專利名稱：用于功率轉(zhuǎn)換器控制器的多級采樣電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及功率轉(zhuǎn)換器控制器，更具體而言，本發(fā)明涉及用于功率轉(zhuǎn)換器控制器的采樣電路。
背景技術(shù)：
許多電氣設(shè)備，例如，蜂窩電話、個人數(shù)字助理(PDA)、膝上型計算機(jī)等，利用電力來運行。由于電力通常通過壁式插座作為高壓交流電流(ac)來遞送，所以可使用一般稱為功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)備來通過能量傳遞元件將高壓交流電流(ac)輸入變換成經(jīng)很好調(diào)節(jié)的直流電流(dc)輸出。開關(guān)式功率轉(zhuǎn)換器由于它們的高效率、小尺寸和低重量而通常用于為現(xiàn)在的許多電子設(shè)備供電。在運行時，通過改變功率轉(zhuǎn)換器中開關(guān)的占空比(一般是開關(guān)的接通時間與總切換時段(switching period)的比例)、改變切換頻率，或者改變每單位時間的脈沖數(shù)目，利用開關(guān)來提供期望的輸出量。功率轉(zhuǎn)換器可通過感測和控制閉環(huán)中的功率轉(zhuǎn)換器的輸出，使用控制器來提供對電氣設(shè)備(通常稱為負(fù)載)的輸出調(diào)節(jié)。更具體地，控制器可耦合至一個傳感器，該傳感器提供關(guān)于功率轉(zhuǎn)換器的輸出的反饋信息，從而調(diào)節(jié)遞送至負(fù)載的輸出量。控制器通過響應(yīng)于來自傳感器的反饋信息來控制開關(guān)接通或斷開，以調(diào)節(jié)遞送至負(fù)載的輸出量，從而將能量脈沖從輸入電源(例如，電源線)傳遞至功率轉(zhuǎn)換器輸出。在功率轉(zhuǎn)換器中用以提供反饋信息的傳感器可包括一個光耦合器，該光耦合器接收直接來自功率轉(zhuǎn)換器的輸出的關(guān)于輸出電壓的信息。功率轉(zhuǎn)換器的輸出還耦合至能量傳遞元件的次級繞組。該類型的控制方案一般稱為“次級側(cè)控制”。替代地，控制器可利用通常稱為“初級側(cè)控制”的另一類型的控制方案。在初級側(cè)控制中，傳感器可包括能量傳遞元件的初級參考繞組(例如，偏置繞組)，以在將能量遞送至輸出的切換事件之后，立即提供一個代表功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的信號。盡管初級側(cè)控制減小了成本和光耦合器所消耗的功率，但是在沒有切換時，輸出電壓不能被感測。此外，只在有限時間中，初級參考繞組所提供的信號才代表輸出電壓，尤其是在輕負(fù)載狀況時。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于功率轉(zhuǎn)換器的集成電路控制器，所述控制器包括一個跟蹤和保持電路，被耦合以接收來自所述控制器的單個端子的信號，所述信號代表所述功率轉(zhuǎn)換器在一個第一開關(guān)的至少斷開時間的一部分期間的輸出電壓，其中所述跟蹤和保持電路包括一個被耦合以提供第一電壓的第一電容器，所述第一電壓在所述第一開關(guān)的所述斷開時間的一部分期間跟蹤所述信號，所述第一電容器在所述斷開時間的一部分的結(jié)束處保持所述第一電壓；一個采樣和保持電路，被耦合至所述跟蹤和保持電路，從而當(dāng)所述第一電壓被保持在所述第一電容器上時對所述第一電壓進(jìn)行采樣，其中所述采樣和保持電路包括一個第二電容器，所述第二電容器被稱合以保持代表在一個米樣時段之后的所述第一電壓的第二電壓，其中所述第二電容器的電容值大于所述第一電容器的電容值；以及驅(qū)動邏輯電路，被耦合至所述采樣和保持電路，并且被耦合以控制所述第一開關(guān)，從而響應(yīng)于所述第二電壓來調(diào)節(jié)所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種功率轉(zhuǎn)換器，包括一個能量傳遞元件；第一開關(guān)，被耦合至所述能量傳遞元件，以控制通過所述能量傳遞元件的能量傳遞；以及一個控制器，被耦合至所述第一開關(guān)。所述控制器包括一個跟蹤和保持電路，被耦合以接收來自所述控制器的單個端子的信號，所述信號代表所述功率轉(zhuǎn)換器在一個第一開關(guān)的至少斷開時間的一部分期間的輸出電壓，其中所述跟蹤和保持電路包括一個被耦合以提供第一電壓的第一電容器，所述第一電壓在所述第一開關(guān)的所述斷開時間的一部分期間跟蹤所述信號，所述第一電容器在所述斷開時間的一部分的結(jié)束處保持所述第一電壓；一個米樣和保持電路，被耦合至所述跟蹤和保持電路，從而當(dāng)所述第一電壓被保持在所述第一電容器上時對所述第一電壓進(jìn)行采樣，其中所述采樣和保持電路包括一個第二電容器，所述第二電容器被耦合以保持代表在采樣時段之后的所述第一電壓的第二電壓，其中所述第二電容器的電容值大于所述第一電容器的電容值；以及驅(qū)動邏輯電路，被耦合至所述采樣和保持電路，并且被耦合以控制所述第一開關(guān)，從而響應(yīng)于所述第二電壓來調(diào)節(jié)所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出。


