用于控制开关模式电力供应器中的电感器电流的设备及方法
【专利摘要】本发明涉及用于控制开关模式电力供应器中的电感器电流的设备及方法。在一个实施例中，开关模式电力供应器(100)包含电感器(L1)、耦合到所述电感器(L1)的高侧开关(SH1)、耦合到所述电感器(L1)的低侧开关(SL1)及控制器(102)。所述控制器(102)耦合到所述高侧开关(SH1)及所述低侧开关(SL1)中的至少一者。所述控制器(102)包含第一电容器及电流源。所述控制器(102)经配置以通过基于经由所述电流源对所述第一电容器进行充电的时间而实现通过所述高侧开关(SH1)及所述低侧开关(SL1)中的所述至少一者的电流流动来控制向所述电感器(L1)的电流切换的计时。所述时间为跨越所述电感器(L1)的电压的函数。
【专利说明】用于控制开关模式电力供应器中的电感器电流的设备及方法
[0001]相关串请案交叉参考
[0002]本申请案主张2012年10月17日提出申请的第61 / 715，083号美国临时专利申请案的优先权，所述美国临时专利申请案特此以全文引用的方式并入本文中。
【技术领域】
[0003]本申请案大体来说涉及开关模式电力供应器。
【背景技术】
[0004]开关模式电力供应器(SMPS)为将输入直流(DC)供应电压转换成在量值上高于或低于输入DC供应电压的一个或一个以上DC输出电压的电子电路。产生低于输入电压的输出电压的SMPS称为降压或减压转换器。产生高于输入电压的输出电压的SMPS称为升压或增压转换器。
[0005]典型的SMPS包含用于响应于切换信号而交替地断开及闭合通过电感器的电流路径的开关。在操作中，跨越电感器施加DC电压。通过依据切换信号交替地断开及闭合开关而将电能转移到连接到电感器的负载。转移到负载的电能的量为开关的工作循环及切换信号的频率的函数。开关模式电力供应器广泛地用于给电子装置供电，特定来说蓄电池供电式装置，例如便携式蜂窝式电话、膝上型计算机及其中需要高效使用电力的其它电子系统。
【发明内容】
[0006]本文中揭示用于控制开关模式电力供应器中的电感器电流的设备及方法。在一个实施例中，一种开关模式电力供应器包含电感器、耦合到所述电感器的高侧开关、耦合到所述电感器的低侧开关及控制器。所述控制器耦合到所述高侧开关及所述低侧开关中的至少一者。所述控制器包含第一电容器及电流源。所述控制器经配置以通过基于经由所述电流源对所述第一电容器进行充电的时间而实现通过所述高侧开关及所述低侧开关中的至少一者的电流流动来控制向所述电感器的电流切换的计时。所述时间为跨越所述电感器的电压的函数。
[0007]在另一实施例中，一种用于开关模式电力供应器的控制器包含电流源及开关计时电路。所述开关计时电路经配置以控制切换所述开关模式电力供应器的电感器中的电流的高侧晶体管及低侧晶体管中的至少一者的开关计时。计时电路包含第一充电节点及晶体管驱动器电路。所述晶体管驱动器电路耦合到所述电流源。所述晶体管驱动器电路经配置以基于经由所述电流源提供的电流在与所述电感器的输入电压及所述电感器的输出电压成正比的电压之间改变所述充电节点处的电压的时间而产生所述计时。所述计时提供所述电感器中的峰电流及所述电感器中的电流零交叉的预测中的至少一者。
[0008]在另一实施例中，一种用于控制开关模式电力供应器的电感器中的电流的方法包含将第一电容器从第一电压充电到第二电压。所述第一及第二电压与所述电感器的输入及输出中的一者处的电压成正比。启用耦合到所述电感器的高侧开关及低侧开关中的一者达所述充电的持续时间。基于所述充电的所述持续时间而提供所述电感器中的峰电流及所述电感器中的电流零交叉的预测中的至少一者。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]为详细描述各种实例，现在将参考附图，其中:
[0010]图1展示根据各种实施例的布置为降压转换器的开关模式电力供应器的示意图；
