CN102801315A - 恒定导通时间的开关调节器实现轻负载控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种恒定导通时间的开关调节器实现轻负载控制。一种用于开关调节器的控制电路，实现了带有同步整流的恒定导通时间控制体系，并且利用集成标准和轻负载控制回路，提高轻负载效率，增强瞬态响应。在一个实施例中，控制电路包括参考电压选择电路，用于根据低端电流信号，为标准负载环境，选取第一参考电压作为所选的参考电压，为轻负载环境，选取第二参考电压作为所选的参考电压。第二参考电压高于第一参考电压。控制电路还包括一个控制回路，用于产生控制信号，当反馈电压低于所选的参考电压，并且最小的断开时间段结束时，开启主开关。

Description

恒定导通时间的开关调节器实现轻负载控制

技术领域

本发明涉及开关调节器或直流-直流转换器，尤其是实现恒定导通时间控制的开关调节器，并引入控制体系，提高轻负载效率，增强瞬态响应。

背景技术

本申请为于2011年5月23日递交的美国专利申请US13/113,981的部分连续申请案，特此引用其全文以作参考。

直流电压调节器或开关调节器用于将能量从一个直流电压级转移到另一个直流电压级。这种类型的开关调节器也称为直流/直流调节器或开关模式电源。开关调节器通过低损耗零件（例如电容器、电感器和变压器），起到电源的功能，电源开关开启或断开，将能量在独立元件中从输入端转移到输出端。反馈控制电路用于管理能量转移，以便在电路需要的负载极限内维持恒定的输出电压。

可以配置开关调节器，提高输入电压或降低输入电压，或者两者兼具。确切地说，降压型开关调节器（也称为“降压调节器”）可以降低输入电压，而升压型调节器（也称为“升压调节器”）可以提高输入电压。降压-升压型调节器，或降压-升压型转换器，可以提供升高和降低的功能。

传统的开关调节器的运行方式已为人们所熟知，可以总结如下。开关周期性地开启，将能量传递到输出滤波电路的电感器上，使电流流经电感器积累起来。当电源断开时，电感器上的电压反转，电荷被转移到输出滤波电路的输出电容和负载上。输出电容获得相对恒定的输出电压。第二个电源开关有时也用于同步控制器件。在器件运行时，主电源开关（也称为高端开关）开启，而第二个电源开关（也称为低端开关）断开，反之亦然。

开关调节器包括一个控制电路，通常使用误差信号放大器，将输出电压与参考电压相比较，控制电路产生一个或多个控制信号，控制信号控制开启-断开控制循环的开关频率（脉沉频率调制）或脉沉宽度（脉沉宽度调制）。可以利用许多不同的控制体系控制主电源开关的工作循环（即导通时间）。导通时间恒定（或恒定导通时间）的控制体系是这样一类控制体系，其中开关调节器的主电源开关的导通时间保持恒定，主电源开关的断开时间各不相同，以产生需要的输出电压。

图1所示的示意图，表示一种实现恒定导通时间控制体系的传统的开关调节器。在开关调节器10中，主电源开关M1和二极管D1在输入电压V_IN（节点12）和接地电压之间并联。电压开关M1用于将输入电压V_IN周期性地切换到电感器L1，对电感器L1充电。当主电源开关M1断开时，电感器L1上储存的能量被转移到输出电容C_OUT以及负载18上，保持了非常恒定的输出电压V_OUT。

根据恒定导通时间控制体系，配置调节器控制电路20，驱动主电源开关M1。在运行时，主电源开关M1开启一段由单次计时器26所设定的恒定的时间，之后开关M1断开。反馈回路控制输出电压V_OUT（节点16）。更确切地说，输出电压V_OUT作为反馈电压V_FB反馈至调节器控制电路20。在电压比较器22中，将反馈电压V_FB与参考电压V_REF作比较。电压比较器22的输出端在与逻辑门24处，受到最小的断开时间计时器30的输出限制。当主电源开关M1断开一段最小的断开时间后，当输出电压V_OUT降至参考电压V_REF之下时，与门24将触发单次计时器26，再次接通主电源开关M1一段恒定的导通时间。传统的开关调节器10实现了快速的瞬态响应，但调节器的效率受到二极管上的功率损耗的影响。当电流在二极管正向偏置时流经二极管，功率就会耗散掉。这种功率耗散降低了开关调节器的整体效率。

