用于電壓轉換器的自適應控制器的制作方法
相關申請的交叉引用
無。
背景技術：
開關式dc-dc升壓轉換器一般包括作為開關的至少兩個半導體設備(例如，作為開關的晶體管和作為同步開關的二極管或晶體管)。更有效地接通和關斷半導體開關可有利地增加整個dc-dc升壓轉換器的效率。
技術實現要素：
本文公開了減小切斷dc-dc升壓轉換器的開關的時間量的變化的系統和方法。在一個實施例中，dc-dc轉換器包括輸入電壓節點、電感器和耦接到電感器和輸入電壓節點的開關。更具體地說，開關具有接通狀態和斷開狀態，其中在接通狀態期間，流過電感器的電流增加，并且斷開狀態引起經由耦接到開關的驅動器流過電感器的電流的減小。驅動器包括多個晶體管和自適應電壓節點，其中自適應電壓節點處的電壓電平將根據流過電感器的電流而變化，以便減小切斷開關的時間量的變化。
在另一個實施例中，dc-dc轉換器包括耦接到輸入電壓節點和電感器的第一開關，耦接到電感器和輸出電壓節點的第二開關，以及耦接到第一開關和第二開關且經配置用于交替地導通和切斷第一開關和第二開關的驅動器。更具體地說，當第一開關接通時，第一開關經配置用于增加流過電感器的電流。當第二開關接通時，第二開關經配置用于減小流過電感器的電流。當第一開關斷開時，驅動器將向自適應電壓節點提供電壓電平，該電壓電平與流過電感器的電流成反比，以便減小切斷第一開關的時間量的變化。
在又一個的實施例中，一種方法包括：切斷dc-dc轉換器的主開關，以便基于流過電感器的電流，減小流過電感器的電流，該電感器耦接到輸入電壓節點和主開關，在自適應電壓節點處提供與流過電感器的電流成反比的電壓電平，以及基于自適應電壓節點處的電壓電平，確定切斷主開關的時間量。
附圖說明
為了詳細描述本發明的示例性實施例，現在將參考附圖，在附圖中：
圖1示出了說明根據各種實施例的包括自適應控制器的dc-dc升壓轉換器的框圖；
圖2示出了根據各種實施例的自適應控制器的進一步說明；以及
圖3示出了根據各種實施例的用于確定關斷dc-dc升壓轉換器的主開關的時間量的方法。
符號和術語
在以下描述和權利要求中使用某些術語來指代特定的系統組件。如本領域技術人員將理解的，公司可以通過不同的名稱來指代組件。本文件不旨在區分名稱不同而非功能不同的組件。在以下討論中且在權利要求中，術語“包括(including)”和“包含(comprising)”以開放式的方式使用，且因此應該被解釋為意味著“包括但不限于...”。再者，術語“耦接(couple)”或“耦接(couples)”旨在意味著或間接連接或直接連接。因此，如果第一設備耦接到第二設備，則該連接可以是通過直接連接，或者通過經由其它設備和連接的間接連接。
具體實施方式
以下討論涉及本發明的各種實施例。雖然這些實施例中的一個或更多個實施例可以是優選的，但是所公開的實施例不應被解釋為或以其它方式用于限制包括權利要求的本公開的范圍。此外，本領域技術人員將理解，以下描述具有廣泛的應用，并且任何實施例的討論僅意味著該實施例是示例性的，并且不旨在暗示使包括權利要求的本公開的范圍受限于該實施例。
升壓轉換器用于基于較低的輸入電壓源生成較高的輸出電壓。因此，來自例如電池的輸入電壓源可以由直流-直流(dc-dc)升壓轉換器接收，并且升壓到為要求特定調節的電壓的各種電氣組件供電必需的期望電壓。
一般地，開關式升壓轉換器包括至少兩個半導體設備(例如，二極管和/或晶體管)以及至少一個能量存儲元件(例如，電容器、電感器)。在升壓轉換器中，半導體設備可以經配置作為交替地導通和切斷的開關，以便將輸入電壓調節到期望的輸出電壓。更具體地說，可以經由耦接到開關的驅動器或控制器來控制開關的導通和切斷。
