CN110391735B - 具有可编程脉冲跳频模式的pwm模式升压开关调节器 - Google Patents

Abstract

公开一种具有可编程脉冲跳频模式的PWM模式升压开关调节器及一种电源。所述电源包括用于调节输入电压的开关和用于感测通过所述开关的电流的电流感测晶体管。所述电源另外包括用于控制所述开关的开关频率的开关控制。还包括耦合到所述开关控制的可编程脉冲跳频电路。所述开关控制被配置成基于从所述可编程脉冲跳频电路接收的脉冲跳频控制信号而改变所述开关频率。所述可编程脉冲跳频电路基于输入到所述可编程脉冲跳频电路的外部控制信号和所述电流感测晶体管感测到的电流而产生所述脉冲跳频控制信号。

Description

具有可编程脉冲跳频模式的PWM模式升压开关调节器

技术领域

本发明涉及一种具有可编程脉冲跳频模式的PWM模式升压开关调节器及一种电源。

背景技术

每个电子装置中都使用电源。存在若干种类型的DC到DC电源，包括用于不同应用的开关调节器和低压差调节器(LDO)。开关调节器使用打开和关闭以维持平均输出值的有源装置。

脉冲宽度调制(PWM)模式开关功率调节器使用PWM时钟来对一个或多个开关进行开关以调节输入电压，从而提供恒定的输出电压。

发明内容

提供此发明内容是为了以简化形式介绍下文在具体实施方式中进一步描述的概念选择。本发明内容并非意图识别所要求的主题的关键特征或基本特征，也并非意图用于限制所要求的主题的范围。

在一个实施例中，公开一种电源。所述电源包括用于调节输入电压的开关和用于感测通过所述开关的电流的电流感测晶体管。所述电源另外包括用于控制开关的开关的开关控制。还包括耦合到开关控制的可编程脉冲跳频电路，以实施可编程脉冲跳频模式。开关控制被配置成基于从可编程脉冲跳频电路接收的脉冲跳频控制信号而改变开关频率。可编程脉冲跳频电路基于输入到可编程脉冲跳频电路的外部控制信号和电流感测晶体管感测到的电流而产生脉冲跳频控制信号。

在一些例子中，可编程脉冲跳频电路包括耦合到电流感测晶体管且保存峰值电流值的峰值电流值采样器，以及用于基于外部控制信号选择多个预选定固定参考电压中的一个的参考电压选择器。可编程脉冲跳频电路还可包括耦合到峰值电流值采样器和参考电压选择器的脉冲跳频比较器。脉冲跳频比较器基于从峰值电流值采样器和参考电压选择器输入的值而生成脉冲跳频控制信号。

附图说明

为了能够详细地理解本发明的上述特征，可参考实施例来作出上文简要概括的本发明的更特定描述，所述实施例中的一些在附图中加以示出。然而，应注意，附图仅示出本发明的典型实施例且因此不应被视为限制本发明的范围，这是因为本发明可准许其它同等有效的实施例。本领域的技术人员在结合附图阅读本描述后，将清楚所要求的主题的优点，在附图中类似的附图标号用于标示类似的元件，并且在附图中：

图1描绘根据本公开的一个或多个实施例的具有可编程脉冲跳频模式模块的电源的示意图。

应注意，图式未必按比例绘制。已经省略图式转变之间的中间步骤以免混淆本公开。那些中间步骤对于本领域的技术人员来说是已知的。

具体实施方式

在描述中已经省略或未详细描述许多熟知的制造步骤、组件和连接器，以免混淆本公开。

脉宽调制(PWM)模式调节器中通常使用固定频率脉冲。当输出负载电流低于选定阈值时，PWM模式调节器被配置成使脉冲跳频以减少开关损耗并提高效率。可以使用脉冲频率调制方案来实施脉冲跳频，在脉冲频率调制方案中，当输出负载电流低于选定阈值时，脉冲频率降低到另一固定值。选定阈值是固定值，且这个方案可能不适用于在不同操作条件下需要不同阈值的应用。可编程脉冲跳频可提供更好的可配置性和性能，因为脉冲频率可以根据不同输出负载条件来改变。