为了使低端二极管上的功率损耗最小，有些开关调节器使用低端开关代替二极管，实现了所谓的“同步整流”。图2所示的示意图，表示实现了恒定导通时间控制体系和同步整流的传统开关调节器。低端二极管被低端电源开关M2代替，由驱动主电源开关M1的驱动信号（节点32）的反转驱动。因此，当主电源开关M1断开时，低端电源开关M2开启，反之亦然。当低端开关正向偏置时，功率耗散可以忽略。在使用同步整流时，重负载的效率较佳。然而，由于负电流从电感器L1流入低端电源开关M2，因此轻负载的效率很低。

在一些实现了同步整流的调节器控制电路中，利用负电流探测器探测是否存在流入低端电源开关的负电流，来提高轻负载效率。图3所示的示意图，表示一种传统的开关调节器，实现了恒定导通时间体系以及带有负电流探测器64的同步整流。当轻负载环境产生流入低端开关M2的负电流时，与逻辑门62将使低端开关M2断开。低端电源开关M2的体二极管反向偏置，使电流闭锁。因此，流经低端电源开关M2的电流，仅仅从源极流至漏极，而不是从漏极流至源极。在这种方式下，开关调节器80的轻负载效率得以提高。然而，开关调节器电路80的瞬态响应通常很大。当负载电流变化时，调节器输出电压的大电压峰值是不受欢迎的。

发明内容

依据本发明的一个实施例，控制电路用于一接收输入电压的开关调节器，控制电路利用一恒定导通时间控制体系/系统，控制主开关和低端开关。主开关和低端开关驱动开关输出节点，用于产生开关输出电压。开关输出节点耦合到LC滤波电路上，以便产生调制输出电压，在输出节点处具有基本恒定的幅值。调制的输出电压作为反馈电压，反馈到控制电路。控制电路包括一个第一单次计时器，用于产生表示主开关恒定导通时间段的控制信号，所用的控制信号开启主开关的同时，断开低端开关，恒定导通时间段过后，断开主开关，而开启低端开关。配置最小的断开时间计时器（或称作最小关闭时段计时器），产生最小的断开时间信号（或称作最小关闭时段信号），当主开关断开一段最小的断开时间段时，该最小断开时间信号具有第一状态。配置一个参考电压选择电路用于选择，基于低端电流信号，用于标准负载环境（Standard load condition）的第一参考电压以及用于轻负载环境（Light load condition）的第二参考电压，作为所选的参考电压，低端电流信号具有第一状态，表示输出节点处的轻负载环境，第二参考电压大于第一参考电压，控制回路用于当反馈电压低于所选的参考电压，并且最小的断开时间信号具有第一状态时，控制第一单次计时器产生开启主开关的控制信号。

依据本发明的另一个实施例，提出了一种在接收输入电压的开关调节器中利用恒定导通时间体系，控制主开关和低端开关的方法。主开关和低端开关驱动开关输出节点，产生开关输出电压。开关输出节点耦合到LC滤波电路上，产生调制的输出电压，在输出节点处具有基本恒定的幅值。调制的输出电压作为反馈电压，反馈到开关调节器。该方法包括，开启主开关一段恒定的开启时间段，然后根据控制信号断开低端开关；断开主开关一段最小的断开时间段，然后根据控制信号开启低端开关；根据低端电流信号，为标准负载情况，选取第一参考电压为参考电压，为轻负载情况，选取第二参考电压为参考电压，具有第一状态的低端电流信号表示输出节点处的轻负载情况，第二参考电压大于第一参考电压；并且产生控制信号，当反馈电压低于所选的参考电压，并且最小的断开时间段过完后，控制信号根据控制回路，开启主开关。

