CN102195474B - 切换式电源供应器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种切换式电源供应器，运用镑线的等效电感取代传统的外部电感，同时，运用电流控制脉冲宽度调制器、电流控制脉冲频率调制器进行高频切换工作，以搭配镑线的低电感值。运用本发明，可达到降低成本、低功率消耗与低复杂度的功效。

Description

切换式电源供应器

技术领域

本发明是关于一种切换式电源供应器，特别是关于一种不需设置外部电感的切换式电源供应器。

背景技术

切换式电源供应器(switched-mode power supply，SMPS)是采用电感与FET开关架构的电源供应器，其利用磁性线圈(电感)作为能量储存装置。此种电源供应器在所有的直流转换方法中可提供最高的电源转换效率(最高可达97％)，能够提高可携式产品的电池寿命，延长产品的工作时间。

切换式电源供应器使用电感当作储能元件，其储能电感的感值将直接影响到效能，较大的电感值可降低切换式电源供应器所产生的涟波与磁滞损耗，因此，一般常使用4.7μF、10μF或更大的电感。

但越大的电感占用的电路板面积越大，成本也会提高。因此，在集成电路化的今日，若能将电感直接制作于集成电路(IC)中将会是非常好的选项。然而大于10nF的电感在IC内实现(fully-integrated)将占用非常大的电路面积，不符合成本，而且质量因子(quality factor)低。因此，不论是降压型(Buck converter)、升压型(boost converter)、降压升压型(buck boostconverter)或者查克型(Cuk converter)的切换式电源供应器，仍然以芯片外(off-chip)的方式实现电感。

切换式电源供应器通常以脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation；PWM)或脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation；PFM)的方式控制功率级中MOSFET的切换。PWM调制方法是在不改变MOSFET的周期T的状况下，改变其工作周期(duty)以调节输出；PFM调制方法则是通过维持工作周期(duty)但改变周期T来调节输出。目前亦出现具有双模式的芯片，在待机等小负载的状况时，以PFM模式工作，降低工作频率以降低电流损耗；而在大负载时切换以PWM模式工作，以提供较大的负载电流。

图1为已知的降压型电源供应器1的示意图，外部元件2包含作为储能元件的电感L1和电容C1，外部元件2以外的电路元件一般都设置在IC内。频率补偿电路20经由电阻R1与电阻R2所组成的分压电路取得反馈电压VFB，并根据反馈电压VFB与参考电压Vref间的差值检测输出电压Vout的变化，产生差值电压Vc，比较器14将频率补偿电路20输出的差值电压Vc与三角波Vsaw相比较，据以产生PWM输出VDUTY，以非重迭时钟产生器12实现的驱动器再根据PWM输出VDUTY产生二非重迭的时钟信号，控制功率级18中上下桥开关P1和N1的切换，产生输出电流对电感L1和电容C1充放电，以供应输出电压Vout给负载RL。

目前的PWM调制器或PFM调制器皆采用比较器基础的设计，PWM调制器一般是由比较器与三角波构成的电路；PFM调制器则是由SR栓锁电路与比较器构成的电路。外部电感L1的电感值与电源供应器的工作频率相关，当电感L1具有大电感值时，电源供应器可以较低的工作频率工作；反之，当电感L1的电感值小时，电源供应器便需以较高的工作频率工作。

