数字电源系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及数字电源系统，其能够以连续导电模式和不连续导电模式进行操作。通常而言，包括控制模块和电压变换器模块的系统可以被配置为以连续导电模式(CCM)来进行操作，直到流经电压变换器模块中的电感器的电流被确定为零或低于零(例如，负的)。随后，控制器可以转变为以不连续控制模式(DCM)来对电压变换器模块进行操作。DCM中的一些或全部可以在控制器内以数字方式实施。通过这种方式，可以实现CCM或DCM操作的优点，同时将与这些控制方案相关的缺点降至最低。此外，与传统的DCM操作相比，将DCM控制数字化可更易于实施，并且性能更佳。
【专利说明】数字电源系统
【技术领域】
[0001 ] 本申请涉及电源，并且更具体而言，涉及能够以连续导电模式或不连续导电模式进行操作的数字电源系统。
【背景技术】
[0002]取决于负载的功率需求，同步降压变换器可以通过连续导电模式(CCM)和不连续导电模式(DCM)来进行操作。例如，负载的情况可以变化，使得负载可以汲取较少的电流，变换器的输出电压可以改变等，这可能致使同步降压变换器开始从负载电容器灌电流并暂时以“升压”模式进行工作。在这种状态下，通过输出电感器的电流可以是负的，这可能导致负电流(如，漏极到源极电流)通过电源的低侧开关晶体管。在CCM操作中，通过保持低侧开关晶体管连续导通，感应器电流可以转负。在DCM操作中，定期关闭低侧晶体管，以防止负电流。CCM和DCM操作均存在优点和缺点，这导致它们二者都不能适用于所有可能情况。
实用新型内容
[0003]本申请涉及一种系统，包括:电压变换器模块，其包括电感器以用于产生输出电压；零电流检测模块，其用于确定流经所述电感器的电流何时为零或低于零；以及控制模块，其用于以连续导电模式来对所述电压变换器模块进行操作，直到所述零电流检测模块确定所述电感器电流为零或低于零，并且在所述零电流检测模块确定所述电感器电流为零或低于零之后，以数字不连续导电模式来对所述电压变换器模块进行操作。
[0004]本申请进一步涉及至少一种机器可读的存储介质，所述至少一种机器可读的存储介质上单独地或组合地存储有指令，当所述指令被一个或多个处理器执行时，进行以下操作:以连续导电模式来对电压变换器模块进行操作；确定所述电压变换器模块中的电感器中的电流；以及当所述电感器电流被确定为零或低于零时，转变为以数字不连续导电模式来对所述电压变换器模块进行操作。
[0005]这部分旨在提供本专利申请的主题的概述。这部分并非旨在提供本实用新型的排他性的或详尽的说明。本文包括了详细的描述，以提供关于本专利申请的进一步信息。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]根据下文的【具体实施方式】并参考附图后，所请求保护的主题的各种实施例的特征和优点将会变得更为明显，其中，类似的附图标记表示类似的部件，并且其中:
[0007]图1示出了根据本申请的至少一个实施例的被配置用于混合连续和不连续模式操作的一示例性系统；
[0008]图2示出了根据本申请的至少一个实施例的被配置用于混合连续和不连续模式操作的示例性电路；
[0009]图3示出了根据本申请的至少一个实施例的连续与不连续模式波形之间的示例性关系；
[0010]图4示出了根据本申请的至少一个实施例的连续与不连续模式操作之间的示例性转变；以及
[0011]图5示出了根据本申请的至少一个实施例的混合连续与不连续模式操作的示例性操作。
[0012]虽然下面的【具体实施方式】将参照示例性实施例进行，但是实施例的多个替代形式、修改形式和变型对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
【具体实施方式】
