专利名称：具有轻载效率提升功能的电压调制电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电压调制电路，尤其涉及一种具有轻载效率提升功能的电 压调制电路，具有在负载轻载状态下提高电源转换效率的功能。
背景技术：
在中央处理器所使用的电压调制电路中，必须对中央处理器提供稳定工作 电压，因此，对于电压调制电路来说，中央处理器为其负载。^f旦是，由于中央 处理器基于用户的操作会处于运算繁忙或闲置的状态，从而负载在不同时间会 呈现重载或轻载用电状态。因此，对于电压调制电路来说，必须根据当前的负 载状态来提供稳定的工作电压。
通常，现有单电压输出的电压调制电路应用于低压负栽的电源电路，并且
可大体上分为两类其中一类为非隔离式电源电路，另一类为隔离式电源电路。 其中，非隔离式电源电路包括例如，降压型电源电路或升降压型电源电路，而 隔离式电源电路则例如为返驰式(Flyback)电源转换电路。
图5所示为采用P争压型电源转换电路实现的电压调制电路，其包括一脉宽 调制控制器50, —开关驱动器60，多个主动开关Q1、 Q2，电感L及电容C。 其中，脉宽调制控制器取得电压输出端的电压反馈信号，以判断负载(Load) 电压Vout的高低变化，从而通过开关驱动器60交替控制主动开关Q1、 Q2的 导通周期。图6所示为开关驱动器60的电路方块图，其包括一逻辑电路单元 61,两个功率放大器62、 63及一相位调整电路64。其中，逻辑电路单元61 的输入端为一脉宽调制信号端(PWM)，连接至脉宽调制控制器50的输出端； 该逻辑电路单元61包含两输出端，分别通过逻辑元件及相位调整电路64连接 至功率放大器62、 63，以根据脉宽调制控制器50输出的脉宽调制信号，调整 功率放大器62、 63输出驱动信号的脉宽宽度，从而决定各个主动开关的导通 周期。该两个功率放大器62、 63的高电位上限端UVCC、 LVCC分别连接两 外部电压。 一般电路设计中会将两高电位上限端UVCC、 LVCC连接至外部直流电源的最高电位端vcc。
上述现有降压型电压调制电路虽然能根据负载轻载或重载用电电压升降 状态，提供负载稳定的工作电压，具有稳压的功能。但是，不论在轻载或重载 状态下，由于主动开关的特性，使得整体电源转换效果不佳，易产生废热，从 而提高中央处理器附近的升温，p争低了中央处理器运算稳定性。
由于主动开关所造成的转换效杲不佳的原因主要可分为切换损失 (Switching Loss )、导通损失(Conduction Loss )以及驱动损失(Driver Loss )。 其中，切换损失是主动开关处于导通断开切换瞬间，由于在其端电压为非零电 压或其端电流为非零电流的状态下进行导通断开而产生的。导通损失为主动开 关导通时，电流流经主动开关内部存在的一导通电阻而产生的。驱动损失则是 由于主动开关被驱动导通或断开瞬间产生的。因此，主动开关整体功率损失可 由以下7>式表示
以下进一步说明负载处于中、重载与轻载情况下的各种转换损失占整体功 率损失的比例
当负载处于中、重载时，流经主动开关的电流提高，因此导通损失所占的 整体损失相比其他两者高。因此，为了在中、高载情况下降低整体损失，可以 通过调整主动开关的导通电阻，使得导通损失降低来达到降4氐损失的目的。其 中以MOSFET主动开关为例对该导通损失公式进行说明
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，上述的/^为导通损失功率，为主动开关的导通电流，而&(|)