在一個示例中，升壓轉換器優選地包括用作低側開關的第一晶體管(例如，金屬氧化物半導體場效應晶體管(mosfet)或雙極結型晶體管(bjt))，以及用作高側開關的第二晶體管。低側開關耦接到電感器和接地，并且高側開關耦接到輸出(優選地轉換器的負載)和電感器。通常，經由由耦接到開關的控制器提供的脈寬調制(pwm)信號控制低側開關和高側開關。pwm信號是在較低電平和較高電平之間交替地轉變的時變方波。交替轉變引起低側開關和高側開關的交替接通和關斷。
繼續上面的示例，當pwm信號處于較高電平時，低側開關可以導通，并且保持接通，直到pwm信號從較高電平轉變到較低電平，這致使低側開關切斷。同時，當低側開關斷開時，高側開關接通。更具體地說，當低側開關接通時，輸入電壓源與電感器和低側開關到接地形成短路。因而，電流流過電感器，這通過生成磁場引起在電感器內存儲能量。當低側開關斷開時，磁場衰減，并且反過來電感器中的存儲能量流過高側開關到電壓轉換器的負載(例如，耦接在輸出電壓節點處的輸出電容器)。理想地，如果低側開關和高側開關的切換足夠快，則可以忽略開關損耗，并且電壓轉換器能夠在輸出電壓節點處維持恒定的電壓電平，其中輸出電壓節點處的電壓電平高于輸入電壓。
然而，在實踐中，當開關特別是低側開關正在接通和關斷時，由于“米勒時間(millertime)”造成的開關損耗可不利地致使功率損耗，并且反過來可影響電壓轉換器的性能，諸如效率。一般地，米勒時間是開關的無意放電路徑造成的。例如，如果mosfet被實施為開關，則mosfet包括在mosfet的漏極端子和柵極端子之間交叉的寄生電容。因此該寄生電容導致泄漏電流或柵極電流，這可增加開關導通或切斷需要的時間量。照慣例，電路耦接到開關，并且經配置用于調諧(例如，減少)米勒時間。然而，此類常規電路一般包括耦接到mosfet開關的柵極端子的固定電壓節點，這可致使米勒時間根據變化的電感器電流而顯著變化。換句話說，可存在隨著電感器電流的米勒時間的較大變化。在關斷高側開關期間的米勒時間的變化可特別顯著，并且是不合需要的。
如下面將解釋的，本發明的實施例涉及dc-dc轉換器，該dc-dc轉換器包括耦接到轉換器的開關的自適應控制器。自適應控制器進一步包括自適應電壓節點，該自適應電壓節點可用于提供根據電感器電流的大小而改變的自適應電壓電平。通過實施自適應控制器，可以減少在關斷低側開關期間隨著電感器電流改變的米勒時間的變化。再者，通過在dc-dc轉換器中實施所公開的自適應控制器，可以有利地實現關斷低側開關的更短的時間量。dc-dc轉換器優選地根據本公開的dc-dc升壓轉換器使用所公開的自適應控制器進行操作，如下面參考圖2所示和所描述的。其它架構也是可能的。
圖1示出根據各種實施例說明dc-dc升壓轉換器100的頂層框圖。升壓轉換器100包括輸入電壓源vin、電感器l1、輸出電壓節點vout、輸出電容器c1、自適應控制器102和兩個開關m1和開關m2。更具體地說，自適應控制器102經配置用于從輸出電壓節點vout接收反饋信號(例如，vfb)，并且基于反饋信號(例如，電流信號和/或電壓信號)，自適應控制器102提供pwm信號101以交替地接通和關斷開關m1和開關m2。在一個優選實施例中，開關m1被稱為低側開關，并且開關m2被稱為高側開關，該高側開關與低側開關m1相比較在專有時間進行操作。換句話說，當開關m1接通時，開關m2一般斷開，反之亦然—開關不會同時接通。
如上面所提及的，當低側開關m1接通時，輸入電壓源vin、電感器l1和開關m1形成短路。因此，能量開始存儲在電感器l1內部，并且流過電感器l1的電流增加。當開關m1斷開時，存儲在電感器l1內部的能量開始放電，并且電流流過電感器l1到升壓轉換器100的負載(例如，輸出電容c1)，引起電感器電流的減小。
