本發(fā)明涉及控制具有可變電壓輸出的降壓型電源轉(zhuǎn)換器或變型的降壓型電源轉(zhuǎn)換器的切換工作頻率。更為具體地，本發(fā)明涉及在保持用于防止連續(xù)模式接通時間下降到連續(xù)模式最小接通時間以下的占空比的同時降低切換工作頻率。

背景技術(shù)：

本章節(jié)中的陳述僅提供與本發(fā)明相關(guān)的背景信息，并且可以不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。

對于降壓型轉(zhuǎn)換器和任何變型，例如，正向轉(zhuǎn)換器或橋式轉(zhuǎn)換器，在處于連續(xù)的電感電流模式下時，工作占空比(D)被定義為：

D＝V_out÷V_in (1)

其中，V_out為轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，V_in為轉(zhuǎn)換器的輸入電壓。

對于需要在能夠微調(diào)的輸出電壓范圍內(nèi)工作的電源轉(zhuǎn)換器，當(dāng)輸出電壓被設(shè)置成相對于額定輸出為非常低時，工作占空比變得非常小。

一些電流源應(yīng)用需要相比額定值而言低很多的電流設(shè)置，或者有時負(fù)載阻抗是異常低的。這些情況也促使輸出電壓為低。

在操作中，電源轉(zhuǎn)換器具有最小可控工作接通時間。該最小工作接通時間受控制器的脈沖寬度調(diào)制器(pulse width modulator，PWM)的分辨率的影響。然而，已知的數(shù)字控制器具有低至幾百皮秒的級別的PWM分辨率，因此對于大部分應(yīng)用而言，這將不會成為設(shè)計限制。當(dāng)然，對模擬控制而言，PWM分辨率不是問題。

然而，外部因素，例如電路、緩沖器、驅(qū)動器中的傳播延時以及在功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)中的接通和關(guān)斷延時，確實會創(chuàng)建在電源轉(zhuǎn)換器被迫進(jìn)入突發(fā)模式前的最小可控接通時間。在現(xiàn)有的控制方案中，一旦達(dá)到最小接通時間且失去了可靠的操作控制，則使用能量均衡。通常能量均衡包括：通過以比實際所需的占空比大的占空比進(jìn)行操作來供應(yīng)過量的能量、接著關(guān)閉轉(zhuǎn)換器以傳送期望的平均有效功率。在能量均衡期間，控制回路可以是極度緩慢的，并伴隨有具有過度脈動的轉(zhuǎn)換器輸出。對于很多應(yīng)用而言，緩慢的控制回路響應(yīng)和過度的脈動輸出是不可接受的。一些要求較快的控制回路響應(yīng)和小的脈動的示例包括磁驅(qū)動器和超磁體，其中，對于四象限運算，從正極性到負(fù)極性，電流必須平滑地通過零點。另一示例是要求輸出電壓和輸出電流從近零值到預(yù)定最大值之間可調(diào)的實驗室儀表或臺式電源。現(xiàn)有技術(shù)通過以低切換頻率工作來滿足這些需求，導(dǎo)致龐大的電源設(shè)計或以低的電源轉(zhuǎn)換效率為代價而使用線性控制器。再一示例是在用于計算和其它應(yīng)用的電壓調(diào)節(jié)模塊(voltage regulator module，VRM)中使用的大電流多相降壓型轉(zhuǎn)換器。當(dāng)針對給定的負(fù)載電流降低輸出電壓時，VRM通常在效率上具有顯著的降低。為每一所需的輸出設(shè)計單獨的VRM以避免效率降低是可行的。然而，VRM已經(jīng)變成商品，并且可配置性是非常重要的，用以通過允許較少的庫存單位(stock keeping unit，SKU)來保持低的制作成本。因此，發(fā)明人意識到，需要保持連續(xù)模式，并防止轉(zhuǎn)換器在任何相對額定條件而言低的輸出電壓、低的輸出電流或低的負(fù)載下被迫進(jìn)入突發(fā)模式，同時仍提供小的脈動輸出和充分的控制回路響應(yīng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

從本文中提供的描述，適用的其它領(lǐng)域?qū)⒆兊妹黠@。應(yīng)當(dāng)理解，描述和特定示例僅用于說明的目的且不意圖限制本發(fā)明的范圍。

