CN1459682A

CN1459682A - 双频脉波宽度调制稳压装置

Info

Publication number: CN1459682A
Application number: CN 02120035
Authority: CN
Inventors: 陈升峰
Original assignee: Quanta Computer Inc
Current assignee: Quanta Computer Inc
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2003-12-03
Anticipated expiration: 2022-05-16
Also published as: CN100337171C

Abstract

一种双频脉波宽度调制稳压装置，可针对负载的轻重程度采用不同频率的双频脉波宽度调制稳压模式，为了解负载的轻重程度，可利用重载参考电压及轻载参考电压作为参考依据。当误差信号高于重载参考电压时，即表示目前的负载为重载，并利用频率较高(例如200KHz)的调制信号来驱动晶体管开关；反之，若误差信号低于轻载参考电压，即表示目前的负载为轻载，可利用频率较低(例如20KHz)的调制信号来驱动晶体管开关，以提高电源转换的效率。

Description

双频脉波宽度调制稳压装置

(1)技术领域

本发明有关一种稳压装置，特别是有关一种脉波宽度调制稳压装置。

(2)背景技术

随着可携式电子装置产品日新月异，供应电源的交换式电源转换器的效率便显得益加重要，为提高电源转换的效率，脉波宽度调制(pulse width modulation，以下简称PWM)转换器也被广泛应用在各种产品中。请参照图1，它是传统的PWM稳压装置示意图。假设负载端的端点电压Vt的额定值为5V，当负载减少时，端点电压Vt亦会略微上升(例如升至5.01V)，为使端点电压Vt稳定在额定值，可利用晶体管开关Q调整流入负载的输入电流，当输入电流的有效值降低后，端电压Vt便会降回额定值，达到稳压的目的。为实现上述功能，可将控制电路100连接至负载端及晶体管开关Q，控制电路100中的误差放大器110可用来检测端点电压Vt与参考电压Vr(可将参考电压Vr设定为5V，即端点电压Vt的额定值)的间的误差，并产生一对应于此误差的误差信号er。另一方面，振荡器130可产生一固定频率的振荡信号(例如200KHz的锯齿波信号)并将其馈入调制信号发生器(例如是比较器)120，调制信号发生器120在接收到误差信号er及振荡信号后，会依据这两个信号产生一调制信号ms，并将其输入至驱动装置140。而后，驱动装置140可依据调制信号ms使晶体管开关Q的导通周期变短，如此一来，流过晶体管开关Q的电流有效值就会降低，使负载端电压Vt回复到额定值。

接着请参照图2，它示出误差信号、振荡信号及调制信号三者间的关系，振荡信号例如是200KHz的锯齿波信号。调制信号发生器120可将误差信号er与振荡信号之间的关系转换为调制信号ms，当误差信号er大于振荡信号时可令调制信号ms为高位准(high level)，当误差信号er小于振荡信号可令时调制信号ms为低位准(low level)；因此，若端点电压Vt高于参考电压时误差信号er便会降低，让调制信号ms处于高位准的时间缩短。由于驱动装置140系依据调制信号ms驱动晶体管开关Q，故晶体管开关Q的导通时间亦缩短，使流入负载的电流有效值降低，端点电压Vt下降。由于此等控制为闭回路(close loop)控制，故最后端电压Vt可稳定在额定值(即Vt＝Vr)。

由上文所述可知，调制信号ms是误差信号er与振荡信号比较的结果，故调制信号ms的频率与振荡信号的频率相同。由于振荡信号为固定频率的锯齿波信号，故调制信号ms的频率亦固定，仅脉波宽度随负载变动而变化；换句话说，无论轻载重载，PWM稳压装置均以固定频率(唯脉波宽度随负载变化)的信号来切换晶体管开关Q的开启/关闭状态。由于轻载时负载所消耗的功率很小，故晶体管开关Q的导通时间相对变短，每次所传送的能量亦很少，但在PWM模式下，轻载时晶体管开关Q依然每秒开关200000次(以200KHz的振荡信号为例)，每开关一次就有能量的丧失，故电源转换的效率会大幅降低。为解决PWM模式在轻载时效率不彰的问题，遂发展出PWM/PFM双模式转换器，亦即重载时依然采用PWM模式，而轻载时采用脉波频率调制(pulse frequency modulation，PFM)模式-以相同脉波宽度、但频率可变的调制信号来驱动晶体管开关Q，以提升电源转换的效率。虽此方法可解决轻载时效率不彰的问题，但因负载降低而将操作模式切换至PFM模式时，若调制信号的频率落入音频范围(约20Hz~20KHz)，因电感的震动及陶瓷电容的压电效应，将产生恼人的噪音，而此时也会因为工作频率的降低而造成输出涟波电压的增加。

