混合的連續(xù)和不連續(xù)模式操作的制作方法
【專利摘要】本申請涉及混合連續(xù)和不連續(xù)模式操作。通常而言，包括控制模塊和電壓變換器模塊的系統(tǒng)可以被配置為以連續(xù)導電模式（CCM）來進行操作，直到流經(jīng)電壓變換器模塊中的電感器的電流被確定為零或低于零（例如，負的）。隨后，控制器可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐圆贿B續(xù)控制模式（DCM）來對電壓變換器模塊進行操作。DCM中的一些或全部可以在控制器內(nèi)以數(shù)字方式實施。通過這種方式，可以實現(xiàn)CCM或DCM操作的優(yōu)點，同時將與這些控制方案相關(guān)的缺點降至最低。此外，與傳統(tǒng)的DCM操作相比，將DCM控制數(shù)字化可更易于實施，并且性能更佳。
【專利說明】混合的連續(xù)和不連續(xù)模式操作
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本申請涉及電源，并且更具體而言，涉及能夠以連續(xù)導電模式或不連續(xù)導電模式進行操作的數(shù)字電源系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]取決于負載的功率需求，同步降壓變換器可以通過連續(xù)導電模式(CCM)和不連續(xù)導電模式(DCM)來進行操作。例如，負載的情況可以變化，使得負載可以汲取較少的電流，變換器的輸出電壓可以改變等，這可能致使同步降壓變換器開始從負載電容器灌電流并暫時以“升壓”模式進行工作。在這種狀態(tài)下，通過輸出電感器的電流可以是負的，這可能導致負電流(如，漏極到源極電流通過電源的低側(cè)開關(guān)晶體管。在CCM操作中，通過保持低側(cè)開關(guān)晶體管連續(xù)導通，感應(yīng)器電流可以轉(zhuǎn)負。在DCM操作中，定期關(guān)閉低側(cè)晶體管，以防止負電流。CCM和DCM操作均存在優(yōu)點和缺點，這導致它們二者都不能適用于所有可能情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本申請涉及一種系統(tǒng)，包括:電壓變換器模塊，其包括電感器以用于產(chǎn)生輸出電壓；零電流檢測模塊，其用于確定流經(jīng)所述電感器的電流何時為零或低于零；以及控制模塊，其用于以連續(xù)導電模式來對所述電壓變換器模塊進行操作，直到所述零電流檢測模塊確定所述電感器電流為零或低于零，并且在所述零電流檢測模塊確定所述電感器電流為零或低于零之后，以數(shù)字不連續(xù)導電模式來對所述電壓變換器模塊進行操作。
[0004]本申請還涉及一種方法，包括:以連續(xù)導電模式來對電壓變換器模塊進行操作；確定所述電壓變換器模塊中的電感器中的電流；以及當所述電感器電流被確定為零或低于零時，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)字不連續(xù)導電模式來對所述電壓變換器模塊進行操作。
[0005]本申請進一步涉及至少一種機器可讀的存儲介質(zhì)，所述至少一種機器可讀的存儲介質(zhì)上單獨地或組合地存儲有指令，當所述指令被一個或多個處理器執(zhí)行時，進行以下操作:以連續(xù)導電模式來對電壓變換器模塊進行操作；確定所述電壓變換器模塊中的電感器中的電流；以及當所述電感器電流被確定為零或低于零時，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)字不連續(xù)導電模式來對所述電壓變換器模塊進行操作。
[0006]這部分旨在提供本專利申請的主題的概述。這部分并非旨在提供本發(fā)明
[0007]的排他性的或詳盡的說明。本文包括了詳細的描述，以提供關(guān)于本專利申請的進
一步信息。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]根據(jù)下文的【具體實施方式】并參考附圖后，所請求保護的主題的各種實施例的特征和優(yōu)點將會變得更為明顯，其中，類似的附圖標記表示類似的部件，并且其中:
