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CN1975622B - 脉冲调频方法和电路 - Google Patents

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CN1975622B CN2005101098898A CN200510109889A CN1975622B CN 1975622 B CN1975622 B CN 1975622B CN 2005101098898 A CN2005101098898 A CN 2005101098898A CN 200510109889 A CN200510109889 A CN 200510109889A CN 1975622 B CN1975622 B CN 1975622B
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Abstract

一种稳压技术包括在轻负荷模式和基于负荷条件的脉宽调制(PWM)模式之间切换。有利的是，本发明有助于提高轻负荷的效率。在一个具体实施例中，电压输出用于判断是否为轻负荷，因为电压是负荷条件判断的一个好的指示器。当探测到轻负荷时，延长时钟断开时间直到输出电压达到负荷阈值。

Description

脉冲调频方法和电路
技术领域
该申请要求美国临时申请的利益，其申请号为60/605462，2004年8月30日提出，将其内容在此结合以作为参考。
背景技术
便携式电子设备的出现和对于延长电池寿命的要求需要新型稳压器，其在低电流和高电流负荷条件下是十分有效的。例如，手持式设备如PDA和手机，能够从延长电池寿命的高效备用模式和有效模式中获益良多。备用模式时采用十分低的工作电流非常重要，这是因为设备大多数的时间运行于此模式下。
脉宽调制(PWM)开关稳压器在重负荷时是非常有效的调节方案。PWM开关稳压器提供高效率，低输出电压波纹，良好的线性和负荷调节。然而在轻负荷时，PWM开关稳压器效率不高，这是由于与开关频率有关的损失——例如FET开关损失，中心损失，门驱动损失等等——在开关频率没有改变的条件下并不伴随着开关电压的降低。
人们为了提高开关稳压器在轻负荷时的效率作了很多努力。方法之一是基于具有固定的电感器峰值的负荷需要间歇性的操作开关稳压器。然而，这样尽管提高了轻负荷的效率，但仍还是存在巨大的输出波纹电压。
发明内容
下述具体实施方式和其相关的方面将与系统、工具和方法一起加以说明，所述系统、工具和方法是示范性和例证性的说明，而非限制范围。在各具体实施方式中，上述的一个或多个问题被减少或解决，其他实施方式则直接用于其他改进。
本发明涉及一种稳压技术，包括在轻负荷模式和基于负荷条件的PWM模式之间转换。有利地，本发明有助于提高轻负荷的效率。在一个具体实施例中，电压输出用于判断是否为轻负荷，因为电压是负荷条件判断的一个好的指示器。当探测到轻负荷时，延长时钟断开时间直到输出电压达到负荷阈值。
除此之外，被提议的电路可增加电池寿命，提高效率，或降低能耗。通过阅读下述内容和研究附图，本发明的上述或其他优势对于本领域技术人员将变得显而易见。
附图说明
本发明具体实施方式如图所示。但本发明并不限于具体实施方式及其附图，它们仅仅提供本发明的一些实例。
图1示出了一个带有一个双模式开关稳压器模块的系统的实施例。
图2示出了可由图1系统产生的不同信号的实施例。
图3示出了一个带有一个双模式开关稳压器模块的系统的一个可选的实施例。
图4示出了一个带有一个双模式开关稳压器模块的系统的一个可选的实施例。
图5示出了一个带有一个双模式开关稳压器模块的系统的一个可选的实施例。
具体实施方式
在以下的描述中，提供一些特殊的细节以使本发明的具体实施方式可被透彻的理解。然而本领域的技术人员将意识到，本发明能够在缺少一个或多个特殊细节的情况下，或者将其与其他方法、部件或材料等相结合的情况下实施。在其他实例中，一些公知的结构、材料、执行步骤或操作步骤没有给出或没有详细描述，以避免模糊本发明的各实施例。