根據(jù)本發(fā)明的一示例，一種用于具有可變輸出電壓范圍的電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)控制器可以包括：脈沖寬度調(diào)制器，所述脈沖寬度調(diào)制器具有產(chǎn)生用于驅(qū)動電源轉(zhuǎn)換器開關(guān)的脈沖信號的輸出端；模式選擇器，所述模式選擇器具有指示所述電源轉(zhuǎn)換器的工作接通時間狀態(tài)的輸出端，該輸出端連接至乘法器；周期 選擇器，所述周期選擇器具有指示所述脈沖信號的周期時間的輸出端，該輸出端連接至所述乘法器和所述脈沖寬度調(diào)制器的一輸入端；乘法器，所述乘法器具有指示所述周期時間中的開關(guān)接通時間的輸出端，該輸出端連接至所述脈沖寬度調(diào)制器的另一輸入端；比較器，所述比較器具有指示相對于最小工作接通時間的工作接通時間狀態(tài)的輸出端，該輸出端連接至所述周期選擇器的一輸入端。當(dāng)所述工作接通時間狀態(tài)大于最小工作接通時間時，所述周期選擇器向所述脈沖寬度調(diào)制器輸出額定周期時間。當(dāng)所述工作接通時間狀態(tài)小于所述最小工作接通時間時，所述周期選擇器輸出比額定周期時間大的更新的周期時間。相應(yīng)地，脈沖寬度調(diào)制器輸出具有更新的周期時間和與緊鄰的前一個脈沖信號的占空比相等的占空比的脈沖信號。

本發(fā)明的另一示例是一種控制電源轉(zhuǎn)換器的切換工作頻率的方法，所述電源轉(zhuǎn)換器具有可變的輸出電壓范圍。該方法包括：設(shè)置最小工作接通時間以及設(shè)置額定切換工作頻率；然后在所述電源轉(zhuǎn)換器工作期間，確定工作接通時間狀態(tài)和占空比狀態(tài)；如果確定的工作接通時間狀態(tài)小于所述最小工作接通時間，則降低所述切換工作頻率并保持所述占空比狀態(tài)。

附圖說明

本文中描述的附圖僅用于說明目的且不意圖以任何方式限制本發(fā)明的范圍。

圖1為示例性開關(guān)控制器電路；

圖2為示例性降壓型電源轉(zhuǎn)換器電路；

圖3為另一示例性開關(guān)控制器電路；和

圖4為示例性方法的示例性邏輯流程。

具體實施方式

以下描述實質(zhì)上僅為示例性的，并不意圖限制本發(fā)明、應(yīng)用或使用。

一些儀表等級和精度的電源需要工作在相對寬的輸出電壓范圍內(nèi)(例如 3V-12V)。其它電源(也稱為電源轉(zhuǎn)換器)需要寬的輸出電壓微調(diào)范圍，例如，0.8V-5V，并且有時，當(dāng)負(fù)載阻抗非常低(例如小于1Ohm)時，電源轉(zhuǎn)換器會需要在接近零的輸出電壓處工作在連續(xù)模式下。處于相對額定輸出電壓而言低的輸出電壓級別上的電源轉(zhuǎn)換器工作引起控制問題。低輸出電壓控制問題之一是，當(dāng)工作接通時間隨著輸出電壓降低而變得越來越小時保持連續(xù)模式的能力?；诎娫崔D(zhuǎn)換器的PWM分辨率、各種傳播延時、有源開關(guān)和驅(qū)動器的上升和下降時間等的多種因素，電源轉(zhuǎn)換器可進(jìn)入突發(fā)模式以實現(xiàn)平均性能并保持所需的輸出電壓和/或電流。然而，對于精確的應(yīng)用，突發(fā)模式導(dǎo)致不可接受的輸出脈動等級和極度緩慢的調(diào)節(jié)響應(yīng)。

以下公開的示例性實施方式和方法適應(yīng)性地監(jiān)控電源轉(zhuǎn)換器的工作接通時間，并改變降壓型轉(zhuǎn)換器和降壓型變體的工作頻率(也相對周期時間進(jìn)行描述)，以保持工作接通時間大于預(yù)設(shè)或預(yù)定的最小可控接通時間。根據(jù)一個示例，當(dāng)達(dá)到最小接通時間時，在保持當(dāng)前占空比不變的同時降低工作頻率(即，增大周期時間)。無論電源轉(zhuǎn)換器何時試圖將工作接通時間降低至設(shè)定的最小接通時間以下，工作頻率變化過程可以是連續(xù)的。

當(dāng)這種所需的頻率變化很大(例如幾百納秒)時，可以根據(jù)應(yīng)用需求在一個或幾個步驟中實現(xiàn)該頻率變化。例如，如果要求工作頻率從200kHz變化到100kHz，伴隨10％的接通時間，則單一周期從5000ns增大到10000ns，且接通時間從500ns增大到1000ns。在之前的示例中，單一步驟的頻率變化會引起操作問題，推薦從200kHz到100kHz的多步驟變化。然而，如果工作頻率從200kHz變化到190kHz，伴隨相同的10％的接通時間，則單一周期變化263ns，接通時間增加26.3ns，并且可以實現(xiàn)單一步驟的頻率變化，而不會對性能產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響。因此，公開的示例允許通過以相對窄的占空比進(jìn)行操作而對電源轉(zhuǎn)換器進(jìn)行密切控制，這些相對窄的占空比允許電源轉(zhuǎn)換器避免突發(fā)模式操作及因而發(fā)生的調(diào)節(jié)響應(yīng)和輸出脈動的惡化。

