CN112615530A - 开关电源（smps）的瞬态效应减少 - Google Patents

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Abstract

一种用于生成用于激活开关电源(SMPS)的开关装置的脉冲宽度调制(PWM)信号的控制器电路，包括间隙检测电路装置、脉冲频率调制(PFM)电路装置、PWM电路装置和逻辑电路装置。间隙检测电路装置被配置为基于基准电压和与由SMPS输出的电压相对应的反馈电压之间的电压差的指示来生成移位信号。PFM电路装置被配置为生成指示PWM信号的目标PFM频率的保持信号。PWM电路装置被配置为基于移位信号来移位基础电流以生成移位基础电流，并且基于移位基础电流生成指示PWM信号的目标PWM接通时间的峰值信号。

Description

开关电源(SMPS)的瞬态效应减少
技术领域
本发明涉及用于减少对开关电源(SMPS)的瞬态效应的技术。
背景技术
控制器电路可使用控制回路来调节由开关电源(SMPS)输出的 电压。例如，控制器电路可使用脉冲频率调制(PFM)来在SMPS的 轻负载期间调节SMPS处的电压。一旦检测到SMPS处的负载从轻到 重的变化，控制器电路就可以代替使用脉冲宽度调制(PWM)来调 节SMPS处的电压。以这种方式，控制器电路可基于操作因子(例如， 负载、输入电压等)选择控制回路(例如，PFM或PWM)，以改进 SMPS的操作(例如，效率)。
发明内容
总体上，本公开的目的在于提供用于帮助减少或消除开关电源 (SMPS)(例如但不限于DC-DC转换器)中的瞬态产生的欠压的技 术。并非在开环控制中操作控制器电路，控制器电路可被配置为基于 基准电压和与由SMPS输出的电压相对应的反馈电压之间的电压差的 指示来生成移位信号。在该示例中，与忽略移位信号的控制器电路相 比，移位信号可驱动控制器，以在瞬态条件(例如，负载突然增加) 期间选择控制回路(例如，脉冲频率调制(PFM)、脉冲宽度调制 (PWM))。以这种方式，控制器电路可减少对SMPS的瞬态效应。
在一个示例中，一种用于生成用于激活SMPS的开关装置的PWM 信号的控制器电路包括：间隙检测电路装置，被配置为基于基准电压 和与SMPS输出的电压相对应的反馈电压之间的电压差的指示来生成 移位信号；PFM电路装置，被配置为生成指示PWM信号的目标PFM 频率的保持信号；PWM电路装置，被配置为基于移位信号移位基础 电流(pedestalcurrent)以生成移位基础电流，并且基于移位基础电 流来生成指示PWM信号的目标PWM接通时间的峰值信号；以及逻 辑电路装置，被配置为响应于确定目标PFM频率小于PWM频率值， 生成包括与目标PFM频率相对应的频率且包括与最小PFM接通时间 值相对应的接通时间的PWM信号，以及响应于确定目标PWM接通 时间大于最小PFM接通时间值，生成包括与PWM频率值相对应的 频率且包括与目标PWM接通时间相对应的接通时间的PWM信号。
在另一示例中，一种用于生成用于激活SMPS的PWM信号的方 法包括：基于基准电压和与SMPS输出的电压相对应的反馈电压之间 的电压差的指示来生成移位信号；生成指示PWM信号的目标PFM频 率的保持信号；基于移位信号，移位基础电流以生成移位基础电流； 基于移位基础电流，生成指示PWM信号的目标PWM接通时间的峰 值信号；响应于确定目标PFM频率小于PWM频率值，生成包括与 目标PFM频率相对应的频率且包括与最小PFM接通时间值相对应的 接通时间的PWM信号；以及响应于确定目标PWM接通时间大于最 小PFM接通时间值，生成包括与PWM频率值相对应的频率且包括 与目标PWM接通时间相对应的接通时间的PWM信号。
在另一示例中，一种用于切换SMPS的电路包括：开关装置，被 配置为基于PWM信号进行接入和断开；间隙检测电路装置，被配置 为基于基准电压和与SMPS输出的电压相对应的反馈电压之间的电压 差的指示来生成移位信号；PWM电路装置，被配置为基于移位信号移位基础电流以生成移位基础电流，并且基于移位基础电流生成指示 PWM信号的目标PWM接通时间的峰值信号；以及逻辑电路装置， 被配置为响应于确定目标PWM接通时间大于最小接通时间值，生成 包括与PWM频率值相对应的频率且包括与目标PWM接通时间相对 应的接通时间的PWM信号。
这些和其他示例的详细信息在附图和以下描述中进行阐述。其他 特征、目的和优点将从说明书和附图以及权利要求中显而易见。
附图说明
图1是示出根据本公开的一种或多种技术的用于减少瞬态效应的 示例系统的框图。
图2是示出根据本公开的一种或多种技术的用于减少瞬态效应的 第一控制器电路的概念图。
图3是示出根据本公开的一种或多种技术的示例间隙检测电路装 置的电路图。
图4是示出根据本公开的一种或多种技术的用于调节电压的脉冲 宽度调制(PWM)的性能的概念图。
图5是示出根据本公开的一种或多种技术的用于调节电压的脉冲 频率调制(PFM)的性能的概念图。
图6是示出根据本公开的一种或多种技术的用于调节电压的间隙 控制的性能的概念图。
图7是示出根据本公开的一种或多种技术的补偿值映射的概念 图。
图8是示出根据本公开的一种或多种技术的从PFM到PWM的第 一转换的概念图。
图9是示出根据本公开的一种或多种技术的从PFM到PWM的第 二转换的概念图。
图10是示出根据本公开的一种或多种技术的用于减少瞬态效应 的第二控制器电路的概念图。
图11是示出根据本公开的一种或多种技术的使用电压模式的 PWM的概念图。
图12是示出根据本公开的用于减少瞬态效应的处理的流程图。
具体实施方式
