CN100380795C - 电压调节器中的频率限制及超载检测 - Google Patents

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Abstract

本发明的方法利用一切换装置产生调节输出电压及输出电流，以提供输出电流，并利用以脉宽调制(PWM)模式作用的第一控制电路及以脉频调制(PFM)模式作用的第二控制电路控制该切换装置，其中，第二控制电路具有第二反馈电路，且该第二反馈电路具有一时间延迟，以加入该脉频的限制。

Description

电压调节器中的频率限制及超载检测
技术领域
本发明总体上涉及电压调节器领域。特别是涉及根据降压转换器(bulkconverter)原理进行操作的电压调节器。
背景技术
电子装置，如，计算机处理器或直流(DC)功率驱动的其它负载，通常会需要一个或更多个稳定的供应电压以进行操作。过去，这些直流(DC)供应电压通常是借助于交流-直流转换器(AC-DCconverter)的辅助而得到，其利用典型的变压器及整流器、及适当的电容器及滤波器，从而将一个交流(AC)供应电压转换为一个预定直流(DC)电压。然而，电子负载，如，计算机处理器及逻辑集成电路(IC)，相对于直流(DC)电压稳定性的电压要求相当高。一个主要原因是：处理电路极可能会在各个时间点处理不同数量的资料，亦即：这些处理电路的工作负载及能量要求极可能会巨幅变动。可调且定义明确的直流(DC)供应电压对这类负载非常有好处。
传统的电压调节器通过监控所述输出并利用反馈将该输出维持固定，以提供具有预定数值的固定输出电压。在一个典型的脉宽调制(PWM)调节器电路中，这个切换装置的控制端提供一个方波，以控制其开启(ON)状态及关闭(OFF)状态。由于增加这个切换装置的ON状态时间将会增加这个输出电压(反之亦然)，因此这个输出电压便可以通过操纵这个方波的工作周期而获得控制。这个操纵利用一个控制电路完成，其可以连续地比较这个输出电压及一个参考电压、并调节这个方波的工作周期以维持一个固定输出电压。
美国专利US5945820公开了一种直流-直流切换调节器(DC-DCswitchingbulkconverter)，其将一个直流(DC)供应电压转换为一个直流(DC)输出电压，以利用一个直流-直流降压转换器(DC-DCbulkconverter)驱动一负载，其操作于一个实时切换速率的固定宽度脉冲。这个调节器具有一个反馈，其基于这个实时切换速率、一个环状震荡器由输出电压导出的一个输出频率、及一个频率发送装置或这个负载的一个频率发送端口提供的一个理想频率，以计算一个后续切换速率。通过改变这个理想频率，这个负载便可以交换其功率需求。另外，这个调节器亦可以用于低功率状态及用于高功率电平。
另一种类型的电压调节器公开于世界专利WO96/10287，其在此引作参考。这种类型的电压调节器亦称为一种降压转换器(bulkconverter)，其可以在一种脉频调制(PFM)模式及一种脉宽调制(PWM)模式间自动切换，藉以获得理想的高效率。电压调节模式间的切换可以监控这个输出电压及这个输出电流以实现，其中，这个调节器在低输出电流时操作于脉频调制(PFM)模式、在高输出电流时操作于脉宽调制(PWM)模式。脉频调制(PFM)模式强迫这个切换装置跳过这个输出电压超过其额定数值的周期，以维持一个固定输出电压。在脉宽调制(PWM)模式中，一个具有可变工作周期的脉宽调制(PWM)信号控制这个切换装置。另外，一个固定输出电压利用反馈电路加以维持，其根据这个输出电压的波动，改变这个脉宽调制(PWM)信号的工作周期。在电压调节的种脉频调制(PFM)模式中，这个系统可以在低输出电压时提供更好的效率，与脉宽调制(PWM)模式相比。
如先前所述，这种脉频调制模式(PFM)是这种降压导出转换器(bulkderivedconverter)的一种模式，用于极低的负载电流。在这种模式中，这种转换器利用一个比较器感测这个输出，在输出电压过低时触发。比较器系激活切换组件(即：功率晶体管)的开启，直到流经电感器的电流达到预定数值，其激活输出晶体管的关闭。因此，该转换器的频率随着负载变动。在这种脉频调制(PFM)模式中，一个未解决的问题是如何决定直流-直流转换器发生超载的时间。另一个未解决的问题是如何从脉频调制(PFM)模式切换回到脉宽调制(PWM)模式，特别是，如何找到一个数字信号以将该转换器由脉频调制(PFM)模式切换回脉宽调制(PWM)模式。
在大部分商业产品中，如：来自LinearTechnologies及Maxim的大部分产品，一种负载电流感测方法是在脉频调制(PFM)模式的超载情况中，决定何时应该改变为脉宽调制(PWM)模式。
发明内容
有鉴于此，本发明的一个主要目的便是提供一种方法，其利用一个电压调节器执行，以解决上述及其它问题。特别是，本发明的一个主要目的是提供一种解决方法，以解决发生在脉频调制(PFM)模式期间的超载情况。本发明的另一个主要目的是提供从脉频调制(PFM)模式至脉宽调制(PWM)模式的切换。