[0009]圖1示出了根據(jù)本申請的至少一個實施例的被配置用于混合連續(xù)和不連續(xù)模式操作的一示例性系統(tǒng)；[0010]圖2示出了根據(jù)本申請的至少一個實施例的被配置用于混合連續(xù)和不連續(xù)模式操作的示例性電路；
[0011]圖3示出了根據(jù)本申請的至少一個實施例的連續(xù)與不連續(xù)模式波形之間的示例性關(guān)系；
[0012]圖4示出了根據(jù)本申請的至少一個實施例的連續(xù)與不連續(xù)模式操作之間的示例性轉(zhuǎn)變；以及
[0013]圖5示出了根據(jù)本申請的至少一個實施例的混合連續(xù)與不連續(xù)模式操作的示例性操作。
[0014]雖然下面的【具體實施方式】將參照示例性實施例進行，但是實施例的多個替代形式、修改形式和變型對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的。
【具體實施方式】
[0015]本申請涉及混合連續(xù)和不連續(xù)模式操作。通常而言，包括控制模塊和電壓變換器模塊的系統(tǒng)可以被配置成以連續(xù)導電模式(CCM)進行操作，直到流經(jīng)電壓變換器模塊中的電感器的電流被確定為零或低于零(如，負的)。隨后，控制模塊可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)字不連續(xù)導電模式(DCM)來對電壓變換器模塊進行操作。數(shù)字DCM中的一些或全部可以在控制模塊內(nèi)實施。通過這種方式，可以實現(xiàn)源自CCM或DCM操作的優(yōu)點，同時將與這些控制方案相關(guān)的缺點降至最低。此外，與傳統(tǒng)的DCM操作相比，對DCM控制進行數(shù)字化允許更為簡單的實現(xiàn)方式，并且性能更佳。
[0016]在一個實施例中，一種不例性的系統(tǒng)可以包括電壓變換器模塊、零電流檢測(Z⑶)模塊和控制模塊。電壓變換器模塊可以例如產(chǎn)生輸出電壓并且可以包括電感器。ZCD模塊可以例如確定通過電感器的電流何時為零或低于零?？刂颇K可以例如在CCM下對電壓變換器模塊進行操作，直到ZCD模塊確定電感器電流為零或低于零，并且可以在零電流檢測模塊確定電感器電流為零或低于零之后，以數(shù)字不連續(xù)導電模式來對電壓轉(zhuǎn)化器模塊進行操作。
[0017]在一種實施方式中，電壓變換器模塊可以包括直流電流(DC)-DC同步降壓變換器。例如，電壓變換器還可以包括耦合到電感器的高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管。示例性的ZCD模塊可以包括比較器，比較器用于在電感器電流為零或低于零時向控制模塊輸出信號，電感器電流的狀態(tài)是基于比較器確定在低側(cè)晶體管導通期間開關(guān)節(jié)點電壓大于零來感測的。在ZCD模塊確定電感器電流為零或低于零之后，控制模塊還可以在DCM下對電壓變換器模塊進行操作。數(shù)字DCM可以包括由控制模塊中的控制器實施的控制算法，該控制算法用于產(chǎn)生驅(qū)動高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管的信號。在一個實施例中，控制算法可以不需要在操作期間從電壓變換器模塊測得的輸入就能產(chǎn)生驅(qū)動信號。在數(shù)字DCM中，控制器還可以根據(jù)聞側(cè)晶體管的晶體管導通時間和驅(qū)動聞側(cè)晶體管的?目號的占空比，來確定聞側(cè)晶體管的晶體管截止時間。在 一個實施例中，高側(cè)晶體管的截止時間可以等于高側(cè)晶體管導通時間*(1-高側(cè)晶體管占空比)/高側(cè)晶體管占空比。與本申請的至少一個實施例一致的示例性方法可以包括以連續(xù)導電模式來對電壓變換器模塊進行操作，確定電壓變換器模塊中的電感器中的電流，以及在確定電感器電流為零或低于零時，轉(zhuǎn)變成以數(shù)字DCM來對電壓變換器模塊進行操作。