[发明专利]DC‑DC变换器及其操作方法

说明书

技术领域

本申请涉及DC-DC变换器，具体而言，涉及用于DC-DC变换器的主动瞬态响应。

背景技术

针对DC-DC变换器，快速瞬态响应对高速现代设备至关重要。电信系统、网络系统、服务器和基于处理器的系统是采用高速设备的应用的示例。例如，微处理器和定制ASIC（专用集成电路单元）具有能够迅速从或多或少的空闲状态向全负载改变并且返回到空闲状态的负载需求，要求电流快速增加和减少。此外，可能需要快速动态电压转变以根据操作模式来提高或降低稳定电压。如果DC-DC变换器不能够对增加和降低负载事件或动态电压转变进行迅速响应，则该变换器的输出电压可能在期望的调节窗口之外，有可能导致微处理器或ASIC的损坏或不当操作。

一些DC-DC变换器具有快速瞬态响应（ATR）单元，用于减轻降低负载事件。这些控制器不受功率开关的同步控制限制，其中在逐周期的基础上调制脉冲宽度占空比以控制输出电压。在常规降压变换器的同步控制中，对于开关周期的一部分，高侧功率晶体管处于导通状态（导通）并且低侧功率晶体管处于非导通状态（关断），然后对于开关周期的剩余部分，高侧功率晶体管关断并且低侧功率晶体管导通。具有ATR单元的控制器通常支持ATR低（ATRL）状态或ATR高阻抗（ATRL_HiZ）状态以在降低负载事件期间控制电压过冲。

在ATRL状态中，对于一个或多个开关周期，高侧功率晶体管关断并且低侧功率晶体管导通持续，使得负电流或正电流可以从输出电感器流动通过低侧晶体管以便快速地降低输出电压。在ATRL_HiZ状态中，高侧功率晶体管和低侧功率晶体管二者都关断，因此变换器的功率级被切换至高阻抗（三态或HiZ）状态，从而在输出电感器中的电流十分迅速地通过低侧晶体管的体二极管消散，但电流在该状态下不能变负。传统的ATR单元当电感器电流到达零时采用或选择这两种状态中的一种状态，并且不从ATRL_HiZ状态向ATRL低状态切换。然而，这样做能够将ATR单元留在ATRL_HiZ状态太久，这是有问题的，因为它可能会导致较差的负载瞬态或动态电压响应。还可能是有问题的，如果驱动器在其输入处于三态持续太久时进入低功率睡眠模式。

发明内容

根据本文描述的实施例，DC-DC变换器包括主动瞬态响应（ATR）单元，其可以根据各种考虑在降低负载时间期间将变换器的低侧功率晶体管置于ATR低（ATRL）状态或ATR高阻抗（ATRL_HiZ）状态。降低负载事件可以是负载释放或卸载事件，或者由于动态电压转变的电感器电流释放。在ATRL_HiZ状态下，变换器功率级的高侧功率晶体管和低侧功率晶体管二者都关断并且功率级处于被三态化，从而输出电感器中电流通过低侧晶体管的体二极管而迅速地消散。在ATRL状态下，高侧功率晶体管保持关断并且低侧功率晶体管导通，从而负电流或正电流能够从输出电感器流动通过低侧晶体管以便迅速降低输出电压。ATR单元以提高变换器在大的降低负载事件上的输出电压响应的方式、基于各种条件决定何时实施这些状态中的那个状态。响应于大的降低负载事件，取决于感测的电流，ATR单元激活ATRL状态或ATRL_HiZ状态。由ATR单元监控各种参数以确保变换器功率级不保持在一种状态太久，因此产生具有更理想形状的电压输出响应。一旦降低负载事件平息，ATR单元将功率级的切换控制返回至DC-DC变换器的控制器。

根据具有用于连接至负载的输出节点的DC-DC变换器的实施例，DC-DC变换器包括连接在电压供应节点和公共节点之间的第一功率晶体管，连接在参考节点和公共节点之间的第二功率晶体管，以及连接在公共节点和输出节点之间的电感器。控制器在电感器中的电流超过正的阈值的情况下，在负载处的降低事件期间将第一晶体管关断并且将第二晶体管关断。

根据操作具有连接至负载的输出节点的DC-DC变换器的方法的实施例，该方法包括：经由可变占空比控制信号来开关第一晶体管和第二晶体管以通过电感器向负载递送电流；在所述负载处的降低事件期间将第一晶体管关断；以及在电感器中的电流超过正的阈值的情况下，在降低事件期间将第二晶体管关断而不管可变占空比控制信号的状态。