DC-DC转换器输出调节系统和方法与流程

dc-dc转换器输出调节系统和方法
技术领域
1.本技术总体上涉及dc-dc转换器，并且更详细地，例如，涉及用于dc-dc转换器中的自适应峰值电流控件的系统和方法。


背景技术：

2.诸如dc-dc转换器之类的功率转换器用于为许多电子设备供电。由这些电子设备汲取的负载量可以因设备而异。一些电子设备可以是不汲取太多电流的轻负载，而其他电子设备可以是从dc-dc转换器汲取显著更多电流的重负载。另外，负载可以基于使用和模式在同一设备内或互连设备之间变化。当负载变化时，dc-dc转换器的输出可能产生电压脉动或干扰，该电压脉动或干扰可能对设备性能产生负面影响。鉴于前述内容，存在对于dc-dc转换器中的改进以减少这些和其它负面影响的持续需要。


技术实现要素：

3.本公开描述了改进的dc-dc转换器，其包括用于调节dc-dc转换器的输出的改进的系统和方法。根据本公开的实施例，描述了一种电路。该电路可包括控制器电路，控制器电路被配置为接收转换器的输出电压且响应于输出负载的状态而调整转换器的切换频率。输出负载感测电路被配置为确定输出负载的状态并向控制器电路提供峰值电流，其中输出负载感测电路包括：第一定时器，其被配置为响应于输出负载是重负载而向峰值电流控件提供延迟的第一信号；第二定时器，其被配置为响应于输出负载是轻负载而向峰值电流控件提供延迟的第二信号；以及峰值电流控件，其被配置为基于接收的第一信号和第二信号来调整峰值电流，并且被配置为将峰值电流提供给控制器电路。
4.根据本公开的另一实施例，描述了一种方法。该方法可包括测量转换器的第一切换循环与转换器的第二切换循环之间的时序，确定第二切换循环是否在第一预定时间的期满之前发生，以及响应于确定第二切换循环在第一预定时间的期满之前发生而递增峰值电流。
5.本公开的范围由权利要求限定，所述权利要求通过引用并入本部分中。通过考虑一个或多个实施例的以下详细描述，将向本领域技术人员提供对本公开的实施例的更完整的理解，以及其附加优点的实现。将参考将首先简要描述的附图的附页。
附图说明
6.图1是根据本公开的实施例的示例dc-dc转换器的框图。
7.图2是图示根据本公开的实施例的各种模块之间的互连的示例dc-dc转换器的框图。
8.图3是根据本公开的实施例的dc-dc转换器的负载感测电路和控制器电路的示例电路图。
9.图4是图示根据本公开的实施例的表示从良好负载状态到重负载状态的dc-dc转
作为响应，功率级模块110被配置为调整功率级模块110的峰值电流，从而调节功率转换。
20.图3图示了根据本公开的实施例的dc-dc转换器的功率级、负载感测电路和控制器电路的示例电路图。电路300被配置为使用dc-dc转换器输出负载感测电路310的连续定时器来监测dc-dc转换器（例如，dc-dc降压转换器）输出负载状态。控制电路350（例如，异步dcm dc-dc转换器控制电路）被配置为使用该输出负载状态信息来执行自适应峰值电流控制，使得转换器能够在重输出负载条件下支持较高的输出负载容量，在轻输出负载条件下支持较小的输出电压脉动，并且跨输出负载调节音频频率和射频之间的切换频率以减少干扰。另外，控制电路350被配置为在轻负载状态条件下自适应地将功率模式改变为功率节省模式以降低静态电流，并且在重负载状态下自适应地将功率模式改变为功率突发模式以支持还要甚至更高的输出负载容量。
21.控制自适应峰值电流通过递增峰值电流支持较高输出负载容量、通过递减峰值电流以及通过借助于改变峰值电流来控制切换频率支持输出电压中的较低脉动。例如，在音频和无线应用中，期望音频频率和射频之间的dc-dc转换器切换频率来减少干扰。虽然脉冲密度调制技术可以用于峰值电流控制，但是脉冲密度调制使用振荡器（例如，振荡器频率≥最大dc-dc切换频率），这对于低功率异步dc-dc转换器可能是困难的。因此，本公开的实施例呈现了利用两个连续定时器执行自适应峰值电流控制和用于低静态电流dc-dc转换器应用的异步dc-dc转换器控制的技术。在一些实施例中，可以实现多于两个定时器，例如，三个或更多个定时器，以进一步控制自适应峰值电流。
