專利名稱：具有多種模式的用于高效功率控制的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路。更具體地說，本發(fā)明可被應(yīng)用于用來控制電源 的設(shè)備。
背景技術(shù)：
根據(jù)各種實(shí)施方式，本發(fā)明提供了各種功率控制方案來提高系統(tǒng)的穩(wěn) 定性和性能。僅作為示例，本發(fā)明可被用于以下功率系統(tǒng)，該功率系統(tǒng)可 以選擇性地基于工作條件(例如輸出功率電平、功率消耗等等)工作在各 種功率模式下。應(yīng)當(dāng)意識(shí)到本發(fā)明具有廣泛的應(yīng)用。
脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)被廣泛用于電源系統(tǒng)。更具體地說，PWM技 術(shù)己經(jīng)用在許多穩(wěn)壓開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中。穩(wěn)壓開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換 器的好處尤其在于其較之線性穩(wěn)壓器具有更高的效率。隨著節(jié)能要求和效 率規(guī)定變得更加嚴(yán)格，穩(wěn)壓開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器正變得愈加流行。相比之 下，線性穩(wěn)壓器因?yàn)槠洳患训墓β市屎凸?jié)能能力正變得愈加不流行并且 可能喪失市場(chǎng)。在不遠(yuǎn)的將來，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器有望變成電源系統(tǒng)的主 流。
在開關(guān)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，功率開關(guān)經(jīng)常使用功率MOSFET、功率雙極 性晶體管、IGBT或者其他類型的晶體管作為開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)。能量轉(zhuǎn)移 量由功率接通和關(guān)斷時(shí)間來調(diào)節(jié)。例如，PFM信號(hào)的接通和/或關(guān)斷時(shí)間 是根據(jù)輸出負(fù)載來控制的。在特定示例中，通過感測(cè)輸出電壓和/或電流并 向功率開關(guān)施加相應(yīng)的控制信號(hào)來調(diào)節(jié)輸出電壓和/或電流。
圖1是圖示傳統(tǒng)的反激式(flyback)開關(guān)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示圖。 系統(tǒng)100包括用來控制并驅(qū)動(dòng)功率MOSFET 102的PWM控制器101，功 率MOSFET 102接通和關(guān)斷以控制遞送給次級(jí)側(cè)負(fù)載的功率。在次級(jí)側(cè)感 測(cè)輸出電壓和電流并將其與期望的輸出電壓和電流基準(zhǔn)進(jìn)行比較。誤差信
5號(hào)被放大并被經(jīng)由光耦合器反饋回初級(jí)側(cè)的控制器。通常，TL431 (例
如，用于提供隔離反饋的組件)或者類似類型的IC和PC817 (例如，光 耦合器)或者類似類型的IC在次級(jí)側(cè)被用于隔離反饋。
圖2是圖示另一傳統(tǒng)反激式開關(guān)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示圖。如圖2所 示，系統(tǒng)200具有初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)。如圖所示，感測(cè)、放大和信號(hào)轉(zhuǎn)移 (例如由系統(tǒng)100中的光耦合器完成的)被省略，這極大地減少了系統(tǒng) 200的制造成本。在初級(jí)側(cè)受控的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，輸出電壓被映射 到輔助繞組(AUX)。結(jié)果，可以通過監(jiān)視輔助繞組(AUX)處的電壓來 感測(cè)輸出電壓。在各種應(yīng)用中，通過將AUX處的電壓與期望的電壓基準(zhǔn) 進(jìn)行比較來調(diào)節(jié)輸出電壓。更具體地說，節(jié)點(diǎn)201處的信號(hào)是輸出電壓信 號(hào)的映射。節(jié)點(diǎn)201處的電壓的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化為輸出電壓的調(diào)節(jié)。
為了進(jìn)一步進(jìn)行說明初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)，Vfb和V。ut的關(guān)系被表示如下
=7 +i 。"《, (1)
其中n是輔助繞組對(duì)次級(jí)繞組的比率。 設(shè)置yt =^±J、 V。ut被表示如下
L, "4 (2)
如上所示的系統(tǒng)100和系統(tǒng)200對(duì)于某些應(yīng)用都是有用的。遺憾的 是，這些傳統(tǒng)系統(tǒng)常常是不充分的。
因此，這里將提出用于功率電源改進(jìn)的系統(tǒng)和方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及集成電路。更具體地說，本發(fā)明可被應(yīng)用于用來控制電源 的設(shè)備。根據(jù)各種實(shí)施方式，本發(fā)明提供了各種功率控制方案來提髙系統(tǒng) 的穩(wěn)定性和性能。僅作為示例，本發(fā)明可被用于以下功率系統(tǒng)，該功率系 統(tǒng)可以選擇性地基于工作條件(例如輸出功率電平、功率消耗等等)工作 在各種功率模式下。應(yīng)當(dāng)意識(shí)到本發(fā)明具有廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)各種實(shí)施方式，根據(jù)本發(fā)明的功率系統(tǒng)工作在多種功率模式下。 例如，當(dāng)輸出電壓低于閾值電壓電平時(shí)，電源系統(tǒng)在脈沖頻率調(diào)制
