CN111279599A

CN111279599A - 用于功率转换器控制器的计时器

Info

Publication number: CN111279599A
Application number: CN201880069616.0A
Authority: CN
Inventors: A·夏尔马
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2020-06-12
Also published as: US20190181757A1; US11081960B2; EP3721541A4; EP3721541A1; WO2019113584A1

Abstract

一种电路(400)包括：输入电路(405)，其具有第一输出和第二输出；第一计时器(410)，其具有联接到所述输入电路(405)的所述第一输出的第一输入；第二计时器(415)，其具有联接到所述输入电路(405)的第二输出的第一输入、联接到所述第一计时器(410)的输出的第二输入和联接到所述第一计时器(410)的第二输入的输出；以及输出电路(420)，其联接到所述第一计时器(410)的所述输出和所述第二计时器(415)的所述输出。

Description

用于功率转换器控制器的计时器

背景技术

开关模式电源(SMPS)通过对经开关节点/端子联接到能够联接到负载的能量存储元件(诸如电感器/变压器和/或电容器)的一或多个功率晶体管进行切换而将功率从输入电源传输到负载。功率晶体管可以包括在功率转换器中，所述功率转换器包括或能够联接到能量存储元件。SMPS可以包括SMPS控制器，以将一或多个栅极驱动信号提供给功率晶体管。

发明内容

示例电路包括：输入电路，其具有第一输出和第二输出；第一计时器，其具有联接到所述输入电路的所述第一输出的第一输入；第二计时器，其具有联接到所述输入电路的所述第二输出的第一输入、联接到所述第一计时器的输出的第二输入和联接到所述第一计时器的第二输入的输出；以及输出电路，其联接到所述第一计时器的所述输出和所述第二计时器的所述输出。

在其他方面，开关模式电源(SMPS)包括功率转换器和控制器。在一个示例中，控制器包括回路控制器、预测计时器和栅极驱动器。所述回路控制器被配置为联接到所述功率转换器以监测所述功率转换器的至少一个电特性并至少部分地基于所述功率转换器的所监测的电特性来产生控制信号。所述预测计时器被配置为联接到所述回路控制器，并独立地确定所述功率转换器的至少一些功率晶体管的导通时间(TON)和截止时间(TOFF)。所述栅极驱动器被配置为联接到所述预测计时器和所述功率转换器，以根据所确定的TON和所确定的TOFF来控制所述功率转换器。

示例方法包括：接收用于计算TON和TOFF的多个信号；控制第一计时器和第二计时器在用于控制所述功率转换器的一些功率晶体管的控制信号的边沿转变时开始计数；控制所述第二计时器在所述第一计时器到期时暂停计数。所述方法进一步包括：控制所述第二计时器在用于控制所述功率转换器的一些功率晶体管的所述控制信号的另一边沿转变时恢复计数；控制所述第一计时器在所述第二计时器到期时恢复计数；以及基于所述第一计时器的输出和所述第二计时器的输出产生输出信号。

附图说明

图1是示例性开关模式电源(SMPS)的框图。

图2是示例性降压-升压功率转换器的示意图。

图3是示例性回路控制器的框图。

图4是示例性预测计时器的框图。

图5是示例性计时器的框图。

图6是另一示例性计时器的框图。

图7是用于估计降压区域中的功率转换器的截止时间(TOFF)的示例性时序图。

图8是用于预测功率转换器中的时间的示例性方法的流程图。

图9是示例性状态图。

具体实施方式

在一些开关模式电源(SMPS)架构(诸如降压、升压和/或降压-升压)中，SMPS包括或能够联接到与负载并联的输出/大容量电容器，并且控制器切换功率晶体管以与能量存储元件形成电路器件，以向负载和/或输出/大容量电容器提供负载电流，从而(例如，通过对开关负载电流滤波)保持稳定的输出电压。例如，功率晶体管可以经开关节点/端子联接到能量存储电感器，所述能量存储电感器由控制器在充电循环和放电循环之间切换，以将电感电流(例如，通过能量存储电感器的电流)提供给负载和输出/大容量电容器以对电感电流滤波从而保持稳定的输出电压。在一些示例中，SMPS可以被配置为作为恒定电流源与能量存储元件但不与输出/大容量电容器一起操作。

功率晶体管可以被实施为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或其他合适的固态晶体管器件(例如，诸如双极结型晶体管(BJT))。当由功率转换器接收的输入电压的值接近由功率转换器提供的输出电压的值时，可以说功率转换器在降压-升压操作区域中操作。当输入电压的值小于输出电压的值时，功率转换器在升压操作区域中操作。当输入的值大于输出电压的值时，功率转换器在降压操作区域中操作。降压-升压转换器例如在降压区域、升压区域和/或降压-升压区域中操作。升压转换器例如在升压区域中操作。降压转换器例如在降压区域中操作。在各种示例中，并非每个功率转换器都能够在以上区域中的多于一个区域中操作。在一些示例中，控制器根据固定频率斜坡信号在上述三个操作区域中控制功率转换器，以控制功率转换器的至少一些功率晶体管在该操作区域之一中操作期间导通的时间段。但是，在一些情况下，这种固定频率方法导致功率转换器的性能不太理想。例如，固定频率方法可以诸如通过在Vin和Vout的值彼此接近时降低降压区域中的频率来防止修改频率以优化(例如，减小)开关损耗。相反，控制器的至少一个示例通过计算功率转换器的至少一些功率晶体管导通的导通时间(TON)和/或功率转换器的至少一些功率晶体管不导通的截止时间(TOFF)来控制功率转换器。针对降压操作区域、升压操作区域和/或降压-升压操作区域来计算TON和/或TOFF。

至少一些方面涉及一种控制器，所述控制器可以适合于用于控制诸如SMPS中的功率转换器的实施方式。在至少一个示例中，控制器通过确定(例如，估计、预测或计算)功率转换器的至少一些功率晶体管的TON和TOFF来控制功率转换器。在各种示例中，控制器为降压转换器、升压转换器或降压-升压转换器计算TON和/或TOFF。控制器例如使用计时器电路来确定TON和/或TOFF。在至少一些示例中，独立地确定TON和TOFF，使得其中一个不基于另一个。

