申请/专利权人：瑞萨电子美国有限公司

申请日：2018-07-13

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN109256945B

主分类号：H02M3/07

分类号：H02M3/07;H02M1/08

优先权：["20170714 US 62/532,829"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2020.07.24#实质审查的生效;2019.01.22#公开

摘要：根据某些方面，本实施方式基于改进的开关电容SC转换器拓扑，SC转换器拓扑典型地不包括电感器。特别地，拓扑包括配置为电容分压器的梯形SC电路。电容分压器可用于提供未调节的输出电压Vout，未调节的输出电压Vout是输入电压Vin的几例如2分之一，例如Vin2即，占空比≈50％。在用于该拓扑的PWM控制方案的一些实施方式中，PWMOFF脉冲是自由运行的，由定时器和VOUT比较器的逻辑组合确定。PWMOFF脉冲宽度经测量并用作最小PWMON定时器的参考。因此，PWMON脉冲被强制至少是与PWMOFF脉冲成比例的最小宽度。可以添加UVOV保护窗口，以忽略负载瞬变期间的最小PWMON定时器。

主权项：1.一种用于开关电容转换器的控制器，所述控制器产生用于将输入电压转换为输出电压的PWM信号，所述PWM信号具有PWMOFF部分和PWMON部分，PWMOFF部分和PWMON部分共同限定了所述PWM信号的占空比，所述控制器包括：PWMOFF逻辑块，通过将所述输出电压和与所述输入电压成比例的电压进行比较来产生所述PWM信号的所述PWMOFF部分；和PWMON逻辑块，测量所述PWM信号的所述PWMOFF部分的OFF持续时间，并且被配置为使所述PWM信号的所述PWMON部分具有基于所述OFF持续时间的ON持续时间。

