CN101228681B - 具有集成的理想二极管功能的双输入直流-直流转换器 - Google Patents

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Abstract

一种用于从多个电源(14，12)向用电设备供电的新型系统，具有第一和第二输入电源(44，42)，用于分别自第一和第二电源供电。输入选择器电路响应第一和第二输入电源，用于产生输入电源信号提供给功率调节器，如DC-IBC转换器(40)，用于生成调制的输出电源信号。所述功率调节器包括第一晶体管装置(SWA)，受控在输入电源信号由第一输入电源提供时，支持将输入电源信号转换成输出电源信号，和第二晶体管装置(SWA’)，受控在输入电源信号由第二输入电源提供时，支持将输入电源信号转换成输出电源信号。

Description

具有集成的理想二极管功能的双输入直流-直流转换器
技术领域
本发明涉及电源系统，更具体地讲，涉及在输入电源之间进行选择以便向电子设备供电的电路和方法。
背景技术
大部分便携式电子设备具有利用两个或更多输入电源工作的能力。除了原(不可再充电的)电池或蓄(可再充电的)电池之外，便携式电子设备可以使用辅助电源，如墙式适配器，超电容器，备用电源或通用串行总线(USB)接口。
来自输入电源的电力被输送给便携式电子设备中具有的一个或多个直流-直流转换器，以便将输入电压调节到微处理器、微型硬盘驱动器、数字电路、输入/输出轨、射频和音频电路，以及其他电路所要求的精确的偏压水平。所述直流-直流转换器要求有选择最合适输入电源的能力，以便使它们的效率最佳，延长电池寿命和/或使发热减到最小。
在大多数情况下，当墙式适配器或其他非电池电源被插入由可再充电的电池供电的便携式设备时，它取代电池供电，以允许电池在最短可能时间内充电。在便携式设备由不可再充电的电池供电的情况下，辅助电源可提供电力以保持非永久性存储器，同时更换不可再充电的电池。在移去辅助电源时，便携式设备由电池供电。
因此，便携式电子设备必须依靠某些输入电源选择装置，所述输入电源选择装置会在电池和辅助电源之间进行无缝切换。
因此，需要一种电路，用于在输入电源之间进行选择，它会使功率效率最佳，并使热量产生减到最小，以延长电池寿命。
发明内容
本发明提供一种新型的电源系统。根据本发明的一个方面，电源系统包括第一输入，用于从第一电源向负荷供电，第二输入，用于从第二电源向负荷供电，输入选择器，连接至第一输入和第二输入，以选择第一输入或第二输入，以及调节器，具有第一晶体管装置，用于将输入信号转换成调制的输出信号输送给负荷。所述输入选择器在选定第一输入时，控制第一晶体管装置被启动，并且具有第二晶体管装置，受控在选定第二输入时被启动。
根据本发明的一个实施例，所述第一和第二晶体管装置可以并联，并且是场效应晶体管。如果选择第二输入，所述第一晶体管装置被断开，而如果选择第一输入，所述第二晶体管装置被断开。
所述输入选择器电路包括感测电路，响应第一和第二输入，用于控制第一和第二晶体管装置。另外，所述输入选择器电路可以包括第一和第二驱动电路，由感测电路启动，用于分别控制第一和第二晶体管装置。
所述功率调节器包括脉冲宽度或频率调制控制电路，用于控制输入信号向输出信号的转换。所述第一和第二驱动电路可由脉冲宽度或频率调制控制电路控制，以驱动第一和第二晶体管装置。
根据本发明的另一方面，功率调节器具有第一电源输入，用于自第一电源供电，和第二电源输入，用于自第二电源供电。所述功率调节器包括输入选择电路，它在第一电源输入和第二电源输入之间进行选择，以产生输入信号，和功率转换电路，它将输入信号转换成稳定的输出信号。所述功率转换电路包括脉冲调制器电路，用于控制输入信号向输出信号的转换，第一晶体管设备，由脉冲调制器电路控制，如果选择第一电源输入，则用于支持输入信号向输出信号的转换，和第二晶体管设备，由脉冲调制器电路控制，如果选择第二电源输入，则用于支持输入信号向输出信号的转换。
根据本发明的方法，执行以下步骤，以便通过功率调节器选择性地从第一电源或从第二电源向用电设备供电：-在第一电源和第二电源之间进行选择，以便向具有第一晶体管开关的功率调节器提供输入电源信号，用于将输入电源信号转换成稳定的输出电源信号输送给用电设备，-如果选择第一电源，启动第一晶体管开关以提供输入电源信号，和-如果选择第二电源，启动与第一晶体管开关并联设置的第二晶体管开关，以提供输入电源信号。
所述方法还可以包括感测来自第一和第二电源的供电，以在第一电源和第二电源之间进行选择的步骤。
通过以下详细说明，本领域技术人员可以方便地理解本发明的其他优点和方面，其中，本发明的实施例仅仅是以实施本发明所涉及的最佳模式的形式示出和说明。正如将要描述的，本发明能够以其他和不同的实施例实施，并且它的若干细节可以在不同的显著方面进行改进，所有这些改进均不超出本发明的构思。因此，附图和说明书被视为说明性的，而不是限制性的。