[0011]图2展示根据各种实施例的用于控制布置为降压转换器的开关模式电力供应器的电感器中的峰电流的峰电流控制器的示意图；
[0012]图3展示根据各种实施例的布置为升压转换器的开关模式电力供应器的示意图；
[0013]图4展示根据各种实施例的用于控制布置为升压转换器的开关模式电力供应器的电感器中的峰电流的峰电流控制器的示意图；且
[0014]图5展示根据各种实施例的用于控制开关模式电力供应器中的峰电流的方法的流程图。
[0015]记法及命名法
[0016]在以下描述及所附权利要求书通篇中使用某些术语来指代特定系统组件。如所属领域的技术人员将了解，公司可通过不同的名称来指代一组件。此文件不打算在名称不同但无关紧要的组件之间进行区分。在以下论述中及在权利要求书中，以开端方式使用术语“包含”及“包括”，且因此其应解释为意指“包含但不限于...”。此外，术语“耦合”打算意指间接或直接电连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，那么所述连接可通过直接电连接或通过经由其它装置及连接的间接电连接进行。叙述“基于”打算意指“至少部分地基于”。因此，如果X基于Y，那么X可基于Y及任何数目个其它因子。
【具体实施方式】
[0017]以下论述针对本发明的各种实施例。虽然这些实施例中的一者或一者以上可为优选的，但所揭示的实施例不应解释为或以其它方式用于限制本发明(包含权利要求书)的范围。另外，所属领域的技术人员将理解，以下描述具有广泛应用且对任何实施例的论述仅意在示范所述实施例且并不打算暗示本发明(包含权利要求书)的范围限制于所述实施例。
[0018]在例如降压转换器的开关模式电力供应器(SMPS)中，每一循环将SMPS的电感器中的电流驱动到峰值。峰电流确定每循环所转移的能量的量，且因此对于SMPS的效率是重要的。将峰电流设定得高会增加传导损耗，而将峰电流设定得低会增加切换损耗。因此，控制电感器中的峰电流对于优化SMPS性能来说是重要的。
[0019]常规SMPS设计试图通过测量跨越切换晶体管的电压降来确定电感器中的电流，电流通过所述切换晶体管提供到所述电感器。将所测量的跨越晶体管的电压降与预定阈值进行比较。当电压降超过阈值时，假定已达到峰电流，且禁止电流流动通过晶体管。遗憾地，以此方式控制峰电感器电流遭受各种误差。举例来说，跨越切换晶体管的电阻的微小变化可导致峰电流确定中的实质不准确性(例如，±50%)。
[0020]本发明的实施例在不需要切换晶体管电压降测量的情况下提供对SMPS的电感器中的峰电流的准确控制。因此，实施例在峰电流确定中不遭受如在常规SMPS架构中因晶体管变化而诱发的误差。本文中所揭示的SMPS的实施例依据对应于峰电感器电流的电感器输入及输出电压来控制驱动电感器的晶体管的切换时间且继而控制电感器中的峰电流。
[0021]图1展示根据各种实施例的布置为降压转换器的SMPS100的示意图。SMPS100包含在一侧上耦合到电容器Cu及负载114且在另一侧上耦合到驱动晶体管Sm及Su的电感器LI。晶体管Sm为高侧开关，其在闭合时将电感器LI连接到电压Vi,从而致使电感器LI中的电流升高。晶体管Su为低侧开关，其在闭合时将电感器LI连接到接地。
[0022]晶体管Sm及Su激活及去激活的计时由峰电流控制器102来控制。峰电流控制器102对由缓冲器104缓冲的高侧开关控制信号116的断言激活晶体管SH1。峰电流控制器102对高侧开关控制信号116的否定在延迟108之后设定触发器110。触发器110的由缓冲器106缓冲的输出激活晶体管Su。比较器112基于电感器LI的输入侧处的电压而对触发器110进行复位。
[0023]对于SMPS100，电感器LI中的峰电流为开关Shi闭合的时间的函数。跨越电感器LI的电压可表达为电感、电流及时间的函数:
【权利要求】