全文数据：用于提供最小ON时间的PWM控制方案相关申请的交叉引用本申请要求2017年7月14日提交的美国临时专利申请No.62532,829的优先权，在此通过引用将其全部内容并入。技术领域本实施方式涉及移动电源管理，并且更具体地涉及提供最小ON时间的PWM控制方案。背景技术DC-DC转换器从输入源例如，主电源，电池等接收输入电压并使用它来向负载例如，计算机，物联网设备等提供输出电压。传统的DC-DC转换器经常采用包括电感器和诸如功率MOSFET的功率开关的拓扑。这种基于电感器的拓扑存在问题和或它们存在某些设计考虑因素，这些因素通常不容易解决。发明内容根据某些方面，本实施方式基于改进的开关电容SC转换器拓扑，该SC转换器拓扑典型地不包括电感器。特别地，所述拓扑包括配置为电容分压器的梯形SC电路。电容分压器可用于提供未调节的输出电压Vout，未调节的输出电压Vout是输入电压Vin的几例如2分之一，例如Vin2即，占空比≈50％。在用于该拓扑的PWM控制方案的一些实施方式中，PWMOFF脉冲是自由运行的，由定时器和VOUT比较器的逻辑组合确定。PWMOFF脉冲宽度经过测量并用作最小PWMON定时器的参考。因此，PWMON脉冲被强制至少是与PWMOFF脉冲成比例的最小宽度。可以添加UVOV保护窗口，以忽略负载瞬变期间的最小PWMON定时器。附图说明通过结合附图阅读以下具体实施方式的描述，本发明的这些和其他方面和特征对于本领域技术人员将变得显而易见，其中：图1是表示具有电容分压器拓扑的示例性电压调节器的方框图；图2A和2B表示在电容分压器拓扑中对飞跨电容器充电和放电的操作方面；图3是表示用于实现可变频率调制的一个示例性传统方法的方框图；图4是表示根据本实施方式的用于提供具有至少最小ON时间的PWM信号的示例性PWM控制器的方框图；图5是表示根据本实施方式的用于产生PWMOFF信号的示例性逻辑块的方框图；图6是表示根据本实施方式的用于产生具有至少最小持续时间的PWMON信号的示例性逻辑块的方框图；图7是表示根据本实施方式的用于产生最终PWM信号的示例性逻辑块的方框图；和图8是表示根据本实施方式的示例性PWMON时间控制方法的流程图。具体实施方式现在将参考附图详细描述本发明的实施方式，附图被提供作为实施方式的说明性示例，以使得本领域技术人员能够实践对本领域技术人员显而易见的实施方式和替代方案。值得注意的是，下面的附图和示例并不意味着将本实施方式的范围限制为单个实施方式，通过互换一些或所有所描述或示出的元件，其他实施方式也是可能的。此外，在使用已知部件可以部分或完全实现本实施方式的某些元件的情况下，将仅描述对于理解本实施方式所必需的这些已知部件的那些部分，并且将省略对这些已知部件的其他部分进行详细描述，以免模糊本实施方式。如本领域技术人员将显而易见的，描述为以软件实现的实施方式不应限于此，而是可包括以硬件实现的实施方式，或软件和硬件的组合，反之亦然，除非本文另有说明。在本说明书中，示出单个部件的实施方式不应被视为限制；相反，除非本文另有明确说明，否则本公开内容旨在涵盖包括多个相同部件的其他实施方式，反之亦然。此外，除非明确说明，否则申请人不打算将说明书或权利要求书中的任何术语赋予不常见或特殊含义。此外，本发明的实施方式包括本文中通过说明的方式提及的已知部件的当前和未来可知的等同物。根据某些方面，本实施方式基于改进的开关电容SC转换器拓扑，该SC转换器拓扑典型地不包括电感器。特别地，拓扑包括配置为电容分压器的梯形SC电路。电容分压器可用于提供未调节的输出电压Vout，未调节的输出电压Vout是输入电压Vin的几例如2分之一，诸如Vin2即，占空比≈50％。因此，例如它可用于从2S电池产生1S电压。由于它具有无电感拓扑，与基于电感的拓扑相比，可以实现相对较小的电路板空间、降低的损耗和高效率96％，特别是在轻负载条件下。例如，基于负载条件，使用可变频率调制VFM方案来调制栅极驱动信号。图1是表示用于SC转换器的示例性电容分压器拓扑的方框图。如该示例所示，输入电压Vin由2S电池提供。示例Vout被示为等效于1S电池即，Vout＝Vin2。栅极驱动器102驱动耦接在Vin、Vout与地之间的四个开关例如NFET104，以便对飞跨电容器Cfly106充电和放电，由此将能量从输入传输到输出。如图1中进一步所示，栅极驱动信号被发送到栅极驱动器102以驱动NFET104，如下面将更详细描述的。栅极驱动信号具有开关频率Fs、开关周期Ts和占空比D，在这种情况下，由于在所示实施方式中输入和输出电压Vin和Vout的比率，理想情况下占空比D约为50％。然而，对于该实施方式和其他实施方式例如，Vout＝Vin3，Vout＝Vin4，Vout＝2Vin，Vout＝3Vin，Vout＝4Vin等，其他占空比也是可能的，以实现某些性能指标，例如效率、纹波或声噪声。此外，尽管在该示例中Vin被示为由电池提供，但是其他类型的电源也是可能的，例如来自适配器、移动电源或提供足够DC电压的其他电源的电力。Vout可以提供给任何类型的负载，例如CPU电压调节器、电子负载、电池、便携式设备、物联网设备等。如本领域技术人员将理解的，图1中所示的开关电容转换器采用梯形拓扑，该拓扑可以容易地扩展到需要其他Vout-Vin比率的其他实施方式。