CN101981794A - 用于调节输出电压的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于调节电源的输出电压的方法。升压PWM开关变换器对开关晶体管和旁路晶体管调节栅极驱动信号，以便电源根据参数和参考之间的比较具有工作频率FS。参数可为输入电压与输出电压的比、输出电压和输入电压之间的差、或输入电压的值。根据参数和参考之间的比较，开关控制电路线性地降低电源的工作频率。当以具有低占空比的控制信号工作时，通过改变工作频率，功率调节器的输出和输入电压可彼此几乎相等，同时维持低输出电压纹波和低感应器电流纹波。

Description

用于调节输出电压的方法
技术领域
本发明一般涉及半导体器件，尤其是涉及功率开关半导体器件。
背景技术
功率变换器用在各种电子产品中，包括机动车、航空、电信和消费者电子设备。功率变换器例如直流到直流(DC-DC)开关变换器变得广泛用在一般由电池供电的便携式电子设备中，例如膝上型计算机、个人数字助理、寻呼机、便携式电话等。也称为开关电源(switchedmode power supply)的DC-DC开关变换器能够从单个电压输出多个电压，其与负载电流从变换器或从供应变换器的电源的任何变化中得到无关。用在便携式电子应用中的一种类型的DC-DC开关变换器是升压变换器(boost converter)。这种类型的变换器能够将输入电压从一个电压电平转换到另一电压电平。更具体地，升压变换器将输入电压从一个电压电平转换到较高的电压电平。用在便携式电子应用中的另一类型的DC-DC开关变换器是降压变换器(buck converter)。这种类型的变换器能够将输入电压从一个电压电平转换到较低的电压电平。
开关变换器一般将能量储存在能量储存元件例如感应器中。在设计开关变换器时的两个参数是流经感应器的峰值电流和感应器的感应系数值。希望维持低峰值电流，同时保持感应系数值小。正如本领域技术人员认识到的，大电流消耗大量的功率，且大值感应器消耗面积，这增加了成本并降低了开关变换器的效率。用于维持小感应器值和可接受的低电流的一种技术是在高开关频率FS处操作开关变换器，例如至少一兆赫兹(MHz)的开关频率。可通过使用脉宽调制(PWM)来在恒定的高开关频率FS处操作开关DC-DC变换器，从而允许使用具有小感应系数值的感应器。
虽然在高开关频率FS处操作开关变换器允许使用具有较低感应系数值的感应器和流经感应器的较低峰值电流，但这可导致不希望有的短传播延迟。PWM开关变换器的缺点是，当PWM控制信号的占空比接近零时，信号从一个电路节点传播到另一电路节点所花费的时间的长度变得太长。换句话说，对于给定频率FS和给定技术，电路节点之间的传播延迟限制了最小占空比。当占空比变得过小时，PWM开关变换器寻找另一方法来完成调节，例如通过跳过引起突发调节的一些周期。对于中等或大负载，这导致在输出电压上和通过感应器的电流中的不可接受的高纹波。在低于开关频率FS的频率处还可能出现电磁干扰。
因此，在PWM模式开关变换器的工作频率的占空比接近零时，有一种调节其输出电压的方法将是有利的。实现起来有时间和成本效率的方法是进一步有利的。
附图说明
从下列详细描述的阅读中结合附图将更好地理解本发明，其中相似的参考数字表示相似的元件，且其中：
图1是根据本发明的实施方式在同步升压转换模式中工作的PWM开关DC-DC变换器的电路图；
图2是PWM开关DC-DC变换器的工作频率与输入电压的关系曲线，该PWM开关DC-DC变换器将栅极驱动信号的频率从标称工作频率线性地改变到较低的工作频率；以及
图3是示出PWM开关DC-DC变换器的输出电压和感应器电流作为时间的函数的计时图。
具体实施方式
通常，本发明提供了用于调节变换器系统例如PWM开关DC-DC变换器的输出电压的方法。根据本发明的实施方式，提供了多个电信号，其中这些电信号中的一个信号具有频率FS。频率FS响应于与参考(reference)信号的比较而从一个频率改变到另一频率。