图1给出了带有一个双模式开关稳压器的系统100的实例。系统100包括一个开关稳压器102，一个误差信号放大器104，一个脉冲频率调制比较器106，一个振荡器108，一个脉宽调制(PWM)比较器110，一个PWM锁存器112。在图1中，电阻器是一个RC网的一部分。RC网为本领域的技术人员所公知。电阻器可为回馈式电阻器(耦合于误差信号放大器104输入和误差信号放大器104输出之间的电阻器称为一补偿RC网电阻器)。
在图1中，开关稳压器102有一个电压输入(Vin)和一个电压输出(Vout)，并与误差信号放大器104和PWM锁存器112相耦合。误差信号放大器104通过一个混联的电阻器和电容器反馈输出电压。根据实际可选择一个或多个电阻器。一个混联的电阻器和电容器补偿反馈回路的稳定性和动态学。误差信号放大器104有Vout输入和一个参考电压(Vref)输入，并有一个输出信号。误差信号放大器104输出耦合到PFM比较器106和PWM比较器110。
PFM比较器106具有PFM阈值电压输入，和误差信号放大器104的输出，以及一个延长时钟信号的断开时间的控制信号(Toff)。PFM比较器106的输出耦合到振荡器108。振荡器108有一个斜坡(Ramp)信号输出和一个时钟(Clk)信号输出。斜坡信号输出连同误差信号放大器的输出耦合到PWM比较器110。Clk信号连同PWM比较器110的输出耦合到PWM锁存器112。PWM锁存器112的输出为一个PWM信号，该信号耦合到开关网络102。锁存器112可以任何开关部件实现，作为非限制性实例诸如晶体管，R-S双稳态多谐振荡器等。
在操作时，开关稳压器102输出Vout，Vout以回馈的方式传送到误差信号放大器104。误差信号放大器的输出在PFM比较器106中与Vpfm相比较。在一个非限定性的实施例中，Vpfm信号有一个预定值，但在可选实施例中，可以动态设定Vpfm。PFM比较器106的输出在打开主开关前被评估。振荡器108接收比较结果，Toff被视为当Vout为低时有效地延长时钟断开时间的控制信号。Vout可能与误差信号放大器104的输出更不同，但是，如果不同，Vout和误差信号放大器104的输出的相关值更容易比较。Vout与例如负荷相关联。
在操作时，振荡器108输出时钟信号和斜坡信号。Toff决定时钟断开时间的长度和倾斜时间的长度。在一非限定性实例中，如果时钟断开时间延长，则倾斜向上的时间也会延长。PWM比较器110将振荡器108的斜坡信号电平和误差信号放大器104的输出作比较，并为向锁存器112提供输入。PWM比较器110的输出触发PWM信号的OFF时间。锁存器112的另一输入为时钟信号，并输出一个PWM信号到开关稳压器102。在一非限定性实例中，振荡器108产生的时钟信号触发PWM信号的ON时间，其中在PWM信号的ON时间在经过一个门限驱动时期后打开主开关S1.
有利地，该系统100的优势在于可在轻负荷的时间间隔内提高系统效率，这样可节省能量，包括降低便携式电子设备的电池寿命。
图2示出系统100可产生的各种信号的实例。其它系统可能有相似的或不同的信号波形，这依赖于应用特定参数和方面。在图2的示例中，信号从正常的Toff变化到表示轻负荷的Toff。例如：栅格线202表示了如果Toff没有延长时钟断开时间时信号如何继续(用虚线)；栅格线204表示了该实例中实际继续的信号根据一个Toff信号而如何与延长的时钟断开时间相关。
如图2所示，误差信号放大器(EAO)的输出波形图，所述输出在PWM信号ON时间段内降低，并在PWM信号OFF时间段内上升。对于电压模式控制，在轻负荷时稳压器工作在非连续传导模式(DCM)的情况下，EAO电平与当前负荷成比例。在图2的实例中，在打开主开关之前，EAO的电平和电压电平Vpfm的比较通过一个振荡器内的逻辑电路检测。如图2所示那样，这一检测可能或不能被时钟上升边所触发，或被其他时钟事件如感应器电流的零相交、关闭主开关等所触发。如果V(EAO)比Vpfm大，则负荷电流很高不需要PFM，时钟下降边触发PWM信号并启动一个新的开关周期。
