专利名称：使开关稳压器的接通时间恒定的结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及开关稳压器，尤其涉及用于恒定接通时间的开关稳压器的方法和电路。
现今许多电池供电的消费产品诸如笔记本式计算机和蜂窝式电话是以一个以上的电源电压电平进行操作的。例如，可把用于手提式个人计算机的中央处理器(CPU)设计成在2.9伏下进行操作，而硬盘驱动器在5伏下进行操作。这些系统一般使用单个电源并以DC-DC转换器产生其它几个电源，而不是提供几个电源。一般由几乎普遍地设置在电池操作的电子产品中的电源稳压器电路进行DC-DC转换。
一般有两种电源稳压器，线性的和开关稳压器。线性稳压器依赖具有反馈的线性控制元件(一般是渡越晶体管的有效电阻)，以调整或获得恒定电压。当把线性稳压器用作DC-DC转换器时，总是有相当数量的能量消耗(IOUT(Vin-Vout)的平均值)。
在开关稳压器中，用作开关的晶体管在短的间隔内周期性地通过电感器加上输入电压。由于输入电压接通或断开，以把正好足够的电荷转移到负载上，而不通过能量消耗元件，所以理想的开关稳压器所消耗的能量为零。有几种开关稳压器，降压稳压器、升压稳压器和反相稳压器。虽然可有几种不同的方法来实现开关转换，但最常用的方法是使用电感器和电容器作为能量存储元件以及使用MOSFET作为开关元件。
图1示出一般的降压开关稳压器的一个例子。当开关100闭合时，跨越电感器102加Vin-Vout，产生线性增加的电流(dI/dt＝V/L)流过电感器102和平滑电容器104。当开关100打开时，电感器电流以同一方向继续流动，钳位二极管106开始导通。二极管106钳住跨越电感器两端的电压，引起电感器电流线性地减小。开关控制电路108包括误差放大器，此放大器用于把输出电压与基准电压相比较，并产生具有脉宽控制(脉宽调制PWM)或频率控制(脉冲频率调制PFM)的信号，以驱动开关100。
在PWM开关稳压器中，开关频率恒定，而改变脉宽(由此的占空度)。通过调节开关控制信号的适当占空度来实现DC降压转换。例如，为了从5伏的输入获得3伏的输出，开关控制信号的占空度将为3/5或60％。依据线性和负载状况改变开关控制信号的占空度。例如，占空度随负载电流的减小而减小。
在PFM开关稳压器中，一般，保持开关元件的断开时间恒定，而依据输入和输出状况改变控制信号的频率。通常叫做断开时间恒定开关的此方法所具有的优点是主要以连续的模式操作系统，以减少噪声和波动。
图2是示出用于PWM和PFM降压开关稳压器的控制信号的时序图。在线200处示出例如周期为40微秒的50％占空度的信号。在线202处示出用于降压PWM稳压器的开关控制信号。为了把占空度减少到40％，减少控制信号的脉宽，而频率保持恒定。信号204示出断开时间恒定的降压PFM稳压器开关控制信号。在此例中，PFM信号提供了40％的同一占空度。断开时间恒定的稳压器把下半个循环的持续时间保持在20微秒，而把上半个循环的宽度减少到13.3微秒，以实现40％的占空度。于是明显地增加了信号的频率。
虽然开关稳压器在线性稳压器的基础上有了改进，但它们的性能不能经受较低的负载状况。这一般是由于开关晶体管控制端处附带的寄生电容器开关损耗成比例增加而引起的。一般开关晶体管是一个具有大栅源(Cgs)和栅漏(Cgd)电容的大功率的MOSFET。在PWM开关稳压器的情况下，开关频率保持恒定，导致开关损耗恒定，与输出电流无关。在较低的负载电流处，通过Cgs/Cgd的开关损耗在整个能量中占相当大的百分比。对于断开时间恒定的PFM开关稳压器，在较低的负载电流处，控制信号的频率增加。通过Cgs/Cgd的开关损耗随晶体管栅极处开关频率的增加而增加。于是，在负载电流低的情况下两种开关稳压器的效率都很低。
对于较低负载电流性能的改进引入了一休眠(或空转)模式，以操作PFM和PWM开关稳压器。开关控制电路内的传感器检测负载电流，当负载电流降到低于阈值时，操作电路来阻断大多数开关脉冲导致低得多的等效开关频率。于是，等效开关频率随负载电流的减小而减少，从而减少整个开关损耗。然而，休眠模式和稳压模式之间的转换可引起较大的输出波动，并使负载上稳压的质量降低。此外，实施休眠模式需要额外的电路，这增加了电路的复杂性和芯片面积。