[0013]本申请涉及混合连续和不连续模式操作。通常而言，包括控制模块和电压变换器模块的系统可以被配置成以连续导电模式(CCM)进行操作，直到流经电压变换器模块中的电感器的电流被确定为零或低于零(如，负的)。随后，控制模块可以转变为以数字不连续导电模式(DCM)来对电压变换器模块进行操作。数字DCM中的一些或全部可以在控制模块内实施。通过这种方式，可以实现源自CCM或DCM操作的优点，同时将与这些控制方案相关的缺点降至最低。此外，与传统的DCM操作相比，对DCM控制进行数字化允许更为简单的实现方式，并且性能更佳。
[0014]在一个实施例中，一种不例性的系统可以包括电压变换器模块、零电流检测(ZCD)模块和控制模块。电压变换器模块可以例如产生输出电压并且可以包括电感器。ZCD模块可以例如确定通过电感器的电流何时为零或低于零。控制模块可以例如在CCM下对电压变换器模块进行操作，直到ZCD模块确定电感器电流为零或低于零，并且可以在零电流检测模块确定电感器电流为零或低于零之后，以数字不连续导电模式来对电压转化器模块进行操作。
[0015]在一种实施方式中，电压变换器模块可以包括直流电流(DC)-DC同步降压变换器。例如，电压变换器还可以包括耦合到电感器的高侧晶体管和低侧晶体管。示例性的ZCD模块可以包括比较器，比较器用于在电感器电流为零或低于零时向控制模块输出信号，电感器电流的状态是基于比较器确定在低侧晶体管导通期间开关节点电压大于零来感测的。在ZCD模块确定电感器电流为零或低于零之后，控制模块还可以在DCM下对电压变换器模块进行操作。数字DCM可以包括由控制模块中的控制器实施的控制算法，该控制算法用于产生驱动高侧晶体管和低侧晶体管的信号。在一个实施例中，控制算法可以不需要在操作期间从电压变换器模块测得的输入就能产生驱动信号。在数字DCM中，控制器还可以根据闻侧晶体管的晶体管导通时间和驱动闻侧晶体管的/[目号的占空比，来确定闻侧晶体管的晶体管截止时间。在一个实施例中，高侧晶体管的截止时间可以等于高侧晶体管导通时间*(1 -高侧晶体管占空比)/高侧晶体管占空比。与本申请的至少一个实施例一致的示例性方法可以包括以连续导电模式来对电压变换器模块进行操作，确定电压变换器模块中的电感器中的电流，以及在确定电感器电流为零或低于零时，转变成以数字DCM来对电压变换器模块进行操作。
[0016]图1示出了根据本申请的至少一个实施例的、被配置成用于混合连续和不连续模式操作的示例性系统。系统100可以包括例如控制模块102和电压变换器模块104。重点需要注意，在符合本申请的实施例中，关于系统100所讨论的模块和/或其他系统元件可以全部或部分地存在于单个装置中，例如，集成电路(IC)中，或者作为另外一种选择，系统100中的模块/其他系统元件中的一些或全部可以是分立的组件、IC和分立组件的组合等。控制模块102可以控制电压变换器模块104中的操作，以便基于输入电压(如,Vin)来产生输出电压(如，Vout)。例如，系统100可以在移动通信设备和/或计算设备中实施，其中，电池电压(如，Vin)可以逐步降低至驱动移动通信设备和/或计算设备中的组件(例如，处理器和/或其他集成电路(IC))所需要的较低电压(如，Vout)。
[0017]控制模块102可以包括例如控制器106、Z⑶模块108和脉冲宽度调制(PWM)模块110。控制器106还可被配置为执行数字DCM控制112。通常，控制器106可以控制PWM模块110，以便产生用于以CCM来对电压变换器模块104进行驱动的信号。ZCD模块可以耦合到电压变换器模块104，并且可以确定电压变换器模块104操作期间何时存在某种状态(如，电压变换器模块104内的电感器中的电流何时为零或低于零)。当确定存在所述状况时,Z⑶模块108可以向控制器106产生输出信号,这个输出信号可以使控制器106从以CCM改变为使用数字DCM控制112的DCM，来对电压变换器模块104进行操作。例如，通过改变PWM模块110生成驱动电压变换器模块104的信号的方式可以影响操作模式的变化。重点需要注意，虽然控制器106、Z⑶模块108和PWM模块110在图1中被示出为控制模块102中的分开的模块，但也可以将ZCD模块108和PWM模块110中的一者或两者的功能结合到控制器106内。
