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    • 专利摘要:
    一種用於開關調節器的控制電路，實現了帶有同步整流的恒定導通時間控制體系，並且利用集成標準和輕負載控制回路，提高輕負載效率，增強瞬態回應。在一個實施例中，控制電路包括參考電壓選擇電路，用於根據低端電流信號，為標準負載環境，選取第一參考電壓作為所選的參考電壓，為輕負載環境，選取第二參考電壓作為所選的參考電壓。第二參考電壓高於第一參考電壓。控制電路還包括一個控制回路，用於產生控制信號，當回饋電壓低於所選的參考電壓，並且最小的斷開時間段結束時，開啟主開關。
    公开号:TW201301731A
    申请号:TW101118210
    申请日:2012-05-22
    公开日:2013-01-01
    发明作者:Zhi-Ye Zhang
    申请人:Alpha & Omega Semiconductor；
    IPC主号:H02M3-00
    专利说明:
    恒定導通時間的開關調節器實現輕負載控制
    本發明涉及開關調節器或直流-直流轉換器，尤其是實現恒定導通時間控制的開關調節器，並引入控制體系，提高輕負載效率，增強瞬態回應。
    本申請為於2011年5月23日遞交的美國專利申請US13/113,981的部分連續申請案，特此引用其全文以作參考。直流電壓調節器或開關調節器用於將能量從一個直流電壓級轉移到另一個直流電壓級。這種類型的開關調節器也稱為直流/直流調節器或開關模式電源。開關調節器通過低損耗零件（例如電容器、電感器和變壓器），起到電源的功能，電源開關開啟或斷開，將能量在獨立元件中從輸入端轉移到輸出端。回饋控制電路用於管理能量轉移，以便在電路需要的負載極限內維持恒定的輸出電壓。可以配置開關調節器，提高輸入電壓或降低輸入電壓，或者兩者兼具。確切地說，降壓型開關調節器（也稱為“降壓調節器”）可以降低輸入電壓，而升壓型調節器（也稱為“升壓調節器”）可以提高輸入電壓。降壓-升壓型調節器，或降壓-升壓型轉換器，可以提供升高和降低的功能。傳統的開關調節器的運行方式已為人們所熟知，可以總結如下。開關週期性地開啟，將能量傳遞到輸出濾波電路的電感器上，使電流流經電感器積累起來。當電源斷開時，電感器上的電壓反轉，電荷被轉移到輸出濾波電路的輸出電容和負載上。輸出電容獲得相對恒定的輸出電壓。第二個電源開關有時也用於同步控制器件。在器件運行時，主電源開關（也稱為高端開關）開啟，而第二個電源開關（也稱為低端開關）斷開，反之亦然。開關調節器包括一個控制電路，通常使用誤差信號放大器，將輸出電壓與參考電壓相比較，控制電路產生一個或多個控制信號，控制信號控制開啟-斷開控制迴圈的開關頻率（脈沉頻率調製）或脈沉寬度（脈沉寬度調製）。可以利用許多不同的控制體系控制主電源開關的工作迴圈（即導通時間）。導通時間恒定（或恒定導通時間）的控制體系是這樣一類控制體系，其中開關調節器的主電源開關的導通時間保持恒定，主電源開關的斷開時間各不相同，以產生需要的輸出電壓。第1圖所示的示意圖，表示一種實現恒定導通時間控制體系的傳統的開關調節器。在開關調節器10中，主電源開關M1和二極體D1在輸入電壓VIN（節點12）和接地電壓之間並聯。電壓開關M1用於將輸入電壓VIN週期性地切換到電感器L1，對電感器L1充電。當主電源開關M1斷開時，電感器L1上儲存的能量被轉移到輸出電容COUT以及負載18上，保持了非常恒定的輸出電壓VOUT。根據恒定導通時間控制體系，配置調節器控制電路20，驅動主電源開關M1。在運行時，主電源開關M1開啟一段由單次計時器26所設定的恒定的時間，之後開關M1斷開。反饋回路控制輸出電壓VOUT（節點16）。更確切地說，輸出電壓VOUT作為回饋電壓VFB回饋至調節器控制電路20。在電壓比較器22中，將回饋電壓VFB與參考電壓VREF作比較。電壓比較器22的輸出端在與邏輯門24處，受到最小的斷開時間計時器30的輸出限制。當主電源開關M1斷開一段最小的斷開時間後，當輸出電壓VOUT降至參考電壓VREF之下時，及閘24將觸發單次計時器26，再次接通主電源開關M1一段恒定的導通時間。傳統的開關調節器10實現了快速的瞬態響應，但調節器的效率受到二極體上的功率損耗的影響。當電流在二極體正向偏置時流經二極體，功率就會耗散掉。這種功率耗散降低了開關調節器的整體效率。為了使低端二極體上的功率損耗最小，有些開關調節器使用低端開關代替二極體，實現了所謂的“同步整流”。第2圖所示的示意圖，表示實現了恒定導通時間控制體系和同步整流的傳統開關調節器。低端二極體被低端電源開關M2代替，由驅動主電源開關M1的驅動信號（節點32）的反轉驅動。因此，當主電源開關M1斷開時，低端電源開關M2開啟，反之亦然。