CN213305258U - 直流dc到dc转换电路和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及直流DC到DC转换电路和电子设备。实施例DC‑DC转换电路包括DC‑DC转换器和调节电路。该调节电路包括比较器，其被配置为在DC‑DC转换器的放电阶段期间检测过冲时段，在过冲时段期间该DC‑DC转换器的输出电压超过目标电压时段，以及计时器，被配置为测量过冲时段的持续时间。本公开所描述的实施例的优点是DC‑DC转换器的输出电压可以由相对低成本和低复杂性的电路以简单的方式来调节。

Description

直流DC到DC转换电路和电子设备
技术领域
本公开的实施例涉及直流DC到DC转换电路和电子设备，并且具体地涉及用于调节DC-DC转换器的输出电压的调节电路。
背景技术
直流(DC)到DC转换器的操作通常涉及在转换器的充电阶段期间通过电感器生成电感器电流，并且接着在转换器的放电阶段期间将电感器电流供应到DC-DC转换器的输出。该操作导致转换器的输出电压在充电阶段期间下降，并且在放电阶段的至少一部分期间上升。
在升压和降压-升压转换器的情况下，困难是充电阶段不会导致转换器的输出处的任何电压变化，如在该阶段期间，电感器不向输出供应电流。在降压转换器的情况下，困难是充电阶段不单独负责最终电压变化。因此，在降压、升压或降压-升压转换器中，通常不可能基于充电阶段期间的输出电压的水平来直接控制充电阶段的特性。
因此，在本领域中需要一种改进的调节电路，以及用于调节DC-DC转换器的输出电压的方法。
实用新型内容
本公开的实施例至少可以解决上文所提到的问题中的一些或全部问题。
根据本实用新型的一个或多个方面，提供了一种直流DC到DC转换电路，包括：DC-DC转换器；以及调节电路，包括：比较器，被配置为在DC-DC转换器的放电阶段期间检测过冲时段，在过冲时段期间DC-DC转换器的输出电压超过目标电压；以及计时器，被配置为测量过冲时段的持续时间。
在一个或多个实施例中，DC-DC转换器包括电感器；并且在DC-DC转换器的放电阶段期间，电感器被配置为将电感器电流供应到DC-DC转换器的输出。
在一个或多个实施例中，调节电路包括控制器，控制器被配置为基于过冲时段的持续时间来调节DC-DC转换器的电感器充电阶段的持续时间和/或电感器放电阶段的持续时间。
在一个或多个实施例中，调节电路还包括第二比较器，第二比较器被配置为当过冲时段的持续时间超过阈值水平时检测上升电压状态，并且其中控制器被配置为响应于上升电压状态的检测而调节DC-DC转换器的电感器充电阶段的持续时间和/或电感器放电阶段的持续时间。
在一个或多个实施例中，调节电路还包括低通滤波器，低通滤波器被配置为基于过冲时段的测量持续时间的多个先前值来生成阈值水平。
在一个或多个实施例中，调节电路还包括第三比较器，第三比较器被配置为当过冲时段的持续时间低于阈值水平时检测下降电压状态，并且其中控制器还被配置为响应于下降电压状态的检测而调节DC-DC转换器的电感器充电阶段的持续时间和/或电感器放电阶段的持续时间。
在一个或多个实施例中，计时器包括计数器，计数器被配置为在过冲时段期间递增或递减计数值。
根据本实用新型的一个或多个方面，提供了一种电子设备，包括：直流DC电源，供应第一电压水平；以及DC-DC转换电路，DC-DC转换电路被配置为将第一电压水平转换为输出电压，DC-DC转换电路包括：DC-DC转换器；以及调节电路，包括：
比较器，被配置为在DC-DC转换器的放电阶段期间检测过冲时段，在过冲时段期间DC-DC转换器的输出电压超过目标电压；以及计时器，被配置为测量过冲时段的持续时间。
在一个或多个实施例中，DC-DC转换器包括电感器；并且在DC-DC转换器的放电阶段期间，电感器被配置为将电感器电流供应到DC-DC转换器的输出。
在一个或多个实施例中，调节电路包括控制器，控制器被配置为基于过冲时段的持续时间来调节DC-DC转换器的电感器充电阶段的持续时间和/或电感器放电阶段的持续时间。
