本申請涉及以下共同未決和普通受讓的專利申請：____日提交，代理人案號為INF 2015P 50411，序列號____，該申請通過引用將其整體并入于此。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體上涉及電子電路，并且在特定實施例中，涉及用于啟動開關(guān)模式電源的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

開關(guān)模式電源(SMPS)系統(tǒng)被廣泛用于從計算機到汽車的許多電子應(yīng)用。通常，SMPS系統(tǒng)內(nèi)的輸出電壓是通過借助于操作耦合到電感器或者變壓器的開關(guān)執(zhí)行DC-DC、DC-AC、和/或AC-DC轉(zhuǎn)換生成的。很多SMPS系統(tǒng)使用高值電容器作為輸出負(fù)載。使用電感器與高值輸出電容器串聯(lián)的SMPS系統(tǒng)可以在首次開啟期間引起高電壓和高電流尖峰。

當(dāng)設(shè)計SMPS系統(tǒng)時，可以考慮各種設(shè)計屬性，例如效率、功率、以及啟動控制。還可以考慮在SMPS系統(tǒng)的啟動期間的涌入電流。該涌入電流被稱為峰值瞬時電流，其由當(dāng)電源首次開啟時充當(dāng)短路的輸出電容器引起。如果在短時間量內(nèi)從輸入電壓抽取大的電流，則SMPS系統(tǒng)的輸入電壓可能顯著降低，并且可能引起電源重置或者阻止電源啟動。啟動電路可以被用于SMPS系統(tǒng)以減少這種涌入電流狀況，以及在啟動期間防止和避免各種過電壓和/或過電流狀況。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)實施例，操作開關(guān)模式電源(SMPS)的方法包括：通過基于SMPS的輸入電壓和開關(guān)頻率確定脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號的占空比的增加速率；以及通過根據(jù)所確定的增加速率生成具有占空比的PWM信號，來啟動開關(guān)模式電源。

附圖說明

為了更徹底地理解本發(fā)明以及本發(fā)明的優(yōu)勢，現(xiàn)在參照結(jié)合附圖進行的以下描述，其中：

圖1圖示了示例數(shù)字啟動控制電路的框圖；

圖2圖示了實施例SMPS的框圖；

圖3圖示了針對實施例SMPS的流程圖；

圖4圖示了針對第二實施例的流程圖；

圖5a和圖5b圖示針對非過電流和過電流情況的本實施例中的各種信號在啟動時段期間的波形圖；

圖5c圖示了針對輸入電壓改變的本實施例中的各種信號的波形圖；

圖6圖示了示例啟動電路；

圖7圖示了根據(jù)另一實施例的啟動電路；

圖8圖示了根據(jù)另一實施例的混合信號啟動電路；

圖9圖示了實施例方法的流程圖；并且

圖10圖示了實施例方法的流程圖。

不同圖中的對應(yīng)數(shù)字和符號一般指代對應(yīng)的部分，除非另外指出。繪制附圖是為了清楚地圖示優(yōu)選實施例的相關(guān)方面，而不必要按比例繪制。為了更清楚地圖示某些實施例，附圖數(shù)字之后可以有指示相同結(jié)構(gòu)、材料、或者過程步驟的變化的字母。

具體實施方式

下文詳細討論了對當(dāng)前優(yōu)選實施例的制作和使用。然而，應(yīng)該領(lǐng)會的是，本發(fā)明提供了很多可應(yīng)用的發(fā)明性概念，這些可應(yīng)用的發(fā)明性概念可以體現(xiàn)在各種各樣的特定情境中。所討論的特定實施例僅說明了制作和使用本發(fā)明的特定方式，而未限制本發(fā)明的范圍。

現(xiàn)在將關(guān)于特定情境中的優(yōu)選實施例(即用于控制開關(guān)模式電源(SMPS)系統(tǒng)的啟動的系統(tǒng)和方法)描述本發(fā)明。本發(fā)明的其它實施例也可以被應(yīng)用于在從開環(huán)啟動到閉環(huán)脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式的轉(zhuǎn)變期間利用各種SMPS系統(tǒng)以便在輸出處調(diào)節(jié)目標(biāo)電壓的系統(tǒng)。

