专利名称：开关调节器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及调节器的控制，更具体地涉及可以在突发模式工作的开关调节器。
背景技术：
设计以在轻负荷下有效率的开关DC/DC电源转换器通常使用滞后控制，有时称作突发模式或脉冲频率模式，以调节输出电压。在所述操作中，转换器通常通过调节峰值电感电流，在固定的功率电平上工作，直到输出达到理想的电压。转换器然后进入“休眠”(非活动)工作模式，从电源获取最小的静态电流。在非活动模式期间，负载电流只通过输出波电容提供。当输出电压下降一小量时，通常-2%，转换器从休眠模式出来并恢复活动工作，以使输出电压恢复到理想值。活动和非活动工作模式的交替周期循环重复，使输出电压保持在特定的滞后极限内。活动的持续时间，或“唤醒”时间和休眠时间随着所选择的输出电容量和滞后量而变化。唤醒或休眠所占的时间百分比，即工作循环，随负载变化。在其最大负载能力时，转换器保持100%时间的唤醒。通常的转换器结构可包括升压型(升压)，降压型(降压)或降压/升压(降压-升压)设计。已知的“4开关”降压-升压转换器披露于，例如，由凌特公司(Linear Technology Corporation)制造的LTC3440 “微功率同步降压-升压DC/DC转换器”集成电路的2001年10月的数据表中。在活动模式期间，电感在不同电路结构中切换，以向输出电容提供电荷。在活动的突发操作中，传统上电感电流受控在固定的上限和下限之间循环变化，所述上限和下限通常分别被称为峰值和谷值。突发模式转换器操作与固定频率脉宽调制的切换操作相比的一个优点是，在轻负荷下的高效率，这是因为转换器休眠的时间百分比随着负载电流减小而增加。如果磁滞转换器的静态电流可以非常小，通常几十微安培，而在休眠模式，高效率可被保持，直到负载电流降至小到100微安培或更小。该操作对于电池供电的应用是有利的，所述电池用电的应用占用相当多的时间处于需要极少电力的待机状态。突发模式操作的缺点在于，可被输送的最大输出功率受限于峰值电感电流，所述电感电流不管负载都是固定的。如果提高峰值电感电流来增加功率容量，则转换器的传导损耗增加，这使得通过整个负载范围的效率降低。因此，在磁滞转换器中，选择固定的峰值电感电流值作为效率和最大功率容量的折衷。如果最大功率容量增大，增大的峰值电感电流导致轻负荷下的较低效率。感测负载电流同时保持滞后操作的难度，在脱离固定峰值电感电流操作时提出了挑战。
发明内容
本文公开的主题实现了现有技术的上述需求。当输出端的电压降至第一阈值电平时，DC/DC调节器可被设置为活动模式。在活动模式，电荷通过具有设定极限值的电流施加在输出节点。当输出节点的电压升至第二阈值电平时，所述调节器被设定为非活动模式。电流极限值作为平均调节器输出电流的函数自动调节。
优选地，平均调节器输出电流的指示通过在调节器的活动模式期间向感应电容充电和在调节器的非活动模式期间使感应电容放电而获得。感应电容的电压，作为平均调节器输出电流的代表，被感测和转换为电流。固定的最小电流源被加入转换后的电流，以产生补偿调节。在活动模式，电感可切换地连接到电压源，以对调节器输出电容充电，电感电流受控在最大(峰值)和最小(谷值)电平之间周期变化。感测调节器电流，并将感测的信号与补偿调节相比较。当感测的电流信号达到补偿调节值时，则达到了电流极限值。电流极限值因而根据感应电容的电压而变化。调节的电流极限值优选是峰值电感电流，尽管谷值电流极限也可被调节。由感应电容电压转换的电流可被设定不超过最大电平。功率控制器，连接至转换器输入和电感，在达到滞后阈值时响应输出电压反馈，以在活动和不活动模式之间变化。功率调节控制电路具有输入，连接到功率控制器，用于接收表示功率控制器的模式的信号。第一开关连接在电压源的第一终端和感应电容的节点之间。第二开关连接在电压源的第二终端和感应电容的节点之间。为了响应功率调节控制电流输入端的活动模式信号，闭合第一开关以向电容充电。为了响应输入端的非活动模式信号，闭合第二开关以对感应电容放电。