6(PFM)模式下工作。在PFM模式下，峰值電流對(duì)于幾乎所有負(fù)載狀況
都保持基本相同，并且開關(guān)頻率根據(jù)輸出電壓改變。另一方面，當(dāng)輸出到
達(dá)和/或超過閾值電壓電平時(shí)，電源系統(tǒng)在PWM模式下工作，其中電壓調(diào)
節(jié)通過改變脈寬完成。
根據(jù)一種實(shí)施方式，本發(fā)明提供了一種具有可選擇的功率模式的功率 系統(tǒng)。該功率系統(tǒng)包括用于輸出能量的第一端子，該第一端子被電耦合到
負(fù)載。該系統(tǒng)還包括脈沖頻率調(diào)制組件(PFM)，該脈沖頻率調(diào)制組件被 配置為基于負(fù)載來調(diào)節(jié)脈沖頻率。該系統(tǒng)還包括脈寬調(diào)制(PWM)組件， 該脈寬調(diào)制組件被配置為基于負(fù)載來調(diào)節(jié)脈寬。該系統(tǒng)還包括被電耦合到 第--端子的開關(guān)。另外，該系統(tǒng)包括控制組件，該控制組件被配置為提供 控制信號(hào)，該控制信號(hào)能夠使開關(guān)被接通或者關(guān)斷。如果輸出大于預(yù)定 值，則控制信號(hào)與PWM組件的輸出以及脈寬相關(guān)聯(lián)。如果輸出小于預(yù)定 值，則控制信號(hào)與PFM組件的輸出以及脈沖頻率相關(guān)聯(lián)。
根據(jù)另一種實(shí)施方式，本發(fā)明提供了一種用于提供功率的方法。該方 法包括從輸入源接收功率輸入。該方法還包括向負(fù)載遞送功率輸出。該方 法還包括測(cè)量反饋電壓，該反饋電壓與負(fù)載的輸出電壓相關(guān)聯(lián)。該方法還 包括將反饋電壓與第一閾值電壓進(jìn)行比較。該方法還包括如果反饋電壓
高于第一閾值電壓，則使用脈寬調(diào)制來遞送功率。該方法還包括如果反
饋電壓低于第一閾值電壓，則使用脈沖頻率調(diào)制來遞送功率。另外，該方
法包括如果反饋電壓低于第二閾值電壓，則終止對(duì)負(fù)載的功率輸出。
根據(jù)另一種實(shí)施方式，本發(fā)明提供了一種用于使用脈沖頻率調(diào)制輸出 功率的裝置。該裝置包括輸入，該輸入用于接收反饋信號(hào)。該裝置還包括 脈沖發(fā)生器。該脈沖發(fā)生器被配置為以基本恒定的頻率生成脈沖。另外， 該裝置包括振蕩器，該振蕩器被配置為提供包含頻率特征的輸出信號(hào)，該 頻率與反饋信號(hào)相關(guān)聯(lián)。另外，該裝置包括邏輯組件，該邏輯組件被配置 為至少基于脈沖和輸出信號(hào)來提供控制信號(hào)。
通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)的許多好處。在某些實(shí)施方式中，該 方法提供了向輕負(fù)載和重負(fù)載兩者提供功率的具有高能量效率并且高性能 的方式。通過實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施方式，減少了在功率切換過程期間浪費(fèi)的能量的量，并且還減少了切換時(shí)間。另外，該方法提供了與傳統(tǒng)處理技術(shù) 相兼容且無需對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)備和過程進(jìn)行重大修改的過程。取決于實(shí)施方 式，可以實(shí)現(xiàn)這些好處中的一個(gè)或多個(gè)。這些以及其他的好處將在整個(gè)說 明書中得到更詳細(xì)的描述。
參考具體實(shí)施方式
和后續(xù)附圖，可以更加充分地理解本發(fā)明的各種其 他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。
圖1是圖示傳統(tǒng)的反激式開關(guān)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示圖。
圖2是圖示另一傳統(tǒng)的反激式開關(guān)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示圖。
圖3是圖示傳統(tǒng)系統(tǒng)的輸出的簡(jiǎn)化示圖。
圖4是圖示本發(fā)明的一種實(shí)施方式的簡(jiǎn)化示圖。
圖5是圖示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的PWM組件的簡(jiǎn)化示圖。
圖6是圖示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的PWM組件的輸出的簡(jiǎn)化時(shí)序圖。
圖7是圖示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的PFM調(diào)制設(shè)備的簡(jiǎn)化示圖。 圖8是圖示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的壓控振蕩器的簡(jiǎn)化示圖。 圖9是圖示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的用于實(shí)現(xiàn)壓控振蕩器的電路的 簡(jiǎn)化示圖。
圖IO是圖示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式由PFM模塊生成的波形的時(shí)序圖。
圖11是圖示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的功率系統(tǒng)的另一種實(shí)施方式 的簡(jiǎn)化示圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及集成電路。更具體地說，本發(fā)明可被應(yīng)用于用來控制電源 的設(shè)備。根據(jù)各種實(shí)施方式，本發(fā)明提供了各種功率控制方案來提高系統(tǒng) 的穩(wěn)定性和性能。僅作為示例，本發(fā)明可被用于以下功率系統(tǒng)，該功率系 統(tǒng)可以選擇性地基于工作條件(例如輸出功率電平、功率消耗等等)工作