参照以下的详细说明及附图后，将更好地理解本发明。

附图说明

图1表示一种实现了恒定导通时间控制体系的传统开关调节器的示意图。

图2表示一种实现了恒定导通时间控制体系和同步整流的传统开关调节器的示意图。

图3表示一种带有负电流探测的实现了恒定导通时间控制体系和同步整流的传统开关调节器的示意图。

图4表示依据本发明的一个实施例，一种实现了同步整流和恒定导通时间控制体系，引入了双控制回路的开关调节器的示意图。

图5（a）和5（b）分别表示带有同步整流（图2和3）的传统开关调节器以及带有双控制回路（图4）的开关调节器的电流和电压波形。

图6所含的模拟结果，表示图1、2和3中的传统开关调节器的效率，与图4所示的利用双控制回路的开关调节器相比较的结果。

图7表示依据本发明的一个实施例，一种实现了同步整流和恒定导通时间控制体系，引入了集成标准的和轻负载控制回路的开关调节器的示意图。

图8表示依据本发明的一个实施例，一种实现了参考电压选择电路的开关调节器的示意图。

具体实施方式

根据本发明的原理，实现了同步整流和恒定导通时间控制体系的开关调节器，引入双控制回路，控制调制的输出电压，从而提高轻负载效率，以及增强瞬态响应。更确切地说，恒定导通时间的开关调节器包括一个标准的控制回路和一个轻负载控制回路。标准的控制回路用于在传统的恒定导通时间控制体系下，产生输出电压。当探测到轻负载环境时，激活轻负载控制回路，提高轻负载效率，并确保快速的瞬态响应。

在其他实施例中，实现了同步整流和恒定导通时间控制体系的开关调节器，利用一个单独的比较器，实现了集成标准的和轻负载控制回路。集成标准的和轻负载控制回路规范调制的输出电压，从而提高轻负载效率，并增强瞬态响应。集成标准的和轻负载控制回路包括一个参考电压选择电路，用于为标准的负载控制选取第一参考电压，为轻负载控制选取第二参考电压。在这种方式下，在简化控制回路电路的同时，提高了轻负载效率，实现了快速的瞬态响应。

图4表示依据本发明的一个实施例，一种实现了同步整流和恒定导通时间控制体系并引入双控制回路的开关调节器的示意图。参见图4，开关调节器100包括一个调节器控制电路110，驱动串联在输入电压V_IN（节点12）和接地端之间的主电源开关M1和低端电源开关M2。在本实施例中，电源开关M1和M2都是NMOS晶体管，低端电源开关M2由驱动主电源开关M1的驱动信号（节点132）的反转控制。例如，节点132处的驱动信号可以通过变换器134反转，耦合反转驱动信号，驱动低端电源开关M2。因此，当主电源开关M1断开时，低端电源开关M2开启，反之亦然。开启和断开电源开关M1和M2，会在M1、M2之间的公共节点14上产生开关电压V_SW。节点14处的开关电压V_SW驱动输出LC滤波电路，输出LC滤波电路由电感器L1和输出电容器C_OUT构成。输出LC滤波电路在输出电压节点16处，产生直流输出电压V_OUT，直流输出电压V_OUT具有基本恒定的幅值。在运行时，如图4所示，耦合输出电压V_OUT，驱动负载18。

配置调节器控制电路110，根据恒定导通时间控制体系，驱动主电源开关M1和低端电源开关M2。在恒定导通时间控制体系中，开启主电源开关M1一段由单次计时器126设定的恒定时间段之后，断开主电压开关M1至少一段最小的断开时间段，最小的断开时间由最小的断开时间计时器130设定。在运行时，单次计时器126为开关控制电路128产生控制信号，输出驱动信号（节点132），开启主电源开关M1，从而断开低端电源开关M2。当单次计时器126设定的恒定导通时间段结束后，开关控制电路128产生驱动信号（节点132），断开主电源开关M1，从而开启低端电源开关M2。开关控制电路128信号也有效，触发最小的断开时间计时器130，为预设的最小断开时间段倒计时。当最小的断开时间结束时，最小的断开时间计时器130使最小的断开时间输出信号有效，也就是说，最小的断开时间段已结束。

在本发明的实施例中，调节器控制电路110实现了双控制回路，调制输出节点16处的输出电压V_OUT。将输出电压V_OUT（节点16）耦合到调节器控制电路110上，作为反馈电压V_FB，形成反馈电路。将反馈电压V_FB耦合到标准控制回路和轻负载控制回路上，实现了输出电压调制。

在标准控制回路中，将反馈电压V_FB耦合到第一个电压比较器122上，与参考电压V_REF1相比较。当反馈电压V_FB降至参考电压V_REF1以下时，电压比较器122输出信号V_COMP1有效。将比较器输出信号V_COMP1和计时器130最小的断开时间信号，耦合到与逻辑门124。当满足以下两个条件时，也就是反馈电压V_FB降至参考电压V_REF1之下，并且最小的断开时间结束后，确定与门124的输出。将与门124的输出耦合到或逻辑门156，或门156控制单次计时器126。因此，当与门124确定了其输出后，或门156确定其输出时，无论或门上其他输入的状态如何，都将触发单次计时器126，开关控制电路128有响应，产生驱动信号（节点132），开启主电源开关M1。因此，标准的控制回路用于调制输出电压，通过恒定导通时间控制体系，调制输出电压V_OUT，主电源开关开启一段恒定导通时间段，直到输出电压V_OUT降至参考电压V_REF1之下时，主电源开关断开。

