CN103647436A - 一种在开关稳压器中降低静态电流的电路 - Google Patents

Abstract

一种在开关稳压器中降低静态电流的电路，提供了一种工作在降低了静态电流水平的开关式稳压电路。该电压稳压器包括一个控制电路和连接、断开滤波电路的控制电路的开关元件。当稳压器在待机模式下，控制电路中的误差放大器放置在一个微操作状态来降低静态电流。

Description

一种在开关稳压器中降低静态电流的电路

技术领域：

本发明涉及一种电压稳压器。更特别地，本发明涉及降低开关稳压器的静态电流的电路和方法。

背景技术：

一个电压稳压器的目的是通过一个不具体指定的脉动电压源提供给负载一个预定的、大致上恒定的输出电压。一种常用来完成这项任务的电压稳压器是一种开关稳压器。开关稳压器通常安装有一个开关元件（例如，一个功率晶体管）和耦合电压源与负载之间的电感器。开关稳压器由开关元件的开启和关闭调节负载两端的电压，电源通过开关元件，且以不连续的电流脉冲形式传送到电感。然后电感和输出电容器将这些脉冲电流转变为稳定负载电流，以达到负载电压的调节。

为了产生一股电流脉冲，开关稳压器包括命令开关元件的打开和关闭控制电路。开关元件的占空比（即开关元件打开的时间，相对于一个开/关周期的数量），控制着负载电流的流动，可以用各种方法改变。例如占空比可以通过改变脉冲流的频率、改变每个电流脉冲打开或者关闭的时间、或通过改变每个电流脉冲打开或者关闭的时间和改变脉冲流的频率。

因为开关稳压器能够在高水平的效率下运转，所以他们经常用在电池的供电系统，如笔记本电脑、移动电话、手持仪器。在这样的系统中，当电路提供接近其额定输出电流，整个电路的效率通常很高。然而，这种效率大体上都是当开关稳压器提供少量的电流，输出电流减小的功能体现。这种效率的降低是由于关于开关稳压器工作的损耗。这些损耗包括，除其他外，静态电流的损耗，在开关稳压器的控制电路处的损耗，开关元件处的损耗，开关元件驱动的损耗，和电感/变压器绕组和铁心的损耗。

低输出电流的开关稳压器的效率降低是电路设计者们所关心的。这是因为它是常见的电池供电设备中的短时间高功率使用经历（即，较大的电流必须提供给负载的一段时间），其次是低功率长时间使用（即，“待机”的时间是在一个很小的负载电流下，但是必须保持可控的输出电压的时间）。如果待机时间远远超过使用周期，静态电流（即，当输出空载，但仍然在电压调节中的，流入开关稳压器的输入电流）将确定电池的有效寿命。因此，降低静态电流消耗来尽可能延长电池寿命是可取的。

在过去，许多技术已被用来减少开关稳压器在待机期间的静态电流损失，使用一个控制电路，包括用于监测调节输出信号的比较器电路，误差放大器。当误差放大器的输出低于阈值电压，稳压器关闭它的一些内部电路来降低静态电流水平。

点放模式降低静态电流，认为一个典型的开关稳压器的效率下降，当负载减少，因为在一个不依赖于负载大小的开关驱动电路中的固定电源是一种浪费。这些开关稳压器通过保持开关晶体管关闭来减少静态电流，并且当负载电流下降到低于某一定值时，关闭不必要的内部电路。

如图1所示,一个现有技术的典型的电流模式降压开关稳压器100使用点放模式操作。电压稳压器100包括一个输出电路110，控制电路130和滤波电路125。

图1的电压稳压器的操作如下，开关定时电路101（可以是一个单触发，一个振荡器，或任何其他合适的电路）在控制电路130提供控制信号开关打开，来置位一个锁存器104。当锁存器104被置位时，开关驱动器106提供了一个信号输出电路110，使开关108输出电路110打开，并从输入电压源V_IN提供电流到输出节点117。锁存器104保持置位状态直到一个电流比较器102的输出信号使锁存器104复位。在复位后，锁存器104使开关108关闭，电流不再是从V_IN流出。电流比较器102通过比较输出电路110的电流信号（I_L）和由一个误差放大器122的控制电路130产生（在下面更详细的讨论）的电流阈值（I_TH）复位锁存器104。

