CN102270927B - 功率调节器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及功率调节器的电路设计及其控制方法。依据本发明一实施例的功率调节器包括：(1)连接到输入端的输入电容，所述输入端与一功率源连接，所述功率源被一预设限值限制；(2)连接到输出端的输出电容，所述输出端连接一负载，所述负载具有第一负载状态和第二负载状态；(3)第一调节装置，用以将输入端的输入电压转换成输出端的输出电压，并以此来驱动负载；(4)连接到第一调节装置的第二调节装置；(5)连接到第二调节装置的储能元件，在第二负载状态时，所述第二调节装置将储能元件的能量传递至第一调节装置，以保证输出端的输出电压的调整水平。

Description

功率调节器及其控制方法

本申请是申请日为2009.7.21，申请号为200910160520.8，发明创造名称为功率调节器及其控制方法的原专利申请的的分案申请。

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，更具体的说，涉及功率调节器及其控制方法。

背景技术

电压调节器，例如直流-直流电压转换器，用以给不同类型电子设备提供稳定的电压源。对于一些低功率的设备(例如便携式电脑、便携式手机等)的电池管理尤其需要高效率的直流-直流转换器。开关型电压调节器将输入电压转换成一高频电压信号，然后对该高频输入电压信号进行滤波处理以产生一直流输出电压。开关调节器通常包括一个开关，将一输入直流电压源(如电池)交替地耦合和解耦到负载(如集成电路)上；一个输出滤波装置，通常包括一个电感和一个电容，其连接在输入电压源和负载之间，用以对开关的输出进行滤波处理，进而提供一直流输出电压；一个控制装置(例如脉冲宽度调节器(PWM )、频率脉冲调节器等)用以控制开关以获得一相对恒定的直流输出电压。

在一些应用中(如射频传输、便携式计算设备等)，射频或者数字芯片需要的瞬时功率太大，以致于电压调节器的输入源不足以提供其要求的功率。因此，电压调节器的输出电压下降，影响了关联的射频或者数字芯片的性能，可能造成系统运行不良。

发明内容

本发明的目的是提供一种驱动具有大动态跳变的负载的功率调节器及其控制方法。

本发明的实施例涉及电容尺寸最小的高密度功率调节器或者功率电源，其适用于大动态负载的应用。

依据本发明一实施例的功率调节器包括，(1)连接到输入端的输入电容，所述输入端与一功率源连接，所述功率源被一预设限值限制；(2)连接到输出端的输出电容，所述输出端连接一负载，所述负载具有第一负载状态和第二负载状态；(3)第一调节装置，用以将输入端的输入电压转换成输出端的输出电压，并以此来驱动负载；(4)连接到第一调节装置的第二调节装置；(5)连接到第二调节装置的储能元件，在第二负载状态时，所述第二调节装置将储能元件的能量传递至第一调节装置，以保持输出端的输出电压的调整水平。

依据本发明的另一实施例，将输入端的功率源转换成输出端负载上的调节电压的方法，其包括：(1)第一调节装置调节源自所述功率源的负载电压；(2)判断所述负载处于第一负载状态还是第二负载状态；(3)在第一负载状态期间内，储能元件充电储能；(4)在第二负载状态时，储能元件放电释放能量以保持负载上的合适的输出调节水平值，同时也保持输入电流或者功率低于预设限值，所述预设限值限制所述功率源提供的功率或电流。

依据本发明的实施例，可以方便的实现高密度功率调节器或者电源。而且，本发明的实施例适用于支持大动态负载应用的电容体积最小的电源。通过下文优选实施例的具体描述，本发明的上述和其他优点更显而易见。