感应电容节点的电压与平均调节器电流成比例。电压-电流转换器连接到感应电容，以产生一电流，表示平均调节器电流。通过加法电路，最小电流被添加到电压-电流转换器的输出端，以产生补偿电压。比较器具有第一输入端，用于接收感测的电感电流信号；第二输入端，用于接收补偿电压；和输出端，连接到功率控制器。为了响应比较器输出，功率控制器设定峰值电流值。还可使用第二比较器输出来设定谷值电流值。通过下面的详细说明，其它优点对于本领域的技术人员来说将变得显而易见，其中下面的详细说明仅示出和描述了优选的实施例，简单地通过示出实现本发明最佳模式的方式。可以认识到，本发明可具有其它和不同的实施例，并且其若干细节可在不同明显的方面进行修改，所有这些都在不背离本发明的情况下。相应地，附图和说明书被视为是描述性的，而非限制性的。
本发明的实施通过示例，而非限定的方式在附图中示出，并且在附图中类似的附图标记表示类似的元件。图1是根据本发明的开关调节器的示意性方框图。图2是可用于图1所示调节器的功率调节电路的电路图。图3是波形图，示出在本发明的操作期间的电流波形。
具体实施例方式表示在图1的示意性方框图中的开关调节器20，在输入节点Vin接收来自电源的输入电压，并在Vot节点提供预设的输出电压。串联在输入和输出节点之间的是切换功率控制器22和电感M。输出电容沈连接在输出节点和共同接头之间。功率控制器22代表任何已知的滞后突发模式可操作开关和控制电路，用于驱动电感电流在活动状态期间在峰值和谷值电平之间周期循环。例如，可以采用已知的降压，升压，和降压-升压滞后转换器结构。输出节点的电压被反馈到功率控制器，由反馈线观示意性表示。可以使用分压器和公知的等效电路来调节反馈电压，以满足适当的设计参数。当反馈电压达到滞后阈值时， 控制器在活动和非活动操作模式之间转换。控制器22在线30上输出“WAKE/SLEEP (唤醒/ 休眠)”信号，表示操作的模式，该信号施加在功率调节控制电路32的输入端。该信号具有占空度，它对应功率控制器的唤醒/休眠占空度。功率调节控制电路32输出补偿信号，它被施加在比较器34的负输入端。示意性表示的电流传感器36向比较器34的正输入端施加表示感测到的电感电流的信号。可以使用任意已知的传感技术来提供感测的电流信号。 比较器34的输出施加在切换功率控制器22的输入端。图2是示例性的功率调节控制电路32的电路图。连接在第一电压源终端V。。和共同第二电压源终端之间的是电流源34，受控开关36，受控开关38，和电流源40。连接在开关36和38的接合点和第二电压源终端之间的是电容42。可能包括触发器或类似元件的逻辑电路44具有一输入端，用于接收来自线30的“唤醒/休眠”信号。逻辑电路44的第一输出用于控制开关36。逻辑电路44的第二输出用于控制开关38。当线30上的信号指示为控制器22的唤醒或活动模式时，逻辑电路保持开关36闭合和开关38打开。此时，电容 42通过电流源34和开关36从第一电压源终端充电。当线30上的信号指示控制器22的休眠或非活动模式时，逻辑电路保持开关38闭合和开关36打开。此时，电容42通过开关38 和电流源40向第二电压源终端放电。电流源46和开关48串联通过电压源终端，开关50、开关52、电阻M、和开关56也是串联连接。电容42的上节点连接至开关52的门极。开关48和56的门极连接在一起。 开关58与电阻60串联通过电压源终端。开关50和58以电流镜像结构连接。电流源62 连接在第一电压源终端和开关58与电阻60的接合点，即输出线33之间。通过在控制器活动时用固定电流对电容42充电，而在转换器不活动时以固定电流使电容放电，在电容42的上节点产生与平均负载电流成比例的电压。该电压被输送至包括开关52和电阻M的电流转换器。电阻M中的最大电流受限于电流吸收开关56，所述开关56由电流源46和开关48设定。电阻讨中的电流154为
工54 = (V42~VSAT(56) -Vgs (52) ) /R
