CN117118222A - 降压型电压变换电路和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种降压型电压变换电路和电子设备，涉及电压变换技术领域，可以提升电子设备的轻载效率。降压型电压变换电路，包括：开关变换器；可变电感单元，可变电感单元串联于开关变换器的输出端和负载输出端之间；输出电容，输出电容串联于负载输出端和第一参考电压端之间；电感控制单元，电感控制单元用于当负载输出端的电流未超过阈值时，控制可变电感单元为第一电感值，当负载输出端的电流超过阈值时，控制可变电感单元为第二电感值，第一电感值大于第二电感值。

Description

降压型电压变换电路和电子设备

技术领域

本申请涉及电压变换技术领域，特别涉及一种降压型电压变换电路和电子设备。

背景技术

在台式电脑、笔记本等电子设备中，用户的使用场景大部分是待机、文字处理、视频、音乐、网页浏览等轻办公场景。如图1所示，根据用户对PC上各种应用的使用占比分析，网页浏览、影音娱乐和办公通讯应用占PC总应用的63.06％。电子设备驱动负载的电源包括降压型Buck电压变换电路，如图2所示，Buck电压变换电路包括开关变换器、电感L和电容Cout，通过输出端Vout输出变换后的电压以驱动负载元件。图3、图4和图5分别示意了用户在使用浏览器、办公通讯和影音娱乐这些应用时PC所对应的功耗情况，其中横坐标为功率范围，纵坐标为采样到的次数，即在用户使用PC的过程种，周期性采样功耗值，在大量采样结束后，根据采样次数制作对应的图表，根据图3～图5可知，这些应用场景中大量采样值都属于较低的功率范围内，即在这些应用场景下，PC的电源主要工作于轻载状态。可见，如何提升电子设备的轻载效率是待解决的问题。

发明内容

本申请技术方案提供了一种降压型电压变换电路和电子设备，可以提升电子设备的轻载效率。

第一方面，提供一种降压型电压变换电路，包括：开关变换器；可变电感单元，可变电感单元串联于开关变换器的输出端和负载输出端之间；输出电容，输出电容串联于负载输出端和第一参考电压端之间；电感控制单元，电感控制单元用于当负载输出端的电流未超过阈值时，控制可变电感单元为第一电感值，当负载输出端的电流超过阈值时，控制可变电感单元为第二电感值，第一电感值大于第二电感值。

在一种可能的实施方式中，可变电感单元包括：第一电感，第一电感串联于开关变换器的输出端和负载输出端之间；与第一电感并联的第二电感支路，第二电感支路包括相互串联的开关模块和第二电感；电感控制单元电连接于开关模块，电感控制单元具体用于当负载输出端的电流未超过阈值时，控制开关模块截止，当负载输出端的电流超过阈值时，控制开关模块导通。

在一种可能的实施方式中，电感控制单元具体用于，当负载输出端的参数变化率超过预设变化率时，控制可变电感单元为第二电感值，当负载输出端的参数变化率未超过预设变化率且负载输出端的电流未超过阈值时，控制可变电感单元为第一电感值，当负载输出端的参数变化率未超过预设变化率且负载输出端的电流超过阈值时，控制可变电感单元为第二电感值。

在一种可能的实施方式中，负载输出端的参数变化率为负载输出端的电流变化率或电压变化率。

在一种可能的实施方式中，电感控制单元包括：电流检测模块，用于当负载输出端的电流未超过阈值时输出低电平，当负载输出端的电流超过阈值时输出高电平；电压检测模块，用于当负载输出端的电压变化率未超过预设电压变化率时输出低电平，当负载输出端的电压变化率超过预设电压变化率时输出高电平；或门，或门的两个输入端分别电连接于电流检测模块的输出端和电压检测模块的输出端，或门的输出端电连接于开关模块；开关模块用于当或门的输出端输出低电平时截止，当或门的输出端输出高电平时导通。

在一种可能的实施方式中，电流检测模块具体用于：当负载输出端的电流变化率未超过预设电流变化率且负载输出端的电流未超过阈值时输出低电平，当负载输出端的电流变化率未超过预设电流变化率且负载输出端的电流超过阈值时输出高电平，当负载输出端的电流变化率超过预设电流变化率时输出高电平。

在一种可能的实施方式中，第一电感的电感值等于第二电感的电感值。

在一种可能的实施方式中，开关模块为常开型功率开关。

在一种可能的实施方式中，开关变换器包括：开关器件，开关器件串联于电源输入端和开关变换器的输出端之间；二极管，二极管的阳极电连接于第二参考电压端，二极管的阴极电连接于开关变换器的输出端。