公開的示例也可以提高設(shè)計成工作在寬的輸出電壓范圍(例如0.8V-5V)內(nèi)的大宗VRM產(chǎn)品的效率。相比較高的電壓設(shè)置，現(xiàn)有的VRM的效率在較低的 電壓設(shè)置處顯著降低。在保持當(dāng)前占空比的同時，隨著降低輸出電壓設(shè)置而改變切換工作頻率，可以顯著提高電源轉(zhuǎn)換效率。

公開的開關(guān)控制器的示例可以使用模擬控制來實現(xiàn)；然而相信數(shù)字控制實現(xiàn)可以產(chǎn)生相對更好的結(jié)果。

本發(fā)明適用于降壓型轉(zhuǎn)換器和變型的降壓型轉(zhuǎn)換器(稱為降壓型轉(zhuǎn)換器)，例如正向轉(zhuǎn)換器、交叉正向轉(zhuǎn)換器、半橋式轉(zhuǎn)換器和全橋式轉(zhuǎn)換器等。這些適用的電源轉(zhuǎn)換器的共同特征是，每一種都具有用于保持恒定的輸出電流(I_o)并傳送低脈動、平滑的直流(Direct Current，DC)電壓輸出(V_o或V_out)的輸出級電感器。

對于降壓型轉(zhuǎn)換器中的電壓模式控制，當(dāng)處于連續(xù)導(dǎo)通模式(continuous conduction mode，CCM)時，在不考慮電路損耗和延時的情況下，輸出電壓符合上面的公式1。

在實際應(yīng)用中，電源轉(zhuǎn)換器電路的損耗和延時會導(dǎo)致實際的占空比(D)高于從公式1推導(dǎo)出的值。然而，為了簡化說明，將使用公式1，并且公式1不改變對公開的動態(tài)切換頻率控制的基本分析。在公式1中，V_in為電感器的輸入端處的電壓，V_out為電感器的輸出端處的電壓。

當(dāng)用作恒流源時，降壓型轉(zhuǎn)換器的輸出電壓幾乎僅取決于負(fù)載電阻(R_L)。V_out可以被表達(dá)為：

V_out＝I_o*R_L (2)

顯然，R_L通常不被提前知道，且可以在使用過程中顯著變化。在一些應(yīng)用中，R_L可以非常小，例如1ohm或更小，并可能小至0.1ohm或甚至更小。在其它應(yīng)用中，I_o可以在工作期間改變且可以非常小。將公式1和公式2組合，得到：

D＝(I_o*R_L)/V_in (3)

從公式3可見，不論I_o小還是R_L小或是兩者都小，都會導(dǎo)致非常小的工作占空比D，從而因為上文討論的最小接通時間限制而引起電源轉(zhuǎn)換器進(jìn)入不希望的突發(fā)模式以及引起固有的輸出脈動。公開的示例提供用于允許電源轉(zhuǎn)換器 以低的V_o或I_o級別工作的電路和方法，低的V_o或I_o級別會另外引起不可接受的電源轉(zhuǎn)換器的輸出特征。

確定最小開關(guān)接通時間，在該最小開關(guān)接通時間中，電源轉(zhuǎn)換器可以穩(wěn)定地工作在連續(xù)模式下而不進(jìn)入突發(fā)模式。可以利用任何已知的方法(例如經(jīng)驗測試或模擬測試)或利用已知的計算(其包含已知的硬件特征)，來確定最小開關(guān)接通時間。

圖1示出了開關(guān)控制器100，其用于具有可變輸出電壓范圍的電源轉(zhuǎn)換器200(下面的圖2中所示的示例)。脈沖寬度調(diào)制器102具有用于產(chǎn)生脈沖信號PWM_out的輸出端104，該脈沖信號用于驅(qū)動電源轉(zhuǎn)換器開關(guān)S1(在下面的圖2中示出)。

模式選擇器106具有連接至乘法器110的輸出端108，該輸出端108指示電源轉(zhuǎn)換器200的工作接通時間狀態(tài)T_{on_state}。模式選擇器106可以具有表示電源轉(zhuǎn)換器200的電壓輸出V_o和/或電流輸出I_o的輸入端。V_o信號和/或I_o信號在輸入至模式選擇器106之前，可以由穩(wěn)定控制電路制約，如下面更詳細(xì)的描述。

周期選擇器112具有輸出端114，該輸出端114指示對于脈沖信號PWM_out的周期時間，該輸出端114連接至乘法器110且連接至脈沖寬度調(diào)制器102的輸入端116。

乘法器110具有輸出端118，該輸出端118指示周期時間中的開關(guān)接通時間，如所示，該輸出端118連接至脈沖寬度調(diào)制器102的另一輸入端。

比較器120具有輸出端122，該輸出端122指示相對于最小工作接通時間Min_T_on的工作接通時間狀態(tài)，并且如所示，該比較器120連接至周期選擇器112的輸入端。如所示，來自輸出端108的工作接通時間狀態(tài)T_{on_state}被應(yīng)用到比較器120的一個輸入端，并且電源轉(zhuǎn)換器200的預(yù)定的最小工作接通時間被應(yīng)用到比較器120的另一輸入端。