當低端開關正向偏置時，功率耗散可以忽略。在使用同步整流時，重負載的效率較佳。然而，由於負電流從電感器L1流入低端電源開關M2，因此輕負載的效率很低。在一些實現了同步整流的調節器控制電路中，利用負電流探測器探測是否存在流入低端電源開關的負電流，來提高輕負載效率。第3圖所示的示意圖，表示一種傳統的開關調節器，實現了恒定導通時間體系以及帶有負電流探測器64的同步整流。當輕負載環境產生流入低端開關M2的負電流時，與邏輯門62將使低端開關M2斷開。低端電源開關M2的體二極體反向偏置，使電流閉鎖。因此，流經低端電源開關M2的電流，僅僅從源極流至漏極，而不是從漏極流至源極。在這種方式下，開關調節器80的輕負載效率得以提高。然而，開關調節器電路80的瞬態響應通常很大。當負載電流變化時，調節器輸出電壓的大電壓峰值是不受歡迎的。
    依據本發明的一個實施例，控制電路用於一接收輸入電壓的開關調節器，控制電路利用一恒定導通時間控制體系/系統，控制主開關和低端開關。主開關和低端開關驅動開關輸出節點，用於產生開關輸出電壓。開關輸出節點耦合到LC濾波電路上，以便產生調製輸出電壓，在輸出節點處具有基本恒定的幅值。調製的輸出電壓作為回饋電壓，回饋到控制電路。控制電路包括一個第一單次計時器，用於產生表示主開關恒定導通時間段的控制信號，所用的控制信號開啟主開關的同時，斷開低端開關，恒定導通時間段過後，斷開主開關，而開啟低端開關。配置最小的斷開時間計時器（或稱作最小關閉時段計時器），產生最小的斷開時間信號（或稱作最小關閉時段信號），當主開關斷開一段最小的斷開時間段時，該最小斷開時間信號具有第一狀態。配置一個參考電壓選擇電路用於選擇，基於低端電流信號，用於標準負載環境（Standard load condition）的第一參考電壓以及用於輕負載環境（Light load condition）的第二參考電壓，作為所選的參考電壓，低端電流信號具有第一狀態，表示輸出節點處的輕負載環境，第二參考電壓大於第一參考電壓，控制回路用於當回饋電壓低於所選的參考電壓，並且最小的斷開時間信號具有第一狀態時，控制第一單次計時器產生開啟主開關的控制信號。依據本發明的另一個實施例，提出了一種在接收輸入電壓的開關調節器中利用恒定導通時間體系，控制主開關和低端開關的方法。主開關和低端開關驅動開關輸出節點，產生開關輸出電壓。開關輸出節點耦合到LC濾波電路上，產生調製的輸出電壓，在輸出節點處具有基本恒定的幅值。調製的輸出電壓作為回饋電壓，回饋到開關調節器。該方法包括，開啟主開關一段恒定的開啟時間段，然後根據控制信號斷開低端開關；斷開主開關一段最小的斷開時間段，然後根據控制信號開啟低端開關；根據低端電流信號，為標準負載情況，選取第一參考電壓為參考電壓，為輕負載情況，選取第二參考電壓為參考電壓，具有第一狀態的低端電流信號表示輸出節點處的輕負載情況，第二參考電壓大於第一參考電壓；並且產生控制信號，當回饋電壓低於所選的參考電壓，並且最小的斷開時間段過完後，控制信號根據控制回路，開啟主開關。參照以下的詳細說明及附圖後，將更好地理解本發明。
    根據本發明的原理，實現了同步整流和恒定導通時間控制體系的開關調節器，引入雙控制回路，控制調製的輸出電壓，從而提高輕負載效率，以及增強瞬態回應（Transient response）。更確切地說，恒定導通時間的開關調節器包括一個標準的控制回路和一個輕負載控制回路。標準的控制回路用於在傳統的恒定導通時間控制體系下，產生輸出電壓。當探測到輕負載環境時，啟動輕負載控制回路，提高輕負載效率，並確保快速的瞬態回應。在其他實施例中，實現了同步整流和恒定導通時間控制體系的開關調節器，利用一個單獨的比較器，實現了集成標準的和輕負載控制回路。集成標準的和輕負載控制回路規範調製的輸出電壓，從而提高輕負載效率，並增強瞬態回應。集成標準的和輕負載控制回路包括一個參考電壓選擇電路，用於為標準的負載控制選取第一參考電壓，為輕負載控制選取第二參考電壓。在這種方式下，在簡化控制回路電路的同時，提高了輕負載效率，實現了快速的瞬態回應。第4圖表示依據本發明的一個實施例，一種實現了同步整流和恒定導通時間控制體系並引入雙控制回路的開關調節器的示意圖。參見第4圖，開關調節器100包括一個調節器控制電路110，驅動串聯在輸入電壓VIN（節點12）和接地端之間的主電源開關M1和低端電源開關M2。在本實施例中，電源開關M1和M2都是NMOS電晶體，低端電源開關M2由驅動主電源開關M1的驅動信號（節點132）的反轉控制。例如，節點132處的驅動信號可以通過變換器134反轉，耦合反轉驅動信號，驅動低端電源開關M2。因此，當主電源開關M1斷開時，低端電源開關M2開啟，反之亦然。開啟和斷開電源開關M1和M2，會在M1、M2之間的公共節點14上產生開關電壓VSW。