一种开关稳压器的制造方法

一种开关稳压器的制造方法
【专利摘要】一种开关稳压器，提供了一种控制开关电压稳压器的电路和方法：（1）开关包括一个或多个开关晶体管（2）一个调节电压的电流输出适用于一个负载，该负载包括一个输出电容。当输出端的电压基本上能够保持输出电容放电至调节电压，在工作的情况下，这种电路和方法，产生控制信号关闭一个或者多个开关晶体管。这种电路和方法提高了稳压器电路的效率，特别是在低的平均电流水平下。
【专利说明】一种开关稳压器
【技术领域】:
[0001]本发明涉及一个开关稳压器电路。更特别地是，本发明涉及一种开关稳压器中在很宽的电流范围下保持高效率的控制电路和方法。
【背景技术】:
[0002]电压稳压器的目的是利用一个不稳定的且波动的输入电压源为一个负载提供一个预设的且恒定的输出电压。一般来说，有两种类型的稳压器:串联稳压器和开关稳压器。
[0003]串联稳压器采用一个旁路元件(例如，一个功率晶体管)串联耦合在一个负载上，以控制旁路元件上的电压降，为了调节负载上的电压。相反，开关稳压器采用一个开关(例如，一个功率晶体管)串联耦合或者并联耦合在负载上。稳压器控制开关的打开和关闭，为了调节负载上的功率。开关稳压器采用电感储能元件，将开关电流脉冲变成稳定的负载电流。因此，开关稳压器的功率传送开关离散电流脉冲，而在串联稳压器中，功率通过元件传送稳定的电流。
[0004]为了产生电流脉冲，开关稳压器通常包括控制电路，控制开关的开和关。开关占空比，可以用很多不同的方法，控制流向负载的功率。例如，占空比，可以改变(I)固定脉冲流的频率和每个脉冲内开和关的时间(2 )每个脉冲内固定开和关的时间和不同脉冲流的频率。
[0005]对于其他的控制占空比的方法而言，开关稳压器通常比串联稳压器更有效。在串联稳压器中，旁路元件通常工作在其线性区域内，且旁路元件持续产生电流。这导致旁路晶体管上不断的损耗功率。相反，在开关稳压器中，开关关闭的时候，开关上没有功率损耗，开关打开，在低阻抗的状态下，开关上只有少量的功率损耗。这种工作上的差异，使得开关稳压器的平均损耗功率降低。
[0006]当稳压器的输入-输出电压差异很大的时候，上述的效率问题更加明显。例如，串联稳压器的效率低于25%是很不正常的，而开关稳压器在达到同样功能时，效率大于75%。
[0007]由于串联稳压器效率的提高，开关稳压器通常采用电池供电系统，如便捷式笔记本电脑和手持式仪器。在这些系统中，当开关稳压器提供一个接近额定输出电流(即，在便捷式笔记本电脑中，一个磁盘或者硬盘驱动打开)时，整个电路的效率能够被提高。然而，效率通常是输出电流的一个功能，随着输出电流的减小而减小。这种效率的降低是由开关稳压器工作的时候，相关损失所造成的。除了上述损失，这些损失包括，稳压器控制电路中静态电流的损失，开关损失，开关驱动电流损失和电感、变压器绕阻和铁心损失。
[0008]在低输出电流时，开关稳压器效率的降低，在电池供电系统中，这个问题变得很重要，所以，使得电池寿命最大化是可取的。
[0009]综上所述，设计需要提供一个高效率开关稳压器。
[0010]它还需要提供一种开关稳压器电路在很宽的电流范围下保持高效率的控制电路和方法，也包括低的输出电流。
【发明内容】
:
[0011 ] 本发明的第一个目的是提供一个高效率开关稳压器。
[0012]本发明的第二个目的是提供一种开关稳压器电路在很宽的电流范围下保持高效率的控制电路和方法，也包括低的输出电流。
[0013]本发明的技术解决方案:
[0014]根据本发明的这些和其他的一些目的，提供的控制开关电压稳压器的电路和方法，包括(I)开关包括一个或多个开关晶体管(2) —个调节电压的电流输出适用于一个负载，该负载包括一个输出电容。当输出端的电压基本上能够保持输出电容放电至调节电压(即，在低输出电流时)，在工作的情况下，这种电路和方法，产生控制信号关闭一个或者多个开关晶体管。在这段时间，负载并不损耗输入电源功率。因此，稳压器的效率上升。如果需要的话，开关稳压器的其他成分，开关晶体管除外，可以处于关闭的状态，以保存更多的电。本发明的这种额外的特征，能够增加整个稳压器电路的效率。
[0015]本发明的这种电路和方法可以控制开关稳压器电路的各种开关，包括使用一个或多个功率晶体管的开关。此外，这种电路和方法可以控制开关稳压配置的各种开关，包括升压，降压和极性反向配置。
[0016]此外，本发明的这种电路和方法可以改变开关晶体管的关闭时间，其依赖于开关稳压器的输入和输出电压。在低电压条件下，本发明的这个功能减小了开关稳压器中可听噪声的发散。一些稳压器配置在短路的时候，它还可以减少输出电压上的漏电流。
[0017]对比专利文献:CN201149666Y稳压器控制电路 200820055379.6，CN203204478U —种稳压器的控制电路结构201320129254.4
【专利附图】

【附图说明】:
[0018]本发明上述的和其他的目的和优点将在下面作详尽的描述，采取相应的【专利附图】

【附图说明】，各元件的参考符号都在图中标明。
[0019]图1所示的是现有技术的开关稳压器电路的原理框图，其在降压条件下，采用了一对同步开关MOSFET的开关。
[0020]图2所示的是开关稳压器电路的原理框图，其用本发明的高效控制电路的第一实例去驱动一个开关，这个开关在降压条件下，采用了一对同步开关MOSFET的开关。
[0021]图3所示的是开关稳压器电路的原理框图，其用本发明的高效控制电路的第二实例去驱动一个开关，这个开关在降压条件下，采用了一对同步开关MOSFET的开关。
[0022]图4所示的是开关稳压器电路的原理框图，其用本发明的高效控制电路结合“用户激活”方式，去驱动一个开关，这个开关在降压条件下，采用了一对同步开关MOSFET的开关。
[0023]图5所示的是开关稳压器电路的原理框图，其结合了本发明的可变关闭时间控制电路。
[0024]图6所示的是图5中可变关闭时间控制电路的详细原理图。
[0025]图7所示的是一个示例性的开关稳压器电路的详细原理框图，其结合了关闭时间的特征和本发明的高效控制电路，以驱动一个开关，这个开关在降压条件下，采用了 一对同步开关MOSFET的开关。
[0026]图8所示的是一个开关稳压器电路的详细原理框图，其结合了本发明的电路，以防止稳压器输出电感上的电流反向，该电流来自于负载。
[0027]图9所示的是一个开关稳压器电路的详细原理框图，在升压条件下，其结合了本发明的闻效控制电路。
[0028]图10所示的是一个开关稳压器电路的详细原理框图，在极性反向的条件下，其结合了本发明的高效控制电路。
【具体实施方式】:
[0029]图1所示的是现有技术的开关稳压器电路的原理框图，其在降压条件下，采用了一个推拉式开关。
[0030]参考图1，电路10为稳压器在端子12 (即，5伏特)上提供了一个直流输出电压Vout,以驱动负载14，例如，可能是便捷式笔记本电脑或者其它的电池供电系统。电路10工作时，非稳定电压源Vin耦合在端子14 (B卩，12伏电池)上。电路10包括推拉式开关15，驱动电路20，输出电路30和控制电路35。
[0031]驱动电路20用于驱动推拉式开关15，其包括两个同步开关功率M0SFETS16 (P沟道)和17 (N沟道)，串联连接在Vin和接地点之间。
