CN100465849C - 用于开关模式电源的自适应延迟控制电路 - Google Patents

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Abstract

一种开关模式电源包括：耦合至输入电源的第一开关、耦合至接地的第二开关和耦合至在第一和第二开关之间所限定的相位节点的输出滤波器。第一和第二开关响应于脉冲宽度调制信号，以由此调整提供给输出滤波器的电力。在反馈环路中提供控制器，其监控第一和第二开关的操作，以及延迟第一和第二开关之一的激活以排除同时导通。控制器包括：至少一个延迟控制电路，适合于延迟所述脉冲宽度调制信号至所述第一和第二开关中的至少一个的传递。延迟控制电路检测在第一和第二开关的状态转变之间的相位差，以及提供相应于所述相位差的量值的延迟。

Description

用于开关模式电源的自适应延迟控制电路
技术领域
本发明涉及开关模式电源，而且更具体地涉及用于开关模式电源的脉冲宽度调制控制电路，其提供自适应延迟控制以防止高侧和低侧开关在开关状态转变期间的交叉导通(cross-conduction)。
背景技术
开关模式电源在现有技术中是已知的，用于将可用的直流(DC)电平电压转换至另一DC电平电压。降压转换器是一种特定类型的开关模式电源，其通过借助于将电流切换至输出电感器来有选择地将能量存储在耦合到负载的输出电感器，而将调节的DC输出电压传递给负载。降压转换器包括两个电源开关，称为高侧以及低侧开关，其典型地由MOSFET晶体管提供。高侧开关将输出电感器耦合至正的电源电压，而低侧开关将输出电感器耦合至接地。脉冲宽度调制(PWM)控制电路被用于以交替的方式控制高侧和低侧开关的选通，以控制在输出电感器中的电流。PWM控制电路使用通过反馈环路所传递的反映输出电压和/或电流级别的信号，而响应于负载条件的改变来调整施加于电源开关的工作循环(duty cycle)。
在开关模式电源中，重要的是防止高侧和低侧开关的同时导通。这会通过高和低侧开关将正的电源电压短路到接地，从而有可能损坏开关，以及还减小电源的转换效率。为了防止同时导通(也被称为“交叉导通”)，已知的方法是延迟低至高以及高至低开关转变一段时间，所述时间足以保证一个开关在另一个开关被激活之前关断。一种这样的控制方法使用比较器来检测高侧和低侧开关的状态，以及使用定时器来以定义低至高以及高至低转变的最大延迟。特别地，第一比较器检测低侧开关栅极电压，以及仅在低侧开关被关闭(即，低侧栅极电压低于阈值电压Vth2)之后使得高侧开关被开启，以及第二比较器检测相位电压，以及仅在高侧开关被关闭(即，相位电压低于阈值电压Vth1)之后使得低侧开关被开启。定时器定义在检测到低侧开关关闭和高侧开关开启之间的最大延迟，且反之亦然。
虽然此方法阻止电源开关的同时导通，但是有这样的缺点，即，所述时间延迟产生冗长的停滞时间(dead times)，在此期间没有开关在进行传导。在此停滞时间期间，电感器电流将从接地流过低侧开关的体二极管(或者流过与低侧开关并联耦合的Shottky二极管)而通过输出电感器。通过体二极管(或者Shottky二极管)的电压降往往还会减少电源的转换效率。此外，上述方法仅响应于负载变化以及输入电压变化，而不能补偿由于温度变化或者硅加工变化所引起的电源电路中的可变传播延迟。
另一种控制方法是使得低侧开关相对于高侧开关的转变被前后移动。所述方法利用包括被多路复用器控制的数字延时线的控制环路。比较器检测低侧开关的漏-源电压，以及通过向上/向下计数器(或者回路滤波器)来调节由数字延时线施加到低侧开关的开启的延迟量。这样，低侧开关在相位电压达到零时开启，而不管内部或者外部的传播延迟。虽然此控制方法是自适应的，但是，量化的延迟并不是“安静的”，因为延时线经常会在两个临近的延迟设置之间跳跃，因而在脉冲宽度调制信号中以及因此在所述电源的输出电压中引入噪声。另外，由于寄生电感，因此，很难检测低侧开关的漏-源电压以便检测体二极管的传导的起始点。零电压转变的不准确测量将会影响控制环路的操作。
