具有线圈电流纹波的自适应消除的无杂散开关稳压器的制作方法

具有线圈电流纹波的自适应消除的无杂散开关稳压器
1.要求优先权
2.本专利申请要求于2020年9月8日提交的题为“具有线圈电流纹波的自适应消除的无杂散开关稳压器”的美国临时专利申请序列号63/075,676的优先权，其全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
3.本公开总体上涉及电源管理，尤其涉及具有纹波衰减的开关稳压器(也称为开关模式电源转换器)。


背景技术：

4.开关稳压器将来自电源的输入电压增加(例如升压转换器)或降低(例如降压转换器)到适合连接负载设备的所需电压。例如，开关稳压器可以包括两个开关，这些开关交替地打开和关闭以生成所需电压电平的输出电压。以切换频率发生切换。但是这种切换会导致不良影响，例如在输出电压中产生纹波。纹波是指输出电压像波形(例如三角波)一样上升和下降，而不是保持在一个稳定的水平。
5.对于开关稳压器，由于线圈电流的纹波对输出电容器进行充电/放电，因此输出电压在开关频率处可能会产生纹波。纹波会导致开关频率处的输出频谱中的能量(例如，高“杂散”)，这可能是不希望的，尤其是在更敏感的应用中，例如rf应用。


技术实现要素：

6.在一个方面，本发明公开了一种在开关稳压器中纹波衰减的方法，该方法包括：感测所述开关稳压器的线圈电流的表示；将感测的线圈电流表示转换为感测的线圈电压表示；生成人工线圈电压表示；比较感测的线圈电压表示和人工线圈电压表示；基于比较感测的线圈电压和人工线圈电压表示，调整所述人工线圈电压表示；将调整的人工线圈电压表示转换为人工线圈电流表示；和将所述人工线圈电流表示注入所述开关稳压器的输出节点。
7.在另一个方面，本发明公开了一种纹波衰减电路，包括：电流传感器，感测开关稳压器中的线圈电流；第一转换器，将所述线圈电流转换为线圈电压；产生人工线圈电压的电压发生器；比较所述线圈电压和所述人工电压的比较器；其中基于比较所述线圈电压和所述人工电压，所述电压发生器调整所述人工线圈电压；和第二转换器，将调整的人工线圈电压转换为人工线圈电流。
8.在又一个方面，本发明公开了一种开关稳压器，包括：开关转换器，在输出节点将输入电压转换为输出电压，所述开关转换器包括一对开关器件和电感器；以及和所述开关转换器耦合的纹波衰减电路，将人工线圈电流注入输出节点，所述纹波衰减电路包括：电流传感器，感测所述开关转换器的电感器中的线圈电流；电压转换器，将所述线圈电流转换为线圈电压；产生人工线圈电压的信号发生器；比较所述线圈电压和所述人工电压的比较器，
其中基于比较所述线圈电压和所述人工电压，所述信号发生器调整所述人工线圈电压；和电流转换器，将调整的人工线圈电压转换为人工线圈电流。
附图说明
9.附图中的各个附图仅示出了本公开的示例实施例并且不应被视为限制其范围。
10.图1图示了开关稳压器的示例部分。
11.图2图示了与开关稳压器相关联的示例波形。
12.图3图示了纹波衰减电路的示例部分。
13.图4图示了具有纹波衰减的输出的曲线图。
14.图5图示了没有补偿的输出的曲线图。
15.图6图示了具有补偿的输出的曲线图。
具体实施方式
16.因此，本发明人尤其认识到需要一种用于开关稳压器的无杂散技术。开关稳压器可在不影响开关频率性能的情况下，自适应降低输出电压的杂散。开关稳压器可以跟踪线圈电流，并且可以使用有源反馈回路自适应地生成人工线圈电流，该人工线圈电流跟踪线圈电流的幅度但具有相反相位。然后可以将人工线圈电流注入输出节点以消除线圈电流纹波。
17.本发明描述一种在开关稳压器中纹波衰减的方法。该方法包括：感测所述开关稳压器的线圈电流的表示；将感测的线圈电流表示转换为感测的线圈电压表示；生成人工线圈电压表示；比较感测的线圈电压表示和人工线圈电压表示；基于比较感测的线圈电压和人工线圈电压表示，调整所述人工线圈电压表示；将调整的人工线圈电压表示转换为人工线圈电流表示；和将所述人工线圈电流表示注入所述开关稳压器的输出节点。
18.本发明还描述一种纹波衰减电路。电路包括：电流传感器；感测开关稳压器中的线圈电流；产生人工线圈电压的电压发生器；和比较所述线圈电压和所述人工电压的比较器。基于比较线圈电压和人工电压，电压发生器可以调整人工线圈电压。电路还包括第二转换器，将调整的人工线圈电压转换为人工线圈电流。
19.本发明还描述开关稳压器。开关稳压器包括：开关转换器；在输出节点将输入电压转换为输出电压；所述开关转换器包括一对开关器件和电感器；和所述开关转换器耦合的纹波衰减电路，将人工线圈电流注入输出节点。纹波衰减电路包括：电流传感器，感测所述开关转换器的电感器中的线圈电流；电压转换器，将所述线圈电流转换为线圈电压；产生人工线圈电压的信号发生器；和比较所述线圈电压和所述人工电压的比较器。基于比较线圈电压和人工电压，信号发生器可以调整人工线圈电压。纹波衰减电路还包括电流转换器，将调整的人工线圈电压转换为人工线圈电流。