图7所示为型号是IRF6631的MOSFET主动开关的导通特性曲线图，其 中主动开关的驱动电压^s与导通电阻 。w)成反比关系；因此，为了降低导通 电阻，可在中、重载状态下通过提高驱动电压来降低导通电阻。
当负载处于轻载状态时，由于流经主动开关的电流降低，因此驱动损失及 切换损失在整体损失中较导通损失高，驱动损失及切换损失可由以下公式表 示
<formula>formula see original document page 6</formula>尸G =/s.「Gs2g—to,
公式中A为驱动损失功率，厶为主动开关切换频率，^为主动开关的驱
动电压，,。,为主动开关导通所需的电荷量；因此，处于轻载状态时可通过 降低驱动电压来减少驱动损失。
通过上述说明反观现有的电压调制电路，由图5、 6所示的开关驱动器的 方块图可知，不论在轻载还是中、重载的状态下，两个功率放大器的最高电位
端UVCC、 LVCC均连接至固定外部直流电压VCC。因此两功率;^文大器62、 63输出的驱动信号振幅相同，仅有脉宽宽度会根据输出反馈电压而调制。所 以两主动开关的驱动电压相同。因此，目前的电压调制电路并未根据负载的中 重载或轻载状态而改变主动开关的驱动电压大小，对照上述损失主动开关损失 公式可知，其无法改善这些损失，而仅有稳压的功能。
发明内容
有鉴于上述缺点，本发明主要目的是提供一种具有轻载效率提升功能的电 压调制电路，能够#4居负载目前所处的中、重载状态或轻载状态调整主动开关 的脉宽驱动信号的振幅大小。
压型电源转换电路及一限位电压调制电路。其中该降压型电源转换电路包括 一脉宽调制控制器、 一开关驱动器、至少一主动开关、 一电感性储能元件及一 电容，该电容构成降压型电源转换电路的输出端，以供负载连接。该限位电压 调制电路连接至P争压型电源转换电路的输出端，以取得输出电流的大小，再根 据电流大小判断负载处于轻载或中、重载状态，并且调整开关驱动器中用以推 ^dH^输击^ffi^Tr^1tM^微换一电路瑜^r驗^!L蕃W^
时，表示当前负载处于轻载状态，因此该限位电压调制电路会降低主动开关的 驱动电压，以达到减少驱动损失的功能；反之，若降压型电源转换电路输出电 流提高，表示负载处于中、重载状态，则限位调制电路会调整升高主动开关的 驱动电压，以减少导通损失。
图1为本发明的第一较佳实施例的电路图2为本发明限位电压调制电路第一较佳实施例的电路图；图3为本发明第二较佳实施例的电路图； 图4为本发明第三较佳实施例的电路图； 图5为现有电压调制电路的电路图； 图6为现有驱动及相位控制电路方块图7为现有的型号为IER6631的MOSFET主动开关的导通特性曲线图。 图中的元件符号
10脉冲调制控制器20开关驱动器
30、 30a、 30b限位电压调制电路31运算放大器
32电子开关33分压电路
34第一分压电路35第二分压电路
35a第二分压电路50电压调制电路
51脉宽调制控制器52开关驱动器
521逻辑电路单元522功率放大器
523功率放大器524相位调整电路
53主动开关54电感
55电容
具体实施例方式
图1所示为本发明电压调制电路的第一较佳实施例，该电压调制电路包括
一降压型电源转换电路及一限位电压跳变电路30。其中，该降压型电源转换 电路包4舌
一脉宽调制控制器10，至少包括一反馈电压输入端VpEB及一脉宽调制输
出端PWM;
一开关驱动器20，包括一逻辑电路单元及两个功率放大器，该逻辑电路 单元包括一脉宽调制信号端PWM及两输出端，其中脉宽调制信号端PWM连 接至脉宽调制控制器10的输出端PWM,两输出端分别连接至对应功率放大 器的输入端，两功率放大器的输出端则为开关驱动器20的两输出端；
