專利名稱：直流-直流變換器方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直流-直流變換器方法和電路。
背景技術(shù)：
用于計(jì)算機(jī)、個(gè)人數(shù)字輔助裝置、蜂窩電話及其它手持移動(dòng)電子設(shè)備和系統(tǒng)的電 源具有嚴(yán)格要求。兩種類型的變換器用來(lái)滿足這些要求。一種類型是脈沖寬度調(diào)制(PWM) 變換器，而另一種是磁滯(波紋)變換器。帶有PWM或磁滯控制器的典型單模式直流-直 流變換器8表示在圖Ia中。變換器8帶有一個(gè)PWM控制器12或一個(gè)磁滯控制器14?？?制器的輸出驅(qū)動(dòng)輸出開關(guān)的柵極，典型地是上部和下部金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (mosfet)式功率晶體管16、18。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管在一個(gè)切換節(jié)點(diǎn)20處連 接在一起。在高輸出電流電平下，帶有一個(gè)同步整流器的PWM控制器提供有效和可控制的 輸出調(diào)節(jié)。對(duì)于小輸出電流，在固定頻率PWM模式中操作的直流-直流變換器的效率變低， 因?yàn)镻WM切換損失成為主要的。另一方面，磁滯變換器對(duì)于小輸出電流是有效的，但對(duì)于大 輸出電流是無(wú)效的。對(duì)系統(tǒng)的要求在短到幾微秒的時(shí)間內(nèi)能從幾十安到幾十毫安變化。為了滿足可變 和常常不一致的電流要求，多種直流-直流變換器，特別是用在移動(dòng)系統(tǒng)中的那些，包括一 個(gè)脈沖寬度調(diào)制(PWM)變換器和一個(gè)磁滯變換器。這種雙模式控制器提供在寬負(fù)載電流電 平范圍上的高效率。一種典型的雙模式變換器10表示在圖Ib中。變換器10帶有一個(gè)PWM控制器12 和一個(gè)磁滯控制器14?？刂破鞯妮敵鲵?qū)動(dòng)上部和下部金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管式功 率晶體管16、18。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管在一個(gè)切換節(jié)點(diǎn)20處連接在一起。切換 節(jié)點(diǎn)20連接到一個(gè)電感器22上，后者連接到包括一個(gè)輸出電容器23和一個(gè)由電阻器M 代表的負(fù)載的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上。一個(gè)檢測(cè)電阻器沈與電感器22串聯(lián)連接?？邕^(guò)檢測(cè)電阻器的 電壓聯(lián)接到控制器10上以提供關(guān)于負(fù)載電流的數(shù)據(jù)。在控制器中的一個(gè)比較器13從檢測(cè) 電阻器沈接收電壓信號(hào)，把它與指示臨界電流的一個(gè)基準(zhǔn)值相比較，及操作一個(gè)開關(guān)以便 當(dāng)檢測(cè)電流下降到輸入到比較器的基準(zhǔn)閾值以下時(shí)把控制器在PWM調(diào)制器12與磁滯控制 器14之間切換。在高輸出電流電平下，帶有一個(gè)同步整流器的PWM控制器提供有效和可控制的輸 出調(diào)節(jié)。當(dāng)負(fù)載電流變小時(shí)，在固定頻率PWM模式中操作的直流-直流變換器的效率變低， 因?yàn)镻WM切換損失成為主要的。一個(gè)簡(jiǎn)單的磁滯(波紋)控制器提高用于輕負(fù)載的變換器 效率。集成電路檢測(cè)負(fù)載電流，并且當(dāng)負(fù)載電流下降到一個(gè)最小閾值以下時(shí)，它調(diào)用磁滯 (波紋)控制器并且使PWM控制器無(wú)效。當(dāng)負(fù)載電流增大到最小閾值以上時(shí)，PWM控制器恢 復(fù)控制。以這種方式，在寬負(fù)載電流范圍上保持高效率。
