本申請涉及改變包括開關(guān)的設(shè)備的操作模式。

背景技術(shù)：

轉(zhuǎn)換器為用于將輸入量轉(zhuǎn)換為輸出量的設(shè)備。用于轉(zhuǎn)換器的示例包括電流轉(zhuǎn)換器和電壓轉(zhuǎn)換器。電壓轉(zhuǎn)換器可以例如為將輸入電壓轉(zhuǎn)換為輸出電壓的DC/DC-轉(zhuǎn)換器。用于這樣的電壓轉(zhuǎn)換器的示例包括降壓型轉(zhuǎn)換器、升壓型轉(zhuǎn)換器、或者降壓型升壓型轉(zhuǎn)換器。這樣的電壓轉(zhuǎn)換器例如用在開關(guān)模式電源(SMPS)中，其用于生成穩(wěn)定的輸出電壓以給進一步的設(shè)備提供電力。

為了優(yōu)化效率，例如為降壓型轉(zhuǎn)換器的這樣的轉(zhuǎn)換器具有兩個操作模式，根據(jù)該兩個操作模式，例如高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān)的開關(guān)可以被操作。在某些應(yīng)用中，操作的第一模式稱作脈沖頻率調(diào)制模式(PFM)，并且第二模式稱作脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式。例如，在某些應(yīng)用中，PFM模式可以是在例如相對低的負(fù)載效率方面是有利的，而PWM模式可以更適于相對高的負(fù)載。存在如何在模式之間改變的各種方法，例如時如何檢測何時由于負(fù)載改變、應(yīng)該執(zhí)行操作模式之間的改變。但是，傳統(tǒng)的方法可能遭遇各種缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本公開的實施方式，提供了一種設(shè)備，包括：第一開關(guān)，所述第一開關(guān)的第一負(fù)載端子與第一電壓輸入耦合，并且所述第一開關(guān)的第二負(fù)載端子與輸出節(jié)點耦合；第二開關(guān)，所述第二開關(guān)的第一負(fù)載端子與所述輸出節(jié)點耦合，并且所述第二開關(guān)的第二負(fù)載端子與第二電壓輸入耦合，以及控制器，所述控制器與所述第一開關(guān)的控制輸入和所述第二開關(guān)的控制輸入耦合，其中所述控制器適于在操作的第一模式或操作的第二模式中選擇性地控制所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)，所述控制器適于基于其中所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)都斷開的時間來從所述操作的第二模式改變到所述操作的第一模式。

可選地，在該設(shè)備中，所述控制器適于基于其中所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)都斷開的所述時間與其中所述第一開關(guān)或所述第二開關(guān)中的至少一個開關(guān)閉合的時間之間的比例來從所述第二模式改變到所述第一模式。

可選地，在該設(shè)備中，所述操作的第一模式為脈沖寬度調(diào)制模式，并且所述操作的第二模式為脈沖頻率調(diào)制模式。

可選地，在該設(shè)備中，所述控制器適于確定在其期間所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)都斷開的時間是否超過閾值時間，并且適于在所述閾值時間已經(jīng)被超過預(yù)定次數(shù)時切換到所述操作的第一模式。

可選地，在該設(shè)備中，所述控制器進一步適于基于在其期間所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)中的至少一個開關(guān)閉合的時間來確定所述閾值時間。

可選地，在該設(shè)備中，時鐘信號從其中所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)都斷開的階段的起始一直到達(dá)到所述閾值時間是活躍的，并且對于所述階段的剩余時間是不活躍的。

可選地，在該設(shè)備中，所述設(shè)備適于數(shù)字地測量所述時間。

可選地，在該設(shè)備中，所述控制器包括在其中所述第一開關(guān)或所述第二開關(guān)中的至少一個開關(guān)閉合的階段或其中所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)都斷開的階段中的至少一個階段期間對時鐘脈沖進行計數(shù)的計數(shù)器。

可選地，在該設(shè)備中，所述設(shè)備包括至少部分模擬的電路以測量所述時間。

可選地，在該設(shè)備中，所述控制器包括狀態(tài)機。

根據(jù)本公開的實施方式，提供了一種控制器，所述控制器適于控制電壓轉(zhuǎn)換器的高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān)，所述控制器包括狀態(tài)機，所述狀態(tài)機包括：第一狀態(tài)，在所述第一狀態(tài)中所述高側(cè)開關(guān)被控制為閉合、所述低側(cè)開關(guān)被控制為斷開、時鐘信號有效并且充電時間變量基于所述時鐘信號增加，第二狀態(tài)，在所述第二狀態(tài)中所述高側(cè)開關(guān)被控制為斷開、所述低側(cè)開關(guān)被控制為閉合、所述時鐘信號有效并且所述充電時間變量基于所述時鐘信號增加，其中所述狀態(tài)機適于在脈沖頻率調(diào)制模式中在通過所述高側(cè)開關(guān)的電流達(dá)到上電流限值時從所述第一狀態(tài)轉(zhuǎn)變到所述第二狀態(tài)，其中所述狀態(tài)機適于在所述脈沖頻率調(diào)制模式中在通過所述低側(cè)開關(guān)的電流達(dá)到低電流限值時從所述第二狀態(tài)轉(zhuǎn)變到第三狀態(tài)。所述第三狀態(tài)，在所述第三狀態(tài)中所述高側(cè)開關(guān)被控制為斷開、所述低側(cè)開關(guān)被控制為斷開、所述時鐘信號有效、閾值時間變量基于所述充電時間變量被初始化、并且所述閾值時間變量基于所述時鐘信號減少，其中所述狀態(tài)機適于在輸出電壓達(dá)到低電壓限值之前所述閾值時間變量達(dá)到0時從所述第三狀態(tài)轉(zhuǎn)變到第四狀態(tài)，其中所述狀態(tài)機適于在所述閾值時間變量達(dá)到0之前所述輸出電壓達(dá)到所述低電壓限值時從所述第三狀態(tài)轉(zhuǎn)變到所述第一狀態(tài)并且增加計數(shù)器變量，所述第四狀態(tài)，在所述第四狀態(tài)中所述高側(cè)開關(guān)和所述低側(cè)開關(guān)都被控制為斷開、并且所述時鐘信號被去激活，其中所述狀態(tài)機適于在所述輸出電壓達(dá)到所述低電壓水平時從所述第四狀態(tài)轉(zhuǎn)變到所述第一狀態(tài)，其中所述控制器適于在所述計數(shù)器達(dá)到預(yù)定閾值時離開所述脈沖頻率操作模式。

