專利名稱：開關(guān)穩(wěn)壓系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)穩(wěn)壓器，特別涉及開關(guān)穩(wěn)壓器在高低負載電流情況下的控制。
背景技術(shù)：
當需要更高效、更小型化、更輕量化和電池壽命延時更長時，開關(guān)穩(wěn)壓器被用來代 替線性穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器最普遍的控制原理是脈寬調(diào)制(PWM)。這種控制利用固定頻率 而改變占空比來響應負載電流的變化。這種控制在重載情況下，可以獲得好的調(diào)整性、低的 噪聲頻譜和高效率，但在輕載情況下(負載電流低時)，PWM模式由于開關(guān)損耗和高靜態(tài)電 流而效率低下?，F(xiàn)有技術(shù)中，輕載情況下，已有提高開關(guān)穩(wěn)壓器效率的方法。為了降低開關(guān)損耗， 輕載情況下，開關(guān)頻率可以降低，周期可以跳躍，或者進入低壓差模式。然而，這些技術(shù)方案 仍然不能降低靜態(tài)電流。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種開關(guān)穩(wěn)壓器的控制方法，可以基于負載情況在兩種運 行模式之間自動地切換，這兩種模式可以使開關(guān)穩(wěn)壓器在寬負載范圍內(nèi)獲得高效運行。本發(fā)明的另一個目的是提供一種開關(guān)穩(wěn)壓器的控制電路，以實現(xiàn)上述方法。本發(fā)明的控制方法的一個典型實施方式包括接收輸入信號；放大所述輸入信號得到放大信號；傳送所述放大信號給采樣電路得到采樣信號；傳送所述采樣信號給平均電路得到均值輸出信號；將均值輸出信號和第一預設閾值或第二預設閾值進行比較，得到PWM使能信號；基于所述PWM使能信號確定運行模式。本發(fā)明的控制電路的一個典型實施方式包括電流檢測放大器，采樣電路，平均電 路和模式控制信號產(chǎn)生器。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例中模式控制電路100的原理框圖；圖2是示出了圖1中模式控制電路100的不同信號的波形。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。當結(jié)合優(yōu)選的實施例來對本發(fā)明進行說明時，并不意味著將本發(fā)明限定為這些實 施例，相反，本發(fā)明覆蓋了可被包括在本發(fā)明及其權(quán)利要求的精神和范圍之內(nèi)的替換方案、 修改方案或等同方案。進一步而言，為了便于對本發(fā)明完全理解，隨后的具體實施例中，展示了眾多具體的細節(jié)。然而，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，無需這些細節(jié)也可以實現(xiàn)本發(fā) 明。另一方面，為了避免不必要的費解，本發(fā)明中沒有表述眾所周知的方法、步驟、組成部分 和電路參見圖1，顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的模式控制電路100的原理框圖。模式控 制電路100包括接收輸入電流IIN的電流檢測放大器隊，其輸出電流檢測信號IIN sns?；蛘撸?模式控制電路100也可以接收輸入電壓信號，但為了表述方便，流過模式控制電路100的信 號表述為電流信號形式，如IIN、IIN—sns，以及隨后表述的Isn—s。ut、I。ut—sns—av6，但它們也可以是電 壓信號形式，如VIN、VIN_sns, Vsns—。ut、V。ut—s 。即本實施例采用電流域進行闡述，而本領(lǐng) 域的技術(shù)人員應該意識到，本實施例也可以采用電壓域進行闡述。模式控制電路100進一 步包括采樣電路20、平均電路30、模式控制信號產(chǎn)生器10和開關(guān)禮。開關(guān)禮在模式控制 電路100處于非同步應用的正常運行期間處于全通狀態(tài)；在同步應用中，開關(guān)禮被周期性 地開通和斷開，以互補于低側(cè)開關(guān)M2。在一個實施例中，模式控制信號產(chǎn)生器10包括第一 開關(guān)Si、第二開關(guān)S2、第一反相器仏、第二反相器隊和比較器U。。