专利名称：功率调节器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件领域，更具体的说，涉及功率调节器及其控制方法。
背景技术：
电压调节器，例如直流-直流电压转换器，用以给不同类型电子设备提供稳定的电压源。对于一些低功率的设备(例如便携式电脑、便携式手机等)的电池管理尤其需要高效率的直流-直流转换器。开关型电压调节器将输入电压转换成一高频电压信号，然后对该高频输入电压信号进行滤波处理以产生一直流输出电压。开关调节器通常包括一个开关，将一输入直流电压源(如电池)交替地耦合和解耦到负载(如集成电路)上；一个输出滤波装置，通常包括一个电感和一个电容，其连接在输入电压源和负载之间，用以对开关的输出进行滤波处理，进而提供一直流输出电压；一个控制装置(例如脉冲宽度调节器(PWM )、频率脉冲调节器等)用以控制开关以获得一相对恒定的直流输出电压。在一些应用中(如射频传输、便携式计算设备等)，射频或者数字芯片需要的瞬时功率太大，以致于电压调节器的输入源不足以提供其要求的功率。因此，电压调节器的输出电压下降，影响了关联的射频或者数字芯片的性能，可能造成系统运行不良。
发明内容
本发明的目的是提供一种驱动具有大动态跳变的负载的功率调节器及其控制方法。本发明的实施例涉及电容尺寸最小的高密度功率调节器或者功率电源，其适用于大动态负载的应用。依据本发明一实施例的功率调节器包括，(1)连接到输入端的输入电容，所述输入端与一功率源连接，所述功率源被一预设限值限制；( 连接到输出端的输出电容，所述输出端连接一负载，所述负载具有第一负载状态和第二负载状态；C3)第一调节装置，用以将输入端的输入电压转换成输出端的输出电压，并以此来驱动负载；(4)连接到第一调节装置的第二调节装置；( 连接到第二调节装置的储能元件，在第二负载状态时，所述第二调节装置将储能元件的能量传递至第一调节装置，以保持输出端的输出电压的调整水平。依据本发明的另一实施例，将输入端的功率源转换成输出端负载上的调节电压的方法，其包括(1)第一调节装置调节源自所述功率源的负载电压；( 判断所述负载处于第一负载状态还是第二负载状态；C3)在第一负载状态期间内，储能元件充电储能；(4)在第二负载状态时，储能元件放电释放能量以保持负载上的合适的输出调节水平值，同时也保持输入电流或者功率低于预设限值，所述预设限值限制所述功率源提供的功率或电流。依据本发明的实施例，可以方便的实现高密度功率调节器或者电源。而且，本发明的实施例适用于支持大动态负载应用的电容体积最小的电源。通过下文优选实施例的具体描述，本发明的上述和其他优点更显而易见。
图IA所示为驱动具有大动态跳变的负载的一示例电压调节器的原理图；图IB所示为图IA所示的调节器的工作波形图；图2A所示为驱动具有大动态跳变的负载的一示例两级功率调节器的原理图；图2B所示为图2A所示的调节器的工作波形图；图3A所示为依据本发明实施例的第一示例功率调节器的原理方框图；图;3B所示为依据本发明实施例的第二示例功率调节器的原理方框图；图4A所示为依据本发明实施例的一示例具有三个调节装置部分的功率调节器电路的原理框图；图4B所示为依据本发明实施例的一示例具有脉冲宽度调制(PWM)控制的功率调节器的原理框图；图5A所示为依据本发明实施例的一示例具有两个调节装置部分的功率调节器的原理框图；图5B所示为依据本发明实施例的一示例具有脉冲宽度调制(PWM)控制的功率调节器电路的原理框图；图5C所示为依据本发明实施例的一示例充电限制电路的原理框图；图6A所示为依据本发明实施例的一示例具有输入电压检测装置的功率调节器电路的原理框图；图6B所示为依据本发明实施例的一示例具有输入电压检测装置和PWM控制的功率调节器电路的原理里框图；图7A所示为依据本发明实施例的一示例具有输入电压检测装置和两个调节装置部分的功率调节器的原理框图；图7B所示为依据本发明实施例的一示例具有PWM控制装置和两个调节装置部分的功率调节器的原理框图；图7C所示为依据本发明实施例的图7A所示的电路的工作波形图；图8所示为依据本发明实施例的使高密度调节器中的电容体积最小化的方法流程图，所述高密度调节器用于驱动具有大动态跳变负载和输入功率限制的负载。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述。