[0018]圖1示出了根據(jù)本申請的至少一個實施例的、被配置成用于混合連續(xù)和不連續(xù)模式操作的示例性系統(tǒng)。系統(tǒng)100可以包括例如控制模塊102和電壓變換器模塊104。重點需要注意，在符合本申請的實施例中，關(guān)于系統(tǒng)100所討論的模塊和/或其他系統(tǒng)元件可以全部或部分地存在于單個裝置中，例如，集成電路(IC)中，或者作為另外一種選擇，系統(tǒng)100中的模塊/其他系統(tǒng)元件中的一些或全部可以是分立的組件、IC和分立組件的組合等?？刂颇K102可以控制電壓變換器模塊104中的操作，以便基于輸入電壓(如,Vin)來產(chǎn)生輸出電壓(如，Vout)。例如,系統(tǒng)100可以在移動通信設(shè)備和/或計算設(shè)備中實施，其中，電池電壓(如，Vin)可以逐步降低至驅(qū)動移動通信設(shè)備和/或計算設(shè)備中的組件(例如，處理器和/或其他集成電路(IC))所需要的較低電壓(如，Vout )。
[0019]控制模塊102可以包括例如控制器106、Z⑶模塊108和脈沖寬度調(diào)制(PWM)模塊110?？刂破?06還可被配置為執(zhí)行數(shù)字DCM控制112。通常，控制器106可以控制PWM模塊110，以便產(chǎn)生用于以CCM來對電壓變換器模塊104進行驅(qū)動的信號。ZCD模塊可以耦合到電壓變換器模塊104，并且可以確定電壓變換器模塊104操作期間何時存在某種狀態(tài)(如，電壓變換器模塊104內(nèi)的電感器中的電流何時為零或低于零)。當確定存在所述狀況時，ZCD模塊108可以向控制器106產(chǎn)生輸出信號,這個輸出信號可以使控制器106從以CCM改變?yōu)槭褂脭?shù)字DCM控制112的DCM，來對電壓變換器模塊104進行操作。例如，通過改變PWM模塊110生成驅(qū)動電壓變換器模塊104的信號的方式可以影響操作模式的變化。重點需要注意，雖然控制器106、Z⑶模塊108和PWM模塊110在圖1中被示出為控制模塊102中的分開的模塊，但也可以將ZCD模塊108和PWM模塊110中的一者或兩者的功能結(jié)合到控制器106內(nèi)ο
[0020]圖2示出了根據(jù)本申請的至少一個實施例的、被配置用于混合連續(xù)和不連續(xù)模式操作的示例性電路。系統(tǒng)100’可以部分地或全部地由分立的裝置構(gòu)成，或者作為另外一種選擇，可以包括在定制和/或通用集成電路(IC)內(nèi)或可以形成它的一部分，如專用集成電路(ASIC)、單芯片系統(tǒng)(SoC)、多芯片模塊(MCM)等。在圖1所示的實施例中，系統(tǒng)100’包括同步降壓DC/DC變換器，同步降壓DC/DC變換器被配置用于驅(qū)動電感器電路以例如向負載(未示出)供電。電容器Cl可被配置跨接在輸入電壓兩端以對Vin進行解耦。電壓變換器模塊104’可以包括例如高側(cè)(HS)開關(guān)和低側(cè)(LS)開關(guān)，其中，HS和LS開關(guān)可以包括晶體管，如功率M0SFET。HS和LS開關(guān)還可以包括例如體二極管電路(未示出)和/或其他已知的電源開關(guān)特征。在一個實施例中，HS開關(guān)可以耦合到輸入電壓Vin和電感器LI，而LS開關(guān)也可以耦合到電感器LI的同一側(cè)和接地。電壓變換器模塊104’還可以包括HS/LS驅(qū)動器電路200，HS/LS驅(qū)動器電路200用于驅(qū)動HS和LS開關(guān)。PWM信號可以由PWM模塊110產(chǎn)生，以驅(qū)動HS/LS驅(qū)動器電路200，HS/LS驅(qū)動器電路200可以包括公知的反饋控制機制，用于對PWM信號的占空比提供控制。雖然圖2中未示出，但在某些情形下，期望在電壓變換器模塊104’中實現(xiàn)電流感測電路，以確定流經(jīng)電感器LI的電流。電流感測電路可以包括例如串聯(lián)耦合的電阻器和電容器(例如，RC網(wǎng)絡(luò))，串聯(lián)耦合的電阻器和電容器跨接在電感器LI兩端，以產(chǎn)生與流經(jīng)電感器LI的電流相對應(yīng)的可測值。電容器C2可以跨接輸出電壓兩端，以對Vout進行解耦。
