CN115001271A - 用于启动开关电源的转换器和方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于在启动阶段期间进行脉冲频率调制型操作的电压转换器和方法。

Description

用于启动开关电源的转换器和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年2月15日提交的法国专利申请No.2101421的权益，该申请通过引用并入本文。

技术领域

本说明一般涉及电子电路和方法，并且更具体地涉及开关模式电源(SMPS)及其操作，特别是在电源启动期间。

背景技术

在也称为开关模式转换器的开关模式电源中，提供给开关模式电源的输入的电源电位由开关MOS(金属氧化物半导体)晶体管进行斩波，以实现电感元件或电感中能量积累的阶段和在该电感元件中积累的能量(到连接到开关模式电源的输出的负载)的恢复阶段。

发明内容

一个实施例提供了一种电压转换器，其被配置为在启动阶段期间以脉冲频率调制类型的操作进行操作。

另一个实施例提供了一种用于控制电压转换器的方法，其中转换器在启动阶段期间以脉冲频率调制类操作模式进行操作。

根据一个实施例，转换器包括串联连接在用于施加第一电源电压的第一节点与用于施加第二参考电压的第二节点之间的第一和第二晶体管，第一和第二晶体管由第三节点彼此连接，第三节点通过电感器连接到第四输出节点，第四输出节点连接到第二节点，用于由第一电容器施加第二参考电压。

根据一个实施例，转换器包括第一电路，第一电路被配置为生成用于第一和第二晶体管的控制信号，使得第四节点上的第三输出电压跟随第四参考电压。

根据一个实施例，转换器包括第二电路，其被配置为产生第四设定点电压，使得第四设定点电压的值在转换器的启动阶段期间增加到第五设定点电压的值。

根据一个实施例，第二电路被配置为在第四电压达到第五电压的值时提供指示转换器能够供应负载的第一信号。

根据一个实施例，第二电路包括第一比较器，其在输出端提供第一信号，并且第一比较器的输入连接到用于施加第五电压的第五节点和用于施加第四电压的第六节点，第六节点由电流源连接到第一节点并且由第二电容器连接到第二节点。

根据一个实施例，第一电路包括第二比较器，该第二比较器被配置为将第三电压与第四电压进行比较并提供第二信号来控制包括能量累积阶段和能量恢复阶段的循环的开始。

根据一个实施例，第一电路包括：第三比较器，被配置为将第四电压与第一电压斜坡进行比较，并输出确定能量存储阶段的持续时间的第三信号；第四比较器，被配置为将第四电压与第二电压斜坡进行比较，并输出确定能量释放阶段持续时间的第四信号。

根据一个实施例，转换器被配置为在循环之间将第三节点置于高阻抗状态。

根据一个实施例，第五电压在启动阶段期间在第四电压的增长期间基本恒定。

根据一个实施例，转换器被配置为使得电感器中的电流在转换器的操作期间始终为正。

附图说明

上述特征和优点以及其他特征和优点将在以下结合附图对具体实施例的说明中进行详细说明，但不限于此，其中：

图1示出了电压转换器的实施例；和

图2是说明图1的转换器的操作的一组时序图。

具体实施方式

相似的特征在各个图中用相似的附图标记表示。特别地，在各种实施例中共同的结构和/或功能特征可以具有相同的参考并且可以具有相同的结构、尺寸和材料特性。

为了清楚起见，仅详细说明和描述了对理解本文描述的实施例有用的操作和元件。

除非另有说明，当提及连接在一起的两个元件时，这表示直接连接，除了导体之外没有任何中间元件，并且当提及耦合在一起的两个元件时，这表示这两个元件可以连接或者它们可以通过一个或多个其他元件耦合。

在以下描述中，除非另有说明，当提及绝对位置限定符时，例如术语“前”、“后”、“顶”、“底”、“左”、“右”等，或相对位置限定词，例如术语“上方”、“下方”、“更高”、“更低”等，或方向限定词，例如“水平”、“垂直”等，参考图中所示的方向。

