CN1543046A - 电源设备 - Google Patents

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Abstract

提出了一种进行配置以使其从输入电压中产生在预定容许变化范围内的输出电压Vo的电源设备，其中，控制输出电压Vo，以使其随着输出电压Io的增大而在容许变化范围内减小。这种结构使输出电压具有抵御输出电流突然变化的改进的瞬态特性，同时，当输出电流增大时，能够使所消耗功率的减少。

Description

电源设备
本申请基于2003年4月16日提交的日本专利申请No.2003-111242，其内容在此被合并参考。
技术领域
本发明涉及一种电源设备，该电源设备从输入电压中产生允许在预定容许变化范围内变化的输出电压。
背景技术
通常，在从输入电压Vi中产生允许在预定容许变化范围内变化的输出电压Vo的电源设备中，通过输出电压Vo的反馈控制，使输出电压Vo保持与预定参考电压Vref(不会受输出电流Io增大或减小的影响的恒定电平)相等(见图7A)。
事实上，利用进行上述控制的电源设备，即使当输入电压Vi或输出电流Io稍微改变时，可以向负载提供电源设备的输出电压Vo，作为其变化处于容许变化范围内的电压。
但是，在进行上述控制的电源设备中，当输出电流Io突然变化以致于其不能由输出电压Vo的反馈回路处理时，输出电压Vo出现很大变化，在最坏情况下，这导致输出电压Vo超出了容许变化范围(见图7B)。这是传统电源设备存在的一个问题。近年来，随着用作这种电源设备负载的半导体芯片(例如CPU)消耗越来越大的电流并且在越来越高速度下运行，这个问题的解决变得非常关键，因此即使在负载突然发生变化时，也需要越来越稳定的输出电压Vo。此外，在上述结构的电源设备中，执行了反馈控制，以使输出电压Vo与不会受输出电流Io增大或减小影响的预定参考电压Vref保持相等。这导致负载的功率消耗随着输出电流Io的增大而增加。这是传统电源设备存在的另一个问题。
传统上，已经公开并提出了多种技术，给出了上述问题的解决方案(例如，见日本待审专利申请No.2002-186254)。但是，所有那些技术都试图通过增加反馈回路的响应来解决这些问题，因此基本上与上述传统结构并没有不同，即，这些技术执行反馈控制以使输出电压Vo保持在与不会受输出电流Io增大或减小影响的恒定电平。只要使用了这种结构，就不能在超出一定的限制来提高输出电压Vo的瞬态特性。即，在输出电流Io突然发生变化时，在最坏情况下，仍然存在输出电压超出容许变化范围的危险。而且，随着输出电流Io的增大，负载的功率消耗仍然趋向于增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种电源设备，该设备使输出电压具有抵御输出电流突然变化的改进的瞬态特性，同时允许减小当输出电流增大时所消耗的功率。
为了实现上述目的，根据本发明，一种电源设备配备有：用于从输入电压产生在预定容许变化范围内输出电压的电路；以及用于随着输出电流增大，在容许变化范围内减小输出电压的目标电平的电路。
附图说明
参考附图，从以下结合了优选实施例的描述中，本发明的这个及其它目的和特点会变得清楚，其中：
图1是示出了本发明第一实施例的电源设备的电路图；
图2是示出了输出电压比较电路2和偏移电路3的电路图；
图3A和3B是分别示出了具体实现本发明的电源设备的DC和瞬态特性的图；
图4是示出了电流设置信号Si相对于输出电流Io的相关特性的图；
图5是示出了本发明第二实施例的电源设备的电路图；
图6是示出了本发明第三实施例的电源设备的电路图；以及
图7A和7B是分别示出了传统电源设备的DC和瞬态特性的图。
具体实施方式
图1是示出了本发明第一实施例的电源设备的电路图。如图所示，本实施例的电源设备包括：数字-模拟转换器1(以下称为DAC 1)、输出电压比较电路2、偏移电路3、输出电流比较器4、复位优先S-R触发器5、输出晶体管驱动电路6(以下称为驱动器6)、N沟道MOS场效应晶体管7a和7b(以下称为FET 7a和7b)、输出线圈8、输出电容器9以及检测(sense)电阻器10。将该电源设备设计为同步整流类型的DC/DC转换器，其中，从在两个不同电位之间(输入电位Vi和地电位GND之间)串联以用作开关设备的FET 7a和7b对之间的节点中获得的所需输出电压Vo通过LC滤波器(由输出线圈8和输出电容器9组成)，然后使其经由输出终端To输出。