在一个或多个实施例中，调节电路还包括第二比较器，第二比较器被配置为当过冲时段的持续时间超过阈值水平时检测上升电压状态，并且其中控制器被配置为响应于上升电压状态的检测而调节DC-DC转换器的电感器充电阶段的持续时间和/或电感器放电阶段的持续时间。
在一个或多个实施例中，调节电路还包括低通滤波器，低通滤波器被配置为基于过冲时段的测量持续时间的多个先前值来生成阈值水平。
在一个或多个实施例中，计时器包括计数器，计数器被配置为在过冲时段期间递增或递减计数值。
本公开所描述的实施例的优点是DC-DC转换器的输出电压可以由相对低成本和低复杂性的电路以简单的方式来调节。
附图说明
前述特征和优点以及其它特征和优点将在以下对特定实施例的描述中进行详细描述，该特定实施例仅通过说明而非限制的方式参考附图给出，其中：
图1是根据一个示例的DC-DC转换器的电路图；
图2是示出图1的电路中的信号的示例的时序图；
图3根据本公开的示例实施例示意性地示出了DC-DC转换电路；
图4根据本公开的示例实施例更详细地示出了图3的过冲检测电路；
图5是示出了图4的电路中的信号的示例的时序图；
图6根据本公开的另一示例实施例更详细地示出了图3的过冲检测电路；并且
图7是表示图3的电路中的测量信号的时序图。
具体实施方式
根据一个方面，提供了一种DC-DC转换电路，包括：DC-DC转换器；以及调节电路，包括：比较器，被配置为在DC-DC转换器的放电阶段期间检测过冲时段，在过冲时段期间该DC-DC转换器的输出电压超过目标电压；以及计时器，被配置为测量过冲时段的持续时间。
根据一个实施例，DC-DC转换器包括电感器；并且在DC-DC转换器的放电阶段期间，电感器电流由电感器供应到DC-DC转换器的输出。
根据一个实施例，调节电路包括控制器，该控制器被配置为基于过冲时段的持续时间来调节DC-DC转换器的电感器充电阶段和/或电感器放电阶段的持续时间。
根据一个实施例，该调节电路还包括第一另外比较器，第一另外比较器被配置为当过冲时段的持续时间超过阈值水平时检测上升电压状态，并且控制器被配置为响应于上升电压状态的检测而调节DC-DC转换器的电感器充电阶段和/或电感器放电阶段的持续时间。
根据一个实施例，调节电路还包括低通滤波器，低通滤波器被配置为基于过冲时段的测量持续时间的多个先前值来生成阈值水平。
根据一个实施例，调节电路还包括第二另外比较器，第二另外比较器被配置为当过冲时段的持续时间低于阈值水平时检测下降电压状态，并且控制器还被配置为响应于下降电压状态的检测来调节DC-DC转换器的电感器充电阶段和/或电感器放电阶段的持续时间。
根据一个实施例，计时器包括计数器，计数器被配置为在过冲时段期间递增或递减计数值。
根据另一方面，提供了一种电子设备，包括：供应第一电压水平的DC电源；以及上述DC-DC转换电路，DC-DC转换电路被配置为将第一电压水平转换为输出电压。
在各个附图中，相似的特征已经由相似的附图标记指示。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附图标记并且可以设置相同的结构、尺寸和材料性质。
为了清楚起见，仅对用于理解本文中所描述的实施例有用的操作和元件进行了详细说明和描述。特别地，在下文中，已经就升压转换器描述了示例，并且没有详细描述降压或降压-升压直流(DC)-DC转换器的特定电路实现，这些电路是本领域技术人员众所周知的。此外，如何将所描述的原理应用于降压转换器和降压-升压转换器对本领域技术人员来说是明显的。
除非另外指出，否则当提及连接在一起的两个元件时，这表示没有除了导体之外的任何中间元件的直接连接，并且当提及链接或耦合在一起的两个元件时，这表示这两个元件可以被连接或者它们可以经由一个或多个其它元件被链接或耦合。
除非另有说明，否则表述“大约”、“大概”、“基本上”和“大约”这是指在±10％以内，优选在±5％以内。
图1是示出DC-DC转换器100的示例的电路图，DC-DC转换器100在该示例中是升压转换器。