可選地，在該控制器中，所述狀態(tài)機能夠操作在脈沖寬度調(diào)制模式中，其中在所述脈沖寬度調(diào)制模式中，所述狀態(tài)機適于基于脈沖寬度調(diào)制控制信號來在所述第一狀態(tài)與所述第二狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變。

可選地，在該控制器中，所述狀態(tài)機適于在所述充電時間變量達(dá)到預(yù)定閾值充電時間時從所述第一狀態(tài)轉(zhuǎn)變到所述第二狀態(tài)。

根據(jù)本公開的實施方式，提供了一種方法，包括：在操作的第一模式或操作的第二模式中選擇性地控制第一開關(guān)和第二開關(guān)，以及基于其中所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)都斷開的時間與其中所述第一開關(guān)或所述第二開關(guān)中的至少一個開關(guān)閉合的時間之間的時間比來從所述操作的第二模式改變到所述操作的第一模式。

可選地，在該方法中，所述操作的第一模式為脈沖寬度調(diào)制模式，并且所述操作的第二模式為脈沖頻率調(diào)制模式。

可選地，在該方法中，進一步包括確定在其期間所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)斷開的時間是否超過閾值時間，并且在所述閾值時間已經(jīng)被超過預(yù)定次數(shù)時改變到所述操作的第一模式。

可選地，在該方法中，進一步包括基于在其期間所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)中的至少一個開關(guān)閉合的時間來確定所述預(yù)定閾值時間。

可選地，在該方法中，確定所述預(yù)定閾值時間包括縮放在其期間所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)中的至少一個開關(guān)閉合的時間。

可選地，在該方法中，進一步包括從其中所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)都斷開的階段的起始一直到達(dá)到所述預(yù)定閾值時間激活時鐘信號，并且對于所述階段的剩余時間去激活所述時鐘信號。

可選地，在該方法中，進一步包括在其中所述第一開關(guān)或所述第二開關(guān)中的至少一個開關(guān)閉合的階段或其中所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)都斷開的階段中的至少一個階段期間對時鐘脈沖進行計數(shù)。

附圖說明

圖1為圖示根據(jù)實施例的開關(guān)模式電源設(shè)備的框圖。

圖2為圖示降壓型轉(zhuǎn)換器的示圖。

圖3為圖示可應(yīng)用于某些實施例的控制概念的示圖。

圖4圖示了某些實施例的示例信號。

圖5圖示了某些實施例的另外的示例信號。

圖6為根據(jù)實施例的轉(zhuǎn)換器的框圖。

圖7為根據(jù)實施例的狀態(tài)機的框圖。

圖8為圖示輸出電流與定時之間的示例關(guān)系的示圖。

圖9為圖示根據(jù)實施例的方法的流程圖。

圖10為圖示根據(jù)實施例的用于確定閾值時間的電路的電路圖。

圖11圖示了用于圖10的實施例的示例信號。

具體實施方式

在下面，將參照所附附圖來描述各種實施例。應(yīng)該注意此后描述和在附圖中示出的實施例僅僅通過示例的方式來提供并且不被解釋為限制性的。例如，雖然實施例可以描述為包括多個特征或元素，在其他實施例中，所描述的特征或元素中的某些可以被省略和/或由可選的特征或元素來替代。在又一實施例中，可以提供附加的或可選的附加特征或元素。

來自不同實施例的特征可以組合以形成另外的實施例，除非提及的其它情況。

在附圖中示出或此后描述的實施例中，所描述的元素之間的連接或耦合可以為直接連接或耦合，即沒有中間元素的連接或耦合，或者間接連接或耦合，即，具有一個或多個中間元素的連接或耦合，只要例如發(fā)送一定種類的信息或一定種類的信號的連接或耦合的一般目的和/或功能基本上被保留。連接或耦合可以為基于有線的連接或耦合或無線連接或耦合，除非提及的其它情況。

如將在以下更具體地進一步解釋的，某些實施例包括例如為高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān)的開關(guān)。為了易化引用，開關(guān)可以描述為具有控制端子、第一負(fù)載端子以及第二負(fù)載端子。當(dāng)開關(guān)閉合時，電流可以在第一負(fù)載端子與第二負(fù)載端子之間流動。當(dāng)開關(guān)斷開時，開關(guān)基本上在第一與第二負(fù)載端子之間不導(dǎo)電(除了如為泄漏電流等的可能發(fā)生的不期望的效果)。開關(guān)的斷開和閉合可以經(jīng)由控制端子來控制。這樣的開關(guān)可以例如使用如為場效應(yīng)晶體管、雙極晶體管、或者為如為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的其混合來實現(xiàn)。在這一情況，晶體管的基極端子或柵極端子可以用作開關(guān)的控制端子，以及收集器和發(fā)射器端子或源極和漏極端子可以用作開關(guān)的負(fù)載端子。

