開關(guān)轉(zhuǎn)換器控制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本公開涉及開關(guān)轉(zhuǎn)換器和開關(guān)模式電源領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]開關(guān)模式電源(SMPS)被普遍使用，并且逐漸取代由變壓器和線性穩(wěn)壓器組成的“經(jīng)典”電源。SMPS使用開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器將一個電壓(例如，由電池提供的DC電壓)轉(zhuǎn)換為另一個電壓，該另一個電壓可以用作用于電氣裝置或電子電路的電源電壓。例如，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器廣泛用于將例如12V的較高電池電壓轉(zhuǎn)換為例如3.3V的更低電壓。需要這種低電壓來給用在汽車或移動裝置(諸如，移動電話、便攜式計算機等)中的數(shù)字電路系統(tǒng)和信號處理器供電。
[0003]在許多應用中，期望在遍及寬的輸出電流范圍內(nèi)實現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率。在高輸出電流下，損耗的主要原因是在開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中使用的半導體開關(guān)(功率晶體管)的導通狀態(tài)電阻。導通狀態(tài)電阻與功率晶體管的有源面積基本上呈反比。對于具體應用，可以針對給定的期望導通狀態(tài)電阻、或者針對期望能量轉(zhuǎn)換效率，來計算最小芯片面積。
[0004]—般而言，更大的晶體管(具有更大的有源面積)具有更低的導通狀態(tài)電阻，并且因此允許對于高輸出電流的更高的能量轉(zhuǎn)換效率。然而，更大的晶體管引起更高的固有電容，其對能量轉(zhuǎn)換效率有負面影響。在低輸出電流下，損耗的主要原因是功率晶體管的固有電容的充電和放電。結(jié)果，電路設計者面臨目標沖突，這是由于在高輸出電流下(即，在全負載下)的高能量轉(zhuǎn)換效率不利于在低輸出電流下(即，在輕負載下)的高能量轉(zhuǎn)換效率；并且許多電路大多數(shù)時候在低電流下(待機、節(jié)電模式等)操作。
[0005]對于具有同步整流器的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，在低側(cè)開關(guān)的斷開與隨后的高側(cè)開關(guān)的導通(反之亦然)之間的死區(qū)時間也與功率損耗有關(guān)，并且由此，現(xiàn)代驅(qū)動器電路可以控制開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的操作，從而使得所提及的死區(qū)時間(接近)處于最小。然而，需要最小死區(qū)時間來避免橋臂貫通(cross-conduct1n)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]描述了一種用于控制開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的操作的控制電路。開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器包括:高側(cè)半導體開關(guān)和低側(cè)半導體開關(guān)，高側(cè)半導體開關(guān)和低側(cè)半導體開關(guān)連接為形成半橋；以及電感器，耦合至半橋的輸出節(jié)點。根據(jù)本發(fā)明的一個示例，控制電路配置為生成驅(qū)動信號以根據(jù)給定控制規(guī)則切換這兩個高側(cè)半導體開關(guān)和低側(cè)半導體開關(guān)導通和斷開。生成驅(qū)動信號以保證在低側(cè)開關(guān)的斷開與后續(xù)的高側(cè)開關(guān)的導通之間的死區(qū)時間。當在切換之時電感器電流為負時，死區(qū)時間設置為大于或等于第一值；而當在切換之時電感器電流為正時，死區(qū)時間設置為小于第一值的第二值。
[0007]低側(cè)半導體開關(guān)可以由低側(cè)晶體管和并聯(lián)耦合至該低側(cè)晶體管的輔助晶體管組成。根據(jù)本發(fā)明的另一示例，控制電路配置為:生成驅(qū)動信號以根據(jù)給定控制規(guī)則切換高側(cè)半導體開關(guān)和低側(cè)晶體管導通和斷開，以在以下模式中的至少一種模式下操作開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器:連續(xù)導通模式(CCM)和不連續(xù)導通模式(DCM)。當在CCM下時，生成驅(qū)動信號以保證在低側(cè)晶體管的斷開與后續(xù)的高側(cè)開關(guān)的導通之間的死區(qū)時間。當在切換之時電感器電流為負時，死區(qū)時間設置為大于或等于第一值，而當在切換之時電感器電流為正時，死區(qū)時間設置為小于第一值的第二值?？商娲?，當在DCM下操作并且電感器電流基本為零時，生成驅(qū)動信號以導通輔助晶體管達給定時間間隔，由此使電感器電路變?yōu)樨摗Ｉ沈?qū)動信號以保證在輔助晶體管的斷開與后續(xù)的高側(cè)開關(guān)的導通之間的為大于或等于第一值的死區(qū)時間。