1.一种开关模式电力供应器(100、300),其包括: 电感器(LUL2)； 高侧开关(Sm、SH2)，其耦合到所述电感器(L1、L2)； 低侧开关(Su、Sj，其耦合到所述电感器(LUL2);及 控制器(102、302)，其耦合到所述高侧开关(SH1、SH2)及所述低侧开关(SU、SJ中的至少一者，所述控制器(102、302)包括: 第一电容器(CUC42);及 电流源(202,416)； 其中所述控制器(102、302)经配置以通过基于经由所述电流源(202、416)对所述第一电容器(CUC42)进行充电的时间而实现通过所述高侧开关(SH1、SH2)及所述低侧开关(Su、SL2)中的所述至少一者的电流流动来控制向所述电感器(L1、L2)的电流切换的计时； 其中所述时间为跨越所述电感器(L1、L2)的电压的函数。
2.根据权利要求1所述的电力供应器，其中所述电流源(202)经配置以产生电流，所述电流与所述电感器(LI)处的输入电压和所述电感器(LI)处的输出电压的差成正比。
3.根据权利要求2所述的电力供应器，其中所述电流对应于所述电感器(LI)处的所述输入电压与所述电感器(LI)处的所述输出电压的所述差的平方。
4.根据权利要求1所`述的电力供应器，其中所述控制器(102)包括初始化电路(210)，所述初始化电路(210)经配置以将所述第一电容器(Cl)充电到第一电压，所述第一电压为所述电感器(LI)处的输出电压的预定分数。
5.根据权利要求4所述的电力供应器，其中所述控制器(102)经配置以: 将所述第一电容器(Cl)从所述第一电压充电到第二电压，所述第二电压为所述电感器(LI)处的输入电压的预定分数，其中将所述第一电容器(Cl)从所述第一电压充电到所述第二电压的时间与所述电感器(LI)处的输入电压和所述电感器(LI)处的所述输出电压的差成反比；且 在将所述第一电容器(Cl)从所述第一电压充电到所述第二电压时，实现通过所述高侧开关(Shi)的电流流动。
6.根据权利要求1所述的电力供应器，其中所述控制器(302)包括初始化电路(406)，所述初始化电路(406)经配置以将所述第一电容器(C42)充电到第一电压，所述第一电压为所述电感器(L2)处的输入电压的预定分数。
7.根据权利要求6所述的电力供应器，其中所述控制器(302)经配置以将所述第一电容器(C42)从所述第一电压充电到第二电压，所述第二电压为所述电感器(L2)处的输出电压的所述预定分数，其中将所述第一电容器(C42)从所述第一电压充电到所述第二电压的时间与所述电感器(L2)处的输出电压和所述电感器(L2)处的所述输入电压的差成正比。
8.根据权利要求7所述的电力供应器，其中所述控制器(302)经配置以在将所述第一电容器(C42)从所述第一电压充电到所述第二电压时启用所述低侧开关(SJ，且所述电力供应器(300)为增压模式转换器。
9.根据权利要求7所述的电力供应器，其中所述控制器(302)包括: 第二电容器(C44);及 初始化电路(S52),其经配置以将所述第二电容器(C44)放电到接地电压；其中所述控制器(302)经配置以将所述第二电容器(C44)从所述接地电压充电到所述第一电压，且将所述第二电容器(C44)从所述接地电压充电到所述第一电压的时间与所述电感器(L2)处的所述输入电压成正比； 其中所述控制器(302)经配置以根据将所述第二电容器(C44)从所述接地电压充电到所述第一电压的所述时间来启用所述高侧开关(Sh2)。
10.根据权利要求1所述的电力供应器，其中所述控制器(102、302)经配置以经由所述计时提供所述电感器(LI)中的峰电流及所述电感器(L2)中的电流的经预测零交叉时间中的至少一者。`
【文档编号】H02M3/07GK103795239SQ201310488506
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年10月17日 优先权日:2012年10月17日
【发明者】阿特梅什·什里瓦斯塔瓦, 约格什·拉玛达斯 申请人:德州仪器公司