在某些實施例中，可以在如為降壓型轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換器中提供開關(guān)，并且可以控制高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān)以將輸入電壓轉(zhuǎn)換為輸出電壓。在實施例中，操作可以在例如為脈沖頻率調(diào)制(PFM)模式和脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式的兩個模式之間改變。例如，PFM模式可以在對應(yīng)于相對低的輸出功率的相對低的負(fù)載處使用，并且PWM模式可以在對應(yīng)于更高的輸出功能的相對更高的負(fù)載處使用。例如，PFM模式可以到達(dá)更好的效率，因為不需要如在PWM模式中地一直有切換，而是在PFM模式中，切換可以僅僅在需要切換以保持比期望的閾值更高的輸出電壓時執(zhí)行。但是，在更高的負(fù)載處，使用這樣的方法，可能發(fā)生輸出壓降，使得在某些應(yīng)用中期望切換到PWM模式。

各種實施例在PFM模式中監(jiān)測切換的頻率和/或定時，即，開關(guān)的操作，并且基于監(jiān)測來改變到PWM模式。例如，在某些實施例中，例如為三態(tài)模式的高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān)都斷開的時間可以被測量和與閾值時間比較。如果所測量的時間小于閾值時間，可以發(fā)起模式改變。

應(yīng)該知曉在PFM模式或PWM模式中操作轉(zhuǎn)換器可以以現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)上知曉的任意方式來完成，使得操作模式自身在這里不將以每個細(xì)節(jié)來描述。替代地，本申請關(guān)注用于確定何時在操作模式之間(例如從PFM模式到PWM模式)的改變應(yīng)該被執(zhí)行的特定技術(shù)。

如上所提及的電壓轉(zhuǎn)換器可以例如在開關(guān)模式電源(SMPS)中使用，其將用作下面的解釋中的示例環(huán)境。但是，這里所描述的技術(shù)可以總體上可應(yīng)用于其中具體而言為電壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器選擇性地操作在操作的第一模式或操作的第二模式中的情況。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖，在圖1中圖示了根據(jù)實施例的SMPS設(shè)備10。所闡述的實施例中的SMPS設(shè)備10接收輸入電壓Vin并且輸出在某些實施例中可以比Vin更小的輸出電壓Vout。在其他實施例中，Vin與Vout之間的其它關(guān)系可以適用。

SMPS設(shè)備10包括例如為高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān)的開關(guān)設(shè)備13，以形成如將在以下進一步解釋的降壓型轉(zhuǎn)換器，該開關(guān)設(shè)備13被操作以將輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換成輸出電壓Vout。開關(guān)設(shè)備13由控制器11來控制?？刂破?1可以選擇性地在例如為PFM模式和PWM模式的至少兩個不同的操作模式中操作開關(guān)設(shè)備13。進而，SMPS設(shè)備10包括時間測量塊12。時間測量塊12在實施例中測量開關(guān)設(shè)備13的操作模式中的定時?；跍y量，控制器11可以決定在操作模式之間改變。例如，時間測量塊12可以包括計數(shù)器以執(zhí)行數(shù)字時間測量。在某些實施例中，時間測量塊12可以測量開關(guān)設(shè)備13在三態(tài)模式中的時間?？刂破?1可以接著基于所測量的三態(tài)時間與閾值時間的比較來做出是否改變模式的判決。在某些實施例中，時間測量可以僅僅執(zhí)行直到閾值時間，并且如果三態(tài)模式?jīng)]有結(jié)束，例如將不執(zhí)行模式改變。在某些實施例中，時間測量可以指示開關(guān)設(shè)備10的負(fù)載電流。在某些實施例中，例如可以做出是否從PFM模式切換到PWM模式的判決。在其他實施例中，可以采用其它技術(shù)。用于時間測量的示例將在以下進一步討論。

在某些實施例中，控制器11可以接收輸出電壓Vout以實現(xiàn)調(diào)節(jié)回路，其將Vout調(diào)節(jié)到期望值。在這樣的實施例中有可能將Vout調(diào)節(jié)到期望值。

圖1中所圖示的塊中的一個或多個塊可以實現(xiàn)在相同的電路中并且可以使用硬件、軟件、固件或其組合來實現(xiàn)。

在圖2中，示出具有降壓型轉(zhuǎn)換器的開關(guān)模式電源(SMPS)設(shè)備20的框圖以圖示適用于某些實施例的開關(guān)設(shè)備和電壓轉(zhuǎn)換的可能的實現(xiàn)。圖2的SMPS設(shè)備20包括還被稱作高側(cè)開關(guān)的第一開關(guān)23，以及還被稱作低側(cè)開關(guān)的第二開關(guān)24。SMPS設(shè)備20包括用以接收輸入電壓Vin的電壓輸入端子26，用以耦合到接地(gnd)的接地端子28，用以接收輸出電壓Vout的反饋端子29和用以接收例如參考信號或時鐘參考的參考端子21。進而，SMPS設(shè)備20包括開關(guān)輸出端子27。高側(cè)開關(guān)23的第一負(fù)載端子與端子26耦合，第一開關(guān)23的第二負(fù)載端子與節(jié)點25耦合，開關(guān)24的第一負(fù)載端子還與節(jié)點25耦合，從而耦合開關(guān)23的第二負(fù)載端子與第二開關(guān)24的第一負(fù)載端子，并且第二開關(guān)24的第二負(fù)載端子與接地端子28耦合。節(jié)點25進一步與開關(guān)輸出27耦合。第一開關(guān)23和第二開關(guān)24的控制輸入由控制器22來控制?？刂破?2經(jīng)由端子29來接收輸出信號，因而實現(xiàn)圖2的實現(xiàn)方式中的控制回路。