附图说明
通过结合以下附图，可以理解本发明实施例的以下详细说明，其中，特征不一定是按比例绘制的，而是以能最好地示出相关特征的形式绘制，其中：
图1示出二极管电路，用于在输入电源之间进行选择。
图2示出MOSFET电路，用于在输入电源之间进行选择。
图3示出双输入直流-直流转换器。
图4示出图3所示转换器的简化结构。
具体实施方案
本发明将以在电池和墙式适配器之间进行选择的电路为例来进行说明。不过，显而易见的是，本文所披露的构思可适用于任何电源之间的选择。
图1示出输入选择电路10，它示出了在不同输入电源之间进行选择的构思。电路10包括串联二极管D1和D2，以逻辑″或″的形式连接，以便在电池12和墙式适配器14之间进行选择。当由一个输入电源产生的电压高于由另一个电源产生的电压为一个二极管上的电压降时，会从具有较高电压的电源取电。输入功率被输送至直流-直流转换器16，它在其输出18上产生调制的DC信号。
该技术的缺陷是，输入功率通道是直接通过串联二极管提供的。通常硅二极管的0.6V电压降会促成直接与输入电流成比例的功率损耗。随着输入电压降低，该损耗变得更明显。如果硅二极管被Schottky整流器取代，则可以降低功率损耗，其中所述Schottky整流器具有明显小于硅二极管的电压降。
图2示出输入电源选择电路20，相对于图1所示的二极管电路10进行了改进。输入电源选择电路20包括P-通道MOSFET晶体管Q1和Q2，连接在输入电源12，14和直流-直流转换器16之间。具有MOSFET选择通道的输入电源选择电路的例子是
Figure G22943296150138000D000031
4411和
Figure G22943296150138000D000032
4413单片理想二极管，由本发明的受让人凌特公司(Linear Technology Corporation)开发。
MOSFET晶体管在线性区域工作，以便提供比二极管更小的电压降。将相应的输入电源连接到直流-直流转换器16的MOSFET两端的电压降与MOSFET晶体管的漏极-源极接通状态电阻Rds(接通)成比例，它可以低于100mΩ。在正常正向作业期间，每个MOSFET通道可以提供与电流成正比的正向电压降。
感测电路22感测两个输入电压源，以便开启与具有较高电压的输入电源连接的MOSFET。与此同时，另一个MOSFET被驱动到断开状态，以避免反向传导。虽然MOSFET-型电路20相对二极管型电路10有所改进，它在功率通道上仍有额外电阻，导致功率损耗随电流的平方增加。结果，降低了系统的效率，缩短了电池寿命。另外，需要其他电路来感测和比较输入电压，并且将外部MOSFET驱动到适当状态。
图3示出双输入调节系统30，它进一步改进效率，延长电池寿命。调节系统30包括DC/DC转换器40，具有两个输入42和44，连接到相应的输入电源如电池12和墙式适配器14，和输出46，用于产生调制的DC输出电压。尽管本发明以DC/DC转换器40用作降压-升压调节器为例进行说明，本领域技术人员会认识到，本文所披露的构思也可应用于降压调节器。
DC/DC转换器40可以设置在切换调节器集成电路(IC)上。在DC/DC转换器40外不提供外部输入电源选择电路。另外，正如下面更详细披露的，用于在输入电源12和输入电源14之间进行选择的电路采用了DC/DC转换器40上存在的某些部件，用于执行功率调节功能。这显著改进了效率。与此同时，热量产生更少，进一步改进了效率和可靠性。
图4示出了示例性DC/DC转换器40的简化结构，它包括单个电感L，和由脉冲宽度调制(PWM)控制电路50控制的MOSFET开关SWA，SWB，SWC和SWD，以在输出46产生调制的DC电压Vout来响应输入电压Vin。电感L可以连接在接线端52和54之间。输出电容C连接到输出端Vout。所述结构支持降压-升压功率调节，以在输入电压Vin高于或低于Vout时产生调制的输出电压Vout。
具体地讲，如果输入电压Vin高于输出电压Vout，DC/DC转换器40以降压模式工作。在该模式下，假设只存在来自单个输入电压源的输入电压Vin1，MOSFET开关SWA和SWB通过PWM控制电路50以占空度Dbuck交替切换，这是在降压模式调节输出电压Vout所需要的。当开关SWA接通时，开关SWB断开。类似地，当开关SWA断开时，开关SWB接通。在降压模式下，开关SWC总是断开，而开关SWD总是接通。
如果输入电压Vin小于Vout，DC/DC转换器40以升压模式工作。在该模式下，假设只存在来自单个输入电压源的输入电压Vin1，开关SWA总是接通，开关SWB总是断开，而开关SWC和SWD通过PWM控制电路50以占空度Dboost交替切换，所述占空度被选定以在升压模式调节输出电压Vout。