图1示出了示例性SMPS 100的框图。在至少一个示例中，SMPS 100包括控制器105和功率转换器110。功率转换器110例如是能够在降压-升压区域(以及降压区域和升压区域)中操作的降压-升压功率转换器。在其他示例中，功率转换器110可以被实施为降压转换器(能够在降压区域中操作)、升压转换器(能够在升压区域中操作)、混合转换器或任何其他功率转换器拓扑或架构(其中可以省略、重新布置功率转换器110的组件和/或可以将附加组件添加到功率转换器110)。

在至少一个示例中，控制器105包括或被配置为联接到回路控制器115、预测计时器120和栅极驱动器125。SMPS 100的至少一个示例包括在同一个半导体管芯上和/或在同一个组件封装件中的控制器105和功率转换器110的至少一些方面，而在其他示例中，控制器105和功率转换器110可以分开制造并被配置为联接在一起。例如，控制器105的至少一些方面可以被分开制造并且联接在一起。因此，虽然图示为包括栅极驱动器125，但是在至少一个示例中，控制器105不包括栅极驱动器125，而是被配置为联接到栅极驱动器125。另外，尽管图示为包括预测计时器120，但是在至少一个示例中，控制器105不包括预测计时器120，而是被配置为联接到预测计时器120。

在至少一个示例中，SMPS 100被配置为从输入电源102接收输入电压(Vin)，并且至少部分地基于SMPS 100接收的输入电压和参考电压(Vref)在输出端子104处提供输出电压(Vout)。可以从任何合适的器件(未示出)诸如处理器、微控制器或对SMPS 100施加控制以控制Vout的值的任何其他器件接收Vref，并且Vref可以是或代表Vout的目标值或期望值。在至少一个示例中，SMPS 100向联接到SMPS 100(例如，在功率转换器110的输出处联接到SMPS 100)的负载130提供Vout。在至少一个示例中，控制器105从功率转换器110接收一或多个信号。例如，控制器105可以从功率转换器110接收Vout和/或代表功率转换器110的电感电流(IL)的值。在各种示例中，代表IL的值可以是直接从功率转换器110的电感器(未示出)(或也与电感器联接的功率转换器110的另一个组件的端子)测量的值，或从功率转换器110的感测元件(未示出)感测的值。在一些示例中，代表IL的值是直接指示IL的电流信号。在其他示例中，代表IL的值是指示与IL对应和/或与IL具有关系(例如，根据欧姆定律)的电压的电压信号。感测元件例如是感测电阻器、晶体管或能够测量和/或量化功率转换器110的IL并将代表IL的值提供给控制器105的任何其他组件或组件的组合。

在至少一个示例中，预测计时器120是适合于独立地确定功率转换器110的TON和TOFF的任何电路系统，并且预测计时器120的特定架构或范围在此不受限制。在各种示例中，预测计时器120接收Vin、Vout、回路控制器115的至少一个输出以及功率转换器110是在降压区域、升压区域还是降压-升压区域中操作的指示。功率转换器110是在降压区域、升压区域还是降压-升压区域中操作的指示是从例如区域检测器(未示出)接收的，所述区域检测器被配置为(例如，诸如根据Vin、Vout和/或IL)确定功率转换器110的操作区域。在一些示例中，区域检测器被包括在控制器105内，而在其他示例中，区域检测器被实施在控制器105的外部，并且控制器105被配置为联接到区域检测器。在一些示例中(诸如，当功率转换器仅被实施为降压功率转换器或升压功率转换器时)，可以省略区域检测器。

在至少一个示例中，回路控制器115联接至预测计时器120和功率转换器110，并且被配置为例如至少部分地接收Vref和Vout以用于控制预测计时器120。在另一个示例中，回路控制器115还从功率转换器110的感测元件接收代表IL的值，以用于控制预测计时器120。基于接收到的输入(例如，Vin、Vout、代表IL的值和/或Vref)，回路控制器115控制预测计时器120将信号提供给栅极驱动器125，以控制功率转换器110的功率晶体管(未示出)产生Vout。在一个示例中，预测计时器120根据为功率转换器110的至少一些功率晶体管确定的TON和/或TOFF来控制栅极驱动器125。例如，预测计时器120确定TON和/或TOFF并将指示栅极驱动器125是应控制功率转换器110在TON中还是TOFF中操作的控制信号提供给栅极驱动器125。例如，当功率转换器110被控制为在TON中操作时，功率转换器110的电感器充电。当功率转换器110被控制为在TOFF中操作时，功率转换器110的电感器放电。

在各种示例中，栅极驱动器125基于从预测计时器120接收的控制信号、根据功率转换器110的峰值电流模式实施方式(例如，其中基于功率转换器110的IL升高达到阈值(例如，诸如至少部分地基于Vref)来控制功率转换器110的功率晶体管)来控制功率转换器110。在另一个示例中，栅极驱动器125基于从预测计时器120接收的控制信号、根据功率转换器110的谷模式实施方式(例如，其中基于功率转换器110的IL下降达到阈值(例如，诸如至少部分地基于Vref)来控制功率转换器110的功率晶体管)来控制功率转换器110。例如，基于所计算的TON和/或TOFF，预测计时器120通过向栅极驱动器125提供至少一个控制信号来控制栅极驱动器125以功率转换器110的峰值电流模式实施方式控制功率晶体管的TON，或者以功率转换器110的谷电流模式实施方式控制功率晶体管的TOFF。此外，虽然在此描述了相对于功率转换器110的峰值电流模式实施方式和/或功率转换器110的谷电流模式实施方式来计算TON和TOFF，但是这一描述不限于此。例如，这一描述同样适用于利用一或多个晶体管的TON和/或TOFF时间的任何系统，无论涉及控制功率转换器还是不涉及控制功率转换器。