[0008]此外，描述了一種用于操作開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的方法。功率轉(zhuǎn)換器包括:高側(cè)半導體開關(guān)和低側(cè)半導體開關(guān)，高側(cè)半導體開關(guān)和低側(cè)半導體開關(guān)連接為形成半橋；以及電感器，耦合至半橋的輸出節(jié)點。根據(jù)本發(fā)明的一個示例，該方法包括:生成驅(qū)動信號以根據(jù)給定控制規(guī)則切換高側(cè)半導體開關(guān)和低側(cè)半導體開關(guān)導通和斷開。生成驅(qū)動信號以保證在低側(cè)開關(guān)的斷開與后續(xù)的高側(cè)開關(guān)的導通之間的死區(qū)時間。當在切換之時電感器電流為負時，死區(qū)時間設置為大于或等于第一值，以及當在切換之時電感器電流為正時，死區(qū)時間設置為小于第一值的第二值。
【附圖說明】
[0009]參照以下附圖和說明可以更好地理解本發(fā)明。在圖中的部件并不一定是按比例繪制而成，而是將重點放在圖示本發(fā)明的原理上。而且，在圖中類似的附圖標記表示對應的部分。在圖中:
[0010]圖1圖示了包括具有同步整流器的降壓轉(zhuǎn)換器的一個示例性開關(guān)模式電源(SMPS)電路；
[0011]圖2圖示了在圖1的電路中使用的低側(cè)晶體管的模型，其中通過使用電容器電阻器串聯(lián)電路來對寄生電容和電阻建模；
[0012]圖3包括定時圖，其圖示了圖1的降壓轉(zhuǎn)換器的半導體開關(guān)的柵極信號；
[0013]圖4包括定時圖，其圖示了圖1的降壓轉(zhuǎn)換器的當在連續(xù)電流模式(CCM)下操作時的半導體開關(guān)的柵極電壓和漏極-源極電壓和電感器電流；
[0014]圖5包括定時圖，其圖示了圖1的降壓轉(zhuǎn)換器的當在不連續(xù)電流模式(DCM)下操作時的半導體開關(guān)的柵極電壓和漏極-源極電壓和電感器電流；
[0015]圖6包括定時圖，其圖示了圖1的降壓轉(zhuǎn)換器的當根據(jù)一個實施例在不連續(xù)電流模式(DCM)下操作時的半導體開關(guān)的柵極電壓和漏極-源極電壓和電感器電流；
[0016]圖7圖示了包括具有同步整流器的降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)模式電源(SMPS)電路的另一示例性實施例；以及
[0017]圖8包括定時圖，其圖示了圖7的降壓轉(zhuǎn)換器的當根據(jù)一個實施例在不連續(xù)電流模式(DCM)下操作時的半導體開關(guān)的柵極電壓和漏極-源極電壓和電感器電流。
【具體實施方式】
[0018]圖1示出了包括降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)模式電源(SMPS)電路，作為開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器和控制器電路10的圖示示例。降壓轉(zhuǎn)換器包括兩個半導體開關(guān)THS、IYS，這兩個半導體開關(guān)連接為形成半橋。因此，半導體開關(guān)THS (高側(cè)開關(guān))連接在施加有輸入電壓VIN的輸入端子IN與半橋輸出節(jié)點之間。半導體開關(guān)IYS(低側(cè)開關(guān))連接在半橋輸出節(jié)點與耦合有參考電位VGND (接地電位)的接地端子GND之間。半橋輸出節(jié)點經(jīng)由電感器L.親合至功率轉(zhuǎn)換器輸出端子OUT，并且輸出電容器電連接在輸出端子與參考電位ν_之間以緩沖設置在輸出端子OUT處的輸出電壓V.。
[0019]在本示例中，半導體開關(guān)!^和T LS實施為功率M0S場效應晶體管(M0SFET)。晶體管^和T u的漏極-源極電流路徑串聯(lián)連接為形成上面提及的半橋。晶體管T吣和T u的柵極電極連接至控制器電路10，該控制器電路10配置為控制開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)操作?？刂破?0也可以供應有輸入電壓VDD并且耦合至接地端子GND。然而，可以使用不同的電源電壓來操作控制器10。取決于實施在控制器10中的控制規(guī)則，可以向控制器反饋一個或者多個反饋信號。例如，可以將存在于半橋輸出節(jié)點處的電壓Vsw(或者，表示該電壓的任何信號)反饋至控制器10。如果是用于控制功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)操作，那么可以將表示電感器電流ijp輸出電壓的另一些信號反饋至控制器10。此處，稍后論述控制規(guī)則，即，控制器10的功能性。
[0020]與SPMS電路的性能有關(guān)的一個重要參數(shù)是能量轉(zhuǎn)換效率η，能量轉(zhuǎn)換效率η可以通過輸出功率Ρ.與輸入功率Ρ ΙΝ之比計算得到:
[0021]η — Ρουτ/Ρin — (V out/Vin).(?ουτ/?ιν).
[0022]在許多應用中，根據(jù)給定設置點來調(diào)節(jié)輸出電壓，并且ν./ν?Ν之比不會發(fā)生太大變化。然而，輸出電流i.可以在較大范圍內(nèi)變動，并且能量轉(zhuǎn)換效率不是恒定的而是取決于輸出電流i.。然而，設計目標是在遍及完整輸出電流范圍內(nèi)實現(xiàn)良好的效率。
[0023]負載(在圖1中由連接在輸出端子O