[发明专利]用于控制开关模式功率转换器的控制器和方法

说明书

技术领域

本发明涉及开关模式功率转换器。本发明还涉及用于控制开关模式功率转换器的方法。

背景技术

与DC-DC开关模式功率转换器(具体为负载点(PoL)转换器)相关联的两个品质因数是功率密度(典型的测量单位是W/m³)和功率效率(定义为功率输出和功率输入之间的比值)。PoL转换器在电负载附近使用，如微处理器、FPGA、DSP和存储器。它们在诸如电信、数据通信、数据中心、服务器场等的基础设施应用中获得了广泛的应用。功率效率对于减少负载附近的不期望的加热以及对于减少典型地大电流(可以是几十安培)经过从转换器至负载的布线(例如PCB迹线)的电阻损耗是重要的；功率密度对于限制寄生互连电感使得能够更高频率地切换转换器从而使用更小的寄生元件是重要的。

已知在用于DC-DC转换器的元件的尺寸中，必须将预期的工作特性考虑在内：这不仅包括稳态工作电流和电压，而且包括在瞬态条件下可能遇到的非稳态电流和电压。在诸如突然将负载切入转换器或将负载与转换器切断的瞬态条件期间，遇到超过正常稳态最大电流30％至40％的电流并不罕见。因此诸如电感器和输出电容器的元件必须有合适的尺寸。

对于抑制这种瞬态的控制方法一直存在着需求，该控制方法对转换器的功率效率应当没有不利作用，或者仅有减少的不利作用。

发明内容

本发明的目的是提供具有高功率密度和高功率效率的控制DC-DC转换器的方法。

根据本发明的第一方面，提供一种用于控制包括开关的DC-DC开关模式功率转换器的方法，所述方法包括：在通过主控制回路控制开关的同时，检测开关模式功率转换器上的负载中的阶跃(step)；响应于检测器检测到负载中的阶跃而产生信号；以及响应于信号而切换开关。

有利地，由于开关保持在主控制回路的控制下，控制的不稳定性可以不受影响。当然，本发明不限于单个功率开关，在许多实施例中，该开关可以是一对开关中的一个，如控制开关(典型地为FET)和同步开关(典型地)FET中的一个。可以使用其他开关，非限制性地，例如双极晶体管。

在实施例中，通过电流模式控制来实现通过主控制回路控制开关。替代地并且非限制性地，通过电压控制回路控制开关也可以落入本发明的范围内，尽管因为电压控制回路典型地要求来自两个输出极(output pole)的补偿，而不是电流回路控制典型地要求的单输出极补偿，电压控制回路更为迟缓，因而电流回路控制在某些情形下可能是优选的。

在实施例中，电流模式控制包括峰值电流控制。在其他实施例中，可以采用其他模式的电流控制，非限制性地如谷值电流控制。

在实施例中，通过振荡器产生的振荡器脉冲串来控制开关模式功率转换器的开关频率。在实施例中，向触发器的“置位”输入端输入脉冲串，触发器的输出端用于控制开关。信号可以包括在振荡器脉冲串中插入的瞬态脉冲。

在实施例中，响应于检测器检测到负载中的阶跃产生信号包括将输出电压(Vout)和参考电压(Vth)的绝对差值与阈值电压(Vth)比较、以及产生与比较的符号(sign)相关的信号。阈值电压Vth可以是预定的，在一些实施例中可以使用多于一个的阈值电压。在实施例中，Vth在50mV和70mV之间。在其他实施例中可以使用Vth的其他数值；该数值可以选择为适合于特定的应用，正如本领域的技术人员可以容易地理解的那样。

根据本发明的另一方面，提供一种用于具有开关的开关模式功率转换器的控制器，该控制器包括用于控制开关的主控制回路、用于检测开关模式功率转换器上的负载中的阶跃的检测器、以及用于响应于检测器检测到负载中的阶跃而产生信号的信号发生器，其中控制器配置为响应于信号而切换开关。

在实施例中，主控制回路是电流模式控制回路。

在实施例中，主控制回路是模拟回路。在其他实施例中，主控制回路是数字回路；使用数字还是模拟控制回路的设计选择将取决于特定的应用。

在实施例中，控制器还包括用于产生振荡器脉冲串的振荡器，用于控制开关模式功率转换器的开关频率。控制器还包括触发器，该触发器具有用于接收脉冲串的“置位”输入端和用于控制开关的输出端。信号发生器可以配置为响应检测器检测到负载中的阶跃而在振荡器脉冲串中插入瞬态脉冲。

在实施例中，检测器包括比较器，该比较器设置为将开关模式功率转换器的输出电压(Vout)与参考电压(Vth)减去阈值电压(Vth)比较、以及根据比较的符号产生信号。

参照下文描述的实施例将清楚和阐明本发明的这些和其他方面。

附图说明

现在将参照附图以示例的方式描述本发明的实施例，其中：