CN1707929A - 一种具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器，通过一功率开关驱动单元连接到负载，包括有：激活控制单元，输出一激活致能信号；PWM/PFM自动切换控制电路，连接于激活控制单元接收激活致能信号，输出一选择信号；PWM控制单元，连接于PWM/PFM自动切换控制电路、功率开关驱动单元及负载，控制功率开关驱动单元的切换动作；及PFM控制单元，连接于PWM/PFM自动切换控制电路、功率开关驱动单元及负载，控制功率开关驱动单元的切换动作。本发明在负载下降时，开关的切换频率随之下降，从而可以降低开关切换损耗，维持较高的工作效率。

Description

一种具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器
技术领域
本发明涉及一种具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器，特别是涉及一种可以随负载变化自动切换脉宽调变技术(PWM)和脉冲频率调变技术(PFM)两种工作模式的直流对直流或是交流对直流的转换器。
背景技术
由于电子技术的蓬勃发展，电子产品已被人们广为使用，因此，电子产品使用的电力供应问题成为非常重要的课题。目前，电子产品普遍使用开关切换式的电源供应方式来实现电力的供应，并且，开关切换式是可以通过脉宽调变技术(PWM)或脉冲频率调变技术(PFM)两种工作模式来进行开关的切换工作。
当电子产品在全负载或中负载条件下进行工作时，通常是通过脉宽调变技术(PMW)来控制切换开关的切换动作，其工作损耗有传导损耗与开关切换损耗。但是，电子产品在轻载时，若仍由脉宽调变技术(PWM)来控制切换开关的切换动作，此时传导损耗会因为电子产品处于轻载而下降，不过由于开关切换频率固定不变，所以开关切换损耗不会随着负载下降而减少，从而在轻载时，使用脉宽调变技术(PWM)的工作模式，则其整体效率降低。
因此，当电子产品在轻载条件下进行工作时，通常是通过脉冲频率调变技术(PFM)来控制切换开关的切换动作。即在负载下降时，开关的切换频率也随之下降，从而可以降低开关切换损耗，维持较高的工作效率。
从上述说明中可以知道，电子产品是可以在负载变化时利用切换脉宽调变技术(PWM)和脉冲频率调变技术(PFM)两种工作模式，用以提高产品的工作效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器及PWM/PFM自动切换控制电路，以解决现有技术在轻载时开关切换耗损不随着负载下降而减少，使得整体效率降低的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器，通过一功率开关驱动单元连接到负载，并通过控制所述功率开关驱动单元的切换动作，将一直流电力升压转换，以提供所述负载使用，其特点在于，包括有：一激活控制单元，输出一激活致能信号；一PWM/PFM自动切换控制电路，连接于所述激活控制单元接收所述激活致能信号，用以输出一选择信号；一PWM控制单元，连接于所述PWM/PFM自动切换控制电路、所述功率开关驱动单元及所述负载，从所述负载取得一电压反馈信号、从所述功率开关驱动单元取得一负载电流信号，并输出一误差信号到所述PWM/PFM自动切换控制电路，同时，接收所述选择信号，输出一PWM控制信号给所述功率开关驱动单元，以控制所述功率开关驱动单元的切换动作；及一PFM控制单元，连接于所述PWM/PFM自动切换控制电路、所述功率开关驱动单元及所述负载，从所述负载取得一电压反馈信号、从所述功率开关驱动单元取得一负载电流信号，并输出一电流比较信号到PWM/PFM自动切换控制电路，同时，接收所述选择信号，输出一PFM控制信号给所述功率开关驱动单元，以控制所述功率开关驱动单元的切换动作。
上述具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器，其特点在于，所述PWM控制单元输出的所述误差信号，是由所述电压反馈信号与一参考电压作比较运算而得。
上述具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器，其特点在于，所述PFM控制单元输出的所述电流比较信号，是由所述负载电流信号与一参考电流作比较运算而得。