22.在一些实施例中，在异步dcm dc-dc转换器中，峰值电流检测器和过零点检测器可以消耗最多的静态电流。这种峰值电流检测器和过零点检测器在轻输出负载条件（例如，功率节省模式）期间被禁用，因为静态电流可以和轻输出负载电流相差不大。然而，当峰值电流检测器和过零点检测器被禁用时，dc-dc控件被配置为等待直到这种检测器在下一个切换循环内被唤醒，并且因此该使能稳定延迟可能降低最大输出负载容量。在重输出负载条件下，静态电流对于输出负载电流可以是可忽略的，并且因此所有峰值电流检测器和过零点检测器保持启用以支持较高的输出负载容量（例如，功率突发模式）。因此，所描述的实施例示出了通过在自适应峰值电流控制中使用的连续定时器的异步dcm dc-dc转换器中的自适应功率模式控制。
23.图3是根据本公开的实施例的dc-dc转换器300的负载感测电路310和控制器电路350的电路图。如所图示，异步dcm dc-dc转换器控件350在输出比较器（comp1）感测到输出电压（vout）低于阈值电压（vref）时发起切换循环，输出比较器（comp1）将vout_islow信号跳闸（trip）到逻辑高。vout_islow信号被提供给重置主导sr锁存器（sr1），其锁存vout_islow_latch信号。当vout_islow_latch信号设置为逻辑高时，检测器块的使能信号（即，过零点检测和峰值电流检测）在处于轻输出负载条件时也跳闸为高，因为heavy_load_status=低。
24.当使能信号跳闸为高时，dc-dc控件350等待使能稳定延迟（en_delay）以确保检测器块在导通高侧fet（hs_on=高）之前唤醒。当高侧fet导通时，电感器电流上升。当峰值电流检测器感测到电感器电流高于由ipeak_control《a:0》设置的值时，ipeak信号跳闸为高，这然后关断高侧fet并导通低侧fet（hs_on=低，ls_on=高），从而使电感器电流减小。当电感器电流接近零时，过零点检测跳闸为高并且关断低侧fet（ls_on=低）并且进入空闲模式（高侧
fet和低侧fet两者都关断）。在最小空闲延迟（idle_delay）之后，当vout再次低于vref时，异步dc-dc转换器准备好下一切换循环。
25.dc-dc转换器输出负载感测电路310示出了两个连续的定时器（heavy_delay_cell和light_delay_cell）和峰值电流数字控件（ipeak_control）。在一些实施例中，峰值电流数字控件（ipeak_control）可以是4位控制器，其被配置为以16个不同的增量输出变化的电流电平。在其他实施例中，ipeak_control可以是例如3位或5位控制器。在切换循环结束时，当dc-dc转换器进入空闲模式时，vout_islow_latch信号由于重置主导sr锁存器（sr1）重置=高而跳闸到逻辑低，并且heavy_load_cell开始x下降延迟。在x下降延迟期间，heavy_load信号保持高（指示“重负载状态”），并且在x延迟之后，heavy_load跳闸到逻辑低。
26.当heavy_load信号跳闸为低时，light_load_cell开始y上升延迟。在y上升延迟期间，heavy_load和light_load信号两者都为低（指示重负载状态和轻负载状态之间的负载，“良好负载状态”）。在y上升延迟之后，light_load信号跳闸到逻辑高（指示“轻负载状态”）。light_load信号和heavy_load信号由d型触发器（dff1）和峰值电流数字控件（ipeak_control）使用vout_islow_latch信号的上升沿进行采样。如果heavy_load=高、light_load=低被采样，则其指示“重负载状态”，并且切换循环之间的时间小于x延迟。如果heavy_load=低、light_load=低被采样，则其指示“良好负载状态”，并且切换循环之间的时间在x和x y之间。如果heavy_load=低、light_load=高被采样，则其指示“轻负载状态”，并且切换循环之间的时间长于y。
27.根据实施例，利用这些采样的heavy_load和light_load信号，峰值电流数字控件（ipeak_control）通过递增ipeak_control《a:0》代码来增加“重负载状态”中的峰值电流，并且通过递减ipeak_control《a:0》代码来减小“轻负载状态”中的峰值电流，并且在“良好负载状态”中保持相同的峰值电流。dff1对heavy_load信号进行采样以启用功率突发模式（heavy_load_status=高）。如果heavy_load_status=高，则使能信号和en_settle信号通过或门（or1）在下一切换循环内保持在逻辑高。功率突发模式（heavy_load_status=高）旁路使能稳定延迟（en_delay），并且一旦最小空闲时间（idle_delay）期满就导通高侧fet。在heavy_delay_cell中，添加10ns的上升时间以减少或避免错误的heavy_load=高采样。