DC-DC转换器100包括与晶体管104串联耦合在输入电源电压轨VIN与接地电压轨之间的电感器102。例如，晶体管104是n通道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管，其源极连接到接地电压轨，并且其漏极连接到电感器102。晶体管104由相位信号φ控制。电感器102与晶体管104之间的中间节点106例如经由二极管110耦合到转换器100的输出108。电容器112例如耦合在输出节点108与接地电压轨之间。
在图1中，流过电感器102的电流被标记为I_COIL，并且输出108处的电压被标记为VOUT。
现在将参考图2更详细地描述图1的DC-DC转换器100的操作。
图2是示出在图1的电路中的相位信号φ、电流I_COIL和输出电压VOUT(实线曲线)的示例的时序图。
在转换器100的充电阶段(CHARGE)期间，例如断言相位信号φ，使得晶体管104导通。流过电感器102的电感器电流I_COIL在该充电阶段期间上升，例如以相对线性的方式上升。在此阶段期间，电感器电流I_COIL大部分经由晶体管104通过，并且因此相对较小的电流流动到输出节点108。因此电容器112两端的电压放电，使得由图2中的实线曲线表示的输出电压VOUT例如以相对线性的方式下降，这取决于负载的类型。
在放电阶段(DISCHARGE)期间，相位信号φ例如为低，使得晶体管104不再导电。流过电感器102的电感器电流I_COIL然后被引导到输出节点108，并且因此，电压VOUT例如在每个放电阶段中的至少一些放电阶段期间上升。电感器电流I_COIL在放电阶段期间例如以相对线性的方式下降。在图2的示例中，输出电压VOUT在目标水平TARGET以上的每一放电阶段期间上升，之后再次朝向每一放电阶段的结束而下降。
如以上背景技术部分中所解释的，由于转换器100的输出在充电阶段期间没有由电感器102供应，这使得调节转换器100的输出电压VOUT变得困难，并且因此，在充电阶段期间，对充电阶段的参数(诸如其持续时间)的任何修改将对输出电压VOUT没有影响，使得闭环调节变得困难。
可以解决此问题的一种方式是基于输出电压VOUT与在充电阶段期间施加的电压斜坡的总和来调节电压转换。这样的电压斜坡由图2中的虚线曲线RAMP表示。选择这样的电压斜坡以表示存储在电感中的能量将在转换器的输出处具有的影响。图2中的虚线曲线表示输出电压VOUT和电压斜坡RAMP的总和的示例。假设电压斜坡被正确地选择，所得到的斜坡信号和输出电压VOUT的总和可以用于确定充电阶段何时应当结束，例如当该总和超过目标水平TARGET时。
然而，这种基于电压斜坡的方法的缺点是需要斜坡发生器以生成该电压斜坡，以及快速加法器，以便将电压斜坡添加到输出电压信号VOUT。这些电路增加了成本和复杂性。此外，如果电压斜坡不准确地表示存储在电感器中的能量，则结果将是施加到负载的平均电压将不会被正确地调节。特别的困难是，在电压VIN和VOUT是可变的情况下，静态斜坡曲线将不能正确地表示所存储的能量。此外，取决于转换模式(降压、升压、降压-升压)，充电阶段对输出电压将具有不同影响。因此，覆盖这些模式中的两个或三个模式所需的转换器不能依赖于静态斜坡，并且使用可变斜坡发生器将增加甚至更高的成本和复杂性。
图3根据本公开示意性地示出了示例实施例的DC-DC转换电路300。
DC-DC转换电路300例如包括DC-DC转换器(DC-DCCONVERTER)302，其具有耦合到输入电压VIN的输入线304和提供输出电压VOUT的输出306。DC-DC转换器302例如是图1的示例中的升压转换器。备选地，转换器302可以是另一类型的转换器，诸如降压转换器或降压-升压转换器。
DC-DC转换器302还接收由包括过冲检测电路(OVERSHOOT DETECTION)308和脉冲宽度调制控制器(PWMCONTROLLER)310的反馈路径生成的相位信号φ。
例如，相位信号φ指示转换器302的交替充电阶段和放电阶段的开始和结束。在图1的升压转换器100的情况下，转换器在单个二进制相位信号φ的控制下在充电阶段与放电阶段之间直接交替。在其他类型的DC-DC转换器中，可以存在多于一个的相位信号φ，诸如用于控制充电阶段的开始和结束的第一相位信号φ_CHARGE和用于控制放电阶段的开始和结束的第二相位信号φ_DISCHARGE。此外，在每个充电阶段和随后的放电阶段之间和/或在每个放电阶段和随后的充电阶段之间可能存在时间间隙。