節點14處的開關電壓VSW驅動輸出LC濾波電路，輸出LC濾波電路由電感器L1和輸出電容器COUT構成。輸出LC濾波電路在輸出電壓節點16處，產生直流輸出電壓VOUT，直流輸出電壓VOUT具有基本恒定的幅值。在運行時，如第4圖所示，耦合輸出電壓VOUT，驅動負載18。配置調節器控制電路110，根據恒定導通時間控制體系，驅動主電源開關M1和低端電源開關M2。在恒定導通時間控制體系中，開啟主電源開關M1一段由單次計時器126設定的恒定時間段之後，斷開主電壓開關M1至少一段最小的斷開時間段，最小的斷開時間由最小的斷開時間計時器130設定。在運行時，單次計時器126為開關控制電路128產生控制信號，輸出驅動信號（節點132），開啟主電源開關M1，從而斷開低端電源開關M2。當單次計時器126設定的恒定導通時間段結束後，開關控制電路128產生驅動信號（節點132），斷開主電源開關M1，從而開啟低端電源開關M2。開關控制電路128信號也有效，觸發最小的斷開時間計時器130，為預設的最小斷開時間段倒計時。當最小的斷開時間結束時，最小的斷開時間計時器130使最小的斷開時間輸出信號有效，也就是說，最小的斷開時間段已結束。在本發明的實施例中，調節器控制電路110實現了雙控制回路，調製輸出節點16處的輸出電壓VOUT。將輸出電壓VOUT（節點16）耦合到調節器控制電路110上，作為回饋電壓VFB，形成回饋電路。將回饋電壓VFB耦合到標準控制回路和輕負載控制回路上，實現了輸出電壓調製。在標準控制回路中，將回饋電壓VFB耦合到第一個電壓比較器122上，與參考電壓VREF1相比較。當回饋電壓VFB降至參考電壓VREF1以下時，電壓比較器122輸出信號VCOMP1有效。將比較器輸出信號VCOMP1和計時器130最小的斷開時間信號，耦合到與邏輯門（AND logic gate）124。當滿足以下兩個條件時，也就是回饋電壓VFB降至參考電壓VREF1之下，並且最小的斷開時間結束後，確定及閘124的輸出。將及閘124的輸出耦合到或邏輯門（OR logic gate）156，或閘156控制單次計時器126。因此，當及閘124確定了其輸出後，或閘156確定其輸出時，無論或閘上其他輸入的狀態如何，都將觸發單次計時器126，開關控制電路128有響應，產生驅動信號（節點132），開啟主電源開關M1。因此，標準的控制回路用於調製輸出電壓，通過恒定導通時間控制體系，調製輸出電壓VOUT，主電源開關開啟一段恒定導通時間段，直到輸出電壓VOUT降至參考電壓VREF1之下時，主電源開關斷開。調製器控制電路110還包括一個輕負載控制回路，在輕負載環境下啟動，以提高效率，增強瞬態回應。在輕負載控制回路中，回饋電壓VFB耦合到第二個電壓比較器152上，與參考電壓VREF2相比較。當回饋電壓VFB降至參考電壓VREF2之下時，確定電壓比較器152的輸出信號VCOMP2。參考電壓定義了輕負載環境下，輸出電壓VOUT所能達到的上電壓能級，這將在下文中詳細介紹。在本發明的實施例中，參考電壓VREF2的電壓值大於參考電壓VREF1。輕負載控制回路還包括一個與邏輯門154，接收三個輸入信號。更確切地說，及閘154接收來自輸出比較器152的輸出信號VCOMP2，以及來自計時器130的最小的斷開時間信號作為初始兩個輸入信號。低端電流信號150表示電流流經電源開關M2的漏源端。在本發明的實施例中，低端電流信號150可以通過電流監控電路（圖中沒有表示出）產生，例如電路監控電源開關M2的漏源電壓。當開關調節器100處於輕負載環境時，流經電源開關M2的電流降低。在一個實施例中，當流經電源開關M2的電壓降至指定的閾值電壓之下時，表示處於輕負載環境，這時確定低端電流信號150。當確定了所有的三個輸入信號後，確定及閘154的輸出。及閘154的輸出構成到或閘156的其他輸入。因此，當及閘154的輸出確定後，確定或閘156的輸出，並且觸發單次計時器126，開關控制電路128響應，產生驅動信號（節點132），開啟主電源開關M1。接下來將詳細介紹輕負載控制回路的運行方式。當輸出節點16的負載情況為標準或重負載時，流經電源開關M2的電流足夠大，從而低端電流信號150失效。因此，如上所述，輕負載控制回路沒有啟動，標準控制回路通過帶有同步整流的恒定導通時間控制體系，控制電源開關M1和M2的運行。也就是說，主電源開關M1開啟（低端電源開關M2斷開），開啟持續時間由單次計時器126確定。斷開主電源開關M1至少一段最小的斷開時間，最小斷開時間由最小斷開時間計時器130確定。同時，開啟低端電源開關M2。最小斷開時間之後，當輸出電壓VOUT大於參考電壓VREF1時，主電源開關仍然斷開。當輸出電壓VOUT小於參考電壓VREF1時，及閘124有效，觸發單次計時器126，使主電源開關M1開啟另一段恒定導通時間段。