CN111082663A - 使用占空比状态机控制开关模式功率转换器的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种功率转换系统包括开关模式功率转换器，所述开关模式功率转换器包括开关，所述开关被耦合以响应于反馈信号而将输出电压调节到稳定值。控制器被耦合以在使能控制状况期间将栅极驱动信号递送到所述开关。所述控制器还被耦合以在禁止控制状况期间禁止所述栅极驱动信号到所述开关。被包括在控制器中的占空比状态机被耦合以根据多个离散的占空比状态调整所述栅极驱动信号的占空比。

Description

使用占空比状态机控制开关模式功率转换器的装置和方法
技术领域
本发明涉及使用占空比状态机控制开关模式功率转换器，并且更具体地涉及控制耦合到反激转换器的次级的升压转换器的离散占空比。
背景技术
许多电子设备，例如手机、膝上型计算机等，由自电源得到的直流(dc)电供电。常规的壁装插座通常递送高压交流(ac)电，该高压交流电被转换为稳压dc电以便用作消费电子设备的电源。在一些应用中，功率转换系统可以级联一个或多个功率转换器级，包括功率因数校正(PFC)级。开关模式功率转换器因其效率高、尺寸小、重量轻而被普遍使用来将高压ac电转换为稳压dc电。
开关模式功率转换器的一种拓扑是反激转换器，该反激转换器使用变压器将开关能量从初级绕组传递到次级绕组。另一种拓扑是升压转换器，该升压转换器将输入电压转换为提高(更高)的输出电压。
附图说明
参考以下附图描述用于使用占空比状态机控制开关模式功率转换器的非限制性和非穷举性实施方案，其中除非另有说明，否则在所有各个视图中，相同的附图标记指代相同的部分。
图1A示出了根据本发明一实施方案的包括开关模式功率转换器和占空比状态机的示例性功率转换系统。
图1B示出了根据本发明另一实施方案的包括开关模式功率转换器和占空比状态机的另一示例性功率转换系统。
图2示出了根据本发明一实施方案的使用占空比状态机的示例性开关模式功率转换器和控制器。
图3示出了根据本发明一实施方案的栅极控制模块的示例性电路实现。
图4示出了图3的示例性栅极控制模块的相应开关信号波形。
图5示出了根据本发明一实施方案的占空比状态机的示例性状态图。
图6示出了根据一实施方案的用于使用占空比状态机控制示例性开关模式功率转换器的概念流程图。
在附图的所有若干视图中，相应的附图标记指示相应的部件。本领域技术人员将理解，图中的元件是为了简化和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸可能相对于其他元件被夸大，以帮助提高对本文教导的各实施方案的理解。而且，通常不描绘在商业上可行的实施方案中有用或必需的常用但众所周知的元件，以便于较不妨碍对用于使用占空比状态机控制开关模式功率转换器的这些各实施方案的查看。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多具体细节，以提供对使用占空比状态机控制开关模式功率转换器的透彻理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，不需要采用所述具体细节来实践本文的教导。在其他情况下，没有详细描述公知的材料或方法，以避免模糊本公开内容。
贯穿本说明书提及“一个实施方案(one embodiment)”、“一实施方案(anembodiment)”、“一个实施例(one example)”或“一实施例(an example)”意味着，结合该实施方案或实施例描述的具体特征、结构或特性被包括在用于使用占空比状态机控制开关模式功率转换器的至少一个实施方案中。因此，在整个说明书各个地方出现的措辞“在一个实施方案中(in one embodiment)”、“在一实施方案中(in an embodiment)”、“一个实施例”或“一实施例”不一定全都指代相同的实施方案或实施例。此外，具体特征、结构或特性可以在一个或多个实施方案或实施例中以任何合适的组合和/或子组合进行组合。具体特征、结构或特性可以被包括在集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述的功能的其他合适的部件中。另外，应当理解的是，随本文提供的附图用于向本领域普通技术人员解释的目的，并且附图不一定按比例绘制。
在本申请的上下文中，当晶体管处于“断开状态”或“断开”时，该晶体管阻断电流和/或基本上不传导电流。相反，当晶体管处于“导通状态”或“导通”时，该晶体管能够基本上传导电流。举例来说，在一个实施方案中，高压晶体管包括N沟道金属氧化物半导体(NMOS)场效应晶体管(FET)，其中高压被支承在第一端子即漏极和第二端子即源极之间。在一些实施方案中，当调节提供给负载的能量时，可以使用集成控制器电路来驱动功率开关。另外，出于本公开内容的目的，“接地(ground)”或“地电势(ground potential，地电位)”是指如下参考电压或电势：电子电路或集成电路(IC)的所有其他电压或电势都相对于该参考电压或电势来进行定义或测量。