两主动开关Q1、 Q2，相互串联，且各主动开关Q1、 Q2的驱动端对应连 接开关驱动器20的输出端；一电感L，其一端连接至两主动开关Q1、 Q2的串联节点，另一端则通过 电容C构成输出端，供负载连接，以及供脉宽调制控制器10的反馈电压端 VFEB耦合连接，以提供脉宽调制控制器IO目前负载用电电压大小。
上述限位电压调制电路30的输入端取得电感L的电流lout大小，并取得 该电流对应的电压VIout。该限位电压调制电路30的可变限制电压端Vo连接 至开关驱动器20中的一个功率放大器的高电位上限端LVCC。该限位电压调 制电路30根据降压型电源转换电路输出的电流大小，调整开关驱动器20的外 部电压输入端PVCC的电压大小，或一并调整开关驱动器20的两个功率放大 器的高电位上限端UVCC、 LVCC。
上述限位电压调制电路30可与开关驱动器20整合成单个集成电路。另外， 该限位电压调制电路30及开关驱动器20可与脉宽调制控制器10整合成单个 集成电路，或者，两个主动开关Q1、 Q2与开关驱动器20整合成单个集成电 路。
图2所示为上述限位电压调制电路30的较佳实施例，该限位电压调制电 路30包括
一运算放大器31,其包括两输入端和一输出端，其中非反相输入端通过 两电阻Ra、Rb分别连接至一固定参考电压Vref及降压型电源转换电路输出电 流lout所对应的电压信号VIout，即可以以一变流器(current transformer)耦合至 降压型电源转换电路的输出端来取得输出电流所对应的电压VIout;在本实施 例中，固定参考电压Vref可以是一齐纳二极管(ZD)或一稳压器(Shunt Regulator);
一电子开关32,其控制端连接至运算放大器31的输出端，由运算放大器 31控制其导通断开，而电子开关32的其中一端连接至外部直流电源高电位端 (+5V至+12V),而另一端则为可变限制电压端Vo;在本实施例中，电子开关 32采用一NPN型BJT晶体管，而控制端为基极，另外两端分别为集电极^_ 射极，与外部直流电源高电位端连接的是集电极，而发射极为可变限制电压端； 另外，该电子开关也可以为一MOSFET;及
一分压电路33，由两电阻R1、 R2串联而成，其一端连接至电子开关32 另一端，其另一端接地，而串联节点连接至运算放大器31的反向输入端。由上述电路结构可知，运算放大器31构成一正向放大电路，由正向放大
电路的可变限制电压端VO公式7。 = ,re/ x^A^) + xx (1 +夺)可知，
负载端电流Iout与可变限制电压Vo端电压成线性的正比关系。
举例来说，当调整各电阻的电阻值且Vre产2.5V，即可令正向放大电路可
变限制电压端Vo^^式成为F。 =|x(5 + r,。 ,)，当负栽端呈轻载状态(即电压调制
电路输入端的电流接近O)时，令Iout-O,将V^产0带入上述公式，则可变限 制电压端Vo输出8.3V,若负载端电流上升，其对应电压VIout增加至1.5v， 则可改变限制电压端Vo输出10.8V，当电流持续上升，即负载进入重载时， 以电流增加至其对应的电压达3V可知，此时可变限制电压端Vo将输出13.3V。 由此可知，本发明的限位电压调制电路30确实可以向开关驱动器20功率 放大器的高电位上限端LVCC提供一随降压型电源传唤电路输出端电流大小 调制的限制电压；另外，因为输出端电流大小能反应负载处于轻载或中重载状 态，所以当负载(Load)处于轻载状态时，该限位电压调制电路30会同步调 整降低输出至该开关驱动器30的功率放大器的高电位上限端LVCC/PVCC的 电压，使连接外部电压输入端PVCC的功率放大器所输出的脉宽驱动信号振 幅得以降低；因此，在轻载状态时，驱动电压端LGATE输出的驱动信号的电 压会被降低，即对应主动开关的驱动电压下降，从而减少主动开关的驱动损失。 反之，当负载处于中、重载状态时，该限位电压调制电路30会提高驱动电压， 以减少通道损失。
