CN101645651A - 电压调节器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电压调节器，用以提供一负载电流，包括一高位侧开关，一低位侧开关和一二极管，所述低位侧开关与所述高位侧开关串联，形成一同步转换器组态；所述二极管与所述高位侧开关串联，形成一异步转换器组态；其中，当所述负载电流大于一默认值时，所述电压调节器操作在一同步模式下，当所述负载电流小于所述默认值时，所述电压调节器操作在一异步模式下。本发明的电压调节器具有在较宽电流范围中维持高效能的优点。

Description

电压调节器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电压调节器及其控制方法，具体地说，是一种在较宽负载电流范围中维持高效能的电压调节器及其控制方法。

背景技术

传统的切换式电压调节器可以粗略分为同步模式及异步模式。图1为传统的同步电压调节器10示意图，其包括控制器12切换串联在输入电压Vin及地端GND之间的高位侧开关14及低位侧开关16以产生输出电压Vout及负载电流IRL给负载RL。在电压调节器10中，由于高位侧开关14及低位侧开关16均为功率晶体管，因此具有较小的导通阻值，故在高负载电流IRL时，即在重载时，具有较小的导通损失(conduction loss)，然而，在低负载电流IRL时，即在轻载时，开关14及16的切换损失(switchingloss)将严重影响电压调节器10的效能。图2为传统的异步电压调节器20示意图，其中开关24及二极管26串联在输入电压Vin及地端GND之间，控制器22切换开关24以产生输出电压Vout及负载电流IRL给负载RL。电压调节器20在低负载电流IRL时，将进入脉冲省略(Pulse Skipping；PSK)模式以减少切换损失，但是，在高负载电流IRL时，由于二极管26具有较大的导通阻值，因此导通损失将严重影响电压调节器20的效能。如前所述，同步模式的电压调节器10在重载时具有较佳的效能，但在轻载时的效能较差，相反的，异步模式的电压调节器20在轻载时具有较佳的效能，但在重载时的效能较差。

Zinn在美国专利第7,064,531号提出一种具有低压差稳压(LowDropOut；LDO)待机模式的电压调节器，在低负载电流时，所述电压调节器将切换至LDO模式以减少切换损失，虽然，在低负载电流时，Zinn所提出电压调节器可以比传统的电压调节器10具有更好的效能，但是仍然不够好，其效能受限于LDO的特性。

Wilcox等人在美国专利第5,481,178号提出另一种电压调节器，其系检测通过低位侧开关的电流，当所述电流为零时，关闭(turn off)所述低位侧开关，此方法可以避免负电流出现，而且在低负载电流时，所述电压调节器将进入PSK模式，因而使所述电压调节器在较宽电流范围中维持高效能。然而，当所述电压调节器的操作频率提高时，例如大于8MHz，所述低位侧开关打开(turn on)的时间将变得很短，因此无法准确的检测通过所述低位侧开关的电流何时为零，如果在较高的电流准位时关闭所述低位侧开关，电流将通过所述低位侧开关的寄生二极管，这将造成较大的导通损失以及反向回复(reverse recovery)电流损失，进而导致效能降低，反之，如果在负电流时才关闭所述低位侧开关，这将造成所述电压调节器汲取所述负载的能量，由此，Wilcox等人的电压调节器难以在高操作频率时，在正确的电流准位切换开关，因此无法在低电流准位时维持高效能。

因此已知的电压调节器存在着上述种种不便和问题。

发明内容

本发明的目的，在于提出一种在高负载电流时操作在同步模式而在低负载电流时操作在异步模式的电压调节器及其控制方法。

本发明的另一目的，在于提出一种在较宽电流范围中维持高效能的电压调节器及其控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种电压调节器，用以提供一负载电流，包括一高位侧开关，一低位侧开关和一二极管，其中，

所述低位侧开关与所述高位侧开关串联，形成一同步转换器组态；

所述二极管与所述高位侧开关串联，形成一异步转换器组态；

其中，当所述负载电流大于一默认值时，所述电压调节器操作在一同步模式下，当所述负载电流小于所述默认值时，所述电压调节器操作在一异步模式下。

本发明的电压调节器还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的电压调节器，其中所述二极管包括肖特基二极管。

