滞后控制DC/DC转换器设备和其操作方法

摘要

本申请涉及一种滞后控制DC/DC转换器设备和其操作方法。在一种具有将电压输入端(10)耦合到电压输出端(19)的耦合电路的滞后控制DC/DC转换器设备中，基于所述耦合电路中的节点处的节点电压(Vsw)产生控制信号(LDRV)。根据所述控制信号的频率交替地将所述节点连接到固定电势和与所述固定电势断开。

权利要求

1.一种用于控制DC/DC转换器的设备，所述DC/DC转换器具有耦合在电压电势与开关节点之间的开关，所述设备包括：

第一比较器，所述第一比较器具有经配置以接收纹波电压与反馈电压的组合电压的第一输入端，和经配置以接收第一参考电压的第二输入端，所述反馈电压与所述DC/DC转换器的输出电压成比例；

计时器，其经配置以在所述开关节点处接收开关节点电压；以及触发器，所述触发器具有耦合到所述第一比较器的输出端的第一输入端与耦合到所述计时器的输出端第二输入端，其中所述触发器经配置以在所述组合电压超过所述第一参考电压时关断所述开关且启动所述计时器，并在所述计时器期满时接通所述开关。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述计时器包括电容器，所述电容器经配置以响应于所述开关节点电压而电阻性耦合到正在充电的所述开关节点。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述开关的关断状态的持续时间与由所述电容器限定的时间常数成比例。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述计时器包括第二比较器，所述第二比较器经配置以将所述电容器两端的电压与第二参考电压进行比较，所述第二参考电压与所述DC/DC转换器的电压输入处的输入电压成比例且实质上小于所述输入电压。

5.根据权利要求4所述的设备，其进一步包括第三比较器，所述第三比较器具有耦合到电流感测节点的第一输入端，耦合到电流极限参考电压的第二输入端，及耦合到所述触发器的所述第一输入端的输出端，其中所述触发器经配置以在所述设备的输出电流超过电流极限时关断所述开关。

6.一种DC/DC转换器设备，其包括：电压输入；

电压输出；

耦合电路，其耦合于所述电压输入与所述电压输出之间；

开关，其耦合于电压电势与在所述耦合电路中的开关节点之间；

第一比较器，其具有经配置以接收纹波电压和反馈电压的组合电压的第一输入端，及经配置以耦合第一参考电压的第二输入端，所述反馈电压与所述电压输出处的输出电压成比例；

计时器，其耦合到所述开关节点且由所述开关节点处的开关节点电压配置；以及触发器，其具有耦合到所述第一比较器的输出端的第一输入端，耦合到所述计时器的输出端的第二输入端，及耦合到所述开关的控制输入的输出端，其中所述触发器经配置以在所述组合电压超过所述第一参考电压时关断所述开关且启动所述计时器，并在所述计时器期满时接通所述开关。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述计时器包括电容器，所述电容器响应于所述开关节点电压而电阻性耦合到正在充电的所述开关节点。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述开关的关断状态的持续时间与由所述电容器限定的时间常数成比例。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述计时器包括第二比较器，所述第二比较器经配置以将所述电容器两端的电压与第二参考电压进行比较，所述第二参考电压与所述电压输入处的输入电压成比例且实质上小于所述输入电压。

10.根据权利要求9所述的设备，其进一步包括第三比较器，所述第三比较器具有耦合到电流感测节点的第一输入端，耦合到电流极限参考电压的第二输入端，及耦合到所述触发器的所述第一输入端的输出端，其中所述触发器经配置以在所述设备的输出电流超过电流极限时关断所述开关。