輸出電容器212經(jīng)由電感器210耦合在開關(guān)端子27與接地端子28之間。通過閉合開關(guān)23，例如電感器210可以被充電，并且通過閉合開關(guān)24，電感器210可以被放電。來自電感器210的電流被饋送到輸出電容器212。在其它類型的轉(zhuǎn)換器中，例如升壓型轉(zhuǎn)換器，輸出電容器可以通過閉合相應(yīng)的開關(guān)來直接充電和放電。除了所示的元素之外，可以提供一個或多個負(fù)載以接收圖2中圖示的SMPS設(shè)備20的負(fù)載電流。

此外，輸入電容器211耦合在電壓輸入端子26與接地端子28之間。輸入電容器211可以例如代表輸入電壓源。輸入電容器211可以例如代表輸入電壓源。輸入電壓Vin在某些實施例中可以為可變的。例如，在某些汽車應(yīng)用中，提供在車輛內(nèi)的電池電源可以具有寬的操作范圍，例如8V與20V之間。響應(yīng)于其的SMPS設(shè)備20可以提供在期望的范圍內(nèi)的輸出電壓Vout。控制器22可以在例如為PFM模式或PWM模式的至少兩個不同的操作模式中操作開關(guān)23、24。

SMPS設(shè)備20的各種組件可以例如集成在共同的芯片中。

在圖3中，示意性地圖示了用于在PWM模式與PFM模式之間切換的控制方案。

塊30在PWM操作模式期間是活躍的，并且，在要求的輸出功率和/或耦合到轉(zhuǎn)換器的負(fù)載減少的情況中，塊30可以請求到例如為PFM模式的低功率模式的改變。塊30可以以任意傳統(tǒng)的方式來實現(xiàn)并且將不進一步討論。塊30可以輸出信號Low_power_mode_request以請求模式改變。

塊31在PFM模式中可以是活躍的并且可以使用這里公開的技術(shù)來實現(xiàn)。塊31接收輸出電壓Vout并且可以在比較器37中將這一輸出電壓與期望值比較?；诒容^結(jié)果，PFM脈沖生成器38按照脈沖頻率調(diào)制方案控制如為圖2的開關(guān)23、24的開關(guān)，以將輸出電壓調(diào)整到期望值。脈沖計數(shù)器39可以執(zhí)行時間測量，可以例如對在三態(tài)情形期間的預(yù)定數(shù)量的數(shù)字時鐘脈沖計數(shù)，例如其中圖2的開關(guān)23、24都斷開的情形。其他實施例可以使用用于時間測量的其他技術(shù)。如果三態(tài)狀態(tài)在計數(shù)結(jié)束之前過期(例如當(dāng)開關(guān)23、24中的一個開關(guān)閉合時)，輸出電流估計器310可以判定例如由于高負(fù)載而帶來的需要的輸出電流如此高使得到例如為PWM模式的高功率模式的改變應(yīng)該執(zhí)行。在這一情況中，信號High_power_mode_request可以被輸出?？傮w上，在實施例中，通過如為圖3脈沖計數(shù)器39的計數(shù)器，如將在以下進一步解釋的，三態(tài)時間的減少可以被檢測到，并且取決于該減少，可以發(fā)出高功能模式請求。在某些實施例中，基于計數(shù)器，輸出電流估計Iout可以估計輸出電流，并且可以基于所估計的電流來判決模式的改變。

在圖3的方案中，信號Low_power_mode_request和High_power_mode_request可以由邏輯32接收，該邏輯32可以協(xié)調(diào)操作模式之間的改變。

在圖4中，圖示了PFM模式中如為圖2中示出的轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的操作的信號。應(yīng)該注意到圖4中示出的信號僅僅用作闡述目的，并且取決于實現(xiàn)方式和負(fù)載，信號可以具有不同的形狀和/或不同的定時。圖4示出了其中PFM模式足以支持負(fù)載的示例。

曲線40圖示了例如如在圖2中圖示的降壓型轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Vout的輸出電壓Vout。LVL圖示了在應(yīng)用中輸出電壓Vout不應(yīng)該下降到其之下的低電壓水平閾值。曲線41圖示了線圈電流，例如圖2的通過電感器210的電流。UCL圖示了上電流限值，并且LCL圖示了下電流限值。曲線42圖示了例如在脈沖頻率調(diào)制控制中使用的和/或用于時間測量的時鐘信號，如將在以下討論的。

如能夠在曲線40中看見的，輸出電壓Vout例如由于圖2的電容器212的放電而下降，直到Vout下降到LVL以下。在這一階段期間，開關(guān)在三態(tài)中，例如圖2的開關(guān)23、24斷開。當(dāng)Vout下降到LVL以下時，高側(cè)開關(guān)(例如，圖2中的開關(guān)23)在記為圖4中的HS的階段閉合。這對電感器(例如，圖2的電感器210)充電，并且電感器電流對輸出電容器(例如，電容器212)充電，導(dǎo)致Vout的增加。這一狀態(tài)維持，直到線圈電流達(dá)到上電流限值UCL。當(dāng)線圈電流(曲線41)達(dá)到上電流限值時，高側(cè)開關(guān)(例如圖2的開關(guān)23)斷開，并且低側(cè)開關(guān)(例如圖2的開關(guān)24)閉合。這一狀態(tài)在記為圖4中的LS的階段期間維持。這對電感器(例如，電感器210)放電，并且還被稱作線圈電流的電感器電流饋送到輸出電容器(例如圖2的電容器212)。這一狀態(tài)持續(xù)，直到線圈電流達(dá)到低電流限值LCL。此后，開關(guān)切換到三態(tài)，例如高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān)都斷開。階段HS和LS的持續(xù)時間記為圖4中的充電時間T_chg。在三態(tài)階段中，電壓再次下降，直到達(dá)到周期再次開始的低電壓水平。三態(tài)的持續(xù)時間記為圖4中的T_tristate。