相应地，对用于开关模式电源的自适应延迟控制将有着持续的需要，其防止高侧和低侧开关的交叉导通同时也减小在开关转变之间的停滞时间。
发明内容
本发明满足对于开关模式电源的自适应延迟控制的需要，其防止高侧和低侧开关的交叉导通而同时也减小在开关转变之间的停滞时间。
在本发明的实施例中，开关模式电源包括:耦合至输入电源的第一开关，耦合至接地的第二开关，以及耦合至在第一和第二开关之间所限定的相位节点的输出滤波器。第一和第二开关响应于脉冲宽度调制信号以由此调整提供给输出滤波器的电力。反馈环路监控第一和第二开关的操作，以及延迟第一和第二开关中的一个的激活，从而排除同时导通，以及使得在第一和第二开关的状态转变之间的停滞时间最小化。反馈环路包括至少一个延迟控制电路，其适合于延迟脉冲宽度调制信号到第一和第二开关中的至少一个的传递。延迟控制电路检测在第一和第二开关的状态转变之间的相位差，以及提供相应于相位差的量值的延迟。
更具体地，所述至少一个延迟控制电路还包括:与所述第一开关相关联的第一延迟控制电路，以及与所述第二开关相关联的第二延迟控制电路。每个延迟控制电路还包括相位探测器，其提供与相位差成比例的向上或向下信号。电荷泵被耦合至相位探测器，并且转换所述向上或向下信号为控制电压。模拟延迟设备提供对应于控制电压的延迟时间。耦合至电荷泵的电容器对控制电压进行积分以实现反馈环路传递函数。
通过考虑下面的优选实施例的详细描述，对于本领域的技术人员来说，将会得到对所述用于开关模式电源的自适应延迟控制电路更完整的理解，以及实现其他的特征及其目的。将会对首先简要描述的附图进行参考。
附图说明
图1描述了根据现有技术的具有开关驱动器延迟控制电路的开关模式电源；
图2描述了根据现有技术的具有自适应开关驱动器延迟控制电路的开关模式电源；
图3描述了根据本发明实施例的具有自适应开关驱动器延迟控制电路的开关模式电源；
图4是描述被提供给图3的开关模式电源的高侧和低侧开关的控制信号的时序图；
图5描述了开关模式电源的一部分；以及
图6是在不同操作条件下关于图5的开关模式电源所测量的电压和电流波形。
具体实施方式
本发明提供对于开关模式电源的自适应延迟控制，其防止高侧和低侧开关的交叉导通，同时也使得在开关转变之间的停滞时间最小化。在下面的详细描述中，相同元素的数字被用来描述在一个或多个图中说明的相同元素。
首先参照图1，图中示出了用于开关模式电源的传统延迟控制电路的例子。电源包括降压转换器拓扑，用来转换输入DC电压Vin为施加到电阻负载(RL)的输出DC电压Vo。输入DC电压Vin还可以包括DC至DC转换器的绝缘(galvanic isolation)变压器的输出。电源包括高侧开关12、低侧开关14、输出电感器以及电容器18。高侧开关12的漏极端子耦合至输入电压Vin，低侧开关14的源极端子连接至接地，而高侧开关12的源极端子和低侧开关14的漏极端子耦合在一起以限定相位节点。输出电感器16串联耦合在相位节点以及提供输出电压Vo的端子之间，而电容器18与电阻负载RL并联耦合。脉冲宽度调制(PWM)电路(图中未示出)控制方波信号的工作循环，其用来控制电源开关12、14的激活时间。反映输出电压Vo和/或电流的反馈信号可以确定所述PWM信号的工作循环。电源开关12、14的开启和关闭在相位节点提供具有一般矩形波形的中间电压，而由输出电感器16和电容器18形成的滤波器将矩形波形为基本上的DC输出电压Vo。