本公开的目的在于用于帮助减少或消除源于开关电源(SMPS) (例如但不限于DC-DC转换器)中的瞬变的欠压的技术。一些控制 器电路将控制回路分开，这可能导致在稳态期间只有一个回路处于活 动状态(例如，具有接通时间(“ton”)调制的恒定频率或者具有恒 定ton的频率调制)。在控制器电路根据操作点(例如，SMPS负载、 SMPS输入电压等)使用多种调制方案的系统中，一个方面是一个回 路到另一回路之间的转换。例如，欠压可能是由脉冲频率调制(PFM) 和脉冲宽度调制(PWM)之间的转换引起的，其中，PFM使用恒定 的占空比或ton调制和可变频率来控制SMPS，而PWM使用恒定频 率和可变占空比或ton调制来控制SMPS。在转换期间，控制器电路 可跨越没有回路处于活动的状态(例如，开环控制)。如果该转换与 严重瞬态(例如，负载瞬态)相关联，则控制器电路可能无法调节控 制量(例如，输出电压)，直到转换到正确的控制回路(例如，PWM)。 因此，在这些瞬态期间失去控制会导致不期望的欠压，这会导致电路 设计要求的失败。
与在高负载下操作相比，一些系统在低负载下操作时使用更高的 设定点。以这种方式，当SMPS负载从低负载增加到高负载时，与仅 使用一个设定点的系统相比，欠压量减少。
根据本文描述的技术，控制器电路可被配置为生成移位信号以驱 动控制器电路在控制回路中进行操作。例如，移位信号可增加补偿值， 以驱动PWM电路装置来以大于最小接通时间值的接通时间(例如， 占空比)控制SMPS。以这种方式，与忽略移位信号的系统相比，该 控制电路可以闭环方式进行操作以适应负载增加而无延迟。
图1是示出根据本公开的一种或多种技术的用于减少瞬态效应的 示例系统的框图。如图1的示例所示，系统100可包括电源102、控 制器电路104和SMPS 106。
电源102可被配置为向系统100的一个或多个其他部件提供电 力。例如，电源102可被配置为向SMPS 106提供输入功率。在一些 示例中，电源102可以是电池，其可被配置为存储电能。电池的示例 可包括但不限于镍镉、铅酸、镍金属氢化物、镍锌、氧化银、锂离子、锂聚合物、任何其他类型的可充电电池或任何它们的组合。在一些示 例中，电源102可以是功率转换器或功率逆变器的输出。例如，电源 102可以是直流(DC)-DC功率转换器、交流(AC)-DC功率转换 器、DC-AC功率逆变器等的输出。在一些示例中，电源102可表示 与供电电网的连接。在一些示例中，由电源102提供的输入功率信号 可以是DC输入功率信号。例如，电源102可被配置为提供～5VDC 到～40VDC范围内的DC输入功率信号。
控制器电路104可表示用于生成用于激活SMPS 106的开关装置 的PWM信号的电路装置。控制器电路104可包括间隙检测电路装置 112、PWM电路装置114、PFM电路装置116和逻辑电路装置118。 间隙检测电路装置112可被配置为基于基准电压和与由SMPS 106输 出的电压相对应的反馈电压之间的电压差的指示来生成移位信号。 PWM电路装置114可被配置为生成指示PWM信号的目标PWM接 通时间的峰值信号。PFM电路装置116可被配置为生成指示PWM信 号的目标PFM频率的保持信号。
逻辑电路装置118可被配置为基于由PWM电路装置114输出的 峰值信号和由PFM电路装置116输出的保持信号来生成用于输出到 SMPS 106的PWM信号。例如，逻辑电路装置118可被配置为响应 于确定目标PFM频率小于PWM频率值而生成包括与目标PFM频率 相对应的频率且包括与最小PFM接通时间值相对应的接通时间的 PWM信号。在一些示例中，逻辑电路装置118可被配置为响应于确 定目标PWM接通时间大于最小PFM接通时间值而生成包括与PWM 频率值相对应的频率且包括与目标PWM接通时间相对应的接通时间 的PWM信号。
SMPS 106可被配置为使用由控制器电路104输出的PWM信号 生成输出电压(例如，“VOUT+”到“VOUT-”)。SMPS 106可包 括开关装置。例如，SMPS 106可被配置为根据PWM信号选择性地 切换开关装置，以调节由SMPS 106输出的电压、电流或功率。
开关装置的示例可包括但不限于可控硅整流器(SCR)、场效应 晶体管(FET)和双极结晶体管(BJT)。FET的示例可包括但不限 于结型场效应晶体管(JFET)、金属氧化物半导体FET(MOSFET)、 双栅MOSFET、FinFET、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、任何其他类 型的FET或任何它们的组合。MOSFET的示例可包括但不限于 PMOS、NMOS、DMOS或任何其他类型的MOSFET或者任何它们的 组合。BJT的示例可包括但不限于PNP、NPN、异质结或任何其他类型的BJT或任何它们的组合。开关装置可以是电压控制和/或电流控 制的。电流控制的开关装置的示例可包括但不限于氮化镓(GaN) MOSFET、BJT或其它电流控制元件。
SMPS 106的示例可包括但不限于反激变换器、降压-升压转换器、 降压转换器、升压转换器、
Figure BDA0002712087470000061
转换器或另一开关模式功率转换器。 在一些示例中，SMPS 106可接收电压并输出与所接收电压不同的电 压。例如，SMPS 106可从电源102接收电池电压，并且输出小于电 池电压的第一电压。更具体地，在一些示例中，SMPS 106可以是降 压转换器，其降低(例如，减小)从电源102接收到的电压。