參考下列附圖來描述本發(fā)明的非限制性和非窮舉性實施例，其中除非另有指示，在各個視圖中，相同的參考數(shù)字指代相同的部分。圖1是根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的一個功能方塊圖，示出了包括控制器的一個示例功率轉(zhuǎn)換器。圖2是根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的一個功能方塊圖，示出了具有包括初級參考繞組的感測電路的示例功率轉(zhuǎn)換器。圖3是根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的一個功能方塊圖，示出了一個示例控制器。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的與示例多級采樣電路相關(guān)聯(lián)的示例電壓波形和電流波形以及時鐘信號。
具體實施例方式公開了關(guān)于感測在功率轉(zhuǎn)換器中的電壓的實施例。在隨后的描述中，陳述了許多具體細(xì)節(jié)，從而提供對本發(fā)明的透徹理解。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)明了，不必需采用所述具體細(xì)節(jié)來實踐本發(fā)明。在其他情況下，未詳細(xì)描述公知材料或方法，以避免模糊本發(fā)明。在本說明書全文中提到“一個實施方案” “一實施方案” “一個實施例”或“一實施例”意為，關(guān)于該實施方案或?qū)嵤├枋龅木唧w特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在本發(fā)明的至少一個實施方案中。因此，在本說明書的多個地方出現(xiàn)的短語“在一個實施方案中” “在一實施方案中” “一個實施例”或“一實施例”未必全都指相同的實施方案或?qū)嵤├?。此外，在一個或多個實施方案或?qū)嵤├?，所述具體特征、結(jié)構(gòu)或特性可通過任何合適的組合和/或子組合而被組合。具體的特征、結(jié)構(gòu)或特性可被包括在提供所描述的功能的集成電路、電子電路、組合邏輯電路或其他合適部件中。此外，應(yīng)理解，在此所提供的附圖是出于向本領(lǐng)域普通技術(shù)人員解釋的目的，且這些圖未必按比例繪制。
如將討論的，用于功率轉(zhuǎn)換器的示例集成控制器通過感測和控制閉環(huán)中的功率轉(zhuǎn)換器的輸出來提供輸出調(diào)節(jié)。包括在功率轉(zhuǎn)換器中的感測電路可依賴于能量傳遞元件的隔離繞組之間的磁耦合，從而提供代表輸出電壓的信號。如前面所提及的，這種類型的控制通常稱為“初級側(cè)控制”或使用初級側(cè)反饋的控制。盡管初級側(cè)反饋去除了由光耦合器所耗費的成本和功率，但是在沒有切換時，輸出電壓不能被感測。因而，根據(jù)本文的教導(dǎo)的示例控制器包括一個采樣電路，以對感測電路所提供的信號進(jìn)行采樣。在一個實施例中，采樣電路包括一個電容器，以存儲已采樣的信號。隨后，存儲在電容器中的所感測的信號被控制器的驅(qū)動邏輯電路所接收，以控制電源開關(guān)。然而，僅在有限時間內(nèi)，感測電路所提供的信號才代表輸出電壓，尤其是在輕負(fù)載狀況時。此外,對于在輕負(fù)載時利用脈沖跳躍(pulses kipping)的控制器,存儲所感測的信號的電容器應(yīng)當(dāng)足夠大，從而將所感測的信號的值保持?jǐn)?shù)個時鐘周期(clock cycle)。如將進(jìn)一步討論的，控制器包括一個提供時鐘信號的振蕩器。時鐘信號的頻率可以部分地確定開關(guān)的切換頻率。在某些運行狀況下，開關(guān)在每一時鐘周期期間被使能(enable)，這樣，切換頻率基本上等于時鐘頻率。然而，在輕負(fù)載狀況下，開關(guān)并非在每一時鐘周期都被使能，有效切換頻率小于時鐘頻率。這樣，存儲有所感測的信號的電容器應(yīng)當(dāng)足夠大，以將所感測的信號的值保持?jǐn)?shù)個時鐘周期，直至至少下一切換事件。因而，為在少量時間中對單個大電容器充電以存儲所感測的輸出電壓，可能要求使用快速、高電流的緩沖器，該緩沖器利用更大的功率，并且設(shè)計比較復(fù)雜。因此，本發(fā)明的實施方案利用多級采樣電路，以感測和存儲由感測電路所提供的信號。在一個實施例中，多級采樣電路包括一個跟蹤和保持級，隨后是一個采樣和保持級，以感測和存儲一個功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。跟蹤和保持級被耦合，以跟蹤所感測的輸出電壓，然后將所感測的輸出電壓保持在一個小電容器上，該小電容器使用簡單的緩沖器來充電。一旦所感測的輸出電壓被保持在較小的跟蹤和保持電容器上，就使用采樣和保持級將所保持的值傳遞至一個較大的電容器(例如，接近十倍的電容)。這樣，多級反饋電路可將所感測的輸出電壓快速保持在跟蹤和保持電路的小電容器上，然后通過將所感測的輸出電壓傳遞至采樣和保持電路的較大的電容器上，該控制器可將所感測的輸出電壓的值保持多個時鐘周期。在一個實施方案中，利用該跟蹤和保持電路允許控制器在最近可能的時刻處獲取所感測的輸出電壓的值。舉例而言，圖1是根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的一個功能方塊圖，示出了包括控制器122的示例功率轉(zhuǎn)換器100。所示出的功率轉(zhuǎn)換器100的實施例包括能量傳遞元件Tl 104、能量傳遞元件Tl 104的初級繞組106、能量傳遞元件Tl 104的次級繞組108、開關(guān)SI 110、輸入返回111、箝位電路112、整流器Dl 114、輸出電容器Cl 116、輸出返回117、感測電路120、控制器122和集成電路125?？刂破?22示出為包括單個反饋端子123、多級采樣電路132和驅(qū)動邏輯電路134。圖1中還不出輸入電壓Vin 102、輸出量U。、輸出電壓V。、輸出電流I。、感測信號Usense 124、電流感測信號126、驅(qū)動信號128和開關(guān)電流Id 130。在示出的實施例中，出于解釋的目的，功率轉(zhuǎn)換器100示出為一個具有回掃拓?fù)涞墓β兽D(zhuǎn)換器。