图1示出包括控制器芯片102的开关电源(SMP)100。SMP 100还包括电感器、二极管、电容器和电阻器，它们可以在控制器芯片102外部。控制器芯片102包括用于生成脉宽调制(PWM)时钟(PWM Clk)的振荡器(未示出)。控制器芯片102包括PWM控制器118，PWM控制器118耦合到驱动器116以驱动开关晶体管132，从而调节输入电压Vin并产生稳定的输出电压Vout。在一些例子中，开关晶体管可以是功率NMOS开关。包括感测晶体管134以感测通过开关晶体管132的电流。包括电流感测电路112以将感测到的电流转换成电压波形。感测电流还表示通过电感器的电流。

电流感测电路112耦合到电流求和块110。电流求和块110耦合到斜率补偿电流生成器108。通常，采用峰值电流模式控制(PCMC)的开关模式电源(SMP)需要斜坡信号来对内部电流控制环路进行斜率补偿。斜率补偿使电流环路稳定，否则电流环路在以连续导通模式操作时会展现分谐波振荡，其中占空因数接近或高于50％。并且，应该受控制的电流是电感器电流的平均值，它与负载电流直接相关，因为输出电容器136应具有零平均电流。斜率补偿通常通过对周期性斜坡与感测到的电流信号进行求和来实施。

斜率补偿电流生成器108的输出被输入到PWM比较器138。PWM比较器138的另一输入是从包括误差放大器114、电阻器和电容器的误差补偿块接收的。PWM比较器138的输出被提供给PWM控制器118。误差放大器114耦合到Vout端口和参考电压源(Vref)。

控制器芯片102另外包括可编程脉冲跳频模式块122，所述可编程脉冲跳频模式块122包括峰值电流值采样器104。感测到的电流的峰值电流值保存在峰值电流值采样器104处。可编程脉冲跳频模式块122包括参考电压选择器120。参考电压选择器120包括多个固定参考电压输入Refl、Ref2、Ref3......RefN。这些参考电压输入的值可以进行配置。例如，在一些例子中，Ref1可以是10mV，Ref2可以是20mV，以此类推。系统设计者可依据其中将使用电源100的应用的类型来使用其它值。参考电压选择器120包括控制端口130。来自控制端口130的控制信号判定使用Ref1到RefN中的哪一参考电压。控制信号将从其中将使用电源100的系统的其它部分供应到控制端口130。例如，系统设计者可设计其中控制电路将从控制器芯片102外部生成控制端口130的控制信号的系统。换句话说，控制信号可基于其中将使用电源100的系统的特定系统要求来生成。应注意，电源100的标准组件没有详细描述，以免混淆在本文中描述的实施例。本领域技术人员熟知电源的标准组件(例如，电流求和、斜率补偿等)。

峰值电流值采样器104和参考电压选择器120耦合到脉冲跳频比较器106。基于来自控制端口130的控制信号和保存在峰值电流值采样器104处的感测到的电流的峰值，比较器106可生成脉冲跳频信号。脉冲跳频信号被输入到PWM控制器118以控制开关频率。在本文中描述的实施例实现依据特定系统要求和负载电流，对开关频率进行细粒度控制。在一些例子中，如果系统设计者需要在轻负载条件下具有高效率，那么系统设计者可在控制端口130处提供适当的控制信号以在Ref1到Ref当中选择高参考电压，以便更早地进入脉冲跳频模式。脉冲跳频模式降低开关频率，从而减少开关损耗，并由此增加电源100的功率效率。

在一些实施例中，控制端口130可以耦合到I2C^TM总线。I2C^TM总线通常用于允许驻存在同一电路板上的组件之间实现轻松连通。

这些实施例中的一些或全部可组合，一些可被完全省略，且可添加额外过程步骤，同时仍实现本文中所描述的产品。因此，本文中所描述的主题可以许多不同变化形式体现，且所有此类变化形式涵盖在权利要求书的范围内。

