CN103427640A - 具有负载检测的功率调节 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个实施例包含功率调节器系统（12）。所述系统（12）包含功率级（18），该功率级被配置为响应于输入电压和控制信号向负载（16）提供输出电压。所述系统（12）还包含反馈系统（20），该反馈系统接收输入电压并被配置为基于输出电压产生控制信号。所述系统（12）进一步包含负载检测器（22），该负载检测器被配置为确定负载的状态并基于确定负载（16）的状态而设置至反馈系统（20）的功率。

Description

具有负载检测的功率调节
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年5月23日提交的题为“ULTRA LOW QUIESCENTCURRENT BUCK REGULATOR FOR STANDBY CURRENTS”的美国临时专利申请61/650,924的权益，其整体通过引用合并于此。
技术领域
本发明总体涉及电子电路系统，并且具体涉及具有负载检测的功率调节器系统。
背景技术
通常期望以适于实现最优效率的方式实施供电系统。例如，以电池产生直流电源的有效供电系统可以延长电池的使用寿命。一些供电器应用可能包含在长持续时间内与可变负载一同运行。例如，在效用监测应用和/或包含远程传感器的应用中，期望电池寿命能够持续很多年（例如，15年到20年）。在这种应用中，由电源为其提供功率的电路在大多数时间处于空载或切断模式，从而唯一在运行的系统可能是监督定时系统（例如，实时时钟）。电路系统可以周期性地暂时切换到运行模式以执行功能，在此之后电路可以返回空载或切断模式。在空载或切断模式中，负载可能汲取非常微弱的电流，比如在大约0.5微安（μA）到1μA之间。在这种应用中在空载或切断模式下减小电流消耗可以将电池寿命延长一年或更多。
发明内容
本发明的一个方面包括一种功率调节器系统。该系统包括功率级，其被配置为响应于输入电压和控制信号向负载提供输出电压。该系统还包括反馈系统，其接收输入电压并被配置为基于输出电压产生控制信号。该系统还进一步包括负载检测器，其被配置为确定负载的状态并基于确定负载的状态而设置至反馈系统的功率。
本发明的另一个方面包括一种在功率调节器中节省功率的方法。该方法包括响应于输入电压和控制信号向负载提供输出电压。该方法还包括经由误差放大器比较基准电压和与输出电压相关联的反馈电压以生成控制信号并确定负载的状态。该方法还包括响应于确定负载的低负载状态而减小与误差放大器相关联的功率。
本发明的另一个方面包括一种功率调节器系统。该系统包括功率级，其被配置为响应于输入电压和控制信号向负载提供输出电压。该系统还包括含有误差放大器的反馈系统，该误差放大器接收输入电压并且被配置为基于基准电压和与输出电压相关联的反馈电压的比较而生成控制信号。该系统进一步包括负载检测器，其包含具有电容器电压的负载检测电容器，该负载检测电容器由电流源充电并被配置为响应于电容器电压增加超过预定阈值而指示负载的低负载状态，并响应于确定负载的低负载状态而减小误差放大器的偏置电流。
附图说明
图1是根据本发明的一方面的供电系统的示例。
图2是根据本发明的一方面的功率调节器的示例。
图3是根据本发明的一方面的负载检测器的示例。
图4是根据本发明的一方面用于在功率调节器系统中节省功率的方法的示例。
具体实施方式
本发明总体涉及电子电路系统，并且具体涉及具有负载检测的功率调节。一种功率调节器系统可以包含功率调节器，该功率调节器被配置为基于输入电压产生输出电压。作为一个示例，该功率调节器可以是基于比如由电池提供的直流输入电压产生直流输出电压的直流/直流调节器。该功率调节器可以包含功率级，该功率级可以被配置为开关级以响应于控制信号产生经过与负载耦合的电感器的电流。该功率调节器还可以包括反馈系统，该反馈系统被配置为基于基准电压和与输出电压关联的反馈电压产生控制信号，该控制信号可以由功率级中至少一个开关的脉宽调制（PWM）控制来实施。作为一个示例，该反馈系统可以包括误差放大器，该误差放大器被配置为比较基准电压和反馈电压以产生控制信号。
该功率调节器还可以包含负载检测器，该负载检测器被配置为确定负载的状态，其中功率调节器为该负载提供输出电压。作为一个示例，负载检测器可以确定低负载状态。例如，低负载状态可以基于负载检测器中由电流源充电的负载检测电容器来确定。负载检测电容器可以与功率级中低侧开关的操作基本同时放电。负载检测器可以基于与负载检测电容器相关联的电压增加超过预定阈值而确定低负载状态，例如基于在低负载下功率级没有切换而发生的情况。在非低负载状态下，反馈系统可以被提供基本满功率以提供对瞬态的快速响应，从而实现调节输出电压的基本最优效率。然而，响应于确定低负载状态，负载检测器可以被配置为设置反馈系统的功耗水平，例如通过减小误差放大器的静态电流来减小误差放大器的功耗。因此，在低负载状态下功耗可以被明显减少。