调制器控制电路110还包括一个轻负载控制回路，在轻负载环境下激活，以提高效率，增强瞬态响应。在轻负载控制回路中，反馈电压V_FB耦合到第二个电压比较器152上，与参考电压V_REF2相比较。当反馈电压V_FB降至参考电压V_REF2之下时，确定电压比较器152的输出信号V_COMP2。参考电压定义了轻负载环境下，输出电压V_OUT所能达到的上电压能级，这将在下文中详细介绍。在本发明的实施例中，参考电压V_REF2的电压值大于参考电压V_REF1。

轻负载控制回路还包括一个与逻辑门154，接收三个输入信号。更确切地说，与门154接收来自输出比较器152的输出信号V_COMP2，以及来自计时器130的最小的断开时间信号作为初始两个输入信号。低端电流信号150表示电流流经电源开关M2的漏源端。在本发明的实施例中，低端电流信号150可以通过电流监控电路（图中没有表示出）产生，例如电路监控电源开关M2的漏源电压。当开关调节器100处于轻负载环境时，流经电源开关M2的电流降低。在一个实施例中，当流经电源开关M2的电压降至指定的阈值电压之下时，表示处于轻负载环境，这时确定低端电流信号150。当确定了所有的三个输入信号后，确定与门154的输出。与门154的输出构成到或门156的其他输入。因此，当与门154的输出确定后，确定或门156的输出，并且触发单次计时器126，开关控制电路128响应，产生驱动信号（节点132），开启主电源开关M1。

接下来将详细介绍轻负载控制回路的运行方式。当输出节点16的负载情况为标准或重负载时，流经电源开关M2的电流足够大，从而低端电流信号150失效。因此，如上所述，轻负载控制回路没有激活，标准控制回路通过带有同步整流的恒定导通时间控制体系，控制电源开关M1和M2的运行。也就是说，主电源开关M1开启（低端电源开关M2断开），开启持续时间由单次计时器126确定。断开主电源开关M1至少一段最小的断开时间，最小断开时间由最小断开时间计时器130确定。同时，开启低端电源开关M2。最小断开时间之后，当输出电压V_OUT大于参考电压V_REF1时，主电源开关仍然断开。当输出电压V_OUT小于参考电压V_REF1时，与门124有效，触发单次计时器126，使主电源开关M1开启另一段恒定导通时间段。带有同步整流的标准控制回路继续运行。

然而，当开关调节器100在输出节点16处于轻负载环境时，轻负载控制回路被激活。轻负载控制回路会使主电源开关M1在轻负载环境时开启，从而提高效率，增强开关调节器100的瞬态响应。

更确切地说，当主电源开关M1断开，而低端电源开关M2开启，并且最小的断开时间结束后，如果开关调节器100处于轻负载环境，那么低端电流信号150有效，说明通过低端电源开关M2的电流很低，例如低于阈值。如果反馈电压V_FB也低于参考电压V_REF2，那么与门154的全部三个输入信号有效，然后与门154的输出信号有效，开启主电源开关M1一段恒定的时间段（低端电源开关M2断开）。当反馈电压V_FB大于参考电压V_REF2时，比较器输出信号V_COMP2失效，与门154的输出失效，阻止单次计时器126再次开启主电源开关M1。当低端电流信号150探测到轻负载时，并且当反馈电压V_FB低于参考电压V_REF2时，轻负载控制回路继续，主电源开关M1开启。

因此，轻负载控制回路使主电源开关在轻负载环境时，周期性地开启，将输出电压V_OUT维持在参考电压V_REF2附近。轻负载环境下的输出电压，保持在大于正常或重负载时的输出电压级。图5（a）和5（b）分别表示带有同步整流的传统开关调节器以及带有双控制回路的开关调节器的电流和电压波形。参见图5（a），传统开关调节器的负载电流动作如图中曲线202所示。负载电流I_L处于标准能级，然后随轻负载环境降低，最终回到标准负载环境。在传统的开关调节器中，例如图2和3所示的实现了同步整流的开关调节器，如图5（a）中的曲线204所示，当负载电流I_L经历巨变时，输出电压V_OUT会经历瞬变。巨大的瞬态响应导致在调制的输出电压级附近产生巨大的电压摆动。输出电压V_OUT处巨大的瞬态电压摆动是不受欢迎的。