28.当vout_islow_latch信号跳闸到逻辑高时，heavy_load信号在10ns之后跳闸到逻辑高。因此，如果heavy_load信号在vout_islow_latch信号的上升沿处为逻辑低，则heavy_load=低被采样。此外，该10ns上升延迟将light_load信号保持为高以采样light_load=高。因此，如果light_load信号在vout_islow_latch信号的上升沿处为高，则light_load=高被采样。10ns延迟是任意延迟，以避免错误的heavy_load=高并且适当地采样light_load=高。因此，在一些实施例中，10ns延迟可以是更长或更短的延迟。然而，在其他实施例中，可以使用电阻器-电容器延迟或偏置电流-电容器延迟来实现heavy_delay_cell和light_delay_cell以使静态电流为零。
29.图4是图示根据本公开的实施例的当dc-dc转换器从良好负载状态转变到重负载状态时的各种波形的时序图。如所图示，当vout_islow_latch信号跳闸为高时，heavy_load和light_load信号两者最初都为低，这指示先前的切换循环是良好的负载状态。因为heavy_load=低和light_load=低由vout_islow_latch信号采样，所以ipeak_control《x:0》保持相同的峰值电流代码，并且heavy_load_status信号为低（例如，功率节省模式）。在第
一切换循环结束时，当过零点检测跳闸为高时，重置信号在最小空闲时间内保持为高，并且使vout_islow_latch信号跳闸为低。当vout_islow_latch信号跳闸为低时，heavy_delay_cell开始x下降延迟。在经过x下降延迟之前，第二切换循环以vout_islow跳闸为高开始。因此，当vout_islow_latch信号跳闸为高时，其采样heavy_load=高和light_load=低，这指示重负载状态。因此，峰值电流控件块将峰值电流代码ipeak_control《a:0》从例如4递增到5以支持更高的负载容量，并且ddf1采样并设置heavy_load_status=高以启用功率突发模式。
30.因此，因为第一切换循环是“良好负载状态”，所以禁用所有检测器块以节省静态电流。当vout_islow_latch信号在第二切换循环内跳闸为高时，其启用检测器块并在导通高侧fet之前等待使能稳定延迟（en_delay）。在第二切换循环结束时，x下降延迟开始，并且在x下降延迟期满之前，第三切换循环以vout_islow_latch信号跳闸为高开始。heavy_load=高和light_load=低被采样（重负载状态’），并且因此峰值电流控件块将ipeak_control《a:0》从例如5递增到6，以支持甚至更高的负载容量。因为先前的切换循环（第二循环）是重负载（heavy_load_status=高），所以检测器块保持启用，并且因此dc-dc异步控制旁路使能稳定延迟（en_delay），并且立即开始高侧fet导通（例如，功率突发模式）。通过递增峰值电流以及旁路使能稳定时间，dc-dc转换器能够增加最大输出负载容量。
31.图5是图示根据本公开的实施例的当dc-dc转换器从良好负载状态转变到轻负载状态时的各种波形的时序图。如所图示，dc-dc转换器以“良好负载状态”（例如，采样的heavy_load=低和light_load=低）开始。在第一切换循环结束时，过零点检测（zcd）跳闸为高，并且vout_islow_latch信号通过重置信号变低。
32.在轻负载条件下，vout在更长的时间段内保持高于vref，并且因此vout_islow和vout_islow_latch信号在比x y延迟长的时间内保持为低。在x延迟之后，由于heavy_delay_cell的x下降延迟和light_dell cell的y上升延迟开始，heavy_load信号跳闸为低。在y延迟之后，light_load信号跳闸为高（轻负载状态），并且当vout_islow_latch信号跳闸为高时，light_load=高被采样。最后，对于较低的输出电压脉动和较高的切换频率，ipeak_control《a:0》被递减。对于功率节省模式，heavy_load_status也跳闸为低。