如果输入电压Vin接近输出电压Vout，DC/DC转换器40以降压-升压模式工作，以便在降压和升压模式之间实现平稳变换。在降压-升压模式，开关SWA和SWB通过PWM控制电路50以占空度Dbuck交替切换，而开关SWC和SWD通过PWM控制电路以占空度Dboost交替切换。控制占空度Dbuck和Dboost，以允许在输入电压Vin降低时降压模式逐渐停止而升压模式逐渐进入，或者随着输入电压Vin增加，实现从升压模式到降压模式的逐步变换。
另外，本发明的DC/DC转换器40可以作为同步降压调节器起作用。在这里，它只包括MOSFET开关SWA和SWB。
除了上述的功率调控功能之外，本发明的DC/DC转换器40提供在多个输入电源之间，如电池12和墙式适配器14之间进行选择。具体地讲，DC/DC转换器40包括额外的MOSFET开关SWA′，用于支持来自第二电源的供电。例如，通常在常规DC/DC转换器中用于执行功率调节的MOSFET开关SWA可以具有一个电极连接到电感L，和另一个电极连接到输入44，所述输入44输送来自墙式适配器14的输入电压Vin1。额外的MOSFET开关SWA’可以与开关SWA并联。MOSFET开关SWA’的一个电极可以连接到电感L，而另一个电极可以连接到输入42，所述输入42输送来自电池12的输入电压Vin2。
另外，DC/DC转换器40包括感测电路56，连接至电源输入42和44，用于确定电源输入42和44中的哪一个在绝大多数执行中提供更高的输入电压。另外，可能给予一个输入优先权，以便如果对其施加的电压超过程序水平，它总是会被启动。感测电路56的输出信号被输送到由PWM控制电路50控制的驱动器58和60，用于分别驱动MOSFET开关SWA和SWA’的门极。
如果来自墙式适配器14的输入电压Vin1低于来自电池12的输入电压Vin2，感测电路56控制驱动器58以使SWA的切换无效，并且控制驱动器60以启动额外MOSFET开关SWA’的切换，所述SWA’开关取代开关SWA工作。不过，如果来自电池12的输入电压Vin2低于来自墙式适配器14的输入电压Vin1，感测电路56控制驱动器60，以使额外MOSFET开关SWA’的切换无效，并且控制驱动器58以启动MOSFET开关SWA的切换。因此，当相应的输入电压低于另一个输入电压时，感测电路56使MOSFET开关SWA和SWA′中的一个断开，并且启动另一个MOSFET开关。
相应地，如果输入电压Vin2低于输入电压Vin1，MOSFET开关SWA由PWM控制电路50控制，以上述方式参与功率调节过程，以便产生调制的输出电压Vout来响应输入电压Vin1。不过，如果输入电压Vin1低于输入电压Vin2，额外的MOSFET开关SWA′被启动来代替开关SWA参与功率调节过程，以产生调制的输出电压Vout来响应输入电压Vin2。
由于MOSFET开关SWA已存在于DC/DC控制器中用于执行功率调节功能，本发明的输入功率选择功能只需要一个额外的MOSFET晶体管。另外，额外的MOSFET晶体管SWA′与晶体管SWA并联，并且与该晶体管交替工作。因此，没有其他电阻被引入功率通道。结果，改进了输入电源选择电路的功率效率，延长了电池寿命。与此同时，产生较少的热量，进一步改进了效率和可靠性。
额外的MOSFET晶体管SWA′，感测电路56，和驱动器58和60可以集成在开关调节器集成电路内，连同MOSFET开关SWA，SWB，SWC和SWD。因此，完全消除了外部电路，大大降低了电路复杂性。
开关SWA和SWA′可以使用P-通道MOSFET晶体管实施。另外，可以采用N-通道MOSFET开关或双极晶体管开关。
上述说明示出和披露了本发明的各个方面。另外，本文仅示出和披露了优选实施例，但如上文所述，应当理解，本发明能够以各种其他组合，改进和在各种环境中使用，并且能够在本文所表达的本发明构思的范围内进行变化或改进，与上述教导，和/或相关领域的技能或知识相称。
上文所披露的实施例进一步用于解释已知实施本发明的最佳模式，并且使得本领域的其他技术人员能够以这种或其他实施例使用，并且根据具体的应用或本发明的用途进行需要的各种改进。
因此，本说明书不试图将本发明局限于本文所披露的具体形式。另外，所附权利要求书被理解成包括各种替代实施例。

Claims (20)

1.一种电源系统，包括：
第一输入，用于从第一电源向负荷供电，
第二输入，用于从第二电源向负荷供电，
输入选择器电路，连接至第一输入和第二输入，以选择第一输入或第二输入，和
功率调节器，它被设置成支持降压-升压功率调节，并具有单个电感装置和第一晶体管装置，用于将输入信号转换成调制的输出信号输送给负荷，
所述输入选择器电路在选定第一输入时，控制第一晶体管装置被启动，并且具有第二晶体管装置，受控在选定第二输入时被启动，