根据本文所述的技术，间隙检测电路装置112可基于基准电压和 与由SMPS 106输出的电压相对应的反馈电压之间的电压差的指示来 生成移位信号。PFM电路装置116可生成指示PWM信号的目标PFM 频率的保持信号。PWM电路装置114可基于移位信号来移位基础电 流，以生成移位基础电流，并且可基于移位基础电流生成指示PWM 信号的目标PWM接通时间的峰值信号。逻辑电路装置118可响应于 确定目标PFM频率小于PWM频率值而生成包括与目标PFM频率相 对应的频率且包括与最小PFM接通时间值对应的接通时间的PWM 信号，并且可响应于确定目标PWM接通时间大于最小PFM接通时 间值而生成包括与PWM频率值相对应的频率且包括与目标PWM接 通时间相对应的接通时间的PWM信号。
以这种方式，控制器电路104可以在瞬态期间有效地降低PWM 补偿范围，这有助于减少或消除PFM控制和PWM控制之间的间隙。 因此，与忽略移位信号的系统相比，可获得改进的性能。控制器电路 104可被配置为随着系统100接近新的稳态条件而自动地恢复两个控 制回路(例如，PFM和PWM)之间的分离(例如，间隙)。尽管上 述示例涉及PFM和PWM，但在其他示例中，也可以使用其他类型的 控制回路。在一些示例中，可以仅使用一个控制回路。例如，控制器 电路104可包括PWM电路装置114而忽略PFM电路装置116，可以 包括PFM电路装置116而忽略PWM电路装置114，或者忽略PWM 电路装置114和PFM电路装置116而包括另一闭环控制技术，以临 时“侵入”控制回路，从而最小化瞬态期间的输出电压下冲/过冲。
图2是示出根据本公开的一种或多种技术的用于减少瞬态效应的 第一控制器电路204的概念图。仅为了示例目的，参考图1讨论图2。 如图所示，控制器电路204包括PWM电路装置214、PFM电路装置 216和逻辑电路装置218，它们可以是图1的PWM电路装置114、PFM电路装置116和逻辑电路装置118的示例。如图所示，控制器电路204 还包括补偿元件221、分压器228、放大器212和放大器220。
分压器228可被配置为生成与由SMPS输出的电压相对应的反馈 电压。例如，分压器228可包括一对电阻器，其被配置为根据这一对 电阻器之间的电阻的比率来降低或升高反馈电压。
放大器212可被配置为基于基准电压和与由SMPS输出的电压相 对应的反馈电压之间的电压差的指示来生成移位信号。例如，放大器 212可通过向基准电压和由分压器228输出的反馈电压之间的电压差 施加增益来生成移位信号。
补偿元件221可基于放大器212的输出生成补偿值。例如，补偿 元件221可通过基准电压和与由SMPS输出(即，由放大器212输出) 的电压相对应的反馈电压之间的电压差的指示来充电。在一些示例 中，补偿元件221包括电容器。如本文所使用的，电容器可包括一个 电容元件或者串联和/或并联布置的多个电容元件。例如，放大器212 可使用与基准电压和由分压器228输出的反馈电压之间的电压差相对 应的电压信号对补偿元件221的电容器进行充电和/或放电。
放大器220可基于补偿元件221处的补偿值生成补偿电流 (“i_comp”)。例如，放大器220可汲取具有与补偿元件221的电 容器处的电压相对应的幅度的补偿电流。
PWM电路装置214包括基础电流源222、斜率补偿器224、电流 感测226和比较器234。基础电流源222可被配置为生成与SMPS的 最小电感器电流相对应的基础电流。如图所示，基础电流源222可被 配置为接收移位信号，以驱动基础电流源222基于移位信号输出移位 基础电流(“i_shifted pedestal”)。例如，基础电流源222可被配置 为生成移位基础电流，作为基础电流减去移位信号。斜率补偿器224 可被配置为生成斜率补偿电流，其在目标PWM接通时间期间增加并 在PWM断开时间期间复位。例如，斜率补偿器224可被配置为生成三角波。电流感测226可被配置为生成与SMPS处的电流输出相对应 的感测电流。
比较器234可被配置为生成峰值信号(“PEAK SIGNAL”)， 以指示移位基础电流(“i_shifted pedestal”)和与SMPS处的电流输 出相对应的感测电流(“i_sense”)的第一总和何时等于补偿电流 (“i_comp”)和斜率补偿电流(“i_slope comp”)的第二总和。 例如，比较器234可被配置为响应于指示第一总和等于第二总和的峰 值信号来生成PWM信号以从接通状态转换到断开状态。
PFM电路装置216包括斜坡发生器230和时钟管理器232。斜坡 发生器230可被配置为以与补偿元件221处的补偿值相对应的变化率 而增加电压的电压斜坡信号。例如，放大器220可生成斜坡电流 (“i_ramp”)，其设置与补偿元件221处的补偿值相对应的变化率。在该示例中，斜坡电流(“i_ramp”)对电容器231充电以设置最小 PFM接通时间值之后的变化率。在该示例中，比较器233响应于大于 或等于电压阈值(“Vref”)的电压斜坡信号来复位保持信号(“HOLD SIGNAL”)。时钟管理器232设置最小接通时间值(“ton_min”)。 在一些示例中，时钟管理器232可例如在最小PFM接通时间之前对 电容器231放电。
逻辑电路装置218可被配置为基于峰值信号、保持信号和最小 PFM接通时间值来生成PWM信号(“PWM”)。在一些示例中， 逻辑电路装置218可被配置为当由峰值信号指示的目标PWM接通时 间大于最小PFM接通时间值时与PWM电路装置214一起操作。在 一些示例中，逻辑电路装置218可被配置为当目标PFM频率小于 PWM频率值时与PFM电路装置216一起操作。用于逻辑电路装置 218的控制回路的示例如表格1所示，其中fsw是PWM信号的频率，fpwm是PWM频率值的频率(例如，PWM控制回路的预定频率值)， ton是目标PWM接通时间，以及ton_min是最小PFM接通时间值(例 如，PFM控制回路的预定接通时间值)，PWM是PWM控制回路， PFM为PFM控制回路，以及GAP为开环控制。
