一種具有自適應(yīng)驅(qū)動輸出電路能力的高效開關(guān)穩(wěn)壓器的制造方法
【專利摘要】一種具有自適應(yīng)驅(qū)動輸出電路能力的高效開關(guān)穩(wěn)壓器，在寬負(fù)載電流水平內(nèi)可保持較高的效率。該穩(wěn)壓器電路響應(yīng)于負(fù)載電流生成一個或多個控制信號，并且選擇性地為輸出電路中的一個或多個開關(guān)提供開關(guān)驅(qū)動控制信號。
【專利說明】一種具有自適應(yīng)驅(qū)動輸出電路能力的高效開關(guān)穩(wěn)壓器
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及到開關(guān)穩(wěn)壓電路。更具體地，本發(fā)明涉及在寬電流范圍內(nèi)保持高效率的開關(guān)穩(wěn)壓器的電路和方法，同時電路工作在一個基本恒定的頻率下。
【背景技術(shù)】:
[0002]電壓調(diào)節(jié)器的目的是從不穩(wěn)定或波動的電壓源獲得輸入，而向負(fù)載提供預(yù)定的和基本上恒定的輸出電壓。一般來說，有兩種不同類型的穩(wěn)壓器:線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器。
[0003]線性穩(wěn)壓器采用與負(fù)載串聯(lián)耦合在一起的元件(例如功率晶體管)，以控制該元件兩端的電壓降，從而調(diào)節(jié)出現(xiàn)在負(fù)載端的電壓。與此相反，開關(guān)穩(wěn)壓器采用的開關(guān)(例如功率晶體管)與負(fù)載串聯(lián)或并聯(lián)耦合連接。穩(wěn)壓器控制開關(guān)的開啟和關(guān)閉，以調(diào)節(jié)供給負(fù)載的功率。開關(guān)穩(wěn)壓器采用電感能量存儲元件，從而將電流脈沖轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的負(fù)載電流。因此，開關(guān)穩(wěn)壓器的功率以離散的電流脈沖形式被發(fā)送，而在一個線性穩(wěn)壓器中，穩(wěn)壓器的功率以穩(wěn)定的電流形式被發(fā)送。
[0004]為了產(chǎn)生電流脈沖，開關(guān)穩(wěn)壓器通常包括控制電路，從而打開和關(guān)閉開關(guān)。開關(guān)的占空比(它控制向負(fù)載提供的功率)可以通過多種方法來改變。例如，占空比可以通過以下方法改變:(I)固定脈沖頻率而改變各脈沖的占空比(即脈沖寬度調(diào)制PWM)，(2)固定各脈沖的占空比而改變脈沖頻率。
[0005]而通常采用的是固定頻率PWM方法，因?yàn)楦淖冾l率的方法可能會導(dǎo)致噪聲的出現(xiàn)，尤其是在較低的占空比情況下。而電壓噪聲可能會影響由開關(guān)穩(wěn)壓器供電的電路的性能?？勺冮_關(guān)頻率的另一個問題是開關(guān)頻率的諧波可能會干擾中頻(IF)或射頻(RF)通信電路。
[0006]不管采用哪種方法控制占空比，開關(guān)穩(wěn)壓器一般都比線性穩(wěn)壓器的效率更高(其中效率是由調(diào)節(jié)器提供的功率與提供到它的功率的比值)。在線性穩(wěn)壓器中，旁路元件一般工作在其線性區(qū)域，在線性區(qū)域內(nèi)，旁路元件連續(xù)導(dǎo)通電流。這將導(dǎo)致晶體管連續(xù)的功率耗散。相反，在開關(guān)穩(wěn)壓器中，開關(guān)處于斷開狀態(tài)(這種狀態(tài)下沒有功率耗散)或?qū)顟B(tài)(低阻抗?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)下有較小的功率耗散)。這種差異在操作時通常會導(dǎo)致開關(guān)穩(wěn)壓器平均功耗的減少。
[0007]當(dāng)穩(wěn)壓器的輸入-輸出端電壓差較大時，上述效率上的差異將更加清晰。例如，等效功能下，線性穩(wěn)壓器的效率低于25%，而開關(guān)穩(wěn)壓器的效率可以大于75%。
[0008]由于開關(guān)穩(wěn)壓器與線性穩(wěn)壓器相比有更高的效率，開關(guān)穩(wěn)壓器通常采用電池供電，如便攜式筆記本電腦和手持式儀器。在這樣的系統(tǒng)中，當(dāng)開關(guān)穩(wěn)壓器的電流接近額定值時(例如筆記本電腦的磁盤和硬盤驅(qū)動器都在工作時)，整個電路的效率可以很高。然而，效率通常是一個與輸出電流相關(guān)的函數(shù)，并且輸出電流減小時功率減小。這種效率的降低一般是由于操作開關(guān)穩(wěn)壓器造成的損失。在電池供電的系統(tǒng)中，開關(guān)穩(wěn)壓器在低輸出電流時效率的減少便很重要，這將使電池的壽命最大化。