一方面，带有双控制回路（图4）的开关调节器100能够处理轻负载环境，而不在输出电压V_OUT处产生巨大瞬变。参见图5（b），当轻负载环境使负载电流I_L（曲线206）降低时，开关调节器100中的轻负载控制回路开启主电源开关M1，从而使输出电压V_OUT充电到参考电压V_REF2。当负载电流I_L仍然处于轻负载能级时，轻负载控制回路将使输出电压维持在参考电压V_REF2附近，在标准或重负载情况下，参考电压的电压值高于输出电压。当负载电流I_L回到标准负载情况时，轻负载控制回路失效，标准控制回路重新开始将输出电压V_OUT调制到参考电压V_REF1附近。在这种情况下，负载电流变化引起的电压瞬变局限于V_PP2的电压摆动，电压摆动V_PP2小于电压摆动V_PP1。

图6所示的模拟结果，表示与图4所示的利用双控制回路的开关调节器相比较，图1、2和3所示的传统开关调节器效率。参见图6，曲线182表示利用恒定导通时间控制体系，而不带同步整流的图1所示的开关调节器10的效率性能。如图曲线182所示，开关调节器10具有轻负载和重负载环境下的一致的效率性能，但由于二极管上的功率耗散，整体的效率水平很低。曲线184表示利用恒定导通时间控制体系，带有同步整流的图2所示的开关调节器50的效率性能。如图曲线184所示，当使用同步整流时，轻负载效率性能被削弱。曲线186表示利用恒定导通时间控制体系，带有同步整流和负电流探测的图3所示的开关调节器80的效率性能。如图曲线184所示，当使用同步整流和负电流探测时，轻负载环境下的效率性能得到改善，整体效率良好。

曲线188表示利用恒定导通时间控制体系，带有同步整流和双控制回路的本发明所述的开关调节器100的效率性能。如图曲线188所示，当使用同步整流时，开关调节器100的效率性能可以与利用负电流探测的开关调节器80的效率性能相比拟。然而，如图5（b）所示，本发明所述的开关调节器100也确保提高瞬态响应，这是图3所示的传统开关调节器80无法实现的结果，如图5（a）所示。

图7表示依据本发明的一个实施例，实现了同步整流和恒定导通时间控制系统，并引入了集成标准和轻负载控制回路的开关调节器的示意图。参见图7，开关调节器300包括一个调节器控制电路310，驱动串联在输入电压V_IN（节点12）和接地端之间的主电源开关M1和低端电源开关M2。在本实施例中，电源开关M1和M2都是NMOS晶体管，低端电源开关M2受到驱动主电源开关M1的驱动信号1（节点132）的反转来控制。例如，节点132处的驱动信号，可以通过变换器134反转，耦合反转后的驱动信号，驱动低端电源开关M2。因此，当主电源开关M1断开时，低端电源开关M2开启，反之亦然。电源开关M1和M2的开启和断开，在公共节点14处产生一个开关电压V_SW。节点14处的开关电压V_SW驱动输出LC滤波电路，LC滤波电路由电感器L1和输出电容器C_OUT构成。输出LC滤波电路在输出电压节点16处产生直流输出电压V_OUT，它的振幅基本一致。在实际运行时，耦合输出电压，以驱动负载18。

配置调节器控制电路310，驱动基于恒定导通时间控制体系的主电源开关M1和低端电源开关M2。在恒定导通时间控制体系下，主电源开关M1开启一段由单次计时器126所确定的恒定时间段，然后电源开关M1断开至少一段由最小的断开时间计时器130所确定的最小的断开时间。在实际运行中，单次计时器126为开关控制电路128产生控制信号，产生驱动信号（节点132）用于开启主电源 M1，从而断开低端电源开关M2。当单次计时器1 126所设定的恒定导通时间段结束后，开关控制电路128产生断开主电源开关M1的驱动信号（节点132），从而开启低端电源开关M2。开关控制电路128还发出信号，触发最小的断开时间计时器130，为预设的最小断开时间段倒计时。当最小的断开时间计时器终止时，也就是说，最小的断开时间段结束后，最小的断开时间计时器130使最小的断开时间输出信号有效。

在本发明的实施例中，调节器控制电路310使集成标准和轻负载控制回路，将输出电压V_OUT调制在输出节点16处。通过将输出电压V_OUT（节点16）作为反馈电压V_FB，耦合至调节器控制电路310，构成反馈电路。反馈电压V_FB耦合至集成标准和轻负载控制回路，实现了输出电压调制。

