除去了噪音的電源裝置的製作方法

2023-05-09 20:04:16 2

專利名稱：除去了噪音的電源裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種提高具有開關元件的電源裝置在輕負載時的效率，同時除去噪音
的技術。
背景技術：
在筆記本型電腦(以下稱為筆記本PC)中，DC/DC變換器將AC/DC適配器輸出的 直流電壓變換為預定的直流電壓。另外，筆記本PC具備對蓄電池充電的充電器。AC/DC適 配器、DC/DC變換器以及充電器具備用於接通切斷輸入的直流電壓，得到預定的直流電壓的 開關元件，也被稱為開關穩壓器。 開關穩壓器在PWM(Pulse Width Modulation)以及PFM(Pulse FrequencyModulation)等動作模式下，控制開關元件的一周期中的導通期間以及關斷期間 或者其中的某一方，來輸出恆定的直流電壓。在P麗模式下，使得與導通/關斷開關元件的 周期相對應的開關頻率(以下稱為動作頻率)恆定來控制導通期間，在PFM模式下，使導通 期間恆定來控制關斷期間，由此，將二次側的平均電壓控制在一定的範圍內。P麗模式因為 動作頻率恆定，用於降低噪聲的濾波器的設計容易，在大量的開關穩壓器中得到使用，但具
有輕負載時的開關損失大的缺點。 為了彌補P麗模式在輕負載時的缺點，採用了間歇模式這樣的動作模式。間歇模 式也被稱為跳越模式、突發模式、或者休眠模式等。在採用了間歇模式的開關穩壓器中，監 視負載電流或負載電壓，在重負載時在P麗模式下進行動作，在輕負載時在間歇模式下進 行動作。在間歇模式下通過使動作頻率低於P麗模式時的動作頻率，可以降低開關損失。
在間歇模式下，隨著負載減小降低動作頻率，在無負載之前可以生成恆定的輸出 電壓。此時，當負載減小時，開關元件的動作頻率變得小於作為可聽頻率上限的20kHz。在 無負載時，僅流過由電源裝置中包含的電容器、電阻等的電路常數決定的微小電流，頻率降 低到10Hz左右。因此，輕負載時，構成開關穩壓器的電感器以及電容器以可聽頻率進行振 動而產生噪音。構成開關穩壓器的元件相對於基板的物理配置、安裝方法、以及緊固力等與 噪音產生的原因相關。另外，元件的容量以及材料等個體差異或環境溫度等也與該原因相 關。並且，噪音由於各原因綜合作用而發生，而且，由於元件隨時間惡化，因此難以完全控制 噪音，並且難以在較長的期間內保證這一點。 現有技術中公開了檢測汽車的噪音，對P麗控制的變換器的載波頻率進行控制的 技術。在該文獻的發明中，直接檢測基於伴隨車輛移動而產生的風聲和路面噪聲等的車內 噪音，在該檢測噪音增大，P麗控制的載波頻率引起的噪音消除了該噪音的高速行駛時等， 載波頻率降低，開關部的電力變換效率提高；在車內的檢測噪音減小，載波頻率引起的噪音 相對增大的低速行駛時等，開關部的載波頻率增大，抑制噪音。 現有技術中公開了一種開關穩壓器，其採用了通過調節開關穩壓器的電流限制， 在輕負載時降低可聽噪聲的導通/關斷控制。該文獻的發明所涉及的開關穩壓器包含狀 態機，該狀態機根據反饋信號值的圖形調節開關穩壓器的電流限制，上述反饋信號值來自與先行的驅動信號的N個周期相對的電源的輸出。狀態機在通過變壓器的磁通量密度足夠 小，降低了可聽噪聲產生之前，為了將開關穩壓器的動作頻率降低到可聽頻率範圍內，不跳 過周期地在輕負載時將電流限制調節得較低。 現有技術中公開了一種開關穩壓器，通過自動跳越(auto skip)電路檢測是輕負 載還是重負載，在為重負載時在P麗模式下進行動作，在輕負載時在主輸出電晶體的開關 頻率降低的跳越模式下進行動作，並且，即使從重負載的狀態成為輕負載的狀態，直到成為 輕負載的狀態持續預定期間為止，不轉移到跳越模式。 當對於實施了噪音措施的同一形式的多個筆記本PC在製造時進行噪音測試時， 有時在若干筆記本PC中觀測到超過基準的噪音。在這種情況下，需要重新設計該形式的全 體筆記本PC的噪音措施，作為避免該問題的一個方法，代替間歇模式而採用無噪音模式。 無噪音模式是即使在間歇模式中負載進一步減小，動作頻率也不會低於20kHz地進行控制 的動作模式，不產生噪音。 雖然在無噪音模式中不產生噪音，但輕負載時的效率比間歇模式低。在噪音測試 的結果中，當即使在1臺筆記本PC超過基準值時也使同一形式的筆記本PC全部始終在無 噪音模式下進行動作時，輕負載時的效率降低，因此不理想。特別是在由電池向筆記本PC 供電，同時將筆記本PC在掛起狀態下放置數天的情況下，存在電池的電量用盡的問題。另 外，因為在某個條件成立時產生噪音，或者由於時效要素噪音產生或者消失，因此，在輕負 載時不採用間歇模式而僅在無噪音模式下進行動作，導致效率降低必要程度以上，因此不 理想。

發明內容
因此，本發明的目的在於，提供一種可以不降低輕負載時的效率來實現噪音降低