應(yīng)理解，功率轉(zhuǎn)換器的其他已知拓?fù)浜团渲靡部蓮谋景l(fā)明的教導(dǎo)中受益。功率轉(zhuǎn)換器100從一個未經(jīng)調(diào)節(jié)的輸入Vin 102提供輸出功率至負(fù)載118。在一個實施方案中，輸入Vra 102是一個經(jīng)整流和經(jīng)濾波的ac線電壓。在另一實施方案中,輸入電壓Vin 102是dc輸入電壓。輸入Vin 102耦合至能量傳遞元件T1104。在本發(fā)明的一些實施方案中，能量傳遞元件Tl 104可以是耦合電容器。在本發(fā)明的一些其他實施方案中，能量傳遞元件Tl 104可以是變壓器。在圖1的實施例中，能量傳遞元件Tl 104包括兩個繞組，一個初級繞組106和一個次級繞組108。Np和Ns分別是初級繞組106和次級繞組108的匝數(shù)。在圖1的實施例中，初級繞組108可認(rèn)為是輸入繞組，次級繞組112可認(rèn)為是輸出繞組。初級繞組106還耦合至電源開關(guān)SI 110，電源開關(guān)SI 110則又耦合至輸入返回111。此外，箝位電路112耦合在能量傳遞元件Tl 104的初級繞組106兩端。能量傳遞元件Tl 104的次級繞組108耦合至整流器Dl 114。在圖1示出的實施例中，整流器Dl 114示例為一個二極管，次級繞組108耦合至該二極管的陽極。然而，在一些實施方案中，整流器Dl 114可以是用作同步整流器的晶體管。輸出電容器Cl 116和負(fù)載118都耦合至整流器D1114。在圖1的實施例中，輸出電容器Cl 116和負(fù)載118都耦合至該二極管的陰極。輸出被提供至負(fù)載118，并且可提供作為輸出電壓Vtj、輸出電流Itj或者這兩者的組合。功率轉(zhuǎn)換器100進(jìn)一步包括用于調(diào)節(jié)輸出(示例為輸出量隊)的電路系統(tǒng)。感測電路120被耦合，以感測輸出量U。并且提供感測信號Usense 124，該感測信號Usense 124代表輸出量隊。如下面更加詳細(xì)討論的，感測電路120可感測來自能量傳遞元件Tl 104的附加繞組的輸出量。在另一實施方案中，感測電路120可通過一個電路(例如，光耦合器)感測直接來自功率轉(zhuǎn)換器100的輸出的輸出量％。通常，輸出量Utj為輸出電壓Vtj、輸出電流I?；蛘哌@兩者的組合?？刂破?22耦合至感測電路120，并且可包括多個端子。在端子123處，控制器122接收來自感測電路120的感測信號Usense 124?？刂破?22進(jìn)一步包括用于接收電流感測信號126且用于將驅(qū)動信號128提供至開關(guān)SI 110的端子。電流感測信號126可以代表開關(guān)SI 110中的開關(guān)電流Id 130。此外，控制器122提供驅(qū)動信號128至開關(guān)S1110，以控制各個切換參數(shù)。所述參數(shù)的實施例可包括開關(guān)SI 110的切換頻率、切換時段(switchingperiod)、占空比或者各自的接通時間和斷開時間。如圖1中所示，控制器122包括多級采樣電路132和驅(qū)動邏輯電路134。多級采樣電路132被耦合，以接收感測信號Usense 124。之后，多級采樣電路的輸出被耦合至驅(qū)動邏輯電路134，且被驅(qū)動邏輯電路134所接收。驅(qū)動邏輯電路134還接收電流感測信號126并且響應(yīng)于多級米樣電路的輸出來輸出驅(qū)動信號128。在一些實施方案中,驅(qū)動邏輯電路134還響應(yīng)于電流感測信號126來輸出驅(qū)動信號128。在圖1的實施例中，輸入電壓Vin 102相對于輸入返回111是正的,輸出電壓V。相對于輸出返回117是正的。圖1的實施例示出了輸入返回111和輸出返回117之間的流電隔離(galvanic isolation)。換句話說,施加在輸入返回111和輸出返回117之間的dc電壓將產(chǎn)生基本上為零的電流。因而，電氣耦合至初級繞組106的電路與電氣耦合至次級繞組108的電路流電隔離。在運行時，圖1的功率轉(zhuǎn)換器100從一個未經(jīng)調(diào)節(jié)的輸入Vin 102提供輸出功率至負(fù)載118。功率轉(zhuǎn)換器100利用能量傳遞元件Tl 104來在初級繞組106和次級繞組108之間傳遞能量。箝位電路112耦合至能量傳遞元件Tl 104的初級繞組106，以限制開關(guān)SI 110上的最大電壓。開關(guān)SI 110響應(yīng)于接收自控制器122的驅(qū)動信號128而被打開和閉合。通常的理解是，閉合的開關(guān)可導(dǎo)通電流，且被認(rèn)為是接通的；打開的開關(guān)不能導(dǎo)通電流，且被認(rèn)為是斷開的。在圖1的實施例中，開關(guān)SI 110響應(yīng)于控制器122來控制電流Id130，以獲得功率轉(zhuǎn)換器100的指定性能。在一些實施方案中，開關(guān)SI 110可以是一個晶體管，控制器122可包括集成電路和/或分立的電氣部件。在一個實施方案中，控制器122和開關(guān)SI 110—起被包括在單個集成電路125中。在一個實施例中，集成電路是單塊集成電路。在另一個實施例中，集成電路是混合集成電路。開關(guān)SI 110的運行還在初級繞組106兩端產(chǎn)生時變電壓VP。通過變壓器作用，在次級繞組108兩端產(chǎn)生電壓Vp的成比例復(fù)制，比例因子是次級繞組108的匝數(shù)Ns除以初級繞組106的匝數(shù)NP。開關(guān)SI 110的切換還在整流器Dl 114處產(chǎn)生脈動電流。整流器Dl114中的電流被輸出電容器Cl 116濾波，以在負(fù)載118處產(chǎn)生基本恒定的輸出電壓輸出電流Itj或這兩者的組合。