SMPS系統(tǒng)通過以快速啟動SMPS系統(tǒng)同時避免過電流狀況的速率將占空比從初始占空比增加到目標(biāo)占空比來啟動。在一個實施例中，占空比增加的速率基于SMPS的輸入電壓Vin和SMPS的開關(guān)頻率f_sw。在一些實施方式中，通過在預(yù)定數(shù)目的開關(guān)周期之后將占空比增加預(yù)定量，占空比斜升。在一些實施例中，啟動程序在開環(huán)模式下執(zhí)行。當(dāng)占空比達到閾值或者SMPS系統(tǒng)的輸出電壓達到目標(biāo)電壓時，進行從啟動模式到開環(huán)模式的轉(zhuǎn)變。該轉(zhuǎn)變之前的占空比值在反饋控制回路的積分器中被初始化，并且SMPS系統(tǒng)在轉(zhuǎn)變到閉環(huán)脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式時使用占空比的這一初始化值。

在實施例中，包括模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的數(shù)字控制器電路、比例-積分-微分(PID)控制器、以及數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器(DPWM)被用于在SMPS的開環(huán)啟動期間控制占空比。在啟動開始時，控制器開始以最小初始占空比驅(qū)動。對于整數(shù)數(shù)目的開關(guān)周期，占空比增加1LSB(或者更多)。逐步降低SMPS系統(tǒng)的啟動時間T_su由以下方程式給出：

$T_{su}=\frac{Vout}{Vin}*\frac{fck}{fsw}*\frac{N}{fsw},---\left(1\right)$

其中Vout是輸出電壓，Vin是輸入電壓，f_ck是用于數(shù)字控制塊的高頻時鐘，而f_sw是SMPS的開關(guān)頻率并且N是整數(shù)值。在實施例中，可以針對400KHz或者2.2MHz的開關(guān)頻率f_sw選擇160MHz的時鐘頻率f_ck。

整數(shù)值N被選擇為使得其為輸入電壓Vin和開關(guān)頻率f_sw的函數(shù)。方程式(1)指示，當(dāng)整數(shù)值N被選擇為與輸入電壓Vin和開關(guān)頻率f_sw成正比的值時，啟動時間T_su可以獨立于輸入電壓Vin并且與開關(guān)頻率f_sw成反比。開關(guān)頻率f_sw還根據(jù)以下關(guān)系受時鐘頻率f_ck控制：

f_ck＝OS*f_sw, (2)

其中OS是表示作為數(shù)字時鐘頻率f_ck的倍數(shù)的開關(guān)頻率f_sw的過采樣因子。在實施例中，對于160MHz的時鐘頻率f_ck和2.2MHz的開關(guān)頻率f_sw而言，OS因子被確定為值72。相似地，對于400KHz的開關(guān)頻率f_sw而言，OS因子被確定為值400。應(yīng)該理解的是，這些OS因子值僅是很多可能值的一個示例。不同的實施例可以基于不同的開關(guān)頻率f_sw和時鐘頻率f_ck。

在降壓SMPS系統(tǒng)的操作的閉環(huán)PWM模式期間，目標(biāo)占空比D與輸入電壓Vin線性相關(guān)，如由以下方程式所示：

D＝Vout/Vin, (3)

其中Vout是SMPS的輸出電壓。在一個示例實施例中，基于40V的輸入電壓和5V的輸出電壓，SMPS被確定為具有12.5％的目標(biāo)占空比。在本實施例中，占空比遞增，直到達到目標(biāo)輸出電壓和/或滿足目標(biāo)占空比。這時，啟動操作的開環(huán)控制結(jié)束，且閉環(huán)操作開始。，PID控制器的積分部分則在從操作的啟動模式轉(zhuǎn)變到閉環(huán)模式之前被以目標(biāo)占空比初始化。這為SMPS提供了從開環(huán)啟動到閉環(huán)PWM模式操作的平滑轉(zhuǎn)變。

本實施例在啟動期間進一步提供反饋控制回路以處理故障狀況。故障狀況可以是過電流情況或者過電壓或者過溫狀況之一。如果在啟動期間出現(xiàn)過電流，則回路將占空比減少LSB或者更多。占空比繼續(xù)遞減，直到故障狀況(即過電流)被去除。在其中SMPS被設(shè)計為驅(qū)動接近過電流限制的高電流負(fù)載的實施例中，具有最小過沖的轉(zhuǎn)變減輕了操作的啟動模式結(jié)束時的任何不想要的過沖情況。

圖1圖示了包括ADC 102、求和器104、PID控制器120、以及DPWM 116的SMPS系統(tǒng)的示例性數(shù)字控制器100的框圖。ADC 102提供SMPS的輸出電壓的數(shù)字化值作為反饋電壓Vfb。通過在求和器104中將Vfb與參考值Vref比較生成誤差值Verr。一般地，誤差值表示系統(tǒng)的需要校正的實際值和期望值之差。誤差值Verr接著被應(yīng)用于PID控制器120內(nèi)的比例路徑106、積分路徑108、以及微分路徑110。在啟動期間，積分路徑108在PID控制器120中可用。一對開關(guān)112被用于將比例路徑106和微分路徑110耦合到PID控制器120的求和結(jié)點。這兩個開關(guān)在啟動期間開啟，并且積分路徑108被用于驅(qū)動DPWM 116。PID控制器120的輸出耦合到DPWM 116以基于積分路徑108的輸出生成占空比。

