CN1436393A - 双驱动降压调节器 - Google Patents

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Abstract

公开一种降压开关调节器。第一和第二晶体管并联连接在第一供电节点和第一输出节点之间，所述第一和第二晶体管由激励级按照以下次序控制：(1)接通第一晶体管；(2)接通第二晶体管；(3)断开第二晶体管；以及(4)断开第一晶体管。第一晶体管比第二晶体管小，使得第一晶体管的切换比第二晶体管要快，因而减小了两个晶体管同时切换期间的功率消耗。这样的设计允许提高开关频率，而没有传统的功率损耗增加，其代价是相对较便宜的修改、即另外添加一个与较大晶体管并联的较小晶体管以及激励级中相关的电路。

Description

双驱动降压调节器
发明领域
本发明一般涉及开关稳压电源，更具体地说，涉及降压调节器。
背景技术
稳压电源对任何电子系统都非常重要，因为对于输入线路电压、输出负载、周围温度或时间等的变化，它们都能维持恒定的输出电压或电流。在许多场合，开关降压调节器都比线性调节器具有优越性，因为在将大输入电压转换为较小输出电压方面它们的功率效率较高，并且它们具有较小的尺寸。这些调节器也被称为“降压”调节器，它们在闭环控制下工作、交替地提高和减小低通滤波器电感中的电流(频率在几百KHz或更高)，以维持无纹波的稳压直流输出电压。降压调节器特别适用于便携式电池供电的计算和通信设备中，如高性能的笔记本电脑，它们不仅要求体积小，并且稳压器功率转换效率也要高。这些设备可能要求1.6V的直流稳压输出电压(用来驱动逻辑计算电路，如核心处理器)，而输入线路电压可在5-21V直流的范围内变化。
通过操作晶体管来控制降压调节器中的电感电流，所述晶体管将所述电感在一个供电节点(通常处在正电压)附近的高电压和另一个供电节点(通常接地)附近的低电压之间切换。提高这种开关频率可以在低通滤波器中使用较小尺寸的无源器件(电感和电容)，使调节器更容易置于便携式计算设备中，并且仍可以取得无纹波输出电压。但提高开关频率会减小功率转换效率，因为晶体管更频繁地进行开关，从而在相同的时间内消耗更多功率。降低调节器中功率转换效率是非常不可取的，特别是在便携式电池供电的设备中。
附图的简要说明
在附图的各图中以举例而非限制的方式图解说明了本发明，图中相同的参考号表示同样的元件。应当指出，本公开中对“一个”实施例的引用并不一定指同一个实施例，它们意味至少一个实施例。
图1显示本发明一个实施例的降压调节器电路图。
图2描绘本发明另一个实施例的降压调节器电路图。
图3举例说明图2降压调节器中示范性信号组的定时图。
图4显示以降压调节器为特征的核心处理器移动模块的框图。
详细说明
根据本发明一个实施例，公开一种开关调节器，它可以允许提高开关频率，但不会降低功率转换效率，这在传统的降压调节器中是做不到的。功率转换效率上的有益效果可以用功率消耗的降低来解释，所述功率消耗的降低发生在晶体管将电感在高电压和低电压之间切换的时间间隔中。更具体地说，这种开关损耗的降低是利用在第一供电节点和第一输出节点之间具有并联连接的两个晶体管的调节器设计来取得的。第一晶体管比第二晶体管要小，因此第一晶体管比第二晶体管转换更快。激励级连接成控制第一和第二晶体管，其方式是：顺序地，(1)接通第一晶体管，(2)接通第二晶体管，(3)断开第二晶体管，以及(4)断开第一晶体管。由于较大晶体管的切换操作的缘故，这种方式可以减小开关损耗，因为当较大晶体管接通时电感器已经处在第一供电节点电压、并且在较大晶体管断开时所述电感器仍保持在第一供电节点电压。相比之下，在传统的降压调节器设计的情况下，单个大的晶体管必须在与较大晶体管相联系的相对较长的切换时间间隔期间从一个供电节点电压变换为另一个。因此，在接通/断开较大晶体管之前/之后利用较小、更快的开关晶体管来升高/降低电感器电压可以在较大晶体管的随后的转换中减小开关损耗。
一旦接通较大晶体管，将通过该较大器件来控制电感器电流，并且可以依靠较大晶体管相比于较小晶体管的较低导通电阻来提高所述电感器电流，因而防止所述电感器电流通过较小的、较高电阻的晶体管而增加功率消耗。
