CN1674423A - 直流－直流转换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种将从外源输入的DC电源转换为电负载需要的预定DC电源的DC－DC转换器。开关部分，其中，切断或供应输入DC电源的串联的一对开关的每个与至少另一个开关并联。电流传感器检测流过电负载的负载电流，并且控制器根据由电流传感器检测到的负载电流的强度来控制开关部分，以启用一定数目的开关。被启用的开关由PWM信号驱动，以切断输入DC电源或将输入DC电源供应给负载。通过改变被启用的开关的数目，对低负载电流防止了不必要的切换。

Description

直流-直流转换器及其控制方法
本申请要求于2004年3月26日在韩国知识产权局提交的第2004-20845号韩国专利申请的利益，该申请公开于此以资参考。
                      技术领域
本发明涉及一种DC-DC转换器及其控制方法，更具体地讲，涉及这样一种DC-DC转换器，其将当光电负载被连接时发生的不必要的切换减到最少，并提高DC-DC转换器的效率，及其控制方法。
                      背景技术
通常，DC-DC转换器将从外源输入的DC电源转换为电负载需要的预定DC电源。DC-DC转换器可以分为将输入的DC电源的电压升高的升压类型(boost type)、和将输入的DC电源的电压降低的降压类型(buck type)。
以下，取同步降压转换器作为例子来描述。
如图1所示，同步降压转换器包括：一对开关300和302，它们根据从控制器(未示出)输出的脉冲宽度调制(PWM)信号来交替地操作，并且供应/切断输入DC电源VIN；电感器316，其被连接到该对开关300和302之间的公共节点；和电容器318，其被连接在电感器316和地电位之间。
根据上述配制，同步降压转换器的操作的描述如下。
同步降压转换器根据每个开关300和302是接通还是断开来以两种模式操作。
在第一模式下，开关300接通，并且开关302断开。在第一模式下，DC电源VIN被供应给电感器316的输入端，从而流过电感器316的电流增大。因此，能量在电感器316中积累，并且能量被供应到电感器316的输出端，从而电容器318两端之间的输出电压VOUT升高。
在第二模式下，开关300断开，并且开关302接通，从而电感器316和电容器318形成闭合回路。在第二模式下，流过电感器316的电流连续流过该闭合回路，直到开关300在PWM信号的下一个周期接通。因此，电容器318上的电荷减少，并且输出电压VOUT降低。
控制器(未示出)检测输出到电负载320的输出电压VOUT。如果输出电压VOUT为低，那么控制器延长开关300的接通时间，并且缩短开关302的接通时间，以升高输出电压VOUT。如果输出电压VOUT为高，那么控制器缩短开关300的接通时间，并且延长开关302的接通时间，以降低输出电压VOUT。即，控制器根据输出电压VOUT来调节输出到每个开关300和302的PWM信号的占空比，以将提供给电负载320的电压VOUT保持在恒定值。
在反相器314之后操作的延迟电路(未示出)提供开关300和开关302之间的停滞时间(dead time)以防止所谓的短臂(arm short)现象，在该现象中，当开关300和开关302同时接通时，电流从输入VIN被直接传导到地电位。
移动电子装置的中央处理单元(CPU)需要相对大的电流，因此在CPU电压调整模块(CPU-VRM)中，多个开关并联到图1中示出的每个开关300和开关302上，以增加电流容量。
如图2所示，在具有多个并联开关的传统CPU-VRM中，开关单元340的开关341、344和347同时由从控制器(未示出)输出的PWM信号接通/断开。开关单元350的开关351、354和357与开关341、344和347交替地接通/断开。由反相器360之后的延迟电路(未示出)所导致的停滞时间以与上述关于图1所示的传统电路类似的方式在开关单元340和开关单元350之间起作用。
