脈衝調頻方法和電路的製作方法
2023-05-07 07:30:31 4
專利名稱：脈衝調頻方法和電路的製作方法
技術領域：
該申請要求美國臨時申請的利益，其申請號為60/605462，2004年8月30日提出，將其內容在此結合以作為參考。
背景技術：
可攜式電子設備的出現和對於延長電池壽命的要求需要新型穩壓器，其在低電流和高電流負荷條件下是十分有效的。例如，手持式設備如PDA和手機，能夠從延長電池壽命的高效備用模式和有效模式中獲益良多。備用模式時採用十分低的工作電流非常重要，這是因為設備大多數的時間運行於此模式下。
脈寬調製(PWM)開關穩壓器在重負荷時是非常有效的調節方案。PWM開關穩壓器提供高效率，低輸出電壓波紋，良好的線性和負荷調節。然而在輕負荷時，PWM開關穩壓器效率不高，這是由於與開關頻率有關的損失——例如FET開關損失，中心損失，門驅動損失等等——在開關頻率沒有改變的條件下並不伴隨著開關電壓的降低。
人們為了提高開關穩壓器在輕負荷時的效率作了很多努力。方法之一是基於具有固定的電感器峰值的負荷需要間歇性的操作開關穩壓器。然而，這樣儘管提高了輕負荷的效率，但仍還是存在巨大的輸出波紋電壓。
發明內容
下述
具體實施例方式
和其相關的方面將與系統、工具和方法一起加以說明，所述系統、工具和方法是示範性和例證性的說明，而非限制範圍。在各具體實施方式
中，上述的一個或多個問題被減少或解決，其他實施方式則直接用於其他改進。
本發明涉及一種穩壓技術，包括在輕負荷模式和基於負荷條件的PWM模式之間轉換。有利地，本發明有助於提高輕負荷的效率。在一個具體實施例中，電壓輸出用於判斷是否為輕負荷，因為電壓是負荷條件判斷的一個好的指示器。當探測到輕負荷時，延長時鐘斷開時間直到輸出電壓達到負荷閾值。
除此之外，被提議的電路可增加電池壽命，提高效率，或降低能耗。通過閱讀下述內容和研究附圖，本發明的上述或其他優勢對於本領域技術人員將變得顯而易見。
本發明
具體實施例方式
如圖所示。但本發明並不限於具體實施方式
及其附圖，它們僅僅提供本發明的一些實例。
圖1示出了一個帶有一個雙模式開關穩壓器模塊的系統的實施例。
圖2示出了可由圖1系統產生的不同信號的實施例。
圖3示出了一個帶有一個雙模式開關穩壓器模塊的系統的一個可選的實施例。
圖4示出了一個帶有一個雙模式開關穩壓器模塊的系統的一個可選的實施例。
圖5示出了一個帶有一個雙模式開關穩壓器模塊的系統的一個可選的實施例。
具體實施方式
在以下的描述中，提供一些特殊的細節以使本發明的具體實施方式
可被透徹的理解。然而本領域的技術人員將意識到，本發明能夠在缺少一個或多個特殊細節的情況下，或者將其與其他方法、部件或材料等相結合的情況下實施。在其他實例中，一些公知的結構、材料、執行步驟或操作步驟沒有給出或沒有詳細描述，以避免模糊本發明的各實施例。
圖1給出了帶有一個雙模式開關穩壓器的系統100的實例。系統100包括一個開關穩壓器102，一個誤差信號放大器104，一個脈衝頻率調製比較器106，一個振蕩器108，一個脈寬調製(PWM)比較器110，一個PWM鎖存器112。在圖1中，電阻器是一個RC網的一部分。RC網為本領域的技術人員所公知。電阻器可為回饋式電阻器(耦合於誤差信號放大器104輸入和誤差信號放大器104輸出之間的電阻器稱為一補償RC網電阻器)。
在圖1中，開關穩壓器102有一個電壓輸入(Vin)和一個電壓輸出(Vout)，並與誤差信號放大器104和PWM鎖存器112相耦合。誤差信號放大器104通過一個混聯的電阻器和電容器反饋輸出電壓。根據實際可選擇一個或多個電阻器。一個混聯的電阻器和電容器補償反饋迴路的穩定性和動態學。誤差信號放大器104有Vout輸入和一個參考電壓(Vref)輸入，並有一個輸出信號。誤差信號放大器104輸出耦合到PFM比較器106和PWM比較器110。