除非另有说明，否则表述“大概”、“近似”、“基本上”和“大约”表示在10％以内，优选在5％以内。

图1示出了电压转换器1的一个实施例。转换器1是开关电源类型的DC/DC转换器，其将DC电源电压转换为DC输出电压。

转换器1被配置为提供DC输出电压VOUT。转换器包括输出节点2，电压VOUT在该输出节点处可用。

转换器1被供应有DC电源电压VDD。转换器1然后连接在连接到电压VDD的第一导电轨或节点3与连接到参考电位GND、例如地的第二导电轨或节点5之间。

转换器1被配置为以等于设定点值的值提供电压VOUT。为此目的，转换器1接收参考电位GND的DC设定点电压VREF，其值被示为等于电压VOUT的设定点值，优选地等于电压VOUT的设定点值。

在该示例中，电压VOUT、VDD和VREF是正的。在此示例中，电压VOUT、VDD和VREF以电势GND、例如地为参考。

在该示例中，转换器1是降压型或降压型，即电压VOUT的设定点值低于电压VDD的值。换言之，电压VOUT的值低于电压VDD的值。

转换器1包括第一MOS(金属氧化物半导体)晶体管9，优选地是PMOS(P沟道MOS晶体管)。MOS晶体管9耦合、优选地连接在导体轨3与内部节点11之间。换句话说，晶体管9的第一导电端子、例如其源极耦合、优选地连接到导体轨3，晶体管9的第二导电端子、例如其漏极耦合、优选地连接到节点11。

转换器1还包括第二MOS晶体管13，优选为NMOS晶体管(N沟道MOS晶体管)。晶体管13被耦合、优选地连接在节点11与导体轨5之间。换句话说，晶体管13的第一导电端子、例如其源极被耦合、优选地连接到导体轨5，晶体管13的第二导电端子、例如其漏极耦合、优选地连接到节点11。或者，NMOS晶体管13可以由二极管或肖特基二极管代替。

因此，晶体管9和13串联连接在导体轨3与5之间，并且在内部节点11处彼此连接。晶体管9和13形成功率级。

转换器1包括电感元件或电感器15。电感器15连接在节点11与节点2之间。转换器1包括连接在节点2与导体轨5之间的输出电容或电容器元件16。作为示例，电容元件16的电容大于2μF，优选地在2.2μF和20μF之间，或者甚至大于20μF。该输出电容器用作滤波器。换句话说，转换器的这个输出电容器用于平滑出现在节点2处的电流。

在操作中，负载例如连接在节点2与导体轨5之间以便由电压VOUT供给。例如，该负载包括在节点2与导体轨5之间的输入电容器。

转换器1包括控制电路17。电路17被配置为控制晶体管9和13，以调节电压VOUT使其值等于设定点值VREF。

转换器1可以在低功率模式中进行操作，即在本实施例中，在作为异步操作模式的PFM(脉冲频率调制)类型操作中进行操作。

在处于PFM操作模式的开关转换器中，转换器的每个操作循环包括在组件中的能量积累阶段、随后是到连接到转换器的负载的能量恢复阶段，这两个阶段优选地具有从一个循环到下一个循环的基本恒定的持续时间。在能量积累阶段，经过感应元件的电流增加。在能量恢复阶段，经过感应元件的电流减少。对于每个操作循环，希望经过感应元件的电流在能量积累阶段开始时和能量恢复阶段结束时为零。可以通过节点11处于高阻抗状态的等待阶段，将能量恢复阶段与下一个能量积累阶段的开始分开。能量积累和恢复阶段的频率根据输出负载的值而变化。

根据图1的实施例，转换器1包括被配置为在PFM操作模式中操作转换器的电路19。电路19包括比较器21，用于将输出电压VOUT与设定点电压VREF1进行比较。因此，比较器21包括接收电压VOUT的第一输入，优选是反相输入。该第一输入耦合、优选连接到节点2。比较器21包括第二输入，优选是非反相输入，其耦合、优选连接到施加电压VREF1的节点20。比较器21在输出端提供信号TON_GO。信号TON_GO代表电压VOUT与VREF1之间的比较结果。信号TON_GO被提供给电路17。因此，比较器21的输出端耦合、优选连接到电路17。

电路19包括另一比较器23，其被配置为确定能量累积阶段的持续时间。为此，比较器23被配置为将电压VREF1与电压斜坡RAMP1进行比较。电压斜坡RAMP1由电压斜坡产生电路25产生。因此，比较器23的输入、优选是反相输入耦合、优选地连接到电路25的提供电压斜坡RAMP1的输出端。比较器23的另一个输入端、优选是非反相输入端耦合、优选连接到电压VREF1的应用节点20。比较器23在输出端提供信号TON_OK。信号TON_OK代表电压RAMP1与VREF1之间的比较结果。信号TON_OK被提供给电路17。因此，比较器23的输出端被耦合、优选地连接到电路17。

