CN1179471C - 能够在轻负载下提高稳压器效率的开关稳压器 - Google Patents

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Abstract

在轻负载下工作时效率增加的开关稳压器配置有：用于产生参考电压的参考电压电路；误差信号放大器，用于把参考电压和通过把来自开关稳压器的输出电压细分而产生的测量电压送入其中并放大参考电压与测量电压之间的差分电压；用于输出振荡信号的振荡器电路；用于比较误差信号放大器的输出电压与振荡器电路输出电压的PWM比较器；用于探测输出负载电流的负载探测装置；和用于对负载状态作出响应而改变开关稳压器效率的效率改变装置。

Description

能够在轻负载下提高稳压器 效率的开关稳压器
本发明涉及能够提高在轻负载下工作的开关稳压器的效率的开关稳压器。
已经知道如图10所示的典型的、传统的开关稳压器的控制电路。在这种传统的开关稳压器中，有参考电压电路10、分压电阻11和12、以及误差信号放大器13。分压电阻11和12对开关稳压器的输出电压Vout进行分压。误差信号放大器13放大参考电压电路10的参考电压与在这些分压电阻11和12之间的连接点处出现的电压之间的差分电压。现在假定，误差信号放大器13的输出电压是Verr，参考电压电路10的输出电压是Vref，而在分压电阻11和12之间的连接点处出现的电压是Va，如果Vref＞Va，那么误差信号放大器13的输出电压Verr就变高。相反地，如果Vref＜Va，那么误差信号放大器13的输出电压Verr就变低。
PWM(脉冲宽度调制)比较器15把振荡器电路14的输出，例如三角形波与误差信号放大器13的输出进行比较，从而输出一种信号。这些信号表示在图11的波形图内。换言之，因为增加/减小了误差信号放大器13的输出电压Verr，所以控制了来自PWM比较器15的输出脉冲的宽度。在这脉冲宽度的持续时间内，开关稳压器控制开关元件使其接通/断开。把这种操作称为所谓开关稳压器的“PWM操作”。
图12中示出升压型开关稳压器的结构图。线圈21连接到输入电源20。整流元件23连接在线圈21与输出电容24之间。负载25与输出电容24并联连接。开关稳压器控制电路30连接到开关稳压器的一个输出端，以便接通/断开开关稳压器的开关元件22。
通常，在开关稳压器的开关元件的接通时间增长的情况下，电源对负载的供电能力增加。例如，当负载变重，即当输出负载电流值增加，开关稳压器的输出电压降低，那么，被分压电阻11和12细分的电压Va降低。结果，误差信号放大器13的输出电压Verr升高，使得PWM比较器15的脉冲宽度变宽，并且以保持输出电压Vout恒定的方式来控制脉冲宽度。
相反地，当负载变轻，即当输出负载电流值减小时，开关稳压器的输出电压增加，那么，被分压电阻11和12细分的电压Va增加。结果，误差信号放大器13的输出电压Verr降低，使得PWM比较器15的脉冲宽度变窄，并且以保持输出电压Vout恒定的方式来控制脉冲宽度。
也就是说，误差信号放大器13的输出电压Verr随负载电流值而变化，从而控制开关稳压器的脉冲宽度。
可是，在传统的开关稳压器中，在轻负载下工作的开关稳压器的效率相当低。
已经用本发明来解决上述的问题，因而，本发明的目的是提供一种能够提高在轻负载下工作的开关稳压器的效率的开关稳压器。更明确地说，虽然开关稳压器的效率随这开关稳压器的输出负载电流值而改变、具体地说、随误差信号放大器的输出电压而变，但能在轻负载下改进开关稳压器的效率。
为了解决上述的问题，根据本发明的一个方面，开关稳压器以包括以下部分为特征：用于产生参考电压的参考电压电路；用于把参考电压以及通过把来自开关稳压器的输出电压细分而产生的测量电压送入其中，并用于放大参考电压与测量电压之间的差分电压的误差信号放大器；用于输出振荡信号的振荡器电路；用于比较误差放信号大器的输出电压与振荡器电路输出电压的PWM比较器；用于探测输出负载电流的负载探测装置；以及用于对被负载探测装置探测到的负载状态作出响应而改变开关稳压器效率的效率改变装置。
