專利名稱：調節(jié)開關式調節(jié)器輸出電流的電源轉換器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電源轉換領域，更具體而言，本實用新型涉及一種在無外部電流
檢測手段情況下調節(jié)輸出電流的降壓轉換器。
背景技術：
既調節(jié)輸出電壓也調節(jié)輸出電流的典型的降壓開關式調節(jié)器用于檢測流經外部 電阻器的電流，以調節(jié)流經負載的輸出電流。圖l(現(xiàn)有技術)圖解說明實例性的現(xiàn)有技術 開關式調節(jié)器10，開關式調節(jié)器10具有處于轉換器集成電路(IC) 12外的電流檢測電阻器 11。在恒壓模式中，開關式調節(jié)器10通過對耦接到開關焊盤14的電感器13施加輸入電壓 脈沖來調節(jié)輸出電壓。第一誤差放大器15將第一內部參考電壓Vv，與電壓反饋信號的電 壓VVFB相比較，以形成第一誤差電壓VVE?？刂破鞣綁K16將第一誤差電壓VVE轉換成成比例 的脈沖寬度或成比例的負載循環(huán)后施加到電感器13上。如果V^的大小小于參考電壓VVKEF 的大小，則第一誤差電壓VVE將增大第一誤差電壓VVE大小。誤差電壓V^增大會使頂部開關 17的脈沖寬度或負載循環(huán)增大并向負載18提供更多的電力。此種調節(jié)被視為恒壓控制。 在恒流模式中，開關式調節(jié)器10通過檢測流經電流檢測電阻器11的電流來調節(jié) 輸出電流。電流檢測電阻器11與負載18串聯(lián)設置。第二誤差放大器19將電流檢測電阻 器11兩端的電壓降V，與第二內部參考電壓V皿F相比較。第二誤差放大器19輸出第二誤 差電壓VIE。通過將第一誤差電壓VVE與第二誤差電壓VIE相結合，使開關式調節(jié)器10調節(jié) 最大輸出電壓或最大輸出電流。這兩個控制回路使調節(jié)器10能夠以恒壓和恒流兩種模式 工作。 然而，利用電流檢測電阻器11調節(jié)輸出電流具有幾種缺點。首先，電阻器11在實 體上較大，并且占據(jù)印刷電路板上的寶貴空間。轉換器IC 12可被制作得足夠小，以安裝在 小尺寸晶體管(S0T)封裝中。但電流檢測電阻器11通常占據(jù)與整個S0T封裝一樣多的空 間。第二，電阻器ll必須精密并且具有在溫度變化時保持恒定的電阻。精密電阻器ll的 價格可使調節(jié)器10的成本升高，升高量達整個轉換器IC 12的成本的一較大比例。第三， 電流檢測電阻器11浪費電力。例如，在其中3. 6伏電池以1安的電流進行充電并且1安的 檢測電流流經電阻為100毫歐姆的電流檢測電阻器的典型應用中，檢測電阻器存在100毫 瓦的損耗。這表示僅由電流檢測電阻器引起的效率損失即達2.8%。電流檢測電阻器ll所 損耗的功率使開關式調節(jié)器10的效率降低并且運行溫度升高。而且，當電阻器11的溫度 在寬廣范圍內波動時，不太可能維持恒定的電阻。 力圖提供一種無需利用處于開關式調節(jié)器的轉換器IC外部的電流檢測電阻器即 可精確地調節(jié)輸出電流的開關式調節(jié)器。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種調節(jié)開關式調節(jié)器輸出電流的電源 轉換器，其無需利用處于開關式調節(jié)器的轉換器IC外部的電流檢測電阻器即可精確地調節(jié)輸出電流。 為了解決以上技術問題，本實用新型提供了如下技術方案 本實用新型提供了一種電源轉換器，包括電感器；和轉換器集成電路，其具有電
源開關和復制開關，其中所述電源轉換器產生參考電流，其中具有大小的電感器電流流經
所述電感器，其中流經所述復制開關的檢測電流具有與在所述電源開關的接通時間中所述
電感器電流的所述大小成比例的大小，其中所述電源轉換器將輸出電流維持在預定電流水
平，使得當所述輸出電流等于所述預定電流水平時，所述檢測電流小于所述參考電流時的
第一時間周期為所述檢測電流大于所述參考電流時的第二時間周期的固定比例。 本實用新型還提供了一種電源轉換器，包括電感器，其中具有峰值和谷值的波紋
電流流經所述電感器并從所述電源轉換器輸出，其中平均輸出電流是所述峰值和所述谷值
的平均值，并且其中波紋大小是所述峰值與所述谷值的差值；和裝置，用于無需檢測所述裝
置外部的電流而將所述平均輸出電流維持在固定電流水平，其中在所述波紋大小改變時，