在啟動期間，積分路徑108將來自求和器104的誤差值Verr積分并且生成用于SMPS的占空比。當(dāng)反饋電壓Vfb達到表示SMPS的輸出電壓的目標(biāo)值時，PID控制器120轉(zhuǎn)變?yōu)殚]環(huán)PWM模式。在一些應(yīng)用中，啟動結(jié)束時目標(biāo)占空比和實際應(yīng)用的占空比之間的失配可以使得SMPS的輸出電壓過沖，這是不期望的。在一些應(yīng)用中，更長的啟動時間被用于覆蓋各種設(shè)計參數(shù)(諸如輸入電壓Vin、補償網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)頻率、以及負(fù)載電流)的變化。在這種情形下，啟動結(jié)束時的占空比可以與在閉環(huán)操作期間所使用的目標(biāo)占空比完全不同。啟動結(jié)束時實際占空比與目標(biāo)占空比的失配可以引起SMPS的不期望的過電流或者過電壓狀況。在其它應(yīng)用中，快速的啟動時間可以引起轉(zhuǎn)變期間的過電流狀況，因為達到目標(biāo)輸出所必要的輸出電壓步長可能必須是大的，以滿足快速的啟動時間。

圖2圖示了使用實施例啟動電路206的SMPS 200，該實施例啟動電路206包括速率計算器216和斜坡生成器218。啟動控制回路與啟動電路206一起操作，從而在SMPS的啟動期間控制占空比的增加速率。該速率在速率計算器216中基于SMPS的輸入電壓VIN和開關(guān)頻率f_sw確定。該速率被用于在斜坡生成器218中生成斜坡，并且該斜坡被提供給脈沖寬度調(diào)制器(PWM)電路210以生成具有不斷增加的占空比的脈沖寬度調(diào)制信號。不斷增加的占空比被用于驅(qū)動模擬驅(qū)動器212，模擬驅(qū)動器212控制SMPS的高側(cè)(HS)和低側(cè)(LS)開關(guān)晶體管的開關(guān)。啟動電路206還使用來自過電流檢測器塊214的OVERCURRENT信號減少脈沖寬度調(diào)制信號的占空比，直到過電流狀況被去除。此外，啟動電路206還負(fù)責(zé)確定何時從SMPS的啟動轉(zhuǎn)變?yōu)殚]環(huán)模式。從啟動轉(zhuǎn)變?yōu)殚]環(huán)的決定是在SMPS的輸出電壓VOUT達到目標(biāo)電壓Vtarget或者占空比達到閾值時做出的?？刂菩盘朣TART_UP是在轉(zhuǎn)變期間在控制復(fù)用器(MUX)208的輸出的啟動電路206中生成的。

啟動操作到閉環(huán)操作之間的轉(zhuǎn)變通過MUX 208從PID控制器204選擇輸出以提供到PWM電路210而發(fā)生。求和器202基于輸出電壓的反饋值Vfb和參考值Vref生成誤差值Verr。誤差值Verr由PID控制器204補償以調(diào)節(jié)SMPS的輸出電壓VOUT。

啟動電路206在轉(zhuǎn)變之前將占空比值存儲在PID控制器204的積分器中。PID控制器204被初始化以接近在轉(zhuǎn)變?yōu)殚]環(huán)操作之前所應(yīng)用的占空比的占空比START_UP_DUTY。占空比的初始化值將轉(zhuǎn)變期間的電壓或者電流的任何過沖最小化，因為所初始化的占空比接近所應(yīng)用的占空比。在一些實施例中，輸出電壓VOUT和輸入電壓VIN通過ADC數(shù)字化。在一些實施例中，斜坡生成器218可以由計數(shù)器實施。在另一實施例中，斜坡生成器218可以通過使用與SMPS的輸入電壓VIN和開關(guān)頻率f_sw成比例的電流值對電容器充電來實施。在一些實施例中，斜坡生成器可以是啟動電路206的一部分或者PWM電路210的一部分。