本发明的一个基本特征为，在一种利用电压调节器执行的方法中，在脉频调制(PFM)模式中加入一个脉频限制。为有效限制该脉频，可以将时间延迟加入该电压调节器的第二反馈电路中，即：这种脉频调制(PFM)模式的反馈电路。由于该时间延迟，产生并输出至电感电容滤波器(LCfilter)的脉冲便可以时间展开，使该脉频可以有效地限制。
特别是，本发明涉及一种利用电压调节器执行的方法，其包括下列步骤：利用一切换装置，在该电压调节器之一输出端产生一调节输出电压及一输入电流，以提供输出电流，该切换装置具有一开启(ON)状态及一关闭(OFF)状态；利用第一控制电路以控制该切换装置，其中，该第一控制电路作用于脉宽调制(PWM)模式，该第一控制电路包括：方波产生器，用以输出方波，该方波的工作周期对应于输出端的调节输出电压，其中，方波产生器控制该切换装置的开启(ON)状态及关闭(OFF)状态；以及第一反馈电路，基于输出电压的对应电压及第一参考电压间的差值产生误差信号、并根据该误差信号变动方波产生器的工作周期，以使该输出电压具有预定电压电平；以及利用第二控制电路以控制切换装置，其中，该第二控制电路包括：信号产生器，用以输出切换信号，该切换信号具有固定工作周期，其中，该信号产生器控制该切换装置的开启(ON)状态及关闭(OFF)状态；以及第二反馈电路，该第二反馈电路作用于脉频调制(PFM)模式，其中，将时间延迟加入该第二反馈电路中，以加入该脉频的限制。
该第二反馈电路可以包括：电流比较器，藉以感测流经切换装置的电流，以及第一电压比较器，以感测该电压调节器的输出电压。该电流比较器设定为检测脉冲上升边缘的电流超过预定电平的情况，以激活该切换装置的关闭及时间延迟的开启；且该第一电压比较器设定为检测输出电压低于理想输出电压的情况，以激活该切换装置(1)的开启。
该时间延迟的加入方式为，在第二反馈电路中，除非时间延迟的关闭已经激活，否则切换装置(1)的开启便无法激活。
电压调节器还可以包括：第二电压比较器，以激活从脉频调制(PFM)模式切换回到脉宽调制(PWM)模式，若输出电压低于理想输出电压或预定数量，举例来说，60mV.该调节器的输出电压利用该第二电压比较器感测，且第二电压比较器输出一数字信号，若该输出电压低于理想电压或预定数量以上。于是，该数字信号便会激活脉频调制(PFM)模式至该脉宽调制(PWM)模式的切换。
在本发明电压调节器的一个优选实施例中，驱动电路(2)可以做为脉宽调制(PWM)模式中的方波产生器、及做为脉频调制(PFM)模式中的信号产生器。
另外，切换装置(1)可以包括晶体管，特别是功率晶体管。
附图说明
本发明结合附图，详细说明表示输出电压及电感器电流的优选实施例及其可能切换方法，其中：
图1表示根据本发明方法作用的电压调节器电路的电感器电流(a)及输出电压(b)的时间变化；以及
图2表示根据本发明方法执行的电压调节器电路的部分电路图。
具体实施方式
图1表示在一个优选实施例中，电感器电流(a)及输出电压(b)的时间变化图，其中，时间延迟在电流比较器检测到所谓的峰值电流(即：预定电流电平)时触发、并在检测到该峰值电流时关闭切换装置。另一方面，第一电压比较器检测输出电压可以匹配期望输出电压的情况、并在检测到这种情况时开启输出晶体管。
图2所示的电路图仅是执行这种脉频调制(PFM)模式的电压调节器的部分。该部分并不包括脉宽调制(PWM)模式的控制、亦不包括决定何时必须进行脉频调制(PFM)模式及何时必须进行脉宽调制(PWM)模式的数字控制。降压转换器(buck converter)切换机制的详细说明，请再度参考世界专利WO96/10287，其已经在本发明中引作参考。如图所示，切换装置的各个构件及装置系进行编号并列在所附附图标号中。
切换装置1为功率晶体管，其具有开启(ON)状态及关闭(OFF)状态、并利用驱动器2控制，用以做为脉频调制(PFM)模式中的信号产生器。另外，驱动器2亦可以在脉宽调制(PWM)模式及脉频调制(PFM)模式之间共享，并做为脉宽调制(PWM)模式中的方波产生器。
本发明与现有技术的主要差异在于：本发明加入频率限制，其通过在脉频调制(PFM)模式的反馈电路中加入时间延迟实现。当功率晶体管1开启时(或即使是这个功率晶体管1关闭时)，时间延迟将会触发。若电压比较器在这个时间延迟关闭前触发，则表示发生超载情况。也可以利用这个信号产生回复至脉宽调制(PWM)模式的切换。另外，频率限制的激活也可以通过不允许功率晶体管的开启，直到时间延迟关闭为止。由于所述频率正比于负载电流，该频率亦可以做为电流限制，因此这个输出电压将会降低、且另一个电压比较器(诸如：第二电压比较器4)亦可以感测到这种情况。利用这个第二电压比较器4感测到的较低电压必然会落在电压规格范围内。因此，这种方法亦可以容许转换器在脉频调制(PFM)模式中出现短暂超载的情况。