DAC 1将从外部提供的数字信号转换为模拟信号以产生参考电压Vref，参考该参考电压来确定输出电压Vo。应当注意，当输出电流Io等于零时，将该参考电压Vref自身作为输出电压Vo输出(见图4)。输出电压比较电路2由运算放大器2a和恒定阻抗控制器2b构成(之后，被称为CI控制器2b)，并根据参考电压Vref和输出电压Vo之间的比较结果，产生要提供到偏移电路3的设置电流信号Si。稍后将详细描述输出电压比较电路2的内部结构和操作。根据输出电压比较电路2产生的设定电流信号Si，偏移电路3提供输出电流比较器4的两个输入端子之间的预定偏移量。
输出电流比较器4的输出端子与S-R触发器5的复位输入端子(R)相连。S-R触发器5的置位输入端子(S)与时钟端子相连，通过该时钟端子，提供时钟信号CLK(例如，具有200[kHz]到1[MHz]的频率)，并且S-R触发器5的输出端子(Q)与驱动器6的输入端子相连。驱动器6具有两个输出端子，分别与FET 7a和7b的栅极相连。
FET 7a的漏极与电源电压线相连，且FET 7b的源极接地。FET 7a的源极与FET 7b的漏极相连，且这两个FET之间的节点通过输出线圈8与检测电阻器10的一端相连。检测电阻器10的另一端与输出端子To相连，并且还通过输出电容器9与参考电位相连。检测电阻器10的一端(靠近输出线圈8的一端)与输出电流比较器4的反相输入端子(-)相连，且检测电阻器10的另一端(靠近输出端子To的一端)通过偏移电路3与输出电流比较器4的正相输入端子(+)相连。因此，输出电流比较器4根据随输出电流Io变化的检测电阻器10两端的电压Vs(包括偏移电路3产生的偏移)是否高于预定阈值电平来改变其输出电平。
当到达S-R触发器5的复位信号为低电平时且其置位信号为高电平时，驱动器6使FET 7a导通，而使FET 7b截止。另一方面，当到达S-R触发器5的复位信号为低电平且其置位信号为低电平时，驱动器6使FET 7a截止，并使FET 7b导通。附带地，当复位信号为高电平时，驱动器使FET 7a截止(FET 7b的状态是不确定)，而与置位信号的状态无关。在上述结构中，当检测电阻器10两端的电压Vs达到预定阈值电平时，到达S-R触发器5的复位信号变为高电平，因此停止FET 7a的切换。
接下来，参考图2，将详细说明电压比较电路2和偏移电路3的内部结构。如前所述，在本实施例中，输出电压比较电路2由运算放大器2a和CI控制器2b构成。运算放大器2a由pnp型双极型晶体管P1和P2、npn型双极型晶体管N1和N2以及恒流源I1构成。CI控制器2b由pnp型双极型晶体管P3到P6、npn型双极型晶体管N3到N6、放大器A1和A2以及电阻器R1到R4构成。偏移电路3由pnp型双极型晶体管P7和P8、恒流源I2和I3以及电阻器R5和R6构成。
晶体管P1和P2的发射极连接在一起，且这两个晶体管之间的节点通过恒流源I1与电源电压线相连。晶体管P 1和P2的集电极分别与晶体管N1和N2的集电极相连。晶体管P1的基极与DAC 1(未示出)的输出端子相连，以便向其施加参考电压Vref，所述晶体管P1的基极用作运算放大器2a正相输入端子(+)。晶体管P2的基极通过电阻器R1与放大器A1的正相输入端子(+)相连，并且还通过电阻器R2与该电源设备的输出端子To(未示出)相连，其中所述晶体管P2的基极用作运算放大器2a反相输入端子(-)。晶体管P2和P1的集电极之间的节点与放大器A1的正相输入端子(+)相连，所述晶体管P2和P1集电极之间的节点用作运算放大器2a输出端子。晶体管N1和N2的发射极连接在一起，且其间的节点接地。晶体管N1和N2的基极连接在一起，且其间的节点与晶体管N1的集电极相连。
放大器A1的输出端子与晶体管N3的基极相连。晶体管N3的发射极与放大器A1的反相输入端子(-)相连，并且还通过电阻器R3接地。晶体管N3的集电极与晶体管P3的集电极电联。晶体管P3和P4的发射极连接在一起，且其间的节点与电源电压线相连。晶体管P3和P4的基极连接在一起，且其间的节点与晶体管P3集电极相连。晶体管P4的集电极通过电阻器R5与晶体管N6的集电极相连。
