CN106026651A - 用于开关模式电源的***和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于开关模式电源的***和方法。根据一个实施例，一种开关模式电源转换器包括开关、耦合在开关的输出端子与电源输入节点之间的续流二极管、耦合在开关的输出端子与电源输出节点之间的电感器以及无源网络，无源网络具有耦合至开关的输出端子的第一端子、耦合至电源输出节点的第二端子以及耦合至开关的参考端子的第三端子。一种方法包括：当开关接通时，测量无源网络的第四端子处的第一电压；当开关断开时，测量无源网络的第四端子处的第二电压；以及基于第一电压和第二电压来估计电源输出节点与开关的参考端子之间的输出电压。

Description

用于开关模式电源的***和方法

技术领域

本公开内容总的来说涉及电子器件，更具体地涉及用于开关模式电源的***和方法。

背景技术

在从计算机到汽车的许多电子应用中普遍存在电源***。通常，通过操作加载有电感器或变压器的开关执行DC-DC、DC-AC和/或AC-DC转换来生成电源***内的电压。一类这样的***包括开关模式电源(SMPS)。因为通过电感器或变压器的受控充电和放电来执行电源转换，所以SMPS通常比其他类型的电源转换***更加有效，并且降低了由于跨电阻电压的功耗下降而引起的能量损失。

SMPS通常包括至少一个开关以及电感器或变压器。一些特定的拓扑包括降压转换器、升压转换器和反激转换器等。通常使用控制电路来断开和闭合开关以对电感器充电和放电。在一些应用中，提供给负载的电流和/或提供给负载的电压经由反馈环路来控制。

SMPS的一个应用是作为用于发光二极管(LED)的电源，诸如用于住宅和商业照明应用中来代替白炽灯泡和小型荧光灯(CFL)。在一些应用中，SMPS用于将AC线电压转换为DC电流来对LED供电。

发明内容

根据一个实施例，一种开关模式电源转换器包括开关、耦合在开关的输出端子与电源输入节点之间的续流二极管、耦合在开关的输出端子与电源输出节点之间的电感器以及无源网络，其中无源网络具有耦合至开关的输出端子的第一端子、耦合至电源输出节点的第二端子以及耦合至开关的参考端子的第三端子。一种方法包括：当开关接通时，测量无源网络的第四端子处的第一电压；当开关断开时，测量无源网络的第四端子处的第二电压；以及基于第一电压和第二电压来估计电源输出节点与开关的参考端子之间的输出电压。

附图说明

为了更好地理解本发明及其优点，现在结合附图进行以下描述，其中：

图1a和图1b示出了示例性开关模式电源的示意图；

图2a至图2c示出了各种示例性输出电压估计电路的示意图；

图3示出了示例性输出电压估计电路的操作的波形图；

图4示出了示例性集成电路；以及

图5示出了示例性方法的框图。

除非另有指定，否则不同附图中的对应数字和符号通常表示对应的部分。绘制附图以清楚示出优选实施例的相关方面，并且附图不需要按比例绘制。为了更清楚地示出特定实施例，表示相同结构、材料或工艺步骤的变化的字母可以跟随在图号之后。

具体实施方式

以下详细讨论当前优选实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了可以在各种具体上下文中实施的许多可应用的发明概念。所讨论的具体实施例仅仅示出了制造和使用本发明的具体方式，并且不限制本发明的范围。

将参照特定上下文中的优选实施例描述本发明，该特定上下文为用于发光二极管(LED)的开关模式降压转换器的***和方法。本发明的实施例还可以应用于其他开关模式电源结构以及包括其他电路的其他***和应用，其中开关包括但不限于电源***和电机控制***。

在许多传统的LED照明***中，使用开关模式电源来对LED供电，其中开关模式电源具有调节传输至LED的平均输出电流的控制***。通过调节开关模式电源的平均输出电流，可以控制由LED提供的光强度。例如，通过降低提供给LED的平均电流，可以使得光输出更暗，而增加提供给LED的平均电流可以使得光输出更亮。在LED的正常操作期间，通常通过ELD的结电压来确定开关模式电源的输出电压，其与LED的电流具有对数关系。在许多***中，多个LED可以通过开关模式电源来驱动。这些LED可以串联、并联或者以串联和并联电路的组合来耦合。

然而，如果从开关模式电源中去除LED，则电流调节环路将试图持续将恒定电流提供给其输出端子。由于开关模式电源在去除LED的情况下会呈现高阻抗负载，所以试图提供恒定电流将引起开关模式电源的输出电压的增加。如果该电压持续增加超出各种电源部件的安全操作电压，则会导致电源的损伤以及通过组件的电弧或加热而引起的火灾隐患的可能性。这尤其针对操作110V或220V的AC电源线电压的开关模式降压转换器。解决危险的过电压条件的问题的一种方式是测量开关模式电源的输出电压并且在输出电压超过预定阈值时关闭开关模式电源。