图1示出根据本发明的一方面的供电系统10的示例。供电系统10包括功率调节器12，该功率调节器被配置为基于输入电压VIN产生输出电压VOUT。输入电压VIN由可以被配置为例如电池的电源14提供。因此，输入电压VIN可以是直流电压，从而功率调节器12可以被配置为提供输出电压VOUT为直流电压的直流/直流功率调节器。例如，功率调节器12可以是降压开关调节器。输出电压VOUT被提供给可变负载16。作为一个示例，可变负载16可以对应于能够例如基于操作模式而改变的各种负载中的任何一种。例如，可变负载16可以对应于一个或更多个电路，所述电路可以在需要来自功率调节器12的满调节功率的正常操作模式下和例如需要来自功率调节器12的很低功率的备用或空载模式下运行。
在附图1的示例中，功率调节器12包括功率级18、反馈系统20和负载检测器22。功率级18可以包括各种电路元件，其被配置为基于对应于输出电压VOUT的调节幅值的控制信号产生输出电压VOUT。作为一个示例，功率级18可以包含由栅极驱动器分别控制（例如经由脉宽调制（PWM）控制）的高侧开关和低侧开关。反馈系统20可以包含误差放大器，该误差放大器被配置为比较基准电压和与输出电压VOUT相关联的反馈电压。
负载检测器22可以被配置为检测可变负载18的状态。作为一个示例，负载检测器22可以确定负载检测器22处于低负载状态，此时可变负载18的功率需求远远小于可变负载18在正常操作模式下的功率需求。例如，负载检测器22可以包含负载检测电容器，该负载检测电容器经由电流源以大约10纳安（nA）的电流充电，并且可以通过功率级18中的低侧开关基本同时被放电。因此，低负载状态可以基于负载检测电容器两端的电压增加超过预定阈值而被确定。例如，负载检测电容器两端的电压可以基于功率级18没有切换而增加，这例如可能发生在可变负载16的低负载幅值下。响应于确定低负载状态，负载检测器22可以被配置为设置反馈系统20的功率水平，例如基于减轻误差放大器的静态电流而减小误差放大器的功率。因此，在低负载状态下功耗可以被显著降低。
图2示出根据本发明的一方面的功率调节器50的示例。功率调节器50被配置为基于输入电压VIN产生输出电压VOUT。功率调节器50可以对应于图1示例中的功率调节器12。例如，输入电压VIN可以由电源14（例如电池）提供，并且输出电压VOUT可以被提供给可变负载16。因此，在下面对图2的示例的描述中将参考附图1的示例。
在图2的示例中，功率调节器50包括功率级52。功率级52包括分别被配置为高侧开关和低侧开关的P型金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）P1和N型MOSFET N1。高侧开关P1与输入电压VIN和开关节点54互连，并且低侧开关N1与开关节点54和如图2的示例显示为地线的低压干线（rail）互连。功率级52还包含栅极驱动器56，该栅极驱动器被配置为响应于控制信号CNTL分别通过高侧信号HS和低侧信号LS来控制高侧开关P1和低侧开关N1。例如，栅极驱动器56可以基于控制信号CNTL实现高侧开关P1和低侧开关N1的PWM控制。因此，栅极驱动器56可以被配置为交替激活高侧开关P1和低侧开关N1以产生经过电感器L1的电流，从而产生输出电容器C1两端的输出电压VOUT。作为另一个示例，虽然高侧开关P1在图2的示例中被显示为P型MOSFET，但可以替换地使用例如自举栅极驱动技术将高侧开关P1设计为N型MOSFET。
功率级52还包括耦合在低侧开关N1两端的过零比较器57。因此过零比较器57被配置为检测流经低侧开关N1的接近为零的电流并检测电感器L1中存储的能量的基本完全释放（例如，零位电流）。这种流经低侧开关N1和电感器L1的零位电流可能源自于基于负载的功耗的高负载状态（例如，在功率调节器50的正常操作条件下）。因此过零比较器57可以使提供给栅极驱动器56以指示流过低侧开关N1的零位电流的信号0X无效（de-assert）。响应于信号0X的无效，栅极驱动器56可以停用低侧开关N1。高侧开关P1和低侧开关N1都可以保持停用直到输出电压VOUT再次降低到小于基准电压VREF的幅值。然后高侧开关P1接下来再次被激活以提供流经电感器L1的电流。因此，功率级52可以在断续传导模式（DCM）下工作以充分提高效率。