8發(fā)明具有廣泛的應(yīng)用。
如上所述，傳統(tǒng)的系統(tǒng)經(jīng)常是不合適的。例如，如圖1所示的系統(tǒng) 100實(shí)現(xiàn)起來常常是昂貴的(例如，由于開關(guān)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的增加成本)
并且低效的。相比之下，如圖2所示的系統(tǒng)200實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)便宜，因?yàn)?在系統(tǒng)100的次級(jí)側(cè)中使用的各種組件在系統(tǒng)200中被簡(jiǎn)化和/或除去。例 如，系統(tǒng)200的制造成本減少使得該系統(tǒng)可被廣泛適用于各種應(yīng)用，例如 用于手持設(shè)備、蜂窩式電話等等。
雖然系統(tǒng)200提供了某些優(yōu)于系統(tǒng)100的優(yōu)點(diǎn)，其仍然經(jīng)常不適用于 各種應(yīng)用。系統(tǒng)200等尤其經(jīng)常不能夠提供恒定的輸出電壓和/或電流。
圖3是圖示傳統(tǒng)系統(tǒng)的輸出的簡(jiǎn)化示圖。例如，傳統(tǒng)系統(tǒng)是系統(tǒng)200 或者與系統(tǒng)200基本類似的系統(tǒng)。如圖3所示，輸出電壓如上所述被保持 穩(wěn)定。但是，當(dāng)輸出電壓低于閾值電壓(Vthl)時(shí)，難于使輸出電流保持 恒定。結(jié)果，輸出是非線性的并且因而不合乎許多應(yīng)用的需要。
因此，應(yīng)當(dāng)意識(shí)到各種實(shí)施方式提供了能夠提供基本線性的功率遞送 和高效的能量消耗的符合成本效益的解決方案。
根據(jù)某些實(shí)施方式，本發(fā)明提供了一種技術(shù)，其中功率系統(tǒng)通過脈沖 頻率調(diào)制來遞送能量，該技術(shù)的細(xì)節(jié)在下面給出。
對(duì)于工作在非連續(xù)電流模式(DCM)下的典型的反激式開關(guān)功率轉(zhuǎn)換 系統(tǒng)，遞送給次級(jí)側(cè)輸出的功率可以如在以下等式中表示
s-會(huì).VC尸r (3) 最大功率P被表示為
p — =y / ./2 =|/ ./ 〖4)
在等式4中，/是開關(guān)頻率。r是開關(guān)周期。Lp是初級(jí)繞組的電感。 是接通時(shí)間結(jié)束時(shí)的初級(jí)繞組峰值電流。
在電壓調(diào)節(jié)(恒定電壓)模式下，峰值電流受反饋信號(hào)控制，Vout相 對(duì)期望電壓的誤差被放大，并且該誤差控制PWM脈寬并從而控制開關(guān)的 接通時(shí)間。通過閉環(huán)反饋來調(diào)節(jié)輸出電壓。
在恒流模式下，在初級(jí)側(cè)(例如，在功率系統(tǒng)的初級(jí)電感器處)受控 的轉(zhuǎn)換器中并不感測(cè)輸出電流。在各種實(shí)施方式中，通過不同方式執(zhí)行電
9流調(diào)節(jié)。根據(jù)特定實(shí)施方式，通過調(diào)節(jié)不同輸出電壓電平處的峰值電流水 平來完成功率調(diào)節(jié)。例如，功率調(diào)節(jié)被表示如下
如圖5所示，峰值電流在輸出電壓增大時(shí)增大，從而使輸出電流維持 恒定。
根據(jù)另一種實(shí)施方式，通過調(diào)制開關(guān)頻率來進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。例如，頻 率調(diào)制被表示如下-
如式6所示，峰值電流在輸出電壓變化時(shí)保持不變。對(duì)于給定的輸出 電流(/oW)，開關(guān)頻率隨著輸出電壓而增大，而輸出電流保持恒定。例 如，等式6說明了PFM技術(shù)的工作原理。
通常，與根據(jù)等式6的功率調(diào)節(jié)方法相比，根據(jù)等式5的功率調(diào)節(jié)更 加難于實(shí)現(xiàn)。更具體地說，根據(jù)等式5的功率調(diào)節(jié)是非線性函數(shù)(平方 根)，因此實(shí)現(xiàn)起來較復(fù)雜。相比之下，根據(jù)等式6的功率調(diào)節(jié)方法是線 性函數(shù)，并且因而相對(duì)易于實(shí)現(xiàn)。更具體地說，根據(jù)等式6的功率調(diào)節(jié)方 法在輸出電壓電平低于某一閾值電壓時(shí)一般是有用的。
圖4是本發(fā)明的一種實(shí)施方式的簡(jiǎn)化示圖。該示圖僅是示例，其不應(yīng) 不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求書的范圍。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到許多變 化、替代和修改。
如圖4所示，功率系統(tǒng)400包括以下組件
1. 初級(jí)繞組402;
2. 輔助繞組403;
3. 輸入電壓404;
4. MUX選擇器405;
5. PFM組件406;
6. PWM組件407;
7. 模式選擇器408;
8. 閾值電壓409;
109. 誤差放大器410;
10. 電阻器411和412;
11. 電容器413;
12. 開關(guān)415;
13. UVLO組件416;
14. 柵極驅(qū)動(dòng)器414;以及
15. 輸出417。
在工作期間，系統(tǒng)400從輸入電壓404接收功率。系統(tǒng)400基于輸出 負(fù)載來設(shè)置輸出功率電平并且提供輸出417。如圖4所示，系統(tǒng)400包括 初級(jí)繞組402和輔助繞組403。初級(jí)繞組402用于向輸出417遞送功率。 輔助繞組403用于獲得系統(tǒng)400的反饋信號(hào)，以便設(shè)置輸出功率電平。系 統(tǒng)400通過操作開關(guān)415來設(shè)置輸出電平。例如，開關(guān)415由功率 MOSFET來實(shí)現(xiàn)。取決于具體應(yīng)用，開關(guān)415可由其他類型的開關(guān)組件 (例如BJT等)來實(shí)現(xiàn)。
