專利名稱：開關調節器及其控制方法
技術領域：
本發明涉及調節器的控制，更具體地涉及可以在突發模式工作的開關調節器。
背景技術：
設計以在輕負荷下有效率的開關DC/DC電源轉換器通常使用滯后控制，有時稱作突發模式或脈沖頻率模式，以調節輸出電壓。在所述操作中，轉換器通常通過調節峰值電感電流，在固定的功率電平上工作，直到輸出達到理想的電壓。轉換器然后進入“休眠”(非活動)工作模式，從電源獲取最小的靜態電流。在非活動模式期間，負載電流只通過輸出波電容提供。當輸出電壓下降一小量時，通常-2%，轉換器從休眠模式出來并恢復活動工作，以使輸出電壓恢復到理想值。活動和非活動工作模式的交替周期循環重復，使輸出電壓保持在特定的滯后極限內。活動的持續時間，或“喚醒”時間和休眠時間隨著所選擇的輸出電容量和滯后量而變化。喚醒或休眠所占的時間百分比，即工作循環，隨負載變化。在其最大負載能力時，轉換器保持100%時間的喚醒。通常的轉換器結構可包括升壓型(升壓)，降壓型(降壓)或降壓/升壓(降壓-升壓)設計。已知的“4開關”降壓-升壓轉換器披露于，例如，由凌特公司(Linear Technology Corporation)制造的LTC3440 “微功率同步降壓-升壓DC/DC轉換器”集成電路的2001年10月的數據表中。在活動模式期間，電感在不同電路結構中切換，以向輸出電容提供電荷。在活動的突發操作中，傳統上電感電流受控在固定的上限和下限之間循環變化，所述上限和下限通常分別被稱為峰值和谷值。突發模式轉換器操作與固定頻率脈寬調制的切換操作相比的一個優點是，在輕負荷下的高效率，這是因為轉換器休眠的時間百分比隨著負載電流減小而增加。如果磁滯轉換器的靜態電流可以非常小，通常幾十微安培，而在休眠模式，高效率可被保持，直到負載電流降至小到100微安培或更小。該操作對于電池供電的應用是有利的，所述電池用電的應用占用相當多的時間處于需要極少電力的待機狀態。突發模式操作的缺點在于，可被輸送的最大輸出功率受限于峰值電感電流，所述電感電流不管負載都是固定的。如果提高峰值電感電流來增加功率容量，則轉換器的傳導損耗增加，這使得通過整個負載范圍的效率降低。因此，在磁滯轉換器中，選擇固定的峰值電感電流值作為效率和最大功率容量的折衷。如果最大功率容量增大，增大的峰值電感電流導致輕負荷下的較低效率。感測負載電流同時保持滯后操作的難度，在脫離固定峰值電感電流操作時提出了挑戰。

發明內容
本文公開的主題實現了現有技術的上述需求。當輸出端的電壓降至第一閾值電平時，DC/DC調節器可被設置為活動模式。在活動模式，電荷通過具有設定極限值的電流施加在輸出節點。當輸出節點的電壓升至第二閾值電平時，所述調節器被設定為非活動模式。電流極限值作為平均調節器輸出電流的函數自動調節。
優選地，平均調節器輸出電流的指示通過在調節器的活動模式期間向感應電容充電和在調節器的非活動模式期間使感應電容放電而獲得。感應電容的電壓，作為平均調節器輸出電流的代表，被感測和轉換為電流。固定的最小電流源被加入轉換后的電流，以產生補償調節。在活動模式，電感可切換地連接到電壓源，以對調節器輸出電容充電，電感電流受控在最大(峰值)和最小(谷值)電平之間周期變化。感測調節器電流，并將感測的信號與補償調節相比較。當感測的電流信號達到補償調節值時，則達到了電流極限值。電流極限值因而根據感應電容的電壓而變化。調節的電流極限值優選是峰值電感電流，盡管谷值電流極限也可被調節。由感應電容電壓轉換的電流可被設定不超過最大電平。功率控制器，連接至轉換器輸入和電感，在達到滯后閾值時響應輸出電壓反饋，以在活動和不活動模式之間變化。功率調節控制電路具有輸入，連接到功率控制器，用于接收表示功率控制器的模式的信號。第一開關連接在電壓源的第一終端和感應電容的節點之間。第二開關連接在電壓源的第二終端和感應電容的節點之間。為了響應功率調節控制電流輸入端的活動模式信號，閉合第一開關以向電容充電。為了響應輸入端的非活動模式信號，閉合第二開關以對感應電容放電。感應電容節點的電壓與平均調節器電流成比例。