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CN107612303B - 用于控制开关调节器中的电流的系统和方法 - Google Patents

用于控制开关调节器中的电流的系统和方法 Download PDF

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CN107612303B
CN107612303B CN201710551405.8A CN201710551405A CN107612303B CN 107612303 B CN107612303 B CN 107612303B CN 201710551405 A CN201710551405 A CN 201710551405A CN 107612303 B CN107612303 B CN 107612303B
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Abstract

根据实施例，一种操作开关模式电源的方法包括接收开关模式电源的第一电流的测量值，基于所接收的第一电流的测量值来确定第一电流的纹波，基于目标平均电流和所确定的第一电流的纹波来确定最大电流门限，基于目标电流纹波和所确定的第一电流的纹波来确定开关的断开时间，当第一电流达到最大电流门限时断开开关，并且在断开开关后经过所确定的断开时间之后接通开关。

Description

用于控制开关调节器中的电流的系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及一种电子设备，并且特别地涉及一种用于控制开关调节器中的电流的系统和方法。
背景技术
电源系统在从电脑到汽车的很多电子应用中是普遍存在的。通常，电源系统中的电压通过操作加载有电感器或变压器的开关进行DC-DC、DC-AC和/或AC-DC转换来生成。一类这样的系统包括开关模式电源(SMPS)。SMPS通常比其他类型的功率转换系统更高效，因为功率转换是通过电感器或变压器的受控的充电和放电来实现的并且减少了由电阻性电压降引起的功耗所导致的能量损失。
SMPS的具体拓扑结构包括降压-升压转换器和反激式转换器等。降压-升压转换器通常使用电感器，而反激式转换器隔离负载并且可以通过使用变压器来使电压转换比加倍。除了能量存储元件(电感器或变压器)之外，开关的操作特别重要，尤其是在高压应用中。
电源可以被设计为调节电流而不是电压。电流控制的电源系统可以用在特别易受电流和电流变化(诸如与发光二极管(LED)相关)影响的电子应用中。
发明内容
根据实施例，一种操作开关模式电源的方法包括接收开关模式电源的第一电流的测量值，基于所接收的第一电流的测量值来确定第一电流的纹波，基于目标平均电流和所确定的第一电流的纹波来确定最大电流门限，基于目标电流纹波和所确定的第一电流的纹波来确定开关的断开时间，当第一电流达到最大电流门限时断开开关，并且在断开开关后经过所确定的断开时间之后接通开关。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考结合附图进行的以下描述，在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例的LED照明系统；
图2示出了在接通/断开周期期间本发明实施例的典型电感器电流I(ind)的示例电流波形；
图3a和图3b示出了在接通/断开周期期间电感器电流I(ind)的电流波形300和320，其描绘了接通时间和断开时间、以及得到电流测量值的时间；
图4a-图4b示出了在软启动状态和稳态期间电流纹波I(rip)和平均电感器电流I(avg)的传统控制回路的行为；
图5a-图5b示出了用于在软启动状态和稳态期间控制电流纹波I(rip)和平均电感器电流I(avg)的本发明实施例的控制回路的行为；
图6示出了用于控制电感器电流I(ind)以实现具有期望的最小电流纹波I(ripMin)且高于目标开关频率f(targetSw)的目标平均电感器电流I(targetAvg)的实施例方法的流程图；
图7示出了用于驱动输出信号708以控制电感器电流I(ind)从而实现具有期望的最小电流纹波I(ripMin)且高于目标开关频率f(targetSw)的目标平均电感器电流I(targetAvg)的本发明实施例的控制图；
图8和图9示出了本发明实施例的模拟结果；
图10a示出了实施例LED照明系统1000的示意图；
图10b示出了其中直接测量输出电压V(out)的实施例LED照明系统1050的示意图；以及
图11示出了用于驱动输出信号以控制电感器电流I(ind)从而实现具有期望的最小电流纹波I(ripMin)且围绕目标开关频率f(targetSw)的目标平均电感器电流I(targetAvg)的实施例的控制图。
除非另有说明，否则不同图中的相应的数字和符号通常指代相应的部分。附图是为了清楚地说明优选实施例的相关方面，并不一定按比例绘制。为了更清楚地说明某些实施例，指示同一结构、材料或工艺步骤的变化的字母可以跟随图号。
具体实施方式
以下将详细讨论当前优选实施例的制作和使用。然而，应当理解，本发明提供了可以在各种各样的特定上下文中实施的很多可应用的发明概念。所讨论的具体实施例仅仅是制造和使用本发明的具体方式的说明，并不限制本发明的范围。
将在用于控制用于发光二极管(LED)应用的降压拓扑的开关模式转换器中的电流的具体上下文、系统和方法中关于优选实施例来描述本发明。本发明的实施例还可以应用于利用电流控制的机构的各种负载和各种系统，诸如例如电流控制的螺线管驱动器或其他电流控制的开关模式电源拓扑。