Figure BDA0002712087470000091
表格1-示例控制回路
根据本文所述的技术，移位信号可“窃取”基础电流以生成移位 基础电流，这可以减少或消除间隙(例如，开环控制)。因此，与忽 略移位信号的系统相比，逻辑电路装置218可使用在补偿元件221处 具有更小补偿值的PWM电路装置214来控制SMPS，这可使得PWM 电路装置214输出指示目标PWM接通时间(ton)大于最小PFM接 通时间(ton_min)的峰值信号以侵入控制回路，从而最小化瞬态期 间的输出电压下冲/过冲。以这种方式，与忽略移位信号的系统相比， 瞬态效应可被最小化。
图3是示出根据本公开的一种或多种技术的示例间隙检测电路装 置312的电路图。仅为了示例目的，参考图1-2讨论图3。间隙检测 电路装置312可表示图1的间隙检测电路装置112的示例。在一些示 例中，间隙检测电路装置312可表示镜像运算跨导放大器(OTA)误 差放大器。图3的示例包括反馈(“fb”)电压晶体管354、基准(“ref”) 电压晶体管352、fb电流镜364、ref电流镜362、第一电流镜366和 第二电流镜368。fb电压设置fb电压晶体管354的电阻，并且基准电 压设置ref电压晶体管352的电阻。因此，fb电流镜364生成对应于 反馈电压的fb电流(“i_fb”)，并且ref电流镜362生成对应于基 准电压的ref电流(“i_ref”)。
第一电流镜366可生成与ref电流(“i_ref”)加上由电流源370 生成的阈值(“i_thresh”)的总和相对应的电流。第二电流源368 生成移位信号，以对应于反馈电流减去基准电流减去阈值电流(“i_fb –i_ref–i_thresh”)。以这种方式，当电压差大于阈值时，间隙检 测电路装置312可生成移位信号，以包括与基准电压和反馈电压之间 的电压差成比例的电流。
例如，在稳态条件下(例如，当控制器电路104调节SMPS 106 处的输出电压以对应于基准电压时)，fb电流和ref电流可以相等。 在瞬态(例如，fb电压<ref电压)下，当高于由电流源370设置的限 定阈值时，误差i_err＝i_ref-i_fb可大于零。以这种方式，间隙检测电 路装置312可改变在两个回路(例如，PWM电路装置114和PFM电 路装置116)之间生成间隙的参数，以侵入控制回路，从而最小化瞬 态期间的输出电压下冲/过冲。
图4是示出根据本公开的一种或多种技术的用于调节电压的 PWM性能的概念图。仅为了示例目的，参考图1-图3讨论图4。图4 的横坐标轴表示时间，而图4的纵坐标轴表示PWM信号402处的电 压、保持信号404处的电压、电容器231处的斜坡电压406、用于移 位基础电流和与SMPS 106处的电流输出相对应的感测电流的第一总 和408的电流幅度、用于补偿电流和斜率补偿电流的第二总和410的 电流幅度以及峰值信号412处的电压。
如图4所示，在时间420处，周期被初始化，使得第一总和408 随着SMPS 106的电感器处的电流的增加而增加，并且PWM信号被 设置为激活状态。此外，在时间420处，电容器231的斜坡电压406 已被复位。在时间422处，最小PFM接通时间值过去，这使得放大 器220用与补偿元件221处的补偿值相对应的斜坡电流向电容器231 充电。在时间424处，移位基础电流和与SMPS 106处的电流输出相 对应的感测电流的第一总和408等于补偿电流和斜率补偿电流的第二 总和410，这使得比较器234将峰值信号412设置为激活状态。响应 于将峰值信号412设置为激活状态，逻辑电路装置218生成PWM信 号402以从接通状态转换到断开状态。由于控制器电路104使用PWM 进行操作，逻辑电路装置218生成PWM信号402以包括与PWM频 率值(“Tpwm”)相对应的频率，并且处理在时间426处重新开始。
图5是示出根据本公开的一种或多种技术的用于调节电压的PFM 的性能的概念图。仅为了示例目的，参考图1-图4讨论图5。图5的 横坐标轴表示时间，而图5的纵坐标轴表示PWM信号502处的电压、 保持信号504处的电压、深PFM 505处的电压、电容器231处的斜坡电压506、用于移位基础电流和与SMPS 106处的电流输出相对应的 感测电流的第一总和508的电流幅度、用于补偿电流和斜率补偿电流 的第二总和510的电流幅度以及峰值信号512处的电压。
如图5所示，在时间520处，周期被初始化，使得第一总和508 随着SMPS 106的电感器处的电流的增加而增加，并且PWM信号被 设置为激活状态。此外，在时间520处，电容器231的斜坡电压506 已被复位。在该示例中，在时间522处，移位基础电流和与SMPS 106 处的电流输出相对应的感测电流的第一总和508等于补偿电流和斜率 补偿电流的第二总和510，这使得比较器234将峰值信号512设置为 激活状态。响应于在最小接通时间之前将峰值信号512设置为激活状 态，逻辑电路装置218抑制生成PWM信号502以从接通状态转换到断开状态。在时间524处，最小PFM接通时间值过去，这使得放大 器220用与补偿元件221处的补偿值相对应的斜坡电流对电容器231 充电。在该示例中，在时间524处，逻辑电路装置218生成PWM信 号502以从接通状态转换到断开状态。在时间526处，比较器233确 定斜坡电压506超过基准电压(“Vth_vco”)并复位保持信号504， 并且处理重新开始。