附图说明

图1A所示为驱动具有大动态跳变的负载的一示例电压调节器的原理图；

图1B所示为图1A所示的调节器的工作波形图；

图2A所示为驱动具有大动态跳变的负载的一示例两级功率调节器的原理图；

图2B所示为图2A所示的调节器的工作波形图；

图3A所示为依据本发明实施例的第一示例功率调节器的原理方框图；

图3B所示为依据本发明实施例的第二示例功率调节器的原理方框图；

图4A所示为依据本发明实施例的一示例具有三个调节装置部分的功率调节器电路的原理框图；

图4B所示为依据本发明实施例的一示例具有脉冲宽度调制(PWM)控制的功率调节器的原理框图；

图5A所示为依据本发明实施例的一示例具有两个调节装置部分的功率调节器的原理框图；

图5B所示为依据本发明实施例的一示例具有脉冲宽度调制(PWM)控制的功率调节器电路的原理框图；

图5C所示为依据本发明实施例的一示例充电限制电路的原理框图；

图6A所示为依据本发明实施例的一示例具有输入电压检测装置的功率调节器电路的原理框图；

图6B所示为依据本发明实施例的一示例具有输入电压检测装置和PWM控制的功率调节器电路的原理里框图；

图7A所示为依据本发明实施例的一示例具有输入电压检测装置和两个调节装置部分的功率调节器的原理框图；

图7B所示为依据本发明实施例的一示例具有PWM控制装置和两个调节装置部分的功率调节器的原理框图；

图7C所示为依据本发明实施例的图7A所示的电路的工作波形图；

图8所示为依据本发明实施例的使高密度调节器中的电容体积最小化的方法流程图，所述高密度调节器用于驱动具有大动态跳变负载和输入功率限制的负载。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述。虽然本发明是结合以下这些优选实施例进行描述的，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来所没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，众所公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

下述具体表述的一些部分通过以下方面进行阐述，包括过程、步骤、逻辑模块、功能模块、处理、原理图，或者其他的符号化的表示，如编码、数据位、数据流、信号，或者计算机、处理器、控制器、器件或者存储器的波形等。这些描述和表述常被熟悉数据处理领域的技术人员用来向同行有效地解释他们的工作。这里的过程、流程、逻辑块、功能等，一般被认为是达到期望或预想结果的步骤或指示的自洽序列。步骤一般指物理量的物理操纵。通常，但非必要地，这些物理量采用电、磁、光学或量子信号等形式来表示，这些物理量能够被储存，转移，合并，比较，并可在计算机或数据处理系统中操作控制。主要为了通用性，通常把这些信号称作为位、波、波形、流、值、元素、符号、字母、术语、数字等类似的名称，在计算机程序或软件中则称之为代码(可能是目标代码，源代码或二进制代码)，这已经被证明是方便的。

但是应当指出，所有这些术语以及其类似的术语都与相应的物理量或者信号有关，并且仅仅是为了方便这些物理量或者物理信号的标识。除非特别声明，否则在以下的描述中，所使用的术语诸如“处理”，“操作”，“计算”，“决定”，“操纵”，“变换”以及类似的表述均指计算机、数据处理系统，或者类似的处理装置(例如，电、光学、量子等的计算、处理或者电路)处理或者变换这些物理量的行为和过程。这些术语指的是所述处理设备把电路系统机构(例如，寄存器、存储器、其他类似的信息存储、传输或显示设备)的物理量处理和变换成相同(或者不同)系统(或者结构)中其他元器件的其他类似数据的行为和过程。

此外，“电线”、“绕线”、“引线”、“信号、“导线”和“总线”是指在任何已知的结构、构造、布局、技术、方法或者过程中用来在物理上把电路中的信号从一个点传到另一个点的路径。，本文中(除另有说明)，“已知”、“固定”、“给定”、“肯定”和“预定”通常情况下，指的是一个值，数量、参数、约束条件、条件、状态、流程、过程、方法、实施，或各种组合等在理论上是可变的，但是如果提前设定，则在后续使用中是保持不变的。

依据本发明的实施例可以方便的实现高密度功率调节器或者电源。进一步，依据本发明的实施例适用于支持大动态负载的应用同时具有电容体积最小的功率调节器。根据以下对优选实施例的细节描述可以从各方面更清楚理解本发明。

依据本发明的实施例实现的体积相对较小和高效率的功率调节器电路和其控制方法，适用于相对较大的动态负载的应用。进一步，优选实施例可以使功率转换器、电源或者调节器以及关联的电容器的外形尺寸和成本最小化。在一个实施例中，一个小的平行的功率调节级添加到电压调节器之上，用以当输出负载相对较轻时，给储能元件充电。当输出负载相对较重时，所述附加的调节级将储能元件放电释放能量，来提供额外的能量以补偿输出功率和可用的输入功率之间的差值。

一种实现方法，将相对较大的电容器添加在电压调节器的输出端或者输入端或者输出端和输入端。当输出负载有较大的瞬态变化时，由所述额外的电容器提供额外的能量给负载元件(如数字、射频芯片等)，所述电容器可被布置在电压调节器的输出端或者输入端或者输出端和输入端。但是，这些额外的电容器增加了调节器的总成本。另外，相对较大尺寸的电容器也不适合于现在有空间限制的应用场合(如无线卡、手机、便携电子设备等)。

参考图1A，100所示为一示例电压调节器的原理框图，所述电压调节器用以驱动具有大动态跳变的负载。图1B为图1A所示的电路的工作波形图。例如，在很多应用中都会出现大的动态跳变，如通用串行总线接口(USB)包括笔记本3G(第三代)无线网卡(传输过程中的如2A-3A的电流)，WiMAX(微波存取全球互通技术)等应用，有从0.5A至2A的跳变。在图1A中，调节器102包括开关S₁和S₂，以来控制电感L₁的电流。

