用于在不連續(xù)傳導(dǎo)模式中操作的開關(guān)模式調(diào)節(jié)器的聲頻靜帶系統(tǒng)和方法
【專利說(shuō)明】用于在不連續(xù)傳導(dǎo)模式中操作的開關(guān)模式調(diào)節(jié)器的聲頻靜 帶系統(tǒng)和方法
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枮?01310442314. 2、申請(qǐng)日為2013年9月24日、題為"用于在不 連續(xù)傳導(dǎo)模式中操作的開關(guān)模式調(diào)節(jié)器的聲頻靜帶系統(tǒng)和方法"的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申 請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本申請(qǐng)公開了一種用于在不連續(xù)傳導(dǎo)模式中操作的開關(guān)模式調(diào)節(jié)器的聲頻靜帶 系統(tǒng)和方法。
[0003] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0004] 本申請(qǐng)要求2013年6月19日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)No. 61/836, 262的權(quán)益， 該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容出于所有意圖和目的通過(guò)引用結(jié)合于此。
【附圖說(shuō)明】
[0005] 參考以下描述以及附圖將能更好地理解本發(fā)明的益處、特征以及優(yōu)點(diǎn)，在附圖 中：
[0006] 圖1是被配置為具有包括根據(jù)一個(gè)實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)器的電源的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 簡(jiǎn)化框圖；
[0007] 圖2是圖1的調(diào)節(jié)器的簡(jiǎn)化示意圖和框圖，其被圖示為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的降 壓型DC-DC開關(guān)模式調(diào)節(jié)器；
[0008] 圖3是一般地示出圖2的調(diào)節(jié)器的正常DCM操作的時(shí)序圖；
[0009] 圖4是示出DCM操作的時(shí)序圖且圖5是示出圖2的調(diào)節(jié)器的ADCM操作的另一個(gè) 時(shí)序圖；
[0010] 圖6是針對(duì)圖2的調(diào)節(jié)器的一個(gè)實(shí)施例的每一個(gè)操作模式CCM、DCM、和ADCM而繪 出開關(guān)頻率（以Hz為單位）相對(duì)以安培㈧為單位的輸出電流10的圖；
[0011]圖7是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例繪出圖2的調(diào)節(jié)器的功率轉(zhuǎn)換效率（單位為百分比）相對(duì) 輸出電流10的圖；
[0012] 圖8是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的狀態(tài)圖，示出分別與圖2的調(diào)節(jié)器的模式CCM、SH)CM、 ADCM、和SBDCM對(duì)應(yīng)的四個(gè)不同狀態(tài)以及相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)變條件；
[0013] 圖9是在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的圖2的調(diào)節(jié)器的ADCM操作模式中的單個(gè)開關(guān)循環(huán)期 間疊加了輸出電流10的電感器電流IL的繪圖，其與LG和UG的相應(yīng)繪圖對(duì)齊；
[0014] 圖10是在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的圖2的調(diào)節(jié)器的ADCM操作模式中的另一個(gè)單個(gè)開關(guān) 循環(huán)期間疊加了輸出電流10的電感器電流IL的繪圖；
[0015] 圖11是在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的圖2的調(diào)節(jié)器的ADCM操作模式期間類似于圖9和10 的10和IL的繪圖，且還示出相應(yīng)的LG脈沖LG1和LG2 ;
[0016] 圖12是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例設(shè)置于圖2的SBDCM框中的SB檢測(cè)電路的一個(gè)實(shí)施例的 示意圖，其用于確定當(dāng)DT達(dá)到對(duì)應(yīng)于亞音速閾值條件的P1時(shí)何時(shí)從ADCM操作模式轉(zhuǎn)變至 SBDCM ;和
[0017] 圖13是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例包含DCM、ADCM、和SBDCM框的細(xì)節(jié)的圖2的調(diào)節(jié)器的更 詳細(xì)不意圖和框圖。
[0018] 詳細(xì)描述
