CN101499713A - 混合式开关电源转换器及自动切换控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明的混合式开关电源转换器包括参考电压和参考电流产生单元，产生参考电压信号和参考电流信号；PWM/PFM控制单元，取得电压反馈信号及电流反馈信号，接收参考电压信号和参考电流信号，输出第一检测信号及电压检测信号；根据接收到的工作模式选择信号，输出PWM/PFM控制逻辑信号；功率开关驱动单元，接收控制逻辑信号，输出驱动信号；功率开关及输出电路，依据驱动信号而导通与关断；自动切换控制电路，接收第一检测信号和电压检测信号，在预定的时间内对第一检测信号和电压检测信号进行计数，当计数结果达到预定的阈值时输出模式选择信号。本发明还提供一种自动切换控制电路。本发明可以提高转换器整个负载范围内的转换效率和抗干扰性。

Description

混合式开关电源转换器及自动切换控制电路

技术领域

本发明涉及具有PWM和PFM两种工作模式的混合式开关电源转换器以及实现混合式开关电源转换器自动切换的自动切换控制电路。

背景技术

由于便携式消费电子产品的日益普及，使得便携式电子设备的开关电源技术得到了快速的发展。开关电源通常有PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)和PFM(Pulse Frequency Modulation，脉冲频率调制)两种工作模式，通过混合式开关电源转换器对两种工作模式进行转换。混合式开关电源转换器在便携式电子设备中得到了广泛的应用。

在PWM工作模式下，混合式开关电源转换器工作在恒定开关频率下，PWM控制单元根据负载的情况调节功率开关的导通时间。通常，在PWM工作模式下，混合式开关电源转换器具有较强的负载能力，输出电压的纹波较小且纹波频率固定，在重负载条件下可以获得较高的效率，而在轻负载下，混合式开关电源转换器的固定开关损耗使得效率下降。

在PFM工作模式下，混合式开关电源转换器的工作频率随负载大小而变化。当负载较轻时，工作频率下降，因此开关损耗下降，从而使得混合式开关电源转换器在轻负载下能够获得较高的效率。

由上文可知，便携式设备所采用的混合式开关电源转换器，如果具有PWM和PFM两种工作模式，并能根据负载情况在两种工作模式之间自动选择切换，则可以使混合式开关电源转换器始终维持较高的工作效率，从而提高电源的利用效率，增加电池续航时间。但是，目前能够自动切换两种工作模式的混合式开关电源转换器通常实现复杂并且容易受到噪声干扰。例如公开号为CN1707929A，发明名称为《一种具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器》的中国专利申请中公开了一种在PWM与PFM两种工作模式之间自动切换的转换器。文中所述的转换器通过检测负载电流的大小实现自动切换方式，但是由于作为负载的大规模数字电路，其电流消耗不可避免的会频繁出现瞬间跳变，其对于负载电流检测电路来说，相当于严重的噪声干扰，故而很容易引起PWM或PFM控制单元的误动作，错误地改变工作模式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合式开关电源转换器及自动切换控制电路，使得混合式开关电源转换器能够根据负载情况自动切换工作模式，在整个负载范围内都能够维持较高的工作效率，并且具有较好的抗干扰能力。

为实现上述目的，本发明提供一种混合式开关电源转换器，包括：参考电压和参考电流产生单元，产生至少一个参考电压信号和至少一个参考电流信号；

脉冲宽度调制PWM控制单元，从功率开关及输出电路取得电压反馈信号及电流反馈信号，接收参考电压信号和参考电流信号，输出第一检测信号；根据接收到的工作模式选择信号，输出PWM控制逻辑信号给功率开关驱动单元；

脉冲频率调制PFM控制单元，从功率开关及输出电路取得电压反馈信号及电流反馈信号，接收所述参考电压信号，并输出电压检测信号；根据接收到的工作模式选择信号，输出PFM控制逻辑信号给所述功率开关驱动单元；

功率开关驱动单元，接收所述的PWM或者PFM控制逻辑信号，输出驱动信号；

功率开关及输出电路，接收所述驱动信号，依据驱动信号而导通与关断；

以及自动切换控制电路，接收所述第一检测信号和电压检测信号，在预定的时间内对所述第一检测信号和电压检测信号进行计数，当计数结果达到预定的阈值时输出所述模式选择信号。

本发明还提供一种混合式开关电源转换器的自动切换控制电路，包括：

计数单元，在预定的第一计数时间内，对所接收到的第一检测信号计数，根据计数结果与预先设置的第一阈值进行比较，输出触发信号；在预定的第二计数时间内，对所接收到的电压检测信号计数，根据计数结果与预先设置的第二阈值进行比较，输出触发信号；