但是，在上述传统电路中，虽然光电负载被连接，但一些并联的开关被不必要地切换，由此导致了开关损耗并降低了效率。
                      发明内容
因此，本发明的一方面在于提供一种DC-DC转换器，其用于将当光电负载被连接时发生的不必要的切换减到最少，以提高DC-DC转换器的效率。
本发明的另一方面在于提供一种控制DC-DC转换器的方法，其用于将不必要的切换减到最少，由此提高DC-DC转换器的效率。
通过提供一种将从外源输入的DC电源转换为电负载需要的预定DC电源并将转换后的DC电源供应给电负载的DC-DC转换器，来实现本发明的上述和/或其它方面，该DC-DC转换器包括：开关部分，其中，串联的一对开关的每个与至少一个开关并联并且切断或供应输入DC电源；电流传感器，用于检测流过电负载的负载电流；和控制器，用于根据由电流传感器检测到的负载电流的强度来控制开关部分，以改变将被启用的开关的数目。
根据本发明的一方面，控制器产生PWM信号以驱动开关，并且根据负载电流的强度来选择性地将PWM信号供应给开关，以改变将被启用的开关的数目。
根据本发明的一方面，控制器包括：PWM控制器，用于产生PWM信号和启用/禁用信号以根据负载电流的强度来启用/禁用开关；PWM信号线，用于将从PWM控制器产生的PWM信号传输给预定数目的开关；和至少一个逻辑运算器(operator)，用于对从PWM控制器产生的PWM信号和启用/禁用信号进行逻辑运算，并且将运算的结果输出到开关。
根据本发明的一方面，控制器随着负载电流的强度变弱减少将被启用的开关的数目，并且随着负载电流的强度变强增加将被启用的开关的数目。
通过提供一种将从外源输入的DC电源转换为电负载需要的预定DC电源并将转换后的DC电源供应给电负载的DC-DC转换器的控制方法，来实现本发明的上述和/或其它方面，该控制方法包括；提供开关部分，其中，串联的一对开关的每个与至少一个开关并联并切断或供应输入DC电源；检测流过电负载的负载电流；和根据检测的负载电流的强度来控制开关部分，以改变将被启用的开关的数目。
根据本发明的一方面，开关部分的控制的步骤包括：产生PWM信号以驱动开关；和根据负载电流的强度来选择性地将PWM信号供应给开关。
根据本发明的一方面，控制开关部分的步骤包括：随着负载电流的强度变弱减少将被启用的开关的数目，并且随着负载电流的强度变强增加将被启用的开关的数目。
本发明的另外方面和/或优点将在下面的描述中部分地阐明，并且从描述中部分是清楚的，或者通过本发明的实施可以被理解。
                      附图说明
通过结合附图，从实施例的下面描述中，本发明这些和/或其他方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：
图1是传统DC-DC转换器的电路图；
图2是适合于供应大电流的传统DC-DC转换器的电路图；
图3是根据本发明实施例的DC-DC转换器的电路图；和
图4是根据本发明实施例的DC-DC转换器的控制流程图。
                      具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的部件。下面通过参照附图来描述这些实施例以解释本发明。
参照图3，根据本发明实施例的DC-DC转换器包括：开关部分，其包括多个并联的开关块10、20和30(以下，称为“开关臂(switch arm)10、20和30”)，每个开关臂包括每个被操作以交替地切断或供应输入DC电源VIN的一对开关；电感器42和电容器44，用于平滑通过开关部分的接通/断开而输出的电力，并且将平滑后的电力供应给电负载40；电流传感器46，用于检测流过电负载40的负载电流IOUT；和控制器50，用于根据由电流传感器46检测到的负载电流IOUT的强度来控制开关部分，以改变将被启用的开关臂10、20和30的数目。
