具有改善效率的开关模式dc-dc转换器的制造方法

文档序号:9550682阅读:581来源:国知局
具有改善效率的开关模式dc-dc转换器的制造方法
【专利说明】具有改善效率的开关模式DC-DC转换器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2014年6月12日提交的美国临时专利申请第62/011,401号的优先权,通过引用将其全部内容并入本文。
技术领域
[0003]本公开一般涉及DC-DC转换领域,特别涉及在轻负载导电模式下具有改善的效率的开关模式集成转换器。
【背景技术】
[0004]DC-DC转换器通常用于为电子系统提供稳定高效的电压源。BOOST或升压转换器是一种提供比其输入电压更高的输出电压的DC-DC转换器。例如,输入电池电压可以增压到所希望的较高电压,以向电子系统提供恒定的电力供给,例如,一串发光二极管所需要的较高工作电压。DC-DC转换器的负载可以在大范围内变化,并且转换器通常需要在不同模式下工作。当DC-DC转换器在连续导电模式(CCM,continuous conduct1n mode)下工作时,负载充分利用在每个切换周期期间由输入电源供应的电力。另一方面,当转换器在非连续导电模式(DCM,discontinuous conduct1n mode)下工作时,负载需要来自电源的较低电流,在切换周期的全部周期或部分周期期间供应至输出的电流变为零。DC-DC转换器常常需要在两种操作模式下以及在各种电力需求情况下具有良好的整体转换效率。
[0005]图1图示了可以进行DC-DCB00ST增压型转换器。参考图1,电路100包括在节点VIN处的电压源,其电压电平等于输入电压。电感器102连接在VIN节点与中间切换节点LX之间。两个开关104和106连接至中间切换节点LX。两个开关104和106都可以是功率M0S晶体管。开关104连接在中间切换节点LX与接地节点GND之间,并且被配置成对电感器102充电。开关106连接在中间切换节点LX与输出节点V0UT之间,并且用作为放电开关。输出电容器110也连接至增压转换器的输出节点V0UT。开关106通过使电感器中所存储的能量改变线路来使电感器102放电,以对输出电容器110充电。
[0006]增压转换器的基本操作开始于将输入脉冲施加到开关104(例如,在节点栅极1处),该输入脉冲使开关104将中间切换节点LX短路到地。电流开始流过电感器102,激励电感器。在这段时间期间,开关106是打开的。当开关102打开并且脉冲被施加到开关106(例如,在节点栅极2处)时,发生下一阶段。在这段时间期间,存在穿过电感器102和开关106至电容器110和负载112的导电路径。虽然存储在电容器110处的电荷通过负载流出,然而在每个切换周期期间,电容器110被再充电。由控制器108提供脉冲,控制器108可以设置将脉冲的宽度,以保持在在负载112两端的输出电压的预定电平。
[0007]图2A图示了用于开关102和开关104的控制波形,以及针对连续导电模式(CCM)所得到的稳态电流波形。这是在负载接近于转换器的最大期望值的情况下的正常工作模式。如图2A的图200中所示,在循环时间T1期间,由于节点栅极1处的脉冲电压,开关104闭合,并且通过电感器102的电流斜升。在循环时间T1期间,开关106断开。另一方面,在循环时间T2期间,开关104断开,开关106闭合,并且电感器102被配置成对电容器110和负载112充电,使通过电感器102的电流下降。可以选择循环时间T1与循环时间T2之间的比,以将输出电压保持在预定电平。
[0008]图2B图示了用于开关104和开关106的控制波形,以及针对非连续导电模式(DCM)所得到的稳态电流波形。这是在轻负载或没有负载的情况下的正常工作模式。如图2B的图250中所示,在循环时间T1和循环时间T2期间,开关104和开关106中的一个开关断开。在循环时间T2期间,电感器102的电流下降到零。在循环时间T3期间,开关104和开关106都断开,电感器102的电流保持为零。可以相对于周期(即,Tl、T2以及T3之和)来选择循环时间T1与循环时间T2的比,以将输出电压保持在预定电平。
[0009]虽然在接近最大负载的条件下大多数DC-DC变换器在CCM下效率达到最大值,但是在轻负载下的效率对于电池供电设备通常更重要,因为这通常代表标称工作状态。因此,DCM下的效率的优化对于便携式设备的良好使用寿命来说是重要的。
[0010]在DCM中,在切换周期结束之前,可以断开放电开关(例如,开关106)。放电开关的断开时间可以是当电感器已经被充分地放电时,使得电感器中所存储的全部能量被转移至负载,并且电感器中的能量为零。设计DCM下的DC-DC转换器的难处在于如何精确确定电感器电流何时达到零,然后确定何时断开放电开关。操作条件与部件属性能够降低零电流确定的精度,同时,无论零电流确定的精度如何,传播延迟都能够影响断开开关的定时。

