專利名稱：功率調節器及其控制方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件領域，更具體的說，涉及功率調節器及其控制方法。
背景技術：
電壓調節器，例如直流-直流電壓轉換器，用以給不同類型電子設備提供 穩定的電壓源。對于一些低功率的設備(例如便攜式電腦、便攜式手機等) 的電池管理尤其需要高效率的直流-直流轉換器。開關型電壓調節器將輸入電 壓轉換成一 高頻電壓信號，然后對該高頻輸入電壓信號進行濾波處理以產生 一直流輸出電壓。開關調節器通常包括一個開關，將一輸入直流電壓源(如
電池)交替地耦合和解耦到負載(如集成電路)上； 一個輸出濾波裝置，通 常包括一個電感和一個電容，其連接在輸入電壓源和負載之間，用以對開關 的輸出進行濾波處理，進而提供一直流輸出電壓； 一個控制裝置(例如脈沖 寬度調節器(PWM)、頻率脈沖調節器等)用以控制開關以獲得一相對恒定的
直流ilr出電壓。
在一些應用中(如射頻傳輸、便攜式計算設備等)，射頻或者數字芯片需 要的瞬時功率太大，以致于電壓調節器的輸入源不足以提供其要求的功率。 因此，電壓調節器的輸出電壓下降，影響了關聯的射頻或者數字芯片的性能, 可能造成系統運行不良。

發明內容
本發明的目的是提供一種驅動具有大動態跳變的負載的功率調節器及其 控制方法。
本發明的實施例涉及電容尺寸最小的高密度功率調節器或者功率電源， 其適用于大動態負載的應用。依據本發明一實施例的功率調節器包括，(1 )連接到輸入端的輸入電容，
所述輸入端與一功率源連接，所述功率源被一預設限值限制；(2)連接到輸 出端的輸出電容，所迷輸出端連接一負載，所述負載具有第一負載狀態和第 二負載狀態；(3)第一調節裝置，用以將輸入端的輸入電壓轉換成輸出端的 輸出電壓，并以此來驅動負載；(4)連接到第一調節裝置的第二調節裝置； (5)連接到第二調節裝置的儲能元件，在第二負載狀態時，所述第二調節裝 置將儲能元件的能量傳遞至第一調節裝置，以保持輸出端的輸出電壓的調整 水平。
依據本發明的另 一 實施例，將輸入端的功率源轉換成輸出端負載上的調 節電壓的方法，其包括(1)第一調節裝置調節源自所述功率源的負載電壓； (2)判斷所述負載處于第一負載狀態還是第二負載狀態；(3)在第一負載狀 態期間內，儲能元件充電儲能；(4)在第二負載狀態時，儲能元件放電釋放 能量以保持負載上的合適的輸出調節水平值，同時也保持輸入電流或者功率 低于預設限值，所述預設限值限制所述功率源提供的功率或電流。
依據本發明的實施例，可以方便的實現高密度功率調節器或者電源。而 且，本發明的實施例適用于支持大動態負載應用的電容體積最小的電源。通 過下文優選實施例的具體描述，本發明的上述和其他優點更顯而易見。


圖1A所示為驅動具有大動態跳變的負載的一示例電壓調節器的原理圖； 圖1B所示為圖1 A所示的調節器的工作波形圖2A所示為驅動具有大動態跳變的負載的一示例兩級功率調節器的原理
圖2B所示為圖2A所示的調節器的工作波形圖3A所示為依據本發明實施例的第一示例功率調節器的原理方框圖； 圖3B所示為依據本發明實施例的第二示例功率調節器的原理方框圖； 圖4A所示為依據本發明實施例的一示例具有三個調節裝置 分的功率調 節器電路的原理框圖；圖4B所示為依據本發明實施例的一示例具有脈沖寬度調制(PWM)控制
的功率調節器的原理框圖5A所示為依據本發明實施例的 一示例具有兩個調節裝置部分的功率調 節器的原理框圖5B所示為依據本發明實施例的一示例具有脈沖寬度調制(PWM)控制 的功率調節器電^^的原理框圖5C所示為依據本發明實施例的一示例充電限制電路的原理框圖6A所示為依據本發明實施例的一示例具有輸入電壓檢測裝置的功率調 節器電路的原理框圖6B所示為依據本發明實施例的 一示例具有輸入電壓檢測裝置和PWM 控制的功率調節器電路的原理里框圖7A所示為依據本發明實施例的 一示例具有輸入電壓檢測裝置和兩個調 節裝置部分的功率調節器的原理框圖7B所示為依據本發明實施例的一示例具有PWM控制裝置和兩個調節 裝置部分的功率調節器的原理框圖7C所示為依據本發明實施例的圖7A所示的電路的工作波形圖8所示為依據本發明實施例的使高密度調節器中的電容體積最小化的 方法流程圖，所述高密度調節器用于驅動具有大動態跳變負載和輸入功率限 制的負載。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細描述。雖然本發明是結合 以下這些優選實施例進行描述的，但是本發明并不僅僅限于這些實施例。相 反，本發明涵蓋任何由權利要求定義的在本發明的精髓和范圍上做的替代、 修改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本發明有更好的了解，在 下文對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技 術人員來所沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本發明。為了避免混淆 本發明的實質，眾所公知的方法、過程、流程、元件和電路并沒有詳細敘述。