在一非限制性实例中，当电路工作在正常PWM操作下，时钟信号为窄脉冲宽度。当负荷电流降低时，EAO也同样降低。打开主开关之前，当检验EAO与Vpfm的比较时发现V(EAO)小于Vpfm，则负荷电流低至可满足PFM的操作。时钟脉冲宽度和PWM信号的OFF时间均被延长。在此期间，EAO电压上升，最终其将与Vpfm的阈值相交。这时时钟信号下降以触发PWM信号的ON时间并开始一个新的开关周期。延长的PWM信号的OFF时间可随着负荷电流的降低从零开始整长到无限大。通过这利方式，可能在轻负荷下达到接近于零频率的效果，轻负荷可能接近于“无负荷”，但在实际应用中，电路总是存在负荷。
图3，4，5分别给出了具有双模式开关稳压器模块的系统300，400，500的可选实施例。系统300，400，500类似于系统100(图1)。
在图3的实例中，将会比开关稳压器102(图1)更详细的描述开关稳压器302。开关稳压器302可以多种方式实现，举例而非限制性的包括降压，升压，升降压，回扫，前向等。在图3的实例中举例而非限制性地描述了降压稳压器。开关设备S1可以实施为功率MOSFET，整流设备D1(可为一整流二极管)、感应器L0、输入电容CIN以及输出电容Co，组成降压稳压器的功率级，所述功率级将输入终端Vin连接到一个电源并且将输出终端Vout连接到一个负荷。
振荡器308同样比振荡器108(图1)更详细的加以描述。在图3的实例中，振荡器308的组成包括一个电流源，定时电容，一个磁滞比较器和一个卸载开关。此处的描述适用于任何其他逻辑电路和振荡器拓扑结构。锁存器112为一R-S锁存器。系统300的操作过程与在前所述的系统100的操作过程类似。
在图4中，开关稳压器402与开关稳压器302(图3)类似，但感应器电流(IL)可按标示取样。RC网络在误差信号放大器404附近，所述误差信号放大器404与误差信号放大器104(图1)相类似，RC网络在结构上有一点不同，但相关领域的技术人员将明了其意义。斜坡信号和IL在414相结合后输入到PWM比较器410，所述PWM比较器410与PWM比较器110(图1)相类似。
系统400的操作与系统100的操作相类似，但在斜坡信号中增加了一个附加的电流波形以用于简单的循环补偿和周期性的电流限制。在主开关，感应器或其他地方和/或装置感应电流，由于简单化的循环频率的响应，一个跨导放大器可以用作为误差信号放大器而不是运算放大器。如图所示，Ru和Rd组成了一个电压电阻分压器以调整输出电压。电阻和电容混联组合连接在误差信号放大器的输出和地之间。利用峰值电流模式控制，在全程负荷条件下，误差信号放大器的输出与负荷电流成比例。系统400的操作与前所述系统100的操作相类似。
在图5的实例中，增加了一个电流循环放大器516。利用可感知的感应器电流代替可感知的峰值电流作为控制变量，使其通过电流放大器516以过滤出波纹，则平均感应器电流用作控制变量。通过此种方式提供平均电流模式控制，代替图4中的峰值电流模式控制。
本领域的技术人员将能意识到，前述的实例和具体实施方式是实例性的，并非限制本发明的范围。通过阅读本说明书以及研究附图，本领域的技术人员将会很容易的做出针对本发明的置换、增加、等同替换以及改进，都包括在本发明的实质内涵和范围内。因此权利要求中包括的所有类似的更改、置换和等同替换均在本发明的权利要求书保护范围内。

Claims (21)

1.一系统，包括：
一开关稳压器；一PFM比较器，与所述开关稳压器耦合，探测一与所述开关稳压器的输出电压相关的电压信号EAO是否大于一PFM阈值电压Vpfm；以及
一振荡器，与所述PFM比较器耦合，提供一时钟信号，
其中，在所述PFM阈值电压Vpfm小于或等于所述与所述开关稳压器的输出电压相关的电压信号EAO时，所述时钟信号有一第一高电平时间段；在所述PFM阈值电压Vpfm大于所述与所述开关稳压器的输出电压相关的电压信号EAO时，延长所述时钟信号的高电平时间段，直至所述与所述开关稳压器的输出电压相关的电压信号EA0与所述PFM阈值电压Vpfm相交时开始一个新的开关周期，所述时钟信号有一第二高电平时间段。
