專利名稱：智能切換控制器和功率轉換電路和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及切換功率轉換電路。
背景技術：
電子設備需要電壓和電流來工作。一般而言，不同的電子設備和系統(tǒng)具有不同的 電壓和電流工作要求。舉例而言，一些設備需要能夠提供達到IOOmA的3. 3伏特供電電壓， 而其他設備需要能夠提供IA或更大電流的5伏特供電電壓。經常由供應標準電壓和電流 的墻壁插座(socket)或電池提供功率。墻壁插座典型地提供IlOV交流(AC)電，而電池提 供大范圍的電壓作為直流(DC)電。因此，為了過渡諸如墻壁插座或電池之類的電源所提供 的電壓和電流以及諸如移動電話或計算機之類的不同電子設備所需的電壓和電流之間的 差距，需要功率轉換電路。一類功率轉換電路包括切換功率轉換電路。在這個類別中，有兩種不同類型的配 置(或模式)用于功率轉換電路升壓模式和降壓模式。在升壓模式中，輸出電壓高于輸入 電壓。相反地，在降壓模式中，輸入電壓高于輸出電壓。切換功率轉換電路通常包括用于存儲能量的至少一個電感器、用于對電感器周期 性再充電的開關、以及用于濾除來自開關的噪聲的濾波器(通常是電容器)。典型的切換功 率轉換電路監(jiān)測輸出電壓和/或電流電平，并生成反饋信號。該反饋信號繼而用以生成用 于將開關導通和斷開的脈沖寬度調制(PWM)信號。許多功率轉換電路配置成跨輸出電流范 圍將輸出電壓維持在恒定電平。切換功率轉換電路通常使用反饋信號工作以監(jiān)測輸出。因為現(xiàn)有技術需要監(jiān)測輸 出，通常需要集成電路上的額外的專用管腳以接收反饋輸入。切換功率轉換電路通常使用模擬電路實現(xiàn)。模擬電路通常占據(jù)較大區(qū)域的硅，這 增加了成本。此外，外部開關占據(jù)外部空間并增加系統(tǒng)成本。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實施方式改進功率轉換電路和方法。在一個實施方式中，本發(fā)明包括電 路，該電路包括配置成接收電壓的電壓估計電路。電壓來自開關端子和電感器端子之間的 電路節(jié)點，并且電壓估計電路基于電壓生成功率轉換電路的輸出電壓的估計。電路還包括 電流估計電路，該電流估計電路配置成接收電流。電流與流經開關的電流相關，并且電流估 計電路基于電流生成功率轉換電路的輸出電流的估計。電路還包括脈沖寬度調制電路，該 脈沖寬度調制電路配置成基于輸出電壓的估計和輸出電流的估計產生脈沖寬度調制信號。在一個實施方式中，電壓估計電路對切換周期中時段內的電壓進行平均從而生成輸出電壓的估計。在一個實施方式中，電流是第一電流，并且電壓估計電路基于在開關斷開并且電 感器傳導第二電流的時段內的電壓生成輸出電壓的估計。在一個實施方式中，該電流是第一電流，并且電壓估計電路基于開關斷開且當電 感器不傳導第二電流時的時段內的第一電壓生成輸出電壓的估計。在一個實施方式中，電流估計電路基于在完整切換周期內流經部件的平均電流生 成輸出電流的估計。在一個實施方式中，部件是二極管。在一個實施方式中，部件是電感器。在一個實施方式中，對電壓采樣，并且其中電壓估計電路數(shù)字地生成輸出電壓的 估計。在另一實施方式中，電壓估計電路是模擬電路。在一個實施方式中，對電路采樣，并且其中電流估計電路數(shù)字地生成輸出電流的 估計。在另一實施方式中，電流估計電路是模擬電路。在一個實施方式中，電路集成在硅片上。在一個實施方式中，開關是MOS器件，并且其中硅片包括MOS器件。在一個實施方式中，硅片包括三個焊盤，這三個焊盤包括用以接收輸入電壓的第 一焊盤，用以接收電壓的第二焊盤，以及用以接收參考電壓的第三焊盤。在一個實施方式中，功率轉換電路配置為升壓模式轉換器。
在一個實施方式中，功率轉換電路配置為降壓模式轉換器。在一個實施方式中，功率轉換電路配置為降壓-升壓模式轉換器。在一個實施方式中，本發(fā)明包括一種方法，該方法包括基于電壓估計功率轉換電 路的輸出電壓，其中電壓來自開關的端子和電感器端子的之間的電路節(jié)點，基于電流估計 功率轉換電路的輸出電流，其中電流流經開關，以及基于輸出電壓的估計和輸出電流的估 計生成脈沖寬度調制信號。在一個實施方式中，電流是第一電流，并且基于在切換周期中的當開關斷開后并 且電感器傳導第二電流的時段內的電壓估計輸出電壓。在一個實施方式中，該電流是第一電流，并且其中基于在切換周期中的當開關斷 開后并且電感器不傳導第二電流的時段內的電壓估計輸出電壓。在一個實施方式中，基于完整切換周期內流經電感器的平均電流，估計輸出電流。在一個實施方式中，基于完整切換周期內流經二極管的平均電流，估計輸出電流。下面的詳細描述和說明書附圖提供了對本發(fā)明的本質和優(yōu)勢更好的理解。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的功率轉換電路。圖2示出了圖1的功率轉換電路的時序圖。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的控制器。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的另一功率轉換電路。圖5示出了圖4的功率轉換電路的時序圖。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的另一控制器。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的又一功率轉換電路。
