CN1116732C - 直流－直流电源变换器的动态调节器及相关方法 - Google Patents

直流－直流电源变换器的动态调节器及相关方法 Download PDF

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Abstract

一种电子线路，包括连接到负载和dc-dc变换器上的动态调节器，以减少对电容的需求。动态调节器包括：电流注入电路以及电流吸收电路。动态调节器检测负载电压，并且跟踪负载电压。电流注入电路最好包括电流注入开关，以及电流注入控制器，其用于响应相对于跟踪负载电压迅速下降的负载电压，以操作电流注入开关。电流吸收电路包括电流吸收开关，以及电流吸收控制器，其用于响应相对于跟踪负载电压迅速上升的负载电压，以操作电流吸收开关。

Description

直流-直流电源变换器的动态调节器及
相关方法
本发明涉及电子学领域，并且尤其涉及直流-直流电源变换器及相关调节元件和电路，如用于给电子设备供电。
dc-dc(直流-直流)电源变换器广泛用于为电子设备提供电源，比如计算机、打印机等。这样的dc-dc电源变换器有多种配置，以从源电压中产生所期望的输出电压。比如，降压电源变换器产生低于源电压的输出电压。典型的降压变换器具有高的转换效率，相对简单，并且不需要输出变压器。
典型的降压变换器，比如包括本发明的受让人制作的HIP5020变换器控制器，是小型集成电路，并且高效易用。典型dc-dc电源变换器的脉宽调制(PWM)电路把时钟信号和来自误差放大器的信号作为输入。误差放大器控制输出电流的通与断，并因此控制传递到负载的电流和电压。
有许多商业应用期望的电压范围是在2-5伏之间较低的直流电压，比如给微处理器供电。参考图1，其表示了现有技术的电路10，并且包括dc-dc电源变换器12，其连接到以P6系列微处理器13形式的负载上。变换器12的电源由图示的充电电池11提供。然而，P6系列微处理器13会产生相当大的瞬变电流。比如，为节省更多的能量，这样的微处理器一般关掉未用的部分电路，比如在睡眠模式时。关掉电路会产生大的过量瞬变电流。而且，当微处理器从睡眠状态中唤醒时，微处理器13将产生大的过量瞬变电流，其量级为1安培/纳秒。
典型的dc-dc电源变换器12将需要5-100微秒以形成电流，脉宽调制控制的相对缓慢是部分原因。如图1所示，需要较大数量的电解电容14，如钽电容，用于存储电荷和提供电流。在图示的实施例中，使用了8个电容14。除了费用较高外，每个电容有相当大的接触面积15和体积，这样，加在一起会占据笔记本或者其它个人计算机中宝贵的、有限的空间。
本发明的一个目的是提供一种能降低瞬变电流的电子线路及有关方法，并且同时降低对较大容量和昂贵的无源电容的需求，这些电容原用于降低瞬变。
本发明的其它目的、优点及特征通过一种电子线路来提供，此电子线路包括连接到负载及dc-dc变换器上的动态调节器，其中动态调节器包括电流注入装置和电流吸收装置中的一个或两个，电流注入装置用于在负载需求瞬变电流时，主动地注入电流到负载；电流吸收装置用于在负载有过量瞬变电流时，主动地从负载吸收电流。尤其是，当相当大的负载电流需求瞬变时，电流注入装置会把电流注入到负载，以减低负载电压的瞬间下降，否则不会减低。相反，当负载有过量瞬变电流时，电流吸收装置会从负载吸收电流以降低负载电压的上升，否则将不会降低。
通常，动态调节器最好包括电压检测装置，用于检测负载电压，以及负载电压跟踪装置，用于跟踪负载电压。在一个实施例中，负载电压跟踪装置可以通过连接到负载的、相当直接的阻-容网络提供。
电流注入装置最好包括电流注入开关用于向负载注入电流，以及电流注入控制装置用于操作电流注入开关，其响应相对于跟踪电压迅速下降的负载电压。另外，电流注入控制装置配备了第一信号产生装置，其用于产生第一系数的、关于跟踪负载电压的第一比例跟踪信号，以及第一比较器，其用于操作第一电流注入开关，响应低于第一比例跟踪信号的测到的电压。