图1显示本发明一个实施例的降压调节器102的电路图。在第一供电节点108和第一输出节点112之间连接较小的开关晶体管104(此例中是N沟道增强模式金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))。对于此特定实例，第一供电节点108处在正电压Vdc，后者可以在相对较广的范围(如5-21V)变化。第二晶体管116(此例中也是N沟道MOSFET)与第一晶体管104并联。应当指出，第一晶体管104的尺寸要比第二晶体管116的小，使得晶体管104可以比第二晶体管更快地切换其漏-源端子之间的相同的电压。例如，当将第一输出节点112从0V转换为Vdc时，较小的晶体管104能够比较大的晶体管116更快地提高第一输出节点112处的电压，例如5-6毫微秒对20-25毫微秒。与较大的晶体管相比，较小的晶体管一般具有较大的导通电阻，这样，对于通过两个晶体管的相同电流量，较小晶体管功率损耗较高。
激励极120连接成驱动两个晶体管的控制电极(此例中是两个晶体管的栅极)，以便连续地(1)接通第一晶体管104、(2)接通第二晶体管116、(3)断开第二晶体管116以及(4)断开第一晶体管104。这样的序列使得在接通较大的晶体管116之前，第一输出节点112的电压迅速从0V(或其他相对低电压)变换为基本上Vdc。一旦较大的晶体管被接通，将导致从第一供电节点108至第一输出节点112的几乎全部电流都由该较大的晶体管自身控制，而不是通过较小的第一晶体管104。
为了在第二输出节点108提供基本无纹波的直流电压，在第一输出节点112和第一供电节点108或第二供电节点136(这儿接地)之间连接了电感-电容(LC)低通滤波器132。应当指出，虽然对于低通滤波器132仅显示单个LC对，但是，一般可以使用包括多个LC对的各种低通滤波器设计，这取决于输出节点128的纹波量容限、激励级输出端的开关频率以及可用空间量。在第二供电节点136和第一输出节点112之间还连接了二极管138。该二极管用于防止当第一和第二晶体管104和116同时断开时突然停止低通滤波器136的电感电流Iind。
为帮助减少当电感电流Iind源于第二供电节点136期间的功率消耗，可以如图2实施例所示在第二供电节点136和第一输出节点112之间连接第三晶体管142。比之于图1实施例中仅使用二极管138，使用这样的晶体管(它可以包括所示的寄生的体二极管)有助于减少功率消耗，因为晶体管142比二极管138具有较低的导通电阻和较快的开关特性。当起动第三晶体管142时，激励级120还配置有T3输出端、以便：(1)在接通第一晶体管104或第二晶体管116之前断开第三晶体管142；以及(2)在断开第一和第二晶体管之后接通第三晶体管142，以避免第一和第二电源节点短路。
上述开关调节器实施例还可以包括传统的稳压器控制器124，它与激励级120连接、根据FDBCK处接收到的反馈信号来调节第二输出节点128处的直流电压、使得第二输出节点128处的稳定电压幅度小于第一供电节点108上的电压幅度。这种调节可以通过在CO输出端馈送给激励级120一个脉宽调制(PWM)信号来实现，调节所述电压的方法是：指示激励级接通或断开(脉冲)晶体管、从而提高或减小低通滤波器132电感中的电流以便在节点128取得所需电压。上面图2中所描述的接通和断开晶体管的工作序列将在以下联系图3的时序图进一步说明。
现转到图3的时序图，它显示的是以下信号的波形：控制器输出(CO)、晶体管控制脉冲信号T1-T3、第一输出节点电压V112、电感器电流Iind以及负载电流Iload。这些信号可以在图2中所示的电路位置得到。CO信号是由控制器124产生的脉冲系列，它提供给激励级120。激励级120响应每个CO脉冲而停止(deassert)第三脉冲信号T3，使晶体管142断开。此后，通过维持(assert)第一和第二脉冲信号T1和T2，晶体管104和116按该次序接通。对第一输出节点电压Vl12的影响可以如图3中所示进行说明，其中，当停止第三脉冲信号T3时，V112按照单一二极管电压降Vdiode从其漏极降至源极不饱和电压Vds(on)，其中Vdiode对应于图2中所示晶体管142的寄生的体二极管上的电压降。同样地，当维持T3信号时，V112升回其Vds(on)值。在T3停止和维持之间的时间内，顺序地维持第一和第二脉冲信号T1和T2，T1的维持导致V112的较大上升，最好是尽可能地接近第一供电节点108的电压(这儿是正的Vdc)。当随后维持T1时，可望对V112没有明显影响。T2的维持用来将电感电流从较小晶体管104引向较大晶体管116、以及通过较大晶体管为电感电流提供较低阻抗的路径，而不影响V112。