图6是示出根据本公开的一种或多种技术的用于调节电压的间隙 控制的性能的概念图。仅为了示例目的，参照图1-图5讨论图6。图 6的横坐标轴表示时间，而图6的纵坐标轴表示PWM信号602处的 电压、保持信号604处的电压、深PFM 605处的电压、电容器231 处的斜坡电压606、用于移位基础电流和与SMPS 106处的电流输出 相对应的感测电流的第一总和608的电流幅度、用于补偿电流和斜率 补偿电流的第二总和610的电流幅度以及峰值信号612处的电压。
如图6所示，在时间620处，周期被初始化，使得第一总和608 随着SMPS 106的电感器处的电流的增加而增加，并且PWM信号被 设置为激活状态。此外，在时间620处，电容器231的斜坡电压606 已被复位。在该示例中，在时间622处，移位基础电流和与SMPS 106 处的电流输出相对应的感测电流的第一总和608等于补偿电流和斜率 补偿电流的第二总和610，这使得比较器234将峰值信号612设置为 激活状态。响应于在最小接通时间之前将峰值信号612设置为激活状 态，逻辑电路装置218抑制生成PWM信号602以从接通状态转换到断开状态。在时间624处，最小PFM接通时间值过去，这使得放大 器220用与补偿元件221处的补偿值相对应的斜坡电流向电容器231 充电。在该示例中，在时间624处，逻辑电路装置218生成PWM信 号402以从接通状态转换到断开状态。在时间626处，比较器233确 定斜坡电压506超过基准电压(“Vth_vco”)。然而，响应于确定 目标PFM频率不小于PWM频率值(例如，Tpwm 630大于目标周期 632)，逻辑电路装置218在时间628处重新开始处理。
图7是示出根据本公开的一种或多种技术的补偿值映射的概念 图。仅为了示例目的，参照图1-图6讨论图7。图7的横坐标轴表示 SMPS 106处的负载电流，而图7的纵坐标轴表示电源102处的电压。 在图7的示例中，控制器电路104使用PFM对线702以上的补偿值 进行操作，并且使用PWM对线702以下的补偿值进行操作。
图8是示出根据本公开的一种或多种技术从PFM到PWM的第一 转换的概念图。仅为了示例目的，参照图1-图7讨论图8。图8的横 坐标轴表示时间，而图8的纵坐标轴表示SMPS106处的负载802、 PWM信号的频率804、PWM信号的接通时间806、补偿元件221处 的补偿值808以及SMPS 106处的输出电压810。在图8的示例中， 控制器电路104可在区域820中以间隙模式操作，这会导致输出电压 810处的欠压。
更具体地，如图8所示，当负载802克服限定阈值时发生转换。 此时，控制器电路104可能不能够进一步增加频率804，并且接通时 间806可通过PWM回路来调制，但由于补偿值808为小值而不能激 活。因此，补偿值808可在激活PWM回路之前横跨“间隙”。然而， 在该时间间隔中，输出电压810不被调节。从而，在输出电压810处 可发生较大的欠压。根据本文所述的技术，控制器电路104可在激活 PWM回路之前使用移位信号来减少或消除间隙，这响应于负载802 中的变化而减少或消除输出电压810处的欠压。
图9是示出根据本公开的一种或多种技术从PFM到PWM的第二 转换的概念图。仅为了示例目的，参照图1-图8讨论图9。如图9所 示，在稳态操作期间，由于相对较低的补偿值902，控制器电路104 使用PFM进行操作。接下来，在转换周期期间(例如，负载增加、 电源102处的电压降低等)，与忽略移位信号的系统相比，移位信号 驱动补偿值904更快和/或更高。如此，控制器电路104例如通过在 PWM控制回路中进行操作来减少或消除转换周期期间的间隙。在转 换周期之后，移位信号减小，使得产生补偿值906，并且控制器电路 104在PWM控制回路中进行操作。以这种方式，与忽略移位信号的 系统相比，控制器电路104可减少或消除间隙，而不影响稳态操作(例 如，PFM、PWM等)。
图10是示出根据本公开的一种或多种技术的用于减少瞬态效应 的第二系统的概念图。仅为了示例目的，参考图1-图9讨论图10。 如图10所示，控制器电路1004包括PWM电路装置1014、PFM电 路装置1016和逻辑电路装置1018，它们可以是图1的PWM电路装 置114、PFM电路装置216和逻辑电路装置118的示例。此外，控制 器电路1004还可包括补偿元件1021、分压器1028、放大器1012和 放大器1020，它们可分别基本类似于图2的补偿元件221、分压器228、 放大器212和放大器220。PFM电路装置1016可基本类似于图2的 PFM电路装置216。例如，PFM电路装置1016可包括斜坡发生器1030 和时钟管理器1032，它们可分别基本类似于图2的斜坡发生器230 和时钟管理器232。
PWM电路1014可包括基础电流源1022、信号发生器1024和比 较器1034。如图所示，基础电流源1022可被配置为接收移位信号以 驱动基础电流源1022，来基于移位信号输出移位基础电流(“i_shifted pedestal”)。例如，基础电流源1022可被配置为生成移位基础电流， 作为基础电流减去移位信号。
放大器1012可被配置为基于补偿元件1021处的补偿值来生成调 制电流。信号发生器1024可被配置为针对多个周期的每个周期生成 载波电流，以一变化率增加电流。例如，信号发生器1024可被配置 为生成三角波。