本发明提出一种切换式电源供应器，避免使用外部电感，并维持供电效率。

发明内容

本发明的目的，在于提出数种不需设置外部电感的切换式电源供应器。

根据本发明，一种切换式电源供应器，供应一输出电流以对一外部电容充电而产生一输出电压，该切换式电源供应器包含一第一镑线，一第二镑线，以及一电源转换芯片。该电源转换芯片包含第一焊垫连接该第一镑线的一端，一第二焊垫连接该第二镑线的一端，一频率补偿电路耦接该第二焊垫以取得一反馈电压，并根据一参考电压与该反馈电压输出一差值电压，一电流控制脉冲宽度调制器耦接该频率补偿电路，根据该差值电压及一高频时钟信号产生一高频的PWM输出信号，一电流控制脉冲频率调制器，耦接该频率补偿电路，根据该差值电压产生一高频的PFM输出信号，一功率级受控切换以从一切换节点输出该输出电流，该切换节点连接该第一焊垫，一选择器耦接该电流控制脉冲宽度调制器与该电流控制脉冲频率调制器，根据一选择信号致能该电流控制脉冲宽度调制器或该电流控制脉冲频率调制器，以及一驱动器耦接该功率级、该电流控制脉冲宽度调制器与该电流控制脉冲频率调制器，根据该PWM输出信号或PFM输出信号控制该功率级的切换，其中，该第一镑线与该第二镑线的另一端相耦接，并直接连接到该外部电容的一端。

根据本发明，一种切换式电源供应器，供应一输出电流以对一外部电容充电而产生一输出电压，该切换式电源供应器包含一第一镑线，一第二镑线以及一电源转换芯片。该电源转换芯片包含一第一焊垫连接该第一镑线的一端，一第二焊垫连接该第二镑线的一端，一频率补偿电路耦接该第二焊垫以取得一反馈电压，并根据一参考电压与该反馈电压输出一差值电压，一电流控制脉冲宽度调制器耦接该频率补偿电路，根据一高频时钟信号与该差值电压产生一高频的PWM输出信号，一功率级受控切换以从一切换节点输出该输出电流，该切换节点连接该第一焊垫，以及一驱动器耦接该功率级与该电流控制脉冲宽度调制器，根据该PWM输出信号控制该功率级的切换，其中，该第一镑线与该第二镑线的另一端相耦接，并直接连接到该外部电容的一端。

根据本发明，一种切换式电源供应器，供应一输出电流以对一外部电容充电而产生一输出电压，该切换式电源供应器包含一第一镑线，一第二镑线以及一电源转换芯片。该电源转换芯片包含一第一焊垫连接该第一镑线的一端，一第二焊垫连接该第二镑线的一端，一频率补偿电路耦接该第二焊垫以取得一反馈电压，并根据一参考电压与该反馈电压输出一差值电压，一电流控制脉冲频率调制器耦接该频率补偿电路，根据该差值电压产生一高频的PFM输出信号，一功率级受控切换以从一切换节点输出该输出电流，该切换节点连接该第一焊垫，以及一驱动器耦接该功率级与该电流控制脉冲频率调制器，根据该PFM输出信号控制该功率级的切换，其中，该第一镑线与该第二镑线的另一端相耦接，并连接到该外部电容的一端。

在一实施例中，该电流控制脉冲宽度调制器包括电压对电流转换器以及反相器，该电压对电流转换器根据该差值电压转换产生相应的PWM控制电流，该PWM控制电流强下拉或弱下拉该反相器以产生PWM输出信号。

较佳者，还包括电流镜镜射该PWM控制电流，用以强下拉或弱下拉该反相器，以及缓冲器供缓冲并输出该PWM输出信号。

在另一实施例中，该电流控制脉冲频率调制器包括电压对电流转换器、电流镜以及电流限制式压控振荡器，该电压对电流转换器根据该差值电压转换产生相应的PFM控制电流，该电流镜镜射该PFM控制电流提供给该电流限制式压控振荡器，该电流限制式压控振荡器根据该PFM控制电流的大小输出不同频率的PFM输出信号。较佳者，还包括缓冲器缓冲并输出该PFM输出信号。

本发明提出的切换式电源供应器具有高频切换的工作能力，因此能以镑线提供的寄生电感作为储能电感，不需设置外部电感，成本降低。

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、申请专利范围及图式，任何本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

附图说明

图1为已知切换式电源供应器的示意图；

图2A、2B是镑线及其等效电路模型；

图3是本发明的切换式电源供应器一实施例的示意图；

图4A是本发明的电流控制PWM调制器一实施例的电路图；

图4B是图4A的实施例中的高频时钟信号及输出信号的波形图；

图5为本发明的切换式电源供应器另一实施例的示意图；

图6是本发明的电流控制PFM调制器一实施例的电路图；以及

图7为本发明的切换式电源供应器又一实施例的示意图。

[主要元件标号说明]

