CN101800473A - 开关稳压系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于开关稳压器的模式控制电路及方法，该方法接收输入信号并将其放大得到放大信号，放大信号被送入采样电路得到采样信号，采样信号被送入平均电路得到均值输出信号，均值输出信号与第一预设阈值或第二预设阈值进行比较得到PWM使能信号，基于PWM使能信号以确定开关稳压器合适的运行模式。

Description

开关稳压系统及方法

技术领域

本发明涉及开关稳压器，特别涉及开关稳压器在高低负载电流情况下的控制。

背景技术

当需要更高效、更小型化、更轻量化和电池寿命延时更长时，开关稳压器被用来代替线性稳压器。开关稳压器最普遍的控制原理是脉宽调制(PWM)。这种控制利用固定频率而改变占空比来响应负载电流的变化。这种控制在重载情况下，可以获得好的调整性、低的噪声频谱和高效率，但在轻载情况下(负载电流低时)，PWM模式由于开关损耗和高静态电流而效率低下。

现有技术中，轻载情况下，已有提高开关稳压器效率的方法。为了降低开关损耗，轻载情况下，开关频率可以降低，周期可以跳跃，或者进入低压差模式。然而，这些技术方案仍然不能降低静态电流。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开关稳压器的控制方法，可以基于负载情况在两种运行模式之间自动地切换，这两种模式可以使开关稳压器在宽负载范围内获得高效运行。

本发明的另一个目的是提供一种开关稳压器的控制电路，以实现上述方法。

本发明的控制方法的一个典型实施方式包括：

接收输入信号；

放大所述输入信号得到放大信号；

传送所述放大信号给采样电路得到采样信号；

传送所述采样信号给平均电路得到均值输出信号；

将均值输出信号和第一预设阈值或第二预设阈值进行比较，得到PWM使能信号；

基于所述PWM使能信号确定运行模式。

本发明的控制电路的一个典型实施方式包括：电流检测放大器，采样电路，平均电路和模式控制信号产生器。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例中模式控制电路100的原理框图；

图2是示出了图1中模式控制电路100的不同信号的波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

当结合优选的实施例来对本发明进行说明时，并不意味着将本发明限定为这些实施例，相反，本发明覆盖了可被包括在本发明及其权利要求的精神和范围之内的替换方案、修改方案或等同方案。进一步而言，为了便于对本发明完全理解，随后的具体实施例中，展示了众多具体的细节。然而，对于本领域的普通技术人员，无需这些细节也可以实现本发明。另一方面，为了避免不必要的费解，本发明中没有表述众所周知的方法、步骤、组成部分和电路

参见图1，显示了根据本发明一个实施例的模式控制电路100的原理框图。模式控制电路100包括接收输入电流I_IN的电流检测放大器U₀，其输出电流检测信号I_{IN_sns}。或者，模式控制电路100也可以接收输入电压信号，但为了表述方便，流过模式控制电路100的信号表述为电流信号形式，如I_IN、I_{IN_sns}，以及随后表述的I_{sn_sout}、I_{out_sns_ave}，但它们也可以是电压信号形式，如VIN、VIN_sns、V_{sns_out}、V_{out_sns_ave}。即本实施例采用电流域进行阐述，而本领域的技术人员应该意识到，本实施例也可以采用电压域进行阐述。模式控制电路100进一步包括采样电路20、平均电路30、模式控制信号产生器10和开关M₁。开关M₁在模式控制电路100处于非同步应用的正常运行期间处于全通状态；在同步应用中，开关M₁被周期性地开通和断开，以互补于低侧开关M₂。在一个实施例中，模式控制信号产生器10包括第一开关S₁、第二开关S₂、第一反相器U₁、第二反相器U₂和比较器U_c。进一步而言，图1中的低侧开关M₂和电感L是开关稳压器主电路的一部分。

电流检测放大器U₀的输出端耦接于采样电路20的输入端。采样电路20的输出端耦接于平均电路30的输入端。平均电路30的输出端耦接于模式控制信号产生器10的输入端。模式控制信号产生器10的输出端作为模式控制电路100的输出端。一个实施例中，比较器U_c的反相输入端作为模式控制信号产生器10的输入端。比较器U_c的输出端耦接于第一反相器U₁的输入端。第一反相器U₁的输出端耦接于第二反相器U₂的输入端。第一反相器U₁的输出端也作为模式控制信号产生器10的输出端。

第一开关S₁的一端接收作为第一预设阈值的信号Mode_th，第二开关S₂的一端接收作为第二预设阈值的信号Mode_th+Mode_Hys。第一开关S₁的另一端和第二开关S₂的另一端并接后与比较器U_c的同相端耦接。第一开关S₁受从第一反相器U₁输出的信号PWM_EN控制，而第二开关S₂受从第二反相器U₂输出的信号PWM_ENB控制。比较器U_c的输入端极性并不限于此处所述的连接方式，其可基于开关S₁、S₂和各阈值的控制极性变化而做适当调整变换。