类似地，电流吸收装置可包括电流吸收开关用于从负载吸收电流，以及电流吸收控制装置用于操作电流吸收开关，其响应迅速超过跟踪负载电压的测到的负载电压。电流吸收控制装置配备了第二信号产生装置，用于产生第二系数的、关于跟踪负载电压的第二比例跟踪信号，以及第二比较器，用于操作电流吸收开关，其响应迅速超过第二比例跟踪信号的测到的负载电压。
R/C网络可包括一对可选择连接的电阻，用于设置较快或者较短的时间常数，以及较慢或者较长的时间常数，以跟踪负载电压。因此，动态调节器可进一步包括时间常数切换装置，用于响应超过第二比例跟踪信号的测到的电压，把快速时间常数切换到慢速时间常数。从而，快速时间常数用于快速跟踪任何负载脉动而不触发电流注入。一旦电流注入被触发，它就基于第二或者较慢时间常数而保持有效。对于负载过量瞬变电流的电流吸收，R/C网络操作相似。另外，对于快速时间常数，连接两个并联电阻；对于较慢时间常数，仅操作与电容串联的一个电阻，这时，时间常数可容易地切换。
在本发明的一个实施例中，dc-dc转换器包括一个第一集成电路，动态调节器包括一个第二集成电路。无论如何，本发明的负载电压动态调节允许用来降低瞬变电流所需的电容数量和/或尺寸大大减小。从而，正如很多应用所非常期望的，费用减少，重量降低，并且节省了宝贵的空间。
对一个负载来说，非常期望的方式是：具有一个电路，其在睡眠状态吸收较小的电流，以及在唤醒状态吸收相对大的电流。例如：这样的负载可以是一个微处理器。另外，这样的电路可以在引起相对大的负载电流瞬变的状态之间迅速切换。
本方法的一个特性，对于包括dc-dc变换器和所连接负载的一类电子线路的动态调节是有利的。本方法最好包括检测负载电压、跟踪负载电压、以及在基于相对于跟踪负载电压下降的测到的负载电压的负载需求瞬变电流时，主动注入电流这些步骤，从而减低负载电压下降，否则不会减低。主动注入电流的步骤包括操作电流注入开关，其响应相对于跟踪负载电压迅速下降的测到的负载电压。操作电流注入开关的步骤包括：产生第一系数的、关于跟踪负载电压的第一比例跟踪信号，以及操作电流注入开关，其响应低于第一比例跟踪信号的测到的电压。
跟踪负载电压的步骤包括以快速时间常数和慢速时间常数中的一个跟踪负载电压。从而，本方法更进一步包括响应低于第一比例跟踪信号的测到的电压，从快速时间常数切换到慢速时间常数的步骤。
本发明包括一种电子线路，其包括：dc-dc转换器和所连接负载，所述负载能够产生负载需求瞬变电流和负载过瞬变电流，一个连接到所述负载并包括电流注入装置和电流吸收装置的动态调节器，电流注入装置用于在负载需求瞬变电流时，主动地注入电流到负载，以减低负载电压的下降，否则不会减低，电流吸收装置用于在负载有过量瞬变电流时，主动地从负载吸收电流，以降低负载电压的上升，否则不会降低，其中所述动态调节器包括检测负载电压的电压检测装置，以及所述动态调节器更进一步包括跟踪负载电压的负载电压跟踪装置。
本发明也包括用于负载和所连接dc-dc转换器的动态调节器，负载能产生负载需求瞬变电流，所述动态调节器包括检测负载电压的电压检测装置，跟踪负载电压的负载电压跟踪装置，以及电流注入装置，其在基于相对于跟踪负载电压下降的测到的负载电压的负载需求瞬变电流时，主动注入电流，以减低负载电压下降，否则不会减低，其中所述电流注入装置包括电流注入开关，以及电流注入控制装置，其响应相对于跟踪负载电压迅速下降的测到的负载电压，来操作所述电流注入开关。