在至少一个示例中，回路控制器115对Vout(或Vout的缩放版本，诸如经由分压器缩放)和Vref进行积分。在另一个示例中，回路控制器115将Vout(或Vout的缩放版本，诸如经由分压器缩放)与Vref进行比较。将积分(或比较)的结果与代表IL的值进行比较。比较的结果例如被用于至少部分地控制预测计时器120。在至少一个示例中，当代表IL的值小于积分(或比较)的结果并且使用峰值电流模式实施方式来实施功率转换器110时，比较的输出可以是逻辑高信号。当代表IL的值不小于积分(或比较)的结果时，比较的输出可以是逻辑低信号。在另一示例中，当代表IL的值大于积分(或比较)的结果并且使用谷电流模式实施方式来实施功率转换器110时，比较的输出可以是逻辑高信号。当代表IL的值不大于积分(或比较)的结果时，比较的输出可以是逻辑低信号。在各种示例中，如本文所述，回路控制器115包括用于至少部分地控制预测计时器120以经由栅极驱动器125控制功率转换器110的任何合适的电路系统或组件。

在至少一个示例中，回路控制器115可以包含积分器(未示出)和比较器(未示出)。在另一示例中，回路控制器115可以包含比较器(未示出)，而并不还包含积分器。在另一示例中，回路控制器115可以进一步包括或联接到可以缩放Vout的值的分压器(未示出)。在另一示例中，回路控制器115可以进一步包括一或多个支持组件(未示出)，诸如电阻器、电容器、二极管等，其范围在此不受限制。在一些示例中，回路控制器115将任意数量的控制信号提供给预测计时器120，以控制栅极驱动器125。

在各种示例中，栅极驱动器125是用于控制功率转换器110(例如，通过联接到功率转换器110的功率晶体管的栅极端子并对其施加控制)的任何合适的驱动器、组件或组件的组合。在至少一个示例中，栅极驱动器125包括至少一个驱动器(未示出)，所述驱动器被配置为基于接收到的输入信号来产生高电流控制栅极驱动信号。例如，当栅极驱动器125从预测计时器120接收到第一输入信号时，栅极驱动器125可以控制功率转换器110的功率晶体管的第一子集导通(或保持导通)，同时控制功率转换器110的剩余功率晶体管保持截止(或截止)。当栅极驱动器125从预测计时器120接收到第二输入信号时，栅极驱动器125可以控制功率转换器110的功率晶体管的第二子集导通(或保持导通)并且控制功率转换器110的剩余功率晶体管保持截止(或截止)。

图2示出了示例性降压-升压功率转换器200的示意图。在至少一个示例中，降压-升压功率转换器200适于实施为图1中SMPS 100的在控制器105的控制下的功率转换器110，如上所述。在一个示例中，降压-升压功率转换器200包括多个MOSFET 205、210、215和220，以及至少一个能量存储器件(在这一示例中图示为电感器225)。在另一示例中，降压-升压功率转换器200进一步包括第二电感器(未示出)和/或飞电容器(未示出)。在一个示例中，MOSFET 205和MOSFET 220被实施为p型MOSFET(PMOS)，而MOSFET 210和215被实施为n型MOSFET(NMOS)。在至少一个示例中，降压-升压功率转换器200进一步包括适于感测电感器225的IL的感测元件230。感测元件230例如是MOSFET、电阻器或感测、测量或检测IL的任何其他合适的装置。在至少一个示例中，感测元件230由MOSFET 205、210、215或220之一实施，使得感测元件230不是降压-升压功率转换器200的独立的附加组件。在另一示例中，通过省略MOSFET 215和220，降压-升压功率转换器200可以被转换为降压转换器(未示出)。在又一示例中，通过省略MOSFET 205和210，降压-升压功率转换器200可以被转换为升压转换器(未示出)。

在一个示例架构中，MOSFET 205的源极端子被配置为接收Vin，MOSFET 205的漏极端子联接到节点235，并且MOSFET 205的栅极端子联接到控制器(例如，诸如上述的图1的SMPS 100的控制器105的栅极驱动器125)。MOSFET 210的漏极端子联接到节点235，MOSFET210的源极端子联接到接地节点240，并且MOSFET 210的栅极端子联接到控制器。电感器225的第一端子联接到节点235，并且电感器225的第二端子联接到节点245。在至少一个示例中，感测元件230串联联接在节点235和电感器225的第一端子之间。在另一示例中，MOSFET215的漏极端子联接到节点245，MOSFET 215的源极端子联接到接地节点240，并且MOSFET215的栅极端子联接到控制器。MOSFET 220的漏极端子联接到接地节点240，MOSFET 220的源极端子从降压-升压功率转换器200提供Vout(例如，使得MOSFET 220的源极端子被配置为联接到负载(未示出))，并且MOSFET 220的栅极端子联接到控制器。在至少一个示例中，电感器225被实施为外部组件，使得降压-升压功率转换器200不包括电感器225，但是被配置为联接到节点235和节点245之间的电感器225。在至少一个示例中，降压-升压功率转换器200被配置为联接到MOSFET 220的源极端子和接地节点240之间的电容器250(例如，诸如滤波电容器)。

在一个示例中，MOSFET 205、210、215和/或220被控制为基于它们各自的栅极端子处接收到的信号而导通(例如，在它们各自的漏极端子和源极端子之间传导电流)和/或截止(例如，停止在它们各自的漏极端子和源极端子之间传导电流)。例如，基于从控制器接收的信号(例如，控制信号)，MOSFET 205、210、215和/或220中的一或多个被控制为导通或截止。MOSFET 205、210、215和/或220可以基于存在于MOSFET 205、210、215和/或220各自的栅极端子和/或源极端子中的一或多个的值或值之间的关系而导通(或截止)。

如图2进一步所示，在至少一个示例中，降压-升压功率转换器200被配置为以多种操作模式操作。在第一操作模式(例如，TON)期间，MOSFET 205和215由控制器控制为导通，而MOSFET 210和220由控制器控制为截止。在第一操作模式期间，通过MOSFET 205、电感器225和MOSFET 215形成从Vin到接地的路径，从而使电感器225能够从Vin充电。在第二操作模式(例如，TOFF)期间，MOSFET 205和215由控制器控制为截止，而MOSFET 210和220由控制器控制为导通。在第二操作模式期间，通过MOSFET 210、电感器225和MOSFET 220形成从接地节点240到降压-升压功率转换器200的负载可以联接以接收Vout的节点(例如，MOSFET220的源极端子)的路径，从而使电感器225能够放电以提供Vout。在包括第三操作模式(例如，公共(COM)操作模式)的至少一些示例中，在第三操作模式期间，MOSFET 205和220由控制器控制为导通，而MOSFET 210和215由控制器控制为截止。在第三操作模式期间，Vin和Vout具有近似相同的值，使得电感器225两端的电压差最小。当电感器225两端的电压差最小时，在至少一个示例中，电感器225可以近似用作Vin与Vout之间的短路，而对Vout的值的影响最小。