以上所述脉冲晶体管对电感电流Iind的影响在图3中显示，其形状为三角形，具有用DC值Iload表示的平均值。应当指出，当T1和T2保持在停止状态时Iind将减小，并且当维持T1时立即上升。可以预期，如果没有小晶体管，这种方式下的T1和T2时序并不会比传统调节器设计更明显地改变Iind的上升速率，这是因为Iind的上升速率与电感值L(它在多数应用中基本上保持固定)和V112成正比，如上述预期，当维持T1和T2脉冲的时间间隔期间，V112并不会明显改变。
上述从维持CO开始到维持T3结束的时序按照控制器124所确定的频率重复进行、使得在低通滤波器132的第二输出节点128处的电压(参见图2)被调节为预定的、基本上无纹波直流电压值，其幅度比第一供电节点108(当参考第二供电节点136的)的未调节的电压幅度小。对于具有图3中所示波形的本发明特定实施例，CO可以是脉宽调制(PWM)信号，其脉宽随在控制器124的FDBCK输入端所接收到的反馈信号而受到调制(参见图2)。
图4显示具有稳压器102的核心处理器移动模块的框图。移动模块402是印刷线路板组件，它包括稳压器102，后者接收范围在7.5V到21V的直流输入电压，并且相应地在节点128提供1.8V或更低的稳定的无纹波直流处理器核心电压。模块402上配备有处理器404，该处理器包括一个处理器核心，如英特尔公司生产的CeleronTM品牌处理器。该高度集成的移动模块包括处理器系统总线(PSB)，后者使处理器能够与桥接器晶片组408进行通信。桥接器晶片组408包括外围组件互连(PCI)桥接器以及主机桥接器。桥接器晶片组408通过板至板连接器410与移动模块以外的设备进行通信，所述板至板连接器提供内存总线、PCI总线和图形加速端口(AGP)总线的接口，AGP总线为大块图形数据的移动提供专用的高速端口。移动模块402还配备有源热反馈(ATF)传感器412，后者提供数字式的热感测结果。通过连接器410、经由系统管理总线(SMBus)路径实现功率管理，以便管理模块402的功率消耗。最后，作为处理器404和移动模块402以外与PCI总线连接的设备之间地址和命令传送的附加导线管，配备了边带总线414。这样的移动模块402预计将消耗大约15瓦的功率，稳压器102的设计能够提供所述功率。
总之，本文公开了一种降压稳压器，它使用一对晶体管，它们按顺序重复地接通以调节输出电压。这两个晶体管是并联的。第一晶体管比第二晶体管要小，因此第一晶体管比第二晶体管转换更快。通过在其漏-源电压下降至基本上为零之前不切换较大(较慢)晶体管来降低切换时间间隔内的功率消耗。因为第二晶体管较大，所以第二晶体管提供比第一晶体管较低的阻抗，因此在不切换的时间间隔内功率消耗也降低了，在所述不切换的时间间隔内由第二晶体管提供相对较大的输出电流量。
在上述说明书中，参考其具体的示范性的实施例描述了本发明。但是，显然，在不违背本发明所附权利要求书中所述的广义精神和范围的前提下，可以对其作各种修改和变化。因此，应把所述说明书和附图视为说明性的、而不是限制性的。

Claims (21)

1.一种开关调节器，它包括：
连接在第一供电节点和第二输出节点之间的第一晶体管；
与所述第一晶体管并联的第二晶体管，所述第一晶体管比第二晶体管小；以及
连接到所述第一和第二晶体管的激励级，用于顺序地(1)接通第一晶体管、(2)接通第二晶体管、(3)断开第二晶体管以及(4)断开第一晶体管。
2.如权利要求1所述的开关调节器，其特征在于还包括：
连接在第二供电节点和所述第一输出节点之间的二极管；以及
连接在所述第一输出节点与所述第一和第二供电节点之一之间的电感-电容低通滤波器，用于在第二输出节点提供基本上无纹波的电压。
3.如权利要求1所述的开关调节器，其特征在于还包括：
连接在第二供电节点和所述第一输出节点之间的第三晶体管，其中，所述激励级也连接到所述第三晶体管，用以(1)在接通所述第一晶体管之前断开所述第三晶体管以及(2)在断开所述第一晶体管之后接通所述第三晶体管。
4.如权利要求2所述的开关调节器，其特征在于还包括：
连接到所述激励级的一个控制器，用以调节所述第二输出节点的电压，该电压的幅度小于所述第一供电节点的电压的幅度。
5.如权利要求4所述的开关调节器，其特征在于：所述控制器向所述激励级馈送脉宽调制(PWM)信号，以便调节所述第二输出节点的电压。
6.如权利要求3所述的开关调节器，其特征在于：所述激励级被配置成(1)对维持所述PWM信号作出反应而断开所述第三晶体管以及(2)当停止所述PWM信号后接通所述第三晶体管。