在数字显示器和现代电子装置中使用LED是众所周知的。LED是一种将正向电流转换成光的二极管类型。LED发出的光与LED中的正向电流成比例，其中最大额定平均(DC)正向电流对应于最大光度(luminosity)。控制LED中的平均正向电流因此控制LED的光度。LED的正向电流的不连续性或突然变化在发射的光中可以是可见的，以影响感兴趣的参数，诸如闪烁(光源的明暗振荡)和闪烁(来自光源的光输出的变化)。因此，控制所生成的电流行为可能会对这样的参数产生影响。LED器件本身可能具有有限的电流处理能力。因此，控制电流行为还可以包括将LED的电流限制在其额定电流内。
LED控制器的设计有多重考虑。最相关的考虑是：控制平均电感器电流，控制电流纹波，控制开关频率，以及保持系统复杂度低。可以控制软启动和稳态期间的电流，使得它不表现出不连续性或突然变化，同时呈现到目标平均电感器电流的快速收敛时间。电流纹波可以保持较小，以使对LED使用寿命的影响最小化。开关频率可以保持高于最小值，以例如避免可听见的噪声，并且允许使用较小的电感器或变压器，并且使电流纹波最小化。然而，开关频率可以保持低于最大值，以例如降低开关损耗。降低系统复杂度通常是可取的，因为它通常会降低开发成本、上市时间和产品成本。例如，需要减少系统的引脚数、以及PCB占用面积和所需部件的数目。
LED控制器的设计过程通常涉及不同考虑之间的权衡。例如，LED控制器通常生成电流纹波，除了任何潜在的可见效应之外，电流纹波可能具有可靠性意义，因为电流可以瞬间高于LED的最大峰值电流。降低电流纹波通常以更高的复杂度和朝向目标平均电感器电流更高的收敛时间为代价。
在本发明的实施例中，允许的电流纹波和最大峰值电流的调节同时且同步地进行，导致朝向目标平均电感器电流的快速收敛时间，同时呈现最小的不连续性。
图1示出了根据本发明的实施例的LED照明系统100。本质上，系统100包括开关模式降压转换器，该开关模式降压转换器包括向包括一个或多个LED器件的LED负载120提供电流的电源集成电路(IC)114。LED照明系统100包括控制器102、栅极驱动块106、电流感测块108、电压感测块104、晶体管112、电流传感器110、电感器L、二极管116和LED负载120。在该实施例中，控制器102、电压感测块104、栅极驱动块106和电流感测块108在集成电路(IC)114内部。在其他实施例中，可以将不同的部件集合集成在IC 114内部。任何部件可以集成在IC 114中，诸如二极管116和晶体管112。类似地，任何部件可以在IC 114外部实现。完全离散的实现也是可能的。
控制器102可以能够例如执行数学运算、以及与外部部件的交互。控制器102可以是定制设计的，或者可选地，可以是通用控制器、处理器、或本领域已知的任何类似部件。
栅极驱动块106是耦合到晶体管112的栅极端子的电路，其能够施加电压V(GD)以使晶体管112根据电压V(GD)值而接通或断开。栅极驱动块106可以集成在IC电路114内部，或者可以是IC 114外部的部件。
电流感测块108和电流传感器110一起能够感测或测量电流。电流传感器110可以包括与晶体管112负载路径串联耦合的电阻器，用于感测由流过其的电流I(CS)产生的电压。电流感测块108可以包括模数(ADC)转换器来对由流过电阻器的电流I(CS)产生的电压进行采样。备选地，电流感测块108和电流传感器110可以使用本领域已知的模拟、数字或混合信号技术来实现。如果需要，ADC块可以在IC 114内部，或者备选地，可以是IC 114外部的部件。
电压感测块104能够感测或测量输入电压V(in)。可以使用输入电压V(in)来确定对于本发明的一些实施例的操作很重要的一些参数。电压感测块104可以包括专用ADC，可以与其他块(诸如与电流感测块108)共享ADC，或者可以使用本领域已知的模拟、数字或混合信号技术来实现。如果需要，ADC块可以在IC 114内部，或者备选地，可以是IC 114外部的部件。在一些实施例中，不感测输入电压V(in)，而是可以估计输入电压V(in)。例如，当输入电压V(in)由具有固定电压的电源给出时，可能不需要感测输入电压V(in)。可以不感测输出电压V(out)，而是可以例如通过从输入电压V(in)中减去负载电压V(LED)来估计输出电压V(out)。在其他实施例中，可以直接感测或测量输出电压V(out)。
LED照明系统100的一般操作的描述如下。当晶体管112接通时，电压V(ind)被下拉。由于电压V(out)通过LED负载120被上拉电压V(in)，所以电流I(ind)根据由V(out)-V(ind)给出的电压差而增加。当晶体管112接通时，电流传感器110监测电流I(CS)，电流I(CS)近似等于电流I(ind)。在一些实施例中，控制器102被配置为基于电流I(CS)来断开晶体管112。当晶体管112断开时，电流I(ind)使得电压V(ind)增加到电压V(in)+V(D)，其中V(D)是二极管116的正向电压。此时，电流I(ind)流过二极管116直到电感器电流I(ind)达到零或晶体管112再次接通。再次接通晶体管112使得该过程重复。用于接通和断开晶体管112的过程可以通过PWM技术、PFM技术、或本领域已知的任何其它方法来完成。由于与LED负载120相关联的电压降近似恒定，因此可以感测电压V(in)以确定电压V(out)。
调光信号134为电流I(LED)建立期望的平均幅度，从而控制LED负载120的亮度(brightness)。在一些实施例中，调光信号134是PWM信号。备选地，调光信号134可以根据诸如I2S、I2C、PCM、UART、MIPI/RFFE、DALI、KNX或者任何其它串行或并行接口等数字通信协议来操作。其他实施例可以使用模拟调光来控制LED负载120的亮度。例如，可以使用其中0V表示LED负载120断开并且10V表示LED负载120处于全亮度的映射。也可以使用在1V到10V之间的范围。也可以使用本领域已知的其它调光协议或技术。例如，控制器102可以调整由栅极驱动块106驱动的PWM信号的占空比，以增加或减少提供给LED负载120的平均电感器电流。备选地，调光信号可以影响由栅极驱动块106驱动的信号的频率、由栅极驱动块106驱动的信号的脉冲跳过、或影响LED负载120光强度的任何其它参数。通过该方式，控制器102可以将电流I(ind)调节为由调光信号134给出的目标平均值I(targetAvg)。