图3示出了示例性回路控制器300的框图。在至少一个示例中，回路控制器300适合于在SMPS中实施，诸如实施为图1的SMPS 100的回路控制器115，如上所述。在至少一个示例中，回路控制器300包括积分器305和比较器310。在一些示例中，回路控制器300进一步包括或被配置为联接到分压器315，所述分压器包含串联联接或被配置为串联联接在功率转换器的输出和接地电位之间的电阻器320和电阻器325。在至少一些示例中，回路控制器300进一步包括或被配置为联接到一或多个附加组件(未示出)，诸如电阻器、电容器、二极管(例如，以限制回路控制器300中的节点处的正电压和/或负电压)等。

在一个示例架构中，积分器305的第一输入被配置为至少部分地基于在至少部分地根据回路控制器300控制的功率转换器的输出处存在的值来接收反馈信号。例如，积分器305的第一输入可以联接到或被配置为联接到功率转换器的输出。可替代地，积分器305的第一输入可以联接到或被配置为联接到诸如分压器315的中间组件，以至少部分地基于功率转换器的输出处存在的值来接收反馈信号。积分器305的第二输入被配置为接收参考值。在一些示例中，参考值代表和/或指示至少部分地根据回路控制器300控制的功率转换器的期望输出电压和/或电流。例如，参考值可以基本上等于期望输出电压和/或电流，或者可以基本上等于期望输出电压和/或电流的缩放表示。当参考值基本上等于期望输出电压和/或电流的缩放表示时，参考值的缩放因子可以近似等于电阻器320与电阻器325的比率。在至少一个示例中，从回路控制器300和/或SMPS内部的组件(未示出)接收参考值。所述组件可以是例如适合于提供参考值的内部带隙参考。在另一示例中，参考值是从位于回路控制器300和/或SMPS外部并且积分器305被配置为直接或间接地与其联接的组件接收的。回路控制器300和/或SMPS外部的组件是例如电压调节器、微控制器、处理器和/或适合于向回路控制器300提供参考值的任何其他器件。

在至少一个示例中，积分器305的输出联接到比较器310的第一输入，并且比较器310的第二输入联接到或被配置为联接到至少部分地根据回路控制器300控制的功率转换器的感测元件。在一些示例中，通过联接到感测元件而存在于比较器310，由比较器测量或以其他方式提供给比较器的值指示流过功率转换器(例如，诸如当功率转换器为降压/升压功率转换器时通过功率转换器的电感器)的电流量。在至少一个示例中，当在比较器310的第一输入处接收的值超过在比较器310的第二输入处接收的输入时，存在于比较器310的输出处的值具有逻辑高值。在至少一些示例中，存在于比较器310的输出处的值至少部分地用于控制功率转换器的操作(例如，诸如控制预测计时器以控制栅极驱动器来驱动或控制如以上关于图1和2所述的功率转换器的功率晶体管的栅极端子)。

图4示出了示例性预测计时器400的框图。在至少一个示例中，预测计时器400适合于在SMPS中的实施，诸如实施为如上所述图1的SMPS 100的预测计时器120。在至少一个示例中，预测计时器400包括输入逻辑405、第一计时器410(例如，计算计时器)、第二计时器415(例如，跟随计时器)和输出逻辑420。在一些示例中，计时器410和第二计时器415各自分别联接到输入逻辑405的输出，输出逻辑420联接到第一计时器410和第二计时器415各自的输出，第二计时器415联接到第一计时器410的输出，并且第一计时器410联接到第二计时器415的输出。

在各种示例中，输入逻辑405是适合于接收多个输入并提供用于控制第一计时器410和/或第二计时器415的输出信号的任何合适的逻辑结构，其中，根据多个输入中的至少一些的值确定输出信号，其范围在此不受限制。例如，输入逻辑405可以是以下中的任何一或多个：数字逻辑结构(例如，被配置为根据多个输入中的至少一些的值来提供输出的数字逻辑门的一或多个组合)，可作为逻辑结构操作的模拟电路或组件，诸如多路复用器的模拟电路，被配置为接收多个信号并选择多个信号中的至少一个用于输出的数字和/或模拟电路，现场可编程门阵列(FPGA)，状态机或能够执行逻辑运算的任何其他电路、组件或器件，其范围在此不受限制。

在至少一个示例中，第一计时器410包括能够作为计时器操作的任何合适的电路、组件或器件，其范围在此不受限制。在至少一个示例中，第二计时器415包括与第一计时器410基本相同的硬件。

在各种示例中，输出逻辑420是适合于接收来自第一计时器410和第二计时器415的输入并根据输入中的至少一些的值提供用于控制栅极驱动器以控制功率转换器的TON和TOFF时间的输出信号的任何合适的逻辑结构，其范围在此不受限制。例如，输出逻辑420可以是以下中的任何一或多个：数字逻辑结构(例如，被配置为根据多个输入中的至少一些的值来提供输出的数字逻辑门的一或多个组合)，可作为逻辑结构操作的模拟电路或组件，现场可编程门阵列(FPGA)，状态机或能够执行逻辑运算的任何其他电路、组件或器件，其范围在此不受限制。

在操作的至少一个示例中，输入逻辑405被配置为接收多个输入信号并产生一或多个输出信号。输入信号包括例如以下中的任何组合：Vin、Vout、被配置为至少部分地控制功率转换器的回路控制器的输出(例如，图3的回路控制器300的输出)和/或指示在预测计时器400的控制下的功率转换器的操作区域的一或多个信号。输出信号包括例如用于控制第一计时器410和第二计时器415中的每个的开始信号和/或速度控制信号。例如，基于输入信号中的一或多个，输入逻辑405产生使第一计时器410和/或第二计时器415的计时器(例如，通过切换第一计时器410和/或第二计时器415的开关)开始的信号。在另一示例中，输入逻辑405产生开始第一计时器410的计数的信号，并且第二计时器415基于第一计时器410的输出开始计数。在另一示例中，基于输入信号中的一或多个，输入逻辑405产生控制第一计时器和/或第二计时器415的速度的信号。例如，通过改变速度控制信号的值(电压值或电流值)，输入逻辑405控制第一计时器410和/或第二计时器415的操作速度。

