专利名称：固定关断时间升压转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及转换器，尤其涉及固定关断时间转换器。
背景技术：
自振式电压转换器若设计合理，则是内在稳定的，一般不需要前馈斜坡补充，具有较高的带宽。自振式电压转换器可以通过感测输出电压来确定切换频率。然而，这种控制与负载有关，并不都是可取的。例如，轻负载时，自振式电压转换器可以跳过脉冲保持调控，因此，切换频率可能会变得不稳定并落入导致附近人员分心或不适的可听范围内。
发明内容
此外，本发明讨论了操作电压转换器的装置和方法。在一个实例中，控制转换器的电路可包括比较器，该比较器配置为接收关断时间充电电压和关断时间阈值，并在关断时间充电电压超过关断时间阈值时，发起电源开关如功率晶体管从关断时间状态向导通时间状态的转换；以及与比较器连接的电容器，该电容器配置为从处于关断时间状态的感应器接收电压并利用来自感应器的电压提供关断时间充电电压。本发明提供了一种控制转换器的电路，所述转换器包括具有与电压源连接的第一节点的感应器，与所述感应器的第二节点和地面连接的功率晶体管，所述功率晶体管的栅极节点配置为与电路的输出端连接，其中，在导通时间状态时，所述功率晶体管配置为将所述感应器连接到地面以为所述感应器充电；在关断时间状态时，所述感应器配置为与负载连接；所述电路包括比较器，配置为接收关断时间充电电压和关断时间阈值，并在关断时间充电电压超过关断时间阈值时，发起所述功率晶体管从所述关断时间状态向所述导通时间状态的转换；以及电容器，与所述比较器连接，配置为从处于所述关断时间状态的所述感应器接收电压并利用来自所述感应器的所述电压提供所述关断时间充电电压。本发明还提供了一种控制转换器的方法，所述转换器包括具有与电压源连接的第一节点的感应器，与所述感应器的第二节点和地面连接的功率晶体管，其中，在导通时间状态时，所述功率晶体管将所述感应器连接到地面以为所述感应器充电；在关断时间状态时，所述感应器配置为与负载连接；所述方法包括利用与电压源连接的关断时间基准电路提供关断时间阈值；在所述关断时间状态时，利用与所述感应器和比较器连接的电容器提供关断时间充电电压；比较器比较所述关断时间充电电压和所述关断时间阈值；以及利用所述比较器的输出发起所述关断时间状态向所述导通时间状态的转换。 这个概述的目的是提供本专利申请主题的一个概述。其目的不是对本发明全部或详尽的解释。包括详细描述以提供关于本专利申请进一步的信息。
在附图中，其不必按比例示出，不同图中的相似附图标记可描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似附图标记可表示相似部件的不同实施例。附图以举例的方式大体展示本文件讨论的变化实施例，但是并非用于限制本申请。图I大体示出了固定关断时间升压转换器的实例；图2大体示出了与操作固定关断时间升压转换器实例相关的波形；图3大体示出了固定关断时间升压转换器的实例；
图4大体示出了与操作固定关断时间升压转换器实例相关的波形；图5大体示出了包括补偿电路的电压转换器的实例。
具体实施例方式发明人提出了一种自振式升压转换器拓扑，其可为转换器的输入电压和输出电压之间的给定差值设置固定关断时间。在某些实例中，输入电压和输出电压之间的差值取决于负载的电流消耗。然而，输入电压和输出电压之间的差值还可取决于其他因素，例如提供输入电压的电源的充电状态等。本申请描述的转换器拓扑在广泛负载范围内可提供固定切换频率，在某些实例中，可以将切换频率保持在大多数用户可听见的频率范围之外的轻负载状态。图I大体示出了电压转换器100的实例，电压转换器100可包括第一和第二转换器开关101、102，控制器103，感应器104以及电流传感器105。在某些实例中，转换器100可以向负载106提供电力。在一个实例中，转换器100可包括负载电容器107。控制器103可以向第一和第二转换器开关101、102提供命令，使电流通过感应器104，然后连接到负载106。在某些实施例中，基于每个转换器开关的状态轮流控制第一和第二转换器开关101，102，使得当第一转换器开关101导电时，本申请称为转换器100的“导通时间”，第二转换器开关102可以使转换器输出端108与感应器104绝缘。