CN102136795A - 可调驱动电压源及其调整驱动电压的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可调驱动电压源及其调整驱动电压的方法，以应用于切换式电源供应器，并根据切换式电源供应器的负载变化调整提供给驱动器的驱动电压，因此在轻载时可调降该驱动电压以改善该切换式电源供应器的功耗效率。该可调驱动电压源包括线性调节器，用以提供驱动电压给该驱动器以决定该控制信号的电压准位，该线性调节器包含：晶体管连接该线性调节器的电压输出端；运算放大器连接该晶体管，根据回授信号控制该晶体管的电流以决定该驱动电压；以及回授回路连接该运算放大器及该线性调节器的电压输出端，根据该驱动电压产生该回授信号；以及调整器连接该线性调节器，因该切换式电源供应器的负载变化控制该线性调节器以调整该驱动电压。

Description

可调驱动电压源及其调整驱动电压的方法

技术领域

本发明涉及一种切换式电源供应器，特别是关于一种应用于切换式电源供应器的可调驱动电压源及其调整驱动电压的方法。

背景技术

图1是传统的异步切换式电源供应器，其中功率开关M1及二极管D1串联在电压输入端Vin及地端GND之间，电感L连接在切换节点14及电压输出端Vo之间，电容Co连接在电压输出端Vo及地端GND之间，驱动器12根据脉宽调变(PWM)控制器10提供的脉宽调变信号产生控制信号S1切换功率开关M1，以将输入电压Vin转换为输出电压Vo。控制信号S1的电压准位由供应给驱动器12的驱动电压Vcc决定。在轻载操作下，切换式电源供应器因为切换损失导致功耗效率过低的情形。当功率开关M1的切换频率为f时，切换损失

PLoss＝f×Cin×Vcc2。    公式1

其中，Cin为功率开关M1的闸极端所看到的电容。由此可知，降低驱动电压Vcc可以改善切换损失。图2是图1的电路在不同驱动电压Vcc下的效率曲线，其中曲线16为驱动电压Vcc为6V时的效率曲线，曲线18为驱动电压Vcc为12V时的效率曲线。由图2中可明显看出，在轻载时，驱动电压Vcc为6V时具有较佳的效率。

为了改善轻载时的切换损失，许多可调整驱动器的驱动电压Vcc的电路被提出。例如图3是英特硅尔产品型号ISL6622的驱动芯片20，其利用线性调节器22提供驱动电压LVCC给低位侧驱动器26，线性调节器22根据外部的信号GD_SEL改变驱动电压LVCC的大小，因而可在轻载时降低驱动电压LVCC以改善效率。但是此驱动芯片20需要两组电源LVCC及UVCC分别提供驱动电压给高位侧驱动器24及低位侧驱动器26，故电路较复杂。美国专利号7,345,463也提出一种应用于单芯片的驱动电压调整方法，该方法通过侦测电源供应器的负载电流来改变供应给驱动器的驱动电压，甚至利用负载电流、输入电压、输出电压及功率开关的特性参数找出最佳的驱动电压，然而此方法需要较复杂的电路。

发明内容

本发明的目的之一，在于提出一种应用于切换式电源供应器的可调驱动电压源及其调整驱动电压的方法。

根据本发明，一种应用于切换式电源供应器的可调驱动电压源包括一线性调节器提供驱动电压给驱动器，以决定切换功率开关的控制信号的电压准位，以及一调整器因该切换式电源供应器的负载变化控制该线性调节器以调整该驱动电压。

根据本发明，一种应用于切换式电源供应器的调整驱动电压的方法包括提供该驱动电压给切换功率开关的驱动器，以决定该驱动器提供的控制信号的电压准位，侦测该驱动电压产生回授信号以调节该驱动电压，以及因该切换式电源供应器的负载变化调整该回授信号以调整该驱动电压。