仍然參考圖1，當經由pwm信號切斷開關m1時，根據流過電感器l1的電流，由于米勒時間效應，開關m1可能不會立即切斷。在這點上，自適應控制器102包括電路以相對于流過電感器l1的電流來調諧導通和切斷的速度(即，使米勒時間變化)，以便實際上在更短的時間段內切斷開關m1。在一個示例中，切斷開關m1的時間量可與負載電流(即，流過電感器l1的電流)成反比，也就是說，負載電流越低，切斷開關m1的時間量越長。而且，可存在切斷開關m1的時間量的較大變化。因此，這對于在低電流條件和/或寬范圍的負載電流條件下的升壓轉換器100可能不是所期望的。更具體地說，如果旨在在其中僅低電平電流是優選的條件下操作升壓轉換器100，則升壓轉換器可在開關m1從接通轉變到斷開時遭受效率問題。
圖2示出根據各種實施例的升壓轉換器100的示例性電路200。如圖2所示，自適應控制器102進一步包括兩個框202和框204。更特別地，框202經配置用于從輸出電壓節點vout接收反饋信號vfb，并且基于反饋信號，提供pwm信號201以進一步控制開關m1和開關m2，并且將與電感器電流成比例的自適應電流iadp203提供給框204。基于自適應電流203，耦接到框202的框204經配置用于提供自適應電壓節點vadp，自適應電壓節點vadp可用于控制用于切斷開關m1的速度(即，米勒時間)。而且，電路200進一步包括耦接到高側開關m2的感測控制器ms。感測控制器ms經配置用于感測連接到高側開關m1和低側開關m2的共同節點vsw處的電壓電平/電流電平(例如，vsns)。
根據一個優選實施例，如電路200中所示，升壓轉換器100進一步包括分壓器(即，r0和r1)，分壓器(即，r0和r1)用于對輸出電壓節點vout處的電壓電平進行分壓，并且致使反饋信號vfb等于分壓信號。也就是說，vfb小于輸出電壓節點vout處的電壓電平，并且基于電阻器的分壓器比率(例如，r1/(r0+r1))。在一個替代性的實施例中，如果缺少分壓器對于由用戶實施升壓轉換器200可以是優選的，則反饋信號vfb等于輸出電壓節點vout處的電壓電平。
仍然參考圖2，框202進一步包括誤差放大器206、比較器208和控制邏輯210。誤差放大器206包括經配置用于分別接收信號vfb和參考電壓vref的信號的兩個輸入端。與耦接到誤差放大器的輸出端的電容器c0一起，誤差放大器206經配置用于提供與電感器電流成比例的自適應電流idap。如圖2所示，自適應電流優選地流過晶體管m14和晶體管m13中的每個。進一步地，比較器208經配置用于比較vout和vsns，以便致使耦接的控制邏輯210產生對應的pwm信號，該對應的pwm信號具有同步控制開關m1和開關m2的開關行為的占空比。
繼續圖2，框204進一步包括恒壓節點vx，耦接到恒壓節點vx的采樣保持電路(例如，sw0和sw1)，耦接到高側開關m2的高側驅動器204-hs以及耦接到低側開關m1的低側驅動器204-ls。驅動器204-ls和驅動器204-hs經配置用于緩沖所接收的pwm信號，并分別增加低側開關和高側開關的驅動速度。優選地，m4和串聯連接的m5用作高側驅動器204-hs的第一反相器，并且m3與m6一起用作與第一反相器串聯連接的第二反相器。類似地，對于低側驅動器204-ls，m7和m9形成第一反相器，并且m8和m10形成與第一反相器串聯連接的第二反相器。在一個優選實施方式中，m1～m10是mosfet。也是在一個優選實施例中，低側驅動器204-ls可以進一步包括耦接到m10的mosfetm10a。如圖2所示，m10a的柵極端子連接到電壓節點v1，其中電壓節點v1連接到低側開關m1的柵極端子。
更具體地說，低側驅動器204-ls進一步包括耦接到第一反相器和第二反相器的自適應驅動電路，其中自適應驅動電路包括兩個晶體管m11和晶體管m12以及開關m1。如電路200中所示，晶體管m11的漏極端子連接到開關m1的柵極端子，并且晶體管m11的柵極端子經由晶體管m8耦接到輸出電壓節點vout。晶體管m12串聯連接到晶體管m11的源極端子，并且晶體管m12的柵極端子連接到自適應電壓節點vadp。