1     降压型电源供应器        2     外部元件

12    非重迭时钟产生器        14    比较器

18    功率级                  19    切换节点

20    频率补偿电路            22    焊垫

200   镑线                    202   焊垫

204   焊垫                    206   基板

26    焊垫                    30    高频产生器

32、36   镑线                 42    电流控制PWM调制器

421   电压对电流转换器        422   第一电流镜

423   反相器                  424   第二电流镜

425   缓冲器                  44    电流控制PFM调制器

441   电压对电流转换器        442   电流限制式压控振荡器

443   缓冲器                  444   电流镜

445   环型振荡器              46    选择器

48    多工器

100A、100B、100C    电源转换芯片

具体实施方式

本发明运用镑线直接作为外部电感，以降低外部电路成本，但现有的切换式电源供应器无法直接以镑线作为外部电感，这是因为已知的切换式电源供应器是以比较器架构实现，只能在500kHz～10MHz之间的切换频率工作，但镑线所能提供的电感值只达到nH级，功率级必须以远高于10MHz的频率切换，而比较器架构的电源供应器无法达到此一切换频率。

因此，本发明还提出一种电流控制脉冲宽度调制器(Current controlledPWM modulator)与一种电流控制脉冲频率调制器(Current controlled PFMmodulator)，以数字方式切换，提供远高于10MHz的切换频率。

首先，在定义镑线时，可根据图2A的镑线及图2B的等效模型来界定。镑线200焊接在焊垫202和204之间，其电感值以L表示、线径以d表示，线长以l表示，高度以h表示(其与基板206的距离)，列出电感值L的计算公式如下：

$L=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}}\·l\left[\ln \right\{\frac{2l}{d}+\sqrt{1+{\left(\frac{2l}{d}\right)}^2}\}+\frac{d}{2l}-\sqrt{1+{\left(\frac{d}{2l}\right)}^2}+c]$

其中，电容C是频率的函数，而δ是材料的集肤深度。

$c=\frac{{\mathrm{\μ}}_r}{4}\·\tanh \left(\frac{4\mathrm{\δ}}{d}\right)$

$\mathrm{\δ}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\π}\·\mathrm{\σ}\·f\·{\mathrm{\μ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_r}}$

一般镑线所能提供的电感值约在1nH～10nH之间。因此，本发明提出的切换式电源供应器的工作频率大致在100MHz～400MHz之间。

图3是根据本发明的切换式电源供应器一实施例的示意图，其为采用电流控制脉冲宽度调制器的实施例，电容C1与负载RL并联，电源转换芯片100A的输出路径上不设置外部电感，输出电流Iout直接经由焊垫22和镑线32对电容C1充放电而产生输出电压Vout。镑线36直接连接输出电压Vout，将输出电压Vout提出给焊垫26，电阻R1和R2分压输出电压Vout，提供反馈电压VFB供PWM控制之用，在本实施例中，焊垫22和26皆经由镑线32和36直接连接到电容C1，利用镑线32和36的寄生电感作为储能电感。频率补偿电路20将反馈电压VFB与参考电压Vref相比较而输出差值电压Vc，电流控制PWM调制器42根据差值电压Vc以及高频产生器30提供的高频时钟信号，输出高频的PWM输出信号给非重迭时钟产生器12，非重迭时钟产生器12再根据该PWM输出信号产生二非重迭的控制信号给功率级18，切换功率级18中的上下桥开关P1和N1。功率级18受控切换产生输出电流Iout，经由切换节点19、焊垫22以及镑线32对电容C1充放电而产生输出电压Vout。如前所述，镑线32和镑线36提供的等效电感值在1nH～10nH之间，因此电流控制PWM调制器42输出的PWM输出信号的频率在100MHz～400MHz之间。在实际的电路中，镑线32和36将焊垫和外部的导线架(图中未示)焊接在一起，再经由导线架的接脚连接到电容C1，因此，在其它实施例中，亦可以将导线架造成的寄生电感和电容值也纳入考虑。

