CN101997408A

CN101997408A - 用于电压转换器的控制方法及其相关电压转换器

Info

Publication number: CN101997408A
Application number: CN2009101633956A
Authority: CN
Inventors: 李敬赞
Original assignee: Leadtrend Technology Corp
Current assignee: Leadtrend Technology Corp
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2011-03-30

Abstract

本发明涉及一种用于一电压转换器的控制方法及其电压转换器，该控制方法包含有提供一设定，用于一省电模式；进入该省电模式，依照该设定，使该电压转换器输出一预设能量；进入一正常模式，辨识该电压转换器是否应进入该省电模式，并侦测该电压转换器的一输出反应；以及以该输出反应来调整该设定，以使该输出反应大约地维持于一预设范围。

Description

用于电压转换器的控制方法及其相关电压转换器

技术领域

本发明是指一种可供电压转换器使用的控制方法及其相关电压转换器，尤指一种可以在一省电模式操作中，维持操作频率大约为一定范围的电压转换器控制方法及其相关电压转换器。

背景技术

现有切换式电源供应器(switching power supply)有操作于PWM模式，利用改变开关周期中一功率开关的责任周期(Duty Cycle)的方法，提供稳定的输出电压供给负载使用。当负载的大小发生变化时，供给负载的电流就会跟着改变。理想的切换式电源供应器必须能够配合负载的变化，保持输出电压的稳定。在实际的使用情形下，切换式电源供应器为维持输出电压的稳定，在负载加大的情况，责任周期就必须增加；反之，若负载减少，则责任周期就跟着减少。在轻负载(light load)或无负载(no load)的状况，有的切换式电源供应器则设计进入丛集模式(burst mode)，强制地在一个或是数个连续开关周期中送出高于负载所需的能量，以使后续数个开关周期得以不用对功率开关开启，以节省开关损失(switching loss)。

切换式电源供应器的操作原理请参考图1，为现有技术中一降压(Buck)切换式电源供应器电路10的示意图。电源供应器电路10包含有一电源VIN、一电压转换器(power converter)100、一上方开关HG(high-side switch)、一下方开关LG(low-side switch)、一电感L1、一电容C1、电阻R1、R2以及一负载Z1。图2A为切换式电源供应器电路10的上方开关HG、下方开关LG及电感电流I_L1在一般负载情况时的信号示意图。

图2A中的电感电流波形是连续的三角波形，意味着一连续导通模式(Continuous Conduction Mode、CCM)，其平均电感电流意味着维持输出电压时负载Z1所需的负载电流。如果负载Z1为轻载或是无载时，平均电感电流可能会降到非常接近零的位准。此时，若维持图2A中的电感电流波形，电感电流便可能会出现负值，形成业界所熟知的逆电流(Reverse Current)。逆电流只会消耗存放在输出电容C1中的电能。为了减少或是预防逆电流的出现，现有的切换式电源供应器电路多具备一个防逆电流机制，当判定逆电流将要出现，或是已经出现时，便提早关闭下方开关LG。其结果便如图2B所示，其中电感电流的波形是一不连续的三角波形，为不连续导通模式(Discrete Conduction Mode、DCM)。

图1中，防逆电流机制被启动与否，可以当成切换式电源供应器电路10是否要进入丛集模式的指针。但在丛集模式时，切换式电源供应器电路10如何操作，也是有必要深入探讨。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于一电压转换器的控制方法及其电压转换器，以减少启闭耗能。

本发明的实施例揭露一种用于一电压转换器的控制方法，包含有提供一设定，用于一省电模式；进入该省电模式，依照该设定，使该电压转换器输出一预设能量；进入一正常模式，辨识该电压转换器是否应进入该省电模式，并侦测该电压转换器的一输出反应；以及以该输出反应来调整该设定，以使该输出反应维持于一预设范围。

本发明的实施例还揭露一种电压转换器，该电压转换器包含有一状态侦测器，侦测该电压转换器的一输出，以判定该电压转换器是否进入一省电模式或是一正常模式；一输出能量决定器，包含有一设定暂存器，用以储存一设定，依据该电压转换器操作于该正常模式的一输出反应，用以调整该设定，以使该输出反应维持于一预设范围；以及一开关控制器，控制一功率开关，可操作于一省电模式与一正常模式其中之一，当操作于该省电模式时，依据该设定暂存器所储存的该设定，使该功率开关输出一预设能量。