存在可用于测量开关模式电源的输出电压的多种传统电路和方法。例如，耦合至反激转换器的主变压器的辅助绕组可用于为开关模式电源的次级侧提供输出电压测量值。另一种传统方法包括测量开关模式电源内的电感的消磁时间Tovp。例如，可以如下计算开关模式电源的消磁时间Tovp：

$T_{ovp}=\frac{L\×V_{CS}}{R_{CS}\×V_{ovp}}---\left(1\right)$

其中，L是耦合至电源开关的电感器的电感，R_CS是与开关晶体管的源极串联耦合的电阻器的电阻，V_CS是开关晶体管的源极处的电压，以及V_OVP是对应于Tovp的输出电压。从等式(1)中清楚看出，消磁时间Tovp与电源电感器的电感L成比例。此外，消磁时间方法的精度还可以依赖于定时电容器的电容的绝对值和/或用于测量Tovp的RC电路的时间常数。由于电感L的值、定时电容器和/或RC时间常数的潜在宽容限，所得到的测量值也可以具有宽容限，导致不精确的测量。

在一个具体实施例中，用于为发光二极管供电的降压转换器包括具有与共源共栅晶体管串联耦合的开关的降压转换器电路。电感器和续流二极管耦合至共源共栅晶体管的漏极和负载(诸如耦合至电感器的LED)。在操作期间，脉宽调制信号被提供给开关以将通过开关的电流控制为第一预定电流。在本发明的实施例中，通过测量耦合至电感器的两个端子并且耦合至参考端子(诸如地)的无源网络的节点的电压来估计降压转换器的输出电压。当开关模式电源的开关接通时进行第一测量，并且当开关模式电源的开关断开时进行第二测量。通过从第二测量中消减第一测量，可以估计开关模式电源的输出电压。在一些实施例中，将所估计的输出电压与预定阈值进行比较，并且当所估计的输出电压超过预定阈值时关闭电源。

图1a示出了示例性降压转换器电源***100，其包括经由共源共栅晶体管Q₁和电感器L₀耦合至表示为LED的负载电路106的降压转换器IC 102。IC 102包括耦合至开关晶体管Q₂的控制电路104。在操作期间，例如使用操作的准谐振模式，控制电路104向开关晶体管Q₂的栅极提供脉宽调制(PWM)信号。控制电路104通过测量电阻器R_SENSE两端的电压来确定流过开关晶体管Q₂的电流，并且调整(PWM)的脉冲宽度以产生通过电感器L₀的固定平均电流。可以进一步通过执行电压的峰值检测、确定平均电压或者其他类型的计算来处理所测量的电阻器R_SENSE两端的电压。当开关晶体管Q₂被激活时，电流流过开关晶体管Q₂、共源共栅晶体管Q₁、电感器L₀和负载电路106。当开关晶体管Q₂被去激活时，电流流过负载电路106、电感器L₀和续流二极管D_free。

二极管桥BR对输入电压VAC进行整流，输入电压VAC可以是AC输入线电压以向电源***100提供DC输入电压V_IN。经由电阻器R_GD和齐纳二极管D_ZGD偏置共源共栅晶体管Q₁的栅极。电容器G_GD与齐纳二极管D_ZGD并联耦合并且用于过滤在二极管桥BR的输出处的电压纹波以避免在共源共栅晶体管Q₁的栅极处出现。经由二极管D_VCC针对IC 102产生电源电压VCC。VCC的电压大约为V_DZ–Vth1–V_DVCC，其中V_DZ是V_ZGD的齐纳电压，Vth1是共源共栅晶体管Q₁的阈值电压，以及V_DVCC是二极管D_VCC的正向电压。例如，如果二极管D_ZGD的齐纳电压约为12V，共源共栅晶体管Q₁的阈值约为3V，并且二极管D_VCC的正向电压为0.7V，则IC 102的VCC管脚处的所得电压在IC 102启动期间大约为8.3V。在IC 102启动之后，通过二极管D_VCC利用电容器C_DS对VCC充电。

如图1a进一步所示，还使用熔丝、用于限制瞬态输入电压的变阻器VAR以及包括电感器L_f和电容器C_f的滤波器来在开关模式操作期间用于EMI抑制。电容器C_DS提供了从电感器L₀到IC 102的馈送正向路径，用于零电压的使用或者操作的准谐振模式的谷底检测。例如，在开关晶体管Q₂截止且电感器L₀被消磁之后，续流二极管D_free变成反向偏置，并且共源共栅晶体管Q₁的漏极节点开始在通过电感器L₀的值和耦合至共源共栅晶体管Q₁的漏极的电容的值所确定的频率处回荡或振荡。通过在该回荡时段内检测共源共栅晶体管Q₁的漏极处的最小电压以及当共源共栅晶体管Q₁的漏极处的电压最小时导通开关晶体管Q₂，可以减小开关损失。本领域已知的各种谷底开关和准谐振电路和***可用于在本发明的各个实施例中实施操作的谷底开关和准谐振模式。