[0009]鑒于效率和輸出電流之間的關(guān)系，傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓器通常采用功率MOSFET開關(guān)。開關(guān)穩(wěn)壓器的兩個重要損耗是開關(guān)造成的功率損耗和開關(guān)驅(qū)動電流損失。大功率MOSFET具有較低的溝道阻抗，從而在給定的電流下比小功率MOSFET消耗更少的功率。然而，由于其較大的柵極區(qū)，大功率MOSFET具有較高的柵極電壓，這導(dǎo)致它在給定的操作頻率下比小功率MOSFET具有更大的開關(guān)驅(qū)動電流損耗。在高輸出電流時，開關(guān)驅(qū)動電流損失通常沒有耗散損失顯著，而在低輸出電流時，開關(guān)驅(qū)動電流損失將導(dǎo)致效率的顯著降低。降低開關(guān)頻率將減小開關(guān)驅(qū)動器的電流損失，但是，頻率的變化對于某些電路是一個不好的方法，如上面所討論的音頻電路。
[0010]鑒于上述情況，提供高效率的開關(guān)穩(wěn)壓器是需要的。
[0011]在開關(guān)穩(wěn)壓電路中，提供在寬電流范圍(包括低輸出電流)內(nèi)保持高效的控制電路和方法也是需要的。
[0012]在工作于一個恒定頻率的開關(guān)穩(wěn)壓電路中，提供在寬電流范圍(包括低輸出電流)內(nèi)保持高效的控制電路和方法也是需要的。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0013]因此，本發(fā)明的第一個目的是提供一種高效的開關(guān)穩(wěn)壓器。
[0014]本發(fā)明的第二個目的是在開關(guān)穩(wěn)壓電路中，提供在寬電流范圍(包括低輸出電流)內(nèi)保持聞效的控制電路和方法。
[0015]本發(fā)明的第三個目的是在工作于一個恒定頻率的開關(guān)穩(wěn)壓電路中，提供在寬電流范圍(包括低輸出電流)內(nèi)保持高效的控制電路和方法。
[0016]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:
[0017]根據(jù)上述和其它的目的，本發(fā)明提供了一種具有自適應(yīng)驅(qū)動輸出電路能力的高效開關(guān)穩(wěn)壓器，在寬負(fù)載電流水平內(nèi)可保持較高的效率。該穩(wěn)壓器電路響應(yīng)于負(fù)載電流生成一個或多個控制信號，并且選擇性地為輸出電路中的一個或多個開關(guān)提供開關(guān)驅(qū)動控制信號。上述開關(guān)的大小不同，所以在一個特定的負(fù)載電流水平下可以有一個最有效的開關(guān)。在低負(fù)載電流下，上述驅(qū)動控制信號通過較小的開關(guān)器件被送到輸出電路，這導(dǎo)致對于一個給定的操作頻率可以產(chǎn)生較小的驅(qū)動電流損失，從而增加了穩(wěn)壓器的效率。在高負(fù)載電流水平下，上述驅(qū)動控制信號通過較大的開關(guān)器件被送到輸出電路，這導(dǎo)致對于一個給定的操作頻率可以產(chǎn)生較大的驅(qū)動電流損失，但這種情況下有一個低阻抗。
[0018]本發(fā)明的電路和方法可用于各種類型的功率晶體管的開關(guān)，如同步和非同步開關(guān)。此外，本發(fā)明的電路和方法可用于不同類型的開關(guān)穩(wěn)壓器中，包括電壓降、電壓升、極性反轉(zhuǎn)和反激配置電路。
[0019]對比專利文獻(xiàn):CN202854636U新型穩(wěn)壓器201220571447.0【專利附圖】

【附圖說明】:
[0020]圖1是一個非同步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器電路示意圖，它采用傳統(tǒng)的PWM和遲滯控制電路；
[0021]圖2是圖1中高效率控制電路的電感電流波形圖，它工作在PWM和遲滯控制模式下；
[0022]圖3是一個根據(jù)本發(fā)明的原則得到的高效開關(guān)穩(wěn)壓器電路的第一個實(shí)例，它采用非同步降壓配置；
[0023]圖4是一個根據(jù)本發(fā)明的原則得到的高效開關(guān)穩(wěn)壓器電路的第二個實(shí)例，它采用同步降壓配置；
[0024]圖5是一個根據(jù)本發(fā)明的原則得到的高效開關(guān)穩(wěn)壓器電路的第三個實(shí)例，它采用非同步和同步開關(guān)結(jié)合的反激式升壓配置，并納入了自適應(yīng)輸出電路。
【具體實(shí)施方式】:
[0025]圖1示出了一種已知的非同步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器電路的簡化示意圖，在該電路中，一個滯后控制電路被用于在低負(fù)載電流水平下提高效率。
[0026]參照圖1，開關(guān)穩(wěn)壓器電路100在端子102提供了一個調(diào)節(jié)的直流輸出電壓Vtot(例如5伏)，用于驅(qū)動負(fù)載103，在圖中簡化為一個電阻，而它可能是一個便攜式通信設(shè)備或其他的電池供電系統(tǒng)。穩(wěn)壓器100工作時,從電源獲得一個未調(diào)節(jié)的電壓Vin (例如一個12伏的電池)，它耦合到端子104。