上述具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器，其特点在于，所述PWM/PFM自动切换控制电路，包括有：一参考电压产生单元，输出至少一参考电压信号；一PWM比较单元，连接于所述参考电压产生单元、所述激活控制单元及所述PWM控制单元，接收所述参考电压信号、所述激活致能信号及所述误差信号，输出一PWM比较信号；一PWM比较单元，连接于所述参考电压产生单元、所述激活控制单元及所述PWM控制单元，接收所述参考电压信号、所述激活致能信号及所述误差信号，输出一PFM比较信号；一第一正反器，连接于所述PWM比较单元与所述PFM比较单元，运算输出一重置信号；一与门电路，输出一与门信号；及一第二正反器，连接于所述第一正反器与所述与门电路，接收所述重置信号与与门信号，运算输出所述选择信号。
上述具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器，其特点在于，所述与门电路连接于所述PFM控制单元与所述第二正反器，接收所述电流比较信号与所述选择信号，将所述电流比较信号与所述选择信号进行与(AND)逻辑运算，用以输出所述与门信号。
上述具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器，其特点在于，所述第一正反器为一R-S正反器。
上述具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器，其特点在于，所述第二正反器为一R-S正反器。
本发明还提供一种PWM/PFM自动切换控制电路，取得一PWM控制单元及一PFM控制单元的一反馈信号，通过一激活控制单元的控制，输出一选择信号到所述PWM控制单元及所述PFM控制单元，用以进行控制单元的选择切换，其特点在于，包括有：一参考电压产生单元，输出至少一参考电压信号；一PWM比较单元，连接于所述参考电压产生单元、所述激活控制单元及所述PWM控制单元，接收所述参考电压信号、所述激活致能信号及所述反馈信号，输出一PWM比较信号；一PFM比较单元，连接于所述参考电压产生单元、所述激活控制单元及所述PWM控制单元，接收所述参考电压信号、所述激活致能信号及所述反馈信号，输出一PFM比较信号；一第一正反器，连接于所述PWM比较单元与所述PFM比较单元，运算输出一重置信号；一与门电路，输出一与门信号；及一第二正反器，连接于所述第二正反器与所述与门电路，接收所述重置信号与与门信号，运算输出所述选择信号。
上述PWM/PFM自动切换控制电路，其特点在于，所述与门电路连接于所述PFM控制单元与第二正反器，接收所述反馈信号与所述选择信号，将所述反馈信号与所述选择信号进行与(AND)逻辑运算，用以输出所述与门信号。
上述PWM/PFM自动切换控制电路，其特点在于，所述第一正反器为一R-S正反器。
上述PWM/PFM自动切换控制电路，其特点在于，所述第二正反器为一R-S正反器。
本发明的功效，在于利用切换脉宽调变技术(PWM)和脉冲频率调变技术(PFM)两种工作模式，在负载下降时，开关的切换频率随之下降，从而可以降低开关切换损耗，维持较高的工作效率。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器电路方块示意图；
图2为本发明PWM控制单元的电路方块示意图；
图3为本发明PFM控制单元的电路方块示意图；
图4为本发明PWM/PFM自动切换控制电路方块示意图；
图5为本发明信号输出波形示意图。
其中，附图说明：
102-激活控制单元
106-PWM控制单元
1060-电流检测单元，1062-静态时间控制单元
1064-PWM限制电流，1066-PWM振荡器
1068-斜波产生器，1069-加法器
108-PFM控制单元
1080-电流检测单元
110-功率开关驱动单元
112-负载
20-PWM/PFM自动切换控制电路
202-PWM比较单元
204-PFM比较单元
206-参考电压产生单元
208-第一正反器
210-第二正反器
212-与门电路
具体实施方式