工作过程中，在时间间隔t₁内，负载(如射频放大器)上抽取低电流值I₁，在时间间隔t₂内(如当射频放大器在传输信号时)，负载会抽取高电流值I₂(如波形104所示)。但是，调节器102的输出电流最大值I_OMAX受到输入源V_IN的可提供的功率所限制(如波形106)。输出电容C_OUT可以补偿时间间隔t₂内的电流I₂和I_OMAX之间的差值(如波形108所示)。为了使输出变化V_OUT相对较小(如波形110)，输出电容C_OUT选用电容值相对较大的电容。该支持相对较大的负载阶跃的额外电容可以根据公式1确定：

$C_{\mathrm{OUT}}=\frac{(I_2-I_{o,\max })t_2}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OUT}}}---\left(1\right)$

在公式1中，I_OMAX表示输出电流的最大值，所述输出端V_OUT的电流最大值由输入功率限制。时间间隔t₂越长，电流I₂的幅值越大，所需的输出电容C_OUT也越大。

另一种实现方法采用两个串联的功率级，第一功率调节装置使输入电压升压至一较高的母线电压，第二功率装置使母线电压降压以产生提供给负载的输出电压(如数字和射频芯片)。如图2A，200所示为驱动具有大动态跳变的负载的两级功率调节器的原理图。图2B所示为图2A所示的电路的工作波形图。

在工作过程中，第一调节装置202(如直流-直流变换器)将输入电压V_S步升至电容C_BUS两端的母线电压V_BUS(如波形212的I_OUT1和波形210的I_IN2)。然后，第二调节装置204(如直流-直流转换器)使电压V_BUS下降至输出电容C_OUT两端的电压V_OUT以驱动输出负载(如波形208的I_OUT2和波形206的I_LOAD)。第二调节装置204的输出电压的变化可以很小，同时允许母线电容C_BUS的电压(V_BUS)有较大的波动(如波形216的V_BUS和波形214的I_CBUS)。

假设这种电路结构的最小母线电压为V_IN，母线电容大小由最大母线电压确定，如下公式2所示：

$C_{\mathrm{BUS}}\≈\frac{2(I_2-I_{o,\max })V_{\mathrm{OUT}}{t}_2}{V_{\mathrm{BUS},\mathrm{MAX}}^2-V_{\mathrm{IN}}^2}---\left(2\right)$

比较公式1和公式2，可以得到C_BUS和C_OUT的比值如下公式3所示。

$\frac{C_{\mathrm{BUS}}}{C_{\mathrm{OUT}}}\≈\frac{2\·\left(\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OUT}}}{V_{\mathrm{OUT}}}\right)V_{\mathrm{OUT}}^2}{V_{\mathrm{BUS},\mathrm{MAX}}^2-V_{\mathrm{IN}}^2}---\left(3\right)$

在无线传输负载的一个例子中，输入电压V_IN＝5V，输出电压V_OUT＝3.3V，负载动态跳变的输出调节精确度为2％，V_BUS，MAX＝6V。由公式3得到，如果满足同样的动态变化，C_OUT的尺寸约是C_BUS的25倍。因此，使用两级功率转换可以大大减小电容器的尺寸。

这种两级实现方法虽然减小了系统中电容器C_BUS和C_OUT的总尺寸，但是将两级调节装置的效率的乘积而得到的总效率会因此降低，并且造成了半导体开关器件和磁性元件的尺寸和成本的增加。由于每级功率级都需要对全部的输出功率进行转换，增加的成本和尺寸会非常大。

以下为依据本发明实施例的一示例电源结构。

依据本发明一实施例的功率调节器包括：(1)连接到输入端的输入电容，所述输入端与一功率源连接，所述功率源被一预设值限制；(2)连接到输出端的输出电容，所述输出端连接一负载，所述负载具有第一负载状态和第二负载状态；(3)第一调节装置，用以将输入端的输入电压转换成输出端的输出电压，并以此来驱动负载；(4)连接到第一调节装置的第二调节装置；(5)连接到第二调节装置的储能元件，在第二负载状态时，所述第二调节装置将储能元件的能量传递至第一调节装置，以保持输出端的输出电压的调整水平。

