具有过冲保护的DC-DC电力转换器的制作方法

本发明一般涉及dc-dc电力转换器，并且更具体地，涉及在连续导通模式(ccm)和不连续导通模式(dcm)之间自动切换的dc-dc电力转换器。

背景技术：

图1是将dc输入电压dcdc_in转换为较低dc输出电压dcdc_out的常规dc-dc降压电力转换器100的示意性框图。通常，dc-dc转换器100具有产生控制信号pctrl和nctrl的控制电路(如下所述的110、120和130)，控制信号pctrl和nctrl分别被施加到p型mos晶体管开关p_sw和n型mos晶体管开关n_sw的栅极。当控制信号pctrl和nctrl都为低时，开关p_sw接通而开关n_sw断开，使得内部节点lp连接到dcdc_in。当控制信号pctrl和nctrl都为高时，开关p_sw断开而开关n_sw接通，使得内部节点lp连接到地。当控制信号pctrl为高而控制信号nctrl为低时，开关p_sw和n_sw两者都断开，使得内部节点lp与dcdc_in和地隔离。控制电路被设计成使得当控制信号nctrl为高时，控制信号pctrl从不为低，因此开关p_sw和n_sw从不同时接通。

dc-dc转换器100可以以连续导通模式(ccm)或不连续导通模式(dcm)任一者操作。在ccm模式中，控制电路控制开关p_sw和n_sw，使得电流连续流过电感器l。在某些情况下，在ccm模式期间，电感器电流在正电流(即，从内部节点lp流动到输出节点dcdc_out的电流)和负电流(即，从输出节点dcdc_out流动到内部节点lp的电流)之间连续地循环。在dcm模式期间，控制电路控制开关p_sw和n_sw，使得(理想地)流过电感器l的电流从不为负。在某些情况下，在dcm模式期间，电感器电流不连续。在电感器电流始终保持为正的循环期间，ccm模式和dcm模式之间没有实质性差异。

图2是示出在涉及dc-dc转换器的理想ccm模式(图2的左侧)和其后的理想dcm模式(图2的右侧)的一个可能情况期间流过电感器l的电流的信号图。在ccm模式期间，流过电感器l的电流连续和线性地在最大正电流电平和最大负电流电平之间循环。在dcm模式期间，电感器电流在零电流和最大正电流电平之间间歇性地线性循环。

通常，在ccm模式和dcm模式两者期间，通过接通开关p_sw并关断开关n_sw以将内部节点lp连接到输入节点dcdc_in来增加电感器电流，并且通过关断开关p_sw并接通开关n_sw以将内部节点lp连接到地来减小电感器电流。当电感器电流达到零时，通过关断开关p_sw和n_sw两者，在dcm模式的间歇性正电流循环之间的时间段期间，电感器电流可以保持为零。

在ccm模式期间，当电感器电流要降低时，开关p_sw保持断开且开关n_sw在使电感器电流降至最大负电流电平的足够长的时间内保持接通。然而，在dcm模式期间，当电感器电流要降低时，开关p_sw保持断开且开关n_sw仅在使电感器电流降至零的足够长的时间内保持接通。当电感器电流达到零时，控制电路关断开关n_sw，同时保持开关p_sw断开。在这种情况下，电感器电流将保持为零，直到控制电路确定下一个dcm正电流循环需要再次增加电感器电流为止，此时控制电路将接通开关p_sw，同时保持开关n_sw断开。

再次参考图1，用于dc-dc转换器100的控制电路包括图1所示的除了开关p_sw和n_sw以及电感器l之外的所有元件。控制电路的功能是产生分别控制开关p_sw和n_sw的接通和关断的开关控制信号pctrl和nctrl。控制电路包括主控制回路110、过零检测(zcd)电路120和“与”门130。

主控制回路110包括反馈控制器111、脉冲宽度调制器(pwm)112和预驱动器113。在ccm模式和dcm模式两者期间，并且基于电压反馈信号dcdc_out_sns_1，主控制回路110产生施加到开关p_sw的栅极的开关控制信号pctrl和施加到“与”门130的输入之一的主回路控制信号114。

zcd电路120包括zcd比较器121、zcd触发器123、反相zcd置位复位(sr)锁存器124以及反相器125和127。在dcm模式期间并且基于内部节点lp处的电压，zcd电路120产生施加到“与”门130的另一输入的锁存器输出信号zcd_b_latch。zcd电路120的目的是在dcm模式期间检测电感器电流何时达到零，以确定何时关断开关n_sw。