的電源裝置。本發明的目的還在於提供一種實現這樣的電源裝置的半導體晶片。本發明的 目的還在於，提供控制這樣的電源裝置的開關元件的方法。本發明的目的還在於，提供採用 了這樣的電源裝置的用電設備。 本發明的電源裝置包含進行開關動作的開關元件、收集噪音來輸出聲音信號的微
傳聲器、以及控制開關元件的控制電路。控制電路可以在包含可聽頻率的動作頻率的範圍
內進行動作的第一動作模式下、或者在通過比可聽頻率高的動作頻率進行動作的第二動作
模式下控制開關元件。而且，電源裝置也可以在動作頻率比第一動作模式高的第三動作模
式下進行動作。第一動作模式對應於間歇模式，第二動作模式對應於無噪音模式，第三動作
模式對應於P麗模式。在此，與第三動作模式相比，無論第一動作模式還是第二動作模式，
輕負載時的效率都高，但因為高於可聽頻率地維持第二動作模式的動作頻率，所以，在負載
的功耗非常小的情況下，與第一動作模式相比，第二動作模式的開關損失增大。 在此，本發明用於解決上述問題的原理在於，根據在第一動作模式下即使在將輕
負載時的動作頻率設定為可聽頻率時也未必產生噪音的現象，通過僅在實際產生了噪音時
使用第二動作模式，儘可能長時間地使用效率高的第一動作模式。為此，當在第三動作模式
下進行動作的期間負載的功耗小於預定值時，控制電路最初不遷移到第二動作模式而遷移
到第一動作模式。並且，僅在從微傳聲器輸出的聲音信號的電平超過了預定值時，從第一動
作模式遷移到第二動作模式。
因為在第二動作模式下進行動作的期間噪音也有可能消失，因此不希望長時間持 續使用效率比第一動作模式差的第二動作模式。在本發明中，控制電路根據來自計時器電 路的到時信號(timeup signal)定期地確認聲音信號的電平，在低於預定值時從第二動作 模式遷移到第一動作模式。在不採用本發明的情況下，為了抑制噪音的發生，在輕負載時控 制電路需要始終在第二動作模式下進行動作，但在本發明中，通過使第一動作模式成為初 始的動作模式，輔助地成為第二動作模式，可以提供一種在輕負載時能夠除去噪音同時能 夠維持效率的電源裝置。 本發明的電源裝置可以在全部的要求靜音性的用電設備中使用。尤其是在可攜式 電腦中，在像掛起狀態或者其它節電模式狀態時那樣輕負載的時間變長，並且通過電池在 該期間進行供電的情況下有效。另外，因為處理器在空閒時持續輕負載的狀態，因此在處理 器專用的電源裝置中應用本發明也是有效的。 通過本發明，提供了能夠不降低輕負載時的效率地降低噪音的電源裝置。而且，通 過本發明，提供了實現這樣的電源裝置的半導體晶片。而且，通過本發明，提供了控制這樣 的電源裝置的開關元件的方法。而且，根據本發明，提供了採用這樣的電源裝置的用電設備。


圖1是表示本實施方式的筆記本PC的結構的概要框圖。
圖2說明電源裝置和解耦電容器的連接狀態。
圖3是表示電源裝置的結構的框圖。 圖4說明P麗模式、間歇模式以及無噪音模式中的FET驅動器的開關周期。
圖5是說明電源裝置的動作的流程圖。
圖6說明電源裝置的狀態遷移。 圖7是說明安裝在主板上的電源裝置的構成要素的平面圖。
符號說明 10筆記本PC、50負載、101矽微傳聲器、103帶通濾波器、105同相放大器、115比較 器、117基準電壓源
具體實施例方式(筆記本PC的結構) 圖1是表示本實施方式的筆記本PC10的結構的概略框圖。CPUll是擔負筆記本 PCIO的中樞功能的運算處理裝置，執行0S、 BIOS、設備驅動器、或者應用程式等。CPUll控 制北橋13以及經由各種總線與北橋13連接的各設備。北橋13包含用於控制向主存儲器 15的訪問動作的存儲器控制器功能、和用於吸收CPUll和其他設備之間的數據傳輸速度差 的數據緩衝功能等。主存儲器15是作為CPUll執行的程序的讀入區域、寫入處理數據的操 作區域而使用的易失性RAM。視頻控制器17與北橋13連接，具備視頻晶片以及VRAM，接收 來自CPUll的命令，生成應該描繪的圖像文件的圖像，然後寫入到VRAM中，把從VRAM讀出 的圖像作為圖像數據發送到液晶顯示器裝置(LCD) 18。 南橋19與北橋13連接，具備USB (Universal Serial Bus)、串行ATA (AtAttachment) 、 SPI (Serial Peripheral Interface)總線、PCI(Peripheral Compo體tlnterco騰ct)總線、以及PCI-Express總線、LPC(Low Pin Count)等的埠，連 接與它們對應的設備。在南橋19的串行ATA埠上連接HDD23。 HDD23存儲0S、設備驅動 器以及應用程式等。 而且，南橋19經由LPC總線25與以往在筆記本PCIO中使用的遺留設備、或者不 要求高速的數據傳輸的設備相連。在LPC總線25上連接了嵌入式控制器(EC)27、閃速只讀 存儲器39、以及I/O控制器41等。EC27是由8 16位的CPU、 R0M、 RAM等構成的微計算 機，還具備多通道的A/D輸入端子、D/A輸出端子、計時器以及數字輸入輸出端子。