7.如权利要求1所述的开关调节器，其特征在于：加大所述第二晶体管的尺寸，以便提供比所述第一晶体管低的阻抗。
8.如权利要求1所述的开关调节器，其特征在于：确定所述第一晶体管的尺寸、以便比所述第二晶体管更快地切换所述第一晶体管。
9.一种开关调节器，它包括：
第一开关装置，用于在第一供电节点和第一输出节点之间有选择地提供第一低阻抗路径；
第二开关装置，用于有选择地提供与所述第一路径并联的第二低阻抗路径，所述第二路径的阻抗低于所述第一路径的阻抗；以及
用于按照以下次序驱动所述第一和第二开关装置的装置：(1)接通所述第一路径；(2)接通所述第二路径；(3)阻断所述第二路径；以及(4)阻断所述第一路径。
10.如权利要求9所述的开关调节器，其特征在于还包括：
连接在第二供电节点和所述第一输出节点之间的二极管；以及
连接在所述第一输出节点与所述第一和第二供电节点之一之间的电感-电容低通滤波器，用于在所述第二输出节点提供基本上无纹波的电压。
11.如权利要求9所述的开关调节器，其特征在于还包括：
第三开关装置，用于在第二供电节点和所述第一输出节点之间有选择地提供第三低阻抗路径；以及
用于激励所述第三开关装置以便执行以下操作的装置：(1)在接通所述第一路径之前阻断所述第三路径；以及(2)在阻断所述第一路径之后接通所述第三路径。
12.如权利要求10所述的开关调节器，其特征在于还包括：
用于控制所述激励装置的装置，用以调节所述第二输出节点的电压，该电压的幅度小于所述第一供电节点电压的幅度。
13.如权利要求12所述的开关调节器，其特征在于：所述控制器装置向所述激励装置馈送脉宽调制(PWM)信号，以便调节所述第二输出节点的电压。
14.如权利要求13所述的开关调节器，其特征在于：所述激励装置(1)对维持所述PWM信号作出反应而阻断所述第三路径以及(2)当停止所述PWM信号后接通所述第三路径。
15.一种方法，它包括：
(a)在连接在第一供电节点和第一输出节点之间的第一晶体管的控制电极上维持第一脉冲信号；
(b)在与所述第一晶体管并联的第二晶体管的控制电极上维持第二脉冲信号，所述第一晶体管比所述第二晶体管小；
(c)停止所述第二脉冲信号；
(d)停止所述第一脉冲信号；以及
(e)重复步骤(a)-(d)以便调节连接到所述第一输出节点的电感-电容低通滤波器的输出节点的电压。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于包括：
在维持所述第一脉冲信号之前，停止连接在第二供电节点和所述第一输出节点之间的第三晶体管的控制电极上的第三脉冲信号；以及
在停止所述第一脉冲信号之后维持所述第三脉冲信号。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于：对感测到所述第一输出节点的电压已经达到接近所述第一供电节点电压的电平作出反应而维持所述第二脉冲信号。
18.一种移动模块，它包括：
具有板至板连接器的印刷线路板；
包括处理器核心并且安装在所述印刷线路板上的处理器组件；
通过系统总线连接到所述处理器组件并且通过多条总线连接到所述板至板连接器的桥接器晶片组；以及
稳压器，其第一供电节点连接成从所述板至板连接器的端子接收输入未调节直流电压并且其输出端连接成提供稳定的直流处理器核心电压，所述稳压器的第一晶体管连接在所述第一供电节点和第一输出节点之间、第二晶体管与所述第一晶体管并联，所述第一晶体管比所述第二晶体管小，并且所述稳压器的激励级连接在所述第一和第二晶体管之间、它顺序地(1)接通所述第一晶体管、(2)接通所述第二晶体管、(3)断开所述第二晶体管以及(4)断开所述第一晶体管。
19.如权利要求18所述的移动模块，其特征在于还包括安装在所述印刷线路板上的热反馈传感器，以便提供所述移动模块的数字式热感测结果并且以通信的方式连接到所述板至板连接器。
20.如权利要求18所述的移动模块，其特征在于还包括边带总线，以便在所述处理器组件和所述板至板连接器之间提供地址和指令通信。
21.如权利要求18所述的移动模块，其特征在于：所述稳压器还包括连接在第二供电节点和所述第一输出节点之间的二极管以及连接在所述第一输出节点与所述第一和第二供电节点之间的电感-电容低通滤波器、用以在所述稳压器的输出端提供基本上无纹波的电压。
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