作为效率改变装置，有可能设置能够改变振荡器电路的振荡频率的振荡频率控制电路。另一种办法是，也有可能设置连接到PWM比较器和误差信号放大器的电源电路中的起码一个的电源电流控制电路，用于改变输送到这电源电路的电流。
根据本发明的另一方面，提供了一种开关稳压器，其包括：用于产生参考电压的参考电压电路；误差信号放大器，用于把所述参考电压和通过把从所述开关稳压器输出的输出电压细分而产生的测量电压送入其中，并用于放大所述参考电压与所述测量电压之间的差分电压；用于输出振荡信号的振荡器电路；用于比较所述误差信号放大器的输出电压与所述振荡器电路输出电压的PWM比较器；用于产生第二参考电压的第二参考电压电路；用于把所述第二参考电压与从所述误差信号放大器输出的电压进行比较的第二比较器；以及电源电流控制电路，它连接到所述误差信号放大器和所述PWM比较器的电源电路中的起码一个，用于当所述差分电压低于所述第二参考电压时向所述电源电路提供第一电流，而当所述差分电压高于所述第二参考电压时，提供不同于所述第一电流的第二电流。
根据本发明的另一方面，还提供了一种开关稳压器，其包括：用于产生参考电压的参考电压电路；误差信号放大器，用于把所述参考电压和通过把从所述开关稳压器输出的输出电压细分而产生的测量电压送入其中，并用于放大所述参考电压与所述测量电压之间的差分电压；用于输出振荡信号的振荡器电路；用于比较所述误差信号放大器的输出电压与所述振荡器电路的输出电压的PWM比较器；和电源电流控制电路，它连接到所述误差信号放大器和所述PWM比较器的电源电路中的起码一个，用于响应于所述误差信号放大器的输出而连续地改变供应电流。
为了更好地理解本发明，请结合附图，阅读详细描述以兹参考，其中：
图1是用于表示根据本发明的第一实施例的开关稳压器的控制电路的原理方框图；
图2是用于描述根据本发明的第一实施例的开关稳压器的控制电路工作的信号波形图；
图3是用于说明根据本发明的第一实施例的开关稳压器的效率和传统的开关稳压器的效率的说明性曲线图；
图4是用于表示根据本发明的第二实施例的开关稳压器的控制电路的原理方框图；
图5是用于说明应用于根据本发明的第二实施例的开关稳压器的振荡器电路的充/放电电流与其振荡频率之间关系的说明性曲线图；
图6是用于表示根据本发明的第三实施例的开关稳压器的控制电路的原理方框图；
图7是用于描述根据本发明的第三实施例的开关稳压器的工作的信号波形图；
图8是用于说明根据本发明的第三实施例的开关稳压器的效率和传统的开关稳压器的效率的说明性曲线图；
图9是用于表示根据本发明的第四实施例的开关稳压器的控制电路的原理方框图；
图10是传统的开关稳压器的原理方框图；
图11是用于描述传统的开关稳压器的工作的信号波形图；
图12是传统的升压型开关稳压器的原理方框图。
现在来参考附图，详细地描述本发明的各种最佳实施例。
第一开关稳压器的配置/操作
图1是用于表示根据本发明的第一实施例的开关稳压器的控制电路的原理方框图。应该理解，参考电压电路10、分压电阻11和12、误差信号放大器13、和PWM比较器15与传统的开关稳压器的相似。
另一个参考电压电路110输出一种就振荡信号振幅来说介于由振荡器电路114产生的振荡信号的最小电压与其最大电压之间的任意电压。例如，现在假定，由振荡器电路114产生的振荡信号的振幅从0.2V变到1.0V，则设0.4V为0.2V到1.0V之间的任意电压。比较器115把误差信号放大器13的输出电压Verr与参考电压电路110的输出电压Vref 110进行比较，从而给振荡器电路114输出控制信号。以这样的方式安排振荡器电路114，即振荡器电路114的振荡频率随比较器115的这控制信号而改变。例如，振荡器电路114作如下安排。当从比较器115输出的控制信号变“高(H)”时，振荡器电路114在高频率下振荡(例如500kHz)，而当控制信号变“低(L)”时，振荡器电路114在低频率下振荡(例如100kHz)。
换言之，当负载变低或轻时，即当误差信号放大器113的输出电压Verr低于参考电压电路110的输出电压Vref 110时，振荡频率降低，这样，能够使开关(SW)元件接通的控制信号的脉冲宽度就增加。根据图2所示的信号波形来说明这种操作。