晶体管N5和N6的发射极连接在一起，且其间的节点接地。晶体管N5的集电极与晶体管P6的集电极相连。晶体管N5和N6的基极连接在一起，且其间的节点与晶体管N5的集电极相连。晶体管P5和P6的发射极连接在一起，且其间的节点与电源电压线相连。晶体管P5的集电极与晶体管N4的集电极相连。晶体管P5和P6的基极连接在一起，且其间的节点与晶体管P5的集电极相连。晶体管N4的发射极与放大器A2的反相输入端子(-)相连，并且还通过电阻器R4接地。晶体管N4的基极与放大器A2的输出端子相连。放大器A2的正相输入端子(+)与DAC 1的输出端子(见图1)相连，以向其施加参考电压Vref。
检测电阻器10(见图1)的两端分别与晶体管P7和P8的基极相连。晶体管P7和P8的集电极都接地。晶体管P7的发射极通过电阻器R5和恒流源I2与电源电压线相连。恒流源I2和电阻器R5之间的节点与晶体管P4的集电极相连，并且还与输出电流比较器4的正相输入端子(+)相连。电阻器R5和晶体管P7的发射极之间的节点与晶体管N6的集电极相连。晶体管P8的发射极通过电阻器R6和恒流源I3与电源电压线相连。恒流源I3和电阻器R6之间的节点与输出电流比较器4的反相输入端子(-)相连。
在如上结构的输出电压比较电路2中，随着输出电流Io的增大以及由此晶体管P4集电极电流i1的增大，CI控制器2b中设置的放大器A1的反相输入电压增加，并且由此放大器A1的正相输入电压(即运算放大器2a的输出电压Vb)增加。因此，在到达运算放大器2a的反相输入电压Va和输出电压Vb之间的电阻器R1的两端出现了与输出电流Io的增大或减小相当的电压差ΔV。
此时，运算放大器2a进行操作，以使反相输入电压Va与正相输入电压(即参考电压Vref)相等。这使得从电阻器R1流到电阻器R2的电流增大，并因此使输出电压Vo比参考电压Vref低预定电平(ΔV/R1×R2)(见图3A)。即，在本实施例的电源设备中，即使在输出电流Io突然发生变化的情况下，输出电压Vo移位到与输出电流相当的电压，于是保持在该电压(见图3B)。这消除了输出电压Vo中出现较大变化的可能性，并因此有助于提高输出电压Vo抵御输出电流Io突然变化的瞬态特性。此外，在本实施例的电源设备中，根据输出电流Io的增加来减小输出电压Vo。这有助于减少在输出电流Io增大时消耗的功率。
根据上述结构，本实施例的电源设备进行操作，从而随着输出电流Io的增大，输出电压Vo在预定容许变化范围内减小，可以实现这一点而无需到达运算放大器2a的输入电压自身产生任何偏移。这允许将运算放大器2a的输入电压之间的差设置得很小。换句话说，可以使用接近于其中接收相等电位作为其输入电压的理想运算放大器的的放大器作为运算放大器2a。这种结构有助于在运算放大器2a中获得高增益，因此有助于增加反馈回路的响应，并由此提高了抵御输出电流Io突然变化的输出电压Vo的瞬时特性。
在本实施例的电源设备中，通过适当地设置电阻器R1和R2之间的电阻的比值，能够简单地设置输出电压Vo相对于输出电流Io的DC特性(见图3A)，并且不依赖于运算放大器2a的增益特性。因此，几乎不存在会引起输出电压变化的因素。因此，利用本实施例的电源设备，即使当输出电压Vo的容许变化范围很窄时(例如，±50[mV])，也能够精确地控制输出电压Vo，以使其在容许变化范围内变化。
此外，在本实施例的电源设备中，将用于确定输出电压Vo的参考电压Vref(或根据参考电压Vref产生的电压)用作用于确定运算放大器2a的输出电压Vb(即输出电流Io)和电流设置信号Si(＝i1+i2)之间相关性的电流设置参考电压(对应于当晶体管P4和P6的集电极电流i1和i2相等且电流设置信号Si是零时所获得的运算放大器2a的输出电压Vb；见图4)。利用这种结构，即使参考电压Vref中发生变化，无论如何也不会影响电流设置信号Si相对于输出电流Io的相关特性。这种结构尤其适合于与本实施例相类似的电源设备，其中控制参考电压Vref以发生变化。
