专利名称：含控制器的直流/直流转换器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及用于直流/直流转换器，更具体的是涉及含控制器的直流/直流转换器 以及控制方法。
背景技术：
直流/直流转换器用来把输入直流电压转换为输出直流电压。该类转换器包括降 压和升压转换。在降压转换中，直流/直流转换器包括一个可控开关，该可控开关周 期性的闭合和断开。当开关闭合时， 一个降低了的直流输出电压提供给负载，同时能 量被储存在该转换器的储能元件(例如电感)中。当开关断开时，储能元件(例如 电感)释放能量，为负载提供输出电压。由于开关耗能相对较少，上述方法能延长输 入电压源(例如电池)的供电时间。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种控制器来合理控制直流/直流转换器的开 关状态，使得直流/直流转换器正常工作。
本发明提供了一种直流/直流转换器的控制器，其可包括脉宽调制(PWM)电 路，用于产生控制一对开关操作的第一信号；斜坡信号产生电路，用于提供产生该 第一信号所需的第二信号；及电阻元件，用于提供产生第二信号所需的电流信号。
本发明还提供了一种直流/直流转换器，其可包括由高侧开关和低侧开关组成 的一对开关，该高侧开关可与直流/直流转换器的输入电压和开关节点耦合，且该低 侧开关可与地和开关节点耦合；与开关节点耦合的电感；提供PWM信号的控制器， 该控制器可包括与开关节点耦合的电阻，因此流经该电阻的电流值反映了高侧开关和 低侧开关的状态；根据流经电阻的电流值提供斜坡信号的斜坡信号产生电路；以及根 据该斜坡信号产生PWM信号的脉宽调制电路。
本发明再提供了一种直流/直流转换器的控制方法，其可包括根据流经电阻的电流值提供斜坡信号，该电阻可与直流/直流转换器的开关节点耦合，该开关节点可 与直流/直流转换器的高侧开关和低侧开关耦合；以及根据斜坡信号产生PWM信号。 与现有技术相比，本发明的含控制器的直流/直流转换器以及控制方法可根据直 流/直流转换器的输入电压和输出电压的情况产生对应的脉宽调制(PWM)信号，以 控制直流/直流转换器开关状态，使该直流/直流转换器正常、高效的工作。
图1所示为根据本发明的实施例的包含一个反馈回路的直流/直流转换器的示例 性结构框图，该反馈回路用于向控制器提供开关状态；
图2所示为根据本发明的实施例的在两个控制信号的作用下图1中的一对开关的 各种可能状态的示范表格；
图3所示为根据本发明的实施例的图1中的控制器的示例性结构框图4A和4B所示为根据本发明的实施例的图3中的控制器的各个信号的时序图5所示为根据本发明的实施例的图1中的控制器的示例性结构框图6A和6B所示为根据本发明的实施例的图5中的控制器的各个信号的时序图7所示为根据本发明的实施例的图1中的控制器的示例性结构框图； 图8所示为根据本发明的实施例的图7中的控制器的各个信号的时序图9所示为根据本发明的实施例的图1中的控制方法的示例性流程图。
具体实施例方式
以下将对本发明的实施例给出详细的说明。尽管本发明将结合一些
具体实施例方式
进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，对 本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式
中给出了众多的具体细节。 本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例 中，对于大家熟知的方法、流程、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主
旨
图1所示为根据本发明的实施例的示例性直流/直流转换器100，包括控制器电路 102、驱动器电路104、开关电路106以及能量储存电路108。通常，控制器电路102会产生一个或多个控制信号，并提供给驱动器电路104。例如，控制器电路102会产 生一个脉宽调制(PWM)信号控制开关电路106。开关电路106包括高侧开关110和低 侧开关112。在一个实施例中，高侧开关110和低侧开关112分别接收来自驱动器电 路104的控制信号，并提供一个信号给能量储存电路108，使之产生输出电压(表示 为VouT)。通常，驱动器电路104控制开关IIO和112，使该一对开关交替置于闭合