下述具體表述的一些部分通過以下方面進行闡述，包括過程、步驟、邏化的表示，如編碼、數 據位、數據流、信號，或者計算機、處理器、控制器、器件或者存儲器的波 形等。這些描述和表述常被熟悉數據處理領域的技術人員用來向同行有效地 解釋他們的工作。這里的過程、流程、邏輯塊、功能等， 一般被認為是達到 期望或預想結果的步驟或指示的自洽序列。步驟一般指物理量的物理操縱。 通常,但非必要地，這些物理量釆用電、磁、光學或量子信號等形式來表示， 這些物理量能夠被儲存，轉移，合并，比較，并可在計算機或數據處理系統 中操作控制。主要為了通用性，通常把這些信號稱作為位、波、波形、流、 值、元素、符號、字母、術語、數字等類似的名稱，在計算機程序或軟件中 則稱之為代碼(可能是目標代碼，源代碼或二進制代碼)，這已經被證明是方 便的。
但是應當指出，所有這些術語以及其類似的術語都與相應的物理量或者 信號有關，并且僅僅是為了方便這些物理量或者物理信號的標識。除非特別 聲明，否則在以下的描述中，所使用的術語諸如"處理，，，"操作"，"計算"， "決定，，，"操縱，，，"變換"以及類似的表述均指計算機、數據處理系統， 或者類似的處理裝置(例如，電、光學、量子等的計算、處理或者電路)處 理或者變換這些物理量的行為和過程。這些術語指的是所述處理設備把電路 系統機構(例如，寄存器、存儲器、其他類似的信息存儲、傳輸或顯示設備) 的物理量處理和變換成相同(或者不同)系統(或者結構)中其他元器件的 其他類似數據的行為和過程。
此外，"電線"、"繞線"、"引線"、"信號、"導線"和"總線"是指在任 何已知的結構、構造、布局、技術、方法或者過程中用來在物理上把t路中 的信號從一個點傳到另一個點的路徑。，本文中(除另有說明)，"已知"、"固 定"、"給定"、"肯定，，和"預定"通常情況下，指的是一個值，數量、參數、 約束條件、條件、狀態、流程、過程、方法、實施，或各種組合等在理論上 是可變的，但是如果提前設定，則在后續使用中是保持不變的。
依據本發明的實施例可以方便的實現高密度功率調節器或者電源。進一小的功率調節器。根據以下對優選實施例的細節描述可以從各方面更清楚理 解本發明。
依據本發明的實施例實現的體積相對較小和高效率的功率調節器電路和 其控制方法，適用于相對較大的動態負載的應用。進一步，優選實施例可以 使功率轉換器、電源或者調節器以及關聯的電容器的外形尺寸和成本最小化。 在一個實施例中， 一個小的平行的功率調節級添加到電壓調節器之上，用以 當輸出負載相對較輕時，給儲能元件充電。當輸出負載相對較重時，所述附 加的調節級將儲能元件放電釋放能量，來提供額外的能量以補償輸出功率和 可用的輸入功率之間的差值。
一種實現方法，將相對較大的電容器添加在電壓調節器的輸出端或者輸 入端或者輸出端和輸入端。當輸出負載有較大的瞬態變化時，由所述額外的 電容器提供額外的能量給負載元件(如數字、射頻芯片等)，所述電容器可被 布置在電壓調節器的輸出端或者輸入端或者輸出端和輸入端。但是，這些額 外的電容器增加了調節器的總成本。另外，相對較大尺寸的電容器也不適合 于現在有空間限制的應用場合(如無線卡、手機、便攜電子設備等)。
參考圖1A, 100所示為一示例電壓調節器的原理框圖，所述電壓調節器 用以驅動具有大動態跳變的負載。圖1B為圖1A所示的電路的工作波形圖。 例如，在很多應用中都會出現大的動態跳變，如通用串行總線接口 (USB) 包括筆記本3G(第三代)無線網卡(傳輸過程中的如2A-3A的電流)，WiMAX (微波存取全球互通技術)等應用，有從0.5A至2A的跳變。在圖1A中， 調節器102包括開關Si和S2，以來控制電感Li的電流。
工作過程中，在時間間隔^內，負載(如射頻放大器)上抽取低電流值 Ip在時間間隔t2內(如當射頻放大器在傳輸信號時)，負載會抽取高電流值 12 (如波形104所示)。但是，調節器102的輸出電流最大值IoMAx受到輸入源 Vm的可提供的功率所限制(如波形106)。輸出電容CouT可以補償時間間隔 t2內的電流l2和I。MAX之間的差值(如波形108所示)。為了使輸出變化 V0UT 相對較小(如波形110),輸出電容Q)UT選用電容值相對較大的電容。該支持