3
用于閾值電流的最佳過(guò)渡點(diǎn)通常位于電感器電流成為“臨界的”的一個(gè)負(fù)載電流 值處。臨界電流是一個(gè)對(duì)其存儲(chǔ)在電感器22中的總能量每個(gè)循環(huán)輸送到負(fù)載的負(fù)載電流 值。在臨界值以下的負(fù)載電流處，電感器電流必定在循環(huán)中的某一點(diǎn)處經(jīng)過(guò)零和反向。當(dāng) 電感器電流改變方向時(shí)，由于同步整流器、下部場(chǎng)效應(yīng)晶體管18的雙向?qū)щ娦?，從輸出濾 波器電容器23獲取能量。為了保持在調(diào)節(jié)中的輸出，在下個(gè)操作循環(huán)把較多能量輸送到濾 波器電容器23。如果不把控制器切換到磁滯控制器14，變換器效率就顯著降低。浪費(fèi)功率 和能量。在移動(dòng)系統(tǒng)中，這取決于電池功率，同樣減小系統(tǒng)的整個(gè)壽命。為了防止操作在亞臨界電流下的能量損失，對(duì)下部金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體 管18有二極管狀傳導(dǎo)的要求。這保證間斷的電感器電流操作。因?yàn)樾⌒盘?hào)環(huán)路斷開，在固 定PWM模式控制下在間斷傳導(dǎo)模式中操作變換器10將產(chǎn)生其自身的問(wèn)題，封閉環(huán)路增益增 大，并且變換器容易成為不穩(wěn)定的。這導(dǎo)致這樣的結(jié)論，在亞臨界電流下為了安全、穩(wěn)定及 高效操作磁滯模式是希望的。為了選擇PWM或磁滯操作模式，控制器10檢測(cè)負(fù)載電流或在電路中與負(fù)載電流成 比例的任何電流，并且把檢測(cè)的負(fù)載電流與一個(gè)基準(zhǔn)相比較。如果負(fù)載電流高于基準(zhǔn)，則致 動(dòng)PWM操作模式。否則，變換器10在磁滯模式中操作。這種廣泛使用的方法取決于當(dāng)前檢 測(cè)電路的容差。由于用于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)用途的直流-直流變換的輸出電壓變得越來(lái)越低，而 輸出電流變得越來(lái)越大，并且在短時(shí)間段上大范圍變化，所以精確和高效地測(cè)量電流變得 非常困難。這導(dǎo)致增大的切換點(diǎn)不確定性，并因此導(dǎo)致整個(gè)變換器的不可預(yù)測(cè)操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括一種直流-直流變換器電路，該電路包括一個(gè)脈沖寬度調(diào)制器控制 器和一個(gè)磁滯控制器，每個(gè)控制器用來(lái)在一系列重復(fù)切換循環(huán)期間把一個(gè)第一電壓變換成 一個(gè)第二電壓；一個(gè)模式選擇電路，用來(lái)按照聯(lián)接到第二電壓上的負(fù)載的電流要求選擇兩 個(gè)控制器之一；一個(gè)比較器，用來(lái)把第二電壓與一個(gè)基準(zhǔn)電壓相比較，并且在每個(gè)切換循環(huán) 末端處產(chǎn)生代表第二電壓的一個(gè)極性信號(hào)；及一個(gè)或多個(gè)計(jì)數(shù)器聯(lián)接到比較器和模式選擇 開關(guān)上，用來(lái)記錄在每個(gè)切換循環(huán)末端處的第二電壓的極性，用來(lái)在每個(gè)循環(huán)末端處的第 二電壓極性與最后η個(gè)切換循環(huán)相同就把模式選擇開關(guān)保持在其當(dāng)前模式中，及用來(lái)操作 模式選擇開關(guān)以便當(dāng)在循環(huán)末端處的第二電壓極性從前一個(gè)循環(huán)變化并且極性變化持續(xù)η 個(gè)切換循環(huán)時(shí)選擇另一個(gè)控制器。