在一些实施例中，LED照明系统100可以基于外部信号(未示出)、预加载的指令集、工厂默认值或本领域已知的任何其它方法来开始操作、停止操作或改变行为。
晶体管112可以是常关的n型晶体管。在本发明的另外的实施例中，可以使用n型或p型的晶体管来实现晶体管112，包括但不限于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、功率MOSFET、结型场效应晶体管(JFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)(诸如氮化镓(GaN)HEMT)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。备选地，可以使用其它晶体管类型。可以根据所设计的特定功率转换器的规格和电压电平来选择要使用哪个晶体管，并且可以对电路进行适当的调整以适应特定的器件类型。晶体管112可以在IC 114内部，或者备选地，可以是IC 114外部的部件。
图2示出了在实施例功率系统的接通/断开周期期间电感器电流I(ind)的示例电流波形200。在晶体管112接通的瞬间，电感器电流I(ind)从最小峰值电流I(peakMin)值开始增加。电感器电流I(ind)将增加，直到晶体管112断开。在晶体管112断开的瞬间，电感器电流I(ind)从最大峰值电流I(peakMax)值开始减小。电感器电流I(ind)将减小，直到晶体管112再次接通或直到电感器电流I(ind)达到零。平均电感器电流I(avg)由下式给出
Figure BDA0001344523150000071
电流纹波I(rip)是电感器电流的峰峰电流，并且由下式给出
I(rip)＝I(peakMax)-I(peakMin) (2)
并且开关频率f(sw)由下式给出
假定感兴趣的变量之间的关系，修改其中的一个或多个通常导致其他变量发生变化。例如，增加最大峰值电流I(peakMax)导致更高的平均电感器电流I(avg)、更高的接通时间t(on)、更高的纹波I(rip)和更低的频率f(sw)。降低最大峰值电流I(peakMax)具有相反的效果。类似地，减小最小峰值电流I(peakMin)导致更低的平均电感器电流I(avg)、更高的接通时间t(on)、更高的纹波I(rip)和更低的频率。增加最小峰值电流I(peakMin)具有相反的效果。增加断开时间t(off)导致更低的最小峰值电流I(peakMin)、更低的平均电感器电流I(avg)、更高的纹波I(rip)和更低的频率f(sw)。减少断开时间t(off)具有相反的效果。以同样的方式，增加接通时间t(on)导致更高的最大峰值电流I(peakMax)、更高的平均电感器电流I(avg)、更高的纹波I(rip)和更低的频率f(sw)。减小接通时间t(on)具有相反的效果。通过直接监测电感器电流I(ind)并且使用诸如滞后降压转换器等拓扑结构，可以控制电感器电流I(ind)的一些参数。
同时修改多于一个变量可以获得有趣和期望的结果。例如，可以减小最大峰值电流I(peakMax)并且增加最小峰值电流I(peakMin)，使得平均电感器电流I(avg)保持恒定。这种修改将导致较低的电流纹波I(rip)和较高的开关频率f(sw)。
在本发明的实施例中，在晶体管112接通的接通时间t(on)期间通过测量电流I(CS)来监测电感器电流I(ind)。在这样的实施例中，通过强制上电流电平I(OCP)来控制最大峰值电流I(peakMax)，并且估计断开时间t(off)使得在期望的开关频率f(sw)附近或以上实现期望的电流波纹I(rip)。通过同时更新上电流电平I(OCP)和断开时间t(off)，可以实现平滑的平均电感器电流I(avg)曲线。
图3a和图3b示出了在接通/断开周期期间电感器电流I(ind)的电流波形300和320，其描绘了接通和断开时间、以及得到电流测量值的时间。如图3a所示，最小峰值电流I(peakMin)值可以通过在时间302测量或采样电流I(CS)来确定，其在晶体管112接通之后发生。类似地，最大峰值电流I(peakMax)值可以通过在时间304测量或采样电流I(CS)来确定，其在晶体管112断开之前发生。在一些实施例中，当使用比较器来断开晶体管112时，可以使用被设置为上电流电平I(OCP)的比较器门限值作为最大峰值电流I(peakMax)，而不是测量或采样电流I(CS)。
在一些实施例中，最小峰值电流I(peakMin)和最大峰值电流I(peakMax)二者可以通过以下方式来确定：收集两个或更多个样本并且使用本领域已知的数值技术来推断在瞬态晶体管112接通时的值用于最小峰值电流I(peakMin)值以及在瞬态晶体管112断开时的值用于最大峰值电流I(peakMax)值。在其中当晶体管112断开时电流传感器110不能观察到电感器电流I(ind)的实施例中，诸如在LED照明系统100中，晶体管112断开时间t(off)可以基于可观察的参数来确定。在其中在晶体管112接通之后很久发生时间302或者在晶体管112断开之前很久发生时间304的实施例中，可能需要调整最小峰值电流I(peakMin)值和最大峰值电流I(peakMax)值以补偿这样的拖延。例如，图3b示出了波形320，其中电流I(CS)在时间306被采样，其在前沿消隐(LEB)时间t(LEB)之后发生。在这种情况下，可以根据下式来确定最小峰值电流I(peakMin)