相對較大的負載階躍的額外電容可以根據公式1確定<formula>formula see original document page 10</formula>菅
在公式1中，Io區x表示輸出電流的最大值，所述輸出端V冊t的電流最 大值由輸入功率限制。時間間隔t2越長，電流12的幅值越大，所需的輸出電 容Cout也越大。
另一種實現方法采用兩個串聯的功率級，第一功率調節裝置使輸入電壓 升壓至 一較高的母線電壓，第二功率裝置使母線電壓降壓以產生提供給負載
的輸出電壓(如數字和射頻芯片)。如圖2A， 200所示為驅動具有大動態跳變 的負載的兩級功率調節器的原理圖。圖2B所示為圖2A所示的電路的工作波形圖。
在工作過程中，第一調節裝置202 (如直流-直流變換器)將輸入電壓Vs
步升至電容CBus兩端的母線電壓VBUS(如波形212的I0UT1和波形210的I恥)。
然后，第二調節裝置204 (如直流-直流轉換器)使電壓VBus下降至輸出電容
QxjT兩端的電壓VouT以驅動輸出負載(如波形208的1out2和波形206的
Iload)。第二調節裝置204的輸出電壓的變化可以很小，同時允許母線電容
Csus的電壓(Vbus)有較大的波動(如波形216的Vbus和波形214的ICBUS )。 假設這種電路結構的最小母線電壓為VIN,母線電容大小由最大母線電壓
確定，如下/>式2所示
皿《~~—y2
ks"s,a^ — kw ( 2 )
比較公式1和公式2,可以得到CBUS和CouT的比值如下公式3所示。
<formula>formula see original document page 10</formula>
在無線傳輸負載的一個例子中，輸入電壓VIN=5V,輸出電壓VOUT=3.3V, 負載動態跳變的輸出調節精確度為2%, VBUS,MAX=6V。由公式3得到，如果 滿足同樣的動態變化，Cout的尺寸約是Cbus的25倍。因此，使用兩級功率轉換可以大大減小電容器的尺寸。
這種兩級實現方法雖然減小了系統中電容器Cbus和CouT的總尺寸，但是 將兩級調節裝置的效率的乘積而得到的總效率會因此降低，并且造成了半導 體開關器件和磁性元件的尺寸和成本的增加。由于每級功率級都需要對全部 的輸出功率進行轉換，增加的成本和尺寸會非常大。
以下為依據本發明實施例的 一 示例電源結構。
依據本發明一實施例的功率調節器包括(1)連接到輸入端的輸入電容， 所述輸入端與一功率源連接，所述功率源被一預設值限制；(2)連接到輸出 端的輸出電容，所述輸出端連接一負載，所述負載具有第一負載狀態和第二 負載狀態；(3)第一調節裝置，用以將輸入端的輸入電壓轉換成輸出端的輸 出電壓，并以此來驅動負載；(4)連接到第一調節裝置的第二調節裝置；(5) 連接到第二調節裝置的儲能元件，在第二負載狀態時，所述第二調節裝置將 儲能元件的能量傳遞至第 一調節裝置，以保持輸出端的輸出電壓的調整水平。
如圖3A， 300A所示為依據本發明實施例的一示例功率調節器的原理框 圖。在該實施例中，主功率通路包括調節裝置302，并聯調節通路包括調節裝 置304。儲能元件306必須與調節裝置302并聯。進一步，儲能元件306可以 是一個電容器、電池、或者任何其他合適的儲能元件。工作過程中，當負載 上的輸出功率超過輸入源V!N提供的輸入功率時，調節裝置304將儲能元件 306放電釋放能量。調節裝置304可以是雙向的，但是須提供負載的瞬態功率。 由于調節裝置304的這種目標應用，所以這種方法與現有的方法相比，效率 更高并且體積也更小。
如圖3B ， 300B所示為依據本發明的實施例的 一示例功率調節器的原理框 圖。調節裝置308可以在調節器302和儲能元件306之間提供一通路，調節 裝置304可以用于將儲能元件306中的能量傳遞至調節裝置302。采用這種方 式，調節裝置308可以幫助在輕載狀態時給儲能元件306充電(如圖1B和 2B的時間間隔^內)。調節裝置304可以用于在大瞬態負載狀態時將儲能元 件306放電釋放能量(如圖1B和2B的時間間隔t2內)。
如這里所述的各種不同的實施例，調節裝置304采用基于電感的開關型調節拓樸。但是，任何合適的調節類型(如線性調節器、基于變壓器的開關 型調節器、電荷泵調節器電路拓樸等)均適用于實施例中的調節裝置304,或 者實施例中其他的調節裝置部分。另外，同步整流器在該實施例中用以獲得 高的效率，但是其他的整流器類型也同樣適用于特定實施例。進一步，當調