當(dāng)工作接通時間狀態(tài)T_{on_state}大于最小工作接通時間Min_T_on時，周期選擇器112在114處向脈沖寬度調(diào)制器102輸出額定周期時間(表示在圖1中所示的高頻率)。此外，當(dāng)工作接通時間狀態(tài)小于最小工作接通時間時，周期選擇器 112在114處輸出大于額定周期時間的更新的周期時間(即，降低開關(guān)工作頻率)。脈沖寬度調(diào)制器102被設(shè)計或編程成在104處輸出脈沖信號，該脈沖信號具有更新的周期時間和與緊鄰的前一個脈沖信號的占空比相等的占空比。在這種方式下，可以達(dá)到新的更長的工作接通時間。查看開關(guān)控制器100的另一方式在于，當(dāng)比較器120指示需要較低頻率時，周期選擇器112輸出與額定切換頻率和新的更小的切換頻率的比率成比例的信號，其中，該比率基本上即時地改變工作接通時間和周期時間，從而保持當(dāng)前占空比。例如，如果額定切換頻率為200kHz，且電源轉(zhuǎn)換器正工作在10％的占空比下，且周期選擇器引起切換頻率變化至100kHz，則通過在乘法器110處使工作接通時間加倍以及在116處使脈沖寬度調(diào)制器102的周期時間加倍而將占空比保持在10％。在110和116處的加倍基本上即時發(fā)生。另一示例可以是，如果額定切換頻率從200kHz變化到170kHz，則針對接通時間和周期時間的比例乘數(shù)將是1.176。

根據(jù)電源轉(zhuǎn)換器的預(yù)期用途的設(shè)計需求，可以在單個步驟或多個步驟中達(dá)到大于最小工作接通時間的工作接通時間狀態(tài)?？梢圆捎萌魏我阎姆绞綄崿F(xiàn)頻率變化。例如，可以通過調(diào)節(jié)PWM振蕩器的斜坡率且保持斜坡幅度，或通過保持斜坡率且改變斜坡幅度，來改變頻率。如果在單一步驟中改變頻率，則立即迫使達(dá)到對應(yīng)于所需頻率的斜坡率。如果在多個步驟中改變頻率，則在多個小步驟中改變斜坡率，直到達(dá)到對應(yīng)于所需頻率的所需斜坡率為止，例如，可以在10ns的步驟中改變斜坡率。同樣地，如果實施一個步驟的頻率變化，則立即迫使達(dá)到對應(yīng)于所需頻率的斜坡幅度，其中，與新斜坡幅度成比例地重新計算接通時間。對于多步驟的頻率變化，可以在多個小的步驟中改變斜坡幅度，直至達(dá)到對應(yīng)于所需頻率的所需的斜坡幅度，例如，斜坡幅度的1比特的變化可以對應(yīng)于10ns到PWM周期。通常地，斜坡幅度的變化最好在數(shù)字控制(例如使用數(shù)字PWM 100)中實現(xiàn)，斜坡率的變化更適合于模擬實現(xiàn)。

圖2示出了示例性降壓型電源轉(zhuǎn)換器200，其可以與上述的示例性開關(guān)控制器100一起使用。電源轉(zhuǎn)換器200可以包括開關(guān)S1，該開關(guān)S1用于根據(jù)來自輸出端104的PWM_out信號向電感器L周期性地施加輸入電壓V_in。也可以使用驅(qū) 動器或放大器來確保S1按需斷開或接通。如所示，偏置二極管D1和電容器C2也可以形成轉(zhuǎn)換器200的一部分，并且是降壓型轉(zhuǎn)換器的典型的一部分。如上所述，R_L是負(fù)載電阻，并可以根據(jù)電源轉(zhuǎn)換器200的預(yù)期用途而顯著變化。圖2中示出了用于開關(guān)控制器100的輸入信號V_o和I_o。

如上所述，對于電源轉(zhuǎn)換器200，可以實現(xiàn)開關(guān)控制器100及其優(yōu)點，上述電源轉(zhuǎn)換器200可以是降壓型轉(zhuǎn)換器、正向轉(zhuǎn)換器、半橋式轉(zhuǎn)換器、全橋式轉(zhuǎn)換器以及交叉正向轉(zhuǎn)換器中的任何一種，或降壓型轉(zhuǎn)換器的其它變型。

