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CN104901526A - 自适应死区时间控制 - Google Patents

自适应死区时间控制 Download PDF

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CN104901526A
CN104901526A CN201510190541.XA CN201510190541A CN104901526A CN 104901526 A CN104901526 A CN 104901526A CN 201510190541 A CN201510190541 A CN 201510190541A CN 104901526 A CN104901526 A CN 104901526A
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Abstract

本发明描述了自适应死区时间控制。死区时间检测器在包括高侧开关和低侧开关的开关调节器中检测死区时间何时出现，并且基于所述死区时间的持续时间来产生输出信号。第一电路响应于脉冲宽度调制脉冲的第一沿而基于所述输出信号来产生用于接通所述高侧开关的第一接通信号以及用于关断所述低侧开关的第一关断信号。第二电路响应于所述脉冲宽度调制脉冲的第二沿而基于所述输出信号来产生用于接通所述低侧开关的第二接通信号以及用于关断所述高侧开关的第二关断信号。控制器基于所述第一接通信号和所述第一关断信号以及所述第二接通信号和所述第二关断信号来产生用于驱动所述高侧开关的第一门驱动信号和用于驱动所述低侧开关的第二门驱动信号。

Description

自适应死区时间控制
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年3月4日提交的美国临时申请No.61/947,575的优先权的权益。通过引用的方式将以上引用的申请的全部内容并入本文中。
技术领域
本公开内容总体上涉及开关模式电源，并且更具体地涉及开关模式电源中的自适应死区时间控制。
背景技术
此处提供的背景描述是出于总体上呈现本公开内容的语境的目的。在该背景部分中所描述的程度上的目前指定的发明人的工作、以及说明书的在提交时未被描述为现有技术的各方面被既不明示也不暗示地作为本公开内容的现有技术而被纳入。
开关模式电源(SMPS)是包括用于有效转换电功率的开关调节器的电子电源。和其它电源类似，SMPS通过转换由电源提供的功率的电压和电流特性而将功率从源(例如，AC电源)传输到负载(例如，个人电脑)。不同于线性电源，SMPS的(多个)旁路元件在低消耗接通与关断状态之间不断切换，并且很少处于高消耗过渡状态，这使得能量的浪费最小化。电压调节是通过改变(多个)旁路元件的接通-关断时间比来实现的。相反，线性电源通过不断消耗旁路元件中的功率来调节输出电压。因此，较高功率转换效率是SMPS的重要优势。
发明内容
系统包括死区时间检测器、第一和第二电路、以及控制器。死区时间检测器检测死区时间何时出现并且基于死区时间的持续时间来产生输出信号，其中死区时间是开关调节器的高侧开关和低侧开关被关断的时间段。第一电路响应于脉冲宽度调制脉冲的第一沿而基于输出信号来产生用于接通高侧开关的第一接通信号以及用于关断低侧开关的第一关断信号。第二电路响应于脉冲宽度调制脉冲的第二沿而基于输出信号来产生用于接通低侧开关的第二接通信号以及用于关断高侧开关的第二关断信号。控制器基于第一接通信号和第一关断信号以及第二接通信号和第二关断信号来产生用于驱动高侧开关的第一门驱动信号以及用于驱动低侧开关的第二门驱动信号。
在其它特征中，死区时间的持续时间是第一和第二门驱动信号的函数，并且死区时间的持续时时间与开关调节器的开关频率无关。
在其它特征中，第一和第二电路通过分别使第一和第二接通信号的定时提前或使第一和第二关断信号的定时延迟来控制死区时间的持续时间。
在另一特征中，死区时间检测器包括比较器，其将阈值电压与高侧开关和低侧开关被串联连接的节点处的电压进行比较，并且基于比较结果来产生包括电流脉冲的输出信号。
在其它特征中，死区时间检测器包括电压放大器和跨导放大器。电压放大器基于阈值电压以及高侧开关和低侧开关被串联连接的节点处的电压来产生差分电压。在死区时间出现时，跨导放大器基于差分电压来产生正电流脉冲作为输出信号。
在另一特征中，根据死区时间检测器的期望的速度来设定电压放大器的增益。