如图3A，300A所示为依据本发明实施例的一示例功率调节器的原理框图。在该实施例中，主功率通路包括调节装置302，并联调节通路包括调节装置304。储能元件306必须与调节装置302并联。进一步，储能元件306可以是一个电容器、电池、或者任何其他合适的储能元件。工作过程中，当负载上的输出功率超过输入源V_IN提供的输入功率时，调节装置304将储能元件306放电释放能量。调节装置304可以是双向的，但是须提供负载的瞬态功率。由于调节装置304的这种目标应用，所以这种方法与现有的方法相比，效率更高并且体积也更小。

如图3B，300B所示为依据本发明的实施例的一示例功率调节器的原理框图。调节装置308可以在调节器302和储能元件306之间提供一通路，调节装置304可以用于将储能元件306中的能量传递至调节装置302。采用这种方式，调节装置308可以帮助在轻载状态时给储能元件306充电(如图1B和2B的时间间隔t₁内)。调节装置304可以用于在大瞬态负载状态时将储能元件306放电释放能量(如图1B和2B的时间间隔t₂内)。

如这里所述的各种不同的实施例，调节装置304采用基于电感的开关型调节拓扑。但是，任何合适的调节类型(如线性调节器、基于变压器的开关型调节器、电荷泵调节器电路拓扑等)均适用于实施例中的调节装置304，或者实施例中其他的调节装置部分。另外，同步整流器在该实施例中用以获得高的效率，但是其他的整流器类型也同样适用于特定实施例。进一步，当调节装置308用以给储能元件306充电时，仅有一个开关和一个整流器的开关型调节器也可以用作调节装置304。

如图4A，400A所示为依据本发明实施例的一示例功率调节器原理图。调节装置302使用脉冲宽度调节控制(PWM)将输入电压V_IN转换为输出电压V_OUT。当负载电流上升至一高电流水平(如通过探测器402检测确定)，调节装置304直接将储能元件中的能量释放给输出。在该示例电路中，调节装置308可以是带有二极管D₁、D₂和电容器C_C的电荷泵电路，通过利用调节装置302中的开关型波形给电容C_BUS充电(如在调节装置302内，连接到开关M₁，M₂和电感L₁的节点上)。

探测器402用于检测输出电压何时下跌一预设数值(如约2％)。输出电压上的这样的下跌值，表明调节装置302不足以驱动输出负载。因此，调节装置304将电容C_BUS放电至输出节点。这里调节装置308采用两个二极管和一个电容器组成的“双倍压”电荷泵，但是任何合适数量的二极管、电容和电荷泵级数均适用于优选实施例。

如图4B，400B所示为依据本发明实施例的一示例功率调节器电路的原理图。例如，PWM模块404和406可以是固定频率的峰值电流模式的控制类型。PWM404工作时，振荡器420的时钟(CLK)通过RS触发器414和逻辑/驱动电路422将上管(如晶体管M₁)闭合，从而开始一个新的开关周期。将检测到的输出电压(如通过分压电阻网络R₁和R₂)和一给定基准值(如V_REF)通过误差放大器416进行比较以产生一误差信号。误差放大器416的误差输出信号通过加法器418，以减去一斜率补偿信号(SLP)，从而产生输入到比较器(CMP)412的控制信号，所述斜率补偿信号可以是振荡器420产生的锯齿波信号。所述控制信号与检测到的电感电流(如通过电流探测器430和电流检测放大器(CSA)410)进行比较。如果峰值电感电流超出检测到的电感电流，上管M₁断开，整流器或者同步开关M₂导通电流，直至下一个时钟信号到来。

探测器402可以通过检测输出电压来开始调节装置的放电操作，所述调节装置由开关M₃、M₄和PWM控制器406组成。如果V_OUT下跌至低于如额定调整值的98％时，放电指令信号(DISCH)变高。当输出V_OUT恢复至合适的调节值时，放电指令信号变低。由开关M₃、M₄和PWM406组成的调节装置仅仅在放电指令信号DISCH为高时工作。PWM406内的逻辑/驱动模块426接收控制信号PWM和RUN。当信号RUN为低时，开关M₃和M₄关断。当信号RUN为高时，PWM控制信号控制晶体管M₃和M₄的闭合和关断动作，即当PWM控制信号为高时，闭合开关M₃，关断开关M₄，当PWM控制信号为低时关断开关M₃。

PWM406也可以采用固定频率的电流模式的控制结构，把接收到的反馈电压信号(FB)通过误差放大器438与一基准源V_REF进行比较。加法器电路432施加斜率补偿锯齿波信号，以维持峰值电流模式下的稳定状态，并且产生一个控制信号，该控制信号通过比较器434与一电流检测信号(如通过检测电流I₂用的电流探测器428和电流检测放大器436)进行比较。因此，电感L₂的电流可以被检测到，时钟信号CLK通过RS触发器和逻辑/驱动模块426使上管M₃闭合，开关M₄关断，直至下一个时钟周期。