系統(tǒng)400通過功率控制組件401來設(shè)置功率電平。根據(jù)各種實(shí)施方 式，系統(tǒng)400在PFM模式和PWM模式下都能夠工作。當(dāng)系統(tǒng)400在 PFM模式下工作時(shí)，功率控制組件401基于輸出負(fù)載狀況以具有恒定脈寬 的各種頻率接通和關(guān)斷開關(guān)415。當(dāng)系統(tǒng)400在PWM模式下工作時(shí)，功 率控制組件401基于輸出負(fù)載狀況以不同的"接通"時(shí)間接通開關(guān)415。 系統(tǒng)400基于輸出負(fù)載狀況在PFM模式與PWM模式之間切換。例如，當(dāng) 輸出電壓高于閾值電平時(shí)，系統(tǒng)400在PWM模式下工作。另一方面，當(dāng) 輸入電壓等于或者低于閾值電平時(shí)，系統(tǒng)400在PFM模式下工作。例
如，當(dāng)在PFM模式下工作時(shí)，輸出電流保持恒定，如上面所說明的。
控制組件401通過經(jīng)由輔助繞組403感測(cè)負(fù)載來確定工作模式。如圖 4所示，功率遞送和反饋感測(cè)特征都是使用電感器件(即電感器)來實(shí)現(xiàn) 的。但是應(yīng)當(dāng)理解，也可使用其他類型的電氣器件。輔助繞組403被與第 二側(cè)繞組耦合。結(jié)果，輸出電壓可被近似地映射到輔助繞組。在特定實(shí)施 方式中，輔助繞組中的電壓還作為控制組件401的電源。整流和衰減之后 的電壓還被反饋到FB引腳中，作為控制組件401的控制信號(hào)。反饋電壓是通過輔助繞組403和電容器413以及電阻器412和411得 到的。例如，反饋電壓與輸出負(fù)載狀況相關(guān)聯(lián)。根據(jù)一種實(shí)施方式，反饋 電壓被電容器413以及電阻器412和411穩(wěn)定。例如，電容器413被用于 環(huán)路穩(wěn)定，并且FB處的電壓是一個(gè)與輸出417處的輸出電壓近似成比例 的DC電壓。僅作為示例，電阻器412與411之間的分壓被包括電阻分壓 器和電容器413的RC濾波器平均，并且這個(gè)分壓與輸出電壓成比例。
如圖所示，控制組件401被配置為提供兩種工作模式PFM模式和 PWM模式。例如，當(dāng)初始輸出電壓小于預(yù)定電壓電平時(shí)，功率轉(zhuǎn)換需要 在恒流(CC)模式下工作。FB處的衰減反饋信號(hào)被分別饋送到誤差放大 器(EA) 410和PFM組件406。當(dāng)FB信號(hào)低于EA的基準(zhǔn)電壓時(shí)，EA的 輸出將被拉升為高電壓電平，從而使模式選擇器輸出選擇PFM組件406 以進(jìn)行功率控制的信號(hào)。例如，PFM組件406控制開關(guān)415的接通和關(guān) 斷。在PFM模式下，F(xiàn)B處的反饋電壓被提供給EA 410的輸入。反饋電 壓在輸出電壓增大時(shí)逐漸地增大(例如，由于負(fù)載狀況的增大)。當(dāng)節(jié)點(diǎn) FB處的反饋電壓接近于EA410的基準(zhǔn)電壓時(shí)，EA的輸出降落到比預(yù)定 電壓更低的電平，從而使模式選擇器408禁用PFM工作模式并且使能 PWM工作模式。在PWM工作模式下，PWM組件407控制開關(guān)415的接 通/關(guān)斷。另外，當(dāng)在PWM模式下工作時(shí)，系統(tǒng)400還根據(jù)恒定電壓 (CV)模式工作。
圖5是圖示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的PWM組件的簡(jiǎn)化示圖。該示 圖僅是一個(gè)示例，其不應(yīng)不恰當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求書的范圍。本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到許多變化、替代和修改。如圖5所示，PWM組件506包 括以下組件
1. 輸出501;
2. 邏輯組件502和503;
3. PWM比較器504;以及
4. 輸入505、 506、 507、 508和509。
應(yīng)當(dāng)意識(shí)到可以基于具體應(yīng)用添加、去除、替換組件500的配置和部 件。作為示例，邏輯組件503是觸發(fā)器(flip-flop)并且邏輯組件502是
12"與"(AND)門。PWM比較器504基于輸入505和506處的值生成并 輸出Comp—out。例如，PWM比較器504的輸出是基于輸入505與506之 間的差異的，從而允許PWM組件500基于反饋輸出信號(hào)(EA_out) 506 來調(diào)節(jié)脈寬。根據(jù)一種實(shí)施方式，邏輯組件基于輸入509生成輸出501， 其提供了脈沖的時(shí)鐘頻率。PWM比較器504的輸出以及輸入507和508 確定了每個(gè)脈沖的寬度。作為示例，輸入507是由PFM組件提供的，而 輸入508是由UVLO組件提供的。
圖6是圖示根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的PWM組件的輸出的簡(jiǎn)化時(shí) 序圖。該示圖僅是一個(gè)示例，其不應(yīng)不恰當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求書的范圍。本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到許多變化、替代和修改。如圖所示，PWM信 號(hào)與固定頻率相關(guān)聯(lián)，并且脈寬是基于將電流傳感信號(hào)的峰值與EA的輸 出電壓進(jìn)行比較的結(jié)果的。