所述固定電流水平不發(fā)生實質改變。 —種具有電感器和轉換器集成電路(IC)的降壓開關式調節(jié)器無需檢測所述轉 換器IC外部的電流即可調節(jié)輸出電流。所述輸出電流可用于對電池充電或對發(fā)光二 極管(LED)供電。所述轉換器IC具有電源開關和自舉功率產生器(bootstr即power generator)。所述開關式調節(jié)器產生一設定電流，該設定電流指示輸出電流將被調節(jié)到的 預定電流水平。該設定電流是利用處于轉換器IC外部的電阻器產生。在另一實施例中，則 通過對轉換器IC內的寄存器進行編程來產生該設定電流。 所述開關式調節(jié)器產生大小與在電源開關接通期間流經電源開關的電感器電流 成比例的檢測電流。電感器電流在接通時間期間通過電感器斜升，在斷開時間期間則斜降。 該接通時間具有第一時間周期和第二時間周期。在第一時間周期中，檢測電流的大小小于 設定電流的大小。在第二時間周期中，檢測電流的所具有的大小大于設定電流的大小。所 述開關式調節(jié)器的輸出電流維持在預定電流水平，使得當輸出電流等于預定電流水平時， 第一時間周期為第二時間周期的一固定比例。所述開關式調節(jié)器利用單個信號使第一時間 周期維持在第二時間周期的該固定比例，所述單個信號指示第一時間周期與第二時間周期 的相對比例。在一個實施例中，當輸出電流等于預定電流水平時，第一時間周期等于第二時 間周期。在一個實施例中，所述單個信號為數(shù)字信號。 在所述自舉功率產生器的軌條(rail)內的電路中將所述設定電流與檢測電流相 比較。在一個實施例中，在底部開關軌條的電壓隨電感器兩端的電壓而波動時，在自舉功率 產生器的各軌條之間維持五伏的電壓差。所述開關式調節(jié)器還在輸出電流小于預定電流水 平時使輸出電壓維持在預定電壓水平。 —種電源轉換器包括電感器和轉換器IC。所述轉換器IC具有電源開關和復制開 關(r印lica switch)。電感器電流流經電源開關和電感器。所述轉換器IC包括鎖存器，所 述鎖存器輸出控制電源開關的狀態(tài)的開關信號。當電源開關斷開時，電感器電流停止通過 電感器增大。在電源開關的接通時間中，流經復制開關的檢測電流所具有的大小與電感器 電流的大小成比例。電源轉換器利用處于轉換器IC外部的電阻器產生參考電流。在另一 實施例中，通過對集成電路中的寄存器進行編程來產生參考電流。在第一時間周期中，檢測 電流所具有的大小小于參考電流的大小。而在第二時間周期中，檢測電流的大小大于參考電流的大小。所述電源轉換器使輸出電流維持在預定電流水平，使得當輸出電流等于預定 電流水平時，第一時間周期等于第二時間周期。所述電源轉換器的輸出電流可對電池充電 或對發(fā)光二極管供電。 在另一實施例中，一種電源轉換器包括轉換器IC、電感器和用于在無需檢測所述 轉換器IC的外部電流的情況下使平均輸出電流維持在固定電流水平的裝置。所述電源轉 換器輸出波紋電流，所述波紋電流流經電感器并且具有峰值和谷值。平均輸出電流是峰值 和谷值的平均值。波紋值是峰值與谷值之間的差值。所述裝置使平均輸出電流維持在不隨 波紋值的改變而變化的固定電流水平。 所述裝置包括主開關和復制開關。主電流流經主開關，檢測電流則流經復制開關。 檢測電流所具有的大小指示平均輸出電流的大小。主電流與檢測電流二者均貢獻于波紋電 流。所述裝置在無需檢測流經電阻器的檢測電流大小的情況下檢測所述檢測電流。 所述裝置產生指示固定電流水平的設定電流。所述檢測電流在主開關的整個接通 時間中增大，并且檢測電流斜升而在第一時刻達到設定電流。當經過所述接通時間的一預 定部分后，出現(xiàn)第二時刻。在一個實施例中，當經過所述接通時間的四分之三后，出現(xiàn)第二 時刻。所述裝置調節(jié)平均輸出電流，以使第二時刻在第一時刻出現(xiàn)。 本實用新型采用的調節(jié)開關式調節(jié)器輸出電流的電源轉換器，其無需利用處于開 關式調節(jié)器的轉換器IC外部的電流檢測電阻器即可精確地調節(jié)輸出電流。 在下文詳細說明中描述了其它實施例和優(yōu)點。本實用新型內容并非要限定本實用 新型。本實用新型受權利要求書限定。

附圖圖解說明本實用新型的實施例，其中相同的編號指示相同的組件。
圖l(現(xiàn)有技術)是具有處于轉換器集成電路(IC)外部的電流檢測電阻器的傳統(tǒng)
開關式調節(jié)器的簡化示意圖。 圖2是無需利用處于其轉換器IC外部的電流檢測電阻器便可精確地調節(jié)輸出電
流的降壓電源轉換器的簡化示意圖。 圖3是圖2的控制器IC的更詳細示意圖。 圖4是一種用于控制圖2的開關式調節(jié)器的輸出電流和電壓的方法的流程圖。 圖5是顯示理想化波形的圖，這些理想化波形圖解說明圖2的開關式調節(jié)器在執(zhí) 行圖4的方法時的操作。 圖6是在圖2的開關式調節(jié)器對典型電池進行充電時輸出電壓與輸出電流的關系 圖。 圖7是顯示波形的圖，這些波形圖解說明圖2的開關式調節(jié)器如何調節(jié)脈寬頻率 以維持預定電流水平和預定電壓水平。 圖8是作為圖3所示轉換器IC的一部分的電荷泵積分器的另一實施例的示意圖。 圖9是開關式調節(jié)器的另一實施例的示意圖，該開關式調節(jié)器具有兩個電源開關 并且無需利用外部電流檢測電阻器便可精確地調節(jié)輸出電流。 圖IO是開關式調節(jié)器的又一實施例的示意圖，該開關式調節(jié)器無需利用外部電 流檢測電阻器便可精確地調節(jié)輸出電流并且用于對發(fā)光二極管(LED)供電。
具體實施方式