如图5A，500A所示为依据本发明实施例的一示例功率调节器电路的原理框图。该实施例没有采用电荷泵电路给C_BUS充电。取而代之的，该实施例包含调节装置502，该装置在负载电流较轻时，利用PWM504内的逻辑给电容C_BUS充电。进一步，该实施例还利用PWM504控制模块，在调节装置302不能从输入端获得满足重负载的功率需要时，让C_BUS放电以向输出端传输能量。该实施例通过PWM504的双向控制，可以方便地调节C_BUS电压值以获得最小的电容器体积。

例如，假设采用图4B所示的电荷泵双倍压电路的输入电压约为5V，对于额定电压16V的电容C_BUS，电压V_BUS只可充电至略小于10V。如采用三倍电压电荷泵，此时V_BUS约为15V，但是对于16V的电容来说，这样就仅仅预留了很小或者没有安全裕量(约25％裕量)。因此，实际C_BUS电压值仍仅为10V。如果使用图5A所示的优选方案，C_BUS电压可以提高至约12V仍可满足安全裕量的要求，即：16×0.75＝12V。应用如上的公式2，可以计算得到，采用如图5A所示的示例，可以使电容器C_BUS的尺寸比采用图4B所示的示例减小约37％。另外，图5A中没有电荷泵二极管或者电容器，因此进一步减小了体积和成本。

如图5B，500B所示为依据本发明实施例的一示例功率调节器电路的原理图。在该示例中，PWM504用在双向调节装置中，用于在重载状态时释放C_BUS中储存的能量，以及当输入源V_IN提供的能量有余量时给C_BUS充电。由探测器402直接检测输出电压V_OUT，从而检测重载状态。当V_OUT比调节目标值小约2％时，放电指令信号DISCH变高，表明PWM504控制的调节装置处于放电模式。在该方式中，PWM504工作在恒定频率的峰值电流控制模式。当V_OUT恢复至一合适的调节目标值时，停止放电。当通过I_IN，MAX限制器580检测到的输入电流低于预设限值(I_IN，MAX)，并且通过比较器528和或门530检测到的电容C_BUS电压(V_BUS)低于阈值V_BUS，MAX时，通过控制信号RUN允许充电操作。

在充电模式时，M₄闭合直至充电电流达到电流限值I_CHG，LIM。然后，M₃闭合，其导通时间为预先设置的时间T_ON，该时间可在PWMB2上升沿后由单脉冲电路518产生。为了保证频率大体恒定，T_ON可设计成跟V_BUS成正比。T_ON时间结束后下一个充电周期开始。当V_BUS到达一预设最大值时，充电停止。电流i₂在充电和放电模式时有不同的极性，电流检测放大器536的增益为正，542的增益为负。充电电流限值可以通过外部设置，以实现最快的充电以及将输入电流保持在预设限值之下。另一种方法，充电电流限值也可以由输入电路限制回路控制，下图5C将具体描述该方法。

在放电模式时，误差放大器(EA)534接收反馈信号(FB)，534的输出连接到加法电路538。比较器532将电感L₂上的电流i₂的检测值跟加法电路538输出的控制电压进行比较，所述电流i₂由电流检测放大器536和电流探测器506检测得到。如果电流信号超出控制电压，比较器(CMP)532通过与门520、或门512、RS触发器510和逻辑/驱动电路508复位上管M₃。在放电模式时，时钟CLK通过与门522和或门514来设置RS触发器510。以这种方式，当输出比正常水平低2％以下时，储能元件(如电容C_BUS)储存的能量释放给输出。任何合适的百分量阈值(如1％，、2％、3％、4％、5％等)均适用于优选实施例。

当输出恢复至正常水平后初始化充电模式。借由反相器524，充电控制信号(CHG)是放电控制信号(DISCH)的反相值。充电控制信号(CHG)与单脉冲定时器518的输出信号(T_ON)通过与门516产生一复位信号，该信号通过或门512传递至RS触发器510。该动作可以关断高端开关M₃和闭合低端开关M₄。进一步，负增益的电流检测放大器542可通过比较器540、与门526、或门514来设置RS触发器510，关断低端开关M₄，闭合高端开关M₃，并且对母线电容C_BUS进行充电。