根據一個優選實施例，當開關m1切斷時，所有電感器電流(即，如200中所示的il)流過開關m1至接地。更具體地說，由于開關m1優選地在mosfet的飽和區域中操作，所以存在幾乎不改變的電導電流id。因此，基于電流定律，il＝id+ig，通過m1的電流變為零有多快(即，開關m1被斷開的速度)可在很大程度上取決于ig的變化，其中ig是流過開關m1的寄生電容cgd到串聯連接的晶體管m11和晶體管m12的放電電流。晶體管m11和晶體管m12優選地在mosfet的線性區域中操作。進一步地，放電電流ig可以被導出為vgs_m1/(ron_m11+ron_m12)，其中vgs_m1、ron_m11、ron_m12分別表示開關m1的柵極端子和源極端子上的電壓降、晶體管m11和晶體管m12的導電電阻。在開關m1的關斷期間，vgs_m1等于
額外地，當開關m1切斷時，m10和m10a可以增加對il放電的速度，特別是當電壓節點v1處的電壓電平高于低側開關m1的柵極端子處的電壓電平時，以致使開關m1在飽和模式下操作。更具體地說，通過減小開關m1的柵極端子處的電壓電平，m1和m10a將從線性區域切換到飽和區域，同時m12可以接管對電感器電流il進行放電的功能。
總之，經由根據用戶旨在其上操作升壓轉換器100的電感器電流選擇電阻r4的值，可以優化隨電感器電流變化的速度的變化。再者，可以通過電阻r4的優化值減少關斷開關m1的時間量。一旦確定了r4的值，就根據電感器電流il確定自適應電壓節點vadp處的電壓電平。基于如上所述公式vgs_m1/(ron_m11+ron_m12)，可以由用戶為合適的應用最佳調諧速度和速度的變化。
仍然參考電路200，sw0和sw1經配置用于同時接通和關斷，以便對電壓電平進行采樣，并且保持采樣的電壓電平以產生自適應電壓vx-kilr4。更具體地說，當開關接通時，sw0和sw1耦接到恒壓節點vx。當開關斷開時，sw0和sw1耦接到自適應電壓節點vadp。將開關sw0和sw1與電容器c1集成，可以避免在開關m1斷開時不期望的直流電流消耗。
圖3示出了根據各種實施例確定關斷升壓轉換器100的開關m1的時間量的流程圖300。流程圖300開始于框302，其中切斷升壓轉換器100的主開關(即，低側開關m1)。在一個優選實施例中，可由自適應控制器102提供的pwm信號控制切斷主開關。當開關m1被切斷時，電感器電流流過開關m1和耦接的低側驅動器204-ls至接地，其中耦接的低側驅動器204-ls優選地用作用于電流ig的放電路徑。
流程圖300在框304中繼續，其中在自適應電壓節點vadp處提供與電感器電流成反比的電壓電平。自適應電壓節點優選地耦接到低側驅動器204-ls的晶體管的柵極。因此，晶體管m12的導電電阻(優選地是用于確定關斷主開關m1的時間量的參數中的一個參數)也隨著電感器電流而變化。
基于自適應電壓節點vadp處的電壓電平，在框306中，通過將晶體管m11的柵極端子維持為輸出電壓節點vout處的電壓電平，確定關斷主開關m1的時間量。因此，如果有的話，則晶體管m11的導電電阻隨著電感器電流改變非常小。在一個優選示例中，關斷主開關m1的時間量主要取決于電流ig變為零有多快(即，有多少電流ig通過包括晶體管m11和晶體管m12的放電路徑)。更具體地說，晶體管(例如，m12)的特性(例如，導電電阻)隨自適應電壓節點處的電壓電平而改變。因此，提供自適應電壓節點以根據電感器電流改變其電壓電平可以有利地確定關斷主開關m1的速度。
上面的討論意圖說明本發明的原理和各種實施例。一旦完全理解了上面公開內容，許多變化和修改對于本領域技術人員將變得明顯。旨在將隨附權利要求解釋為涵蓋所有此類變化和修改。
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