在EC27上連接了電源控制器29。電源控制器29是控制向安裝在筆記本PC10上 的設備提供的電力的半導體邏輯電路。在電源控制器29上連接具備本發明的特徵的電源 裝置100。電源裝置100是把從AC/DC適配器37或電池33提供的直流電壓變換為多個直 流電壓，向安裝在筆記本PCIO中的設備提供電力的開關穩壓器。電源裝置100除了僅向 CPU11提供電力的專用模塊(block)以外，還由根據電壓以及用途劃分的多個模塊構成，各 模塊進行獨立的開關動作。AC/DC適配器37與筆記本PC10相連，把交流電壓變換為直流電 壓，向電源裝置100和對電池33充電的充電器35提供電力。 閃速只讀存儲器39是非易失性的，能夠進行存儲內容的電氣改寫的存儲器， 存儲用於控制1/0設備的設備驅動器、符合ACPI (Advanced Conf igurationand Power Interface)標準對電源以及機箱內的溫度等進行管理的系統BI0S、以及在筆記本PC10啟 動時進行硬體的測試和初始化的POST(Power-0n SelfTest)等。在I/0控制器41上連接 鍵盤、滑鼠等輸入裝置43。 在筆記本PC10中，除了電源接通狀態之外還定義了掛起狀態或休眠狀態等多個 電源提供模式。掛起狀態相當於ACPI的S3狀態，休眠是與ACPI的S4狀態相當的電源模 式。掛起狀態是將結束筆記本PC10的操作前不久的狀態保存在主存儲器15中，在隨後再 次開始操作時從主存儲器恢復(resume)所保存的狀態，可以在短時間內再次開始操作的 功能。在該動作模式下，僅向為了在主存儲器15中保持存儲、或者在應對遠程喚醒(Wake On Lan)時為了執行該操作而需要的EC27、電源控制器29以及電源裝置100等所必要的最 低限度的設備供電。 在休眠狀態下，將結束筆記本PC的操作前不久的狀態存儲在HDD23中，停止包含 主存儲器15在內的幾乎所有設備的電源。在休眠狀態下，與掛起狀態相比功耗進一步降 低。在掛起狀態以及休眠狀態下，電源裝置100的負載變得非常小。當筆記本PC10從電源 接通狀態轉移到掛起狀態時，由作業系統檢測機箱的開閉引起的蓋開關(lid switch)的 動作、鍵盤操作、或者計時器經過了預定的空閒時間等，向存儲在閃速只讀存儲器39中的 ACPI BIOS進行指示，ACPI BI0S通過EC27控制電源控制器29。電源控制器29控制電源
裝置ioo，使其僅向在電源提供模式中定義的設備供電。 在掛起狀態或休眠狀態下，筆記本PC10不會為了實際的操作進行動作，因此電源 裝置100成為輕負載的狀態，但在攜帶使用時， 一邊從電池33供電一邊搬運到使用目的地。 然後，在用戶想要開始使用時電池的餘量減少，有時在使用時間方面感到不便。因此，要求 在筆記本PC10中特別是在掛起狀態或休眠狀那樣的輕負載狀態下降低功耗的損失。
(電源裝置和解耦電容器)
圖2是說明電源裝置100和解耦電容器的連接狀態的圖。構成電源裝置100的開 關元件，例如為了把從AC/DC適配器37提供的DC20V的電壓變換為DC5V的電壓而進行開 關動作。從電源裝置100的二次側直接或經由其他電源裝置向CPU11、LCD18以及搭載在主 板上的各種設備供電。在電源裝置100的一次側連接了由多個積層陶瓷電容器構成的解耦 電容器組45。解耦電容器也被稱為旁路電容器，起到降低針對高頻電壓的線路阻抗，把與電 源裝置100的開關動作相伴的線路的電荷移動限制在局部範圍內的作用。
同樣地，在電源裝置100的二次側也連接了由多個積層陶瓷電容器構成的解耦電 容器組47。解耦電容器組45、47，在構成電源裝置100的設備的附近，被安裝在主板表面上。 在電源裝置100的開關元件以可聽頻率進行開關動作時，從電源裝置100按照與該頻率相 當的周期產生的脈動電壓重疊在作為基礎電壓的直流的20V或5V的電壓上。因此，解耦電 容器組45、47中流過可聽頻率的脈動電流，產生振動，從解耦電容器組45、47的周圍觀測到 噪音。 主要從解耦電容器自身、以及通過解耦電容器被激發振動的主板產生噪音。振動 根據解耦電容器的配置、在電路基板上的位置、電路基板的固定位置、設備的老化、以及環 境溫度等進行變化，因此，在以可聽頻率進行開關動作時，即使使用相同的筆記本PC，也可 能發生振動或者不發生振動。另外，噪音的產生狀況，在時間軸上也發生變化。
(電源裝置的結構) 圖3是表示電源裝置100的一個總的框結構的框圖。電源裝置IOO，例如是僅向 CPU11提供電力的專用的開關穩壓器。或者，電源裝置100也可以是向在掛起狀態下進行動
作的設備提供電力的開關穩壓器。電源裝置ioo在輕負載時可以除去噪音並且維持效率，