因此，该如何于轻载时提升电源转换的效率、并可避免噪音产生，便成为当前相当重要的课题。

(3)发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种双频脉波宽度调制稳压装置，以提升轻载时电源转换的效率，并避免噪音产生。

本发明的双频脉波宽度调制稳压装置，用以稳定一负载的端点电压，其特点是，包括：一晶体管开关，用以调整该负载的输入电流；一误差放大器，耦接至该负载，用以依据该端点电压及一参考电压输出一误差信号；一双频信号发生器，用以输出一高频信号及一低频信号；一调制信号发生器，耦接至该误差放大器及该双频信号发生器，该调制信号发生器依据该误差信号及该高频信号输出一调制信号；一轻/重载检测器，耦接至该误差放大器，该轻/重载检测器系依据该误差信号判断该负载的轻重程度以输出一频率选择信号；一或运算器，该或运算器的输入端分别耦接至该双频信号发生器及该轻/重载检测器，用以将该低频信号与该频率选择信号进行或运算后输出一或运算信号；一与运算器，该与运算器的输入端分别耦接至该调制信号发生器及该或运算器，用以将该调制信号与该或运算信号进行及运算后输出一与运算信号；以及一驱动装置，耦接至该与运算器及该晶体管开关，用以依据该与运算信号驱动该晶体管开关。

本发明的双频脉波宽度调制稳压装置包括晶体管开关、误差放大器、双频信号发生器、调制信号发生器、轻/重载检测器、或运算器、与运算器及驱动装置。在作法上，可利用双频信号发生器产生高频信号及低频信号，调制信号发生器在接收到高频信号及误差信号后，可将这两个信号调制为调制信号后输出，高频信号与调制信号的频率相等。另一方面，轻/重载检测器可依据误差信号来判断负载的轻重程度，当重载时可令选择信号为1，轻载时可令选择信号为0。或运算器将低频信号与选择信号进行或逻辑运算后，可将运算结果-或运算信号输出，重载时或运算信号为1，轻载时或运算信号与低频信号相等。

与运算器可将调制信号与或运算信号进行及逻辑运算，并将运算结果-与运算信号输出至驱动装置，让驱动装置依据与运算信号来控制晶体管开关开启或关闭。重载时或运算信号为1，故与运算信号为高频的调制信号；轻载时或运算信号为低频信号，故与运算信号为低频的调制信号。

在实际应用上，双频信号发生器可利用信号发生器及除频器加以实现，高频信号发生器除可产生高频信号供调制信号发生器使用外，更可经除频器除频后为低频信号供或运算器使用。当然，在设计上也可利用信号发生器先产生低频信号，再将低频信号倍频为高频信号使用。

在轻/重载检测器方面，则可利用轻载检测器、重载检测器及频率选择器加以实现，重载检测器可将误差信号与重载参考电压比较，若误差信号大于重载参考电压时，即输出一重载信号至频率选择器。另一方面，轻载检测器可将误差信号与轻载参考电压比较，若误差信号小于轻载参考电压时，即输出一轻载信号至频率选择器。如此，当频率选择器接收到重载信号时即可将选择信号设定为1，接收到轻载信号时即可将选择信号设定为0，设计时，频率选择器可利用闩锁电路实现的，例如RS闩锁电路即可作为频率选择器的一例。

双频脉波宽度调制稳压装置可针对负载的轻重程度采用不同频率的PWM稳压模式，为了解负载的轻重程度，可利用重载参考电压及轻载参考电压作为参考依据。当误差信号高于重载参考电压时，即表示目前的负载为重载，并利用频率较高(例如200KHz)的调制信号来驱动晶体管开关；反之，若误差信号低于轻载参考电压，即表示目前的负载为轻载，可利用频率较低(例如20KHz)的调制信号来驱动晶体管开关，以提高电源转换的效率。