如上文介绍的，功率转换系统可以级联一个或多个功率转换器级，该一个或多个功率转换器级包括功率因数校正(PFC)级。基于该概念的现代配置可以包括使用反激式拓扑的PFC级(即，反激转换器)，该PFC级(即，反激转换器)耦合到与该反激转换器异步操作的另一个开关模式功率转换器。例如，该开关模式功率转换器可以是电耦合到反激转换器的次级绕组的升压转换器。以此方式，升压转换器可以有利地作为附加的功率转换级运作用于调节负载处的输出电压。
另外，当用作级联系统(例如，具有反激转换器和升压转换器的系统)的一部分时，升压转换器可以有利地使用更简单和/或更宽松的控制方法。例如，利用周期跳跃(cycleskipping，周跳)的使用恒定频率的升压开关驱动的控制方法可用于调节输出电压，而不牺牲系统调节规范。使用恒定频率周期跳跃方法可以有利地简化环路补偿和/或部件要求，由此改善总体环路响应和动态性能。然而，周期跳跃也可能导致可听噪声。因此，需要一种消除和/或显著减少可听噪声的恒定频率周期跳跃控制方法。
本文公开了一种用于使用占空比状态机来控制开关模式功率转换器的装置和方法。占空比状态机可以提供一个或多个信号以改变占空比的离散值。这进而可以有利地减少周期跳跃和相关联的可听噪声。另外，占空比状态机可以基于一个或多个系统运行状况来选择离散占空比。
图1A示出了根据本发明一实施方案的包括开关模式功率转换器108和占空比状态机150的示例性功率转换系统100a。功率转换系统100a包括第一功率转换器101、系统控制器106、开关模式功率转换器108和负载105。系统输入电力(input power，输入功率)(即，输入电流IIN和输入电压VIN)可以在输入端子98和99之间相对于初级接地GND被递送，并被转换为系统输出电力(ouput power，输出功率)(即，输出电流IO和输出电压VO)。系统输出电力可以在输出端子105和107之间相对于本地接地SGND被递送到负载110。
系统控制器106电耦合到第一功率转换器101和开关模式功率转换器108，以控制和调节递送到负载110的能量传递。如所示，第一功率转换器101可以向负载提供中间电流ICC(例如，恒定电流)，并且还可以向开关模式功率转换器108的输入提供次级电力(例如，供电电压VR)。
同样如所示的，第一功率转换器101可以使用反激式拓扑(即反激转换器)，该反激式拓扑包括箝位器102、变压器104、次级侧部件103和整流器块109。变压器104包括第一初级绕组112、第二初级绕组113、第一次级绕组114和第二次级绕组115。在所示的示例中，系统控制器106包括初级开关132、初级控制模块120和次级控制模块124。
初级控制模块120可以控制初级开关132的开关，以在初级绕组112处提供开关电力(switched power，开关功率)(即，开关电流ISW和开关漏极电压VD)，这又可以将开关电力磁耦合到次级绕组114-115和初级绕组113。初级绕组113处的耦合电力(coupled power，耦合功率)可以用整流器块109整流，以向初级控制模块120提供经整流的供电电压VBP。次级绕组114-115处的耦合电力可以通过次级部件103被传递到负载110。
另外，初级控制模块120可以从系统控制器106内部和外部接收一个或多个附加信号。例如，可以将系统控制器106外部的信号VP提供给初级控制模块120用于欠压锁定(UVLO)和/或过压(OV)保护。此外，初级控制模块120可以从次级控制模块124接收信号FL。信号FL可以是从次级控制模块124传送控制信息的电流隔离信号(例如，磁耦合信号和/或光耦合信号)。以这种方式，次级控制模块124可以与初级控制模块120电流隔离，使得次级控制模块124处的信号可以参考本地接地SGND，并且与初级控制模块120处的信号隔离，初级控制模块120处的信号参考初级接地GND。
如所示，次级控制模块124耦合到次级部件103。次级部件103包括分压器151、二极管D1、二极管D2、电容器C1和NMOS开关152。同样如所示的，分压器151电耦合到次级绕组115，并且可以提供次级绕组信号VFW，该次级绕组信号VFW用于传送与初级开关132的运行有关的信息。