再參照圖1，開關(guān)控制器100可以包括附加的比較器124，該比較器124具有另一輸出端126，該輸出端126指示相對于最小接通時間Min_T_on加上滯后時間Hyst_T_on而言的工作接通時間狀態(tài)。如所示，輸出端126可以連接至周期選擇器112的另一輸入端。當(dāng)工作接通時間狀態(tài)大于最小接通時間加上滯后時間時，周期選擇器可以在114處恢復(fù)輸出額定周期時間(額定頻率)。滯后時間可以是足以補(bǔ)償開關(guān)控制器100和電源轉(zhuǎn)換器200的任何延時和切換時間的時間。因此，開關(guān)控制器100通常工作在其額定切換頻率上，并僅當(dāng)工作接通時間狀態(tài)處于或接近預(yù)定的最小工作接通時間時降低切換頻率。利用附加的比較器124將開關(guān)控制器100在降低的切換頻率上工作的時間保持為最小。

開關(guān)控制器可以還包括重新加載信號，在每一周期時間結(jié)束時，在128處將該重新加載信號施加至脈沖寬度調(diào)制器102。這確保了使在116處的周期時間的變化基本上與在108處的工作接通時間狀態(tài)的變化同時進(jìn)行。

圖3公開了開關(guān)控制器100的示例，該開關(guān)控制器100具有用虛線框300所示的一個或多個穩(wěn)定電路。輸出電壓V_o和/或輸出電流I_o可以在信號被施加至模式選擇器106之前被穩(wěn)定。開關(guān)控制器100可以還包括至少一個信號穩(wěn)定控制電路，上述至少一個信號穩(wěn)定控制電路用于產(chǎn)生穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換器的輸出電流中的至少一種，作為對模式選擇器106的輸入?？商孢x地，如所示，開關(guān)控制器100可以包括穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換器的輸出電流二者，作為對模式選擇器106的輸入。

電壓信號穩(wěn)定控制電路可以包括采樣保持電路302，該采樣保持電路302具 有連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器304的輸出端，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器304產(chǎn)生模擬的電源轉(zhuǎn)換器輸出V_o的數(shù)字化樣本V_o’。加法器306將V_o’信號與基準(zhǔn)電壓V_ref相加，產(chǎn)生連接至電壓補(bǔ)償器308的輸出。然后電壓補(bǔ)償器308的輸出被施加到模式選擇器106。電流信號穩(wěn)定控制電路可以由與電壓信號穩(wěn)定控制電路相對應(yīng)的部分形成，包括采樣保持電路310、模數(shù)轉(zhuǎn)換器312、加法器314以及電流補(bǔ)償器316。

接下來是具有開關(guān)控制器100的降壓型轉(zhuǎn)換器200或變型的轉(zhuǎn)換器的一些操作示例，每一種轉(zhuǎn)換器都具有500納秒(ns)的最小工作接通時間，用以提供穩(wěn)定的連續(xù)模式、非突發(fā)操作。當(dāng)達(dá)到或接近最小工作接通時間時，降低工作切換頻率，同時通過基本上同時地增大工作接通時間和周期時間來保持當(dāng)前占空比。在降低切換工作頻率的同時保持占空比，最小化或消除了任何對電源轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)的影響。

如果正向轉(zhuǎn)換器具有12伏特(V)的額定工作輸出電壓V_o、100安培(A)的額定工作輸出電流I_o、35％的額定工作占空比，以及200kHz的額定切換工作頻率，則當(dāng)工作在CCM模式中的額定值下時，開關(guān)接通時間為1750ns(35％/200kHz)。如果該轉(zhuǎn)換器工作在100A的恒流模式下且具有0.1Ohm的負(fù)載阻抗，則輸出電壓V_o將下降至10V(100A*0.1Ohm)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器工作在29.167％的占空比(35％*10V/12V)下，該占空比相當(dāng)于1458ns(29.167％/200kHz)的接通時間。如果負(fù)載電流接下來在工作過程中減小至30A，則輸出電壓V_o將下降至3V(30A*0.1Ohm)，并且工作接通時間必須減小至438ns(35％*(3V/12V)/200kHz)且占空比為8.75％(35％*3V/12V)，以符合降壓型公式。因為438ns低于預(yù)定的或設(shè)置的最小工作接通時間，所以轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成不具有公開的示例性開關(guān)控制器的益處的突發(fā)模式。眾所周知，突發(fā)模式引起負(fù)載電流I_o的更大脈動。為了避免這一點，對于開關(guān)控制器100，在電流斜坡下降時間期間，當(dāng)接通時間達(dá)到或接近500ns時，降低切換工作頻率，例如從200kHz降低至170kHz。由于較低的切換工作頻率的總的周期循環(huán)時間的增加，因此在相同的8.75％的占空比下，工作接通時間增加至約514ns(8.75％/170kHz)，其高于最小工作接通時間。因此，即使在非常小的負(fù)載電阻和非常小的輸出負(fù)載電流下，也保持了 連續(xù)模式中的連續(xù)的穩(wěn)定控制和工作。