如图5C，500C所示为依据本发明实施例的一示例充电电流限制电路的原理框图。在该示例中，输入电流I_IN通过电阻R_S检测，并且通过跨导检测放大器568与一预设限值进行比较。如果I_IN低于预设限值V_LIM，跨导检测放大器568输出一最大值，通过缓冲器566而得到最大可能的充电电流。在重负载状态时，当输入电流I_IN超出预设限值时，跨导检测放大器568的输出降低，产生一较低的充电电流限制值I_CHG，LIM(通过缓冲器566)，从而使输入电流被调节至预设限值。另外，输入电流限制回路的带宽可低于调节装置电路(如调节装置302和304)。因此，在某些特定实施例中，充电电流可以设置为一固定值，或者充电电流可以适应性的进行调节确定。

如图6A，600A所示为依据本发明实施例的一示例功率调节器电路的原理框图。调节装置302调节将输入电压V_IN转换成输出电压V_OUT。当负载电流增加至一较高值时，调节装置302对负载的阶跃变化产生的响应使输入电压V_IN减小。当输入电压比正常电压低5％左右时(如，探测器606根据比较器608比较V_IN和V_{IN，NOM，REF}的结果来确定)，调节装置602直接释放C_BUS中的能量给输入端。

调节装置308包括有二极管D₁、D₂和电容器C_C组成的电荷泵电路，用以从调节装置302内的开关M₁、M₂和电感L₁的公共结点给C_BUS充电。图6A所示的实施例与图4A所示的不同之处在于调节装置602释放能量给输入V_IN而不是输出V_OUT，因此增加了调节精度。放电控制电路的执行操作可以相对简单，不需要严格的响应速度控制。

如图6B，600B所示为依据本发明实施例的一示例功率调节器电路的原理框图。PWM604和PWM404的工作与图4B一致或者类似。但是，在示例图6B中，具有PWM控制604的调节装置用以调节输入电压而不是输出电压。如果探测器606检测到输入电压V_IN下跌至低于正常值的95％左右，C_BUS储存的能量放电直接释放给C_IN。

开关M₃和M₄充电和放电控制如上文所述类似，误差放大器622接收一反馈信号并将其与一基准源进行比较，产生的输出信号减去斜率补偿信号SLP后，与电感电流的电流检测值(通过电流探测器612和电流检测放大器616)进行比较，然后控制RS触发器614和逻辑/驱动电路610。当V_IN恢复至一合适值如约正常值的99％时停止放电。在该示例中，V_IN的正常值可以是任何合适的数值，例如约3.3V和5V。

如图7A，700A所示为依据本发明实施例一示例功率调节器电路的原理框图。与如图6A所示的示例相比较，图7A所示的示例不使用电荷泵电路对C_BUS进行充电。取而代之，PWM704回路内的逻辑，可以在负载电流较轻和母线电压低于预设阈值或者最大限值V_BUS，MAX时，控制对C_BUS的充电，也可以当调节装置302不能从输入源的有效功率获得满足重负载的需要时将C_BUS放电以释放能量给输出。图7A所示的方法可以通过调节C_BUS电压来获得最小的电容器尺寸，从而使得系统内的总体尺寸最小。

与图5A所示的示例比较，调节装置702的充电电流来自于输入V_IN而不是V_OUT，并且减小了调节装置302的功率损耗，也减小了充电模式时的输出纹波。调节装置702使用PWM704控制以放电释放C_BUS的存储能量给V_IN(而不是V_OUT)。另外，在一些相对简单的应用中，放电控制的调节精度和响应速度可以小一些。

如图7B，700B所示为依据本发明实施例的一示例功率调节器电路的原理框图。输入电压可以直接检测以确定重负载状态，当V_IN比正常值低约5％时，具有PWM704控制和开关器件M₃、M₄的调节器工作在放电模式。当V_IN恢复至正常值的约99％时，停止放电。如输入电流低于预设限值I_IN，MAX且C_BUS电压(V_BUS)低于预设阈值V_BUS，MAX，充电开始。放电操作与图6B相同或者类似，充电操作与图5B所示的充电操作相同或者类似。

在该示例中，PWM704用于一双向调节器中，其在重负载状态时放电释放C_BUS中的储能，当输入源V_IN提供的输入功率有裕量时，电容C_BUS充电。探测器606直接检测输入电压V_IN以判断重负载状态。当V_IN比正常值低约5％时，放电指令信号DISCH变高，PWM704控制的调节装置工作在放电模式。当V_IN恢复至一个合适的调节值时停止放电。当输入电流低于预设限值(I_IN，MAX)以及C_BUS电压(V_BUS)低于阈值V_BUS，MAX时，通过比较器726和或门724的控制信号RUN控制其充电操作。在充电模式时，M₄闭合直至充电电流达到电流限值I_CHG，LIM。M₃闭合，其持续时间由单脉冲电路722产生的一预设时间T_ON决定。将T_ON与V_BUS设计成正比，可以获得基本恒定的频率，T_ON时间结束后下一个充电周期开始。当V_OUT到达一预设最大值时停止充电。