電壓-電流轉換器連接到感應電容，以產生一電流，表示平均調節器電流。通過加法電路，最小電流被添加到電壓-電流轉換器的輸出端，以產生補償電壓。比較器具有第一輸入端，用于接收感測的電感電流信號；第二輸入端，用于接收補償電壓；和輸出端，連接到功率控制器。為了響應比較器輸出，功率控制器設定峰值電流值。還可使用第二比較器輸出來設定谷值電流值。通過下面的詳細說明，其它優點對于本領域的技術人員來說將變得顯而易見，其中下面的詳細說明僅示出和描述了優選的實施例，簡單地通過示出實現本發明最佳模式的方式。可以認識到，本發明可具有其它和不同的實施例，并且其若干細節可在不同明顯的方面進行修改，所有這些都在不背離本發明的情況下。相應地，附圖和說明書被視為是描述性的，而非限制性的。


本發明的實施通過示例，而非限定的方式在附圖中示出，并且在附圖中類似的附圖標記表示類似的元件。圖1是根據本發明的開關調節器的示意性方框圖。圖2是可用于圖1所示調節器的功率調節電路的電路圖。圖3是波形圖，示出在本發明的操作期間的電流波形。
具體實施例方式表示在圖1的示意性方框圖中的開關調節器20，在輸入節點Vin接收來自電源的輸入電壓，并在Vot節點提供預設的輸出電壓。串聯在輸入和輸出節點之間的是切換功率控制器22和電感M。輸出電容沈連接在輸出節點和共同接頭之間。功率控制器22代表任何已知的滯后突發模式可操作開關和控制電路，用于驅動電感電流在活動狀態期間在峰值和谷值電平之間周期循環。例如，可以采用已知的降壓，升壓，和降壓-升壓滯后轉換器結構。輸出節點的電壓被反饋到功率控制器，由反饋線觀示意性表示。可以使用分壓器和公知的等效電路來調節反饋電壓，以滿足適當的設計參數。當反饋電壓達到滯后閾值時， 控制器在活動和非活動操作模式之間轉換。控制器22在線30上輸出“WAKE/SLEEP (喚醒/ 休眠)”信號，表示操作的模式，該信號施加在功率調節控制電路32的輸入端。該信號具有占空度，它對應功率控制器的喚醒/休眠占空度。功率調節控制電路32輸出補償信號，它被施加在比較器34的負輸入端。示意性表示的電流傳感器36向比較器34的正輸入端施加表示感測到的電感電流的信號。可以使用任意已知的傳感技術來提供感測的電流信號。 比較器34的輸出施加在切換功率控制器22的輸入端。圖2是示例性的功率調節控制電路32的電路圖。連接在第一電壓源終端V。。和共同第二電壓源終端之間的是電流源34，受控開關36，受控開關38，和電流源40。連接在開關36和38的接合點和第二電壓源終端之間的是電容42。可能包括觸發器或類似元件的邏輯電路44具有一輸入端，用于接收來自線30的“喚醒/休眠”信號。邏輯電路44的第一輸出用于控制開關36。邏輯電路44的第二輸出用于控制開關38。當線30上的信號指示為控制器22的喚醒或活動模式時，邏輯電路保持開關36閉合和開關38打開。此時，電容 42通過電流源34和開關36從第一電壓源終端充電。當線30上的信號指示控制器22的休眠或非活動模式時，邏輯電路保持開關38閉合和開關36打開。此時，電容42通過開關38 和電流源40向第二電壓源終端放電。電流源46和開關48串聯通過電壓源終端，開關50、開關52、電阻M、和開關56也是串聯連接。電容42的上節點連接至開關52的門極。開關48和56的門極連接在一起。 開關58與電阻60串聯通過電壓源終端。開關50和58以電流鏡像結構連接。電流源62 連接在第一電壓源終端和開關58與電阻60的接合點，即輸出線33之間。通過在控制器活動時用固定電流對電容42充電，而在轉換器不活動時以固定電流使電容放電，在電容42的上節點產生與平均負載電流成比例的電壓。該電壓被輸送至包括開關52和電阻M的電流轉換器。電阻M中的最大電流受限于電流吸收開關56，所述開關56由電流源46和開關48設定。電阻討中的電流154為
工54 = (V42~VSAT(56) -Vgs (52) ) /R