输出电路110的主要目的是在控制电路130导向下提供电流脉冲，和将电流脉冲转化为恒定输出电流。输出电路110包括耦合到V_IN和节点109的电源开关108，耦合节点109和地电势的一个钳位二极管112，耦合到节点109和输出节点117的电感114，耦合到输出节点117和地电势的电容116，并通过电阻118和120耦合到节点117和地电势，形成一个电压分频器。虽然图1和图2中的开关元件108被描述为一个场效应晶体管（FET），如果需要的话，也可以使用其他合适的开关元件。

输出电路110的操作可分为两个阶段。第一是当电源开关108打开，第二个是当电源开关关闭时。在打开的期间内，电流从V_IN通过开关108流过电感器114到输出节点117。这一时间里，二极管112反向偏置。然而，在108关闭电源开关之后，仍有电流流过电感114。之前从V_IN通过开关108的电流路径现在是开路，使电压节点109下降，钳位二极管112正向偏置，并且开始导通。这保持闭合回路电流通过负载（未显示）。当电源开关108再次打开，节点109电压升高，二极管112反向偏置，变成截止状态。

如图1所示，误差放大器122控制电路130中，通过电阻118和120产生的反馈信号V_FB，感测稳压器100的输出电压。误差放大器122也被连接到放大器122，是一个很好的跨导放大器，将V_FB与一个连接到放大器122的参考电压（V_REF）进行比较。在比较后产生一个输出信号I_TH。信号I_TH被由耦合到电流比较器102的输入的电阻126和电容器124组成的滤波电路125过滤。用I_TH的值设置电流比较器102的回差电压。

控制电路130中的一个滞回比较器128，还耦合到误差放大器122的输出并且接收滤波信号I_TH。滞回比较器128显示I_TH，作为负载电流的指示和比较滤波信号I_TH和另一个滞回比较器128的输入端连接的电压V₁。当它理想地保持稳压器100在正常工作模式，V₁通常设置为代表最小电流的值。这是通常电流稳压器的100的最大额定输出的一小部分。当I_TH与下降到或低于V₁的值时，滞回比较器128回差，发送一个休眠信号到电流比较器和开关102定时电路101的关闭使能输入。这种关闭电流比较器和开关102定时电路101使开关108保持关闭，因此使得电压稳压器100处于待机模式，从而降低静态电流。在待机模式时，电容器116支持负载并且无切换损失。当输出电压V_OUT已经慢慢地消失，在滞回比较器128滞后作用下，造成I_TH电压的增加，取消滞回比较器128的输出的休眠状态，恢复正常运作。

当一个大的荷载阶跃施加电压稳压器100，引起稳压器100产生电流的增加。这会产生轻微的V_FB值的减少，反过来，I_TH增加。I_TH的增加抬高了电流比较器102的阈值点，从而导致稳压器为匹配负载电流提供的所需的电流的增加。

然而，当需求负载电流减小，在控制电路130的导向下，每个周期开关元件108将继续打开，但是为了使开关元件108在更低的电流下关闭，I_TH值会减少。因此开关元件108继续在同一频率工作，但它因为负载电流减小而产生更小的电流，使开关损耗成为一个占较大的比例输出功率。

当负载电流进一步降低，I_TH周期性地低于V₁并且电压稳压器100开始进入待机时间。当负载电流下降的需求更进一步，待机时间变长。最后，电压稳压器100进入延长待机状态，基本上没有电流供给负载。当这种情况发生时，操作的时间间隔变得非常少，电压稳压器100的输入电流是仅仅由基本的静态电流定义。

一个非常重要的限制电压稳压器100的静态电流量减少的条件是，当从待机模式转换到正常操作模式，需要误差放大器122快速转换滤波电路125。这样的转变是必要的，例如，当一个大的荷载阶跃，出现在待机期间的电压稳压器100上。如果误差放大器122的输出电流不能很快地在载电流流转到输出电容116时转到滤波电路125，待机时间的恢复时间会延长。这种很不理想的情况会导致输出电压（V_OUT）下冲。