比较器1034可被配置为生成峰值信号(“PEAK SIGNAL”)， 以指示移位基础电流(“i_shifted pedestal”)和载波电流(“i_carrier”) 的总和何时等于调制电流(“i_modulating”)。例如，比较器1034 生成峰值信号，以设置移位基础电流(“i_shiftedpedestal”)和载波 电流(“i_carrier”)的总和何时等于调制电流(“i_modulating”)。
逻辑电路装置1018可被配置为基于峰值信号、保持信号和最小 PFM接通时间值来生成PWM信号(“PWM”)。在一些示例中， 逻辑电路装置1018可被配置为当由峰值信号指示的目标PWM接通 时间大于最小PFM接通时间值时与PWM电路装置1014一起操作。 在一些示例中，逻辑电路装置1018可被配置为当目标PFM频率小于 PWM频率值时与PFM电路装置1016一起操作。
图11是示出根据本公开的一种或多种技术的使用电压模式的 PWM的概念图。仅为了示例目的，参照图1-图10讨论图11。图11 的横坐标轴表示时间，而图11的纵坐标轴表示由信号发生器1024输 出的载波电流1102处的电流量、由放大器1012输出的调制电流1104处的电流幅度以及由比较器1034输出的峰值信号1108处的电压。
如图11所示，在时间1120处，周期被初始化，使得通过由基础 电流源1022输出的移位基础电流偏移的载波电流1102随着SMPS 106的电感器处的电流的增加而增大，并且PWM信号1108被设置为 激活状态。在时间1122处，响应于确定调制电流1104等于载波电流1102，比较器1034复位PWM信号1108。虽然图11的示例是用电流 讨论的，但在一些示例中，电压模式还可使用电压。
图12是示出根据本公开的用于减少瞬态效应的处理的流程图。 仅为了示例目的，参照图1-图11讨论图12。根据图12的示例，间 隙检测电路装置112基于基准电压和与由SMPS 106输出的电压相对 应的反馈电压之间的电压差的指示来生成移位信号(1202)。PFM电 路装置116生成指示PWM信号的目标PFM频率的保持信号(1204)。 PWM电路装置116基于移位信号移位基础电流以生成移位基础电流 (1206)。PWM电路装置基于移位基础电流生成峰值信号，其指示 PWM信号的目标PWM接通时间(1208)。
逻辑电路装置118确定目标PFM频率是否小于PWM频率值 (1210)。响应于确定目标PFM频率小于PWM频率值(判定框1210 中为“是”)，逻辑电路装置118生成PWM信号，其包括与目标PFM 频率相对应的频率且包括与最小PFM接通时间值相对应的接通时间 (1212)。响应于确定目标PFM频率不小于PWM频率值(判定框 1210中为“否”)，逻辑电路装置118确定目标PWM接通时间是否 大于最小PFM接通时间值(1214)。
响应于确定目标PWM接通时间大于最小PFM接通时间值(判定 框1214中为“是”)，逻辑电路装置118生成PWM信号，其包括 与PWM频率值相对应的频率且包括与目标PWM接通时间相对应的 接通时间(1216)。响应于确定目标PWM接通时间不大于最小PFM 接通时间值(判定框1214中为“否”)，逻辑电路装置118可选地 生成包括PWM频率值和最小PFM接通时间值的PWM信号(1218)。
以下示例可示出本公开的一个或多个方面。
示例1.一种用于生成脉冲宽度调制(PWM)信号的控制器电路， 该PWM信号用于激活开关电源(SMPS)的开关装置，该控制器电 路包括：间隙检测电路装置，被配置为基于基准电压和与由SMPS输 出的电压相对应的反馈电压之间的电压差的指示来生成移位信号；脉 冲频率调制(PFM)电路装置，被配置为生成指示PWM信号的目标 PFM频率的保持信号；PWM电路装置，被配置为基于移位信号来移 位基础电流，以生成移位基础电流，并且基于移位基础电流生成指示 PWM信号的目标PWM接通时间的峰值信号；以及逻辑电路装置， 被配置为：响应于确定目标PFM频率小于PWM频率值，生成包括 与目标PFM频率相对应的频率且包括与最小PFM接通时间值相对应 的接通时间的PWM信号，并且响应于确定目标PWM接通时间大于 最小PFM接通时间值，生成包括与PWM频率值相对应的频率且包 括与目标PWM接通时间相对应的接通时间的PWM信号。
示例2.根据示例1的控制器电路，其中，逻辑电路装置被配置 为：响应于确定目标PFM频率大于或等于PWM频率值并且目标 PWM接通时间小于或等于最小PFM接通时间值，生成包括对应于 PWM频率值的频率且包括对应于最小PFM接通时间值的接通时间的 PWM信号。
示例3.根据示例1-2的任何组合的控制器电路，其中，为了生成 移位信号，间隙检测电路装置被配置为：当电压差大于阈值时，生成 移位信号以包括与基准电压和反馈电压之间的电压差成比例的电流。
示例4.根据示例1-3的任意组合的控制器电路，其中，间隙检测 电路装置包括运算跨导放大器(OTA)，其包括耦合至基准电压的第 一输入、耦合至反馈电压的第二输入以及被配置为输出移位信号的输 出。
示例5.根据示例例1-4的任意组合的控制器电路，其中，PWM 电路装置被配置为：生成基础电流，以对应于SMPS的最小电感器电 流。
示例6.根据示例1-5的任意组合的控制器电路，其中，为了移位 基础电流，PWM电路装置被配置为：从基础电流中减去移位信号。
示例7.根据示例1-6的任何组合的控制器电路，其中，为了生成 峰值信号，PWM电路装置被配置为：基于补偿元件处的补偿值生成 补偿电流，其中，补偿值基于基准电压和反馈电压之间的电压差；生 成在目标PWM接通时间期间增加的斜率补偿电流；以及生成峰值信 号，以指示移位基础电流和与SMPS处的电流输出相对应的感测电流 的第一总和何时等于补偿电流和斜率补偿电流的第二总和。