上述实施例涉及将本发明应用于开关调节器的情况。但是，应当理解，可以将本发明应用于其它任何结构，例如，如图5所示，具有串联于输入和输出端子之间的FET 7c的串联调节器。
作为上述输出电压比较电路2的替代，可以使用如图6所示的输出电压比较电路2’。该输出电压比较电路2’包括：用于放大第一参考电压Vref1和输出电压Vo之间差分电压的输出电压比较放大器11；在提前设置的第二参考电压Vref2和地电位GND之间串联的电阻器12和13，以便偏置由输出电压比较放大器11放大的电压；以及，用于将已放大并之后偏置的电压转换为电流以产生电流设置信号Si的电压-电流转换电路14。这里，通过根据第二参考电压Vref2和偏压电阻器12和13的电阻来降低输出电压比较放大器11的输出增益，在第一参考电压Vref1和输出电压Vo之间产生与电流设置信号Si中的变化相当的差值。利用这种结构，可以获得与前述第一和第二实施例中所实现的几乎相同的优点。
这里应注意，具有上述结构的电源设备在具有能够实现比第一和第二实施例更简单结构的同时，具有下列缺点：(a)对于输出电压比较放大器11的输入，需要确保较宽的电压范围；(b)需要同时考虑到其比值(中点电压)和其绝对值来设置电阻器R1和R2的电阻，因此，这些电阻的变化具有较大的影响；(c)输出电压比较放大器11的增益特性的变化有很大影响，且输出电压比较放大器11具有较差的温度特性；以及(d)需要将输出电压比较放大器11的增益设置得较低，因此，输出电压比较放大器11表现出较差的高速响应。因此，当采用这种结构时，需要有应有的小心。例如，在将功率提供给允许输入电压只在较窄的变化范围内变化的负载上时，第一或第二实施例的电源设备比本实施例的电源设备更适合。
以上的描述只涉及了通过偏移电路3将输出电压比较电路2的输出电流转换为电压的情况。但是，可以采用其它任何结构。例如，可以使用数字信号作为电流设置信号Si。
如上所述，根据本发明，在电源设备中，为了从输入电压中产生在预定容许变化范围内的输出电压，控制了输出电压的目标电压，以使其随着输出电流的增大，在容许变化范围内减小。更具体地，根据本发明，一种电源设备配备有：输出电流检测器，用于产生与输出电流相当的监视电压；比较器，用于根据所述监视电压是否高于预定阈值电平来改变其输出电平；输出控制器，用于根据来自比较器的输出信号来控制输出电压；偏移器，用于给监视电压提供偏移量；以及输出电压比较器，用于根据输出电压和预定参考电压之间的比较结果来控制偏移量的大小。这里，在从输入电压中产生在预定容许变化范围内的输出电压的过程中，输出电压比较器按照下列方式控制偏移量的大小：随着输出电流的增大，输出电压在容许变化范围内减小。这种结构有助于提高输出电压抵御输出电流突然变化的瞬态特性，并且同时能够减少当输出电流增大时所消耗的功率。
在上述结构的电源设备中，优选地，输出电压比较器包括：运算放大器，用于进行操作，以使输出电压和参考电压相等；以及恒定阻抗控制器，用于根据运算放大器的输出端子的电压控制偏移量的大小，并产生信号，通过该信号，随着输出电流的增大，使输出电压的目标电平在容许变化范围内减小。利用这种结构，该电源设备进行操作，从而随着输出电流的增大，输出电压在预定容许变化范围内减小，并且可以这样实现而无需在到达运算放大器的输入电压自身中产生任何偏移。这允许将运算放大器的输入电压之间的差值设置得较小。因此，可以使用接近于其中接收相等电位作为其输入电压的理想运算放大器的运算放大器作为运算放大器2a。这有助于在运算放大器中获得高增益，因此有助于增加反馈回路的响应，并由此提高了抵御输出电流突然变化的输出电压的瞬态特性。
在上述结构的电源设备中，优选地，恒定阻抗控制器包括：第一电阻器，连接在其上施加了输出电压的运算放大器的一个输入端子和运算放大器输出端子之间；以及第二电阻器，连接在其上施加了输出电压的运算放大器的一个输入端子和其上施加了输出电压的端子之间。这里，通过在运算放大器的一个输入端子的电压和其输出端子的电压之间产生与穿过第一电阻器的输出电流的增大或减小相当的电压差，改变从第一电阻器流到第二电阻器的电流。利用这种结构，通过适当地设置第一电阻器和第二电阻器的电阻之间的比值，能够简单地设置输出电压相对于输出电流的DC特性，而不依赖于运算放大器的增益特性。因此，几乎不存在会引起输出电压变化的因素。因此，即使当输出电压的容许变化范围较窄时，也能够精确地控制输出电压，以使其在容许变化范围内改变。