在另一特征中，在未出现死区时间的情况下，跨导放大器输出负电流脉冲作为输出信号。
在其它特征中，第一电路包括定时器、积分器和差分电压-时间转换器。定时器响应于脉冲宽度调制脉冲的第一沿而产生具有预定脉冲宽度的脉冲。积分器执行死区时间检测器的输出信号在等于预定脉冲宽度的时间段上的加权时间积分并且产生输出电压。差分电压-时间转换器将参考电压与积分器的输出电压进行比较并且基于比较结果来产生第一接通信号和第一关断信号。
在其它特征中，第二电路包括定时器、积分器和差分电压-时间转换器。定时器响应于脉冲宽度调制脉冲的第二沿而产生具有预定脉冲宽度的脉冲。积分器执行死区时间检测器的输出信号在等于预定脉冲宽度的时间段上的加权时间积分并且产生输出电压。差分电压-时间转换器将参考电压与积分器的输出电压进行比较并且基于比较结果而产生第二接通信号和第二关断信号。
在其它特征中，系统还包括第一驱动器和第二驱动器。第一驱动器基于第一门驱动信号来驱动高侧开关并且产生第一反馈信号。第二驱动器基于第二门驱动信号来驱动低侧开关并且产生第二反馈信号。控制器接收第一和第二反馈信号以防止高侧开关和低侧开关被同时接通。控制器通过重写第一和第二反馈信号来控制死区时间。
在另一特征中，控制器包括传输延迟控制电路，其通过在脉冲宽度调制脉冲改变状态时关断高侧和低侧开关来控制开关调节器的传输延迟。
在另一特征中，传输延迟是脉冲宽度调制脉冲的第一沿与高侧开关和低侧开关被串联连接的节点处的电压响应于脉冲宽度调制脉冲的第一沿而改变时的时间之间的延迟。
在另一特征中，传输延迟是脉冲宽度调制脉冲的第二沿与高侧开关和低侧开关被串联连接的节点处的电压响应于脉冲宽度调制脉冲的第二沿而改变时的时间之间的延迟。
在又一特征中，方法包括：检测死区时间何时出现，其中死区时间是开关调节器的高侧开关和低侧开关被关断的时间段；以及基于死区时间的持续时间来产生输出信号。方法还包括响应于脉冲宽度调制脉冲的第一沿而基于输出信号来产生用于接通高侧开关的第一接通信号以及用于关断低侧开关的第一关断信号。方法还包括响应于脉冲宽度调制脉冲的第二沿而基于输出信号来产生用于接通低侧开关的第二接通信号以及用于关断高侧开关的第二关断信号。方法还包括基于第一接通和关断信号以及第二接通和关断信号来产生用于驱动高侧开关的第一门驱动信号以及用于驱动低侧开关的第二门驱动信号。
在其它特征中，死区时间的持续时间是第一和第二门驱动信号的函数，并且其中，死区时间的持续时间与开关调节器的开关频率无关。
在其它特征中，方法还包括通过分别使第一和第二接通信号的定时提前或者使第一和第二关断信号的定时延迟来控制死区时间的持续时间。
在其它特征中，方法还包括将阈值电压与高侧开关和低侧开关被串联连接的节点处的电压进行比较，并且基于比较结果来产生包括电流脉冲的输出信号。
在其它特征中，方法还包括基于阈值电压以及高侧开关和低侧开关被串联连接的节点处的电压来产生差分电压，并且在出现死区时间时，基于差分电压来输出电流作为输出信号。
在其它特征中，方法还包括响应于脉冲宽度调制脉冲的第一沿而产生具有预定脉冲宽度的脉冲。方法还包括在等于预定脉冲宽度的时间段上对输出信号进行积分并且产生输出电压。方法还包括将参考电压与输出电压进行比较并且基于比较结果来产生第一接通和关断信号。
在其它特征中，方法还包括响应于脉冲宽度调制脉冲的第二沿而产生具有预定脉冲宽度的脉冲。方法还包括在等于预定脉冲宽度的时间段上对输出信号进行积分并且产生输出电压。方法还包括将参考电压与输出电压进行比较并且基于比较结果来产生第二接通和关断信号。
在其它特性中，方法还包括基于第一门驱动信号来驱动高侧开关以及基于第二门驱动信号来驱动低侧开关。方法还包括产生第一和第二反馈信号以防止高侧开关和低侧开关被同时接通。方法还包括通过重写第一和第二反馈信号来控制死区时间。
在另一特征中，方法还包括通过在脉冲宽度调制脉冲改变状态时关断高侧开关和低侧开关来控制开关调节器的传输延迟。
根据具体实施方式、权利要求以及附图，本公开内容的适用性的其它方面将变得显而易见。具体实施方式和具体示例旨在仅用于说明的目的，而不是要限制本公开内容的范围。
附图说明
根据具体实施方式和附图，本公开内容将得到更全面的理解，附图中：
图1是包括开关调节器的开关模式电源(SMPS)的功能框图；
图2描绘了图1的SMPS的电压和电流波形；
图3是包括死区时间检测器以及用于调节开关调节器的死区时间和传输延迟的多个自适应定时器的开关调节器的功能框图；
图4A是用于图3的开关调节器中的死区时间检测器的功能框图；
图4B是用于图4A的死区时间检测器中的跨导放大器的原理图；