尽管已借助于例子并根据特定实施例描述一个或多个实施方案，但应理解，一个或多个实施方案不限于所公开的实施例。相反地，希望涵盖对本领域的技术人员来说将显而易见的各种修改和类似布置。因此，所附权利要求书的范围应被赋予最广义的解释，以便涵盖所有此类修改和类似布置。

除非本文另外指示或明显与上下文相矛盾，否则在描述主题的上下文中(尤其在所附权利要求书的上下文中)使用术语“一(a/an)”和“所述”以及类似指示物应理解为涵盖单数以及复数。除非本文另外指示，否则本文中对值的范围的叙述仅意图充当单独地提及处于所述范围内的每一个单独的值的速记方法，并且每一个单独的值并入本说明书中，如同在本文中单独地叙述一般。此外，上述描述是仅出于说明的目的，而不是出于限制的目的，因为寻求保护的范围由在下文中阐述的权利要求及其任何等效物来限定。除非另外要求，否则本文中所提供的对任何和所有例子或示例性语言(例如，“例如”)的使用仅意在更好地说明主题，而并非对主题的范围进行限制。在权利要求和书面描述二者中使用术语“基于”和指示产生结果的条件的其它类似短语并不意图排除产生所述结果的任何其它条件。本说明书中的任何语言都不应理解为指示任何非要求的要素对实践本发明来说都像所要求的要素那样必需。

本文中描述优选实施例，包括本发明人已知的用于执行所要求的主题的最佳模式。当然，在阅读上述描述之后，本领域的技术人员将清楚那些优选实施例的变化形式。本发明人期望本领域技术人员按需要采用此类变化形式，并且本发明人打算以不同于本文中特定描述的其它方式来实践所要求的主题。因此，这个所要求的主题包括适用法律所允许的随附权利要求中所引述的主题的所有修改和等效物。此外，除非本文另外指示或以其它方式明显与上下文矛盾，否则涵盖上述元件以其所有可能变化形式的任何组合。

Claims (5)

1.一种电源，其特征在于，包括：

用于调节输入电压的开关；

用于感测通过所述开关的电流的电流感测晶体管；

用于控制所述开关的开关频率的开关控制；以及

耦合到所述开关控制的可编程脉冲跳频电路，其中所述开关控制被配置成基于从所述可编程脉冲跳频电路接收的脉冲跳频控制信号而改变所述开关频率，其中所述可编程脉冲跳频电路基于输入到所述可编程脉冲跳频电路的外部控制信号和所述电流感测晶体管感测到的电流的峰值而产生所述脉冲跳频控制信号，并且脉冲频率根据不同的输出负载条件而改变；

耦合到驱动器的PWM控制器，以驱动开关控制；

电流求和块；

耦合到电流求和块的电流感测电路；

耦合到电流求和块的斜率补偿电流生成器，斜率补偿电流生成器的输出被输入到PWM比较器，对周期性斜坡与感测到的电流信号进行求和来实施，PWM比较器的输出被提供给PWM控制器。

2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述可编程脉冲跳频电路包括峰值电流值采样器，所述峰值电流值采样器耦合到所述电流感测晶体管并保存电流感测晶体管感测到的电流的峰值。

3.根据权利要求2所述的电源，其特征在于，所述可编程脉冲跳频电路包括参考电压选择器，所述参考电压选择器基于所述外部控制信号而选择多个预选定固定参考电压中的一个。

4.根据权利要求3所述的电源，其特征在于，所述可编程脉冲跳频电路包括脉冲跳频比较器，所述脉冲跳频比较器耦合到所述峰值电流值采样器和所述参考电压选择器。

5.根据权利要求4所述的电源，其特征在于，所述脉冲跳频比较器基于从所述峰值电流值采样器和所述参考电压选择器输入的值而生成所述脉冲跳频控制信号。