本发明更进一步包括用于负载和所连接dc-dc转换器的动态调节器，负载能够产生负载过瞬变电流，所述动态调节器包括检测负载电压的电压检测装置，跟踪负载电压的负载电压跟踪装置，电流吸收装置，其在基于相对于跟踪负载电压上升的测到的负载电压的负载有过量瞬变电流时，主动吸收电流，以降低负载电压上升，否则不会降低，其中所述电流吸收装置包括电流吸收开关，以及电流吸收控制装置，其响应相对于跟踪负载电压迅速上升的测到的负载电压，来操作所述电流吸收开关，以及所述电流吸收控制装置包括：第二信号产生装置和第二比较器，第二信号产生装置用于产生第二系数的、关于跟踪负载电压的第二比例跟踪信号，第二比较器用于响应超过第二比例跟踪信号的测到的负载电压，来操作所述电流注入开关。
适合地，本发明包括在由负载和所连接dc-dc变换器构成的电子线路中控制瞬变电流的一个方法，负载能够产生负载需求瞬变电流，此方法包括检测负载电压、跟踪负载电压以及在基于相对于跟踪负载电压下降的测到的负载电压的负载需求瞬变电流时，主动注入电流这些步骤，从而减低负载电压下降，否则会不会减低，其中主动注入电流的步骤包括操作电流注入开关，其响应相对于跟踪负载电压迅速下降的测到的负载电压。其中操作电流注入开关的步骤包括，产生第一系数的、关于跟踪负载电压的第一比例跟踪信号，以及操作电流注入开关，其响应低于第一比例跟踪信号的测到的电压。
下面将参考附图举例描述本发明，其中：
图1是现有技术的电子线路的原理框图，其使用了存储负载瞬变电流的一系列电容。
图2是根据本发明，使用了动态调节器的电子线路的原理框图。
图3是详细表示的、带有动态调节器的、在图2中表示的电子线路的原理线路框图。
图4是利用本发明和在例子中描述的不同电容组合的电压输出曲线图。
参考图2和3，电子线路20包括常规的降压dc-dc变换器22，其连接到电源，如充电电池21。变换器22的输出端通过图示电感芯27和电容24连接到微处理器负载23。变换器22可以是现有的常规类型中的任何一种，如包括本发明受让人的HIP5020控制器。dc-dc变换器22的脉宽调制和其它相关功能可以在密集的和高能效的集成电路组件中容易地实现。典型地，如果没有相当大数量的电解电容24，脉宽调制的dc-dc变换器22跟踪某些负载的较快瞬变，如微处理器负载，具有难度。
本发明用于微处理器负载23，其具有需要较小电流的睡眠状态和需要较大电流的唤醒状态。当由睡眠状态切换到唤醒状态时，负载23产生负载需求瞬变电流，其中负载需要的电流比变换器22所能提供的大。相反，当由唤醒状态切换到睡眠状态时，负载需要的电流比变换器所能提供的小。因此产生了负载过量瞬变电流。也就是说，这样的微处理器23会在状态之间迅速切换，而引起较大的负载电流瞬变。
动态调节器30允许电容24的数量在整个电路20中大大减少，这些电容典型地用于存储和为负载激励瞬变提供电流。在图示的实施例中，仅画出了一个电容24和其接触面25。
动态调节器30可包括电流注入装置和电流吸收装置中的一个或两个，电流注入装置用于在负载需求瞬变电流时，主动地注入电流到负载；电流吸收装置用于在负载有过量瞬变电流时，主动地从负载吸收电流。尤其是，当较大的负载需求瞬变电流时，电流注入装置会把电流注入到负载以减低负载电压的瞬间下降，否则不会减低。相反，当负载过量瞬变电流时，电流吸收装置会从负载吸收电流以降低负载电压的上升，否则不会降低。
动态调节器30连接到负载23以检测负载电压Vsense’，同时通过VOUT提供电流的注入和吸收。动态调节器30也包括复位电路32(POR)连接到VCC的电源和输入使能端EN。偏压电阻R3也连接晶体管Q1、Q2到VCC。实施例中，电源从PVCC提供给晶体管Q1，并且外电容C2也连接到PVCC。
动态调节器30的一个重要的部分和特征是包括了跟踪负载电压的负载电压跟踪装置。在一个最佳实施例中，负载电压跟踪装置由图示的连接到负载23的阻-容网络以相对直接的方式提供。在图示的实施例中，阻-容网络通过一对电阻R1、R2和在CAP端外接电容C1提供。在一个例子中，电阻R1可以是500欧姆，电阻R2可以是50欧姆，电容C1可以是0.1μf。第二个电阻R2可以选择性地与第一个电阻R1并联，以减少有效阻抗，并由此降低时间常数，这些将在下面详细解释。仅在电路中使用第一个电阻R1，时间常数将增加。