帶有同步整流的標準控制回路繼續運行。然而，當開關調節器100在輸出節點16處於輕負載環境時，輕負載控制回路被啟動。輕負載控制回路會使主電源開關M1在輕負載環境時開啟，從而提高效率，增強開關調節器100的瞬態回應。更確切地說，當主電源開關M1斷開，而低端電源開關M2開啟，並且最小的斷開時間結束後，如果開關調節器100處於輕負載環境，那麼低端電流信號150有效，說明通過低端電源開關M2的電流很低，例如低於閾值。如果回饋電壓VFB也低於參考電壓VREF2，那麼及閘154的全部三個輸入信號有效，然後及閘154的輸出信號有效，開啟主電源開關M1一段恒定的時間段（低端電源開關M2斷開）。當回饋電壓VFB大於參考電壓VREF2時，比較器輸出信號VCOMP2失效，及閘154的輸出失效，阻止單次計時器126再次開啟主電源開關M1。當低端電流信號150探測到輕負載時，並且當回饋電壓VFB低於參考電壓VREF2時，輕負載控制回路繼續，主電源開關M1開啟。因此，輕負載控制回路使主電源開關在輕負載環境時，週期性地開啟，將輸出電壓VOUT維持在參考電壓VREF2附近。輕負載環境下的輸出電壓，保持在大於正常或重負載時的輸出電壓級。第5（a）圖和第5（b）圖分別表示帶有同步整流的傳統開關調節器以及帶有雙控制回路的開關調節器的電流和電壓波形。參見第5（a）圖，傳統開關調節器的負載電流動作如圖中曲線202所示。負載電流IL處於標準能級，然後隨輕負載環境降低，最終回到標準負載環境。在傳統的開關調節器中，例如第2圖和第3圖所示的實現了同步整流的開關調節器，如第5（a）圖中的曲線204所示，當負載電流IL經歷巨變時，輸出電壓VOUT會經歷瞬變。巨大的瞬態回應導致在調製的輸出電壓級附近產生巨大的電壓擺動。輸出電壓VOUT處巨大的瞬態電壓擺動是不受歡迎的。一方面，帶有雙控制回路（第4圖）的開關調節器100能夠處理輕負載環境，而不在輸出電壓VOUT處產生巨大瞬變。參見第5（b）圖，當輕負載環境使負載電流IL（曲線206）降低時，開關調節器100中的輕負載控制回路開啟主電源開關M1，從而使輸出電壓VOUT充電到參考電壓VREF2。當負載電流IL仍然處於輕負載能級時，輕負載控制回路將使輸出電壓維持在參考電壓VREF2附近，在標準或重負載情況下，參考電壓的電壓值高於輸出電壓。當負載電流IL回到標準負載情況時，輕負載控制回路失效，標準控制回路重新開始將輸出電壓VOUT調製到參考電壓VREF1附近。在這種情況下，負載電流變化引起的電壓瞬變局限於VPP2的電壓擺動，電壓擺動VPP2小於電壓擺動VPP1。第6圖所示的模擬結果，表示與第4圖所示的利用雙控制回路的開關調節器相比較，第1圖、第2圖和第3圖所示的傳統開關調節器效率。參見第6圖，曲線182表示利用恒定導通時間控制體系，而不帶同步整流的第1圖所示的開關調節器10的效率性能。如圖曲線182所示，開關調節器10具有輕負載和重負載環境下的一致的效率性能，但由於二極體上的功率耗散，整體的效率水準很低。曲線184表示利用恒定導通時間控制體系，帶有同步整流的第2圖所示的開關調節器50的效率性能。如圖曲線184所示，當使用同步整流時，輕負載效率性能被削弱。曲線186表示利用恒定導通時間控制體系，帶有同步整流和負電流探測的第3圖所示的開關調節器80的效率性能。如圖曲線184所示，當使用同步整流和負電流探測時，輕負載環境下的效率性能得到改善，整體效率良好。曲線188表示利用恒定導通時間控制體系，帶有同步整流和雙控制回路的本發明所述的開關調節器100的效率性能。如圖曲線188所示，當使用同步整流時，開關調節器100的效率性能可以與利用負電流探測的開關調節器80的效率性能相比擬。然而，如第5（b）圖所示，本發明所述的開關調節器100也確保提高瞬態回應，這是第3圖所示的傳統開關調節器80無法實現的結果，如第5（a）圖所示。第7圖表示依據本發明的一個實施例，實現了同步整流和恒定導通時間控制系統，並引入了集成標準和輕負載控制回路的開關調節器的示意圖。參見第7圖，開關調節器300包括一個調節器控制電路310，驅動串聯在輸入電壓VIN（節點12）和接地端之間的主電源開關M1和低端電源開關M2。在本實施例中，電源開關M1和M2都是NMOS電晶體，低端電源開關M2受到驅動主電源開關M1的驅動信號1（節點132）的反轉來控制。例如，節點132處的驅動信號，可以通過變換器134反轉，耦合反轉後的驅動信號，驅動低端電源開關M2。因此，當主電源開關M1斷開時，低端電源開關M2開啟，反之亦然。電源開關M1和M2的開啟和斷開，在公共節點14處產生一個開關電壓VSW。節點14處的開關電壓VSW驅動輸出LC濾波電路，LC濾波電路由電感器L1和輸出電容器COUT構成。輸出LC濾波電路在輸出電壓節點16處產生直流輸出電壓VOUT，它的振幅基本一致。