本發(fā)明還包括一種直流-直流變換器，該直流-直流變換器包括用來(lái)在一系列重 復(fù)切換循環(huán)期間脈沖寬度調(diào)制或波紋調(diào)制一個(gè)第一電壓以把第一電壓變換成一個(gè)第二電 壓的裝置、用來(lái)按照聯(lián)接到第二電壓上的負(fù)載的電流要求選擇兩個(gè)調(diào)制裝置之一的裝置、 用來(lái)檢測(cè)在切換循環(huán)末端處的第二電壓的極性的裝置、及當(dāng)?shù)诙妷旱臉O性在切換循環(huán)末 端處變化時(shí)用來(lái)從一個(gè)調(diào)制裝置切換到另一個(gè)調(diào)制裝置的裝置。本發(fā)明也包括一種用來(lái)把一種直流電壓變換成另一種直流電壓的方法，該方法包 括脈沖寬度調(diào)制器模式和一種磁滯調(diào)制器模式，用來(lái)在一系列重復(fù)切換循環(huán)期間產(chǎn)生一個(gè) 第二電壓，按照聯(lián)接到第二電壓上的負(fù)載的電流要求選擇兩個(gè)模式之一，檢測(cè)在切換循環(huán) 末端處的第二電壓的極性，只要在每個(gè)循環(huán)末端處的第二電壓極性與最后η個(gè)切換循環(huán)相 同就保持當(dāng)前模式，及當(dāng)在循環(huán)末端處的第二電壓極性從前一個(gè)循環(huán)變化并且極性變化持續(xù)η個(gè)切換循環(huán)時(shí)選擇另一種模式。便利的是直流-直流變換器電路和用于直流-直流變換的方法。電路包括一個(gè)脈 沖寬度調(diào)制器控制器和一個(gè)磁滯控制器。兩個(gè)控制器在一系列重復(fù)切換循環(huán)期間把一個(gè)輸 入第一電壓變換成一個(gè)輸出第二電壓。電路帶有一個(gè)用來(lái)按照經(jīng)一個(gè)電感器聯(lián)接到第二電 壓上的負(fù)載的電流需要選擇兩個(gè)控制器之一的模式選擇電路。模式選擇開關(guān)帶有一個(gè)用來(lái) 把第二電壓與一個(gè)基準(zhǔn)電壓(地)相比較以便檢測(cè)在每個(gè)切換循環(huán)末端處的第二電壓極性 的比較器。在切換循環(huán)末端處的輸出電壓極性是電感器狀態(tài)的一種度量。如果電感器在連 續(xù)操作中，并且負(fù)載電流在臨界電流以上，那么開關(guān)節(jié)點(diǎn)的極性是正的。如果電感器在間斷 操作中，那么開關(guān)節(jié)點(diǎn)的極性是負(fù)的。方便的是，一個(gè)或多個(gè)計(jì)數(shù)器聯(lián)接到比較器上，并且聯(lián)接到模式選擇開關(guān)上。計(jì) 數(shù)器記錄在每個(gè)切換循環(huán)末端處的第二電壓的極性，并且在給定數(shù)量個(gè)循環(huán)期間保持該數(shù) 據(jù)。如果開關(guān)節(jié)點(diǎn)的極性不改變，那么控制器保持在已經(jīng)操作在其中的任一種模式(PwM或 磁滯)中。通過(guò)使用計(jì)數(shù)器，本發(fā)明避免對(duì)于極性單個(gè)變化的過(guò)早切換。這樣的變化由于 與持久的負(fù)載條件不相關(guān)的偽原因可能發(fā)生。像這樣，只要在每個(gè)循環(huán)末端處的第二電壓 的極性不變，計(jì)數(shù)器把模式選擇開關(guān)保持在其當(dāng)前模式中。然而，當(dāng)極性變化，并且變化持 續(xù)多于η個(gè)切換循環(huán)時(shí)，那么計(jì)數(shù)器操作模式選擇開關(guān)以把操作模式切換到其它模式。如 果變換器在PWM模式中操作，那么它切換到磁滯模式，反之亦然。直流-直流變換器電路操作以便當(dāng)在η個(gè)切換循環(huán)期間的第二電壓極性為正時(shí)把 模式選擇開關(guān)切換到磁滯模式控制器，而當(dāng)在η個(gè)切換循環(huán)期間的第二電壓的極性為負(fù)時(shí) 把模式選擇開關(guān)切換到脈沖寬度調(diào)制器控制器。有用來(lái)計(jì)數(shù)正和負(fù)循環(huán)的獨(dú)立計(jì)數(shù)器。