图4C描绘了图4B的跨导放大器的静态I-V特性；
图4D描绘了图4B的跨导放大器的动态特性；
图5是用于图3的开关调节器中的自适应定时器的功能框图；
图6描绘了图5的自适应定时器的特性；
图7是用于图3的开关调节器中的控制器的原理图；
图8描绘了在图3的开关调节器以提前模式进行操作时的自适应死区时间控制的波形图；
图9描绘了在图3的开关调节器以延迟模式进行操作时的自适应死区时间控制的波形图；以及
图10是用于调节开关调节器的死区时间和传输延迟的方法的流程图。
在附图中，附图标记可以重复用于标识相似和/或相同的元件。
具体实施方式
现在参考图1，开关模式电源(SMPS)100将从电源102接收的输入功率转换成输出功率，并且将输出功率传送到负载104。SMPS 100包括开关调节器106。开关调节器106包括脉冲发生器108、控制器110、高侧驱动器112、低侧驱动器114、高侧开关以及低侧开关。高侧开关和低侧开关被示出为HS和LS，并且也被称为高侧旁路元件和低侧旁路元件。
脉冲发生器108使用脉冲宽度调制(PWM)来产生PWM脉冲。控制器110基于PWM脉冲来产生控制信号以驱动高侧和低侧开关。控制器110向高侧和低侧驱动器112和114输出控制信号。高侧和低侧驱动器112和114基于控制信号来产生实际驱动信号以分别驱动高侧和低侧开关。
为了确保适当的操作，旁路元件必须不被同时接通，这通常也被称为交叉传导。出于两个原因，同时接通旁路元件可能是有害的。首先，旁路元件的串联连接在电源102的正端子与负端子之间提供了低阻抗路径。低阻抗路径能够产生大功率消耗并且能够降低SMPS 100的功率转换效率。其次，流经串联连接的旁路元件的大电流可以损坏一个或两个旁路元件并且使开关调节器106的可靠性随时间推移而变差。
现在参考图2，为防止开关调节器106的交叉传导，死区时间被插入在高侧旁路元件被接通的接通时间与低侧旁路元件被接通的关断时间之间，如图所示。在死区时间期间，两个旁路元件被关断。连接到旁路元件被串联连接的节点(被称为切换节点(LX))处的电感器确保经过负载104的电流的连续性。
由于在死区时间期间，两个旁路元件都被关断，经过电感器的电流(电感电流)根据电感器电流的极性而流过高侧或低侧旁路元件的寄生体二极管。在图1中，正电感器电流ILX流经低侧开关的寄生体二极管，而负电感器电流ILX流经高侧开关的寄生体二极管。
流经任何一个寄生体二极管的电感器电流产生两种功率损耗。第一功率损耗与乘积(VDIODE×IDIODE)成比例，其中，VDIODE是在寄生体二极管被正向偏置时的寄生体二极管的非零电压降(对于标准硅p-n结，VDIODE接近0.7V)，并且IDIODE是流经寄生体二极管的电流。第二功率损耗与由正向偏置的寄生体二极管由于其非零正向传输时间而收集的扩散电荷(QD)成比例。该电荷必须在寄生体二极管能够被反向偏置之前被移除并且以寄生体二极管的反向恢复电荷(QRR)为上限。这两种功率损耗都与寄生体二极管被正向偏置的时间量成比例。因此，可以通过减小死区时间的持续时间来提高SMPS 100的功率转换效率。
用于减小死区时间的方法可以包括基于与死区时间成比例的反馈信号来改变旁路元件的接通和关断延迟。尽管这些方法可以提供最佳或最小死区时间，但是这些方法并未减小开关调节器的传输延迟(在图2中被示出为TPH和TPL)。传输延迟被限定为控制逻辑发出给定控制信号时的时间点与控制信号被功率级驱使时(即，切换节点LX实际上根据控制信号进行切换时)的时间点之间的延迟。取决于延迟的持续时间以及外部条件，该延迟响应于暂态外部激励(例如，负载电流阶跃、输入或输出电压变化、以及噪声)而产生可能导致临界稳定性甚至不稳定性的SMPS的次优性能。这对于倾向于越来越要求暂态需求的笔记本电脑或服务器中所使用的SMPS而言是尤为重要的。
本公开内容减小了开关调节器的死区时间并且同时使其传输延迟最小化。本公开内容使一个旁路元件(例如，高侧旁路元件)的接通提前或者使另一个旁路元件(例如，低侧旁路元件)的关断延迟。这使死区时间能够被调节到预定目标值并且同时维持了最小传输延迟。所提出的实施方式还通过确定哪个参数(死区时间或传输延迟)具有更高的优先级来提供用功率效率换取暂态性能的灵活性。所提出的实施方式具有使死区时间维持与开关调节器的开关频率无关的额外优势。
更具体地，本公开内容涉及控制两个或更多开关的开关调节器，其中死区时间被插入在一个开关的关断与另一个开关的接通之间，以防止两个开关被同时接通(被称为交叉传导)。本公开内容的系统和方法提供了开关调节器的死区时间的自适应控制以提高功率效率。死区时间是通过使一个旁路元件的接通提前来控制的，或者在必要的情况下通过使另一个旁路元件的关断延迟来进行控制。这确保利用最小容许传输延迟来实现死区时间调节。