功率调节器50还包含反馈系统58。反馈系统58包含带隙发生器60，该带隙发生器被配置为根据输入电压VIN产生基准电压VREF。反馈系统58还包含误差放大器62，该误差放大器被配置为比较基准电压VREF和与输出电压VOUT相关联的反馈电压VFB以产生控制信号CNTL。在图2的示例中，反馈电压VFB是通过由功率级52中的第一电阻器R1和第二电阻器R2形成的分压器产生的。误差放大器62由输入电压VIN提供电力，并且因此从电源14汲取静态电流来偏置该放大器。作为一个示例，在正常操作模式下，功率级52将基本正常的功率水平提供给具有对应于正常操作的状态（例如，高负载状态）的可变负载16，误差放大器62可以被偏置以汲取微安级电流（例如，大约2μA），这可能对于误差放大器62的最佳操作是足够的。结果，通过与低负载状态相比更高的静态电流偏置的误差放大器62可以在比较基准电压VREF与反馈电压VFB以产生用于功率调节器50的有效（例如，更优）操作的控制信号CNTL时足够快速地操作。
此外，功率调节器50包括负载检测器64。负载检测器64可以被配置为监测低侧信号LS并产生能够表示可变负载16的负载状态的信号LO-LD。作为一个示例，信号LO-LD可以表示可变负载16的低负载状态，例如可能源自于可变负载16被切换到空载或睡眠模式。信号LO-LD被提供给反馈系统58中的误差放大器62以便设置误差放大器62的功率。例如，响应于确定可变负载16的低负载状态的发生，负载检测器64可以被配置为使信号LO-LD有效以减小从输入电压VIN（例如，电源14）提供给误差放大器62的静态电流。例如，信号LO-LD可以被提供给增加输入电压VIN与误差放大器62的电子器件之间的电阻的开关。结果，提供给误差放大器62的静态电流可以被减小以汲取纳安级（例如，大约150nA）的电流，从而显著降低在可变负载16的低负载状态期间的功率调节器50的功耗。因为可变负载16的低负载状态可以表示可变负载的空载或睡眠模式，误差放大器62可能不需要对瞬态实施快速反应以调节输出电压VOUT，因此可以在低负载状态下以显著减小的功率保持有效的适当操作来调节输出电压VOUT。
应该理解的是功率调节器50将不限于图2中的示例。作为一个示例，功率级52可以包含附加电路组件例如续流二极管以促进输出电压VOUT的调节。因此，能够以多种方式配置功率调节器50。此外，应该理解的是功率调节器50可以实现为集成电路（IC）或其中的一部分，从而功率调节器50可以在IC芯片中实施。例如，电感器L1可以被配置为芯片电感器。
图3示出根据本发明的一个方面的负载检测器100的示例。负载检测器100可以对应于图2的示例中的负载检测器64。因此，在以下描述图3的示例时将参照图2的示例。
负载检测器100包含使节点102和低压干线（rail）（在图3的示例中显示为地线）互连的N型FET N2。N-FET N2包含由低侧信号LS控制的栅极。因此，N-FET N2和低侧开关N1基本同时被激活，例如响应于反馈电压VFB大于基准电压VREF。负载检测器100还包含使输入电压VIN和节点102互连的电流源104以及使节点102和低压干线互连的负载检测电容器C2。作为一个示例，电流源104可以被配置为提供具有很低电流强度（例如，约40nA）的电流I1来为负载检测电容器C2充电。作为另一个示例，负载检测电容器C2可以具有在持续时间上足以指示可变负载16的低负载状态的时间常数（例如，大约100微秒（μsec）），这将在下文中详细描述。
当低侧开关N1并且因此N-FET N2被停用时，例如响应于过零比较器57确定流过低侧开关N1并因此流过电感器L1的基本零位电流，由电流源104提供的电流I1缓慢地为负载检测电容器C2充电。结果，负载检测电容器C2两端的电压VLD随着时间开始增加。在图3的示例中，负载检测器100还包含第一反相器106和第二反相器108。第一反相器106被显示为包含P型FETP2和N型FET N3。第一反相器106的输入端耦合到节点102并且在节点110处具有输出端。第一反相器106还包含电阻器R3，该电阻器R3将P-FET P2和节点110互连并被配置为当电压VLD增加时减小流过P-FET P2的电流。响应于电压VLD增加超过预定阈值，N-FET N3被激活，因此将节点110耦合到低压干线从而将节点110设置为逻辑低状态。因此，第二反相器108倒置节点110处的逻辑低状态以使信号LO-LD有效。相应地，基于电流源104为负载检测电容器C2充电达到预定的持续时间，负载检测器100响应于电压VLD增加超过预定阈值而指示低负载状态。