在圖4中，如將在稍后更具體地解釋的，在三態(tài)期間在每個階段LS之后，時鐘信號42在一定時間保持活躍，記為Td15。稍后將解釋關(guān)于在某些實施例中如何可以確定Td15的細(xì)節(jié)。在具有相對低的負(fù)載的圖4的情況中，三態(tài)持續(xù)時間T_tristate更長于Td15。

接下來，參照圖5，將解釋具有高負(fù)載的示例情況。

如為圖4所解釋的，圖5中示出的信號僅僅用作闡述目的，并且取決于實現(xiàn)、應(yīng)用和其它環(huán)境，實際信號可以改變。

曲線50圖示了輸出電壓，類似于圖4的曲線40。曲線51圖示了線圈電流，類似于圖4的曲線41。名稱三態(tài)、HS、LS、UCL、LCL以及LVL對應(yīng)于已經(jīng)在圖4中使用的名稱。

曲線55圖示了操作模式，其首先為PFM模式并且然后改變到PWM模式，如以下將更具體地解釋的。

圖5的示圖的最左邊的三態(tài)階段類似于圖4中圖示的三態(tài)階段。然后，例如由于負(fù)載增加，如為圖2的電容器212的輸出電容器更快地放電，導(dǎo)致輸出電壓Vout更快地下降到低電壓水平LVL。這進而導(dǎo)致三態(tài)階段的縮短。如在圖5中所圖示的，具體而言，三態(tài)階段可以變得比時間Td15更短。

例如，回過去參見圖4，三態(tài)階段可以結(jié)束，而同時如為圖4的時鐘信號42的時鐘信號仍然活躍。當(dāng)三態(tài)階段短于Td15時，在某些實施例中，計數(shù)器增加，如由曲線53所圖示的。當(dāng)計數(shù)器達(dá)到閾值時(例如，在圖5的圖示中的值3，盡管其它值是可能的)，如由曲線54所圖示的，執(zhí)行到PWM模式的改變。如將在下面解釋的，時間Td15可以對應(yīng)于輸出電流閾值，并且當(dāng)三態(tài)階段變得比Td15更短時，這可以指示輸出電流超過閾值，如所圖示得，這可以觸發(fā)到PWM模式的改變。

在某些實施例中，如由52所圖示的閾值的使用可以防止當(dāng)例如僅僅發(fā)生單個負(fù)載溢出時在模式之間來回改變，其將僅僅將計數(shù)器增加1。換而言之，在某些實施例中適當(dāng)?shù)卦O(shè)定閾值52可以防止操作模式之間的振蕩。

圖5中圖示的高負(fù)載狀態(tài)的檢測可以例如在用于開關(guān)的控制回路內(nèi)實現(xiàn)，例如在圖2的控制器22或者圖1的控制器11中以及圖3的塊31中。進一步的實現(xiàn)可能性將在以下進一步更具體地解釋。在其他實施例中，關(guān)于計數(shù)器值或計數(shù)器值超過閾值的指示可以發(fā)送到某一中央控制實例，該中央控制實例可以然后做出改變模式的最終判定。換而言之，在這樣的實施例中，例如為ECU的中央控制實例接收例如基于計數(shù)器值超過閾值模式應(yīng)該被改變的信息。在某些實施例中，除了模式應(yīng)該被改變的這一指示，控制實例可以考慮其它因素，例如有關(guān)設(shè)備中的負(fù)載的開和關(guān)的知識(例如，在汽車應(yīng)用中，如為電子控制單元(ECU)的中央控制器可以知曉車輛的哪個組件在給定時刻開，或者很快將開或關(guān)，這可以被附加地考慮)。

接下來，將具體描述根據(jù)某些實施例的如何選擇合適的時間Td15的可能性。

如例如在圖4中圖示的，充電時間T_chg等于：

T_chg＝t(HS_ON)+t(LS_ON) (1)

其中t(HSON)為在其期間高側(cè)開關(guān)閉合的時間(在圖4和5中標(biāo)記為HS的時間)以及t(LSON)為其中低側(cè)開關(guān)閉合的時間(例如，在圖4和5中標(biāo)記為LS)。

使用為例如如在圖4和5中圖示的線圈電流的峰值的上電流限值UCL，輸出電容器可以以以下來充電：

$T_{chg}\left(\frac{UCL}{2}-Iout\right)---\left(2\right)$

并且以以下來放電

T_tristateIout (3)

其中T_tristate為三態(tài)階段的持續(xù)時間并且Iout為負(fù)載電流。

平衡根據(jù)(2)的充電和根據(jù)(3)的放電，得到下面的等式：

$T_{tristate}=T_{chg}\left(\frac{UCL}{2\·Iout}\right)=k\·T_{chg}---\left(4\right),$

即，

$k=\frac{UCL}{2\·Iout}-1---\left(5\right)$

等式(4)還可以寫成：

$\frac{Iout}{\frac{UCL}{2}}=\frac{T_{chg}}{T_{chg}+T_{tristate}}=\frac{1}{1+\frac{T_{tristate}}{T_{chg}}}---\left(6\right)$

因此，基于等式(6)，負(fù)載電流Iout與三態(tài)時間T_tristate與充電時間T_chg之間的比例之間存在關(guān)系。

等式(6)的關(guān)系在圖8的曲線80中描繪。因此，為了闡述目的而轉(zhuǎn)回圖4和5的示例，使用時鐘信號42，可以對充電階段的持續(xù)時間計數(shù)，并且基于此，對應(yīng)于閾值時間Td15的計數(shù)數(shù)目可以被確定。Td15的每個值對應(yīng)于閾值三態(tài)時間與由相應(yīng)的脈沖數(shù)給出的充電時間的某一比例?；诘仁?6)，這進而對應(yīng)于閾值負(fù)載電流。為了給出示例，在等式(4)中設(shè)置k為0.5將意味著時間Td15具有比充電時間T_chg多的一半時鐘信號42的周期。例如，k＝0.5對應(yīng)于以下的閾值負(fù)載電流：

