CN212850271U - 开关模式电源 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及开关模式电源。一种开关模式电源包括：斜坡生成电路，被配置为生成具有由电容设置的斜率的电压斜坡，其中斜坡生成电路包括并联的至少三个电容器，至少三个电容器被可选择地并联连接，以提供电容，并且其中响应于开关模式电源的电源电压的值，进行至少三个电容器的连接的选择，以便调整电压斜坡的斜率。

Description

开关模式电源
优先权声明
本申请要求于2019年7月25日提交的第1908469号法国专利申请的优先权权益，在法律允许的最大范围内，其全部内容通过引用的方式并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及电子系统，并且尤其是涉及用于为这种系统供电的电路。本公开更具体地涉及开关模式电源(SMPS)。
背景技术
存在数种类型的电源电路，使得能够向电子电路、设备或系统，或者更一般地向负载提供电流/电压对。线性电源和开关模式电源是电源电路的示例。
开关模式电源是通常能够从另一DC电压递送DC电压的电源电路。尽管开关模式电源通常是DC/DC转换器，但是某些开关模式电源可以包括整流级，使得这些开关模式电源能够接收作为输入的AC 电压，例如，输电干线。
可以期望的是，至少部分地改善已知开关模式电源的某些方面。
在本领域中需要高性能的开关模式电源。
在本领域中需要消耗较少功率的开关模式电源。
实用新型内容
实施例克服了已知开关模式电源的全部或部分缺点。
根据本公开的一方面，提供了一种开关模式电源，包括：斜坡生成电路，被配置为生成具有由电容设置的斜率的电压斜坡，其中斜坡生成电路包括并联的至少三个电容器，至少三个电容器被可选择地并联连接，以提供电容，并且其中响应于开关模式电源的电源电压的值，进行至少三个电容器的连接的选择，以便调整电压斜坡的斜率。
根据实施例，在使用脉冲频率调制的开关模式电源的低功率操作模式期间，斜坡生成电路被使用。
根据实施例，在使用脉冲宽度调制的开关模式电源的高功率操作模式期间，斜坡生成电路被使用。
根据实施例，斜率响应于电源电压的减小而增加，并且斜率响应于电源电压的增加而减小。
根据实施例，其中使用脉冲频率调制来控制响应于电源电压的减小的开关模式电源充电操作，电压斜坡的斜率设置：用于在由可变频率所设置的时段内进行充电的接通持续时间；以及其中使用脉冲宽度调制来控制响应于电源电压的增加的开关模式电源充电操作，电压斜坡的斜率设置：用于在由固定频率所设置的时段内进行充电的接通持续时间。
根据实施例，电源还包括开关电路，开关电路连接到至少三个电容器，开关电路被控制为可选择地并联连接电容器，以提供电容。
根据本公开的实施例，提供了具有高性能、并且消耗较少功率的开关模式电源。
附图说明
在结合附图对特定实施例进行以下非限制性描述中，对前述和其他特征和优点进行了详细讨论，其中：
图1以框形式示意性地示出了开关模式电源；
图2以框形式示意性地示出了在低功率阶段期间，开关模式电源的一部分的实施例；
图3以框形式示意性地示出了在高功率阶段期间，开关模式电源的一部分的实施例；
图4以框形式示意性地示出了图2和图3的开关模式电源的各部分的斜坡生成器电路的实施例；以及
图5以框形式示意性地示出了用于控制图4的电路的电路的示例。
具体实施方式
在不同的附图中，相同的元件使用相同的附图标记指定。具体地，不同实施例所通用的结构元件和/或功能元件可以使用相同的附图标记指定，并且可以具有相同的结构特性、尺寸特性和材料特性。
为了清楚起见，仅示出和详细描述了对于理解所描述的实施例有用的那些步骤和元件。
在整个本公开中，术语“连接”用于指定在电路元件之间的直接电连接，除了导体之外没有中间元件，而术语“耦合”用于指定在电路元件之间的电连接，其可以是直接连接，或者可以经由一个或多个其他元件连接。
在以下描述中，除非另有说明，否则当参考限定绝对位置的术语 (诸如术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等)或相对位置的术语(诸如术语“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等)或限定方向的术语(诸如术语“水平”、“竖直”等)时，所参考的是附图的取向。