主电路中的低侧开关M₂受信号BG控制，采样电路20受信号BG_OFF控制。信号BG和信号BG_OFF是相位互补的。当低侧开关M₂开通时，采样电路20处于去使能状态；当低侧开关M₂断开时，采样电路20被使能，使得在低侧开关M₂断开期间，采样电路20采样通过电流检测放大器U₀输出的检测信号I_{IN_sns}。

如上所述，当信号BG_OFF为高时，低侧开关M₂被断开，采样电路20被使能。输入电流I_IN被电流检测放大器U₀检测并放大。电流检测放大器U₀输出的电流放大信号I_{IN_sns}＝A*I_IN，其中A是电流检测放大器U₀的增益系数。由于此时采样电路20已被使能，电流放大信号I_{IN_sns}被送入采样电路20。采样电路20基于电流放大信号I_{IN_sns}，提供采样信号I_{sns_out}，其中采样信号I_{sns_out}是电流放大信号I_{IN_sns}的采样值，如图1中的阴影区域所示。此时，低侧开关M₂被断开，输入电流I_IN即为负载电流I_LOAD。因此，采样信号I_{sns_out}与负载电流I_LOAD成比例。此后采样信号I_{IN_out}被输送至平均电路30。平均电路30基于采样信号I_{IN_out}以提供均值输出信号I_{out_sns_ave}。所述均值输出信号I_{out_sns_ave}被进一步输送至模式控制信号产生器10，使得模式控制信号产生器10基于均值输出信号I_{out_sns_ave}提供模式控制信号。在一个实施例中，均值输出信号I_{out_sns_ave}被输送至比较器U_c反相输入端。

当比较器U_c的输出为低时，信号PWM_EN为高，PWM_ENB为低，因而第一开关S₁被导通，第二开关S₂被断开，从而，第一预设阈值Mode_th被直接送入比较器U_c的同相输入端；当比较器U_c的输出为高时，信号PWM_EN为低，PWM_ENB为高，则第一开关S₁被关断，第二开关S₂被导通，从而，第二预设阈值Mode_th+Mode_Hys被直接送入比较器U_c的同相输入端。比较器U_c将均值输出信号I_{out_sns_ave}与第一预设阈值Mode_th或第二预设阈值Mode_th+Mode_Hys进行比较，如果均值输出信号I_{out_sns_ave}低于第一预设阈值Mode_th，比较器U_c输出高电平，使信号PWM_EN变为“低”，相应地使信号PWM_ENB变为“高”。因而，系统将切换为恒定峰值电流PFM(脉冲频率调制)模式。

相反，如果均值输出信号I_{out_sns_ave}高于第二预设阈值Mode_th+Mode_Hys，比较器U_c将输出低电平，使信号PWM_EN变为“高”，相应地使信号PWM_ENB变为“低”。因而，系统将切换为PWM模式。即，当均值输出信号低于第一预设阈值Mode_th，开关稳压器处于轻载状态；当均值输出信号高于第二预设阈值Mode_th+Mode_Hys，开关稳压器处于重载状态。可以看出，信号PWM_EN是PWM使能信号，信号PWM_ENB是PWM使能信号PWM_EN的相位互补信号。当PWM使能信号PWM_EN为低时，开关稳压器进入恒定峰值电流PFM模式；当PWM使能信号PWM_EN为高时，开关稳压器进入PWM模式。

参见图2，其描述了模式控制电路100中不同信号的波形。如图2所示，t₁时刻之前，负载电流I_LOAD为低，电感电流I_L是断续的，均值输出信号I_{out_sns_ave}低于第一预设阈值Mode_th，比较器U_C的输出为高，因而信号PWM_EN为低，而信号PWM_ENB为高。此低的信号PWM_EN将第一开关S₁断开，而高的信号PWM_ENB将第二开关S₂闭合导通，从而，第二预设阈值Mode_th+Mode_Hys被直接送入比较器U_c的同相输入端，系统处于恒定峰值电流PFM模式。当负载电流在t0时刻开始增加，每个开关周期时间变得更短且电感电流I_L的脉冲变得更靠近。此时均值输出信号I_{out_sns_ave}成比例地增加。当在t₁时刻，均值输出信号I_{out_sns_ave}高于第二预设阈值Mode_th+Mode_Hys，比较器U_c输出低电平信号，使使信号PWM_EN变为“高”，相应地使信号PWM_ENB变为“低”，系统切换为PWM模式。从t₂时刻，系统进入重载状态，开关稳压器在重载情况下的运行为已知的现有技术，此处不再赘述。

继续参见图2，在t₃时刻，负载情况再次变化，负载电流I_LOAD开始下降，均值输出信号I_{out_sns_ave}相应下降。在t₄时刻，均值输出信号I_{out_sns_ave}低于第一预设阈值Mode_th，比较器U_C的输出高电平，使信号PWM_EN为低，而信号PWM_ENB为高，从而，第一预设阈值Mode_th被直接送入比较器U_c的同相输入端，系统进入恒定峰值电流PFM模式，电感电流I_L变为断续。从t₅时刻，系统进入轻载状态，开关稳压器在轻载状态下的运行为已知的现有技术，此处不再赘述。