在至少一个示例中，第一计时器410至少部分地根据Vout与Vin的比率来确定计算时间。计算时间例如是在降压操作区域期间的TON和/或在升压操作区域期间的TOFF。在至少一个示例中，第二计时器415至少部分地根据功率转换器的切换周期来确定跟随时间。跟随时间例如是在降压操作区域期间的TOFF和/或在升压操作区域期间的TON。

在至少一个示例中，输出逻辑420接收第一计时器410和第二计时器415的输出，并且至少部分地基于第一计时器410和第二计时器415的输出，产生并输出至少一个控制信号。例如，至少部分地基于第一计时器410和第二计时器415的输出，输出逻辑420产生(例如，通过计算或以其他方式确定)并输出TON控制信号和TOFF控制信号。TON控制信号例如指示联接到输出逻辑420的组件(诸如栅极驱动器)以控制联接的功率转换器以TON模式操作。TOFF控制信号例如指示联接到输出逻辑420的组件(诸如栅极驱动器)以控制联接的功率转换器以TOFF模式操作。在一些示例中，输出逻辑420包括一到多个存储器件(未示出)，诸如触发器、锁存器或适合于存储数据的其他组件、器件或结构。在至少一个示例中，输出逻辑420存储第一计时器410和/或第二计时器415的输出。在一些示例中，输出逻辑420将所存储的值提供给输入逻辑405、第一计时器410和/或第二计时器415用于进一步的处理和/或逻辑确定。在其他示例中，输入逻辑405包括存储器件(未示出)，所述存储器件被配置为存储第一计时器410和/或第二计时器415的输出，并将所存储的值提供给输出逻辑420、第一计时器410和/或第二计时器415用于进一步的处理和/或逻辑确定。

图5示出了示例性计时器500的框图。在至少一个示例中，计时器500适合于在预测计时器中实施，诸如实施为如上所述图4的预测计时器400的计算计时器410和/或跟随计时器415。在至少一个示例中，计时器500包括比较器505、电阻器510、开关515和电容器520。

在一个示例中，电阻器510的第一端子是计时器500的第一输入，电阻器510的第二端子经由开关515联接到比较器505的第一输入，并且电容器520联接在比较器505的第一输入和接地节点525之间。比较器505的第二输入是计时器500的第二输入。在一些示例中，电阻器510是具有计时器500的第三输入的可控电阻器(例如，电位计)。在一些示例中，开关被实施为具有计时器500的第四输入的固态开关(例如，MOSFET或BJT晶体管)或机械开关(例如，继电器)。在至少一些示例中，电阻器510和电容器520形成电阻器-电容器(RC)计时器。在其他示例中，省略电阻器510和电容器520，并且在比较器505的第一输入处实施计时器的任何其他合适形式。例如，电阻器510可以由可控电流源(未示出)代替，以与电容器520一起实施计时器500。另外，尽管在此图示和描述为电阻器，但是电阻器510可以替代地实施为用作电阻元件并具有可控和/或可确定的电阻值的任何合适的组件、器件、电路或其组合。尽管未示出，但是在一些示例中，计时器500进一步包括第二开关，所述第二开关联接在比较器505的第一输入和接地节点525之间。在至少一个示例中，第二开关是复位开关，所述复位开关在闭合时可以使得存储在电容器520上的能量放电和/或防止电容器520充电。

在操作的一个示例中(例如，在降压区域中操作期间)，计时器500在计时器500的第一输入处接收Vin，并且在计时器500的第二输入处接收Vout。在操作的另一示例中(例如，在升压区域中操作期间)，计时器500在计时器500的第二输入处接收Vin，并且在计时器500的第一输入处接收Vout。在至少一些示例中，Vin和/或Vout中的至少一个在被计时器500接收之前缩放。在一个示例中(诸如，当计时器500被实施为降压区域中用于功率转换器的第一计时器410时)，计时器500在根据以下公式1确定的时间输出逻辑高信号：

其中b是小于或等于约1的Vout的缩放因子，R是电阻器510的电阻值，并且C是电容器520的电容值。在至少一些示例中，通过修改R和/或修改C，改变计时器500的操作速度。在另一示例中，通过将公式1中的Vout和Vin反相，公式1变为代表用于升压区域中用于功率转换器的第一计时器410的输出。对于被实施为升压区域或降压区域中用于功率转换器的第二计时器415的计时器500的示例，计时器500在根据以下公式2确定的时间输出逻辑高信号：

t_trip＝a*R*C, (2)

其中R*C代表功率转换器的切换周期，并且是小于或等于约1的常数。例如，当计时器500被实施为第二计时器415时，计时器500在计时器500的第二输入处接收a*Vref，并且在计时器500的第一输入处接收Vref。

图6示出了另一示例性计时器600的框图。在至少一个示例中，计时器600适合于在预测计时器中实施，诸如实施为如上所述图4的预测计时器400的计算计时器410和/或跟随计时器415。在至少一个示例中，计时器500包括计数控制器605、计数器610和数字比较器615。

在一个示例中，计数控制器605被配置为接收Vin和Vout，并且包括联接到计数器610的第一输出和联接到数字比较器615的第二输出。计数器610被配置为联接到诸如图4的输入逻辑405的控制器(未示出)，在第一输入处从控制器接收控制信号(例如，启动、停止、暂停、复位等)，并且在第二输入处联接到计数控制器605且在输出处联接到数字比较器615的第二输入。数字比较器615在第一输入处联接到计数控制器605的第二输出且在第二输入处联接到计数器610，并且被配置为在数字比较器615的输出处提供逻辑电平信号。