因此在以輕負載的狀態進行動作的機會較多的用途中特別有效。電源裝置100由安裝在筆 記本PCIO的主板上的多個設備形成。從AC/DC適配器37或電池33(參照圖1)對電源裝 置100的各設備提供電力。 矽微傳聲器101把振動膜和背面電極之間的靜電容量的變化變換為電壓的變化， 來輸出聲音信號。在矽微傳聲器101上連接了去除超出可聽頻率範圍的聲音信號的帶通濾 波器103。帶通濾波器103由電阻和電容器構成，主要僅能夠使可聽頻率的聲音信號通過。 帶通濾波器103與放大聲音信號的同相放大器105的同相輸入端相連。同相放大器105的 輸出通過電阻113、115進行分壓，與同相放大器105的反相輸入端相連。電阻113、 115決 定同相放大器105的放大率。 同相放大器105的輸出還與從放大後的聲音信號中除去直流成分的電容器107的 一個端子相連。電容器107的另一端子與比較器115的同相輸入端相連。另外，通過對電 壓Vcc進行分壓的分壓電阻109U11將比較器115的同相輸入端偏置為恆定的電壓。在該 偏置的直流電壓上重疊了從同相放大器105輸出的聲音信號。在比較器115的反相輸入端 上連接基準電壓源117。設定基準電壓源117的基準電壓，以便提供針對聲音信號的電平的 基準，該聲音信號與允許的噪音相對應。可以在同相放大器105的輸出端設置處理電路，該 處理電路謀求與人的聽力特性的整合，用於執行把人們針對噪音感到的不快做成代表性的 信號的各種處理。 比較器115在聲音信號的電平超過基準電壓時，對OR門123的一個輸入端輸出高 (high)信號。在OR門123的另一輸入端上連接了 AND門119的輸出端。在AND門119的
9一個輸入端上連接反相器121的輸出端，在反相器121的輸入端連接EC27。反相器121在 從EC27取得到時信號時，將低(low)信號輸出給AND門119。在AND門119的另一輸入端 連接OR門123的輸出端。 因此，一旦從比較器115輸出高信號，0R門123輸出高信號時，即使該聲音信號的 電平降低，比較器115輸出低信號，只要EC27不輸出到時信號，OR門123就持續輸出高信 號。OR門123的輸出連接到FET驅動器125的從間歇模式向無噪音模式進行切換的切換端 子。關於FET驅動器125的動作，在後面進行說明。FET驅動器125與用於控制電源裝置 100的動作的電源控制器29相連。FET驅動器125與EC27相連，向EC27的計時器發送設 置信號以及復位信號。 FET驅動器125與通過同步整流方式被進行開關控制的主電晶體127和輔助晶體 管129的柵極電路相連。主電晶體127、輔助電晶體129由MOSFET構成。輔助電晶體129 用於替代流過反饋電流的現有的續流二極體(flywheeldiode)，通過使用導通電阻低的 MOSFET可以實現高效率的電源裝置。但是，本發明不限於同步整流方式的電源裝置。主晶 體管127的漏極經由電源裝置100的輸入端子137與AC/DC適配器37連接。
在輸入端子137上連接了解耦電容器組45，該解耦電容器組45是成為產生噪音的 主要原因的振動源。在主電晶體127的源極上連接輔助電晶體129的漏極，輔助電晶體129 的源極接地。在主電晶體127的源極上連接電感器131的一個端子，在電感器131的另一 端子上連接對流過電感器131的電流進行測定的感應電阻135的一個端子。感應電阻135 的另一端子與電源裝置100的輸出端子139相連。在感應電阻135的另一端子與大地之間 連接了濾波電容器133。感應電阻135的兩端與FET驅動器125相連。在輸出端子139上 連接解耦電容器組47以及電源裝置100的負載50。 矽微傳聲器101、帶通濾波器103、同相放大器105以及周邊元件，比較器115以及 周邊元件、0R門123、 AND門119、以及反相器121，構成在噪音為一定電平以上時輸出切換 信號的聲音電路。在圖3中，通過獨立的元件構成了聲音電路，但這些元件可以與FET驅動 器125成為一體地安裝在半導體晶片中。另外，在該半導體晶片中還可以安裝在EC27中所 安裝的測定無噪音模式的經過時間的計時器電路。如此構成的半導體晶片，僅通過提供電 源和基準脈衝信號來進行動作，因此可以容易地構成電源裝置。