現(xiàn)在返回參考圖4。 PFM組件406被與PWM組件一起實(shí)現(xiàn)以提供脈 沖頻率調(diào)制。圖7是圖示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的PFM調(diào)制設(shè)備的簡(jiǎn) 化示圖。該示圖僅是一個(gè)示例，其不應(yīng)不恰當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求書的范圍。 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到許多變化、替代和修改。如圖7所示，PFM 模塊700包括壓控振蕩器(VCO) 704、選擇器705、比較器703、邏輯門 702和觸發(fā)器701。
如框710中所示的組件被用于生成恒定脈寬。VCO 704的輸出被用作 角蟲發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)。例如，VCO 704生成用于使PFM信號(hào)同歩的日寸鐘信 號(hào)。VCO的輸出704是基于來自輸入712的反饋電壓而變化的時(shí)鐘頻率。 當(dāng)反饋電壓較高時(shí)，時(shí)鐘頻率較高。另一方面，當(dāng)反饋電壓較低時(shí)，時(shí)鐘 頻率較低。高反饋電壓尤其一般指示高負(fù)載狀況。因此增大向負(fù)載遞送功 率的脈沖的頻率是重要的。另一方面，如果反饋電壓較低，這一般是負(fù)載 狀況較低的指示；從而與用于功率遞送的脈沖相關(guān)聯(lián)的頻率將會(huì)降低。根 據(jù)一種實(shí)施方式，當(dāng)負(fù)載狀況低于欠電壓鎖定(lock-out)閾值電壓時(shí)，
PFM模塊700處的PFM調(diào)制被關(guān)閉。
圖8是圖示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的壓控振蕩器的簡(jiǎn)化示圖。該示 圖僅是一個(gè)示例，其不應(yīng)不恰當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求書的范圍。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到許多變化、替代和修改。如圖所示，VCO 800包括電壓-電 流轉(zhuǎn)換器801和流控振蕩器802。流控振蕩器802生成一時(shí)鐘信號(hào)，該時(shí) 鐘信號(hào)的頻率與反饋電壓803有直接關(guān)系。例如，當(dāng)反饋電壓較高時(shí)(即 高負(fù)載狀況)，時(shí)鐘頻率較高。另一方面，當(dāng)負(fù)載狀況較低時(shí)，時(shí)鐘頻率 較低。應(yīng)當(dāng)理解，VCO 800可以使用其他組件來實(shí)現(xiàn)。
圖9是圖示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式用于實(shí)現(xiàn)壓控振蕩器的電路的簡(jiǎn) 化示圖。該示圖僅是一個(gè)示例，其不應(yīng)不恰當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求書的范圍。 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到許多變化、替代和修改。如圖9所示，壓控 振蕩器(VCO) 900是使用多個(gè)模擬和邏輯組件實(shí)現(xiàn)的。如圖9所示， VCO 900基于工作模式和反饋基準(zhǔn)電壓來提供時(shí)鐘輸出信號(hào)。
如圖所示的框710內(nèi)的各種組件被用于提供恒定脈寬。根據(jù)各種實(shí)施 方式，每個(gè)脈沖可以將功率開關(guān)(例如系統(tǒng)400中的開關(guān)415)接通基本 相同數(shù)量的時(shí)間，從而允許恒定脈沖寬度的能量被遞送。如圖7所示，恒 定脈沖是基于輸入709、 713和711的。例如，脈寬與感測(cè)到的電流(即 感測(cè)到的與負(fù)載和反饋狀況相關(guān)聯(lián)的電流)相關(guān)。由框710中的組件所生 成的恒定脈沖尤其使得可以精確地控制將被遞送到負(fù)載的功率量。FB處 的電壓被轉(zhuǎn)換為電流，然后該電流被注入振蕩器以控制振蕩頻率。所生成 的時(shí)鐘CLK被用于觸發(fā)功率開關(guān)的接通。例如，接通時(shí)間是由PFM比較
器決定的。
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圖。該示圖僅是一個(gè)示例，其不應(yīng)不恰當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求書的范圍。本領(lǐng)
域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到許多變化、替代和修改。如在圖10 (a)中可 見，PFM輸出的特征在于恒定的脈寬。遞送給負(fù)載的功率的量是由時(shí)鐘信 號(hào)控制的，時(shí)鐘信號(hào)又是基于反饋電壓的。例如，應(yīng)用了 PFM比較器， 其中感測(cè)到的電流信號(hào)被與預(yù)定的閾值電平進(jìn)行比較。 一旦感測(cè)到的電流 信號(hào)超過閾值電平，則比較器的輸出發(fā)生改變以關(guān)斷功率開關(guān)。結(jié)果，脈 寬是基于預(yù)定閾值電平和感測(cè)到的電流信號(hào)的斜率的。例如，因?yàn)榇鎯?chǔ)在 初級(jí)側(cè)繞組的電感器中的能量的量與峰值電流(其與閾值電平相等)相關(guān) 聯(lián)，所以存儲(chǔ)在初級(jí)側(cè)繞組的電感器中的能量對(duì)于每個(gè)周期都是恒定的。轉(zhuǎn)移到次級(jí)側(cè)的功率取決于開關(guān)頻率，開關(guān)頻率受反饋電壓控制。
如圖10 (b)所示，控制脈沖頻率的時(shí)鐘速度與反饋電壓有直接關(guān)系 (即負(fù)載狀況的函數(shù))。
一旦反饋電壓到達(dá)閾值電壓電平(即如圖10
(b)所示的Vref)，脈沖頻率的時(shí)鐘速度就保持在預(yù)定電平。例如，--旦到達(dá)閾值電壓，功率系統(tǒng)(例如，圖4中的功率系統(tǒng)400)就切換到脈 寬調(diào)制模式。