在一种可能的实施方式中，开关变换器、开关模块、电流检测模块、电压检测模块和或门封装于芯片中；第一电感、第二电感和输出电容位于芯片之外。

第二方面，提供一种电子设备，包括：上述的降压型电压变换电路。

本申请实施例的降压型电压变换电路和电子设备，在负载输出端的电流未超过阈值时，即负载电流较小的轻载状态时，控制可变电感为较大的电感值，此时轻载时的磁芯损耗较低，效率提升；在负载输出端的电流超过阈值时，即负载电流较大的重载状态时，控制可变电感为较小的电感值，此时电感的内阻减小，效率提升。也就是说，本申请实施例可以根据负载状态来适应性调节可变电感单元具有相匹配的电感值，以提升效率。

附图说明

图1为一种不同应用之间的使用占比示意图；

图2为现有技术中一种Buck电压变换电路的示意图；

图3为用户使用浏览器应用时的一种功耗情况示意图；

图4为用户使用办公通讯应用时的一种功耗情况示意图；

图5为用户使用应音娱乐应用时的一种功耗情况示意图；

图6为本申请实施例中一种降压型Buck电压变换电路的示意图；

图7为本申请实施例中另一种一种降压型Buck电压变换电路的示意图；

图8为本申请实施例中另一种一种降压型Buck电压变换电路的示意图；

图9为本申请实施例中另一种一种降压型Buck电压变换电路的示意图；

图10为本申请实施例中一种不同电感值在轻载状态下的效率曲线示意图。

具体实施方式

本申请的实施方式部分使用的术语仅用于对本申请的具体实施例进行解释，而非旨在限定本申请。

如图6所示，本申请实施例提供一种降压型Buck电压变换电路，包括：开关变换器1；可变电感单元2，可变电感单元2串联于开关变换器1的输出端和负载输出端Vout之间；输出电容Cout，输出电容Cout串联于负载输出端Vout和第一参考电压端V1之间，第一参考电压端V1例如为接地端；电感控制单元3，电感控制单元3用于当负载输出端Vout的电流未超过阈值时，控制可变电感单元2为第一电感值，当负载输出端Vout的电流超过阈值时，控制可变电感单元2为第二电感值，第一电感值大于第二电感值。

具体地，开关变换器1用于通过开关变换的方式配合可变电感单元2以及输出电容Cout实现对输入电压的电压变换，变换后的电压通过负载输出端Vout输出，以驱动负载。输出端Vout输出的电流即为用于驱动负载的负载电流，负载电流的电流值可以反映功耗大小，负载电流的电流值越大，则功耗越大，负载电流的电流值越小，则功耗越小。

本申请实施例的降压型电压变换电路，在负载输出端的电流未超过阈值时，即负载电流较小的轻载状态时，控制可变电感为较大的电感值，此时轻载时的磁芯损耗较低，效率提升；在负载输出端的电流超过阈值时，即负载电流较大的重载状态时，控制可变电感为较小的电感值，此时电感的内阻减小，效率提升。也就是说，本申请实施例可以根据负载状态来适应性调节可变电感单元具有相匹配的电感值，以提升效率。

在一种可能的实施方式中，如图7所示，可变电感单元2包括：第一电感L1，第一电感L1串联于开关变换器1的输出端和负载输出端Vout之间；与第一电感L1并联的第二电感支路，第二电感支路包括相互串联的开关模块20和第二电感L2；电感控制单元3电连接于开关模块20，电感控制单元3具体用于当负载输出端Vout的电流未超过阈值时，输出截止电平至开关模块20的控制端，控制开关模块20截止，当负载输出端Vout的电流超过阈值时，输出导通电平至开关模块20的控制端，控制开关模块20导通。开关模块20连接电感控制单元3的一端是其控制端，开关模块20的第一端电连接于开关变换器1的输出端，开关模块20的第二端电连接于第二电感L2的第一端，第二电感L2的第二端电连接于负载输出端Vout。开关模块20截止即第二电感L2的第一端与开关变换器1的输出端之间截止；开关模块20导通即第二电感L2的第一端与开关变换器1的输出端之间导通。也就是说，当负载电流较小时，第二电感支路截止，第二电感L2不参与电压变换，Buck电压变换电路仅利用第一电感L1来进行电压变换，第一电感L1的电感值较大，第一电感值即为第一电感L1的电感值，以提升轻载时的效率；当负载电流较大时，第二电感支路导通，第二电感L2和第一电感L1并联后参与电压变换，第二电感L2和第一电感L1并联后的电感值较小，第二电感值即为第一电感L1和第二电感L2并联后的等效电感值，以提升重载时的效率。