Figure BDA0001344523150000081
其中t(on)是晶体管112接通的时间，t(LEB)，I(LEB)是在时间t(LEB)测量的电流。
以往已经实现LED控制器的一种方式是使用两个独立的控制回路：用于将平均电感器电流I(avg)调节至目标平均电感器电流I(targetAvg)的第一控制回路和用于调节开关频率f(sw)的第二控制回路。图4a示出了在软启动状态和稳态期间第一和第二控制回路的行为及其对电流纹波I(rip)和平均电感器电流I(avg)的影响。图4b示出了第一和第二控制回路的行为及其对稳态的影响。从图4a-图4b可以看出，第一控制回路通过更新断开时间t(off)来调节平均电感器电流I(avg)，并且以比第二控制回路更高的频率操作。第二控制回路通过更新上电流电平I(OCP)并且从而也控制电流纹波I(rip)来调节开关频率f(sw)。然而，在该方案中，第二控制回路也影响平均电感器电流I(avg)。在某些情况下，解决两个回路之间的交互以避免不稳定。例如，可以在软启动状态期间禁用第二控制回路。在不监测输出电压V(out)的情况下，当第二控制回路被激活时，电流纹波I(rip)是未知的。如果没有监测输出电压V(out)，则第二控制回路可能需要选择可能远离目标开关频率f(targetSw)的初始开关频率f(sw)值，以确保收敛是可能的，但潜在地影响瞬态性能。当第二控制回路有效并且更新上电流电平I(OCP)时，第一控制回路会尝试收敛到目标平均电感器电流I(targetAvg)，以产生看起来分段线性的平均电感器电流I(avg)曲线，这可能会导致闪烁。
图5a-图5b示出了在本发明的一些实施例中，如何通过同时且同步地更新上电流电平I(OCP)和断开时间t(off)来调节平均电感器电流I(avg)和电流纹波I(rip)，导致平滑的平均电感器电流I(avg)曲线。图5a示出了在软启动状态和稳态期间平均电感器电流I(avg)的行为及其下限和上限。图5a还示出了电流纹波I(rip)稳定时的时间。例如，在一些实施例中，电流纹波I(rip)在时间502开始基本上不改变。图5b示出了平均电感器电流I(avg)的行为及其在聚焦于稳态期间的下限和上限。这种实现允许使用单个控制器，包括但不限于可以在软启动状态期间采用的比例积分微分(PID)控制器，以避免控制回路交互，从而降低系统复杂性和计算成本。可以使用本领域已知的其它控制器或补偿器。由于一旦系统超出不连续导通模式(DCM)，电流就可以被确保，所以系统快速地达到稳态。
图6示出了用于控制电感器电流I(ind)以实现具有期望的最小电流纹波I(ripMin)且高于目标开关频率f(targetSw)的目标平均电感器电流I(targetAvg)的实施例方法600的流程图。在步骤602中，读取输入参数。输入参数可以包括电感L、系统占空比D的限制、和目标开关频率f(targetSw)，其中系统占空比D根据下式来给出
Figure BDA0001344523150000101
其中V(LED)是LED负载120两端的电压。等式5可以并入来自其它电压降源和系统寄生效应的其他分量。
在一些实施例中，目标平均电感器电流I(targetAvg)可以是在步骤602中读取的参数。步骤602可以例如由控制器102读取内部存储器、控制器102与外围设备通信或本领域已知的任何其它方法来实现。在步骤604中，确定输入电压V(in)。V(in)可以通过直接测量来确定，诸如通过用ADC或本领域已知的任何其它方法对其采样。V(in)也可以通过假定它不会变化并且因此消除对测量其的需要来确定。
在步骤606中执行目标最小电流纹波I(ripMin)的确定。在本发明的一些实施例中使用的目标最小电流纹波I(ripMin)表示电流纹波I(rip)的下限，其是通过设计来保证的。相反，其他实施例可以确保实现目标纹波。目标纹波I(targetRip)的通用表达式根据下式来给出
Figure BDA0001344523150000102
其中α是常数，其可以在0到1之间，用于缩小目标纹波I(targetRip)以补偿温度效应和电感器容限。在一些实施例中，目标纹波I(targetRip)可以通过等式6来确定。备选地，目标纹波I(targetRip)可以由外部外设、信号或本领域已知的一些其它方法来给出。可以通过使用例如等式6选择将生成最小纹波的系统占空比D来确定目标最小纹波I(ripMin)。例如，在系统占空比D在0.2到0.9之间的系统中，电感值L为600μH，目标开关频率f(targetSw)为240kHz，目标最小纹波I(ripMin)根据下式来给出
Figure BDA0001344523150000103
I(ripMin)在调节步骤608中成为目标纹波。
调节步骤608包括用于确定上电流水平I(OCP)的步骤610、用于确定晶体管112断开时间t(off)的步骤612、用于确定电流纹波I(rip)的步骤614、以及用于将电流纹波I(rip)与目标电流纹波I(targetRip)进行比较并且当没有达到目标电流纹波I(targetRip)时循环回到步骤610的步骤616。
在步骤610中，可以根据下式来确定上电流水平I(OCP)
Figure BDA0001344523150000111
其中目标平均电感器电流I(targetAvg)可以是例如在步骤604中读取或由调光信号134给出的系统常数。如果尚未确定电流纹波I(rip)，则可以使用默认值。
在步骤612中，基于电流纹波I(rip)确定晶体管112断开时间t(off)。如果电流纹波I(rip)尚未确定，则可以使用默认值。
步骤614包括用于接通晶体管112并且确定最小峰值电流I(peakMin)和最大峰值电流I(peakMax)的步骤618、用于断开晶体管112的步骤620、以及用于确定电流纹波I(rip)的步骤622。电流纹波I(rip)可以根据下式来确定