在从次级绕组114传递电力方面，次级控制模块124可以通过电容器C1将栅极驱动信号VHS耦合到NMOS开关152的栅极，以阻断和/或传送电流(即，电流ICC)。例如，当栅极驱动信号VHS控制NMOS开关152传导电流时，次级绕组114处的耦合电力可以用二极管D2整流并且被传送到负载110。可替代地，当栅极驱动信号VHS控制NMOS开关152以阻断电流时，次级绕组114处的耦合电力可以相对于负载110被阻断。
次级绕组115处的耦合电力可以用二极管D1整流并被传递，以便向次级控制模块124和开关模式功率转换器108的输入提供中间电力(即，包括供电电压VR的电力)。
如所示，次级控制模块124还耦合到开关模式功率转换器108。开关模式功率转换器108包括以升压拓扑(即，升压转换器)配置的电感器L1、电容器C2、反馈网络153、二极管D3和开关154。
在传递和调节来自次级绕组115的电力方面，次级控制模块124可以控制开关模式功率转换器108转换中间电力(即，包括供电电压VR的电力)并将转换后的电力提供给负载110。次级控制模块124可以从反馈网络153接收反馈信号VFB，并且作为响应，将栅极驱动信号VGB(例如，开关信号)提供给开关154的栅极，以将电力传递至负载110。
根据本文的教导，次级控制模块124可包括占空比状态机150。占空比状态机150可用于控制栅极驱动信号VGB的导通时间(和/或占空比)，由此减少和/或消除可听噪声。
图1B示出了根据本发明另一实施方案的包括开关模式功率转换器108和占空比状态机150的另一示例性功率转换系统100b。功率转换系统100b类似于功率转换系统100a，只是该功率转换系统100b包括电流感测网络111，并且它示出了负载110和次级控制模块124的附加特征。例如，如所示，负载110可以包括发光二极管143。另外，次级控制模块124可以包括控制器125。控制器125又可以包括占空比状态机150，并且可以被配置为控制开关模式功率转换器108。
如所示，电流感测网络111可以将感测信号VIS提供给次级控制模块124。感测信号VIS可以与开关154的漏极/源极电流ISW成正比和/或与输出电流IO成正比。以这种方式，次级控制模块124可以为功率转换系统100b提供过电流特征。例如，当感测信号VIS超过当前感测阈值时，则次级控制模块124可以调整或禁止对开关154的栅极控制。
图2示出了根据本发明一实施方案的使用占空比状态机150的开关模式功率转换器108和控制器125。控制器125可以包括栅极控制模块204和缓冲器206。控制器125的功能可以是控制开关154，使得开关模式功率转换器108将电力输入(即，包括供电电压VR的电力)转换成输出电力(即，输出电流IO和输出电压VO)。
如所示，栅极控制模块204可以包括占空比状态机150，并且可以向缓冲器206提供信号DBON。根据一实施方案，信号DBON可以是数字信号，该数字信号可以由缓冲器206缓冲以向开关154提供栅极驱动信号VGB以控制开关模式功率转换器108的运行。例如，如所示，开关模式功率转换器108可以被配置为升压转换器。根据一实施方案，可以为栅极驱动信号VGB提供由占空比状态机150确定的恒定频率和恒定占空比。
同样如所示，控制器125可以接收感测信号VIS、反馈信号VFB，并且还从供电电压VR接收电力。栅极控制模块204可以接收感测信号VIS和/或反馈信号VFB，并且作为响应，提供具有部分地由占空比状态机150确定的恒定频率和占空比的信号DBON。反馈信号VFB可以是从由反馈网络153的电阻器R1和R2形成的分压器得到的电压。如上所述，感测信号VIS可以是指示漏极/源极电流ISW和/或输出电流IO的信号。
在控制开关模式功率转换器108方面，控制器125可以部分地基于反馈信号VFB来使能(enable，启用)和/或禁止栅极驱动信号VGB。例如，根据一实施方案，当反馈信号VFB超过参考值时，则控制器125可以禁止栅极驱动信号VGB，使得开关154在高阻抗(即，阻断)状态下运行。可替代地，当反馈信号VFB下降到参考值以下时，控制器125可以使栅极驱动信号VGB能够以恒定的频率被提供给开关154的栅极。以这种方式，控制器125可以通过在“禁止”状况期间跳过脉冲并且在“使能”状况期间允许脉冲来控制开关154以调节输出电压VO。
脉冲跳跃，也称为开-关控制，可以有利地提供稳定但快速的环路响应。如上文介绍的，不幸的是，脉冲跳跃可能会引入可听噪声。占空比状态机150可以用于改变信号DBON的占空比，从而减少和/或消除可听噪声。
尽管在图2中描绘的实施方案示出了以升压拓扑配置的开关模式功率转换器108和控制器125，但用于功率转换系统和/或独立开关模式电源系统的其他配置是可能的。例如，控制器125和开关模式功率转换器108可以包括降压和降压-升压的其他拓扑配置。另外，控制器125可以被配置为使用更多或更少的信号。例如，控制器125可以从不同于供电电压VR的电压源接收电力。控制器125可以接收比反馈信号VFB和感测信号VIS更多或更少的信号。同样，在一些配置中，控制器125还可以提供不止仅一个栅极驱动信号VGB以控制多个开关。