在一种可能的实施方式中，如图6和图7所示，电感控制单元3具体用于，当负载输出端Vout的参数变化率超过预设变化率时，控制可变电感单元2为第二电感值，当负载输出端Vout的参数变化率未超过预设变化率且负载输出端Vout的电流未超过阈值时，控制可变电感单元2为第一电感值，当负载输出端Vout的参数变化率未超过预设变化率且负载输出端Vout的电流超过阈值时，控制可变电感单元2为第二电感值。这里的参数变化率可以为电压变化率或电流变化率，也就是说，增加了对负载输出端Vout的电流或电压瞬态跳变监测，如果负载输出端Vout的电流或电压存在较大的跌落或抬升，例如检测到负载输出端Vout的电流正在快速降低或快速升高，或者检测到负载输出端Vout的电压正在快速降低或快速升高，则控制可变电感单元2为第二电感值，通过使用较小的电感值来提升瞬态响应，此时不考虑负载输出端Vout的电流大小；如果负载输出端Vout的电流或电压没有瞬态跳变，比较稳定，则根据负载输出端Vout的电流大小来控制可变电感单元2的电感值大小，即如果负载输出端Vout的参数变化率未超过预设变化率，且负载输出端Vout的电流未超过阈值，则控制可变电感单元2为第一电感值，如果负载输出端Vout的参数变化率未超过预设变化率，且负载输出端Vout的电流超过阈值，则控制可变电感单元2为第二电感值。

在一种可能的实施方式中，负载输出端Vout的参数变化率为负载输出端Vout的电流变化率或电压变化率，负载输出端Vout的电流变化率和电压变化率都可以反映瞬态变化，但是检测方式不同，可以根据需要设置。例如，负载输出端Vout的参数变化率为负载输出端Vout的电流变化率，电感控制单元3可以对负载输出端Vout的电流进行检测，电感控制单元3对负载输出端Vout的电流进行检测，当电感控制单元3检测到负载输出端Vout的电流变化率超过预设电流变化率时，输出导通电平至开关模块20的控制端，控制开关模块20导通，即控制可变电感单元2为第二电感值；当电感控制单元3检测到负载输出端Vout的电流变化率未超过预设电流变化率且负载输出端Vout的电流未超过阈值时，输出截止电平至开关模块20的控制端，控制开关模块20截止，即控制可变电感单元2为第一电感值；当电感控制单元3检测到负载输出端Vout的电流变化率未超过预设电流变化率且负载输出端Vout的电流超过阈值时，输出导通电平至开关模块20的控制端，控制开关模块20截止，即控制可变电感单元2为第二电感值。

在一种可能的实施方式中，如图8所示，电感控制单元3包括：电流检测模块31，用于当负载输出端Vout的电流未超过阈值时输出低电平，例如将低电平以数字0表示，电流检测模块31可以对负载输出端Vout的电流进行采样，并判断该电流值是否超过阈值，若未超过阈值，则输出数字信号0，当负载输出端Vout的电流超过阈值时输出高电平，例如将高电平以数字1表示，例如电流检测模块31判断采样到的负载输出端Vout的电流值超过阈值，则输出数字信号1；电压检测模块32，用于当负载输出端Vout的电压变化率未超过预设电压变化率时输出低电平0，当负载输出端Vout的电压变化率超过预设电压变化率时输出高电平1；或门33，或门33的两个输入端分别电连接于电流检测模块31的输出端和电压检测模块32的输出端，或门33的输出端电连接于开关模块20；开关模块20用于当或门33的输出端输出低电平时截止，当或门33的输出端输出高电平时导通。或门33的逻辑是，若两个输入端中至少有一者为高电平1，则输出高电平1，若两个输入端均为低电平0，则输出低电平0。

具体地，当负载输出端Vout的电压变化率超过预设电压变化率时，电压检测模块32输出高电平1，因此或门33输出高电平1，开关模块20根据或门33输出的高电平1而导通，从而使第一电感L1和第二电感L2并联后参与电压变换，由于第一电感L1和第二电感L2并联后的等效电感较小，从而可以提升瞬态响应；当负载输出端Vout的电压变化率未超过预设电压变化率时，电压检测模块32输出低电平0，此时则由电流检测模块31的输出来决定开关模块20的状态，如果电流检测模块31检测到负载输出端Vout的电流超过阈值，则输出高电平1，因此或门33输出高电平1，开关模块20导通，使得重载时通过第一电感L1和第二电感L2并联后参与电压变换，由于等效电感的降低，提升效率；当负载输出端Vout的电压变化率未超过预设电压变化率时，电压检测模块32输出低电平0，此时，如果电流检测模块31检测到负载输出端Vout的电流未超过阈值，则输出低电平0，因此，或门33输出低电平0，开关模块20截止，使得轻载时通过较大电感值的第一电感L1参与电压变换，磁芯损耗较低，效率提升。