前述的电压调节器，其中更包括一控制器产生一脉宽调变信号，在所述同步模式下，所述脉宽调变信号切换所述高位侧与低位侧开关。

前述的电压调节器，其中更包括一控制器产生一脉宽调变信号，在所述异步模式下，所述脉宽调变信号仅切换所述高位侧开关，所述低位侧开关保持关闭。

前述的电压调节器，其中更包括一轻载检测器，在所述负载电流小于所述默认值时，产生一轻载信号用来遮断所述脉宽调变信号，使所述脉宽调变信号不能切换所述低位侧开关。

一种电压调节器控制方法，用以控制一电压调节器提供一负载电流，其特征在于包括下列步骤：

第一步骤：检测所述负载电流；

第二步骤：当所述负载电流大于一默认值时，操作所述电压调节器在一同步模式下，以一脉宽调变信号切换一对串联的所述高位侧与低位侧开关；

第三步骤：当所述负载电流小于所述默认值时，操作所述电压调节器在一异步模式下，所述脉宽调变信号仅切换所述高位侧开关；

其中，在所述异步模式下，所述低位侧开关保持关闭，一二极管串联所述高位侧开关，当作一整流二极管。

本发明的电压调节器控制方法还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的电压调节器控制方法，其中更包括在所述负载电流小于所述默认值时遮断所述脉宽调变信号，使所述脉宽调变信号不能切换所述低位侧开关。

采用上述技术方案后，本发明的电压调节器具有以下优点：

1.由于所述电压调节器在高负载电流时操作在同步模式，在低负载电流时操作在异步模式，因此其结合同步模式及异步模式的优点，故可以在较宽电流范围中维持高效能。

2.所述电压调节器不需要每个周期去检测电流准位，故可以所述电压调节器器操作频率提高时，仍能准确检测电流准位。

附图说明

图1为传统的同步电压调节器示意图；

图2为传统的异步电压调节器示意图；

图3为本发明实施例的电压调节器示意图；

图4为图3中电压调节器操作在同步及异步模式时的负载电流与效能的关系图；

图5为图3中轻载检测器的实施例示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作更进一步说明。

现请参阅图3，图3为本发明实施例的电压调节器示意图。如图所示，所述电压调节器30用以提供一负载电流IRL给负载RL，在电压调节器30中，高位侧开关44连接在输入电压Vin及相节点LX之间以及低位侧开关46连接在相节点LX及接地端GND之间，肖特基二极管48连接在相节点LX及接地端GND之间，由于肖特基二极管48的尺寸很小，因此可以维持低电流，其中串联的高位侧及低位侧开关44及46形成一同步转换器组态，而串联的高位侧开关44及肖特基二极管48形成一异步转换器组态，电阻R1及R2分压输出电压Vout产生回授信号Vfb，脉宽调变控制器32根据回授信号Vfb产生脉宽调变信号PWM，驱动器40根据信号PWM控制高位侧开关44，轻载检测器38藉由检测通过电感L的电感电流IL以得知负载电流IRL的变化，反相器34反相轻载检测器38的输出S1产生信号S2，与门36根据信号PWM及S2输出信号S3，驱动器42根据信号S3控制低位侧开关46。

在高负载电流IRL期间，轻载检测电路38送出低准位的信号S1，故驱动器40及42根据信号PWM切换开关44及46以使电压调节器30操作在同步模式，由于开关44及46为功率晶体管，因此具有较小的导通阻值，故导通损失较小，因而有较好的效能。在低负载电流IRL或待机模式期间，驱动器40仍根据脉宽调变信号PWM切换高位侧开关44，轻载检测电路38检测到负载电流IRL低于默认值因而送出高准位的信号S1以遮断所述脉宽调变信号PWM，使其不能切换低位侧开关46，因此低位侧开关46关闭，故电压调节器30操作在异步模式，由于肖特基二极管48可以避免负电流而且电压调节器30可以进入PSK模式以减少切换损失，能得到较好的效能。由此，只要找出适当的同步模式及异步模式的切换点，便可以让电压调节器30不论在高或低负载电流IRL都能得到高效能。另外，电压调节器30并不用每个周期检测零电流来关闭低位侧开关46，因此在高操作频率下，仍然有良好的效能。