本发明可根据切换式电源供应器的负载变化调整提供给驱动器的驱动电压，因此在轻载时可调降该驱动电压以改善该切换式电源供应器的功耗效率。

附图说明

图1是传统的异步切换式电源供应器；

图2是图1的电路在不同驱动电压下的效率曲线；

图3是英特硅尔的驱动芯片；

图4是本发明的第一实施例；

图5是图4的线性调节器及调整器的第一实施例；

图6是图4的线性调节器及调整器的第二实施例；

图7是本发明的第二实施例；

图8是图7的线性调节器及调整器的第一实施例；以及

图9是图7的线性调节器的第二实施例。

具体实施例

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获取的其它实施例，都属于本发明的保护范围。

图4是本发明的第一实施例。切换式电源供应器包含多个芯片，其中PWM控制芯片28提供脉宽调变信号PWM给驱动芯片29，以使驱动芯片29切换串联在电压输入端Vin及地端GND之间的功率开关M1及M2，以将输入电压Vin转换为输出电压Vo。在驱动芯片29中，驱动逻辑32根据PWM控制芯片28提供的脉宽调变信号PWM产生信号Sp1及Sp2，高位侧驱动器34及低位侧驱动器36根据信号Sp1及Sp2产生控制信号UG及LG分别切换功率开关M1及M2，可调驱动电压源30侦测负载电流IL以取得负载信息，并据以调整供应给驱动器34及36的驱动电压PVcc，进而调整控制信号UG及LG的电压准位。可调驱动电压源30包括线性调节器38及调整器40，线性调节器38将电压Vcc转换为驱动电压PVcc，调整器40侦测负载电流IL以控制线性调节器38，进而调整驱动电压PVcc。在此实施例中，驱动芯片29不需要外部提供调整驱动电压PVcc的信号。

图5是图4的线性调节器38及调整器40的第一实施例。线性调节器38包括晶体管M3连接在线性调节器38的电压输入端Vcc及电压输出端PVcc之间，运算放大器42比较回授信号VFB及参考电压Vref以控制通过晶体管M3的电流I1，进而决定驱动电压PVcc，以及回授回路44侦测驱动电压PVcc产生回授信号VFB。回授回路44包括电阻R1及R2串联在线性调节器38的电压输出端PVcc及地端GND之间，作为分压器将驱动电压PVcc分压，而在回授端FB提供回授信号VFB。调整器40包括传感器48感测负载电流IL而产生感测信号Vimon，以及转导放大器(Operational Transconductance Amplifier，OTA，又称运算跨导放大器)46根据感测信号Vimon及默认值Viset之间的差值，从回授端FB抽取电流Isink以改变回授信号VFB。当切换式电源供应器为轻载时，感测信号Vimon低于默认值Viset，因此转导放大器46不会从回授端FB抽取电流Isink，驱动电压PVcc因而被调节在较低的准位，例如3V。当切换式电源供应器变为重载时，感测信号Vimon高于默认值Viset，因此转导放大器46从回授端FB抽取电流Isink，导致回授信号VFB下降，进而导致运算放大器42提高晶体管M3的电流I1，驱动电压PVcc因而上升至较高的准位，例如5V。

图6是图4的线性调节器38及调整器40的第二实施例，其中的线性调节器38与图5的电路相同，但回授回路44的电阻R1及R2改用可变电阻R3及R4。图6的调整器40包括图5的传感器48感测负载电流IL而产生感测信号Vimon，还包括模拟数字转换器50将感测信号Vimon转换为数字信号SD1及SD2分别控制可变电阻R3及R4的电阻值，以调整回授信号VFB。当切换式电源供应器由重载变为轻载时，模拟数字转换器50可以降低可变电阻R3的电阻值或提高可变电阻R4的电阻值，使驱动电压PVcc因而下降。

图7是本发明的第二实施例，切换式电源供应器52为单芯片。PWM控制器54提供脉宽调变信号PWM，驱动逻辑32根据脉宽调变信号PWM产生信号Sp1及Sp2，驱动器34及36分别根据信号Sp1及Sp2产生控制信号UG及LG切换串联在电压输入端Vin及地端GND之间的功率开关M1及M2，而将输入电压Vin转换为输出电压Vo，可调驱动电压源30根据主级电路56(例如CPU)提供的状态索引(state index)以调整供应给驱动器34及36的驱动电压PVcc，进而调整控制信号UG及LG的电压准位，其中，该主级电路56提供的状态索引为与该切换式电源供应器的负载变化相关的数字量。在此实施例中，该状态索引包含切换式电源供应器的负载状态的信息且为数字信号。可调驱动电压源30包括线性调节器将电压Vcc转换为驱动电压PVcc，以及调整器40根据该状态索引控制线性调节器38以调整驱动电压PVcc。

图8是图7的线性调节器38及调整器40的第一实施例，其中线性调节器38与图5的电路相同。调整器40包括数字模拟转换器58将状态索引转换为模拟信号SA，以及转导放大器46根据信号SA及默认值Viset之间的差值从回授端FB抽取电流Isink，以改变回授信号VFB。当切换式电源供应器为轻载时，模拟信号SA低于默认值Viset，因此转导放大器46不会从回授端FB抽取电流Isink，驱动电压PVcc因而被调节在较低的准位。当切换式电源供应器变为重载时，模拟信号SA高于默认值Viset，因此转导放大器46从回授端FB抽取电流Isink，导致回授信号VFB下降，进而导致运算放大器42提高晶体管M3的电流I1，驱动电压PVcc因而上升至较高的准位。