(FET驅動器) 然後，對FET驅動器125的動作進行說明。FET驅動器125與感應電阻135的另一 端子相連，是包含電壓檢測電路、三角波生成電路、誤差放大器、比較器、間歇動作電路以及 無噪音動作電路等的公知的半導體晶片。間歇動作電路使FET驅動器125在間歇模式下動 作，無噪音動作電路使FET驅動器125在無噪音模式下動作。FET驅動器125構成為電流 控制型的開關穩壓器。FET驅動器125在P麗模式、間歇模式、或者無噪音模式的某一種模 式下進行動作。在間歇模式下進行動作期間，當0R門123向切換端子提供切換信號時，FET 驅動器125從間歇模式向無噪音模式遷移。 在間歇模式下進行動作時，在0R門123向切換端子輸出低信號的期間維持間歇模 式。根據負載的功耗的大小，FET驅動器125判斷進行從P麗模式向間歇模式或無噪音模 式的遷移。對FET驅動器125進行初始設定，當負載的功耗超過預定值時從間歇模式或無 噪音模式遷移到P麗模式，當負載比預定值小時從P麗模式遷移到間歇模式。並且，僅在聲音信號的電平在預定值以上時從間歇模式遷移到無噪音模式。 圖4表示P麗模式、間歇模式以及無噪音模式時的開關周期(switchingcycle)。 圖4(A)表示P麗模式時的開關周期，圖4(B)、(C)表示間歇模式時的開關周期和輸出電壓， 圖4(D)、(E)表示無噪音模式時的開關周期和輸出電壓。FET驅動器125根據感應電阻135 的兩端電壓判斷負載50的大小，在為預定值以上時在P麗模式下動作。在為P麗模式時進 行控制，以使主電晶體127和輔助電晶體129的導通/關斷相反。在主電晶體127導通，輔 助電晶體129關斷的期間(以下稱為導通期間)，從AC/DC適配器37提供的電流經由電感 器131以及感應電阻135提供給負載50，同時對濾波電容器133進行充電。
接著，在主電晶體127關斷，輔助電晶體129導通的期間(以下稱為關斷期間)，釋 放在導通期間積蓄在電感器131中的磁場能量，經由負載50和輔助電晶體129流過負載電 流。此時，還釋放積蓄在濾波電容器133中的電荷，作為負載電流而流過。如圖4(A)所示， FET驅動器125比較輸出端子139的輸出電壓和設定電壓，使動作頻率或周期(T)恆定，僅 調整導通期間(tonl ton4)，由此將輸出電壓維持在一定的範圍內。此時的動作頻率例如 選定400kHz這樣的比可聽頻率足夠高的值。 在P麗模式下，主電晶體127的動作頻率恆定，因此在輕負載時開關損失的比例增 大，效率降低。為了提高輕負載時的效率而採用間歇模式。間歇模式被稱為突發模式(burst mode)、跳越模式(skip mode)、或者省電模式(powersave mode)等各種稱呼。在間歇模式 下使導通期間(ton)恆定，忽視P麗模式時的若干個控制脈衝，以輸出電壓進入上限值(VH) 和下限值(VL)之間的方式控制周期(Tl T3)，維持設定電壓(Vs)。圖4(B) 、 (C)表示隨著 時間經過負載減小，周期按照Tl、 T2、 T2的順序變長，由此，將輸出電壓維持在設定電壓Vs。 本發明的間歇模式包含滿足以下條件的全部控制方法動作頻率比P麗模式低；隨著負載 減小，使動作頻率降低來調整輸出電壓；以及動作頻率進入可聽頻率的範圍。
FET驅動器125測定感應電阻135的兩端電壓，在流過電感器131的電流值低於 預定值時進行從P麗模式向間歇模式的切換。FET驅動器125也同樣地進行從間歇模式向 P麗模式的切換。在間歇模式下，隨著負載減小，動作頻率逐漸降低，因此輕負載時的效率提 高，但動作頻率進入可聽頻率。例如在間歇模式下在幾赫茲到400kHz的範圍內進行動作。 主電晶體127和輔助電晶體129交替地以可聽頻率進行開關動作，由此，電感器131、濾波電 容器133以及解耦電容器組45、47等產生振動，該振動還傳遞到主板產生噪音。
為了去除間歇模式的噪音而採用無噪音模式。無噪音模式是在負載減小，通過間 歇模式進行開關動作的情況下在動作頻率低於可聽頻率的上限時，將動作頻率維持在可聽 頻率以上的動作模式。例如在無噪音模式下，在20kHz至400kHz的範圍內進行動作。在無 噪音模式下，在向通過間歇模式進行動作時動作頻率進入可聽頻率這樣的小負載(以下稱 為可聽頻率負載)提供電力的情況下，將動作頻率維持在高於可聽頻率的值。在對可聽頻 率負載提供電力時，導通期間會在輸出電壓達到下限值(、)之前到來。
此時，在使主電晶體127成為導通狀態時，只要不縮短導通期間，如果在負載中沒 有變化則輸出電壓不久將超過上限值(VH)。在無噪音模式下，為使輸出電壓不超過上限值 (VH)，根據進入導通期間時的輸出電壓和下限值(、)的差設定導通期間，由此將輸出電壓 維持在以設定電壓(Vs)為中心的預定範圍內。即，進入導通期間時的輸出電壓和下限值 (、)的差越大，使導通期間越短，由此，進入關斷期間時的輸出電壓降低，因此，即使將動作頻率維持在可聽頻率以上，輸出電壓也不會超過上限值(VH)。 FET驅動器125監視對應負載的大小而變化的動作頻率，即使對於可聽頻率負載 也維持可聽頻率以上的動作頻率。在圖4(D)中表示將與動作頻率對應的周期固定為Tmin， 當負載隨著時間慢慢減小時，導通期間按照tonl、ton2、ton3的順序變短，此後負載增大進 入導通期間的時刻的輸出電壓下降到下限值(Vj，因此，導通期間增長為ton4。