图3示出了根据本发明一实施方案的栅极控制模块204的示例性电路实现。栅极控制模块204包括三角波发生器300、可变占空比方波发生器301、反馈比较器电路303、过电流比较器电路304、时钟延迟电路305、复位置位(RS)锁存器310、占空比状态机150和多路复用器311。可变占空比方波发生器301包括方波发生器302、比较器321、或门307、D型触发器(DFF)306和与门309。
三角波发生器300以反馈配置与方波发生器302电耦合以产生三角信号VC。三角波发生器300将三角信号VC提供给方波发生器302，作为响应，该方波发生器302产生振荡信号DBOSC和反相振荡信号DBOSCB。以正反馈回路将振荡信号DBOSC和反相振荡信号DBOSCB提供回三角波发生器300。借助于正反馈，三角信号VC可以呈现三角波形。
如所示，三角波发生器300包括电流源317、NMOS晶体管MN2、电容器315、电流源313和NMOS晶体管MN1。电容器315的第一端子电耦合到本地接地SGND。电容器315的第二端子电耦合到NMOS晶体管MN2的源极和NMOS晶体管MN1的漏极。而且，如所示，NMOS晶体管MN2电连接在电流源317和电容器315的第二端子之间，以响应于NMOS晶体管MN2的栅极处的振荡信号DBOSC获得和/或阻断流向电容器315的电流I2。另外，NMOS晶体管MN1电连接在电流源313与电容器315的第二端子之间，以响应于NMOS晶体管MN1的栅极处的反相振荡信号DBOSCB吸收和/或阻断来自电容器315的电流I1。
交替的通过电流I2对电容器315的充电和通过电流I1对电容器315的放电可以产生三角信号VC。三角信号VC可以呈现基于电流I1的大小和电流I2的大小的三角波形。例如，在一个非限制性实施方案中，电流I1和I2可以是基本上时间无关的，并且三角信号VC可以呈现三角波形。另外，在一些实施方案中，电流I1的大小可以基本上等于电流I2的大小。
同样，如所示，方波发生器302包括比较器322-323和锁存器325。锁存器325包括或非门326-327，或非门326-327电交叉耦合以响应于置位信号S1和复位信号R1提供振荡信号DBOSC和反相振荡信号DBOSCB。比较器323基于三角信号VC与参考信号AVB的比较将置位信号S1提供给或非门327。当比较器323的反相输入端处的三角信号VC与参考信号AVB相交(例如，下降到参考信号AVB以下)时，则置位信号S1转变为高。作为响应，振荡信号DBOSC转变为高(即，逻辑高)，而反相振荡信号DBOSCB转变为低(即，逻辑低)。当振荡信号DBOSC转变为高时，NMOS晶体管MN2将电流I2提供到电容器315上，从而使三角信号VC随时间而增加。
三角信号VC增加，直到三角信号VC与参考信号AVT相交(例如，超过参考信号AVT)。比较器322基于三角信号VC与参考信号AVT的比较而将复位信号R1提供给或非门326。当比较器323的非反相输入端处的三角信号VC超过参考信号AVB时，则复位信号R1转变为高。作为响应，振荡信号DBOSC转变为低，而反相振荡信号DBOSCB转变为高。当反相振荡信号DBOSCB转变为高时，NMOS晶体管MN1从电容器315吸收电流I1，从而使三角信号VC随时间而减小。
图4示出了图3的栅极控制模块的相应开关信号波形。波形402可以对应于具有高度dV(例如，一伏的高度dV)的三角信号VC(例如，电压信号)，并且波形404可以对应于振荡信号DBOSC。例如，时间t1和t5描绘了三角信号VC与AVB(即，参考信号AVB)的值相交之时和锁存器325由比较器323置位之时。在时间t1和t5，振荡信号DBOSC(即，波形404)转变为高，并且三角信号VC(即，波形402)随时间而增加。类似地，时间t4和t8描绘了三角信号VC已经与AVT(即，参考信号AVT)的值相交之时以及锁存器325由比较器322复位之时。另外，可以由时间t1和t5确定周期和频率。例如，可以由时间t5和时间t1之差确定周期。在一些实施方案中，信号DBOSC的频率可以基本上等于两百千赫兹(200kHz)。
如图3中所示，可变占空比方波发生器301可以用于基于反馈信号VFB提供(即，使能)信号DBON。信号DBON可以由信号Q1和振荡信号DBOSC的逻辑“与”得出。如所示，DFF 306在其“D”输入端处接收信号D1，并部分地基于D1的值提供信号Q1。例如，当信号D1为低时，信号Q1，并且因此信号DBON，被强制为逻辑低(即，被禁止)。可替代地，当信号D1为高时，信号Q1可以由振荡信号DBOSC提供时钟(clock，计时)(即被使能)以具有可变占空比波形(例如，波形408)。基于反馈信号VFB引起对信号DBON的禁止和使能的电路特征可以到反馈比较器电路303查找。
