具有自适应最大占空比限制控制的升压转换器的制作方法

相关申请的交叉引用

根据35u.s.c.§119(e)，本申请享有并且要求2014年11月5日提交的美国申请no.14/534,034的权益，该申请在此出于所有目的通过全文引用的方式并入本文。

本公开涉及升压转换器，并且特别地涉及具有自适应最大占空比限制控制的升压转换器。

背景技术：

除非另外在此给出相反指示，本部分中所述的方案不被承认是包括在该部分中的现有技术。

升压转换器通过以固定占空比切换升压转换器来产生比输入电压vin更高的输出电压vout。当升压转换器在较低输入电压下被驱动较高输出负载时，由升压转换器实现可接受的调节可以是困难的。当升压转换器的增益为高且具有大变化时通常发生该问题。例如，输入电压vin可以从2.5伏改变至4.7伏，而输出电压vout在10伏(由升压转换器产生2.12至4.0的增益)。

当输入电压vin非常靠近目标输出电压vout时，实现可接受的可靠性和可接受的峰值水平可以是困难的。在该情形中，占空比应该较低。因为占空比是固定的，由最大占空比所限定的可能的最大输出电压可以远高于升压转换器的目标输出电压。

技术实现要素：

本公开描述了具有自适应最大占空比限制控制的升压转换器。

在一个实施例中，控制电路调整升压转换器的占空比。控制电路包括占空比限制器发生器，被配置用于接收向升压转换器提供输入电压并且响应于输入电压产生待提供至升压转换器的控制信号，以用于调整升压转换器的占空比，从而控制升压转换器的输出电压。

在一个实施例中，占空比限制器发生器包括用于响应于升压转换器的输入电压产生数字化的信号的模数转换器，以及用于响应于由模数转换器所产生的数字化信号而产生最大占空比信号以限制升压转换器占空比的最大占空比限制发生器。

在一个实施例中，最大占空比限制发生器包括用于响应于被提供用于控制升压转换器的开关信号而提供电流的电流缺乏型(starved)缓冲器；耦合在电流缺乏型缓冲器的输出端与接地之间的电容器；用于响应于数字化信号产生参考电压的参考电压选择电路；以及用于响应于跨电容器的电压和参考电压产生最大占空比信号的比较器。

在一个实施例中，最大占空比限制发生器进一步响应于升压转换器的输出电压产生最大占空比信号。

在一个实施例中，最大占空比限制发生器包括：用于响应于升压转换器的输出电压和输入电压产生电流的电压至电流转换器；用于对电流计时的模拟计时器；以及用于响应于计时的电流产生最大占空比信号的占空比限制发生器。

在一个实施例中，模拟计时器是耦合至电压至电流转换器的输出端以存储电流的电容器。

在一个实施例中，最大占空比限制发生器包括用于响应于来自电压至电流转换器的电流而产生偏置电流的可变电流源；用于响应于偏置电流和被提供用于控制升压转换器的切换信号而提供缓冲电流的缓冲器；耦合在电流缺乏型缓冲器的输出端与接地之间的电容器；以及用于响应于跨电容器的电压和参考电压而产生最大占空比信号的比较器。

在一个实施例中，一种方法用于调整升压转换器的占空比。该方法包括接收被提供至升压转换器的输入电压；以及响应于输入电压产生控制信号以提供至该升压转换器，以用于调整升压转换器的占空比以控制升压转换器的输出电压。

在一个实施例中，产生控制信号包括响应于升压转换器的输入电压而产生数字化信号；以及响应于数字化信号产生最大占空比信号，以限制升压转换器的占空比。

在一个实施例中，产生最大占空比信号包括响应于被提供用于控制升压转换器的切换信号而产生电流；存储电流；响应于数字化信号产生参考电压，以及比较所存储的缓冲器电流和参考电压以产生最大占空比信号。