当第一转换器开关101不导电，或使感应器104与地面绝缘时，本申请称为转换器100的“关断时间”，第二转换器开关102可以在转换器输出端108和感应器104之间提供低阻抗路径。在某些实例中，在关断时间时，当第二转换器开关102提供低阻抗路径将感应器电流连接到负载106时，控制器103可以利用感应器104处的电压Vs测定关断时间间隔的时间。在一个实例中，在导通时间时，电流传感器105可以测量感应器电流以测定导通时间间隔的时间。例如，当感应器电流在转换器100的导通时间内达到阈值时，可以断开第一转换器开关101并导通第二转换器开关102，将感应器电流连接到负载106。在一个实例中，第一和第二转换器开关101、102中的一个或两个可包括功率晶体管。图2大体示出了与转换器实例相关的波形实例。第一波形201大体示出了用于第一转换器开关包括NMOS晶体管的转换器实例中的第一转换器的命令信号。命令信号变高为H时，感应器可以与地面连接，电流开始流过感应器。第二波形202大体示出了流过转换器的感应器的电流。感应器与地面连接时，流过感应器的电流能够例如以斜率Hltl逐渐增加。感应器与负载连接时，电流能够例如以斜率Hi1逐渐减少。第三波形203大体示出了第一转换器开关和感应器之间的节点处的电压\。第一转换器开关导通时，电压\大致是对地电压；而当感应器通过第二转换器开关与负载连接时，电压Vs大致等于输出电压VOTT。图3大体不出了频率取决于输入电压Vin和输出电压Vqut之间的差值且可不依赖负载条件进行可控调整的电压转换器300的实例。在某些实施例中，电压转换器300可以与负载306连接，包括感应器304，第一和第二转换器开关30 1、302，以及滤波电容器307。逻辑电路309可以控制第一和第二转换器开关301、302。在一个实例中，感应器304通过第二转换器开关302与负载306绝缘时，第一转换器开关301可以通过将感应器304连接在输入电压Vin和地面之间来发起感应器电流。通过利用第一转换器开关301将感应器304与地面绝缘并利用第二转换器开关302将感应器304连接到负载306的方式向负载306释放经由电流存储在感应器304中的能量。在一个实例中，第一和第二转换器开关301、302中的一个或两个可包括功率晶体管。在某些实例中，可以利用包括定时电阻器311，电容器312，比较器313和分压器314的定时电路310来确定转换器300的关断时间。在一个实例中，分压器314可以向比较器313提供关断时间基准信号315。感应器304经由第二转换器开关302与负载306连接时，启用定时电路310。感应器304处的电压Vs可以为电容器312充电直至电容器312上的电压达到或超过阈值，例如分压器314产生的关断时间基准信号315。比较器313可以提供与关断时间基准信号315相关的表示电容器电压等级的输出。在一个实例中，定时电路310可以包括缓冲感应器304的缓冲器316，以缓冲定时电路310的定时电阻器311、电容器312和比较器313。响应于定时电路比较器313的输出，逻辑电路309可以切换第一和第二转换器开关301、302的状态，使得感应器304可以经由第二转换器开关302与负载306绝缘，且感应器304经由第一转换器开关301与地面连接。根据本发明的目的，第一转换器开关301将感应器连接到地面的时间间隔是转换器100的“导通时间”。导通时间可以持续至通过感应器304的电流达到峰值阈值。在某些实例中，转换器300可以包括检测并指示感应器峰值电流的电流感应电路305。在某些实例中，电流感应电路305可以包括测量第一转换器开关301的电流的电流传感器317，提供电流峰值阈值319的基准电源318，以及比较器320。比较器320可接收电流传感器317的输出以及电流峰值阈值319，并提供表不通过第一转换器开关301满足或超过电流峰值阈值319的电流的输出。在一个实例中，基准电源318可以是可编程电源。在一个实例中，逻辑电路309可以响应于电流感应电路305的输出来触发转换器导通时间向转换器关断时间的转换。在一个实例中，逻辑电路309可以响应于电流感应电路305的输出来中断感应器304经由第一转换器开关301到地面的连接，开始通过第二转换器开关302将充电感应器电流连接到负载306。在一个实例中，放电开关321可以在转换器300的导通时间为电容器312放电。