[0021]當負載需要時，同步降壓變換器可以操作以提供電力和吸收電力(例如，升壓模式)，其中，吸收電力是通過允許流經(jīng)電感器LI的電流(例如，IJ流回LS開關(guān)而轉(zhuǎn)負來實現(xiàn)的。例如，在CCM和DCM操作中，系統(tǒng)100’都可以產(chǎn)生Vout，而L保持為正值。然而，輸出電壓或負載消耗的電流的變化可能導致系統(tǒng)100’從C3的吸收電力，并且因此k可以被允許在CCM操作中在PWM占空比的一些或全部期間轉(zhuǎn)負(例如，“升壓”模式)。在DCM操作過程中，可以關(guān)閉LS開關(guān)，以防止L倒流。CCM和DCM操作均具有優(yōu)點和缺點。在負載消耗更多的電流，與DCM操作相比而言，CCM操作能夠以更小的噪聲來產(chǎn)生Vout。然而，與CCM操作相比，DCM操作的至少一個優(yōu)點是當負載消耗較少電流時，它更為有效。因此，對系統(tǒng)100’來說，能夠以兩種模式進行操作是有益的。
[0022]然而，將系統(tǒng)100’配置為以CCM和DCM兩種模式進行操作需要控制器106知道^何時將要轉(zhuǎn)負(如，為零或低于零)。這個時間點正是負載汲取的電流已經(jīng)降至從CCM轉(zhuǎn)變?yōu)镈CM可以對提高整個系統(tǒng)的性能有利的時間點。在傳統(tǒng)的電源解決方案中，可對ZCD采用模擬或數(shù)字方法。在模擬解決方案中，系統(tǒng)100’還可以包括Z⑶模塊108’，Z⑶模塊108’用于確定L何時為零或低于零(例如，通過感測HS開關(guān)和LS開關(guān)連接到電感器LI的節(jié)點(在下文中稱為開關(guān)節(jié)點202)處的極性變化)。Z⑶模塊108’可以至少包括滯后比較器電路204。在一個實施例中，Z⑶模塊108’還可以包括鎖存電路(未示出)。鎖存電路可以包括例如觸發(fā)電路(如，D型觸發(fā)電路，如圖所示)。指示k的信號可以通過將滯后比較器電路204的正輸入端連接到電感器LI的開關(guān)側(cè)來確定。在一個實施例中，滯后比較器電路204的輸出可以用來為鎖存電路提供時鐘，并且鎖存電路的D輸入可以連接到Vin。從電感器LI的開關(guān)側(cè)接收到的信號可能是相對嘈雜的，因此，使用鎖存電路可以避免滯后比較器電路204的輸出端處“顫振”。Z⑶模塊108’可以產(chǎn)生指示L過零的控制信號。還可以在滯后比較器電路204的輸 出端處使用保持電路(未示出)，以在一個或多個PWM周期期間保持控制信號的狀態(tài)(例如，以確?？刂破?06不會錯過過零控制信號)。示例性的保持電路可以包括鎖存電路(例如，D型觸發(fā)器件等)，鎖存電路被配置用于鎖存控制信號狀態(tài)。
[0023]雖然基本上起作用，但模擬解決方案中的某些操作特性會使連續(xù)Z⑶有問題。比較器固有的偏移和延遲可能影響ZCD的準確性、響應(yīng)性等。ZCD的不準確可能導致電感器LI中的剩余電流在電壓變換器模塊104’中消散并影響效率。過度振蕩還可能引起系統(tǒng)100’中的電磁干擾(EMI)問題。在Z⑶的數(shù)字解決方案中，零電流可以通過確定系統(tǒng)100’的輸出電流何時降至L的峰到峰紋波電流的1/2以下來確定。L的峰到峰紋波電流可以基于某種關(guān)系，包括Vin、Vout、電感器LI的電感、HS和LS開關(guān)的開關(guān)頻率以及輸出電流。通過這種方式，可以使用從電壓變換器模塊104’監(jiān)測的參數(shù)來以數(shù)字方式確定ZCD。然而，電感可能隨電流、溫度等而變化。ViruVout和開關(guān)頻率遙測也可能引起Ilj的峰到峰紋波電流計算中的不準確，這可能影響ZCD的總體準確性。不準確的ZCD檢測可能影響系統(tǒng)100’的效率并且引起造成電磁干擾的過度振蕩。