过冲检测电路308例如从转换器302的输出306接收输出电压VOUT，并且基于该输出电压生成过冲度量OS_METRIC。PWM控制器310例如接收过冲度量OS_METRIC，并且基于该度量生成相位信号φ。特别地，PWM控制器310例如基于过冲度量OS_METRIC来调节相位信号φ的占空比和/或转换器302的充电阶段的持续时间。
图4根据示例实施例更详细地示出了图3的过冲检测电路308。电路308例如包括比较器(CMP)402，其被配置为将转换器302的输出电压VOUT与目标水平TARGET进行比较。例如，比较器402的正输入耦合到转换器302的输出306，并且比较器402的负输入接收目标水平TARGET，其表示将在DC-DC转换器302的输出306处供应的目标电压。比较器402在其输出端404处生成过冲信号OS'，其指示输出电压VOUT超过目标水平TARGET的过冲时段。
比较器402的输出404例如耦合到与门406的一个输入，该与门406的另一输入接收指示转换器302何时处于放电阶段的信号φ_DISCHARGE。例如，在一个实施例中，信号φ_DISCHARGE对应于相位信号φ的反相。
与门406的输出408处的输出信号OS表示在放电阶段期间发生的过冲时段。
与门406的输出408例如被提供给计时器410，其测量过冲时段的持续时间。在图4的示例中，计时器由计数器(COUNTER)实现，计数器(COUNTER)由时钟信号CLK进行时钟控制。计数器410例如在每个放电阶段结束时生成形成过冲度量OS_METRIC的输出计数值。在一些实施例中，计数器410在每一放电阶段结束时通过将例如由反相器413生成的信号φ_DISCHARGE的反相施加到计数器的复位输入R而复位。可以使用另一类型的设备来评估过冲持续时间，而不是计数器。例如，过冲持续时间可以是基于电容器放电的时间。然而，数字解决方案(诸如基于计数器的解决方案)的优点在于其允许模拟电路系统的复杂性降低。
在一些实施例中，过冲检测电路308还包括用于检测在每个放电阶段结束时是否仍然存在电压过冲的装置。例如，触发器414用于在放电阶段结束时对信号OS进行采样。例如，触发器414使其数据输入耦合到与门406的输出408，并且其时钟输入接收由反相器413反相的信号φ_DISCHARGE。触发器414例如在其输出416处提供信号OS_END，其在信号OS在放电阶段结束时被断言时被断言。
现在将参考图5更详细地描述图4的过冲检测电路308的操作。
图5是示出图4的电路中的电感器电流I_COIL、输出电压VOUT、过冲信号OS、时钟信号CLK和过冲度量OS_METRIC的示例的时序图。
电感器电流I_COIL和输出电压VOUT例如类似于图2的示例，并且将不再详细描述。
如同在图2的示例中，在图5的示例中示出充电/放电阶段的两个循环。在图5的示例中，在输出电压VOUT超过目标电压TARGET的时段期间，过冲信号OS例如在图5的每个放电阶段期间被断言，并且这些过冲时段分别是图5的示例中的持续时间t_OS1和t_OS2。
时钟信号CLK例如具有转换器的频率的10倍到1000倍之间的频率，换句话说，时钟信号CLK具有比充电/放电阶段的时段小10倍到1000倍之间的时钟时段。
计数器410例如被配置为在每个放电时段结束时输出更新的计数值。因此，在图5的第一放电时段结束时，计数值COUNT1是例如输出，并且表示在第一放电阶段期间的过冲时段的持续时间t_OS1。这个计数值COUNT1例如用于调节电压转换。例如，PWM控制器310被配置为基于该计数值来调节随后的充电阶段的持续时间和/或随后的放电阶段的持续时间。在一些实施例中，仅基于计数值COUNT1调节充电阶段的持续时间。