示例8.根据示例1-7的任意组合的控制器电路，其中，为了生成 PWM信号，PWM电路装置被配置为：响应于指示第一总和等于第二 总和的峰值信号，生成PWM信号以从接通状态转换到断开状态。
示例9.根据示例1-8的任意组合的控制器电路，其中，补偿值进 一步基于移位信号。
示例10.根据示例1-9的任何组合的控制器电路，其中，为了生 成峰值信号，PWM电路装置被配置为：生成载波电流或电压，其对 于多个周期的每个周期，以变化率增加电流或电压；以及基于补偿元 件处的补偿值生成调制电流或电压，其中，补偿值基于基准电压和反 馈电压之间的电压差。
示例11.根据示例1-10的任意组合的控制器电路，其中，为了生 成PWM信号，所述PWM电路装置被配置为：响应于移位基础电流 或电压和载波电流或电压的总和等于调制电流或电压，生成PWM信 号以从接通状态转换到断开状态。
示例12.根据示例1-11的任意组合的控制器电路，其中，补偿值 进一步基于移位信号。
示例13.根据示例1-12的任何组合的控制器电路，其中，为了生 成保持信号，PFM电路装置被配置为，对于每个周期：在最小PFM 接通时间值之后，启动电压斜坡信号并将保持信号设置为接通状态， 其中，电压斜坡信号以与补偿元件处的补偿值相对应的变化率增加电 压，其中，补偿值基于基准电压和反馈电压之间的电压差；以及响应 于电压斜坡信号大于或等于电压阈值，将保持信号复位为断开状态。
示例14.一种用于生成脉冲宽度调制(PWM)信号的方法，该 PWM信号用于激活开关电源(SMPS)的开关装置，该方法包括：基 于基准电压和与由SMPS输出的电压相对应的反馈电压之间的电压差 的指示生成移位信号；生成指示PWM信号的目标脉冲频率调制 (PFM)频率的保持信号；基于移位信号移位基础电流，以生成移位 基础电流；基于移位基础电流生成峰值信号，峰值信号指示PWM信 号的目标PWM接通时间；响应于确定目标PFM频率小于PWM频率 值，生成包括与目标PFM频率相对应的频率且包括与最小PFM接通 时间值相对应的接通时间的PWM信号；以及响应于确定目标PWM 接通时间大于最小PFM接通时间值，生成包括与PWM频率值相对 应的频率且包括与目标PWM接通时间相对应的接通时间的PWM信 号。
示例15.根据示例14的方法，进一步包括：响应于确定目标PFM 频率大于或等于PWM频率值并且目标PWM接通时间小于或等于最 小PFM接通时间值，生成包括与PWM频率值相对应的频率且包括 与最小PFM接通时间值相对应的接通时间的PWM信号。
示例16.根据示例14-15的任何组合的方法，其中，生成移位信 号包括：当电压差大于阈值时，生成移位信号以包括与基准电压和反 馈电压之间的电压差成比例的电流。
示例17.根据示例14-16的任何组合的方法，进一步包括：生成 基础电流以对应于SMPS的最小电感器电流。
示例18.根据示例14-17的任何组合的方法，其中，移位基础电 流包括：从基础电流中减去移位信号。
示例19.一种用于切换开关电源(SMPS)的电路，该电路包括： 开关装置，被配置为基于脉冲宽度调制(PWM)信号接入和断开； 间隙检测电路装置，被配置为基于基准电压和与由SMPS输出的电压 相对应的反馈电压之间的电压差的指示生成移位信号；PWM电路装置，被配置为基于移位信号来移位基础电流以生成移位基础电流，并 且基于移位基础电流生成指示PWM信号的目标PWM接通时间的峰 值信号；以及逻辑电路装置，被配置为响应于确定目标PWM接通时 间大于最小接通时间值，生成包括与PWM频率值相对应的频率且包 括与目标PWM接通时间相对应的接通时间的PWM信号。
示例20.根据示例19的电路，其中，最小接通时间是最小脉冲 频率调制(PFM)接通时间值，该电路还包括：PFM电路装置，被配 置为生成指示PWM信号的目标PFM频率的保持信号，其中，逻辑 电路装置进一步被配置为：响应于确定目标PFM频率小于PWM频 率值，生成包括与目标PFM频率相对应的频率且包括与最小PFM接 通时间值相对应的接通时间的PWM信号。
本公开描述了各个方面。这些和其他方面均在以下权利要求的范 围内。

Claims (20)

1.一种用于生成脉冲宽度调制PWM信号的控制器电路，所述PWM信号用于激活开关电源SMPS的开关装置，所述控制器电路包括：
间隙检测电路装置，被配置为基于基准电压和与由所述SMPS输出的电压相对应的反馈电压之间的电压差的指示来生成移位信号；
脉冲频率调制PFM电路装置，被配置为生成指示所述PWM信号的目标PFM频率的保持信号；
PWM电路装置，被配置为基于所述移位信号来移位基础电流，以生成移位基础电流，并且基于所述移位基础电流生成指示所述PWM信号的目标PWM接通时间的峰值信号；以及
逻辑电路装置，被配置为：
响应于确定所述目标PFM频率小于PWM频率值，生成包括与所述目标PFM频率相对应的频率且包括与最小PFM接通时间值相对应的接通时间的所述PWM信号；并且
响应于确定所述目标PWM接通时间大于所述最小PFM接通时间值，生成包括与所述PWM频率值相对应的频率且包括与所述目标PWM接通时间相对应的接通时间的所述PWM信号。
2.根据权利要求1所述的控制器电路，其中所述逻辑电路装置被配置为：
响应于确定所述目标PFM频率大于或等于所述PWM频率值并且所述目标PWM接通时间小于或等于所述最小PFM接通时间值，生成包括与所述PWM频率值相对应的频率且包括与所述最小PFM接通时间值相对应的接通时间的所述PWM信号。
3.根据权利要求1所述的控制器电路，其中为了生成所述移位信号，所述间隙检测电路装置被配置为：