图4A是根据本发明的电流控制脉冲宽度调制器一实施例的电路图，反相器423由晶体管P2和晶体管N2串联组成，受时钟信号CK控制切换而在其输出端产生信号Vp，时钟信号CK为一高频的时钟信号，参照图3，由高频产生器30提供。电压对电流转换器421根据差值电压Vc转换产生PWM控制电流I₁，第一电流镜422镜射PWM控制电流I₁产生转换电流I₂，第二电流镜424再镜射转换电流I₂产生电流I₃给反相器423。当输出电压Vout高时，差值电压Vc大，电压对电流转换器421产生的PWM控制电流I₁大，因此电流I₃亦大，强下拉(Strong pull-down)反相器的输出，此时信号Vp下降的速度快，脉冲宽度(Pulse width)小，反相器423输出的波形为图4B中的波形Vp1；当输出电压Vout低时，PWM控制电流I₁小，电流I₃亦小，弱下拉(Weakpull-down)反相器的输出，信号Vp下降的速度慢，脉冲宽度大，反相器423输出的波形为图4B中的Vp2。缓冲器425连接反相器423供缓冲之用，输出PWM输出信号(PWM_CTRL)。

图5是根据本发明的切换式电源供应器另一实施例的示意图，和图3的实施例相似地，电源转换芯片100B经由镑线32和36直接连接到外部电容C1，以镑线32和36的寄生电感作为储能电感，因此其电流控制PFM调制器44同样需输出高频的PFM控制信号，在本实施例中，电流控制PFM调制器44不需额外提供高频的时钟信号，因此不需设置高频产生器。电流控制PFM调制器44耦接在频率补偿电路20和以非重迭时钟产生器12实现的驱动器的间，根据差值电压Vc产生高频的PFM输出信号，非重迭时钟产生器12再藉以控制功率级18的切换而产生输出电流Iout，输出电流Iout由切换节点19输出对外部电容C1充放电，从而产生输出电压Vout。

图6是根据本发明的电流控制PFM调制器44一实施例的电路图，电压对电流转换器441根据差值电压Vc产生相应的PFM控制电流I₄，电流镜444连接在电压对电流转换器441和电流限制式压控振荡器(Current-starvedVCO)442之间，镜射PFM控制电流I₄并产生电流I₅，电流限制式压控振荡器442中包括具有奇数级的环形振荡器(Ring Oscillator)，根据电流I₅的大小输出du t y固定但周期变动的输出信号，缓冲器443连接电流限制式压控振荡器442的输出端，供缓冲并输出PFM控制信号PFM_CTRL。

为了能够在大负载(负载电流＞1A)或小负载(负载电流＜100mA)时皆能具有高转换效率，本发明亦提出一种具备PWM/PFM双模式的切换式电源供应器。

图7是根据本发明的切换式电源供应器又一实施例的示意图，其同时具有电流控制PWM调制器42以及电流控制PFM调制器。选择器46耦接电流控制PWM调制器42与电流控制PFM调制器44，根据选择信号Se1致能电流控制PWM调制器42或电流控制PFM调制器44。多工器48耦接电流控制PWM调制器42与电流控制PFM调制器44，同样根据选择信号Se1切换将PWM输出信号或PFM输出信号提供给非重迭时钟产生器12。选择信号Se1是由外部提供，可通过检测输出端变化而决定，例如在输出电流Iout或输出电压Vout上升或下降到一门坎值时，决定以PFM或PWM模式工作。

参照图2B的镑线的等效电路模型，镑线实际上亦具有电阻的性质，因此，较佳者，在决定切换式电源供应器的工作频率时，将焊垫22、镑线32、输出端、镑线36至焊垫26整条路径上的电阻、电感以及电容性质皆纳入考虑。

如前所述，镑线36及镑线32焊接在接垫及导线架之间，在一实施例中，镑线36及镑线32在连接到导线架后，经由导线架上的同一接脚连接到电容C1；在另一实施例中，镑线36及镑线32分别连接到第一接脚和第二接脚，再经由外部的PCB板将该第一及第二接脚电性连接到电容C1。