進一步而言，圖1中的低 側(cè)開關(guān)M2和電感L是開關(guān)穩(wěn)壓器主電路的一部分。電流檢測放大器U0的輸出端耦接于采樣電路20的輸入端。采樣電路20的輸出 端耦接于平均電路30的輸入端。平均電路30的輸出端耦接于模式控制信號產(chǎn)生器10的 輸入端。模式控制信號產(chǎn)生器10的輸出端作為模式控制電路100的輸出端。一個實施例 中，比較器U。的反相輸入端作為模式控制信號產(chǎn)生器10的輸入端。比較器U。的輸出端耦 接于第一反相器仏的輸入端。第一反相器仏的輸出端耦接于第二反相器U2的輸入端。第 一反相器^的輸出端也作為模式控制信號產(chǎn)生器10的輸出端。第一開關(guān)Si的一端接收作為第一預設閾值的信號Mode_th，第二開關(guān)S2的一端接 收作為第二預設閾值的信號M0de_th+M0de_HyS。第一開關(guān)的另一端和第二開關(guān)S2的另 一端并接后與比較器U。的同相端耦接。第一開關(guān)Si受從第一反相器^輸出的信號PWMen 控制，而第二開關(guān)S2受從第二反相器U2輸出的信號PWMenb控制。比較器U。的輸入端極性并 不限于此處所述的連接方式，其可基于開關(guān)Sp S2和各閾值的控制極性變化而做適當調(diào)整 變換。主電路中的低側(cè)開關(guān)M2受信號BG控制，采樣電路20受信號BG_0FF控制。信號 BG和信號BG_0FF是相位互補的。當?shù)蛡?cè)開關(guān)M2開通時，采樣電路20處于去使能狀態(tài)；當 低側(cè)開關(guān)禮斷開時，采樣電路20被使能，使得在低側(cè)開關(guān)禮斷開期間，采樣電路20采樣通 過電流檢測放大器U0輸出的檢測信號IIN—sns。如上所述，當信號BG_0FF為高時，低側(cè)開關(guān)M2被斷開，采樣電路20被使能。輸入 電流IIN被電流檢測放大器u0檢測并放大。電流檢測放大器U0輸出的電流放大信號IIN—sns = A*IIN，其中A是電流檢測放大器UQ的增益系數(shù)。由于此時采樣電路20已被使能，電流 放大信號IIN—sns被送入采樣電路20。采樣電路20基于電流放大信號IIN—sns，提供采樣信號 Isns—。ut，其中采樣信號Isns—。ut是電流放大信號IIN—sns的采樣值，如圖1中的陰影區(qū)域所示。此 時，低側(cè)開關(guān)M2被斷開，輸入電流IIN即為負載電流IMAD。因此，采樣信號Isns。ut與負載電 流成比例。此后采樣信號IIN—。ut被輸送至平均電路30。平均電路30基于采樣信號IIN 。ut以提供均值輸出信號I。ut sns ave0所述均值輸出信號I。ut sns 被進一步輸送至模式控制信 號產(chǎn)生器10，使得模式控制— 信號產(chǎn)生器10基于均值輸出信號I。ut sns ave提供模式控制信號。在一個實施例中，均值輸出信號I。ut—sns—被輸送至比較器Uc反相輸入端。當比較器Uc的輸出為低時，信號PWMen為高，PWMenb為低，因而第一開關(guān)S1被導通， 第二開關(guān)S2被斷開，從而，第一預設閾值Mode_th被直接送入比較器U。的同相輸入端；當 比較器Uc的輸出為高時，信號PWMen為低，PWMenb為高，則第一開關(guān)S1被關(guān)斷，第二開關(guān)S2被 導通，從而，第二預設閾值M0de_th+M0de_HyS被直接送入比較器Uc的同相輸入端。比較器 Uc將均值輸出信號I。ut—sns—ave與第一預設閾值Mode_th或第二預設閾值M0de_th+M0de_HyS 進行比較，如果均值輸出信號I。ut—sns—ave低于第一預設閾值Mode_th，比較器Uc輸出高電平， 使信號PWMen變?yōu)椤暗汀?，相應地使信號PWMenb變?yōu)椤案摺薄Ｒ蚨?，系統(tǒng)將切換為恒定峰值電流 PFM (脈沖頻率調(diào)制)模式。相反，如果均值輸出信號I。ut sns ave高于第二預設閾值M0de_th+M0de_HyS，比較器 Uc將輸出低電平，使信號PWMen變?yōu)椤案摺保鄳厥剐盘朠WMenb變?yōu)椤暗汀?。因而，系統(tǒng)將切 換為PWM模式。即，當均值輸出信號低于第一預設閾值Mode_th，開關(guān)穩(wěn)壓器處于輕載狀態(tài)； 當均值輸出信號高于第二預設閾值M0de_th+M0de_HyS，開關(guān)穩(wěn)壓器處于重載狀態(tài)?？