其中V42是電容42的電壓，VSAT(Ki)是開關56兩端的電壓，VGS(52)是開關52的柵極-源極電壓，而R是電阻M的阻抗。電阻M中的電流由電流鏡像開關50和58反映，并被添加到來自電流源62的設定最小電流，以產生電阻60兩端的補償輸出電壓。I54的最大值被限制，不管電容42的電壓是否由于變化的Vrc電源電壓而過度地增加。電容42的放電電流與電容42的充電電流之比會確定轉換器工作的占空度(喚醒時間的百分比)，其用于使電容42的電壓斜線上升并轉換為最大電感電流。使用占空度“喚醒時間對休眠時間”信息作為平均負載電流的指示，避免了實際直接測量平均電流的復雜性。在單片集成電路IC功率轉換器中，該信息可內部獲得，不需要額外的引腳或外部部件。使用電容42的電壓來調節峰值電感電流，使得較高的峰值電流可以支持重負載，而較低的峰值電流在較輕負載下具有更好效率。如果電感谷值電流與峰值電流一樣進行調節，則峰值-谷值電感電流與負載保持相對恒定。通過所述設置，負載變化對切換頻率和輸出紋波(ripple)的影響被最小化。圖3示出了通常的波形，所述波形示出電感電流隨負載電流的變化。在該示例中， 負載電流被從小于20mA斜線上升至50mA。為了響應負載的變化，峰值電感電流從IOOmA的最小值增大到190mA的最大值。電感的谷值電流由20mA的最小值提高到120mA的最大值。在本說明書中，僅示出和描述了本發明的優選實施例和幾個其多功能性的示例。 應當理解，本發明能夠在各種其它組合和環境下使用，并且能夠在本文所表述的創造性構思的范圍內進行修改或改進。例如，本發明可以結合作為單片電路功率轉換器的部分，或采用分離的部件用于轉換器中。本發明可應用于任意滯后轉換器結構，并且不限制使用在任意特定的功率電平。
權利要求
1.一種包括電感和輸出電容的DC/DC調節器，包括功率控制器，所述功率控制器連接至所述調節器的輸入端和電感，所述功率控制器被設置成可選擇性地將所述調節器設定為活動工作模式和非活動工作模式，其中在所述活動工作模式，電荷通過具有電流極限值的電流被提供至所述調節器的輸出節點；和調節控制器，所述調節控制器被設置成根據所述調節器處于活動工作模式還是非活動工作模式對第二電容進行充電或使第二電容放電，并且調節所述電流極限值來響應第二電容的電壓。
2.根據權利要求1所述的DC/DC調節器，其中所述功率控制器被設置成當輸出節點的電壓降至第一閾值電平時將所述調節器設定為活動工作模式，和當輸出節點的電壓升至第二閾值電平時將所述調節器設定為非活動工作模式。
3.根據權利要求1所述的DC/DC調節器，其中所述調節控制器被設置成調節所述電流極限值作為平均負載電流的函數。
4.根據權利要求1所述的DC/DC調節器，其中所述調節控制器包括功率調節控制電路，所述功率調節控制電路具有輸入端，所述輸入端連接至第一電路用于接收表示活動或者非活動工作模式的信號；和輸出端，所述輸出端用于產生根據所述第二電容的電壓所得到的補嘗；和比較器，所述比較器具有第一輸入端，用于接收感測到的電感電流信號；第二輸入端， 用于接收補償；和輸出端，連接至設定裝置；其中，所述電流極限值根據所述補償而變化。
5.根據權利要求4所述的DC/DC調節器，其中所述功率調節控制電路還包括電壓-電流轉換器，所述電壓-電流轉換器連接至所述第二電容以產生電流，所述電流表示第二電容的電壓；和加法電路，所述加法電路用于將最小電流添加至由電壓-電流轉換器產生的電流以產生補償。
全文摘要
一種滯后調節器，當輸出端電壓降至第一閾值電平時，可被設置為活動模式。在活動模式下，電荷通過具有設定極限值的電流提供至輸出節點。當輸出節點的電壓升高到第二閾值電平時，所述調節器被設定為非活動模式。電流極限值作為平均調節器電流的函數自動調節。平均調節器電流的指示可通過在活動模式期間對感應電容充電和在非活動模式期間使感應電容放電而獲得。感應電容的電壓，代表平均調節器電流，用于產生一補償調節提供給調節器控制器。
文檔編號H02M3/158GK102324848SQ201110275419
公開日2012年1月18日 申請日期2005年5月9日 優先權日2005年4月18日
發明者D·C·薩勒諾 申請人:凌特公司