現(xiàn)在將詳細參照本實用新型的某些實施例，這些實施例的例子在附圖中被示出。 圖2是作為降壓電源轉換器的開關式調節(jié)器20的圖。開關式調節(jié)器20包括封裝 在集成電路封裝22中的轉換器集成電路(IC)21。開關式調節(jié)器20無需利用處于轉換器IC 21外部的電流檢測電阻器便可精確地調節(jié)輸出電流。盡管術語"集成電路"常用于既表示 集成電路、也表示其中容納有集成電路的集成電路封裝，然而本文所用的術語"集成電路" 只表示集成電路裸片。除轉換器IC 21夕卜，開關式調節(jié)器20還包括電感器23、輸出電容器 24、自舉電容器25、自舉整流器26、分壓電阻器網絡27和電流設定電阻器(RISET)28。流經電 感器23的電流對負載29進行充電。電流設定電阻器R^T28用于設定所期望的輸出電流。 在一個實施例中，開關式調節(jié)器20的輸入電壓VIN是來自車輛中的點煙器的直流 電壓。開關式調節(jié)器20所輸出的電流和電壓用于對例如移動電話、個人數(shù)字助理(PDA)、 膝上型計算機或DVD播放器等電子用戶裝置進行充電。當轉換器IC 21中的電源開關接通 時，電感器電流30開始流經電感器23。在電感器電流通過電感器23斜升并且電源開關使 電流停止流到電感器23時，電感器電流30從電感器23流出到負載29中。 轉換器IC 21利用脈寬調制(P麗)調節(jié)輸出電流和電壓。為調節(jié)輸出電流，開關 式調節(jié)器20通過開關(SW)焊盤檢測流出轉換器IC 21的平均電流。平均電流是在由電感 器23和輸出電容器24形成的LC濾波器對轉換器IC 21中的電源開關所輸出的方波進行 平波時所產生的鋸齒形波紋電流的峰值與谷值之間的平均值。開關式調節(jié)器20無需檢測 負載29處的電流便可精確地檢測輸出電流I。UT。為調節(jié)輸出電壓，開關式調節(jié)器20檢測反 饋(FB)焊盤上的反饋電壓。分壓電阻器網絡27產生具有反饋電壓V^的反饋信號31。 圖3是轉換器IC 21的更詳細示意圖。轉換器IC 21具有電源(VDD)焊盤35、自 舉(BST)焊盤36、開關(SW)焊盤37、反饋(FB)焊盤38、電流設定(ISET)焊盤39和接地 (GND)焊盤40。焊盤通過焊線連接到集成電路封裝22上的相應端子。在圖3的實施例中， 圖2的自舉整流器26已被作為自舉整流器77集成到轉換器IC 21中。轉換器IC 21通過 反饋焊盤38接收關于輸出電壓V。UT的指示。 轉換器IC 21包括自舉功率產生器41、電荷泵積分器42、下拉鉗位器42、置位-復 位(SR)鎖存器44、門極驅動器45、反饋誤差放大器46、P麗比較器47、漏極電壓調節(jié)器48、 電流鏡49、電流設定運算放大器50、電流設定開關51、振蕩器52、頻率折回電路53、電源開 關54、復制開關55、電流檢測開關56、第一參考電壓產生器57、第二參考電壓產生器58、肖 特基二極管59、電阻器60和電容器61。在一個實施例中，轉換器21中的所有開關均為金 屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。 開關式調節(jié)器20無需檢測流經負載29處的電阻器的電流便可調節(jié)輸出電流。為 調節(jié)輸出電流，開關式調節(jié)器20判斷檢測電流等于設定電流時的時刻是出現(xiàn)在電感器電 流30的上升斜坡達到其中點的時刻之前還是之后。當電源開關54接通和斷開時，電感器 電流30類似于鋸齒形波紋電流。波紋電流的中點等價于輸出電流I。uT的大小。流過電感 器23的谷-峰(valley-to-peak)電流波紋的大小(波紋大小)可表示為 IKIPPLE = D Ts ((VIN-V。UT) /L) ， (62) 其中D是負載循環(huán)，Ts是循環(huán)時間，L是電感器23的電感。因此，開關式調節(jié)器20的輸出電流I。UT的大小等于峰值電流大小減去波紋大小的一半。開關式調節(jié)器20調節(jié) 脈沖寬度，以使上升的電感器電流30達到谷值與峰值之間中點的時刻與增大的檢測電流 等于設定電流的時刻同時出現(xiàn)。 圖4是流程圖，其圖解說明圖3的開關式調節(jié)器20的一種操作方法的步驟63-68。 該方法通過調節(jié)電感器電流30的波紋的脈沖寬度來控制開關式調節(jié)器20的輸出電壓V?！?該方法還通過調節(jié)電感器電流30的脈沖寬度來控制開關式調節(jié)器20的輸出電流I。UT。在 某些應用中，期望使開關式調節(jié)器20的輸出電流I。uT維持在恒定水平。例如，在電池充滿 電之前，期望使充電電流維持在最高水平。通過調節(jié)波紋電流的中點，開關式調節(jié)器20維 持與波紋大小無關的恒定輸出電流。如上面的方程式62所示，波紋大小與電感、開關頻率、 負載循環(huán)以及輸入和輸出電壓的大小相關。因此，開關式調節(jié)器20將輸出電流I。UT調節(jié)到 與電感器23的電感變化無關并且與波紋大小和波紋斜率無關的水平。 在第一步驟63中，轉換器IC 21產生設定電流，該設定電流決定輸出電流I。UT所 維持的預定水平。