[0032]推拉式开关15与驱动电路20相连接，通常被称为“半桥”装置。M0SFETS16和17被用于为输出电路30提供交替的电流，其包括电感32 (L1)和输出电容34 (C0ut)o输出电路30平滑地交换电流电流，使得负载12调节电压VQUT。为了提供交替电流，M0SFETS16和17分别被P沟道驱动26和N沟道驱动27所驱动，这反过来都由控制电路35所控制。
[0033]控制电路35包括单触发电路，在驱动26使得M0SFET16关闭，驱动27使得M0SFET17打开期间，其提供一个等时间间隔(如，2到10微秒)的关闭脉冲。否则，在MOSFET16打开，MOSFET17关闭期间，单触发电路25提供一个打开脉冲。因此，单触发电路25使得M0SFET16和M0SFET17交替的打开和关闭，从而为输出电路30提供一个交替的电流。单触发电路35的占空比被电流放大器39所控制。
[0034]控制电路35监测电阻-驱动网络R1A2 (36A/36B)上的输出电压VQUT，以提供一个与输出电压Vtot成比例的反馈电压VFB。控制电路35同时监测电感L1上的电流Iy以提供一个与电感电流込成比例的反馈电流IFB。电路10的工作由电感电流込控制，所以反馈电压Vfb的值被规定，基本上等于参考电路37所提供的参考电压VKEF。由于反馈电压Vfb已经被规定，反过来，输出电压Votjt被(RjR2)与R2比值的一个高电压所规定。
[0035]跨导放大器38用来比较反馈电压Vfb和参考电压Vkef的值。电路10规定输出电压VOT，如下所示。在每个周期内，当开关15打开，P-M0SFET16打开，电感L1上的电流込呈坡道上升，其依赖于VIN-VQUT。跨导放大器38的输出端38A使得Il呈坡道上升到阈值的时候，电流比较器39跳变，单触发关闭脉冲触发，开关15的关闭周期开始。在关闭周期期间，单触发电路25使得P-M0SFET16关闭，N-MOSFET17打开。这反过来，又使得电感L1上的电流込呈坡道下降，其依赖于VQUT。因此，这使得开关15关闭周期的占空比由电流k在端子12上产生的输出电压Vtot所控制。
[0036]随着输出负载电流的增加，R2电阻36B上的电压降将增加。这使得跨导放大器38的输入端38B上很小的误差电压的增加，因此，电流比较器39设定了一个很高的阈值。因此，电感L1上的电流込增加到这个水平，需要负载电流的提供。
[0037]当单触发电路25的关闭时间(tj是恒定的，开关稳压器电路10的电感L1 (恒定输出电压Vott)上有一个恒定的纹波电流，但是，Vin的频率是不同的。纹波震荡频率由公式
给出
【权利要求】
1.一种开关稳压器，其特征是:控制开关电压稳压器的电路，包括一个开关和一个参考电压的电流输出适用于一个负载，该负载包括一个输出电容，开关I禹合在输入电压和输出电压之间，还包括一个或多个开关晶体管，这个电路包括:监测输出的第一电路，以产生一个第一反馈信号；在电路工作在第一状态期间，第二电路产生第一控制信号，第二电路包括单触发电路，产生第一控制信号，在第一期间时间，保持调节电压输出的情况下，控制一个或者多个开关晶体管的“开”和“关”，单触发电路被触发，以响应第一反馈信号，第一期间时间，至少响应输入电压和输出电压的其中一个。
2.根据权利要求1所述的一种开关稳压器，其特征是:第一期间时间，响应输入电压；开关耦合到一个电感上；第一期间时间的减少，是对输入电压的减小做出的响应；可听频率增加了电感纹波电流的振荡频率，但是并不产生用户的可听噪声；第一期间时间，响应输出电压；开关I禹合到一个电感上；第一期间时间的减少，是对输入电压的减小做出的响应；当产生第一控制信号的时候，电感电流整体减小量增大；这个电路还包括一个电感，其耦合在单触发电路上，控制电容放电率的可变电流源，放电率至少对输入电压和输出电压中的一个做出响应，以控制第一期间时间。