PFM比較器106具有PFM閾值電壓輸入，和誤差信號放大器104的輸出，以及一個延長時鐘信號的斷開時間的控制信號(Toff)。PFM比較器106的輸出耦合到振蕩器108。振蕩器108有一個斜坡(Ramp)信號輸出和一個時鐘(Clk)信號輸出。斜坡信號輸出連同誤差信號放大器的輸出耦合到PWM比較器110。Clk信號連同PWM比較器110的輸出耦合到PWM鎖存器112。PWM鎖存器112的輸出為一個PWM信號，該信號耦合到開關網絡102。鎖存器112可以任何開關部件實現，作為非限制性實例諸如電晶體，R-S雙穩態多諧振蕩器等。
在操作時，開關穩壓器102輸出Vout，Vout以回饋的方式傳送到誤差信號放大器104。誤差信號放大器的輸出在PFM比較器106中與Vpfm相比較。在一個非限定性的實施例中，Vpfm信號有一個預定值，但在可選實施例中，可以動態設定Vpfm。PFM比較器106的輸出在打開主開關前被評估。振蕩器108接收比較結果，Toff被視為當Vout為低時有效地延長時鐘斷開時間的控制信號。Vout可能與誤差信號放大器104的輸出更不同，但是，如果不同，Vout和誤差信號放大器104的輸出的相關值更容易比較。Vout與例如負荷相關聯。
在操作時，振蕩器108輸出時鐘信號和斜坡信號。Toff決定時鐘斷開時間的長度和傾斜時間的長度。在一非限定性實例中，如果時鐘斷開時間延長，則傾斜向上的時間也會延長。PWM比較器110將振蕩器108的斜坡信號電平和誤差信號放大器104的輸出作比較，並為向鎖存器112提供輸入。PWM比較器110的輸出觸發PWM信號的OFF時間。鎖存器112的另一輸入為時鐘信號，並輸出一個PWM信號到開關穩壓器102。在一非限定性實例中，振蕩器108產生的時鐘信號觸發PWM信號的ON時間，其中在PWM信號的ON時間在經過一個門限驅動時期後打開主開關S1。
有利地，該系統100的優勢在於可在輕負荷的時間間隔內提高系統效率，這樣可節省能量，包括降低可攜式電子設備的電池壽命。
圖2示出系統100可產生的各種信號的實例。其它系統可能有相似的或不同的信號波形，這依賴於應用特定參數和方面。在圖2的示例中，信號從正常的Toff變化到表示輕負荷的Toff。例如柵格線202表示了如果Toff沒有延長時鐘斷開時間時信號如何繼續(用虛線)；柵格線204表示了該實例中實際繼續的信號根據一個Toff信號而如何與延長的時鐘斷開時間相關。
如圖2所示，誤差信號放大器(EAO)的輸出波形圖，所述輸出在PWM信號ON時間段內降低，並在PWM信號OFF時間段內上升。對於電壓模式控制，在輕負荷時穩壓器工作在非連續傳導模式(DCM)的情況下，EAO電平與當前負荷成比例。在圖2的實例中，在打開主開關之前，EAO的電平和電壓電平Vpfm的比較通過一個振蕩器內的邏輯電路檢測。如圖2所示那樣，這一檢測可能或不能被時鐘上升邊所觸發，或被其他時鐘事件如感應器電流的零相交、關閉主開關等所觸發。如果V(EAO)比Vpfm大，則負荷電流很高不需要PFM，時鐘下降邊觸發PWM信號並啟動一個新的開關周期。
在一非限制性實例中，當電路工作在正常PWM操作下，時鐘信號為窄脈衝寬度。當負荷電流降低時，EAO也同樣降低。打開主開關之前，當檢驗EAO與Vpfm的比較時發現V(EAO)小於Vpfm，則負荷電流低至可滿足PFM的操作。時鐘脈衝寬度和PWM信號的OFF時間均被延長。在此期間，EAO電壓上升，最終其將與Vpfm的閾值相交。這時時鐘信號下降以觸發PWM信號的ON時間並開始一個新的開關周期。延長的PWM信號的OFF時間可隨著負荷電流的降低從零開始整長到無限大。通過這種方式，可能在輕負荷下達到接近於零頻率的效果，輕負荷可能接近於「無負荷」，但在實際應用中，電路總是存在負荷。