本发明的电压转换器经由省去上方开关大部分的启闭动作，可以减少启闭耗能。同时，也可以避免发出音频噪音。

附图说明

图1为现有技术中一切换式电源供应器电路的示意图；

图2A为现有技术的上方开关、下方开关及电感电流在一般负载情况时的一信号示意图；

图2B为现有技术的上方开关、下方开关及电感电流在轻载时的一信号示意图；

图3为本发明中一切换式电源供应器电路的示意图；

图4为本发明实施例电压转换器的结构示意图；

图5为本发明实施例用于电压转换器的一状态切换流程的示意图；

图6为本发明实施例切换式电源供应器电路的上方开关、下方开关及电感电流在轻载时的信号示意图。

【主要元件符号说明】

10、30：电源供应器电路

100、300：电压转换器

50：状态切换流程

500、510、520、530：状态

NUM_CCM：CCM输出的连续次数

NUM_NON：未开关周期的连续次数

NUM_DCM：DCM输出的连续次数

420：状态侦测器

440：输出能量决定器

460：开关控制器

480：逆电流侦测器

VIN：电源

HG：上方开关

LG：下方开关

L1：电感

C1：电容

R1、R2：电阻

CNT_0、CNT_1、CNT_2：计数器

SETR：设定暂存器

I_L1：电感电流

具体实施方式

请参考图3，图3为本发明中一切换式电源供应器电路30的示意图。电源供应器电路30包含有一电源VIN、一电压转换器300、一上方开关HG、一下方开关LG、一电感L1、一电容C1、电阻R1、R2以及一负载Z1。电源供应器电路30与电源供应器电路10的最大区别，在于现有技术的电压转换器100已由本发明的电压转换器300所取代。

视操作条件状况不同，电压转换器300的操作模式至少包含有一PWM模式以及一丛集模式(burst mode)，分别表示一正常模式以及一省电模式。在PWM模式时，电感L1的电流波形可能为连续导通模式(CCM)或是不连续导通模式(DCM)；也可能因为电容C1的电压过高，上方开关HG与下方开关LG完全停止开关，导致电感L1的电流波形在一开关周期中完全为0，这样的一开关周期称之为未开关周期(non-switching period)。电压转换器300的实施例的主要目的在于大略的限制电源供应电路30在轻载或是无载时，连续进入两次丛集模式的间隔时间，使其大约为一定值，或是落于一预设范围内。

请参考图4，图4显示图3中，电压转换器300的结构示意图。电压转换器300包含有状态侦测器420、输出能量决定器440、开关控制器460及逆电流侦测器480。

状态侦测器420用于侦测该电压转换器300以DCM模式输出时的连续次数，以判定电压转换器300是否进入丛集模式或是持续以PWM模式操作。状态侦测器420包含有一计数器CNT_0，耦接于逆电流侦测器480，用以在PWM模式时，计算电压转换器300以DCM状态输出能量的连续次数NUM_DCM。当该连续次数大于一预设值时，会被认定此时负载为轻载或是无载，状态侦测器420将电压转换器300导入丛集模式操作。

输出能量决定器440包含有设定暂存器SETR，用以储存一定义在丛集模式时，电压转换器300所输出的丛集电流值，用以定义在丛集模式中，流经电感L1的最大容许电流。暂存器SETR中的设定，会依据电压转换器300操作于PWM模式的未开关周期的连续发生次数，而被调整，以使未开关周期的连续发生次数大约地维持于一预设范围。开关控制器460可控制上方开关HG以及下方开关LG，以操作于丛集模式或PWM模式。输出能量决定器440包含有两个计数器CNT_1、CNT_2。计数器CNT_1是用来计算电压转换器以CCM输出的连续次数NUM_CCM。计数器CNT_2耦接于逆电流侦测器480，是用以计算电压转换器300操作于PWM模式的未开关周期的连续发生次数NUM_NON。