附图3所示为本发明降压型电源转换电路的第二较佳实施例，其结构与第 一较佳实施例大致相同，只是仅包含单个主动开关，另一个主动开关Q2则由 一二极管D代替。该二极管阳极接地，阴极连接至主动开关Q1的源极，构成 一飞轮二极管(freewheeling diode )。
附图4所示为本发明降压型电源转换电路第三较佳实施例，其为返驰式电 源转换电路，主要包括
一脉宽调制控制器10,至少包括一反馈电压输入端VpEB及一脉宽调制输
出端PWM;一开关驱动器20，其包括一逻辑电路单元及至少一功率;^文大器，该逻辑 电路单元包括一脉宽调制信号端PWM及至少一输出端，其中该脉宽调制信号 端PWM连接至脉宽调制控制器10的输出端PWM,而各功率》丈大器的高电位 上限端PVCC/LVCC连接至限位电压调制电路30的可变限制电压端Vo,而各 功率放大器的输出端为开关驱动器20的输出端；
变压器Tl,其一次侧连接至直流电源(+12V)，另外，二次侧连接至一 电容C，作为降压型电源转换电路的输出端Vout供负载连接并供脉宽调制控 制器10的反馈电压端VraB耦合连接，从而为脉宽调制控制器IO提供目前负 载所用电压大小；
一主动开关Q1，与变压器T1 一次侧以及直流电源回路串联，其驱动端G 连接至该开关驱动器20的一输出端LGATE,以由开关驱动器20控制器导通 断开，确定导通周期。
由上述各实施例可知，本发明的限位电压调制电路确实可以对开关驱动器 的外部输入端提供一个随负载端电压调制的限制电压，可分别在轻载以及中重 载状态下，同步调整提升或者调整降低输出至开关驱动器的外部电压输入端的 电压，使连接该外部电压输入端的功率放大器输出的脉宽驱动信号振幅得以被 降低或提高，从而在轻载时有效减少驱动损失，在中、重载时，也可以降低导 通损失。
权利要求
1.一种具有轻载效率提升功能的电压调制电路，其特征在于，包括一降压型电源转换电路，包括一脉宽调制控制器、一开关驱动器、至少一主动开关、一电感性储能元件及一电容，其中该电容构成该降压型电源转化电路的输出端，以供负载连接；及一限位电压调制电路，其输出端连接至该降压型电源转换电路的开关驱动器，其输入端连接至该降压型电源转换电路的输出端，以取得输出电流大小，该限位电压调制电路根据电流大小判断负载处于轻载或中重载状态，以调整该开关驱动器中用以推动主动开关的驱动电压大小。
2. 如权利要求1所述的具有轻载效率提升功能的电压调制电路，其特征 在于，该限位电压调制电路包括一运算放大器，包括两输入端及一输出端，其中非反相输入端通过两电阻 分别连接至以 一 固定参考电压及一电压输入端，该电压输入端接收该限位电压 调制电^各输出电流对应的电压信号；一电子开关，其控制端连接至该运算放大器的输出端，由该运算放大器控 制器其导通断开，而电子开关其中一端连接至一外部直流电源，而另一端则为 一可变限制电压端；及一分压电路，由两电阻串联而成，其一端连接至该电子开关另一端，而其 另一端接地，并且其串联节点连接至该运算放大器的反向输入端。
3. 如权利要求2所述的具有轻载效率提升功能的电压调制电路，其特征 在T被^^II的^^R^3F^M^W或"^^1":
4. 如权利要求3所述的具有轻载效率提升功能的电压调制电路，其特征 在于，该电子开关为一NPN型BJT晶体管或一MOSFET。