在前面的实施例中，电流检测模块31仅根据所检测的负载输出端Vout的电流与阈值之间的关系来确定输出高电平1还是低电平0，在其他可能的实施方式中，电流检测模块31可以具有更加复杂的功能。例如，在一种可能的实施方式中，电流检测模块31具体用于：当负载输出端Vout的电流变化率未超过预设电流变化率且负载输出端Vout的电流未超过阈值时输出低电平0，当负载输出端Vout的电流变化率未超过预设电流变化率且负载输出端Vout的电流超过阈值时输出高电平1，当负载输出端Vout的电流变化率超过预设电流变化率时输出高电平1。

具体地，也就是说，电流检测模块31可以不仅仅根据负载输出端Vout的电流来输出电平，而是根据负载输出端Vout的电流和电流变化率来输出电平，如果电流变化率较大，即负载输出端Vout的电流变化率超过预设电流变化率，则说明负载输出端Vout具有瞬态跳变，因此电流检测模块31输出高电平1，进而使或门33输出高电平1，控制开关模块20导通，以减小等效电感，提升瞬态响应；如果电流变化率较小，即负载输出端Vout的电流变化率为超过预设电流变化率，则电流检测模块31根据负载输出端Vout的电流与阈值之间的比较结果，即根据负载输出端Vout的电流值大小来决定输出电平的类型，如果在电流变化率较小时负载输出端Vout的电流超过阈值，则输出高电平1，进而使或门33输出高电平1，控制开关模块20导通，以减小等效电感，提升重载时的效率；如果在电流变化率较小时负载输出端Vout的电流未超过阈值，则输出低电平0，进而使或门33结合此时电压检测模块32的输出来决定输出何种类型的电平，在这种情况下，如果电压检测模块32输出低电平0，则说明负载输出端Vout的电压也没有瞬态跳变，或门33输出低电平0，控制开关模块20截止，仅使用第一电感L1来参与电压变换，降低轻载时的磁芯损耗，提升效率，如果电压检测模块输出高电平1，则说明负载输出端Vout的电压有瞬态跳变，或门33输出高电平1，控制开关模块20导通，使用第一电感L1和第二电感L2并联后的电感来参与电压变换，提升瞬态响应。

在一种可能的实施方式中，第一电感L1的电感值等于第二电感L2的电感值，设置两者相等可以改善电路输出不稳定、环路振荡等问题。

在一种可能的实施方式中，开关模块20为常开型功率开关，可以由或门33的输出信号控制。

在一种可能的实施方式中，如图9所示，开关变换器1包括：开关器件M，开关器件M串联于电源输入端Vin和开关变换器的输出端之间，开关器件M的第一端电连接于电源输入端Vin，开关器件M的第二端电连接于开关变换器的输出端，开关器件M的控制端电连接于控制电路(图8中未示出)，控制电路用于输出控制信号至开关器件M的控制端，以实现对开关器件M的控制；二极管D，二极管D的阳极电连接于第二参考电压端V2，第二参考电压端V2例如为接地端，二极管D的阴极电连接于开关变换器的输出端。

在一种可能的实施方式中，如图8所示，开关变换器1、开关模块20、电流检测模块DD230280I01

31、电压检测模块32和或门33封装于芯片100中；第一电感L1、第二电感L2和输出电容Cout位于芯片100之外。可以理解地，本申请实施例对于芯片的封装形式不做限定，例如，在其他可能的实施方式中，也可以将开关变换器1、开关模块20、电流检测模块31、电压检测模块32、或门33、第一电感L1、第二电感L2和输出电容Cout均封装在同一个芯片中。另外，可以理解地，开关模块20、电流检测模块31、电压检测模块32和或门33这些也可以在芯片之外搭建电路实现。

下面基于数据验证结果来对本申请实施例中轻载时的效率提升进行说明。如图9所示，使用0.33μH、0.22μH、0.15μH三种电感值分别测试轻载效率，可以看出，在负载电流较小的轻载情况下，电感值与效率正相关，即在轻载时，电感值越大则效率越高。轻载时由于电感的磁芯损耗占据主导地位，因此提升电感感值对于轻载效率的提升效果明显。所以说，本申请实施例中的降压型电压变换电路，在轻载时使用较大电感值，可以有效提升效率。