開關式調節(jié)器20的用戶通過選擇電流設定電阻器RISET28的電阻來設定 輸出電流的預定水平。在替代實施例中，電流設定電阻器被集成到轉換器IC 21中并且是 可編程的。通過對一電流設定寄存器進行編程，可對為獲得所期望的總電阻而串聯(lián)耦合的 電阻器數(shù)量進行編程。電流設定寄存器是一組存儲元件，例如觸發(fā)器(flip-flop)或鎖存 器，其被編程用于存儲數(shù)字值。在又一實施例中，通過將外部電流或外部電壓迫至電流設定 焊盤ISET 39上而產生設定電流。 在圖3的實施例中，將由第二參考電壓產生器58產生的1伏參考信號與電流設定 運算放大器50和電流設定開關51—起用于將電流設定焊盤ISET 39設定到1伏。流經電 流設定焊盤ISET 39的電流被傳遞到自舉功率產生器41的經過電平移位(level-shifted) 的自舉軌條上，并被電流鏡49鏡像反射到比較節(jié)點69。從電流鏡49的晶體管70流出的鏡 像反射電流為設定電流71，該設定電流設定開關式調節(jié)器20的預定電流水平。在電流設定 電阻器R工^28的電阻隨溫度變化的情況下，在流經設定焊盤ISET 39的電流中增加相等但 相反的溫度相關電流，以減小設定電流71隨溫度變化而發(fā)生的任何變化。 在步驟64中，產生指示電感器電流30的大小的檢測電流72。檢測電流72是由復 制開關55產生，并直接與設定電流71相比較而不利用單獨的比較器元件。檢測電流72與 當P麗開關信號74使電源開關54接通時流經電源開關54的主開關電流73成比例。當電 源開關54斷開時，電流流經肖特基二極管59。在替代實施例中，肖特基二極管59位于轉換 器IC 21外部。復制開關55被選取為電源開關54規(guī)格(size)的一個較小的比例。在一 個實施例中，電源開關54比復制開關55大10， 000倍。因此，當主開關電流73為1安時， 檢測電流72為100微安。 用于將電源開關54的漏極連接到電源焊盤VDD 35的導體具有有限的電阻，因此 電源開關54的漏極上的電壓低于電源電平VDD少許。漏極電壓調節(jié)器48的電壓設定晶體 管75和運算放大器76用于將復制晶體管55的漏極電壓設定為與電源開關54的漏極電壓 相同的電平。通過維持相等的漏極電壓，檢測電流72保持為主開關電流73的一比例，該比 例與晶體管的相對規(guī)格相同。 為在電流斜升通過電感器23而使開關焊盤37上的電壓升高時維持可使電源開關 54保持接通的至少一倍門極-源極截止電壓(Ves)，自舉功率產生器41產生與開關焊盤37上的開關電壓一起升高的浮動電源。在一個實施例中，外部自舉電容器25和自舉整流器77 使自舉焊盤36上的電壓維持在比開關焊盤37上的電壓高5伏。因此，自舉功率產生器41 使驅動器45將電源開關54的門極驅動至高于轉換器IC 21的輸入電壓VIN。 在步驟65中，通過將當設定電流71大于檢測電流72時的第一時間周期與當設定 電流71小于檢測電流72時的第二時間周期相比較，使開關式調節(jié)器20的輸出電流維持在 預定電流水平。當PWM開關信號74使電源開關54首先接通時，檢測電流72開始斜升。因 此，設定電流71大于檢測電流72，并且電流在比較節(jié)點69上積聚。比較節(jié)點69上積聚的 電流產生類似于數(shù)字高電平的跳變電壓V皿p。在檢測電流72斜升超過設定電流71的大小 的時間點處，檢測電流72起到下拉電流的作用，并將跳變電壓VTKIP拉到接近開關焊盤37的 電壓，該電壓類似于數(shù)字低電平。因此，電流鏡49、漏極電壓調節(jié)器48和復制開關55構成 電流檢測電路，該電流檢測電路產生指示檢測電流72何時超過設定電流71的數(shù)字跳變信 號78。該有源電流檢測電路設置在自舉焊盤36與開關焊盤37的自舉軌條之間，其中自舉 焊盤36與開關焊盤37的自舉軌條維持5伏的浮動電壓差。通過這種方式，與試圖檢測電 感器23的輸入引線上高速波動的電壓相比，可更精確地檢測電感器電流30。跳變信號78 的數(shù)字高電平隨自舉焊盤36上的電壓而波動，并且跳變信號78的數(shù)字低電平以高出開關 焊盤37上的電壓大約兩倍門極-源極截止電壓(Ves)的值波動。 圖5顯示開關式調節(jié)器20的各個節(jié)點上的理想化波形。這些波形圖解說明開關 式調節(jié)器20在圖4所示方法過程中的操作。電源開關54在1\時刻接通，在T2時刻斷開， 并且在T3時刻再次接通。在1\時刻，電感器電流30開始斜升通過電感器23。因此，1\與 丁2之間的時間為接通時間，1\與T3之間的時間為循環(huán)時間。圖5圖解說明其中檢測電流72 在電源開關54接通時跳變到90微安并接著在接通時間中從90微安斜變到100微安的一 個實施例。在該實施例中，設定電流71被設定為100微安。跳變時刻是斜變的檢測電流72 的大小經過穩(wěn)定的設定電流71的時刻。在跳變時刻，跳變信號78被禁用(deasserted)。 然后，將檢測電流72小于設定電流71時的第一時間周期與檢測電流71大于設定 電流71時的第二時間周期相比較。