在實際運行時，耦合輸出電壓，以驅動負載18。配置調節器控制電路310，驅動基於恒定導通時間控制體系的主電源開關M1和低端電源開關M2。在恒定導通時間控制體系下，主電源開關M1開啟一段由單次計時器126所確定的恒定時間段，然後電源開關M1斷開至少一段由最小的斷開時間計時器130所確定的最小的斷開時間。在實際運行中，單次計時器126為開關控制電路128產生控制信號，產生驅動信號（節點132）用於開啟主電源 M1，從而斷開低端電源開關M2。當單次計時器1 126所設定的恒定導通時間段結束後，開關控制電路128產生斷開主電源開關M1的驅動信號（節點132），從而開啟低端電源開關M2。開關控制電路128還發出信號，觸發最小的斷開時間計時器130，為預設的最小斷開時間段倒計時。當最小的斷開時間計時器終止時，也就是說，最小的斷開時間段結束後，最小的斷開時間計時器130使最小的斷開時間輸出信號有效。在本發明的實施例中，調節器控制電路310使集成標準和輕負載控制回路，將輸出電壓VOUT調製在輸出節點16處。通過將輸出電壓VOUT（節點16）作為回饋電壓VFB，耦合至調節器控制電路310，構成回饋電路。回饋電壓VFB耦合至集成標準和輕負載控制回路，實現了輸出電壓調製。更確切地說，在集成標準和輕負載控制回路中，回饋電壓VFB耦合至電壓比較器360的第一輸入端，與所選的參考電壓VSREF作比較，用於電壓比較器360的第二輸入端（節點361）。在本實施例中，回饋電壓VFB耦合至負輸入端，而所選的參考電壓VSREF耦合至電壓比較器360的正輸入端。當回饋電壓VFB降至所選的參考電壓VSREF之下時，電壓比較器360的輸出信號VCOMP有效。在本實施例中，比較器輸出信號VCOMP作為第一個輸入信號，耦合至及閘362的第一輸入端。及閘362也接收來自計時器130的最小的斷開時間信號，作為第二個輸入信號。當比較器輸出信號VCOMP和最小的斷開時間信號都有效時，及閘362的輸出才有效。耦合及閘362的輸出，驅動單次計時器1 126。因此，當最小的斷開時間結束後，並且當回饋電壓VFB降至所選的參考電壓VSREF之下時，觸發單次計時器1，開關控制電路128響應，產生驅動信號（節點132），開啟主電源開關M1。集成標準和輕負載控制回路包括一個參考電壓選擇電路，用於為標準負載控制選取第一參考電壓，以及為輕負載控制選取第二參考電壓。在這種方式下，集成標準和輕負載控制回路運行，在輕負載環境下，以提高輕負載效率，增強瞬態回應。更確切地說，參考電壓選擇電路含有一個由低端電流信號150觸發的單次計時器2 364。當探測到輕負載環境時，低端電流信號150有效。單次計時器2 364的輸出信號控制開關S11，為標準負載環境選擇第一參考電壓VREF1，為輕負載環境選擇第二參考電壓VREF2，作為所選的參考電壓VSREF。相應地，根據探測到的負載環境，選擇合適的參考電壓作為所選的參考電壓VSREF。在本發明的實施例中，低端電流信號150表示電流流經電源開關M2的漏源端。在本發明的實施例中，低端電流信號150可以通過電流監控電路（圖中沒有表示出）產生，例如電路監控電源開關M2的漏源電壓（Vds）。當開關調節器300處於輕負載環境時，流經電源開關M2的電流降低。在一個實施例中，當流經電源開關M2的電流降至給定的閾值之下時，表示輕負載環境，低端電流信號150有效。在實際運行時，在標準負載環境下，不觸發單次計時器2 364，節點365處的單次計時信號失效。在這種情況下，開關S11在第一位置上，選取第一參考電壓VREF1。然而，當探測到輕負載環境時，低端電流信號150有效，觸發單次計時器2 364，在節點365上產生具有預設時間的單次計時信號。耦合節點365上的單次計時信號，控制開關S11，使開關S11換到第二位置上，選取第二參考電壓VREF2，作為所選的參考電壓VSREF。在這種方式下，集成標準和輕負載控制回路用於根據標準回路環境的第一參考電壓VREF1和輕負載環境的第二參考電壓VREF2的其中之一，調製輸出電壓VOUT。在本發明的實施例中，參考電壓VREF2的電壓值大於參考電壓VREF1。參考電壓VREF2限定了在輕負載環境下，輸出電壓VOUT所能達到的上電壓能級。集成標準和輕負載控制回路的運行情況將在下文中詳細介紹。當輸出節點16處的負載環境為標準或重負載時，流經電源開關M2的電流足夠大，從而使低端電流信號150失效。也因此，單次計時信號（節點365）失效，參考電壓選擇電路中的開關S11選擇第一參考電壓VREF1。在這種方式下，標準控制回路通過帶有同步整流的恒定導通時間控制體系，控制電源開關M1和M2的運行，也就是說，主電源開關M1開啟（低端電源開關M2斷開）一段由單次計時器126確定的恒定導通時間。然後，主電源開關M1斷開一段由最小的斷開時間計時器130設定的最小斷開時間。