现在假定，参考电压电路110的输出电压Vref 110被设在高频500kHz下的10％的占空比(占空比是开关元件的接通时间周期与振荡时间周期的比，在这情况下，接通持续时间变为0.2μs)，当误差信号放大器13的输出电压Verr变得高于参考电压Vref(Verr＞Vref 110)，即变成重负载时，以频率500kHz控制SW元件的ON/OFF。反之，当Verr＜Vref 110时，振荡器电路114以频率100kHz振荡。结果，现在假定，这时，脉冲宽度等于10％的振荡时间周期，SW元件被1μs的宽的脉冲宽度接通，这脉冲宽度是频率500kHz下振荡信号的脉冲宽度的五倍。
在负载变轻的情况下，SW元件被宽的脉冲宽度所接通，会有这样的缺点，即脉动电压增加。可是，开关操作的总次数减少，从而开关损失减少，因而，能够提高这种开关稳压器在轻负载下，或在低的负载条件下的效率。当误差信号放大器13的输出电压进一步减小，虽然脉冲宽度变窄，因为开关效率低，在轻负载条件下开关损失减少，这样，能改进这种开关稳压器的效率。图3表示特性曲线，其上的横坐标表示输出负载电流，而纵坐标表示开关稳压器的效率。
在图10的传统的开关稳压器中，在轻负载条件下的开关损失增加，因而这种开关稳压器的效率大为降低。与此相反，在根据本发明的开关稳压器中，当负载轻时，因为总开关次数减少，所以，能够提高这种开关稳压器的效率。
另一方面，在负载变重的情况下，即在误差信号放大器13的输出电压Verr高于参考电压电路110的输出电压Vref 110的情况下，因为本发明的开关稳压器工作在与传统的开关稳压器的相似的方式下，这种开关稳压器的效率和它的脉动电压没有变化。
还有，当振荡频率被更换时，可以通过控制参考电压电路110的输出电压Vref 110的电压值来调节误差信号放大器13的输出电压值。因此，显然能任意地调节更换振荡器频率时的开关稳压器的输出负载电流值。
第二开关稳压器的配置/操作
图4是用于表示根据本发明的第二实施例的开关稳压器的控制电路的原理方框图。应理解，参考电压电路10、分压电阻11和12、误差信号放大器13和PWM比较器15与传统的开关稳压器的相似。
第二实施例有这样的不同于第一实施例的地方。即，振荡器电路114的振荡频率能随误差信号放大器13的输出电压Verr连续地改变。电压-电流转换电路120随误差信号放大器13的输出电压Verr连续地改变振荡器电路114的电流值。例如，现在假定，振荡器电路114是这样的振荡器电路，它的振荡频率决定于电容的充/放电，如果振荡器电路114的这种充/放电电流根据误差信号放大器13的输出电压Verr来控制，那么，振荡频率就基本上正比于充/放电电流而变化，如图5所说明的那样。
换而言之，当开关稳压器的负载轻时，振荡器电路114的充/放电电流减小，也就是说，振荡频率降低。结果，这开关稳压器在负载轻时的开关操作总次数减少，从而能改进开关稳压器的效率。与此相反，当稳压器的负载重时，振荡器电路114的充/放电电流增加，也就是说，振荡频率增加。结果，虽然开关稳压器的效率或多或少有所降低，但有可能获得较好的响应特性，并且获得低的脉动电压。
在上述的实施例中，振荡器电路的振荡器频率随误差信号放大器的输出电压值而改变。本发明不限于此。另一种办法是，甚至当振荡频率响应能够把重负载状态与轻负载状态区分开的信号而改变，也能获得相似的效果。以下的信号可以作为能够把重负载状态与轻负载状态区分开的这种信号。例如，从开关稳压器的外电路提供的一种信号，而另一种信号有响应于PWM比较器15的输出脉冲宽度的输出电压。
第三开关稳压器的配置/操作
下面将要描述本发明的第三实施例。
图6是用于表示根据本发明的第三实施例的开关稳压器的控制电路的原理方框图。应理解，参考电压电路10、分压电阻11和12以及振荡器电路14与传统的开关稳压器的相似。误差信号放大器113和PWM比较器117都工作在与传统的开关稳压器的相似的工作方式。