當檢測電流72的大小處于其上升斜坡的中點并且因此 也處于平均輸出電流的所選預定水平時，第一時間周期與第二時間周期相等。電荷泵積分 器42通過在第一時間周期中將電流加到電流誤差節(jié)點和在第二時間周期中從電流誤差節(jié) 點減去相同比率的電流，對第一時間周期與第二時間周期進行比較。電流誤差節(jié)點上所存 在的電流誤差信號79的電壓(VIE)的變化指示哪一個周期較長以及跳變時刻距斜變的檢測 電流72的中點有多遠。 圖3顯示電荷泵積分器42接收P麗開關信號74和跳變信號78，并且輸出電流誤 差信號78。電荷泵積分器42包括反相器80、與門81、n溝道FET 82、p溝道FET 83、上拉電 流源84、下拉電流源85和電容器86。在圖3的實施例中，下拉電流源85是上拉電流源84 的大小的兩倍。反相器80和AND門81控制FET 82和83，以使這些開關只在開關信號74 被啟用(asserted)并且電流斜升通過電感器23時才接通。在電源開關54的斷開時間中， 當FET 82和83斷開時，電流誤差電壓VB保持不變。在第一時間周期中，當開關信號74被 啟用時并且在跳變信號78被禁用之前，只有p溝道FET 83接通。在第一時間周期中，上拉 電流源84在電流誤差節(jié)點上提供10微安的電流(IIE)87，并且電流誤差信號79的電壓VIE 升高，如圖5中所示。當跳變信號78被禁用時，F(xiàn)ET 83保持接通，并且FET 82也接通。在
9第二時間周期中，上拉電流源84繼續(xù)在電流誤差節(jié)點上提供10微安的電流11￡87，但下拉電 流源85從電流誤差節(jié)點吸收20微安的電流^87。因此，在第二時間周期中，從電流誤差節(jié) 點泄放總共IO微安的電流。當?shù)谝粫r間周期等于第二時間周期時，向電流誤差節(jié)點提供的 電流量和從電流誤差節(jié)點泄放的電流量相等，并且在接通時間結束時，電流誤差電壓VIE返 回其此前的電平。電容器86用于平滑電流誤差電壓VIE的電平。 在步驟66中，調節(jié)電感器電流30的脈沖寬度(波紋電流的上升斜坡)，以將輸出 電流調節(jié)到預定電流水平。在轉換器IC 21如何調節(jié)輸出電流的一個例子中，輸出電流低 于預定電流水平。因此，檢測電流72達到設定電流71太遲，并且第一時間周期變得長于第 二時間周期。結果，在第一時間周期中提供給電流誤差節(jié)點的電流多于在第二時間周期中 從電流誤差節(jié)點泄放的電流，因而電流誤差電壓V^升高。升高的電流誤差電壓V^使得P麗 開關信號74的脈沖寬度增大，并且輸出電流朝預定電流水平增大。 下拉鉗位器43包括運算放大器88和p溝道FET 89。在恒流模式中，下拉鉗位器 43將誤差電壓(VEKK。K)下拉到電流誤差電壓V^的電平。在恒流模式中，電壓調節(jié)回路始終 處于調節(jié)之中。在恒壓模式中，當電流誤差電壓VIE高于誤差電壓VEKK。K時，下拉鉗位器43 對誤差電壓VEKK。K毫無影響。電阻器60和電容器61平滑誤差電壓VEKK。K的電平。 P麗開關信號74是通過確定經過補償?shù)碾娏鳈z測電壓90何時達到誤差電壓VEKK。K 而產生。電流檢測電壓V，^是電流檢測開關56的漏極上的電壓。像復制開關55—樣，電 流檢測開關56比電源開關54小很多倍，并且開關54、55和56的門極全部耦接到門極驅動 器45的門極。通過將電流檢測電壓V，^與斜坡補償信號相加產生經過補償?shù)碾娏鳈z測電 壓90。斜坡補償信號由振蕩器52產生。圖5圖解說明如何將電流檢測電壓VSENSE與斜坡補 償信號相加以形成經過補償?shù)碾娏鳈z測電壓90。 P麗比較器47判斷斜變的經過補償?shù)碾娏鳈z測電壓90何時達到誤差電壓 VEKK。K(或被下拉到電流誤差電壓VIE的誤差電壓)的水平。圖5圖解說明P麗比較器47所 輸出的復位信號(RST) 91通過禁用SR鎖存器44的Q輸出端上所存在的開關信號74而使 SR鎖存器44復位并終止接通時間。當在SR鎖存器44的置位輸入端上接收到振蕩器52所 輸出的時鐘信號(CLK)92的脈沖時，開關信號74被啟用。在恒流模式中，當斜變的經過補 償?shù)碾娏鳈z測電壓90達到電流誤差電壓VIE的電平時，復位信號91將SR鎖存器44復位。 當因第一時間周期長于第二時間周期而使電流誤差電壓V^已升高時，斜變的經過補償?shù)?電流檢測電壓90達到電流誤差電壓VB所用的時間變長。結果，開關信號74的接通時間延 長，并且電感器電流30被允許通過電感器23斜升更長的時間。波紋電流的變長的上升斜 坡的中點升高，并且原先低于預定電流水平的輸出電流I。UT的大小增大。 在步驟67中，當輸出電流小于預定電流水平時，開關式調節(jié)器20的輸出電壓維持 在預定電壓水平。在電池的典型充電循環(huán)中，充電過程以恒流模式開始，然后當電池充滿電 時過渡到恒壓模式?？针娏侩姵氐闹刎撦d試圖拉動大于預定電流限值的電流，開關式調節(jié) 器20則通過降低電流誤差電壓VIE而限制輸出電流。