在一个实施例中，产生控制信号进一步包括响应于升压转换器的输出电压和输入电压而产生控制信号。

在一个实施例中，产生控制信号包括响应于升压转换器的输出电压和输入电压而产生电流；对所产生的电流计时；以及响应于所计时的电流而产生最大占空比信号。

在一个实施例中，对所产生电流计时包括存储所产生电流的电荷。

在一个实施例中，产生最大占空比信号包括响应于所产生电流而产生偏置电流；响应于偏置电流以及被提供用于控制升压转换器的切换信号而产生缓冲电流；存储缓冲电流；以及比较所存储的缓冲电流和参考电压以响应于指示了所存储缓冲电流和参考电压的电压而产生最大占空比信号。

在一个实施例中，控制电路是用于调整升压转换器的占空比。控制电路包括用于接收被提供至升压转换器的输入电压的装置；以及用于产生控制信号以提供至升压转换器从而用于调整升压转换器的占空比以响应于输入电压控制升压转换器的输出电压的装置。

在一个实施例中，用于产生控制信号的装置包括用于响应于升压转换器的输入电压而产生数字化信号的装置；以及用于响应于数字化信号而产生最大占空比信号以限制升压转换器的占空比的装置。

在一个实施例中，用于产生最大占空比信号的装置包括用于响应于提供用以控制升压转换器的切换信号而产生电流的装置；用于存储电流的装置；用于响应于数字化信号产生参考电压的装置；以及用于比较所存储的缓冲电流与参考电压以产生最大占空比信号的装置。

在一个实施例中，用于产生控制信号的装置进一步包括用于响应于升压转换器的输出电压和输入电压而产生控制信号的装置。

在一个实施例中，用于产生控制信号的装置包括用于响应于升压转换器的输出电压和输入电压产生电流的装置；用于对所产生电流计时的装置；以及用于响应于所计时的电流而产生最大占空比信号的装置。

在一个实施例中，用于对所产生电流计时的装置包括用于存储所产生电流的电荷的装置。

在一个实施例中，用于产生最大占空比信号的装置包括用于响应于所产生电流而产生偏置电流的装置；用于响应于偏置电流和提供用于控制升压转换器的切换信号而产生缓冲电流的装置；用于存储缓冲电流的装置；以及用于比较所存储的缓冲电流和参考电压以响应于指示了所存储缓冲电流的电压和参考电压而产生最大占空比信号的装置。

以下详细说明书和附图提供了对本公开的本质和优点的更好理解。

附图说明

参照以下讨论以及特别是附图，着重强调的是，所示的特定细节为了示意说明讨论的目的展示了示例，并且存在于提供本公开的原理和概念特征方面的描述说明的情形。在这点上，并未尝试展示超过基本理解本公开所需的实施方式细节。以下讨论结合附图使得本领域技术人员明确可以如何实施根据本公开的实施例。在附图中：

图1示出了常规的升压转换器的框图。

图2示出了图1的常规升压转换器的时序图。

图3示出了根据一些实施例的升压转换器的框图。

图4示出了根据一些实施例的图3的升压转换器的时序图。

图5示出了根据一些实施例的图3的升压转换器的自适应占空比的时序图。

图6示出了根据一些实施例的升压转换器的框图。

图7示出了根据一些实施例的占空比限制器的框图。

图8示出了根据一些实施例的占空比限制器的框图。

图9是示出了根据一些实施例的用于调整升压转换器的占空比的方法流程的简化示图。

图10是示出了根据一些其他实施例的用于调整升压转换器的占空比的方法流程的简化示图。

具体实施方式

在以下说明书中，为了解释说明的目的，阐述数个示例和特定细节以便于提供本公开的全面理解。然而，对于本领域技术人员明显的是，如权利要求中所表述的本公开可以单独地或者与以下所述其他特征组合而包括在这些示例中的特征的一些或全部，以及可以进一步包括在此所述特征和概念的修改例和等价形式。

图1示出了常规升压转换器100的框图。升压转换器100包括升压转换器102、反馈电路104、或门106、rs触发器108。升压转换器102是功率转换器，其具有大于输入dc电压的输出dc电压。反馈电路104检测输出电压vout和电感器电流，并且响应于指示电感器电流的电压超过由输出电压所设置的阈值而产生触发信号。反馈电路104提供触发信号至或门106的第一输入端。或门106的第二输入端接收固定(在该示例中，固定在50％占空比)的最大占空比(clockmaxd)信号。或门106响应于触发信号或最大占空比(clockmaxd)信号为高而提供复位信号至rs触发器108。rs触发器108响应于来自外部控制器(未示出)的升压时钟输入或来自或门106的复位信号而提供控制信号以切换升压转换器102。