从图2所示波形图可以看出，模式控制电路100的模式切换非常平滑。

本发明进一步提供了开关稳压器的模式控制方法，该方法包括：

接收输入信号；

放大所述输入信号，得到放大信号；

传送所述放大信号至采样电路，得到采样信号；

传送采样信号至平均电路，得到均值输出信号；

将均值输出信号与第一预设阈值或第二预设阈值进行比较，得到PWM使能信号；

基于PWM使能信号确定运行模式。

第一预设阈值表示开关稳压器处于轻载状态；第二预设阈值表示开关稳压器处于重载状态。当均值输出信号低于所述第一预设阈值时，PWM使能信号为低，开关稳压器进入恒定峰值电流PFM模式；当均值输出信号高于所述第二预设阈值时，PWM使能信号为高，开关稳压器相应地进入PWM模式。当主电路中的低侧开关导通时，采样电路不起作用，反之，采样电路起作用。当均值输出信号高于所述第一预设阈值时，开关稳压器处于轻载状态，当均值输出信号高于所述第二预设阈值时，开关稳压器处于重载状态。

如上所述，模式控制电路100在轻载和重载状态下都实现了高效率。开关稳压器在轻载时运行恒定峰值电流PFM模式，而在重载时运行PWM模式，并在两者之间进行切换。PFM模式有更低的开关频率以降低开关损耗，以及更低的静态电流消耗以获得更好的待机效率。PWM模式在重载时具有高效和好的调节性。因而，结合本发明，全负载范围内都能获得高效率，以及模式之间的自动平滑切换。

如上所述的各实施方式，应该被理解为仅是一些示例，而非限定。因而，引为参考的实施方式之范围不应被限定为上述示例用的任一实施例，而应该根据权利要求及其等同表述确定。

Claims (11)

1.用于开关稳压器的模式控制方法，其特征在于，包括接收输入信号；

放大所述输入信号，得到放大信号；

采样所述放大信号，得到信号采样信号；

平均采样信号，得到均值信号，作为输出信号；

将所述输出信号与第一预设阈值或第二预设阈值进行比较；

基于比较结果，确定运行模式。

2.如权利要求1所述模式控制方法，其特征在于，所述比较结果产生PWM使能信号，用以确定运行模式。

3.如权利要求1所述模式控制方法，其特征在于，当所述开关稳压器的低侧开关导通时，所述采样不起作用；当所述开关稳压器的低侧开关断开时，所述采样起作用。

4.如权利要求2所述模式控制方法，其特征在于，当所述均值输出信号低于所述第一预设阈值时，所述PWM使能信号为低；当所述均值输出信号高于于所述第二预设阈值时，所述PWM使能信号为高。

5.如权利要求4所述模式控制方法，其特征在于，当所述PWM使能信号为低时，所述开关稳压器进入恒定峰值电流PFM模式；当所述PWM使能信号为高时，所述开关稳压器进入PWM模式。

6.开关稳压系统，其特征在于，包括

开关稳压器；

模式控制电路，与所述开关稳压器耦接，产生模式控制信号给所述开关稳压器以确定所述系统的控制模式，所述模式控制电路包括

电流检测放大器，接收输入信号，提供电流放大信号；

采样电路，基于所述电流放大信号，提供采样信号；

平均电路，基于所述采样信号，提供均值输出信号；

模式控制信号产生器，基于所述均值输出信号，提供模式控制信号。

7.如权利要求6所述系统，其特征在于，所述模式控制信号产生器包括比较器、第一开关、第二开关、第一反相器和第二反相器；

所述比较器的反相输入端作为所述模式控制信号产生器的输入端，接收所述均值输出信号；

所述第一开关的一端接收第一预设阈值，第一开关的另一端耦接于所述比较器的同相输入端；

所述第二开关的一端接收第二预设阈值，第二开关的另一端也耦接于所述比较器的同相输入端；

所述比较器将均值输出信号与第一预设阈值或第二预设阈值进行比较，提供比较信号；

所述第一反相器耦接于所述比较器，提供与比较信号反相的信号作为PWM使能信号；

所述第二反相器耦接于所述第一反相器，提供与PWM使能信号反相的信号；

所述第一反相器的输出端作为所述模式控制信号产生器的输出端。

8.如权利要求7所述系统，其特征在于，当所述开关稳压器的主电路中的低侧开关导通时，所述采样电路不起作用；当所述低侧开关断开时，所述采样电路起作用。

9.如权利要求7所述系统，其特征在于，当所述均值输出信号低于所述第一预设阈值时，所述PWM使能信号为低；当所述均值输出信号高于所述第二预设阈值时，所述PWM使能信号为高。

10.如权利要求7所述系统，其特征在于，所述第一开关受所述PWM使能信号控制；而所述第二开关受所述PWM使能信号的反相信号控制。

11.如权利要求10所述系统，其特征在于，当PWM使能信号为低时，所述开关稳压器进入恒定峰值电流脉冲频率调制模式；当所述PWM使能信号为高时，所述开关稳压器进入PWM模式。

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