例如，如果过冲时段等于或基本上等于放电阶段的持续时间，例如等于超过放电阶段的持续时间的90％，则PWM控制器310例如被配置为调节相位信号φ或在存在多于一个相位信号的情况下调节多个相位信号，以便减小输出电压VOUT。附加地或备选地，PWM控制器310从触发器414接收信号OS_END，并且还例如被配置为如果过冲仍然存在于放电阶段结束时降低输出电压，如信号OS_END所指示的。
PWM控制器310例如被配置为调节相位信号φ或在存在多于一个相位信号的情况下调节多个相位信号，以便如果过冲时段等于0则增大输出电压VOUT，换句话说，如果比较器402的输出在放电阶段期间从不被断言。
例如，为了减小输出电压VOUT，PWM控制器310例如减小充电阶段的持续时间，并且增加电压VOUT，PWM电路310例如增加充电阶段的持续时间。
在其它实施例中，PWM控制器310被配置为调节充电阶段的持续时间以便获得给定范围的过冲持续时间，等于例如放电阶段的持续时间的20％和80％之间的范围或放电阶段的持续时间的10％与90％之间的范围。
图6更详细地示出了根据本公开的另一示例实施例的图3的过冲检测电路308。图6的电路的一部分与图4的电路相同，并且共同的那些特征已经用相似的附图标记来标记，并且将不再详细描述。
在图6的示例中，计数器408向另一度量评估电路600提供输出信号OS_METRIC'，该另一度量评估电路600生成提供给PWM控制器310的过冲度量信号OS_METRIC。
电路600例如包括比较器(CMP)602，其具有耦合到计数器408的输出线412的正输入，并且其负输入耦合到提供阈值水平THRD的节点604。比较器602被配置为将过冲度量OS_METRIC'的值与阈值水平THRD进行比较，并且当阈值被超过时断言上升的输出信号度量。该信号METRIC RISING指示转换器的上升电压状态，换言之，平均输出电压是上升的。
阈值水平THRD例如是由低通滤波器(LPF)606基于信号OS_METRIC'的一个或多个先前值生成的。例如，低通滤波器生成N个先前计数值的平均值，其中N例如等于2和20之间。
在一些实施例中，电路600还包括另一比较器608，其具有耦合到节点604的正输入，并且其负输入耦合到计数器408的输出线412。比较器608例如被配置为将过冲度量OS_METRIC'的计数值与阈值水平THRD进行比较，并且在过冲度量OS_METRIC'低于阈值水平THRD时断言输出信号METRIC FALLING。该信号METRIC FALLING指示转换器的下降电压状态，换言之，平均输出电压下降。
例如，过冲度量METRIC RISING和METRIC FALLING允许PWM控制器10调节相位信号φ，以便过冲度量保持相对稳定。例如，如果过冲度量指示过冲持续时间为零，或者如果信号METRIC FALLING被断言，则PWM控制器310例如通过增加充电阶段的持续时间来增加平均输出电压VOUT。然而，如果过冲度量指示过冲持续时间基本上等于放电阶段的持续时间，或者如果信号METRIC RISING被断言，则PWM控制器310例如通过减小充电阶段的持续时间来减小平均输出电压VOUT。以此方式，在一些收敛循环之后，充电阶段持续时间将例如收敛到导致稳定过冲持续时间的静态值。
图7是表示基于在降压-升压模式下操作的DC-DC转换器302的图3的电路中的测量信号的时序图。图3特别示出了QR(准谐振)稳态操作，也称为过渡模式。在QR处运行意味着电感器中的电流在放电阶段结束时降至零，并且新的充电阶段紧跟在放电阶段之后。换句话说，QR模式是刚好存在于DCM(不连续导通模式)和CCM(连续导通模式)之间的点。
图7表示充电相位信号φ_CHARGE和放电相位信号φ_DISCHARGE、输出电压VOUT、以及过冲信号OS'。图7的测量信号基于259.7kHz的转换器频率、12V的输入电压VIN和18V的目标电压，测量的平均输出电压为18.017V，具有294mV的相对低的振幅。
本文描述的实施例的优点是DC-DC转换器的输出电压可以由相对低成本和低复杂性的电路以简单的方式来调节。实际上，该解决方案例如仅涉及几个相对低成本的比较器和计数器。