I(rip)＝I(peakMax)-I(peakMin) (9)
在一些实施例中，每当晶体管112接通或断开时，可以执行电流纹波I(rip)确定。备选地，可能不会在每个周期执行电流纹波I(rip)的确定，而是跳过一个或多个周期。在其他实施例中，电流纹波I(rip)的确定可以完全来自本领域中已知的数学模型或其他建模技术。电流纹波I(rip)的确定可以使用测量和采样技术、建模技术或其组合。
在步骤616中，将电流纹波I(rip)与目标电流纹波I(targetRip)进行比较，以获得电流纹波误差I(ripError)，如下面的等式所示
I(ripError)＝I(targetRip)-I(rip) (10)
其中
I(ripError)→0 (11)
如果I(ripError)高于预定值，则再次执行步骤610、612和614，否则执行步骤604。在一些实施例中，步骤610与步骤612同时执行。在其他实施例中，步骤610与步骤612顺序地执行，步骤610在步骤612之前或之后发生。可以偶尔跳过步骤604和606。
循环返回以执行步骤604和606的优点在于，其使得实施例方法能够适应输入电压V(in)变化。在输入电压V(in)稳定的实施例中，可以省略步骤604和606。
图7示出了用于基于输入电压702、输入电流704和调光信号706来驱动输出信号708以控制电感器电流I(ind)来实现具有期望的最小电流纹波I(ripMin)且高于目标开关频率f(targetSw)的目标平均电感器电流I(targetAvg)的实施例700的控制图。PWM块724生成接通和断开晶体管112的输出信号708。输出信号708可以是脉宽调制信号，其中开关频率f(sw)和占空比基于信号t(onSig)和t(offSig)。信号t(onSig)由过电流保护(OCP)块718确定，该块设置上电流水平I(OCP)。上电流水平I(OCP)可以根据例如等式8基于纹波计算块712、除法器块720、加法器块728和调光信号706来确定。调光信号706基于例如外部PWM信号来确定目标平均电感器电流I(targetAvg)。输入电流704基于例如感测电阻器两端的电压或者本领域已知的用于感测电流的任何其它方法来确定电流I(CS)。电流感测块714基于例如在瞬态晶体管112接通时得到的测量值来确定最小峰值电流I(peakMin)。纹波计算块712根据例如等式9基于最小峰值电流I(peakMin)和延迟的上电流水平I(OCP-1)的延迟样本来确定电流纹波I(rip)，其中最大峰值电流I(peakMax)等于I(OCP-1)。最小纹波计算块710根据等式6基于例如输入电压V(in)、目标开关频率f(targetSw)、电感L和系统占空比D来确定最小电流纹波I(ripMin)。常数α可以相应地调整。比例积分(PI)控制器块722基于电流纹波I(rip)和目标电流纹波I(targetRip)来确定断开时间t(offSig)。备选地，也可以使用除了PI控制器以外的其他动态控制块，诸如PID控制器。
图8和图9示出了本发明实施例的模拟结果，其示出了在软启动状态和稳态期间平均电感器电流曲线802、开关频率曲线804、负载电流曲线904和负载电压曲线902如何转变。如平均电感器电流曲线802所示，平均电感器电流I(avg)从0mA平滑地转变到350mA，其在这种情况下是目标平均电感器电流I(targetAvg)。其他实施例可以使用其他目标平均电感器电流I(targetAvg)。开关频率f(sw)以默认值开始，并且稳定在目标开关频率f(targetSw)以上，目标开关频率f(targetSw)在这种情况下为240kHz。其他实施例可以使用其他目标开关频率f(targetSw)。负载电压曲线902示出了负载电压V(LED)如何快速地转换到恒定电压。负载电流曲线904示出了在没有滤波的情况下随时间的负载电流I(LED)。负载电流曲线904的上限和下限之间的差异是电流纹波I(rip)，其以对称的方式收敛到最小电流纹波I(ripMin)。在一些实施例中，可能无法实现最小电流纹波I(ripMin)。
图10a示出了实施例LED照明系统1000的示意图。基本上，LED照明系统1000包括开关模式降压转换器，该开关模式降压转换器包括向包括一个或多个LED器件的LED负载120提供电流的电源IC 1014。LED照明系统1000包括控制器1002、栅极驱动块106、多路复用器(MUX)1008、ADC块1004、采样和保持(S&A)块1020、OCP比较器1010、存储器块1024、UART块1018、数模转换器(DAC)块1022、晶体管112、电阻器R(shunt)、电阻器R(VIN)、电阻器R(sense)、电感器L、二极管116和LED负载120。在本实施例中，控制器1002、栅极驱动块106、MUX 1008、ADC块1004、S&A块1020、OCP比较器1010、存储器块1024、UART块1018、数模转换器(DAC)块1022、电阻器R(shunt)在IC 1014内部。在其它实施例中，可以将不同的部件集合集成在IC1014内部，或者可以仅使用分立部件来实现解决方案。
控制器1002能够例如执行数学运算、以及与外部部件的交互。控制器1002可以是定制设计的，或者备选地，可以是通用控制器、处理器、或本领域已知的任何类似部件。
栅极驱动块106是耦合到晶体管112的栅极端子的电路，其能够施加电压V(GD)以使晶体管112根据电压V(GD)值接通或断开。栅极驱动块106可以在IC 1014内部，或者备选地，可以是IC 1014外部的部件。
ADC块1004和S&A块1020用于对S&A块1020的输入处的电压进行采样，并且将其传送到控制器1002。