图4为电压调节器30操作在同步及异步模式时的负载电流IRL与效能的关系图，其中曲线60为电压调节器30操作在同步模式时的负载电流IRL与效能之间的关系，曲线62为电压调节器30操作在异步模式时的负载电流IRL与效能之间的关系。在图4中，曲线60及62具有一交越点，从图4可以很清楚的看出，当负载电流IRL大于所述交越点时，电压调节器30操作在同步模式可以得到较佳的效能，当负载电流IRL小于所述交越点时，电压调节器30操作在异步模式可以得到较佳的效能，因此，可以设定当负载电流IRL大于所述交越点时，让轻载检测电路38送出低准位的信号S1以使电压调节器30操作在同步模式，当负载电流IRL小于所述交越点时，让轻载检测电路38送出高准位的信号S1以使电压调节器30操作在异步模式，以使电压调节器30在较宽电流范围中维持高效能。

在电压调节器30中，轻载检测器38藉由检测电感电流IL来得知负载电流IRL的变化，检测电感电流IL的技术已相当成熟而且方式很多，在此仅提出一种检测电感电流IL的方法作为说明。图5为图3中轻载检测器38的实施例示意图，其包括一由电阻Rs及电容Cs组成的RC电路382与电感L并联以及一比较器384，其中电阻RDC为电感L的寄生电阻，RC电路382是用来取得一与电感电流IL相关的信号Vd，比较器384比较信号Vd及参考电压Vref产生信号S1。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。

组件符号说明

10    电压调节器

12    控制器

14    开关

16    开关

20    电压调节器

22    控制器

24    开关

26    二极管

30    电压调节器

32    PWM控制器

34    反相器

36    与门

38    轻载检测器

382   RC电路

384   比较器

40    驱动器

42    驱动器

44    开关

46    开关

48    肖特基二极管

50    电压调节器30操作在同步模式时的负载电流IRL与效能之间的关系曲线

52    电压调节器30操作在异步模式时的负载电流IRL与效能之间的关系曲线

Claims (7)

1.一种电压调节器，用以提供一负载电流，包括一高位侧开关，一低位侧开关和一二极管，其特征在于：

所述低位侧开关与所述高位侧开关串联，形成一同步转换器组态；

所述二极管与所述高位侧开关串联，形成一异步转换器组态；

其中，当所述负载电流大于一默认值时，所述电压调节器操作在一同步模式下，当所述负载电流小于所述默认值时，所述电压调节器操作在一异步模式下。

2.如权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，所述二极管包括肖特基二极管。

3.如权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，更包括一控制器产生一脉宽调变信号，在所述同步模式下，所述脉宽调变信号切换所述高位侧与低位侧开关。

4.如权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，更包括一控制器产生一脉宽调变信号，在所述异步模式下，所述脉宽调变信号仅切换所述高位侧开关，所述低位侧开关保持关闭。

5.如权利要求4所述的电压调节器，其特征在于，更包括一轻载检测器，在所述负载电流小于所述默认值时，产生一轻载信号用来遮断所述脉宽调变信号，使所述脉宽调变信号不能切换所述低位侧开关。

6.一种电压调节器控制方法，用以控制一电压调节器提供一负载电流，其特征在于包括下列步骤：

第一步骤：检测所述负载电流；

第二步骤：当所述负载电流大于一默认值时，操作所述电压调节器在一同步模式下，以一脉宽调变信号切换一对串联的所述高位侧与低位侧开关；

第三步骤：当所述负载电流小于所述默认值时，操作所述电压调节器在一异步模式下，所述脉宽调变信号仅切换所述高位侧开关；

其中，在所述异步模式下，所述低位侧开关保持关闭，一二极管串联所述高位侧开关，当作一整流二极管。

7.如权利要求6所述的电压调节器控制方法，更包括在所述负载电流小于所述默认值时遮断所述脉宽调变信号，使所述脉宽调变信号不能切换所述低位侧开关。

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