節裝置308用以給儲能元件306充電時，僅有一個開關和一個整流器的開關 型調節器也可以用作調節裝置304。
如圖4A, 400A所示為依據本發明實施例的一示例功率調節器原理圖。 調節裝置302使用脈沖寬度調節控制(PWM)將輸入電壓VjN轉換為輸出電 壓VouT。當負載電流上升至一高電流水平(如通過探測器402檢測確定)，調 節裝置304直接將儲能元件中的能量釋放給輸出。在該示例電路中，調節裝 置308可以是帶有二極管Dp D2和電容器Cc的電荷泵電路，通過利用調節 裝置302中的開關型波形給電容CBus充電(如在調節裝置302內，連接到開 關Mp M2和電感L!的節點上)。
探測器402用于檢測輸出電壓何時下跌一預設數值(如約2%)。輸出電 壓上的這樣的下跌值，表明調節裝置302不足以驅動輸出負載。因此，調節 裝置304將電容CBus》丈電至輸出節點。這里調節裝置308采用兩個二極管和 一個電容器組成的"雙倍壓，，電荷泵，但是任何合適數量的二極管、電容和 電荷泵級數均適用于優選實施例。
如圖4B,400B所示為依據本發明實施例的一示例功率調節器電5^的原理 圖。例如，PWM模塊404和406可以是固定頻率的峰值電流模式的控制類型。 PWM404工作時，振蕩器420的時鐘(CLK )通過RS觸發器414和邏輯/驅 動電路422將上管(如晶體管M!)閉合，從而開始一個新的開關周期。將檢
測到的輸出電壓(如通過分壓電阻網絡R!和R2)和一給定基準值(如Vref)
通過誤差放大器416進行比較以產生一誤差信號。誤差放大器416的誤差輸 出信號通過加法器418,以減去一斜率補償信號(SLP),從而產生輸入到比 較器(CMP ) 412的控制信號，所述斜率補償信號可以是振蕩器420產生的鋸 齒波信號。所述控制信號與檢測到的電感電流(如通過電流探測器430和電 流檢測放大器(CSA) 410)進行比較。如果峰值電感電流超出檢測到的電感電流，上管M^斷開，整流器或者同步開關M2導通電流，直至下一個時鐘信 號到來。
探測器402可以通過檢測輸出電壓來開始調節裝置的放電操作，所述調 節裝置由開關M3、 M4和PWM控制器406組成。如果V。uT下跌至低于如額 定調整值的98%時，放電指令信號(DISCH)變高。當輸出VouT恢復至合適 的調節值時，放電指令信號變低。由開關M" M4和PWM406組成的調節裝 置僅僅在放電指令信號DISCH為高時工作。PWM406內的邏輯/驅動模塊426 接收控制信號PWM和RUN。當信號RUN為低時，開關M3和M4關斷。當 信號RUN為高時，PWM控制信號控制晶體管M3和M4的閉合和關斷動作， 即當PWM控制信號為高時，閉合開關M3，關斷開關M4，當PWM控制信號
為低時關斷開關M3。
PWM406也可以釆用固定頻率的電流模式的控制結構，把接收到的反饋 電壓信號(FB)通過誤差放大器438與一基準源VREF進行比較。加法器電路 432施加斜率補償鋸齒波信號，以維持峰值電流模式下的穩定狀態，并且產生 一個控制信號，該控制信號通過比較器434與一電流纟全測信號(如通過^r測 電流12用的電流探測器428和電流纟企測放大器436)進行比較。因此，電感 L2的電流可以被檢測到，時鐘信號CLK通過RS觸發器和邏輯/驅動模塊426 使上管M3閉合，開關M4關斷，直至下一個時鐘周期。
如圖5A， 500A所示為依據本發明實施例的一示例功率調節器電i 各的原
理框圖。該實施例沒有采用電荷泵電路給CBus充電。取而代之的，該實施例 包含調節裝置502, 該裝置在負載電流較輕時，利用PWM504內的邏輯給電 容CBus充電。進一步，該實施例還利用PWM504控制模塊，在調節裝置302 不能從輸入端獲得滿足重負載的功率需要時，讓CBUS放電以向輸出端傳輸能 量。該實施例通過PWM504的雙向控制，可以方便地調節CBUS電壓值以獲得 最小的電容器體積。
例如，假設采用圖4B所示的電荷泵雙倍壓電路的輸入電壓約為5V,對 于額定電壓16V的電容CBus,電壓Vbus只可充屯至略小于IOV。如采用三倍 電壓電荷泵，此時VBus約為15V，但是對于16V的電容來說，這樣就僅僅預留了很小或者沒有安全裕量(約25%裕量)。因此，實際CBus電壓值仍僅為 IOV。如果使用圖5A所示的優選方案，Csus電壓可以提高至約12V仍可滿足 安全裕量的要求，即16x0.75= 12V。應用如上的公式2,可以計算得到， 采用如圖5A所示的示例，可以使電容器Cbus的尺寸比釆用圉4B所示的示例 減小約37%。另外，圖5A中沒有電荷泵二極管或者電容器，因此進一步減小 了體積和成本。