圖3圖示了啟動控制器系統(tǒng)300的實施例方法310的流程圖。實施例方法在流程圖中提供對啟動控制過程的逐步描述。在步驟302處，發(fā)生重置，其中控制器被重置到根據(jù)SMPS要求設(shè)置的其初始值。流程圖接著移至步驟304，其中控制器生成在開環(huán)啟動控制開始之前的等待時間。等待時間允許SMPS的各種電路在啟動之前準(zhǔn)備好。實施例方法310在步驟312處開始，其中控制器被初始化以初始最小占空比值。在步驟314中，根據(jù)輸入電壓Vin[n]和開關(guān)頻率f_sw計算表示針對每個占空比的開關(guān)周期的數(shù)目的整數(shù)值N。在步驟316中，整數(shù)值N根據(jù)占空比乘以值因子以調(diào)整啟動時間。在一些實施例中，整數(shù)值N被放大，其中SMPS被設(shè)計為針對大的輸出電容器或者針對對啟動時間的獨立調(diào)整而進行調(diào)整。

如圖3所示，流程圖從步驟312轉(zhuǎn)變到步驟318，其中值N(表示針對占空比的每個遞增步長的開關(guān)周期的計數(shù)數(shù)目)被初始化并且控制器通過應(yīng)用初始占空比開始開環(huán)啟動。接著在步驟320中，基于過電流值進行流決定。過電流的值可以例如基于SMPS的負(fù)載要求。如果SMPS經(jīng)歷過電流，則流程圖繼續(xù)到步驟330，其中占空比減少1LSB。占空比減少1LSB，直到過電流狀況被去除。如果沒有過電流，則流程圖繼續(xù)到步驟322，其中進行退出狀況決定。退出狀況決定基于具有等于duty_max值的占空比(duty)值或者等于或者接近目標(biāo)ADC值的ADC值中的至少一種。目標(biāo)ADC值表示SMPS的輸出電壓。當(dāng)做出了退出狀況決定時，流程圖從遞增占空比轉(zhuǎn)變到步驟324。在步驟324中，積分器被初始化以所應(yīng)用的占空比并且流程圖移至步驟306。積分器的初始化保證了從開環(huán)啟動到操作的閉環(huán)PWM模式的平滑轉(zhuǎn)變。

步驟306指示開環(huán)啟動的結(jié)束和操作的閉環(huán)脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式的開始。然而，如果占空比低于duty_max并且ADC值不在目標(biāo)ADC值內(nèi)，則流程圖移至步驟326。在步驟326中，計數(shù)周期與整數(shù)值N比較。如果計數(shù)周期小于N，則流程圖回到具有相同占空比的狀態(tài)320的開始，并且開始對針對每個占空比的開關(guān)周期的數(shù)目進行計數(shù)。如果計數(shù)周期達到整數(shù)值N，則占空比遞增一個LSB，整數(shù)值N被更新并且流程圖回到狀態(tài)320的開始，并且重復(fù)相同的流程。該方法在從啟動操作到閉環(huán)操作的轉(zhuǎn)變期間提供接近所應(yīng)用值的占空比值。占空比的初始化值在開環(huán)操作期間由控制器使用。

圖4圖示了啟動控制器400的另一實施例方法410的第二流程圖。實施例方法410不同于實施例方法310，因為實施例方法410再使用在PID控制器的積分部分中使用的累加器。累加器保持對N累加，直到達到退出狀況，并且當(dāng)檢測到過電流狀況時對負(fù)N進行累加。實施例方法310針對過電流狀況使用分立計數(shù)，而實施例方法410利用PID控制器的在步驟422處的積分器中的累加器，PID控制器在過電流事件期間被調(diào)整以在啟動期間減少SMPS的占空比。步驟402相似于控制器300，其中啟動控制器400被重置為根據(jù)SMPS的設(shè)計的其初始值。接著在步驟404中，啟動控制器包括在其繼續(xù)進行到開環(huán)啟動之前的等待時間。等待時間允許SMPS中的電路在啟動SMPS之前被安排好。接著在步驟412中，啟動控制器400被初始化以根據(jù)輸出電壓和輸入電壓的初始最小占空比值。在步驟414中，根據(jù)SMPS的輸入電壓Vin和開關(guān)頻率f_sw計算整數(shù)值N。N的值可以基于查找表(LUT)計算。

在實施例中，對于小于10V的輸入電壓、2.2MHz的開關(guān)頻率f_sw、160MHz的時鐘頻率f_ck、以及5V的輸出電壓，N的整數(shù)值被確定為8。當(dāng)輸入電壓在10V和20V之間時，整數(shù)值N被確定為16。當(dāng)輸入電壓大于20V時，整數(shù)值N被確定為32。要理解的是，這些整數(shù)值N僅是針對具有不同的開關(guān)頻率f_sw、輸入電壓、以及時鐘頻率f_ck組合的不同實施例確定的很多可能的N值的一個示例。

