542处于来自多路复用器的信号“ctrl_主”的控制下。纹波传感器被配置成监测电感器两端上的电压和/或电流纹波并且产生用于反馈到异步控制器306(在图3中示出)的比例信号“fb_async”。输出传感器被配置成监测功率级的输出电压VOUT并且产生用于反馈到同步控制器的比例信号“fb_sync”。图5中所描绘的功率级502为图3中所描绘的功率级302的可能实施方案。然而，图3中所描绘的功率级可与图5中所描绘的功率级不同地实施。
图6描绘图3中所描绘的开关模式电力供应器300的同步控制器304的实施例。在图6的实施例中，同步控制器604与包括钳位电路630和采样保持(S/H)控制器632的采样保持单元620一起使用。在图6的实施例中，同步控制器包括误差放大器650、补偿单元652、任选的电压或电流求和元件654、比较器656、斜坡产生器658和锁存器660。误差放大器被配置成比较参考电压“VREF”与来自功率级302(在图3中示出)的反馈信号fb_sync，并且放大参考电压VREF和反馈信号fb_sync之间的差。在一些实施例中，采样保持单元另外被配置成在功率级的控制过渡到同步控制器之前，将同步控制器中的补偿单元的输出设定成预设状态。补偿单元被配置成执行对误差放大器的输出的信号补偿。比较器被配置成当Isns存在时比较电压或电流求和元件的输出与补偿单元的输出，或当Isns不存在时比较斜坡产生器的输出与补偿单元的输出。锁存器连接到时钟信号CLK并且连接到比较器的输出。锁存器被配置成基于时钟信号CLK和基于比较器的输出，输出控制信号ctrl_sync。图6中所描绘的同步控制器604为图3中所描绘的同步控制器304的可能实施方案。然而，图3中所描绘的同步控制器可与图6中所描绘的同步控制器不同地实施。
在实施例中，与典型放大器的时间常数相比，误差放大器650和补偿单元625由于稳定性考虑因素可具有相对高/长的时间常数。如果同步控制器被给定功率级的即时控制，那么当误差放大器在多个时钟循环内搜索正确操作点时，同步控制器的输出可呈现大偏移。通过使异步控制器306与同步控制器的时钟同步和预设补偿单元的输出，当从异步切换到同步控制时，在功率级的输出Vout处的偏移可减小或消除。在使异步控制器的相位和频率配置与同步控制器的时钟信号同步的同时，在功率级的控制过渡到同步控制器之前，同步控制器中的补偿单元的输出被设定成预设操作点(例如，通过钳位电路630)。通过与异步控制器同步，同步控制器可产生部分集合的状态信号，该部分集合的状态信号然后用于经由采样保持单元620使用钳位电路630来预偏置补偿单元的输出。在一些实施例中，S/H控制器632被配置成将补偿单元的输出预偏置成通过斜坡产生器产生的斜坡信号或预偏置成斜坡信号和在PWM信号的脉冲宽度结束时的电流感测信号“Isns*”的总和。斜坡信号和/或电流感测信号Isns*可与功率级中的切换同步产生。电流感测信号Isns*独立地存在于电流模式同步控制器中并且通常与峰值或谷值电流模式控制器中的斜坡信号求和或者从该峰值或谷值电流模式控制器中的斜坡信号中减去。通过斜坡产生器产生的斜坡信号或为斜坡信号和电流感测信号Isns*的总和的斜坡信号连接到比较器656的第一输入，而在穿过补偿单元之后误差放大器的输出连接到比较器的第二输入。当功率级的控制过渡到同步控制器时，同步控制器的输出可处于适当状态。
图7描绘图3中所描绘的开关模式电力供应器300的异步控制器306的实施例。在图7的实施例中，异步控制器706与频率控制器722和求和元件762一起使用。举例来说，异步控制器包括比较器764和锁存器766。比较器被配置成比较参考电压VREF与来自功率级302的反馈信号fb_async。锁存器连接到比较器并且连接到频率控制器。锁存器被配置成基于来自频率控制器的控制信号和比较器的输出，输出控制信号ctrl_async。图7中所描绘的异步控制器706为图3中所描绘的异步控制器306的可能实施方案。然而，图3中所描绘的异步控制器可与图7中所描绘的异步控制器不同地实施。
图8描绘图3中所描绘的开关模式电力供应器300的锁相控制器324的实施例。锁相控制器可被配置成响应于启用信号enat，使异步控制器306的相位和频率与用于驱动同步控制器304的时钟信号CLK同步。在图8的实施例中，锁相控制器824包括电流源830、832，开关834、836、838，滤波器840、电压源842、放大器844、与门846、848，同或门850和锁存器852。图8中所描绘的锁相控制器824为图3中所描绘的锁相控制器324的可能实施方案。然而，图3中所描绘的锁相控制器可与图8中所描绘的锁相控制器不同地实施。