如圖5B, 500B所示為依據本發明實施例的一示例功率調節器電路的原理 圖。在該示例中，PWM504用在雙向調節裝置中，用于在重載狀態時釋放CBus
中儲存的能量，以及當輸入源V!n提供的能量有余量時給Cbus充屯。由探測
器402直接檢測輸出電壓Vout,從而檢測重載狀態。當V0UT比調節目標值小 約2°/。時，放電指令信號DISCH變高，表明PWM504控制的調節裝置處于放 電模式。在該方式中，PWM504工作在恒定頻率的峰值電流控制模式。當V0UT
恢復至一合適的調節目標值時，停止放電。當通過I^,max限制器580檢測到
的輸入電流低于預設限值(Iin，max),并且通過比較器528和或門530檢測到 的電容CBUS電壓(VBUS )低于閾值VBUS,MAX時，通過控制信號RUN允許充 電操作。
在充電模式時，M4閉合直至充電電流達到電流限值IcHGUJM。然后，M3
閉合，其導通時間為預先設置的時間T0N,該時間可在PWMB2上升沿后由單 脈沖電路518產生。為了保證頻率大體恒定，ToN可設計成跟Vbus成正比。 T冊時間結束后下一個充電周期開始。當VBUS到達一預設最大值時，充電停 止。電流i2在充電和放電模式時有不同的極性，電流檢測放大器536的增益 為正，542的增益為負。充電電流限值可以通過外部設置，以實現最快的充電 以及將輸入電流保持在預設限值之下。另一種方法，充電電流限值也可以由 輸入電路限制回路控制，下圖5C將具體描述該方法。
在放電模式時，誤差放大器(EA) 534接收反饋信號(FB)， 534的輸出 連接到加法電路538。比較器532將電感L2上的電流i2的檢測值跟加法電路 538輸出的控制電壓進行比較，所述電流i2由電流斥全測;改大器536和電流探測 器506檢測得到。如果電流信號超出控制電壓，比較器(CMP) 532通過與門式時，時鐘CLK通過與門522和或門514來設置RS觸發器510。以這種方 式，當輸出比正常水平低2%以下時，儲能元件(如屯容Cbus)儲存的能量釋 放給輸出。任何合適的百分量閾值(如1%,、 2%、 3%、 4%、 5%等)均適用 于優選實施例。
當輸出恢復至正常水平后初始化充電模式。借由反相器524,充電控制信 號(CHG)是放電控制信號(DISCH)的反相值。充電控制信號(CHG)與 單脈沖定時器518的輸出信號(T0N)通過與門516產生一復位信號，該信號 通過或門512傳遞至RS觸發器510。該動作可以關斷高端開關M3和閉合低 端開關M4。進一步，負增益的電流檢測放大器542可通過比較器540、與門 526、或門514來設置RS觸發器510，關斷低端開關M4,閉合高端開關M3， 并且對母線電容CBUS進行充電。
如圖5C， 500C所示為依據本發明實施例的一示例充電電流限制電路的原
理框圖。在該示例中，輸入電流l!n通過電阻Rs檢測，并且通過跨導檢測放大
器568與一預設限值進行比較。如果IiN低于預設限值VLIM,跨導檢測放大器 568輸出一最大值，通過緩沖器566而得到最大可能的充電電流。在重負載狀 態時，當輸入電流Iw超出預設限值時，跨導檢測放大器568的輸出降低，產 生一較低的充電電流限制值Ic恥uM (通過緩沖器566 )，從而使輸入電流被調 節至預設限值。另外，輸入電流限制回路的帶寬可低于調節裝置電路(如調 節裝置302和304)。因此，在某些特定實施例中，充電電流可以設置為一固 定值，或者充電電流可以適應性的進行調節確定。
如圖6A， 600A所示為依據本發明實施例的一示例功率調節器電路的原
理框圖。調節裝置302調節將輸入電壓V!n轉換成輸出電壓Vqut。當負載電
流增加至一較高值時，調節裝置302對負載的階躍變化產生的響應使輸入電 壓Vw減小。當輸入電壓比正常電壓低5%左右時(如，探測器6064艮據比較 器608比較VIN和Vin,nom,reF的結果來確定)，調節裝置602直接釋放CBUS中 的能量給輸入端。
調節裝置308包括有二極管Di、 D2和電容器Cc組成的電荷泵電路，用以從調節裝置302內的開關M,、M2和電感L!的公共結點給CBus充電。圖6A 所示的實施例與圖4A所示的不同之處在于調節裝置602釋》文能量給輸入Vin 而不是輸出V0UT,因此增加了調節精度。放電控制電路的執行操作可以相對 簡單，不需要嚴格的響應速度控制。