“与”门130接收主回路控制信号114和锁存器输出信号zcd_b_latch两者并产生控制信号nctrl。

在ccm模式期间，禁用zcd比较器121，使得锁存器输出信号zcd_b_latch始终为高。(注意，在图1中未示出用于禁用/启用zcd比较器121的控制信号。)当锁存器输出信号zcd_b_latch为高时，“与”门130确保开关控制信号nctrl等于主回路控制信号114。因此，当在ccm模式期间禁用zcd比较器121时，主控制回路110产生开关控制信号pctrl和nctrl，以使电感器电流为正和负两者。

在ccm模式期间，zcd比较器121被启用以将dc-dc转换器100配置成dcm模式。zcd比较器121将内部节点lp处的电压与地电压gnd进行比较。所得到的zcd比较器输出122被施加到zcd触发器123的时钟输入ck，zcd触发器123还(i)在其数据输入d处接收输入信号tie_high和(ii)在其复位输入r处接收复位信号reset_zcd。

尽管图1中未示出，但是dc-dc转换器100具有产生信号tie_high为等于输入电压dcdc_in的电路。触发器复位信号reset_zcd由反相器125产生为开关控制信号nctrl的互补。在zcd触发器123的数据输出q处产生的锁存器输入信号zcd_latch作为输入施加到反相zcdsr锁存器124，反相zcdsr锁存器124又产生锁存器输出信号zcd_b_latch作为锁存器输入信号zcd_latch的互补。注意，zcdsr锁存器124还接收由反相器127产生作为开关控制信号pctrl的互补的锁存器复位信号128。

在dcm模式期间，当电感器电流要增加(即，从0到最大正电流)时，控制电路使从预驱动器113输出的控制信号pctrl和主回路控制信号114两者都为低，使得开关控制信号pctrl和nctrl两者均为低，以接通开关p_sw并关断开关n_sw。在这种情况下，内部节点lp处的电压将小于地电压gnd，比较器输出信号122将保持为低，并且不会触发zcd触发器123。由于开关控制信号nctrl为低，触发器复位信号reset_zcd将为高，这将使zcd触发器123复位，导致锁存器输入信号zcd_latch为低。由于开关控制信号pctrl也为低，锁存器复位信号128将为高。在这种情况下，锁存器输出信号zcd_b_latch将为高，并且开关控制信号nctrl将由来自预驱动器113的低主回路控制信号114确定。

在dcm模式期间，在电感器达到最大正电流之后，电感器电流将减小到0。因此，控制电路使控制信号pctrl和主回路控制信号114均为高，使得开关控制信号pctrl和nctrl均为高，以关断开关p_sw并接通开关n_sw。注意，锁存器输出信号zcd_b_latch仍然最初为高。在这种情况下，随着正电感器电流降低，内部节点lp的电压增加。

当内部节点lp处的电压跨越零并变为正时，zcd比较器输出信号122将从低驱动到高，从而触发zcd触发器123。由于开关控制信号nctrl为高，所有触发器复位信号reset_zcd将为低，从而允许基于高触发器输入信号tie_high将锁存器输入信号zcd_latch驱动为高。由于开关控制信号pctrl也为高，锁存器复位信号128将为低。在这种情况下，锁存器输出信号zcd_b_latch将为低，并且开关控制信号nctrl将被驱动为低，从而关断开关n_sw(即使主回路控制信号114仍然为高)。

注意，主控制回路110将继续周期性地产生主回路控制信号114的高值，但是由于锁存器输出信号zcd_b_latch将保持为低，所以开关控制信号nctrl也将保持为低，从而保持开关n_sw断开。以这种方式，在dcm模式期间，阻止或至少抑制电感器电流被驱动为负。结果，电感器电流将保持为零直到控制电路确定再次开始正电感器电流的另一个dcm循环为止，通过驱动开关控制信号pctrl和主回路控制信号114两者均为低而接通开关p_sw同时保持开关n_sw断开来开始正电感器电流的另一个dcm循环。