[0024]在根據(jù)本申請的一個實施例中，混合系統(tǒng)可以包括模擬特征，模擬特征用于CCM操作過程中最初的第一過零，但所有后續(xù)的操作可以用控制器106以數(shù)字方式控制。如圖2的系統(tǒng)100’所示，ZCD模塊108’可以負責檢測Il為零或低于零時的首次出現(xiàn)(例如，基于ZCD比較器電路204感測到在LS開關(guān)導通期間開關(guān)節(jié)點202處的電壓大于零，這是込開始反轉(zhuǎn)的指示)。初始ZCD之后，數(shù)字DCM控制112可以執(zhí)行和計算以控制后續(xù)脈沖的產(chǎn)生(例如，可以控制由PWMllO進行的PWM信號產(chǎn)生)。通過這種方式，可以在沒有持續(xù)依賴模擬ZCD的消極方面的情況下實現(xiàn)模擬解決方案的初始響應(yīng)。然后可以用顯著更高效的數(shù)字DCM控制112來控制系統(tǒng)100’的操作。然而，根據(jù)至少一個實施例，可用于控制系統(tǒng)100’的數(shù)字控制與現(xiàn)有解決方案中使用的控制顯著不同(例如，不需要為數(shù)字DCM控制算法提供由電壓變換器模塊104’測得的值作為輸入)。
[0025]圖3示出了根據(jù)本申請的至少一個實施例的連續(xù)與不連續(xù)模式波形之間的示例性關(guān)系。如圖表300所示，302處所示的CCM操作期間的L的斜率大體上等于304處所示的DCM操作期間的込的斜率。該關(guān)系還體現(xiàn)在以下公式中:
[0026]
【權(quán)利要求】
1.一種系統(tǒng)，包括: 電壓變換器模塊，其包括電感器以用于產(chǎn)生輸出電壓； 零電流檢測模塊，其用于確定流經(jīng)所述電感器的電流何時為零或低于零；以及控制模塊，其用于以連續(xù)導電模式來對所述電壓變換器模塊進行操作，直到所述零電流檢測模塊確定所述電感器電流為零或低于零，并且在所述零電流檢測模塊確定所述電感器電流為零或低于零之后，以數(shù)字不連續(xù)導電模式來對所述電壓變換器模塊進行操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述電壓變換器模塊包括DC-DC同步降壓變換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述電壓變換器模塊進一步包括耦合到所述電感器的高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中，所述零電流檢測模塊包括比較器，當所述電感器電流為零或低于零時，所述比較器向所述控制模塊輸出信號，其中，所述電感器電流的狀態(tài)是基于所述比較器確定在所述低側(cè)晶體管導通期間開關(guān)節(jié)點電壓大于零來進行感測的。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中，所述數(shù)字不連續(xù)導電模式包括由所述控制模塊中的控制器實施的控制算法，所述控制算法產(chǎn)生用于驅(qū)動所述高側(cè)晶體管和所述低側(cè)晶體管的信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述控制算法不需要在操作期間從所述電壓變換器模塊測得的輸入就能產(chǎn)生所述驅(qū)動信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中，在產(chǎn)生所述驅(qū)動信號時，所述控制器基于所述高側(cè)晶體管的晶體管導通時間和驅(qū)動所述高側(cè)晶體管的信號的占空比來確定所述高側(cè)晶體管的晶體管截止時間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中，所述高側(cè)晶體管截止時間等于所述高側(cè)晶體管導通時間* (1-高側(cè)晶體管占空比)/高側(cè)晶體管占空比。
