用于在不连续传导模式中操作的开关模式调节器的声频静带系统和方法
【专利说明】用于在不连续传导模式中操作的开关模式调节器的声频静 带系统和方法
[0001] 本申请是申请号为201310442314. 2、申请日为2013年9月24日、题为"用于在不 连续传导模式中操作的开关模式调节器的声频静带系统和方法"的发明专利申请的分案申 请。
技术领域
[0002] 本申请公开了一种用于在不连续传导模式中操作的开关模式调节器的声频静带 系统和方法。
[0003] 相关申请的交叉引用
[0004] 本申请要求2013年6月19日提交的美国临时申请序列号No. 61/836, 262的权益， 该申请的全部内容出于所有意图和目的通过引用结合于此。
【附图说明】
[0005] 参考以下描述以及附图将能更好地理解本发明的益处、特征以及优点，在附图 中：
[0006] 图1是被配置为具有包括根据一个实施例实现的调节器的电源的计算机系统的 简化框图；
[0007] 图2是图1的调节器的简化示意图和框图，其被图示为根据一个实施例实现的降 压型DC-DC开关模式调节器；
[0008] 图3是一般地示出图2的调节器的正常DCM操作的时序图；
[0009] 图4是示出DCM操作的时序图且图5是示出图2的调节器的ADCM操作的另一个 时序图；
[0010] 图6是针对图2的调节器的一个实施例的每一个操作模式CCM、DCM、和ADCM而绘 出开关频率（以Hz为单位）相对以安培㈧为单位的输出电流10的图；
[0011]图7是根据一个实施例绘出图2的调节器的功率转换效率（单位为百分比）相对 输出电流10的图；
[0012] 图8是根据一个实施例的状态图，示出分别与图2的调节器的模式CCM、SH)CM、 ADCM、和SBDCM对应的四个不同状态以及相对应的转变条件；
[0013] 图9是在根据一个实施例的图2的调节器的ADCM操作模式中的单个开关循环期 间叠加了输出电流10的电感器电流IL的绘图，其与LG和UG的相应绘图对齐；
[0014] 图10是在根据一个实施例的图2的调节器的ADCM操作模式中的另一个单个开关 循环期间叠加了输出电流10的电感器电流IL的绘图；
[0015] 图11是在根据一个实施例的图2的调节器的ADCM操作模式期间类似于图9和10 的10和IL的绘图，且还示出相应的LG脉冲LG1和LG2 ;
[0016] 图12是根据一个实施例设置于图2的SBDCM框中的SB检测电路的一个实施例的 示意图，其用于确定当DT达到对应于亚音速阈值条件的P1时何时从ADCM操作模式转变至 SBDCM ;和
[0017] 图13是根据一个实施例包含DCM、ADCM、和SBDCM框的细节的图2的调节器的更 详细不意图和框图。
[0018] 详细描述
[0019] 本发明的益处、特征和优势参照下面的说明书和附图将变得更容易理解，下面的 说明书使得本领域内普通技术人员能够作出和使用本发明，如同在特定场合及其需要的背 景下提供的那样。然而，优选实施例的多种修改对本领域技术人员将会是明显的，而且可将 本文所限定的一般原理应用于其它实施例。因此，本发明不旨在局限于本文中示出和描述 的特定实施例，而应给予与本文中披露的原理和新颖特征一致的最宽范围。
[0020] 取决于输出负载，调节器可被配置为在数个操作模式中的任一模式中操作。在较 高负载条件下，调节器一般在连续传导模式（CCM)中操作，其中在开关循环过程中通过输 出电感器的电流增加和减少但并不降为零。相反，电流连续地传递至输出负载和/或输出 电容器。当负载减少了特定量时，在CCM期间的连续开关循环中，电感器电流可能不仅达到 零，还可能变负。在非常轻的负载下，通过输出电感器传递的很多电荷被浪费在CCM操作模 式中。特定地，电荷被低效地四处移动，因为在过量负载要求中的电荷被移动至输出电容器 且然后转储至接地。因此，在较轻负载时，CCM是非常低效的。
[0021] 调节器可被配置为在不连续传导模式（DCM)中操作，其中当电感器电流达到零时 开关器件等被截止从而防止电感器电流变负。在DCM过程中，电源部分的每一电荷包被传 递至负载或输出电容器，且然后使开关中止，直到在输出处需要附加的电荷包。由于在DCM 过程中的一个或多个循环中使开关中止，所以调节器的操作频率随负载而变化，使得所得 到的开关频率FSW可粗略地与负载成比例。在DCM过程中，在新的周期上平均化功率损失。