[0027]穩(wěn)壓器100包括PWM控制電路120、遲滯控制電路140、控制選擇器150和輸出電路130?？刂七x擇器150決定是PWM電路120還是遲滯電路140控制輸出電路130。輸出電路130在一個穩(wěn)定的電壓下為終端102提供電流。
[0028]輸出電路130包括電容131、驅(qū)動器132、M0SFET134、二極管136、電阻137、電感138和電容139。M0SFET134其可以是P溝道或η溝道，它和二極管136都作為開關(guān)元件。MOSFET134與二極管136串聯(lián)耦合在電源電壓Vin和地之間，以形成一個非同步開關(guān)電路。在本文中，術(shù)語“非同步開 關(guān)電路”是指一個開關(guān)，它包括一個開關(guān)晶體管和一個二極管，其中晶體管由驅(qū)動信號驅(qū)動，并且二極管被動響應(yīng)，使得晶體管和二極管相互配合以向負(fù)載供給電流。M0SFET134和二極管136通過輸出電感器138交替向輸出電容139提供電流。電感138和電容139使電流變得平滑，以為負(fù)載103提供一個穩(wěn)定的電壓。電阻137被串聯(lián)耦合在電感138和端子102之間，它是一個小的感測電阻，用于生成與通過電感138的電流^成正比的電壓信號。M0SFET134由驅(qū)動器132驅(qū)動，而驅(qū)動器通過遲滯控制電路140由PWM控制電路120控制。
[0029]PWM控制電路120是電流模式的脈沖寬度調(diào)制(PWM)電路，它在高平均負(fù)載電流時控制驅(qū)動器132的占空比，從而調(diào)節(jié)通過電感138的電流，使得輸出電壓Vott等于所需的穩(wěn)壓電壓。振蕩器122在一個恒定的頻率下使控制邏輯121向驅(qū)動器132提供一個閉合脈沖。每個閉合脈沖會導(dǎo)致驅(qū)動器132將M0SFET134閉合，從而關(guān)斷二極管136，并且使電感電流L增加。
[0030]當(dāng)比較器129指示電流込已達(dá)到差分放大器128設(shè)定的值時，控制邏輯121關(guān)斷M0SFET134。當(dāng)電流込在電阻137兩端產(chǎn)生的電壓超過可控的偏移電壓123時，此電壓觸發(fā)比較器129。偏移電壓123正比于差分放大器128的輸出端電壓Ve。當(dāng)控制邏輯121提供一個關(guān)斷脈沖將M0SFET134關(guān)斷時，Il以傳統(tǒng)方式流過二極管136，但它同時減小。
[0031]差分放大器128將反饋電壓Vfb (由電阻125和126將輸出電壓Vout分壓得到)與參考電壓127 (表示期望的輸出電壓)比較。當(dāng)Vfb由于負(fù)載電流增大略有降低時，電壓Ve增加，從而增大偏置電壓123。這反過來又導(dǎo)致比較器129和控制邏輯121在每個開關(guān)周期中增加通過電感138的峰值電流，以達(dá)到負(fù)載所要求的電平。[0032]如上面所討論的，功率損耗是由MOSFET的柵極電荷引起的柵極充電電流和開關(guān)頻率所導(dǎo)致的，并在低輸出電流時很顯著。為了在低負(fù)載電流(例如小于最大額定輸出的20%)時提供較高的效率，調(diào)節(jié)器100采用滯后控制電路140，用于代替PWM控制電路120控制M0SFET134的導(dǎo)通與關(guān)斷。
[0033]低負(fù)載電流時，控制選擇器150允許遲滯控制電路140控制驅(qū)動器132。遲滯控制電路140將MOSFET134導(dǎo)通，在種狀態(tài)下，輸出電壓Vqut可在一段相當(dāng)長的時間內(nèi)通過輸出電容139大致保持穩(wěn)定。這種現(xiàn)有技術(shù)的特點(diǎn)減少了穩(wěn)壓器電路中的損失，因?yàn)镸0SFET134在低得多的頻率下實(shí)現(xiàn)開關(guān)，從而減少了柵極充電電流。在PWM和遲滯控制模式之間切換可手動或自動完成。例如，LTC1147通過限制PWM模式下的最小輸出電流并且檢測輸出端電壓的上升實(shí)現(xiàn)自動切換。
[0034]在上述操作狀態(tài)下(B卩“遲滯模式”)，負(fù)載103基本上由輸出電容器139提供功率。遲滯控制電路140監(jiān)測反饋電壓VFB。
[0035]當(dāng)Vfb下降一個滯后量時，控制電路140使驅(qū)動電路132將M0SFET134閉合，僅以滯后量在需要時對輸出電容139進(jìn)行充電。如果負(fù)載電流保持得足夠低，電容139將在一個MOSFET134的閉合周期后充電，之后MOSFET134截止。
[0036]因此，在輕負(fù)載時，穩(wěn)壓器100將M0SFET134閉合，只簡單地為輸出電容139充電。因此，Vqut在上限和下限閾值之間振蕩。電路根據(jù)負(fù)載電流140進(jìn)行調(diào)整，使M0SFET134閉合從而為輸出電容139充電，從而即使在低輸出電流下也可保持較高的效率。