5. 如权利要求2至4任一项所述的具有轻载效率提升功能的电压调制电 路，其特征在于，该降压型电源转换电路包括两个主动开关，其中该脉宽调制控制器至少包括一输出反馈电压输入端及一脉宽调制输出端； 该开关驱动器，包括一逻辑电路单元及两个功率放大器，其中该逻辑电路 单元包括一脉宽调制信号端及两输出端，其中该脉宽调制信号端连接至该脉宽调制控制器的输出端，而两输出端则分别连接至对应功率放大器的输入端；并 且，至少一功率放大器的高电位上限端连接至该限位电压调制电路的可变限制 电压端；该两主动开关相互串联连接，且各主动开关的驱动端连接该开关驱动器对 应功率放大器的输出端；该电感性储能元件为一电感，其一端连接至两个主动开关串联节点，另一 端则通过电容构成输出端，供负载连接，并耦合连接至该脉宽跳变控制器的反 馈电压端，以提供脉宽调制控制器目前负载用电电压大小。
6. 如权利要求2至4任一项所述的具有轻载效率提升功能的电压调制电 路，其特征在于，该降压型电源转换电路为主动开关，其中 该脉宽调制控制器，至少包括一输出反馈电压输入端及一脉宽调制输出该开关驱动器，包括一逻辑电路单元及至少一功率放大器，该逻辑电路单 元包括一脉宽调制信号端及至少一组输出端，其中该脉宽调制信号端连接至该 脉宽调制控制器的输出端，而各输出端则分别连接至对应功率放大器的输入 端；并且，其中各功率放大器的高电位上限端连接至该限位电压调制电路的可 变限制电压端；该主动开关与一二极管串联接地，其中该二极管阴极与主动开关连接，而 阳极连接至地，且该主动开关的驱动端连接至该开关驱动器中的一个功率放大 器專命出端；该电感性储能元件为电感，其一端连接至主动开关与二极管的串联节点， 另一端则通过该电容构成输出端，供负载连接，以及供脉宽调制控制器的反馈 电压端耦合连接，以提供脉宽调制控制器目前负载用电电压大小。
7. 如权利要求2至4任一项所述的具有轻载效率提升功能的电压调制电 路，其特征在于，该降压型电源转换电路为一回扫式电源转换电路，其包含一 主动开关，其中该脉宽调制控制器至少包括一输出反馈电压输入端及一脉宽调制输出端； 该开关驱动器包括一逻辑电路单元及至少一功率^:大器，该逻辑电路单元 包括一脉宽调制信号端及至少一组输出端，其中该脉宽调制信号端连接至脉宽调制控制器的输出端，而各输出端则分别连接至对应功率放大器的输入端；并 且，其中各功率放大器的高电位上限端连接至限位电压调制电路的可变限制电 压端；该电感性储能元件为变压器，其一次侧连接至直流电源，且二次侧与电容 连接，作为降压型电源转换电路的输出端，供负载连接，以及供脉宽调制控制 器的反馈电压端耦合连接，以提供脉宽调制控制器目前负载用电电压大小；该主动开关与变压器一次侧以及直流电源回路串联连接，并且，该主动开 关的驱动端连接至该开关驱动器的其中一个功率放大器输出端，以由该开关驱 动器控制其导通断开，决定导通周期。
全文摘要
本发明涉及一种具有轻载效率提升功能的电压调制电路，包括降压型电源转换电路和限位电压调制电路。其中，该限位电压调制电路感应降压型电源转换电路的输出端电流大小，根据电流大小判断负载处于轻载或中重载状态，并调整开关驱动器中用以推动主动开关驱动端的输出电压大小，即当降压型电源转换电路输出电流较小且接近于零时，表示当前负载处于轻载状态，从而该限位电压调制电路会调整降低主动开关的驱动电压，以达到减少驱动损失的功能；反之，若降压型电源转换电路输出电流提高，表示负载处于中、重载状态，则该限位电压调制电路会调整提升主动开关的驱动电压，以减少导通损失。
文档编号H02M3/10GK101562395SQ20081009107
公开日2009年10月21日 申请日期2008年4月16日 优先权日2008年4月16日
发明者吴峰羽, 张政权, 朱俊杰 申请人:康舒科技股份有限公司