圖4(E)表 示與圖4(D)對應的輸出電壓的變化。在本實施方式中，將無噪音模式構成為與間歇模式獨 立的動作模式，但無噪音模式也可以說是為了對於可聽頻率負載將動作頻率設定在可聽頻 率以上，對間歇模式加以變更的動作模式。因此，當以高於可聽頻率的動作頻率進行動作 時，可以固定導通期間，採用與間歇模式相同的控制方式。 本發明的無噪音模式包含滿足動作頻率比P麗模式低並且比可聽頻率高、以及對 於可聽頻率負載的效率低於間歇模式的條件的全部控制方法。例如，維持在可聽頻率以上 時的周期不一定需要固定為恆定值Tmin。作為具備P麗模式、間歇模式以及無噪音模式的 FET驅動器，存在Texas Instrument (德州儀器)公司的型號TPS51221、以及Maxim公司的 型號MAX1977等。至此，舉例說明了電流控制型的FET驅動器125，但本發明不限於電流控 制型的電源裝置，也可以應用於電壓控制型的電源裝置。 像這樣具備3個動作模式的FET驅動器125，到此為止被用於間歇模式或無噪音模 式的某一個模式的設定。當設定為間歇模式時，FET驅動器125根據負載的大小在P麗模 式和間歇模式之間遷移。當設定為無噪音模式時，FET驅動器根據負載的大小在P麗模式 和無噪音模式之間遷移。因為在無噪音模式下將動作頻率維持在可聽頻率以上，因此不產 生噪音，但開關損失比間歇模式大，因此對於可聽頻率負載的效率降低。
另一方面，如前所述，即使動作頻率進入可聽頻帶，實際也不一定產生噪音。在即 使通過可聽頻率的動作頻率在間歇模式下進行動作也不產生噪音的情況下，當在無噪音模 式下進行動作時，導致無用的損失。目前，由於僅選擇間歇模式和無噪音模式中的某一種， 因此在重視防止噪音的情況下，具有僅設定為無噪音模式的方法。本實施方式的電源裝置 100初始設定間歇模式，僅在通過矽微傳聲器101檢測噪音判斷出實際產生了噪音的情況 下，從0R門123輸出高信號(切換信號)，由此從間歇模式轉移到無噪音模式，在必要的最 小限度的範圍內利用無噪音模式。
(動作說明) 下面，根據圖5的流程圖說明電源裝置100的動作。在塊201中，筆記本PC10成 為接通了電源的狀態。假設此時未產生噪音，0R門123沒有輸出切換信號。電源控制器29 向FET驅動器125發送動作信號使其開始動作。除了向全部設備提供電源的電源接通狀態 以外，本發明還可以應用於掛起狀態等僅向一部分設備提供電源的狀態。FET驅動器125檢 測感應電阻135的兩端電壓，在電源接通狀態下如塊203那樣在P麗模式下進行動作。
在P麗模式下，因為動作頻率比可聽頻率的上限高，因此通常不產生噪音。在塊 205中，FET驅動器125測定感應電阻135的兩端電壓，判斷負載電流是否低於預定值。當 負載電流比預定值大時，判斷為負載的功耗比預定值大，繼續P麗模式下的動作。在筆記 本PC10轉移到掛起狀態，電源裝置100的負載減小的情況下，負載電流降低，因此轉移到塊 207， FET驅動器125在間歇模式下進行動作。在塊208中，FET驅動器125在判斷出在間歇 模式下進行動作的期間負載的功耗超過了預定值時，返回塊的功耗比預定值小時，轉移到塊209。 在塊209中，比較器115判斷矽微傳聲器101輸出的聲音信號的電平是否超過了 預定值。FET驅動器125沒有在無噪音模式下動作，因此沒有從EC27輸出到時信號。比較 器115的輸出通過OR門123被輸出到FET驅動器125。當聲音信號的電平未超過預定值 時，OR門不輸出切換信號，因此返回塊207， FET驅動器125繼續間歇模式下的動作。
在塊209中聲音信號的電平超過基準電壓源117的基準電壓時產生了噪音，因此 OR門123向FET驅動器125輸出切換信號。在塊211中，FET驅動器125響應切換信號，在 無噪音模式下進行動作。在塊211中，一旦OR門123輸出切換信號時，通過AND門119保 持切換信號，因此，即使聲音信號的電平波動，比較器115輸出低信號，也維持切換信號。此 後，在塊215中，只要EC27的計時器不輸出到時信號，即使聲音信號的電平降低到預定值以 下，FET驅動器125也在無噪音模式下持續動作。FET驅動器125在開始無噪音模式下的動 作的同時，向EC27發送開始信號來使計時器動作。 在塊213中當負載電流大於預定值時轉移到塊203， FET驅動器125在P麗模式 下進行動作。在塊215中，只要EC27的計時器不輸出到時信號，FET驅動器125便返回塊 211，在無噪音模式下進行動作。在塊215中當EC27的計時器輸出了到時信號時，因為AND 門119輸出低信號，所以只把比較器115的輸出反映到0R門123的輸出中。因此，如果聲 音信號的電平降低，則切換信號停止，如果聲音信號的電平不降低，則維持切換信號。在塊 209中，FET驅動器125判斷是否噪音降低而停止了切換信號，在切換信號停止的情況下轉 移到塊207，在間歇模式下進行動作。 在噪音持續因此切換信號沒有停止的情況下轉移到塊211，繼續無噪音模式下的 動作。當轉移到間歇模式時，FET驅動器125向EC27發送計時器的復位信號。從塊215向 塊209的轉移保證了即使一旦在無噪音模式下開始動作，FET驅動器125也每隔預定時間 判斷是否產生了噪音，在沒有產生噪音的情況下在效率高的間歇模式下進行動作。(狀態遷移) 圖6是說明電源裝置100的狀態遷移的圖。電源裝置100在負載大時在P麗模式