类似地，电路19包括另一个比较器27，其被配置为确定能量恢复阶段的持续时间。为此，比较器27被配置为将电压VREF1与电压斜坡RAMP2进行比较。例如，电压斜坡RAMP2由电压斜坡产生电路25产生。因此，比较器27的一个输入端、优选是非反相输入端耦合、优选连接到电路25的提供电压斜坡RAMP2的输出端。比较器27的另一个输入端、优选是反相输入端耦合、优选连接到电压VREF1的应用节点20。比较器27向输出端提供信号TOFF_OK。信号TOFF_OK代表电压RAMP2与VREF1之间的比较结果。信号TOFF_OK被提供给电路17。因此，比较器27的输出端被耦合、优选连接到电路17。

例如，电压斜坡RAMP1是递增斜坡并且电压斜坡RAMP2是递减斜坡。优选地，斜坡RAMP1和RAMP2具有恒定且彼此基本相等的斜率，直到最接近的符号。优选地，电压斜坡RAMP1和RAMP2以导体轨5为参考。

本文描述了转换器在PFM操作模式中的操作。如果电压VOUT大于电压VREF1的值，则信号TON_GO具有第一值并且电路17控制晶体管9和13使得晶体管9和13截止。节点11因此处于高阻抗状态。没有电流流过电感器15。

当电压VOUT小于电压VREFl的值时，信号TON_GO呈现第二值，向电路17指示循环的开始。具体来说，TON_GO信号的第二个值指示能量积累阶段的开始。电路17然后控制晶体管13截止和晶体管9导通。此外，斜坡RAMP1从低于电压VREF1的值的值LR1开始增加，并且从一个循环到下一个循环是恒定的。当斜坡RAMP1的值达到电压VREF1的值时，信号TON_OK向电路17发信号通知对应于能量累积阶段结束的该信息。因此，电压RAMP1从值LR1增长到VREF1的值的持续时间对应于能量积累阶段的持续时间。

此外，当斜坡RAMP1达到值VREF1时，信号TOFF_GO从第一值变为表示能量恢复阶段开始的第二值。因此，当信号TOFF_GO取第二值时，电路17以晶体管9截止而晶体管13导通的方式控制晶体管9和13。此外，当信号TOFF_GO取第二值时，斜坡RAMP2从值LR2开始下降，高于电压VREF1的值，并且从一个循环到另一个恒定。当斜坡RAMP2的值达到电压VREF1的值时，信号TOFF_OK向电路17发信号通知对应于能量恢复阶段结束的该信息。因此，电压RAMP2从值LR2下降到VREF1的值的持续时间对应于能量恢复阶段的持续时间。

在能量恢复循环结束时，节点11返回到高阻抗状态，直到比较器21确定电压VOUT再次小于电压VREFl。

转换器1还包括启动电路29。具体地，电路29被配置为提供信号SD_RDY，该信号表征转换器准备好为连接到节点2的负载供电的信息。电路29还被配置为产生参考电压VREF1。

电路29包括串联连接在节点3与节点5之间的电流源31和电容器33。更具体地，源31的一个端子耦合、优选地连接到节点3，而源31的另一端子耦合、优选地连接到节点20。电容器33的一个端子耦合，优选地连接到节点20，并且电容器的另一端子耦合、优选连接到节点5。

节点20对应于电压施加节点VREFl。因此，节点20耦合、优选连接到比较器21、23和27的接收电压VREF1的输入端。为了清楚起见，比较器21、23和27与节点20之间的连接未示出。电压VREF1也对应于跨电容器33的端子的电压。电压VREF1的值因此通过使用电源31对电容器33充电而被选择。

电路29还包括比较器35，其被配置为将电压VREFl与设定点电压VREF进行比较。优选地，电压VREF的值是恒定的。当电压VREF1的值达到电压VREF的值时，信号SD_RDY从第一值变为第二值，这意味着转换器能够为未示出的负载供电。