根据本发明的另一实施方式，变换器系统的一部分工作在第一频率。在第一频率处的工作响应于参数和第一参考之间的比较而继续。变换器系统的工作频率响应于参数和第二参考之间的比较而改变到第二频率。
图1是根据本发明的实施方式在同步升压转换模式中工作的PWM开关DC-DC变换器10的电路图。在图1中示出的是开关12，其具有耦合到开关控制电路14的控制电极、耦合成接收工作电势源例如VSS的载流电极、以及耦合成通过能量储存元件16接收输入信号并通过晶体管18耦合到负载20的载流电极。作为例子，开关12是N沟道开关晶体管，晶体管18是P沟道旁路晶体管(pass transistor)，能量储存元件16是感应器，而负载20包括耦合在负载电容24的并联配置中的负载电阻22。更具体地，开关晶体管12具有连接到开关控制电路14的栅极或控制电极、耦合成接收工作电势源VSS的源极、以及耦合成通过感应器16接收输入信号VIN并耦合到旁路晶体管18的漏极的漏极。旁路晶体管18具有连接到开关控制电路14的栅极、共同连接到开关晶体管12的漏极和感应器16的一个端子的漏极、以及共同连接到负载电容24和负载电阻22的端子的源极。开关晶体管12和旁路晶体管18的漏极以及感应器16的端子共同连接而形成节点21。可选地，开关控制电路14可具有耦合到节点21用于感测感应器电流的输入。旁路晶体管18的共同连接的源极以及负载电阻22和负载电容24的端子共同连接而形成输出端子28，输出信号出现在输出端子28。负载电阻22和负载电容24的其它端子耦合成接收工作电势源VSS。作为例子，输入信号是电信号例如电压信号VIN，而输出信号是电信号例如输出电压VOUT。
在工作中，同步PWM开关DC-DC变换器10将出现在输出端子28处的电压调节到由开关控制电路14确定的电平。开关控制电路14分别向开关晶体管12和旁路晶体管20的栅极端子提供逻辑信号VG1和VG2，开关晶体管12和旁路晶体管18独立地控制电流I2以给电容器24充电到稳定电压VOUT。应注意，逻辑信号VG1和VG2可被称为电信号。
根据本发明的实施方式，在时间T1期间，开关控制电路14产生栅极驱动信号VG1和VG2，其中栅极驱动信号VG1使开关晶体管12成为传导的，而栅极驱动信号VG2使旁路晶体管18成为非传导的。启动开关晶体管12使电流I1流动和感应器16储存磁能。当开关晶体管12为传导的时，在节点21的电压实质上被设定到电压VSS。当工作电势源VSS处于地电势时，在节点21的电压实质上被设定到地电势。在时刻T2，开关控制电路14分别向开关晶体管12和旁路晶体管18的栅极提供栅极驱动信号VG1和VG2，使开关晶体管12成为非传导的，而旁路晶体管18成为传导的。当开关晶体管12处于非传导状态时，流经感应器16的电流不能即时变化，因而感应器16改变节点21处的电压，直到晶体管18的正向体二极管19变成传导的。在节点21的电压等于输出电压VOUT和约0.7伏的和，即，VOUT+0.7伏。电流从输入端子26通过感应器16和旁路晶体管18的体二极管19流到输出端子28。旁路晶体管18接着通过栅极驱动信号VG1和VG2成为传导的，以提供较小电阻的电流路径。开关控制电路14的特征是其同步地控制开关晶体管12和旁路晶体管18的传导性的能力。因此，开关晶体管12的传导状态可与旁路晶体管18的传导状态相互排斥，使得开关晶体管12和旁路晶体管18不同时为传导的。