图9是图7的线性调节器38的第二实施例，其与图6的电路相同。调整器40根据状态索引产生控制信号Sc1及Sc2分别控制可变电阻R3及R4的电阻值，进而调整回授信号VFB。当切换式电源供应器由重载变为轻载时，调整器40可降低可变电阻R3的电阻值或提高可变电阻R4的电阻值，使驱动电压PVcc因而下降。

与图3的现有技术相比，本发明只需一组驱动电压PVcc，故电路较简单。与美国专利号7,345,463相比，本发明不只可应用在单芯片的切换式电源供应器，也可以应用在多芯片的切换式电源供应器，而且电路架构也更简单。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种可调驱动电压源，应用于切换式电源供应器，该切换式电源供应器包含功率开关以及驱动器提供控制信号切换该功率开关，其特征在于，该可调电压源包括：

线性调节器，用以提供驱动电压给该驱动器以决定该控制信号的电压准位，该线性调节器包含：

晶体管连接该线性调节器的电压输出端；

运算放大器连接该晶体管，根据回授信号控制该晶体管的电流以决定该驱动电压；以及

回授回路连接该运算放大器及该线性调节器的电压输出端，根据该驱动电压产生该回授信号；以及

调整器连接该线性调节器，因该切换式电源供应器的负载变化控制该线性调节器以调整该驱动电压。

2.如权利要求1所述的可调驱动电压源，其特征在于，该回授回路包括：电阻与该晶体管串联；以及

回授端，在该电阻及晶体管之间，用以提供该回授信号。

3.如权利要求2所述的可调驱动电压源，其特征在于，该调整器包括：

传感器，用以感测该切换式电源供应器的负载电流而产生感测信号；以及

转导放大器连接该传感器及线性调节器，根据该感测信号与默认值之间的差值改变从该回授端抽取的电流大小，以调整该驱动电压。

4.如权利要求2所述的可调驱动电压源，其特征在于，该调整器包括：

数字模拟转换器，用以将与负载状态相关的数字信号转换为模拟信号；以及

转导放大器连接该数字模拟转换器及线性调节器，根据该模拟信号与默认值之间的差值改变从该回授端抽取的电流大小，以调整该驱动电压。

5.如权利要求1所述的可调驱动电压源，其特征在于，该回授回路包括一对串联电阻连接该电压输出端，用以分压该驱动电压产生该回授信号。

6.如权利要求5所述的可调驱动电压源，其特征在于，该调整器因与该切换式电源供应器的负载变化相关的数字信号改变该对电阻其中至少一个的电阻值，以改变分压比例而调整该驱动电压。

7.如权利要求5所述的可调驱动电压源，其特征在于，该调整器包括：

传感器，用以感测该切换式电源供应器的负载电流而产生感测信号；以及

模拟数字转换器连接该传感器及可变电阻，转换该感测信号为数字信号以改变该对电阻其中至少一个的电阻值，以改变分压比例而调整该驱动电压。

8.一种调整驱动电压的方法，应用于切换式电源供应器，该切换式电源供应器包含功率开关以及驱动器提供控制信号切换该功率开关，其特征在于，该方法包括：

(a)利用线性调节器提供该驱动电压给该驱动器以决定该控制信号的电压准位；

(b)侦测该驱动电压而产生回授信号以调节该驱动电压；以及

(c)因该切换式电源供应器的负载变化控制该线性调节器，以调整该驱动电压。

9.如权利要求8所述的调整驱动电压的方法，其特征在于，该步骤b包括利用一对串联的电阻分压该驱动电压，以产生该回授信号。

10.如权利要求9所述的调整驱动电压的方法，其特征在于，该步骤c包括：

感测该切换式电源供应器的负载电流而产生感测信号；以及

根据该感测信号与默认值之间的差值调整该驱动电压。

11.如权利要求9所述的调整驱动电压的方法，其特征在于，该步骤c包括：

将与负载相关的数字信号转换为模拟信号；以及

根据该模拟信号与默认值之间的差值调整该驱动电压。

12.如权利要求8所述的调整驱动电压的方法，其特征在于，该步骤b包括利用一对串联的可变电阻分压该驱动电压，以产生该回授信号。

13.如权利要求12所述的调整驱动电压的方法，其特征在于，该步骤c包括因应与该切换式电源供应器的负载变化相关的数字信号改变该对可变电阻其中至少一个的电阻值，以改变分压比例而调整该该驱动电压。

14.如权利要求12所述的调整驱动电压的方法，其特征在于，该步骤c包括：

感测该切换式电源供应器的负载电流而产生感测信号；以及

将该感测信号转换为数字信号以控制该对可变电阻其中至少一个的电阻值，以改变分压比例而调整该驱动电压。

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