调节脉冲宽度调制信号的方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年9月24日提交的法国专利申请号18/58655的优先权，该申请通过引用并入于此。

本发明的实现和实施例涉及一种调节驱动降压开关模式电压调节器的脉冲宽度调制信号的方法。

背景技术：

通常地，如图1所示，常规的电压降开关模式电源1包括电压调节电路或电压调节器2，电压调节电路或电压调节器2包括：旨在接收输入电压vin的输入3、具有闭合状态和打开状态的电源开关4、被配置为存储能量的电感器5、负载6和二极管7。

电压调节电路2被配置为将低于输入电压vin的输出电压vout递送到负载。

当电源开关4处于闭合状态时，二极管7处于截止状态，并且流过电感器5的电流增加。

当电源开关4处于打开状态时，二极管7处于导通状态，并且流过电感器5的电流减小。

电源开关4和二极管7一般地由晶体管形成，这里例如由第一晶体管t1和第二晶体管t2形成。

第一晶体管t1的闭合/打开状态和第二晶体管t2的导通/截止状态由脉冲宽度调制信号spwm驱动，该脉冲宽度调制信号spwm由用于控制开关模式电源1的控制电路8递送。

控制电路8旨在接收参考电压vref，以便经由脉冲宽度调制信号spwm来设置电压调节器2的输出电压vout。

信号spwm的频率或周期通常地由时钟信号clk来指定。

如图2所示，信号spwm的每个周期tpwm包括具有持续时间d1的第一相位p1和具有持续时间d2的第二阶段p2，在持续时间d1中电源开关4处于闭合状态并且二极管7处于截止状态，以及在持续时间d2中电源开关4处于打开状态并且二极管7处于导通状态。

信号spwm的占空比rc等于d1/tpwm或1-d2/tpwm，并且该占空比rc可以根据输入vin和输出vout电压而变化。

当在输入vin和输出vout电压之间仅存在低压差(例如低于0.4v)时，开关模式电源以低压差电压模式来操作。

在这种情况下，信号spwm保持高的占空比rc，即接近100％，以便维持电压降开关模式电源的功能。

然而，由于控制电路8在生成信号spwm时仍然表现出本征延时，第二相位p2的持续时间d2因此不能完全被消除。因此，信号spwm的占空比被延时所限制，故不能达到100％。

一种常规方案提出了限制电压降开关模式电源的输入电压vin，以便避免高占空比的约束。

然而，这样的方案实质上限制了电源的工作范围。

还有另一种寻求降低控制电路8的本征延时，以便增加占空比的常规方案。

然而，占空比rc的轻微改善，是以高复杂性以及实质上增加硅面积和功耗的代价而获得的。

因此，需要提供一种展示出低复杂性，低功耗和允许脉冲宽度调制信号的占空比的小的硅占用面积的技术方案，或者换言之，电压降开关模式电源的性能将在不限制其工作范围的情况下增加。

技术实现要素：

本发明的实现和实施例涉及开关模式电源，并且更具体地涉及由脉冲宽度调制(pwm)信号驱动的电压降开关模式电源。

根据一个方面，一种用于调节旨在驱动电压降开关模式电压调节器的脉冲宽度调制信号的方法。该方法包括将开关模式电压调节器的输入电压与阈值电压相比较，并且如果输入电压低于阈值电压，则降低脉冲宽度调制信号的频率。

这种方法有利地使得可以根据电压调节器的输入电压，简单地通过降低脉冲宽度调制信号频率来调节脉冲宽度调制信号的占空比。

以这种方式降低脉冲宽度调制信号的频率同时导致脉冲宽度调制信号的周期的增加，这有利地增加了流过开关模式电压调节器的功率电感器的电流中的纹波，使得电压调节器能够更快地响应其负载的变化。