與此同時，低端電源開關M2開啟。最小的斷開時間之後，當輸出電壓VOUT大於參考電壓VREF1時，主電源開關保持斷開。當輸出電壓VOUT降至參考電壓VREF1之下時，輸出信號VCOMP有效。當最小的斷開時間結束後，及閘362的輸出信號開啟另一段斷開時間段。帶有同步整流的標準控制回路繼續運行。然而，當開關調節器300在輸出節點16處於輕負載環境時，輕負載控制回路啟動。首先，低端電流信號150有效，觸發單次金屬層2 364，使單次計時信號（節點365）有效。參考電壓選擇電路中的開關S11選擇第二參考電壓VREF2。用於第二參考電壓VREF2大於第一參考電壓VREF1，因此只要輸出電壓VOUT作為回饋電壓VFB沒有增加太多的話，那麼比較器360的輸出信號VCOMP就在開關S11選取第二參考電壓之後，立即有效。然後，只要最小的斷開時間一結束，及閘362的輸出信號就會有效，觸發單次計時器1 126，使主電源開關M1開啟另一段恒定導通時間段。相應地，輕負載控制回路將使主電源開關在輕負載環境下開啟（低端電源開關M2斷開），將輸出電壓VOUT調製到高於參考電壓VREF2的電壓值上，從而達到提高效率，改善開關調節器300的瞬態回應的效果。第7圖中的開關調節器控制器的集成標準和輕負載控制回路中的參考電壓選擇電路，可以用不同的方式實現，選取兩個參考電壓之一。第8圖表示依據本發明的一個實施例，實現參考電壓選擇電路的示意圖。參見第8圖，利用分壓器耦合，驅動參考電壓VS，產生第一和第二參考電壓。分壓器包括一串三個電阻器R1、R2和R3。開關S15耦合在第一節點和第二節點之間，第一節點在電阻器R1和R2（節點375）之間，第二節點在電阻器R2和R3（節點377）之間。開關S15開啟或斷開，在節點377處產生第一和第二參考電壓。更確切地說，當單次計時信號（節點365）有效時，開關S15閉合，電阻器R2短路。在比較器輸入節點377處產生第二參考電壓VREF2，電壓值為 另一方面，當單次計時信號（節點365）失效時，開關S15斷開，將電阻器R2引入到分壓器中。在比較器輸入節點377處產生第一參考電壓VREF1，電壓值為 通過使用分壓器劃分參考電壓VS，參考電壓VREF1和VREF2可以選擇性地產生。在一個實施例中，參考電壓VS為帶隙電壓，以致使參考電壓VREF1和VREF2與電源電壓變化無關。在上述實施例中，輸出電壓VOUT作為回饋電壓VFB直接回饋到調節器控制電路。輸出電壓VOUT的直接回饋僅用於解釋說明，不作為局限。在本發明的另一個實施例中，輸出電壓VOUT可以降低，例如在作為回饋電壓VFB耦合回到調節器控制電路之前，使用分壓器。當輸出電壓VOUT降低時，參考電壓VREF1和VREF2也將相應地降低一定的量。上述詳細說明用於解釋說明本發明的典型實施例，不作為局限。可能存在本發明範圍內的各種修正和改變。本發明範圍應由所附的權利要求書限定。
    10、50、80．．．開關調節器
    12、32、132、361、365、375、377．．．節點
    14．．．公共節點
    16．．．輸出電壓節點
    18．．．負載
    20．．．調節器控制電路
    22、122、360．．．電壓比較器
    24、62．．．邏輯門
    26、126．．．單次計時器
    30．．．最小的斷開時間計時器
    64．．．帶有負電流探測器
    110、310．．．調節器控制電路
    124、154、362．．．及閘
    128．．．開關控制電路
    130．．．最小的斷開時間計時器
    134．．．變換器
    150．．．低端電流信號
    156．．．或閘
    182、184、186、188、202、204、206．．．曲線
    364．．．單次計時器2
    COUT．．．輸出電容
    D1．．．二極體
    IL．．．負載電流
    L1．．．電感器
    M1．．．主電源開關
    M2．．．低端電源開關
    R1、R2、R3．．．電阻器
    S15．．．開關
    VCOMP、VCOMP1．．．輸出信號
    VFB．．．回饋電壓
    VIN．．．輸入電壓
    VOUT．．．輸出電壓
    VPP1．．．電壓擺動
    VREF1、VREF2、VREF、VSREF．．．參考電壓
    VS．．．驅動參考電壓
    VSW．．．開關電壓