术语“约“、“近似”、“基本上”和“大约”在本文中用于指定所讨论的值的正负10％，优选地，正负5％的容差。
图1以框图的形式非常示意性地示出了开关模式电源1(SMPS)。
开关模式电源(SMPS)1是能够从DC电压Vin供应新DC电压 Vout的电源电路。开关模式电源1能够为耦合到其输出的负载供电，亦即，接收电压Vout。为此，根据将被转换的输入电压的值，开关模式电源具有多种不同的操作模式。开关模式电源1例如包括至少两种操作模式。
第一操作模式是低功率操作模式、或低功耗模式，其中开关模式电源以脉冲频率调制(PFM)操作。当连接到开关模式电源1的输出的负载需要低电流(例如，低于30mA的电流)时，使用该操作模式。结合图2对这种操作模式进行描述。
第二操作模式是高功率操作模式、或高功耗操作模式，其中开关模式电源以脉冲宽度调制(PWM)操作。当连接到开关模式电源1 的输出的负载需要高电流(例如，大于30mA的电流)时，使用这种操作模式。结合图3对这种操作模式进行描述。
开关模式电源1还可以包括其他操作模式，诸如例如，强制传导模式或旁路操作模式。
图2以框形式示意性地示出了，在开关模式电源1处于低功率操作模式时，开关模式电源1的一部分，该部分包括电感Coil、电容器 Cext，以及控制电路架构10。
电感Coil的一个端端子被耦合(优选地，被连接)到电路架构 10的输出节点。电感Coil的另一端子递送开关模式电源1的输出电压Vout。
电容器Cext的一个电极被耦合(优选地，被连接)到递送输出电压Vout的电感Coil的端子。电容器Cext的另一电极被耦合(优选地，被连接)到参考节点，例如，接收接地的节点。
控制电路架构10包括N沟道MOS晶体管11N和P沟道MOS晶体管11P。晶体管11P和11N串联连接。更具体地，晶体管11N的漏极被耦合(优选地，被连接)到晶体管11P的漏极。晶体管11P的源极被耦合(优选地，被连接)到接收输入电压Vin的端子。晶体管11N 的源极被耦合(优选地，被连接)到接收低电源电压VSS的端子。低电源电压VSS例如是诸如接地的参考电压。电路架构10的输出节点S由晶体管11N和11P的结点定义。换言之，节点S被耦合(优选地，被连接)到晶体管11N和11P的漏极。
电路架构10还包括状态机(CMD)12，被配置为递送信号GP 和GN，使得能够控制晶体管11P和11N的栅极。状态机12还递送复位信号RST_RAMP。状态机12接收作为输入的信号START以及 DPulse。
电路架构10还包括比较器电路13，被配置为将开关模式电源1 的输出电压Vout与参考电压Vref进行比较。比较器电路13输出信号 START。
电路架构10还包括比较器电路14，被配置为将参考电压Vref与斜坡电压Vramp进行比较。比较器电路14输出信号DPulse。
电路架构10还包括电路15，用于生成参考电压Vref。电路15 接收作为输入的电压Vbg，并且输出电压Vref。电压Vbg是开关模式电源1的一般参考电压，其根据温度很小地变化。电压Vbg例如是带隙电压。
电路架构10还包括用于生成电压斜坡的电路或斜坡生成器电路 16。电路16接收作为输入的信号RST_RAMP以及开关模式电源1内部的电源电压VDD。内部电源电压VDD具有与输入电压Vin相同的平均值，但总体上噪声更小。根据变化，内部电源电压VDD等于输入电压Vin。电路16输出电压Vramp。结合图4对电路16进行详述。
开关模式电源1在低功率模式下如下操作。
在低功率模式期间，电容器Cext周期性地以设置量的功率进行充电和放电。电容器Cext的充电和放电频率、或充电和放电时段的持续时间可变，并且由信号START控制。发送到电容器Cext的功率的量由信号DPulse控制。充电和放电时段包括使电容器Cext充电的第一阶段和使电容器Cext放电的第二阶段。在充电阶段期间，晶体管11P接通，而晶体管11N关断。在放电阶段，晶体管11N接通，而晶体管11P关断。
