[发明专利]具有自适应占空控制和操作模式的无缝转变的增强型开关调节器拓扑

说明书

本发明公开了一种电压转换器，电压转换器自适应为用于不同负载状况的电流模式控制降压调节器。电压转换器在重负载状况期间使用脉冲宽度调制(PWM)以连续传导模式操作。当零电流检测器在轻负载状况期间(不连续传导模式区域)确定没有电感器电流时，控制器使用脉冲频率调制(PFM)来启动自适应占空控制。当处于PFM模式时，自适应占空估计电路对功率电感器充电，以保持电压精度并使效率最大化。使用时钟同步和单个控制回路，自动执行PFM模式、PWM模式和旁路模式之间的平滑转变。电感器零电流检测器触发与主振荡器同步的自适应估计占空比。

相关专利申请

本申请要求2017年9月14日提交的由Alex Hsu、Sam Tsui、Paolo Nora和Tsz YinMan共同拥有的名称为“High Efficiency,Small Voltage Ripple Buck Converter withAdaptive Calculation(具有自适应计算的高效、小电压纹波降压转换器)”的美国临时专利申请序列号62/558,855的优先权；并且据此以引用方式并入本文以用于所有目的。

技术领域

本公开涉及电压转换器，并且更具体地讲，涉及具有自适应占空控制的高效、小电压纹波降压转换器。

背景技术

电压转换器(例如，开关模式电源(SMPS))中的轻负载状况下的效率通常由SMPS控制器使用脉冲频率调制(PFM)模式而不是更标准的脉冲宽度调制(PWM)模式来改善。PWM提供更好的输出电压调节，但是PFM在轻电流负载下提供更高的SMPS效率。遗憾的是，PFM的副作用是减小电压输出精度的较大输出纹波电压。期望将PFM模式用于轻电流负载，而将PWM模式用于较重电流。然而，在SMPS控制器中同时实现PFM模式和PWM模式可能需要具有预定义和准确阈值的模式转变，这在生产SMPS中可能很难实现。此外，由于高电流负载，当PWM一直接通时，可能会发生旁路模式。

模式转变选择可能需要阈值调整，并且缺乏用于输出电压精度的自适应占空控制。用以实现模式转变的本技术解决方案可能需要一个或多个预定义的转换阈值，用于PFM模式的附加比较器，用于旁路模式的附加电路，并且模式选择可能来回反弹。另外，在轻负载下，PFM模式可能变得不同步。

发明内容

因此，需要开关调节器拓扑，该开关调节器拓扑在PFM模式、PWM模式和旁路模式的操作之间无缝地转变；并且良好的电压调节和频率同步。

根据实施方案，用于开关调节器中的无缝模式转变的方法可包括以下步骤：当在第一负载状况期间处于连续传导模式(CCM)时，使用脉冲宽度调制(PWM)模式向功率电感器提供电流脉冲；当在第二负载状况期间处于不连续传导模式(DCM)时，使用脉冲频率调制(PFM)模式向功率电感器提供电流脉冲，其中第一负载状况可大于第二负载状况；以及使PWM模式和PFM模式之间的切换同步到具有一定频率的主时钟。

根据方法的另外的实施方案，使PWM模式和PFM模式之间的切换同步的步骤可利用单个控制回路完成。根据方法的另外的实施方案，使用PFM模式的步骤还可包括用自适应时钟分频和占空比估计来降低切换频率的步骤。根据方法的另外的实施方案，自适应时钟分频的步骤可包括将主时钟频率除以N的步骤。根据方法的另外的实施方案，占空比估计的步骤可包括基于输入电压和输出电压计算占空比持续时间的步骤。

根据方法的另外的实施方案，占空比估计的步骤可包括与主时钟分频成比例地缩放占空比持续时间的步骤。根据方法的另外的实施方案，N可以等于二(2)。根据方法的另外的实施方案，N可以是正整数。根据方法的另外的实施方案，N可以等于2^P，其中P可以是等于或大于一(1)的正数。根据方法的另外的实施方案，将主时钟频率除以N的步骤还可包括当可以检测到功率电感器中的基本上零(0)电流时将主时钟频率除以N的步骤。