反馈比较器电路303可以包括比较器333，该比较器333基于反馈信号VFB与参考VR2的比较提供信号D1。如所示，当反相输入端处的反馈信号VFB超过参考VR2时，比较器333可以将信号D1断言(assert)为逻辑低。当反馈信号VFB下降到参考VR2以下时，比较器333可以将信号D1断言为逻辑高。参考图2，反馈信号VFB可以指示输出电压VO。因此，如图3中所示相对于参考VR2控制信号DBON允许通过脉冲跳跃(即，周跳)来调节输出VO。当反馈信号VFB超过参考VR2时，信号DBON变为被禁止(即，低)，由此禁止栅极驱动信号VGB。当反馈信号VFB降低到参考VR2以下时，信号DBON变为被使能，由此使能栅极驱动信号VGB。
如图3中所示，可变占空比方波发生器301还可用于提供具有可变占空比的信号DBON。可以从比较器321至DFF 306查找引起占空比控制的电路特征。
比较器321将其非反相输入端处的三角信号VC与参考信号AVD进行比较，以将信号D4提供给或门307的输入端。通过这种方式，当三角信号VC超过参考信号AVD时比较器321可以将信号D4断言为逻辑高，而当三角信号VC降低到参考信号AVD以下时比较器321可以将信号D4断言为逻辑低。当信号D4被断言为高时，或门307又可以将信号R断言为逻辑高。因此，当三角信号VC超过参考信号AVD时，DFF 306可以将信号Q1复位为逻辑低。
为了进一步说明，图4示出了在时间t1和t5进行从低到高转变的波形408(即信号DBON)。然而，在三角信号VC超过参考信号AVD的时间t3和t7，信号DBON从高转变为低，而振荡信号DBOSC保持高。这样，可以基于参考信号AVD的值来改变DBON的占空比(即，导通时间)。
根据本文的教导，占空比状态机150可以基于系统状态(例如，运行状况)控制和/或改变DBON的占空比。如图3中所示，占空比状态机150可以通过改变参考信号AVD的值来控制占空比。占空比状态机150可以向多路复用器311的控制输入端CNT提供控制矢量(例如，多个逻辑信号)DTY。多路复用器311又可以选择参考信号AVD为多个离散参考信号AVD1-AVD4中之一。例如，在一个实施方案中，离散参考信号AVD1-AVD4可各自具有唯一的离散值(例如，电压)，从而导致唯一的离散占空比。可替代地，并且附加地，在一些实施方案中，可以存在比四个离散参考信号AVD1-AVD4更多或更少的离散参考信号。
如本领域的普通技术人员可以理解的，可以使用各种电路方法来实现占空比状态机150，所述电路方法包括挑选一个或多个系统变量的数字和/或模拟电路块。例如，如图3的实施方案中所示，占空比状态机150可以使用信号DBCLK和信号DBEN来确定系统状态，然后基于该系统状态，可以提供控制矢量DTY。在一些实施方案中，占空比状态机150可以使用计数器来对信号如信号DBCLK的周期进行计数。
如图3和图4中所示，信号DBCLK可以从时钟延迟电路305得到，以具有相对于振荡信号DBOSC具有上升沿移位延迟的波形406。在提供信号DBCLK时，时钟延迟电路305使用与门342和延迟元件341对振荡信号DBOSC与其延迟信号D2执行逻辑“与”。图4进一步示出了振荡信号DBOSC和信号DBCLK之间的上升沿移位延迟。如所示，信号DBCLK的上升沿相对于振荡信号DBOSC的上升沿移位了延迟时间dt到时间t2和t6。在一些实施方案中，延迟时间dt可以具有200ns的值。
另外，如图3中所示，可以从RS锁存器310提供信号DBEN以指示何时使能和/或禁止信号DBON。在做出该指示方面，RS锁存器310在或非门329的输入端处接收反相振荡信号DBOSCB，并在或非门328的输入端处接收信号DBON。当信号DBON被使能以逐周期地进行时钟转变时，则RS锁存器310可以断言信号DBEN为高。另外，当信号DBON被禁止(即，被断言为低)时，则RS锁存器310可以在反相振荡信号DBOSCB的高转变之后断言并保持信号DBEN为低。
如本领域的普通技术人员还可以理解的是，栅极控制模块204可以包括更多或更少的部件，并使用更少或额外的信号来生成信号DBON。例如，如图3中所示，还可以基于与感测信号VIS有关的过电流状况来提供和/或禁止DBON。与过电流保护有关的电路特征可以追溯回比较器电路304。比较器电路304包括比较器356和与门308。比较器356可以基于感测信号VIS与参考VR1的比较来使过电流信号DBIS有效。另外，与门308可将信号D3提供给或门307的输入端。以这种方式，当延迟时钟信号D2与过电流信号DBIS一致处于逻辑高状态时，比较器电路304可将信号D3断言为逻辑高。当信号D3被断言为高时，或门307又可以将信号R断言为逻辑高。因此，DFF 306可以在过电流状况期间使信号Q1复位。