此外，由于电容器126的值通常是足够大，使得滤波电路125提供了足够的过滤，回转滤波电路125需要一个有较大的输出电流能力的误差放大器122。因此，放大器122必须能提供这个电流，稳压器100可以快速响应大的荷载阶跃，甚至当它处于待机状态。所以，即使稳压器100在待机状态的大部分时间，放大器122也必须产生基本数量的静态电流。

其它现有的电压调节器在低静态电流操作也是目前可用的。例如，在待机模式下通过与微功率比较器，采用电压基准作为一个固定的比较器阈值代替上述误差放大器。这种类型的调节决定何时进入和退出待机时间比较负载电压（这是表示负载电流）与固定的参考电压。因此，在待机期间，只有固定的参考电压，微功率比较器电路是活跃的，这大大降低了静态电流稳压器所需的。然而，因为这种类型的稳压器通常采用一个固定的电流阈值，不能适应性地随着负载电流增大而增加阈值，这可能会限制大电流需求的稳压器响应。

综上所述，需要提供用于操作开关模式稳压器待机期间以一个非常低的静态电流水平工作，并且提供大的输出电流在正常操作期间的电路和方法。

它还需要提供允许在开关稳压器低输出电流快速过渡的电路和方法，在过渡期内利用在开关稳压器控制电路的响应时间，从非常低功耗状态（待机或点放模式）到一个高电流输出状态。

发明内容：

因此，本发明的目的是提供一种方法和电路在待机期间有一个非常低的静态电流并且在正常操作期间提供大的输出电流操作开关稳压器。

这是本发明的另一个对象提供允许在开关稳压器的快速过渡的电路和方法，低输出电流的、非常低的功率消耗（待机模式）到一个高电流或正常的输出状态，在过渡期内优化电压稳压器反馈电路的响应时间。

本发明的技术解决方案：

在本发明的这些和其他物体中，描述一个能够降低静态电流的开关稳压器。该电压调节器包括一个控制电路中的误差放大器，来监控电感的电流作为输出电流的指示（虽然电压模式的稳压器也可以）。当输出电流下降到低于预定值，误差放大器的输出也下降到阈值，电压稳压器进入待机操作模式，这时的晶体管的开关保持关闭，不必要的电路关闭以降低静态电流消耗。此外，在待机模式时，误差放大器是放置在一个微操作状态以进一步降低电流消耗，耦合到误差放大器的滤波电路断开，并且耦合到一个“停车”电压。它是在微操作状态，这个断开操作减少了误差放大器电容负载，使放大器在退出待机模式，迅速转换以达到响应快速变化的输出要求。停车电压恰好是在这个值，所以当恢复正常运作，滤波器电路耦合到误差放大器，电压稳压器不会立即过渡到待机模式。只有当误差放大器的输出电流在正常电流下操作，电压稳压器才将重新进入点放模式，这样回转到低于在待机模式的阈值。

对比专利文献：CN201274461Y低静态电流电子控制开关200820152243.7

附图说明：

本发明的上述和其他对象和优点将是显而易见的，在下面详细描述，在两者的结合中所附的图纸，如参考字部分贯穿始终，其中：

图1是一个现有的开关稳压器电路原理图。

图2是本发明的一个开关稳压器的一个示范性实例基本构造示意图。

图3是本发明的一个开关电路的一个实例中的基本构造示意图。

具体实施方式：

电流模式开关稳压器200，这是与本发明的原理构建，如图2所示。如图1，图2的调节器包括开关定时电路101，电流比较器102，锁存器104，开关驱动器106，输出段110和比较器128。

相比起图1中的稳压器，稳压器200得到了改进，然而，由双位开关127、滤波电路225和误差放大器222的添加（取代了误差放大器122），有选择性地使用微功率模式。如图2所示，开关127（更好的可以使用传输门（图3），如果需要的话，基本上可用于任何常规的开关电路），耦合到选择性地连接滤波电路225（即，开关127、电阻124和电容器126）到误差放大器222的输出（位置A）或停车电压V_P（位置B）。开关127由比较器128产生的休眠信号控制。休眠信号也被耦合到一个误差放大器222的微使能输入223，选择性地控制误差放大器是否在一个正常的或微操作的状态。