隨著電池的負載變輕并且所拉動的電 流減小，電流誤差電壓VIE上升至誤差電壓VEKK。K以上，并且開關式調節(jié)器20將輸出電壓限 制至由誤差電壓VEKK。K所設定的預定水平。 圖6是在開關式調節(jié)器20對移動電話中的典型鋰離子電池進行充電時輸出電壓 與輸出電流的關系圖。各個點圖解說明電感器電流30的代表性開關循環(huán)。充電過程在點#1處以恒流模式開始，并且開關式調節(jié)器20將輸出電流調節(jié)到約l安的電流。充電循環(huán)在 點#9處進入恒壓模式。隨著移動電話電池充電并且移動電話電池的負載減小，開關式調節(jié) 器20減小脈沖寬度和輸出電流一直到點#17，以將輸出電壓限制至約4. 2伏。在一個實施 例中，開關式調節(jié)器20是以"完全充電模式(top-off mode)"工作，在此種模式中，在達到 點#17后，電池以滿充電電流的十分之一再充電十分鐘，然后斷開開關操作。 當輸出電壓下降到由虛線下面的點#18-20所表示的故障閾值以下時，出現(xiàn)故障 狀態(tài)。當輸出電壓下降到故障閾值以下時，反饋焊盤38上所存在的電壓(VFB)下降到低于 欠電壓閉鎖斷開閾值，并且輸出電流被調節(jié)成沿點#18-20線性地下降到零。在另一實施例 中，當輸出電壓下降到故障閾值以下時，電流會非線性地折回(如沿虛線的點所示)。當用 戶選取此種細流(trickle)充電模式時，一旦達到下限電壓閾值，輸出電流便折回到細流。 在又一實施例中，開關式調節(jié)器20具有暫停(time-out)功能，用于在充電過程在最大充電 時間(例如1小時)內未退出細流充電模式時停止電源開關54的開關操作。 在步驟67的該例子中，開關式調節(jié)器20的用戶將預定電壓水平設定為鋰離子電 池的4. 2伏最高充電電壓。預定電壓水平是通過對分壓電阻器網絡27的電阻器R1和R2 的電阻進行選取來設定。分壓器27將負載29上的所需4. 2伏最高充電電壓分成反饋焊盤 FB 38上的1伏電平。誤差放大器46將反饋信號31的電壓V^與第二參考電壓產生器58 所產生的1伏參考電壓相比較。誤差放大器46輸出誤差電壓V^皿，其大小與反饋電壓VFB 與l伏參考電壓之差成比例。 隨著在充電循環(huán)中負載29兩端的電壓增大，反饋電壓V^與l伏參考電壓之差減 小。因此，誤差電壓V^皿減小。當誤差電壓V，。K減小到電流誤差電壓VB以下時，開關式 調節(jié)器20從恒流模式過渡到恒壓模式。該過渡發(fā)生在圖6的點#8與#9之間。 圖7顯示理想化波形，其圖解說明從恒流模式到恒壓模式的過渡。圖7中帶編號的 循環(huán)對應于圖6中的點。在啟動階段(循環(huán)#1_#3)中，第一時間周期長于第二時間周期， 并且電荷泵積分器42在電流誤差節(jié)點上提供的電流IIE87多于其所泄放的電流。電流誤差 電壓VIE升高，此使開關信號74的脈沖寬度增大。輸出電流增大并在循環(huán)#4時達到預定電 流水平，此時第一時間周期等于第二時間周期。在典型操作中，電流誤差電壓V^在幾毫秒 內達到穩(wěn)態(tài)。然后，輸出電流保持在穩(wěn)態(tài)，直到輸出電壓接近預定電壓水平為止。隨著電池 充電并且負載29兩端的電壓升高，誤差電壓VEKK。K減小。在誤差電壓VEKK。K下降到低于電流 誤差電壓VIE之后，當經過補償?shù)碾娏鳈z測電壓90達到下部的誤差電壓VEKK。K并將SR鎖存 器44復位時，電源開關54的接通時間終止。因此，當輸出電流小于預定電流水平時，開關 式調節(jié)器20的輸出電壓保持在預定電壓水平。 在步驟68中，開關式調節(jié)器20獨立于輸出電壓調節(jié)輸出電流。設定電流71的大 小不隨輸出電壓的變化而變化。由于設定電流71是由固定的l伏參考電壓所產生并且自 舉軌條之間的電流檢測電路維持5伏的浮動電壓差，因而開關式調節(jié)器20產生輸出電壓， 使得設定電流71獨立于輸出電壓而變化。 開關式調節(jié)器20具有頻率折回功能。時鐘信號CLK 92決定開關頻率，以使開關 信號74以該開關頻率開始電感器電流30的每一新波紋的斜變。在電感器電流30已完全 斜降出電感器23之前，開關式調節(jié)器20以連續(xù)導通模式工作，以在每一新循環(huán)開始時使電 流斜升通過電感器23。在正常工作中，開關頻率和循環(huán)時間保持恒定，并且調制波紋電流的上升斜坡的脈沖寬度以獲得所期望的輸出電流和電壓。當因負載非常重而使輸出電壓接 近于0時，接通時間的脈沖寬度變得越來越短。然而，需要一最小時間量，以使跳變信號78 探測上升的檢測電流72的大小何時超過設定電流71的大小。在極低的輸出電壓下，開關 信號74的脈沖寬度可變得短于跳變信號78的響應時間，在此種情形中，電流比較將出現(xiàn)錯 誤，并且開關式調節(jié)器將無法提供電流調節(jié)。為避免此種情形，當反饋電壓VFB遠低于預定 電壓水平時，頻率折回電路53便降低(折回)開關信號74的頻率。