("ON")和断开("OFF")的位置。更具体的说，通过改变控制器电路102提供的 PWM信号的占空比，该控制器电路102可控制高侧开关110和低侧开关112的工作 状态。在一个实施例中，如果PWM信号为高电平，高侧开关110闭合("ON")且 低侧开关112断开("OFF")，这种开关状态称之为"开关闭合(Switch ON)"状态。 此时，输出电路108中的电感114通过高侧开关110与输入电压(表示为VIN)耦合。 此时，流经电感114的电流增加，且输出电路108中的电容116储存电荷。因此，在 高侧开关110闭合时，输入电压V^大于输出电压VouT，并且电感114的电压值为正。 当PWM信号为低电平时，高侧开关110断开("OFF")且低侧开关112闭合
("ON")，这种开关状态称之为"开关断开(Switch OFF)"状态。在这种状态下， 输出电路108中的电感114上的电压值为负。相应地，储存在电感114中的磁场被破 坏，从而提供输出电压VcxjT给电容116。因此，VouT是根据控制器电路102产生的 PWM信号的占空比来提供的。控制器电路102还会向驱动器电路104提供一个使能 信号。在一个实施例中，使能信号由引脚"EN"提供，用于控制高侧开关IIO和低 侧开关112的状态。
在一个实施例中，为了产生PWM信号和使能信号，两个电压反馈信号被提 供给控制器电路102。具体而言，输出电压(VouT)通过线路120输入引脚"VFB"， 且电感i14 一端的电压通过另一条线路118输入控制器电路102的引脚"LX"。 线路118提供的反馈信号用于指示高侧开关110和低侧开关112所处的状态。电 路元件用于设定与控制器电路102相关的参数。例如，与控制器电路102相连的 电阻123、电阻124以及电容126用于设定如参考电压和电流(和/或电压)的压 摆率等相关参数。
图2所示是根据本发明的实施例的在使能信号EN和来自控制器电路102的 脉宽调制(PWM)信号的作用下开关110和112各种可能状态的示例性表格200。 另外，开关状态的定义可以由开关110和112的位置决定。例如，当开关110闭合且开关112断开(例如，在使能信号EN4，且PWM信号-1时)时，则定义 开关处于"开关闭合"状态，此时，电感114与输入电压Vw耦合；当开关110 断开且开关112闭合(例如，在使能信号EN4，且PWM信号咱时)时，则定 义开关处于"开关断开"状态，此时，电感114与地耦合；当开关110和112都 断开且使能信号为数字"0"，则定义开关处于"跳过"状态。在"跳过"状态下， 开关IIO和112都断开，则电感114悬空(例如，没有和电源电压或地耦合)。因 此，电感114在"开关闭合"状态下与输入电压耦合(例如，开关110闭合时)， 在"开关断开"状态下接地(例如，开关112闭合时)，另外在"跳过"状态下悬 空(例如，开关IIO和112都断开时)。
在"开关闭合"状态下，电感114上的电压实质上是等于V,VouT。在降压转换 中，V^比Vout大，则电感114的电压值为一个净值为正的电压。该电压使得流过电 感114的电流遵循下式的规律斜线上升
di/dt气VrN-VouT)/I^Al/ToN (1)
在式(1)中，VjN是直流/直流转换器100的输入电压，VouT是直流/直流转换器
100的输出电压，T，是开关110和112处于"开关闭合"状态的时间间隔，L是 电感114的电感值，AI是在T，期间流经电感114的电流的变化量。
在"开关断开"状态下，电感114的电压与Vout成比例。然而，电感114上的 电压的极性反转，使得流过电感114的电流遵循下式规律斜线下降
di/dt=- (V0UT)/L=AI/T0FF (2)
在式(2)中，VouT是直流/直流转换器100的输出电压，ToFF是开关110和开关 112处于"开关断开"状态的时间间隔，L是电感114的电感值，AI是在Totf期 间流经电感114的电流的变化量。
图3为根据本发明一个实施例的直流/直流转换器100a的结构框图，包括与图1 中的转换器100中的控制器102类似的控制器102a。控制器102a可在各类直流/直流 转换器100a中使用。在一个实施例中，直流/直流转换器100a可为同步降压转换器， 该转换器通常包括控制器102a，驱动器电路104，具有高侧开关110和低侧开关112 的开关电路106，以及低通滤波器108。低通滤波器108可包括电感L和电容C。 高侧开关110的两端分别与输入直流电压V^和LX开关节点122耦合。低侧开 关112的两端分别与LX开关节点122和地耦合。另外，LX开关节点122还与低通滤波器108相连。
控制器102a可包括脉宽调制电路352，用于产生脉宽调制(PWM)信号和 低侧开关的使能信号(LDR—EN)。驱动器电路104能根据PWM和LDR—EN信号 来控制高侧开关IIO和低侧开关112闭合和/或断开。