具体地，如上所说明，时段tpwm的第二相位p2的持续时间d2由递送脉冲宽度调制信号的控制电路的本征性质所设置。

而且，如上所说明，脉冲宽度调制信号的占空比等于d1/tpwm或1-d2/tpwm。

因此，如果d2的最小值被认为是固定的，由于它是由控制电路的本征性质所限定的，增加脉冲宽度调制信号的周期tpwm允许脉冲宽度调制信号的最大占空比直接地增加，以便提高电压降开关模式电压调节器的性能，如果需要的话。

根据一种实施方式，降低脉冲宽度调制信号的频率的操作包括降低旨在为脉冲宽度调制信号计时的时钟信号的频率。

有利地，以这种方式降低时钟信号的频率提供了在硅面积方面展示出低复杂性，低功耗和小的占用面积的技术方案。

作为非限制性示例，该降低是时钟信号的频率除以2。

阈值电压可以例如被选择，使得当输入电压低于阈值电压时，电压调节器以低压差电压模式来操作。

特别地，本领域技术人员将能够根据所设想的应用和/或所使用的技术来选择该阈值电压。

作为非限制性示例，可以选择针对阈值电压的2.2v量级的值。

当电压降开关模式电压调节器处于低压差电压调节模式时，这种方法因此有利地使得脉冲宽度调制信号的占空比可以调节，以便动态地改善调节器的性能。

根据另一方面，设备可以被用于调节旨在驱动电压降开关模式电压调节器的脉冲宽度调制信号。该设备包括比较模块，其旨在接收开关模式电压调节器的输入电压和阈值电压。比较模块被配置为将输入电压和阈值电压相比较。控制模块被配置为如果输入电压低于阈值电压则降低脉冲宽度调制信号的频率。

根据一个实施例，控制模块被配置为通过划分旨在为脉冲宽度调制信号计时的时钟信号来降低脉冲宽度调制信号的频率。

根据一个实施例，控制模块被配置为通过将时钟信号的频率除以2来降低脉冲宽度调制信号的频率。

如上通过非限制性指示所述，阈值电压可以被选择以使得当输入电压低于阈值电压时，电压调节器以低压差电压模式来操作。

根据另一方面，提供了一种电压降开关模式电源，包括用于调节如上所限定的脉冲宽度调制信号的设备和由脉冲宽度调制信号驱动的电压降开关模式电压调节器。

根据另一方面，提供了一种电源管理单元，包括至少一个如上所限定的电压降开关模式电源。

根据又一方面，提供了一种包含如上所限定的电源管理单元的微控制器。

根据再一方面，提供了一种诸如连接的对象的电子设备，其包含至少一个如上所限定的微控制器。

附图说明

通过研究完全非限制性实现和实施例以及附图的详细描述，本发明的其他优点和特征将变得明显，其中：

图1和2示出了现有技术的一个示例；以及

图3至5示意性地示出了本发明的实现和实施例。

具体实施方式

图3中的附图标记10指代电子设备，这里例如是采取连接的恒温器10形式的连接的智能设备。

连接的恒温器10包括检测模块11，检测模块11被配置为检测环境参数，诸如恒温器10周围的环境温度和环境湿度。处理模块12被耦合到检测模块11，并且被配置为处理由检测模块11检测的参数。通信模块13被耦合到处理模块12，并且被配置为经由因特网网络与另一个连接的对象或计算机服务器通信。

处理模块12包括微控制器14，这里例如是由stmicroelectronics销售的微控制器。

微控制器14包括电源管理单元15，其被配置为动态地管理各种电源，并且电源管理单元15包括至少一个振荡器16、有限状态机17(fsm)和至少一个开关模式电源18，开关模式电源18被配置为递送一个或多个稳定的内部供电电压。

为简单起见，这里仅以示例的形式说明了一个电压降开关模式电源18。

现在参考图4，以便更详细地说明开关模式电源18。开关模式电源18包括电压降开关模式电压调节器19，其旨在接收输入电压vin并且被配置为递送低于输入电压vin的输出电压vout。调节设备20被配置为将脉冲宽度调制信号spwm递送到开关模式电压调节器19，以便驱动开关模式电压调节器19。