电压控制延迟电路20延迟PWM信号至电源开关12、14的传递。变换器38变换PWM信号以使得高侧和低侧开关12、14异相地被驱动。控制电路20还包括缓冲驱动器22、24，其提供相应的驱动信号至电源开关12、14的栅极端子。比较器26检测低侧开关14的栅极电压，并将该电压与阈值电压Vth2比较。类似地，比较器28检测在高侧和低侧开关12、14之间的电压，并将该电压与阈值电压Vth1比较。在低侧，缓冲驱动器24接着由包括AND门42、OR门44和定时器46的电路所驱动。OR门44接收来自于定时器46、比较器28的输入以及来自于AND门42的反馈信号。AND门42接收来自于变换器38以及AND门44的输入。相似地，在高侧，缓冲驱动器22接着由包括AND门32、OR门34和定时器36所驱动。OR门34接收来自于定时器36、比较器26的输入以及来自于AND门32的反馈信号。AND门32接收来自于PWM信号以及AND门44的输入。所述高侧还可以包括电平移动器(level shifter)38以调整施加于缓冲驱动器22的电压电平，缓冲驱动器22是与接地隔离的。
当PWM信号改变状态时，操作循环开始，这使得定时器36、46开始计时。然后，当相位电压下降至阈值电压Vth1以下时，这表明高侧开关12关断，此时，比较器28提供高信号至OR门44，以使得OR门44改变状态并且提供高信号至AND门42。如果比较器28没有提供高信号，则定时器46将在开始后的预定时间段之后提供高信号至OR门44，以使得OR门44改变状态并且提供高信号至AND门42。接着，AND门42发出传递到缓冲驱动器24的高信号，缓冲驱动器24然后提供驱动信号至低侧开关14。从AND门42的输出至OR门44的输入的反馈信号维持OR门44在高状态，直到PWM信号改变状态的时候，这使得AND门42的输出变为低。
相反地，当低侧开关14的栅极电压降到阈值电压Vth2以下，显示低侧开关14已经关闭时，比较器26提供高信号至OR门34，使得OR门34改变状态以及提供高信号至AND门32。如果比较器26没有提供高信号，则定时器36将在开始后的预定时间段之后提供高信号至OR门34，使得OR门34改变状态并且提供高信号至AND门32。接着，AND门42发出高信号，该高信号传递到缓冲驱动器22，缓冲驱动器22然后提供合适电平的驱动信号至高侧开关12。从AND门32的输出至OR门34的输入的反馈信号维持OR门34在高状态，直到PWM信号改变状态的时候，这使得AND门32的输出变低。
如上面讨论的那样，电压控制延迟电路20的缺点在于，比较器、门以及驱动器电路的时间延迟产生冗长的停滞时间，在停滞时间中，没有开关进行导通。另外，电压控制延迟电路20仅响应于负载改变和输入电压改变，而不能补偿在电源电路中由于温度改变或者硅处理工艺改变所引起的变化的传播延迟。
图2示出另一个用于开关模式电源的传统电压控制延迟电路的实例。如在之前的实例中那样，电压控制延迟电路60被用来延迟PWM信号到电源开关12、14的延迟。电压控制延迟电路60包括缓冲驱动器62、64，其提供相应的驱动信号至电源开关12、14的栅极端子。在低侧，比较器66检测低侧开关14的漏-源电压，并将其与负阈值电压Vth比较，负阈值电压Vth大致相应于低侧开关的内部体二极管的前向电压降的一半。比较器66产生用于指示低侧开关的体漏极二极管在传导电流的信号。此信号被用来调整加时钟的向上/向下计数器，以使得当低侧开关14的体漏极二极管在低侧开关开启之前传导电流时计数器增加，以及当在低侧开关中没有体漏极二极管导通时计数器减小。PWM信号通过变换器74传递至延迟线，该延迟线包括多个延迟级761-765。延迟级761-765每个被多路复用器72控制，以使得由延迟级所增加的延迟的数量由向上/向下计数器68所定义的计数值来确定。然后，被延迟并变换的PWM信号被提供给缓冲驱动器64，其基本如上面所描述的那样来激活低侧开关14。高侧将会具有类似的延迟线、多路复用器、向上/向下计数器、以及比较器。