升压转换器102包括输入电压(vin)源110、串联电阻器112、电感器114、nmos晶体管116、pmos晶体管118、电容器120、有效串联电阻器122以及负载电阻器124。响应于来自rs触发器108的控制信号，nmos晶体管116在升压转换器102的导通阶段期间将电感器114耦合至接地，以用于在电感器114中存储能量。在导通阶段期间，rs触发器108关断pmos晶体管118。在升压转换器102的关断阶段期间，来自rs触发器108的控制信号关断nmos晶体管116并导通pmos晶体管118，以将存储在电感器114中的电流提供至负载电阻器124。电容器120示出为与有效串联电阻器122串联的理想电容器。电容器120在关断阶段期间存储电感器电流。

反馈电路104包括多个电阻器132和134、多个比较器136和138、求和电路140以及电流至电压转换器142。电阻器132和134串联耦合在输出电压vout和接地之间，并且设置为电压分压器以向比较器136的反相输入端提供指示输出电压vout的反馈电压。参考电压vref被提供至比较器136的非反相输入端。比较器136响应于输出电压vout超过阈值而提供输出电压阈值信号至比较器138的反相输入端，这由电阻器132和134的分压输出电压超过参考电压vref而表示。电阻器134和135以及电容器144在比较器138的输出端上为回路稳定性提供了滤波。感测在nmos晶体管116的源极上的电流，并将该电流提供至电压转换器142，其将指示流过nmos晶体管116的电流的电压提供至求和电路140。为了回路稳定性，将补偿斜坡信号提供至求和电路140，其提供斜坡电压信号至比较器138的非反相输入端，其提供触发信号至或门106的第一输入端。或门106的操作如上所述。

图2示出了升压转换器100的时序图。线条102说明了升压转换器100的外部控制器的时钟信号的时序。线条204说明了从线条202中所示时钟信号得出50％时钟信号的时序。线条206说明了由或门106提供至触发器108以置位触发器108，从而开始由升压转换器102升压的导通阶段的升压时钟信号的时序。

线条208示出了提供至或门106以复位触发器108，从而终结由升压转换器102升压的导通阶段的最大占空比时钟信号的时序。最大占空比时钟信号的脉冲是固定的。

图3示出了根据一些实施例的升压转换器300的框图。升压转换器300包括升压转换器102、反馈电路104、或门306、rs触发器308以及最大占空比限制发生器310。升压转换器300可以包括升压转换器102之外的其他升压转换器，或者包括反馈电路104之外其他反馈电路。反馈电路104提供触发信号至或门306的第一输入端。或门306的第二输入端接收最大占空比(clockmaxd)信号，其是来自最大占空比限制发生器310的变量。或门306响应于来自反馈电路104的触发信号或最大占空比(clockmaxd)信号为高，而提供复位信号至rs触发器308。rs触发器308提供控制信号以响应于来自外部控制器(未示出)的升压时钟输入或来自或门306的复位信号而切换升压转换器102。

最大占空比限制发生器310自适应于输入电压vin。最大占空比限制发生器310响应于输入电压vin调整从rs触发器308去往升压转换器102的控制信号的最大允许占空比以用于控制输出电压vout。最大占空比限制发生器310响应于输入电压vin减小而增大最大占空比，由此增大了升压转换器102的允许增益。相反地，最大占空比限制发生器310响应于输入电压vin增大而减小最大占空比，由此减小了升压转换器102的允许增益。

最大占空比限制发生器310包括模数转换器312和占空比限制发生器314。模数转换器312数字化输入电压vin并提供数字化信号至占空比限制发生器314。占空比限制发生器314提供最大占空比(clockmaxd)信号至或门306，以由此复位rs触发器308。如下所述，图7示出了占空比限制发生器314的实施例。