$Iout=\frac{UCL}{2}\·\frac{1}{1+\frac{0.5T_{chg}}{T_{chg}}}=\frac{UCL}{2}\·\frac{1}{1.5}=\frac{UCL}{3}---\left(7\right)$

進而，從等式(6)中，同樣明顯的，當(dāng)三態(tài)階段變得更小(即，T_tristate變得更小)時，這對應(yīng)于更大的負(fù)載電流。因此，當(dāng)如圖5中圖示地、T_tristate變得比Td15更小時，這意味著負(fù)載電流Iout超過由相應(yīng)的時間Td15/比例k選擇的閾值電流。如在圖5中圖示以及以上解釋的，當(dāng)這樣的事件指示負(fù)載電流Iout超過閾值電流發(fā)生預(yù)定次數(shù)(對應(yīng)于圖5中的閾值52)時，系統(tǒng)可以直接切換到PWM模式或者可以給予對應(yīng)的信息給某一中央控制單元，該中央控制單元然后可以判定操作模式的改變。

在某些實施例中，為了允許不同的負(fù)載電流閾值，充電時間T_chg可以由不同的因子k來縮放，在某些實施例中其可以數(shù)字地編程。在等式(7)的示例中，比例因子將為0.5。換而言之，T_chg的縮放版本對應(yīng)于Td15。因此，在這樣的實施例中，縮放因子定義具體的負(fù)載電流閾值。

應(yīng)該注意到在某些實施例中，當(dāng)上電流限值UCL改變時，得到不同的閾值。進而，應(yīng)該注意到在使用以上所述的技術(shù)的某些實施例中，閾值基本上獨立于輸入電壓。因此，在某些實施例中，這里公開的技術(shù)可以適于其中輸入電壓Vin可以變化的應(yīng)用。例如在某些汽車應(yīng)用中，輸入電壓可以在例如為從6-20V的寬范圍中變化。

應(yīng)該注意到在使用以上所述的技術(shù)的某些實施例中，確定是否改變到PWM模式獨立于如為電容器和電感器(例如，圖2的電感器210和電容器211、212)的外部組件的組件值。在其中閾值基本上獨立于如為電感器210的電感器的電感的實施例中，這里公開的技術(shù)可以適于其中這樣的電感可以變化的應(yīng)用。此外，應(yīng)該注意到在使用以上所述的技術(shù)的某些實施例中，閾值(例如，對應(yīng)于閾值時間的閾值電流)基本上獨立于輸出電壓。因此，在某些實施例中，這里所公開的技術(shù)可以適于其中輸出電壓可以變化的應(yīng)用，例如負(fù)載應(yīng)用的某點。

在某些實施例中，如為圖2的電感器210的電感器在高側(cè)開關(guān)閉合的時間期間(階段HS)根據(jù)以下來充電：

$IL=\frac{Vin-Vout}{L}t---\left(8\right)$

在等式(8)中，IL為電感器電流，并且t為時間。在某些實施例中，還可以考慮例如為當(dāng)高側(cè)開關(guān)閉合時的高側(cè)開關(guān)的電阻的路徑中的電阻損耗以及電感器中的等價的串聯(lián)電阻。在實施例中，當(dāng)Vin接近Vout時，如能夠在等式(8)中看見的，上升將變得非常慢，其具有線圈電流IL可能達(dá)不到UCL的后果。在某些情況中，這可以導(dǎo)致過壓。在某些實施例中，當(dāng)HS階段的時間超過閾值時，可以檢測到超時，并且在檢測到超時之后，可以發(fā)起模式改變或其它測量。

在圖6中圖示了根據(jù)進一步的實施例的設(shè)備，其可以實現(xiàn)如上所討論的技術(shù)，例如如上參照圖4和5討論的。圖6圖示了包括控制回路的降壓型轉(zhuǎn)換器設(shè)備。圖6的設(shè)備包括高側(cè)開關(guān)65和低側(cè)開關(guān)67。高側(cè)開關(guān)65和低側(cè)開關(guān)67可以選擇性地操作在PFM模式中或在PWM模式中。電感器69和輸出電容器610耦合到高側(cè)開關(guān)65與低側(cè)開關(guān)67之間的節(jié)點。在圖6的示例實施例中，高側(cè)開關(guān)65和低側(cè)開關(guān)67使用晶體管來實現(xiàn)。負(fù)載由負(fù)載電阻器611來代表，其可以代表由輸出電壓Vout供應(yīng)的任意負(fù)載。

66代表測量通過開關(guān)65的電流并且將其與上電流限值UCL比較的第一比較器。68代表測量通過第二開關(guān)67的電流并且將其與下電流限值LCL比較的第二比較器。

輸出電壓Vout反饋到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)60。ADC 60將輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字值并且將其與例如為目標(biāo)電壓的參考值比較，以基于比較來輸出誤差值。進而，將輸出電壓Vout饋送到比較器612，其中將其與在613處供應(yīng)的低電壓限值LVL比較。比較的結(jié)果輸出為LVL_o。