此电压延迟控制电路的优点在于，低侧开关14在相位电压达到零时被开启，而不管内部或者外部的延迟。虽然所述电路是自适应的，但是延迟被量化，因此其总是在两个延迟设置之间跳跃，因此，这将噪声引入PWM信号中并因而引入电源的输出电压Vo中。另外，很难检测低侧开关14的漏-源电压，以检测由于寄生电感所产生的二极管传导的起始点。对零值电压转变的不准确的测量将会影响控制环路的操作。另外，环路滤波器仅考虑误差的方向，而不考虑相位误差的大小，因为所述计数值总是可以最大改变+1或者-1。因而，反馈环路设置时间并不如预期的那样快速。
参照图3，图中根据本发明实施例说明了用于开关模式电源的电压控制延迟电路。正如之前的例子，电压控制延迟电路80被用来延迟PWM信号至电源开关12、14的传递。电压控制延迟电路80包括缓冲驱动器82、84，其提供相应的驱动信号至电源开关12、14的栅极端子。高侧缓冲驱动器82被通过AND门92的PWM信号驱动。特别地，所述AND门92的一个输入耦合至PWM信号，而第二输入耦合至可变延迟设备94。高侧控制电路110决定由可变延迟设备94提供的延迟量。因此，当PWM信号变高并且可变延迟设备94在一段延迟之后变高时，AND门92变高并引起高侧缓冲驱动器82开启高侧开关12。类似地，低侧缓冲驱动器84被通过AND门96的反向的PWM信号驱动。所述AND门96的一个输入耦合至反向的PWM信号，而第二输入耦合至可变延迟设备98。低侧控制电路120决定由可变延迟设备98提供的延迟量。因此，当PWM信号变低(即，反向的PWM信号变高)以及可变延迟设备98在一段延迟时段后变高时，AND门96变高并且引起低侧缓存驱动器84开启低侧开关14。
高侧和低侧控制电路110、120提供环路滤波器，其通过监控相位电压(HVSS SENSE)以及低侧开关14的栅-源电压(LOUTSENSE)来决定分别施加于可变延迟设备94、98的延迟量。高侧控制电路110包括相位检测器116，其决定在LOUT SENSE和HVSSSENSE的信号变换之间的相位误差，并且产生与检测到的相位误差成比例的向上和向下信号。向上和向下信号驱动作为电流源117、118所反映的电荷泵，其定义提供控制信号给高侧可变延迟设备94的跨越电容器119的电压。比较器112比较HVSS SENSE与阈值电压Vth2，以及提供调整(ADJ)信号至相位检测器116。比较器114比较LOUTSENSE与阈值电压Vth1，以及提供参考(REF)信号至相位检测器116。低侧控制电路120具有类似结构，其中相位检测器126确定在LOUTSENSE以及HVSS SENSE的信号转变之间的相位误差。相位检测器126产生与检测到的相位误差成比例的向上和向下信号，其驱动作为电流源127、128反映的电荷泵。所述电荷泵定义跨越电容器129的电压，其提供控制信号至低侧可变延迟设备98。比较器122比较HVSSSENSE与阈值电压Vth2，以及提供参考(REF)信号至相位检测器126。比较器124比较LOUT SENSE与阈值电压Vth1，以及提供调整(ADJ)信号至相位检测器126。
图4关于PWM信号说明了提供至高侧开关12(HOUT)和低侧开关14(LOUT)的驱动信号。在标识为T1的时间段内，高侧开关12通过PWM信号的下降沿而被关闭，而低侧开关14在由低侧控制电路120决定的时刻被开启。类似地，在标识为T2的时间段内，低侧开关14通过PWM信号的上升沿而被关闭，而高侧开关12在由高侧控制电路110决定的时刻被开启。所述可变延迟设备94、98可以定义在某些定义的参数中变化的延迟时间，因而延迟时间可以被选择来比现有技术的增量方法更加快速地适应改变的条件。