开关部分包括多个并联的开关臂10、20和30，每个开关臂分别包括串联在输入DC电源VIN和地电位之间的一对开关11、13；21、23；31、33。每个开关臂10、20和30的开关11、21以及31和13、23以及33根据控制器50的控制来接通/断开。这里，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)可用作开关11、13、21、23、31和33。
包括电感器42和电容器44的低通滤波器被连接在开关11、21以及31与开关13、23以及33之间的公共节点。
电流传感器46检测流过电负载40的负载电流IOUT，并且各种传统技术可应用于电流传感器46。例如，电流反射镜可用作电流传感器46，或者可以通过检测由负载电流IOUT导致的预定电阻两端的压降来检测电流。
控制器50根据输出电压VOUT通过调节占空比，来产生脉冲宽度调制(PWM)信号。控制器50包括：PWM控制器48，用于根据由电流传感器46检测的负载电流IOUT的强度来产生B-ARM信号和/或C-ARM信号，以选择性地启用/禁用开关臂10、20和30；PWM信号线54和60，用于将由PWM控制器48产生的PWM信号传输到开关臂10、20和30之一；和多个与门56、58、62和64，用于分别将来自PWM控制器48的PWM信号与B-ARM和C-ARM信号与运算，以将该运算的结果输出到开关臂20和30。
如果输入到与门56和62的B-ARM信号是高信号，那么PWM信号输出到开关臂20，并且开关臂20被启用。如果输入到与门58和64的C-ARM信号是高信号，那么PWM信号输出到开关臂30，并且开关臂30被启用。如果B-ARM信号和C-ARM信号都是高信号，那么开关臂20和30都被启用。
PWM信号被反相器52之后的延迟电路(未示出)延迟，并且以与传统DC-DC转换器类似的方式输出到开关13、23和33。
如果负载电流IOUT的强度等于或低于第一预定水平，那么PWM控制器48输出B-ARM＝0和C-ARM＝0。如果负载电流IOUT的强度高于第一预定水平，并且等于或低于第二预定水平，那么PWM控制器48输出B-ARM＝1和C-ARM＝0。如果负载电流IOUT的强度高于第二预定水平，那么PWM控制器48输出B-ARM＝1和C-ARM＝1。这里“0”是低信号或禁用信号，“1”是高信号或启用信号。
如果PWM控制器48输出B-ARM＝0和C-ARM＝0，那么开关臂10的开关11和13被启用，并且PWM信号通过PWM信号线54和60连续输入到开关11和13。但是，开关臂20和30的开关21、23、31和33被禁用。
如果PWM控制器48输出B-ARM＝1和C-ARM＝0，那么开关臂10的开关11和13被启用，并且开关臂20的开关21和23由施加到与门56和62上的B-ARM高信号启用，以接收PWM信号。
如果PWM控制器48输出B-ARM＝1和C-ARM＝1，那么所有的开关臂10、20和30的所有的开关11、13、21、23、31和33被启用以接收PWM信号。开关31和33由施加到与门58和64上的C-ARM高信号启用。
控制器50根据由电流传感器46检测到的负载电流IOUT的强度来控制B-ARM信号和C-ARM信号的电平，从而被启用的开关臂10、20和30的数目随着负载电流IOUT的强度变弱而变小，随着负载电流IOUT的强度变强而变大。
控制器50检测输出电压VOUT并控制PWM信号的占空比，以使输出电压VOUT恒定。
根据上述配置，参照图4来描述根据本发明实施例的DC-DC转换器的流量控制。在下面的描述中，I1和I2分别表示上述的第一和第二预定水平，并且假设I1＜I2。
在操作100中，电流传感器46检测流过电负载40的负载电流IOUT。在操作102中，PWM控制器48确定由电流传感器46检测到的负载电流IOUT是否等于或小于I1。