感測電路120感測輸出量U。，從而將感測信號Usense 124提供至控制器122。在圖1的實施例中，控制器122還接收電流感測輸入126，該電流感測輸入126中繼(relay)在所述開關(guān)SI 110中所感測的開關(guān)電流Id 130?？梢远喾N方式來感測開關(guān)電流Id 130，例如通過分立電阻器兩端的電壓，或者當(dāng)晶體管導(dǎo)通時在晶體管兩端的電壓?？刂破?22輸出驅(qū)動信號128,以響應(yīng)于各種不同的系統(tǒng)輸入來運行開關(guān)SI 110,從而基本上將輸出量^調(diào)節(jié)至期望值。通過使用感測電路120和控制器122，在閉環(huán)中調(diào)節(jié)開關(guān)式功率轉(zhuǎn)換器100的輸 出?？刂破?22進(jìn)一步包括多級采樣電路132，以接收和存儲由感測信號Usense 124所提供的輸出量隊。隨后所存儲的輸出量^被輸出至驅(qū)動邏輯電路134。多級采樣電路132提供一種在不使用昂貴的、快速緩沖器的情況下來快速存儲輸出量U0并且將輸出量^保持?jǐn)?shù)個時鐘周期的方式。圖2是根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的一個功能方塊圖，示出了包括初級參考繞組(例如，偏置繞組206)的感測電路120的示例功率轉(zhuǎn)換器200。功率轉(zhuǎn)換器200是功率轉(zhuǎn)換器100的一種可能的實施方式，并且進(jìn)一步提供了關(guān)于可能的感測電路120和多級采樣電路132的細(xì)節(jié)。在圖2中，示例感測電路120示出為包括偏置繞組206和電阻器Rl 208和R2 210。偏置繞組206可以是能量傳遞元件Tl 104的一個附加繞組。所示的多級采樣電路132的實施例在圖2中示出為包括一個跟蹤和保持電路220和一個采樣和保持電路222。在示出的實施方案中，感測電路120提供感測信號Usense124。電阻器Rl 208和R2210耦合在偏置繞組206兩端。偏置繞組206和電阻器R2 210耦合至輸入返回111。在示出的實施例中，電阻器R2 210兩端的電壓(反饋電壓Vfb)被用作感測信號Usense124。在端子123處，反饋電壓Vfb被控制器122接收并進(jìn)一步被多級采樣電路132所接收。在運行時，當(dāng)次級繞組108上的整流器Dl 114導(dǎo)通時，偏置繞組206響應(yīng)于輸出電壓V。而產(chǎn)生電壓VB。在開關(guān)SI 110的至少斷開時間的一部分(a portion of an OFFtime)期間，反饋電壓Vb和感測信號Usense124代表輸出電壓V。。在一個實施方案中，感測信號USENSE124僅在該斷開時間的一部分期間代表輸出電壓Vo。在開關(guān)SI 100的接通時間期間，偏置繞組206響應(yīng)于輸入電壓Vin 102而產(chǎn)生電壓VB。在另一實施例中，偏置繞組210還可為控制器122內(nèi)的電路提供電源。電阻器Rl 208和R2 210被用于成比例縮小偏置繞組206的電壓。這樣，反饋電壓Vfb是偏置電壓Vb的成比例的形式。應(yīng)理解，在以下方面許多變體都是可能的，S卩，利用偏置繞組來感測輸出電壓Vtj并且用于提供感測，同時在流電隔離的情況下還供電至控制器。例如，偏置繞組可分別應(yīng)用一個類似于整流器Dl 114的整流器和一個類似于電容器Cl 116的電容器，以產(chǎn)生dc偏置電壓同時提供來自整流器的陽極的ac反饋信號。這樣，附加的無源部件(例如，電阻器)可被用在偏置繞組上，以將來自繞組的電壓成比例改變?yōu)楦舆m合被控制器122接收的值。使用偏置繞組206來感測輸出電壓提供了輸出電壓\和控制器122之間的流電隔離，而無需使用光耦合器。然而，當(dāng)使用能量傳遞元件104的繞組來感測輸出電壓Vtj時，偏置繞組206處的電壓VbR在輸出整流器Dl 114導(dǎo)通時代表輸出電壓V。。換句話說，感測電路120可以僅在開關(guān)SI 110的斷開時間期間感測輸出電壓V。。然而，當(dāng)開關(guān)SI 110的切換頻率高時(對應(yīng)于較短的切換時段)，存在很少的時間來感測功率轉(zhuǎn)換器的輸出。如進(jìn)一步將示出的，在切換循環(huán)(switching cycle)的斷開時間期間，電壓Vb代表輸出電壓I，然后下降為零。負(fù)載越小，在斷開時間期間，輸出電壓Vtj下降為零的速度越快。這樣，同樣存在僅有較少的時間來感測功率轉(zhuǎn)換器200的輸出電壓Vtjt5本發(fā)明的實施方案利用多級采樣電路132來快速獲取最近可能的時刻處的感測信號Usense 124 (即，反饋電壓Vfb)的值，且不需要快速、高電流緩沖器，同時在多個切換循環(huán)中將反饋電壓Vfb保持在大電容器上。如將進(jìn)一步討論的，反饋電壓Vfb被跟蹤和保持電路220所跟蹤，反饋電壓Vfb的值被快速保持在小電容器上。一旦該值被保持，反饋電壓Vfb的值就通過采樣和保持電路222傳遞至較大的電容器，該較大的電容器可將該值保持多個切換循環(huán)和時鐘周期，而無需考慮實際反饋電壓Vfb的狀態(tài)。圖3是一個根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的功能方塊圖，示出了一個示例控制器322。控制器322是圖1和圖2中所示的控制器122的一種可能的實施方式。所示出的控制器322的實施例包括端子123、驅(qū)動邏輯電路(例如，脈沖寬度調(diào)制(PWM)電路302)、振蕩器304、跟蹤和保持電路306、采樣和保持電路308和自適應(yīng)采樣計時器312。PWM電路302示出為包括鎖存器316、限流發(fā)生器317和比較器314。