如圖6B， 600B所示為依據本發明實施例的一示例功率調節器電路的原理 框圖。PWM604和PWM404的工作與圖4B—致或者類似。但是，在示例圖 6B中，具有PWM控制604的調節裝置用以調節輸入電壓而不是輸出電壓。 如果探測器606檢測到輸入電壓Vw下跌至低于正常值的95%左右，CBUS# 存的能量放電直接釋放給Qn。
開關M3和M4充電和放電控制如上文所述類似，誤差放大器622接收一 反饋信號并將其與 一基準源進行比較,產生的輸出信號減去斜率補償信號SLP 后，與電感電流的電流;險測^直(通過電流:探測器612和電流4企測;故大器616 ) 進行比較，然后控制RS觸發器614和邏輯/驅動電路610。當Vw恢復至一合 適值如約正常值的99%時停止放電。在該示例中，Vw的正常值可以是任何合 適的數值，例如約3.3V和5V。
如圖7A， 700A所示為依據本發明實施例一示例功率調節器電i 各的原理 框圖。與如圖6A所示的示例相比較，圖7A所示的示例不使用電荷泵電路對 CBUS進行充電。取而代之，PWM704回路內的邏輯，可以在負載電流較輕和
母線電壓低于預設閾值或者最大限值VBUS,max時，控制對CBus的充電，也可
以當調節裝置302不能從輸入源的有效功率獲得滿足重負載的需要時將CBUS 放電以釋放能量給輸出。圖7A所示的方法可以通過調節CBus電壓來獲得最 小的電容器尺寸，從而使得系統內的總體尺寸最小。
與圖5A所示的示例比較，調節裝置702的充電電流來自于輸入VjN而不 是Vout,并且減小了調節裝置302的功率損耗，也減小了充電模式時的輸出 紋波。調節裝置702使用PWM704控制以放電釋放CBUS的存儲能量給Vjn(而 不是Vout)。另外，在一些相對簡單的應用中，放電控制的調節精度和響應速 度可以小一些。
如圖7B，700B所示為依據本發明實施例的一示例功率調節器電路的原理正常值低約5%時， 具有PWM704控制和開關器件M3、 M4的調節器工作在放電模式。當Vjn恢
復至正常值的約99%時，停止放電。如輸入電流低于預設限值Iw，MAx且CBUs
電壓(VBUS)低于預設閾值VBUS,MAX，充電開始。放電操作與圖6B相同或者 類似，充電操作與圖5B所示的充電操作相同或者類似。
在該示例中，PWM704用于一雙向調節器中，其在重負載狀態時》文電釋
放Cbus中的儲能，當輸入源Vw提供的輸入功率有裕量時，電容CBUS充電。
探測器606直接檢測輸入電壓VIN以判斷重負載狀態。當Vm比正常值低約5% 時，放電指令信號DISCH變高，PWM704控制的調節裝置工作在放電模式。 當VIN恢復至一個合適的調節值時停止放電。當輸入電流低于預設限值
(N，MAX)以及Ceus電壓(VBUS)低于閾值VBus,MAX時，通過比較器726和
或門724的控制信號RUN控制其充電操作。在充電模式時，M4閉合直至充 電電流達到電流限值Ic叫uM。 M3閉合，其持續時間由單脈沖電路722產生的
一預設時間ToN決定。將Tqn與VBus設計成正比，可以獲得基本恒定的頻率。
T，時間結束后下一個充電周期開始。當VouT到達一預設最大值時停止充電。
在放電模式中，誤差放大器EA706接收反饋信號FB,其輸出連接至加法 電路708，加法電路708的輸出通過比較器720,與電流檢測放大器(CSA ) 728和探測器742獲得的流過電感L2的電流i2的電流檢測值進行比較。如果 電流信號超出控制電壓，所述控制電壓為EA706的輸出減去斜率補償信號 SLP,比較器CMP720通過與門734、或門738、 RS觸發器712和邏輯/驅動 電路710復位上管M3。在放電模式時，時鐘CLK被設置，然后通過與門718 和或門736設置RS觸發器712。采用這種方式，當輸入值比正常值低超過5%
時，儲能元件中儲存的能量(如電容C]3us)放電釋放給輸入。
當輸入完全恢復后，充電模式開始。充電控制信號CHG(通過反相器714 ) 和單脈沖定時器722的輸出丁，通過與門740和或門738產生一復位信號給 RS觸發器712。該動作可以關斷高端開關M3和閉合低端開關M4。另外，具 有負增益的電流檢測放大器CSA730可以通過比較器732、與門716、或門736 和RS觸發器712來設置PWM控制信號，從而關斷低端開關M4和閉合高端開關Ms,并且在充電模式時給電感L2充電。
如圖7C所示為依據本發明實施例的圖7A所示的電路的示例工作波形圖。 例如，Iload如波形750所示，Vout如波形752所示，I!n如波形7,54所示，VIN 如波形756所示，Vdbch如波形758所示，12如波形760所示，Vbus如波形 762所示。