集成电路102包括六个管脚：DRAIN、CS、VCC、GND、CON和VSENSE。DRAIN管脚和CS管脚分别耦合至开关晶体管Q₂的漏极和源极端子。VCC管脚和GND管脚耦合至用于集成电路102的内部电路的电源，并且CON管脚与用于建立由控制电路104提供的脉宽调制信号的定时的外部电容器C_COMP对接。在一个实施例中，外部电容器C_COMP用于测量输出电流，使得输出电流可以被控制为具有恒定的平均输出电流。VSENSE管脚耦合至包括电阻器R₁、R₂和R₃的无源测量网络(耦合至电感器L₀和地)的输出。VSENSE管脚处的电压可例如用于估计降压转换器的输出电压V_OUT。

在电源***100的操作期间，当在QR PWM控制电路104确定栅极驱动信号V_GATE的栅极导通时段期间激活晶体管Q₂时，晶体管Q₁的漏极节点V_DRAINmos被下拉为接近地电位。相应地，R₂可以被认为是与R₁并联连接。如果R₂＞＞R₃，则R₂和R₃的并联组合的电阻近似等于R₃。当R₂被选择为具有与R₁相同的电阻值时，栅极导通时段期间的集成电路102的VSENSE管脚处的电压V_ON可以表示为：

$V_{ON}=\frac{(V_{IN}-V_{OUT}){\mathrm{xR}}_3}{R_3+R_1}---\left(2\right)$

在一个实例中，R₁和R₂的值大约为1MΩ，并且R₃的值大约为10KΩ。可选地，可以使用其他值。

在栅极截止时段期间，电流从电感器L₀流过续流二极管D_free，因此节点V_DRAINmos处的电压被上拉到输入电压之上的二极管电压。在一些实施例中，节点V_DRAINmos处的电压可以被认为近似为电源输入电压V_IN。因此，栅极截止时段期间的VSENSE管脚处的电压可以近似如下：

$V_{OFF}\≈\[\frac{(V_{IN}-V_{OUT})}{R_3+R_1}+\frac{V_{IN}}{R_3+R_1}\]{\mathrm{xR}}_3---\left(3\right)$

通过将等式(3)代入等式(2)，可以如下近似输出电压：

$V_{OUT}\≈\[\frac{R_3+R_1}{R_3}\]x(V_{OFF}-2V_{ON})---\left(4\right)$

从等式(4)中可以看出，通过在晶体管Q₂导通时以及在晶体管Q₂截止时测量VSENSE管脚处的电压电平，导通输出电压晶体管Q₂，可以间接地估计电源***100的输出电压V_OUT。在本发明的可选实施例中，相同的检测原理也可以应用于其他开关模式电源转换器拓扑，包括但不限于降压-升压拓扑。

图1b示出了示例性降压-升压转换器电源***150，其包括IC102，该IC 102经由共源共栅晶体管Q₁、电感器L₀和续流二极管D_FREE耦合至被表示为多个串联连接的LED的负载电路156。降压-升压转换器电源***150与图1a所示的降压转换器电源***100的不同之处在于，续流二极管D_FREE与负载电路156串联连接而不是直接连接在晶体管Q₁的漏极和电压Vin之间。电感器L₀两端的电压的感应以及V_OUT的推导根据与图1a所示的降压转换器电源***100相似的原理来进行。

图2a和图2b示出了可用于实施示例性输出电压估计***和方法的示例性电路。例如，图2a示出了示例性输出电压估计电路200，其中在晶体管Q₂被激活时使用采样和保持电路202对VSENSE管脚处的电压进行采样，在晶体管Q₂被去激活时使用采样和保持电路204对VSENSE管脚处的电压进行采样。使用电压-电流转换器电路将所采样的VSENSE值转换为电流，其输出电流被消减、转换为电压并与预定阈值进行比较。

更具体地，当栅极驱动电压V_GATE为高时，采样和保持电路202对管脚VSENSE处的电压进行采样以产生采样电压V_ON。包括放大器208、晶体管210和电阻器212的跨导放大器将电压V_ON转换为电流I_ON。放大器208和晶体管210的环路增益迫使电阻器212两端的电压大约等于V_ON。因此，跨导放大器产生大约等于V_ON/R₂₁₂的电流I_ON。类似地，当栅极驱动电压V_GATE为低时，采样和保持电路202对管脚VSENSE处的电压进行采样以产生采样电压V_OFF。反相器206可用于在V_GATE为低时激活采样和保持电路204。包括放大器214、晶体管216和电阻器218的跨导放大器将电压V_OFF转换为大约等于V_OFF/R₂₁₈的电流I_OFF。

在一个实施例中，采样和保持电路202和204可使用开关晶体管后跟电容器来实施。可选地，可以使用本领域已知的其他采样和保持电路。

在一个实施例中，放大器208和214可以使用运算放大器来实施，并且晶体管210和216可以使用n沟道MOSFET来实施。可选地，可以使用其他类型的放大器和其他类型的晶体管。例如，在一些实施例中，可以使用BJT或JFET、p沟道MOSFET或其他类型的晶体管来代替晶体管210和216。在又一些实施例中，还可以使用本领域已知的其他电压-电流转换器和/或跨导放大器。此外，在又一实施例中，可以反转V_GATE的逻辑含义。