控制器102a接收表示LX开关节点122电压的输入信号。控制器102a还包 括一个输入引脚SLEW，用于设定期望输出电压值(比如VSET或VOUT)。例 如，在图l所示的实施例中，压摆电容126基于电阻分压器中电阻123、 124和参 考电压REF进行充电。本领域技术人员应当知晓给压摆电容126充电且产生目标 电压信号的各种方法。在这种情形下，压摆电容126上的电压将从0摆动到设定 值。另外，控制器电路102a的引脚VFB还会接收一个表示直流/直流转换器100a 的输出电压值VOUT的反馈信号。
如图3所示，控制器电路102a可包括与直流/直流转换器100a中的LX开关 节点122相连的电阻R1 320。流经电阻R1 320的电流可对高侧开关IIO和低侧开 关112所处的状态(例如，高侧开关IIO和低侧开关112处于开关闭合状态、开 关断开状态或者跳过状态)产生响应。控制器电路102a还包括根据流经电阻Rl 320的电流值提供斜坡信号312的斜坡信号产生电路350，以及至少根据斜坡信号 312产生PWM信号的脉宽调制电路352。
当高侧开关110闭合且低侧开关112断开时，开关电路106处于开关闭合状 态。此时，由于LX开关节点122通过闭合的高侧开关IIO与VIN耦合，该节点 122的电压等于VIN。因此，流经电阻Rl 320的电流值等于直流/直流转换器100a 的输入电压VIN减去该直流/直流转换器的输出电压VOUT，得到的差值再除以电 阻R1 320的电阻值。斜坡信号产生电路350则根据流经电阻R1 320的电流值产 生斜坡信号312的上升阶段314，图4A和图4B将就此进行详细描述。
当高侧开关110断开且低侧开关112闭合时，开关电路106处于开关断开状 态。此时，由于LX开关节点122通过闭合的低侧开关112与地耦合，该节点122 的电压值等于O伏。因此，流经电阻R1 320的电流值等于0伏减去直流/直流转 换器100a的输出电压VOUT，得到的差值再除以电阻R1 320的电阻值。斜坡信 号产生电路350则根据流经电阻Rl 320的电流值产生斜坡信号312的下降阶段 316，图4A和图4B将就此进行详细描述。在跳过状态(比如当高侧开关110断开且低侧开关112也断开时)下，LX
开关节点122的电压等于直流/直流转换器100a的输出电压VOUT。因此，在跳 过状态下，由于LX开关节点122的电压减去直流/直流转换器100a的输出电压 VOUT，所得的差值再除以电阻R1 320的电阻值等于0，流经电阻R1 320的电流 等于0。斜坡信号产生电路350则根据流经电阻Rl 320的电流值产生斜坡信号312 的平坦阶段318，图4A和图4B将就此进行详细描述。
斜坡信号产生电路350包括缓冲器351和电流控制电流源324。缓冲器351 的反相输入端与缓冲器351的输出端相连，用于提供负反馈。缓冲器351的正相 输入端接收表示直流/直流转换器100a输出电压的信号，例如VSET或VOUT。 因此，缓冲器351的输出电压密切跟随正相输入端的输入信号VSET或VOUT。 电流控制电流源324对流经电阻Rl 320的输入电流IJn产生响应，该输入电流 I一in用于表示开关110和112的状态。电流控制电流源324产生与输入电流Ijn 镜像的输出电流I—out。输出电流I—out用于给斜坡电容308充电或放电，并产生 斜坡信号312提供给脉宽调制电路352的第一比较器301和第二比较器302。
第一比较器301比较斜坡信号312和额定电压V2。在一个实施例中，额定电 压V2可以是20微伏。第一比较器301提供一个输出信号RAW—LDR—EN，并输 送给与非门311的一个输入引脚。与非门311的另一个输入引脚接收SKIP信号， 并输出LDR—EN信号给驱动器电路104。第二比较器302比较斜坡信号312和参 考电压REF，并提供输出信号给触发器342的复位引脚R。触发器342的输出引 脚"Q"提供PWM信号给驱动器电路104。
PWM信号的占空比与输入电压和输出电压(或目标电压)之间的差值成反 比。也就是说，当该差值增加时，PWM信号的占空比减小，从而縮短开关110 和112处于"开关闭合"状态的时间。相反，当该差值减小时，PWM信号的占空 比增加，从而縮短开关110和112处于"开关断开"状态的时间。
图4A和4B所示为根据本发明的实施例的图3中的控制器102a的各个信号的时 序图400。图4A和图4B将结合图3进行描述。时序图400详细的叙述了图3中 控制器102a的操作，包括产生斜坡信号312的步骤。当控制器102a被使能，SLEW 电压401 (如图4B所示)开始斜线上升。图3中比较器303若检测到SLEW电压 达到反馈电压VFB，则提供一个数字1信号给与门322。此时，第一比较器301的输出(例如，图4B所示的RAW—LDR—EN信号402)也是数字1信号。因此， 与门322的所有输入引脚都输入数字1，该与门322则输出数字1使触发器342 置位。此时(即tl时刻)，PWM信号403 (如图4A所示)变为数字l。