另一个参考电压电路110输出一种就振荡信号振幅来说介于由振荡器电路14产生的振荡信号的最小电压与其最大电压之间的任意电压。例如，现在假定，从振荡器电路14产生的振荡信号的振幅从0.2V变到1.0V，则设0.4V为0.2V到1.0V之间的任意电压。比较器116把误差信号放大器113的输出电压Verr与参考电压电路110的输出电压Vref 110进行比较，从而给误差信号放大器113和PWM比较器117输出一种控制信号。以这样的方式安排误差信号放大器113和PWM比较器117，即这些误差信号放大器113和PWM比较器117的电流消耗随这比较器116的控制信号而改变。例如，当从比较器116输出的控制信号变“高(H)”，误差信号放大器113和PWM比较器117的电流消耗大(例如各10μA)。与此相反，当控制信号变“低(L)”，电流消耗减小(例如1μA)。作为一个改变电流消耗的具体方式，例如，把一个9μA的恒流源和另一个1μA的恒流源连接到误差信号放大器113和PWM比较器117。在9μA的恒流源的电流通道上设置SW元件，并且这个SW元件根据从比较器116来的信号而接通/断开，从而能够改变电流消耗。
换言之，当负载变低或轻时，例如当误差信号放大器113的输出电压Verr低于参考电压电路110的输出电压Vref 110时，开关稳压器的控制电路的电流减小。根据图7所示的信号波形来说明这操作。
现在假定，当比较器116的输出变“高(H)”时，开关稳压器的电流消耗是30μA，而30μA中的20μA是误差信号放大器113和PWM比较器117所消耗的电流。还假定，开关稳压器的负载变轻，基本上等于开关稳压器的电流消耗，为30μA，开关稳压器的总效率明显地减小，小于正常效率的一半。可是，在这轻负载的条件下，如果比较器116的输出变“低(L)”，误差信号放大器113和PWM比较器117的电流消耗减小到2μA，那么开关稳压器的总的电流消耗变为12μA。在这情况下，开关稳压器的效率能提高到大约70％。
有这样的缺点，即在轻负载这样的情况下开关稳压器的响应被延迟，误差信号放大器和PWM比较器的电流被减小。可是，当负载轻时，便携式电子用品的工作方式是等待方式，在这方式下，电源电压和负载的变化小。结果，在一般的情况下，有这样的大的优点，即在轻负载的条件下能改进效率。图8表示特性曲线，其上的横坐标表示输出负载电流，而纵坐标表示开关稳压器的效率。
在图10的传统的开关稳压器中，在轻负载的条件下的开关损失由于开关稳压器的电流消耗而增加，因此，这种开关稳压器的效率大为降低。与此相反，在根据本发明的开关稳压器中，当负载变轻时，因为开关稳压器本身的电流消耗被降低，故能提高开关稳压器的效率。
另一方面，在负载变重的情况下，即误差信号放大器113的输出电压Verr高于参考电压电路110的输出电压Vref 110时，因为本发明的开关稳压器工作在类似于传统的开关稳压器的工作方式，所以，这种开关稳压器的效率和它的响应特性没有变化。
还有，因为能通过控制参考电压电路110的输出电压Vref 110的电压值，来调节更换振荡频率时的误差信号放大器113的输出电压值。因此，显然能任意地调节更换振荡器频率时的开关稳压器的输出负载电流值。
第四开关稳压器的配置/操作
图9是用于表示根据本发明的第四实施例的开关稳压器的控制电路的原理方框图；应理解，参考电压电路10、分压电阻11和12以及振荡器电路14与传统的开关稳压器的相似。误差信号放大器113和PWM比较器117工作在与传统的开关稳压器的相似的工作方式。
第四实施例与第三实施例相比有这样的不同点。即误差信号放大器113和PWM比较器117的电流消耗随误差信号放大器113的输出电压Verr连续地改变。电压-电流转换电路120随误差信号放大器113的输出电压Verr而连续地改变误差信号放大器113和PWM比较器117的电流消耗。
换言之，当负载轻时，即当误差信号放大器113的输出电压低时，误差信号放大器113和PWM比较器117的电流消耗减小，从而在轻负载的条件下开关稳压器的效率提高。与此相反，当负载重时，误差信号放大器113和PWM比较器117的电流消耗增加，从而改进开关稳压器的响应特性。当负载重时，开关稳压器自己的电流消耗之外的其它开关损失会作为主要因素起作用。因此，即使当误差信号放大器113和PWM比较器117的电流消耗或多或少增加时，效率基本不降低。
在上述第三和第四实施例中，误差信号放大器和PWM比较器两者的电流消耗随误差信号放大器的输出电压而改变。另外，甚至当两者中只有一种电流消耗被改变时，虽然影响减小了，但在轻负载的条件下的效率会明显地得到改进。