电流消减器电路220根据关系I_OUT＝I_OFF–2I_ON来从I_OFF中消减电流I_ON。电流消减器的输出被施加至电阻器222以根据关系VSUB＝I_OUT/R₂₂₂形成电压VSUB。接下来，使用比较器224将电压VSUB与参考电压VREF进行比较。在一些实施例中，如果电压VSUB大于参考电压VREF，则确定代表过电压条件的过电压信号VOVP。过电压信号VOVP可用于在过电压条件的事件中关闭电源。电流消减器电路220例如可以使用电流镜来实施。比较器224可以使用本领域已知的放大器或比较器电路来实施。

在一些实施例中，诸如电阻器212、218和222的各种部件以及消减器220内的电流镜的大小比例可以缩放，使得电压VSUB具有以下关系：

$VSUB=(V_{OFF}-2V_{ON})\≈\[\frac{R_3}{R_3+R_1}\]{\mathrm{xV}}_{OUT}$

可选地，VSUB可以不同地缩放。

应该进一步理解到，其他电路拓扑可用于实施示例性输出电压估计电路。例如，代替将采样电压转换为电流，可以在电压域中计算等式(4)。在又一实施例中，可以使用模数转换器来数字化VSENSE管脚处的电压，并且可以使用处理器、微控制器、专用逻辑电路或其他数字电路来在数字域中计算估计的输出电压。

图2b示出了被配置为当通过续流二极管D_FREE(图2)的电流为零时对VSENSE进行采样的示例性输出电压估计电路230。在一个实施例中，可以通过使用开关模式降压转换器IC 102内的零交叉检测电路来感应这种条件。在一个实施例中，在IC 102的DRAIN管脚处感应该条件。例如，当二极管D_FREE不再被正向偏置时，节点V_DRAINmos处的阻抗显著增加并启动欠阻尼准谐振条件的开始，这使得V_DRAINmos处的电压快速下降。使用本领域已知的谷底检测电路和***进行的零交叉，这种电压下降经由电容器CDS耦合至IC 102的DRAIN管脚，并且被IC 102中的电路所感应。当感应到该条件时，确定V_ZEROCROSSING。例如，逻辑AND门232可用于确保采样和保持电路204仅在V_GATE为低且确定V_ZEROCROSSING时对管脚VSENSE处的电压进行采样。

在一个实施例中，在软启动时段之后激活过电压保护，例如当开关模式电源的输出为低时并且处于操作连续传导模式中时。为了确保过电压保护电路不在该时间期间误触发，使用AND门234将比较器224的输出与软启动信号V_SOFTS进行AND运算，这可以在***启动之后确定预定的时段。

图2c示出了实施等式I_OUTPUT＝I₁–I₂的电流消减器电路220的示例性实施方式。如图所示，输入电流I₁被PMOS晶体管P₁和P₂镜像，并且输入电流I₂被NMOS晶体管N₂和N₁镜像。这些镜像电流在PMOS晶体管P₂和NMOS晶体管N₁的漏极处被消减。然后，通过NMOS晶体管N₄和N₃来镜像该电流消减的结果以在NMOS晶体管N₃的漏极处形成电流I_OUTPUT。应该理解，图2c所示的电路仅仅是可用于实施电流消减器电路220的许多可能的示例性电流消减电路中的一种。可选地，可以使用其他等效和类似的电路。

图3示出了被上电的示例性输出电压估计电路的仿真的波形图。波形VSUB表示估计的输出电压，波形VSENSE表示IC 102的管脚VSENSE处的电压，以及波形V_OUT表示示例性开关模式降压转换器的输出电压。如图所示，输出电压V_OUT在初始软启动时段期间开始增加；估计电压VSUB相应增加。如上所述，可以在该软启动时段期间禁用过电压保护。如图所示，估计电压VSUB在输入电压的谷底区域中退出。该谷底区域对应于经整流的输入AC线电压接近零的情况，这使得开关模式电源的输入电压V_IN即刻太低而不能对输出电容器充电以及太低而不能得到输出电压估计。这种估计的输出电压的即刻下降不是问题，因为电源输出无法被进一步充电来在这些状况下引起过电压条件。

图4示出了可用于在上述各个实施例中实施示例性降压转换器IC102的IC 300。IC 300包括耦合至VSENSE管脚2的输出电压估计块340，其可以根据上述任何实施例来实施。输出电压估计块340监控用于驱动晶体管Q2的信号GATE并产生过电压信号VOVP。对于当晶体管Q₂截止时以及当检测到零交叉或谷底条件时对VSENSE进行采样的实施例来说，输出电压估计块340还监控由软启动块341产生的软启动信号V_SOFTS以及由谷底检测电路306产生的信号V_ZEROCROSSING。