如果负载电流IOUT等于或小于I1，那么在操作104中，PWM控制器48输出低信号作为B-ARM信号和C-ARM信号，即，PWM控制器输出B-ARM＝0和C-ARM＝0。PWM信号通过PWM信号线54和60供应到开关臂10的开关11和13，并且每个与门56、58、62和64通过PWM信号与B-ARM信号和C-ARM信号的与运算来输出低信号，从而开关臂20和30的开关21、23、31和33被禁用。即，在操作106中，只有开关臂10的开关11和13被启用。在图4中，开关11、13、21、23、31和33分别由符号QA1、QA2、QB1、QB2、QC1和QC2表示。
在操作108中，如果负载电流IOUT高于I1并且等于或低于I2，那么在操作110中，PWM控制器48输出高信号作为B-ARM信号(B-ARM＝1)，并输出低信号作为C-ARM信号(C-ARM＝0)。因此，PWM信号由B-ARM高信号输入到其的与门56和62输出。因此，在操作112中，开关臂10和20的开关11、13、21和23被启用。
在操作114中，如果负载电流IOUT高于I2，那么在操作116中，PWM控制器48输出高信号作为B-ARM信号和C-ARM信号。因此，在操作118中，所有的开关11、13、21、23、31和33被启用。
即，控制器50使将被启用的开关臂10、20和30的数目随着负载电流IOUT的强度变弱而变小，由此如果光电负载被连接，那么将不必要的切换减到最少，并且控制器50使将被启用的开关臂10、20和30的数目随着负载电流IOUT的强度变强而变大，由此将开关上的压力分配给更多数目的开关。
在上述实施例中，控制器50包括PWM控制器48、PWM信号线54和60、以及与门56、58、62和64，但不限于此。多种控制器可被应用，只要该控制器根据由电流传感器46检测的负载电流IOUT的强度来控制将被启用的开关11、13、21、23、31和33的数目。
此外，在上述实施例中，根据负载电流IOUT的强度通过启用开关臂10、20和30来启用偶数个开关。或者，根据负载电流IOUT的强度将被启用的开关的数目可以在这些开关的数目内变化。
在上述实施例中，开关11、13、21、23、31和33可以是例如N沟道MOSFET。或者，开关11、21和31可以是P沟道MOSFET。如果P沟道MOSFET被使用，那么不需要反相器52。
在上述实施例中，根据开关的数目来实现负载电流IOUT的控制。
在上述实施例中，同步转换器被使用。但是，其它转换器，如升压转换器也可用于本发明。
总之，本发明根据负载电流IOUT的强度来控制将被启用的开关的数目，由此减少当光电负载被连接时发生的不必要的切换，并且增加转换器的效率。
如上所述，本发明提供一种DC-DC转换器，其中，不必要的切换被减到最少，并且该DC-DC转换器的效率被提高，以及控制该DC-DC转换器的方法。
虽然显示和描述了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对其实施例进行改变。

Claims (17)

1、一种将从外源输入的DC电源转换为电负载需要的预定DC电源并将转换后的DC电源供应给电负载的DC-DC转换器，该DC-DC转换器包括：
开关部分，其中，串联的一对开关的每个与至少一个开关并联并且切断输入DC电源或将输入DC电源供应给电负载；
电流传感器，用于检测流过电负载的负载电流；和
控制器，用于根据由电流传感器检测的负载电流的强度来控制开关部分，来改变将被启用以切断DC电源或将DC电源供应给电负载的开关的数目。
2、根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，控制器产生PWM信号以驱动开关，并且根据负载电流的强度来选择性地将PWM信号供应给开关，以改变将被启用的开关的数目。
3、根据权利要求2所述的DC-DC转换器，其中，控制器包括：
PWM控制器，用于产生PWM信号和启用/禁用信号以根据负载电流的强度来启用/禁用开关；
PWM信号线，用于将从PWM控制器产生的PWM信号传输给第一预定数目的开关；和
至少一个逻辑运算器，用于对由PWM控制器产生的PWM信号和启用/禁用信号进行逻辑运算，并且将运算的结果输出到第二预定数目的开关。