当所述电压差大于阈值时，生成所述移位信号以包括与所述基准电压和所述反馈电压之间的所述电压差成比例的电流。
4.根据权利要求3所述的控制器电路，其中所述间隙检测电路装置包括运算跨导放大器OTA，所述OTA包括耦合至所述基准电压的第一输入、耦合至所述反馈电压的第二输入以及被配置为输出所述移位信号的输出。
5.根据权利要求1所述的控制器电路，其中所述PWM电路装置被配置为：
生成所述基础电流，以对应于所述SMPS的最小电感器电流。
6.根据权利要求1所述的控制器电路，其中为了移位所述基础电流，所述PWM电路装置被配置为：
从所述基础电流中减去所述移位信号。
7.根据权利要求1所述的控制器电路，其中为了生成所述峰值信号，所述PWM电路装置被配置为：
基于补偿元件处的补偿值生成补偿电流，其中所述补偿值基于所述基准电压和所述反馈电压之间的所述电压差；
生成在所述目标PWM接通时间期间增加的斜率补偿电流；以及
生成所述峰值信号，以指示所述移位基础电流和与所述SMPS处的电流输出相对应的感测电流的第一总和何时等于所述补偿电流和所述斜率补偿电流的第二总和。
8.根据权利要求7所述的控制器电路，其中为了生成所述PWM信号，所述PWM电路装置被配置为：
响应于指示所述第一总和等于所述第二总和的所述峰值信号，生成所述PWM信号以从接通状态转换到断开状态。
9.根据权利要求7所述的控制器电路，其中所述补偿值进一步基于所述移位信号。
10.根据权利要求1所述的控制器电路，其中为了生成所述峰值信号，所述PWM电路装置被配置为：
生成载波电流或电压，其对于多个周期的每个周期，以变化率增加电流或电压；以及
基于补偿元件处的补偿值生成调制电流或电压，其中所述补偿值基于所述基准电压和所述反馈电压之间的所述电压差。
11.根据权利要求10所述的控制器电路，其中为了生成所述PWM信号，所述PWM电路装置被配置为：
响应于所述移位基础电流或电压和所述载波电流或电压的总和等于所述调制电流或电压，生成所述PWM信号以从接通状态转换到断开状态。
12.根据权利要求10所述的控制器电路，其中所述补偿值进一步基于所述移位信号。
13.根据权利要求1所述的控制器电路，其中为了生成所述保持信号，所述PFM电路装置被配置为，对于每个周期：
在所述最小PFM接通时间值之后，启动电压斜坡信号并将所述保持信号设置为接通状态，其中所述电压斜坡信号以与补偿元件处的补偿值相对应的变化率增加电压，其中所述补偿值基于所述基准电压和所述反馈电压之间的所述电压差；以及
响应于所述电压斜坡信号大于或等于电压阈值，将所述保持信号复位为断开状态。
14.一种用于生成脉冲宽度调制PWM信号的方法，所述PWM信号用于激活开关电源SMPS的开关装置，所述方法包括：
基于基准电压和与由所述SMPS输出的电压相对应的反馈电压之间的电压差的指示生成移位信号；
生成指示所述PWM信号的目标脉冲频率调制PFM频率的保持信号；
基于所述移位信号移位基础电流，以生成移位基础电流；
基于所述移位基础电流生成峰值信号，所述峰值信号指示所述PWM信号的目标PWM接通时间；
响应于确定所述目标PFM频率小于PWM频率值，生成包括与所述目标PFM频率相对应的频率且包括与最小PFM接通时间值相对应的接通时间的所述PWM信号；以及
响应于确定所述目标PWM接通时间大于所述最小PFM接通时间值，生成包括与所述PWM频率值相对应的频率且包括与所述目标PWM接通时间相对应的接通时间的所述PWM信号。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
响应于确定所述目标PFM频率大于或等于所述PWM频率值并且所述目标PWM接通时间小于或等于所述最小PFM接通时间值，生成包括与所述PWM频率值相对应的频率且包括与所述最小PFM接通时间值相对应的接通时间的所述PWM信号。
16.根据权利要求14所述的方法，其中生成所述移位信号包括：
当所述电压差大于阈值时，生成所述移位信号以包括与所述基准电压和所述反馈电压之间的所述电压差成比例的电流。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
生成所述基础电流以对应于所述SMPS的最小电感器电流。
18.根据权利要求14所述的方法，其中移位所述基础电流包括：
从所述基础电流中减去所述移位信号。
19.一种用于切换开关电源SMPS的电路，所述电路包括：
开关装置，被配置为基于脉冲宽度调制PWM信号接入和断开；
间隙检测电路装置，被配置为基于基准电压和与由所述SMPS输出的电压相对应的反馈电压之间的电压差的指示生成移位信号；
PWM电路装置，被配置为基于所述移位信号来移位基础电流以生成移位基础电流，并且基于所述移位基础电流生成指示所述PWM信号的目标PWM接通时间的峰值信号；以及
逻辑电路装置，被配置为响应于确定所述目标PWM接通时间大于最小接通时间值，生成包括与PWM频率值相对应的频率且包括与所述目标PWM接通时间相对应的接通时间的所述PWM信号。
20.根据权利要求19所述的电路，其中所述最小接通时间是最小脉冲频率调制PFM接通时间值，所述电路还包括：
PFM电路装置，被配置为生成指示所述PWM信号的目标PFM频率的保持信号，
其中所述逻辑电路装置进一步被配置为：响应于确定所述目标PFM频率小于所述PWM频率值，生成包括与所述目标PFM频率相对应的频率且包括与所述最小PFM接通时间值相对应的接通时间的所述PWM信号。
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