CN201663547U - 直流—直流转换器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种直流—直流转换器，可以减少整体功率损耗且增加直流—直流转换器的效率。直流—直流转换器，包括误差放大器，比较器，PWM控制器，功率开关单元，和控制信号监视电路。PWM控制器从比较器接收比较信号，并且产生控制功率开关单元的数字控制信号以使直流-直流控制器向负载提供调节的电压。控制信号监视电路根据数字控制信号的特性检测出是重负载还是轻负载情况。在轻负载情况下监视电路产生第一使能信号以便直流-直流控制器工作在节能模式。在重负载情况下，监视电路产生第二使能信号以便直流-直流控制器工作在正常操作模式。直流-直流转换器在节能模式比在正常工作模式消耗小得多的功率。

Description

直流-直流转换器
技术领域
本实用新型涉及电源转换领域，尤指一种具有脉宽调制控制器的直流-直流转换器。
背景技术
直流-直流转换器是将输入直流电压转换为已调节的输出直流电压的电压调节器。在不同类型的电压调节器中，开关调节器由于其提供较高的电源转换效率及设计的灵活性而越来越普及。开关调节器典型地使用电源开关，电感，和二极管将能量从输入传送到输出。使用反馈和控制机制提供调节的输出电压。最常使用的反馈和控制机制是脉宽调制(PWM)。
图1(现有技术)是产生调节的输出电压VOUT的直流-直流转换器100的方框图。直流-直流转换器100包括PWM控制器101，功率开关单元102，比较器103，误差放大器(GM)104，电感105，由电阻(R1)121和电阻(R2)122构成的分压网络106，输出电容107和负载108。PWM控制器101包括时序逻辑元件(例如SR锁存器电路)110。功率开关单元102包括开关器件111和电流检测放大器112。在工作期间，提供控制信号116以控制功率开关单元102的导通和关断状态。控制信号116是由PWM控制器101控制的可调节占空比的方波。如果输出电压VOUT高于所需要的调节电压VREG，则减少开关器件111的导通时间以便VOUT也减少。类似地，如果输出电压VOUT低于VREG，则增加开关器件111的导通时间以便VOUT也增加。于是通过调节控制信号116的占空比调节输出电压VOUT。
如在图1中示出的，控制信号116典型地具有相对高的频率(例如，1.6MHZ)用于对输出电压VOUT滤波并且转换成直流电压。因此，大量的功率被频繁地用于开关器件111的导通和关断。如此大量的功率用于开关导致直流-直流转换器100低效(输出功率/总功率消耗)。当工作在低输出电流的轻负载情况下，直流-直流转换器的效率进一步减少。相应地，已经利用各种技术减少开关引起的功率损耗，并且由此增加了直流-直流转换器的效率。在图1的例子中，当直流-直流转换器100工作在轻负载情况下，通过减少开关器件111的开关频率减少开关功率损耗。希望有其它的改善手段以进一步减少整体功率损耗并且由此增加直流-直流转换器的效率。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种直流-直流转换器及其相关方法，可以减少整体功率损耗且增加直流-直流转换器的效率。
为了解决以上技术问题，本实用新型提供了如下技术方案：
本实用新型提供一种直流-直流转换器，包括误差放大器，PWM比较器，PWM控制器，功率开关单元和控制信号监视电路。误差放大器将反馈电压与参考电压进行比较并输出误差信号。PWM比较器将所述误差信号与斜坡信号比较并输出比较信号。PWM控制器接收来自PWM比较器的比较信号，并且产生控制功率开关单元的数字控制信号，以便直流-直流转换器向负载提供调节的输出电压。控制信号监视电路监视数字控制信号，并根据该数字控制信号的特性，检测出是重负载情况还是轻负载情况。在轻负载情况下，控制信号监视电路产生第一使能信号以便直流-直流控制器工作在节电模式。在重负载情况下，控制信号监视电路产生第二使能信号以便直流-直流控制器工作在正常操作模式。直流-直流转换器在节能模式比在正常操作模式消耗少得多的功率。