更确切地说，在集成标准和轻负载控制回路中，反馈电压V_FB耦合至电压比较器360的第一输入端，与所选的参考电压V_SREF作比较，用于电压比较器360的第二输入端（节点361）。在本实施例中，反馈电压V_FB耦合至负输入端，而所选的参考电压V_SREF耦合至电压比较器360的正输入端。当反馈电压V_FB降至所选的参考电压V_SREF之下时，电压比较器360的输出信号V_COMP有效。在本实施例中，比较器输出信号V_COMP作为第一个输入信号，耦合至与门362的第一输入端。

与门362也接收来自计时器130的最小的断开时间信号，作为第二个输入信号。当比较器输出信号V_COMP和最小的断开时间信号都有效时，与门362的输出才有效。耦合与门362的输出，驱动单次计时器1 126。因此，当最小的断开时间结束后，并且当反馈电压V_FB降至所选的参考电压V_SREF之下时，触发单次计时器1，开关控制电路128响应，产生驱动信号（节点132），开启主电源开关M1。

集成标准和轻负载控制回路包括一个参考电压选择电路，用于为标准负载控制选取第一参考电压，以及为轻负载控制选取第二参考电压。在这种方式下，集成标准和轻负载控制回路运行，在轻负载环境下，以提高轻负载效率，增强瞬态响应。更确切地说，参考电压选择电路含有一个由低端电流信号150触发的单次计时器2 364。当探测到轻负载环境时，低端电流信号150有效。单次计时器2 364的输出信号控制开关S11，为标准负载环境选择第一参考电压V_REF1，为轻负载环境选择第二参考电压V_REF2，作为所选的参考电压V_SREF。相应地，根据探测到的负载环境，选择合适的参考电压作为所选的参考电压V_SREF。

在本发明的实施例中，低端电流信号150表示电流流经电源开关M2的漏源端。在本发明的实施例中，低端电流信号150可以通过电流监控电路（图中没有表示出）产生，例如电路监控电源开关M2的漏源电压（Vds）。当开关调节器300处于轻负载环境时，流经电源开关M2的电流降低。在一个实施例中，当流经电源开关M2的电流降至给定的阈值之下时，表示轻负载环境，低端电流信号150有效。

在实际运行时，在标准负载环境下，不触发单次计时器2 364，节点365处的单次计时信号失效。在这种情况下，开关S11在第一位置上，选取第一参考电压V_REF1。然而，当探测到轻负载环境时，低端电流信号150有效，触发单次计时器2 364，在节点365上产生具有预设时间的单次计时信号。耦合节点365上的单次计时信号，控制开关S11，使开关S11换到第二位置上，选取第二参考电压V_REF2，作为所选的参考电压V_SREF。在这种方式下，集成标准和轻负载控制回路用于根据标准回路环境的第一参考电压V_REF1和轻负载环境的第二参考电压V_REF2的其中之一，调制输出电压V_OUT。

在本发明的实施例中，参考电压V_REF2的电压值大于参考电压V_REF1。参考电压V_REF2限定了在轻负载环境下，输出电压V_OUT所能达到的上电压能级。

集成标准和轻负载控制回路的运行情况将在下文中详细介绍。当输出节点16处的负载环境为标准或重负载时，流经电源开关M2的电流足够大，从而使低端电流信号150失效。也因此，单次计时信号（节点365）失效，参考电压选择电路中的开关S11选择第一参考电压V_REF1。在这种方式下，标准控制回路通过带有同步整流的恒定导通时间控制体系，控制电源开关M1和M2的运行，也就是说，主电源开关M1开启（低端电源开关M2断开）一段由单次计时器126确定的恒定导通时间。然后，主电源开关M1断开一段由最小的断开时间计时器130设定的最小断开时间。与此同时，低端电源开关M2开启。最小的断开时间之后，当输出电压V_OUT大于参考电压V_REF1时，主电源开关保持断开。当输出电压V_OUT降至参考电压V_REF1之下时，输出信号V_COMP有效。当最小的断开时间结束后，与门362的输出信号开启另一段断开时间段。带有同步整流的标准控制回路继续运行。