在操作的至少一个示例中，计数控制器605接收Vin和Vout，并且基于Vin和Vout，产生用于至少部分地控制计数器610的速度控制信号。计数控制器605至少部分地基于Vin和Vout进一步产生参考计数，并将参考计数提供给数字比较器615。计数器610从计数控制器605接收速度控制信号并接收控制信号，基于控制信号和速度控制信号以速度控制信号指示的速度启动、暂停或重置计数，并将代表计数的当前状态的值提供给数字比较器615。数字比较器615将从计数控制器605接收到的参考计数与从计数器610接收到的代表计数的当前状态的值进行比较，并且基于比较，产生并输出指示数字比较器615所接收的第一输入是否小于、等于或大于数字比较器615所接收的第二输入的值。

在一些示例中，计数控制器605、计数器610和/或数字比较器615中的每个被实施为数字电路。数字电路可以包括适合于执行上述操作的数字逻辑结构(例如，数字逻辑门、FPGA等)的任何组合。另外，在一些示例中，至少一个计数控制器605、计数器610和/或数字比较器615可以进一步包括至少一个模拟电路或结构。

尽管上面已经参照图5描述了计时器的模拟实施方式的一个示例，并且已经参照图6描述了计时器的数字实施方式的一个示例，但是这样的示例不是限制性的。相反，这一描述涵盖在架构、布局、结构、组成和/或任何其他特性上具有变化的电路(但是这些特性包括比在此包括的示例更少、更多、不同和/或重新布置的组件)，提供了基本相同的功能和/或根据基本类似于在此所述的控制方案进行操作。

图7示出了用于估计降压区域中功率转换器中的TOFF的示例性时序图700。在至少一个示例中，在图700中，通过用TOFF替换TON的每个示例并且用Vin替换Vout的每个示例，图700示出了在升压区域中的功率转换器中预测TON。在一些示例中，图700是图4的预测计时器400的操作的示例，并在此参照预测计时器400的组件进行描述。如图7所示，以时间(t)测量波形的水平访问，vramp_ct是在计时器410的时序节点处存在的电压，并且vramp_ft是在计时器415的时序节点处存在的电压。在接收到的控制信号(Control Signal)的上升沿处，输入逻辑405控制第一计时器410和第二计时器415开始并行计数。虽然在图7中示出以2倍的速度操作(例如，使得计算计时器在TON/2处跳闸)，但是在各种实施例中，预测计时器可以以任何合适的速度操作。

第一计时器410通过如上所述以2倍速度操作的计时器500来计算TON计时器周期的一半中的TON，使得第一计时器410在时间TON/2处输出OUT_Calc_timer信号。如上所述，第二计时器415在预测计时器400的控制下具有功率转换器的Ts的一半的固定跳闸时间，使得在时间TON/2处，剩余充电时间直到第二计时器415跳闸是TOFF/2。在一些示例中，基于第一计时器410的输出，预测计时器400在时间TON/2处使第二计时器415暂停。在一些示例中，通过断开第二计时器415的开关，第二计时器415被暂停，使得第二计时器415的电容器停止充电直到开关闭合。开关例如由输入逻辑405或第一计时器410中的至少一个控制。

第二计时器415保持在暂停(例如，保持)状态，直到TON的下降沿，TOFF在所述TON的下降沿处开始。当TOFF开始时，第二计时器例如通过预测计时器400闭合第二计时器415的开关而恢复，使得第二开关415的电容器恢复充电。当第二计时器415恢复计数时，如上所述，输入逻辑405控制第二计时器415以1倍速度操作。当第二计时器415跳闸时(例如，在由预测计时器400预测的TOFF时间结束时)，第二计时器415输出OUT_Follow_timer信号。在一些示例中，预测计时器400基于第二计时器415的输出来启动第一计时器410。在一些示例中，通过闭合第一计时器410的开关来启动第一计时器410使得第一计时器410的电容器开始充电直到开关断开。开关例如由输入逻辑405或第二计时器415中的至少一个控制。在至少一些示例中，输出逻辑420至少部分地基于OUT_Calc_timer和OUT_Follow_timer产生TON和TOFF控制信号，以控制栅极驱动器(例如，使得大约在第二计时器415输出OUT_Follow_timer时开始TON)。

图8示出了用于预测功率转换器中的时间的示例性方法800的流程图。方法800例如由诸如图4的预测计时器400的预测计时器来实施，以计算用于控制功率转换器的TON和TOFF。在操作805处，预测计时器接收用于计算TON和/或TOFF的多个信号。信号包括例如以下中的任何组合：Vin、Vout、被配置为至少部分地控制功率转换器的回路控制器的输出(例如，图3的回路控制器300的输出)和/或指示在预测计时器的控制下功率转换器的操作区域的一或多个信号。

在操作810处，预测计时器控制第一计时器和第二计时器开始计数。预测计时器通过例如发送信号以分别闭合第一计时器和第二计时器的开关从而建立通过第一计时器和第二计时器的导电路径来控制第一计时器和第二计时器开始计数。预测计时器例如在用于控制功率转换器的至少一些功率晶体管的控制信号的边沿转变时控制第一计时器和第二计时器开始计数。在一些示例中，预测计时器进一步通过控制第一计时器和/或第二计时器中的至少一个中的电阻值来控制第一计时器和/或第二计时器的操作速度，从而分别控制第一计时器和第二计时器。

在操作815处，预测计时器根据第一计时器的输出来暂停第二计时器。在一个示例中，第一计时器控制第二计时器在第一计时器到期时暂停计数。第一计时器例如通过输出被配置为使在操作810处闭合的第二计时器的开关断开的信号来控制第二计时器暂停计数。在一些示例中，当第一计时器基于Vin或Vout中的第一个超过基于Vin或Vout中的第二个的参考电压时，第一计时器输出信号。在至少一些示例中，在第一计时器到期时暂停第二计时器将第二计时器的剩余时间段确立为功率转换器的计算(例如，预测的)TOFF。例如，当在操作810处控制第一计时器和第二计时器以大于1倍的速度计数直到在操作815处第一计时器到期并且第二计时器暂停时，当第二计时器以1倍速度恢复计数时，在第二计时器到期之前剩余的时间段将定义功率转换器的计算TOFF，从而便于对功率转换器的TOFF进行预测和控制。