本申请实施例还提供一种电子设备，包括：上述任意实施例中的降压型电压变换电路。其中，降压型电压变换电路的具体结构和原理与上述实施例相同，在此不再赘述。该电子设备可以为例如台式机电脑、笔记本电脑、平板电脑、手机等任意具有降压型电压变换功能的电子设备。可以在电子设备的多相Buck电路中的一相中应用本申请实施例的降压型电压变换电路。

本申请实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示单独存在A、同时存在A和B、单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项”及其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项或复数项的任意组合。例如，a，b和c中的至少一项可以表示：a,b,c,a-b,a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c可以是单个，也可以是多个。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种降压型电压变换电路，其特征在于，包括：

开关变换器；

可变电感单元，所述可变电感单元串联于所述开关变换器的输出端和负载输出端之间；

输出电容，所述输出电容串联于所述负载输出端和第一参考电压端之间；

电感控制单元，所述电感控制单元用于当所述负载输出端的电流未超过阈值时，控制所述可变电感单元为第一电感值，当所述负载输出端的电流超过所述阈值时，控制所述可变电感单元为第二电感值，所述第一电感值大于所述第二电感值。

2.根据权利要求1所述的降压型电压变换电路，其特征在于，

所述可变电感单元包括：

第一电感，所述第一电感串联于所述开关变换器的输出端和所述负载输出端之间；

与所述第一电感并联的第二电感支路，所述第二电感支路包括相互串联的开关模块和第二电感；

所述电感控制单元电连接于所述开关模块，所述电感控制单元具体用于当所述负载输出端的电流未超过阈值时，控制所述开关模块截止，当所述负载输出端的电流超过所述阈值时，控制所述开关模块导通。

3.根据权利要求1或2所述的降压型电压变换电路，其特征在于，

所述电感控制单元具体用于，当所述负载输出端的参数变化率超过预设变化率时，控制所述可变电感单元为所述第二电感值，当所述负载输出端的参数变化率未超过预设变化率且所述负载输出端的电流未超过阈值时，控制所述可变电感单元为所述第一电感值，当所述负载输出端的参数变化率未超过预设变化率且所述负载输出端的电流超过所述阈值时，控制所述可变电感单元为第二电感值。

4.根据权利要求3所述的降压型电压变换电路，其特征在于，

所述负载输出端的参数变化率为所述负载输出端的电流变化率或电压变化率。

5.根据权利要求2所述的降压型电压变换电路，其特征在于，

所述电感控制单元包括：

电流检测模块，用于当所述负载输出端的电流未超过阈值时输出低电平，当所述负载输出端的电流超过所述阈值时输出高电平；

电压检测模块，用于当所述负载输出端的电压变化率未超过预设电压变化率时输出低电平，当所述负载输出端的电压变化率超过预设电压变化率时输出高电平；

或门，所述或门的两个输入端分别电连接于所述电流检测模块的输出端和所述电压检测模块的输出端，所述或门的输出端电连接于所述开关模块；

所述开关模块用于当所述或门的输出端输出低电平时截止，当所述或门的输出端输出高电平时导通。

6.根据权利要求5所述的降压型电压变换电路，其特征在于，

所述电流检测模块具体用于：当所述负载输出端的电流变化率未超过预设电流变化率且所述负载输出端的电流未超过阈值时输出低电平，当所述负载输出端的电流变化率未超过所述预设电流变化率且所述负载输出端的电流超过所述阈值时输出高电平，当所述负载输出端的电流变化率超过所述预设电流变化率时输出高电平。

7.根据权利要求2所述的降压型电压变换电路，其特征在于，

所述第一电感的电感值等于所述第二电感的电感值。

8.根据权利要求5所述的降压型电压变换电路，其特征在于，

所述开关模块为常开型功率开关。

9.根据权利要求1所述的降压型电压变换电路，其特征在于，

所述开关变换器包括：

开关器件，所述开关器件串联于电源输入端和所述开关变换器的输出端之间；

二极管，所述二极管的阳极电连接于第二参考电压端，所述二极管的阴极电连接于所述开关变换器的输出端。

10.根据权利要求5所述的降压型电压变换电路，其特征在于，

所述开关变换器、所述开关模块、所述电流检测模块、所述电压检测模块和所述或门封装于芯片中；

所述第一电感、所述第二电感和所述输出电容位于所述芯片之外。

11.一种电子设备，其特征在于，包括：

如权利要求1至10中任意一项所述的降压型电压变换电路。