如上所述，可以隨著輸出電壓的降低而逐步地完成切換頻率的降低，或可以在一個步驟中完成切換頻率的降低。在切換頻率變化期間，保持占空比不變。例如，如果切換工作頻率為200kHz且具有10％的占空比，則接通時間為500ns，其等于最小工作接通時間。之后，如果將切換工作頻率變化至195kHz，則將工作接通時間增大至512.8ns，以保持產(chǎn)生的占空比不變，仍為10％。如果在多個小的步驟(例如10ns的步驟或PWM 102的最高分辨率)中或在從約1kHz到5kHz的多個步驟中改變切換工作頻率，則在輸出電流I_o或輸出電壓V_o中將具有可忽略的擾動。如果在單個大的步驟(例如將接通時間增大500ns、從200kHz到100kHz的步驟)中完成變化，則在較低的切換工作頻率下的電感器脈動電流的變化可以在輸出電流I_o上引起將快速平復(fù)的擾動。脈動電流變化可能保持在調(diào)節(jié)限度(例如±2)內(nèi)，并且根據(jù)調(diào)節(jié)要求，脈動電流變化可以仍然是可接受的，如果這種變化是不可接受的，則推薦多步驟的頻率變化。使用一個或多個切換工作頻率降低步驟來達(dá)到穩(wěn)定的工作接通時間的選擇取決于預(yù)期應(yīng)用及其設(shè)計參數(shù)。

另一示例說明了公開的示例的適用性包括通常在計算應(yīng)用中使用的電壓調(diào)節(jié)模塊(VRM)的操作。如果電源轉(zhuǎn)換器被用作為電壓源且該應(yīng)用要求寬的輸出電壓V_o的微調(diào)范圍，則可以按照更簡單的方式使用上述相同的技術(shù)。當(dāng)降低(微調(diào))輸出電壓Vo時，典型的現(xiàn)有VRM隨著Vo從例如5V的額定輸出電壓下降至0.8V的低輸出電壓而經(jīng)歷效率的顯著下降，如上所述。使用公開的示例，可以提高電源轉(zhuǎn)換器的效率。以下示例說明對于VRM的提高的效率，但同樣適用于其它用作為可變的、微調(diào)的電壓源的降壓型轉(zhuǎn)換器和變型的降壓型轉(zhuǎn)換器。

典型的VRM降壓型轉(zhuǎn)換器在限定的負(fù)載或輸出電流I_o以及12V的輸入電壓下可以具有從0.8V到5V的V_o。在5V和0.8V下的工作占空比可以通過降壓型轉(zhuǎn)換器公式1給出：

D＝5V/12V＝0.4167和D＝0.8V/12V＝0.0667

對于500kHz的額定切換工作頻率，降壓型開關(guān)S1的接通時間在5V時將是 833.4ns，在0.8V時將是133.4ns。驅(qū)動功率和切換損耗都是切換工作頻率的函數(shù)。因此，對于25A的負(fù)載電流I_o，電源轉(zhuǎn)換器在0.8V的V_o下的輸出功率是20W(25A*0.8V)，而在5V的V_o下的輸出功率是125W。在輸出電壓范圍內(nèi)的這種驅(qū)動功率損耗以及切換損耗導(dǎo)致電源轉(zhuǎn)換器效率隨著V_o的減小而衰減。因為傳播延時且可能因為PWM分辨率，所以突發(fā)模式操作在低V_o級別下是不可避免的，導(dǎo)致不可接受的脈動。

使用以上公開的示例，可以基于配置的輸出電壓自動地降低切換工作頻率。降低切換工作頻率時的V_o級別可以被感測并用作為直接去往周期選擇器的反饋信號?？梢岳脤D(zhuǎn)換器的經(jīng)驗測試或模擬測試來確定針對多個V_o級別的所需的切換工作頻率級別，以識別出產(chǎn)生滿足規(guī)格要求的電感器脈動電流、同時提高整體VRM轉(zhuǎn)換效率的降低的切換工作頻率。

注意，由于保留了輸出電感器和電容器，因此如果切換工作頻率是轉(zhuǎn)換器帶寬的至少5倍，則對轉(zhuǎn)換器帶寬沒有顯著影響。通常推薦十倍的頻率差。

考慮VRM示例，其中，V_in＝12V，V_out＝0.8V-5V，切換工作頻率＝500kHz，輸出電感＝500毫微亨利(nH)，額定輸出電流＝25A。當(dāng)V_o被編程設(shè)置為5V時，電感器脈動電流將為：