计数重置单元，接收所述第一检测信号和所述电压检测信号，当所述第一检测信号或所述电压检测信号发生间断时，将所述计数单元重置初值；以及模式切换触发器，根据所述触发信号输出所述模式选择信号。

本发明通过对检测信号进行计数的方式来实现工作模式的切换，实现简单，并且转换器当在连续检测到负载变化之后才进行模式转换，因此噪声引起的转换器的误动作将被清零，从而达到防止噪声干扰的目的。由于计数器是纯数字电路，所以这种切换机制具有数字式电路的特点，即具有很强的抗干扰能力。另外，通过设置计数周期数，可以使由PFM向PWM切换时的负载电流阈值大于由PWM向PFM切换时的负载电流阈值，即切换点的负载电流存在一个迟滞，可以避免负载电流在切换负载电流阈值附近轻微波动时，直流-直流转换器在两种模式之前频繁切换。

附图说明

图1为一个实施例中直流-直流转换器的方框示意图；

图2为一个实施例中自动切换控制电路的示意图；

图3为一个实施例中自动切换控制电路的电路示意图；

图4为带PFM重负载检测单元的自动切换控制电路的方框示意图；

图5为带PFM重负载检测单元的自动切换控制电路的电路示意图；

图6为带低压检测电路的直流-直流转换器的电路方框示意图；

图7为带低压检测电路的自动切换控制电路的电路示意图。

具体实施方式

以下以具有PWM和PFM工作模式的直流-直流转换器为例对本发明进行阐述。

图1所示为一种直流-直流转换器的电路方框示意图。图1中，该转换器利用自动切换控制电路1连接PWM控制单元2，PFM控制单元3，功率开关驱动单元4。参考电压和参考电流产生单元6连接PWM控制单元2及PFM控制单元3；PWM控制单元2及PFM控制单元3分别还与功率开关驱动单元4、功率开关及输出电路5连接。功率开关驱动单元4与功率开关及输出电路5连接，调节转换器的输出电压。

参考电压和参考电流产生单元6产生至少一个参考电压信号和至少一个参考电流信号；PWM控制单元2工作时，从转换器的功率开关及输出电路5取得电压反馈信号及电流反馈信号，并从参考电压和参考电流产生单元6接收参考电流信号和参考电压信号，输出第一检测信号；PFM控制单元3工作时，从功率开关及输出电路5取得电压反馈信号及电流反馈信号，接收参考电压和参考电流产生单元6的参考电压信号，并输出电压检测信号。当自动切控制单元1使能之后，根据接收到的PWM控制单元2及PFM控制单元3分别输出的第一检测信号和电压检测信号进行模式选择动作。自动切换控制电路1根据第一检测信号和电压检测信号，按照预定的条件对所述第一检测信号和电压检测信号进行计数，并根据计数结果进行工作模式判断，同时将工作模式选择信号输送给PWM控制单元2及PFM控制单元3，选择其中一种控制单元工作。被选择的控制单元，根据工作模式选择信号输出控制逻辑信号给功率开关驱动单元4。功率开关驱动单元4，接收控制逻辑信号，输出驱动信号，使功率开关及输出电路5的导通和关断，从输入电压调制出需要的电压输出。

配合图1，请参考图2，为本发明的一个实施例中PWM和PFM自动切换控制电路1的示意图。自动切换控制电路1包括计数单元10、计数重置单元12、模式切换触发器11。模式切换触发器可以通过多种触发器实现，例如RS触发器、D触发器等。在本实施例中，需要预先设置计数单元10分别在PWM和PFM模式下计数的第一计数时间、第二计数时间以及第一阈值和第二阈值。在PWM模式下，计数单元10接收PWM控制单元2传送来的第一检测信号，在第一计数时间内进行计数，当第一计数时间内计数结果达到第一阈值，则通知模式切换触发器11输出模式选择信号，选择PFM工作模式。计数重置单元12对接收到的第一检测信号进行监测，当在第一计数时间内，由于某一次负载电流大于一定值导致第一检测信号间断时，计数重置单元12将对计数单元10重置零。同样，在PFM模式下，计数单元10接收PFM控制单元3传送来的电压检测信号，在第二计数时间内进行计数，当第二计数时间内计数结果达到第二阈值，则通知模式切换触发器11输出模式选择信号，选择PWM工作模式。计数重置单元12对接收到的电压检测信号进行监测，当在第二计数时间内，由于某一次电压反馈信号小于参考电压导致电压检测信号间断时，计数重置单元12将对计数单元10重置零。第一计数时间的设定可以根据用户需求预先设定，例如，可以是连续N个时钟周期，N大于一；也可以是一个固定的周期T，该固定周期T至少包含两个时钟周期，并且该固定周期T应不小于能够产生第一阈值的计数结果所需要的时间。第二计数时间的设定同样可以根据用户的需求设定；例如，可以是连续N个时钟周期，N大于一；也可以是一个固定的周期T，该固定周期T至少包含两个时钟周期，并且该固定周期T应不小于能够产生第一阈值的计数结果所需要的时间。第一阈值与第二阈值可以根据需要切换的负载电流值的大小预先设定。