然而，当开关调节器300在输出节点16处于轻负载环境时，轻负载控制回路激活。首先，低端电流信号150有效，触发单次金属层2 364，使单次计时信号（节点365）有效。参考电压选择电路中的开关S11选择第二参考电压V_REF2。用于第二参考电压V_REF2大于第一参考电压V_REF1，因此只要输出电压V_OUT作为反馈电压V_FB没有增加太多的话，那么比较器360的输出信号V_COMP就在开关S11选取第二参考电压之后，立即有效。然后，只要最小的断开时间一结束，与门362的输出信号就会有效，触发单次计时器1 126，使主电源开关M1开启另一段恒定导通时间段。相应地，轻负载控制回路将使主电源开关在轻负载环境下开启（低端电源开关M2断开），将输出电压V_OUT调制到高于参考电压V_REF2的电压值上，从而达到提高效率，改善开关调节器300的瞬态响应的效果。

图7中的开关调节器控制器的集成标准和轻负载控制回路中的参考电压选择电路，可以用不同的方式实现，选取两个参考电压之一。图8表示依据本发明的一个实施例，实现参考电压选择电路的示意图。参见图8，利用分压器耦合，驱动参考电压V_S，产生第一和第二参考电压。分压器包括一串三个电阻器R1、R2和R3。开关S15耦合在第一节点和第二节点之间，第一节点在电阻器R1和R2（节点375）之间，第二节点在电阻器R2和R3（节点377）之间。开关S15开启或断开，在节点377处产生第一和第二参考电压。

更确切地说，当单次计时信号（节点365）有效时，开关S15闭合，电阻器R2短路。在比较器输入节点377处产生第二参考电压V_REF2，电压值为

。

另一方面，当单次计时信号（节点365）失效时，开关S15断开，将电阻器R2引入到分压器中。在比较器输入节点377处产生第一参考电压V_REF1，电压值为

。

通过使用分压器划分参考电压V_S，参考电压V_REF1和V_REF2可以选择性地产生。在一个实施例中，参考电压V_S为带隙电压，以致使参考电压V_REF1和V_REF2与电源电压变化无关。

在上述实施例中，输出电压V_OUT作为反馈电压V_FB直接反馈到调节器控制电路。输出电压V_OUT的直接反馈仅用于解释说明，不作为局限。在本发明的另一个实施例中，输出电压V_OUT可以降低，例如在作为反馈电压V_FB耦合回到调节器控制电路之前，使用分压器。当输出电压V_OUT降低时，参考电压V_REF1和V_REF2也将相应地降低一定的量。

上述详细说明用于解释说明本发明的典型实施例，不作为局限。可能存在本发明范围内的各种修正和改变。本发明范围应由所附的权利要求书限定。

Claims (17)

1.一种用于开关调节器的控制电路，其特征在于，所述的开关调节器接收一输入电压，所述的控制电路利用恒定导通时间控制体系，控制主开关和低端开关，驱动一个开关输出节点，用于产生开关输出电压，所述的开关输出节点耦合到一个LC滤波电路上，以便产生调制输出电压，在一个输出节点处具有基本恒定的幅值，所述的调制的输出电压作为反馈电压，反馈到所述的控制电路，其中所述的控制电路包括：

一个第一单次计时器，用于产生表示主开关恒定导通时间段的控制信号，所用的控制信号开启主开关的同时，断开低端开关，恒定导通时间段过后，断开主开关，而开启低端开关；

一个最小关闭时段计时器，用于当主开关在一段最小的关闭时段内关闭时，最小关闭时段计时器产生一个具有第一状态的最小关闭时段信号；

一个参考电压选择电路，用于根据一个低端开关电流信号选取一个参考电压作为所选的参考电压，当正常负载时选取一个第一参考电压作为所选的参考电压，当轻负载时选取一个第二参考电压作为所选的参考电压，所述的低端开关电流信号具有第一状态指示输出节点处轻负载的状态并且所述的第二参考电压大于所述的第一参考电压；以及

一个控制回路用于当反馈电压低于所选的参考电压，并且所述的最小关闭时段信号处于第一状态时，控制第一单次计时器产生开启主开关的控制信号。

2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括：

一个开关控制电路用于驱动主开关和低端开关，对来自第一单次计时器的控制信号做出响应，开关控制电路产生驱动信号，在开启主开关的同时断开低端开关，以及在断开主开关的同时开启低端开关。

3.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，控制回路包括：

一个电压比较器，具有第一输入端、第二输入端以及输出端，所述的第一输入端耦合接收反馈电压，所述的第二输入端耦合接收所述的选定参考电压，所述的输出端产生比较器输出电压，当反馈电压小于所选定参考电压时，所述的比较器输出电压具有第一状态；以及