阻-容网络跟踪、或跟随平均负载电压，以使得：负载电压和/或脉动电压逐渐的改变，不必触发动态调节器30的操作，而动态调节器仅仅在相对急促和短持续时间的瞬变时运行。在较低负载电流时，脉动变得更为显著。阻-容网络也允许动态调节器30与多种具有不同运行电压的变换器22一起使用。
电流注入装置最好包括电流注入开关用于注入电流到负载，以及电流注入控制装置用于操作电流注入开关，其响应低于跟踪负载电压的负载电压。在图示实施例中，电流注入开关由双极性的晶体管Q1提供。可使用单个或多个晶体管，并且在其他实施例中，晶体管可以是场效应管。
电流注入控制装置配备了第一信号产生装置，用于产生第一比例系数的、关于跟踪负载电压的第一比例跟踪信号，以及第一比较器33，用于操作第一电流注入开关Q1，响应第一比例跟踪信号与测到的负载电压的比较。在图示实施例中，第一跟踪信号通过在图示原理乘法器35中以0.99的比例系数放大跟踪电压信号产生。因此，如果实际的或测到的负载电压急速下降了平均跟踪负载电压的百分之一时，比较器33引起开关晶体管Q1导通并因此快速向负载23提供电流。从而避免了输出电压的急剧下降。另外，通过断开第二电阻R2的连接，逻辑门38也引起阻-容网络的时间常数的延长，以使得电流继续注入，直到瞬变得到足够补偿。在不再需要电流注入以后，逻辑门38通过重新连接与电阻R1并联的电阻R2，使时间常数返回到较短或较快值。
以类似的方式，电流吸收装置可以包括电流吸收开关，由晶体管Q2提供，用于从负载23吸收电流，以及电流吸收控制装置用于操作电流吸收开关，其响应迅速超出跟踪电压的测到的负载电压。对此技术的熟练人员可以容易地理解，词汇“从负载吸收电流”包括吸收从dc-dc变换器传递到负载的电流，变换器改变输出电流相对缓慢。在图示实施例中，电流吸收开关是场效应管Q1。那些对此技术熟练的人员会认识到：可以使用单个或多个晶体管，并且在其他实施例中，晶体管可以是双极性晶体管。
电流吸收控制装置配备了第二信号产生装置，用于产生第二比例系数的、关于平均负载电压的第二比例跟踪信号，以及第二比较器34，用于操作电流吸收开关晶体管Q2，响应超过第二比例跟踪负载电压的测到的负载电压。在图示实施例中，第二信号通过在图示原理乘法器36中以1.01的比例系数放大平均电压信号产生。因此，如果实际的负载电压急速超出平均跟踪或负载电压的百分之一时，比较器34引起开关晶体管Q2导通，并因此快速从负载23吸收电流。第二比较器34也引起时间常数的延长，以使得电流继续吸收，以足够补偿负载的过量瞬变电流。
当然，依据所期望的调节，比例值可以不是0.99和1.01。另外，虽然电流注入和吸收在实施例中均被表示，在其它本发明的实施例中可以仅包括电流注入或电流吸收。用于动态调节的电流注入和吸收两者的组合尤其要大量减低体积大、价格高的无源电容时使用，否则需要大量的电容来降低由于负载23需求电流的快速变化而引起的瞬变电流。
在电路20的实施例中，dc-dc变换器22是第一集成电路，动态调节器30是第二集成电路。当然，在其它实施例中，两个功能可以集成在相同的集成电路中。在其它实施例中，对此技术熟练的人员可以容易地理解，电路可以使用一个或两个离散的元件实现。在任何情形下，使用本发明的负载电压动态调节允许大大减少典型地用于降低瞬变的电容的数量或尺寸。因此，正如许多应用所期望的，价格被降低，重量被减轻，并且节省了宝贵的空间。