將由模數(shù)轉(zhuǎn)換器60輸出的誤差信號饋送到PID控制器61(比例積分微分)，盡管在其他實施例中還可以使用其它類型的控制器。PID控制器61響應(yīng)于誤差信號而輸出指示占空比的占空比信號，例如用于HS/LS階段的占空比。將占空比信號饋送到數(shù)字脈沖寬度調(diào)制計數(shù)器62，其輸出脈沖寬度調(diào)制信息信號pwm。信號pwm提供給驅(qū)動器邏輯63。驅(qū)動器邏輯63還接收信號LVL_o和指示線圈電流分別何時達(dá)到上電流限值或下電流限值的信號UCL、LCL。響應(yīng)于這些信號，驅(qū)動器邏輯63輸出分別指示開關(guān)65、67的期望狀態(tài)的信號hs_ctrl和ls_ctrl。模擬驅(qū)動64然后響應(yīng)于數(shù)字控制信號hs_ctrl和ls_ctrl而控制開關(guān)65、67。

在某些實施例中，驅(qū)動器邏輯63可以實現(xiàn)為有限狀態(tài)機(FSM)，盡管還可能是其它邏輯實現(xiàn)。用于適當(dāng)?shù)挠邢逘顟B(tài)機的實現(xiàn)的示例在圖7中圖示。圖7圖示了適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)機的僅僅一個示例實現(xiàn)方式，并且在其他實施例中，可以使用其它實現(xiàn)例如具有不同數(shù)量的狀態(tài)的實現(xiàn)。為了更好地闡述，圖7將參照圖4和5的示例信號來解釋。這不被解釋為限制。在圖7的實施例中，在重置之后，狀態(tài)機在無效狀態(tài)70中。當(dāng)狀態(tài)機接著被激活時，在操作期間，其在四個狀態(tài)71-74中的一個狀態(tài)中活躍。采用圖4和5的信號作為說明性示例，狀態(tài)71和72屬于充電階段(分別地，HS和LS)，以及狀態(tài)73和74屬于三態(tài)狀態(tài)。

具體而言，在狀態(tài)71中，信號hs_ctrl為有效(on)，并且ls_ctrl為無效(off)，指示例如在圖6的實施例中，高側(cè)開關(guān)65閉合并且低側(cè)開關(guān)67斷開。這例如對應(yīng)于圖4和5中的階段HS。進而，在圖7中的示例中，時鐘信號(例如，圖4的時鐘信號42)為有效。

在其中圖7的狀態(tài)機保持在狀態(tài)71中的時鐘信號的每個時鐘周期中，充電時間變量Tchg增加1。這如將看見地，用作測量以時鐘信號(如，例如，圖4的時鐘信號42)為單位的充電時間T_chg。

在各種情形之下，圖7的狀態(tài)機可以做出從狀態(tài)71轉(zhuǎn)變到狀態(tài)72。情形在以上圖7中所示的各種箭頭中所提及的。第一情形為變量pfm.mode為0，其在這一示例中指示狀態(tài)機操作在脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式中并且變量pwm＝0。變量pwm在這一情況中指示脈沖寬度調(diào)制操作的脈沖。

進而，在指示操作在PFM模式中的pfm.mode＝1的情況中，當(dāng)UCL＝1時(例如，對應(yīng)于圖4或5中的達(dá)到上電流限值)或當(dāng)已經(jīng)達(dá)到用于充電時間變量T_chg的某一預(yù)定上閾值T_chg_upper_threshold時系統(tǒng)轉(zhuǎn)變到狀態(tài)72。在某些實施例中，使用用于充電時間的這樣的上閾值可以避免過壓，如上在等式(8)的解釋中所述的。在其他實施例中，這一上閾值可以省略。

在狀態(tài)72中，hs_ctrl為無效并且ls_ctrl為有效。因此，如為開關(guān)67的低側(cè)開關(guān)閉合，并且如為圖6的開關(guān)65的高側(cè)開關(guān)斷開，對應(yīng)于例如圖4和5的階段LS。進而，時鐘信號clk繼續(xù)為有效，并且充電時間變量T_chg繼續(xù)增加以測量總的充電時間持續(xù)時間T_chg。

在脈沖寬度調(diào)制操作模式(pfm.mode＝0)中，當(dāng)pwm成為1時狀態(tài)機返回狀態(tài)71。換而言之，在PWM模式中控制信號pwm在0與1之間改變，引起狀態(tài)71與72之間的改變，以交替地閉合高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān)。在PFM模式(pfm.mode＝1)中，當(dāng)LCL＝1時狀態(tài)機轉(zhuǎn)變到狀態(tài)73，指示線圈電流達(dá)到低電流限值。在狀態(tài)73中，hs_ctrl和ls_ctrl都為無效，即，高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān)都斷開，對應(yīng)于三態(tài)。

在狀態(tài)73中時鐘信號clk繼續(xù)為有效。在這一方面中，狀態(tài)73可以對應(yīng)于圖4和5中的持續(xù)時間Td15，其中時鐘信號仍然為有效。變量Td15在狀態(tài)73的肯定(assertion)處初始化成k·Tchg，Tchg為狀態(tài)71和72中Tchg的增量的結(jié)束值。如之前參照等式(1)至(7)所解釋的，k的每個值對應(yīng)于三態(tài)時間與充電時間之間的一定的閾值比例，并且因此對應(yīng)于閾值輸出電流。

應(yīng)該注意到在某些實施例中，低側(cè)開關(guān)可以實現(xiàn)成包括二極管。在這樣的實施例中，值LCL可以以耦合到開關(guān)節(jié)點(如圖2中的27)的比較器來生成。當(dāng)此開關(guān)節(jié)點處的電壓超過例如為0V的閾值時，這樣的實施例中的LVL可以設(shè)置成1。