3.根据权利要求2所述的一种开关稳压器，其特征是:第一期间时间，响应输入电压；开关耦合到一个电感上；第一期间时间的减少，是对输入电压的减小做出的响应；可听频率增加了电感纹波电流的振荡频率，但是并不产生用户的可听噪声；第一期间时间，响应输出电压；开关I禹合到一个电感上；第一期间时间的减少，是对输入电压的减小做出的响应；当产生第一控制信号的时候，电感电流整体减小量增大。
4.根据权利要求1所述的一种开关稳压器，其特征是:一个开关电压稳压器在输出结点上产生一个输出，在输入结点上产生一个输入，输出结点I禹合到输出电容上，稳压器包括:一个开关晶体管有一个第一端子，其耦合到输入结点上，一个第二端子和一个第三端子；一个驱动电路有一个第一端子，一个第二端子，其耦合到开关晶体管的第二端子上；一个电感，有一个第一端子，其耦合到开关晶体管的第三端子上，其第二端子耦合到输出结点上；一个反馈电路有一个第一端子，其耦合到输出结点上，和一个第二端子，反馈电路在反馈电路的第二端子上产生一个 反馈信号；一个反馈控制电路，有一个第一端子，其耦合到反馈电路的第二端子上，和一个第二端子，反馈控制电路在反馈控制电路的第二端子上产生一个触发信号，触发信号是对反馈信号做出的响应；一个关机控制电路，有一个第一端子和一个第二端子，关机控制电路在其第一端子上产生一个关机控制信号，关机控制电路的第二端子耦合在输入结点或者输出结点的其中一个上；一个单触发发生器，有一个第一端子，其耦合到反馈控制电路的第二端子上，其有一个第二端子，耦合到关机控制电路的第一端子上，其还有一个第三端子，耦合到驱动电路的第一端子上，单触发发生器在其第三端子上产生一个开关信号，一旦收到触发信号时，驱动使得开关晶体管进入关闭状态，一直持续在第一期间时间，该时间由关机控制信号决定。
5.根据权利要求4所述的一种开关稳压器，其特征是:反馈电路在其第二端子上产生一个电压反馈信号；反馈电路在其第二端子上产生一个电流反馈信号；稳压器还包括:一个电压反馈电路，其有一个第一端子，耦合到输出结点上，一个第二端子，电压反馈电路在其第二端子上产生一个电压反馈信号，反馈控制电路有一个第三端子，耦合到电压反馈电路的第二端子上，触发信号的产生，是对电流反馈信号和电压反馈信号做出的响应；关机控制电路的第二端子，耦合到输入结点上，关机控制信号的产生，是对输入结点上的电压和第一期间时间做出的响应；关机控制电路产生一个关机控制信号，以减小第一期间时间，对输入结点上电压的减小，做出响应，可听频率增加了电感纹波电流的振荡频率，这个频率基本上听不到；关机控制电路的第二端子耦合在输出结点上，关机控制信号的产生，是对输出结点上的电压和第一期间时间做出的响应；关机控制电路产生一个关机控制信号，以增加第一期间时间，对输出结点上电压的减小，做出响应；关机控制电路的第二端子，耦合到输入结点上，关机控制电路还包括一个第三端子，耦合到输出结点上，关机控制信号的产生，是对输入结点和输出结点上的电压和第一期间时间做出的响应；单触发发生器包括一个控制电容，耦合在单触发发生器的第二端子和接地点之间，关机控制电路包括一个可变电流源，以控制控制电容的放电率；关机控制电路的第二端子，耦合到输出结点上，可变电流源控制控制电容的放电率，对输入结点上的电压和第一期间时间做出的响应；可变电流源控制控制电容的放电率，第一期间时间的减小，是对输入结点上的电压的减小做出的响应，可听频率增加了电感纹波电流的振荡频率，这个频率基本上听不到；关机控制电路的第二端子，耦合到输出结点上，可变电流源控制控制电容的放电率，对输出结点上的电压和第一期间时间做出的响应；可变电流源控制控制电容的放电率，第一期