在操作820处，预测计时器控制第二计时器恢复计数。预测计时器例如通过输出被配置为使在操作815处断开的第二计时器的开关闭合的信号来控制第二计时器恢复计数。预测计时器控制第二计时器例如在用于控制功率转换器的至少一些功率晶体管的控制信号的另一边沿转变时重新恢复计数。预测计时器例如在降压转换器中的TON的下降沿(或升压转换器中的TOFF的下降沿)将信号提供给第二计时器的开关。

在操作825处，预测计时器控制第一计时器和第二计时器重新开始计数。在一个示例中，第二计时器控制第一计时器重新开始计数。第二计时器例如通过输出被配置为使第一计时器的开关闭合的信号来控制第一计时器重新开始计数。第二计时器例如在第二计时器到期时以及在用于控制功率转换器的至少一些功率晶体管的控制信号的另一边沿转变时控制第一计时器重新开始计数。在一些示例中，当第二计时器基于Vin或Vout中的第一个并且在操作815处暂停而超过基于Vin或Vout中的第二个的参考电压时，第二计时器输出信号。在另一示例中，预测计时器在第二计时器输出信号之后控制第一计时器和第二计时器两者重新开始计数。

在操作830处，预测计时器产生至少一个输出信号。至少部分地基于第一计时器的输出信号和/或第二计时器的输出信号来产生输出信号。输出信号例如是TON控制信号和/或TOFF控制信号。在一些示例中，将TON控制信号和/或TOFF控制信号提供给栅极驱动器以进行控制。

尽管方法800的操作已经被描述并用数字参考进行标记，但是方法800可以包括在此未引用的附加操作，在此引用的操作中的任何一或多个可以包括一或多个子操作，可以省略在此引用的操作中的任何一或多个，和/或可以在此呈现的顺序以外的其他顺序执行在此引用的操作中的任何一或多个(例如，以相反的顺序、基本上同时、重叠等)，所有这些旨在落入本描述的范围内。

图9示出了示例性状态图900。在至少一个示例中，状态图900对应于如上所述图4的预测计时器400的操作。例如，状态图900对应于如上所述由预测计时器400进行的图8的方法800的执行。

在至少一个示例中，预测计时器400在状态905处开始操作。状态905是复位状态，其中预测计时器在转变到状态910之前复位。在状态910处，预测计时器400选择用于在包括预测计时器400的功率转换器控制器的控制下控制功率转换器的操作模式。在至少一个示例中，用于控制功率转换器的操作模式是根据预测计时器400从区域检测器接收到的一或多个信号来确定的，所述区域检测器确定功率转换器当前正在操作的操作模式。当预测计时器400从区域检测器接收到指示功率转换器在降压区域中操作的一或多个信号时，预测计时器400根据降压操作来控制功率转换器导通(例如，在TON阶段操作)并转变为状态915。在至少一个示例中，进一步基于预测计时器400从回路控制器接收的输入信号(回路)确定到状态915的转变。输入例如指示代表功率转换器的输出的信号的值超过(在正方向或负方向上)参考信号的值。在一个示例中，预测计时器400通过向栅极驱动器提供用于控制功率转换器的功率晶体管的一或多个栅极端子的一或多个控制信号来控制功率转换器。预测计时器400进一步控制第一计时器410和第二计时器415开始计数。

在状态915处，预测计时器400将功率转换器保持在TON阶段。在TON阶段期间，控制预测计时器400的第一计时器410和第二计时器415继续计数，直到第一计时器410到期。当第一计时器410到期时，第一计时器410输出被配置为使第二计时器415暂停计数的信号(calc_out)。在至少一个示例中，由第一计时器410输出的信号被存储(例如，经由数字触发器锁存)以供预测计时器400后续使用。预测计时器400保持在状态910，直到预测计时器400从回路控制器接收的输入的值和基于第一计时器410的输出的信号的值均是逻辑高值。当预测计时器400从回路控制器接收的输入的值和基于第一计时器410的输出的信号的值均是逻辑高值时(例如，通过执行逻辑与运算而确定)，预测计时器400转变到状态920。在一个示例中，基于第一计时器410的输出的信号是第一计时器410的输出。在另一示例中，基于第一计时器410的输出的信号是第一计时器410输出的存储信号。

在状态920处，预测计时器400通过将一或多个控制信号提供给栅极驱动器以控制功率转换器的功率晶体管的一或多个栅极端子，来控制功率转换器截止(例如，在TOFF阶段中操作)。当预测计时器400控制功率转换器截止时，预测计时器400进一步控制第二计时器415恢复计数。预测计时器400保持在状态920，直到第二计时器415的输出信号(follow_out)的值是逻辑高值。当第二计时器415的输出是逻辑高值并且预测计时器400尚未接收或产生逻辑高复位信号时，预测计时器400转变回状态910。当预测计时器400产生或接收复位信号时，预测计时器400从状态920转变到状态905。

再次参照状态910，当预测计时器400从区域检测器接收到的一或多个信号指示功率转换器在升压区域中操作时，预测计时器400根据升压操作将功率转换器控制为导通(例如，在TON阶段中操作)并转变到状态925。预测计时器400进一步控制第一计时器410和第二计时器415开始计数。

在状态925处，预测计时器400将功率转换器保持在TON阶段。在TON阶段期间，控制预测计时器400的第二计时器415继续计数(例如，在先前接收到使第二计时器415暂停计数的信号之后继续计数)，直到第二计时器415到期。在至少一个示例中，在第二计时器415到期时由第二计时器415输出的信号被存储(例如，经由数字触发器锁存)，以供预测计时器400后续使用。预测计时器400保持在状态920，直到预测计时器400从回路控制器接收的输入值和第二计时器415输出的信号的值均是逻辑高值。当预测计时器400从回路控制器接收的输入值和第二计时器415输出的信号的值均是逻辑高值时(例如，通过执行逻辑与运算而确定)，预测计时器400转变到状态930。