IC 300还包括用于实施开关晶体管的内部NMOS晶体管Q2。晶体管Q2的栅极通过锁存器310的输出来驱动，其中锁存器310通过谷底检测电路306来激活并且通过重置锁存器310的逻辑电路312来去激活。锁存器310可以在软启动块、恒定导通时间块和过电流块的输出为高时和/或当输出电压估计块的VOVP输出通过逻辑电路312确定时进行重置。有效地，当确定VOVP时，晶体管Q2被关闭。应该理解，图3所示逻辑电路312的实施仅仅是可执行类似功能的多种可能逻辑电路中的一个实例。

在一个实施例中，在IC 300上电之后软启动块的输出为高，并且当不存在过电压条件时过电流块的输出为高。恒定导通时间块提供基于管脚VCS的测量电压以及耦合至管脚CON的外部电容器的值的导通时间。峰值检测采样和保持块314对管脚VCS的电压进行采样，并且电压-电流转换器316将该测量的峰值转换为经由电流源318的电流。当定时控制块308激活开关319时，耦合至管脚CON的外部电容器被充电直到管脚CON的电压达到由比较器322确定的电压Vref。逻辑控制块320监控比较器322的输出并且在比较器322的输出与阈值电压Vref交叉时激活恒定导通时间块。

通过带隙302和偏置生成块304来提供IC 300的偏置。IC 300还包括块305中的欠压锁定机制和振荡器以及包括温度传感器和热保护电路的热保护块325。应该理解，IC 300是许多可能的示例性降压转换器控制器IC的一个实例。在可选实施例中，可以使用其他控制器电路和***。

图5示出了操作开关模式电源转换器的示例性方法400的框图，其中开关模式电源转换器包括开关、续流二极管、电感器和无源测量耦合网络。开关的输出端子经由续流二极管耦合至电源输入节点，并且经由电感器耦合至电源输出节点。无源测量耦合网络具有耦合至开关的输出端子的第一端子、耦合至电源输出节点的第二端子以及耦合至开关的参考端子的第三端子。在一些实施例中，无源测量耦合网络包括耦合在无源测量耦合网络的第二端子和第四端子之间的第一电阻器、耦合至在无源测量耦合网络的第一端子和第四端子之间的第二电阻器以及耦合在无源测量耦合网络的第三端子和第三端子之间的第三电阻器。

在步骤402中，当开关接通时，测量无源测量耦合网络的第四端子处的第一电压。接下来，在步骤404中，当开关断开时，测量无源测量耦合网络的第四端子处的第二电压。在步骤406中，基于第一电压和第二电压来估计电源输出节点与开关的参考端子之间的输出电压。例如根据上面的等式(4)来估计输出电压。

根据各个实施例，电路或***可被配置为通过在***上安装硬件、软件、固件或它们的组合(在操作中，它们使得***执行动作)来执行特定的操作或动作。一个一般的方面包括操作开关模式电源转换器的方法，其中开关模式电源转换器包括开关、耦合在开关的输出端子与电源输入节点之间的续流二极管、耦合在开关的输出端子与电源输出节点之间的电感器、以及无源网络，无源网络具有耦合至开关的输出端子的第一端子、耦合至电源输出节点的第二端子和耦合至开关的参考端子的第三端子。该方法包括：当开关接通时，测量无源测量耦合网络的第四端子处的第一电压；当开关断开时，测量无源测量耦合网络的第四端子处的第二电压；以及基于第一电压和第二电压来估计电源输出节点与开关的参考端子之间的输出电压。这一方面的其他实施例包括被配置为执行方法的各个动作的对应电路和***。

实施方式可以包括以下特征中的一个或多个特征。在该方法中，无源测量耦合网络包括：第一电阻器，耦合在无源测量耦合网络的第二端子和第四端子之间；第二电阻器，耦合在无源测量耦合网络的第一端子和第四端子之间；以及第三电阻器，耦合在无源测量耦合网络的第三端子和第三端子之间。测量第一电压可以包括当开关接通时对第一电压进行采样以形成第一采样电压；以及测量第二电压可以包括在开关断开时对第一电压进行采样以形成第二采样电压。

在一个实施例中，该方法进一步包括：断开开关；在断开开关之后，确定通过续流二极管的电流何时达到零；以及在开关断开时对第一电压进行采样包括基于该确定而在通过续流二极管的电流达到零时对第一电压进行采样。确定通过续流二极管的电流何时达到零可以包括：监控开关的输出端子处的电压。在一个实施例中，估计输出电压包括：从第二电压的值中消减第一电压的值。消减可以包括：在消减之前，对第一采样电压应用第一权重以及对第二采样电压应用第二权重。在一些实施例中，第一权重是第二权重的两倍。

在一个实施例中，该方法进一步包括将第一采样电压转换为第一电流以及将第二采样电压转换为第二电流，其中估计输出电压包括从第二电流中消减第一电流。该方法可进一步包括将估计的输出电压与预定阈值进行比较，和/或可以包括在估计的输出电压超过预定阈值时关闭开关模式电源转换器。所述技术的实施可以包括硬件、方法或工艺或计算机可访问介质上的计算机软件。