如图3所示，开关127可以使用并行耦合传输门300和310实现。300和310传输门可能包括N沟道MOSFET（NMOS）330和P沟道MOSFET（PMOS）320相互连接，使得PMOS320的漏极连接到NMOS管330的源极，反之亦然（虽然这可能在工作中作为“开关”）。反相器350连接传输门300中晶体管之间的门（例如，PMOS320和NMOS330），一个信号施加到一个晶体管的栅极（例如，PMOS320）在另一晶体管的栅极反相（例如，NMOS330）。这允许传输门300晶体管被打开或关闭时，分别控制输入340是低（非有效的）或高（有效的）。相反的传输门310也是（即，当控制输入是低，门310是关闭的，当控制输入是高，门310是打开的）。

如图3所示，在误差放大器222的输出，传输门310的输入311连接到停车电压V_P（位置B）和传输门300的输入301连接到I_TH信号（位置A）。控制输入340在比较器128的输出连接到休眠信号和传输门300和310门内的PMOS和NMOS晶体管。如果应用到控制输入340的信号是在低电平解除有效，传输门310中的NMOS330’和PMOS320’是关闭的，传输门300中NMOS330和PMOS320是打开的。这允许误差放大器222的输出信号I_TH通过传输门300的输入301到输出302。在这种方式中，滤波电路225可以被选择性地连接到误差放大器222的输出。

然而，如果应用到控制输入340是高电平有效，当传输门300中NMOS330和PMOS320是关闭的，传输门310的NMOS330’和PMOS320’是打开的。这允许停车电压V_P从传送门310的输入311到输出312。在这种方式中，滤波电路225可以有选择地连接到停车电压V_P。因为只有一个NMOS和PMOS晶体管传输门（300或310）可以在任何时间，停车电压V_P或与误差放大器222的输出信号I_TH都可以连接到过滤器225。

虽然图3的电路使用PMOS晶体管，PMOS320和PMOS320’，在本行业中从事技术工作的人们能够认可，传输门300和310可以只在V_P与电压I_TH约一伏或更低的有效休眠信号的情况下使用NMOS晶体管330和330’。

在正常操作过程中，当稳压器200向大负载电流提供介质，I_TH电压高于阈值电压V₁和休眠的信号是低电平有效，造成开关127在A位置。A位置时，滤波电路225的滤波元件（如电阻124和电容器126）连接到误差放大器222的输出，稳压器100的工作与图1所示的相同。如图1中的，负载电流的降低也会导致I_TH减少直至电压V₁。当这种情况发生时，滞回比较器128回差，休眠信号是发生器200处在待机状态。在这种状态下，如在图1的情况下，开关晶体管108保持关闭，开关定时电路101和比较器102也关闭了。然而，此外，有效的休眠信号：（1）开关127位置到位置B，从而断开耦合到滤波器电路225的I_TH并且使滤波器电路225耦合到停车电压V_P（2）引起误差放大器222进入微功率操作模式（通过微功率使能输入223的有效地的休眠信号）。当误差放大器222在微功率模式，其工作电流减少很大的倍数（例如，10或更多），以减少其静态电流到可与一个低功耗比较器相比较。

在爆发的瞬间，滞回比较器128回差到有效的休眠信号，误差放大器222的输出端灌电流，造成电容器126的上的电压放电。当滤波电路225和误差放大器222的输出断开，任何多余的灌电流使I_TH进一步下降，保证待机时间将继续。因为休眠信号也使误差放大器处在微功率状态，从而使放大器缺乏工作电流，其转换电流荷载的能力（例如，电容负载）严重受损。然而，由于滤波电路225已和误差放大器222的输出断开，误差放大器不再进入滤波电路225的一个重要的容性负载。因此，切换开关127从A位置打到位置B，大大降低了控制电路130的容性负载。因此，当V_OUT在待机期间减少，误差放大器222减少的输出电流仍足以迅速转换无负载的I_TH线路。当与I_TH随后增加超过所述V₁（加上比较器128的滞后），休眠信号再次成为非有效，稳压器200恢复正常的工作。