11.根据权利要求10所述的设备，其被提供为升压转换器设备、单端初级电感转换器SEPIC设备和回扫转换器设备中的一者。

12.根据权利要求11所述的设备，其被提供用于以连续导通模式和不连续导通模式中的一者进行操作。

13.一种DC/DC转换器设备，其包括：电压输入；

电压输出；

第一电路，其经配置以将所述电压输入耦合到所述电压输出；

开关，耦合于电压电势与在所述第一电路中的开关节点之间，所述开关具有经配置以接收具有频率的控制信号的控制输入，其中所述开关响应于所述控制信号以交替地将所述开关节点连接到所述电压电势，且根据所述频率将所述节点与所述电压电势断开；以及第二电路，其耦合于所述开关节点与所述控制输入之间，所述第二电路包括计时器，所述计时器基于所述开关节点处的开关节点电压而配置，其中所述第二电路经配置以基于波纹电压和与所述电压输出处的输出电压成比例的反馈电压来生成所述控制信号以关断所述开关且启动所述计时器，且在所述计时器期满时接通所述开关。

14.根据权利要求13所述的设备，其中所述计时器包括电容器，所述电容器响应于所述开关节点电压而电阻性耦合到正在充电的所述开关节点。

15.根据权利要求14所述的设备，其中所述开关的关断状态的持续时间与由所述电容器限定的时间常数成比例。

16.根据权利要求15所述的设备，其中所述计时器经配置以将所述电容器两端的电压与第二参考电压进行比较，所述第二参考电压与所述电压输入处的输入电压成比例且实质上小于所述输入电压。

17.根据权利要求16所述的设备，其中所述第二电路进一步包括电流感测节点且经配置以在所述设备的输出电流超过电流极限时关断所述开关。

18.根据权利要求17所述的设备，其中所述频率在所述输入电压、所述输出电压和所述输出电流的变化时保持近似恒定。

19.根据权利要求13所述的设备，其被提供为升压转换器系统、单端初级电感转换器SEPIC系统和回扫转换器系统中的一者。

20.根据权利要求19所述的设备，其被提供用于以连续导通模式和不连续导通模式中的一者进行操作。

说明书

滞后控制DC/DC转换器设备和其操作方法

[0001] 本申请是申请日为2015年09月02日，申请号为“201510556506.5”，而发明名称为“滞后控制DC/DC转换器设备和其操作方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

[0002] 本发明大体上涉及滞后控制DC/DC转换器，且更特定来说，涉及控制此类转换器中的开关频率。

背景技术

[0003] 滞后控制DC/DC转换器的特征为快速瞬态响应。在常规滞后控制DC/DC转换器(例如升压转换器、单端初级电感转换器(SEPIC)和回扫转换器)中，开关频率随输入电压和输
出电压而变化。开关频率还随在转换器以断续导通模式(DCM)操作时或在转换器处于逐循
环电流极限时的负载电流而变化。常规上，控制开关的关断时间不自适应于转换器操作条
件。此外，常规关断时间解决方案通常限于结合具体对应的个别拓扑使用。

[0004] 鉴于前述，可期望提供具有较少取决于转换器的电压和电流操作条件的开关频率的各种滞后控制转换器拓扑。

发明内容

[0005] 根据一实施例，一种滞后控制DC/DC转换器设备包括：电压输入；电压输出；耦合电路，其将所述电压输入耦合到所述电压输出；开关，其耦合在固定电势与所述耦合电路中的
节点之间，所述开关具有接收具有频率的控制信号的控制输入，其中所述开关响应于所述
控制信号以根据所述频率交替地将所述节点连接到所述固定电势和将所述节点与所述固
定电势断开；和另一电路，其耦合在所述节点与所述控制输入之间，所述另一电路经配置以
基于所述节点处的节点电压产生所述控制信号。

[0006] 根据另一实施例，一种操作具有将电压输入耦合到电压输出的耦合电路的滞后控制DC/DC转换器的方法包括：基于所述耦合电路中的节点处的节点电压，产生控制信号；和
根据所述控制信号的频率，交替地将所述节点连接到固定电势和将所述节点与所述固定电
势断开。