在本发明的一个实施例中，在PWM模式下，PWM控制单元2从功率开关及输出电路5中的电感处获取电感电流反馈信号，并将其与参考电压和参考电流产生单元6产生的参考电流信号进行比较，当电感电流反馈信号的电流值小于参考电流信号的电流值时，向自动切换控制电路1输出电流检测信号作为第一检测信号，自动切换控制电路1通过对电流检测信号计数控制PWM模式到PFM模式的转换。其中的工作原理如下：

在一段时间内的功率开关及输出电路5中包含的电感电流的平均值代表了这段时间内转换器的功耗。转换器工作于PWM模式时，通常选择CCM(continuous conduction mode，连续传输模式)与DCM(discontinuousconduction mode，非连续传输模式)模式工作。CCM模式下的电感电流较大，通常每个周期结束时，电感电流大于零。DCM模式下的每个周期中电感电流通常下降到零，下一个周期电感电流从零开始上升。PWM控制单元2，根据负载情况决定转换器工作在DCM或者CCM模式下。在负载电流较大时，转换器可以工作在CCM模式下；负载电流较小时，转换器可以工作在DCM模式下。通常在PWM模式下，无论工作在CCM模式下还是在DCM模式下，在状态稳定时，每个周期的电感电流峰值可以表征负载电流的大小，因此，可以通过判断PWM控制单元2从功率开关及输出电路5接收到的电感电流反馈信号是否在一定时间内小于一定值，判定该时间段内的负载电流的大小，从而作为自动切换控制电路1选择工作模式的判断条件。

在本发明的另一个实施例中，在PWM模式下，PWM控制单元2从转换器功率开关及输出电路5获取电压反馈信号，当负载电流变小时PWM控制单元1收到的电压反馈信号电压上升导致误差电压下降，当误差电压低于参考电压和参考电流产生单元6产生的参考电压信号的电压值时，PWM控制单元1输出误差电压检测信号。将误差电压与参考电压比较得到误差电压检测信号作为第一检测信号；自动切换控制电路1利用误差电压检测信号，实现PWM至PFM的转换。

另外，在本发明的一个实施例中，在PWM模式下，PWM控制单元2从转换器功率开关及输出电路5获取电压反馈信号，当负载电流变大时，PWM控制单元2从转换器输出端获得的电压反馈信号下降，将导致误差电压上升，由于PWM产生的控制逻辑信号根据误差电压产生，因此，误差电压的变化会改变脉冲占空比，作为本发明的一个实施例，可以通过电压反馈信号与参考电压比较获得误差电压信号，再通过将误差电压和锯齿波比较得到脉冲占空比，将脉冲占空比信号作为第一检测信号，自动切换控制电路1将脉冲占空比信号作为实现PWM向PFM的转换的判断条件。

作为本发明的一个实施例，在PFM模式下，PFM控制单元3从功率开关及输出电路5获取电压电流反馈信号，并将其与参考电压和参考电流产生单元6产生的参考电压信号进行比较，当电压反馈信号的电压值小于参考电压信号的电压值时，向自动切换控制电路1输出电压检测信号，自动切换控制电路1通过对电压检测信号计数控制PFM模式到PWM模式的转换。在PFM模式下，由于每个脉冲信号下，转换器通过功率开关及输出电路5中的电感向负载输送的能量恒定，因此在PFM模式下，可以根据一段时间内电压检测信号的脉冲个数判断出负载电流的大小。因此，可以根据计数的方式来间接检测负载电流的大小，从而实现自动切换控制电路1从PFM到PWM模式的控制。