[0037]圖2是PWM和遲滯操作模式期間流經(jīng)電感138的電流込的示意圖。曲線201表現(xiàn)了在PWM模式的每個開關(guān)周期下，Il隨著M0SFET134的導(dǎo)通和截止而增加和減小。曲線202表示遲滯模式下的込。如曲線202所示，Il在h期間增加，在此期間，MOSFET134導(dǎo)通從而為輸出電容139充電。在丨2期間，M0SFET134被關(guān)斷，二極管136導(dǎo)通，L減小。在t3期間，負(fù)載電流緩慢地為電容139放電，直到它達(dá)到預(yù)定的值。隨著負(fù)載電流的減小，Vfb以較低的速率降低，延長了 t3的時間。因此，MOSFET134導(dǎo)通的頻率減小，同時柵極充電電流相應(yīng)減小。
[0038]遲滯模式下M0SFET134開關(guān)頻率的變化在某些應(yīng)用中是不希望得到的。例如在音頻電路中將出現(xiàn)以下缺點(diǎn)，在足夠低的負(fù)載電流下，開關(guān)頻率可能會降低到音頻范圍。這可能會導(dǎo)致出現(xiàn)輸出電壓噪聲，從而影響由開關(guān)穩(wěn)壓器供電的音頻電路。
[0039]開關(guān)穩(wěn)壓器100可變頻率的遲滯模式將產(chǎn)生另外一個缺點(diǎn)，即電感138本身可能也會產(chǎn)生噪音，而這是采用穩(wěn)壓器電路移動設(shè)備的用戶所反感的。
[0040]在通信電路中，可變頻率開關(guān)穩(wěn)壓器的另一缺點(diǎn)是，開關(guān)頻率的諧波可能會干擾IF或RF射頻通信電路。開關(guān)頻率的高次諧波可能影響IF或RF信號。
[0041]一種已知的使開關(guān)穩(wěn)壓器的效率最大化的方法是提供兩個或多個完整的開關(guān)穩(wěn)壓器，它們中的每一個在一個特定的輸出電流下都是最有效的，控制電路在穩(wěn)壓器之間選擇輸出。這種方法的一個缺點(diǎn)是需要多個完整的穩(wěn)壓器，因此，它比單個穩(wěn)壓器更昂貴和笨重。
[0042]根據(jù)本發(fā)明得到的開關(guān)穩(wěn)壓器的電路和方法克服了上述開關(guān)穩(wěn)壓器電路的不足之處。圖3示出了一個根據(jù)本發(fā)明的原則得到的恒定頻率開關(guān)穩(wěn)壓器電路300，它可在寬電流范圍內(nèi)保持高效，并且有一個適應(yīng)性強(qiáng)的輸出電路。[0043]參照圖3，開關(guān)穩(wěn)壓器300也包括圖1中的PWM控制電路120。此PWM控制電路可以是圖1中的類型，也可以利用其他已知的PWM控制電路來實(shí)現(xiàn)。如圖3中所示，PWM控制電路120與圖1中的PWM控制電路120基本上是相同的。唯一的不同是與外部電路的連接(例如，在圖1中，遲滯控制電路140連接到PWM電路120，而在圖3中，輸出控制電路340被連接到PWM電路120)。電路300還包括適應(yīng)輸出電路330、輸出控制電路340和控制路徑電路350。如下面更詳細(xì)的描述，在低負(fù)載電流水平下，輸出控制電路340和控制路徑電路350導(dǎo)致輸出電路330使用小功率M0SFET335，而不是大功率M0SFET134。本發(fā)明的這一特征減少了開關(guān)驅(qū)動器的功耗，因?yàn)镸0SFET335比M0SFET134有更小的柵極電荷。
[0044]根據(jù)本發(fā)明，開關(guān)穩(wěn)壓器300中的適應(yīng)輸出電路330在低負(fù)載電流時以如下方式工作。輸出控制電路340包括比較器344和參考電壓源347，此參考電壓源提供參考電壓Veef20如上面根據(jù)圖1的討論，差分放大器128的輸出Ve響應(yīng)于負(fù)載電流的減小而減小，并且因此作為負(fù)載電流的一個指標(biāo)。當(dāng)負(fù)載電流下降到Ve小于Vkef2時，電壓比較器344的輸出變?yōu)楦唠娖?。￥_2用于指示Ve，因此，不再需要大功率M0SFET134，小功率M0SFET335完全可以提供必要的負(fù)載電流。
[0045]輸出電路330包括圖1中輸出電路130的以下元件:電容131、開關(guān)驅(qū)動器132、M0SFET134、二極管136、電容139、電感器138和電阻137。輸出電路330還包括小的開關(guān)驅(qū)動器333和小的M0SFET335，這形成了第二個開關(guān)電路。驅(qū)動器333和M0SFET335分別小于驅(qū)動器132和MOSFET134。響應(yīng)于比較器344的低輸出電壓，控制路徑電路350將PWM電路120的控制信號加載至驅(qū)動器132，從而驅(qū)動M0SFET134。。響應(yīng)于比較器344的高輸出電壓，控制路徑電路350將驅(qū)動器132的控制信號撤去，并將其加載到驅(qū)動器333。