梢钥?出，信號PWMen是PWM使能信號，信號PWMenb是PWM使能信號PWMen的相位互補信號。當PWM 使能信號PWMen為低時，開關(guān)穩(wěn)壓器進入恒定峰值電流PFM模式；當PWM使能信號PWMen為 高時，開關(guān)穩(wěn)壓器進入PWM模式。參見圖2，其描述了模式控制電路100中不同信號的波形。如圖2所示，、時刻之前，負載電流為低，電感電流l·是斷續(xù)的，均值輸出信號I。ut—sns—低于第一預設閾值 Mode_th,比較器Uc的輸出為高，因而信號PWMen為低，而信號PWMenb為高。此低的信號PWMen 將第一開關(guān)S1斷開，而高的信號PWMenb將第二開關(guān)S2閉合導通，從而，第二預設閾值Mode_ th+Mode_HyS被直接送入比較器U。的同相輸入端，系統(tǒng)處于恒定峰值電流PFM模式。當負 載電流在to時刻開始增加，每個開關(guān)周期時間變得更短且電感電流L的脈沖變得更靠近。 此時均值輸出信號I。ut—sns—■成比例地增加。當在、時刻，均值輸出信號I。ut—s 高于第二 預設閾值M0de_th+M0de_HyS，比較器Uc輸出低電平信號，使使信號PWMen變?yōu)椤案摺?，相應?使信號PWMenb變?yōu)椤暗汀?，系統(tǒng)切換為PWM模式。從t2時刻，系統(tǒng)進入重載狀態(tài)，開關(guān)穩(wěn)壓器 在重載情況下的運行為已知的現(xiàn)有技術(shù)，此處不再贅述。繼續(xù)參見圖2，在t3時刻，負載情況再次變化，負載電流開始下降，均值輸出信 號I。ut—sns—ave相應下降。在t4時亥lj，均值輸出信號I。ut—sns—ave低于第一預設閾值Mode_th，比 較器Uc的輸出高電平，使信號PWMen為低，而信號PWMenb為高，從而，第一預設閾值Mode_th 被直接送入比較器U。的同相輸入端，系統(tǒng)進入恒定峰值電流PFM模式，電感電流込變?yōu)閿?續(xù)。從、時刻，系統(tǒng)進入輕載狀態(tài)，開關(guān)穩(wěn)壓器在輕載狀態(tài)下的運行為已知的現(xiàn)有技術(shù)，此 處不再贅述。從圖2所示波形圖可以看出，模式控制電路100的模式切換非常平滑。本發(fā)明進一步提供了開關(guān)穩(wěn)壓器的模式控制方法，該方法包括接收輸入信號；放大所述輸入信號，得到放大信號；傳送所述放大信號至采樣電路，得到采樣信號；傳送采樣信號至平均電路，得到均值輸出信號；將均值輸出信號與第一預設閾值或第二預設閾值進行比較，得到PWM使能信號；
基于PWM使能信號確定運行模式。第一預設閾值表示開關(guān)穩(wěn)壓器處于輕載狀態(tài)；第二預設閾值表示開關(guān)穩(wěn)壓器處于 重載狀態(tài)。當均值輸出信號低于所述第一預設閾值時，PWM使能信號為低，開關(guān)穩(wěn)壓器進入 恒定峰值電流PFM模式；當均值輸出信號高于所述第二預設閾值時，PWM使能信號為高，開關(guān)穩(wěn)壓器相應地進入PWM模式。當主電路中的低側(cè)開關(guān)導通時，采樣電路不起作用，反之， 采樣電路起作用。當均值輸出信號高于所述第一預設閾值時，開關(guān)穩(wěn)壓器處于輕載狀態(tài)，當 均值輸出信號高于所述第二預設閾值時，開關(guān)穩(wěn)壓器處于重載狀態(tài)。如上所述，模式控制電路100在輕載和重載狀態(tài)下都實現(xiàn)了高效率。開關(guān)穩(wěn)壓器 在輕載時運行恒定峰值電流PFM模式，而在重載時運行PWM模式，并在兩者之間進行切換。 PFM模式有更低的開關(guān)頻率以降低開關(guān)損耗，以及更低的靜態(tài)電流消耗以獲得更好的待機 效率。PWM模式在重載時具有高效和好的調(diào)節(jié)性。因而，結(jié)合本發(fā)明，全負載范圍內(nèi)都能獲 得高效率，以及模式之間的自動平滑切換。如上所述的各實施方式，應該被理解為僅是一些示例，而非限定。因而，引為參考 的實施方式之范圍不應被限定為上述示例用的任一實施例，而應該根據(jù)權(quán)利要求及其等同 表述確定。
權(quán)利要求