控制信号监视电路根据数字控制信号的特性，检测出重负载情况和轻负载情况。在一个实施例中，控制信号监视电路包括定时器和时序逻辑元件诸如SR锁存器电路。在轻负载情况下，定时器监视数字控制信号并且当数字控制信号在预定的时间段保持不变时输出一个数字值。结果，时序逻辑元件接收数字值并且响应于该数字值输出第一使能信号。在重负载情况下，当数字控制信号从数字低改变到数字高时，输出第二使能信号。
最后，本实用新型另外又提供了一种直流-直流转换器，包括：功率开关单元；控制器，输出数字控制信号以便功率开关单元向负载提供调节的电压；和监视所述数字控制信号的装置，其中，所述装置根据所述数字控制信号的特性检测出轻负载情况，并且进行响应输出第一使能信号以便所述直流-直流转换器工作在节能模式。
本实用新型采用的直流-直流转换器，可以减少整体功率损耗且增加直流-直流转换器的效率。
下面详细描述其它实施例和优点。该实用新型内容部分不对本实用新型进行限定。本实用新型由权利要求限定。
附图说明
附图示出了本实用新型的实施例，其中同样的标号表示同样的部件。
图1(现有技术)是直流-直流转换器100的方框图。
图2是按照本发明的直流-直流转换器200的方框图。
图3示出了在直流-直流转换器工作期间各个信号的波形图。
图4是本发明的方法400的流程图。
具体实施方式
现在将详细描述本实用新型的实施例，在附图中示出了其中的例子。
图2是按照一个新颖方面的直流-直流转换器200的方框图。直流-直流转换器200包括PWM(脉宽调制)控制器201，功率开关单元202，PWM(脉宽调制)比较器203，误差放大器(GM)204，电感205，由电阻(R1)221和电阻(R2)222形成的分压网络206，输出电容207，负载208和控制信号监视电路209。PWM控制器201包括时序逻辑元件(例如，SR锁存器电路)210，反相器218和与门219。功率开关单元202包括开关器件211和电流检测放大器212。控制信号监视电路209包括时序逻辑元件(例如，SR锁存器电路)241和定时器242。直流-直流转换器200还包括同步整流器213，比较器214和或非门215。
直流-直流转换器200由输入直流电压VIN供电，输出调节的直流电压VOUT。在直流-直流转换器200工作期间，向PWM控制器201提供方波输入信号(CLOCK)230。PWM控制器201依次输出具有可调节占空比的方波数字控制信号216，以控制功率开关单元202的导通和关断状态。当数字控制信号216具有数字1的值时，开关器件211导通，并且输入电压VIN被强加在电感205上。电感电流IIND流入负载208和输出电容207。输出电容207在导通时间(tON)期间充电。另一方面，当数字控制信号216具有数字0值时，开关器件211关断，并且同步整流器213导通。电感电流IIND继续流过负载208并且也流过同步整流器213。输出电容207在关断时间(tOff)期间放电，构成提供给负载208的总电流的一部分。在稳态工作情况下，在整个开关周期内电感的平均电压是零。这样，忽略效率损失不计，输出电压VOUT能够按照等式1表达如下：
VOUT＝VIN(tON/(tON+tOff))     (1)
因此，通过调整数字控制信号216的占空比(tON/(tON+tOff))，能够将输出电压VOUT调节在所需要的电压VREG处。
PWM控制器201利用反馈机制控制电压开关单元202的导通和关断状态。如在图2中示出的，输出电压VOUT的样本被分压网络206分压输出反馈电压VBF，并通过误差放大器204将反馈电压VBF与参考电压VREF比较，该误差放大器204提供放大的误差信号VERROR。放大的误差信号VERROR提供给PWM比较器203的反相输入端。振荡器斜坡信号(RAMP)231与电流检测放大器212的输出信号相加，以建立电压斜坡信号VRAMP。电压斜坡信号VRAMP提供给PWM比较器203的非反相输入端。VERROR和VRAMP然后通过PWM比较器203比较，以向PWM控制器201提供比较信号232。PWM控制器201接收时钟信号230和比较信号232，并且进行响应产生数字控制信号216。