例如，通过添加两个或更多个开关电容即，飞跨电容器和相关的开关，图1的电路可适用于提供Vout＝Vin3比率和或Vout＝2Vin3比率。然而，为了本发明的清楚起见，这里将省略其进一步的细节。还应注意，本实施方式不限于梯形拓扑，并且其他拓扑也是可能的，诸如串并联拓扑、倍增拓扑等，并且本领域技术人员将能够理解如何在由本示例教导之后，在这样的其他拓扑中实现本实施方式。图2A和2B更详细地表示根据实施方式的开关电容DC-DC转换器的操作方面。如图2A所示，为了对飞跨电容器Cfly充电，NFETQ2和Q4接通，同时NFETQ1和Q3断开例如，根据PWMOFF脉冲。这使得飞跨电容器Cfly从输入充电具体地，将电荷从“去耦”电容器C2转移到Cfly，电容器C2通过Q2和Q4切换为与Cfly并联。如图2B所示，为了使飞跨电容器Cfly放电，NFETQ1和Q3接通，同时NFETQ2和Q4断开例如，根据PWMON脉冲，这导致电容器放电到输出具体地，将电荷从Cfly转移到“输出”电容器C1，电容器C1通过Q1和Q3切换为与Cfly并联，从而在输出建立输出电压Vout。因此，飞跨电容器的充电和放电操作导致从输入到输出的能量转移。如上所述，尽管占空比D可以基于所需的降压或输入-输出电压转换比率n例如，n＝12保持基本恒定，但是仍需要开关频率Fs的可变频率调制方案来改善性能指标，诸如效率、纹波和声噪声。一种调制方法称为基于Vin-阈值的调制。在该方法中，其示例在图3中示出，基于比较器302的输出调节栅极驱动信号的产生。该方法需要两个感测电路304、306一个用于VIN，一个用于Vout以及比较器302。基于比较VIN*n-VIN阈值和Vout的结果，由逻辑308执行可变频率调制。在该示例中，脉冲宽度调制PWM控制方案是将Vout与缓冲阈值即，VIN2-60mV进行比较。本申请人认识到，由于诸如电路板和部件寄生的问题，Vout反馈信号经常失真并导致不稳定的PWMON脉冲和抖动性能。因此需要解决这些和其他问题的方案。一种可能的方案涉及差分感测飞跨电容器上的电压并将其与基于VIN的窗口电压进行比较以产生PWM信号。这需要高压差分放大器、更复杂的设计并且也可能难以满足低偏置电流需求。另一种可能的解决方案涉及输出电流的差分感测以适合预定义的频率-负载曲线。然而，在该技术中，在轻负载时，电流感测信号可能太小并且可能需要滤波和放大，使得难以满足低偏置电流需求。图4中示出了表示根据本实施方式的PWM控制方案的示例性实施方案的方框图。根据某些方面，在诸如图4中所示的SC转换器控制器402的实施方式中，PWMOFF脉冲由逻辑块404产生并且是自由运行的，例如由定时器和VOUT比较器的逻辑组合确定。来自逻辑块404的PWMOFF脉冲宽度由PWMON逻辑块406测量，并用作确定PWMON脉冲的最小时间的参考。因此，取决于所需的VINVOUT比率，PWMON脉冲可以至少被强制为与PWMOFF脉冲相同或成比例的最小宽度。逻辑块404和406的输出由PWM逻辑块408组合，PWM逻辑块408将最终的PWM信号提供给栅极驱动器410。栅极驱动器410可以类似于传统的控制器实现，如上面结合图1和2所述，因此，不需要进一步的细节以理解本实施方式。例如，在逻辑块408或控制器402中可以包括欠压和或过压UVOV保护，以便忽略负载瞬变期间的最小PWMON定时器。图5是表示PWMOFF逻辑块404的示例性实施方案的方框图。在该示例性实施方案中，类似于图3中所示的方法，PWMOFF信号的产生取决于比较器502的输出。感测电路504感测并缓冲由分压器506建立的输入电压VIN的几分之一例如VIN2。该缓冲电压由DAC508减小例如，减小60mV以建立阈值电压VTH。比较器502因此比较VTH和Vout，并且基于比较结果产生输出COMPOUT，输出COMPOUT被提供给PWM逻辑512。通常，PWM逻辑512因此输出输出信号PWMi，在Vout上升至高于VTH时，输出信号PWMi转变为低状态即，PWMOFF。但是如图5的示例中进一步示出的那样，PWM逻辑512还可接收最小频率和最大频率，因此在该示例中，PWMOFF可以是COMPOUT和期望的开关频率范围的逻辑组合。在该配置中，PWM逻辑512操作使得PWMOFF在一般操作中基本上是自由运行的。然而，PWM逻辑512还可从欠压UV保护电路514接收信号VOUT2LOW以及可从过压OV保护电路未示出接收信号。这可提供额外的操作保护，这将从下面的示例中变得明显。图6是表示PWMON逻辑块406的示例性实施方案的方框图。如该示例性实施方式所示，PWMON逻辑块406包括乒乓电路602，乒乓电路602经切换使得当来自逻辑块404的PWMi信号为低时即，在PWMOFF期间或PWMNi为高，电流源604对电容器606充电，当PWMi信号为高时，电流源604对电容器608充电。本质上，在该示例中，乒乓电路602的电容器606和608的充电和放电用于测量PWMOFF脉冲的宽度即持续时间，该测量可以使PWMON脉冲具有相同的宽度和或持续时间。更具体地，比较器610将来自乒乓电路602的输出VIN与阈值进行比较，并且每当乒乓电路602的输出高于阈值电压时，比较器610的输出OUT为高。