更具体地，高侧开关12通过PWM信号的下降变换而被关闭。低侧控制电路120控制低侧开关12的开启时间为优选值。比较器122、124的输出信号被提供至相位检测器126。如果比较器122的输出领先于比较器124的输出，那么延迟太长，以及相位检测器126产生与比较器输出之间的相位差的大小成比例的向下脉冲。相反地，如果比较器124的输出领先于比较器122的输出，那么延迟太短，以及相位检测器126产生与比较器输出之间的相位差的大小成比例的向上脉冲。所述向上和向下信号分别控制电流源127、128，所述电流源127、128对电容器129充电或者放电。电容器129作为积分器，其对反馈环路传递函数进行整形。电容器129的电压确定在低侧开关14开启之前由可变延迟设备98提供的延迟量。反馈环路将调整延迟，以使得两个比较器的输出的改变在同时发生。通过电压控制延迟电路的操作来补偿任何对于开关模式电源固有的附加延迟，比如由低侧缓存驱动器84或者比较器122、124的操作引起的延迟。应当理解，高侧控制电路110的操作是基本上类似的。
现在参考图6，图中说明了多种电压和电流的波形，其反映在开关模式电源中的各个点，用于低侧控制电路120的三种条件，即，(a)低侧延迟(T1)过长；(b)低侧延迟被优选地调整；以及(c)低侧延迟过短。图5说明了开关模式电源的一部分，图中显示了对应于图6的波形的电压和电流测量点，包括高侧电流(ID_H)、低侧电流(ID_L)、体二极管电流(IBD)、高侧开关栅-源电压(VGS_H)、低侧开关栅-源电压(VGS_L)、以及低侧漏-源电压(VDS)。应当理解，高侧控制电路110将以与控制高侧开关12的开启基本上相同的方式进行操作。
图6的左列说明了低侧延迟过长的情况。可以看出，停滞时段在高侧和低侧开关12、14之间存在。高侧开关栅-源电压(VGS_H)波形的后沿反映高侧开关12的关闭，而低侧开关栅-源电压(VGS_L)波形的前沿反映低侧开关14的开启，其间的周期包括停滞时间。在此停滞时间期间，输出电感器16的电流流经低侧开关14的体二极管，正如在这段期间体二极管电流(IBD)波形的上升那样。通过体二极管的电压降和所述二极管的恢复电流导致有效地减少开关模式电源转换器。此情况会引起低侧控制电路120的相位检测器126产生向下信号，向下信号将减少用于下一个切换循环的时间延迟的大小。
图6的右列说明了低侧延迟过短的情况。可以看出，高侧和低侧开关12、14同时导通。正如之前的情况那样，高侧开关栅-源电压(VGS_H)波形的后沿反映高侧开关12的关闭，以及低侧开关栅-原电压(VGS_L)波形的前沿反映低侧开关14的开启，其中两个变换发生在同一时间段期间。此同时导通的情况会导致通过高侧和低侧开关的过多的冲过(shoot through)电流，正如高侧电流(ID_H)和低侧电流(ID_L)波形的电流尖峰信号所反映的那样。此冲过电流减少了开关模式电源转换器的总效率。此情况将引起低侧控制电路120的相位检测器126产生向上信号，向上信号将增加用于下一个切换循环的延迟时间的大小。
图6的中列说明了延迟被理想地选择的情况。低侧控制电路120在稳定状态的条件下，其中没有向上或向下信号产生。当由于变化的负载条件或者电路延迟的改变，例如由于温度变化，操作情况发生改变时，控制电路120将重新调整延迟为优选值。由于没有进行量化，因此，控制电路120给有效的PWM信号增加最小的噪声。
尽管本发明已经结合降压转换器的自适应延迟控制而被描述，但是，应当注意，自适应延迟控制电路还可以被用于控制其他类型的开关模式电源的开关定时，例如但不限于DC/DC转换器中的同步整流器中的整流以及自由轮转(free-wheeling)开关。