图3示出了在直流-直流转换器200工作期间各个信号诸如时钟信号230和数字控制信号216的波形图。如在图3中所示，时钟信号230是具有固定的高频率(例如1.6MHZ频率)的方波。通过给SR锁存器210的置位输入端提供数字高信号，时钟信号230的每个时钟脉冲启动一个“导通”期。在“导通”期内，SR锁存器210输出数字高控制信号216，而该数字高控制信号接通开关器件211。开关器件211使得电感电流IIND流过电容207和负载208并且产生输出电压VOUT。此外，电压斜坡信号VRAMP随着电感电流IIND的增加而增加。最后，VRAMP变得比VERROR大，并且PWM比较器203输出数字高的比较信号232。SR锁存器210的复位输入端接收数字高比较信号并且进行响应输出数字低控制信号216。数字低控制信号关断开关器件211以便功率开关单元202进入“关断”期。在“关断”期内，电感电流IIND流经同步整流器213，直到开关器件211在下一个“导通”期再次导通。在具有相对大负载电流的重负载情况下，在时钟信号230的每个时钟周期重复该过程。如在图3中所示出的，在重负载情况下，PWM控制器201产生具有与时钟信号230相同频率的方波的控制信号216。因此，在重负载情况下，开关器件211在每个时钟周期导通，以将能量从输入传送到输出。在一个例子中，开关器件211是MOSFET晶体管(金属氧化物半导体场效应晶体管)。这样，在重负载情况下由于高的开关频率，大量的功率用于对晶体管的栅极充电。
图3还示出了在节点SW处电压VSW的电压曲线和电感电流IIND的电流曲线。如图3中所示，电压VSW具有与数字控制信号216类似的波形和占空比。当VSW高时(在“导通”期内)电感电流IIND斜坡上升，而在VSW低时(在“关断”期内)电感电流IIND斜坡下降。当负载电流ILOAD减少时，控制信号216的占空比减少，并且电感电流IIND斜坡上升较少，而斜坡下降较多(见图3中示出的时钟周期3和4)。结果，电感电流IIND逐渐放电，并且等效直流负载电流ILOAD按照所希望的减少。
在大部分直流-直流转换器应用中，电感电流IIND在重负载操作期间(有时也称为连续导电模式操作)从不下降到零。然而，在负载电流相当低的应用中，跳跃模式操作(使用非连续导通模式操作)更有利于改善效率。在跳跃模式操作中，只有当输出电压VOUT下降到低于所需要的调节电压VREG时才启动一个新的开关周期，并且开关频率与负载电流ILOAD成比例。
在图2的例子中，在轻负载情况下，直流-直流转换器200工作在跳跃模式。当负载电流ILOAD在一段时间内均保持为小时，输出电压VOUT保持高于需要的调节电压VREG。于是误差信号VERROR保持低于斜坡信号VRAMP，并且PWM比较器203输出数字高的比较信号232。结果，时钟信号230的上升沿通过数字高比较信号经反相器218和与门219被屏蔽。因此，SR锁存器电路210不再对每一个时钟周期产生数字高控制信号216。如在图3中所示，控制信号216在时钟周期5跳过一个脉冲。跳过时钟周期使得电感电流放电到零。由于开关器件211在被跳过的时钟周期内保持关断，跳过时钟周期还减少了高功率损耗。这样，通过在轻负载情况下工作在跳跃模式，直流-直流转换器200实现较高的效率。
为了实现高效率，在图2的例子中还使用了同步整流器(例如，MOSFET开关(金属氧化物半导体场效应晶体管开关))。当MOSFET开关213导通时，电流正常地从源极流到漏极并且允许电感电流IIND流过。因为很低的沟道电阻，MOSFET开关213替代一个整流二极管，并且该整流二极管的标准前向压降能够减少到几毫伏。然而，如果MOSFET开关保持导通，电感电流IIND也可以反方向流通。如在图2中所示的，比较器214耦合到MOSFET 213，并且控制MOSFET 213阻断任何反向电流。同步整流器213和比较器214一起形成理想的二极管，其改善了轻负载效率。