2.如权利要求1所述系统，其中所述PFM比较器接收所述PFM阈值电压和所述与所述开关稳压器的输出电压相关的电压信号作为输入。
3.如权利要求1所述系统，其中所述PFM比较器输出一与延长所述时钟的断开时间相关的控制信号。
4.如权利要求1所述系统，进一步包括一RC网络补偿模块，耦合于所述PFM比较器和所述开关稳压器之间。
5.如权利要求1所述系统，进一步包括一PWM比较器，耦合于所述振荡器和所述开关稳压器之间。
6.如权利要求5所述系统，进一步包括一锁存器，耦合于所述开关稳压器和所述PWM比较器之间，其中，所述锁存器输出为一PWM信号，所述PWM信号送入所述开关稳压器。
7.如权利要求1所述系统，进一步包括一锁存器，耦合于所述开关稳压器和所述振荡器之间。
8.一系统，包括：
一开关稳压器，具有电压输入信号、电压输出信号和脉宽调制信号输入；
一误差信号放大器，耦合于所述开关稳压器，接收一参考电压信号Vref以及一与所述电压输出信号相关的信号作为输入，并输出一输出信号EAO；
一PFM比较器，耦合于所述误差信号放大器，接收一PFM阈值电压Vpfm和所述误差信号放大器的输出信号EAO作为输入，并输出一命令信号；
一振荡器，耦合于所述PFM比较器，接收所述命令信号作为输入，并输出一斜坡信号和一时钟信号；
一PWM比较器，与所述振荡器和所述误差信号放大器耦合，接收所述斜坡信号和所述误差信号放大器的输出作为输入，并输出一输出信号；
一锁存器，与所述振荡器和所述PWM比较器耦合，接收所述时钟信号和所述PWM比较器的输出作为输入，并输出PWM信号到所述开关稳压器，
其中，所述PFM阈值电压Vpfm比所述误差信号放大器的输出信号EAO大时，与所述命令信号相关的所述时钟信号的高电平时间段比所述PFM阈值电压Vpfm小于等于所述误差信号放大器的输出信号EAO时的长；其中当所述PFM阈值电压Vpfm大于所述误差信号放大器的输出信号EAO时，所述命令信号控制所述振荡器输出一高电平时间延长的所述时钟信号，直至所述误差信号放大器的输出信号EAO与所述PFM阈值电压Vpfm相交时开始一个新的开关周期。
9.如权利要求8所述的系统，特征在于，其中所述时钟信号的下降沿触发所述PWM信号。
10.如权利要求8所述的系统，进一步包括：
上行反馈电阻器，耦合于所述误差信号放大器和所述开关稳压器之间；
下行反馈电阻器，耦合于所述开关稳压器和地之间。
11.如权利要求8所述的系统，进一步包括补偿RC网络电阻器，与所述误差信号放大器的输入以及输出相耦合。
12.如权利要求8所述的系统，进一步包括一电流回路放大器，耦合于所述开关稳压器和所述PWM比较器之间。
13.一方法，包括：
比较一PFM阈值电压Vpfm和一与输出电压相关的电压信号EAO；
提供一命令信号以响应所述比较；
利用所述命令信号延长一时钟信号的高电平时间，直至所述与输出电压相关的电压信号EAO与所述PFM阈值电压Vpfm相交时开始一个新的开关周期；
从所述时钟信号派生出一PWM信号以驱动一负载。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述与电压输出相关的电压信号为一反馈信号。
15.如权利要求13所述的方法，进一步包括：
产生一斜坡信号；
将所述斜坡信号与所述与输出电压相关的电压信号作比较；
利用比较结果产生所述PWM信号。
16.如权利要求13所述的方法，进一步包括当所述与输出电压相关的电压信号低于所述PFM阈值电压时，增加所述时钟的高电平时间。
17.如权利要求12所述的方法，进一步包括利用所述时钟信号的下降沿触发所述PWM信号。
18.如权利要求13所述的方法，进一步包括一电感电流与所述斜坡信号相加。
19.如权利要求18所述的方法，其中的所述电感电流为一峰值电感电流。
20.如权利要求18所述的方法，其中的所述电感电流为一平均电感电流。
21.如权利要求13所述的方法，进一步包括延长所述时钟的高电平时间，直至所述与输出电压相关的电压信号升至所述PFM阈值电压。
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