在tl到t2的时间间隔内，PWM信号403是数字1 ， LDR_EN信号404也是 数字1。此时，高侧开关110闭合且低侧开关112断开，该开关110和112处于 开关闭合状态。因此，在此时间间隔内，由于LX开关节点122与直流/直流转换 器100a的输入电压VIN耦合，LX开关节点122的电压405等于VIN。
在tl到t2的时间间隔内，流经电阻Rl 320的电流I—in可由式(3)表示
I—in= (VIN-VOUT)/Rl (3)
其中，VIN表示直流/直流转换器100a的输入电压，VOUT表示直流/直流转 换器100a的输出电压，Rl表示图3中电阻320的电阻值。若令K二1/R1，式(3)可以 由式(4)来表示
I—in= K承(VIN-VOUT) (4)
如公式(3)、 (4)以及曲线406所示，由于I—out是I—in的镜像电流，I—out等于I_in。 如曲线407所示，在tl到t2的时间间隔内，斜坡信号312以与I—out信号的大小成 比例的速率斜线上升。斜坡信号312的上升会持续到该信号与第二比较器302反相 输入引脚的参考电压REF相等。当斜坡信号312在t2时刻达到REF值，第二比 较器302的输出使触发器342复位。
在t2时刻，当触发器342复位时，该触发器342的输出引脚Q输出数字0， 因此PWM信号403变为数字0。第一比较器301的输出信号RAW_LDR—EN信 号402为数字0，且当SKIP信号为数字1时，与非门311也输出数字1 (如图4A 中LDR—EN信号404)。因此，在t2到t3的时间间隔内，高侧开关110断开且低 侧开关112闭合，开关110和开关112处于开关断开状态。如曲线405所示，当 开关110和112处于开关断开状态时，LX开关节点122通过闭合的低侧开关112 与地耦合，因此LX开关节点122的电压等于0。
在t2到t3的时间间隔内，流经电阻Rl 320的电流I—in 406可由式(5)表示
I—in= (0國VOUT)/R1 (5)
若令K4/R1，式(5)可以由式(6)来表示
I—in= -K*VOUT (6)如公式(5)、 (6)以及曲线406所示，由于I一out是I_in的镜像电流，I—out等于I—in。 在t2到t3的时间间隔内，斜坡信号312以与I—out信号406成比例的速率斜线下降。 斜坡信号312的下降会持续到该信号与第一比较器301正相输入引脚的输入电压 V2相等。当斜坡信号312在t3时刻下降到电压V2时，第一比较器301的输出(如 RAW—LDR一EN 402)变为数字1。如图4B中曲线408所示，当斜坡信号312在 t3时刻下降到V2时，电感电流处于过零处。为此，控制器电路102a提供了一种 过零估计器来评估流经电感L的电流是否处于过零处，代替原有直接测量流经电 感L的电流的方法。
如果SKIP信号在t3时刻也是数字1 (比如，跳过状态有效时)，则与非门 G1311输出数字0，且LDR—EN信号404变为数字0。因此，在t3到t4的时间间 隔内，控制器102a处于跳过状态。由于在跳过状态下PWM信号403为数字0， 且LDR一EN信号404也为数字0，则开关110和112都断开。
在开关110和112都断开的跳过状态下，LX开关节点122处的电压405等于 直流/直流转换器的输出电压VOUT。此外，在跳过状态下，由于LX开关节点122 的电压减去输出电压VOUT，得到的差值再除以电阻R1 320的电阻值等于0，流 经电阻Rl 320的电流和电流I_out 406都等于0。
当跳过状态被使能，控制器电路102a控制使开关110和112处于跳过状态， 并持续该状态到直流/直流转换器100a的输出电压(用VFB表示)小于设定电压 值(例如电压SLEW401)。 VFB信号会根据直流/直流转换器100a中低通滤波 器108的电容C是否存在等效串联阻抗(Equivalent Series Resistance, ESR)而变 化。 '
如果电容C没有ESR (例如，电容C可为没有ESR的陶瓷电容)， 一旦有电 流流经电感114，曲线401所述的电压VFB则上升。在tl到t2的时间间隔内， 高侧开关110闭合且低侧开关112断开，曲线401以第一斜率的速率上升。在t2 到t3的时间间隔内，开关110断开且开关112闭合，曲线401以第二斜率的速率 下降并一直下降到t3时刻该曲线达到电压SLEW。在G到t4的时间间隔内，开 关110和112都断开，曲线401则处于过零处。在t4时刻，第三比较器303的输 出变为数字1。第三比较器303和第一比较器301都为数字1的输出使得与门322 的输出变为数字l，从而导致触发器342置位，PWM信号也因此变为数字1。在t4到t6的时间间隔内，时序图400的进程开始重复前述进程。在t3到t4的时间 间隔内，曲线401的下降速率由负载电流决定。例如，曲线401的下降速率在负 载电流小时比负载电流相对大时慢。因此，在负载电流较小时，控制器102a跳过 状态的持续时间随着负载电流的增大而延长。