圖8示出了圖7功率轉換電路的時序圖。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的又一控制器。
具體實施例方式此處描述用于功率轉換的技術。在下面的描述中，為了便于說明，闡述了許多例子 和具體細節(jié)以提供對本發(fā)明的全面理解。然而，對于本領就技術人員明顯的是，由權利要求 書限定的本發(fā)明包括單獨在這些例子中的一些或全部特征或與下述特征結合的一些或全 部特征，還可包括本文的特征和概念的修改與等同特征和概念。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的功率轉換電路100。功率轉換電路100包 括集成電路(IC) 101，集成電路101包括控制器102和MOS開關103。例如，IC 101是三焊 盤IC，且可以在3管腳封裝體中。MOS開關103可以是外置的或在相同硅片上集成于控制 器102內部。電路100還包括電感器104、二極管105、電容器106和負載107。在這個例子 中，例如，負載107是一個或多個發(fā)光二極管(LED)。電路100將輸入電壓Vin和輸入電流 轉化成負載107處的輸出電壓Vo和輸出電流Ιο。電路100配置為升壓模式配置，其中輸出 電壓Vo大于輸入電壓Vin。輸入電壓Vin耦合至控制器102的輸入。開關103包括柵極端 子G、源極端子S和漏極端子D，柵極端子G耦合至控制器102的柵極驅動輸出端子，源極端 子S耦合至參考電壓(接地或GND)，漏極端子D耦合至電感器104和二極管105陽極之間 的節(jié)點110，漏極端子D具有電壓Vp。開關103接收來自控制器102的柵極驅動信號ton， 該柵極驅動信號可以是脈沖寬度調制(PWM)信號。柵極驅動信號ton將開關103導通或斷 開?？刂破?02檢測節(jié)點110處的電壓Vp和流經開關103的電流Ip，并如下所述那樣使用 節(jié)點110處的電壓Vp和流經開關103的電流Ip生成輸出電壓Vo和輸出電流Io的估計。 二極管105的陰極耦合至負載107和電容器106的一個端子。電容器106和負載107并聯(lián) 耦合至地。圖2示出了圖1的功率轉換電路的時序圖。完整的切換周期標記為時間T。初始 階段，柵極驅動信號導通開關103。在切換周期的這個時段，電感器104和二極管105之間 的節(jié)點110接地(Vp = 0)，而流經電感器104的電流IL等于流經開關103的電流Ip。在 開關導通時，電流IL和電流Ip均線性增加。當柵極驅動信號斷開開關103時，電感器104 和二極管105之間的節(jié)點110與地斷開并近似等于輸出電壓Vo，因為電流IL繼續(xù)流經二極 管205到達負載。因此，在標記為don的時段內，在斷開開關103之后，電壓Vp可用作輸出 電壓Vo的估計。Vp等于Vo加上二極管105的導通電壓?？裳a償二極管103的導通電壓以 獲得輸出電壓的精確估計。在這個例子中，電流IL放電至0，此時Vp等于Vin，并且新的切 換周期開始。在這個例子中，在切換周期內運送至負載的總電流等于完整切換周期內流經 二極管105的平均電流。因此，可以將輸出電流估計為這種電流的平均值。這個例子稱為 不連續(xù)充電模式(DCM)，因為電感器104中的電荷減至零電流。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的控制器?？刂破?00接收輸入電壓Vin、 電壓Vp、電流Ip和時鐘信號clkx以生成功率轉換電路(例如圖1的電路100)的輸出電 壓Vo和輸出電流Io的估計。在這個例子中，在301處從Vp減去Vin以生成信號Vpx。使 用塊“blkO” 302將Vpx與閾值電壓Vth比較，舉例而言，使用比較器可實現(xiàn)塊“blkO” 302。 對Vpx和Vth的比較允許電路檢測切換周期內何時Vp從0升至Vo以及何時隨后從Vo變至Vin。blkO 302的輸出是信號don (例如，二極管導通)。設定Vth，使得don在開關103 斷開并且電流IL下降時的Vp等于Vo的時段內有效。開關103斷開之后，當電流IL降至 0時(在圖2中，當Vp從Vo變換至Vin時)，信號don失效。因此，blk0302可用以檢測Vp 等于Vo的時段。在這個例子中，信號don用以激活電壓估計電路“blk2”304，在這個例子 中電壓估計電路“blk2” 304執(zhí)行平均化。電壓估計電路304可將Vp = Vo的時段內的Vp 值進行平均，并生成輸出電壓的估計VOx。在這個裝置中，控制器300還包括時序方框“blkl”303。在這個例子中，blkl 303