跟蹤和保持電路306示出為包括跟蹤和保持電容器318、跟蹤和保持開關(guān)S 2、電阻器320和緩沖器324。采樣和保持電路308示出為包括采樣和保持電容器330、采樣和保持開關(guān)S3和緩沖器332。如圖3中所示，跟蹤和保持電路306耦合至端子123，以接收感測信號Usense 124。在跟蹤和保持電路306內(nèi)，緩沖器324被耦合，以接收來自端子123的感測信號Ufb 124。緩沖器324進(jìn)一步耦合至電阻器320，而電阻器320耦合至開關(guān)S2。開關(guān)S2被耦合，以響應(yīng)于使能信號SW2_EN來控制所述跟蹤和保持電路306是否跟蹤或保持來自緩沖器324的輸出的值。例如，當(dāng)開關(guān)S2被使能(即，閉合)時，電容器318兩端的電壓跟蹤緩沖器324的輸出。類似地，當(dāng)開關(guān)S2被禁用(B卩，打開)時，電容器318兩端的電壓被保持。在示出的圖3的實施例中，采樣和保持電路308耦合至跟蹤和保持電路306的輸出。緩沖器332被耦合，以接收跟蹤和保持電路306的輸出，并且進(jìn)一步耦合至開關(guān)S3。開關(guān)S3進(jìn)一步耦合至采樣和保持電容器330，且被耦合以響應(yīng)于使能信號SW3_EN來控制采樣和保持電路308是否采樣或保持來自緩沖器332的輸出的值。例如，當(dāng)開關(guān)S3被使能(SP，閉合)時，電容器330兩端的電壓在采樣時段中對緩沖器332的輸出進(jìn)行積分。類似地，當(dāng)在采樣時段結(jié)束時，開關(guān)S3被禁用(即，打開)時，電容器330兩端的電壓被保持。在一個實施方案中，電容器330的電容值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電容器318的電容值。例如，電容器330的電容值可以為電容器318的電容值的約10倍。在一個實施方案中，電容器318足夠小，以快速跟蹤和獲取感測信號Usense 124，而電容器318足夠大，以將感測信號Usense 124 (在一個實施方案中為圖2中所示的反饋電壓Vfb)的值存儲并保持為開關(guān)SI 110的多個時鐘周期。舉例而言，電容器318可以是約5pH，電容器330可以是約50pF。電容器330的值可根據(jù)高溫時的過程泄漏(process leakage)和用于調(diào)節(jié)輸出的技術(shù)要求而定。PWM電路302耦合至采樣和保持電路308的輸出。PWM電路302生成驅(qū)動信號128以控制開關(guān)SI 110，從而響應(yīng)于采樣和保持電路的輸出(B卩，保持在電容器330上的電壓)以及還響應(yīng)于電流感測信號126來調(diào)節(jié)功率轉(zhuǎn)換器的輸出。具體而言，限流發(fā)生器317耦合至電容器330，并且響應(yīng)于保持在電容器330上的值來輸出一個可變限流閾值319。在一個實施方案中，限流發(fā)生器317包括一個誤差放大器(未不出)，以放大所米樣的輸出電壓(如由保持在電容器330上的值所指示的)和參考值之間的差。然后，誤差放大器的輸出可以被轉(zhuǎn)換為代表功率轉(zhuǎn)換器的輸出處的負(fù)載狀況的限流閾值。例如，高限流閾值可代表高負(fù)載狀況，然而低限流閾值可代表輸出處的輕負(fù)載狀況。比較器314被耦合，以將電流感測信號126與可變限流閾值319進(jìn)行比較，并且禁用開關(guān)SI 110 (參看圖2)。比較器314被耦合至鎖存器316的重置輸入端，當(dāng)電流感測信號126超出限流閾值319時,鎖存器316被重置。鎖存器316還被f禹合，以借助于在鎖存器316的設(shè)定輸入端所接收的時鐘信號而在每一切換時段使能開關(guān)SI 110。在一個實施方案中，振蕩器304的頻率還是開關(guān)SI 110的切換頻率。然而，在輕負(fù)載操作期間，這未必是真實的。在一個實施方案中，振蕩器304生成具有固定頻率的時鐘信號，使得每一切換循環(huán)的切換時段T都是固定的。在輕負(fù)載狀況下，電源開關(guān)SI 110并非在每一時鐘周期處都被使能，并且有效切換頻率低于時鐘頻率。這樣，電容器330應(yīng)當(dāng)足夠大，以將所感測的信號的值保持?jǐn)?shù)個時鐘周期，直至至少 下一切換事件。如圖3中所示，控制器322還包括自適應(yīng)采樣計時器312。自適應(yīng)采樣計時器312適于生成自適應(yīng)采樣計時器信號AST_SIGNAL，該信號可被用于生成多個計時信號，以控制跟蹤和保持電路306以及采樣和保持電路308的運行。例如，所示出的自適應(yīng)采樣計時器312的實施例被耦合，以提供自適應(yīng)采樣計時器信號AST_SIGNAL，該信號被用于生成使能信號SW2_EN以及使能信號SW3_EN。如上面所提及的，感測信號Usense 124僅在電源開關(guān)SI斷開的一部分時間期間代表輸出電壓。因此，自適應(yīng)采樣計時器312可生成自適應(yīng)采樣計時器信號AST_SIGNAL，使得自適應(yīng)采樣計時器信號AST_SIGNAL的邏輯高段的長度代表此時感測信號Usense 124提供關(guān)于輸出電壓的信息。因而，自適應(yīng)采樣計時器312控制跟蹤和保持電路306，使得電容器318僅在該部分時間期間(即，當(dāng)開關(guān)SI斷開時的感測信號Usense124代表輸出電壓的這部分時間期間)跟蹤感測信號Usense 124。這部分時間可在此稱為自適應(yīng)采樣時間(例如，當(dāng)AST_SIGNAL是邏輯高時)。因而，自適應(yīng)采樣時間是其中感測信號Usense 124可代表輸出電壓的至少一部分時間。在一個實施方案中，自適應(yīng)采樣計時器信號AST_SIGNAL基于驅(qū)動信號脈動至高值。