[0018]图2示出了根据本申请的至少一个实施例的、被配置用于混合连续和不连续模式操作的示例性电路。系统100’可以部分地或全部地由分立的装置构成，或者作为另外一种选择，可以包括在定制和/或通用集成电路(IC)内或可以形成它的一部分，如专用集成电路(ASIC)、单芯片系统(SoC)、多芯片模块(MCM)等。在图1所示的实施例中，系统100’包括同步降压DC/DC变换器，同步降压DC/DC变换器被配置用于驱动电感器电路以例如向负载(未示出)供电。电容器Cl可被配置跨接在输入电压两端以对Vin进行解耦。电压变换器模块104’可以包括例如高侧(HS)开关和低侧(LS)开关，其中，HS和LS开关可以包括晶体管，如功率M0SFET。HS和LS开关还可以包括例如体二极管电路(未示出)和/或其他已知的电源开关特征。在一个实施例中，HS开关可以耦合到输入电压Vin和电感器LI，而LS开关也可以耦合到电感器LI的同一侧和接地。电压变换器模块104’还可以包括HS/LS驱动器电路200，HS/LS驱动器电路200用于驱动HS和LS开关。PWM信号可以由PWM模块110产生，以驱动HS/LS驱动器电路200，HS/LS驱动器电路200可以包括公知的反馈控制机制，用于对PWM信号的占空比提供控制。虽然图2中未示出，但在某些情形下，期望在电压变换器模块104’中实现电流感测电路，以确定流经电感器LI的电流。电流感测电路可以包括例如串联耦合的电阻器和电容器(例如，RC网络)，串联耦合的电阻器和电容器跨接在电感器LI两端，以产生与流经电感器LI的电流相对应的可测值。电容器C2可以跨接输出电压两端，以对Vout进行解耦。
[0019]当负载需要时，同步降压变换器可以操作以提供电力和吸收电力(例如，升压模式)，其中，吸收电力是通过允许流经电感器LI的电流(例如，IJ流回LS开关而转负来实现的。例如，在CCM和DCM操作中，系统100’都可以产生Vout，而Il保持为正值。然而，输出电压或负载消耗的电流的变化可能导致系统100’从C3的吸收电力，并且因此k可以被允许在CCM操作中在PWM占空比的一些或全部期间转负(例如，“升压”模式)。在DCM操作过程中，可以关闭LS开关，以防止L倒流。CCM和DCM操作均具有优点和缺点。在负载消耗更多的电流，与DCM操作相比而言，CCM操作能够以更小的噪声来产生Vout。然而，与CCM操作相比，DCM操作的至少一个优点是当负载消耗较少电流时，它更为有效。因此，对系统100’来说，能够以两种模式进行操作是有益的。
[0020]然而，将系统100’配置为以CCM和DCM两种模式进行操作需要控制器106知道込何时将要转负(如，为零或低于零)。这个时间点正是负载汲取的电流已经降至从CCM转变为DCM可以对提高整个系统的性能有利的时间点。在传统的电源解决方案中，可对ZCD采用模拟或数字方法。在模拟解决方案中，系统100’还可以包括Z⑶模块108’，Z⑶模块108’用于确定IJ可时为零或低于零(例如，通过感测HS开关和LS开关连接到电感器LI的节点(在下文中称为开关节点202)处的极性变化)。ZCD模块108’可以至少包括滞后比较器电路204。在一个实施例中，Z⑶模块108’还可以包括锁存电路(未示出)。锁存电路可以包括例如触发电路(如，D型触发电路，如图所示)。指示k的信号可以通过将滞后比较器电路204的正输入端连接到电感器LI的开关侧来确定。在一个实施例中，滞后比较器电路204的输出可以用来为锁存电路提供时钟，并且锁存电路的D输入可以连接到Vin。从电感器LI的开关侧接收到的信号可能是相对嘈杂的，因此，使用锁存电路可以避免滞后比较器电路204的输出端处“颤振”。Z⑶模块108’可以产生指示L过零的控制信号。还可以在滞后比较器电路204的输出端处使用保持电路(未示出)，以在一个或多个PWM周期期间保持控制信号的状态(例如，以确保控制器106不会错过过零控制信号)。示例性的保持电路可以包括锁存电路(例如，D型触发器件等)，锁存电路被配置用于锁存控制信号状态。