9.一種方法，包括: 以連續(xù)導電模式來對電壓變換器模塊進行操作； 確定所述電壓變換器模塊中的電感器中的電流；以及 當所述電感器電流被確定為零或低于零時，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)字不連續(xù)導電模式來對所述電壓變換器模塊進行操作。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述電壓變換器模塊包括DC-DC同步降壓變換器。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述數(shù)字不連續(xù)導電模式包括控制算法，所述控制算法產(chǎn)生用于驅(qū)動所述電壓變換器模塊中的高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管的信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述控制算法不需要在操作期間從所述電壓變換器模塊測得的輸入就能產(chǎn)生所述驅(qū)動信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，產(chǎn)生所述驅(qū)動信號包括基于所述高側(cè)晶體管的晶體管導通時間和驅(qū)動所述高側(cè)晶體管的信號的占空比來確定所述高側(cè)晶體管的晶體管截止時間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述高側(cè)晶體管截止時間等于所述高側(cè)晶體管導通時間* (1-高側(cè)晶體管占空比)/高側(cè)晶體管占空比。
15.至少一種機器可讀的存儲介質(zhì)，所述至少一種機器可讀的存儲介質(zhì)上單獨地或組合地存儲有指令，當所述指令被一個或多個處理器執(zhí)行時，進行以下操作: 以連續(xù)導電模式來對電壓變換器模塊進行操作； 確定所述電壓變換器模塊中的電感器中的電流；以及 當所述電感器電流被確定為零或低于零時，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)字不連續(xù)導電模式來對所述電壓變換器模塊進行操作。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的介質(zhì)，其中，所述電壓變換器模塊包括直流DC-DC同步降壓變換器。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的介質(zhì)，其中，所述數(shù)字不連續(xù)導電模式包括控制算法，所述控制算法產(chǎn)生用于驅(qū)動所述電壓變換器模塊中的高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管的信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的介質(zhì)，其中，所述控制算法不需要在操作期間從所述電壓變換器模塊測得的輸入就能產(chǎn)生所述驅(qū)動信號。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的介質(zhì)，其中，產(chǎn)生所述驅(qū)動信號包括基于所述高側(cè)晶體管的晶體管導通時間 和驅(qū)動所述高側(cè)晶體管的信號的占空比來確定所述高側(cè)晶體管的晶體管截止時間。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的介質(zhì)，其中，所述高側(cè)晶體管截止時間等于所述高側(cè)晶體管導通時間* (1-高側(cè)晶體管占空比)/高側(cè)晶體管占空比。
【文檔編號】H02M3/157GK103944387SQ201410032290
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月23日
【發(fā)明者】S·肖, F·艾哈邁德 申請人:快捷半導體(蘇州)有限公司, 快捷半導體公司