是接收clkx和信號don的計數(shù)器。Blkl 303通過生成計數(shù)donCnt來測量開關103斷開并
且二極管105傳導電流至負載后的時間。根據(jù)下列等式，Ip和donCnt可用以在電流估計
電路“blk3”305中生成輸出電流的估計。 f \
權利要求
1.一種電路，包括電壓估計電路，該電壓估計電路配置成接收電壓，其中所述電壓來自開關端子和電感 器端子之間的電路節(jié)點，并且其中所述電壓估計電路基于所述電壓生成功率轉換電路的輸 出電壓的估計；電流估計電路，該電流估計電路配置成接收電流，其中所述電流流經所述開關，并且其 中所述電流估計電路基于所述電流生成所述功率轉換電路的輸出電流的估計；以及脈沖寬度調制電路，該脈沖寬度調制電路配置成基于所述輸出電壓的估計和所述輸出 電流的估計產生脈沖寬度調制信號。
2.根據(jù)權利要求1的電路，其中所述電壓估計電路對切換周期中的一個時段內的電壓 進行平均以生成所述輸出電壓的估計。
3.根據(jù)權利要求1的電路，其中所述電流是第一電流，并且其中所述電壓估計電路基 于在所述開關斷開并且所述電感器傳導第二電流的時段內的電壓生成所述輸出電壓的估 計。
4.根據(jù)權利要求1的電路，其中所述電流是第一電流，并且其中所述電壓估計電路基 于在所述開關斷開并且所述電感器不傳導第二電流的時段內的第一電壓生成所述輸出電 壓的估計。
5.根據(jù)權利要求1的電路，其中所述電流估計電路基于完整切換周期內流經部件的平 均電流生成所述輸出電流的估計。
6.根據(jù)權利要求5的電路，其中所述部件是二極管。
7.根據(jù)權利要求5的電路，其中所述部件是電感器。
8.根據(jù)權利要求1的電路，其中所述電壓被采樣，并且其中所述電壓估計電路數(shù)字地 生成所述輸出電壓的估計。
9.根據(jù)權利要求1的電路，其中所述電壓估計電路是模擬電路。
10.根據(jù)權利要求1的電路，其中所述電流被采樣并且其中所述電流估計電路數(shù)字地 生成所述輸出電流的估計。
11.根據(jù)權利要求1的電路，其中所述電流估計電路是模擬電路。
12.根據(jù)權利要求1的電路，其中所述電路集成在硅片上。
13.根據(jù)權利要求12的電路，其中所述開關是MOS器件并且其中所述硅片包括所述 MOS器件。
14.根據(jù)權利要求12的電路，其中所述硅片包括三個焊盤，所述三個焊盤包括用以接 收輸入電壓的第一焊盤、用以接收所述電壓的第二焊盤和用以接收參考電壓的第三焊盤。
15.根據(jù)權利要求1的電路，其中所述功率轉換電路配置成升壓模式轉換器。
16.根據(jù)權利要求1的電路，其中所述功率轉換電路配置成降壓模式轉換器。
17.根據(jù)權利要求1的電路，其中所述功率轉換電路配置成降壓-升壓模式轉換器。
18.一種方法，包括基于電壓估計功率轉換電路的輸出電壓，其中所述電壓來自開關的端子和電感器的端 子之間的電路節(jié)點；基于電流估計功率轉換電路的輸出電流，其中所述電流流經所述開關；以及基于輸出電壓的估計和所述輸出電流的估計生成脈沖寬度調制信號。
19.根據(jù)權利要求18的方法，其中所述電流是第一電流，并且其中基于在切換周期中 的當所述開關斷開后并且所述電感器傳導第二電流的時段內的電壓，估計所述輸出電壓。
20.根據(jù)權利要求18的方法，其中所述電流是第一電流，并且其中基于在切換周期中 的當所述開關斷開后并且所述電感器不傳導第二電流的時段內的電壓，估計所述輸出電壓。
21.根據(jù)權利要求18的方法，其中基于完整切換周期內流經電感器的平均電流，估計 所述輸出電流。
22.根據(jù)權利要求18的方法，其中基于完整切換周期內流經二極管的平均電流，估計 所述輸出電流。
全文摘要
在一個實施方式中，本發(fā)明包括電路，該電路包括電壓估計電路以接收第一電壓，并基于所述第一電壓生成功率轉換電路的輸出電壓的估計。所述第一電壓來自開關的第一端子和電感器的第一端子之間的電路節(jié)點。所述電路還包括電流估計電路以接收第一電流并基于所述第一電流生成所述功率轉換電路的輸出電流的估計。所述第一電流是流經開關的電流。所述電路還包括脈沖寬度調制電路以基于輸出電壓的估計和輸出電流的估計產生脈沖寬度調制信號。
文檔編號G05F1/00GK102150093SQ200980135556
公開日2011年8月10日 申請日期2009年9月10日 優(yōu)先權日2008年9月11日
發(fā)明者張萬峰, 戴紹安, 林建青 申請人:馬維爾國際貿易有限公司