    第1圖表示一種實現了恒定導通時間控制體系的傳統開關調節器的示意圖。第2圖表示一種實現了恒定導通時間控制體系和同步整流的傳統開關調節器的示意圖。第3圖表示一種帶有負電流探測的實現了恒定導通時間控制體系和同步整流的傳統開關調節器的示意圖。第4圖表示依據本發明的一個實施例，一種實現了同步整流和恒定導通時間控制體系，引入了雙控制回路的開關調節器的示意圖。第5（a）圖和第5（b）圖分別表示帶有同步整流（第2圖和第3圖）的傳統開關調節器以及帶有雙控制回路（第4圖）的開關調節器的電流和電壓波形。第6圖所含的模擬結果，表示第1圖、第2圖和第3圖中的傳統開關調節器的效率，與第4圖所示的利用雙控制回路的開關調節器相比較的結果。第7圖表示依據本發明的一個實施例，一種實現了同步整流和恒定導通時間控制體系，引入了集成標準的和輕負載控制回路的開關調節器的示意圖。第8圖表示依據本發明的一個實施例，一種實現了參考電壓選擇電路的開關調節器的示意圖。
    12、132、361、365．．．節點
    14．．．公共節點
    16．．．輸出電壓節點
    18．．．負載
    126．．．單次計時器
    128．．．開關控制電路
    130．．．最小的斷開時間計時器
    134．．．變換器
    150．．．低端電流信號
    310．．．調節器控制電路
    360．．．電壓比較器
    362．．．及閘
    364．．．單次計時器2
    COUT．．．輸出電容
    M1．．．主電源開關
    M2．．．低端電源開關
    VCOMP．．．輸出信號
    VFB．．．回饋電壓
    VIN．．．輸入電壓
    VOUT．．．輸出電壓
    VREF1、VREF2、VSREF．．．參考電壓
    VSW．．．開關電壓
    权利要求:
    Claims (17)
    [1] 一種用於開關調節器的控制電路，其特徵在於，所述的開關調節器接收一輸入電壓，所述的控制電路利用恒定導通時間控制體系，控制主開關和低端開關，驅動一個開關輸出節點，用於產生開關輸出電壓，所述的開關輸出節點耦合到一個LC濾波電路上，以便產生調製輸出電壓，在一個輸出節點處具有基本恒定的幅值，所述的調製的輸出電壓作為回饋電壓，回饋到所述的控制電路，其中所述的控制電路包括：一個第一單次計時器，用於產生表示主開關恒定導通時間段的控制信號，所用的控制信號開啟主開關的同時，斷開低端開關，恒定導通時間段過後，斷開主開關，而開啟低端開關；一個最小關閉時段計時器，用於當主開關在一段最小的關閉時段內關閉時，最小關閉時段計時器產生一個具有第一狀態的最小關閉時段信號；一個參考電壓選擇電路，用於根據一個低端開關電流信號選取一個參考電壓作為所選的參考電壓，當正常負載時選取一個第一參考電壓作為所選的參考電壓，當輕負載時選取一個第二參考電壓作為所選的參考電壓，所述的低端開關電流信號具有第一狀態指示輸出節點處輕負載的狀態並且所述的第二參考電壓大於所述的第一參考電壓；以及一個控制回路用於當回饋電壓低於所選的參考電壓，並且所述的最小關閉時段信號處於第一狀態時，控制第一單次計時器產生開啟主開關的控制信號。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其特徵在於，還包括：一個開關控制電路用於驅動主開關和低端開關，對來自第一單次計時器的控制信號做出回應，開關控制電路產生驅動信號，在開啟主開關的同時斷開低端開關，以及在斷開主開關的同時開啟低端開關。
    [3] 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其特徵在於，控制回路包括：一個電壓比較器，具有第一輸入端、第二輸入端以及輸出端，所述的第一輸入端耦合接收回饋電壓，所述的第二輸入端耦合接收所述的選定參考電壓，所述的輸出端產生比較器輸出電壓，當回饋電壓小於所選定參考電壓時，所述的比較器輸出電壓具有第一狀態；以及一個邏輯及閘，具有第一輸入端，耦合接收電壓比較器的比較器輸出電壓，以及具有第二輸入端耦合接收最小關閉時段計時器的最小關閉時段信號，當比較器輸出電壓和最小關閉時段信號都具有第一狀態時，邏輯及閘產生具有第一狀態的輸出信號；其中第一單次計時器產生控制信號，當邏輯及閘的輸出信號具有第一狀態時，開啟主開關。
    [4] 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其特徵在於，參考電壓選擇電路包括：一個第二單次計時器，當被所述的表示輸出節點處為輕負載環境的第一狀態的低端電流信號觸發時，產生一個具有第一狀態的第二控制信號，持續預設的時間，否則產生的第二控制信號就具有第二狀態；以及受第二控制信號控制的開關，該開關具有第一位置，當第二控制信號具有第二狀態時，選取第一參考電壓作為所選的參考電壓，該開關還具有第二位置，當第二控制信號具有第一狀態時，選取第二參考電壓作為所選的參考電壓。