圖3，4，5分別給出了具有雙模式開關穩壓器模塊的系統300，400，500的可選實施例。系統300，400，500類似於系統100(圖1)。
在圖3的實例中，將會比開關穩壓器102(圖1)更詳細的描述開關穩壓器302。開關穩壓器302可以多種方式實現，舉例而非限制性的包括降壓，升壓，升降壓，回掃，前向等。在圖3的實例中舉例而非限制性地描述了降壓穩壓器。開關設備S1可以實施為功率MOSFET，整流設備D1(可為一整流二極體)、感應器L0、輸入電容CIN以及輸出電容Co，組成降壓穩壓器的功率級，所述功率級將輸入終端Vin連接到一個電源並且將輸出終端Vout連接到一個負荷。
振蕩器308同樣比振蕩器108(圖1)更詳細的加以描述。在圖3的實例中，振蕩器308的組成包括一個電流源，定時電容，一個磁滯比較器和一個卸載開關。此處的描述適用於任何其他邏輯電路和振蕩器拓撲結構。鎖存器112為一R-S鎖存器。系統300的操作過程與在前所述的系統100的操作過程類似。
在圖4中，開關穩壓器402與開關穩壓器302(圖3)類似，但感應器電流(IL)可按標示取樣。RC網絡在誤差信號放大器404附近，所述誤差信號放大器404與誤差信號放大器104(圖1)相類似，RC網絡在結構上有一點不同，但相關領域的技術人員將明了其意義。斜坡信號和IL在414相結合後輸入到PWM比較器410，所述PWM比較器410與PWM比較器110(圖1)相類似。
系統400的操作與系統100的操作相類似，但在斜坡信號中增加了一個附加的電流波形以用於簡單的循環補償和周期性的電流限制。在主開關，感應器或其他地方和/或裝置感應電流，由於簡單化的循環頻率的響應，一個跨導放大器可以用作為誤差信號放大器而不是運算放大器。如圖所示，Ru和Rd組成了一個電壓電阻分壓器以調整輸出電壓。電阻和電容混聯組合連接在誤差信號放大器的輸出和地之間。利用峰值電流模式控制，在全程負荷條件下，誤差信號放大器的輸出與負荷電流成比例。系統400的操作與前所述系統100的操作相類似。
在圖5的實例中，增加了一個電流循環放大器516。利用可感知的感應器電流代替可感知的峰值電流作為控制變量，使其通過電流放大器516以過濾出波紋，則平均感應器電流用作控制變量。通過此種方式提供平均電流模式控制，代替圖4中的峰值電流模式控制。
本領域的技術人員將能意識到，前述的實例和具體實施方式
是實例性的，並非限制本發明的範圍。通過閱讀本說明書以及研究附圖，本領域的技術人員將會很容易的做出針對本發明的置換、增加、等同替換以及改進，都包括在本發明的實質內涵和範圍內。因此權利要求中包括的所有類似的更改、置換和等同替換均在本發明的權利要求書保護範圍內。
權利要求
1.一種系統，包括一個開關穩壓器；一個PFM比較器，與開關穩壓器耦合，有效地用於探測從開關穩壓器輸出的電壓是否大於PFM閾值電壓；一個振蕩器，與PFM比較器耦合，用於提供一時鐘信號，該時鐘信號在PFM閾值大於開關穩壓器輸出電壓時有一個第一斷開時間段，在PFM閾值小於或等於開關穩壓器的輸出電壓時有一個第二斷開時間段。
2.如權利要求1所述系統，其中PFM比較器接收一PFM閾值電壓信號和一與從開關穩壓器輸出電壓相關的電壓信號作為輸入。
3.如權利要求1所述系統，其中PFM比較器輸出一與延長時鐘斷開信號相關的控制信號。