请参考图1，为本发明具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器电路方块示意图。本发明利用一PWM/PFM自动切换控制电路20连接于一激活控制单元102、一PWM控制单元106及一PFM控制单元108，激活控制单元102传送一激活致能(enable)信号给PWM/PFM自动切换控制电路20并控制其致能动作，同时，PWM/PFM自动切换控制电路20致能动作后，PWM控制单元106及PFM控制单元108是分别传送一反馈信号给PWM/PFM自动切换控制电路20，以提供PWM/PFM自动切换控制电路20输出一选择信号的依据。PWM/PFM自动切换控制电路20传送选择信号到PWM控制单元106及PFM控制单元108，用以致能其中的一控制单元动作。并且，已被选择信号致能的控制单元，输出一控制信号给连接于控制单元的功率开关驱动单元110。控制信号是控制功率开关驱动单元110的切换动作，以提供一直流电力(未标示)到连接于功率开关驱动单元110的一负载112使用。
配合图1，请参考图2，为本发明PWM控制单元的电路方块示意图。其中，PWM控制单元106同时连接于所述功率开关驱动单元110及该负载112，从该负载112取得一电压反馈信号，并将该电压反馈信号与一预设参考电压VREF作比较运算动作，用以输出一误差信号ES1到该PWM/PFM自动切换控制电路20。并且，利用内部的电流检测单元1060取得功率开关驱动单元110的一负载电流信号。
接着，PWM控制单元106取得的电压反馈信号与负载电流信号，是通过内部静态时间控制单元1062、PWM限制电流1064、PWM振荡器1066、斜波产生器1068及加法器1069等各电路单元的运算后，根据PWM/PFM自动切换控制电路20传送致能选择信号，用以输出一PWM控制信号给该功率开关驱动单元110，从而控制该功率开关驱动单元110的切换动作，该致能选择信号是PWM致能信号PWMEN。
配合图1，请参考图3，为本发明PFM控制单元的电路方块示意图。PFM控制单元108，同时连接于功率开关驱动单元110及负载112，从负载112取得一电压反馈信号，并将电压反馈信号与一预设参考电压VREF作比较运算动作，用以输出一误差信号ES2。并且利用内部的电流检测单元1080取得功率开关驱动单元110的一负载电流信号。负载电流信号CS与一预设参考电流CLS作比较运算动作，用以输出一电流比较信号ICS到PWM/PFM自动切换控制电路20。
接着，PFM控制单元108取得的误差信号ES2与负载电流信号，是通过内部各电路单元的运算后，根据PWM/PFM自动切换控制电路20传送过来致能选择信号，用以输出一PFM控制信号给功率开关驱动单元110，从而控制该功率开关驱动单元110的切换动作。
配合图1，请参考图4，为本发明PWM/PFM自动切换控制电路方块示意图。PWM/PFM自动切换控制电路20是通过PWM比较单元202与PFM比较单元204同时连接于激活控制单元102、PWM控制单元106以及一参考电压产生单元206，是接收由激活控制单元102传送过来的激活致能信号、由PWM控制单元106传送过来的误差信号ES1以及由参考电压产生单元206输出的参考电压信号。PWM比较单元202与PFM比较单元204根据激活致能信号，用以分别执行参考电压信号与误差信号ES1的比较运算，并分别输出一PWM比较信号S1与一PFM比较信号S2。上述说明中，参考电压产生单元206输出到PWM控制单元106的参考电压信号VPWM大于输出到PFM控制单元108的参考电压信号VPFM。
参考图4，PWM/PFM自动切换控制电路20是利用一第一正反器208的两个输入端分别连接于PWM比较单元202与PFM比较单元204，以及一第二正反器210连接于第一正反器208的输出端，第一正反器208是接收PWM比较信号S1与PFM比较信号S2，从而运算输出一重置信号到第二正反器210。第二正反器210的一输入端连接于第一正反器208的输出端，另一输入端设定连接于一与门电路212的输出端。第二正反器210接收重置信号和与门电路212输出的一与门信号，并运算输出一选择信号。该选择信号用以致能连接于PWM/PFM自动切换控制电路20的PWM控制单元106与PFM控制单元108动作(参考图1)，可分为一PWM致能信号PWMEN与一PFM致能信号PFMEN。该与门电路212分别取得PFM致能信号PFMEN与PFM控制单元108送出的电流比较信号ICS，并将PFM致能信号PFMEN与电流比较信号ICS作与(AND)逻辑运算后，输出与门信号。上述说明中，第一正反器208与第二正反器210是皆为R-S正反器。