因此，需要一种可提供DC-DC转换并可在所有的负载电流状况下操作而性能不降低且芯片面积增加不大的开关稳压器。
本发明提供了一种用于开关频率随负载电流减少而减小的脉冲调制开关稳压器的方法和电路。可通过保持开关的接通时间恒定来操作本发明的电路，以减少较低负载电流下的开关频率。这将减少开关损耗，以及提高稳压器在低电流下的效率。本发明不需要休眠或空转模式。结果，可改进负载稳压和波动性能，并可消除相应的休眠模式电路。
相应地，在一个实施例中，本发明提供了用于开关稳压器中的电流控制的振荡器(CCO)电路，该电路包括具有耦合到阈值电压的第一输入端和用于提供输出信号的输出端的比较器，用于控制输出信号的断开时间的第一电流源，以及用于控制输出信号的接通时间的第二电流源。第一和第二电流源耦合到比较器的第二输入端。控制电路也包括耦合在比较器的输出端和电流源之一之间的反馈电路，以使电流源接通和断开。改变流过第一电流源的电流量，而流过第二电流源的电流数量不变。于是，CCO电路可以恒定的接通时间和可变断开时间产生输出信号。
在另一个实施例中，本发明提供了用于控制开关稳压器中开关的方法，该方法包括以下步骤(A)检测开关稳压器的输出信号；(B)把输出信号与基准信号相比较；(C)产生代表输出信号和基准信号之差的误差信号；以及(D)保持开关的接通时间恒定，并响应于误差信号调节开关的断开时间。
参考以下的详细描述和附图可更好地理解本发明接通时间恒定的开关稳压器的特性和优点。
图1示出常规的降压开关稳压器电路；图2是示出用于降压PWM和PFM开关稳压器的开关控制信号的时序图；图3是依据本发明的电流控制振荡器的简化方框图，该振荡器可用于本发明接通时间恒定的开关稳压器中；图4是用于实施图3的电流控制振荡器的电路的一个例子；以及图5是依据本发明的接通时间恒定的降压开关稳压器的方框图。
如此设计本发明的开关稳压器，从而当负载电流减少时，开关的频率减少。这可通过保持用于开关控制信号上部的持续时间固定，而调节周期的下部持续时间来实现。在一个实施例中，本发明通过一电流控制的振荡器电路来实施此接通时间恒定的开关。
参考图3，示出依据本发明电流控制振荡器(CCO)300的简化方框图。CC0300包括把电流I1输入节点308的第一电流源302。第二电流源304使电流I2从节点308流到接地端。计时电容器C306连在节点308和接地端之间，并通过两个电流源302和304充电和放电。节点308也连到比较器310的一个输入端，比较器310的另外一个输入端连到阈值电压Vt。比较器310的输出端提供了可直接驱动开关元件(未示出的功率晶体管)的CCO输出(CCOout)。阈值电压Vt具有两个由CCOout信号控制的电平Vth和Vtl。于是通过在CCOout为高电平时把Vt设定在其高电平Vth，并在CCOout为低电平时把Vt设定在其低电平Vtl可提供滞后现象。CCOout也分别通过接通/断开控制部分312和314馈给电流源302和304。用来自接通/断开控制部分312和314的极性相反的信号来接通和断开这两个电流源。误差电路316产生驱动电流源302的误差信号Ierr，以调节I1的大小。I1的大小可设定断开时间。
在操作中，当计时电容器C306(被I1)充电到Vth以上的电压时(即，当节点308处的电压或V308大于Vth时)，CCOout开关到接通开关元件的低电平。当CCOout变到低电平时，控制部分314接通电流源304，控制电路312断开电流源302，且Vt从Vth开关到Vtl。计时电容器C306以I2放电直到V308降到低于Vtl为止，此时比较器的输出开关到高电平，从而断开开关元件，断开电流源304，接通电流源302，并把Vt从Vtl开关到Vth。于是，电容器C306以I1充电直到V308上升到高于Vth时为止。于是，由I2所确定的放电时间设定CCOout保持低电平的时间长度，由此确定开关元件的接通时间，由I1所确定的充电时间设定CCOout保持高电平的时间长度，由此确定开关元件的断开时间。假定I2的大小不变，则接通时间保持恒定。另一方面，由Ierr依据稳压器的输入/输出状况改变I1的大小，由此改变断开时间。循环地重复C306的充电和放电以及比较器输出的触发，以产生理想的接通时间恒定的开关信号。