虽然本发明是结合以下这些优选实施例进行描述的，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来所没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，众所公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。下述具体表述的一些部分通过以下方面进行阐述，包括过程、步骤、逻辑模块、功能模块、处理、原理图，或者其他的符号化的表示，如编码、数据位、数据流、信号，或者计算机、处理器、控制器、器件或者存储器的波形等。这些描述和表述常被熟悉数据处理领域的技术人员用来向同行有效地解释他们的工作。这里的过程、流程、逻辑块、功能等，一般被认为是达到期望或预想结果的步骤或指示的自洽序列。步骤一般指物理量的物理操纵。通常，但非必要地，这些物理量采用电、磁、光学或量子信号等形式来表示，这些物理量能够被储存，转移，合并，比较，并可在计算机或数据处理系统中操作控制。主要为了通用性，通常把这些信号称作为位、波、波形、流、值、元素、符号、字母、术语、数字等类似的名称，在计算机程序或软件中则称之为代码(可能是目标代码，源代码或二进制代码)，这已经被证明是方便的。但是应当指出，所有这些术语以及其类似的术语都与相应的物理量或者信号有关，并且仅仅是为了方便这些物理量或者物理信号的标识。除非特别声明，否则在以下的描述中，所使用的术语诸如“处理”，“操作”，“计算”，“决定”，“操纵”，“变换”以及类似的表述均指计算机、数据处理系统，或者类似的处理装置(例如，电、光学、量子等的计算、处理或者电路)处理或者变换这些物理量的行为和过程。这些术语指的是所述处理设备把电路系统机构(例如，寄存器、存储器、其他类似的信息存储、传输或显示设备)的物理量处理和变换成相同(或者不同)系统(或者结构)中其他元器件的其他类似数据的行为和过程。此外，“电线”、“绕线”、“引线”、“信号、“导线”和“总线”是指在任何已知的结构、 构造、布局、技术、方法或者过程中用来在物理上把电路中的信号从一个点传到另一个点的路径。，本文中(除另有说明)，“已知”、“固定”、“给定”、“肯定”和“预定”通常情况下，指的是一个值，数量、参数、约束条件、条件、状态、流程、过程、方法、实施，或各种组合等在理论上是可变的，但是如果提前设定，则在后续使用中是保持不变的。依据本发明的实施例可以方便的实现高密度功率调节器或者电源。进一步，依据本发明的实施例适用于支持大动态负载的应用同时具有电容体积最小的功率调节器。根据以下对优选实施例的细节描述可以从各方面更清楚理解本发明。依据本发明的实施例实现的体积相对较小和高效率的功率调节器电路和其控制方法，适用于相对较大的动态负载的应用。进一步，优选实施例可以使功率转换器、电源或者调节器以及关联的电容器的外形尺寸和成本最小化。在一个实施例中，一个小的平行的功率调节级添加到电压调节器之上，用以当输出负载相对较轻时，给储能元件充电。当输出负载相对较重时，所述附加的调节级将储能元件放电释放能量，来提供额外的能量以补偿输出功率和可用的输入功率之间的差值。一种实现方法，将相对较大的电容器添加在电压调节器的输出端或者输入端或者输出端和输入端。当输出负载有较大的瞬态变化时，由所述额外的电容器提供额外的能量给负载元件(如数字、射频芯片等)，所述电容器可被布置在电压调节器的输出端或者输入端或者输出端和输入端。但是，这些额外的电容器增加了调节器的总成本。另外，相对较大尺寸的电容器也不适合于现在有空间限制的应用场合(如无线卡、手机、便携电子设备
寸J ο参考图1A，100所示为一示例电压调节器的原理框图，所述电压调节器用以驱动具有大动态跳变的负载。图IB为图IA所示的电路的工作波形图。例如，在很多应用中都会出现大的动态跳变，如通用串行总线接口(USB)包括笔记本3G(第三代)无线网卡(传输过程中的如2A-3A的电流)，WiMAX (微波存取全球互通技术)等应用，有从0. 5A至2A的跳变。在图IA中，调节器102包括开关S1和S2,以来控制电感L1的电流。工作过程中，在时间间隔、内，负载(如射频放大器)上抽取低电流值I1,在时间间隔t2内(如当射频放大器在传输信号时)，负载会抽取高电流值I2 (如波形104所示)。 但是，调节器102的输出电流最大值Iattx受到输入源Vin的可提供的功率所限制(如波形 106)。输出电容Cqut可以补偿时间间隔t2内的电流I2和Iqmax之间的差值(如波形108所示)。为了使输出变化￥_相对较小(如波形110)，输出电容Cott选用电容值相对较大的电容。该支持相对较大的负载阶跃的额外电容可以根据公式1确定