请参考图5，图5为图3中的电源供应电路30的状态切换流程50的示意图。在该一实施例中，状态切换流程50的运作情形可简述如下：

从状态500开始，电压转换器300操作于PWM模式。在状态500时，若发现NUM_DCM大于等于7，则可以确认当下负载为轻载或是无载，依照NUM_NON来判别进入状态510或是状态520，准备让电压转换器300操作于丛集模式。当NUM_DCM小于7时，且NUM_CCM也小于3时，意味着无法判定当下负载是轻载还是重载，所以电压转换器300持续维持在状态500。当NUM_DCM小于7时，且NUM_CCM大于等于3时，意味着当下负载是重载，则电压转换器300进入状态530。在状态530，丛集电流值被设定为一预设值后，电压转换器300便回到状态500，继续操作于PWM模式。

当NUM_DCM大于等于7，准备让电压转换器300进入丛集模式。如果NUM_NON偏大时，譬如NUM_NON＞15时，隐含了在前一次丛集模式时，电源供应电路30所送出的能量偏大，电容C1的电压过高的时间很久。因此，进入状态510，并减少输出能量决定器440中所记录的丛集电流值。丛集电流值减少后，使电压转换器300进入丛集模式，依照所减少的丛集电流值，控制上方开关HG，让其输出一三角波电流，其峰值等于丛集电流值。输出完该三角波电流后，就回复到状态500，进入PWM模式。可预期的，如果负载依然是轻载或是无载，因为输出的能量已经相对降低了，所以下次的NUM_NON就应该会减少，意味着下次进入丛集模式的时间点会比较早。

类似地，当NUM_DCM大于等于7，且NUM_NON偏小时，譬如NUM_NON＜＝15时，隐含了在前一次丛集模式时，电源供应电路30所送出的能量偏小。因此，进入状态520，增加输出能量决定器440中所记录的丛集电流值。丛集电流值增加后，使电压转换器300进入丛集模式，依照所增加的丛集电流值，控制上方开关HG，让其输出一三角波电流，其峰值等于丛集电流值。输出完该三角波电流后，就回复到状态500，进入PWM模式。可预期的，如果负载依然是轻载或是无载，因为输出的能量已经相对增加了，所以下次的NUM_NON就应该会增加，意味着下次进入丛集模式的时间点会比较晚。

值得注意的是，有关图5中所有有关于连续次数的预设值，可视系统的需求状况，例如电源供应器电路30的操作频率等因素，加以调整，以得到最佳的效能。电流能量也可以以不同的脉冲宽度(Pulse Width)的电流脉冲输出能量。譬如说，改变电流能量的方式，除了改变丛集电流值之外，也可以改变上方开关HG的开启时间来达成，此时输出能量决定器440中所记录的是丛集模式时上方开关HG的开启时间。另一种改变电流能量的方式，则是改变丛集模式时，输出三角波电流的次数，而每次上方开关HG开启时间或是丛集电流值为一定值。电源供应电路30在输出预设能量后，立即回到PWM模式的状态500。当确认电源供应器电路30进入丛集模式，本发明输出一较大的能量给电感，使电容C1的电压到达较高的位准。经由该方法，电源供应器电路30有较长的时间不必进行上方开关HG的启闭动作，因此可以减少启闭耗能，并增进系统效率。若系统之后重新连接到一般性负载，因为电源供应器电路30已经恢复操作于PWM模式了，所以也可以迅速反应，使电感电流I L1迅速达到负载Z1所需的电流位准。此时，本发明中的丛集模式的设定可能回到初始状态，持续侦测轻载是否发生，以待下次轻载发生时能适时反应。

如此，切换式电源供应器30在轻载时，两次进入丛集模式的间隔时间会大略的维持在一定范围中。以图5为例，这间隔时间大约会维持在22个时脉周期(＝7个DCM时脉周期+15次未开关周期)附近。一旦侦测到的间隔时间大于22个时脉周期，进入丛集模式后所输出的能量就减少；如果侦测到的间隔时间小于22个时脉周期，进入丛集模式后所输出的能量就增加。如此，这个间隔时间可以设计到避免进入人耳所能感知的声音频率范围(20Hz～20KHz)，至少也应该避免进入人耳敏感的声音频率范围(1kHz～10kHz)，以避免发出音频噪音等令人不悦的效应。