如果电容C有ESR， VFB的曲线(图4A和4B未示出)在tl到t2的时间间 隔内上升，而在t2到t3的时间间隔内下降。与曲线401类似，在t3到t4的时间 间隔内，VFB会继续下降且下降速率由负载电流决定。VFB信号会持续下降到等 于SLEW电压，然后开始一个新的周期。
再请参照图3，在一定的时间间隔内(例如，在t3到t4以及t5到t6的时间 间隔内)，闭合开关372可影响斜坡信号312的斜率，从而縮短开关断开状态的持 续时间。开关372由与门323的输出控制，当与门323的两个输入端都是数字1 时，开关372闭合。这种情况会在VFB电压小于SLEW电压时发生，此时第三 比较器303的输出为数字l，且当PWM信号为数字0时，触发器342的引脚"QB" 输出数字l。当开关372闭合时，开关断开状态的持续时间比开关372断开时的 持续时间短。这是因为在开关断开状态下(例如，在t2到t3的时间间隔内)，斜 坡信号312的负斜率比在开关372闭合时的负斜率小。对开关断开状态加速的程 度由电阻R2 373来决定。如果不需要加速开关断开状态，控制器102a也可不包 括开关372、电阻373以及与门G3 323。
图5所示为根据本发明的另一实施例控制器102b的示例性结构框图。为了简 明起见，图5中部分与图3类似并已做过详细描述的内容，在此不再赘述。控制 器102b可包括与直流/直流转换器100b的开关节点122相连的电阻R1 520。控制 器102b还可包括斜坡信号产生电路550，用于根据流经电阻R1 520的电流值提 供斜坡信号512。控制器102b还可包括脉宽调制电路552，用于至少根据斜坡信 号512产生PWM信号。
斜坡信号产生电路550包括通过线路509与电阻R1 520串联的斜坡电容508。 运算放大器551的反相输入引脚与节点506相连，该放大器的同相输入引脚用来 接收表示直流/直流转换器lOOb输出的输出电压，例如VSET或VOUT。运算放 大器551可以为积分器。如果该运算放大器551的同相输入引脚接收VOUT，电 阻R1 520 —端的节点506处的电压也等于VOUT。由于运算放大器551的输入端不允许电流流入，因此流经电阻R1 520的电流也流入斜坡电容508，给斜坡电容 508充电或放电。
斜坡信号512可同时提供给第一比较器501的同相输入引脚和第二比较器 502的反相输入引脚。电压V2可提供给第一比较器501的反相输入引脚。电压 REF可提供给第二比较器502的同相输入引脚。在一个实施例中，电压REF为 IO毫伏，电压V2为2.5伏。
如图6A和图6B并结合图5所示，时序图600详细的叙述了图5中控制器 102b的操作，包括产生斜坡信号512的步骤。在tl至"2的时间间隔内，PWM信 号601为数字1， LDR—EN信号602也为数字1。因此，高侧开关110闭合且低侧 开关112断开。因此，在tl到t2的时间间隔内，由于LX开关节点122与直流/ 直流转换器的输入电压VIN相连，LX开关节点122的电压603等于VIN。在tl 到t2的时间间隔内，流经电阻R1 520且流入电容508的电流I—in 604 (或用I(Cl) 表示)可由式(3)和(4)表示。在tl到t2的时间间隔内，根据流入斜坡电容508的 电流值，表示斜坡信号512的曲线605斜线下降。受与斜坡电容508相连的运算 放大器551的影响，斜坡信号512在tl到t2的时间间隔内具有负斜率。因此，斜 坡信号512与图4A所示斜坡信号312反相。也就是说，斜坡电容508产生的斜 坡信号512与斜坡电容308产生的斜坡信号312之间的极性相反。
斜坡信号512会持续下降到该信号与第二比较器502同相输入引脚的参考电 压REF相等。在t2时刻，当斜坡信号512下降到REF，第二比较器502的输出 可使图5中触发器542复位。当触发器542在t2时刻复位时，触发器542的输出 引脚Q输出数字O，因此PWM信号601变为数字0。第一比较器501的输出信号 RAW—LDR—EN信号606为数字0，且在t2到t3的时间间隔内SKIP信号为数字1， 则图5中与非门511输出数字1 (如图6A中LDR—EN信号602)。因此，在t2到 t3的时间间隔内，高侧开关110断开且低侧开关112闭合，开关110和开关112 处于开关断开状态。当开关110和112处于开关断开状态时，LX开关节点122 通过闭合的低侧开关112与地耦合，因此LX开关节点122的电压603等于0。