[0046]每個開關(guān)驅(qū)動器都包括一個空閑狀態(tài)，當(dāng)控制路徑電路350將控制邏輯信號從驅(qū)動器的輸入端撤去時，空閑狀態(tài)將驅(qū)動器相應(yīng)的MOSFET關(guān)斷。因此，如果負(fù)載電流較低，當(dāng)比較器344的輸出電壓是高電平時，PWM控制電路120控制M0SFET335的狀態(tài)，從而為電感138提供必要的電流。此外 ，當(dāng)比較器344的輸出電壓是高電平的情況下，大功率M0SFET134不工作，從而消除了為其柵極充電的開關(guān)驅(qū)動電流損失。
[0047]因此，根據(jù)本發(fā)明，電路300可在寬電流范圍內(nèi)保持高效，同時它工作在一個恒定的頻率。在一個典型的應(yīng)用中，Vkef2可以被設(shè)置等于Ve，而Ve是負(fù)載電流約為最大額定輸出時的十分之一時得到的電壓。在這種情況下，穩(wěn)壓器300從大功率M0SFET134切換到小功率M0SFET335。因此，小功率M0SFET335的尺寸通常是大功率M0SFET134的十分之一。這時的效率類似于傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)器，當(dāng)工作在更高的負(fù)載電流時，根據(jù)本發(fā)明的適應(yīng)輸出電路，負(fù)載電流的范圍可進(jìn)一步擴(kuò)大。
[0048]顯而易見，雖然本發(fā)明針對圖3討論，且其穩(wěn)壓器包括非同步開關(guān)電路，但是本發(fā)明也可以使用同步開關(guān)電路。本文中，術(shù)語“同步開關(guān)電路”是指包括至少兩個開關(guān)晶體管的開關(guān)，它們相互配合以在一個穩(wěn)定的電壓下向負(fù)載提供電流。圖4示出了一個根據(jù)本發(fā)明的原則得到的具有自適應(yīng)輸出電路的高效開關(guān)穩(wěn)壓器電路，它采用同步降壓配置。
[0049]參照圖4，開關(guān)穩(wěn)壓器電路400包括:PWM控制電路120、輸出控制電路340、和控制路徑電路350，這些電路基本上類似于圖3中穩(wěn)壓器300中的電路。電路400還包括同步開關(guān)輸出電路430，它替換圖3中的輸出電路。如下面更詳細(xì)的描述，輸出控制電路340和控制路徑電路350使輸出電路430將一對大功率或小功率的同步切換開關(guān)晶體管置于工作狀態(tài)。
[0050]參照圖4，輸出電路430包括圖3中輸出電路330的以下元件:頂部M0SFET134和335、驅(qū)動器132和333、電容131、電感138、電阻137和電容139。輸出電路430還包括電感438、驅(qū)動器432和433和底部M0SFET434和435，其中M0SFET434大于M0SFET435，并且它們的比例與MOSFET134和335的比例相同。MOSFET對134和434與MOSFET對335和435各自單獨(dú)形成同步開關(guān)電路。響應(yīng)于PWM電路120的高電壓控制信號，驅(qū)動器132將MOSFET134閉合以增加通過電感138的電流，或者驅(qū)動器333將M0SFET335閉合以增加通過電感438的電流。在這兩種情況下，底部M0SFET434和435保持關(guān)斷。響應(yīng)于PWM電路120的低電壓控制信號，驅(qū)動器432將底部M0SFET434導(dǎo)通以減少通過電感138的電流，或者驅(qū)動器433將底部M0SFET435導(dǎo)通以減少通過電感438的電流。在這兩種情況下，頂部MOSFET134和335保持關(guān)斷。根據(jù)本發(fā)明的原則，輸出控制電路340根據(jù)所感測的負(fù)載電流，使控制路徑電路350將PWM電路120的驅(qū)動信號加載到大功率MOSFET驅(qū)動器132和432或小功率MOSFET驅(qū)動器333和433，這類似于圖3中的電路300。
[0051]此外，電感438提供了幾個優(yōu)點(diǎn)。首先，因?yàn)樗迷诘拓?fù)載電流下，所以電感438通常大于電感138。這降低了流經(jīng)M0SFET335和435的峰值電流，從而降低耗散損失。第二，將M0SFET335和435耦合至電感438而不是電感138，當(dāng)M0SFET335和435工作時減少了大功率M0SFET134和434漏極上的電壓擺幅，從而減少了流過M0SFET134和434的電容電流所造成的損耗。
[0052]顯而易見，雖然本發(fā)明已參照圖3和4進(jìn)行了討論，其中穩(wěn)壓器選擇兩個非同步的開關(guān)電路或兩個同步的開關(guān)電路，但是本發(fā)明可以適應(yīng)更復(fù)雜的穩(wěn)壓器輸出電路中開關(guān)的尺寸和類型。同樣顯而易見的是，PWM控制電路120通常是這樣設(shè)計(jì)的:Ve包括斜率補(bǔ)償元件，從而使得它可能是負(fù)載電流的不準(zhǔn)確指示。圖5是一個根據(jù)本發(fā)明的原則得到的高效開關(guān)穩(wěn)壓器電路，它采用非同步和同步開關(guān)結(jié)合的開關(guān)電路，并納入更復(fù)雜的自適應(yīng)輸出電路。