一个逻辑与门，具有第一输入端，耦合接收电压比较器的比较器输出电压，以及具有第二输入端耦合接收最小关闭时段计时器的最小关闭时段信号，当比较器输出电压和最小关闭时段信号都具有第一状态时，逻辑与门产生具有第一状态的输出信号；

其中第一单次计时器产生控制信号，当逻辑与门的输出信号具有第一状态时，开启主开关。

4.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，参考电压选择电路包括：

一个第二单次计时器，当被所述的表示输出节点处为轻负载环境的第一状态的低端电流信号触发时，产生一个具有第一状态的第二控制信号，持续预设的时间，否则产生的第二控制信号就具有第二状态；以及

受第二控制信号控制的开关，该开关具有第一位置，当第二控制信号具有第二状态时，选取第一参考电压作为所选的参考电压，该开关还具有第二位置，当第二控制信号具有第一状态时，选取第二参考电压作为所选的参考电压。

5.如权利要求4所述的控制电路，其特征在于，参考电压选择电路还包括：

串联在第一电压和接地电势之间的第一、第二和第三电阻器，开关与第二电阻器并联，第一和第二参考电压在第二和第三电阻器之间的节点处产生；

其中开关在第一位置处关闭，使第二电阻器短接，产生第一参考电压，第一参考电压具有的电压值同第一和第三电阻器的电阻值成比例；并且

其中开关在第二位置处断开，产生第二参考电压，第二参考电压具有的电压值同第一、第二和第三电阻器的电阻值成比例。

6.如权利要求5所述的控制电路，其特征在于，第一电压包括一个带隙电压。

7.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，通过监控流经低端开关的电流，低端电流信号在输出节点处探测到轻负载环境，当流经低端开关的电流低于预设的阈值水平时，低端电流信号具有第一状态。

8.如权利要求7所述的控制电路，其特征在于，低端开关包括一个MOSFET器件，低端电流信号通过监控MOSFET器件漏极端和源极端的电压，产生低端电流信号，确定流经低端开关的电流。

9.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，反馈电压是调制的输出电压的一个分压。

10.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，第二参考电压的电压值，用于将调制输出电压的电压值调制到高于处在标准或重负载的环境下的调制输出电压的电压值。

11.一种在开关调节器中利用恒定导通时间体系控制主开关和低端开关的方法，其特征在于，所述开关调节器接收输入电压，主开关和低端开关驱动开关输出节点，产生开关输出电压，开关输出节点耦合到LC滤波电路上，产生调制的输出电压，在输出节点处具有基本恒定的幅值，调制的输出电压作为反馈电压，反馈到开关调节器，该方法包括：

开启主开关一段恒定的开启时间段，然后根据控制信号断开低端开关；

断开主开关一段最小的断开时间段，然后根据控制信号开启低端开关；

根据低端电流信号，为标准负载情况，选取第一参考电压为参考电压，为轻负载情况，选取第二参考电压为参考电压，具有第一状态的低端电流信号表示输出节点处的轻负载情况，第二参考电压大于第一参考电压；并且

产生控制信号，当反馈电压低于所选的参考电压，并且最小的断开时间段结束后，控制信号根据控制回路，开启主开关。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，根据控制回路，产生控制信号，开启主电源开关，包括：

将反馈电压与所选的参考电压相比较；

当反馈电压低于所选的参考电压时，产生具有第一状态的比较器输出信号；并且

当比较器输出信号具有第一状态，并且当最小的断开时间段结束后，产生控制信号，开启主开关。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，根据低端电流信号，为标准负载环境，选取第一参考电压作为所选的参考电压，为轻负载环境，选取第二参考电压作为所选的参考电压，包括：

产生具有第一状态的第二控制信号，由具有第一状态的低端电流信号触发的一段预设的时间段，表示输出节点处为轻负载环境，否则就具有第二状态；

当第二控制信号具有第二状态时，选取第一参考电压作为所选的参考电压；并且

当第二控制信号具有第一状态时，选取第二参考电压作为所选的参考电压。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：

监控流经低端开关的电流，当流经低端开关的电流低于预设的阈值水平时，低端电流信号具有第一状态。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，低端开关包括一个MOSFET器件，监控流经低端开关的电流包括：

监控MOSFET器件的漏极端和源极端上的电压，以确定流经低端开关的电流。

16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，反馈电压是调制的输出电压的一个分压。

17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，第二参考电压的电压值，用于将调制输出电压的电压值调制到高于处在标准或重负载的环境下的调制输出电压的电压值。

Images