對(duì) 于兩個(gè)計(jì)數(shù)器數(shù)量η可以相同或不同。本發(fā)明還公開了一種在直流-直流變換器中在用于相對(duì)高電平的第一操作模式 和用于相對(duì)低電平的第二操作模式之間切換的方法，該方法包括在切換循環(huán)期間監(jiān)視電 感器電流；以及在電感器電流連續(xù)跨越0的所選個(gè)數(shù)的切換循環(huán)經(jīng)過(guò)后，改變一個(gè)或多個(gè) 控制器的操作模式。本發(fā)明還公開了一種在直流-直流變換器中在用于相對(duì)高電平的第一操作模式 和用于相對(duì)低電平的第二操作模式之間切換的方法，該方法包括在切換循環(huán)期間監(jiān)視電 感器電流；以及當(dāng)在8個(gè)連續(xù)的切換循環(huán)中電感器的電流都跨越0，從第一操作模式切換到 第二操作模式，其中第一操作模式和第二操作模式之間的切換由一個(gè)或多個(gè)控制器控制。


現(xiàn)在參照附圖舉例描述本發(fā)明，在附圖中圖Ia是一種單模式直流-直流變換器的示意圖。圖Ib是一種雙模式直流-直流變換器的示意圖。圖2a_2c是在連續(xù)傳導(dǎo)期間變換器性能的曲線。圖2d_2f是在間斷傳導(dǎo)期間變換器性能的曲線。圖3是在PWM和磁滯操作期間本發(fā)明操作的曲線。圖4是一種模式控制直流-直流控制器的示意圖。圖5是一種模式控制直流-直流控制器的詳細(xì)示意圖。
具體實(shí)施例方式控制直流-直流變換器的操作模式的一種方法和電路基于對(duì)變換器的切換節(jié)點(diǎn) 的電壓波形差值的探測(cè)。在開關(guān)循環(huán)末端處開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的極性取決于濾波器電感器電 流是連續(xù)的(因此在臨界電流以上)還是間斷的(并且在臨界電流以下)。圖2a_2c表示 其中有連續(xù)電感器電流的狀態(tài)。以在切換節(jié)點(diǎn)上的負(fù)電壓結(jié)束切換循環(huán)。圖2d_2f表示 其中電感器電流是間斷的并且在切換循環(huán)末端處的電壓是正電壓的狀態(tài)。在一個(gè)簡(jiǎn)單反向 (buck)變換器中，只有一個(gè)二極管用于低側(cè)電流傳導(dǎo)，在循環(huán)末端處的切換節(jié)點(diǎn)電壓將振 蕩到一個(gè)比調(diào)節(jié)器的輸出電壓大的較大電壓。在一個(gè)同步整流反向變換器中，電流反向強(qiáng) 迫切換節(jié)點(diǎn)到由同步開關(guān)的電阻確定的較小正電壓。翻到圖4，本發(fā)明的雙模式變換器100帶有一個(gè)監(jiān)視在上部與下部金屬氧化物半 導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管16、18之間的切換節(jié)點(diǎn)20處的電壓極性的模式控制開關(guān)50。在多個(gè)其 他位置處能監(jiān)視輸出電壓的極性。例如，熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員能把一個(gè)較小(幾毫歐)的 電阻器串聯(lián)插入在下部金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管18與地之間。圖3的頂部表示在 PWM模式和以后的磁滯模式期間的直流輸出電壓。當(dāng)變換器在PWM模式中操作，并且負(fù)載電 流減小時(shí)，電感器電流IIND逐漸下降，并且極性信號(hào)(相位比較器)具有較寬脈沖。在模 式控制開關(guān)50中的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)新極性脈沖的數(shù)量，并且在一行中的η個(gè)脈沖(在這種情況 下η = 8)之后，模式從PWM切換到磁滯。當(dāng)電感器電流IIND增大并且極性再次移動(dòng)時(shí)，形 成從磁滯到PWM的對(duì)應(yīng)切換。