【发明内容】

[0011]现在将详细地参考根据本文所公开的实施例的示例实施例并且在附图中图示了所述示例实施例的示例。只要可能,在全部附图中将使用相同的附图标记指代相同或相似的部件。
[0012]本公开提供了一种开关模式DC转换器,该开关模式DC转换器被配置成根据输入电压生成经转换的电压。该转换器包括电感器和开关,该电感器被配置成存储能量,该开关在切换节点处与电感器耦接,其中,该开关能够被配置成闭合或断开,以控制将存储在电感器处的能量释放至转换器的输出节点,并且其中,输出节点被配置成提供经转换的电压。该转换器还包括电路,该电路被配置成基于该开关之间的电压差来控制断开该开关的定时,其中基于在切换节点处的电压来调节对电压差的测量。
[0013]在一些实施例中,该电路还包括第一比较器,该第一比较器被配置成测量电压差;并且其中,基于第一比较器的输出电压来控制断开该开关的定时。在一些实施例中,第一比较器还包括偏移调节块,该偏移调节块被配置成在第一比较器中引入偏移,其中,基于切换节点处的电压来调节所述偏移。在一些实施例中,第一比较器包括第一晶体管和第二晶体管,第一晶体管在第一节点处与第一电流源耦接,第二晶体管在第二节点处与第二电流源耦接;其中,第一晶体管与开关的第一端子耦接,第二晶体管与开关的第二端子耦接,并且其中,切换节点处的电压与经转换的电压之间的比较基于第一节点与第二节点之间的电压差。在一些实施例中,通过在第一节点和第二节点中的一个节点处注入偏移电流来引入偏移。在一些实施例中,在电感器被充电时的时间期间,第一比较器断开。在一些实施例中,该电路还配置成测量该开关之间的电压差并且对在切换节点处的电压进行周期地采样;其中,基于在切换节点处的多个电压采样来确定测量和调节的周期。
[0014]在一些实施例中,该电路还包括一个或更多个第二比较器,该一个或更多个第二比较器被配置成将在切换节点处的电压与一个或更多个阈值电压进行比较;并且其中,基于一个或更多个第二比较器的一个或更多个输出电压来调节偏移。能够基于输入电压、经转换的电压或根据接地电位来生成一个或更多个阈值电压。
[0015]在一些实施例中,该电路包括两个第二比较器,这两个第二比较器被配置成将切换节点处的电压与两个阈值电压进行比较并且生成第一输出电压和第二输出电压,其中,当第一输出电压超过第一预定值时增大该偏移,并且其中,当第二输出电压超过第二预定值时减小该偏移。
[0016]在一些实施例中,该电路包括第二比较器和多路转换器;其中,多路转换器被配置成从一组阈值电压中选择阈值电压;其中,第二比较器被配置成将切换节点处的电压与所选择的阈值电压进行比较。
[0017]在一些实施例中,开关模式DC转换器还包括计数器和一个或更多个采样器;其中,一个或更多个采样器被配置成对一个或更多个第二比较器的一个或更多个输出电压进行采样;并且其中,计数器被配置成存储值并且基于一个或更多个采样器的一个或更多个输出来更新或保持所存储的值;并且其中,基于所存储的值来调节所述偏移。在一些实施例中,一个或更多个采样器包括锁存器;并且其中,基于被配置成闭合或断开该开关的控制信号来定时锁存器。在一些实施例中,开关模式DC转换器还包括一个或更多个数字滤波器,该一个或更多个数字滤波器被配置成对一个或更多个采样器的一个或更多个输出进行滤波;其中,计数器被配置成基于一个或更多个数字滤波器的一个或更多个输出来更新所存储的值。在一些实施例中,基于目标值来更新所存储的值。
【附图说明】
[0018]图1图示了现有技术中的BOOST转换器的电路示意图。
[0019]图2A和图2B图示了现有技术中的增压转换器的CCM波
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