[0021]虽然基本上起作用，但模拟解决方案中的某些操作特性会使连续Z⑶有问题。比较器固有的偏移和延迟可能影响ZCD的准确性、响应性等。ZCD的不准确可能导致电感器LI中的剩余电流在电压变换器模块104’中消散并影响效率。过度振荡还可能引起系统100’中的电磁干扰(EMI)问题。在ZCD的数字解决方案中，零电流可以通过确定系统100’的输出电流何时降至込的峰到峰纹波电流的72以下来确定。込的峰到峰纹波电流可以基于某种关系，包括Vin、Vout、电感器LI的电感、HS和LS开关的开关频率以及输出电流。通过这种方式，可以使用从电压变换器模块104’监测的参数来以数字方式确定ZCD。然而，电感可能随电流、温度等而变化。ViruVout和开关频率遥测也可能引起Ilj的峰到峰纹波电流计算中的不准确，这可能影响ZCD的总体准确性。不准确的ZCD检测可能影响系统100’的效率并且弓I起造成电磁干扰的过度振荡。
[0022]在根据本申请的一个实施例中，混合系统可以包括模拟特征，模拟特征用于CCM操作过程中最初的第一过零，但所有后续的操作可以用控制器106以数字方式控制。如图2的系统100’所示，ZCD模块108’可以负责检测Il为零或低于零时的首次出现(例如，基于ZCD比较器电路204感测到在LS开关导通期间开关节点202处的电压大于零，这是込开始反转的指示)。初始ZCD之后，数字DCM控制112可以执行和计算以控制后续脉冲的产生(例如，可以控制由PWMllO进行的PWM信号产生)。通过这种方式，可以在没有持续依赖模拟ZCD的消极方面的情况下实现模拟解决方案的初始响应。然后可以用显著更高效的数字DCM控制112来控制系统100’的操作。然而，根据至少一个实施例，可用于控制系统100’的数字控制与现有解决方案中使用的控制显著不同(例如，不需要为数字DCM控制算法提供由电压变换器模块104’测得的值作为输入)。
[0023]图3示出了根据本申请的至少一个实施例的连续与不连续模式波形之间的示例性关系。如图表300所示，302处所示的CCM操作期间的L的斜率大体上等于304处所示的DCM操作期间的込的斜率。该关系还体现在以下公式中:
[0024](Vin-Vout) /L*Ton = Vout/L*Toff(I)
[0025]公式I表示込相对于HS开关的操作的已知比例，其中(Vin-Vout)/L为込的上坡的压摆率，Vout/L为込的下侧的斜率。根据CCM Il与DCM Il之间的斜率的这种关系:
[0026]2 = 2 (2)
L 」 T2 T4
[0027]其中，Tl表示DCM中HS开关的导通时间，T2表示DCM中HS开关的截止时间(例如，并且可能是LS开关的导通时间)，T3表示CCM中HS开关的导通时间，并且Τ4表示CCM中HS开关的截止时间。然后还可以用公式(2)得出以下关系:
[0028]Τ2 = Tl*-= Tl*( 3 )
I.」73D
[0029]在公式(3)中，D为驱动HS开关的PWM信号的占空比。公式(3)可以允许数字DCM控制器112通过以数学方式预测L将何时接近零来控制系统100’中的DCM操作，而无需依靠ZCD (例如，使用ZCD模块104)。与先前的数字DCM策略相比，公式(3)更不易受环境因素的影响，因为它不依赖那么多参数，并且所依赖的参数不受环境影响。例如，经由控制器106与电压变换器模块104’之间的通信，Tl (例如，HS开关的Tia时间)和D(例如，驱动HS开关的信号的占空比)对数字DCM控制112而言是可用的，该通信由PMBUS规范或制定经由数字总线与电源变换器进行通信的方式的另一种标准所定义。在一个实施例中，HS开关导通时间与LS开关导通时间的比率可以是常数。因此，LS开关的操作可以根据公式(3)中所示的HS开关的导通时间和截止时间的计算来进行控制。