配合图3、图4，请参考图5，为本发明信号输出波形示意图。如图5所示，在时间t0-t1时，误差信号ES1尚未到达参考电压信号VPFM，仍然低于参考电压信号VPFM，此时，PWM比较信号S1为低电位，同时，PFM比较信号S2为高电位，由于PFM比较信号S2的高电位传送到第一正反器208的一设定端(S)，所以第一正反器208输出的重置信号S4是高电位。重置信号S4是传送到第二正反器210的一重置端(R)，如此，第二正反器210是输出一低电位的选择信号，该低电位的选择信号是PFM致能信号PFMEN。此时，负载电流信号CS小于限制电流CLS，所以电流比较信号ICS为低电位，在时间t0-t1与门电路212是输出低电位的与门信号S3给第二正反器210的一设定端(S)，因此，第二正反器210输出保持原来状态。
参考图5，在时间t1-t2时，误差信号ES1大于参考电压信号VPFM，但是却仍小于参考电压信号VPWM，此时，PWM比较信号S1仍保持低电位，PFM比较信号S2由高电位转回低电位。由于PFM比较信号S1与PFM比较信号S2同为低电位，因此第一正反器208输出的重置信号S4仍保持高电位输出。此时，负载电流信号CS仍小于限制电流CLS，因此，第二正反器210输出保持原来状态。
参考图5，在时间t2-t3时，误差信号ES1大于参考电压信号VPFM与参考电压信号VPWM，此时，PWM比较信号S1是由低电位转变成为高电位，PFM比较信号S1是由低电位转变成为高电位，PFM比较信号S2仍保持为低电位。由于PWM比较信号S1是由低电位转变成为高电位，所经第一正反器208输出的重置信号S4是从高电位转态成为低电位输出。此时，负载电流信号CS是大于限制电流CLS，所以电流比较信号ICS为高电位。并在时间t2时，与门电路212输出一脉波高电位的与门信号S3给第二正反器210的一设定端(S)，用以使得第二正反器210转态输出一高电位的选择信号，该高电位的选择信号为PWM致能信号PWMEN。
在时间t4-t5，误差信号ES1小于参考电压信号VPWM，但仍大于参考电压信号VPFM。此时，PWM比较信号S1由高电位转变成为低电位，PFM比较信号S2仍保持为低电位。并且，此时第一正反器208输出的重置信号S4保持为低电位输出，负载电流信号CS小于限制电流CLS，因此电流比较信号ICS为低电位，第二正反器210仍保持高电位的PWM致能信号PWMEN。
在时间t5-t6，误差信号ES1小于参考电压信号VPWM与参考电压信号VPRM。此时，PWM比较信号S1仍保持低电位，PFM比较信号S2的高电位传送到第一正反器208输出的重置信号S4为高电位。此时，负载电流信号CS小于限制电流CLS，所以电流比较信号ICS为低电位。而第二正反器210由高电位的PWM致能信号PWMEN，重置输出为PFM致能信号PFMEN。
在时间t7后，负载电流信号CS大于限制电流CLS，所以电流比较信号ICS为高电位。并在时间t7时，与门电路212输出一脉波高电位的与门信号S3给第二正反器210的一设定端(S)，用以使得第二正反器210转态输出为PWM致能信号PWMEN。
综上所述，本发明是一种具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器，可以利用PWM比较单元与PFM比较单元，同时连接于一参考电压产生单元、激活控制单元及PWM控制单元，分别接收一参考电压信号、激活致能信号及反馈信号，用以分别输出一PWM比较信号及一PFM比较信号，并传送到连接于PWM比较单元与PFM比较单元的一第一正反器，第一正反器运算后输出一重置信号。并且，利用一第二正反器，连接于第一正反器与一与门电路，接收重置信号与一门信号，经运算后输出可以致能PWM控制单元与PFM控制单元的选择信号。如此，本发明可以让电子产品在负载变化时，利用切换脉宽调变技术(PWM)和脉冲频率调变技术(PFM)两种工作模式，以提高产品的工作效率。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (11)

1、一种具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器，通过一功率开关驱动单元连接到负载，并通过控制所述功率开关驱动单元的切换动作，将一直流电力升压转换，以提供所述负载使用，其特征在于，包括有：
一激活控制单元，输出一激活致能信号；
一PWM/PFM自动切换控制电路，连接于所述激活控制单元接收所述激活致能信号，用以输出一选择信号；