更具体地，电容器Cext由于在开关模式电源1的输出处连接的负载而放电，消耗功率。一旦由电容器Cext所存储的功率下降到最小阈值以下，信号START就将晶体管11P控制为接通状态，并且将晶体管11N控制为关断状态，以经由电感Coil，使用输入电压Vin对电容器Cext充电。更具体地，一旦输出电压Vout小于参考电压Vref，信号START就检测到电容器不再存储足够的功率。当电容器Cext存储最小功率阈值时，电压Vref对应于在电容器Cext两端的电压。开关模式电源1的输出负载消耗的功率越多，发送到电容器的频率脉冲的频率就越高。
为了设置在每个新充电时段发送到电容器Cext的功率的量，信号DPulse定义在充电阶段期间晶体管11P接通的持续时间TON。
图3以框形式示意性地示出了在高功率操作模式下操作时，开关模式电源1的一部分，该部分包括电感Coil、电容器Cext、以及开关模式电源1的控制电路架构10'。
电路架构10'包括与关于图2所描述的电路架构10通用的元件。下文中不再对这些元件进行详述。
在电路架构10'中，控制信号GP、GN以及信号RST_RAMP由状态机12'(CMD)生成，该状态机12'接收作为输入的PWM信号和时钟信号CK。
在电路架构10'中，比较器电路13将作为输出的误差电压Verr递送到比较器电路14'(代替比较器电路14)的输入。比较器电路14' 在第二输入上接收由斜坡生成器电路16所递送的电压Vramp。比较器电路14'输出PWM信号。
开关模式电源1在高功率模式期间的操作模式如下。
在高功率模式期间，电容器Cext以可变量的功率周期性地充电和放电。包括充电阶段和放电阶段的时段的持续时间恒定，并且由时钟信号CK设置。在充电阶段期间，晶体管11P接通，而晶体管11N 关断。在放电阶段期间，晶体管11N接通，而晶体管11P关断。充电阶段和放电阶段的持续时间可变，并且由PWM信号控制。换言之，通过PWM信号调整晶体管的关断和接通的占空比。
通过将表示在输出电压Vout与参考电压Vref之间的差异的误差电压Verr与由电路16所递送的电压Vramp进行比较，来获得PWM 信号。一旦误差过高，PWM信号就会命令对电容器Cext充电的阶段。
图4更详细地示出了结合图2和图3所描述的架构10和10'的电压斜坡16的生成电路。
电路16包括电阻器Rramp，在其端子中的一个端子上接收内部电源电压VDD。电阻器Rramp的第二端子被耦合(优选地，被连接) 到节点A。电阻器Rramp具有记为Rramp的电阻值。
电路16还包括运算放大器161，具有被耦合(优选地，被连接) 到节点A的第一输入(+)、以及接收被除以二(VVD/2)的电源电压 VDD的第二输入(-)。使用内部电源电压VDD对运算放大器161供电。运算放大器161的输出控制电路16的第一电流镜电路162。
电路162包括两个N型MOS晶体管162A和162B，它们的栅极彼此耦合(优选地，彼此连接)，并且被耦合到运算放大器161的输出。晶体管162A的漏极被耦合(优选地，被连接)到节点A，并且其源极被耦合(优选地，被连接)到参考节点，例如，接收接地的节点。晶体管162B的漏极被耦合(优选地，被连接)到节点B，并且其源极被耦合(优选地，被连接)到参考节点，例如，接收接地的节点。
电路16还包括第二电流镜电路163。电路163包括两个P型MOS 晶体管163B和163C。晶体管163B和163C的栅极彼此耦合(优选地，彼此连接)，并且被耦合(优选地，被连接)到节点B。晶体管 163B和163C的源极彼此耦合(优选地，彼此连接)，并且接收内部电源电压VDD。晶体管163B的漏极被耦合(优选地，被连接)到节点B。晶体管163C的漏极被耦合(优选地，被连接)到递送电压Vramp 的节点C。换言之，节点C是电路16的输出节点。
电路16还包括电容器CrampHP1。电容器CampHP1的第一电极被耦合(优选地，被连接)到节点C，而电容器CampHP1的第二电极被耦合(优选地，被连接)到参考节点(例如，接收接地的节点)。
电路16还包括电容器CrampHP2，可由开关164HP选择。电容器CampHP2的第一电极被耦合(优选地，被连接)到开关164HP的端子，而电容器CampHP2的第二电极被耦合(优选地，被连接)到参考节点(例如，接收接地的节点)。开关164HP的第二端子被耦合 (优选地，被连接)到节点C。开关164HP由信号CMDHP控制。