开关模式电压调节器19可以具有任何常规和已知的结构，例如图1中所示的结构。

调节设备20包括比较模块21和控制模块，该控制模块包括电路22和块dm。

比较模块21包括比较器com，比较器com第一输入e1旨在接收开关模式电压调节器19的输入电压vin，比较器com第二输入e2旨在接收阈值电压vth。

比较模块21被配置为根据输入电压vin和阈值电压vth，在其输出scom处递送比较信号sc。

当输入电压vin低于阈值电压，比较信号sc处于第一状态(例如高状态)，否则比较信号sc处于第二状态(例如低状态)。

阈值电压vth被选择以使得当输入电压vin低于阈值电压vth时，开关模式电源18处于低压差电压调节模式，在该示例中，阈值电压vth基本上等于2.2v。

控制模块22、dm旨在接收时钟信号sclk，并且被配置为与时钟信号sclk一起生成脉冲宽度调制信号spwm。

电路22包括分频器23，分频器23被配置为降低时钟信号sclk的频率并且其本身是已知的。

举例来说，分频器23被配置为递送修改过的时钟信号sclk'，其频率是时钟信号sclk频率的一半。

电路22还包括第一同步d触发器bsd1和第二同步d触发器bsd2，第一同步d触发器bsd1的数据输入ed1旨在接收比较信号sc，并且第二同步d触发器bsd2的数据输入ed2被耦合到第一触发器bsd1的数据输出q1。

第一和第二同步触发器bsd1和bsd2由修改过的时钟信号sclk'来计时。

第二同步触发器bsd2被配置为在其输出q2处递送代表比较信号sc的选择信号ss。

应当注意的是，使用两个触发器bsd1，bsd2的级联有利地允许将实质地减少亚稳态的风险，即，在输出scom处获得比较信号sc，该比较信号sc关于经修改的时钟信号sclk'异步。

电路22还包括复用器24。复用器24的第一输入emux1旨在接收时钟信号sclk，第二输入emux2旨在接收修改过的时钟信号sclk'，且选择输入旨在接收选择信号ss。

复用器24被配置为在与块dm连接的复用器24的输出smux处，递送调节过的时钟信号sclkr，该调节过的时钟信号sclkr旨在被使用以在脉冲宽度调制信号spwm中计时。

当输入电压vin低于阈值电压vth时，由选择信号ss所控制的复用器选择修改过的时钟信号sclk'作为调节过的时钟信号sclkr，选择信号ss代表比较信号sc。

否则，复用器选择时钟信号sclk作为调节过的时钟信号sclkr。

旨在接收调节过的时钟信号sclkr的块dm被配置为在调节过的时钟信号sclkr的基础上，生成脉冲宽度调制信号spwm。块dm可以具有任何常规和已知的结构。

图5的上半部分示出了输入电压vin大于或等于阈值电压vth的情况。

在这种情况下，脉冲宽度调制信号spwm的周期等于tpwm，并且占空比rc的值是1-d2/tpwm，其中d2表示第二相位p2的持续时间。

图5的下半部分示出了输入电压vin小于阈值电压vth的情况。

在这种情况下，用修改过的时钟信号sclk'计时的脉冲宽度调制信号spwm的频率降低，并且脉冲宽度调制信号spwm的周期tpwm'因此相对于用时钟信号sclk计时的脉冲宽度调制信号spwm的周期tpwm的tpwm被增加。

具体地，由于持续时间d2由控制模块的本征性质而限定，第二阶段p2的持续时间d2是固定的，而第一阶段p1的持续时间d1'随着周期tpwm'的增加而增加，并且因此，用修改过的时钟信号sclk'计时的脉冲宽度调制信号spwm的占空比rc'增加。

因此，脉冲宽度调制信号spwm的最大占空比被增加，以便改善电压降开关模式电源18的性能，特别是当电源18以低压差电压调节模式时来操作时的性能，由于其低的输入电压vin。