在該示例中，初始時負載較輕，只有調節裝置302 (如圖7A所示)工作 以輸出一低的負載電流I!。在時間to，負載驟升至一較高值12。輸出電壓驟降 使得調節裝置302試圖引入更多的輸入電流來支持更高的輸出電流。這時輸
入電流可能會超出限流最大值IlN,MAX,而導致輸入電壓下降。在時間ti，輸入
電壓下降至正常值的95%以下時，探測器606產生放電指令信號(DISCH) 給調節裝置702，將CBus中的能量放電釋放給輸入電壓。當放電電流超出調 節裝置302引入的輸入電流時，輸入電壓可以稍《敖恢復。在該時間內，母線 電壓繼續減小。在時間t3,輸出負載電流恢復至低水平值I,。輸出電壓稍微超 出，強制調節裝置302停止從輸入端引入電流，輸入電壓快速恢復。在時間 t4，輸入電壓超出標準值的99%。然后放電停止。如果母線電容電壓低于最大 值，調節裝置702開始向母線電容再充電。如上所述，最大充電電流可以根 據最大輸入電流限制或者負載狀態，從內部或外部進行設置。 以下所述為功率調節的優選控制方法。
一種實施例，將輸入端的功率源轉換為輸出端的負載上的調節輸出值的 方法，包括(1)第一調節裝置調節源自所述功率源的負載電壓；(2)判斷 所述負載處于第一負載狀態還是第二負載狀態；(3)在第一負載狀態期間內， 儲能元件充電儲能；(4)在第二負載狀態時，儲能元件放電釋放能量以使負 載保持所需的調節值，同時保持輸入電流或者功率低于預設限值，所述預設 限值限制所述功率源提供的電流或者功率。
如圖8, 800所示為依據本發明實施例的，能將調節器電容器尺寸最小化
高密度調節器。流程開始(802),第一調節裝置(如調節裝置302)將輸入電 壓Vw直接轉換為輸出電壓VouT以獲得較高的效率(804)。在806步驟中，輸入電流(Ijn)與一預設限值進行比較(IIN,MAX)。如果輸入電流高于所述預 設限值，第二調節裝置(如調節裝置304)放電釋放儲能元件(如CBUS)中
的儲能，所述第二調節裝置在第一調節裝置的主要能流之外(808 )。但是， 如果輸入電流在預設限值內，儲能元件的電壓(VBUS)在步驟810中與一預
設最大電壓值(VBus,max)進行比較。如果Vbus低于或者等于VBUS,MAX,儲能
元件充電(812)。但是，如果Vbus高于VBUS,MAX,停止對CBus的充電(814)。
節器，輸入電壓的范圍約為2.5V到5.5V,例如2.7￥到4.2丫，包括4.2V。示 例中的降壓調節器的調節輸出電壓范圍約為0.8V到2.2V,包括IV到1.8V， 確切的約1.5V。例如，這樣的電壓可以應用于手才幾，以及對主芯片和隨才幾存 儲器等器件供電。
上述例子包括了特定調節器的電路以及結構設計，本領域普通技術人員 可以推知其他的技術或者調節器結構也同樣適用于所述實施例。其他的器件
電路布局、元件以及類似的也用樣適用于實施例。例如，雖然這里使用的是 電荷泵雙倍壓電路，也可以用多級電荷泵電路替代，例如電壓三倍器、電壓 四倍器等。另外，這樣的電路也可以釆用基于電感的開關型調節器(如升壓 調節器、升降壓、反激等)。如上所述的控制電路可以由與門、或門、RS觸 發器、探測器、比較器和放大器實現，其他的電路元件也適用于優選實施例。 這里所述的方法和電路也適用不同的功率器件(如P型MOS晶體管、雙極結 型晶體管BJT等)和不同的拓樸結構(例如前饋、半橋、全橋等)變換器等。 另外，優選實施例適用于電流和功率具有預設限值的輸入源，這個限值不是 固定不變的，而是可以根據工作狀態和電壓源的類型而變化。例如，在電池 應用中，電池組的最大電流由內部阻抗和電荷狀態限制。同樣，在一些交流 輸入的應用示例中，輸入電流被限制與輸入電壓成比例。
以上結合附圖和敘述對本發明實施例進行了描述。優選實施例并沒有詳 盡敘述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施方式
。顯然，根據 本說明書的內容，可作4艮多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實 施例，是為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能很好地利用本發明。本發明僅受權利要求書及其全部范圍和等效物 的限制。
權利要求
1.一種功率調節器，其特征在于，包括連接到輸入端的輸入電容，所述輸入端與一功率源連接，所述功率源被一預設限值限制；連接到輸出端的輸出電容，所述輸出端連接一負載，所述負載具有第一負載狀態和第二負載狀態；第一調節裝置，用以將輸入端的輸入電壓轉換成輸出端的輸出電壓，并以此來驅動所述負載；連接到第一調節裝置的第二調節裝置；連接到第二調節裝置的儲能元件，在第二負載狀態時，所述第二調節裝置將儲能元件的能量傳遞至第一調節裝置，以保持輸出端的輸出電壓的調整水平。