在t2到t3的时间间隔内，流经电阻Rl 520且流入斜坡电容508的电流I—in 604 (或用I(C1)表示)可由式(5)和(6)表示。此时，斜坡信号512以与I_in (或I(Cl)) 的电流值成比例的速率斜线上升，并持续到该信号在t3时刻达到电压V2。在t3
15时刻，第一比较器501的输出(即RAW一LDR一EN 606)为数字l。如果SKIP信 号也为数字l(例如，当SKIP状态有效时)，与非门511输出数字0，且LDR—EN 信号602也变为数字0。因此，在t3到t4的时间间隔内，控制器102b处于跳过 状态。在跳过状态下由于PWM信号601为数字O，且LDR一EN信号602也为数 字0，则开关110和112都断开。
因此，在开关IIO和112都断开的跳过状态下，LX开关节点122的电压603 等于直流/直流转换器100b的输出电压VOUT。此外，在跳过状态下，流经电阻 Rl 520和斜坡电容508的电流等于0。当跳过状态有效时，控制器电路102b控制 使开关110和112处于跳过状态，并持续到直流/直流转换器100b的输出电压607 (用VFB表示)下降到小于设定电压值(例如电压SLEW)。当此种情况在t4 时刻发生时，如图5所示的第三比较器503的输出变为数字1。第三比较器503 和第一比较器501的数字1的输出使得图5所示的与门522的输出变为数字1， 从而导致触发器542置位，PWM信号601也因此变为数字1。在t4到t6的时间 间隔内，时序图600重复前述进程。
图7所示为根据本发明的另一示范实施例的直流/直流转换器100c(例如，一 种升压变换器)。直流/直流转换器100c可包括控制器102c、驱动器104以及与电 感L相连的开关110和112。控制器102c产生控制信号来控制驱动器104，使之 驱动高侧开关IIO和低侧开关112。在一个实施例中，驱动器104可通过控制开 关110和112的开和(/或)闭来调整直流/直流转换器100c中的PWM信号的占 空比，从而控制电感电流以及直流/直流转换器100c的输出电压。控制器102c通 过改变脉宽调制(PWM)信号的占空比来控制高侧开关IIO和低侧开关112的状 态。
一般而言，如果PWM信号801为高电平，低侧开关112闭合("ON")且高侧 开关110断开("OFF")，这种开关状态称为"开关闭合(Switch ON)"状态。在这 种状态下，电感L与地耦合。相应地，电感电流呈斜线上升。如果PWM信号801为 低电平，低侧开关112断开("OFF")且高侧开关110闭合("ON"),这种开关状态 称为"开关断开(Switch OFF)"状态。在这种状态下，升压转换器100c中的电感L 具有一个净值为负的电压。因此，在开关断开状态下，电感电流呈斜线下降。因此， PWM信号的占空比决定了开关闭合状态的持续时间。与降压转换器类似，控制器102c采用斜坡信号712来产生PWM信号。
控制器102c可包括脉宽调制(PWM)电路752和斜坡信号产生电路750。 PWM电路752可包括比较器701、 702和703，与门电路722，与非门电路723， 以及SR锁存器742。第一比较器701给与门电路722和与非门电路723的输入引 脚提供输入信号。与门电路722的另一个输入引脚接收第三比较器703的输出信 号。与门电路722由此可产生一个输出信号并传给触发器或锁存器(比如SR锁 存器742)的输入引脚。SR锁存器742的输出可同时传给驱动器104和位于PWM 电路752以外的与门电路725的输入引脚。PWM电路752用于接收来自斜坡信号 产生电路750的斜坡信号712，并根据斜坡信号712产生PWM信号。斜坡信号产 生电路750可包括运算放大器751和斜坡电容708，该电路可对流经电阻R1 720 和R2 771的电流值产生响应，后面的章节将详细描述。
控制器102c还可包括开关713和与门电路725。与门电路725的两个输入引 脚分别与PWM电路752中第三比较器703输出引脚和SR锁存器742的反相输出 引脚相连。控制器102c还可包括电阻R1 720和R2 771，该两电阻串联并与直流/ 直流转换器100c的开关节点LX 122相连。