其中V42是电容42的电压，VSAT(Ki)是开关56两端的电压，VGS(52)是开关52的栅极-源极电压，而R是电阻M的阻抗。电阻M中的电流由电流镜像开关50和58反映，并被添加到来自电流源62的设定最小电流，以产生电阻60两端的补偿输出电压。I54的最大值被限制，不管电容42的电压是否由于变化的Vrc电源电压而过度地增加。电容42的放电电流与电容42的充电电流之比会确定转换器工作的占空度(唤醒时间的百分比)，其用于使电容42的电压斜线上升并转换为最大电感电流。使用占空度“唤醒时间对休眠时间”信息作为平均负载电流的指示，避免了实际直接测量平均电流的复杂性。在单片集成电路IC功率转换器中，该信息可内部获得，不需要额外的引脚或外部部件。使用电容42的电压来调节峰值电感电流，使得较高的峰值电流可以支持重负载，而较低的峰值电流在较轻负载下具有更好效率。如果电感谷值电流与峰值电流一样进行调节，则峰值-谷值电感电流与负载保持相对恒定。通过所述设置，负载变化对切换频率和输出纹波(ripple)的影响被最小化。图3示出了通常的波形，所述波形示出电感电流随负载电流的变化。在该示例中， 负载电流被从小于20mA斜线上升至50mA。为了响应负载的变化，峰值电感电流从IOOmA的最小值增大到190mA的最大值。电感的谷值电流由20mA的最小值提高到120mA的最大值。在本说明书中，仅示出和描述了本发明的优选实施例和几个其多功能性的示例。 应当理解，本发明能够在各种其它组合和环境下使用，并且能够在本文所表述的创造性构思的范围内进行修改或改进。例如，本发明可以结合作为单片电路功率转换器的部分，或采用分离的部件用于转换器中。本发明可应用于任意滞后转换器结构，并且不限制使用在任意特定的功率电平。
权利要求
1.一种包括电感和输出电容的DC/DC调节器，包括功率控制器，所述功率控制器连接至所述调节器的输入端和电感，所述功率控制器被设置成可选择性地将所述调节器设定为活动工作模式和非活动工作模式，其中在所述活动工作模式，电荷通过具有电流极限值的电流被提供至所述调节器的输出节点；和调节控制器，所述调节控制器被设置成根据所述调节器处于活动工作模式还是非活动工作模式对第二电容进行充电或使第二电容放电，并且调节所述电流极限值来响应第二电容的电压。
2.根据权利要求1所述的DC/DC调节器，其中所述功率控制器被设置成当输出节点的电压降至第一阈值电平时将所述调节器设定为活动工作模式，和当输出节点的电压升至第二阈值电平时将所述调节器设定为非活动工作模式。
3.根据权利要求1所述的DC/DC调节器，其中所述调节控制器被设置成调节所述电流极限值作为平均负载电流的函数。
4.根据权利要求1所述的DC/DC调节器，其中所述调节控制器包括功率调节控制电路，所述功率调节控制电路具有输入端，所述输入端连接至第一电路用于接收表示活动或者非活动工作模式的信号；和输出端，所述输出端用于产生根据所述第二电容的电压所得到的补尝；和比较器，所述比较器具有第一输入端，用于接收感测到的电感电流信号；第二输入端， 用于接收补偿；和输出端，连接至设定装置；其中，所述电流极限值根据所述补偿而变化。
5.根据权利要求4所述的DC/DC调节器，其中所述功率调节控制电路还包括电压-电流转换器，所述电压-电流转换器连接至所述第二电容以产生电流，所述电流表示第二电容的电压；和加法电路，所述加法电路用于将最小电流添加至由电压-电流转换器产生的电流以产生补偿。
全文摘要
一种滞后调节器，当输出端电压降至第一阈值电平时，可被设置为活动模式。在活动模式下，电荷通过具有设定极限值的电流提供至输出节点。当输出节点的电压升高到第二阈值电平时，所述调节器被设定为非活动模式。电流极限值作为平均调节器电流的函数自动调节。平均调节器电流的指示可通过在活动模式期间对感应电容充电和在非活动模式期间使感应电容放电而获得。感应电容的电压，代表平均调节器电流，用于产生一补偿调节提供给调节器控制器。
文档编号H02M3/158GK102324848SQ201110275419
公开日2012年1月18日 申请日期2005年5月9日 优先权日2005年4月18日
发明者D·C·萨勒诺 申请人:凌特公司