在上述的实施例中，误差信号放大器和PWM比较器的电流消耗随误差信号放大器的输出电压值而改变。本发明不限于此。另外，甚至当电流消耗随能够把重负载状态与轻负载状态区分开的信号而改变时，也能获得相似的效果。可以采用下面的信号作为能够把重负载状态与轻负载状态区分开的信号。例如，从这开关稳压器的外电路提供的一种信号，而另一种信号有响应于PWM比较器117的输出脉冲宽度的输出电压。
如上面详细描述的那样，根据本发明的开关稳压器，应用了用于随负载状态探测信号来改变开关稳压器效率的效率改变装置。这效率改变装置配置有：用于改变振荡器电路的振荡频率的振荡频率控制电路或者连接到误差信号放大器和PWM比较器的电源电路中的起码一个、并且用于改变输送到电源电路的电流的电源电流控制电路。根据前者的配置，振荡器电路的振荡频率在轻负载的条件下被降低，开关操作由宽的脉冲宽度执行，从而能够改进在轻负载条件下的效率。根据后者的配置，因为开关稳压器的电流消耗在轻负载的条件下被降低，所以能够增大在轻负载的条件下的效率。
1998年6月2日提交的日本专利申请No.10-153377所公开的包括说明书、权利要求书、附图和摘要的全部内容在此引入作为本文的参考。

Claims (5)

1.一种开关稳压器，其特征在于包括：
用于产生参考电压的参考电压电路；
误差信号放大器，用于把所述参考电压和通过把从所述开关稳压器输出的输出电压细分而产生的测量电压送入其中，并用于放大所述参考电压与所述测量电压之间的差分电压；
用于输出振荡信号的振荡器电路；
用于比较所述误差信号放大器的输出电压与所述振荡器电路输出电压的PWM比较器；
电源电流控制电路，用于根据所述开关稳压器的负载状态来改变流入误差信号放大器和所述PWM比较器的至少一个中的电流。
2.权利要求1的开关稳压器，其特征在于，所述电源电流控制电路配置有：
用于产生第二参考电压的第二参考电压电路；和
用于把所述第二参考电压与从所述误差信号放大器输出的电压进行比较的第二比较器；和
其中，所述电源电流控制电路被配置为，当所述差分电压低于所述第二参考电压时则提供一个第一电流，而当所述差分电压高于所述第二参考电压时则提供一个不同于所述第一电流的第二电流。
3.权利要求1的开关稳压器，其特征在于，所述电源电流控制电路配置有：
电压-电流转换电路，用于将所述误差信号放大器的输出电压转换为所述误差信号放大器和所述PWM比较器中至少一个的电源电流，并随着所述误差信号放大器的所述输出电压而连续改变所述电源电流。
4.一种开关稳压器，其特征在于包括：
用于产生参考电压的参考电压电路；
误差信号放大器，用于把所述参考电压和通过把从所述开关稳压器输出的输出电压细分而产生的测量电压送入其中，并用于放大所述参考电压与所述测量电压之间的差分电压；
用于输出振荡信号的振荡器电路；
用于比较所述误差信号放大器的输出电压与所述振荡器电路输出电压的PWM比较器；
用于产生第二参考电压的第二参考电压电路；
用于把所述第二参考电压与从所述误差信号放大器输出的电压进行比较的第二比较器；以及
电源电流控制电路，它连接到所述误差信号放大器和所述PWM比较器的电源电路中的起码一个，用于当所述差分电压低于所述第二参考电压时向所述电源电路提供第一电流，而当所述差分电压高于所述第二参考电压时，提供不同于所述第一电流的第二电流。
5.一种开关稳压器，其特征在于包括：
用于产生参考电压的参考电压电路；
误差信号放大器，用于把所述参考电压和通过把从所述开关稳压器输出的输出电压细分而产生的测量电压送入其中，并用于放大所述参考电压与所述测量电压之间的差分电压；
用于输出振荡信号的振荡器电路；
用于比较所述误差信号放大器的输出电压与所述振荡器电路的输出电压的PWM比较器；和
电源电流控制电路，它连接到所述误差信号放大器和所述PWM比较器的电源电路中的起码一个，用于响应于所述误差信号放大器的输出而连续地改变供应电流。
CNB981207480A 1997-09-22 1998-09-22 能够在轻负载下提高稳压器效率的开关稳压器 Expired - Lifetime CN1179471C (zh)

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