本方法的一个特性是，用于动态调节包括dc-dc变换器22和所连接负载23类型的电子线路20。在一个实施例中，本方法包括检测负载电压、跟踪负载电压以及操作电流注入开关Q1，其用于注入电流到负载，响应低于跟踪负载电压的测到的负载电压，以在较大负载需求瞬变电流时主动注入电流到负载，并因此减低负载电压瞬变的下降，否则，不会减低。操作电流注入开关的步骤包括：产生第一系数的、关于平均负载电压的第一比例跟踪信号，以及操作电流注入开关Q1、Q2，响应低于第一比例跟踪信号的测到的负载电压。
在本发明的另一个实施例中，本方法可包括响应超过跟踪负载电压的测到的负载电压，操作电流吸收开关Q2，以在相对大的负载过量瞬变电流时主动从负载中吸收电流，从而降低负载电压瞬间上升，否则不会降低。操作电流吸收开关最好包括这些步骤：产生第二系数的、关于跟踪负载电压的第二比例跟踪信号，以及操作电流吸收开关，响应超过第二比例跟踪信号的测到的负载电压。当然，在其他的实施例中，操作电流注入和吸收的开关的步骤可以组合在一起。
实例
下列实例仅用作图解。
现在再参考图4，来进一步解释包括动态调节器30的电路20操作的比较实例。图中，画出了不同操作情形下的三条曲线。对于每一个高阻抗的电源连接到瞬变负载上。瞬变负载每200纳秒的周期提供4安培的增加量。对于曲线50，只有四个220μF的钽电容连接到负载和高阻抗源上。对于曲线51，只有一个220μF的电容与本发明的动态调节器一起使用。为进一步说明，曲线52表示了只用单个220μF的电容输出电压。
动态调节器30和单个220μF的电容的性能与四个电容的传统电路的性能基本相同。换言之，本发明的动态调节器30消除了对三个尺寸相当大且昂贵的电容的需求。
电子线路包括连接到负载和dc-dc变换器上的动态调节器以降低对电容的需求。动态调节器包括电流注入电路和电流吸收电路，电流注入电路在负载需求瞬变电流时，主动注入电流到负载，电流吸收电路在负载有过量瞬变电流时，主动从负载中吸收电流。动态调节器检测负载电压，并且跟踪负载电压。电流注入电路最好包括电流注入开关，以及用于操作电流注入开关的电流注入控制器，其响应相对于跟踪负载电压迅速下降的负载电压。电流吸收电路可包括电流吸收开关，以及用于操作电流吸收开关的电流吸收控制器，其响应快速超过跟踪负载电压的负载电压。在一个实施例中，负载电压的跟踪可由连接到负载的阻-容(R/C)网络提供。

Claims (13)

1.一种电子电路，包括：
DC-DC转换器，用于向DC电压输出端提供DC电压，在电压输出端上可连接一负载，所述负载要能产生负载电流需求瞬变，和负载电流过量瞬变；和
动态调节器，连接至所述DC电压输出端，该动态调节器包含一个电流注入装置和一个电流吸收装置，电流注入装置用于在负载电流需求瞬变期间，主动地向所述负载注入电流，从而缩减不然会出现的负载电压下降，电流吸收装置用于在负载电流过量瞬变期间，主动地吸收电流，从而缩减不然会出现的负载电压上升；
其特征在于，所述动态调节器包含：负载电压跟踪滤波器电路，其上具有，连接至所述DC电压输出端的输入端、与所述电流注入装置耦合的第一电流注入装置控制通路、和与所述电流吸收装置耦合的第二电流吸收装置控制通路，所述负载电压跟踪滤波器电路能有效地跟踪负载电压相当急剧的下降，又能有效地跟踪负载电压相对急剧的增加，否则滤去负载电压平缓的变化，所述负载电压跟踪滤波器电路的所述第一电流注入装置控制通路，可控地使所述电流注入装置响应负载电压相对急剧的下降，主动地向所述负载注入电流，而所述负载电压跟踪滤波器电路的所述第二电流吸收装置控制通路，可控地使所述电流吸收装置响应负载电压相对急剧的增加，主动地从所述负载吸收电流。
2.按照权利要求1的电子电路，其中所述第一电流注入装置控制通路，包含：第一比例电路，该电路能按第一比例系数有效地调节所述负载电压，以产生第一比例负载电压；和第一比较器，使所述电流注入装置响应于测量的负载电压下降至低于所述第一比例负载电压，主动地向所述负载注入电流，又，其中所述第二电流注入装置控制通路，包含：第二比例电路，该电路能按第二比例系数有效地调节所述负载电压，产生第二比例负载电压；和第二比较器，使所述电流吸收装置响应于测量的负载电压超出所述第二比例负载电压，主动地从所述负载吸收电流。