[0030]图4示出了根据本申请的至少一个实施例的连续与不连续模式操作之间的示例性转变。例如，系统100初始时可以在CCM下进行操作，如402处所示。随着条件改变(例如，负载汲取的电流量下降)，Z⑶可以确定L降至零并过零，如404处所示。404处的Z⑶之后，数字DCM控制112可以控制L中的DCM操作，如406处所示。在一个实施例中，图4中所示的死区时间(例如，DT)(例如，LS开关关闭期间的时间)可由控制器106和/或PWM模块110根据Vout和1ut来控制(例如，根据Vout来确定和/或设定DT的控制方案是公知的)。
[0031]图5示出了根据本申请的至少一个实施例的混合连续和不连续模式操作的示例性操作。在操作500中，电压变换器模块可以在CCM下进行操作。在操作502中，可以在电压变换器模块中感测电感器电流。例如，电感器电流可以由耦合到电压变换器模块的ZCD模块来进行感测。随后，可以在操作504中确定电感器电流IJ例如，由ZCD模块所监测)是否为零或低于零。如果在操作504中确定电感器电流L大于零，那么可以在操作500中继续CCM操作。否则，如果确定电感器电流L为零或低于零，那么可以在操作506中将操作从CCM转变为数字DCM控制。
[0032]可选的是(例如，根据系统配置)，操作506之后可以进行操作508，在操作508中，可以进一步确定是继续DCM操作还是返回CCM操作。在一个实施例中，该确定可以根据电感器电流返回为大的正电流值(例如，负载中增大的电流汲取)，这可能伴有可能随后触发另一个PWM周期的相应的输出电压降低。例如，如果在LS开关导通时间终止之前电压变换器的输出电压降至(例如，用于设定所需的输出电压)参考电压以下，并且这种状况持续一定数量的PWM周期，那么控制器于是可以确定该状况表明返回CCM操作是适当的。如果在操作508中确定不需要CCM，那么可以在操作506中继续DCM操作。否则，如果确定需要CCM，那么操作508之后，可以返回操作500，在操作500中，CCM操作可以恢复。
[0033]虽然图5示出了根据一个实施例的各种操作，但应当理解，对于其他实施例而言，并非图5中所示的所有操作都是必需的。实际上，本文中完全预期到在本申请的其他实施例中，图5中所示的操作和/或本文中所述的其他操作可按照未在任何附图中具体示出但仍然完全符合本申请的方式组合。因此，涉及未明确在一幅附图中示出的特征和/或操作的权利要求应当被认为落入本申请的范围和内容内。
[0034]如本文的任何实施例中所用，术语“模块”可以指被配置用于进行任何上述操作的软件、固件和/或电路。软件可以体现为记录在非瞬时性计算机可读存储介质上的软件包、代码、指令、指令集和/或数据。固件可以体现为存储设备中硬编码的(如，非易失性的)代码、指令或指令集和/或数据。如本文任何实施例中所用，“电路”可以包括例如单独的或任何组合形式的硬连线电路、可编程电路(如包括一个或多个单独的指令处理内核的计算机处理器)、状态机电路和/或存储由可编程电路执行的指令的固件。模块可以总体或单独地体现为形成较大系统的一部分的电路，例如，集成电路(1C)、单芯片系统(SoC)、台式计算机、膝上型计算机、平板电脑、智能手机等。
[0035]本文所述的任何操作都可以在包括一个或多个存储介质的系统中实施，其中存储介质上单独或组合地存储了指令，当一个或多个处理器执行这些指令时，进行所述方法。这里，处理器可以包括例如服务器CPU、移动设备CPU和/或其他可编程电路。另外，目的是可以将本文所述的操作分配到多个物理设备上，例如，在不止一个不同的物理位置处的处理结构。存储介质可以包括任何类型的有形介质，例如，任何类型的磁盘，包括硬盘、软盘、光盘、压缩盘只读存储器(⑶-ROM)、压缩盘可重写光盘(⑶-RW)和磁光盘、半导体设备，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)，如动态和静态RAM、可擦可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、闪存、固态硬盘(SSD)、嵌入式多媒体卡(eMMC)、安全数字输入/输出(SD1)卡、磁卡或光卡，或任何类型的适于存储电子指令的介质。其他实施例可以实施为由可编程控制器件来执行的软件模块。