附图说明

[0007] 图1示意地说明根据本发明的示例性实施例的升压转换器设备。

[0008] 图2和3说明用于图1的设备的连续导通模式(CCM)操作的开关节点电压分布图和对应方程式。

[0009] 图4和5说明用于图1的设备的DCM操作的开关节点电压分布图和对应方程式。

[0010] 图6示意地说明根据本发明的示例性实施例的SEPIC设备。

[0011] 图7和8说明用于图6的设备的CCM操作的开关节点电压分布图和对应方程式。

[0012] 图9和10说明用于图6的设备的DCM操作的开关节点电压分布图和对应方程式。

[0013] 图11示意地说明根据本发明的示例性实施例的回扫转换器设备。

[0014] 图12和13说明用于图11的设备的CCM操作的开关节点电压分布图和对应方程式。

[0015] 图14和15说明用于图11的设备的DCM操作的开关节点电压分布图和对应方程式。

具体实施方式

[0016] 本发明的示例性实施例使用自适应关断时间控制方案，其中控制开关在关断计时器期满时接通，且在反馈电压加经注入纹波超过参考电压时关断。通过利用输入电压和开
关节点电压来产生关断时间。开关节点电压对串联RC电路中的电容器充电，且跨电容器的
电压斜坡因而表示开关节点处的伏秒数的信息。比较电压斜坡与和输入电压成比例的阈值
电压。在控制开关断开时，阈值电压远低于开关节点电压，且同样也远低于输入电压和输出
电压(回扫转换器的初级侧反射输出电压)。关断时间自适应于输入电压和输出电压以及输
出电流。因此，开关频率仅与RC成比例，且在输入电压和输出电压以及输出电流的范围内近
似恒定。

[0017] 如上所述，关断时间基于输入电压和开关节点电压。因为开关节点电压不仅表示开关节点处的电压振幅而且表示对应时间间隔(即，伏秒数)，所以关断时间自适应于输入
电压和输出电压以及输出电流。开关节点电压自适应于拓扑，因此同一关断计时器电路可
用于升压拓扑、SEPIC拓扑和回扫拓扑中的任何一者，而不管是CCM还是DCM。

[0018] 图1示意地说明根据本发明的示例性实施例的升压转换器设备。电压输入10和电压输出19通过电路布置耦合，所述电路布置包含分别将电压输入10和电压输出19耦合到接
地的电容器C1和C2以及一起串联连接在C1与C2之间的电感L1和二极管D1。电感L1在一端处
连接到D1的阳极，且在另一端处连接到电压输入10处的C1。D1的阴极连接到电压输出19处
的C2。N沟道MOSFET开关(SW)连接在接地与D1的阳极处的节点电压Vsw之间。开关SW具有控
制输入LDRV。对应于Vsw(图1中D1的阳极)的节点(本文中也称为开关节点)在SW闭合(接通)
时连接到固定接地电势，且在SW断开(关断)时与此电势断开。本文中，SW也称为控制开关，
Vsw也称为开关节点电压，且Vsw可互换地用来指代开关节点电压和其对应开关节点两者。

[0019] 电阻分压器R2和R3在比较器11的负输入处产生参考电压kVIN，其中在控制开关断开时kVIN<Vsw。比较器11的输出经由电阻器R4耦合到RS触发器15的Set输入，RS触发器15的Q输出经由
驱动器14驱动LDRV。LDRV还控制在控制开关的接通时间期间选择性地使电容器C7短接到接
地以便在每隔一个开关循环复位跨C7的电压的开关SW2。

[0020] 如在滞后控制转换器中常见的是，电阻分压器R5和R6产生图1中指定为FB的与输出电压VOUT成比例的反馈电压。纹波在17和18处添加到FB，且结果施加于比较器13的正输
入，通过(由合适参考电源提供的)反馈参考电压21设置比较器13的负输入。如在滞后控制
转换器中还常见的是，电流感测电压CS施加于比较器12的正输入，通过(由合适参考电源提
供的)电流极限参考电压22设置比较器12的负输入。比较器12和13的输出驱动OR门16，OR门
16的输出驱动触发器15的Reset输入且控制选择性地使触发器15的Set输入短接到接地的
开关SW1。如所属技术领域中已知，比较器12的输出仅响应于过电流事件而呈高，且比较器
13的输出很少呈高，当在17和18处注入的纹波(电压斜坡信号)接近其斜坡峰值时周期性地
短暂地脉动。电压FB为如所属技术领域中已知的DC电压。