转换器1在其启动期间的操作将结合图2更详细地描述。

图2是说明转换器1的操作的一组时序图。具体地，图2包括将电感器15中的电流(I)表示为时间函数的时序图。图2还包括将控制转换器1的启动的信号ENA以及信号TON_GO、TON_OK、TOFF_GO、TOFF_OK和SD_RDY表示为时间函数的时序图。图2还包括将电压(V)表示为时间函数的时序图。图2用曲线40表示电压VREF，用曲线42表示电压VREF1，用曲线44表示电压VOUT。

在时间tl处，转换器被接通。换言之，ENA信号从低值变为高值，这意味着转换器已开启。转换器的启动阶段开始。各种组件，特别是比较器21、23和27被接通。在时间tl处，信号SD_RDY为低值，表示转换器尚未准备好为负载供电。此外，电压VREF开始增加以达到其工作值，即我们希望使电压VOUT等于的设定点值。

在时间tl处，节点11处于高阻抗状态。通过电感器15的电流为零。电压VOUT为零。此外，电容器33被放电并且节点20处的电压为零。

在晚于时间t1的时间t2处，电压VREF达到其操作值，并且比较器准备好比较它们的输入值。因此，在图2的示例中，信号TON_OK和TOFF_OK取高值，这意味着斜坡尚未达到值VREF1，斜坡尚未开始其变化，并且操作循环尚未开始。

在晚于时间t2的时间t3处，电容器33开始被充电。电压VREF1增加并变得大于电压VOUT，电压VOUT和VREF1在时间t1与t3之间基本上等于零。比较器21因此确定电压VREF1大于电压VOUT，并且信号TON_GO从低值变为高值，开始能量积累阶段。电感器15中的电流增加。

转换器处于PFM模式中。这允许电压VOUT通过一系列包括能量积累阶段和能量恢复阶段的循环跟随VREF1的增长，这些循环被节点11处于高阻抗状态的阶段分开。

在时间t4处，电压VREFl达到设定值VREF。启动阶段因此结束，信号SD_RDY从低值(意味着启动阶段正在进行并且负载无法被供给)变为高值(意味着转换器能够供给负载)。然后转换器可以保持在PFM操作模式中或进入另一种操作模式，例如PWM(脉冲宽度调制)操作模式。某些设备可能只能在低功耗模式中运行，而不能在PWM模式中运行。

转换器因此在时间t1与t4之间启动。从时间t4开始，转换器处于正常运行中。在启动期间，电压VREF1斜升以达到值VREF。在正常操作期间，电压VREF1基本恒定并且基本等于设定点电压VREF。电压VREF在时间t3与t4之间、即在电压VREF1的增长期间基本恒定。

根据一个实施例，节点20例如由开关连接到节点2。因此，电容器33被充电至在启动阶段开始时、例如在时间t3之前的电压VOUT的值。

所描述的实施例的优点在于，当输出电压小于电压VREFl时使能量累积和恢复循环的PFM操作模式比其中能量累积和恢复循环连续进行的PWM操作模式的能量密集程度低。

所描述的实施例的另一个优点是它们允许制造旨在通过PFM操作模式仅在低功率模式中操作的设备。这些设备可能不包括对应于通常用于开关电源类转换器启动的PWM操作模式的电路系统。

所描述的实施例的另一个优点是它们避免在电感器15中存在负电流并因此节省功率。因此启动阶段较短。

所描述的实施例的另一个优点是既不需要时钟信号也不需要误差放大器来启动转换器。

已经描述了各种实施例和变体。本领域技术人员将理解，这些实施例的某些特征可以组合，并且本领域技术人员将容易想到其他变体。

最后，所描述的实施例和变体的实际实现在本领域技术人员基于上文提供的功能描述的能力范围内。

Claims (22)

1.一种电压转换器，包括：

第一电路，被配置为在所述电压转换器的启动阶段期间以脉冲频率调制型操作模式操作所述电压转换器。

2.根据权利要求1所述的电压转换器，其中所述电压转换器包括：

第一晶体管和第二晶体管，串联连接在用于施加第一电源电压的第一节点与用于施加第二参考电压的第二节点之间，所述第一晶体管和所述第二晶体管由第三节点彼此连接，所述第三节点由电感器连接到第四输出节点，所述第四输出节点连接到所述第二节点用于通过第一电容器施加所述第二参考电压。

3.根据权利要求2所述的电压转换器，其中所述第一电路被配置为产生用于所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制信号，使得所述第四输出节点上的第三输出电压跟随第四设定点电压。