在启动时，当调节还未达到时，两个旁路元件的接通和关断延迟由相应驱动器的本地传输延迟来确定，接通和关断延迟可以通过使用从驱动器接收的反馈信号来增大以大大防止交叉传导。所提出的系统和方法首先尝试通过使一个旁路元件的接通提前来减小传输延迟。这是通过产生试图重写从相对应的驱动器接收的接通信号的信号来实现的，该信号使驱动器的有效传输延迟能够减小。该操作模式被称为操作的“提前”模式，其允许通过减小(而不是增大)总体传输延迟来实现自适应死区时间控制。
在提前模式的结尾，开关调节器具有最小传输延迟，但是死区时间可能大于期望的值(但是小于本地死区时间)。最小传输延迟的状况对于开关调节器的暂态性能和稳定性来说是理想的，但是从功率转换效率的角度来说可能是不令人满意的。为此，控制器可以继续以提前模式进行操作，即使所测量的死区时间大于预定的目标死区时间。换言之，控制器可以被设定为给予传输延迟比死区时间高的优先级。该特征允许功率效率与暂态性能之间的权衡。
在完成操作的提前模式之后，并且在所测量的死区时间仍然大于期望的值的情况下，控制器开始进行操作的“延迟”模式，其中，控制器将一个旁路元件的接通延迟固定到接近零，并且开始增大另一个旁路元件的关断延迟，直到实现死区时间调节。在操作的延迟模式中，以传输延迟为代价而减小了死区时间。
现在参考图3，示出了根据本公开内容的开关调节器150。开关调节器150包括死区时间检测器152、自适应定时器154和156、控制器158、高侧和低侧驱动器112和114、以及高侧和低侧开关。死区时间检测器152包括快速且对称的比较器，其准确测量每个死区时间的持续时间并且输出与死区时间成比例的信号。自适应定时器154和156中的每一个基于从死区时间检测器152接收的信息来产生接通和关断信号。控制器158处理接通和关断信号以产生高侧和低侧驱动信号(DHDRV和DLDRV)。
参考图4A-4D来详细解释死区时间检测器152。参考图5和6来详细解释自适应定时器154和156。参考图7来详细解释控制器158。
死区时间检测器152以及自适应定时器154和156使用“电流模式”方法，相较于“电压模式”方法，“电流模式”方法允许提高的调整准确度。使用电压模式方法的死区时间检测器产生通常为低并且仅在死区时间期间变为高的逻辑(电压)信号。产生这种逻辑信号需要在死区时间检测器的输出处具有非常高的电压转换速率，因为几伏特(例如，1.8V或3.3V或5V)的电压摆动必须在非常短的时间量(通常小于1ns)内被覆盖。此外，死区时间检测器必须高度对称，因为上升沿与下降沿之间的差可能破坏与死区时间持续时间有关的信息。最后，死区时间检测器必须非常快速，以允许死区时间的检测大约为几纳秒。在使用电压模式方法来产生电压输出信号的死区时间检测器中不能满足所有这些需要。由于高传输延迟和非对称性质(不同的上升和下降时间)，使用电压模式方法的死区时间检测器是不准确的。
所提出的电流模式方法基于使用包括死区时间持续时间的信息的电流(而不是电压)信号。死区时间检测器152使用电流模式方法并且包括产生输出电流信号IOUT的电压比较器。死区时间检测器152的输出节点仅在死区时间期间被供应给定量的正电流，在不处于死区时间时，输出电流为负。这简化了死区时间检测器152的设计，因为可以使用适当的跨导级来从非常小的电压转换速率产生所需的电流转换速率。相较于电压模式方法，电流模式方法使传输延迟能够大大减小，这通常使死区时间检测器152充分对称而无需额外的设计工作。
因此，死区时间检测器152包括产生输出电流信号的电压比较器。死区时间检测器152将切换节点LX的电压VLX与固定的电压阈值VTH进行比较以检测死区时间何时出现。在出现死区时间时，死区时间检测器152在输出节点处产生电流的正脉冲。死区时间检测器152的输出节点处的正电流值和负电流值可以是预定义的。电流的正脉冲具有与死区时间的持续时间成比例的持续时间。
电压比较器被设计为具有对输入阶跃信号的非常快速的响应(通常小于1纳秒)并且具有高度对称性(例如，上升与下降传输延迟之间的差大约为几百皮秒)。这相对于电压模式方法而言是显著的提高，在电压模式方法中，上述时间将高出三到四倍。