[0021] 在通过比较器11经由R4设置触发器15时(其中SW关断(断开))，LDRV接通(闭合)开关SW和SW2。在通过比较器12或比较器13经由OR门16复位触发器15时，通过LDRV关断(断开)
开关SW和SW2，且通过OR门16接通(闭合)开关SW1。在SW和SW2关断且SW1接通的情况下，Vsw
在比较器11的正输入处经由由R1和C7形成的RC电路产生电压斜坡。因此，开关SW的关断时
间为跨C7的电压斜升到kVIN所要的时间。因此，此关断时间与由R1和C7界定的RC时间常数
成比例。因此，可认为组件R1、R2、R3、C7和比较器11可操作为确定SW的关断时间的计时器。
因为比较器13仅短暂地使触发器15的Reset输入脉动，所以OR门16将及时对于比较器11的
输出断开SW1以设置触发器15以便结束SW关断时间。

[0022] 图2为展示在以CCM进行操作的图1的升压转换器配置中的开关SW的接通/关断控制的开关节点电压分布图。分布图展示关断时间(toff)、接通时间(ton)和开关周期Tsw＝
1/fsw，其中fsw为SW控制信号LDRV的频率。分布图还展示在ton期间的对应开关节点电压振
幅(零)和在toff期间的开关节点电压振幅(VOUT)。图3中提供图2中所展示的操作的相关方
程式，其中R和C对应于图1的R1和C7。

[0023] 图4为展示在以DCM进行操作的图1的升压转换器配置中的开关SW的接通/关断控制的开关节点电压分布图。分布图展示关断时间(toff＝toff1+toff2)、接通时间(ton)和
开关周期Tsw＝1/fsw，其中fsw为SW控制信号LDRV的频率。分布图还展示在每个时间间隔期
间的对应开关节点电压振幅。在toff1期间，控制开关SW关断但二极管D1接通，因此开关节
点电压振幅为VOUT。在toff2期间，控制开关SW和二极管D1均关断，因此开关节点电压振幅
为VIN。在ton期间，控制开关SW接通，因此开关节点电压振幅为零。图5中提供图4中所展示
的操作的相关方程式，其中R和C对应于图1的R1和C7，L对应于图1的L1，且Ipk为图1中的电
感L1的峰值电流。

[0024] 图6示意地说明根据本发明的示例性实施例的SEPIC设备。电压输入10和电压输出19通过电路布置耦合，所述电路布置包含分别将电压输入10和电压输出19耦合到接地的电
容器C3和C0以及C3与C0之间的电感L2、电容器C4和二极管D2的串联连接。电感L2在一端处
连接到电压输入10处的C3。C4连接在L2的另一端与D2的阳极之间。电感L3连接在D2的阳极
与接地之间，且D2的阴极连接到电压输出19处的C0。具有控制输入LDRV的开关SW(另参见图
1)连接在接地与L2与C4之间的节点电压Vsw之间。对应于Vsw的开关节点在SW闭合(接通)时
连接到固定接地电势，且在SW断开(关断)时与此电势断开。如图6中所展示，节点10、19、Vsw
和LDRV相同地连接到图1电路，而非图1升压转换器配置中的对应指定节点。

[0025] 图7为展示在以CCM进行操作的图6的SEPIC配置中的开关SW的接通/关断控制的开关节点电压分布图。分布图展示关断时间(toff)、接通时间(ton)和开关周期Tsw＝1/fsw，
其中fsw为SW控制信号LDRV的频率。分布图还展示在ton期间的对应开关节点电压振幅(零)
和在toff期间的开关节点电压振幅(VIN+VOUT)。图8中提供图7中所展示的操作的相关方程
式，其中R和C对应于图1的R1和C7。