[0053]參照圖5，穩(wěn)壓器500包括PWM控制電路120，其工作方式與圖3和4中的PWM控制電路120基本相同。但是，圖5中的PWM控制電路120還包括附加的外部連接，用于監(jiān)測電阻137上的電壓。穩(wěn)壓器500還包括輸出電路530、輸出控制電路540、開關(guān)邏輯550和反激式覆蓋電路560。如下面更詳細(xì)的描述，輸出控制電路540、控制電路120和反激式覆蓋電路560為開關(guān)邏輯550提供反饋信息，從而在低負(fù)載電流時使輸出電路530操作M0SFET335和二極管535，并在高輸出電流時操作M0SFET134和434。
[0054]輸出電路530包括圖4中的以下元件:M0SFET134、335和434，驅(qū)動器132、333和432，電容131，電感138，電阻137和電容139。電路530還包括二極管531(與耦合繞組538和電容539耦合)和535。MOSFET對134和434形成一個同步開關(guān)電路，而M0SFET335和二極管535形成一個非同步開關(guān)電路。耦合繞組538、電容539以及二極管531構(gòu)成反激式升壓電路，其在端子502提供了一個增強(qiáng)的輸出。如下面更詳細(xì)的討論，開關(guān)邏輯550為驅(qū)動器132和432提供同步驅(qū)動信號，或?yàn)轵?qū)動器333提供一個非同步驅(qū)動信號，以提供電感138的電流，從而保持輸出端102輸出調(diào)節(jié)后的電壓。
[0055]根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，輸出控制電路540直接檢測電感電流，并以如下方式防止電流反轉(zhuǎn)。輸出控制電路540包括比較器344和參考電壓347，它的操作方式基本上類似于圖4中的電路340。在優(yōu)選的實(shí)例中，參考電壓347的值為0.63V。輸出控制電路540還包括遲滯比較器546，此比較器監(jiān)測電流通過電阻137所產(chǎn)生的電壓，從而提供一個初級電流反饋。
[0056]按照本發(fā)明，當(dāng)電阻137兩端的電壓超過一個滯后閾值時，比較器546的輸出變?yōu)楦唠娖?。同樣按照本發(fā)明，當(dāng)電阻137兩端的電壓降低并且變?yōu)樨?fù)值時，比較器546的輸出變?yōu)榈碗妷海瑥亩甘倦娏鞯姆崔D(zhuǎn)。滯后閾值比較器546和電阻137的值被選擇，使比較器546根據(jù)電流等級改變狀態(tài)，此時它操作輸出電路530中的大功率M0SFET134和434。例如，如果電阻137的阻值為50毫歐，當(dāng)電感電流超過300毫安時，遲滯閾值被設(shè)置為15毫伏，此時大功率MOSFET工作。
[0057]開關(guān)邏輯電路550以如下方式根據(jù)PWM電路120的控制信號和輸出控制電路540的反饋信號為輸出電路530提供驅(qū)動信號。在相對低的電流水平下，比較器344的輸出為高電平，比較器546的輸出為低電平。在這些條件下，開關(guān)邏輯使從PWM電路120得到的控制信號加載到驅(qū)動器333，從而驅(qū)動小功率M0SFET335。同樣在這些條件下，開關(guān)邏輯使驅(qū)動器132和432為空狀態(tài)，使M0SFET134和434保持關(guān)斷，如上面根據(jù)圖3和4所討論的。
[0058]當(dāng)比較器344的輸出變?yōu)榈碗娖交虮容^器546的輸出變?yōu)楦唠娖綍r，響應(yīng)于通過電阻器137電流的增加，開關(guān)邏輯電路550檢測出該變化，并將PWM電路120的控制信號從驅(qū)動器333撤去并加載到驅(qū)動器132和432。
[0059]在低電流水平下，驅(qū)動電路333把小功率M0SFET335閉合和關(guān)斷，通過電感138的電流込在M0SFET335的每個閉合周期增大，在每個關(guān)斷周期減小。如果負(fù)載103需要更多的電流，放大器128輸出處的誤差電壓Ve增加，從而導(dǎo)致偏移電壓123的增加。這導(dǎo)致了比較器129觸發(fā)閾值的增加，從而使閉合周期結(jié)束及關(guān)斷周期的開始。如果一個閉合周期結(jié)束之前，電感電流L增加到足夠大，使得電阻137兩端的電壓超過比較器546的遲滯閾值，比較器546的輸出變?yōu)楦唠娖?，從而使PWM電路120的控制信號加載到驅(qū)動器432。當(dāng)PWM電路120的控制信號改變狀態(tài)從而開始關(guān)斷周期時，驅(qū)動器333將小功率M0SFET335關(guān)斷并且驅(qū)動器432使大功率M0SFET434導(dǎo)通。當(dāng)控制邏輯121的輸出指示關(guān)斷周期的結(jié)束時，比較器546的輸出變?yōu)楦唠娖?，?dǎo)致PWM電路120的控制信號被加載到驅(qū)動器132，而不是驅(qū)動器333。因此，大功率M0SFET134在隨后的閉合周期導(dǎo)通。