图4大体示出了与轻负载条件或输入电压Vin达到或接近输出电压Vott的条件，或输入电压Vin在输出电压Vott的预定阈值范围内的条件下的电压转换器的实例相关的波形实例。第一波形401大体示出了第一转换器开关如NMOS晶体管的控制信号。第二波形402大体示出了感应器电流。感应器与地面连接时，流过感应器的电流能够例如以斜率Hltl逐渐增加。感应器与负载连接时，电流能够例如以斜率Hi1逐渐减少。第三波形403示出了第一转换器开关和感应器之间的节点处的电压。轻负载条件下，第一晶体管的关断时间可以极其长，因为输出电压Votjt不会像转换器处于大负载下时一样迅速放电。在一个实例中，随着输入电压Vin增加，转换器的第一转换器开关的自然占空比可降至过低而不能保持第一切换频率的稳定性的值的范围内。输入电压Vin可由于某些原因接近转换输出电压，例如负载电流量减少或输入电压源的条件改变，例如重新充电。由于第一转换器开关的占空比变小，第一转换器开关用来改变状态且感应器电流用来达到峰值阈值的导通时间对转换器来说过短而无法以第一切换频率适当地调整电压。因为正向电流回路的延迟时间有限且不会进一步缩短导通时间，所以上述自振转换器开始跳过导通时间切换间隔保持稳定。切换间隔跳跃性能够将切换频率降到转换器附近的人或动物能检测的可听范围。导通时间突然跳跃使切换频率降至可听范围内的频率。为了缓解导通时间突然跳跃，电压转换器的实例可以包括补偿电路，以受控方式改变切换频率，降低或大幅度推迟切换频率落入可听频率范围的可能性。在某些实例中，可以通过关断时间基准信号将与输入电压成正比的补偿信号注入转换器的自振回路。补偿信号可以通过关断时间基准信号控制切换频率并保持转换器控制回路的稳定。在某些实例中，补偿信号在输入电压的一定范围内可以保持为零，当输入电压满足阈值条件时信号开始“生效(kick-in)”。在某些实例中，转换器在输入电压的一个或多个范围内保持固定切换频率。图5大体示出了包括补偿电路530的转换器500的实例。转换器500可以包括第一和第二转换器开关501、502，电流感应电路505，关断时间定时电路510，开关逻辑电路503，以及补偿电路530。开关逻辑电路503可以控制第一和第二转换器开关501、502。在一个实例中，感应器504通过第二转换器开关502与负载506绝缘时，第一转换器开关501可以通过将感应器504连接在输入电压Vin和地面之间来发起感应器电流。通过利用第一转换器开关501将感应器504与地面绝缘并利用第二转换器开关502将感应器504连接到负载506的方式向负载506释放经由感应器电流存储在感应器504中的能量。在一个实例中，第一和第二转换器开关501、502中的一个或两个可包括功率晶体管。在某些实例中，可以利用关断时间定时电路510来确定转换器500的关断时间。关断时间定时电路510可以包括定时电阻器511、电容器512、比较器513和分压器514。分压器514可以向比较器513提供关断时间基准信号515。感应器504与负载506连接时，启用关断时间定时电路510。感应器504处的电压Vs可以为电容器512充电直至电容器512上的电压达到或超过阈值，例如分压器514产生的关断时间基准信号515。电容器512充电至关断时间基准信号515水平时，比较器513的输出可以改变逻辑电平。响应于表示关断时间间隔完成的比较器513的输出，开关逻辑电路503可以切换第二转换器开关502的状态，使得感应器504可以与负载506绝缘，并切换第一转换器开关501的状态将感应器504与地面连接。转换器500的导通时间可以持续至感应器的电流充电至或达到峰值阈值。在某些实例中，电流感应电路505可以包括电流传感器517、比较器520以及基准电源518。 电流传感器517可以提供表不通过第一转换器开关501的感应器电流的量的信号。比较器520可以接收电流传感器517的输出并提供表示通过第一转换器开关501的电流是否满足或超过基准电源518的水平的输出。当比较器520的输出表示通过第一转换器开关501的电流处于表示基准电源518的水平的峰值水平时，开关逻辑电路503将第一和第二转换器开关501、502切换成转换器100的关断时间。在一个实例中，放电开关521可以在转换器100的导通时间为电容器512放电。在一个实例中，第一转换器开关501的占空比D可以表示为
权利要求