[0026] 图9为展示在以DCM进行操作的图6的SEPIC配置中的开关SW的接通/关断控制的开关节点电压分布图。分布图展示关断时间(toff＝toff1+toff2)、接通时间(ton)和开关周
期Tsw＝1/fsw，其中fsw为SW控制信号LDRV的频率。分布图还展示在每个时间间隔期间的对
应开关节点电压振幅。在toff1期间，控制开关SW关断但二极管D2接通，因此开关节点电压
振幅为VIN+VOUT。在toff2期间，控制开关SW和二极管D2均关断，因此开关节点电压振幅为
VIN。在ton期间，控制开关SW接通，因此开关节点电压振幅为零。图10中提供图9中所展示的
操作的相关方程式，其中R和C对应于图1的R1和C7，L对应于图6的L2，且Ipk为图6中的电感
器L2的峰值电流。

[0027] 图11示意地说明根据本发明的示例性实施例的回扫转换器设备。电压输入10和电压输出19通过电路布置耦合，所述电路布置包含分别将电压输入10和电压输出19耦合到接
地的电容器C6和C5以及具有在一端处连接到电压输入10处的C6的第一(左)绕组的变压器
T。具有控制输入LDRV的开关SW(另参见图1)连接在接地与T的第一绕组的第二端(对应于开
关节点Vsw)之间。T的第二(右)绕组具有连接到二极管D3的阳极的第一端，二极管D3的阴极
连接到电压输出19处的C5。T的第二绕组的第二端连接到接地。对应于Vsw的开关节点在SW
闭合(接通)时连接到固定接地电势，且在SW断开(关断)时与此电势断开。如图11中所展示，
节点10、19、Vsw和LDRV相同地连接到图1电路，而非图1升压转换器配置中的对应指定节点。

[0028] 图12为展示在以CCM进行操作的图11的回扫配置中的开关SW的接通/关断控制的开关节点电压分布图。分布图展示关断时间(toff)、接通时间(ton)和开关周期Tsw＝1/
fsw，其中fsw为SW控制信号LDRV的频率。分布图还展示在ton期间的对应开关节点电压振幅
(零)和在toff期间的开关节点电压振幅(VIN+nVOUT)。常数n为图11中的T的第一绕组对第
二绕组的匝数比。图13中提供图12中所展示的操作的相关方程式，其中R和C对应于图1的R1
和C7。

[0029] 图14为展示在以DCM进行操作的图11的回扫配置中的开关SW的接通/关断控制的开关节点电压分布图。分布图展示关断时间(toff＝toff1+toff2)、接通时间(ton)和开关
周期Tsw＝1/fsw，其中fsw为SW控制信号LDRV的频率。分布图还展示在每个时间间隔期间的
对应开关节点电压振幅。在toff1期间，控制开关SW关断但二极管D3接通，因此开关节点电
压振幅为VIN+nVOUT。在toff2期间，控制开关SW和二极管D3均关断，因此开关节点电压振幅
为VIN。在ton期间，控制开关SW接通，因此开关节点电压振幅为零。图15中提供图14中所展
示的操作的相关方程式，其中R和C对应于图1的R1和C7，L对应于图11中的变压器T的初级
(左)侧磁化电感，且Ipk为图11中的变压器T的初级(左)侧峰值电流。

[0030] 如上所述，基于输入电压VIN和开关节点电压Vsw确定控制开关SW的关断时间。因为开关节点电压Vsw不仅表示开关节点处的电压振幅而且表示对应时间间隔(即，伏秒数)，
所以关断时间自适应于输入电压VIN和输出电压VOUT以及输出电流。开关节点电压Vsw自适
应于拓扑，因此同一关断计时器电路可用于升压拓扑、SEPIC拓扑和回扫拓扑中的任何一
者，而不管是以CCM还是DCM进行操作。

[0031] 尽管上文已详细描述本发明的示例性实施例，但此不限制可在各种实施例中实践的本发明的范围。