對于圖2中示出的實施例，感測信號Usense 124代表斷開時間期間的輸出電壓％。這樣，在開關(guān)SI 110的斷開時間期間，自適應(yīng)采樣計時器信號AST_SIGNAL脈動至邏輯高值。邏輯高段(即，自適應(yīng)采樣時間)的長度可基于負(fù)載情況。此外，自適應(yīng)采樣計時器312可生成自適應(yīng)采樣計時器信號AST_SIGNAL，使得在電源開關(guān)SI 110斷開之后的一個固定的延遲時間(例如，O. 22 μ S)，開關(guān)S2接通(即，閉合)，以允許感測信號Usense124的跳動(ringing),所述跳動可以在電源開關(guān)Si斷開之后立刻發(fā)生直到減弱。此外，感測信號Usense124代表輸出電壓的時間量可隨著功率轉(zhuǎn)換器的輸出處的負(fù)載狀況而改變(例如，在1. 2-2. 5μ s之間)。例如，對于輕負(fù)載狀況時，感測信號USENSE124代表輸出電壓的時間量小于對于高負(fù)載狀況時所述感測信號Usense124代表輸出電壓的時間量。因此，自適應(yīng)采樣計時器312被耦合，以響應(yīng)于代表功率轉(zhuǎn)換器的輸出處的負(fù)載狀況的負(fù)載狀況信號隊_而生成自適應(yīng)米樣計時器信號AST_SIGNAL。因而,在一個實施方案中，自適應(yīng)采樣計時器312生成自適應(yīng)采樣計時器信號AST_SIGNAL，使得自適應(yīng)采樣時間(例如，開關(guān)S2閉合的時間)隨著功率轉(zhuǎn)換器的輸出處的負(fù)載狀況而改變(例如，在1. 2-2. 5μ s之間)。在一個實施方案中，計時信號SW2_EN和SW3_EN中的每一個響應(yīng)于自適應(yīng)采樣計時器信號AST_SIGNAL而脈動持續(xù)一個固定時間段。盡管未不出，單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器可被用于生成使能信號SW2_EN和SW3_EN。此外，使能信號SW2_EN和SW3_EN響應(yīng)于自適應(yīng)采樣時間的結(jié)束而脈動。在一個實施例中，使能信號SW2_EN在自適應(yīng)采樣時間結(jié)束時降低至邏輯低值。此外，使能信號SW3_EN在自適應(yīng)采樣時間結(jié)束時脈動至高邏輯值。因此，跟蹤和保持電路306保持電容器318上的值的時間以及采樣和保持電路308采樣的時間還響應(yīng)于功率轉(zhuǎn)換器的輸出處的負(fù)載狀況。如上面所提及的，可變限流閾值319代表功率轉(zhuǎn)換器的輸出處的負(fù)載狀況。因此，在一個實施方案中，自適應(yīng)采樣計時器312被耦合以接收限流閾值發(fā)生器317的輸出，以及負(fù)載狀況信號Uum是可變限流閾值319。在另一實施方案中，誤差電壓(限流發(fā)生器317中的誤差放大器的輸出)可被用作負(fù)載信號隊_，以確定負(fù)載狀況。在這些實施例中，自適應(yīng)采樣計時器312響應(yīng)于電源開關(guān)SI 110斷開而生成自適應(yīng)采樣計時器信號AST_SIGNAL。在一個實施例中，隨著自適應(yīng)采樣計時器信號AST_SIGNAL脈動至邏輯高值，自適應(yīng)采樣計時器312響應(yīng)于開關(guān)SI 110斷開來開始為電容器(該電容器被包括在自適應(yīng)采樣計時器312中)充電。用于為電容器充電的電流是固定電流源和代表限流閾值的電流之間的差。一旦電容器上的電壓增 大到參考電壓，則自適應(yīng)采樣計時器312將自適應(yīng)采樣計時器信號AST_SIGNAL轉(zhuǎn)變回至邏輯低值。因而，隨著限流閾值減小，為包括在自適應(yīng)采樣計時器312中的電容器充電的電流增大。這樣，對于輕負(fù)載狀況，電容器充電所花費的時間和自適應(yīng)米樣時間都減小。自適應(yīng)采樣計時器312還可包括被自適應(yīng)采樣計時器信號AST_SIGNAL所觸發(fā)的一個或多個單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(例如，單觸發(fā))，以生成計時信號SW2_EN和SW3_EN。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的示例電壓波形和電流波形以及與一個示例多級采樣電路相關(guān)聯(lián)的時鐘信號，例如包括在圖3的控制器322中的多級采樣電路。進(jìn)一步參考圖1-圖3來描述圖4的波形和時鐘信號。偏置繞組電壓Vb和驅(qū)動信號波形在圖4的頂部處示出。如圖4中所示，偏置繞組電壓Vb (以及由此反饋電壓Vfb)代表在開關(guān)SI接通期間(例如，當(dāng)驅(qū)動信號為高時)的線輸入電壓VIN，并且代表在開關(guān)SI斷開期間(例如，當(dāng)驅(qū)動信號為低時)的輸出電壓\。在切換循環(huán)Tl開始時，AST_SIGNAL是低的。此外，使能信號SW2_EN是低的，電容器318未跟蹤感測信號Usense124。在切換循環(huán)Tl的開始處，感測信號Usense124經(jīng)由偏置繞組電壓Vb代表輸入電壓VIN。如圖4中所示，當(dāng)開關(guān)首次斷開時，在偏置繞組電壓中存在跳動。因此，自適應(yīng)采樣計時器312可延遲斷言(assert)AST_SIGNAL，從而允許跳動首次減弱。在一個實施方案中，斷言AST_SIGNAL和使能信號SW2_EN之前的所述延遲是一個固定延遲。一旦AST_SIGNAL被斷言(即，轉(zhuǎn)變至邏輯高)，則使能信號SW2_EN轉(zhuǎn)變至邏輯高值，電容器318開始跟蹤感測信號Usense124，該感測信號Usense124現(xiàn)在經(jīng)由反饋電壓Vfb代表輸出電壓。