其中，串连的电阻Rl 720和R2 771可以由一个阻值等于Rl+R2的等效电阻 R来代替。在一个实施例中，Rl 720阻值为R/6， R2 771阻值为5*R/6。斜坡信 号产生电路750还可包括与电阻R串联的斜坡电容C 708。运算放大器751的反 相输入引脚与电阻R—端的节点706相连，该放大器的同相输入引脚用来接收表 示直流/直流转换器100c输入的电压，例如VIN。运算放大器751可以为一个积 分器。由于运算放大器551的输入端不允许电流流入，因此流经电阻R的电流也 流入斜坡电容708，从而给该斜坡电容708充电或放电。
斜坡信号712可被同时提供给第一比较器701的反相输入引脚和第二比较器 702的同相输入引脚。电压V2提供给第一比较器701的同相输入引脚。电压REF 可提供给第二比较器702的反相输入引脚。在一个实施例中，电压REF为2.5伏， 电压V2为IO毫伏。
在开关断开状态下， 一旦输出电压大于VSLEW电压，控制器102c则产生新 的斜坡信号。在开关断开状态下，PWMB信号为数字l，且当输出电压大于VSLEW 电压时，与门电路725输出数字1。此时，开关S1713闭合，从而电阻R减小。RAMP信号712由于斜坡电容708迅速放电而减小到V2，从而使第一比较器701 输出数字l，使PWM锁存器复位。PWMB信号变为数字O，使得开关S1 713断开。
图8所示为图7中的控制器102c的操作时序图。在一些实施例中，PWM信 号801和HDR—EN信号802在tl到t2的时间间隔为数字1。因此，低侧开关112 闭合且高侧开关110断开。在tl到t2的时间间隔内，LX开关节点803的电压等 于0。在tl到t2的时间间隔内，流经电阻R的电流I 804也流经斜坡电容C (表 示为I(C))，该电流可由下式表示
I—in=-VIN/R
在tl到t2的时间间隔内，根据流经斜坡电容C 708的电流值，斜坡信号712 的曲线805呈斜线上升。受与斜坡电容C 708相连的运算放大器751的影响，斜 坡信号712在tl到t2的时间间隔内具有正斜率。
在t2时刻， 一旦触发器742复位，该触发器742的输出引脚Q输出数字0， 因此PWM信号801变为数字0。如图8所示，当开关110和112处于开关闭合状 态时，由于LX幵关节点122通过闭合的高侧开关IIO与输出电压相连，LX开关 节点122的电压803等于VOUT。
在t2到t3的时间间隔内，流经电阻Rl 720的电流I_in 804可由下式表示
I—in=(VOUT-VIN)/R
在t2到t3的时间间隔内，斜坡信号712以与I—in信号成比例的速率呈斜线下 降，并持续下降到斜坡信号712与第一比较器701的反相输入引脚的电压V2相等。 在t3时刻，当斜坡信号712与电压V2相等时，第一比较器701的输出变为数字 1。如图8所示，在t3时刻，斜坡信号712下降到V2时，曲线804表示的电感电 流处于过零处。为此，控制器电路102c提供了一种过零估计器来评估流经电感L 的电感电流是否处于过零处，代替原有直接测量电感L的电流。
图9所述为本发明的一个实施例的操作流程图900。步骤卯2包括产生响 应流经电阻的电流的斜坡信号，该电阻与直流/直流转换器的开关节点相连，开关 节点耦合于直流/直流转换器的高侧开关和低侧开关之间。步骤904包括产生一个 响应斜坡信号的PWM信号。
上文具体实施方式
和附图仅为本发明之常用实施例。显然，在不脱离权利要求书所界定的本发明精神和发明范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术 人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则 的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此， 在此披露之实施例仅用于说明而非限制，本发明之范围由后附权利要求及其合法等同 物界定，而不限于此前之描述。
权利要求
1. 一种直流/直流转换器，其特征在于，包括一对开关，用于控制直流/直流转换器的输出电压；及控制器，包括脉宽调制(PWM)电路，用于产生控制所述一对开关操作的第一信号；斜坡信号产生电路，用于提供产生所述第一信号所需的第二信号；及电阻元件，用于提供产生所述第二信号所需的电流信号。
2. 根据权利要求1所述的直流/直流转换器，其特征在于，所述电阻元件包括电阻。
3. 根据权利要求1所述的直流/直流转换器，其特征在于，所述一对开关中至少一个是金属氧化半导体场效应管(MOSFET)。
4. 根据权利要求1所述的直流/直流转换器，其特征在于，所述电流信号控制使所 述第二信号的电平增加。
5. 根据权利要求1所述的直流/直流转换器，其特征在于，所述电流信号控制使所 述第二信号的电平减小。
6. 根据权利要求1所述的直流/直流转换器，其特征在于，所述斜坡信号产生电路 包括与所述电阻元件相连的电容。