权利要求
1.一种功率调节器，其特征在于，包括连接到输入端的输入电容，所述输入端与一功率源连接，所述功率源被一预设限值限制；连接到输出端的输出电容，所述输出端连接一负载，所述负载具有第一负载状态和第二负载状态；第一调节装置，用以将输入端的输入电压转换成输出端的输出电压，并以此来驱动所述负载；连接到第一调节装置的第二调节装置；所述第二调节装置为双向调节装置；连接到第二调节装置的储能元件，第一负载状态下，通过所述第二调节装置对储能元件充电储能；在第二负载状态时，所述第二调节装置将储能元件的能量传递至第一调节装置，以保持输出端的输出电压的调整水平；储能元件限制电路，其具有一预设阈值，用以当所述储能元件的储能小于所述预设阈值时，控制对所述储能元件进行充电；充电电流限制电路，用以产生一充电电流限值，并限制所述储能元件的最大充电电流。
2.根据权利要求1所述的功率调节器，其特征在于，所述功率源的预设限值依据所述功率源的工作状态不同而不同。
3.根据权利要求1所述的功率调节器，其特征在于，所述功率源的预设限值限制所述功率源提供的电流或者功率。
4.根据权利要求1所述的功率调节器，其特征在于，所述充电电流限制电路通过外部编程设置。
5.根据权利要求1所述的功率调节器，其特征在于，所述充电电流限制电路可根据所述功率调节器内部电路进行设置。
6.根据权利要求1所述的功率调节器，其特征在于，所述充电电流限值为一固定值或由适应性的调节操作确定。
7.根据权利要求1所述的功率调节器，其特征在于，进一步包括一输入电流限制器，其具有一电流预设限值，用以当检测到的输入电流小于所述电流预设限值时，对所述储能元件进行充电。
8.根据权利要求1所述的功率调节器，其特征在于，所述第二调节装置用以(1)检测输出端的输出电压；(2)当检测到的输出电压小于目标调节值时，将储能元件中的能量传递至输出端。
9.根据权利要求8所述的功率调节器，其特征在于，当取自输出端的功率源的电流或者功率小于所述功率源的预设限值，并且储能元件的储能小于所述预设阈值时，所述储能元件充电。
10.根据权利要求1所述的功率调节器，其特征在于，所述第二调节装置用以(1)检测输入端的电压状态；(2)当检测到的电压表明处于第二负载状态时，将储能元件中的能量传递至输入端。
11.根据权利要求10所述的功率调节器，其特征在于，当取自输入端的功率源的电流或者功率小于所述功率源的预设限值，并且储能元件的储能小于所述预设阈值时，所述储能元件充电。
12.—种输出电压调节方法，用于将输入端的功率源转换为连接到输出端的负载上的调节输出值，其特征在于，包括第一调节装置调节源自所述功率源的负载电压；判断所述负载处于第一负载状态还是第二负载状态；在第一负载状态下，且当取自输出或输入端的功率源的电流或者功率小于所述功率源的预设限值，并且储能元件的储能小于所述预设阈值时，通过第二调节装置对储能元件充电储能；在第二负载状态时，所述第二调节装置将储能元件放电释放能量以保持负载上的合适输出调节水平值，同时也保持输入或输出的电流或者功率低于预设限值，所述预设限值限制所述功率源提供的功率或电流。
13.根据权利要求12所述的电压调节方法，其特征在于，当在第二负载状态时，所述储能元件放电释放能量传递至所述输入端。
14.根据权利要求12所述的电压调节方法，其特征在于，当在第二负载状态时，所述储能元件放电释放能量传递至所述输出端。
全文摘要
本发明涉及功率调节器的电路设计及其控制方法。依据本发明一实施例的功率调节器包括(1)连接到输入端的输入电容，所述输入端与一功率源连接，所述功率源被一预设限值限制；(2)连接到输出端的输出电容，所述输出端连接一负载，所述负载具有第一负载状态和第二负载状态；(3)第一调节装置，用以将输入端的输入电压转换成输出端的输出电压，并以此来驱动负载；(4)连接到第一调节装置的第二调节装置；(5)连接到第二调节装置的储能元件，在第二负载状态时，所述第二调节装置将储能元件的能量传递至第一调节装置，以保证输出端的输出电压的调整水平。
文档编号H02M3/06GK102270927SQ201110127878
公开日2011年12月7日 申请日期2009年7月21日 优先权日2009年3月25日
发明者陈伟 申请人:杭州矽力杰半导体技术有限公司, 矽力杰公司