下進行動作，但在無法忽略輕負載時的效率時，從P麗模式遷移到間歇模式。在間歇模式下
進行動作的期間產生了噪音的情況下，遷移到無噪音模式。在無噪音模式下，在負載增大的
情況下遷移到P麗模式。另外，當在無噪音模式下進行了預定時間的動作時，確認噪音的發
生狀態，在沒有發生噪音的情況下遷移到間歇模式，在發生了噪音的情況下維持無噪音模
式。在電源裝置100中，作為初始值設定了間歇模式，因此在圖6中未表示從P麗模式向無
噪音模式的遷移。(電源裝置的安裝構造) 圖7是說明安裝在主板上的電源裝置100的構成要素的平面圖。在圖7中表示了 在主板70上安裝了兩個電源裝置300、400的情形。電源裝置300專門對CPU301提供電力。 電源裝置400對CPU以外的設備提供電力。構成電源裝置300、400的元件被安裝在主板70 表面上。電源裝置300、400由輸入側解耦電容器303、403、輸出側解耦電容器315、415、主 電晶體305、405、輔助電晶體307、407、電感器309、409、FET驅動器311、411、聲音電路313、 413、以及矽微傳聲器317、417構成。輸入側解耦電容器303以及矽微傳聲器317被安裝在 主板70的背面。這樣，將矽微傳聲器317、417配置在振動多發，易成為噪音源的元件的附
13近。 電源裝置100可以廣泛應用於具備對於可聽頻率負載的效率高但動作頻率進入 可聽頻帶的動作模式、和對於可聽頻率負載的效率低但高於可聽頻率地維持動作頻率的動 作模式的電源裝置。以輸出電壓比輸入電壓低的降壓型為例進行了說明電源裝置100，但本 發明還可以應用於升壓型的開關穩壓器。此外，以輸入直流電壓的電源裝置為例進行了說 明，但本發明還可應用於輸入交流電壓的電源裝置。在以上的說明中，以筆記本PCIO中安 裝的電源裝置100為例進行了說明，但本發明的電源裝置可以廣泛應用於在音響設備、電 動汽車、混合動力車、或者攝像機等安靜的環境中使用、或者在需要排除噪音的設備或裝置 中使用的開關穩壓器。 至此，根據附圖所示的特定實施方式說明了本發明，但本發明不限於附圖所示的
實施方式，只要起到本發明的效果，當然可以採用此前已知的任何結構。 產業上的可應用性 可以應用於在安靜環境中使用的設備或裝置上安裝的電源裝置。
權利要求
一種電源裝置，對輸入電壓進行開關控制來輸出預定的直流電壓，其特徵在於，包括進行開關動作的開關元件；收集噪音來輸出聲音信號的微傳聲器；當所述聲音信號的電平超過預定值時輸出切換信號的聲音電路；以及控制電路，其通過一定的動作頻率的PWM模式、包含可聽頻率動作頻率比所述PWM模式的動作頻率低的間歇模式、以及比所述PWM模式的動作頻率低並且比所述可聽頻率高的動作頻率的無噪音模式的某一種模式，控制所述開關元件，並且對通過所述間歇模式進行動作的期間所取得的所述切換信號進行響應，遷移到所述無噪音模式。
2. 根據權利要求1所述的電源裝置，其特徵在於，還包括計時器電路，其與所述控制電路相連，對遷移到所述無噪音模式後的經過時間進行測所述控制電路對在通過所述無噪音模式進行動作時從所述計時器電路取得的到時信 號進行響應，在判斷出所述聲音信號的電平低於預定值時，遷移到所述間歇模式。
3. 根據權利要求1或2所述的電源裝置，其特徵在於，還包括 電流測定電路，其與所述控制電路相連，測定負載電流，所述控制電路在通過所述P麗模式進行動作的期間，在所述負載電流低於預定值時， 不遷移到所述無噪音模式，而遷移到所述間歇模式。
4. 根據權利要求3所述的電源裝置，其特徵在於， 所述控制電路在通過所述間歇模式或所述無噪音模式進行動作的期間，在所述負載電 流上升高於預定值時，遷移到所述P麗模式。
5. 根據權利要求1至4的任意一項所述的電源裝置，其特徵在於，在所述電源裝置上連接了解耦電容器，將所述微傳聲器配置在所述解耦電容器的附近。
6. —種電源裝置，對輸入電壓進行開關控制來輸出預定的直流電壓，其特徵在於，包括進行開關動作的開關元件； 收集噪音來輸出聲音信號的微傳聲器；在所述聲音信號的電平超過預定值時輸出切換信號的聲音電路；以及 控制電路，其能夠通過在包含可聽頻率的動作頻率的範圍內進行動作的第一動作模 式、或者以高於所述可聽頻率的動作頻率進行動作的第二動作模式，控制所述開關元件，並 且對通過所述第一動作模式進行動作的期間所取得的所述切換信號進行響應，遷移到所述 第二動作模式。