又一个一般方面包括被配置为控制开关模式电源的控制器，其中开关模式电源包括开关、耦合在开关的输出端子与电源输入节点之间的续流二极管、耦合在开关的输出端子与电源输出节点之间的电感器以及无源网络，无源网络具有耦合至开关的输出端子的第一端子、耦合至电源输出节点的第二端子和耦合至开关的参考端子的第三端子。控制器包括电压测量电路，其具有被配置为耦合至无源测量耦合网络的第四端子的输入端子。电压测量电路被配置为：当开关接通时，测量无源测量耦合网络的第四端子处的第一电压，以及当开关断开时，测量无源测量耦合网络的第四端子处的第二电压。控制器还包括耦合至电压测量电路的输出的输出电压估计电路。输出电压估计电路被配置为基于第一电压和第二电压来估计电源输出节点与开关的参考端子之间的输出电压。这一方面的其他实施例包括被配置为实施所要求***的对应电路和***。

实施方式可以包括以下特征中的一个或多个特征。在控制器中，无源测量耦合网络包括：第一电阻器，耦合在无源测量耦合网络的第二端子和第四端子之间；第二电阻器，耦合在无源测量耦合网络的第一端子和第四端子之间；以及第三电阻器，耦合在无源测量耦合网络的第三端子和第三端子之间。在一个实施例中，输出电压测量电路包括：第一采样和保持电路，具有耦合至电压测量电路的输入端子的第一采样输入；以及第二采样和保持电路，具有耦合至电压测量电路的输入端子的第二采样输入。第一采样和保持电路可进一步包括耦合至用于开关的控制信号的第一采样控制输入。第一采样和保持电路可以被配置为当控制信号处于第一状态时对第一采样输入进行采样。第二采样和保持电路可以进一步包括耦合至用于开关的控制信号的第二采样控制输入，使得第二采样和保持电路被配置为当控制信号处于不同于第一状态的第二状态时对第二采样输入进行采用。

在一个实施例中，输出电压估计电路包括：第一跨导放大器，耦合至第一采样和保持电路的输出；第二跨导放大器，耦合至第一采样和保持电路的输出；以及电流消减电路，被配置为产生与估计输出电压成比例的电流。电流消减电路包括耦合至第一跨导放大器的输出的第一输入以及耦合至第二采样和保持电路的输出的第二输入。电流消减电路的输出可以提供与第二跨导放大器的输出减去第一跨导放大器的输出的两倍成比例的信号。

在一个实施例中，控制器进一步包括比较器，其被配置为将输出电压估计电路的输出与预定阈值进行比较，以及当输出电压估计电路的输出超过预定阈值时关闭开关模式电源。在一些实施例中，控制器进一步包括开关和耦合至开关的控制节点的脉宽调制器。电压测量电路、输出电压估计电路、开关和脉宽调制器可以设置在半导体衬底上。在一些实施例中，开关模式电源进一步包括共源共栅晶体管，其具有耦合在开关的输出端子和电感器的第二端子之间的负载路径。所述技术的实施例可以包括硬件、方法或工艺或者计算机可访问介质上的计算机软件。

一个一般方面包括一种开关模式电源，包括：开关；脉冲调制器电路，具有耦合至开关的控制节点的输出；续流二极管，耦合在开关的输出端子和电源输入节点之间；电感器，具有耦合至开关模式电源的输出端子的第一端子和耦合至开关的输出端子的第二端子；电压采样电路，被配置为当脉冲调制器的输出处于第一状态时对采样输入端子进行采样以得到第一采样值，以及当脉冲调制器的输出处于第二状态时对采样输入端子进行采样以得到第二采样值。开关模式电源还包括：第一电阻器，耦合在电感器的第一端子和电压采样电路的采样输入端子之间；第二电阻器，耦合在电感器的第二端子和电压采样电路的输入端子之间；第三电阻器，耦合在开关的参考端子和电压采样电路的采样输入端子之间。输出电压估计电路耦合至电压采样电路的输出并被配置为通过从第二采样值中消减第一采样值来估计开关模式电源的输出端子与开关的参考端子之间的输出电压。本方面的其他实施例包括被配置为执行方法的各个动作的对应电路和***。

实施方法可以包括以下特征中的一个或多个特征。开关模式电源可进一步包括共源共栅晶体管，其具有耦合在开关的输出端子与电感器的第二端子之前的负载路径。在一些实施例中，开关模式电源还包括耦合在电源输入节点与开关模式电源的输出端子之间的发光二极管(LED)。在一些实施例中，开关模式电源还包括耦合在AC输入端口和电源输入节点之间的整流器。所描述技术的实施方案可以包括硬件、方法或工艺或者计算机可访问介质上的计算机软件。

一些实施例的优势包括在不使用辅助绕组的情况下精确地估计开关模式电源的输出电压的能力。一些有利的实施例仅需要耦合至控制器IC的输入管脚的额外的三个外部电阻器。实施例的又一优势包括方便其中可以外部调整输出过电压阈值的***设计。