用于開關(guān)穩(wěn)壓器的模式控制方法，其特征在于，包括接收輸入信號；放大所述輸入信號，得到放大信號；采樣所述放大信號，得到信號采樣信號；平均采樣信號，得到均值信號，作為輸出信號；將所述輸出信號與第一預設閾值或第二預設閾值進行比較；基于比較結(jié)果，確定運行模式。
2.如權(quán)利要求1所述模式控制方法，其特征在于，所述比較結(jié)果產(chǎn)生PWM使能信號，用 以確定運行模式。
3.如權(quán)利要求1所述模式控制方法，其特征在于，當所述開關(guān)穩(wěn)壓器的低側(cè)開關(guān)導通 時，所述采樣不起作用；當所述開關(guān)穩(wěn)壓器的低側(cè)開關(guān)斷開時，所述采樣起作用。
4.如權(quán)利要求2所述模式控制方法，其特征在于，當所述均值輸出信號低于所述第一 預設閾值時，所述PWM使能信號為低；當所述均值輸出信號高于于所述第二預設閾值時，所 述PWM使能信號為高。
5.如權(quán)利要求4所述模式控制方法，其特征在于，當所述PWM使能信號為低時，所述開 關(guān)穩(wěn)壓器進入恒定峰值電流PFM模式；當所述PWM使能信號為高時，所述開關(guān)穩(wěn)壓器進入 PWM模式。
6.開關(guān)穩(wěn)壓系統(tǒng)，其特征在于，包括 開關(guān)穩(wěn)壓器；模式控制電路，與所述開關(guān)穩(wěn)壓器耦接，產(chǎn)生模式控制信號給所述開關(guān)穩(wěn)壓器以確定 所述系統(tǒng)的控制模式，所述模式控制電路包括電流檢測放大器，接收輸入信號，提供電流放大信號； 采樣電路，基于所述電流放大信號，提供采樣信號； 平均電路，基于所述采樣信號，提供均值輸出信號； 模式控制信號產(chǎn)生器，基于所述均值輸出信號，提供模式控制信號。
7.如權(quán)利要求6所述系統(tǒng)，其特征在于，所述模式控制信號產(chǎn)生器包括比較器、第一開 關(guān)、第二開關(guān)、第一反相器和第二反相器；所述比較器的反相輸入端作為所述模式控制信號產(chǎn)生器的輸入端，接收所述均值輸出 信號；所述第一開關(guān)的一端接收第一預設閾值，第一開關(guān)的另一端耦接于所述比較器的同相 輸入端；所述第二開關(guān)的一端接收第二預設閾值，第二開關(guān)的另一端也耦接于所述比較器的同 相輸入端；所述比較器將均值輸出信號與第一預設閾值或第二預設閾值進行比較，提供比較信號；所述第一反相器耦接于所述比較器，提供與比較信號反相的信號作為PWM使能信號； 所述第二反相器耦接于所述第一反相器，提供與PWM使能信號反相的信號； 所述第一反相器的輸出端作為所述模式控制信號產(chǎn)生器的輸出端。
8.如權(quán)利要求7所述系統(tǒng)，其特征在于，當所述開關(guān)穩(wěn)壓器的主電路中的低側(cè)開關(guān)導 通時，所述采樣電路不起作用；當所述低側(cè)開關(guān)斷開時，所述采樣電路起作用。
9.如權(quán)利要求7所述系統(tǒng)，其特征在于，當所述均值輸出信號低于所述第一預設閾值 時，所述PWM使能信號為低；當所述均值輸出信號高于所述第二預設閾值時，所述PWM使能信號為高。
10.如權(quán)利要求7所述系統(tǒng)，其特征在于，所述第一開關(guān)受所述PWM使能信號控制；而 所述第二開關(guān)受所述PWM使能信號的反相信號控制。
11.如權(quán)利要求10所述系統(tǒng)，其特征在于，當PWM使能信號為低時，所述開關(guān)穩(wěn)壓器進 入恒定峰值電流脈沖頻率調(diào)制模式；當所述PWM使能信號為高時，所述開關(guān)穩(wěn)壓器進入PWM 模式。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于開關(guān)穩(wěn)壓器的模式控制電路及方法，該方法接收輸入信號并將其放大得到放大信號，放大信號被送入采樣電路得到采樣信號，采樣信號被送入平均電路得到均值輸出信號，均值輸出信號與第一預設閾值或第二預設閾值進行比較得到PWM使能信號，基于PWM使能信號以確定開關(guān)穩(wěn)壓器合適的運行模式。
文檔編號H02M3/155GK101800473SQ20101030113
公開日2010年8月11日 申請日期2010年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月5日
發(fā)明者顏秀慧 申請人:成都芯源系統(tǒng)有限公司