在放电模式中，误差放大器EA706接收反馈信号FB，其输出连接至加法电路708，加法电路708的输出通过比较器720，与电流检测放大器(CSA)728和探测器742获得的流过电感L₂的电流i₂的电流检测值进行比较。如果电流信号超出控制电压，所述控制电压为EA706的输出减去斜率补偿信号SLP，比较器CMP720通过与门734、或门738、RS触发器712和逻辑/驱动电路710复位上管M₃。在放电模式时，时钟CLK被设置，然后通过与门718和或门736设置RS触发器712。采用这种方式，当输入值比正常值低超过5％时，储能元件中储存的能量(如电容C_BUS)放电释放给输入。

当输入完全恢复后，充电模式开始。充电控制信号CHG(通过反相器714)和单脉冲定时器722的输出T_ON通过与门740和或门738产生一复位信号给RS触发器712。该动作可以关断高端开关M₃和闭合低端开关M₄。另外，具有负增益的电流检测放大器CSA730可以通过比较器732、与门716、或门736和RS触发器712来设置PWM控制信号，从而关断低端开关M₄和闭合高端开关M₃，并且在充电模式时给电感L₂充电。

如图7C所示为依据本发明实施例的图7A所示的电路的示例工作波形图。例如，I_LOAD如波形750所示，V_OUT如波形752所示，I_IN如波形754所示，V_IN如波形756所示，V_DISCH如波形758所示，I₂如波形760所示，V_BUS如波形762所示。

在该示例中，初始时负载较轻，只有调节装置302(如图7A所示)工作以输出一低的负载电流I₁。在时间t₀，负载骤升至一较高值I₂。输出电压骤降使得调节装置302试图引入更多的输入电流来支持更高的输出电流。这时输入电流可能会超出限流最大值I_IN，MAX，而导致输入电压下降。在时间t₁，输入电压下降至正常值的95％以下时，探测器606产生放电指令信号(DISCH )给调节装置702，将C_BUS中的能量放电释放给输入电压。当放电电流超出调节装置302引入的输入电流时，输入电压可以稍微恢复。在该时间内，母线电压继续减小。在时间t₃，输出负载电流恢复至低水平值I₁。输出电压稍微超出，强制调节装置302停止从输入端引入电流，输入电压快速恢复。在时间t₄，输入电压超出标准值的99％。然后放电停止。如果母线电容电压低于最大值，调节装置702开始向母线电容再充电。如上所述，最大充电电流可以根据最大输入电流限制或者负载状态，从内部或外部进行设置。

以下所述为功率调节的优选控制方法。

一种实施例，将输入端的功率源转换为输出端的负载上的调节输出值的方法，包括：(1)第一调节装置调节源自所述功率源的负载电压；(2)判断所述负载处于第一负载状态还是第二负载状态；(3)在第一负载状态期间内，储能元件充电储能；(4)在第二负载状态时，储能元件放电释放能量以使负载保持所需的调节值，同时保持输入电流或者功率低于预设限值，所述预设限值限制所述功率源提供的电流或者功率。

如图8，800所示为依据本发明实施例的，能将调节器电容器尺寸最小化的方法流程图，所述调节器为驱动具有大动态跳变和输入功率限制的负载的高密度调节器。流程开始(802)，第一调节装置(如调节装置302)将输入电压V_IN直接转换为输出电压V_OUT以获得较高的效率(804)。在806步骤中，输入电流(I_IN)与一预设限值进行比较(I_IN，MAX)。如果输入电流高于所述预设限值，第二调节装置(如调节装置304)放电释放储能元件(如C_BUS)中的储能，所述第二调节装置在第一调节装置的主要能流之外(808)。但是，如果输入电流在预设限值内，储能元件的电压(V_BUS)在步骤810中与一预设最大电压值(V_BUS，MAX)进行比较。如果V_BUS低于或者等于V_BUS，MAX，储能元件充电(812)。但是，如果V_BUS高于V_BUS，MAX，停止对C_BUS的充电(814)。

任何合适的输入和调节输出电压均适用于优选实施例。例如，降压进调节器，输入电压的范围约为2.5V到5.5V，例如2.7V到4.2V，包括4.2V。示例中的降压调节器的调节输出电压范围约为0.8V到2.2V，包括1V到1.8V，确切的约1.5V。例如，这样的电压可以应用于手机，以及对主芯片和随机存储器等器件供电。