7. 根據權利要求6所述的電源裝置，其特徵在於，還包括 測定負載電流的電流測定電路，所述控制電路對所述電流測定電路的輸出進行響應，在動作頻率高於所述第一動作模 式的第三動作模式和所述第一動作模式之間進行遷移。
8. 根據權利要求6或7所述的電源裝置，其特徵在於，為了向通過所述第一動作模式控制所述開關元件時的動作頻率成為可聽頻率範圍的大小的負載供電通過所述第二動作模式控制所述開關元件時的開關損失，大於對同一所述 負載通過所述第一動作模式控制所述開關元件時的開封損失。
9. 一種用電設備，其特徵在於，包括直流電源、與所述直流電源連接的電源裝置、以及與所述電源裝置連接的負載， 所述電源裝置是權利要求1至8的任意一項所述的電源裝置。
10. —種可攜式電腦，包含處理器、多個設備、以及向該設備供電的電源裝置，其特徵在於，所述電源裝置包括 進行開關動作的開關元件； 收集噪音來輸出聲音信號的微傳聲器；當所述聲音信號的電平超過預定值時輸出切換信號的聲音電路；以及 控制電路，其通過一定的動作頻率的P麗模式、包含可聽頻率動作頻率低於所述P麗模 式的動作頻率的間歇模式、以及比所述P麗模式的動作頻率低並且比所述可聽頻率高的動 作頻率的無噪音模式的某一種模式，控制所述開關元件，並且對通過所述間歇模式進行動 作的期間所取得的所述切換信號進行響應，遷移到所述無噪音模式。
11. 根據權利要求10所述的可攜式電腦，其特徵在於，還包括控制器，該控制器包含計時器電路，在掛起狀態下在所述無噪音模式下的動作時間超 過預定的時間時，向所述控制電路輸出使其確認所述聲音信號的到時信號。
12. 根據權利要求11所述的可攜式電腦，其特徵在於，還包括蓄電池，在所述掛起狀態下從所述蓄電池向所述電源裝置供電，所述電源裝置向所述 多個設備中的若干個設備供電。
13. 根據權利要求10或11所述的可攜式電腦，其特徵在於， 所述電源裝置僅向所述處理器供電。
14. 一種半導體晶片，其用於包含開關元件，對輸入電壓進行開關控制來輸出預定的直 流電壓的電源裝置，該半導體晶片的特徵在於，包括收集噪音來輸出聲音信號的微傳聲器；當所述聲音信號的電平超過預定值時輸出切換信號的聲音電路；以及 控制電路，其通過一定的動作頻率的P麗模式、包含可聽頻率動作頻率低於所述P麗模 式的動作頻率的間歇模式、以及比所述P麗模式的動作頻率低並且比所述可聽頻率高的動 作頻率的無噪音模式的某一種模式，控制所述開關元件，並且對通過所述間歇模式進行動 作的期間所取得的所述切換信號進行響應，遷移到所述無噪音模式。
15. 根據權利要求14所述的半導體晶片，其特徵在於，還包括 計時器電路，其測量開始了所述無噪音模式的動作後的經過時間。
16. —種控制方法，對能夠通過第一動作模式或第二動作模式進行動作的電源裝置的 開關元件進行控制，所述第一動作模式是在包含可聽頻率的動作頻率的範圍內進行動作的 動作模式，所述第二動作模式是以高於所述可聽頻率的動作頻率進行動作的動作模式，所 述控制方法的特徵在於，包括通過所述第一動作模式控制所述開關元件的步驟；所述電源裝置通過微傳聲器測定所述電源裝置附近的噪音的步驟；以及對於所述噪音電平在預定值以上進行響應，通過所述第二動作模式控制所述開關元件 的步驟。
17. 根據權利要求16所述的控制方法，其特徵在於，所述電源裝置還能夠通過動作頻率高於所述第一動作模式的動作頻率的第三動作模 式進行動作，包括在通過所述第三模式進行動作的期間，在負載的功耗低於預定值時，不遷移到所 述無噪音模式，而遷移到所述間歇模式的步驟。
18. 根據權利要求16或17所述的控制方法，其特徵在於，包括在通過所述第二動作模式進行動作的時間超過了預定時間時，判斷所述噪音電平是否 在預定值以下的步驟；以及對所述噪音電平在預定值以下進行響應，從所述第二動作模式遷移到所述第一動作模 式來控制所述開關元件的步驟。
全文摘要
本發明提供一種可以在維持輕負載時的效率的同時降低噪音的電源裝置。FET驅動器(125)在PWM模式、和通過低於PWM模式的頻率進行動作的間歇模式、以及通過高於可聽頻帶的頻率進行動作的無噪音模式的某一種模式下控制開關元件(127、129)。在輕負載時最初在間歇模式下進行動作。微傳聲器(101)收集在電源裝置(100)周邊發生的噪音。當微傳聲器收集到的聲音信號超過預定的電平時，從間歇模式轉移到無噪音模式。由此，僅在實際發生噪音時在無噪音模式下進行動作。
文檔編號H04R3/00GK101728946SQ20091017407
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月22日 優先權日2008年10月24日
發明者浦河憲浩, 織田大原重文 申請人:聯想(新加坡)私人有限公司