(5V*(1-0.4167))÷(500kHz*500nH)＝11.666A

被編程為工作在V_o＝0.8V下的同一轉(zhuǎn)換器將具有如下電感器脈動電流：

(0.8V×(1-0.0667))÷(500kHz*500nH)＝2.98A

因為VRM輸出濾波電容器對于整個可能的V_o設(shè)置范圍都是相同的，所以對于0.8V輸出的輸出脈動幾乎是輸出是5V輸出下的輸出脈動的四分之一。然而，基于典型的VRM規(guī)格，正負(fù)峰間脈動在整個輸出電壓范圍內(nèi)是相對恒定的。這種一致性允許切換工作頻率在0.8V輸出下從額定的500kHz降低至125kHz。該切換工作頻率的降低顯著地降低了切換損耗以及MOSFET驅(qū)動功率損耗，因此提高了輸出電壓較低時的功率轉(zhuǎn)換效率。相信對于針對該示例的現(xiàn)實應(yīng)用，當(dāng)考慮其它因素(例如電感器的磁心損耗)時，在額定的550kHz和125kHz之間的切換工作頻率上將獲得最好的結(jié)果。對于各種較低的輸出電壓設(shè)置最好的切 換工作頻率可以通過經(jīng)驗測試或模擬測試來確定，且該控制可以采用模擬或數(shù)字方式來實現(xiàn)。對于模擬控制，改變轉(zhuǎn)換器的切換工作頻率可以通過在各種定時部件之間進(jìn)行切換來實現(xiàn)；而數(shù)字控制通過設(shè)置合適的寄存器來完成。

對于VRM，僅需要一次輸出電壓設(shè)置的變化，且該變化在配置時是已知的。因此，對于給定的所需的輸出電壓，可以永久地改變切換工作頻率。如上所示，為了最好的結(jié)果，相信切換工作頻率的降低應(yīng)當(dāng)被限制到高于轉(zhuǎn)換器的控制回路帶寬的數(shù)量級。例如，如果控制回路帶寬為20kHz，則切換工作頻率的降低應(yīng)當(dāng)被限制到約200kHz以保證切換脈動被完全過濾掉。

以上公開的示例可以在模擬或數(shù)字控制技術(shù)中實現(xiàn)。對于數(shù)字控制，容易完成保持工作占空比所需的計算。數(shù)字控制也允許使用多個小的頻率逐步下降的切換工作頻率的平滑降低。模擬控制需要在組裝開關(guān)控制器之前選擇并安裝定時部件，且從額定切換工作頻率到較低的切換工作頻率的轉(zhuǎn)變可以被視為對電源轉(zhuǎn)換器輸出的反映。對輸出脈動的擾動的可接受的級別取決于應(yīng)用需求。

當(dāng)應(yīng)用于電壓模式的控制應(yīng)用時，公開的示例性實施方式達(dá)到最好的結(jié)果。這是因為當(dāng)工作在CCM下時，這些示例直接控制轉(zhuǎn)換器的工作占空比且占空比不依賴于切換工作頻率、電感值或負(fù)載阻抗。然而，公開的示例也可用在峰值電流模式控制中。盡管平均輸出電流隨著脈動電流變化且是引起峰值電流限制級別變化的電感值和切換工作頻率的函數(shù)，但是切換工作頻率的降低仍然可以使用對輸出的一些小的擾動來實現(xiàn)，其中，峰值電流限制級別需要誤差放大器校正。

圖4示出了控制具有可變輸出電壓的降壓型電源轉(zhuǎn)換器或變型的降壓型電源轉(zhuǎn)換器的切換工作頻率的方法400的示例性邏輯流程。402設(shè)置最小工作接通時間。如上所述，最小工作接通時間可以通過測試來確定，以保證在恒流模式下的穩(wěn)定控制，而不具有轉(zhuǎn)換器進(jìn)入突發(fā)模式的風(fēng)險。接下來，404設(shè)置額定切換工作頻率，如上文所討論的。406確定或感測電源轉(zhuǎn)換器的工作接通時間狀態(tài)和占空比狀態(tài)。

之后，408判決來自406的工作接通時間狀態(tài)是否小于在402設(shè)置的最小工 作接通時間。如果408的結(jié)果為是，則410降低在404設(shè)置的切換工作頻率，同時保持在406確定的占空比狀態(tài)。該邏輯之后返回至406以繼續(xù)該過程。在410中的頻率降低可以是一次性降低至最小切換工作頻率，這將提供大于設(shè)置的最小值的接通時間，或者該頻率降低可以是較小的降低，該較小的降低在多步中達(dá)到可接受的接通時間。注意，多步頻率變化顯然放慢了向新的所需工作頻率的轉(zhuǎn)變，并在轉(zhuǎn)變期間提供非常穩(wěn)定的輸出。單步頻率變化非?？斓乇粚嵤?，同時可能引入輸出參數(shù)的一些瞬時擾動。如果408的結(jié)果為否，則不進(jìn)行切換工作頻率的降低，并且該邏輯可以返回至406，或可選地進(jìn)入用虛線格式所示的412，在下文描述412。

公開的示例性方法400適用于電源轉(zhuǎn)換器，該電源轉(zhuǎn)換器是降壓型轉(zhuǎn)換器、正向轉(zhuǎn)換器、半橋式轉(zhuǎn)換器、全橋式轉(zhuǎn)換器、交叉正向轉(zhuǎn)換器中的一種，或其它變型的降壓型轉(zhuǎn)換器。