经过对用于开关模式电源的自适应延迟控制电路的优选实施例的描述，本领域技术人员应当明白，已经实现了所述系统的特定优点。还应当注意，在本发明的范围和精神内还可以有其各种修改、调整以及其它实施例。本发明还将由下列权利要求书所定义。

Claims (8)

1.一种开关模式电源，包括：
耦合至输入电源的第一开关；
耦合至接地的第二开关；
耦合至在所述第一和第二开关之间所限定的相位节点的输出滤波器，第一和第二开关响应于脉冲宽度调制信号，以由此调整提供给输出滤波器的电力；以及
反馈环路控制器，其适合于响应于改变的操作条件来调节所述第一和第二开关的操作，所述反馈环路控制器包括：至少一个延迟控制电路，适合于延迟所述脉冲宽度调制信号至所述第一和第二开关中的至少一个的传递，以排除所述第一和第二开关的同时导通，并且使得在所述第一和第二开关的状态转变之间的停滞时间最小化，所述延迟控制电路检测在所述第一和第二开关的状态转变之间的相位差，以及提供根据所述相位差的量值的延迟，所述至少一个延迟控制电路包括：(1)相位检测器，其提供和所述相位差成比例的向上或者向下信号；(2)电荷泵，其耦合至所述相位检测器以及将所述向上或者向下信号转换为控制电压；以及(3)可变延迟设备，其提供相应于所述控制电压的时间延迟。
2.根据权利要求1的开关模式电源，其中，所述延迟控制电路还包括耦合至所述电荷泵的电容器，所述电容器对所述控制电压进行积分。
3.根据权利要求1的开关模式电源，其中，所述至少一个延迟控制电路还包括关联于所述第一开关的第一延迟控制电路以及关联于所述第二开关的第二延迟控制电路。
4.根据权利要求1的开关模式电源，其中，所述输入电源包括DC至DC转换器的绝缘变压器的输出。
5.一种在开关模式电源中的反馈环路控制器，所述开关模式电源包括耦合至输入电源的第一开关、耦合至接地的第二开关、以及耦合至在所述第一和第二开关之间所限定的相位节点的输出滤波器，所述第一和第二开关响应于脉冲宽度调制信号来调整传递给所述输出滤波器的电力，所述反馈环路控制器包括：
至少一个延迟控制电路，适合于延迟所述脉冲宽度调制信号至所述第一和第二开关中的至少一个的传递，以排除所述第一和第二开关的同时导通，所述延迟控制电路检测在所述第一和第二开关的状态转变之间的相位差，以及提供相应于所述相位差的量值的延迟，所述至少一个延迟控制电路包括：
相位检测器，其提供和所述相位差成比例的向上或者向下信号；
电荷泵，其耦合至所述相位检测器以及将所述向上或者向下信号转换为控制电压；以及
模拟延迟设备，其提供相应于所述控制电压的时间延迟。
6.根据权利要求5的控制器，其中，所述延迟控制电路还包括耦合至所述电荷泵的电容器，所述电容器对所述控制电压进行积分。
7.根据权利要求5的控制器，其中，所述至少一个延迟控制电路还包括关联于所述第一开关的第一延迟控制电路以及关联于所述第二开关的第二延迟控制电路。
8.一种控制开关模式电源的方法，所述开关模式电源包括耦合至输入电源的第一开关、耦合至接地的第二开关、以及耦合至在所述第一和第二开关之间所限定的相位节点的输出滤波器，所述第一和第二开关响应于脉冲宽度调制信号来调整传递给所述输出滤波器的电力，所述方法包括以下步骤：
检测在所述第一和第二开关的状态转变之间的相位差；
根据所述相位差的量值来产生可变持续时间的延迟，其中，该步骤包括：
产生相应于所述相位差的向上或者向下信号，
分别根据所述向上或者向下信号来增加或者减少控制电压，
将所述控制电压转换为模拟延迟值，以及
对所述控制电压进行积分；以及
用可变持续时间的延迟来延迟所述脉冲宽度调制信号至所述第一和第二开关中的至少一个的传递；
其中，排除所述第一和第二开关的同时导通，以及使得在所述第一和第二开关的状态转变之间的停滞时间最小化。
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