虽然在前述实施例皆以一条导线表示镑线32和36，但在其它实施例中，亦可以多条导线实现镑线32和36，以精确控制镑线提供的电性。

虽然本发明的技术内容已经以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所作些许的更动与润饰，皆应涵盖于本发明的范畴内，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (24)

1.一种切换式电源供应器，供应一输出电流以对一外部电容充电而产生一输出电压，该切换式电源供应器包含：

一第一镑线；

一第二镑线；以及

一电源转换芯片，包含：

一第一焊垫，连接该第一镑线的一端；

一第二焊垫，连接该第二镑线的一端；

一频率补偿电路，耦接该第二焊垫以取得一反馈电压，并根据一参考电压与该反馈电压输出一差值电压；

一电流控制脉冲宽度调制器，耦接该频率补偿电路，根据该差值电压及一高频时钟信号产生一高频的PWM输出信号；

一电流控制脉冲频率调制器，耦接该频率补偿电路，根据该差值电压产生一高频的PFM输出信号；

一功率级，受控切换以从一切换节点输出该输出电流，该切换节点连接该第一焊垫；

一选择器，耦接该电流控制脉冲宽度调制器与该电流控制脉冲频率调制器，根据一选择信号致能该电流控制脉冲宽度调制器或该电流控制脉冲频率调制器；以及

一驱动器，耦接该功率级、该电流控制脉冲宽度调制器与该电流控制脉冲频率调制器，根据该PWM输出信号或PFM输出信号控制该功率级的切换；

其中，该第一镑线与该第二镑线的另一端相耦接，并连接到该外部电容的一端。

2.根据权利要求1所述的切换式电源供应器，其中该PWM输出信号或该PFM输出信号的频率高于10MHz。

3.根据权利要求1所述的切换式电源供应器，其中该PWM输出信号或该PFM输出信号的频率在100MHz～400MHz之间。

4.根据权利要求1所述的切换式电源供应器，其中该电流控制脉冲宽度调制器包含：

一反相器，其输入端接收该高频时钟信号，其输出端输出该PWM输出信号；以及

一电压对电流转换器，耦接该频率补偿电路，用以将该差值电压转换为一PWM控制电流，该PWM控制电流由于该差值电压的大小强下拉或弱下拉该反相器，以改变该PWM输出信号的工作周期。

5.根据权利要求4所述的切换式电源供应器，其中该电流控制脉冲宽度调制器还包含：

一第一电流镜，耦接该电压对电流转换器，镜射该PWM控制电流以产生一转换电流；以及

一第二电流镜，其输入端耦接该第一电流镜的输出端，其输出端耦接该反相器，镜射该转换电流以强下拉或弱下拉该反相器。

6.根据权利要求1所述的切换式电源供应器，其中该电流控制脉冲频率调制器包含：

一电压对电流转换器，耦接该频率补偿电路，根据该差值电压转换产生一PFM控制电流；

一电流镜，耦接该电压对电流转换器，根据该PFM控制电流产生一转换电流；以及

一电流限制式压控振荡器，连接该电流镜，根据该转换电流产生该PFM输出信号。

7.根据权利要求6所述的切换式电源供应器，其中该电流限制式压控振荡器包含一具有奇数级的环形振荡器。

8.根据权利要求1所述的切换式电源供应器，还包括一导线架，该第一镑线及该第二镑线的另一端焊接到该导线架，经由该导线架上同一接脚直接连接该外部电容。

9.根据权利要求1所述的切换式电源供应器，还包括一导线架，该第一镑线及该第二镑线的另一端焊接到该导线架，分别经由该导线架上的一第一接脚及一第二接脚直接连接该外部电容。