现在参考图4A-4D，示出了死区时间检测器152。在图4A中，死区时间检测器152包括电压放大器160和跨导放大器162。电压放大器160包括低增益电压放大器。VP和VN表示电压放大器160的正输入和负输入处的电压并且分别等于VTH和VLX。跨导放大器162包括电流输送器跨导放大器。在图4B中，示出了跨导放大器162的简化原理图。在图4C中，示出了跨导放大器162的静态I-V特性。在图4D中，示出了跨导放大器162的动态特性。
如果在跨导放大器162的输入处提供了足够的差分电压，则跨导放大器162允许偏置电流ICHG被完全切换到输出节点。该差分电压是由增益可以被调整为使死区时间检测器152的速度最优化的电压放大器160提供的。等于(-IDSC)的负电流总是出现在跨导放大器的输出节点。可以选择ICHG与IDSC之比以如下所示地调节期望的死区时间。
在图3中，死区时间检测器152的输出被供应给自适应定时器154和156。自适应定时器154和156中的每一个分别仅在一个VLX转变(低到高或高到低)期间控制死区时间。自适应定时器154和156的其中之一(例如，自适应定时器154)在PWM脉冲为逻辑高时被启用，而另一个自适应定时器(例如，自适应定时器156)在PWM脉冲为逻辑低时被启用。
现在参考图5，示出了自适应定时器154。自适应定时器156的操作类似于自适应定时器154的操作，并且因此不进行描述以避免重复。例如，自适应定时器154用于低到高VLX转变。自适应定时器154包括窗口发生器200、积分器202以及差分电压-时间转换器204。
窗口发生器200包括在该示例中由PWM脉冲的上升沿触发的定时器。窗口发生器200在PWM脉冲的上升沿处产生具有持续时间或脉冲宽度Tw的脉冲或时间窗口。时间窗口的持续时间Tw小于PWM脉冲的持续时间或脉冲宽度。
积分器202接收由死区时间检测器152产生的电流信号IOUT以及由窗口发生器200产生的脉冲(时间窗口Tw)。积分器执行电流信号IOUT在时间窗口Tw上的加权时间积分并且根据以下方程输出电压VHOLD：
       VHOLD ( t ) = VHOLD ( t 0 ) + ∫ t t + TW α · IOUT ( t ) · dt
其中，t0为积分开始(例如，PWM信号的上升沿)的时间点，并且α为加权因数。仅在时间窗口[t0，t0+Tw]期间进行积分。
电流信号IOUT仅在死区时间期间具有等于(ICHG-IDSC)的正幅值并且在其它时间具有等于(-IDSC)的负幅值。因此，一旦PWM脉冲变为逻辑高(即，在时间窗口Tw的起始或时间点t0)，瞬时电压VHOLD就开始下降，因为部分积分结果为负。如果在时间窗口Tw期间出现死区时间，则幅值(ICHG-IDSC)的正电流脉冲由死区时间检测器152产生，并且瞬时电压VHOLD开始上升。在稳态操作中，电压VHOLD在整个时间窗口Tw上的积分值不发生变化，因为它由系统来调节并且必须满足以下方程：(1)     IDSC×TW＝ICHG×TDEAD
这是基本设计方程，用以确定作为时间窗口Tw以及充电和放电电流的函数的经调节的死区时间。即，期望的死区时间可以通过选择TW、ICHG和IDSC来实现。方程(1)示出经调节的死区时间与开关调节器的开关频率无关。
平均电压VHOLD由自适应定时器154的控制环来限定。如上所述，平均电压VHOLD从死区时间检测器152所输出的电流信号IOUT的积分获得。平均电压VHOLD还确定了高侧和低侧开关的接通和关断时刻，其反过来限定了经调节的死区时间。
差分电压-时间转换器202将平均电压VHOLD与参考电压VREF进行比较。差分电压-时间转换器202基于差分电压(VHOLD-VREF)来产生实际接通和关断信号DHON和DLOFF。因此，在自适应定时器154的控制环进行调节时，差分电压(VHOLD-VREF)被不断调整以调节期望的死区时间。
现在参考图6A，详细解释了自适应定时器154的操作。系统以电压VHOLD＝0V开始。因此，在PWM变为高之后关断信号DLOFF立刻变为高，而接通信号DHON在很长的延迟之后才变为高。在该状况下，死区时间可能大于期望的值。因此，从死区时间检测器152接收的电流信号IOUT在整个时间段Tw上的积分为正并且使电压VHOLD增大。