示例性方法400可以還包括，在確定的工作接通時間狀態(tài)比最小工作接通時間大預(yù)定量或滯后時間之后，將切換工作頻率重設(shè)至額定切換工作頻率。這在412完成，其中，如果在406中的接通時間狀態(tài)不大于在402設(shè)置的最小工作接通時間，則該方法返回至406。在412中，如果在406中的接通時間狀態(tài)大于在402中的最小工作接通時間加上滯后時間，則該方法返回至404，并將切換工作頻率重設(shè)至額定值。如上所述，將滯后時間與設(shè)置的最小工作接通時間相加來補(bǔ)償電源轉(zhuǎn)換器的任何延時和接通-斷開切換時間，以保證平滑轉(zhuǎn)變回到額定切換工作頻率。

如上所述，相信當(dāng)開關(guān)控制器被實現(xiàn)成數(shù)字開關(guān)控制器時，可以達(dá)到最好的結(jié)果。

類似于上文公開的開關(guān)控制器，示例性方法400的開關(guān)控制器可以還包括在每一個脈沖寬度調(diào)制的周期結(jié)束時設(shè)置重新加載信號(圖4中未示出)，以保證使切換工作頻率的變化基本上與工作接通時間狀態(tài)的變化同時進(jìn)行。

以上公開的示例性開關(guān)控制器和方法可以提高VRM的效率，允許可變的輸出電壓電源工作在較低的輸出電壓下而不進(jìn)入突發(fā)模式，改善轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)且減 小輸出脈動，以及提供對輸出電流的改進(jìn)控制。公開的示例適用于降壓型轉(zhuǎn)換器和變型的降壓型轉(zhuǎn)換器，包括在主板上使用的用于向計算機(jī)處理器和存儲器芯片供電的VRM降壓型轉(zhuǎn)換器、工業(yè)精密電流源、精密儀器電源、臺式電源等。

本發(fā)明的描述僅為示例性的，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，除這些描述以外的變型將落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

提供示例使得本發(fā)明將是全面的且將向本領(lǐng)域的技術(shù)人員充分表達(dá)范圍。闡述了大量的具體細(xì)節(jié)，例如特定部件、設(shè)備和方法的示例，以提供對本發(fā)明的實施方式的全面理解。顯然，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，不一定采用具體細(xì)節(jié)，示例可以體現(xiàn)為許多不同的形式且不應(yīng)被解釋為限制本發(fā)明的范圍。在一些示例中，沒有詳細(xì)地描述熟知的過程、熟知的設(shè)備結(jié)構(gòu)和熟知的技術(shù)。

本文中所使用的術(shù)語僅出于描述特定的示例實施方式的目的，而并不意圖構(gòu)成限制。如本文中所使用，單數(shù)形式“一”和“該”可以意圖也包括復(fù)數(shù)形式，除非文中另有明確指示。術(shù)語“包括”、“包含”和“具有”都是非排它性的，因此指的是存在所列的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但并不排除存在或附加一個或多個其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或其組合。本文中所描述的方法步驟、流程和操作不應(yīng)被解釋為必須要求其按照所討論的或示出的特定次序?qū)崿F(xiàn)，除非特別指定實現(xiàn)次序。也應(yīng)當(dāng)理解，可以采用附加的或替選的步驟。

當(dāng)元件或?qū)颖环Q為在另一元件或?qū)又?、并入另一元件或?qū)印⑦B接到另一元件或?qū)?、或耦合到另一元件或?qū)訒r，該元件或?qū)涌芍苯釉诹硪辉驅(qū)又?、并入另一元件或?qū)?、連接到另一元件或?qū)印⒒蝰詈系搅硪辉驅(qū)?，或者可以存在介于中間的元件或?qū)?。反之，?dāng)元件被稱為直接在另一元件或?qū)又?、直接并入另一元件或?qū)?、直接連接到另一元件或?qū)?、或直接耦合到另一元件或?qū)訒r，不存在介于中間的元件或?qū)?。?yīng)當(dāng)以類似的方式理解用于描述元件之間的關(guān)系的其它說法(例如，“在二者之間”對比“直接在二者之間”、“相鄰”對比“直接相鄰”等)。如本文中所使用，術(shù)語“和/或”包括相關(guān)聯(lián)的所列項中的一個或多個的任意組合和全部組合。

盡管在本文中可使用術(shù)語第一、第二、第三等來描述各元件、組件、區(qū)域、層和/或部分，但是這些元件、組件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)當(dāng)被這些術(shù)語所限制。這些術(shù)語可僅用于區(qū)分一個元件、組件、區(qū)域、層或部分與另一個元件、組件、區(qū)域、層或部分。本文中所使用的例如“第一”、“第二”的術(shù)語和其它數(shù)值術(shù)語并不暗指順序或次序，除非文中另有明確指示。因此，下面所討論的第一元件、組件、區(qū)域、層或部分可以被看作第二元件、組件、區(qū)域、層或部分，而不脫離示例實施方式的教導(dǎo)。