在步驟426中，N的整數(shù)值乘以值因子，以便針對大的輸出電容器或者針對對啟動時間的獨立調(diào)整而進行調(diào)整。在步驟414中，整數(shù)值N被初始化并且啟動控制器400以初始占空比開始。在步驟418中，基于ADC目標(biāo)值和最大占空比duty_max做出決定。ADC目標(biāo)值是具有一些容忍度的用于輸出電壓的數(shù)字值。容忍度值可以根據(jù)ADC測量的準(zhǔn)確度和SMPS的輸出電壓處的可允許紋波進行選擇。

流程圖繼續(xù)到步驟418以基于等于或者接近目標(biāo)ADC值的輸出電壓值或者達到最大占空比duty_max的占空比來確定退出狀況。當(dāng)滿足了退出狀況時，流程圖繼續(xù)到步驟424，其中所應(yīng)用的占空比被初始化到積分器422作為SMPS的反饋控制回路中的積分器系數(shù)。在將積分器初始化之后，流程圖繼續(xù)到步驟406并且從開環(huán)啟動控制退出到閉環(huán)PWM模式操作。

在步驟418中，如果ADC值不在目標(biāo)內(nèi)和/或占空比未達到最大占空比duty_max，則流程圖繼續(xù)到步驟420。在步驟420中，基于SMPS中的過電流值做出決定。過電流的值可以基于SMPS的負(fù)載電流要求進行選擇。流程圖繼續(xù)到步驟422以更新SMPS的反饋控制回路的積分器中的累加器。累加器在沒有過電流時累加正的整數(shù)值N，然而，在存在過電流情況時累加負(fù)的整數(shù)值N。在步驟422結(jié)束時，值N被更新并且流程圖回到狀態(tài)418的開始，并且重復(fù)相同的流程。本實施例在啟動期間再使用步驟422中的積分器的累加器，并且將附加電路實施方式最小化。

圖5a圖示了針對啟動時段的一部分，實施例啟動控制電路內(nèi)的各種信號的波形圖。標(biāo)記為DPWM COUNTER的信號表示從過采樣OS值100開始倒數(shù)的計數(shù)器的波形。當(dāng)信號DPWM COUNTER倒數(shù)到零時，控制SMPS的開關(guān)周期的信號DPWM COUNTER重置到OS值。標(biāo)記為PWM的信號示出了如下波形，該波形的脈沖寬度基于在被標(biāo)記為DUTY的信號中所示的值而被調(diào)制，并且表示SMPS的開關(guān)周期。SMPS的占空比的實際值是值DUTY的函數(shù)。標(biāo)記為N的信號表示DUTY的值所增加的計數(shù)值。值N表示被用于SMPS的占空比的每個值的開關(guān)周期的數(shù)目。OVERCURRENT信號表示描繪具有非零電平的過電流事件和不存在具有零電平的過電流事件的數(shù)字波形。如圖5a所示，啟動控制電路提供針對每N個PWM周期的不斷減少的DUTY值。DUTY的值在90處開始并且在兩個PWM周期之后減少到89。在不存在過電流事件時，DUTY的值繼續(xù)減少，直到DUTY的值等于閾值或者SMPS的輸出達到目標(biāo)值。

圖5b圖示了針對過電流情況下的實施例在圖5a中描繪的信號的波形圖。信號DPWM COUNTER繼續(xù)從OS值100開始計數(shù)。信號DUTY以值70開始，并且其在如由信號N的值2所示的每兩個開關(guān)周期之后減少。如圖5b所示，過電流事件在PWM的第一周期期間發(fā)生。OVERCURRENT信號升高并且這引起DUTY的值增加到71。DUTY的增加值將實際占空比減少以減少SMPS的輸出電流。當(dāng)OVERCURRENT信號變低時，過電流事件被去除。變低的OVERCURRENT信號指示過電流狀況被去除并且SMPS回到不斷增加的占空比。因此，DUTY的值被減少到70并且在每N個周期之后繼續(xù)減少。

圖5c圖示了在其中SMPS的輸入電壓從9V的值增加到12V的值的情形下，針對本實施例的圖5a和圖5b中描繪的信號的另一波形圖。SMPS的輸入電壓由圖5c中的信號VIN表示。圖5c示出了啟動時段的一部分，如圖5a和圖5b所示那樣以如由信號N的值所示那樣每2個PWM周期減少的信號DUTY開始。信號DUTY從90開始并且在信號PWM的兩個周期之后減少。在VIN信號從9V上升到12V時(指示SMPS的輸入電壓上升)，啟動控制電路通過將信號N的值從2增加到4而對其作出反應(yīng)。信號DUTY在每4個PWM周期(如通過信號PWM看到的)之后減少其值，信號PWM在4個周期之后改變其脈沖寬度。因此，信號DUTY在4個PWM周期之后從88減少到87。