图5示出了根据本发明一实施方案的占空比状态机150的状态图500。状态图500包括低状态502、中下状态(lower medium state，中低状态)504、中上状态(upper mediumstate，中高状态)506和高状态508。根据状态图500，在转变状况512a下可以发生从低状态502到中下状态504的转变，并且在转变状况514a下可以发生从中下状态504到低状态502的转变。而且，在转变状况512b下可以发生从中上状态506到高状态508的转变，并且在转变状况514b下可以发生从高状态508到中上状态506的转变。另外，在转变状况512c下可以发生从中下状态504到高状态508的转变，并且在转变状况514c下可以发生从中上状态506到低状态502的转变。
如本文中所描述的，占空比状态机150的运行可以至少部分地基于状态图500，用于从如上所述的栅极控制模块204提供信号DBON。另外，栅极控制模块204可以是具有控制器125的更大系统(例如，功率转换系统100b)的一部分，该控制器125将栅极驱动信号VGB提供给开关模式功率转换器(例如，例如开关模式功率转换器108)中的开关(例如，开关154)。低状态502、中下状态504、中上状态506和高状态508可以是指示在向负载110递送多少功率的功率相关状态。例如，低状态502可以指一占空比状态，由此信号DBON的占空比包括使得开关154在开关周期期间传递最少功率的最小值。高状态508可以指一占空比状态，由此信号DBON的占空比包括使得开关154在开关周期期间传递最大功率的最大值。中下状态504和中上状态506可以类似地表示中间功率状态，由此信号DBON的占空比包括使得开关165传递介于最小和最大值之间的功率的中间值。
在一个实施方案中，在高状态508下的运行可以对应于提供具有基本上等于百分之六十五的最大占空比(即，0.65的占空比)的信号DBON。在低状态502下的运行可以对应于提供具有基本上等于最大占空比的百分之四十的最小占空比(即0.26的占空比)的信号DBON。另外，在中下状态504下的运行可以对应于提供具有基本上等于最大占空比的百分之五十的占空比(即，0.325的占空比)的信号DBON。在中上状态506下的运行可以对应于提供具有基本上等于最大占空比的百分之七十的占空比(即，0.455的占空比)的信号DBON。参考图3，占空比状态机150可以通过向多路复用器311提供状态相关的控制矢量DTY来控制占空比。多路复用器311又基于控制矢量DTY提供状态相关的参考信号AVD。
根据状态图500，栅极控制模块204的系统可以在上电状况501期间进入低状态502，该上电状况501可以指向开关模式功率转换器108施加电力的状况。同样，转变状况512a-c和514a-c也可以是与系统电力相关的状况。
参考对图3的讨论，转变状况512a-c和514a-c可以基于提供给占空比状态机150的信号DBCLK和DBEN的关系。例如，转变状况512a-c可以指一“使能连续周期计数”状况，由此信号DBCLK经历十二个周期，同时信号DBEN处于逻辑高。这也可以对应于当信号DBON被使能为高且开关154经历十二个连续周期时将功率递送给负载110的状况。同样，转变状况514a-c可以指一“禁止连续周期计数”状况，由此信号DBCLK经历十二个周期，同时信号DBEN指示信号DBON被使能为低。这也可以对应于在信号DBON被禁止十二个连续周期时禁止向负载110传递功率的状况。
如上所述，可以将信号DBON使能为低(即，禁止)和/或使能为高的一种方式可以追踪到反馈信号VFB的调节状况。例如，如图3中所示，当反馈信号VFB超过参考VR2时，则信号D1转变为低，并且信号DBON变成被禁止。通过根据状态图500使用占空比状态机150，可以控制占空比使得恒定频率的信号(例如，信号DBON)的更少周期被跳过。这样，可以减少和/或消除可听噪声。
尽管图5示出了用于基于低状态502、中下状态504、中上状态506和高状态508来控制占空比的状态图500，但其他状态图是可能的。例如，占空比状态机150可以包括更少或更多的离散占空比状态，并且可以基于少于或多于十二个连续周期使用转变状况。另外，可以基于用于减小可听噪声的实验(例如，实验设计)来选择连续周期的数量。在一些实施方案中，其他状态变量也可以被引入状态机。例如，占空比状态机150还可以接收模拟信号，例如控制环路误差放大器输出信号，以用作状态变量。