上述例子包括了特定调节器的电路以及结构设计，本领域普通技术人员可以推知其他的技术或者调节器结构也同样适用于所述实施例。其他的器件电路布局、元件以及类似的也用样适用于实施例。例如，虽然这里使用的是电荷泵双倍压电路，也可以用多级电荷泵电路替代，例如电压三倍器、电压四倍器等。另外，这样的电路也可以采用基于电感的开关型调节器(如升压调节器、升降压、反激等)。如上所述的控制电路可以由与门、或门、RS触发器、探测器、比较器和放大器实现，其他的电路元件也适用于优选实施例。这里所述的方法和电路也适用不同的功率器件(如P型MOS晶体管、双极结型晶体管BJT等)和不同的拓扑结构(例如前馈、半桥、全桥等)变换器等。另外，优选实施例适用于电流和功率具有预设限值的输入源，这个限值不是固定不变的，而是可以根据工作状态和电压源的类型而变化。例如，在电池应用中，电池组的最大电流由内部阻抗和电荷状态限制。同样，在一些交流输入的应用示例中，输入电流被限制与输入电压成比例。

以上结合附图和叙述对本发明实施例进行了描述。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (13)

1.一种功率调节器，其特征在于，包括：

连接到输入端的输入电容，所述输入端与一功率源连接，所述功率源被一预设限值限制；

连接到输出端的输出电容，所述输出端连接一负载，所述负载具有第一负载状态和第二负载状态；

第一调节装置，用以将输入端的输入电压转换成输出端的输出电压，并以此来驱动所述负载；

连接到第一调节装置的第二调节装置；所述第二调节装置为双向调节装置；

连接到所述第二调节装置的储能元件；

储能元件限制电路，其具有一预设阈值；

第一负载状态下，当所述储能元件的储能小于所述预设阈值，并且，所述功率调节器的输入端的输入电流小于电流预设限值时，通过所述第二调节装置对所述储能元件充电储能；在第二负载状态时，所述第二调节装置将所述储能元件的能量传递至所述第一调节装置，以保持所述输出端的输出电压的调整水平；

充电电流限制电路，用以产生一充电电流限值，并限制所述储能元件的最大充电电流。

2.根据权利要求1所述的功率调节器，其特征在于，所述功率源的预设限值依据所述功率源的工作状态不同而不同。

3.根据权利要求1所述的功率调节器，其特征在于，所述功率源的预设限值限制所述功率源提供的电流或者功率。

4.根据权利要求1所述的功率调节器，其特征在于，所述充电电流限值通过外部设置。

5.根据权利要求1所述的功率调节器，其特征在于，所述充电电流限制电路可根据所述功率调节器内部电路进行设置。

6.根据权利要求1所述的功率调节器，其特征在于，所述储能元件的充电电流为一固定值或由适应性的调节操作确定。

7.根据权利要求1所述的功率调节器，其特征在于，进一步包括一输入电流限制器，其具有所述电流预设限值，用以当检测到的所述输入电流小于所述电流预设限值时，对所述储能元件进行充电。

8.根据权利要求1所述的功率调节器，其特征在于，所述第二调节装置用以：

（1）检测输出端的输出电压；

（2）当检测到的输出电压小于目标调节值时，将所述储能元件中的能量传递至输出端。

9.根据权利要求1所述的功率调节器，其特征在于，所述第二调节装置用以：

（1）检测输入端的电压状态；

（2）当检测到的电压表明处于第二负载状态时，将所述储能元件中的能量传递至输入端。

10.根据权利要求9所述的功率调节器，其特征在于，当取自输入端的功率源的电流或者功率小于所述功率源的预设限值，并且所述储能元件的储能小于所述预设阈值时，所述储能元件充电。

11.一种输出电压调节方法，用于将输入端的功率源转换为连接到输出端的负载上的调节输出值，其特征在于，包括：

第一调节装置调节源自所述功率源的负载电压；

判断所述负载处于第一负载状态还是第二负载状态；

在第一负载状态下，当所述输入端的输入电流低于电流预设限值，并且储能元件的储能小于预设阈值时，通过第二调节装置对所述储能元件充电储能；

在第二负载状态时，所述第二调节装置将所述储能元件放电释放能量以保持所述负载上的合适的输出调节值，同时也保持输入的电流或者功率低于预设限值，所述预设限值限制所述功率源提供的功率或电流。

12.根据权利要求11所述的电压调节方法，其特征在于，当在第二负载状态时，所述储能元件放电释放能量传递至所述输入端。

13.根据权利要求11所述的电压调节方法，其特征在于，当在第二负载状态时，所述储能元件放电释放能量传递至所述输出端。

Images