开关控制电路14产生栅极驱动信号VG1和VG2，以便每个栅极驱动信号都具有频率FS。除了产生栅极驱动信号VG1和VG2以外，开关控制电路14还监控出现在输入端子26上的输入电压VIN和出现在输出端子28上的输出电压VOUT，并将频率FS调节为标称值或比标称值低的可变值或固定值。根据本发明的一个实施方式，开关控制电路14根据电压VOUT与VIN的比(ratio)(即，VOUT/VIN)将栅极驱动信号VG1和VG2调节成具有频率FS。更具体地，对于栅极驱动信号VG1和VG2，当VOUT/VIN比高于阈值比RT1时，开关控制电路14提供具有高标称开关频率FS的栅极驱动信号VG1和VG2，当VOUT/VIN比低于阈值比RT1时，它提供具有较低的可变频率FS的栅极驱动信号VG1和VG2，且当VOUT/VIN比低于参考阈值比RT1时，它提供具有较低的固定频率FS的栅极驱动信号VG1和VG2。响应于VOUT/VIN比，PWM开关DC-DC变换器10优选地线性地或以线性方式改变开关频率FS。作为例子，频率FS的较高标称频率为约2MHz，频率FS的较低标称频率为约1MHz，而参考阈值比RT1等于约1.11，即，当VOUT等于约1伏且VIN等于约0.9伏时VOUT/VIN的比。
可选地，对于栅极驱动信号VG1和VG2，当VOUT/VIN比高于阈值比RT1时，开关控制电路14提供具有高标称开关频率FS的栅极驱动信号VG1和VG2，当VOUT/VIN比低于阈值比RT2时，它提供具有较低的可变频率FS的栅极驱动信号VG1和VG2，且当VOUT/VIN比低于参考阈值比RT2时，它提供具有较低的固定频率FS的栅极驱动信号VG1和VG2，其中参考阈值比RT2小于参考阈值比RT1。响应于VOUT/VIN比，PWM开关DC-DC变换器10优选地线性地改变开关频率FS。
根据本发明的另一实施方式，开关控制电路14根据电压VOUT和VIN之间的差(即，VOUT-VIN)将栅极驱动信号VG1和VG2调节成具有频率FS，其中电压的差被称为差电压(difference voltage)VDIFF。更具体地，当差电压VOUT-VIN大于或高于差参考电压VDIFF1时，开关控制电路14提供具有高标称开关频率FS的栅极驱动信号VG1和VG2，当差电压小于或低于差参考电压VDIFF1时，它提供具有较低的可变频率FS的栅极驱动信号VG1和VG2，且当差电压小于或低于差参考电压VDIFF1时，它提供具有较低的固定频率FS的栅极驱动信号VG1和VG2。响应于差电压VDIFF，PWM开关DC-DC变换器10优选地线性地改变开关频率FS。作为例子，频率FS的较高标称频率为约2MHz，频率FS的较低标称频率为约1MHz，而对于等于约5伏的输出电压VOUT，参考电压VDIFF1等于约1伏。
可选地，当差电压VOUT-VIN大于或高于差参考电压VDIFF1时，开关控制电路14提供具有高标称开关频率FS的栅极驱动信号VG1和VG2，当差电压小于或低于差参考电压VDIFF2时，它提供具有较低的可变频率FS的栅极驱动信号VG1和VG2，且当差电压小于或低于差参考电压VDIFF2时，它提供具有较低的固定频率FS的栅极驱动信号VG1和VG2。响应于差电压VDIFF，PWM开关DC-DC变换器10优选地线性地改变开关频率FS。
根据本发明的另一实施方式，开关控制电路14根据输入电压VIN的值将栅极驱动信号VG1和VG2调节成具有频率FS。更具体地，当输入电压VIN小于或低于阈值电压VTH1时，开关控制电路14提供具有高标称开关频率FS的栅极驱动信号VG1和VG2，当输入电压VIN大于或高于阈值电压VTH1时，它提供具有较低的可变频率FS的栅极驱动信号VG1和VG2，且当输入电压VIN大于或高于阈值电压VTH1时，它提供具有较低的固定频率FS的栅极驱动信号VG1和VG2。响应于输入电压VIN，PWM开关DC-DC变换器10优选地线性地改变开关频率FS。作为例子，频率FS的较高标称频率为约2MHz，频率FS的较低标称频率为约1MHz，而对于等于约5伏的输出电压VOUT，阈值电压VTH1等于约4伏。响应于输入电压VIN，PWM开关DC-DC变换器10优选地线性地改变开关频率FS。