已经描述了各种实施例和变体。所属领域的技术人员将理解，可以组合这些实施例的某些特征，并且所属领域的技术人员将容易想到其它变体。特别地，对于本领域技术人员来说明显的是，本文描述的实施例可以施加于任何类型的DC-DC转换器。

Claims (13)

1.一种直流DC到DC转换电路，其特征在于，包括：
DC-DC转换器；以及
调节电路，包括：
比较器，被配置为在所述DC-DC转换器的放电阶段期间检测过冲时段，在所述过冲时段期间所述DC-DC转换器的输出电压超过目标电压；以及
计时器，被配置为测量所述过冲时段的持续时间。
2.根据权利要求1所述的直流DC到DC转换电路，其特征在于：
所述DC-DC转换器包括电感器；并且
在所述DC-DC转换器的所述放电阶段期间，所述电感器被配置为将电感器电流供应到所述DC-DC转换器的输出。
3.根据权利要求1所述的直流DC到DC转换电路，其特征在于所述调节电路包括控制器，所述控制器被配置为基于所述过冲时段的所述持续时间来调节所述DC-DC转换器的电感器充电阶段的持续时间和/或电感器放电阶段的持续时间。
4.根据权利要求3所述的直流DC到DC转换电路，其特征在于所述调节电路还包括第二比较器，所述第二比较器被配置为当所述过冲时段的所述持续时间超过阈值水平时检测上升电压状态，并且其中所述控制器被配置为响应于所述上升电压状态的所述检测而调节所述DC-DC转换器的所述电感器充电阶段的所述持续时间和/或所述电感器放电阶段的所述持续时间。
5.根据权利要求4所述的直流DC到DC转换电路，其特征在于所述调节电路还包括低通滤波器，所述低通滤波器被配置为基于所测量的所述过冲时段的持续时间的多个先前值来生成所述阈值水平。
6.根据权利要求4所述的直流DC到DC转换电路，其特征在于所述调节电路还包括第三比较器，所述第三比较器被配置为当所述过冲时段的所述持续时间低于所述阈值水平时检测下降电压状态，并且其中所述控制器还被配置为响应于所述下降电压状态的所述检测而调节所述DC-DC转换器的所述电感器充电阶段的所述持续时间和/或所述电感器放电阶段的所述持续时间。
7.根据权利要求1所述的直流DC到DC转换电路，其特征在于所述计时器包括计数器，所述计数器被配置为在所述过冲时段期间递增或递减计数值。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：
直流DC电源，供应第一电压水平；以及
DC-DC转换电路，所述DC-DC转换电路被配置为将所述第一电压水平转换为输出电压，所述DC-DC转换电路包括：
DC-DC转换器；以及
调节电路，包括：
比较器，被配置为在所述DC-DC转换器的放电阶段期间检测过冲时段，在所述过冲时段期间所述DC-DC转换器的所述输出电压超过目标电压；以及
计时器，被配置为测量所述过冲时段的持续时间。
9.根据权利要求8所述的电子设备，其特征在于：
所述DC-DC转换器包括电感器；并且
在所述DC-DC转换器的所述放电阶段期间，所述电感器被配置为将电感器电流供应到所述DC-DC转换器的输出。
10.根据权利要求8所述的电子设备，其特征在于所述调节电路包括控制器，所述控制器被配置为基于所述过冲时段的所述持续时间来调节所述DC-DC转换器的电感器充电阶段的持续时间和/或电感器放电阶段的持续时间。
11.根据权利要求10所述的电子设备，其特征在于所述调节电路还包括第二比较器，所述第二比较器被配置为当所述过冲时段的所述持续时间超过阈值水平时检测上升电压状态，并且其中所述控制器被配置为响应于所述上升电压状态的所述检测而调节所述DC-DC转换器的所述电感器充电阶段的所述持续时间和/或所述电感器放电阶段的所述持续时间。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其特征在于所述调节电路还包括低通滤波器，所述低通滤波器被配置为基于所测量的所述过冲时段的持续时间的多个先前值来生成所述阈值水平。
13.根据权利要求8所述的电子设备，其特征在于所述计时器包括计数器，所述计数器被配置为在所述过冲时段期间递增或递减计数值。
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