在一个或多个实例中，本文所描述的功能可以至少部分地以硬件(诸如特定的硬件部件或处理器)来实施。更一般地，可以以硬件、处理器、软件、固件或任何它们的组合来实施技术。如果以软件来实施，则功能可以以一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或在计算机可读介质上传输，并且通过基于硬件的处理单元来执行。计算机可读介质可以包括计算机可读存储介质，其对应于诸如数据存储介质的有形介质，或者包括任何利于计算机程序(例如，根据通信协议)从一个地方传输到另一个地方的任何介质的通信介质。以这种方式，计算机可读介质通常可以对应于(1)非瞬态的有形计算机可读存储介质，或者(2)诸如信号或载波的通信介质。数据存储介质可以是任何可用的介质，其可被一个或多个计算机或者一个或多个处理器访问以检索用于实施本公开所描述技术的指令、代码和/或数据结构。计算机程序产品可以包括计算机可读介质。

通过实例但不限制，这种计算机可读存储介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或者其他磁性存储设备，闪存、或者可用于以可被计算机访问的指令或数据结构的形式存储期望的程序代码的任何其他介质。此外，任何连接被适当地称为计算机可读介质，即计算机可读传输介质。例如，如果使用同轴线缆、光纤、双绞线、数字用户线路(DSL)或者无线技术(诸如红外、无线电和微波)从网站、服务器或其他远程源传输指令，则同轴线缆、光纤、双绞线、DSL或无线技术(诸如红外、无线电和微波)被包括在介质的定义中。然而，应该理解，计算机可读存储介质和数据存储介质不包括连接、载波信号或者其他瞬态介质，而是表示非瞬态的有形存储介质。如本文所使用的，盘和光盘包括压缩盘(CD)、激光盘、光盘、数字通用盘(DVD)、软盘和蓝光盘，其中盘通常磁性地再生数据，而光盘利用激光光学地再生数据。上述组合也应该被包括在计算机可读介质的范围内。

指令可以被一个或多个处理器(诸如一个或多个中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)或其他等效的集成或分立逻辑电路)执行。因此，本文使用的术语“处理器”可以表示任何前述结构或者适合于实施本文所述技术的任何其他结构。此外，在一些方面中，本文所述的功能可以设置在被配置用于编码和解码的专用硬件和/或软件模块内，或者结合在组合的编解码器中。此外，技术可以完全以一个或多个电路或逻辑元件来实施。

本公开的技术可以在各种设备或装置(包括无线手机、集成电路(IC)或IC集合(例如，芯片集))中实施。本公开描述各种部件、模块或单元以强调被配置为执行所公开技术的设备的功能方面，但是不需要要求通过不同的硬件单元来实现。此外，如上所述，各种单元可以在单个硬件单元中组合或者通过操作中的硬件单元(包括一个或多个上述处理器)与适当的软件和/或固件的集合来提供。

虽然参照所示实施例描述了本发明，但本描述并不旨在用于限制。本领域技术人员参照本描述将明白所示实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例。

Claims (24)

1.一种操作开关模式电源转换器的方法，所述开关模式电源转换器包括开关、耦合在所述开关的输出端子与电源输入节点之间的续流二极管、耦合在所述开关的输出端子与电源输出节点之间的电感器以及无源网络，所述无源网络具有耦合至所述开关的所述输出端子的第一端子、耦合至电源输出节点的第二端子和耦合至所述开关的参考端子的第三端子，所述方法包括：

当所述开关接通时，测量所述无源测量耦合网络的第四端子处的第一电压；

当所述开关断开时，测量所述无源测量耦合网络的第四端子处的第二电压；以及

基于所述第一电压和所述第二电压来估计所述电源输出节点与所述开关的参考端子之间的输出电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无源测量耦合网络包括：

第一电阻器，耦合在所述无源测量耦合网络的第二端子和第四端子之间；

第二电阻器，耦合在所述无源测量耦合网络的第一端子和第四端子之间；以及

第三电阻器，耦合在所述无源测量耦合网络的第三端子和第三端子之间。

3.根据权利要求1所述的方法，其中：

测量所述第一电压包括在所述开关接通时对所述第一电压进行采样以形成第一采样电压；以及

测量所述第二电压包括在所述开关断开时对所述第一电压进行采样以得到第二采样电压。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括：

断开所述开关；

在断开所述开关之后，确定通过所述续流二极管的电流何时达到零；以及

当所述开关断开时对所述第一电压进行采样包括：基于所述确定，当通过所述续流二极管的电流达到零时对所述第一电压进行采样。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定通过所述续流二极管的电流何时达到零包括：监控所述开关的输出端子处的电压。

6.根据权利要求3所述的方法，其中，估计所述输出电压包括：从所述第二电压的值中消减所述第一电压的值。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述消减包括：在所述消减之前，对所述第一采样电压应用第一权重以及对所述第二采样电压应用第二权重。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一权重是所述第二权重的两倍。