电阻器R(shunt)和电阻器R(VIN)用于将电压V(in)分压为电压V(INDiv)，以便它被ADC块1004采样。R(shunt)+R(VIN)可以是选择足够高使得电流消耗最小化。
确定输入电压V(in)的值具有很多优点。例如，它可以用于通过使用等式6和7来实现本发明的实施例。输入电压V(in)的值也可以用于确定输出电压V(out)，因为与LED负载120相关联的电压降近似恒定。这种方式可以消除对于直接测量或感测输出电压V(out)的需要，从而在一些实施例中消除对于用于感测输出电压V(out)的附加引脚的需要。
MUX 1008用于在电压V(CS)或电压V(INDiv)之间选择要被ADC块1004采样的电压。MUX选择可以由控制器1002来控制。ADC块1004可以连续地采样电压V(CS)、电压V(INDiv)或其组合。备选地，ADC块1004可以根据需要选择性地采样电压V(CS)和电压V(INDiv)。
比较器1010和DAC块1022用于检测电流I(CS)何时达到上电流水平I(OCP)。比较器1010根据电压V(CS)和由DAC块1022生成的电压来在状态之间转换(高到低或从低到高)。比较器1010可以是施密特触发器或本领域已知的任何其它合适的比较器。上电流水平I(OCP)由DAC块1022设置，并且取决于电阻器R(sense)的值。
LED照明系统1000的一般操作的描述如下。当晶体管112接通时，电压V(ind)被下拉。由于电压V(out)通过LED负载120被上拉电压V(in)，电流I(ind)根据由V(out)-V(ind)给出的电压差来增加。通过使用ADC 1004和S&A 1020来监测电流I(CS)，电流I(CS)近似等于当晶体管112接通时的电流I(ind)。比较器1010用于在电流I(CS)达到上电流水平I(OCP)时用信号通知控制器1002断开晶体管112。当晶体管112断开时，电流I(ind)使得电压V(ind)增加到电压V(in)+V(D)，其中V(D)是二极管116的正向电压。此时，电流I(ind)流过二极管116直到电感器电流I(ind)达到零或晶体管112再次接通。再次接通晶体管112使得该过程重复。用于接通和断开晶体管112的过程可以通过PWM技术、PFM技术或本领域已知的任何其它方法来完成。
调光信号1034为电流I(LED)建立期望的平均幅度，从而控制LED负载120的亮度。调光信号1034可以是用于调整由LED负载120产生的光的强度的PWM信号。控制器1002可以将PWM信号的特定占空比与目标平均电感器电流I(targetAvg)的特定值相关联并且实时地更新目标平均电感器电流I(targetAvg)。备选地，控制器1002可以使用本领域已知的协议(诸如通过使用UART块1018或通过其他协议(诸如I2S、I2C、PCM、MIPI/RFFE、DALI、KNX或者任何其他串行或并行接口))基于由外部设备传送的信息来实时地确定期望的目标平均电感器电流I(targetAvg)。其他实施例可以使用模拟调光来控制LED负载120的亮度。例如，可以使用其中0V表示LED负载120断开并且10V表示LED负载120处于全亮度的映射。也可以使用在1V到10V之间的范围。也可以使用本领域已知的其它调光协议或技术。在其他实施例中，目标平均电感器电流I(targetAvg)可以存储在存储器1024中，作为数字通信的结果，或作为出厂默认值。通过这种方式，控制器1002可以将电流I(ind)调节到由调光信号1034给出的目标平均值I(targetAvg)。
图10b示出了直接测量输出电压V(out)的实施例LED照明系统1050的示意图。LED照明系统1050包括电源IC 1052，电源IC 1052向包括一个或多个LED器件的LED负载120提供电流。LED照明系统1050包括控制器1054、栅极驱动块106、多路复用器(MUX)1056、ADC块1004、采样和保持(S&A)块1020、OCP比较器1010、存储器块1024、UART块1018、DAC块1022、晶体管112、电阻器R(shunt)、电阻器R(VIN)、电阻器R(sense)、电感器L、二极管116、电阻器R(FB1)和R(FB2)以及LED负载120。在本实施例中，控制器1054、栅极驱动块106、MUX 1056、ADC块1004、S&A块1020、OCP比较器1010、存储器块1024、UART块1018、DAC块1022、电阻器R(shunt)在IC1052内部。在其他实施例中，可以将不同的部件集合集成在IC 1052内部，或者可以仅使用分立部件来实现解决方案。
控制器1054能够例如执行数学运算、以及与外部部件的交互。控制器1002可以是定制设计的，或者备选地，可以是通用控制器、处理器、或本领域已知的任何类似部件。
LED照明系统1050还包括用于感测输出电压V(out)的端子FB。可能需要额外的电阻器R(FB1)和R(FB2)来创建用于感测目的的分压器。可以使用ADC块1004和S&A块1020对反馈电压V(FB)进行采样。
MUX 1056用于在电压V(CS)、电压V(INDiv)或反馈电压V(FB)之间选择要被ADC块1004采样的电压。MUX选择可以由控制器1054来控制。ADC块1004可以连续地采样电压V(CS)、电压V(INDiv)、反馈电压V(FB)或其组合。备选地，ADC块1004可以根据需要选择性地采样电压V(CS)、电压V(INDiv)和反馈电压V(FB)。
由于直接测量输出电压V(out)，所以代替测量输入电压V(in)，实施例电路可以例如根据下式基于输出电压V(out)来确定输入电压V(in)
V(in)＝V(out)+V(LED) (12)。
否则，LED照明系统1050类似于LED照明系统1000，并且可以使用类似的方法和具有适当修改的等式。例如，通过等式12获得的V(in)可以在实施例700的控制图中使用以实践本发明。