在待机期间，开关127使滤波器225耦合到停车电压V_P。这个电压是最好略大于V₁，所以当退出待机模式后，滤波器电路225重新连接到误差放大器222的输出，I_TH上的电压高于阈值电压V₁。这防止了比较器128立即回差，随后稳压器200过早（不良）重新进入待机模式。在休眠信号的值变为有效后，稳压器200将再次进入待机模式，只有当误差放大器222有输出，才在其正常状态运行，然后流转到I_TH低于V₁。以这种方式，可以获得非常小的V_OUT纹波的待机模式，这样V_OUT不必增加很大，为了误差放大器222连接滤波电路225让I_TH从V_P转换到V₁，不必减小很大，为了误差放大器222断开连接滤波电路225让I_TH回到V₁。

因此，当需要大电流的一个不需牺牲的响应时间时，公开降低静态电流的开关稳压器。虽然本发明已在降压的情况下说明（降压）开关稳压器，它是任何其他拓扑稳压器，如升压、降压-升压同样适用，或反相。同样，本发明已在一个电流模式的稳压回路中的说明，但也可以用一个电压模式的稳压回路。

它也可以理解的是，“有效”和“非有效”用在这里为方便起见，并没有固定的逻辑层次。例如，当需要时，一个信号可以是高或低有效（非有效是相反的方式）的，基本上不影响本发明公开的操作。

根据本发明原则，人们会发现，它还可以被应用于其他的电路，为说明起见，本发明不受限制，只受本发明的权利要求所限制。

Claims (5)

1.一种在开关稳压器中降低静态电流的电路，其特征是：（1）提供一个稳定的电压输出端（2）能够在低静态电流待机模式操作，开关稳压器电路包括：输出电路耦合到一个输入端并且在输出端产生一个指示稳定电压的反馈信号，所述的输出电路包括第一开关元件；一个控制电路耦合到所述输出电路，接收反馈信号，响应于所述的第一开关元件控制占空比的反馈信号，所述控制电路产生了一个第一控制信号；滤波电路响应于第二控制信号，当稳压器在待机模式下运行时，降低控制电路的电流负载消耗。

2.根据权利要求1所述的一种在开关稳压器中降低静态电流的电路，其特征是：所述的第二控制信号产生时，稳压器工作在待机模式；其中所述第二控制信号响应于第一控制信号，当第一控制信号表明提供到输出端的电流低于稳压器的最大额定输出电流；其中控制电路还包括一个误差放大器电路，可以选择地放置在一个微操作模式；为了降低稳压器的静态电流，当该误差放大器电路放置在微操作模式时，生成第二控制信号；控制电路还包括具有滞回比较电路，当所述的第一控制信号低于阈值电平时，所述的比较电路产生第二控制信号；其中滤波电路进一步包括一个第二开关元件；其中所述第二开关元件包括至少一个传输门；其中所述第二开关元件具有至少一个第一和一个第二开关位置，所述第二开关元件响应于第二控制信号；当所述的第二开关元件在第一位置时，所述的滤波电路耦合到所述控制电路；当第二开关元件的开关从所述第一开关位置切换到到所述第二开关位置，所述控制电路中的电流负载减少；当所述第二控制信号产生，所述第二开关元件的开关从该第一开关位置切换到第二开关位置；第二开关元件的第二开关位置，所述滤波电路被耦合到一个停止电压，使滤波电路保持充电到等于所述停止电压；其中控制电路还包括一个误差放大器电路，所述误差放大电路可以被选择地放置在一个微操作模式下，该误差放大器响应所述第二控制信号，当所述第二开关元件切换到所述第二开关位置时，误差放大器被放置在微操作模式，以减少稳压器的静态电流；所述停止电压大于阈值电压，所以当滤波电路不改变稳压器的正常操作模式回到待机模式，第二开关元件的开关从所述第二开关的位置切换到所述第一开关位置。