10.一种切换式电源供应器，供应一输出电流以对一外部电容充电而产生一输出电压，该切换式电源供应器包含：

一第一镑线；

一第二镑线；以及

一电源转换芯片，包含：

一第一焊垫，连接该第一镑线的一端；

一第二焊垫，连接该第二镑线的一端；

一频率补偿电路，耦接该第二焊垫以取得一反馈电压，并根据一参考电压与该反馈电压输出一差值电压；

一电流控制脉冲宽度调制器，耦接该频率补偿电路，根据一高频时钟信号与该差值电压产生一高频的PWM输出信号；

一功率级，受控切换以从一切换节点输出该输出电流，该切换节点连接该第一焊垫；以及

一驱动器，耦接该功率级与该电流控制脉冲宽度调制器，根据该PWM输出信号控制该功率级的切换；

其中，该第一镑线与该第二镑线的另一端相耦接，并连接到该外部电容的一端。

11.根据权利要求10所述的切换式电源供应器，其中该PWM输出信号的频率高于10MHz。

12.根据权利要求10所述的切换式电源供应器，其中该PWM输出信号的频率在100MHz～400MHz之间。

13.根据权利要求10所述的切换式电源供应器，其中该电流控制脉冲宽度调制器包含：

一反相器，其输入端接收该高频时钟信号，其输出端输出该PWM输出信号；以及

一电压对电流转换器，耦接该频率补偿电路，并通过一第二电流镜耦接该反相器，用以将该差值电压转换为一PWM控制电流，该PWM控制电流由于该差值电压的大小强下拉或弱下拉该反相器，以改变该PWM输出信号的工作周期。

14.根据权利要求13所述的切换式电源供应器，还包含：

一第一电流镜，耦接该电压对电流转换器，镜射该PWM控制电流以产生一转换电流；以及

该第二电流镜，其输入端耦接该第一电流镜的输出端，其输出端耦接该反相器，镜射该转换电流以强下拉或弱下拉该反相器。

15.根据权利要求10所述的切换式电源供应器，还包括一导线架，该第一镑线及该第二镑线的另一端焊接到该导线架，经由该导线架上同一接脚直接连接该外部电容。

16.根据权利要求10所述的切换式电源供应器，还包括一导线架，该第一镑线及该第二镑线的另一端焊接到该导线架，分别经由该导线架上的一第一接脚及一第二接脚直接连接该外部电容。

17.一种切换式电源供应器，供应一输出电流以对一外部电容充电而产生一输出电压，该切换式电源供应器包含：

一第一镑线；

一第二镑线；以及

一电源转换芯片，包含：

一第一焊垫，连接该第一镑线的一端；

一第二焊垫，连接该第二镑线的一端；

一频率补偿电路，耦接该第二焊垫以取得一反馈电压，并根据一参考电压与该反馈电压输出一差值电压；

一电流控制脉冲频率调制器，耦接该频率补偿电路，根据该差值电压产生一高频的PFM输出信号；

一功率级，受控切换以从一切换节点输出该输出电流，该切换节点连接该第一焊垫；以及

一驱动器，耦接该功率级与该电流控制脉冲频率调制器，根据该PFM输出信号控制该功率级的切换；

其中，该第一镑线与该第二镑线的另一端相耦接，并连接到该外部电容的一端。

18.根据权利要求17所述的切换式电源供应器，其中该PFM输出信号的频率高于10MHz。

19.根据权利要求17所述的切换式电源供应器，其中该PFM输出信号的频率在100MHz～400MHz之间。

20.根据权利要求17所述的切换式电源供应器，其中该电流控制脉冲频率调制器包含：

一电压对电流转换器，耦接该频率补偿电路，根据该差值电压转换产生一PFM控制电流；

一电流限制式压控振荡器，根据该PFM控制电流产生该PFM输出信号；以及

一缓冲器，连接该电流限制式压控振荡器，供缓冲该PFM输出信号。

21.根据权利要求20所述的切换式电源供应器，还包括一电流镜，耦接该电压对电流转换器，镜射该PFM控制电流产生一转换电流给该电流限制式压控振荡器。

22.根据权利要求20所述的切换式电源供应器，其中该电流限制式压控振荡器包含一具有奇数级的环形振荡器。

23.根据权利要求17所述的切换式电源供应器，还包括一导线架，该第一镑线及该第二镑线的另一端焊接到该导线架，经由该导线架上同一接脚直接连接该外部电容。

24.根据权利要求17所述的切换式电源供应器，还包括一导线架，该第一镑线及该第二镑线的另一端焊接到该导线架，分别经由该导线架上的一第一接脚及一第二接脚直接连接该外部电容。