在一些实施例中，最大占空比限制发生器310基于以下关系产生最大占空比dmax：

其中g是电压增益(vout/vin)，rn是nmos晶体管116的阻抗，rp是pmos晶体管118的阻抗，以及req是等效负载电阻(vout/iout)。

在一些实施例中，等效负载电阻远大于pmos晶体管118和nmos晶体管116的阻抗之间的差异：

(req>>(rp-rn)，

在该情形中，最大占空比dmax变为：

以下所述的最大占空比限制发生器也可以基于这些关系产生最大占空比dmax。

图4示出了升压转换器300的时序图。线条402示出升压转换器300的外部控制器的时钟信号的时序。线条404示出了从线条402中所示时钟信号得出50％时钟信号的时序。线条406示出了由或门306提供至触发器108以置位触发器108从而开始由升压转换器102升压的导通阶段的升压时钟信号的时序。

线条408示出了被提供至或门306以复位触发器308，从而结束由升压转换器102升压的导通阶段的最大占空比时钟信号的时序。最大占空比限制发生器310调整最大时钟占空比信号，如图4中箭头所示，以改变占空比。最大占空比时钟信号的脉冲是可变的。脉冲408-1和408-3表示对应于50％占空比的脉冲。升压转换器300可以通过产生在与脉冲408-1和脉冲408-3不同时刻处出现的最大占空比(clockmaxd)信号而改变升压调节器302的最大占空比。在该示例中，最大占空比(clockmaxd)信号出现作为比脉冲408-1晚的脉冲408-2，以及比脉冲408-3晚的脉冲408-4。脉冲408-4出现在脉冲408-3之后时刻，比脉冲408-2在脉冲408-1之后时间更短。尽管未示出在图4中，脉冲408-2和408-4可以分别出现在脉冲408-1和408-3之前。

图5示出了根据一些实施例的升压转换器300的自适应占空比的时序图。线条502表示升压转换器300随时间变化的输出电压vout。在该示例中，线条502对于占空比d1在目标vout处。如果占空比增大至占空比d2，则输出电压vout超过最大输出电压vout。升压转换器300设置最大占空比dmax以将升压转换器300的输出电压限制至最大输出电压vout。

图6示出了根据一些实施例的升压转换器600的框图。升压转换器600包括升压转换器102、反馈电路104、或门306、rs触发器308以及最大占空比限制发生器610。升压转换器600可以包括升压转换器102之外的其他升压转换器，或者包括反馈电路104之外的其他反馈电路。反馈电路104提供触发信号至或门306的第一输入端。或门306的第二输入端接收最大占空比(clockmaxd)信号，其是来自最大占空比限制发生器610的变量。或门306响应于来自反馈电路104的触发信号或最大占空比(clockmaxd)信号为高而提供复位信号至rs触发器308。rs触发器308响应于来自外部控制器(未示出)的升压时钟输入或来自或门306的复位信号而提供控制信号以切换升压转换器102。

最大占空比限制发生器610自适应于输入电压vin和输出电压vout。最大占空比限制发生器610响应于输入电压vin和输出电压vout而调整从rs触发器308至升压转换器102的控制信号的最大占空比。最大占空比限制发生器610响应于输入电压vin减小或输出电压vout减小而增大最大占空比由此增大升压转换器102的允许增益。相反地，最大占空比限制发生器610响应于输入电压vin增大或输出电压vout增大而减小最大占空比由此减小升压转换器102的允许增益。

最大占空比限制发生器610包括电压至电流转换器612、模拟计时器614以及占空比限制发生器616。电压至电流转换器612将输入电压vin转换为被提供至模拟计时器614的电流。电压至电流的转换是基于输出电压设置vout-set或者取决于输出电压设置vout-set，其是输出电压的编程数值。模拟计时器614确定对于从占空比的开始的持续时间与升压时钟相关的时间，并且提供时间至占空比限制发生器314。占空比限制发生器616响应于时间等于或超过阈值时间而提供最大占空比(clockmaxd)信号至或门306，以由此复位rs触发器308。如下所述，图8示出了占空比限制发生器614的实施例。