Claims (7)

1.一种由电压调节器执行的方法，其步骤包括：
产生调节输出电压及输出电流，和利用切换装置(1)在该电压调节器的输出端提供该输出电流，该切换装置(1)具有一开启状态及一关闭状态；
利用第一控制电路以控制该切换装置(1)，其中，该第一控制电路作用于脉宽调制模式，该第一控制电路包括：
方波产生器，用以输出一方波，该方波的工作周期对应于输出端的所述调节输出电压，其中，方波产生器控制切换装置(1)的开启状态及关闭状态；以及
第一反馈电路，其基于输出电压的对应电压及第一参考电压间的差值产生误差信号、并根据该误差信号以变动该方波产生器的工作周期，使该输出电压具有预定电压电平；以及
利用第二控制电路控制该切换装置(1)，其中，该第二控制电路包括：
信号产生器，用以输出一切换信号，该切换信号具有固定工作周期，其中，该信号产生器控制切换装置(1)的开启状态及关闭状态；以及
第二反馈电路，该第二反馈电路作用于脉频调制模式，
其特征在于：
为加入脉频的限制，将时间延迟加入该第二反馈电路中，以在切换装置(1)的开启或关闭激活时，触发时间延迟，并且，除非该时间延迟的关闭已经激活，否则该切换装置(1)的开启便无法激活。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
流经切换装置(1)的电流利用电流比较器(7)感测，且输出电压利用第一电压比较器(3)感测。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
电流比较器(7)设定为检测脉冲上升边缘电流超过预定电平的情况，以激活切换装置(1)的关闭及时间延迟的开启；以及
第一电压比较器(3)设定为检测输出电压低于理想输出电压的情况，以激活切换装置(1)的开启。
4.如权利要求1至3的任何一项所述的方法，其特征在于：
输出电压利用第二电压比较器(4)感测，该第二电压比较器(4)激活该脉频调制模式至该脉宽调制模式的回复切换，若该输出电压低于理想输出电压或预定数量。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
利用驱动电路做为脉宽调制模式中的方波产生器、及做为脉频调制模式中的信号产生器。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
切换装置(1)是一晶体管。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：
所述晶体管是功率晶体管。
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