所述第一输入直接电连接至第一晶体管装置，
所述第二输入直接电连接至第二晶体管装置，和
所述第一和第二晶体管装置电连接至所述单个电感装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二晶体管装置与第一晶体管装置并联。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，如果选择第二输入，所述第一晶体管装置被断开，而如果选择第一输入，所述第二晶体管装置被断开。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述输入选择器电路包括感测电路，响应第一和第二输入，用于控制第一和第二晶体管装置。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述输入选择器电路还包括第一和第二驱动电路，由感测电路启动，用于分别控制第一和第二晶体管装置。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述功率调节器包括脉冲宽度或频率调制控制电路，用于控制输入信号向输出信号的转换。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一和第二驱动电路可由脉冲宽度或频率调制控制电路控制，以驱动第一和第二晶体管装置。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一和第二晶体管装置是场效应或双极晶体管。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述功率调节器被设置用于提供直流-直流转换。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述输入选择器电路被设置用于在由电池供电和由辅助电源供电之间进行选择。
11.一种功率调节器，包括：
第一电源输入，用于从第一电源供电，
第二电源输入，用于从第二电源供电，
功率转换电路，它被设置成支持降压-升压功率调节，用于将输入信号转换成调制的输出信号，和
输入选择电路，用于在第一电源输入和第二电源输入之间进行选择，以产生输入信号，
所述功率转换电路包括：
脉冲调制器电路，用于控制输入信号向输出信号的转换，
第一晶体管装置，可由脉冲调制器电路控制，用于在选定第一电源输入时，支持输入信号转换成输出信号，
第二晶体管装置，可由脉冲调制器电路控制，用于在选定第二电源输入时，支持输入信号转换成输出信号，和
单个电感装置，它电连接至所述第一和第二晶体管装置，
所述第一电源输入直接电连接至第一晶体管装置，和
所述第二电源输入直接电连接至第二晶体管装置。
12.根据权利要求11所述的功率调节器，其中，所述第二晶体管装置与第一晶体管装置并联。
13.根据权利要求11所述的功率调节器，其中，所述第一晶体管装置包括第一MOSFET晶体管，而第二晶体管装置包括第二MOSFET晶体管。
14.根据权利要求11所述的功率调节器，其中，所述脉冲调制器电路包括脉冲宽度或脉冲频率调制器。
15.根据权利要求11所述的功率调节器，其中，所述输入选择器电路包括感测电路，响应第一和第二电源输入，用于选择性地启动控制第一晶体管装置或控制第二晶体管装置。
16.根据权利要求15所述的功率调节器，其中，所述输入选择器电路还包括第一和第二驱动电路，由感测电路选择性地启动，用于分别驱动第一和第二晶体管装置。
17.根据权利要求11所述的功率调节器，其中，所述功率转换电路被设置用于提供直流-直流转换。
18.根据权利要求11所述的功率调节器，其中，所述输入选择电路被设置与功率转换电路一起在集成电路内。
19.一种通过功率调节器选择性地从第一电源或从第二电源向用电设备供电的方法，其中所述功率调节器被设置成支持降压-升压功率调节并具有单个电感装置，所述方法包括以下步骤：
在第一电源和第二电源之间进行选择，以便提供输入电源信号给功率调节器，所述功率调节器具有第一晶体管开关，用于将输入电源信号转换成调制的输出电源信号输送给用电设备，
如果选择第一电源，启动第一晶体管开关以输送输入电源信号，和
如果选择第二电源，启动与第一晶体管开关并联的第二晶体管开关，以输送输入电源信号，其中
所述第一和第二晶体管开关电连接至所述单个电感装置，和
来自第一和第二电源的输入电源信号被直接分别输送至第一和第二晶体管开关。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括感测来自第一和第二电源的供电，以在第一电源和第二电源之间进行选择的步骤。
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