在較低的開關頻率下， 以不會變得短于跳變信號78的響應時間的更長脈沖寬度來輸出相同電流。 圖8顯示電荷泵積分器93的另一實施例。在圖3的實施例中，下拉電流源85兩 倍于上拉電流源84的規(guī)格，以減小從上拉電流切換到下拉電流所用的邏輯電路量。盡管電 荷泵積分器93所利用的邏輯電路多于圖3的電荷泵積分器42，然而電荷泵積分器93具有 相等的上拉電流和下拉電流。因此，電荷泵積分器93以較小的電流進行工作。電荷泵積分 器93包括反相器94、與非門95、與門96、p溝道FET97、n溝道FET 98、上拉電流源99、下拉 電流源100和電容器86。 這兩個電流源99和100提供10微安的電流。在第一時間周期中，上拉電流源84 在電流誤差節(jié)點上提供10微安的電流(IIE)87。當跳變信號78被禁用時，F(xiàn)ET 97斷開，并 且FET 98接通。在第二時間周期中，只有下拉電流源100從電流誤差節(jié)點泄放10微安的 電流^87。因此，在第二時間周期中，電荷泵積分器93所用的電流比電荷泵積分器42小 20微安。但正如電荷泵積分器42 —樣，當?shù)谝粫r間周期等于第二時間周期時，電荷泵積分 器93向電流誤差節(jié)點提供的電流量與其所吸收的電流量相等。 圖9顯示無需利用處于轉換器IC外部的電流檢測電阻器便可精確地調節(jié)輸出電 流的開關式調節(jié)器的另一實施例。開關式調節(jié)器103包括轉換器IC 104，轉換器IC 104類 似于圖3的轉換器IC 21。然而，不同于轉換器IC 21，轉換器IC 104包括兩個電源開關和 一運算跨導放大器(0TA)105。 上門極驅動器106和電源開關54的功能類似于轉換器IC 21的門極驅動器45和 電源開關54。然而，下門極驅動器107和下電源開關108取代了肖特基二極管59。由于下 門極驅動器107和下電源開關108比肖特基二極管59占據(jù)更大的空間，因而轉換器IC 104 的裸片尺寸大于轉換器IC 21，因而價格也高于轉換器IC 21。在電源開關54的斷開時間 中，通過開關108而非通過肖特基二極管59從電感器23泄放電流。然而，由于通過開關 108泄放電流，在轉換器IC 104的替代實施例中，可在開關焊盤37的下側檢測電感器電流 30。與設置于自舉電流產生器的浮動自舉軌條之間的電流檢測電路相比，該替代實施例的 電流檢測電路將不復雜，這是因為開關108的漏極電壓不與自舉電壓一起浮動。將轉換器 IC 21的電流檢測電路設置在自舉軌條內能夠使用更廉價的肖特基二極管59取代轉換器 IC 104的下門極驅動器107和下電源開關108。 轉換器IC 104是以模擬方式對跳變信號78所提供的跳變電壓進行積分，而轉換 器IC 21的電荷泵積分器42則是對跳變信號78的數(shù)字電壓執(zhí)行數(shù)字積分。0TA 105和電 容器86對跳變電壓VTKIP與電源開關54兩端的檢測電壓之差進行積分。在跳變電壓高于檢 測電壓的時間中，0TA 105在電容器86上提供與該差值成比例的電流。在跳變電壓低于檢 測電壓的時間中，0TA 105則從電容器86吸收與該差值成比例的電流。開關信號74控制 開關109，使得只在電源開關54的接通時間中對設定電壓與檢測電壓之差進行積分。[0066] 盡管轉換器IC 104利用兩個n溝道FET (NM0S) 54和108作為電源開關，但在替代 實施例中也可利用P溝道FET(PMOS)作為電源開關54。當利用p溝道FET作為電源開關 54時，不需要自舉產生器，這是因為電源開關54的門極不需要維持在比開關焊盤37的浮動 電壓高出至少一倍Ves。然而，p溝道FET大于n溝道FET，因此利用PM0S器件的該替代實 施例的電路裸片尺寸將更大，因而價格也更高。 圖IO顯示無需檢測轉換器IC 111的外部電流便可精確地調節(jié)輸出電流的開關式 調節(jié)器110的又一實施例。盡管在圖3中已參照轉換器IC 21將負載29描述為正在充電 的移動電話鋰離子電池，然而負載29不必為電池。在圖10的實施例中，轉換器IC 111調 節(jié)電感器電流30，以使開關式調節(jié)器110的輸出電流適合對發(fā)光二極管(LED) 112供電。 某些LED在不高于預定溫度運行時具有更長的使用壽命。當LED112的溫度升高 時，轉換器IC lll減小開關式調節(jié)器110的平均輸出電流。LED 112的溫度由此保持低于 預定溫度限值。在圖10的實施例中，電流設定電阻器R^T28為熱敏電阻器，其電阻隨溫度 升高而增大。電流設定電阻器28在實體上靠近LED 112設置，以便在LED 112的溫度升高 時，電流設定電阻器28的電阻也增大。電流設定電阻器28的增大的電阻調節(jié)設定電流71， 從而降低電流誤差電壓V『在其他實施例中，電流設定電阻器28位于開關式調節(jié)器110的 印刷電路板上的某一位置，以使電阻器28的溫度反映正被充電的負載的溫度或開關式調 節(jié)器周圍的環(huán)境溫度。 