一旦电压VHOLD增大，接通信号DHON的延迟下降。类似地，关断信号DLOFF的延迟增大。当电压VHOLD等于参考电压VREF时，接通信号DHON和关断信号DLOFF的延迟相等(在图6A中被称为交叉延迟)。差分电压-电流转换器204可以被设计为使接通信号DHON和关断信号DLOFF的延迟接近电压VHOLD等于参考电压VREF时的最小值。因此，当电压VHOLD增大到参考电压VREF时，关断信号DLOFF的延迟可以被假定为基本维持恒定。当电压VHOLD增大到参考电压VREF以上时，可以观察到类似的行为，但是DHON和DLOFF的作用被反转。图6A中示出了差分电压-时间转换器204的实际形式的特性的图示。出于比较的目的，图6B中示出了差分电压-时间转换器204的理想形式的特性。当VHOLD等于VREF时，差分电压-时间转换器204的理想形式具有零最小延迟和零延迟。此外，从最小到最大延迟的转变为线性。以接近差分电压-时间转换器204的理想形式的特性为目标，可以实现差分电压-时间转换器204的不同电路实施方式。设计权衡由整体系统准确度、线性度、消耗和占用面积来驱动。
在图3中，自适应定时器154和156中的每一个输出两个信号：接通信号和关断信号。自适应定时器154输出用于高侧开关的接通信号DHON和用于低侧开关的关断信号DLOFF。自适应定时器156输出用于低侧开关的接通信号DLON和用于高侧开关的关断信号DHOFF。来自自适应定时器154和156的这些信号被输出到控制器158。控制器158产生用于高侧和低侧旁路元件的实际门驱动信号(DHDRV和DLDRV)。
控制器158还接收来自高侧和低侧驱动器112和114的反馈信号(DHF和DLF)作为输入。这些信号(DHF和DLF)是旁路元件门信号DH和DL的电平移位形式。这些信号(DHF和DLF)用于防止旁路元件的交叉传导。然而，这些信号(DHF和DLF)仅允许死区时间的粗调控制，该粗调控制通常在10-20ns的范围内(或甚至更多地取决于高侧和低侧驱动器112和114的传输延迟)。本公开内容提出的自适应死区时间控制应该重写反馈信号DHF和DLF以进一步减小死区时间的持续时间并且提高开关调节器的功率效率。这由如下描述的控制器158来实现。
现在参考图7，详细地示出了控制器158。控制器158包括高侧控制逻辑180、低侧控制逻辑182、和传输延迟控制逻辑184。在高侧控制逻辑180中，假设自适应死区时间不受调节(DHON为低)，如果反馈信号DLF为高(指示低侧旁路元件仍然被接通)，则高侧门驱动信号DHDRV不能被强制置高，因此防止了交叉传导。当自适应死区时间控制环进行调节时，相对于PWM脉冲的上升沿变高的接通信号DHON的延迟随电压VHOLD继续增大而变小。在电压VHOLD的特定电平处，接通信号DHON在DLF变低之前变高，因此允许高侧旁路元件的接通并且重写反馈信号DLF。
传输延迟控制逻辑184可以防止系统进入延迟模式。当使传输延迟最小化的信号MINPD为低时，传输延迟控制逻辑184产生关断信号DHDRVOFFB和DLDRVOFFB。关断信号DHDRVOFFB和DLDRVOFFB分别由自适应定时器154和156通过高侧控制逻辑180和低侧控制逻辑182中的信号DHOFF和DLOFF来进行控制。因此旁路元件关断可以被延迟以确保死区时间调节。
另一方面，当信号MINPD为高时，一旦PWM脉冲改变逻辑电平，则旁路元件被关断(例如，一旦PWM脉冲变低，则高侧旁路元件被关断)。如上面所提到的，这可以防止死区时间调节，但是可以确保传输延迟最小，这优化了开关调节器的暂态响应和稳定性。
上述的原理可以被简单地延伸到图7中所示的与高侧和低侧旁路元件的接通和关断有关的其它信号。前面所描述的控制系统以提前模式或延迟模式进行操作的能力在任何操作状况下确保死区时间调节，因为可以在没有任何限制的情况下调整延迟。仅有的实践限制是在系统由于外部状况而需要以延迟模式进行操作时的传输延迟的增大。
图8和图9分别示出了在提前模式和延迟模式中的与低到高VLX转变有关的自适应死区时间控制的波形。在图8中，通过如左箭头所指示的使接通信号DHON提前，可以减小死区时间TDEAD，如左箭头所指示的。在图9中，通过如右箭头所指示的使关断信号DLOFF延迟，可以减小死区时间TDEAD，如右箭头所指示的。
现在参考图10，示出了用于调节开关调节器的死区时间和传输延迟的方法300。在302处，在第一自适应定时器中，在PWM脉冲的上升沿产生具有预定持续时间Tw的脉冲。在304处，当在时间窗口Tw期间出现死区时间时，可以由死区时间检测器产生第一电流脉冲。在306处，由死区时间检测器输出的电流信号在时间窗口Tw上进行积分。在308处，在脉冲Tw的结尾，积分器的输出电压与参考电压进行比较，并且基于比较结果而产生用于高侧开关的接通信号和用于低侧开关的关断信号。在310处，在第二自适应定时器中，在PWM脉冲的下降沿产生具有预定持续时间Tw的脉冲。在312处，当在时间窗口Tw期间出现死区时间时，可以由死区时间检测器产生第二电流脉冲。在314处，由死区时间检测器输出的电流信号在时间窗口Tw上进行积分。在316处，在脉冲Tw的结尾，积分器的输出电压与参考电压进行比较，并且基于比较结果而产生用于低侧开关的接通信号和用于高侧开关的关断信号。在318处，基于由第一和第二自适应定时器产生的接通和关断信号来产生用于驱动高侧和低侧开关的驱动信号。在320处，通过使高侧和低侧开关的接通提前来调节死区时间。一旦PWM脉冲改变状态(逻辑电平)，则通过关断高侧和低侧开关来使传输延迟最小化。