3.根据权利要求1所述的一种在开关稳压器中降低静态电流的电路：一个开关稳压器电路向负载提供稳压，所述开关稳压器电路包括：一个耦合到一个输入端和一个输出端的输出电路，来提供一个指示调节电压的反馈信号，包括第一开关元件的输出电路；控制电路耦合到所述输出电路接收该反馈信号，所述的输出电路包括一个第一开关元件；一个耦合到所述输出电路以接收反馈信号的第一控制电路，所述的控制电路向所述的输出电路提供在所述第一开关元件的反馈信号响应下的控制信号来控制占空比；耦合到所述控制电路的滤波电路，所述控制电路包括一个第二开关元件，连接和断开所述滤波电路；所述控制电路包括：一个误差放大器电路，它的一个输出耦合到所述滤波电路，它的一个输入耦合到所述反馈信号，它的第二输入耦合到一个参考电压；一个比较器电路，拥有一个输出，一个第一输入和第二输入，所述第一输入耦合到所述误差放大器的输出端，所述的第二输入端耦合到一个阈值电压；所述第二开关元件是由所述第一比较器控制的；所述误差放大器电路具有微功率使能输入，所述稳压器还包括所述第一比较器电路的输出和所述误差放大器电路的微功率使能输入之间的连接，这样，在所述第一比较器电路的指向下，所述误差放大器电路被放置在一个微操作模式；当所述误差放大器电路工作在微操作模式下，所述第二开关元件断开控制电路滤波电路和连接所述滤波电路到停止电压；控制电路还包括：开关时序电路具有一个输入和一个输出；第二比较器电路有第一输入端，第二输入端，和一个输出，所述第一输入耦合到所述误差放大电路的输出和所述输出电路的第二输入；第一输入耦合到所述第二比较器电路的输出、第二输入耦合到所述开关定时电路的输出、输出耦合到所述输出电路的逻辑电路；所述第二比较器电路的第二输入端被耦合到电感，以接收所述输出电路的中的电流信号；所述开关定时电路的输入是一个关闭使能输入，所述稳压器还包括所述第一比较器电路的输出和所述开关定时电路之间的连接，这样在所述第一比较器电路的指示下，所述开关定时电路关闭；所述第二比较器电路具有关断使能输入，所述电压调节器进一步包括所述第一比较器电路的输出和所述关闭使能输入之间的连接，这样在所述第一比较器电路的指示下，所述第二比较器关闭；所述开关定时电路包括一个振荡器电路，在输出电路开关中所述的第一开关元件中建立一个频率；所述的输出电路包括：耦合到所述第一开关元件的电感；耦合到所述第一开关元件和所述电感的二极管；耦合在输出端子和地之间的输出电容；所述第二开关元件断开滤波电路到控制电路的连接，连接所述滤波电路和停止电压，稳压器从正常的操作模式变化成待机模式；所述第二开关元件断开所述滤波电路和停止电压，连接控制电路到所述滤波电路，稳压器从待机模式变化成正常工作模式；停止电压大于阈值电压，所以当所述第二开关元件使滤波电路连接到停止电压控制电路，稳压器不从正常操作模式变回所述待机模式。

4.根据权利要求1所述的一种在开关稳压器中降低静态电流的电路：提供了一个稳压输出电流，在电压调节器降低静态电流的方法，该方法包括：在反馈信号的响应下，产生指示输出电流的第一控制信号；比较所述第一控制信号和阈值电压，当比较结果表明输出电流低于预定值时，产生第二控制信号；在所述第二控制信号的响应下，将所述的误差放大器放在微操作模式，所以减小了电压稳压器消耗的静态电流。

5.根据权利要求1所述的一种在开关稳压器中降低静态电流的电路：还包括一个选择性地连接和断开控制电路和滤波器电路的开关元件，所述方法包括在第二控制信号的响应下断开所述滤波电路和所述控制电路；其中所述控制电路包括电流比较器，还包括在所述第二控制信号的响应下关闭电流比较器；其中所述控制电路包括开关定时电路，还包括在所述第二控制信号的响应下关闭开关定时电路；所述的电压调节器进一步包括停车电压，所述方法还包括在所述第二控制信号响应下连接所述滤波器电路和所述停车电压，使得滤波器电路保持在一个电压基本上等于所述的停车电压；停车电压大于所述阈值电压，所述方法包括当所述第一控制信号变得大于所述阈值电压，断开所述滤波器电路和所述停车电压，重新连接所述滤波器电路和所述控制电路。

Images