2. 根據權利要求1所述的功率調節器，其特征在于，所述功率源的預設限 值依據所述功率源的工作狀態不同而不同。
3. 根據權利要求1所述的功率調節器，其特征在于，所述預設限值限制所 述功率源提供的電流或者功率。
4. 根據權利要求3所述的功率調節器，其特征在于，當所述輸入端的電流 或者功率小于預設限值時，所述第二調節裝置向所述儲能元件充電儲能。
5. 根據權利要求1所述的功率調節器，其特征在于，在第二負載狀態時， 所述第二調節裝置直接給輸出端傳輸能量，并且和第一調節裝置一起調節輸 出電壓。
6. 根據權利要求5所述的功率調節器，其特征在于，所述第二調節裝置用以，(1) 檢測輸出端的輸出電壓；并且(2) 當檢測到的輸出電壓小于目標調節值時，將儲能元件中的能量傳遞 至輸出端。
7. 根據權利要求1所述的功率調節器，其特征在于，在第二負載狀態時， 所述第二調節裝置向輸入端傳遞能量以阻止輸入端的電流或者功率超出所述 功率源的預設限值。
8. 根據權利要求7所述的功率調節器，其特征在于，所述第二調節裝置用以，(1) 檢測輸入端的電壓狀態；(2) 當檢測到的電壓表明處于第二負載狀態時，將儲能元件中的能量傳 遞至輸入端。
9. 根據權利要求7所述的功率調節器，其特征在于，所述第二調節裝置用以，(1) 檢測輸出端的電壓狀態；(2) 當檢測到的電壓表明處于第二負載狀態時，將儲能元件的能量傳遞 至輸入端。
10. 根據權利要求5所述的功率調節器，其特征在于，所述第二調節裝置 包括一充電電流限制電路，所述充電電流限制電路用以限制所述儲能元件的 最大充電電流。
11. 根據權利要求IO所述的功率調節器，其特征在于，當輸入端的功率源 低于預設限值時，所述充電電流限制電路進一步限制源自所述輸入端的最大 充電電5克。
12. 根據權利要求1所述的功率調節器，其特征在于，當取自輸入端的功 率源的電流或者功率小于所述預設限值時，所述儲能元件充電。
13. 根據權利要求12所述的功率調節器，其特征在于，當儲能元件的儲能 小于預設閾值時，所述儲能元件充電。
14. 根據權利要求1所述的功率調節器，其特征在于，當輸出端上的負載 功耗超出所述功率源的預設限值時，此時的負載狀態為第二負載狀態。
15. —種輸出電壓調節方法，用于將輸入端的功率源轉換為連接到輸出端 的負載上的調節輸出值，其特征在于，包括第 一調節裝置調節源自所述功率源的負載電壓； 判斷所述負載處于第一負載狀態還是第二負載狀態； 在第一負載狀態期間內，儲能元件充電儲能；在第二負載狀態時，儲能元件放電釋放能量以保持負載上的合適輸出調節水平值，同時也保持輸入電流或者功率低于預設限值，所述預設限值限制 所述功率源提供的功率或電流。
16. 根據權利要求15所述的電壓調節方法，其特征在于，在第二負載狀態時，使用所述第二調節裝置將所述儲能元件放電釋放能量。
17. 根據權利要求16所述的電壓調節方法，其特征在于，在第一負載狀態 時，使用所述第二調節裝置對所述儲能元件充電以儲能。
18. 根據權利要求15所述的電壓調節方法，其特征在于，當在第一負載狀 態時，使用第三調節裝置對所述儲能元件充電以儲能，所述第三調節裝置連 接到所述第 一調節裝置和所述儲能元件之間。
19. 根據權利要求15所述的電壓調節方法，其特征在于，當在第二負載狀 態時，所述儲能元件放電釋放能量傳遞至所述輸出端。
20. 根據權利要求15所述的電壓調節方法，其特征在于，當在第二負載狀 態時，所述儲能元件放電釋放能量傳遞至所述輸入端。
全文摘要
本發明涉及功率調節器的電路設計及其控制方法。依據本發明一實施例的功率調節器包括(1)連接到輸入端的輸入電容，所述輸入端與一功率源連接，所述功率源被一預設限值限制；(2)連接到輸出端的輸出電容，所述輸出端連接一負載，所述負載具有第一負載狀態和第二負載狀態；(3)第一調節裝置，用以將輸入端的輸入電壓轉換成輸出端的輸出電壓，并以此來驅動負載；(4)連接到第一調節裝置的第二調節裝置；(5)連接到第二調節裝置的儲能元件，在第二負載狀態時，所述第二調節裝置將儲能元件的能量傳遞至第一調節裝置，以保證輸出端的輸出電壓的調整水平。
文檔編號H02M3/04GK101640476SQ200910160520
公開日2010年2月3日 申請日期2009年7月21日 優先權日2009年3月25日
發明者偉 陳 申請人:杭州矽力杰半導體技術有限公司;矽力杰公司