偏置繞組電壓Vb下降為零之前的時間量是由功率轉(zhuǎn)換器的輸出處的負(fù)載狀況引起。因而，偏置繞組電壓Vb代表輸出電壓Vtj的時間量也取決于負(fù)載狀況。例如，負(fù)載越小，偏置繞組Vb代表輸出電壓的時間越短。因此，自適應(yīng)采樣計時器312提供響應(yīng)于這些負(fù)載狀況的自適應(yīng)采樣時間402，以允許有效反饋信息被提供至多級采樣電路132。在自適應(yīng)采樣時間402結(jié)束時，AST_SIGNAL轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫷汀４送猓谧赃m應(yīng)采樣時間402結(jié)束時，使能信號SW2_EN切換為邏輯低，以將該值保持在跟蹤和保持電容器318上。開關(guān)S2在自適應(yīng)采樣時間402結(jié)束時被打開(即，被禁用)，以至少部分地確保一個更精確表示的輸出電壓被保持在跟蹤和保持電容器318上，這是由于感測信號Usense124中的跳動在此時已減弱。在自適應(yīng)采樣時間402結(jié)束時，使能信號SW3_EN轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫺咧?。?dāng)SW3_EN轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫺咧祻亩鼓荛_關(guān)S 3時，電容器330開始對保持在跟蹤和保持電容器318上的值進(jìn)行采樣。電容器330在采樣時段(S卩，SW3_EN信號為高的時間)中對保持在跟蹤和保持電容器318上的值進(jìn)行積分。在一個實施方案中，SW3_EN信號為高的時間是一個固定時段。在采樣和保持電路308的采樣時段結(jié)束時，保持在跟蹤和保持電容器318上的值現(xiàn)在被保持在電容器330上，以供驅(qū)動邏輯電路302用于調(diào)節(jié)功率轉(zhuǎn)換器的輸出。隨著時間過去，電容器將放電，并且將失去存儲在電容器上的值(即，電壓)。較大的電容器將比一個較小的電容器保持其值更長的時間。如上面所 討論的，電容器330的電容值大(例如，50pF)，使得保持在電容器330上的樣本持續(xù)多個時鐘周期有效。因而，驅(qū)動邏輯電路302即使在沒有切換的情況下也可繼續(xù)獲得有效的反饋信息。此外，如圖4中所示，通過采樣和保持電路308的采樣甚至可以發(fā)生在偏置繞組電壓Vb之后，因而感測信號Usense 124不再代表輸出電壓。上面對本發(fā)明的示例實施例的描述(包括摘要中所描述的)不旨在是窮舉性的或者被限制為所公開的精確形式。盡管在此描述的本發(fā)明的具體實施方案和實施例用于示例目的，但是在不背離本發(fā)明的更寬的精神和范圍的情況下，多種等同變體是可能的。確實，應(yīng)理解，具體的電壓、電流、頻率、功率范圍值、時間等都被提供用于解釋的目的，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，其他值也可用在其他實施方案和實施例中。在上述詳細(xì)描述的啟示下，可對本發(fā)明的實施例做出這些變體。在隨后的權(quán)利要求中所使用的術(shù)語不應(yīng)當(dāng)解釋為將本發(fā)明限制到說明書和權(quán)利要求書所公開的具體實施方案中。而是，完全由隨后的權(quán)利要求來確定范圍，所述權(quán)利要求根據(jù)權(quán)利要求解釋的既定原則來解釋。因此，本發(fā)明的說明書和附圖被認(rèn)為是示例性而非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種用于功率轉(zhuǎn)換器的集成電路控制器，所述控制器包括一個跟蹤和保持電路，被耦合以接收來自所述控制器的單個端子的信號，所述信號代表所述功率轉(zhuǎn)換器在一個第一開關(guān)的至少斷開時間的一部分期間的輸出電壓，其中所述跟蹤和保持電路包括一個被稱合以提供第一電壓的第一電容器，所述第一電壓在所述第一開關(guān)的所述斷開時間的一部分期間跟蹤所述信號，所述第一電容器在所述斷開時間的一部分的結(jié)束處保持所述第一電壓；一個采樣和保持電路，被耦合至所述跟蹤和保持電路，從而當(dāng)所述第一電壓被保持在所述第一電容器上時對所述第一電壓進(jìn)行采樣，其中所述采樣和保持電路包括一個第二電容器，所述第二電容器被稱合以保持代表在一個米樣時段之后的所述第一電壓的第二電壓，其中所述第二電容器的電容值大于所述第一電容器的電容值；以及驅(qū)動邏輯電路，被耦合至所述采樣和保持電路，并且被耦合以控制所述第一開關(guān)，從而響應(yīng)于所述第二電壓來調(diào)節(jié)所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中當(dāng)所述采樣和保持電路對保持在所述第一電容器上的所述第一電壓進(jìn)行采樣時，接收自所述單個端子的信號不代表所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述跟蹤和保持電路進(jìn)一步包括一個被耦合至所述第一電容器的跟蹤和保持開關(guān)，其中所述第一電壓在所述跟蹤和保持開關(guān)被使能時跟蹤，并且在所述跟蹤和保持開關(guān)被禁用時保持。