現(xiàn)在返回參考圖4。控制組件401還包括用于提供欠電壓鎖定 (UVLO)的UVLO組件416，其可能使系統(tǒng)400關(guān)閉并重新開始。取決 于應(yīng)用，用于觸發(fā)UVLO組件416的工作的閾值電壓可被改變。
總而言之，系統(tǒng)400取決于負(fù)載狀況而在PWM模式或者PFM模式下 工作。更具體地說，系統(tǒng)400在負(fù)載狀況較高時(shí)在PWM模式下工作并在 負(fù)載狀況較低時(shí)在PFM模式下工作。在必要時(shí)，UVLO組件416被用于提 供所需要的欠電壓鎖定。應(yīng)當(dāng)理解，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以有多種變化。
圖11是圖示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的另一實(shí)施方式的電源系統(tǒng)的 簡(jiǎn)化示圖。該示圖僅是一個(gè)示例，其不應(yīng)不恰當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求書的范 圍。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到許多變化、替代和修改。
如圖11所示，電源系統(tǒng)1100包括以下組件
1. 初級(jí)繞組1102;
2. 輔助繞組1103;
3. 輸入電壓1104;
4. MUX選擇器1105;
5. PFM組件1106;
6. PWM組件1107;
7. 模式選擇器1108;
8. 閾值電壓1109;
9. 誤差放大器1110;
10. 電阻器1111和1112;
11. 電容器1113;
12. 開關(guān)1115;
1513. UVLO組件1116;
14. 柵極驅(qū)動(dòng)器1114;以及
15. 輸出1117。
在工作期間，系統(tǒng)1100從輸入電壓1104接收功率。系統(tǒng)1100基于輸 出負(fù)載來設(shè)置輸出功率電平并且提供輸出1117。如圖ll所示，系統(tǒng)1100 包括初級(jí)繞組1102和輔助繞組1103。初級(jí)繞組1102被用于向輸出1117 遞送功率。輔助繞組1103被用于獲得系統(tǒng)1100的反饋信號(hào)以設(shè)置輸出功 率電平。系統(tǒng)IIOO通過操作開關(guān)1115來設(shè)置輸出電平。例如，開關(guān)1115 是由功率MOSFET實(shí)現(xiàn)的。取決于具體的應(yīng)用，開關(guān)1U5可由其他類型 的開關(guān)組件(例如BJT等)實(shí)現(xiàn)。
系統(tǒng)IIOO通過功率控制組件1101來設(shè)置功率電平。根據(jù)各種實(shí)施方 式，系統(tǒng)1100在PFM模式和PWM模式下都能夠工作。當(dāng)系統(tǒng)1100在 PFM模式下工作時(shí)，功率控制組件1101基于輸出負(fù)載狀況以各種頻率接 通和關(guān)斷開關(guān)1115。當(dāng)系統(tǒng)IIOO在PWM模式下工作時(shí)，功率控制組件 1101基于輸出負(fù)載狀況以不同的"接通"時(shí)間接通開關(guān)1115。系統(tǒng)1100 基于輸出負(fù)載狀況在PFM模式與PWM模式之間切換。例如，當(dāng)輸出電壓 高于閾值電平時(shí)，系統(tǒng)IIOO在PWM模式下工作。另一方面，當(dāng)輸出電壓 等于或者低于閾值電平時(shí)，系統(tǒng)1100在PFM模式下工作。例如，當(dāng)在 PFM模式下工作時(shí)，輸出電流保持恒定，如上面所說明的。
控制組件1101通過經(jīng)由輔助繞組1103感測(cè)負(fù)載來確定工作牛莫式。如 圖11所示，功率遞送和反饋感測(cè)特征都是使用電感器件(即電感器)來 實(shí)現(xiàn)的。但是應(yīng)當(dāng)理解，也可使用其他類型的電氣器件。輔助繞組1103 被與第二側(cè)繞組耦合。結(jié)果，輸出電壓可被近似地映射到輔助繞組。在特 定實(shí)施方式中，輔助繞組中的電壓還作為控制組件1101的電源。整流和 衰減之后的電壓還被反饋到FB引腳中，作為控制組件1101的控制信號(hào)。
反饋電壓是通過輔助繞組1103和電容器1113以及電阻器1112和 1111得到的。例如，反饋電壓與輸出負(fù)載狀況相關(guān)聯(lián)。根據(jù)一種實(shí)施方 式，反饋電壓被電容器1113及電阻器1112禾n 1111穩(wěn)定。例如，電容器 1113用于環(huán)路穩(wěn)定，并且FB處的電壓是一個(gè)與輸出1117處的輸出電壓近
16似成比例的DC電壓。僅作為示例，電阻器1112與1111之間的分壓被包
括電阻分壓器和電容器1113的RC濾波器平均，并且這個(gè)分壓與輸出電壓
成比例。
如圖所示，控制組件1101被配置為提供兩種工作模式PFM模式和 PWM模式。例如，當(dāng)初始輸出電壓小于預(yù)定電壓電平時(shí)，功率轉(zhuǎn)換需要 在恒流(CC)模式下工作。FB處的衰減反饋信號(hào)被分別饋送到誤差放大 器(EA) lllO和PFM組件1106中。當(dāng)FB信號(hào)低于EA的基準(zhǔn)電壓時(shí)， EA的輸出將被拉升為高電壓電平，從而使模式選擇器輸出選擇PFM組件 1106來進(jìn)行功率控制的信號(hào)。例如，PFM組件1106控制開關(guān)1115的接通 和關(guān)斷。在PFM模式下，F(xiàn)B處的反饋電壓被提供給EA 1110的輸入。反 饋電壓在輸出電壓增大時(shí)(例如，由于負(fù)載狀況的增大)逐漸地增大。當(dāng) 節(jié)點(diǎn)FB處的反饋電壓接近于EA 1110的基準(zhǔn)電壓時(shí)，EA的輸出降落到比 預(yù)定電壓更低的電平，從而使模式選擇器1108禁用PFM工作模式并且使 能PWM工作模式。在PWM工作模式下，PWM組件1107控制開關(guān)1115 的接通/關(guān)斷。另外，當(dāng)在PWM模式下工作時(shí)，系統(tǒng)IIOO還根據(jù)恒定電 壓(CV)模式工作。