如前所述，N-FET N2和低侧开关N1经由低侧信号LS同时被激活。在可变负载16的非低负载状态期间且在功率调节器50的正常操作模式期间，高侧开关P1和低侧开关N1可以分别迅速交替激活以产生流经电感器L1的足够强度的电流，从而提供必要数量的功率来满足可变负载16对功率需求的基本量。当激活N-FET N2后，N-FET N2将节点102耦合到低压干线，由此将负载检测电容器C2放电。因此电压VLD降低到预定幅值以下以停用N-FET N3并激活P-FET P2，由此将节点110耦合到输入电压VIN以将节点110置于逻辑高状态。第二反相器108倒置节点110处的逻辑高状态以使信号LO-LD无效，因此指示可变负载16不再处于低负载状态。在非低负载状态下，误差放大器62消耗更多功率并且可以对负载条件的改变作出更快响应，例如与低负载状态相比提供改进的调节。
相应地，负载检测器100被配置为基于监控低侧信号LS和由此低侧开关N1的动作而确定可变负载16的状态。例如，在可变负载16的低负载状态下，例如在可变负载16的空载或者睡眠模式下，可变负载16的幅值可以接近为零，从而流经电感器L1的电流几乎为零。结果，高侧开关P1和低侧开关N1很少被激活，并因此导致负载检测器100基于电压VLD增加并保持超过预定阈值一段较长的时间而指示低负载状态。相应地，误差放大器62的功耗可以基于限制从输入电压VIN流到误差放大器62的静态电流而被减小。作为另一个示例，在可变负载16的非低负载状态下，例如在可变负载16的正常操作模式期间，可变负载16可以有明显更大的幅值，从而高侧和低侧开关P1和N1可以充分快速地激活以产生流过电感器L1的足够电流，以便满足可变负载16的功率需求。因此，基于N-FET N2被激活以便在VLD增加超过预定阈值之前将负载检测电容器C2放电，负载检测器100可以使信号LO-LD无效以指示非低负载状态。相应地，从输入电压VIN流到误差放大器62的静态电流可以被增加以允许精确地和充分地调整输出电压VOUT。
应该理解的是负载检测器100将不限于图3中的示例。例如，负载检测器100可以被配置为指示高负载状态而不是低负载状态。例如，负载检测器100可以在第二反相器108的输出端包含附加的反相器，从而负载检测器可以使高负载信号有效，该高负载信号可以被提供给误差放大器62以增加误差放大器62的电流消耗。此外或可替换地，负载检测器100可以使用高侧信号HS实现类似的检测实施例。相应地，负载检测器100可以以多种方式实现。
鉴于以上所描述的结构和功能特征，可以参考图4更好的领会某些方法。应该理解和领会的是所描述的步骤在其它的实施例中可能以不同的顺序发生或者与其它步骤同时发生。此外，在实现某一方法时并不是所有描述的特征都需要。
图4示出用于通信系统中同步通信的方法200的示例。在202中，响应于输入电压（例如，输入电压VIN）和控制信号（例如，控制信号CNTL）将输出电压（例如，输出电压VOUT）提供给负载（例如，可变负载16）。在204中，经由误差放大器（例如，误差放大器62）比较基准电压（例如，基准电压VREF）和与输出电压相关联的反馈电压（例如，反馈电压VFB）以产生控制信号。在206中，确定负载的状态。确定负载的状态可以是确定低负载状态。在208中，响应于确定负载的低负载状态而减小与误差放大器相关联的功率。可以通过减小从输入电压流到误差放大器的静态电流来减小功率。
以上所述是本发明的示例。当然，为了描述本发明的目的，不可能描述所有可能想到的组件或方法的组合，但本领域技术人员将认识到本发明更多的组合和排列是可能的。因此，本发明希望包含所有落入包括随附权利要求的本申请的范围内的所有此类改变、修改及变化。

Claims (20)

1.一种功率调节器系统，其包含：
功率级，其被配置为响应于输入电压和控制信号向负载提供输出电压；
反馈系统，其被配置为接收所述输入电压并基于所述输出电压产生所述控制信号；以及
负载检测器，其被配置为确定所述负载的状态并基于确定所述负载的状态而设置至所述反馈系统的功率。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述负载检测器被配置为响应于确定所述负载的低负载状态而减小所述反馈系统的偏置电流。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述反馈系统包含误差放大器，该误差放大器被配置为基于基准电压和与所述输出电压关联的反馈电压之间的比较产生所述控制信号。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述负载检测器被配置为响应于确定所述负载的低负载状态而减小所述误差放大器的偏置电流。