3.按照权利要求1或2的电子电路，其中所述负载电压跟踪滤波器电路有可控制地变化的时间常数。
4.按照权利要求3的电子电路，其中所述负载电压跟踪滤波器电路包含时间常数控制电路，该电路当所述电流注入装置主动地向所述负载注入电流时，能有效地增加所述负载电压跟踪滤波器电路的时间常数。
5.按照权利要求1、2或4的电子电路，其中所述负载电压跟踪滤波器电路包括阻-容网络。
6.按照权利要求5的电子电路，其中所述时间常数控制电路，能有效地用于可控地配置所述阻-容网络，使之一般具有第一个相对较快的时间常数，还能有效地用于可控地配置所述阻-容网络，使之当所述电流注入装置主动地向所述负载注入电流时，具有第二个相对较慢的时间常数。
7.按照权利要求6的电子电路，其中所述阻-容网络，包括一对电阻和与之连接的一个电容，所述时间常数控制电路，可控地把所述一对电阻相互并联又与所述电容连接，以便建立所述相对较快的时间常数，并且可控地只把一个所述电阻与所述电容连接，以便建立所述相对较慢的时间常数。
8.一种向负载提供DC电压的方法，该负载能产生负载电流需求瞬变和负载电流过量瞬变，该方法包括步骤：
(a)把所述负载耦合至DC-DC转换器，该转换器能有效地向所述负载提供所述DC电压；
(b)在负载电流需求瞬变期间，可控地向所述负载提供电流，从而缩减不然会出现的负载电压下降；和
(c)在负载电流过量瞬变期间，可控地从所述负载吸收电流，从而降低不然会出现的负载电压上升；
其特征在于，所述方法还包括如下步骤：
(d)设置负载电压跟踪滤波器电路，其上具有，连接至所述负载的输入端、第一电流注入装置控制通路和第二电流吸收装置控制通路，所述负载电压跟踪滤波器电路能有效地跟踪负载电压相对急剧的下降，也能有效地跟踪负载电压相对急剧的增加，否则滤去负载电压平缓的变化，且其中所述负载电压跟踪滤波器电路的所述第一电流注入装置控制通路，可控地使步骤(b)响应负载电压的相对急剧的下降，主动地向所述负载提供电流，又其中所述负载电压跟踪滤波器电路的所述第二电流吸收装置控制通路，可控地使步骤(c)响应负载电压的相对急剧的增加，主动地从所述负载吸收电流。
9.按照权利要求8的方法，其中所述第一电流注入装置控制通路，能按第一比例系数有效地调节所述所述负载电压，以产生第一比例负载电压，还能使所述电流注入装置响应于测量的负载电压下降至低于所述第一比例负载电压，主动地向所述负载提供电流，又，其中所述第二电流注入装置控制通路，能按第二比例系数有效地调节所述所述负载电压，以产生第二比例负载电压，还能使所述电流吸收装置响应于测量的负载电压超出所述第二比例负载电压，主动地从所述负载吸收电流。
10.按照权利要求8或9的方法，其中所述负载电压跟踪滤波器电路，有可以控制的变化的时间常数，且其中步骤(d)包括，在所述电流注入装置主动地向所述负载注入电流期间，增加所述负载电压跟踪滤波器电路的时间常数。
11.按照权利要求8的方法，其中所述负载电压跟踪滤波器电路包括阻-容网络。
12.按照权利要求11的方法，其中的步骤(d)包括，可控地配置所述阻-容网络，使之一般具有第一个相对较快的时间常数，但在所述电流注入装置主动地向所述负载注入注入电流期间，可控地配置所述阻-容网络，使之具有第二个相对较慢的时间常数。
13.按照权利要求12的方法，其中所述阻-容网络，包括一对电阻和与之连接的一个电容，且其中的步骤(d)包括，可控地把所述一对电阻相互并联又与所述电容连接，以便建立所述相对较快的时间常数，但为建立所述相对较慢的时间常数，可控地只把一个所述电阻与所述电容连接。
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