[0019] 本發(fā)明的益處、特征和優(yōu)勢(shì)參照下面的說(shuō)明書和附圖將變得更容易理解，下面的 說(shuō)明書使得本領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員能夠作出和使用本發(fā)明，如同在特定場(chǎng)合及其需要的背 景下提供的那樣。然而，優(yōu)選實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)是明顯的，而且可將 本文所限定的一般原理應(yīng)用于其它實(shí)施例。因此，本發(fā)明不旨在局限于本文中示出和描述 的特定實(shí)施例，而應(yīng)給予與本文中披露的原理和新穎特征一致的最寬范圍。
[0020] 取決于輸出負(fù)載，調(diào)節(jié)器可被配置為在數(shù)個(gè)操作模式中的任一模式中操作。在較 高負(fù)載條件下，調(diào)節(jié)器一般在連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM)中操作，其中在開關(guān)循環(huán)過(guò)程中通過(guò)輸 出電感器的電流增加和減少但并不降為零。相反，電流連續(xù)地傳遞至輸出負(fù)載和/或輸出 電容器。當(dāng)負(fù)載減少了特定量時(shí)，在CCM期間的連續(xù)開關(guān)循環(huán)中，電感器電流可能不僅達(dá)到 零，還可能變負(fù)。在非常輕的負(fù)載下，通過(guò)輸出電感器傳遞的很多電荷被浪費(fèi)在CCM操作模 式中。特定地，電荷被低效地四處移動(dòng)，因?yàn)樵谶^(guò)量負(fù)載要求中的電荷被移動(dòng)至輸出電容器 且然后轉(zhuǎn)儲(chǔ)至接地。因此，在較輕負(fù)載時(shí)，CCM是非常低效的。
[0021] 調(diào)節(jié)器可被配置為在不連續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM)中操作，其中當(dāng)電感器電流達(dá)到零時(shí) 開關(guān)器件等被截止從而防止電感器電流變負(fù)。在DCM過(guò)程中，電源部分的每一電荷包被傳 遞至負(fù)載或輸出電容器，且然后使開關(guān)中止，直到在輸出處需要附加的電荷包。由于在DCM 過(guò)程中的一個(gè)或多個(gè)循環(huán)中使開關(guān)中止，所以調(diào)節(jié)器的操作頻率隨負(fù)載而變化，使得所得 到的開關(guān)頻率FSW可粗略地與負(fù)載成比例。在DCM過(guò)程中，在新的周期上平均化功率損失。
[0022] DCM在較輕負(fù)載范圍處相比CCM具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵黾恿诵?。然而，DCM過(guò)程中的操 作頻率一般并不受控，因?yàn)樗话愀S負(fù)載條件。如果在DCM中負(fù)載增加了一定的量，該操 作開關(guān)頻率可減少至可聽范圍，從而導(dǎo)致開關(guān)模式調(diào)節(jié)器產(chǎn)生可聽到的噪音。陶瓷電容器， 經(jīng)常被用于包括移動(dòng)計(jì)算設(shè)備等在內(nèi)的很多消費(fèi)電子產(chǎn)品的電源內(nèi)，當(dāng)在可聽頻率處被激 勵(lì)時(shí)，該陶瓷電容器具有產(chǎn)生可聽噪音的內(nèi)在壓電效應(yīng)。而且，在提供音頻集成電路（1C) 或半導(dǎo)體芯片等的電壓干線上的開關(guān)噪音可被放大，從而引起附加的可聽噪音。很多終端 應(yīng)用，特別是在消費(fèi)電子領(lǐng)域，對(duì)于可聽頻譜內(nèi)的能量具有敏感度。在很多消費(fèi)產(chǎn)品等中， 是非常不期望可聽噪音的。
[0023] 為了解決音頻敏感的應(yīng)用，已經(jīng)研發(fā)了音頻DCM方法。研發(fā)了可聽DCM(ADCM)作 為補(bǔ)充來(lái)防止調(diào)節(jié)器的操作頻率進(jìn)入音頻頻譜。結(jié)合ADCM的調(diào)節(jié)器，相對(duì)在音頻頻率上被 有效地設(shè)置的預(yù)定時(shí)序閾值，來(lái)監(jiān)測(cè)DCM開關(guān)周期。當(dāng)該開關(guān)周期超過(guò)閾值從而表示該開 關(guān)周期將要進(jìn)入可聽頻譜時(shí)，發(fā)出新的脈寬調(diào)制（PWM)脈沖。以此方式，防止該開關(guān)周期增 加至可聽范圍，從而相應(yīng)的開關(guān)頻率FSW保持超音速且不可聽。
[0024] 包括CCM、DCM、和ADCM的開關(guān)調(diào)節(jié)器在較高負(fù)載處在CCM中操作，當(dāng)負(fù)載減少時(shí) 切換至DCM且同時(shí)開關(guān)頻率FSW維持在高于可聽范圍之上，且然后在較輕負(fù)載處切換至 ADCM(其中不然的話DCM開關(guān)頻率將進(jìn)入可聽范圍）。在較輕負(fù)載處，DCM提供最大效率。 盡管ADCM相比CCM在較輕負(fù)載時(shí)更有效，但是并不如DCM -樣有效，但是至少防止了可聽 噪音。然而，ADCM顯著地限制了在非常輕負(fù)載處由DCM所實(shí)現(xiàn)的節(jié)電。以此方式，在非常 輕的負(fù)載處，ACDM是在效率和消費(fèi)者煩擾之間的折衷。