7. 根据权利要求6所述的直流/直流转换器，其特征在于，所述电容也与地耦合， 且由于所述电流信号给所述电容充电，所述第二信号的电平增加。
8. 根据权利要求6所述的直流/直流转换器，其特征在于，所述电容也与一个运算 放大器相连，且由于所述电流信号给所述电容充电，所述第二信号的电平减小。
9. 根据权利要求1所述的直流/直流转换器，其特征在于，所述一对开关包括高侧开关和低侧开关，当所述高侧开关闭合时，所述电流信号可为(VIN-V0UT)/R其中，所述V^表示所述直流/直流转换器的输入电压，所述Vout表示所述直流Z直流转换器的输出电压，R表示所述电阻元件的电阻值。
10. 根据权利要求1所述的直流/直流转换器，其特征在于，所述一对开关包括高侧 开关和低侧开关，当所述低侧开关闭合时，所述电流信号可为(0-VOUT)/R其中，所述VouT表示所述直流/直流转换器的输出电压，R表示所述电阻元件 的电阻值。
11. 根据权利要求1所述的直流/直流转换器，其特征在于，当所述一对开关都断开时，所述电流信号等于o。
12. —种直流/直流转换器，其特征在于，包括 与输入电压耦合的高侧开关和与地耦合的低侧开关；耦合于高侧开关和低侧开关之间的电感，用于提供直流/直流转换器的输出电压；及控制器，包括脉宽调制(PWM)电路，用于产生控制所述高侧开关和所述低侧开关的第 一信号；斜坡信号产生电路，用于给所述脉宽调制电路提供第二信号；及 电阻，用于给所述斜坡信号产生电路提供反映所述高侧开关和所述低侧 开关状态的电流信号。
13. 根据权利要求12所述的直流/直流转换器，其特征在于，所述斜坡信号产生电路 包括电容，所述电容在至少所述电流信号的作用下进行充电，以提供所述第二信 号给所述脉宽调制电路。
14. 根据权利要求13所述的直流/直流转换器，其特征在于，所述电容与地耦合，且 由于所述电流信号给电容充电，所述第二信号的电平增加。
15. 根据权利要求12所述的直流/直流转换器，其特征在于，当所述髙侧开关闭合且所述低侧开关断开时，所述电流信号可表示为<formula>formula see original document page 4</formula>其中，所述Vw表示所述直流/直流转换器的输入电压，所述Vout表示所述直流/直流转换器的输出电压，R表示所述电阻的电阻值。
16. 根据权利要求12所述的直流/直流转换器，其特征在于，当所述高侧开关断开且 所述低侧开关闭合时，所述电流信号可定义为<formula>formula see original document page 4</formula>其中，所述VouT表示所述直流/直流转换器的输出电压，R表示所述电阻的电阻值。
17. 根据权利要求12所述的直流/直流转换器，其特征在于，当所述高侧开关断开且 所述低侧开关也断开时，所述电流信号等于0。
18. —种直流/直流转换器的控制方法，其特征在于，包括 由斜坡信号产生电路根据流经电阻的电流信号产生第一信号，所述电流信号表示一对开关的状态；及由脉宽调制电路根据第一信号产生第二信号，所述第二信号控制所述一对开关。
19. 根据权利要求18所述的控制方法，其特征在于，所述一对开关包括高侧开关和 低侧开关，当所述高侧开关闭合时，所述电流信号等于<formula>formula see original document page 4</formula>其中，所述V^表示输入电压，所述VouT表示输出电压，R表示所述电阻的电阻值。
20.根据权利要求18所述的控制方法，其特征在于，所述一对开关包括高侧开关和低侧开关，当所述低侧开关闭合时，所述电流信号等于(0-VOUT)/R其中，所述VouT表示输出电压，R表示所述电阻的电阻值。
21.根据权利要求18所述的控制方法，其特征在于，当所述一对开关都断开时，所 述电流信号等于0。
全文摘要
本发明提供了一种含控制器的直流/直流转换器，其包括包含高侧开关和低侧开关的一对开关以及控制器，该控制器进一步包括与直流/直流转换器的开关节点相连的电阻元件，流经该电阻元件的电流可反映高侧开关和低侧开关的状态，该控制器还包括可根据流经电阻的电流值提供斜坡信号的斜坡信号产生电路，以及可至少根据斜坡信号产生脉宽调制(PWM)信号的脉宽调制电路；本发明的控制器可根据直流/直流转换器的输入电压和输出电压的情况产生对应的脉宽调制(PWM)信号，以控制直流/直流转换器开关状态，使该直流/直流转换器正常、高效的工作。
文档编号H02M3/04GK101546957SQ200810179360
公开日2009年9月30日 申请日期2008年12月2日 优先权日2008年3月24日
发明者帕杜尔, 拉兹洛·利普赛依, 肖邦-米哈依·庞贝斯库, 马里乌斯 申请人:凹凸电子(武汉)有限公司