为了有效地实现稳定的操作，在启动时，在禁用zcd比较器121的情况下，初始地以ccm模式配置dc-dc转换器100。如果并且当控制电路确定操作应当处于dcm模式时，控制电路将启用zcd比较器121以从ccm模式转变到dcm模式。不幸的是，在这种转变期间，由于主控制回路110不能快速地将其占空比从ccm模式的相对大的占空比调整到dcm模式的相对小的占空比，所以输出电压dcdc_out可能变得不期望的高，这可能损坏由输出电压dcdc_out供电的下游电路(未示出)。

此外，当dc-dc转换器100在dcm模式下操作时，如果输出电流负载突然并显着减小，则输出电压dcdc_out也可能变得不期望的高，这是因为这里主控制回路110也不能将其占空比足够快地从具有相对高的输出电流负载的dcm模式的相对大的占空比调整到具有相对低的输出电流负载的dcm模式的相对小的占空比。

附图说明

从下面的详细描述、所附权利要求和附图中，本发明的实施例将变得更加明显，在附图中，相同的附图标记表示相似或相同的元件。

图1是将dc输入电压转换为较低dc输出电压的常规dc-dc降压电力转换器的示意性框图；

图2是示出在图1的dc-dc转换器的理想ccm模式和理想dcm模式期间流过电感器l的电流的信号图；

图3是根据本发明的一个实施例的将dc输入电压转换成较低dc输出电压的dc-dc降压电力转换器的示意性框图；

图4是示出在包括从ccm模式到dcm模式的转变的情况期间，图1的现有技术的dc-dc转换器100的输出电压dcdc_out和电感器电流的信号图；

图5是示出在与图4相同的情况期间，图3的本发明的dc-dc转器300的输出电压dcdc_out和电感器电流的信号图；

图6是示出在包括输出电流负载的突然减小同时dc-dc转换器100在dcm模式下操作的情况期间，图1的现有技术的dc-dc转换器100的输出电压dcdc_out和电感器电流的信号图；和

图7是示出在与图6相同的情况期间，图3的本发明的dc-dc转换器300的输出电压dcdc_out和电感器电流的信号图。

具体实施方式

本文公开了本发明的详细说明性实施例。然而，本文公开的具体结构和功能细节仅仅是用于描述本发明的示例实施例的代表。本发明可以以许多替代形式实施，并且不应被解释为仅限于本文所阐述的实施例。此外，本文使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，而不意在限制本发明的示例性实施例。

如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还应当理解，术语“包括”、“包括有”、“包含”和/或“包含有”指定所述特征、步骤或组件的存在，但不排除存在或添加一个或更多其它特征、步骤或组件。还应当注意，在一些替代实施方式中，所涉及的功能/动作可能不以图中所示的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/动作，连续示出的两个附图实际上可以基本上同时执行或有时可以以相反的顺序执行。

图3是根据本发明的一个实施例的将输入dc电压dcdc_in转换为较低的输出dc电压dcdc_out的dc-dc降压电力转换器300的示意性框图。dc-dc转换器300类似于图1的dc-dc转换器100，其中主要例外是添加了包括过冲检测(od)比较器341和“或”门324的过冲保护(op)电路340，图1和图3中具有类似标记的类似元件执行类似功能。op电路340的目的为：通过(i)检测输出电压dcdc_out何时变得太高以及(ii)控制开关n_sw保持接通以便减小输出电压dcdc_out来防止或至少抑制损坏的过冲状况。

具体地，od比较器341将参考电压vref与反馈信号dcdc_out_sns_2进行比较，反馈信号dcdc_out_sns_2是由电阻器r1-r3形成的反馈电阻器分压器产生的输出电压dcdc_out的缩放版本，其中vref被选择为作为大于输出电压dcdc_out的期望电平的指定量的指定阈值输出电压的类似的缩放版本。例如，在一个可能的实现中，输出电压dcdc_out的期望电平为1.15v，阈值输出电压为1.2v，并且dcdc_out_sns_2为输出电压dcdc_out的1/2。在这种情况下，vref将为阈值输出电压的1/2或0.6v。

od比较器341检测反馈信号dcdc_out_sns_2超过参考电压vref，指示输出节点dcdc_out处的电压已经超过指定阈值输出电压。在这种情况下，od比较器341将od输出信号ov_det_out驱动为高。“或”门324接收od输出信号ov_det_out和来自nctrl反相器325的输出326两者，并相应地产生触发器复位信号reset_zcd。