一PWM控制单元，连接于所述PWM/PFM自动切换控制电路、所述功率开关驱动单元及所述负载，从所述负载取得一电压反馈信号、从所述功率开关驱动单元取得一负载电流信号，并输出一误差信号到所述PWM/PFM自动切换控制电路，同时，接收所述选择信号，输出一PWM控制信号给所述功率开关驱动单元，以控制所述功率开关驱动单元的切换动作；及
一PFM控制单元，连接于所述PWM/PFM自动切换控制电路、所述功率开关驱动单元及所述负载，从所述负载取得一电压反馈信号、从所述功率开关驱动单元取得一负载电流信号，并输出一电流比较信号到PWM/PFM自动切换控制电路，同时，接收所述选择信号，输出一PFM控制信号给所述功率开关驱动单元，以控制所述功率开关驱动单元的切换动作。
2、根据权利要求1所述的具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器，其特征在于，所述PWM控制单元输出的所述误差信号，是由所述电压反馈信号与一参考电压作比较运算而得。
3、根据权利要求1所述的具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器，其特征在于，所述PFM控制单元输出的所述电流比较信号，是由所述负载电流信号与一参考电流作比较运算而得。
4、根据权利要求1所述的具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器，其特征在于，所述PWM/PFM自动切换控制电路，包括有：
一参考电压产生单元，输出至少一参考电压信号；
一PWM比较单元，连接于所述参考电压产生单元、所述激活控制单元及所述PWM控制单元，接收所述参考电压信号、所述激活致能信号及所述误差信号，输出一PWM比较信号；
一PWM比较单元，连接于所述参考电压产生单元、所述激活控制单元及所述PWM控制单元，接收所述参考电压信号、所述激活致能信号及所述误差信号，输出一PFM比较信号；
一第一正反器，连接于所述PWM比较单元与所述PFM比较单元，运算输出一重置信号；
一与门电路，输出一与门信号；及
一第二正反器，连接于所述第一正反器与所述与门电路，接收所述重置信号与与门信号，运算输出所述选择信号。
5、根据权利要求4所述的具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器，其特征在于，所述与门电路连接于所述PFM控制单元与所述第二正反器，接收所述电流比较信号与所述选择信号，将所述电流比较信号与所述选择信号进行与逻辑运算，用以输出所述与门信号。
6、根据权利要求4所述的具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器，其特征在于，所述第一正反器为一R-S正反器。
7、根据权利要求4所述的具有自动切换脉冲宽度/频率调变模式的转换器，其特征在于，所述第二正反器为一R-S正反器。
8、一种PWM/PFM自动切换控制电路，取得一PWM控制单元及一PFM控制单元的一反馈信号，通过一激活控制单元的控制，输出一选择信号到所述PWM控制单元及所述PFM控制单元，用以进行控制单元的选择切换，其特征在于，包括有：
一参考电压产生单元，输出至少一参考电压信号；
一PWM比较单元，连接于所述参考电压产生单元、所述激活控制单元及所述PWM控制单元，接收所述参考电压信号、所述激活致能信号及所述反馈信号，输出一PWM比较信号；
一PFM比较单元，连接于所述参考电压产生单元、所述激活控制单元及所述PWM控制单元，接收所述参考电压信号、所述激活致能信号及所述反馈信号，输出一PFM比较信号；
一第一正反器，连接于所述PWM比较单元与所述PFM比较单元，运算输出一重置信号；
一与门电路，输出一与门信号；及
一第二正反器，连接于所述第一正反器与所述与门电路，接收所述重置信号与与门信号，运算输出所述选择信号。
9、根据权利要求8所述的PWM/PFM自动切换控制电路，其特征在于，所述与门电路连接于所述PFM控制单元与第二正反器，接收所述反馈信号与所述选择信号，将所述反馈信号与所述选择信号进行与(AND)逻辑运算，用以输出所述与门信号。
10、根据权利要求8所述的PWM/PFM自动切换控制电路，其特征在于，所述第一正反器为一R-S正反器。
11、根据权利要求8所述的PWM/PFM自动切换控制电路，其特征在于，所述第二正反器为一R-S正反器。
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