1.一种控制转换器的电路，所述转换器包括具有与电压源连接的第一节点的感应器，与所述感应器的第二节点和地面连接的功率晶体管，所述功率晶体管的栅极节点配置为与电路的输出端连接，其中，在导通时间状态时，所述功率晶体管配置为将所述感应器连接到地面以为所述感应器充电；在关断时间状态时，所述感应器配置为与负载连接，其特征在于，所述电路包括 比较器，配置为接收关断时间充电电压和关断时间阈值，并在关断时间充电电压超过关断时间阈值时，发起所述功率晶体管从所述关断时间状态向所述导通时间状态的转换；以及 电容器，与所述比较器连接，配置为从处于所述关断时间状态的所述感应器接收电压并利用来自所述感应器的所述电压提供所述关断时间充电电压。
2.如权利要求I所述的电路，所述电路包括与电压源连接且配置为提供所述关断时间阈值的关断时间基准电路，所述关断时间基准电路包括可调电阻器，所述可调电阻器配置为当所述电压源的电压在所述转换器的输出电压的预定阈值范围内时调整所述关断时间阈值。
3.如权利要求2所述的电路，其中所述可调电阻器包括频率补偿晶体管，所述频率补偿晶体管配置为当所述电压源的电压在所述转换器的输出电压的预定阈值范围内时，提供具有所述关断时间阈值的频率补偿信号。
4.如权利要求3所述的电路，其中所述可调电阻器包括与所述频率补偿晶体管的控制节点连接的频率补偿比较器，所述频率补偿比较器配置为比较所述电压源的电压和频率阈值电压以驱动所述频率补偿晶体管。
5.如权利要求I所述的电路，其中所述关断时间基准电路包括可调电阻器，所述可调电阻器配置为当所述电压源的电压在所述转换器的输出电压的预定阈值范围内时增加所述关断时间阈值。
6.如权利要求I所述的电路,所述电路包括电流感应电路,所述电流感应电路配置为在所述导通时间状态时比较所述感应器的电流和基准峰值电流，且当所述感应器的电流基本上等于所述基准峰值电流时触发所述导通时间状态向所述关断时间状态的转换。
7.—种控制转换器的方法，所述转换器包括具有与电压源连接的第一节点的感应器，与所述感应器的第二节点和地面连接的功率晶体管，其中，在导通时间状态时，所述功率晶体管将所述感应器连接到地面以为所述感应器充电；在关断时间状态时，所述感应器配置为与负载连接，其特征在于，所述方法包括 利用与电压源连接的关断时间基准电路提供关断时间阈值； 在所述关断时间状态时，利用与所述感应器和比较器连接的电容器提供关断时间充电电压； 比较器比较所述关断时间充电电压和所述关断时间阈值；以及 利用所述比较器的输出发起所述关断时间状态向所述导通时间状态的转换。
8.如权利要求7所述的方法，所述方法包括当所述电压源的电压在所述转换器的输出电压的预定阈值范围内时，利用所述关断时间基准电路的可调电阻器调整所述关断时间阈值。
9.如权利要求8所述的方法，其中调整所述关断时间阈值包括当所述电压源的电压在所述转换器的输出电压的预定阈值范围内时，提供具有所述关断时间阈值的频率补偿信号。
10.如权利要求9所述的方法，其中提供所述频率补偿信号包括比较所述电压源的电压和频率阈值电压以驱动与所述关断时间基准电路的输出端连接的频率补偿晶体管。
11.如权利要求8所述的方法，其中调整所述关断时间阈值包括当所述电压源的电压在所述转换器的输出电压的预定阈值范围内时，增加所述关断时间阈值。
12.如权利要求7所述的方法，所述方法包括 在所述导通时间状态时，峰值电流比较器接收感应器电流 的表征； 比较所述感应器电流的导通时间电流的表征和峰值电流阈值；以及 采用峰值电流阈值比较时，发起所述导通时间状态向所述关断时间状态的转换。
全文摘要
本发明提供一种固定关断时间转换器，尤其讨论了操作电压转换器的装置和方法。在一个实例中，控制转换器的电路可包括比较器，该比较器配置为接收关断时间充电电压和关断时间阈值，并在关断时间充电电压超过关断时间阈值时，发起功率晶体管从关断时间状态向导通时间状态的转换；以及与比较器连接的电容器，该电容器配置为从处于关断时间状态的感应器接收电压并利用来自感应器的电压提供关断时间充电电压。
文档编号H02M3/155GK102638162SQ201210031480
公开日2012年8月15日 申请日期2012年2月13日 优先权日2011年2月11日
发明者蒂莫西·艾伦·迪伊薇特, 迈克尔·大卫·穆里根 申请人:快捷半导体(苏州)有限公司, 快捷半导体公司