只要反馈信号dcdc_out_sns_2小于参考电压vref，则od输出信号ov_det_out将为低，触发器复位信号reset_zcd将由控制信号nctrl确定，并且dc-dc转换器300将在产生输出电压dcdc_out上基本上与图1的dc-dc转换器100相同地操作，而不管dc-dc转换器100在ccm模式下还是dcm模式下操作。

然而，每当od比较器341确定输出电压dcdc_out太高时，od输出信号ov_det_out将使触发器复位信号reset_zcd为高。这又将导致(i)锁存器输入信号zcd_latch为低，并且(ii)锁存器输出信号zcd_b_latch为高。如果来自预驱动器314的主回路控制信号314为高，则开关控制信号nctrl也将为高，并且开关n_sw将接通。由于开关n_sw接通，电感器电流将减小并且可能变为负，从而(i)以下降且正的电感器电流抑制输出节点dcdc_out处的电压电平持续快速上升，并且(ii)以负电流驱动输出节点dcdc_out处的电压电平变低。

在过冲状况(即，当dcdc_out_sns2大于vref时)期间，如果开关p_sw接通(即，因为开关控制信号pctrl为低)并且开关n_sw断开(即，因为主回路控制信号314和开关控制信号nctrl均为低)，则即使锁存器输出信号zcd_b_latch将为高，由od比较器341进行的过冲状况的检测也不会导致开关n_sw接通，这是因为主回路控制信号314将仍然为低，并且两个信号必须为高才驱动“与”门330的输出(nctrl)为高。这防止当检测过冲状况时同时接通开关p_sw和n_sw两者。

类似地，在过冲状况期间，如果开关p_sw断开(即，由于开关控制信号pctrl为高)并且开关n_sw断开(即，因为主回路控制信号314或开关控制信号nctrl为低)，则即使锁存器输出信号zcd_b_latch将为高，由od比较器341进行的过冲状况的检测也将不会使开关n_sw接通，这是因为主回路控制信号314仍将为低，并且两个信号必须为高才驱动“与”门330的输出(nctrl)为高。

然而，在过冲状况期间，如果开关p_sw断开(即，由于开关控制信号pctrl为高)并且开关n_sw接通(即，因为主回路控制信号314和开关控制信号nctrl都是高)，则只要主回路控制信号314保持为高，od比较器341进行的过冲状况的检测将使得开关n_sw保持接通。

注意，od比较器341优选地是滞后比较器，其输出ov_det_out当反馈信号dcdc_out_sns_2变得大于参考电压vref时从0切换为1，但其输出ov_det_out当反馈信号dcdc_out_sns_2低于参考电压vref达指定的滞后余量时从1切换到0。以这种方式，开关n_sw将被确保保持足够长的时间接通，使得输出电压dcdc_out安全地低于由vref表示的阈值输出电压电平，而不会触发或颤动。

如先前关于图1的dc-dc转换器100所描述的，zcd比较器321被启用以将dc-dc转换器300从ccm模式重新配置到dcm模式。如前所述，如果dcm模式中的操作开始时的占空比太大，则输出电压dcdc_out的电压电平可能会超过期望的输出电压电平。如果输出电压dcdc_out太高，则op电路340将检测该状况并且基本上超驰(override)zcd电路320以允许dc-dc转换器300以ccm模式操作，直到输出电压dcdc_out再次足够低以使得dc-dc转换器300可以返回到dcm模式为止。在图4和图5中示出了这种情况。

图4是示出在包括时刻t＝0.1毫秒处从ccm模式到dcm模式的转变的情况期间，图1的现有技术的dc-dc转换器100的输出电压dcdc_out和电感器电流的信号图。如图4所示，在t＝0.1毫秒之前，输出电压dcdc_out处于期望的1.15伏电平。在t＝0.1毫秒处发生ccm至dcm转变之后，在控制电路能够使dcdc_out回到期望的1.15伏电平之前，dcdc_out上升到约1.29v。注意，在t＝0.1毫秒之后，由于dc-dc转换器100保持在dcm模式，因此电感器电流不会变为负。