本发明的优点在于，如图11所示，在少量修改的情况下，系统可以通过以期望的波纹为目标而非确保最小波纹来实现固定开关频率f(sw)操作。固定开关频率f(sw)操作可以是期望的，以确保避免过高的操作频率而降低开关损耗和芯片功耗。
图11示出了用于驱动输出信号1108以控制电感器电流I(ind)从而基于输入电压1102、输入电流1104和调光信号1106来实现具有期望的目标开关频率f(targetSw)的目标平均电感器电流I(targetAvg)的实施例1100的控制图。PWM块1124生成接通和断开晶体管112的输出信号1108。输出信号1108可以是脉宽调制类型的信号，其中开关频率f(sw)和占空比基于信号t(onSig)和t(offSig)。信号t(onSig)由过电流保护(OCP)块1118来确定，其设置上电流水平I(OCP)。上电流水平I(OCP)可以基于V(LED)计算块1132、除法器块1120、加法器块1128和调光信号1106来确定。调光信号1106基于例如外部PWM信号来确定目标平均电感器电流I(targetAvg)。输入电流1104基于例如感测电阻器两端的电压或者本领域已知的用于感测电流的任何其它方法来确定电流I(CS)。电流感测块1114基于例如在瞬态晶体管112接通时得到的测量值来确定最小峰值电流I(peakMin)。纹波计算块1112根据例如等式9基于最小峰值电流I(peakMin)和延迟的上电流水平I(OCP-1)的延迟样本来确定电流纹波I(rip)，其中最大峰值电流I(peakMax)等于I(OCP-1)。期望纹波计算块1110基于例如输入电压V(in)、输出电压V(out)、目标开关频率f(targetSw)、电感L和系统占空比D来确定目标电流纹波I(targetRip)。比例积分(PI)控制器块1122基于电流纹波I(rip)和目标电流纹波I(targetRip)来确定断开时间t(offSig)。V(LED)计算块1132例如根据等式12来确定负载电压V(LED)。
一个总体方面包括一种操作开关模式电源的方法，该方法包括：接收开关模式电源的第一电流的测量值；基于所接收的第一电流的测量值来确定第一电流的纹波；基于目标平均电流和所确定的第一电流的纹波来确定最大电流门限；基于目标电流纹波和所确定的第一电流的纹波来确定开关的断开时间；当第一电流达到最大电流门限时断开开关；并且在断开开关后经过所确定的断开时间之后，接通开关。
实现可以包括以下特征中的一个或多个。在该方法中，所接收的第一电流的测量值包括在接通开关期间得到的第一电流的第一测量值。在该方法中，所接收的第一电流的测量值还包括在断开开关之前得到的第一电流的第二测量值。该方法还包括接收开关模式电源的输入电压。在该方法中，接收输入电压包括测量开关模式电源的输入电压。该方法还包括基于所接收的开关模式电源的输入电压来确定目标最小电流纹波。在该方法中，确定目标最小电流纹波在所确定的第一电流的纹波稳定之后发生。该方法还包括：初始化电感值；初始化频率值；以及初始化系统占空比值，其中确定目标最小电流纹波还基于电感值、频率值和系统占空比值。在该方法中，确定目标最小电流纹波是根据下式来确定：
Figure BDA0001344523150000171
其中I(targetRip)是目标最小电流纹波，α是在0到1之间的常数，D是系统占空比值，l是电感值，f(targetSw)是频率值。在该方法中，电感值被初始化为600uH，频率值被初始化为240kHz。在该方法中，确定最大电流门限和确定开关的断开时间同时发生。在该方法中，第一电流是通过开关的电流和通过耦合到开关的电感器的电流中的至少一项。该方法还包括从调光信号接收目标平均电流。在该方法中，调光信号包括PWM信号。该方法还包括：接收开关模式电源的目标频率；测量开关模式电源的输出电压；以及基于所测量的开关模式电源的输出电压和所接收的开关模式电源的目标频率来确定目标电流纹波。
另一总体方面包括一种开关模式电源，其包括：电流测量接口电路；栅极驱动接口电路，被配置为耦合到开关模式电源的开关的控制节点；控制器，耦合到电流测量接口电路和栅极驱动接口电路，控制器被配置为经由电流测量接口电路接收开关模式电源的第一电流的测量值，基于所接收的第一电流的测量值来确定第一电流的波纹，基于目标平均电流和所确定的第一电流的纹波来确定最大电流门限，基于目标电流纹波门限和所确定的第一电流的波纹来确定开关的断开时间，当第一电流达到最大电流门限时，经由栅极驱动接口电路来断开开关；以及在开关断开后经过开关的所确定的断开时间之后，接通开关。
实现可以包括以下特征中的一个或多个。开关模式电源还包括耦合在电流测量接口电路与电流路径之间的电流测量电路。开关模式电源还包括输入电压测量接口电路，控制器还被配置为接收开关模式电源的输入电压的测量值。在开关模式电源中，控制器还被配置为基于所接收的开关模式电源的输入电压的测量值来确定目标电流纹波。开关模式电源还包括比较器，比较器被配置为检测第一电流何时达到最大电流门限。
另一总体方面包括一种LED照明系统，其包括：具有耦合到电源控制器的控制节点的开关，耦合在开关的第一输出端子与第一负载端子之间的电感器，耦合在开关的第一输出端子与第二负载端子之间的二极管，被配置为测量开关和电感器中的至少一项中的电流的电流测量电路，以及耦合到开关和电流测量电路并且被配置为同时控制所测量的电流的平均电感器电流和平均电感器电流的纹波的电源控制器。
实现可以包括以下特征中的一个或多个。LED照明系统还包括耦合在第一负载端子与第二负载端子之间的LED。
虽然已经参考说明性实施例描述了本发明，但是本说明书并不旨在被解释为限制性的。参考说明书，对于本领域技术人员来说，说明性实施例以及本发明的其他实施例的各种修改和组合将是显而易见的。因此，意图是所附权利要求包括任何这样的修改或实施例。