前面的描述本质上仅是示意性的，并且决不是要限制本公开内容、其应用、或用途。本公开内容的宽泛教导可以通过各种形式来实施。因此，尽管本公开内容包括特定示例，但是本公开内容的真实范围不应该被限制于此，因为在研究了附图、说明书和权利要求之后，其它修改将变得显而易见。如本文所使用的，短语A、B和C的至少其中之一应该被解释为使用非排他性逻辑OR来表示逻辑(A或B或C)。要理解，方法中的一个或多个步骤可以以不同顺序(或同时)来执行，而并不改变本公开内容的原理。

Claims (22)

1.一种系统，包括：
死区时间检测器，其检测死区时间何时出现并且基于所述死区时间的持续时间来产生输出信号，其中，所述死区时间是开关调节器的高侧开关和低侧开关被关断的时间段；
第一电路，其响应于脉冲宽度调制脉冲的第一沿而基于所述输出信号来产生用于接通所述高侧开关的第一接通信号以及用于关断所述低侧开关的第一关断信号；
第二电路，其响应于所述脉冲宽度调制脉冲的第二沿而基于所述输出信号来产生用于接通所述低侧开关的第二接通信号以及用于关断所述高侧开关的第二关断信号；
控制器，其基于所述第一接通信号和所述第一关断信号以及所述第二接通信号和所述第二关断信号来产生用于驱动所述高侧开关的第一门驱动信号和用于驱动所述低侧开关的第二门驱动信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述死区时间的所述持续时间是所述第一门驱动信号和所述第二门驱动信号的函数，并且其中，所述死区时间的所述持续时间与所述开关调节器的开关频率无关。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一电路和所述第二电路通过分别使所述第一接通信号和所述第二接通信号的定时提前或者使所述第一关断信号和所述第二关断信号的定时延迟来控制所述死区时间的所述持续时间。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述死区时间检测器包括比较器，所述比较器将阈值电压与所述高侧开关和所述低侧开关被串联连接的节点处的电压进行比较，并且基于比较结果来产生包括电流脉冲的所述输出信号。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述死区时间检测器包括：
电压放大器，其基于阈值电压以及所述高侧开关和所述低侧开关被串联连接的节点处的电压来产生差分电压；以及
跨导放大器，其在所述死区时间出现时基于所述差分电压来输出正电流作为所述输出信号。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，根据所述死区时间检测器的期望的速度来设定所述电压放大器的增益。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述跨导放大器在未出现所述死区时间的情况下输出负电流脉冲作为所述输出信号。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一电路包括：
定时器，其响应于所述脉冲宽度调制脉冲的所述第一沿而产生具有预定脉冲宽度的脉冲；
积分器，其执行所述死区时间检测器的所述输出信号在等于所述预定脉冲宽度的时间段上的加权时间积分并且产生输出电压；以及
差分电压-时间转换器，其将参考电压与所述积分器的所述输出电压进行比较并且基于比较结果来产生所述第一接通信号和所述第一关断信号。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二电路包括：
定时器，其响应于所述脉冲宽度调制脉冲的所述第二沿而产生具有预定脉冲宽度的脉冲；
积分器，其执行所述死区时间检测器的所述输出信号在等于所述预定脉冲宽度的时间段上的加权时间积分并且产生输出电压；以及
差分电压-时间转换器，其将参考电压与所述积分器的所述输出电压进行比较并且基于比较结果来产生所述第二接通信号和所述第二关断信号。