圖6圖示了包括誤差放大器602、pnp雙極晶體管T1、補償網(wǎng)絡(luò)604、以及脈沖寬度調(diào)制(PWM)生成器606的示例啟動系統(tǒng)600?；趨⒖茧妷篤REF和來自SMPS輸出的反饋電壓VFB，誤差放大器602生成誤差電壓VERR。補償網(wǎng)絡(luò)604跨誤差放大器602的反相輸入和輸出連接。補償網(wǎng)絡(luò)部件的合適值被選擇為設(shè)置SMPS的回路的帶寬。誤差放大器602的輸出連接到PWM生成器606的輸入，PWM生成器606基于從誤差放大器602輸出接收的輸入生成占空比。雙極晶體管T1被用于將誤差放大器602輸出鉗位到由PIN處的電壓固定的值，在PIN處連接外部電容器Css。偏置電流Iss被用于對耦合到PIN的pnp晶體管T1的基極充電，并且T1的基極節(jié)點的轉(zhuǎn)換速率控制去往PWM生成器606的輸入的發(fā)射極。

啟動時間由電流值Iss和電容器值Css控制。T1的基極節(jié)點處的電壓斜坡速率以由以下方程式給出的速率上升：

dV/dt＝Iss/Css, (4)

其中Iss是對電容器Css充電的電流。這一斜坡速率dv/dt控制以相同速率改變占空比的PWM生成器606的輸入。在一些實施例中，改變Css或者Iss的值以增加或者減少SMPS的啟動時間。啟動系統(tǒng)600針對被集成在單個IC中的SMPS的不同應(yīng)用而利用額外的引腳(pin)和外部電容器。在一些應(yīng)用中，電容器控制SMPS的開關(guān)頻率和啟動時間。據(jù)此，不同值的電容器被用于不同的開關(guān)頻率、啟動時間、以及輸入電壓。

圖7圖示了使用諸如電流源之類的模擬部件控制啟動期間的占空比的本發(fā)明的實施例。系統(tǒng)使用不同的電流源對電容器充電或者放電以控制方程式4中描述的電壓的轉(zhuǎn)換速率。電流源被選擇為使得它們與SMPS的輸入電壓Vin和開關(guān)頻率f_sw成比例。如圖7所示，啟動控制系統(tǒng)700被附加到在圖6中描述的啟動系統(tǒng)600，其中啟動時間由電流源I1控制，電流源I1具有與輸入電壓Vin的由以下方程式給出的線性關(guān)系：

I1＝K1*Vin, (5)

其中K1是常數(shù)。啟動時間進一步由第二電流源I2控制，第二電流源I2具有與開關(guān)頻率f_sw的由以下方程式給出的線性關(guān)系：

I2＝K2*f_sw, (6)

其中K2是另一常數(shù)。在過電流狀況期間使用預(yù)定值的第三電流源I3。在實施例中，啟動時間由被用于對外部電容器Css充電的電流的量控制。在其它實施例中，電容器Css可以被集成在IC內(nèi)部。雙極晶體管T1的基極節(jié)點中生成的斜坡由發(fā)射極以電壓移位復(fù)制。T1的發(fā)射極的轉(zhuǎn)換速率控制SMPS的啟動時間?；鶚O節(jié)點的充電速率是跨電容器Css的電流Ibias、I1、以及I2的和。因此，如果輸入電壓Vin和/或開關(guān)頻率f_sw改變，則電流I1和I2也改變并且相應(yīng)地調(diào)整SMPS的啟動時間。在應(yīng)用中，大的輸入電壓Vin導(dǎo)致大的電流I1值，這導(dǎo)致基極節(jié)點的長的或者緩慢的斜坡時間并且因此導(dǎo)致緩慢的啟動時間。

在另一應(yīng)用中，大的I2值轉(zhuǎn)化為對pnp晶體管T1的基極節(jié)點充電的大的電流值，并且因此轉(zhuǎn)化為短的啟動時間。快速的開關(guān)頻率f_sw轉(zhuǎn)化為高的I2值和快速的啟動時間。實施例還提供控制以通過具有當(dāng)檢測到過電流狀況時被切換的電流I3來減少占空比。設(shè)計得合適的電流源I3的值降低應(yīng)用到脈沖寬度調(diào)制(PWM)生成器606的電壓，并且生成更低的占空比。在其它實施例中，pnp晶體管T1可以被金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管代替。