20.图1图示了开关稳压器100的示例部分。开关稳压器100可以包括一对开关器件102、104、电感器106(l)和电容器108(cout)。开关稳压器100还可包括控制电路110以控制开关装置102、104的开关频率(例如，占空比)。控制电路110可包括电阻器112(ri)、误差放大器114、比较器116，以及一个或多个逻辑电路118(例如，d触发器)。
21.开关器件102、104可以被提供为n沟道场效应晶体管(“fet”)、p沟道fet、金属氧化
物半导体fet(mosfet)或组合等。输入电压v
in
可以被施加到开关器件112的输入端。v
in
可以是处于第一电压电平的电压。开关器件102的输出可以耦合到电感器l 106和开关器件104，它们也可以耦合到地。电感器l 106可以耦合到电容器108，定义输出电压v
out
的输出节点。
22.开关器件102、104的时序可以由控制电路110控制。控制电路110可以交替地导通和关断开关器件102、104。例如，控制电路110可以输出脉宽调制信号以控制开关器件102何时开启和关闭。控制电路110可以反转该脉宽调制信号，使得开关器件104在与开关器件102相反的时间导通和关断。换言之，当开关器件102导通时，开关器件104关断，反之亦然。反之。开关器件102、104的快速开/关占空比可用于控制v
out
的值。开关器件102、104可以作为晶体管器件的互补对提供，例如，开关器件102可以作为p沟道fet提供，而开关器件104可以作为n沟道fet提供，在这种情况下，控制电路110可能不需要反转控制信号来交替开关器件的时序。
23.控制电路110可以耦合到电感器l 106的端部。误差放大器114可以使用参考电压v
ref
来放大v
out
。误差放大器114的输出可以耦合到比较器116，比较器116也可以耦合到电阻器ri 112。比较器116的输出可以作为输入提供给逻辑门118。基于这个输入和时钟信号，逻辑门118可以产生一个或多个控制信号来控制开关器件102、104的占空比。
24.开关器件102、104可以产生波形lx(例如，方波)并且可以耦合到电感器l 106。线圈电流icoil可以流过电感器l 106。电感器l 106可以耦合到电容器(cout)108，定义输出电压v
out
的输出节点。
25.图2图示了lx和icoil的示例波形。如上所述，线圈电流icoil可在输出电压v
out
中产生纹波。
26.返回图1，开关稳压器100还可包括耦合到输出节点和电流源122的另一电阻器(rc)120。电流源122可产生人工线圈电流(icoil_aac)。人工线圈电流icoil_aac可以跟踪线圈电流icoil的幅度，但是可以异相，例如异相180度。人工线圈电流icoil_aac可以注入输出节点(产生v
out
的地方)，以便它可以衰减甚至消除输出电压v
out
中的纹波。
27.人工线圈电流可以使用闭环、自适应线圈电流纹波消除电路产生。图3图示了纹波衰减电路300的示例部分。纹波衰减电路300可以包括电流传感器302以感测线圈电流icoil_sense。可使用电阻器rf 304将感测线圈电流icoil_sense转换为感测线圈电压vcoil_sense。可使用高通滤波器306对vcoil_sense进行滤波以提取对应于频率范围的分量，例如vcoil_sense的高频部分(简称ac部分，vcoil_sac)。vcoil_sac可以应用于比较器308的输入端。
28.纹波衰减电路300还可以包括如下更详细描述的用于生成相应的人工线圈电压vcoil_artificial的部件，该人工线圈电压vcoil_artificial被施加到比较器308的另一个输入端子。比较器308(su)的输出可以耦合到逻辑门310(例如，反相器)和计数器312。
29.为了产生vcoil_artificial，纹波衰减电路300可以包括第一电流源314、第一开关316、电容网络318、第二电流源320和第二开关322。第一电流源314可以产生充电电流icharge：
30.icharge＝α*(vin-vout)
31.其中α是比例因子。
32.第一电流源314可以耦合到第一开关316，其可以由lx(如上所述的开关器件102、
104的输出)控制。第二电流源320可以产生放电电流idischarge：
33.idischarge＝α*vout
34.其中α是比例因子。
35.第二电流源320可以耦合到第二开关322，其可以由(开关器件的互补输出，如上所述)控制。第一和第二电流源(314和320)可以跟踪线圈电流icoil，因为icharge与vin-vout成比例并且idischarge与vout成比例。分别由lx和控制的第一和第二开关(316和322)可以将vcoil_artificial与icoil同步。