在上述结构的电源设备中，优选地，所述恒定阻抗控制器使用参考电压作为电流设置参考电压，参考该电压，恒定阻抗控制器确定运算放大器的输出端子处的电压与偏移量大小之间的相关性。利用这种结构，即使参考电压发生变化，无论如何也不会影响偏移量大小相对于输出电流的相关特性。
可选地，在如上结构的电源设备中，所述输出比较器包括：放大器，用于放大输出电压和第一参考电压之间的差分电压；一对电阻器，用于串联于两个不同电位之间，以便偏置由放大器放大的电压；以及电压到电流转换器，用于将放大并之后偏置的电压转换为电流以产生设置信号，利用该设置信号来设置偏移量大小。利用这种结构，可以利用更简单的结构来获得与上述不同结构电源设备所实现的几乎相同的优点。但是，与不同构造的电源设备相比，这种结构的电源设备也具有许多缺点，因此，但采用这种结构时，需要有应有的小心。

Claims (10)

1.一种电源设备，包括：
用于从输入电压中产生在预定容许变化范围内的输出电压的电路；以及
用于随着输出电流增大，在容许变化范围内减小输出电压的目标电平的电路。
2.一种电源设备，包括：
输出电流检测器，用于产生与输出电流相当的监视电压；
比较器，用于根据所述监视电压是否高于预定阈值电平来改变其输出电平；
输出控制器，用于根据来自所述比较器的输出信号来控制输出电压；
偏移器，用于给监视电压提供偏移量；以及
输出电压比较器，用于根据输出电压和预定参考电压之间的比较结果来控制偏移量的大小，
其中，在从输入电压中产生在预定容许变化范围内的输出电压时，所述输出电压比较器按照下列方式控制偏移量的大小：随着输出电流的增大，输出电压在容许变化范围内减小。
3.根据权利要求2所述的电源设备，其特征在于
所述输出电压比较器包括：
运算放大器，用于进行操作，以使输出电压和参考电压相等；以及
恒定阻抗控制器，用于根据运算放大器的输出端子电压来控制偏移量的大小，并产生信号，通过该信号，随着输出电流的增大，在容许变化范围内减小输出电压的目标电平。
4.根据权利要求3所述的电源设备，其特征在于
所述恒定阻抗控制器包括：
第一电阻器，连接在其上施加了输出电压的所述运算放大器的一个输入端子和所述运算放大器输出端子之间；以及
第二电阻器，连接在其上施加了输出电压的运算放大器的一个输入端子和其上施加了输出电压的端子之间，
其中，通过在运算放大器的一个输入端子的电压和其输出端子的电压之间产生与流过第一电阻器的输出电流的增大或减小相当的电压差，改变从第一电阻器流到第二电阻器的电流。
5.根据权利要求4所述的电源设备，其特征在于
所述恒定阻抗控制器使用参考电压作为电流设置参考电压，参考该电压，所述恒定阻抗控制器确定运算放大器的输出端子处的电压与偏移量大小之间的相关性。
6.根据权利要求2所述的电源设备，其特征在于
所述输出比较器包括：
放大器，用于放大输出电压和第一参考电压之间的差分电压；
电阻器对，用于串联于两个不同电位之间，以便偏置由放大器放大的电压；以及
电压到电流转换器，用于将放大并之后偏置的电压转换为电流以产生设置信号，利用所述设置信号来设置偏移量的大小。
7.根据权利要求1所述的电源设备，其特征在于
输出电压的目标电平以固定比率减小。
8.根据权利要求1所述的电源设备，其特征在于
当输出电流突然增加时，输出电压保持在减小的电压电平。
9.根据权利要求2所述的电源设备，其特征在于
输出控制器包括：
在两个不同电位之间串联的一对输出晶体管，以便充当开关设备，输出电压从输出晶体管之间的节点中获得；
触发器，用于在复位端，接收比较器的输出信号，并且在置位端，接收具有预定频率的时钟信号；以及
输出晶体管驱动电路，用于根据触发器的输出信号来驱动所述的一对输出晶体管。
10.根据权利要求2所述的电源设备，其特征在于
输出控制器包括：
直接连接在通过其输入输入电压的输入端和通过其输出输出电压的输出端之间的输出晶体管，所述晶体管根据比较器的输出信号来导通和截止。
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