如该示例所示，当PWMi为高时即，在PWMON期间，比较器610使用的阈值电压是来自电容器606的可变参考VREF2。VREF2的值对应于PWMOFF脉冲的持续时间，该信息存储在电容器606上。因此，每当电容器608在PWMON期间充电到与PWMOFF期间电容器606充电相同的电平时即，对应于PWMOFF脉冲的宽度，比较器610的输出变高，由此使PWMON脉冲的宽度被强制为与先前的PWMOFF脉冲相同。明显的是，对于12的期望占空比，电容器606和电容器608的值应尽可能彼此接近。进一步明显的是，可以使用电容器606和608的不同值来实现不同的占空比和最小PWMON时间。在该示例中，PWMON逻辑块406产生输出信号PWMfN和PWMrN，输出信号PWMfN和PWMrN最初分别基于由PWMOFF逻辑块404产生的PWMi和PWMNi信号。更具体地，每当PWMi为高或者比较器610的OUT为高时，PWMfN为高。每当PWMi为低即PWMOFF，或当PWMNi为高时或者比较器610的OUT为高时，PWMrN为高。显而易见，该配置允许由PWMOFF逻辑块404产生的PWMi信号被比较器610的输出改写，由此允许控制PWMON脉冲的宽度即，对应于PWMfN脉冲的持续时间与乒乓电路602测量的PWMOFF脉冲的宽度相同。如该示例中进一步所示，PWMON逻辑块406还包括比较器612和逻辑电路614，它们协作以产生附加输出PWMISHIGH。本示例中使用该信号以确保PWMON脉冲至少为800ns即，在本例中最大开关频率为600MHz，并确保VOUT2LOW故障条件仅在PWMISHIGH信号设置为高时有效，以下变得更加明显。这是一种额外的逻辑保护，可防止误触发。此外，应当显而易见的是，在该示例性实施方式中，在PWMOFF期间，OFF脉冲越长，VREF2的值越大。由于对于非常长的OFF脉冲例如在非常轻的负载条件期间，VREF2可达到VDD电源电压并且饱和，因此存在可逆计数器未示出。每当VREF2达到1.2V时，计数器增加1，电容器606通过短脉冲CNDISCHIC1放电。然后，电容器606再次由电流源604充电，并且该过程重复直到PWM变高。然后在PWMON期间，VREF2非1.2V和可逆计数器一起用作最小ON时间比较器610的参考，这基本上强制最小ON脉冲至少与先前的OFF时间相同。图7是说明表示PWM逻辑块408的示例性实施方案的方框图。通常，由D触发器710最终输出的PWM信号将具有PWMON时间，PWMON时间具有与由PWMON逻辑块706输出的PWMfN的持续时间相对应的持续时间，但具有额外的安全措施。更具体地，如该示例中所示，每当VOUT2LOW、COMPOUT和PWMISHIGH都为高时，AND门702输出高信号。OR门704接收来自AND门702的输出以及来自PWMON逻辑块406的PWMfN信号，因此每当AND门702的输出为高或PWMfN信号为高时，OR门704输出高信号。这允许即使在PWMfN信号不是ON时，例如，在VOUT太低即UV保护时，也强制PWMON信号为ON。如该示例中进一步所示，NAND门706接收来自OR门704的输出以及来自PWMON逻辑块406的COMPOUT和PWMrN信号。因此，每当所有信号COMPOUT，PWMrN和OR门704的输出为高时，NAND门706的输出为低，每当其中一个信号为低时，NAND门706的输出为高。NAND门708接收来自NAND门706的输出和ForceEdgeN，因此当两个输入都为高时，输出COMPOUT2低信号，每当其中一个输入为低时，输出高信号。这进一步允许强制最大PWMONOFF脉冲例如，针对62Hz的最小开关频率。来自NAND门706的输出COMPOUT2其通常对应于PWMfN信号，但如上所述可能被修改被提供给D触发器710的时钟输入。因此，D触发器710的Q输出基于信号COMPOUT2的转变使PWM信号在高状态与低状态之间切换，并且如上所述，PWMON信号大致具有与PWMOFF信号相同的持续时间。图8是根据实施方式的示例性频率调制方法的流程图。如该示例所示，在步骤S802中，产生PWMOFF信号。这可以基于VOUT和期望的降压比，并且可以以大致自由运行的方式完成。例如，如上所述，每当VOUT高于VTH例如，基于针对期望的降压比12的VIN2时，就产生PWMOFF，只要最终的PWM信号落在该示例中所需的开关频率范围内就可以。在步骤S804中，测量PWMOFF信号的持续时间即，宽度。例如，如上所述，这可以通过在PWMOFF脉冲的持续时间内将电容器充电到阈值电压来实现。在步骤S806中，在PWMOFF信号转变之后，使用PWMOFF信号的测量时间产生PWMON信号。例如，这可通过将具有与用于PWMOFF脉冲的电容器相同的值的电容器充电到相同的阈值，并且至少在达到阈值以前都保持PWMON信号来完成。可连续重复上述步骤，直到负载不需要电力。尽管已经参考优选实施方式具体描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员应该容易明白，在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以对形式和细节进行改变和修改。所附权利要求书旨在涵盖这些变化和修改。