图9描绘图3中所描绘的开关模式电力供应器300的控制逻辑电路326的实施例。控制逻辑电路可被配置成确定异步控制器306的相位和频率与用于驱动同步控制器304和控制采样保持单元320、多路复用器328和锁相控制器324的时钟信号CLK同步。在图9的实施例中，控制逻辑电路926包括锁存器930、932，计数器934，与门936、938，反相器940、942、944，电阻器946、948，电容器950，或门952、延迟元件954和与非门956、958。图9中所描绘的控制逻辑电路926为图3中所描绘的控制逻辑电路326的可能实施方案。然而，图3中所描绘的控制逻辑电路可与图9中所描绘的控制逻辑电路不同地实施。
图10描绘图3中所描绘的开关模式电力供应器300的过程流程图。具体地说，在框1000中，功率级处于异步控制下并且多路复用器328将功率级连接到异步控制器306。在框1002中，确定开关模式电力供应器的负载高于预定义阈值。在框1004中，异步控制器的相位和频率与用于驱动同步控制器304的时钟CLK同步，同时在框1006中，在同步控制器中捕获并且预设一个或多个状态变量。在框1008中，确定实现频率和相位锁定。在框1010中，确定进行预定义数目的时钟循环的超时，在这之后迫使功率级的控制从异步控制器转移到同步控制器。在框1012中，多路复用器将功率级连接到同步控制器并且功率级处于同步控制下。
图11为根据本发明的实施例的用于操作开关模式电力供应器的方法的过程流程图。在框1102处，开关模式电力供应器的异步控制器的相位和频率与开关模式电力供应器的同步控制器的时钟信号同步，同时异步控制器控制开关模式电力供应器的功率级。在框1104处，在使异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号同步的同时，预设同步控制器的状态变量，同时异步控制器控制开关模式电力供应器的功率级。在框1106处，在异步控制器的相位和频率与同步控制器的时钟信号同步之后并且在预设同步控制器的状态变量之后，将功率级的控制从异步控制器转移到同步控制器。开关模式电力供应器可与图1中所描绘的开关模式电力供应器100和/或图3中所描绘的开关模式电力供应器300相同或类似。功率级可与图1中所描绘的功率级102、图3中所描绘的功率级302和/或图5中所描绘的功率级502相同或类似。异步控制器可与图1中所描绘的异步控制器106、图3中所描绘的异步控制器306和/或图7中所描绘的异步控制器706相同或类似。同步控制器可与图1中所描绘的同步控制器104、图3中所描绘的同步控制器304和/或图6中所描绘的同步控制器604相同或类似。
在以上描述中，提供各种实施例的具体细节。然而，可以在少于这些具体细节的全部细节的情况下实践一些实施例。在其它情况下，为了简洁和清晰起见，详细描述某些方法、程序、组件、结构和/或功能仅仅为了能够实现本发明的各种实施例。
尽管在本文中(一种或多种)方法的操作以特定次序示出和描述，但是每种方法的操作的次序可更改，使得某些操作可以逆序执行或使得某些操作可至少部分地与其它操作同时执行。在另一个实施例中，可以间断的和/或交替的方式实施不同操作的指令或子操作。
还应注意，本文中所描述的方法的至少一些操作可使用存储于计算机可用存储媒体上的软件指令来实施，以供计算机执行。作为一例子，计算机程序产品的实施例包括用于存储计算机可读程序的计算机可用存储媒体。
计算机可用或计算机可读存储媒体可以是电子、磁性、光学、电磁、红外线或半导体系统(或设备或装置)。非暂时性计算机可用存储媒体和计算机可读存储媒体的例子包括半导体或固态存储器、磁带、可拆卸计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、刚性磁盘和光盘。光盘的当前例子包括具有只读存储器的高密度磁盘(CD-ROM)、具有读/写的高密度磁盘(CD-R/W)以及数字视频光盘(DVD)。
可替换的是，本发明的实施例可完全实施于硬件或包含硬件元件和软件元件两者的实施方案中。在使用软件的实施例中，软件可包括但不限于固件、常驻软件、微码等。
尽管已经描述并且示出本发明的具体实施例，但是本发明不限于如此描述和示出的部分的特定形式或布置。本发明的范围将由在此所附的权利要求书及其等效物所限定。