[0036]因此，本申请涉及混合连续和不连续模式操作。通常，包括控制模块和电压变换器模块的系统可被配置为以连续导电模式(CCM)进行操作，直到流经电压变换器模块中的电感器的电流被确定为零或低于零(如，负的)。随后，控制器可以转变为以不连续控制模式(DCM)来对电压变换器模块进行操作。DCM中的一些或全部可以在控制器内以数字方式实施。通过这种方式，可以实现来自CCM或DCM操作的优点，同时将与这些控制方案相关的缺点降至最低。此外，与传统的DCM操作相比，将DCM控制数字化可更易于实施，并且性能更佳。
[0037]以下例子涉及另外的实施例。在一个例子中，提供了一种系统。该系统可以包括电压变换器模块、零电流检测模块和控制模块。电压变换器模块包括用于产生输出电压的电感器，零电流检测模块用于确定流经电感器的电流何时为零或低于零，并且控制模块用于以连续导电模式来对电压变换器模块进行操作，直到零电流检测模块确定电感器电流为零或低于零。
[0038]在另一个例子中，提供了一种方法。该方法可以包括以连续导电模式来对电压变换器模块进行操作，确定电压变换器模块中的电感器中的电流，以及当电感器电流被确定为零或低于零时，转变为以数字不连续导电模式来对电压变换器模块进行操作。
[0039]在另一个例子中，提供了至少一种机器可读的存储介质。所述至少一种机器可读的存储介质上可以单独或以组合方式存储指令，当一个或多个处理器执行所述指令时，导致以下操作:以连续导电模式来对电压变换器模块进行操作，确定电压变换器模块中的电感器中的电流，以及当电感器电流被确定为零或低于零时，转变为以数字不连续导电模式来对电压变换器模块进行操作。
[0040]本文中采用的术语和表达方式作为描述而非限制的术语使用，并且在使用这种术语和表达方式的过程中，不旨在排除所示出和描述的特征(或其一部分)的任何等同物，并且应当认识到，各种修改形式均有可能落入权利要求的范围内。因此，权利要求旨在涵盖所有这种等同物。
【权利要求】
1.一种数字电源系统，其特征在于，所述数字电源系统包括: 电压变换器模块，其包括电感器以用于产生输出电压； 零电流检测模块，其用于确定流经所述电感器的电流何时为零或低于零；以及 控制模块，其用于以连续导电模式来对所述电压变换器模块进行操作，直到所述零电流检测模块确定所述电感器电流为零或低于零，并且在所述零电流检测模块确定所述电感器电流为零或低于零之后，以数字不连续导电模式来对所述电压变换器模块进行操作。
2.根据权利要求1所述的数字电源系统，其特征在于，所述电压变换器模块包括DC-DC同步降压变换器。
3.根据权利要求1所述的数字电源系统，其特征在于，所述电压变换器模块进一步包括耦合到所述电感器的高侧晶体管和低侧晶体管。
4.根据权利要求3所述的数字电源系统，其特征在于，所述零电流检测模块包括比较器，当所述电感器电流为零或低于零时，所述比较器向所述控制模块输出信号，其中，所述电感器电流的状态是基于所述比较器确定在所述低侧晶体管导通期间开关节点电压大于零来进行感测的。
5.根据权利要求3所述的数字电源系统，其特征在于，在所述数字不连续导电模式中，所述控制模块中的控制器产生用于驱动所述高侧晶体管和所述低侧晶体管的信号。
6.根据权利要求5所述的数字电源系统，其特征在于，所述控制器不需要在操作期间从所述电压变换器模块测得的输入就能产生所述驱动信号。
【文档编号】H02M3/157GK204013226SQ201420043500
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年1月23日 优先权日:2013年1月23日
【发明者】S·肖, F·艾哈迈德 申请人:快捷半导体(苏州)有限公司, 快捷半导体公司