[0060]同樣按照本發(fā)明的原則，開關(guān)邏輯550保持M0SFET134和434的同步操作，直到比較器546檢測到一個電感電流k的反向電流。電流的反轉(zhuǎn)可能會發(fā)生在任何關(guān)斷周期內(nèi)，在這段時間內(nèi)M0SFET434閉合，將電感138耦合到地。當(dāng)比較器546的輸出變?yōu)榈碗娖綍r，表明比較器546已檢測到一個反向電流，開關(guān)邏輯550立即將PWM電路120的控制信號從驅(qū)動器432撤除，使M0SFET434立即關(guān)斷。
[0061]如果比較器546的輸出電壓在隨后的閉合周期內(nèi)保持為低電平，開關(guān)邏輯550將從PWM電路120得到的控制信號加載至驅(qū)動器333，而不是驅(qū)動器132，使M0SFET335的非同步操作在隨后的閉合周期開啟。因此，開關(guān)邏輯550為輸出電路530選擇適當(dāng)?shù)拈_關(guān)電路。在優(yōu)選的實(shí)例中，開關(guān)邏輯550利用比較器344的輸出信號作為一個覆蓋信號，如果比較器344的輸出信號改變?yōu)榈碗妷?，開關(guān)邏輯550使PWM電路120的控制信號被加載到驅(qū)動器132和432，從而開始下一個閉合周期。
[0062]顯而易見，在反激式升壓模式電路中，耦合繞組538、電容539、二極管531和端子502在非同步模式下將不能正常工作。當(dāng)輸出電路530中的MOSFET134和434處于同步操作模式下時，電感138和耦合繞組538形成一個變壓器的初級和次級繞組，從而在端子502產(chǎn)生一個大于端子102的電壓。在E2PEOM電路中，耦合繞組538通常使端子502提供12伏的電壓。然而，如上所述，開關(guān)邏輯550通常選擇非同步模式，使M0SFET434關(guān)斷，如果比較器546檢測到電感138中的電流反轉(zhuǎn)，電感138將通過二極管535與地隔離。當(dāng)二極管535將電感138與地隔離時，電感138和耦合繞組538不能用作變壓器。
[0063]因此，根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，反激式覆蓋電路560提供一個信號，以防止當(dāng)一個負(fù)載被加載到升壓輸出端502時開關(guān)邏輯550選擇非同步模式。反激式覆蓋電路560根據(jù)負(fù)載條件將大功率M0SFET134和434以如下方式置于同步操作模式。反激式覆蓋電路560包括電阻562和564、比較器566、參考電壓568。
[0064]當(dāng)負(fù)載置于端子502時，電阻562和564使端子569處的電壓下降到低于參考電壓568VKEF3。這將導(dǎo)致比較器566的輸出被保持在一個較高的電壓下。比較566的高電壓輸入到開關(guān)邏輯550時，將覆蓋輸出控制電路540的反饋信號，造成開關(guān)邏輯550將PWM電路120的控制信號加載到同步驅(qū)動器132和432。同樣根據(jù)本發(fā)明，在低電流時，用戶可以將端子569接地以防止非同步操作。
[0065]顯而易見，雖然上面已經(jīng)討論了根據(jù)本發(fā)明原則得到的圖4和5中的同步開關(guān)穩(wěn)壓器，其特征在于，穩(wěn)壓器用兩個開關(guān)裝置提供負(fù)載電流，但是本發(fā)明也可以使用一個開關(guān)裝置來提供負(fù)載電流。
[0066]同樣顯而易見，雖然上面已經(jīng)討論了根據(jù)本發(fā)明原則得到的圖3-5電路，其特征在于，穩(wěn)壓器采用具有不同尺寸開關(guān)的兩個或更多個輸出電路，本發(fā)明也可以改進(jìn)為根據(jù)負(fù)載電流的變化改變開關(guān)的數(shù)目。另外，一個驅(qū)動路徑設(shè)備在多個開關(guān)驅(qū)動器之間選擇，本發(fā)明也可以使用一個單一的開關(guān)驅(qū)動器。
[0067]此外，即使上述開關(guān)穩(wěn)壓器通過降壓和反激式配置實(shí)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明的原則也可以使用其他類型的開關(guān)穩(wěn)壓器配置，包括升壓和極性反轉(zhuǎn)配置。此外，雖然在上面討論的例子中開關(guān)電路用于開關(guān)穩(wěn)壓器，但是根據(jù)本發(fā)明得到的開關(guān)電路普遍適用于任何類型的開關(guān)，其中可以根據(jù)工作狀態(tài)選擇不同大小的開關(guān)。
[0068]因此，本發(fā)明提供了一種工作在恒定頻率且可在寬電流范圍內(nèi)保持高效的開關(guān)穩(wěn)壓器電路。
[0069]盡管本發(fā)明已通過具體的例子體現(xiàn)，但是上述例子只是為了說明本發(fā)明而不應(yīng)限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出，只要沒有脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)并且符合權(quán)利要求中的定義，在上述例子上做適當(dāng)修改仍屬本發(fā)明的范疇。