权利要求：1.一种用于开关电容转换器的控制器，所述控制器产生用于将输入电压转换为输出电压的PWM信号，所述PWM信号具有PWMOFF部分和PWMON部分，PWMOFF部分和PWMON部分共同限定了所述PWM信号的占空比，所述控制器包括：PWMOFF逻辑块，产生所述PWM信号的所述PWMOFF部分；和PWMON逻辑块，测量所述PWM信号的所述PWMOFF部分的OFF持续时间，并且被配置为使所述PWM信号的所述PWMON部分具有基于所述OFF持续时间的ON持续时间。2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述占空比是12，并且所述ON持续时间与所述OFF持续时间基本相同。3.根据权利要求1所述的控制器，其中所述PWMOFF逻辑块通过将所述输出电压和与所述输入电压成比例的电压进行比较来产生所述PWM信号的所述PWMOFF部分。4.根据权利要求1所述的控制器，其中所述PWMON逻辑块包括第一电容器，所述第一电容器在所述PWMOFF部分期间被充电，以便测量所述PWM信号的所述OFF持续时间。5.根据权利要求4所述的控制器，其中所述PWMON逻辑块进一步包括第二电容器，所述第二电容器在所述PWMON部分期间被充电，其中所述第二电容器上的电压用于控制所述PWM信号的所述ON持续时间。6.根据权利要求1所述的控制器，其中所述PWMOFF逻辑块进一步包括欠压保护电路。7.根据权利要求1所述的控制器，进一步包括最小开关频率保护电路。8.根据权利要求1所述的控制器，进一步包括最大开关频率保护电路。9.一种用于控制开关电容转换器的方法，所述开关电容转换器基于PWM信号将输入电压转换为输出电压，所述PWM信号具有PWMOFF部分和PWMON部分，PWMOFF部分和PWMON部分共同限定了所述PWM信号的占空比，所述方法包括：产生所述PWM信号的所述PWMOFF部分；测量所述PWM信号的所述PWMOFF部分的OFF持续时间；和使所述PWM信号的所述PWMON部分具有基于所述OFF持续时间的ON持续时间。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述占空比是12，并且所述ON持续时间与所述OFF持续时间基本相同。11.根据权利要求9所述的方法，其中通过将所述输出电压和与所述输入电压成比例的电压进行比较来产生所述PWM信号的所述PWMOFF部分。12.根据权利要求9所述的方法，其中测量所述PWMOFF信号的所述OFF持续时间包括在所述PWM信号的所述PWMOFF部分期间对第一电容器充电。13.根据权利要求12所述的方法，其中使所述PWM信号的所述PWMON部分的所述ON持续时间基于所述OFF持续时间包括在所述PWMON部分期间对第二电容器充电，以及使用所述第二电容器上的电压来控制所述PWM信号的所述ON持续时间。14.根据权利要求9所述的方法，进一步包括针对所述输出电压的欠压状况提供保护。15.根据权利要求9所述的方法，进一步包括针对所述PWM信号的最小开关频率提供保护。16.根据权利要求9所述的方法，进一步包括针对所述PWM信号的最大开关频率提供保护。

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