圖8圖示了使用了閉環(huán)方法的用于SMPS的另一實施例啟動控制系統(tǒng)800。啟動控制系統(tǒng)800包括數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)804，DAC 804以與SMPS的輸入電壓Vin和開關(guān)頻率f_sw成比例的速率被遞增。時鐘被用于使用從查找表(LUT)812生成的計數(shù)值P的計數(shù)器802?；赟MPS的輸入電壓Vin和開關(guān)頻率f_sw計算計數(shù)值P。啟動時間由DAC 804輸出的遞增速率控制。DAC 804輸出被提供到誤差放大器(EA)810，誤差放大器810將SMPS的輸出電壓的反饋值Vfb和DAC 804輸出之間的誤差積分。誤差放大器810的輸出被提供到PWM生成器電路以生成PWM占空比。當(dāng)DAC 804輸出值達到參考值Vref時，誤差放大器的輸入被替換以參考值Vref?；芈方又D(zhuǎn)變?yōu)殚]環(huán)操作，并且開始基于參考值Vref和反饋值Vfb之間的誤差生成占空比。

通過減少DAC 804輸出直到過電流狀況被去除，來處理過電流情況。誤差放大器810的輸入由復(fù)用器(MUX)808控制，MUX 808在DAC 804輸出和參考值Vref之間進行選擇。誤差放大器810在啟動模式期間使用DAC 804輸出，并且在PWM模式期間其選擇作為SMPS的目標(biāo)輸出電壓的參考值Vref。由PWM生成的占空比隨DAC 804輸出值增加而增加。SMPS輸出電壓隨占空比增加而增加。MUX 808輸出由比較器806的輸出控制，比較器806將DAC 804輸出和參考值Vref進行比較。在其它實施例中，使用復(fù)雜算法或者微控制器或者數(shù)字信號處理器(DSP)計算計數(shù)值P。

圖9圖示了用于啟動開關(guān)模式電源(SMPS)的實施例方法900的流程圖。該方法在步驟902處開始，其中測量最小初始占空比并且在啟動開始時應(yīng)用該最小初始占空比。流程圖接著移至步驟904，其中最小初始占空比在每N個計數(shù)時遞增，同時SMPS以開環(huán)模式啟動?；赟MPS的輸入電壓Vin和開關(guān)頻率f_sw計算N的值。在步驟906中，占空比遞增，直到達到目標(biāo)電壓或者最大占空比值。如果檢測到故障狀況則占空比遞減。故障狀況可以包括SMPS的過電流、過電壓、電壓不足、以及過溫狀況中的至少一種。最后在步驟908處，發(fā)生從開環(huán)啟動模式到閉環(huán)脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式的轉(zhuǎn)變。僅當(dāng)SMPS達到目標(biāo)電壓或者SMPS的占空比達到最大占空比值時發(fā)生轉(zhuǎn)變。在SMPS進行從開環(huán)啟動模式到閉環(huán)PWM模式的轉(zhuǎn)變之前，轉(zhuǎn)變期間的占空比值被初始化至SMPS的反饋控制回路的積分器。

圖10圖示了用于啟動SMPS的另一實施例方法1000的流程圖。該方法在步驟1002處開始，其中確定了脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號的增加速率。該速率是基于SMPS的輸入電壓Vin和開關(guān)頻率f_sw確定的。流程移至步驟1004，其中基于在步驟1002中確定的增加速率生成脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號。

本發(fā)明的實施例可以被應(yīng)用于不同的SMPS啟動控制電路。在一些實施例中，不同的啟動時間可以被設(shè)計用于不同的輸入電壓。

根據(jù)各種實施例，電路或者系統(tǒng)可以被配置為憑借具有安裝在系統(tǒng)上的在操作中使得系統(tǒng)執(zhí)行行動的硬件、軟件、固件、或者它們的組合來執(zhí)行特定操作或者行動。一個通用方面包括操作開關(guān)模式電源(SMPS)的方法。該方法包括啟動開關(guān)模式電源，啟動包括基于SMPS的輸入電壓和開關(guān)頻率確定脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號的占空比的增加速率；以及根據(jù)所確定的增加速率生成具有占空比的PWM信號。

實施方式可以包括以下特征中的一個或者多個。該方法中，PWM信號的占空比增加直到達到退出狀況。該方法中，退出狀況包括SMPS的輸出電壓達到目標(biāo)電壓和占空比達到閾值中的至少一個。該方法中，退出狀況進一步包括SMPS從啟動轉(zhuǎn)變?yōu)殚]環(huán)PWM模式操作。該方法中，SMPS的啟動進一步包括檢測過電流狀況。該方法進一步包括當(dāng)檢測到過電流時減少PWM信號的占空比。該方法中，確定速率包括使用查找表(LUT)。該方法中，所確定的速率與SMPS的輸入電壓和開關(guān)頻率成比例。