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述负载检测器包含由电流源充电的负载检测电容器，所述负载检测电容器以基于所述负载的状态的速率放电。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述功率级被配置为包含高侧开关和低侧开关的开关功率级，所述高侧开关和低侧开关被配置为提供通过电感器的电流以产生所述输出电压，其中所述负载检测电容器基于所述低侧开关的操作而放电。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述负载检测器包含连接在所述负载检测电容器两端的开关，所述开关与所述低侧开关基本同时被激活以将其电容器电压放电。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述功率级进一步包含过零比较器，该过零比较器被配置为检测流经所述电感器的零位电流并响应于检测流经所述电感器的所述零位电流使所述低侧开关停用。
9.根据权利要求5所述的系统，其中所述负载检测电容器耦合到具有对应于所述电容器两端的电压的节点电压的节点，所述节点电压随着所述负载检测电容器被所述电流源充电而增加，所述负载检测器进一步包含反相器，所述反相器耦合到所述节点并被配合为响应于所述负载电压增加超过预定阈值而指示所述负载的低负载状态和响应于所述负载检测电容器的放电而指示所述负载的非低负载状态。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述至少一个反相器包含阻尼电阻器以减弱流经所述至少一个反相器的电流。
11.一种集成电路即IC芯片，其包含如权利要求1所述的功率调节器系统。
12.一种在功率调节器中节省功率的方法，所述方法包含：
响应于输入电压和控制信号向负载提供输出电压；
经由误差放大器比较基准电压和与所述输出电压相关联的反馈电压以产生所述控制信号；
确定所述负载的状态；以及
响应于确定所述负载的低负载状态而减小与所述误差放大器相关联的功率。
13.根据权利要求12所述的方法，其中减小与所述误差放大器相关联的功率包括响应于所述低负载状态而减小所述误差放大器的偏置电流。
14.根据权利要求12所述的方法，其中确定所述负载的状态包含：
由电流源对负载检测电容器充电以提供电容器电压；
基于响应所述控制信号的开关的操作而对所述电容器电压放电；以及
基于所述电容器电压增加超过预定阈值而指示所述低负载状态，并且如果所述电容器电压低于所述预定阈值则指示非低负载状态。
15.根据权利要求14所述的方法，其中指示所述低负载状态包含经由反相器提供数字负载状态信号。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述功率调节器包含基于所述控制信号进行操作的高侧开关和低侧开关，所述方法进一步包含：
根据与所述功率调节器相关联的低侧开关的操作将所述负载检测电容器放电；以及
响应于将所述负载检测电容放电而停止指示所述低负载状态并指示非低负载状态。
17.一种功率调节器系统，其包含：
功率级，其被配置为响应于输入电压和控制信号向负载提供输出电压；
反馈系统，其包含误差放大器，所述误差放大器接收所述输入电压并且被配置为基于基准电压和与所述输出电压相关联的反馈电压之间的比较产生控制信号；以及
负载检测器，其包含具有电容器电压的负载检测电容器，所述负载检测电容器由电流源充电并且被配置为响应于所述电容器电压增加超过预定阈值而指示所述负载的低负载状态，并且响应于确定所述负载的所述低负载状态而减小所述误差放大器的偏置电流。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述功率级被配置为开关功率级，所述开关功率级包含被配置为提供通过电感器的电流以产生所述输出电压的高侧开关和低侧开关，其中所述负载检测电容器基于所述低侧开关的激活而放电。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述负载检测器包含连接在所述负载检测电容器两端的开关，所述开关与所述低侧开关基本同时被激活。
20.根据权利要求17所述的系统，其中所述负载检测器进一步包含反相器，所述反相器耦合到所述负载检测电容器并且被配置为响应于所述电容器电压增加超过所述预定阈值而指示所述低负载状态。
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