图5是示出在与图4相同的情况期间，图3的本发明的dc-dc转器300的输出电压dcdc_out和电感器电流的信号图。如图5所示并且类似于图4中的情况，在t＝0.1毫秒之前，输出电压dcdc_out处于期望的1.15伏电平。在t＝0.1毫秒处发生ccm至dcm转变之后，在控制电路能够使dcdc_out回到期望的1.15伏电平之前，dcdc_out上升到仅约1.16伏。

注意，接在t＝0.1毫秒之后，存在电感器电流不会为负同时dc-dc转换器300处于dcm模式的短暂时间段。在该短暂时间段之后，在dc-dc转换器300切换回ccm模式之后，电感器电流再次为负。如图5所示，在t＝0.22毫秒之后，每当dc-dc转换器300确定输出电压电平足够低时，则dc-dc转换器300切换回dcm模式，只有输出电压再次太高才切换回ccm模式，直到dc-dc转换器300可以在t＝0.29毫秒之后安全地保持在dcm模式中为止。

因此，在图4和图5的情况下，现有技术的dc-dc转换器100允许过冲状况达到约140毫伏，而本发明的dc-dc转换器300将过冲状况限制为仅约10毫伏。

另外，如前所述，如果在dcm模式中的操作期间的占空比太大(例如，接在输出电流负载突然下降之后)，则输出电压dcdc_out的电压电平也可能超过期望的输出电压电平。这里，如果输出电压dcdc_out也太高，则op电路340将检测该状况，并且基本上超驰zcd电路320以允许dc-dc转换器300以ccm模式操作，直到输出电压dcdc_out再次足够低，使得dc-dc转换器300可以返回到dcm模式为止。在图6和图7中示出这种情况。

图6是示出在包括时刻t＝0.55毫秒处输出电流负载从400ma到10ma的转变同时dc-dc转换器100在dcm模式下操作的情况期间，图1的现有技术的dc-dc转换器100的输出电压dcdc_out和电感器电流的信号图。如图6所示，在t＝0.55毫秒之前，输出电压dcdc_out处于期望的1.15伏电平。在t＝0.55毫秒处发生电流负载转变之后，在控制电路能够使dcdc_out回到期望的1.15伏电平之前，dcdc_out上升到约1.7伏。注意，在t＝0.55毫秒之后，由于dc-dc转换器100保持在dcm模式中，因此电感器电流不会为负。

图7是示出在与图6相同的情况期间，图3的本发明的dc-dc转换器300的输出电压dcdc_out和电感器电流的信号图。如图7所示并且类似于图6中的情况，在t＝0.55毫秒之前，输出电压dcdc_out处于期望的1.15伏电平。在t＝0.55毫秒处发生电流负载转变之后，在控制电路能够使dcdc_out回到期望的1.15伏电平之前，dcdc_out上升到仅约1.56伏。

注意，从t＝0.55毫秒到t＝0.56毫秒，dc-dc转换器300的行为与图6所示的dc-dc转换器100的行为相同，这是因为即使dc-dc转换器300以ccm模式操作，电感器电流也保持为正。从t＝0.56毫秒到t＝0.67毫秒，电感器电流为负，同时dc-dc转换器保持在ccm模式。在该时间段之后，每当dc-dc转换器300确定输出电压电平足够低，则dc-dc转换器300切换回dcm模式，只有输出电压再次太高才切换回ccm模式，直到dc-dc转换器300可以安全地保持在dcm模式中为止。

因此，在图6和图7的情况下，dc-dc转换器300将过冲状况限制为仅约410毫伏，而现有技术的dc-dc转换器100允许过冲状况达到约550毫伏。此外，本发明的dc-dc转换器300具有比现有技术的dc-dc转换器100快得多的建立时间(约300微秒对约2000微秒)。

尽管已经在被设计为(i)检测dc输出电压何时变得太高，然后(ii)配置dc-dc转换器以防止或至少抑制dc输出电压达到危险的过冲状况的电路的具体集合的情况下描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，存在可以用于实现相同功能的其它合适的电路集合。

尽管图3的dc-dc转换器300具有与n型开关n_sw串联连接的p型开关p_sw，在本发明的其它实施例中，dc-dc转换器可以具有串联连接的两个p型开关或串联连接的两个n型开关。