控制組件1101還包括用于提供欠電壓鎖定(UVLO)的UVLO組件 1116，其可能使系統(tǒng)IIOO關(guān)閉并重新開始。取決于應(yīng)用，用于觸發(fā) UVLO組件1116的工作的閾值電壓可被改變。作為示例，UVLO組件 1116受通電復(fù)位信號(hào)控制。
總而言之，系統(tǒng)1100取決于負(fù)載狀況而在PWM模式或者PFM模式 下工作。更具體地說，系統(tǒng)IIOO在負(fù)載狀況較高時(shí)在PWM模式下工作并 且在負(fù)載狀況較低時(shí)在PFM模式下工作。在必要時(shí)，UVLO組件1116被 用于提供欠電壓鎖定。應(yīng)當(dāng)理解，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以有多種變化。
根據(jù)一種實(shí)施方式，本發(fā)明提供了一種具有可選擇的功率模式的功率 系統(tǒng)。該功率系統(tǒng)包括用于輸出能量的第一端子，該第一端子被電耦合到 負(fù)載。該系統(tǒng)還包括脈沖頻率調(diào)制組件(PFM)，該脈沖頻率調(diào)制組件被 配置為基于負(fù)載來調(diào)節(jié)脈沖頻率。該系統(tǒng)還包括脈寬調(diào)制(PWM)組件， 該脈寬調(diào)制組件被配置為基于負(fù)載來調(diào)節(jié)脈寬。該系統(tǒng)還包括被電耦合到
17第一端子的開關(guān)。另外，該系統(tǒng)包括控制組件，該控制組件被配置為提供 控制信號(hào)，該控制信號(hào)能夠使開關(guān)被接通或者關(guān)斷。如果輸出大于預(yù)定 值，則控制信號(hào)與PWM組件的輸出以及脈寬相關(guān)聯(lián)。如果輸出小于預(yù)定
值，則控制信號(hào)與PFM組件的輸出以及脈沖頻率相關(guān)聯(lián)。例如，該實(shí)施 方式根據(jù)圖4和ll得到例示。
根據(jù)另一種實(shí)施方式，本發(fā)明提供了一種用于提供功率的方法。該方 法包括從輸入源接收功率輸入。該方法還包括向負(fù)載遞送功率輸出。該方 法還包括測(cè)量反饋電壓，該反饋電壓與負(fù)載的輸出電壓相關(guān)聯(lián)。該方法還
包括將反饋電壓與第一閾值電壓進(jìn)行比較。該方法還包括如果反饋電壓 高于第一閾值電壓，則使用脈寬調(diào)制來遞送功率。該方法還包括如果反 饋電壓低于第一閾值電壓，則使用脈沖頻率調(diào)制來遞送功率。另外，該方 法包括如果反饋電壓低于第二閾值電壓，則終止對(duì)負(fù)載的功率輸出。例 如，該實(shí)施方式根據(jù)圖4得到例示。
根據(jù)另一種實(shí)施方式，本發(fā)明提供了一種用于使用脈沖頻率調(diào)制輸出 功率的裝置。該裝置包括輸入，該輸入用于接收反饋信號(hào)。該裝置還包括 脈沖發(fā)生器。該脈沖發(fā)生器被配置為生成恒定頻率的脈沖。另外，該裝置 包括振蕩器，該振蕩器被配置為提供包含頻率特征的輸出信號(hào)，該頻率與 反饋信號(hào)相關(guān)聯(lián)。另外，該裝置包括邏輯組件，該邏輯組件被配置為至少
基于脈沖和輸出信號(hào)來提供控制信號(hào)。例如，該實(shí)施方式根據(jù)圖7-9得到例示。
通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)的許多好處。在某些實(shí)施方式中，這 些方法提供了向輕負(fù)載和重負(fù)載兩者提供功率的具有高能量效率并且高性 能的方式。通過實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施方式，減少了在功率切換過程期間浪費(fèi) 的能量的量，并且也減少了切換時(shí)間。另外，該方法提供了與傳統(tǒng)處理技 術(shù)相兼容且無需對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)備和過程進(jìn)行重大修改的過程。取決于實(shí)施方 式，可以實(shí)現(xiàn)這些好處中的一個(gè)或多個(gè)。
雖然己經(jīng)描述了本發(fā)明的特定實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理 解，存在與所述實(shí)施方式等價(jià)的其他實(shí)施方式。因此，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不 受所示的特定實(shí)施方式限制，而是僅受所附權(quán)利要求書限制。
18
權(quán)利要求
1.一種具有可選擇的功率模式的功率系統(tǒng)，該功率系統(tǒng)包括用于輸出能量的第一端子，該第一端子被電耦合到負(fù)載；脈沖頻率調(diào)制組件，該脈沖頻率調(diào)制組件被配置為基于所述負(fù)載來調(diào)節(jié)脈沖頻率；脈寬調(diào)制組件，該脈寬調(diào)制組件被配置為基于所述負(fù)載來調(diào)節(jié)脈寬；被電耦合到所述第一端子的開關(guān)；以及控制組件，該控制組件被配置為提供控制信號(hào)，該控制信號(hào)能夠使所述開關(guān)被接通或者關(guān)斷；其中如果輸出大于預(yù)定值，則所述控制信號(hào)與所述脈寬調(diào)制組件的輸出以及脈寬相關(guān)聯(lián)；如果所述輸出小于所述預(yù)定值，則所述控制信號(hào)與所述脈沖頻率調(diào)制組件的輸出以及脈沖頻率相關(guān)聯(lián)。
2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述脈寬調(diào)制組件的輸出與恒定頻率相關(guān)聯(lián)。
3. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述脈沖頻率調(diào)制組件的輸出與恒定脈寬相關(guān)聯(lián)。
4. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，如果所述輸出等于所述預(yù)定值，則所述控制信號(hào)與所述脈沖頻率調(diào)制組件的輸出以及所述脈沖頻率相關(guān)聯(lián)。
5. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，如果所述輸出大于預(yù)定值，則所述功率系統(tǒng)根據(jù)恒壓模式工作。
6. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，如果所述輸出小于預(yù)定值，則所述功率系統(tǒng)根據(jù)恒流模式工作。
7. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，還包括欠電壓鎖定組件。
8. 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述欠電壓鎖定組件受通電復(fù)位信號(hào)控制。
9. 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述欠電壓鎖定組件受反饋信 號(hào)控制。
10. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述脈沖頻率調(diào)制組件包括壓 控振蕩器。
11. 一種用于提供功率的方法，該方法包括 從輸入源接收功率輸入； 向負(fù)載遞送功率輸出；測(cè)量反饋電壓，該反饋電壓與所述負(fù)載的輸出電壓相關(guān)聯(lián)； 將所述反饋電壓與第一閾值電壓進(jìn)行比較；如果所述反饋電壓高于所述第一閾值電壓，則使用脈寬調(diào)制來遞送功率；如果所述反饋電壓低于所述第一閾值電壓，則使用脈沖頻率調(diào)制來遞 送功率；以及如果所述反饋電壓低于第二閾值電壓，則終止對(duì)所述負(fù)載的功率輸出。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述終止所述功率輸出的歩 驟包括欠電壓鎖定過程。
13. 如權(quán)利要求ll所述的方法，還包括放大所述輸出電壓。
14. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述使用脈寬調(diào)制來遞送功 率的步驟包括調(diào)制功率控制信號(hào)的脈寬，所述功率控制信號(hào)與預(yù)定頻率相 關(guān)聯(lián)。
15. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述使用脈沖頻率調(diào)制來遞 送功率的步驟包括調(diào)制功率控制信號(hào)的脈沖頻率，所述功率控制信號(hào)與預(yù) 定脈寬相關(guān)聯(lián)。
16. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述使用脈沖頻率調(diào)制來遞 送功率的步驟包括基于脈沖頻率使開關(guān)接通和關(guān)斷。
17. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述使用脈寬調(diào)制來遞送功 率的步驟包括基于脈寬使開關(guān)接通和關(guān)斷。
18. —種用于使用脈沖頻率調(diào)制輸出功率的裝置，該裝置包括輸入，該輸入用于接收反饋信號(hào)；脈沖發(fā)生器，該脈沖發(fā)生器被配置為以基本恒定的頻率生成脈沖； 振蕩器，該振蕩器被配置為提供包含頻率特征輸出信號(hào)，該頻率與所述反饋信號(hào)相關(guān)聯(lián)；邏輯組件，該邏輯組件被配置為至少基于所述脈沖和所述輸出信號(hào)來提供控制信號(hào)。
19. 如權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述振蕩器包括壓控振蕩器。
20. 如權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述振蕩器包括流控振蕩器。
21. 如權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述邏輯組件包括觸發(fā)器。
22. 如權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述邏輯組件包括"與"門。
23. 如權(quán)利要求18所述的裝置，還包括輸入電壓，該輸入電壓與預(yù) 定基準(zhǔn)電壓相關(guān)聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明公開了具有多個(gè)模式的用于高效功率控制的方法和系統(tǒng)。根據(jù)一種實(shí)施方式，本發(fā)明提供了一種具有可選擇的功率模式的功率系統(tǒng)。該功率系統(tǒng)包括用于輸出能量的第一端子，該第一端子被電耦合到負(fù)載。該系統(tǒng)還包括脈沖頻率調(diào)制組件(PFM)，該P(yáng)FM組件被配置為基于負(fù)載來調(diào)節(jié)脈沖頻率。該系統(tǒng)還包括脈寬調(diào)制(PWM)組件，該P(yáng)WM組件被配置為基于負(fù)載來調(diào)節(jié)脈寬。該系統(tǒng)還包括被電耦合到第一端子的開關(guān)。另外，該系統(tǒng)包括控制組件，該控制組件被配置為提供控制信號(hào)，該控制信號(hào)能夠使開關(guān)被接通或者關(guān)斷。如果輸出大于預(yù)定值，則控制信號(hào)與PWM組件的輸出以及脈寬相關(guān)聯(lián)。如果輸出小于預(yù)定值，則控制信號(hào)與PFM組件的輸出以及脈沖頻率相關(guān)聯(lián)。
文檔編號(hào)H02M3/335GK101515756SQ200810033749
公開日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2008年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月18日
發(fā)明者張秀紅, 方烈義, 曹亞明, 臻 朱 申請(qǐng)人:昂寶電子(上海)有限公司