10.根据权利要求1所述的系统，还包括：
第一驱动器，其基于所述第一门驱动信号来驱动所述高侧开关并且产生第一反馈信号；以及
第二驱动器，其基于所述第二门驱动信号来驱动所述低侧开关并且产生第二反馈信号，
其中，所述控制器接收所述第一反馈信号和所述第二反馈信号以防止所述高侧开关和所述低侧开关被同时接通，并且
其中，所述控制器通过重写所述第一反馈信号和所述第二反馈信号来控制所述死区时间。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器包括传输延迟控制电路，所述传输延迟控制电路通过在所述脉冲宽度调制脉冲改变状态时关断所述高侧开关和所述低侧开关来控制所述开关调节器的传输延迟。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述传输延迟是所述脉冲宽度调制脉冲的所述第一沿与所述高侧开关和所述低侧开关被串联连接的节点处的电压响应于所述脉冲宽度调制脉冲的所述第一沿而改变时的时间之间的延迟。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述传输延迟是所述脉冲宽度调制脉冲的所述第二沿与所述高侧开关和所述低侧开关被串联连接的节点处的电压响应于所述脉冲宽度调制脉冲的所述第二沿而改变时的时间之间的延迟。
14.一种方法，包括：
检测死区时间何时出现，其中，所述死区时间是开关调节器的高侧开关和低侧开关被关断的时间段；
基于所述死区时间的持续时间来产生输出信号；
响应于脉冲宽度调制脉冲的第一沿而基于所述输出信号来产生用于接通所述高侧开关的第一接通信号以及用于关断所述低侧开关的第一关断信号；
响应于所述脉冲宽度调制脉冲的第二沿而基于所述输出信号来产生用于接通所述低侧开关的第二接通信号以及用于关断所述高侧开关的第二关断信号；
基于所述第一接通信号和所述第一关断信号以及所述第二接通信号和所述第二关断信号来产生用于驱动所述高侧开关的第一门驱动信号以及用于驱动所述低侧开关的第二门驱动信号。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述死区时间的所述持续时间是所述第一门驱动信号和所述第二门驱动信号的函数，并且其中，所述死区时间的所述持续时间与所述开关调节器的开关频率无关。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括通过分别使所述第一接通信号和所述第二接通信号的定时提前或者使所述第一关断信号和所述第二关断信号的定时延迟来控制所述死区时间的所述持续时间。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括：
将阈值电压与所述高侧开关和所述低侧开关被串联连接的节点处的电压进行比较；以及
基于比较结果来产生包括电流脉冲的所述输出信号。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括：
基于阈值电压以及所述高侧开关和所述低侧开关被串联连接的节点处的电压来产生差分电压；以及
在所述死区时间出现时，基于所述差分电压来输出电流作为所述输出信号。
19.根据权利要求14所述的方法，还包括：
响应于所述脉冲宽度调制脉冲的所述第一沿来产生具有预定脉冲宽度的脉冲；
将所述死区时间检测器的所述输出信号在等于所述预定脉冲宽度的时间段上进行积分并且产生输出电压；
将参考电压与积分器的所述输出电压进行比较；以及
基于比较结果来产生所述第一接通信号和所述第一关断信号。
20.根据权利要求14所述的方法，还包括：
响应于所述脉冲宽度调制脉冲的所述第二沿来产生具有预定脉冲宽度的脉冲；
将所述死区时间检测器的所述输出信号在等于所述预定脉冲宽度的时间段上进行积分并且产生输出电压；
将参考电压与积分器的所述输出电压进行比较；以及
基于比较结果来产生所述第二接通信号和所述第二关断信号。
21.根据权利要求14所述的方法，还包括：
基于所述第一门驱动信号来驱动所述高侧开关；
基于所述第二门驱动信号来驱动所述低侧开关；
产生第一反馈信号和第二反馈信号以防止所述高侧开关和所述低侧开关被同时接通；以及
通过重写所述第一反馈信号和所述第二反馈信号来控制所述死区时间。
22.根据权利要求14所述的方法，还包括：通过在所述脉冲宽度调制脉冲改变状态时关断所述高侧开关和所述低侧开关来控制所述开关调节器的传输延迟。
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