【權(quán)利要求】
1.一種具有自適應(yīng)驅(qū)動輸出電路能力的高效開關(guān)穩(wěn)壓器，其特征是:此開關(guān)穩(wěn)壓器電路具有一個用于連接到輸入電源的輸入端，一個用于為負(fù)載提供穩(wěn)定輸出電壓的輸出端，上述穩(wěn)壓器電路還包括:一個輸出電路耦合在上述輸入端和輸出端，用于在調(diào)節(jié)電壓下向上述負(fù)載提供負(fù)載電流，此輸出電路包括:一個自適應(yīng)開關(guān)電路，用于將電流從第一個節(jié)點(diǎn)(耦合到輸入端)耦合到第二個節(jié)點(diǎn)，此自適應(yīng)開關(guān)電路包括:第一開關(guān)電路耦合在上述第一和第二個節(jié)點(diǎn)之間，第二開關(guān)電路耦合在上述第一和第二個節(jié)點(diǎn)之間；一個控制電路耦合到上述輸出電路，用于為輸出電路提供一個控制信號，上述控制信號基于(至少部分基于)輸出端子處的調(diào)節(jié)電壓；一個輸出控制電路耦合到上述控制電路，基于(至少部分基于)上述負(fù)載電流提供一個輸出控制電路信號；一個控制路徑電路耦合到上述自適應(yīng)開關(guān)電路和輸出控制電路，根據(jù)上述輸出控制電路信號為控制電路中的控制信號選擇路徑(至少是上述第一和第二開關(guān)電路中的一個)，從而在即使很低的負(fù)載電流下使開關(guān)穩(wěn)壓器電路保持高效。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有自適應(yīng)驅(qū)動輸出電路能力的高效開關(guān)穩(wěn)壓器，其特征是:上述第一和第二開關(guān)電路都包括一個開關(guān)晶體管，并且第一開關(guān)電路中的開關(guān)晶體管大于第二開關(guān)電路中的開關(guān)晶體管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有自適應(yīng)驅(qū)動輸出電路能力的高效開關(guān)穩(wěn)壓器，其特征是:上述控制信號用于打開或關(guān)閉第一和第二開關(guān)電路中的一個，同時保持其他開關(guān)電路處于斷開狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有自適應(yīng)驅(qū)動輸出電路能力的高效開關(guān)穩(wěn)壓器，其特征是:上述控制電路包括一個差分放大器，用于提供第一反饋信號，此第一反饋信號與輸出端電壓和一個參考電壓之間的差值成比例，上述控制路徑電路根據(jù)第一反饋信號將穩(wěn)壓器置于第一或第二狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有自適應(yīng)驅(qū)動輸出電路能力的高效開關(guān)穩(wěn)壓器，其特征是:上述輸出電路還包括一個耦合到輸出端的感測電阻，此感測電阻根據(jù)供給到輸出端的電流產(chǎn)生一個檢測電壓，并且上述控制路徑電路根據(jù)此檢測電壓將穩(wěn)壓器置于第一或第二狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種具有自適應(yīng)驅(qū)動輸出電路能力的高效開關(guān)穩(wěn)壓器，其特征是:響應(yīng)于供給到負(fù)載的電流，上述穩(wěn)壓器的工作狀態(tài)由輸出控制電路確定，如果上述檢測電壓超過第一閾值，控制路徑電路使穩(wěn)壓器工作在第一狀態(tài)，如果上述檢測電壓低于第二閾值，控制路徑電路使穩(wěn)壓器工作在第二狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種具有自適應(yīng)驅(qū)動輸出電路能力的高效開關(guān)穩(wěn)壓器，其特征是:上述開關(guān)控制信號有一個恒定的頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種具有自適應(yīng)驅(qū)動輸出電路能力的高效開關(guān)穩(wěn)壓器，其特征是:上述開關(guān)控制信號是脈沖寬度調(diào)制信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種具有自適應(yīng)驅(qū)動輸出電路能力的高效開關(guān)穩(wěn)壓器，其特征是:當(dāng)上述檢測電壓超過第一反饋信號時，開關(guān)控制信號被斷開。
【文檔編號】H02M3/158GK103618457SQ201310613168
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請人:蘇州貝克微電子有限公司