图6示出了根据本发明一实施方案的用于使用占空比状态机150来控制开关模式功率转换器108的概念流程图600。概念流程图600包括第一操作602、第二操作604和第三操作606。操作602可以对应于递送栅极控制信号(例如，来自栅极控制模块204的信号DBON和/或来自控制器125的栅极驱动信号VGB)。在与相对于输出稳定值(regulation value，调节值)调节输出电压VO有关的使能状况期间(例如，当反馈信号VFB小于参考VR2时)，可以递送栅极控制信号到开关154。操作604可以对应于当输出电压VO超过稳定值时(例如，当反馈信号VFB超过参考VR2时)禁止栅极控制信号。操作606可以对应于使用占空比状态机150控制栅极控制信号(例如，信号DBON)的占空比。
对本公开内容的所示实施例的以上描述，包括摘要中所描述的，并非旨在是穷举的或者是对所公开的精确形式的限制。尽管出于说明性目的在本文中描述了用于使用占空比状态机控制开关模式功率转换器的理解的特定实施方案和实施例，但是在不脱离本公开内容的更广泛精神和范围的情况下，各种等同修改是可能的。实际上，应当理解，具体示例电压、电流、频率、功率范围值、时间等是出于说明目的而提供的，并且根据本文的教导，其他值也可以用于其他实施方案和实施例中。

Claims (37)

1.一种功率转换系统，包括：
开关模式功率转换器，所述开关模式功率转换器包括开关，所述开关被耦合以响应于反馈信号而将输出电压调整至一稳定值；
控制器，所述控制器被耦合以在使能控制状况期间将栅极驱动信号递送到所述开关，其中，所述控制器还被耦合以在禁止控制状况期间禁止所述栅极驱动信号到所述开关；以及
占空比状态机，所述占空比状态机被包括在控制器中并且被耦合以根据多个离散的占空比状态调整所述栅极驱动信号的占空比。
2.根据权利要求1所述的功率转换系统，
其中，所述控制器被耦合以响应于所述反馈信号指示所述输出电压小于所述稳定值而在所述使能控制状况期间将所述栅极驱动信号递送到所述开关，以及
其中，所述控制器被耦合以响应于所述反馈信号指示所述输出电压大于所述稳定值而在所述禁止控制状况期间禁止所述栅极驱动信号到所述开关。
3.根据权利要求1所述的功率转换系统，还包括变压器，所述变压器包括耦合至所述开关模式功率转换器的输入的次级绕组。
4.根据权利要求1所述的功率转换系统，其中，所述开关模式功率转换器包括升压转换器。
5.根据权利要求1所述的功率转换系统，还包括：
反激转换器，所述反激转换器耦合至所述开关模式功率转换器；以及
次级控制模块，所述次级控制模块包括耦合至所述开关的所述控制器，其中所述控制器包括所述占空比状态机。
6.根据权利要求1所述的功率转换系统，其中，所述栅极驱动信号具有恒定频率。
7.根据权利要求6所述的功率转换系统，其中，所述恒定频率基本上等于两百千赫兹(kHz)。
8.根据权利要求1所述的功率转换系统，其中，所述多个离散的占空比状态包括：
第一状态，在所述第一状态期间所述占空比被调整为第一值；以及
第二状态，在所述第二状态期间所述占空比被调整为大于所述第一值的第二值。
9.根据权利要求8所述的功率转换系统，其中，所述占空比状态机被耦合以在所述栅极驱动信号在所述使能控制状况期间完成一使能连续周期计数之后从所述第一状态转变为所述第二状态。
10.根据权利要求9所述的功率转换系统，其中，所述使能连续周期计数等于十二。
11.根据权利要求8所述的功率转换系统，其中，所述占空比状态机被耦合以在所述栅极驱动信号在所述禁止控制状况期间完成一禁止连续周期计数之后从所述第二状态转变为所述第一状态。
12.根据权利要求11所述的功率转换系统，其中，所述禁止连续周期计数等于十二。
13.根据权利要求1所述的功率转换系统，其中，所述多个离散的占空比状态包括：
高状态，在所述高状态期间所述占空比被调整为基本上等于最大占空比；
中上状态，在所述中上状态期间所述占空比被控制为基本上等于所述最大占空比的百分之七十；
中下状态，在所述中下状态期间所述占空比被控制为基本上等于所述最大占空比的百分之五十；以及
低状态，在所述低状态期间所述占空比被控制为基本上等于所述最大占空比的百分之四十。
14.根据权利要求13所述的功率转换系统，其中，所述最大占空比为百分之六十五。
15.根据权利要求13所述的功率转换系统，其中，所述占空比状态机被耦合以在上电状况期间转变到所述低状态。
16.一种控制开关模式电源中的开关的方法，所述方法包括：
在使能控制状况期间将栅极驱动信号递送到所述开关；
在禁止控制状况期间禁止所述栅极驱动信号到所述开关；以及