更具体地，当输入电压VIN小于或低于阈值电压VTH1时，开关控制电路14提供具有高标称开关频率FS的栅极驱动信号VG1和VG2，当输入电压VIN大于或高于阈值电压VTH2时，它提供具有较低的可变频率FS的栅极驱动信号VG1和VG2，且当输入电压VIN大于或高于阈值电压VTH2时，它提供具有较低的固定频率FS的栅极驱动信号VG1和VG2。响应于输入电压VIN，PWM开关DC-DC变换器10优选地线性地改变开关频率FS。
根据本发明的实施方式，开关控制电路14以线性方式将频率FS从标称工作频率改变到较低的频率或较低的可变频率。图2示出一个实现方式，其中开关控制电路14将栅极驱动信号VG1和VG2的频率从约1.75MHz的标称工作频率线性地改变到约800KHz的较低工作频率。应注意，当输入电压接近输出电压时，开关控制电路14改变频率FS。图2示出当输入电压超过约4伏时，开关控制电路14开始改变频率FS，并且继续改变频率FS直到输入电压变成约4.5伏。输出电压为约4.6伏。
图3是示出输出电压VOUT和感应器电流IL作为时间的函数的计时图。当输入电压VIN为约4.4伏，输出电压VOUT为约4.6伏且频率FS降低到约800KHz时，产生输出电压波形50和感应器电流波形52。为了比较，当电压VIN为约4.4伏，输出电压VOUT为约4.6伏且频率FS维持在约1.75MHz时，产生输出电压波形54和感应器电流波形56。在这些条件下，改进了输出电压VOUT和感应器电流IL的调节。因此，当输入电压VIN接近输出电压VOUT时，降低频率FS在电压纹波、电流纹波方面并在子谐波电磁辐射方面改进了输出电压和感应器电流的调节。
到现在应认识到，提供了用于调节电源的输出电压的方法。根据本发明的实施方式，变换器系统的一部分响应于参数和第一参考之间的比较而工作在一个频率处，并响应于该参数和第二参考之间的比较而工作在较低的频率处。该参数可为输入电压、输出电压与输入电压的比、或输出电压与输入电压之间的差。根据参数和参考之间的比较降低工作频率允许操作电源，所述电源具有非常接近于例如在约100毫伏内的输出电压的输入电压。另一优点是当开关频率FS减小时，仍可使用小感应系数值的感应器，因为当开关频率FS减小时一般使用高输入电压。然而，高输入电压是对峰值感应器电流的限制因素。使用较小值的感应器允许减小开关频率，而实质上不降低峰值感应器电流。小感应器的使用也降低了电源的成本，因为小感应器占据较小的硅面积。根据本发明的各种实施方式操作具有同步结构的电源还允许移除实际的截断设备(cut-off device)并提高效率。此外，根据本发明的实施方式操作的电源改进了电磁干涉的控制，这在便携式通信应用中是有利的。根据本发明的实施方式的电源的操作还适合于具有非同步结构的电源。
虽然这里公开了某些优选实施方式和方法，从前述公开中对本领域技术人员应明显，可进行这样的实施方式和方法的变化和更改，而不偏离本发明的实质和范围。意图是应将本发明仅仅限制到所附权利要求以及可适用的法律的条例和法则所要求的程度。

Claims (22)

1.一种用于调节脉宽调制开关变换器的输出电压的方法，所述方法包括以下步骤：
提供第一电信号和第二电信号；
提供具有第一频率的第三电信号；以及
响应于与第一参考的比较而将所述第三电信号的所述第一频率改变到第二频率，所述第二频率低于所述第一频率。
2.如权利要求1所述的方法，其中提供具有所述第一频率的所述第三电信号的步骤包括响应于所述第一电信号小于所述第一参考而提供所述第一频率。
3.如权利要求2所述的方法，其中改变所述第三电信号的所述第一频率的步骤包括响应于所述第一电信号大于所述第一参考而将所述第三电信号的所述第一频率改变到所述第二频率。