[0025] 期望的是，對(duì)于電子設(shè)備而言，特別是消費(fèi)者電子設(shè)備，諸如超級(jí)本、平板、智能手 機(jī)，在"保持連接的待機(jī)（connected standby)"操作中具有非常高的效率。保持連接的待 機(jī)操作意味著該設(shè)備處于低供電的狀態(tài)中，包括空閑狀態(tài)，且可被非?？焖俚剞D(zhuǎn)變至全工 作模式。DCM提供最佳效率但是受困于當(dāng)在可聽頻率范圍內(nèi)操作時(shí)的聲頻噪音。ADCM消除 了音頻噪音但是由于包括保持連接的待機(jī)操作的低于超音速范圍的操作頻率而顯著減少 了效率。
[0026] 圖1是被配置為具有包括根據(jù)一個(gè)實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)器103的電源101的計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)100的簡(jiǎn)化框圖。電源101產(chǎn)生經(jīng)由連接網(wǎng)絡(luò)105為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)100的其他系統(tǒng)設(shè)備 提供電能的一個(gè)或多個(gè)供電電壓。連接網(wǎng)絡(luò)150可以是總線系統(tǒng)或開關(guān)系統(tǒng)或一組導(dǎo)體 等。在所示實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)100包括處理器107和外設(shè)系統(tǒng)109,兩者均耦合至連接 網(wǎng)絡(luò)105來(lái)從電源101處接收電源電壓。在所示實(shí)施例中，外設(shè)系統(tǒng)109可包括系統(tǒng)存儲(chǔ) 器111 (例如，包括RAM和ROM類型設(shè)備和存儲(chǔ)器控制器等的任何組合）和輸入/輸出（1/ 0)系統(tǒng)113的任何組合，該輸入/輸出系統(tǒng)113可包括系統(tǒng)控制器等，例如圖形控制器、中 斷控制器、鍵盤和鼠標(biāo)控制器、系統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備控制器（例如，用于硬盤驅(qū)動(dòng)器的控制器等） 等等。所示系統(tǒng)只是示例性的，因?yàn)楸绢I(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，許多處理器系統(tǒng)和支持裝置 可以被集成到處理器芯片上。
[0027] 圖2是調(diào)節(jié)器103的簡(jiǎn)化示意圖和框圖，其被圖示為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的降壓 型DC-DC開關(guān)模式調(diào)節(jié)器。盡管圖示并描述了降壓型DC-DC調(diào)節(jié)器，可理解的是此處所述 的原理可應(yīng)用于任何其他類型的調(diào)節(jié)器，諸如升壓型調(diào)節(jié)器等?？蓸?gòu)想任何類型的調(diào)節(jié)器， 其中可結(jié)合DCM來(lái)改進(jìn)在較低負(fù)載時(shí)的效率并可結(jié)合ADCM來(lái)避免DCM期間生成可聽頻率。
[0028] 調(diào)節(jié)器103包括控制器201，用于接收輸出電壓V0。注意，可使用反饋網(wǎng)絡(luò)或其它 (未示出）來(lái)感測(cè)V0并提供V0的感測(cè)版本（例如，提供反饋感測(cè)電壓VFB的分壓器等，未 示出）而不是直接感測(cè)V0本身?？刂破?01以一般形式圖示出，但可根據(jù)電壓模式控制、 電流模式控制、恒定導(dǎo)通時(shí)間（或恒定頻率）等來(lái)實(shí)現(xiàn)該控制器，且該控制器可被配置為模 擬控制器或數(shù)字控制器等。
[0029] 控制器201向上開關(guān)Q1的柵極端子提供上柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)UG，并向下開關(guān)Q2的柵 極端子提供下柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)LG。UG和LG信號(hào)在其它情況下被稱為開關(guān)控制信號(hào)，用于分 別控制電子開關(guān)Q1和Q2的激勵(lì)。在所示實(shí)施例中，電子開關(guān)Q1和Q2被圖示為本領(lǐng)域技 術(shù)人員已知的一對(duì)N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（M0SFET)。可使用其它類型的電子 開關(guān)器件，包括其它類型的FET等、以及其它類型的晶體管，例如雙極結(jié)晶體管（BJT)或絕 緣柵雙極晶體管（IGBT)等。開關(guān)Q1具有耦合在VIN和相位節(jié)點(diǎn)202之間的漏極和源極端 子，且開關(guān)Q2具有耦合在相位節(jié)點(diǎn)202和地（GND)之間的漏極和源極端子。開關(guān)Q1和Q2 是受控的，從而通過(guò)耦合至輸出電感器L 一端的相位節(jié)點(diǎn)202來(lái)切換輸入電壓VIN，該輸出 電感器L的另一端耦合于輸出節(jié)點(diǎn)204。相位節(jié)點(diǎn)202形成相電壓VPH，并且輸出電壓V0 由耦合在輸出節(jié)點(diǎn)204和GND之間的輸出電容