为进一步说明本实用新型的目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本实用新型进行详细的描述。

(4)附图说明

图1是传统的PWM稳压装置示意图。

图2是图1中误差信号、振荡信号及调制信号三者间的关系示意图。

图3是本发明所采用的轻/重载检测方式示意图。

图4是依照本发明一较佳实施例所提供的一种双频脉波宽度调制稳压装置示意图。

图5A是一种图4的双频信号发生器方块图。

图5B是另一种图4的双频信号发生器方块图。

图6是图4中轻/重载检测的电路结构图。

图7是图6中频率选择器的电路结构图。

(5)具体实施方式

请参照图3，它是本发明所采用的轻/重载检测方式示意图。为了解负载的轻重程度，可预设两电压位准-重载参考电压Vh及轻载参考电压V1作为考依据。由于误差信号er是由负载的端点电压与参考电压比较而获得，若误差信号er高于重载参考电压Vh，即表示目前的负载为重载，并利用频率较高(例如200KHz)的调制信号来驱动晶体管开关；反之，若误差信号er低于轻载参考电压V1，即表示目前的负载为轻载，可利用频率较低(例如20KHz)的调制信号来驱动晶体管开关，以提高电源转换的效率。在设计时，只要调制信号的频率恒高于音频范围，人耳便无法听出噪音，故不具有PFM模式的噪音问题。

请参照图4，它是依照本发明一较佳实施例所提供的一种双频脉波宽度调制(pulse width modulation，PWM)稳压装置示意图。本发明的构想，是依据负载的轻重程度不同，而以两种不同频率的调制信号来控制晶体管开关的导通状态；例如重载时可采用200KHz的调制信号，而轻载时可采用20KHz的调制信号。在作法上，可利用双频信号发生器450产生高频信号HF及低频信号LF，并将高频信号HF输出至调制信号发生器120、低频信号LF输出至或运算器OR；其中高频信号HF例如是200KHz的锯齿波信号，而低频信号LF例如是20KHz的信号。调制信号发生器120在接收到高频信号HF及误差信号er后，可将这两个信号调制为调制信号ms后输出，若高频信号HF为200KHz，则调制信号ms亦为200KHz。

另一方面，轻/重载检测检测器470可依据误差信号er来判断负载的轻重程度，当重载时可令选择信号sel为1，轻载时可令选择信号sel为0。或运算器OR将低频信号LF与选择信号sel进行或逻辑运算后，可将运算结果-或运算信号OS输出：因重载时选择信号sel为1，故或运算信号OS为1；反之，因轻载时选择信号sel为0，故或运算信号OS与低频信号LF相等。

当与运算器AND接收到调制信号ms与或运算信号OS后，可将调制信号ms与或运算信号OS进行与逻辑运算，并将运算结果-与运算信号AS输出至驱动装置140，让驱动装置140依据与运算信号AS来控制晶体管开关Q开启(on)或关闭(off)。如上文所述，重载时或运算信号OS为1，故调制信号ms与或运算信号OS进行与逻辑运算后，所产生的与运算信号AS应与调制信号ms相等，频率亦相等，故可知此时与运算信号AS的频率为200KHz。轻载时，或运算信号OS为20KHz的低频信号LF，故调制信号ms与或运算信号OS进行与逻辑运算后，所产生的与运算信号AS仅为20KHz，换句话说，输入与运算器AND的调制信号ms每10个的脉波只有1个会被与运算器AND输出，故可将此时的与运算信号AS视为频率只有20KHz的调制信号ms。

很明显，利用双频脉波宽度调制稳压装置，可于负载较重时以频率较高(例如200KHz)的调制信号驱动晶体管开关，于负载较轻时以频率较低(例如20KHz)的调制信号驱动晶体管开关，以提高电源转换效率并避免噪音产生。

在实际应用上，双频信号发生器可利用信号发生器及除频器加以实现，请参照图5A，它是一种双频信号发生器方块图。双频信号发生器450可包括高频信号发生器551及除频器555，高频信号发生器551可产生高频信号HF供调制信号发生器120使用，此外，高频信号HF经除频器555除频后，即可成为低频信号LF供或运算器OR使用。举例来说，若所需的高频信号HF为200KHz而低频信号LF为20KHz，则采用除10的除频器555即可符合设计需求。当然，在设计上也可利用信号发生器先产生低频信号，再将低频信号倍频为高频信号使用，如图5B所绘示，即另一种双频信号发生器方块图。双频信号发生器450可包括低频信号发生器557及倍频器559，低频信号发生器557可产生低频信号LF供或运算器OR使用，此外，低频信号LF经倍频器559倍频后，即可成为高频信号HF供调制信号发生器120使用。举例来说，若所需的高频信号HF为200KHz而低频信号LF为20KHz，则采用乘10的倍频器559即可符合设计需求。