配合图1、图2，参看图3，图3中示出了一种具体的计数单元10及计数重置单元12的电路结构图。自动切换控制电路1中包括PWM计数单元101及PWM计数重置单元121、PFM脉冲记数单元102及PFM计数重置单元122、作为模式切换触发器的RS触发器11、与门14。在本实施例中，自动切换控制电路1接收PWM控制单元2传送来的第一检测信号，PFM控制单元3传送过来的电压检测信号。

当在PWM模式下，负载电流较小时，转换器工作在DCM模式下。在负载电流低于一定值的情况下，PWM控制单元2输出第一检测信号。第一检测信号传送到自动切换控制电路1，在预定的第一计数时间内，PWM计数单元101对第一检测信号进行计数。在计数期间，PWM计数重置单元121接收第一检测信号，当发现第一检测信号出现间断时，PWM计数重置单元121将对PWM计数单元101重置零。在预定的第一计数时间内，第一检测信号的技术结果达到预定的第一阈值，PWM计数单元101输出为高，从而使模式切换触发器11复位，模式切换触发器11输出为低，此时模式选择信号选择PFM模式。

当转换器工作在PFM模式下，固定间隔时间内的输出脉冲数对应于一定的负载电流。因此，将该固定时间间隔作为第二计数时间，在该计数时间内对电压检测信号的输出脉冲作循环计数，由于负载电流的大小与第二计数时间内输出脉冲的个数成正比，可以根据需要切换的负载电流大小，预先设置第二阈值，将第二计数时间内输出脉冲数与预先设定的第二阈值比较，判断是否切换工作模式。当第二计数时间内输出的脉冲个数不小于第二阈值时，PFM脉冲计数单元102输出为高，从而使模式切换触发器11置位，模式切换触发器输出为高，此时模式选择信号选择PWM。

请参考图4，为本发明的另一个实施例中PWM和PFM自动切换控制电路1的示意图。上述实施例不同，自动切换控制电路还包括PFM重负载检测单元13。当转换器工作在PFM模式下时，出现重负载时，如果采用第二计数时间为固定周期的循环的计数方法，会导致瞬态响应太慢，甚至可以造成输出电压下降太大，使得电路不能正常工作。因此，作为对以上实施例的改进，本实施例中增加了PFM重负载检测单元13，来避免瞬态的大负载带来的影响。PFM重负载检测单元13接收PFM控制单元3的电压检测信号，当连续出现M(M的数值可以根据需要预先设置)个脉冲之后，跳过计数动作，对模式切换触发器11置位，使其输出为高，选择PWM模式。

配合图4，请参考图5，图5示出一种具体的具有PFM重负载检测单元13的自动切换控制电路的电路图。自动切换控制电路1中包括PWM计数单元101及PWM计数重置单元121、PFM脉冲记数单元102及PFM计数重置单元122、PFM重负载检测单元13、模式切换触发器11。自动切换控制单元1接收PWM控制单元2传送来的第一检测信号，PFM控制单元3传送过来的电压检测信号的脉冲信号。在PFM向PWM转变的控制电路中，还包括一个PFM重负载检测单元13，当检测到负载过重时，直接置位模式切换触发器11，从而跳过PFM脉冲记数单元102的计数动作。该电路在轻负载向重负载转变时，能够取消计数，很快跳变到PWM下工作，从而提高瞬态响应速度。

图6为本发明另一种直流-直流转换器的电路方框示意图，与图1不同的是，自动切换控制电路1还可以接收参考电压和参考电流产生单元6产生的参考电压信号以及功率开关及输出电路5的电压反馈信号。在本实施例中，自动切换控制电路还包括PFM重负载检测单元13，PFM重负载检测单元13包括低电压检测电路。当低电压检测电路检测到接收到的电压反馈信号低于一定值，例如当电压反馈信号低于PFM控制单元输出电压检测信号所依据的参考电压值时，发出重负载检测信号，将模式切换触发器11置位。配合图6，请参考图7，低电压检测电路接收参考电压和参考电流产生单元6产生的参考电压信号以及功率开关及输出电路5的电压反馈信号，当电压反馈信号低于参考电压值时，发出重负载检测信号，使RS触发器输出为高，选择PWM模式，从而提高瞬态响应速度。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1、一种混合式开关电源转换器，包括：

参考电压和参考电流产生单元，产生至少一个参考电压信号和至少一个参考电流信号；

脉冲宽度调制PWM控制单元，从功率开关及输出电路取得电压反馈信号及电流反馈信号，接收参考电压信号和参考电流信号，输出第一检测信号；根据接收到的工作模式选择信号，输出PWM控制逻辑信号给功率开关驱动单元；