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制器，進(jìn)一步包括一個自適應(yīng)采樣計時器，該自適應(yīng)采樣計時器被耦合至所述跟蹤和保持電路，以控制所述跟蹤和保持開關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制器，其中所述自適應(yīng)采樣計時器適于禁用所述跟蹤和保持開關(guān)，以響應(yīng)于所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出處的負(fù)載狀況而將所述第一電壓保持在所述第一電容器上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制器，其中所述采樣和保持電路進(jìn)一步包括一個被耦合至所述第二電容器的采樣和保持開關(guān)，其中當(dāng)所述采樣和保持開關(guān)被使能時所述采樣時段開始，以及當(dāng)所述采樣和保持開關(guān)被禁用時將所述第二電壓保持在所述第二電容器上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述第一開關(guān)被包括在所述集成電路控制器中。
8.—種功率轉(zhuǎn)換器,包括一個能量傳遞元件；第一開關(guān)，被耦合至所述能量傳遞元件，以控制通過所述能量傳遞元件的能量傳遞；以及一個控制器，被耦合至所述第一開關(guān)，所述控制器包括一個跟蹤和保持電路，被耦合以接收來自所述控制器的單個端子的信號，所述信號代表所述功率轉(zhuǎn)換器在一個第一開關(guān)的至少斷開時間的一部分期間的輸出電壓，其中所述跟蹤和保持電路包括一個被稱合以提供第一電壓的第一電容器，所述第一電壓在所述第一開關(guān)的所述斷開時間的一部分期間跟蹤所述信號，所述第一電容器在所述斷開時間的一部分的結(jié)束處保持所述第一電壓；一個采樣和保持電路，被耦合至所述跟蹤和保持電路，從而當(dāng)所述第一電壓被保持在所述第一電容器上時對所述第一電壓進(jìn)行采樣，其中所述采樣和保持電路包括一個第二電容器，所述第二電容器被耦合以保持代表在采樣時段之后的所述第一電壓的第二電壓，其中所述第二電容器的電容值大于所述第一電容器的電容值；以及驅(qū)動邏輯電路，被耦合至所述采樣和保持電路，并且被耦合以控制所述第一開關(guān)，從而響應(yīng)于所述第二電壓來調(diào)節(jié)所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中當(dāng)所述采樣和保持電路對保持在所述第一電容器上的所述第一電壓進(jìn)行采樣時，接收自所述單個端子的信號不代表所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述跟蹤和保持電路進(jìn)一步包括一個被耦合至所述第一電容器的跟蹤和保持開關(guān)，其中所述第一電壓在所述跟蹤和保持開關(guān)被使能時跟蹤，并且在所述跟蹤和保持開關(guān)被禁用時保持。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述控制器進(jìn)一步包括一個自適應(yīng)采樣計時器，該自適應(yīng)采樣計時器被耦合至所述跟蹤和保持電路，以控制所述跟蹤和保持開關(guān)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述自適應(yīng)采樣計時器適于禁用所述跟蹤和保持開關(guān)，以響應(yīng)于所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出處的負(fù)載狀況而將所述第一電壓保持在所述第一電容器上。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述采樣和保持電路進(jìn)一步包括一個被耦合至所述第二電容器的采樣和保持開關(guān)，其中當(dāng)所述采樣和保持開關(guān)被使能時所述采樣時段開始，以及當(dāng)所述采樣和保持開關(guān)被禁用時將所述第二電壓保持在所述第二電容器上。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的功率轉(zhuǎn)換器，還包括一個感測電路，被耦合以將所述信號提供至所述控制器，所述感測電路包括所述能量傳遞元件的一個初級參考繞組，其中在所述第一開關(guān)的至少斷開時間的一部分期間，所述初級參考繞組兩端的電壓代表所述輸出電壓，并且在所述第一開關(guān)的至少接通時間的一部分期間，所述初級參考繞組兩端的電壓代表所述功率轉(zhuǎn)換器的線輸入電壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述控制器和所述第一開關(guān)被包括在單個集成電路中。
全文摘要
一種用于功率轉(zhuǎn)換器的示例控制器，包括跟蹤和保持電路、采樣和保持電路和驅(qū)動邏輯電路。所述跟蹤和保持電路從所述控制器的一個端子接收一個代表所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的信號。所述跟蹤和保持電路包括第一電容器，所述第一電容器提供跟蹤所述信號的第一電壓，然后保持所述第一電壓。當(dāng)所述第一電壓被保持在所述第一電容器上時，所述采樣和保持電路對所述第一電壓進(jìn)行采樣。所述采樣和保持電路包括第二電容器，該第二電容器被耦合以在一個采樣時段之后保持代表所述第一電壓的第二電壓，其中所述第二電容器的電容值大于所述第一電容器的電容值。所述驅(qū)動邏輯電路控制所述第一開關(guān)，從而響應(yīng)于所述第二電壓來調(diào)節(jié)所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出。
文檔編號H02M3/28GK103036396SQ20121037199
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者Y·迦諾基, 毛鳴明, M·Y·張 申請人:電力集成公司