尽管采用跳跃模式操作和同步整流器大大改善了直流-直流转换器200的效率，如果在跳跃模式操作期间直流-直流转换器200的内部电路不被禁止工作，则该内部电路也消耗大量的功率，并且也引起整体功率损耗和较低效率。例如，PWM比较器203，误差放大器204和电流检测放大器212每个都消耗较大的源电流以便在相对高的时钟频率下正常地工作。在轻负载情况下，当这些电路不工作时，因为直流-直流转换器200用相当低的开关频率工作在跳跃模式下，这样大的源电流是不必要的。
在一个新颖方面中，直流-直流转换器200在轻负载情况下具有二个操作模式：正常操作模式和特殊节能模式。在图2的例子中，使用控制信号监视电路209通过输出节能模式使能信号233，让直流-直流转换器200进入及退出特殊节能模式。控制信号监视电路209包括时序逻辑元件(例如，SR锁存器电路)241和定时器242。SR锁存器241的置位输入端耦合到PWM控制器201的输出，以接收数字控制信号216。定时器242的输入端还耦合到PWM控制器201的输出以接收数字控制信号216。定时器242的输出端耦合到SR锁存器241的复位输入端。在重负载情况下，对于控制信号216的每个脉冲，SR锁存器241的置位输入端接收上升沿信号并且进行响应输出数字高的第一使能信号233以便直流-直流转换器工作在正常操作模式。
正如以上展示的跳跃模式操作，当直流-直流转换器工作在轻负载情况下时，数字控制信号216跳过时钟周期并保持数字低的值不变。如果负载电流ILOAD极小，则数字控制信号216可以跳过很多时钟周期并在一个长的时间段内保持不变。定时器242对当数字控制信号216保持为数字低时的该时间段计数。当该时间段达到一个预定的持续时间时(例如，如图3中示出的10微秒的时间段)，定时器242向SR锁存器241的复位输入端输出数字高。SR锁存器241响应于此输出数字低的第二使能信号233以使直流-直流转换器200进入特殊节能模式。更具体地说，PWM比较器203和电流检测放大器212均接收数字低的第二使能信号233并且进入特殊节能模式。在特殊节能模式中，PMW比较器203和电流检测放大器212均消耗非常小的源电流，由此保存了大量的能量。
之后，当负载电流ILOAD增加时，输出电压VOUT又下降到低于所需要的调节电压VREG。误差放大器204输出高于斜坡信号VRAMP的误差信号VERROR。结果，PWM比较器203输出数字低的比较信号232并且解除对时钟信号230的屏蔽。于是PWM控制器201启动控制信号216的一个新“导通”周期(例如，如图3中示出的时钟周期N)以导通功率开关单元202。如在图3中示出的，该控制信号216的新脉冲将定时器242复位，并且还使SR锁存器241输出数字高的第一使能信号233。于是直流-直流转换器200返回到正常操作模式。
通过根据数字控制信号216的特性检测出轻负载情况和重负载情况，直流-直流转换器200能够在正常操作模式和节能操作模式之间自动切换而不直接检测负载电流或输出电压。在一个例子中，当数字控制信号216简单地从数字低变到数字高时能够检测为重负载情况。如上面所解释的，控制信号216从数字低到数字高的变化表明相对重的负载情况，因为更多能量需要从输入传送到输出以便保持调节的输出电压。另一方面，当数字控制信号216在一个时间段内保持不变时可检测为轻负载情况。如果控制信号216跳过至少几个时钟周期并且保持不变，那么它表明负载电流很小并且输出电压保持在调节电压之上，没有更多的能量从输入端传送。例如，如果时钟信号230的频率是1.6MHZ(这表示每个时钟周期是625毫微秒长)，则可以选择时间段为5或10微秒。