Claims (22)

1.一种操作开关模式电源的方法，所述方法包括：
接收所述开关模式电源的第一电流的测量值；
基于所接收的所述第一电流的所述测量值来确定所述第一电流的波纹；
基于目标平均电流和所确定的所述第一电流的所述波纹来确定最大电流门限；
基于目标频率来确定目标电流波纹；
基于所述目标电流波纹和所确定的所述第一电流的所述波纹来确定开关的断开时间；
当所述第一电流达到所述最大电流门限时断开所述开关；以及
在断开所述开关后经过所确定的所述断开时间之后，接通所述开关。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所接收的所述第一电流的所述测量值包括在所述接通所述开关期间得到的所述第一电流的第一测量值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所接收的所述第一电流的所述测量值还包括在断开所述开关之前得到的所述第一电流的第二测量值。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括接收所述开关模式电源的输入电压。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述接收输入电压包括测量所述开关模式电源的所述输入电压。
6.根据权利要求4所述的方法，其中确定所述目标电流波纹还基于所接收的所述开关模式电源的所述输入电压。
7.根据权利要求4所述的方法，其中所述目标电流波纹是目标最小电流波纹，并且其中确定所述目标最小电流波纹发生在所确定的所述第一电流的所述波纹稳定之后。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
初始化电感值；以及
初始化系统占空比值，
其中确定所述目标电流波纹还基于所述电感值和所述系统占空比值。
9.根据权利要求8所述的方法，其中确定所述目标电流波纹是根据下式来确定：
Figure FDA0002137797620000021
其中I(targetRip)是所述目标电流波纹，α是在0到1之间的常数，D是所述系统占空比值，L是所述电感值，以及f(targetSw)是所述目标频率。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述电感值被初始化为600uH，并且所述目标频率被初始化为240kHz。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定所述最大电流门限和所述确定所述开关的所述断开时间同时发生。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一电流是以下中的至少一项：通过所述开关的电流，和通过耦合到所述开关的电感器的电流。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括从调光信号接收所述目标平均电流。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述调光信号包括PWM信号。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括：
接收所述目标频率；以及
测量所述开关模式电源的输出电压，
其中确定所述目标电流波纹还基于所测量的所述开关模式电源的所述输出电压。
16.一种开关模式电源，包括：
电流测量接口电路；
栅极驱动接口电路，被配置为耦合到所述开关模式电源的开关的控制节点；
控制器，耦合到所述电流测量接口电路和所述栅极驱动接口电路，所述控制器被配置为：
经由所述电流测量接口电路接收所述开关模式电源的第一电流的测量值，
基于所接收的所述第一电流的所述测量值来确定所述第一电流的波纹，
基于目标平均电流和所确定的所述第一电流的所述波纹来确定最大电流门限，
基于目标频率来确定目标电流波纹，
基于所述目标电流波纹和所确定的所述第一电流的所述波纹来确定所述开关的断开时间，
当所述第一电流达到所述最大电流门限时经由所述栅极驱动接口电路来断开所述开关，以及
在断开所述开关后经过所确定的所述开关的所述断开时间之后，接通所述开关。
17.根据权利要求16所述的开关模式电源，还包括电流测量电路，所述电流测量电路耦合在所述电流测量接口电路与电流路径之间。
18.根据权利要求16所述的开关模式电源，还包括输入电压测量接口电路，所述控制器还被配置为接收所述开关模式电源的输入电压的测量值。
19.根据权利要求18所述的开关模式电源，其中所述控制器还被配置为基于所接收的所述开关模式电源的所述输入电压的所述测量值来确定所述目标电流波纹。
20.根据权利要求16所述的开关模式电源，还包括比较器，所述比较器被配置为检测所述第一电流何时达到所述最大电流门限。
21.一种LED照明系统，包括：
开关，具有耦合到电源控制器的控制节点；
电感器，耦合在所述开关的第一输出端子与第一负载端子之间；
二极管，耦合在所述开关的所述第一输出端子与第二负载端子之间；
电流测量电路，被配置为测量所述开关和所述电感器中的至少一项中的电感器电流；以及
电源控制器，耦合到所述开关和所述电流测量电路并且被配置为：
接通和断开所述开关，
基于目标频率来确定目标电流纹波，以及
在开关时，通过基于所述目标电流纹波，并行地更新所述电感器电流的电流上限以及所述开关的断开时间，来同时控制所述电感器电流的平均电感器电流和电感器电流波纹。
22.根据权利要求21所述的LED照明系统，还包括耦合在所述第一负载端子与所述第二负载端子之间的LED。
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