在一些實施例中，SMPS的啟動進一步包括生成占空比的初始值，基于第一值遞增占空比的初始值，當(dāng)檢測到故障狀況時遞減占空比，以及存儲在退出狀況期間生成的第二值以用于在開環(huán)PWM模式下使用。在一些實施例中，生成初始值包括使用查找表(LUT)。第一值可以是SMPS的積分比例微分(PID)控制器中的積分器的輸出。故障狀況可以是過電流狀況、過溫狀況、電壓不足狀況、以及過電壓中的至少一種。在一些實施例中，存儲第二值包括將第二值存儲在可以包括累加器的數(shù)字存儲元件中。備選地，存儲第二值包括將第二值存儲在可以使用電容器實施的模擬存儲元件中。

另一通用方面包括開關(guān)模式電源控制器，該開關(guān)模式電源控制器具有：脈沖寬度調(diào)制器；啟動控制電路，包括被配置為基于輸入電壓和開關(guān)頻率確定用于啟動開關(guān)模式電源的占空比的改變速率的斜率計算電路；以及斜率生成器，具有耦合到脈沖寬度調(diào)制器的控制輸入的輸出，其中斜率生成器被配置為根據(jù)所確定的改變速率產(chǎn)生斜率。

實施方式可以包括以下特征中的一個或者多個。開關(guān)模式電源控制器包括耦合在開關(guān)模式電源的反饋輸出和脈沖寬度調(diào)制器的輸入之間的動態(tài)控制器。開關(guān)模式電源控制器可以進一步包括退出狀況檢測器和耦合到退出狀況檢測器和脈沖寬度調(diào)制器的輸入的選擇電路。選擇電路可以被配置為基于由退出狀況檢測器檢測的退出狀況將脈沖寬度調(diào)制器的輸入路由到動態(tài)控制器的輸出和斜率生成器的輸出中的一個。在另一實施例中，退出狀況檢測器被配置為檢測開關(guān)模式電源的輸出信號何時達到目標(biāo)值。退出狀況檢測器可以被進一步配置為檢測開關(guān)模式電源的過電流狀況。在實施例中，動態(tài)控制器包括積分器，并且啟動控制器被配置為在檢測到退出狀況時使用占空比值將積分器初始化。

在一些實施例中，開關(guān)模式電源控制器進一步包括：耦合在開關(guān)模式電源的反饋輸出和脈沖寬度調(diào)制器的輸入之間的動態(tài)控制器；和被配置為將動態(tài)控制器的輸出限制于斜率生成器的輸出值的限制器電路。在一些實施例中，斜率生成器包括計數(shù)器。在又一實施例中，斜率生成器包括耦合到電容器的可控電流源；使得可控電流源被配置為基于所確定的改變速率提供電流。

又一通用方面包括開關(guān)模式電源(SMPS)系統(tǒng)，該開關(guān)模式電源系統(tǒng)具有：動態(tài)控制器；斜率計算器，被配置為基于SMPS的輸入電壓和脈沖寬度調(diào)制信號的開關(guān)頻率計算用于啟動SMPS的脈沖寬度調(diào)制信號的占空比的斜率；斜率生成器，具有輸出，被配置為根據(jù)所計算的斜率產(chǎn)生有斜率信號；模式選擇電路，被配置為在SMPS的啟動模式期間選擇斜率生成器的輸出并且在SMPS的閉環(huán)操作模式期間選擇動態(tài)控制器的輸出；以及脈沖寬度調(diào)制器，耦合到模式選擇電路的輸出。

在一些實施例中，模式選擇電路被配置為當(dāng)SMPS的輸出達到目標(biāo)電壓時將SMPS從啟動模式轉(zhuǎn)變?yōu)殚]環(huán)操作模式。

實施例的優(yōu)勢包括基于開關(guān)頻率f_sw控制啟動時間的能力。在啟動結(jié)束時生成的占空比提供了開環(huán)啟動和閉環(huán)PWM之間的平滑轉(zhuǎn)變。一些實施例可以消除在從啟動SMPS到在PWM模式下操作SMPS的轉(zhuǎn)變時的任何過電流或者過電壓情況。通過減少占空比直到將過電流狀況去除，一些實施例的又一優(yōu)勢包括故障處理(諸如過電流狀況)的穩(wěn)健處理。

雖然參照說明性實施例描述了本發(fā)明，但是這一描述不旨在被解釋為限制意義。說明性實施例以及本發(fā)明的其它實施例的各種修改和組合，將在參照描述時對本領(lǐng)域技術(shù)人員變得明顯。因此，所旨在的是，所附權(quán)利要求包含任何這種修改或者實施例。