4.根据权利要求3所述的电压转换器，其中所述电压转换器包括：

第二电路，被配置为产生所述第四设定点电压，使得所述第四设定点电压的第一值在所述电压转换器的所述启动阶段期间增加到第五设定点电压的第二值。

5.根据权利要求4所述的电压转换器，其中所述第二电路被配置为在所述第四设定点电压达到所述第五设定点电压的第二值时提供指示所述电压转换器能够供给负载的第一信号。

6.根据权利要求5所述的电压转换器，其中所述第二电路包括：

第一比较器，被配置为输出第一信号，所述第一比较器具有连接到用于接收所述第五设定点电压的第五节点的第一输入、以及连接到用于接收所述第四设定点电压的第六节点的第二输入，所述第六节点由电流源连接到所述第一节点、并由第二电容器连接到所述第二节点。

7.根据权利要求4所述的电压转换器，其中所述第五设定点电压在所述启动阶段期间在所述第四设定点电压的增长期间基本恒定。

8.根据权利要求3所述的电压转换器，其中所述第一电路包括：

第二比较器，被配置为将所述第三输出电压与所述第四设定点电压进行比较，并提供第二信号来控制包括能量存储阶段和能量释放阶段的循环的开始。

9.根据权利要求8所述的电压转换器，其中所述第一电路包括：

第三比较器，被配置为将所述第四设定点电压与第一电压斜坡进行比较，并输出确定所述能量存储阶段的第一持续时间的第三信号；以及

第四比较器，被配置为将所述第四设定点电压与第二电压斜坡进行比较，并输出确定所述能量释放阶段的第二持续时间的第四信号。

10.根据权利要求2所述的电压转换器，其中所述电压转换器被配置为在循环之间将所述第三节点置于高阻抗状态。

11.根据权利要求2所述的电压转换器，其中所述电压转换器被配置为使得所述电感器中的电流在所述电压转换器的所述操作期间始终为正。

12.一种用于控制电压转换器的方法，所述方法包括：

在所述电压转换器的启动阶段期间，以脉冲频率调制型操作来操作所述电压转换器。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述电压转换器包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管和第二晶体管串联连接在用于施加第一电源电压的第一节点与用于施加第二参考电压的第二节点之间，所述第一晶体管和所述第二晶体管由第三节点彼此连接，所述第三节点由电感器连接到第四输出节点，所述方法还包括：

通过第一电容器将来自所述第二节点的所述第二参考电压施加到所述第四输出节点。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括由第一电路产生用于所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制信号，使得所述第四节点上的第三输出电压跟随第四设定点电压。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括由第二电路产生第四设定点电压，使得所述第四设定点电压的第一值在所述电压转换器的所述启动阶段期间增加到第五设定点电压的第二值。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括由所述第二电路响应于所述第四设定点电压达到所述第五设定点电压的第二值而提供指示所述电压转换器能够提供负载的第一信号。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括由所述第二电路的第一比较器输出所述第一信号，所述第一比较器包括连接到用于接收所述第五设定点电压的第五节点的第一输入、以及连接到用于接收所述第四设定点电压的第六节点的第二输入，所述第六节点由电流源连接到所述第一节点、并由第二电容器连接到所述第二节点。

18.根据权利要求15所述的方法，还包括在所述启动阶段期间在所述第四设定点电压的增长期间将所述第五设定点电压维持在基本恒定的电压。

19.根据权利要求14所述的方法，还包括：

由所述第一电路的第二比较器将所述第三输出电压与所述第四设定点电压进行比较；以及

由所述第二比较器提供控制包括能量存储阶段和能量释放阶段的循环的开始的第二信号。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括：

由所述第一电路的第三比较器将所述第四设定点电压与第一电压斜坡进行比较；

由所述第三比较器输出确定所述能量存储阶段的第一持续时间的第三信号；

由所述第一电路的第四比较器将所述第四设定点电压与第二电压斜坡进行比较；以及

由所述第四比较器输出确定所述能量释放阶段的第二持续时间的第四信号。

21.根据权利要求13所述的方法，还包括由所述电压转换器在循环之间将所述第三节点置于高阻抗状态。

22.根据权利要求13所述的方法，还包括在所述电压转换器的所述操作期间，由所述电压转换器始终保持所述电感器中的正电流。

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