    [5] 如申請專利範圍第4項所述的控制電路，其特徵在於，參考電壓選擇電路還包括：串聯在第一電壓和接地電勢之間的第一、第二和第三電阻器，開關與第二電阻器並聯，第一和第二參考電壓在第二和第三電阻器之間的節點處產生；其中開關在第一位置處關閉，使第二電阻器短接，產生第一參考電壓，第一參考電壓具有的電壓值同第一和第三電阻器的電阻值成比例；並且其中開關在第二位置處斷開，產生第二參考電壓，第二參考電壓具有的電壓值同第一、第二和第三電阻器的電阻值成比例。
    [6] 如申請專利範圍第5項所述的控制電路，其特徵在於，第一電壓包括一個帶隙電壓。
    [7] 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其特徵在於，通過監控流經低端開關的電流，低端電流信號在輸出節點處探測到輕負載環境，當流經低端開關的電流低於預設的閾值水準時，低端電流信號具有第一狀態。
    [8] 如申請專利範圍第7項所述的控制電路，其特徵在於，低端開關包括一個MOSFET器件，低端電流信號通過監控MOSFET器件漏極端和源極端的電壓，產生低端電流信號，確定流經低端開關的電流。
    [9] 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其特徵在於，回饋電壓是調製的輸出電壓的一個分壓。
    [10] 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其特徵在於，第二參考電壓的電壓值，用於將調製輸出電壓的電壓值調製到高於處在標準或重負載的環境下的調製輸出電壓的電壓值。
    [11] 一種在開關調節器中利用恒定導通時間體系控制主開關和低端開關的方法，其特徵在於，所述開關調節器接收輸入電壓，主開關和低端開關驅動開關輸出節點，產生開關輸出電壓，開關輸出節點耦合到LC濾波電路上，產生調製的輸出電壓，在輸出節點處具有基本恒定的幅值，調製的輸出電壓作為回饋電壓，回饋到開關調節器，該方法包括：開啟主開關一段恒定的開啟時間段，然後根據控制信號斷開低端開關；斷開主開關一段最小的斷開時間段，然後根據控制信號開啟低端開關；根據低端電流信號，為標準負載情況，選取第一參考電壓為參考電壓，為輕負載情況，選取第二參考電壓為參考電壓，具有第一狀態的低端電流信號表示輸出節點處的輕負載情況，第二參考電壓大於第一參考電壓；並且產生控制信號，當回饋電壓低於所選的參考電壓，並且最小的斷開時間段結束後，控制信號根據控制回路，開啟主開關。
    [12] 如申請專利範圍第11項所述的方法，其特徵在於，根據控制回路，產生控制信號，開啟主電源開關，包括：將回饋電壓與所選的參考電壓相比較；當回饋電壓低於所選的參考電壓時，產生具有第一狀態的比較器輸出信號；並且當比較器輸出信號具有第一狀態，並且當最小的斷開時間段結束後，產生控制信號，開啟主開關。
    [13] 如申請專利範圍第11項所述的方法，其特徵在於，根據低端電流信號，為標準負載環境，選取第一參考電壓作為所選的參考電壓，為輕負載環境，選取第二參考電壓作為所選的參考電壓，包括：產生具有第一狀態的第二控制信號，由具有第一狀態的低端電流信號觸發的一段預設的時間段，表示輸出節點處為輕負載環境，否則就具有第二狀態；當第二控制信號具有第二狀態時，選取第一參考電壓作為所選的參考電壓；並且當第二控制信號具有第一狀態時，選取第二參考電壓作為所選的參考電壓。
    [14] 如申請專利範圍第11項所述的方法，其特徵在於，還包括：監控流經低端開關的電流，當流經低端開關的電流低於預設的閾值水準時，低端電流信號具有第一狀態。
    [15] 如申請專利範圍第14項所述的方法，其特徵在於，低端開關包括一個MOSFET器件，監控流經低端開關的電流包括：監控MOSFET器件的漏極端和源極端上的電壓，以確定流經低端開關的電流。
    [16] 如申請專利範圍第11項所述的方法，其特徵在於，回饋電壓是調製的輸出電壓的一個分壓。
    [17] 如申請專利範圍第11項所述的方法，其特徵在於，第二參考電壓的電壓值，用於將調製輸出電壓的電壓值調製到高於處在標準或重負載的環境下的調製輸出電壓的電壓值。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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    US13/426,201|US8493048B2|2011-05-23|2012-03-21|Constant on-time switching regulator implementing light load control|
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