在轻/重载检测检测器方面，则可利用轻载检测器、重载检测器及频率选择器加以实现，请参照图6，它示出轻/重载检测检测器470的电路结构。轻/重载检测检测器470可包括轻载检测器LD、重载检测器HD及频率选择器670，重载检测器HD可将误差信号er与重载参考电压Vh比较，若误差信号er大于重载参考电压Vh时，即输出一重载信号HS至频率选择器670。另一方面，轻载检测器LD可将误差信号er与轻载参考电压V1比较，若误差信号er小于轻载参考电压V1时，即输出一轻载信号LS至频率选择器670。如此，当频率选择器670接收到重载信号HS时即可将选择信号sel设定为1，接收到轻载信号LS时即可将选择信号sel设定为0，设计时，频率选择器670可利用闩锁(latch)电路实现的，例如图7即示出以或非门(NOR)组成的RS闩锁电路作为频率选择器670的一例。

本发明的双频脉波宽度调制稳压装置，至少具有以下优点：

一、轻载时的电源转换效率高于一般PWM转换器。

二、可有效解决PFM转换器轻载时的噪音问题。

三、输出涟波电压比PFM转换器为低。

当然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型权利要求书的范围内。

Claims

1.一种双频脉波宽度调制稳压装置，用以稳定一负载的端点电压，其特征在于，包括：

一晶体管开关，用以调整该负载的输入电流；

一误差放大器，耦接至该负载，用以依据该端点电压及一参考电压输出一误差信号；

一双频信号发生器，用以输出一高频信号及一低频信号；

一调制信号发生器，耦接至该误差放大器及该双频信号发生器，该调制信号发生器依据该误差信号及该高频信号输出一调制信号；

一轻/重载检测器，耦接至该误差放大器，该轻/重载检测器系依据该误差信号判断该负载的轻重程度以输出一频率选择信号；

一或运算器，该或运算器的输入端分别耦接至该双频信号发生器及该轻/重载检测器，用以将该低频信号与该频率选择信号进行或运算后输出一或运算信号；

一与运算器，该与运算器的输入端分别耦接至该调制信号发生器及该或运算器，用以将该调制信号与该或运算信号进行及运算后输出一与运算信号；以及

一驱动装置，耦接至该与运算器及该晶体管开关，用以依据该与运算信号驱动该晶体管开关。

2.如权利要求1所述的双频脉波宽度调制稳压装置，其特征在于，该双频信号发生器包括：

一高频信号发生器，用以产生该高频信号；以及

一除频器，耦接至该高频信号发生器，用以将该高频信号除频为该低频信号后输出。

3.如权利要求2所述的双频脉波宽度调制稳压装置，其特征在于，该高频信号发生器是振荡器。

4.如权利要求1所述的双频脉波宽度调制稳压装置，其特征在于，该轻/重载检测器包括：

一重载检测器，耦接至该误差放大器，该重载检测器是依据该误差信号及一重载参考电压输出一重载信号；

一轻载检测器，耦接至该误差放大器，该轻载检测器是依据该误差信号及一轻载参考电压输出一轻载信号；以及

一频率选择器，耦接至该重载检测器及该轻载检测器，该频率选择器依据该重载信号及该轻载信号输出该频率选择信号。

5.如权利要求4所述的双频脉波宽度调制稳压装置，其特征在于，该重载检测器是比较器，用以将该误差信号与该重载参考电压比较后输出该重载信号。

6.如权利要求4所述的双频脉波宽度调制稳压装置，其特征在于，该轻载检测器是比较器，用以将该误差信号与该轻载参考电压比较后输出该轻载信号。

7.如权利要求4所述的双频脉波宽度调制稳压装置，其特征在于，该频率选择器系一闩锁电路。

8.如权利要求7所述的双频脉波宽度调制稳压装置，其特征在于，闩锁电路为RS闩锁电路。

9.如权利要求1所述的双频脉波宽度调制稳压装置，其特征在于，该调制信号发生器是比较器，用以将该误差信号与该高频信号比较后输出该调制信号。

10.如权利要求1所述的双频脉波宽度调制稳压装置，其特征在于，该晶体管开关是一双接面晶体管。

11.如权利要求10所述的双频脉波宽度调制稳压装置，其特征在于，该双接面晶体管系PNP晶体管。

12.如权利要求10所述的双频脉波宽度调制稳压装置，其特征在于，该双接面晶体管是NPN晶体管。

13.如权利要求1所述的双频脉波宽度调制稳压装置，其特征在于，该高频信号是锯齿波信号。

14.如权利要求1所述的双频脉波宽度调制稳压装置，其特征在于，该高频信号是由该低频信号倍频而得。

15.如权利要求14所述的双频脉波宽度调制稳压装置，其特征在于，该低频信号是锯齿波信号。