图4示出用于图3的CCO的示例晶体管电平的示意图。把同一标号用于图3和4中相应的部分。晶体管Q400(电流源302)和Q402(电流源304)分别提供电流I1和I2。一对射极耦合的晶体管Q404和Q406形成比较器310。比较器310的输出从晶体管Q406的基极抽出，被两个射极跟随晶体管Q408和Q410缓冲，并提供给输出端CCOout。晶体管Q412、Q413和Q414实现用于I1电流源302(晶体管Q400)的反馈控制部分312，晶体管Q416、Q418和Q420实现用于I2电流源304(晶体管402)的反馈控制部分314。误差信号Ierr通过晶体管Q422连到I1控制电路312。计时电容器C306连到Cext端，而Cext端连到比较晶体管Q404基极。
此CCO的电路实施例把滞后现象加入比较器的功能中。连接晶体管Q424、Q426和Q428的一串二极管建立高于地的固定阈值电压Vt(三个二极管的电压降)。由二极管连接的晶体管Q430与电阻器R432的并联连接构成的滞后网络在比较器晶体管406的基极把Vt转换成Vth或Vtl。晶体管Q434和Q436对提供给电路其它部分的中部基准电压Vmr提供了缓冲作用，以校准用于整个电路的中部电压。MAX I输入端提供了可防止高电流状况的有效低控制信号。偏压网络438通过晶体管Q440、Q442、Q444和Q446建立了用于电路的偏流。
图5示出依据本发明使用CCO的降压开关稳压器的方框图。电流控制的振荡器300的输出端连到驱动放大器500，该放大器的输出可驱动功率晶体管502的栅极。功率晶体管502用作一端连到输入信号Vin的高速饱和开关。晶体管开关502的另一端连到包括与电阻器506、电容器508和二极管510串联耦合的电感器504的降压网络。稳压器的输出Vout经过电阻性分压器512，连到误差电压放大器514的输入端。误差放大器514的另一个输入连到基准电压产生器516的输出端。基准电压产生器516最好有一非常稳定的基准电压，例如带隙基准电压。电阻器506用作检测电阻器，以检测流过电感器504的电流并向电流放大器518传送电感器电流信息。电流放大器518的输出也驱动CCO 300的控制输入端。此电流反馈提高了系统的稳定性和线性稳压。
本发明的开关稳压器只在必要时产生开关脉冲。负载电流越低，则产生稳压输出所需的脉冲越少。由于开关的接通时间恒定而调节其断开时间，所以当所需的脉冲较少时就减少了开关的频率。因此，对于较低的负载电流，可减少电流的功率消耗并提高整体效率。
总之，本发明提供了一种用于改进的开关稳压器的电路和方法。此开关稳压器使用电流控制的振荡器来实现接通时间恒定的开关。接通时间恒定的开关可减少较低负载电流下的开关频率，并提高稳压器的整体效率。与目前的PWM和PFM控制器相比，改进了整体性能，而可减少电路和芯片面积。虽然以上描述了本发明的特殊实施例，但可使用各种变化、改变和等价物。例如，本发明接通时间恒定的结构不限于降压型开关稳压器，也可设计使用类似技术的其它类型的开关稳压器，而不背离本发明的概念。此外，虽然图4示出使用双极晶体管的CCO的电路实施例，但也可以CMOS技术实现CCO。例如，本发明接通时间恒定的结构的另一个实施例可只包括用于其吸收电流超出可调电流源(302)吸收电流的可调电流源(304)的接通/断开控制电路(314)，而不必提供另一个用于可调电流源(302)的接通/断开电路。因此，不应参考以上描述而应参考附加的权利要求以及与其等价的全部范围来确定本发明的范围。
权利要求
1.一种具有输入端和输出端的开关稳压器电路，包括耦合在电路输入端和电路输出端之间的电感器；耦合到所述电感器的开关元件；具有耦合到所述开关元件的控制端的输出端的控制电路；以及具有耦合到电路输出端的第一端和耦合到所述控制电路的输出端的误差电路，其特征在于所述控制电路通过在固定的时间周期内闭合所述开关元件，并改变所述开关元件保持断开的时间量来调整电路输出端处的电压。
2.如权利要求1所述的开关稳压器电路，其特征在于所述控制电路包括电流控制的振荡器。