电路16还包括n个电容器CrampLP1、CrampLP2、……、CrampLPn，分别由开关164LP1、164LP2、……、164LPn选择，其中n优选为在2至8范围中的整数。每个电容器CrampLPi(其中i 从1变化到n)的第一电极被耦合(优选地，被连接)到与其相关联的开关164LPi的端子，而每个电容器CrampLPi的第二电极被耦合(优选地，被连接)到参考节点(例如，接收接地的节点)。开关164LPi 的第二端子被耦合(优选地，被连接)到节点C。开关164LPi由信号CMDLPi控制。
电路16还包括开关165，耦合节点C和参考节点(例如，接收接地的节点)。开关165由信号RST_RAMP控制。
电路16如下操作。电容器CrampHP1和(多个)选定电容器 CrampHP2、CrampLP1、CrampLP2、……、CrampLPn由电流I逐渐充电。电压Vramp根据电压斜坡发生变化。电容器CrampHP1和选定电容器CrampHP2、CrampLP1、CrampLP2、……、CrampLPn的一般电容Cramp越大，则由Vramp跟随的斜坡的斜率就越小。开关165 的关断使得能够复位电压Vramp。
如下生成关于图2所描述的信号DPulse。在每次开始电容器Cext 的充电时段时，亦即，在关断晶体管11P时，电压Vramp为零。在充电时段期间，电压Vramp根据斜坡发生变化。比较器电路14将电压 Vramp与参考电压Vref进行比较。只要电压Vramp小于参考电压Vref，信号DPulse就控制晶体管11P的接通和晶体管11N的关断，并且电容器Cext充电。一旦电压Vramp超过电压Vref，信号Dpulse就将晶体管11P控制为关断状态、并且将晶体管11N控制为接通状态，并且电容器Cext放电。因此，电容器Cext的充电持续时间TON由电压 Vramp超过电压Vref所必需的持续时间定义。持续时间TON由以下公式定义：
Figure DEST_PATH_GDA0002889313310000081
信号CMDHP、CMDLP1至CMDLPn由控制电路17(在图4中未示出)生成，结合图5对该控制电路的实施例进行描述。信号 CMDHP、CMDLP1至CMDLPn的状态取决于内部电源电压VDD的值。更具体地，电压VDD可以属于多个不同的值范围，并且根据其值，某些信号CMDHP、CMDLP1至CMDLPn被激活，而其他信号未被激活。具体地，当电源电压VDD减小时，通用电容Cramp增加。
使用电路16类型的电压斜坡生成电路的优点在于，其输出的电压斜坡的斜率可以根据设置点电压(此处为内部电源电压VDD)进行调制。
在开关模式电源1的低功率模式期间，使用电路16的优点在于，它使得能够减少在电感Coil中的功率损耗。实际上，在电容器Cext 的充电时段期间，电感Coil看到的电压等于在输出电压Vout与输入电压Vin之间的差异，该电压具有与内部电源电压VDD相同的平均值。因此，在充电时段期间，进入电感Coil的电流Imax等于：
Figure DEST_PATH_GDA0002889313310000091
其中L是电感Coil的值。
电流Imax取决于电压VDD，减小该电压Imax并且限制功率损耗的方法是当电压VDD增加时，逐渐减小电容Cramp。因此，损耗被限制。
图5示出了关于图3所描述的控制电路17、或用于生成控制信号 CMDHP，以及CMDLP1、……、CMDLPn的电路的示例。本文所描述的电路17能够与图3的电路16耦合，该电路17包括三个电容器 CrampLP1至CrampLP3。
在接收电压VDD的节点与接收电压VSS的节点之间，电路17 包括串联连接的电阻器R1至R5。作为示例，电阻器R1至R5的电阻值全部相等。
电路17还包括四个比较器电路C1至C4(CMP)。每个比较器电路在其输入中的一个输入上接收比较电压Vscale。比较器电路C1至 C4在第二输入上接收存在于两个电阻器R1至R5的结点上的电压。更具体地，电路C1接收电阻器R1和R2的结点的电压；电路C2接收电阻器R2和R3的结点的电压；电路C3接收电阻器R3和R4的结点的电压；并且电路C4接收电阻器R4和R5的结点的电压。