36.可以使用高通滤波器324对vcoil_artifical进行滤波以提取对应于频率范围的分量，例如高频部分(称为ac部分，vcoil_aac)。vcoil_aac可以被施加到比较器308的另一端。比较器308可以比较vcoil_sac和vcoil_aac(产生su)。su可以被逻辑门210反相以产生sd。su和sd都可以用作计数器的输入，这可以生成计数器输出d。su可以增加计数器输出，而sd可以减少计数器输出。基于由计数器输出表示的比较，可以设置或修改电容器网络318的总电容以调整vcoil_artifical。
37.在该示例中，可以在lx的下降沿确定vcoil_aac和vcoil_sac的比较。如果vcoil_aac》vcoil_sac，则su pops和d增加，这可能会导致总电容cart值增加。如果vcoil_aac《vcoil_sac，sd pops和d减小，这可能导致总电容cart值减小。
38.vcoil_artifical可以被反转(例如，相位偏移180度)并且通过电流源122转换为电流icoil_aac，然后可以将其注入到开关稳压器100的输出节点中，如上所述。在这个例子中，人工线圈电流icoil_aac可以表征为：
39.icoil_aac＝-1*vcoil_artifical/rc
40.图4图示了具有纹波衰减的v
out
的图，如本文所述。如图所示，由于这里描述的纹波衰减技术，v
out
不会受到明显的纹波影响。为了进一步显示这里描述的纹波衰减技术的效果，比较有补偿和没有补偿的输出电压。图5图示了没有补偿的v
out
的快速傅立叶变换(fft)结果，并且图6图示了具有补偿的v
out
的fft结果，如本文所述。如图所示，可以使用这里描述的技术来衰减输出电压中的纹波。衰减纹波还可以降低输出电压而不影响开关频率的性能。
41.各种注释
42.上述非限制性方面中的每一者可独立存在或可与本文件中描述的其他方面或其他主题中的一个或多个以各种排列或组合组合。
43.以上详细说明包括对附图的引用，附图构成详细说明的一部分。附图通过说明的方式示出了可以在其中实践本发明的具体实施方式。这些实现通常也称为“示例”。此类示例可以包括除所示或描述的那些之外的元素。然而，本发明人还考虑仅提供所示或描述的那些元件的示例。此外，本发明人还考虑使用所示或描述的那些要素(或其一个或多个方面)的任何组合或排列的示例，或者关于特定示例(或其一个或多个方面)，或者关于本文所示或描述的其他示例(或其一个或多个方面)。
44.如果本文档与通过引用并入的任何文档之间的用法不一致，则以本文档中的用法为准。
45.在本文件中，术语“一个”或“一种”在专利文件中很常见，用于包括一个或多个，独立于“至少一个”或“一个或多个”的任何其他实例或用法。在本文档中，除非另有说明，否则
术语“或”用于指代非排他性的或，例如“a或b”包括“a但不是b”、“b但不是a”和“a和b”。在本文件中，术语“包括”和“其中”用作相应术语“包括”和“其中”的等效词。此外，在以下权利要求中，术语“包括”和“包含”是开放式的，即系统、装置、制品、组合物、制剂或过程，其包括除了在此类术语之后列出的那些元素之外的元素一项权利要求仍被视为属于该权利要求的范围。此外，在所附权利要求中，“第一”、“第二”、“第三”等术语仅作为标签使用，并非对其对象强加数值要求。
46.在此描述的方法示例可以至少部分地是机器或计算机实现的。一些示例可以包括用指令编码的计算机可读介质或机器可读介质，所述指令可操作以配置电子设备以执行如以上示例中所述的方法。这种方法的实现可以包括代码，例如微代码、汇编语言代码、高级语言代码等。这种代码可以包括用于执行各种方法的计算机可读指令。代码可以形成计算机程序产品的部分。此外，在一个示例中，代码可以有形地存储在一个或多个易失性、非暂时性或非易失性有形计算机可读介质上，例如在执行期间或在其他时间。这些有形计算机可读介质的示例可以包括但不限于硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如，光盘和数字视频磁盘)、磁带、存储卡或记忆棒、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)等。
47.以上描述旨在说明性而非限制性。例如，上述示例(或其一个或多个方面)可以彼此组合使用。可以使用其他实现方式，例如本领域的普通技术人员在查看以上描述后。提供摘要以允许读者快速确定技术公开的性质。提交的理解是它不会用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在上述详细描述中，各种特征可以组合在一起以简化本公开。这不应被解释为意在未要求保护的公开特征对于任何权利要求是必不可少的。相反，发明主题可能在于比特定公开的实现的所有特征更少的特征。因此，以下权利要求特此作为示例或实施方式并入具体实施方式中，每个权利要求独立作为单独的实施方式，并且预期这样的实施方式可以以各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应参考所附权利要求以及这些权利要求所享有的等效物的全部范围来确定。