在某些实施例中，制品包括被配置为将输入节点处的dc输入电压转换为输出节点处的dc输出电压的dc-dc电力转换器。dc-dc电力转换器包括第一开关；在内部节点处连接到第一开关的第二开关；连接在内部节点和输出节点之间的电感器；主控制回路，被配置为产生用于控制第一开关和第二开关的主回路控制信号；和过冲保护(op)电路，被配置为产生用于控制第二开关以抑制输出节点处的过冲状况的op控制信号。第一开关被配置为在内部节点处选择性地将输入节点连接到电感器；以及第二开关被配置为在内部节点处选择性地将地节点连接到电感器。

在上述实施例的一些实施例中，op电路包括过冲检测(od)比较器，该过冲检测(od)比较器产生指示dc输出电压何时达到指定的高电压电平的od比较器输出信号；以及op逻辑电路，所述op逻辑电路基于od比较器输出信号产生op控制信号。od比较器将表示dc输出电压的反馈电压信号与表示阈值dc输出电压电平的参考电压信号进行比较，以产生od比较器输出信号。主控制回路产生主回路控制信号以选择性地以连续导通模式(ccm)和不连续导通模式(dcm)中的任一种操作dc-dc电力转换器。

op电路被配置为当dc输出电压达到指定的高电压电平时，防止dc-dc电力转换器在dcm模式下操作。dc-dc电力转换器还包括在dcm模式期间抑制负电感器电流的过零检测(zcd)电路。当dc输出电压达到指定的高电压电平时，op电路超驰zcd电路。zcd电路包括zcd比较器和zcd逻辑部，该zcd比较器产生指示内部节点处的电压何时达到零的zcd比较器输出信号，该zcd逻辑部基于zcd比较器输出信号和来自op电路的op控制信号产生用于控制第二开关的zcd控制信号。

zcd逻辑部包括基于zcd比较器输出信号和op控制信号产生zcd-ff输出信号的zcd触发器(ff)，以及基于zcd-ff输出信号产生zcd控制信号的zcd锁存器。op电路包括过冲检测(od)比较器和op逻辑电路，过冲检测(od)比较器产生指示dc输出电压何时达到指定的高电压电平的od比较器输出信号，op逻辑电路基于od比较器输出信号产生op控制信号。od比较器将表示dc输出电压的反馈电压信号与表示阈值dc输出电压电平的参考电压信号进行比较，以产生od比较器输出信号。

在上述实施例的一些实施例中，该制品是dc-dc电力转换器，并且在上述实施例的一些实施例中，该制品是包括dc-dc电力转换器的消费者装置。

除非另有明确说明，否则每个数值和范围应被解释为近似，就好像在值或范围之前的词“约”或“近似”。

为了本说明书的目的，术语“耦接”、“耦接到”、“被耦接”、“连接”、“连接到”或“被连接”是指本领域已知的或稍后开发的能量被允许在两个或更多个元件之间转移的任何方式，并且考虑了一个或多个附加元件的插入，尽管这不是必需的。相反，术语“直接耦接”、“直接连接”等意味着没有这样的附加元件。

信号和对应的端子、节点、端口或路径可以被称为相同的名称，并且为了这里的目的是可互换的。

将进一步理解，本领域技术人员可以在不脱离由以下权利要求包含的本发明的实施例的情况下，对为了解释本发明的实施例而描述和示出的部件的细节、材料和布置进行各种改变。

在包括任何权利要求的本说明书中，术语“每个”可以用于指多个先前引用的元件或步骤的一个或多个指定的特性。当与开放术语“包括”一起使用时，术语“每个”的引用不排除附加的、未被引用的元素或步骤。因此，应当理解，设备可以具有附加的、未引用的元件，并且方法可以具有附加的、未引用的步骤，其中附加的、未引用的元件或步骤不具有一个或多个指定的特性。

本文中对“一个实施例”或“实施例”的参考意味着结合实施例描述的具体特征、结构或特性可以包括在本发明的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在说明书中的不同地方出现并不一定都指代相同的实施例，也不一定是与其它实施例相互排斥的单独的或替代实施例。这同样适用于术语“实施方式”。