间时间的增加，是对输出结点上的电压的减小做出的响应；关机控制电路的第二端子，耦合到输入结点上，关机控制电路还包括一个第三端子，耦合到输出结点上，可变电流源控制控制电容的放电率，对输入结点和输出结点上的电压和第一期间时间做出的响应；关机控制电路包括一个控制电路，其产生一个控制电流，以控制可变电流源，对输入结点和输出结点上的电压和第一期间时间做出的响应；控制电路包括:一个第一电流源，提供第一电流；一个第二电流源，提供一个第二电流；一个电流补偿电路；一个电流镜输出电路，输出控制电流；电流镜输出电路，产生一个与第一电流成正比的电流，或者第一电流和第二电流之和，其值取决于输入结点电压和输出结点电压；当输入结点的电压和输出结点的电压差值远大于预设的值时，第二电流源使得第二电流变为零；当输入结点的电压和输出结点的电压差值远小于预设的值时，第二电流的增加，是对输入结点上电压的减小，做出的响应；电流补偿电路调节控制电流，以补偿温度的变化。
6.根据权利要求1所述的一种开关稳压器，其特征是:控制开关稳压器电路有一个开关和一个调节电压的电流输出适用于一个负载，该负载包括一个输出电容，开关I禹合在输入电压和输出电压之间，其还包括一个或多个开关晶体管，该电路包括:产生电流反馈信号的端子；产生电压反馈信号的端子；产生触发信号的端子，以对电流反馈信号和电压反馈信号做出响应；产生关机控制信号的端子，至少对输入电压和输出电压中的一个做出响应；单触发端子，使得开关进入关闭状态，以对触发信号做出响应，开关在一段时间内保持关闭的状态，以对关机控制信号做出响应。
7.根据权利要求6所述的一种开关稳压器，其特征是:端子上产生的关机控制信号在一段时间内的减小，是对输入电压的减小做出响应；端子上产生的关机控制信号在一段时间内的增加，是对输出电压的减小做出响应 。
8.根据权利要求1所述的一种开关稳压器，其特征是:开关电压稳压器有一个输出结点和一个输入结点，输出结点耦合到输出电容上，稳压器包括:一个开关晶体管，其有一个第一端子，稱合到输入结点上，一个第二端子和一个第三端子；一个驱动电路有一个第一端子，一个第二端子，其耦合到开关晶体管的第二端子上；一个电感，有一个第一端子，其耦合到开关晶体管的第三端子上，其第二端子耦合到输出结点上；一个反馈电路有一个第一端子，其耦合到输出结点上，和一个第二端子；一个单触发发生器，有一个第一端子，其耦合到反馈控制电路的第二端子上，其有一个第二端子，其还有一个第三端子，耦合到驱动电路的第一端子上，单触发发生器包括一个控制电容，其耦合在单触发发生器的第二端子和接地点之间；一个关机控制电路，有一个第一端子，耦合在单触发发生器的第二端子上，其还有一个第二端子，耦合在输入结点和输出结点的其中一个上，关机控制电路包括一个可变电流源，以控制控制电容的放电率。
9.根据权利要求8所述的一种开关稳压器，其特征是:反馈电路包括一个电压反馈电路；反馈电路包括一个电流反馈电路；稳压器还包括:一个电压反馈电路，其有一个第一端子，耦合到输出结点上，一个第二端子，反馈控制电路有一个第三端子，耦合到电压反馈电路的第二端子上；关机控制电路还包括一个第二端子，其耦合在输入结点上，关机控制信号的产生，是对输入结点上的电压和第一期间时间做出响应；关机控制电路的第二端子I禹合到输入结点上；关机控制电路的第二端子耦合到输出结点上；关机控制电路还包括一个第三端子，其耦合到输出结点 上。
【文档编号】H02M3/07GK103618447SQ201310615995
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2013年11月27日
【发明者】李志鹏 申请人:苏州贝克微电子有限公司