4.如权利要求3所述的方法，其中改变所述第三电信号的所述第一频率的步骤包括将所述第三电信号的所述第一频率线性地改变到所述第二频率。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述第一电信号是输入电压信号。
6.如权利要求2所述的方法，其中改变所述第三电信号的所述第一频率的步骤包括响应于所述第一电信号大于第二参考而将所述第三电信号的所述第一频率改变到所述第二频率。
7.如权利要求1所述的方法，其中提供具有所述第一频率的所述第三电信号的步骤包括响应于所述第二电信号与所述第一电信号之间的差大于所述第一参考而提供所述第一频率。
8.如权利要求7所述的方法，其中改变所述第三电信号的所述第一频率的步骤包括响应于所述第二电信号与所述第一电信号之间的差小于所述第一参考而将所述第三电信号的所述第一频率改变到所述第二频率。
9.如权利要求8所述的方法，其中改变所述第三电信号的所述第一频率的步骤包括将所述第三电信号的所述第一频率线性地改变到所述第二频率。
10.如权利要求7所述的方法，其中改变所述第三电信号的所述第一频率的步骤包括响应于所述第二电信号与所述第一电信号之间的差小于第二参考而将所述第三电信号的所述第一频率改变到所述第二频率。
11.如权利要求1所述的方法，其中提供具有所述第一频率的所述第三电信号的步骤包括响应于所述第二电信号与所述第一电信号的比大于所述第一参考而提供所述第一频率。
12.如权利要求11所述的方法，其中改变所述第三电信号的所述第一频率的步骤包括响应于所述第二电信号与所述第一电信号的比小于所述第一参考而将所述第三电信号的所述第一频率改变到所述第二频率。
13.如权利要求12所述的方法，其中改变所述第三电信号的所述第一频率的步骤包括将所述第三电信号的所述第一频率线性地改变到所述第二频率。
14.如权利要求11所述的方法，其中改变所述第三电信号的所述第一频率的步骤包括响应于所述第二电信号与所述第一电信号的比小于第二参考而将所述第三电信号的所述第一频率改变到所述第二频率。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述第二频率是固定频率或可变频率中的一个。
16.一种用于调节PWM开关变换器的输出电压的方法，所述方法包括以下步骤：
在第一频率处操作所述PWM开关变换器；
响应于参数大于第一参考而继续所述PWM开关变换器在所述第一频率处的操作；以及
响应于所述参数小于所述第一参考而在第二频率处操作所述PWM开关变换器，其中所述第二频率小于所述第一频率。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述参数是所述PWM开关变换器的输出电压与PWM变换器系统的输入电压的比。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述参数是所述开关变换器的输出电压与所述PWM开关变换器的输入电压之间的差。
19.如权利要求16所述的方法，其中所述第二频率是恒定频率或可变频率中的一个。
20.如权利要求16所述的方法，其中响应于所述参数小于所述第一参考而在第二频率处操作所述PWM开关变换器的步骤还包括：响应于所述参数小于第二参考而在所述第二频率处操作所述PWM开关变换器，所述第二参考小于所述第一参考。
21.一种用于调节PWM开关变换器的输出电压的方法，所述方法包括以下步骤：
在第一频率处操作所述PWM开关变换器；
响应于参数小于第一参考而继续所述PWM开关变换器在所述第一频率处的操作；以及
响应于所述参数大于所述第一参考而在第二频率处操作所述PWM开关变换器，其中所述第二频率小于所述第一频率。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述参数是所述PWM开关变换器的输入电压。
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