4.如權利要求1所述系統，進一步包括一RC網補償模塊，耦合於PFM比較器和開關穩壓器之間。
5.如權利要求1所述系統，進一步包括一PWM比較器，耦合于振蕩器和開關穩壓器之間，其中鎖存器輸出為一PWM信號，該信號送入開關穩壓器。
6.如權利要求3所述系統，進一步包括一鎖存器，耦合於開關穩壓器和PWM比較器之間，其中，鎖存器輸出為一PWM信號，該信號送入開關穩壓器。
7.如權利要求3所述系統，進一步包括一鎖存器，耦合於開關穩壓器和振蕩器之間。
8.一種系統，包括一個開關穩壓器，具有電壓輸入(Vin)信號、電壓輸出(Vout)信號和脈寬調製(PWM)信號輸入；一個誤差信號放大器，耦合於開關穩壓器，有效地接收一個參考電壓(Vref)信號以及一個與Vout信號相關的信號作為輸入，並輸出一個輸出信號；一個脈衝調頻(PFM)比較器，耦合於誤差信號放大器有效地用於接收一個PFM電壓信號和一個誤差信號放大器的輸出作為輸入，並有效地輸出一個命令信號(Toff)；一個振蕩器，耦合於PFM比較器，有效地接收Toff信號作為輸入，並有效地輸出一個斜坡信號和一個時鐘信號；一個PWM比較器，與振蕩器和誤差信號放大器耦合，有效地接收斜坡信號和誤差信號放大器的輸出作為輸入，並輸出一輸出信號；一個鎖存器，與振蕩器和PWM比較器耦合，有效地接收時鐘信號和PWM比較器的輸出作為輸入，並有效地輸出PWM信號到開關穩壓器，其中，在與Vpfm信號相關聯的一個閾值電壓比Vout信號大時，以及該閾值電壓小於等於Vout信號時，Toff信號與較長的時鐘斷開時間相關聯。
9.如權利要求8所述的系統，其中當與Vpfm信號相關的閾值電壓大於Vout信號時，Toff信號控制振蕩器輸出一延長斷開時間的時鐘信號。
10.如權利要求8所述的系統，進一步包括上行反饋電阻器，耦合於誤差信號放大器和開關穩壓器之間；下行反饋電阻器，耦合於開關穩壓器和地之間。
11.如權利要求8所述的系統，進一步包括補償RC網絡電阻器，與誤差信號放大器的輸入以及輸出相耦合。
12.如權利要求8所述的系統，進一步包括一個電流迴路放大器，耦合於開關穩壓器和PWM比較器之間。
13.一種方法，包括比較PFM閾值電壓和輸出電壓；提供命令信號以響應所述比較；利用該命令信號延長一個時鐘信號的斷開時間；從時鐘信號派生出一個PWM信號以驅動一負載。
14.如權利要求13所述的方法，其中輸出電壓為一反饋信號。
15.如權利要求13所述的方法，進一步包括產生一個斜坡信號；將該斜坡信號與輸出電壓作比較；利用比較結果產生一用於驅動一個負載的PWM信號。
16.如權利要求13所述的方法，進一步包括當輸出電壓低於一閾值數值時，增加時鐘斷開時間。
17.如權利要求13所述的方法，進一步包括當一與輸出電壓相關的感應電流小於一閾值數值時，增加時鐘斷開時間。
18.如權利要求17所述的方法，其中的感應器電流為一峰值感應器電流。
19.如權利要求17所述的方法，其中的感應器電流為一平均感應器電流。
20.如權利要求13所述的方法，進一步包括延長時鐘斷開時間，直至輸出電壓升至PFM閾值電壓。
全文摘要
一種穩壓技術包括在輕負荷模式和基於負荷條件的脈寬調製(PWM)模式之間切換。有利的是，本發明有助於提高輕負荷的效率。在一個具體實施例中，電壓輸出用於判斷是否為輕負荷，因為電壓是負荷條件判斷的一個好的指示器。當探測到輕負荷時，延長時鐘斷開時間直到輸出電壓達到負荷閾值。
文檔編號G05F1/46GK1975622SQ200510109889
公開日2007年6月6日 申請日期2005年8月30日 優先權日2004年8月30日
發明者徐鵬 申請人:美國芯源系統股份有限公司