計(jì)數(shù)器的實(shí)施例和邏輯電路表示在圖5中。本發(fā)明使用η個(gè)切換循環(huán)的有限存儲(chǔ)間隔。如果在η個(gè)切換循環(huán)每一個(gè)末端處的 切換節(jié)點(diǎn)電壓的符號(hào)保持不變，其符號(hào)用來(lái)確定以后的操作模式。在切換節(jié)點(diǎn)上的正電壓 與磁滯操作模式相對(duì)應(yīng)；負(fù)電壓與脈沖寬度調(diào)制模式相對(duì)應(yīng)。如果在這些η個(gè)切換循環(huán)期 間，切換節(jié)點(diǎn)的符號(hào)至少改變一次，則計(jì)數(shù)器復(fù)位，并且變換器的操作模式保持不變。監(jiān)視 過(guò)程在變換器正在操作的同時(shí)不斷地重復(fù)其本身。圖5表示帶有用來(lái)把在電感器中的連續(xù)電流與間斷電流區(qū)分開的計(jì)數(shù)器和級(jí)性 傳感器的模式控制開關(guān)的可能實(shí)施例的詳細(xì)示意圖。模式控制開關(guān)50包括一個(gè)把切換節(jié) 點(diǎn)與地相比較的比較器52。比較器52的輸出由PWM信號(hào)計(jì)時(shí)到D型觸發(fā)器的輸入上。兩 個(gè)計(jì)數(shù)器56、57計(jì)數(shù)到八個(gè)循環(huán)，一個(gè)計(jì)數(shù)正切換模式電壓，而另一個(gè)計(jì)數(shù)負(fù)的。當(dāng)計(jì)時(shí)切 換節(jié)點(diǎn)極性(54的Q輸出)變化時(shí)，復(fù)位計(jì)數(shù)器56、57。在最佳實(shí)施例中，每個(gè)計(jì)數(shù)器使用 一個(gè)八計(jì)數(shù)以調(diào)用適當(dāng)?shù)牟僮髂Ｊ?。然而，?jì)數(shù)的數(shù)量是任意的。模式控制開關(guān)50也提供 一個(gè)超越磁滯至PWM延遲或計(jì)數(shù)器的裝置，以便允許對(duì)于負(fù)載電流瞬態(tài)的快速響應(yīng)。在模 式控制開關(guān)50中的這種裝置的實(shí)施例使用一個(gè)用來(lái)監(jiān)視輸出反饋電壓和當(dāng)反饋電壓低于 一個(gè)被設(shè)置成大于期望的正常波紋電壓量的基準(zhǔn)時(shí)使得離開磁滯模式立即復(fù)位MODE鎖存 器的比較器58。換句話時(shí)，從磁滯到PWM模式的八個(gè)循環(huán)的延遲經(jīng)這種裝置能完全消除。 一個(gè)PWM復(fù)位比較器58把在負(fù)載Vfb上的輸出電壓與一個(gè)基準(zhǔn)電壓相比較。如果Vfb大于 基準(zhǔn)，則把模式控制開關(guān)50立即切換到PWM模式。設(shè)置基準(zhǔn)以探測(cè)較高輸出電壓。如果觸 發(fā)電壓是假的，模式控制開關(guān)50在η個(gè)切換循環(huán)之后復(fù)位到磁滯模式。在操作中，本發(fā)明提供一種根據(jù)監(jiān)視在金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管16、18的 切換節(jié)點(diǎn)20和濾波器電感器上的波形而控制直流-直流變換器10的操作的方法。模式開
6關(guān)根據(jù)監(jiān)視在金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管16、18的切換節(jié)點(diǎn)20和濾波器電感器22上 的電壓極性而控制直流-直流變換器10的操作模式。探測(cè)在切換循環(huán)末端處在切換節(jié)點(diǎn) 20上的電壓，并且把指示該電壓的符號(hào)的信號(hào)保存一個(gè)有限時(shí)間間隔，它比一個(gè)切換循環(huán) 長(zhǎng)并且通過(guò)實(shí)際考慮確定。