4、根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，控制器随着负载电流的强度变弱减少将被启用的开关的数目，并且随着负载电流的强度变强增加将被启用的开关的数目。
5、根据权利要求2所述的DC-DC转换器，其中，控制器随着负载电流的强度变弱减少将被启用的开关的数目，并且随着负载电流的强度变强增加将被启用的开关的数目。
6、根据权利要求3所述的DC-DC转换器，其中，控制器随着负载电流的强度变弱减少将被启用的开关的数目，并且随着负载电流的强度变强增加将被启用的开关的数目。
7、一种控制将从外源输入的DC电源转换为电负载需要的预定DC电源并将转换后的DC电源供应给电负载的DC-DC转换器的方法，该方法包括；
提供开关部分，其中，串联的一对开关的每个与至少一个开关并联并切断或供应输入DC电源；
检测流过电负载的负载电流；和
根据负载电流的强度来控制开关部分，以改变将被启用的开关的数目。
8、根据权利要求7所述的方法，其中，开关部分的控制的步骤包括：
产生PWM信号以驱动开关；和
根据负载电流的强度来选择性地将PWM信号供应给开关。
9、根据权利要求7所述的方法，其中，开关部分的控制的步骤包括：
随着负载电流的强度变弱减少将被启用的开关的数目，并且
随着负载电流的强度变强增加将被启用的开关的数目。
10、根据权利要求8所述的方法，其中，开关部分的控制的步骤包括：
随着负载电流的强度变弱减少将被启用的开关的数目，并且
随着负载电流的强度变强增加将被启用的开关的数目。
11、一种用于将电源供应给电负载的DC-DC转换器，包括：
电感器，其具有输入端和输出端，以连接到电负载；
第一多个开关，用于选择性地将电感器的输入端和与DC电源的第一电位连接；
第二多个开关，用于选择性地将电感器的输入端和与DC电源的第二电位连接；
电流传感器，用于检测流过电负载的电流；
电容器，其连接在电感器的输出端和第二电位之间；和
控制器，用于根据检测到的负载电流值，用PWM信号来驱动第一数目的第一多个开关和第二数目的第二多个开关。
12、根据权利要求11所述的DC-DC转换器，其中：
在检测到的负载电流大于预定值的情况下，控制器产生启用信号；并且
控制器还包括多个与门，这些多个与门中的一个将启用信号和PWM信号相与以驱动第一多个开关中的一个，并且这些多个与门中的另一个将启用信号和PWM信号相与以驱动第二多个开关中的一个。
13、根据权利要求12所述的DC-DC转换器，其中：
在检测到的负载电流大于第二预定值的情况下，控制器产生第二启用信号；并且
控制器还包括第二多个与门，这些第二多个与门中的一个将第二启用信号和PWM信号相与以驱动第一多个开关中的另一个，并且这些第二多个与门中的另一个将启用信号和PWM信号相与以驱动第二多个开关中的另一个。
14、根据权利要求11所述的DC-DC转换器，还包括：
反相器，用于将PWM信号反相，从而第一多个开关中被驱动的开关以与第二多个开关中被驱动的开关异相地被驱动。
15、根据权利要求14所述的DC-DC转换器，其中：
在检测到的负载电流大于预定值的情况下，控制器产生启用信号；并且
控制器还包括多个与门，这些多个与门中的一个将启用信号和PWM信号相与以驱动第一多个开关中的一个，并且这些多个与门中的另一个将启用信号和PWM信号相与以驱动第二多个开关中的一个。
16、根据权利要求15所述的DC-DC转换器，其中：
在检测到的负载电流大于第二预定值的情况下，控制器产生第二启用信号；并且
控制器还包括第二多个与门，这些第二多个与门中的一个将第二启用信号和PWM信号相与以驱动第一多个开关中的另一个，并且这些第二多个与门中的另一个将启用信号和PWM信号相与以驱动第二多个开关中的另一个。
17、一种DC-DC转换器，包括：
多个开关，用于驱动电感元件以转换来自DC电源的电源，并且将电流供应给电负载；和
控制器，用于基于负载电流来选择性地启用一定数目的多个开关以驱动电感元件。
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