[0022] DCM在较轻负载范围处相比CCM具有优势，因为增加了效率。然而，DCM过程中的操 作频率一般并不受控，因为它一般跟随负载条件。如果在DCM中负载增加了一定的量，该操 作开关频率可减少至可听范围，从而导致开关模式调节器产生可听到的噪音。陶瓷电容器， 经常被用于包括移动计算设备等在内的很多消费电子产品的电源内，当在可听频率处被激 励时，该陶瓷电容器具有产生可听噪音的内在压电效应。而且，在提供音频集成电路（1C) 或半导体芯片等的电压干线上的开关噪音可被放大，从而引起附加的可听噪音。很多终端 应用，特别是在消费电子领域，对于可听频谱内的能量具有敏感度。在很多消费产品等中， 是非常不期望可听噪音的。
[0023] 为了解决音频敏感的应用，已经研发了音频DCM方法。研发了可听DCM(ADCM)作 为补充来防止调节器的操作频率进入音频频谱。结合ADCM的调节器，相对在音频频率上被 有效地设置的预定时序阈值，来监测DCM开关周期。当该开关周期超过阈值从而表示该开 关周期将要进入可听频谱时，发出新的脉宽调制（PWM)脉冲。以此方式，防止该开关周期增 加至可听范围，从而相应的开关频率FSW保持超音速且不可听。
[0024] 包括CCM、DCM、和ADCM的开关调节器在较高负载处在CCM中操作，当负载减少时 切换至DCM且同时开关频率FSW维持在高于可听范围之上，且然后在较轻负载处切换至 ADCM(其中不然的话DCM开关频率将进入可听范围）。在较轻负载处，DCM提供最大效率。 尽管ADCM相比CCM在较轻负载时更有效，但是并不如DCM -样有效，但是至少防止了可听 噪音。然而，ADCM显著地限制了在非常轻负载处由DCM所实现的节电。以此方式，在非常 轻的负载处，ACDM是在效率和消费者烦扰之间的折衷。
[0025] 期望的是，对于电子设备而言，特别是消费者电子设备，诸如超级本、平板、智能手 机，在"保持连接的待机（connected standby)"操作中具有非常高的效率。保持连接的待 机操作意味着该设备处于低供电的状态中，包括空闲状态，且可被非常快速地转变至全工 作模式。DCM提供最佳效率但是受困于当在可听频率范围内操作时的声频噪音。ADCM消除 了音频噪音但是由于包括保持连接的待机操作的低于超音速范围的操作频率而显著减少 了效率。
[0026] 图1是被配置为具有包括根据一个实施例实现的调节器103的电源101的计算机 系统100的简化框图。电源101产生经由连接网络105为计算机系统100的其他系统设备 提供电能的一个或多个供电电压。连接网络150可以是总线系统或开关系统或一组导体 等。在所示实施例中，计算机系统100包括处理器107和外设系统109,两者均耦合至连接 网络105来从电源101处接收电源电压。在所示实施例中，外设系统109可包括系统存储 器111 (例如，包括RAM和ROM类型设备和存储器控制器等的任何组合）和输入/输出（1/ 0)系统113的任何组合，该输入/输出系统113可包括系统控制器等，例如图形控制器、中 断控制器、键盘和鼠标控制器、系统存储设备控制器（例如，用于硬盘驱动器的控制器等） 等等。所示系统只是示例性的，因为本领域技术人员可以理解，许多处理器系统和支持装置 可以被集成到处理器芯片上。
[0027] 图2是调节器103的简化示意图和框图，其被图示为根据一个实施例实现的降压 型DC-DC开关模式调节器。尽管图示并描述了降压型DC-DC调节器，可理解的是此处所述 的原理可应用于任何其他类型的调节器，诸如升压型调节器等。可构想任何类型的调节器， 其中可结合DCM来改进在较低负载时的效率并可结合ADCM来避免DCM期间生成可听频率。
[0028] 调节器103包括控制器201，用于接收输出电压V0。注意，可使用反馈网络或其它 (未示出）来感测V0并提供V0的感测版本（例如，提供反馈感测电压VFB的分压器等，未 示出）而不是直接感测V0本身。控制器201以一般形式图示出，但可根据电压模式控制、 电流模式控制、恒定导通时间（或恒定频率）等来实现该控制器，且该控制器可被配置为模 拟控制器或数字控制器等。
[0029] 控制器201向上开关Q1的栅极端子提供上栅极驱动信号UG，并向下开关Q2的栅 极端子提供下栅极驱动信号LG。UG和LG信号在其它情况下被称为开关控制信号，用于分 别控制电子开关Q1和Q2的激励。在所示实施例中，电子开关Q1和Q2被图示为本领域技 术人员已知的一对N沟道金属氧化物半导体场效应管（M0SFET)。可使用其它类型的电子 开关器件，包括其它类型的FET等、以及其它类型的晶体管，例如双极结晶体管（BJT)或绝 缘栅双极晶体管（IGBT)等。开关Q1具有耦合在VIN和相位节点202之间的漏极和源极端 子，且开关Q2具有耦合在相位节点202和地（GND)之间的漏极和源极端子。开关Q1和Q2 是受控的，从而通过耦合至输出电感器L 一端的相位节点202来切换输入电压VIN，该输出 电感器L的另一端耦合于输出节点204。相位节点202形成相电压VPH，并且输出电压V0 由耦合在输出节点204和GND之间的输出电容