9.根据权利要求3所述的方法，还包括：

将所述第一采样电压转换为第一电流；以及

将所述第二采样电压转换为第二电流，其中估计所述输出电压包括从所述第二电流中消减所述第一电流。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括：将估计的输出电压与预定阈值进行比较。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括：当所述估计的输出电压超过所述预定阈值时，关闭所述开关模式电源转换器。

12.一种控制器，被配置为控制开关模式电源，所述开关模式电源包括开关、耦合在所述开关的输出端子与电源输入节点之间的续流二极管、耦合在所述开关的输出端子与电源输出节点之间的电感器以及无源网络，所述无源网络具有耦合至所述开关的输出端子的第一端子、耦合至电源输出节点的第二端子和耦合至所述开关的参考端子的第三端子，所述控制器包括：

电压测量电路，具有被配置为耦合至所述无源测量耦合网络的第四端子的输入端子，所述电压测量电路被配置为在所述开关接通时测量所述无源测量耦合网络的第四端子处的第一电压以及在所述开关断开时测量所述无源测量耦合网络的第四端子处的第二电压；以及

输出电压估计电路，耦合至所述电压测量电路的输出，所述输出电压估计电路被配置为基于所述第一电压和所述第二电压来估计所述电源输出节点与所述开关的参考端子之间的输出电压。

13.根据权利要求12所述的控制器，其中，所述无源测量耦合网络包括：

第一电阻器，耦合在所述无源测量耦合网络的第二端子和第四端子之间；

第二电阻器，耦合在所述无源测量耦合网络的第一端子和第四端子之间；以及

第三电阻器，耦合在所述无源测量耦合网络的第三端子和第三端子之间。

14.根据权利要求12所述的控制器，其中，所述输出电压测量电路包括：

第一采样和保持电路，具有耦合至所述电压测量电路的输入端子的第一采样输入；以及

第二采样和保持电路，具有耦合至所述电压测量电路的输入端子的第二采样输入。

15.根据权利要求14所述的控制器，其中：

所述第一采样和保持电路还包括耦合至用于所述开关的控制信号的第一采样控制输入，所述第一采样和保持电路被配置为在所述控制信号处于第一状态时对所述第一采样输入进行采样；以及

所述第二采样和保持电路还包括耦合至用于所述开关的控制信号的第二采样控制输入，所述第二采样和保持电路被配置为在所述控制信号处于不同于所述第一状态的第二状态时对所述第二采样输入进行采样。

16.根据权利要求14所述的控制器，其中，所述输出电压估计电路包括：

第一跨导放大器，耦合至所述第一采样和保持电路的输出；

第二跨导放大器，耦合至所述第一采样和保持电路的输出；以及

电流消减电路，被配置为产生与所述估计的输出电压成比例的电流，所述电流消减电路包括耦合至所述第一跨导放大器的输出的第一输入以及耦合至所述第二采样和保持电路的输出的第二输入。

17.根据权利要求16所述的控制器，其中，所述电流消减电路的输出提供与所述第二跨导放大器的输出减去所述第一跨导放大器的输出的两倍成比例的信号。

18.根据权利要求12所述的控制器，还包括：比较器，被配置为将所述输出电压估计电路的输出与预定阈值进行比较，并且在所述输出电压估计电路的输出超过所述预定阈值时关闭所述开关模式电源。

19.根据权利要求12所述的控制器，还包括：

所述开关；以及

脉宽调制器，耦合至所述开关的控制节点。

20.根据权利要求19所述的控制器，其中，所述电压测量电路、所述输出电压估计电路、所述开关以及所述脉宽调制器被设置在半导体衬底上。

21.一种开关模式电源，包括：

开关；

脉冲调制器电路，具有耦合至所述开关的控制节点的输出；以及

续流二极管，耦合在所述开关的输出端子与电源输入节点之间；

电感器，具有耦合至所述开关模式电源的输出端子的第一端子以及耦合至所述开关的输出端子的第二端子；

电压采样电路，被配置为在所述脉冲调制器的输出处于第一状态时对采样输入端子进行采样以得到第一采样值，以及在所述脉冲调制器的输出处于第二状态时对所述采样输入端子进行采样以得到第二采样值；

第一电阻器，耦合在所述电感器的第一端子和所述电压采样电路的采样输入端子之间；

第二电阻器，耦合在所述电感器的第二端子和所述电压采样电路的采样输入端子之间；

第三电阻器，耦合在所述开关的参考端子和所述电压采样电路的采样输入端子之间；以及

输出电压估计电路，耦合至所述电压采样电路的输出，所述输出电压估计电路被配置为通过从所述第二采样值中消减所述第一采样值来估计所述开关模式电源的输出端子与所述开关的参考端子之间的输出电压。

22.根据权利要求21所述的开关模式电源，还包括：共源共栅晶体管，具有耦合在所述开关的输出端子与所述电感器的第二端子之间的负载路径。

23.根据权利要求21所述的开关模式电源，还包括：发光二极管(LED)，耦合在所述开关模式电源的电源输入节点和输出端子之间。

24.根据权利要求21所述的开关模式电源，还包括：整流器，耦合在AC输入端口与所述电源输入节点之间。