使用占空比状态机调整占空比。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述栅极驱动信号具有恒定频率。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述恒定频率基本上等于两百千赫兹(kHz)。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括将反馈信号与参考信号进行比较，所述反馈信号指示所述开关模式电源的输出电压。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，在所述使能控制状况期间将所述栅极驱动信号递送到所述开关包括：当所述反馈信号小于所述参考信号时，将所述栅极驱动信号递送到所述开关。
21.根据权利要求17所述的方法，其中，在所述禁止控制状况期间禁止所述栅极驱动信号到所述开关包括：当所述反馈信号大于所述参考信号时，禁止所述栅极驱动信号到所述开关。
22.根据权利要求16所述的方法，其中，使用所述占空比状态机调整所述占空比包括：根据多个离散的占空比状态调整所述占空比。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述多个离散的占空比状态包括第一状态和第二状态，其中，使用所述占空比状态机调整所述占空比还包括：
在所述第一状态下将所述占空比调整为第一值；以及
在所述第二状态下将所述占空比调整为第二值。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，使用所述占空比状态机调整所述占空比还包括：在所述使能控制状况期间计数第一数量的连续周期之后，从所述第一状态转变为所述第二状态。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述连续周期的第一数量是十二。
26.根据权利要求23所述的方法，其中，使用所述占空比状态机调整所述占空比还包括：在所述禁止控制状况期间计数第二数量的连续周期之后，从所述第二状态转变为所述第一状态。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述连续周期的第二数量是十二。
28.根据权利要求22所述的方法，其中，所述多个离散的占空比状态包括高状态、中上状态、中下状态和低状态，其中，使用所述占空比状态机调整所述占空比还包括：
在所述高状态下将所述占空比调整为最大占空比；
在所述中上状态下将所述占空比调整为基本上等于所述最大占空比的百分之七十；
在所述中下状态下将所述占空比调整为基本上等于所述最大占空比的百分之五十；以及
在所述低状态下将所述占空比调整为基本上等于所述最大占空比的百分之四十。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述最大占空比为百分之六十五。
30.根据权利要求28所述的方法，其中，使用所述占空比状态机调整所述占空比还包括：在上电状况期间转变为所述低状态。
31.一种用于控制递送到负载的输出电压的开关模式电源系统，所述开关模式电源系统包括：
开关模式功率转换器，所述开关模式功率转换器包括被耦合以调节所述输出电压的开关；以及
控制器，所述控制器被耦合以在所述输出电压小于一稳定值时将恒定频率的栅极信号提供给所述开关，并在所述输出电压大于所述稳定值时禁止所述恒定频率的栅极信号到所述开关，
其中，所述控制器包括占空比状态机，所述占空比状态机被耦合以控制所述恒定频率的栅极信号的一周期期间的占空比。
32.根据权利要求31所述的开关模式电源系统，其中，所述控制器包括栅极控制模块。
33.根据权利要求32所述的开关模式电源系统，其中，所述栅极控制模块包括多路复用器，所述多路复用器被耦合以提供从多个离散的参考信号中选择的一状态相关的参考信号。
34.根据权利要求33所述的开关模式电源系统，其中，所述栅极控制模块包括可变占空比方波发生器，所述可变占空比方波发生器被耦合以关于三角波提供方波，其中，所述方波具有至少部分地基于所述状态相关的参考信号的占空比，并且其中，所述恒定频率的栅极信号与所述方波成比例。
35.根据权利要求34所述的开关模式电源系统，其中，所述控制器包括缓冲器，所述缓冲器耦合至所述可变占空比方波发生器以缓冲所述方波，从而提供所述恒定频率的栅极信号。
36.根据权利要求34所述的开关模式电源系统，其中，所述栅极控制模块包括三角波发生器，所述三角波发生器被耦合以将所述三角波提供给所述可变占空比方波发生器。
37.根据权利要求36所述的开关模式电源系统，其中，所述栅极控制模块包括所述占空比状态机，所述占空比状态机被耦合以基于系统状态将控制矢量提供给所述多路复用器。
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