电路C1至C4的输出被发送到编译电路171(数字)，该编译电路171使得能够确定包含电压VDD的值的值间隔。编译电路输出数字信号VDD_DIGIT，包括相对于包括电压VDD的范围的信息。
电路17还包括解码电路172(缩放)，被配置为输出控制信号 CMDHP，以及CMDLP1、CMDLP2和CMDLP3。电路172接收作为输入的信号VDD_DIGIT以及信号LPM，该信号LPM表示开关模式电源1的低功率模式的激活。电路17使得能够设置关于图4所描述的一般电容Cramp的值。
实施例提供了一种开关模式电源，包括电压斜坡生成电路，该电压斜坡生成电路包括并联的至少三个电容器，根据开关模式电源的内部电源电压的值，能够选择该至少三个电容器。
根据实施例，在开关模式电源的低功率操作模式期间实现电流斜坡生成电路。
根据实施例，低功率操作模式是以脉冲频率调制的操作模式。
根据实施例，电流斜坡生成电路在开关模式电源的高功率操作阶段期间被实现。
根据实施例，高功率操作模式是以脉冲宽度调制的操作模式。
根据实施例，内部电源电压具有等于开关模式电源的输入电压的平均值。
根据实施例，所述至少三个可选择电容器可经由开关选择。
另一实施例提供了一种开关模式电源的操作方法，其中根据开关模式电源的内部电源电压的值，由电压斜坡生成电路所递送的电压斜坡的斜率被修改。
根据实施例，当内部电源电压减小时，所述斜率增加。
根据实施例，当内部电源电压增加时，所述斜率减小。
根据实施例，通过调整所述电压斜坡生成电路的电容，所述斜率被修改。
根据实施例，该方法在开关模式电源的低功率模式期间被使用。
根据实施例，该方法在开关模式电源的高功率模式期间被使用。
已经对各种实施例和变型进行了描述。本领域技术人员应当理解，这些各种实施例和变型的某些特征可以被组合，并且本领域技术人员应当想到其他变型。
最后，基于上文所给出的功能指示，所描述的实施例和变型的实际实现方式在本领域技术人员的能力范围之内。
这样的更改、修改和改进旨在作为本公开的一部分，并且旨在落入本实用新型的精神和范围内。因而，前面的描述仅通过示例，并不旨在进行限制。本实用新型仅由所附权利要求书及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种开关模式电源，其特征在于，包括：
斜坡生成电路，被配置为生成具有由电容设置的斜率的电压斜坡，其中所述斜坡生成电路包括并联的至少三个电容器，所述至少三个电容器被可选择地并联连接，以提供所述电容，并且其中响应于所述开关模式电源的电源电压的值，进行所述至少三个电容器的所述连接的所述选择，以便调整所述电压斜坡的所述斜率。
2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，在使用脉冲频率调制的所述开关模式电源的低功率操作模式期间，所述斜坡生成电路被使用。
3.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，在使用脉冲宽度调制的所述开关模式电源的高功率操作模式期间，所述斜坡生成电路被使用。
4.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述斜率响应于所述电源电压的减小而增加，并且所述斜率响应于所述电源电压的增加而减小。
5.根据权利要求4所述的电源，其特征在于：
使用脉冲频率调制来控制响应于所述电源电压的减小的开关模式电源充电操作，所述电压斜坡的所述斜率设置：用于在由可变频率所设置的时段内进行充电的接通持续时间；以及
使用脉冲宽度调制来控制响应于所述电源电压的增加的开关模式电源充电操作，所述电压斜坡的所述斜率设置：用于在由固定频率所设置的时段内进行充电的接通持续时间。
6.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，还包括开关电路，所述开关电路连接到所述至少三个电容器，所述开关电路被控制为可选择地并联连接所述电容器，以提供所述电容。
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