脉冲频率调制PFM控制单元，从功率开关及输出电路取得电压反馈信号及电流反馈信号，接收所述参考电压信号，并输出电压检测信号；根据接收到的工作模式选择信号，输出PFM控制逻辑信号给所述功率开关驱动单元；

功率开关驱动单元，接收所述的PWM或者PFM控制逻辑信号，输出驱动信号；

功率开关及输出电路，接收所述驱动信号，依据驱动信号而导通与关断；

其特征在于，还包括自动切换控制电路，接收所述第一检测信号和电压检测信号，在预定的时间内对所述第一检测信号和电压检测信号进行计数，当计数结果达到预定的阈值时输出所述模式选择信号。

2、根据权利要求1所述的混合式开关电源转换器，其特征在于：所述预定的时间包括第一计数时间和第二计数时间，所述预定的阈值包括第一阈值和第二阈值，所述自动切换控制电路包括：

计数单元，在所述第一计数时间内，对所接收到的第一检测信号计数，根据计数结果与所述第一阈值进行比较，输出触发信号；在所述第二计数时间内，对所接收到的电压检测信号计数，根据计数结果与所述第二阈值进行比较，输出触发信号；

计数重置单元，接收所述第一检测信号和所述电压检测信号，当所述第一检测信号或所述电压检测信号发生间断时，将所述计数单元重置初值；

模式切换触发器，根据所述触发信号输出所述模式选择信号。

3、根据权利要求2所述的混合式开关电源转换器，其特征在于：所述自动切换控制电路还包括：PFM重负载检测单元，与所述模式切换触发器连接，当所述PFM控制单元工作时，接收所述电压检测信号，当接收到预定数量的连续的电压检测信号时，发出重负载检测信号；

所述模式切换触发器当接收到所述重负载检测信号时，输出所述模式选择信号。

4、根据权利要求2所述的混合式开关电源转换器，其特征在于：所述自动切换控制电路还包括：与所述模式切换触发器连接的PFM重负载检测单元，所述PFM重负载检测单元包括低电压检测电路，接收所述电压反馈信号和所述参考电压信号，根据所述电压反馈信号与所述参考电压信号的比较结果，发出重负载检测信号；

所述模式切换触发器当接收到所述重负载检测信号时，输出所述模式选择信号。

5、根据权利要求2所述的混合式开关电源转换器，其特征在于：所述计数单元包括：

PWM计数单元，在所述第一计数时间内，对所接收到的第一检测信号计数，根据计数结果与所述第一阈值进行比较，输出触发信号；

PFM计数单元，在所述第二计数时间内，对所接收到的电压检测信号计数，根据计数结果与所述第二阈值进行比较，输出触发信号。

6、根据权利要求1所述的混合式开关电源转换器，其特征在于：所述第一检测信号为电流检测信号或误差电压检测信号或脉冲占空比信号。

7、根据权利要求2所述的混合式开关电源转换器，其特征在于：所述第一/第二计数时间为连续的N个时钟周期，其中，所述N大于一。

8、根据权利要求7所述的混合式开关电源转换器，其特征在于：所述的第一/第二计数时间为固定周期T，所述固定周期T大于所述时钟周期。

9、一种混合式开关电源转换器的自动切换控制电路，其特征在于，包括：

计数单元，在预定的第一计数时间内，对所接收到的第一检测信号计数，根据计数结果与预先设置的第一阈值进行比较，输出触发信号；在预定的第二计数时间内，对所接收到的电压检测信号计数，根据计数结果与预先设置的第二阈值进行比较，输出触发信号；

计数重置单元，接收所述第一检测信号和所述电压检测信号，当所述第一检测信号或所述电压检测信号发生间断时，将所述计数单元重置初值；

模式切换触发器，根据所述触发信号输出所述模式选择信号。

10、根据权利要求9所述的混合式开关电源转换器的自动切换控制电路，其特征在于，还包括：PFM重负载检测单元，接收所述电压检测信号，当接收到预定数量的连续的电压检测信号时，向所述模式切换触发器发出重负载检测信号；

所述模式切换触发器当接收到所述重负载检测信号时发出所述模式选择信号。

11、根据权利要求9所述的混合式开关电源转换器的自动切换控制电路，其特征在于：还包括PFM重负载检测单元，所述PFM重负载检测单元还包括低电压检测电路，接收所述电压反馈信号和所述参考电压信号，根据所述电压反馈信号与所述参考电压信号的比较结果，向所述模式切换触发器发出重负载检测信号；

所述模式切换触发器当接收到所述重负载检测信号时发出所述模式选择信号。

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