请参考图6，图6为切换式电源供应器电路30的上方开关HG、下方开关及电感电流I_L1在轻载时的一操作信号示意图。当确认负载Z1为轻载，上方开关HG开启，并根据调整电流能量预设值，输出一较大的电流脉冲。因所输出的电流脉冲能量较大，上方开关HG可以连续数个周期停止启闭动作(图中所示的未开关周期数大约为15)。当电压转换器30又开始连续以最小预设能量输出能量(即发生零电流或轻微逆电流的状况)，且连续次数大于一预设值(图中所示的预设值为7)，则电压转换器30确认轻载的发生，并调整电流能量预设值，输出一较大的电流脉冲。经由省去上方开关HG大部分的启闭动作，可以减少启闭耗能。同时，也可以避免发出音频噪音。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种用于一电压转换器的控制方法，其特征在于，包含有：

提供一设定，用于一省电模式；

进入该省电模式，依照该设定，使该电压转换器输出一预设能量；

进入一正常模式，辨识该电压转换器是否应进入该省电模式，并侦测该电压转换器的一输出反应；以及

以该输出反应来调整该设定，以使该输出反应维持于一预设范围。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，该电压转换器的该输出反应，为两次进入该省电模式的间隔时间。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，该电压转换器用来控制一用以储存能量的电感，而该设定用以定义在该省电模式中，流经该电感的最大容许电流。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，该电压转换器用来控制一用以储存能量的电感，以及用来控制流经该电感的电流的一功率开关，该设定用以定义在该省电模式中，该功率开关的导通时间或导通次数。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在该正常模式时，该电压转换器可以一第一操作子模式与一第二操作子模式其中之一输出能量，该第一子操作模式所输出的平均能量小于该第二操作子模式，该控制方法还包含有：

侦测该电压转换器是否以该第一操作子模式来输出能量；

计算该电压转换器以该第一操作子模式输出的一第一连续周期数；以及

当该第一连续周期数大于一第一预设值时，使该电压转换器进入该省电模式。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，该电压转换器的该输出反应，为两次进入该省电模式之间，所发生的未开关周期的连续周期数。

7.一种电压转换器，其特征在于，该电压转换器包含有：

一状态侦测器，侦测该电压转换器的一输出，以判定该电压转换器是否进入一省电模式或是一正常模式；

一输出能量决定器，包含有一设定暂存器，用以储存一设定，依据该电压转换器操作于该正常模式的一输出反应，用以调整该设定，以使该输出反应维持于一预设范围；以及

一开关控制器，控制一功率开关，可操作于一省电模式与一正常模式其中之一，当操作于该省电模式时，依据该设定暂存器所储存的该设定，使该功率开关输出一预设能量。

8.根据权利要求7所述的电压转换器，其特征在于，该电压转换器的该输出反应，为两次进入该省电模式的间隔时间。

9.根据权利要求7所述的电压转换器，其特征在于，该电压转换器用来控制一用以储存能量的电感，而该设定用以定义在该省电模式中，流经该电感的最大容许电流。

10.根据权利要求7所述的电压转换器，其特征在于，该电压转换器用来控制一用以储存能量的电感，以及用来控制流经该电感的电流的一功率开关，该设定用以定义在该省电模式中，该功率开关的导通时间。

11.根据权利要求7所述的电压转换器，其特征在于，该电压转换器还包含有一逆电流侦测器，用来侦测该电压转换器是否有逆电流发生。

12.根据权利要求11所述的电压转换器，其特征在于，该电压转换器可以一第一操作子模式与一第二操作子模式其中之一输出能量，该第一操作子模式所输出的平均能量小于该第二操作子模式，该状态侦测器包含有：

一计数器，耦接于该逆电流侦测器，当操作于该正常模式时，用以计算该电压转换器以该第一操作子模式输出能量的一第一连续周期数；以及

其中，当该第一连续周期数大于一第一预设值时，该状态侦测器使该电压转换器进入该省电模式。

13.根据权利要求11所述的电压转换器，其特征在于，该输出能量决定器包含有：

一第一计数器，耦接于该逆电流侦测器，用以计算该电压转换器以高于该第二操作子模式输出能量的一第二连续周期数；以及

其中，当该第二连续周期数大于一第二预设值时，重设该预设能量。