然后，在狀態(tài)73中，隨著如為時鐘信號42的時鐘信號的每個周期，Td15減1。進而，在狀態(tài)73中，在Td15的初始化之后，Tchg重置成0。

當(dāng)Td15達(dá)到對應(yīng)于時間Td15的期滿的0時，計數(shù)器(其可以對應(yīng)于圖5的計數(shù)器53)被設(shè)置成0，并且狀態(tài)機轉(zhuǎn)變到狀態(tài)74。在狀態(tài)74中，仍然hs_ctrl和ls_ctrl無效，并且時鐘信號clk無效。為了給出示例，這對應(yīng)于在圖4和5中的Td15的期滿之后的三態(tài)階段。當(dāng)在狀態(tài)74中電壓達(dá)到低電壓水平LVL(LVL＝1)時，狀態(tài)機再次轉(zhuǎn)變到狀態(tài)71，并且上述周期重新開始。

當(dāng)LVL＝1時，即，輸出電壓達(dá)到低電壓水平，而Td15還沒有達(dá)到0，狀態(tài)機直接從狀態(tài)73轉(zhuǎn)變到狀態(tài)71，以及變量計數(shù)器(例如，圖5中的計數(shù)器53)加1。如已經(jīng)在以上所解釋的，具體而言關(guān)于圖5，當(dāng)變量計數(shù)器達(dá)到預(yù)定限值(圖5的示例中的3)時，系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)變到PWM模式(對應(yīng)于設(shè)置pfm.mode成0)。

在圖9，圖示了根據(jù)實施例的方法。當(dāng)圖9的方法圖示為一系列的動作或事件時，在附圖中描述或示出的這樣的動作或事件的順序不被解釋為限制。例如，動作或事件可以以與所示的不同的順序來執(zhí)行，和/或可以彼此并行地執(zhí)行，例如在電路的不同部件中。在其他實施例中，所表示動作或事件中的某些動作或事件可以省略，或者可以給出附加的動作或事件。圖9的方法可以例如使用以上討論的設(shè)備和技術(shù)中的一個或多個設(shè)備和技術(shù)來實現(xiàn)，但是不限于此。

在圖9中的90處，方法包括在PFM模式中操作開關(guān)模式電源。

在91處，方法包括評估三態(tài)時間是否短于閾值時間。為了給出示例，閾值時間可以對應(yīng)于以上解釋的時間Td15。在這不是情況的情況中(91處，“否”)，方法在90處繼續(xù)。

如果三態(tài)時間短于閾值時間(在91處，“是”)，在92處，所述方法包括增加計數(shù)器。在93處，所述方法包括評估計數(shù)器是否超過閾值，例如圖5中圖示的閾值。如果并非該情況(93處，“否”)，該方法在90處繼續(xù)。如果計數(shù)器超過閾值(93處，“是”)，在94處，對PWM模式中的操作做出改變。在其他實施例中，可以實現(xiàn)其他方法。

在上述實施例中的某些實施例中，閾值時間Td15基于例如為圖4的信號42的數(shù)字時鐘信號來測量。在其他實施例中，其它技術(shù)可以用于生成和確定閾值時間。

圖10圖示了用于這樣的備選實施例的示例，以及圖11通過示例方式圖示了對應(yīng)于圖10的實施例的信號。但是，圖11的信號僅僅用作示例，并且取決于圖10的實施例的實現(xiàn)方式，信號可以變化。特別地，圖10和11圖示了至少部分模擬的時間生成。在圖10中，在充電時間Tcharge期間，例如在如上所述的階段HS和LS期間，信號T_charge閉合開關(guān)104并且斷開開關(guān)105，以及在例如為三態(tài)期間的充電時間之外斷開開關(guān)104并且閉合開關(guān)105。當(dāng)開關(guān)104閉合時，電流源100以電流Ibias對電容器101充電。當(dāng)開關(guān)105閉合時，電流源103以電流1/k·Ibias對電容器101放電，k為如在等式(4)中定義的并且如上所解釋的。用于放電時間Td15的信號通過比較電容器101處的電壓與例如為接地的參考的比較器102來生成。比較器102的輸出信號在例如為三態(tài)期間的充電時間外由邏輯門106來輸出。

圖11圖示了對應(yīng)的信號。圖11的曲線110和111對應(yīng)圖4的曲線40和41，并且因此將不再解釋。曲線112圖示了圖10中的信號delay_pfm，即，電容器101處的電壓。曲線113圖示了由比較器102輸出的信號delay_cmp。曲線114圖示了由邏輯門106輸出的信號Td15。因此，在所示的示例中，信號Td15可以例如為在時間Td15期間為邏輯1以及其它情況下為邏輯0。在圖10的實施例與如圖7中所示的狀態(tài)機的狀態(tài)機一起使用的情況中，例如狀態(tài)73中Td15的初始化和Td15的減少可以省略并且基本上由圖10的模擬電路來替換。

上述實施例僅僅用作示例，并且不被解釋為限制。實施例可以使用軟件、硬件、固件或其組合來實現(xiàn)。例如，圖6的實施例的數(shù)字部分可以使用運行在如通用處理器或?qū)Ｓ锰幚砥鞯奶幚砥魃系能浖韺崿F(xiàn)，或者可以使用例如專用集成電路(ASIC)、和/或場可編程門陣列(FPGA)來在硬件中編程。雖然已經(jīng)通過參見其他實施例來描述某些實施例，以提供更清楚的理解，這不被解釋為指示相應(yīng)的實施例可以僅僅結(jié)合彼此來使用。替代地，所描述的實施例可以獨立于彼此地使用。此外，雖然如為降壓型轉(zhuǎn)換器的具體類型的轉(zhuǎn)換器已經(jīng)用于闡述，這里公開的技術(shù)還可以應(yīng)用于如為升壓型轉(zhuǎn)換器的其它類型的轉(zhuǎn)換器。還可以采用其它技術(shù)。