图7示出了根据一些实施例的占空比限制器700的框图。占空比限制器700可以用于占空比限制发生器314。占空比限制器700包括缓冲器702、电容器704、比较器706、参考电压选择电路708以及延迟电路710。缓冲器702包括串联耦合在电源电压与接地之间的电流源714和电流缺乏型缓冲器716。电流缺乏型缓冲器716提供电压信号至电容器704以对电容器704充电，以及响应于来自rs触发器308的切换升压转换器102的控制信号而提供电压至比较器706的非反相输入端以触发比较器706。电容器704的充电用作计时器。电容器704可以由放电电路(未示出)对于下一个占空比而放电。

参考电压选择电路708响应于来自adc312的输入电压代码(vinadccode)提供参考电压至比较器706的反相输入端。参考电压与由输入电压代码指示的输入电压vin成反比。换言之，较高的输入电压产生较低的参考电压，并且相反地，较低的输入电压产生较高的参考电压。比较器706响应于跨电容器704的电压超过由参考电压选择电路708设置的参考电压而提供信号至延迟电路710以复位rs触发器308。可以在供电期间校准来自电流源714的电流的量以及默认的参考电压输出，以设置它们用于对于任何输入时钟频率而工作。

图8示出了根据一些实施例的占空比限制器800的框图。占空比限制器800可以用于占空比限制发生器314。占空比限制器800包括缓冲器802、电容器704、比较器706以及延迟电路710。缓冲器802包括串联耦合在电源电压和接地之间的可变电流源814和缓冲器816。缓冲器802也包括电压至电流转换器818，以响应于输出电压设置vout-set改变由可变电流源814提供的电流，输出电压设置从升压转换器102的输出电压vout得出。电压至电流转换器818产生控制信号以响应于来自切换升压转换器102的rs触发器308的控制信号和输出电压设置vout-set而改变由可变电流源814提供的自适应电流。缓冲器816提供电压信号至电容器704以对电容器704充电，以及响应于来自切换升压转换器102的rs触发器308的控制信号而提供电压信号至比较器706的非反相输入端以触发比较器706。

电容器704的充电用作计时器。电容器704可以由放电电路(未示出)对于下一个占空比而放电。固定的参考电压vref被提供至比较器706的反相输入端。在占空比限制器800中，施加至比较器706的参考电压vref是固定的，以及由缓冲器802提供的电流基于输入电压vin和输出电压vout而是可变的。相反地，在占空比限制器800中，施加至比较器706的参考电压vref基于输入电压vin是可变的，以及由缓冲器702提供的电流是固定的。比较器706提供信号至延迟电路710以响应于跨电容器704的电压超过参卡电压vref而复位rs触发器308。如应该知晓的，缓冲器802和比较器706可以是提供类似功能的其他类型电路。最大占空比(clockmaxd)信号是自适应且连续的以允许更平滑的控制升压调节器102。

图9是示出了根据实施例的用于调整升压转换器102的占空比的方法流程900的简化示图。

在902处，接收将要提供至升压转换器102的输入电压。在904处，响应于输入电压产生控制信号。控制信号将要提供至升压转换器102以用于调整升压转换器102的占空比以控制升压转换器102的输出电压。

在904处，产生控制信号可以包括：在906处，响应于升压转换器102的输入电压而产生数字化信号。在908处，响应于数字化信号产生用于限制升压转换器102的占空比的最大占空比限制信号。

图10是示出了根据实施例的用于调整升压转换器102的占空比的方法流程1000的简化示图。

在1002处，接收将要提供至升压转换器102的输入电压。在1004处，响应于升压转换器102的输入电压和输出电压而产生控制信号。控制信号将要提供至升压转换器102以用于调整升压转换器102的占空比以控制升压转换器102的输出电压。

在1004处，产生控制信号可以包括：在1006处，响应于产生了升压转换器的输出电压和输入电压而产生电流。在1008处，对所产生的电流计时。在1010处，响应于所计时的电流而产生最大占空比限制信号。

以上说明书示出了本公开的各个实施例以及可以如何实施特定实施例的特征方面的示例。以上示例不应视作仅是实施例，而是展示用于说明如由以下权利要求所限定的特定实施例的灵活性和优点。基于以上本公开和以下权利要求。可以采用其他设置、实施例、实施方式和等价形式而并未脱离如由权利要求所限定的本公开的范围。