Claims (9)
1.一种用于操作开关模式电力供应器的方法，其特征在于，所述方法包括：
使所述开关模式电力供应器的异步控制器的相位和频率与所述开关模式电力供应器的同步控制器的时钟信号同步，同时所述异步控制器控制所述开关模式电力供应器的功率级；
在使所述异步控制器的所述相位和频率与所述同步控制器的所述时钟信号同步的同时，预设所述同步控制器的状态变量，同时所述异步控制器控制所述开关模式电力供应器的所述功率级；其中预设所述同步控制器的所述状态变量包括将所述同步控制器中的补偿单元的输出设定成预设状态；和
在所述异步控制器的所述相位和频率与所述同步控制器的所述时钟信号同步之后并且在预设所述同步控制器的所述状态变量之后，将所述功率级的控制从所述异步控制器转移到所述同步控制器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述开关模式电力供应器的所述异步控制器的所述相位和频率与所述开关模式电力供应器的所述同步控制器的所述时钟信号同步包括使所述开关模式电力供应器的所述异步控制器的所述相位和频率与所述同步控制器的所述时钟信号的相位和频率同步，同时所述异步控制器控制所述开关模式电力供应器的所述功率级。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：在使所述异步控制器的所述相位和频率与所述同步控制器的所述时钟信号同步的同时，控制多路复用器以将所述异步控制器的输出连接到所述功率级。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预设所述同步控制器的所述状态变量包括响应于外部信号，预设所述同步控制器的所述状态变量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述功率级的控制从所述异步控制器转移到所述同步控制器包括控制多路复用器以将所述同步控制器的输出连接到所述功率级。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预设所述同步控制器的所述状态变量包括响应于所述开关模式电力供应器的负载的变化或提供到所述开关模式电力供应器的输入电压的变化，预设所述同步控制器的所述状态变量。
7.一种用于操作开关模式电力供应器的控制器装置，其特征在于，所述控制器装置包括：
异步控制器；
同步控制器；和
控制单元，所述控制单元被配置成：
使所述开关模式电力供应器的所述异步控制器的相位和频率与所述开关模式电力供应器的所述同步控制器的时钟信号同步，同时所述异步控制器控制所述开关模式电力供应器的功率级；
在使所述异步控制器的所述相位和频率与所述同步控制器的所述时钟信号同步的同时，通过将所述同步控制器中的补偿单元的输出设定成预设状态来预设所述同步控制器的状态变量，同时所述异步控制器控制所述开关模式电力供应器的所述功率级；和
在所述异步控制器的所述相位和频率与所述同步控制器的所述时钟信号同步之后并且在预设所述同步控制器的所述状态变量之后，将所述功率级的控制从所述异步控制器转移到所述同步控制器。
8.一种开关模式电力供应器，其特征在于，所述开关模式电力供应器包括：
功率级；
异步控制器，所述异步控制器被配置成在不与时钟信号同步的情况下控制所述功率级；
同步控制器，所述同步控制器被配置成基于时钟信号控制所述功率级；和
控制单元，所述控制单元被配置成：
使所述开关模式电力供应器的所述异步控制器的相位和频率与所述开关模式电力供应器的所述同步控制器的时钟信号同步，同时所述异步控制器控制所述开关模式电力供应器的功率级；
在使所述异步控制器的所述相位和频率与所述同步控制器的所述时钟信号同步的同时，通过将所述同步控制器中的补偿单元的输出设定成预设状态来预设所述同步控制器的状态变量，同时所述异步控制器控制所述开关模式电力供应器的所述功率级；和
在所述异步控制器的所述相位和频率与所述同步控制器的所述时钟信号同步之后并且在预设所述同步控制器的所述状态变量之后，将所述功率级的控制从所述异步控制器转移到所述同步控制器。
9.根据权利要求8所述的开关模式电力供应器，其特征在于，所述控制单元包括采样保持单元，所述采样保持单元被配置成在所述功率级的控制被切换到所述同步控制器之前，将所述同步控制器中的补偿单元的输出设定成预设状态。
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