33.图6是图示根据本公开的实施例的当dc-dc转换器从重负载状态转变到轻负载状态时的各种波形的时序图。如所图示，heavy_load信号最初为高，因此当vout_islow信号跳闸时，heavy_load=高被采样并将heavy_load_status设置为高。heavy_load_status高使检测器块的使能信号保持为高。但是在从第一切换循环结束起的x y延迟之后，light_load信号跳闸为高。反相light_load信号通过与门（and1）将heavy_load_status选通为低，因此当light_load信号跳闸为高时，使能信号变为低以禁用检测器块进入功率节省模式。
34.图7是图示根据本公开的实施例的当dc-dc转换器负载处于稳态时的各种波形的时序图。在稳态中，切换频率已经处于良好负载状态并且保持在良好负载状态中。例如，图4-6图示了当负载突然改变（例如，从重负载突然改变到轻负载或反之亦然）时的转变场景，因此在那些场景中，峰值电流被自适应地调整到用于其新的输出负载值的良好负载状态。以这种方式，在突然的负载改变之后，输出负载变为稳态并且自适应峰值电流环路完成，dc-dc转换器收敛到良好的负载状态，而不管更新的输出负载值如何。因此，如图7中所图示，当负载没有正在改变时，dc-dc转换器保持在良好负载状态中（例如，采样的heavy_load
=低和light_load=低）。因为所有切换循环在y延迟期间开始，所以当输出负载处于稳态时，转换的良好负载状态使切换时段在x和x y之间。
35.图8图示了根据本公开的实施例的用于切换频率调节的自适应峰值电流控件的波形。例如，自适应峰值电流控件调节音频频率和射频之间的切换频率。如果切换频率太高并且其干扰射频（框810），则可以递增峰值电流以将下一个循环推动到较低的切换频率，从而使峰值电流进入良好的切换频率范围中。如果切换频率太低（框820）并且其干扰音频频率，则可以递减峰值电流以将下一个脉冲推动到较高的切换频率，从而使峰值电流进入良好的切换频率范围中。在稳态输出负载的情况下，切换频率可以在1/x和1/（x y）之间调节，如图所示。因此，通过将x延迟设置为大于射频时段（例如，对于2.4mhz蓝牙应用而言大于415ns）并且将x y延迟设置为小于音频频率时段（例如，对于40khz最大音频频率而言小于25us），异步dcm dc-dc转换器可以通过推动并然后将峰值电流保持在良好的切换频率范围中来减少对音频频率和射频的干扰。在一些实施例中，可以添加另外的z延迟（或附加延迟）以进一步调谐和调节峰值电流。
36.在一些实施例中，还可以针对同步dc-dc转换器实现所描述的技术。然而，同步dc-dc转换器可能消耗振荡器的更多静态电流。
37.然而，在其他实施例中，可以实现多于两个的定时器以检查多于三个的输出负载状态。例如，四个连续定时器可以检查五个输出负载状态，例如：1）将峰值电流递增2 lsb的“非常重的负载状态”；2）将峰值电流递增一个lsb的“重负载状态”；3）保持相同峰值电流的“良好负载状态”；4）将峰值电流递减1 lsb的“轻负载状态”；以及5）将峰值电流递减两个lsb的“非常轻的负载状态”。然后，切换频率可以快得多地收敛到良好的切换频率。
38.可以利用任何合适的硬件、固件（例如，专用集成电路）、软件、或软件、固件、和/或硬件的组合来实现根据本文中描述的本发明的实施例的电子或电气设备和/或任何其他相关设备或部件。例如，这些设备的各种部件可以形成在一个集成电路（ic）芯片上或单独的ic芯片上。此外，这些设备的各种部件可以在柔性印刷电路膜、带载封装（tcp）、印刷电路板（pcb）上实现，或者形成在一个基板上。此外，这些设备的各种部件可以是在一个或多个计算设备中在一个或多个处理器上运行的进程或线程，该一个或多个计算设备执行计算机程序指令并与其他系统部件交互以执行本文中描述的各种功能性。计算机程序指令存储在存储器中，该存储器可以使用标准存储器设备（诸如例如随机存取存储器（ram））在计算设备中实现。计算机程序指令还可以存储在其他非暂时性计算机可读介质中，诸如例如cd-rom、闪存驱动器等。此外，本领域技术人员应当认识到，在不脱离本发明的示例性实施例的精神和范围的情况下，各种计算设备的功能性可以组合或集成到单个计算设备中，或者特定计算设备的功能性可以跨一个或多个其他计算设备分布。
39.本文中描述的实施例仅是示例。本领域技术人员可以从具体公开的那些实施例中认识到各种替代实施例。那些替代实施例也意图在本公开的范围内。因此，实施例仅由下面的权利要求及其等同物限制。