节能模式允许直流-直流转换器200消耗更少的能量并在轻负载情况下实现较高效率。在一个例子中，在节能模式中，能够为PWM比较器203和电流检测放大器212节省多达100微安的源电流。该特征在诸如具有内部直流-直流转换器的便携式音频播放器的电子设备中特别有用。当便携式音频播放器没有播放音频时，它进入非工作模式并需要很小的电流而不被关断。通过检测出这种轻负载情况并且自动切换到节能模式，便携式音频播放器的内部直流-直流变换器从其内部电池消耗非常低的功率并且由此该电池能够持续较长时间。
图4是按照一个新颖方面的方法400的流程图。在步骤401中监视由直流-直流变换器的PWM控制器产生的数字控制信号。直流-直流转换器向负载提供被调节的输出电压。当直流-直流转换器具有相对小的负载电流时，根据数字控制信号的特性，诸如数字控制信号的图样，检测为轻负载情况(步骤402)。响应于在步骤402中的检测，输出第一使能信号以便直流-直流转换器工作在特殊节能模式(步骤403)。当直流-直流转换器具有相对大的负载电流时，则根据数字控制信号的特性检测为重负载情况(步骤404)。响应于在步骤404的检测，输出第二使能信号以使直流-直流转换器工作在正常操作模式(步骤405)。直流-直流转换器在节能模式比在正常操作模式中消耗少得多的功率并且由此在轻负载情况下取得较高的效率。
尽管在上面描述了一些具体的实施例以展示本实用新型，但本实用新型不限于这些具体实施例。相应地，能够对上面描述的实施例的各特征进行各种修改，调整和组合，而不脱离在权利要求中所述的本实用新型的范围。

Claims (7)

1.一种直流-直流转换器，其特征在于，包括：
功率开关单元；
放大器，将反馈电压与参考电压进行比较并输出误差信号；
比较器，将所述误差信号与斜坡信号进行比较并输出比较信号；
脉宽调制控制器，接收所述比较信号并且输出数字控制信号，其中所述数字控制信号用于控制所述功率开关单元以便直流-直流转换器向负载提供调节的电压；和
控制信号监视电路，监视所述数字控制信号，其中所述数字控制信号监视电路检测出轻负载情况，并且进行响应输出第一使能信号，以便所述直流-直流转换器工作在节能模式；所述控制信号监视电路还检测出重负载情况，并且进行响应输出第二使能信号，以便所述直流-直流转换器工作在正常操作模式。
2.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述功率开关单元包括开关和电流放大器，并且其中所述电流放大器在所述节能模式比在所述正常操作模式具有少得多的功率消耗。
3.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述控制信号监视电路包括：
定时器，监视所述数字控制信号并且当所述数字控制信号在一个预定时间段内保持不变时，输出一个数字值；和
时序逻辑元件，响应于所述数字值输出所述第一使能信号。
4.如权利要求3所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述时序逻辑元件是从包括触发电路和SR锁存器电路的组中选取的。
5.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述 直流-直流转换器包括同步整流器。
6.一种直流-直流转换器，其特征在于，包括：
功率开关单元；
控制器，输出数字控制信号以便功率开关单元向负载提供调节的电压；和
监视所述数字控制信号的装置，其中，所述装置根据所述数字控制信号的特性检测出轻负载情况，并且进行响应输出第一使能信号以便所述直流-直流转换器工作在节能模式；所述装置还根据所述数字控制信号的特性检测出重负载情况，并且进行响应输出第二使能信号以便所述直流-直流转换器工作在正常操作模式。
7.如权利要求6所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述直流-直流转换器包括同步整流器。 
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