在状态930处，预测计时器400通过将一或多个控制信号提供给栅极驱动器以控制功率转换器的功率晶体管的一或多个栅极端子，来控制功率转换器截止(例如，在TOFF阶段中操作)。当预测计时器400控制功率转换器截止时，预测计时器400进一步控制第一计时器410和第二计时器415复位并开始计数。预测计时器400保持在状态925，直到第一计时器415的输出的值是逻辑高值。当第一计时器410的输出的值是逻辑高值时，预测计时器400转变到状态920。当第一计时器410到期时，第一计时器410输出被配置为使第二计时器415暂停计数的信号(calc_out)。当第一计时器410的输出是逻辑高值并且预测计时器400尚未接收或产生逻辑高复位信号时，预测计时器400转变回状态910。当预测计时器400产生或接收复位信号时，预测计时器400从状态930转变到状态905。

在本描述中，术语“联接”是指间接或直接的有线或无线连接。因此，如果第一器件、元件或组件联接到第二器件、元件或组件，则所述连接可以是通过直接连接或通过经由其他器件、元件或组件和连接的间接连接。类似地，联接在第一组件或位置和第二组件或位置之间的器件可以是通过直接连接或通过经由其他器件和连接的间接连接。代替地，在此示例和/或描述为单个组件的组件(诸如电阻器、电容器和/或电感器)可以实施为以任何串联或并联方式联接的具有类似功能的元件的组合，其中至少一些可以诸如经由开关单独控制。另外，在本描述中，短语“接地电压电位”包括机壳接地、大地接地、浮动接地、虚拟接地、数字接地、公共接地和/或适用于或适合于本描述的教导的任何其他形式的接地连接。除非另有说明，否则在本描述中，在值之前的“约”、“近似”或“基本上”是指所述值的+/-10％。

在权利要求的范围内，在所描述的实施例中修改是可能的，而其他实施例也是可能的。

Claims

1.一种电路，其包含：

输入电路，其具有第一输出和第二输出；

第一计时器，其具有联接到所述输入电路的所述第一输出的第一输入；

第二计时器，其具有联接到所述输入电路的所述第二输出的第一输入、联接到所述第一计时器的输出的第二输入和联接到所述第一计时器的第二输入的输出；以及

输出电路，其联接到所述第一计时器的所述输出和所述第二计时器的所述输出。

2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述输入电路包含第一多个数字逻辑门。

3.根据权利要求1所述的电路，其中，所述输出电路包含第二多个数字逻辑门。

4.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第一计时器包含：

第一元件，其具有联接到第一电压源的第一端子；

电容器，其联接在第一节点和接地节点之间；

开关，其联接在所述第一元件的第二端子和所述第一节点之间；以及

比较器，其在第一输入处联接到所述第一节点并且在第二输入处联接到第二电压源。

5.根据权利要求4所述的电路，其中，所述第一元件是电阻元件。

6.根据权利要求4所述的电路，其中，所述第一元件是电流源。

7.根据权利要求4所述的电路，其中，所述开关被配置为联接到所述输入电路的所述第一输出和所述第二计时器的所述输出并且在所述输入电路的所述第一输出和所述第二计时器的所述输出的控制下。

8.根据权利要求4所述的电路，其中，改变所述第一元件的参数改变了所述第一计时器的操作速度。

9.一种开关模式电源SMPS，其包含：

功率转换器；和

控制器，其包含：

回路控制器，其被配置为联接到所述功率转换器以监测所述功率转换器的至少一个电特性并至少部分地基于所述功率转换器的所监测的电特性来产生控制信号；

预测计时器，其被配置为联接到所述回路控制器，并独立地确定所述功率转换器的至少一些功率晶体管的导通时间TON和截止时间TOFF；以及

栅极驱动器，其被配置为联接到所述预测计时器和所述功率转换器，以根据所确定的TON和所确定的TOFF来控制所述功率转换器。

10.根据权利要求9所述的SMPS，其中，所述预测计时器包含：

输入电路，其联接到所述回路控制器和所述功率转换器，并具有第一输出与第二输出；

输出电路，其联接到所述第一计时器的所述输出、所述第二计时器的所述输出和所述栅极驱动器。

11.根据权利要求9所述的SMPS，其中，所述预测计时器被配置为根据在所述预测计时器中实施的独立计时器电路来独立地确定所述TON和所述TOFF。

12.根据权利要求9所述的SMPS，其中，所述预测计时器包含第一计时器，所述第一计时器包含：

第一元件，其具有联接到第一电压源的第一端子；

电容器，其联接在第一节点和接地节点之间；

13.根据权利要求12所述的SMPS，其中，所述第一元件是电阻元件。

14.根据权利要求12所述的SMPS，其中，所述第一元件是电流源。

15.根据权利要求9所述的SMPS，其中，所述预测计时器被配置为：

在由所述栅极驱动器产生的控制信号的第一边沿转变时启动第一计时器和第二计时器，以控制所述功率转换器的一些功率晶体管；

在所述第一计时器到期时暂停所述第二计时器；

在由所述栅极驱动器产生的所述控制信号的第二边沿转变时恢复所述第二计时器，以控制所述功率转换器的一些功率晶体管；以及

在所述第二计时器到期时，起始由所述栅极驱动器产生的所述控制信号的第三边沿转变。

16.一种方法，其包含：

接收用于计算导通时间TON和截止时间TOFF的多个信号；

控制第一计时器和第二计时器在用于控制所述功率转换器的一些功率晶体管的控制信号的边沿转变时开始计数；

控制所述第二计时器在所述第一计时器到期时暂停计数；

控制所述第二计时器在用于控制所述功率转换器的一些功率晶体管的所述控制信号的另一边沿转变时恢复计数；

控制所述第一计时器在所述第二计时器到期时恢复计数；以及

基于所述第一计时器的输出和所述第二计时器的输出产生输出信号。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，控制所述第二计时器暂停包含断开所述第二计时器的开关。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，在暂停所述第二计时器之前，控制所述第一计时器和所述第二计时器以第一速度操作，并且其中，在恢复所述第二计时器之后，控制所述第二计时器以第二速度操作。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第二计时器的到期引起用于控制所述功率转换器的一些功率晶体管的所述控制信号的另一边沿转变。

20.根据权利要求16所述的方法，其中，产生所述输出信号包含基于所述第一计时器的所述输出和所述第二计时器的所述输出来产生TON控制信号或TOFF控制信号中的至少一个。