如果在這個(gè)時(shí)間間隔期間，在切換循環(huán)末端處在切換節(jié)點(diǎn)處都 有相同電壓符號(hào)的幾個(gè)切換循環(huán)，則進(jìn)行操作模式與在切換節(jié)點(diǎn)上的電壓的存儲(chǔ)符號(hào)相對(duì) 應(yīng)的決定。正電壓與磁滯操作模式相對(duì)應(yīng)。負(fù)符號(hào)與PWM操作模式相對(duì)應(yīng)。如果在測(cè)量時(shí) 間間隔期間，切換節(jié)點(diǎn)的符號(hào)至少變化一次，則變換器的操作模式保持不變。監(jiān)視過(guò)程在變 換器正在操作的同時(shí)不斷地重復(fù)其本身。 直流-直流變換器帶有一個(gè)脈沖寬度調(diào)制器PWM和一個(gè)磁滯(波紋)調(diào)制器。對(duì) 于小電流負(fù)載，選擇磁滯調(diào)制器；對(duì)于大電流負(fù)載，選擇PWM。一個(gè)模式開關(guān)檢測(cè)在每個(gè)切 換循環(huán)末端處切換輸出電壓的極性。如果極性從一個(gè)循環(huán)到下一個(gè)改變，則模式可以立即 變到其它模式。計(jì)數(shù)器用來(lái)記錄在每個(gè)循環(huán)末端處的極性，并且從一種模式到另一種的切 換能由計(jì)數(shù)器延遲以防止根據(jù)假輸出電壓波動(dòng)變化模式。
權(quán)利要求
1.一種在直流-直流變換器中在用于相對(duì)高電平的第一操作模式和用于相對(duì)低電平 的第二操作模式之間切換的方法，該方法包括在切換循環(huán)期間監(jiān)視電感器電流；以及在電感器電流連續(xù)跨越0的所選個(gè)數(shù)的切換循環(huán)經(jīng)過(guò)后，改變一個(gè)或多個(gè)控制器的操 作模式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中切換循環(huán)的所選個(gè)數(shù)為8。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中當(dāng)電感器電流的極性符號(hào)變化時(shí)，電感器電流跨越0。
4.一種在直流-直流變換器中在用于相對(duì)高電平的第一操作模式和用于相對(duì)低電平 的第二操作模式之間切換的方法，該方法包括在切換循環(huán)期間監(jiān)視電感器電流；以及當(dāng)在8個(gè)連續(xù)的切換循環(huán)中電感器的電流都跨越0時(shí)，從第一操作模式切換到第二操 作模式，其中第一操作模式和第二操作模式之間的切換由一個(gè)或多個(gè)控制器控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中監(jiān)視電感器電流的步驟還包括 監(jiān)視輸出電壓的極性。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，還包括不計(jì)數(shù)電感器電流跨越0的8個(gè)連續(xù)的切換循環(huán)，而從第二操作模式切換到第一操作 模式。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中從第二操作模式到第一操作模式的切換還包括 檢測(cè)超過(guò)選定的基準(zhǔn)電壓的負(fù)載電壓反饋。
全文摘要
本發(fā)明涉及直流-直流變換器方法。該方法包括在切換循環(huán)期間監(jiān)視電感器電流；以及在電感器電流連續(xù)跨越0的所選個(gè)數(shù)的切換循環(huán)經(jīng)過(guò)后，改變一個(gè)或多個(gè)控制器的操作模式。
文檔編號(hào)H02M3/158GK102064690SQ20101014977
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2001年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月3日
發(fā)明者托馬斯·喬初姆, 瓦勒蒂米爾·穆拉托夫, 羅博特·霍德金 申請(qǐng)人:英特賽爾公司