3.如权利要求2所述的开并稳压器电路，其特征在于所述电流控制的振荡器包括具有耦合到一基准信号的第一输入端、第二输入端以及输出端的比较器；耦合到所述比较器的所述第二输入端的可调电流源；耦合到所述比较器的所述第二输入端的固定电流源；耦合到所述比较器的所述第二输入端的计时电容器；以及耦合在所述比较器的所述输出端和所述固定电流源之间的第一控制电路。
4.如权利要求3所述的开关稳压器电路，其特征在于还包括耦合在所述比较器的所述输出和所述可调电流源之间的第二控制电路。
5.如权利要求4所述的开关稳压器电路，其特征在于所述第一和第二控制电路分别以互补方式控制所述固定和可调的接通/断开时间。
6.如权利要求3所述的开关稳压器电路，其特征在于所述误差电路的所述输出端耦合到所述可调电流源，并调节所述可调电流源所提供的电流的大小。
7.如权利要求1所述的开关稳压器电路，其特征在于所述开关元件是功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
8.如权利要求7所述的开关稳压器电路，其特征在于所述开关稳压器是具有耦合在电路输入端和所述电感器之间的所述MOSFET的降压型稳压器，所述开关稳压器电路还包括把电路输出端耦合到接地端的电容器；以及输入端耦合到接地端且输出端耦合到所述MOSFET和电感器的二极管。
9.如权利要求1所述的开关稳压器电路，其特征在于还包括输出端耦合到所述误差电路的第二输入端的基准电压产生器。
10.如权利要求9所述的开关稳压器电路，其特征在于所述基准电压产生器是带隙基准电路。
11.如权利要求2所述的开关稳压器电路，其特征在于还包括耦合在所述电感器和电路输出端之间的检测电阻器；以及第一和第二输入端耦合到所述检测电阻器两端，输出端耦合到所述电流控制的振荡器的电流放大器。
12.一种开关稳压器电路，包括开关；以及具有耦合到所述开关用于控制所述开关的接通/断开时间的输出端的电流控制的振荡器，所述电流控制的振荡器包括用于对耦合到比较器负输入端的电容器充电的可调电流源；以及用于对所述电容器放电的固定电流源，所述比较器具有耦合到基准电压的正输入端以及耦合到所述电流控制的振荡器输出端的输出端，其特征在于，所述比较器输出端反馈给所述可调和固定电流源，从而以互补的方式控制其接通/断开的定时，以及误差信号调节所述可调电流源所提供的电流量。
13.如权利要求12所述的开关稳压器电路，其特征在于所述可调电流源控制所述开关的断开时间，所述固定电流源控制所述开关的接通时间。
14.一种用于控制开关稳压器中开关的方法，其特征在于包括以下步骤A.检测开关稳压器的输出信号；B.把所述输出信号与基准信号相比较；C.产生代表所述输出信号和所述基准信号之差的误差信号；以及D.保持接通时间恒定，而响应于所述误差信号调节开关的断开时间。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于电流控制的振荡器执行保持接通时间恒定，而响应于所述误差信号调节开关的断开时间的所述步骤。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于保持接通时间恒定，而响应于所述误差信号调节开关的断开时间的所述步骤包括以下步骤i.以具有所述误差信号控制的可变大小的第一电流对计时电容器充电；ii.以具有固定大小的第二电流对所述计时电容器放电；iii.以其负输入端耦合到所述计时电容器且其正输入端耦合到基准电压的比较器驱动开关；以及iv.以互补方式接通和断开所述第一和第二电流。
全文摘要
揭示了一种其开关频率随负载电流减少而减小的开关稳压器。此开关稳压器包括电流控制的振荡器，用于通过改变开关的断开时间而保持接通时间恒定来改变开关频率。接通时间恒定的开关引起的频率降低减少了较低负载电流下的开关损耗和功率消耗。本发明接通时间恒定的结构可明显地提高开关稳压器的整体效率，而减少元件数和芯片尺寸。
文档编号H02M3/156GK1165992SQ9710493
公开日1997年11月26日 申请日期1997年3月26日 优先权日1996年3月26日
发明者王学东, C·L·文 申请人:雷西昂公司