在另一實施例中，開關式調節(jié)器110對LED 112執(zhí)行脈寬調制(P麗)調光。在P麗 調光中。流經LED 112的電感器電流30從0脈動到預定電流水平脈動。P麗調光不同于模 擬調光，在模擬調光中是通過減小流經LED的DC電流來實現(xiàn)亮度的降低。在P麗調光中， 由電流流經LED 112時的脈沖的負載循環(huán)決定LED亮度。P麗調光的通/斷狀態(tài)是通過在 電流設定焊盤ISET 39上設定額外的閾值來進行控制。在替代實施例中，P麗調光的通/斷 狀態(tài)是利用轉換器IC lll上的額外焊盤進行控制。通常將電流設定焊盤ISET 39調節(jié)到 l伏，但當該焊盤被上拉到更高電壓(例如2伏)時，則暫時禁止(disable)開關式調節(jié)器 110。 P麗調光相對于模擬調光具有兩個優(yōu)點。首先，由于輸出負載不是最大就是斷開，因而 效率提高。其次，LED的色彩平衡維持在其最佳值，這是因為在LED 112接通的時間中，流 經LED 112的電流維持在預定電流水平。 為避免可見的閃爍，流經LED 112的電流的脈動速率維持在高于人眼反應的速 率。通常，LED P麗調光速率高于100Hz。然而，如果LED電流大，則調節(jié)器電路的功率組件 (例如電感器23和電容器)可發(fā)出可聽到的噪聲。因此，優(yōu)選地選取高于人耳的聽覺范圍 的P麗調光速率，通常為15kHz及以上。 當利用例如15kHz的高脈沖速率對LED 112進行調光時，轉換器IC 11的啟動時 間中的任何延遲均可作為LED亮度相對于P麗負載循環(huán)的非線性度而被感覺到。因此，優(yōu) 選地具有快的啟動時間_即當LED控制信號被啟用時與LED電流達到預定電流水平時之間 的時間。轉換器IC 111的最慢響應是在恒流模式中確定電流誤差電壓V^其要耗用許多個 開關循環(huán)才能達到恒流調節(jié)的穩(wěn)態(tài)值。轉換器IC 111通過使電流誤差電壓V^維持在與當 轉換器IC 111的輸出被禁止時的電流誤差電壓L相同的水平，使LED啟動時間加速。當 LED控制信號切換到斷開值時，電荷泵積分器42的上拉電流源和下拉電流源均斷開。因此， 先前產生的電流誤差電壓VIE的精確值不會受到干擾。當LED 控制信號指示轉換器IC 111恢復向LED 112提供電流時，電荷泵積分器42不需要重新產生電流誤差電壓V『因此，開 關式調節(jié)器110的輸出電流只在幾個循環(huán)中便達到預定電流水平。 盡管已出于說明目的而結合某些具體實施例描述了本實用新型，然而本實用新型 并不僅限于此。圖3的實施例將檢測電流72等于設定電流71時的時間與波紋電流的谷值 和峰值之間的中點相比較。在其他實施例中，則比較不止一個點。例如，將檢測電流72的 大小等于設定電流71的大小的四分之一時的時間與電感器電流30已斜升到從谷值到峰值 距離的四分之一處的時間相比較。然后，將檢測電流72的大小等于設定電流71的大小的 四分之三時的時間與電感器電流30已斜升到從谷值到峰值距離的四分之三處的時間相比 較。為確定電感器電流30已斜升到從谷值到峰值距離的四分之一或四分之三的時間，使用 具有比率3 : l的上拉電流和下拉電流。然后，利用這兩次比較來產生用于終止接通時間 的復位信號91。 盡管上文將各轉換器IC的電源開關描述為利用脈寬調制(P麗)進行開關，然而也 可利用其它調制方法。在替代實施例中，利用變頻脈沖頻率調制(PFM)產生開關信號74。 使電源開關54的接通時間保持恒定達一時間周期，該時間周期長于使跳變信號78將設定 電流71與檢測電流72相比較所需的響應時間。然后，調節(jié)循環(huán)時間，以獲得所期望的平均 輸出電流。然而，當在點煙器適配器應用中利用開關式調節(jié)器時，P麗調制優(yōu)于PFM調制，以 確保使開關頻率及任何諧波不會干擾車輛的AM收音機的頻帶或者干擾在例如移動電話等 射頻裝置中通常使用的455kHz中頻(IF)。在圖3的實施例中，利用300-400kHz之間頻率 的P麗調制，該頻率足夠高從而允許使用較小規(guī)格的電感器，但又足夠低以便不會干擾AM 收音機頻帶。此外，可使P麗調制所用的頻率散開，以使來自主頻帶和諧波的能量擴展開， 從而不會干擾無線電信號和在車輛中傳送的其它信號。 在又一實施例中，利用滯后調制(hysteretic modulation)產生開關信號74。在 滯后調制中，接通時間和頻率均不固定，而是調節(jié)電感器電流30的峰值和谷值。由于在利 用滯后調制來調節(jié)輸出電流時頻率漂移，因而更難避免干擾無線電信號和在車輛中傳送的 其它信號。相應地，可在不脫離權利要求所述本實用新型范圍的條件下對所述實施例的各 種特征實施各種修改、改動和組合。
權利要求一種電源轉換器，其特征在于，包括電感器；和轉換器集成電路，其具有電源開關和復制開關，其中所述電源轉換器產生參考電流，其中具有大小的電感器電流流經所述電感器，其中流經所述復制開關的檢測電流具有與在所述電源開關的接通時間中所述電感器電流的所述大小成比例的大小，其中所述電源轉換器將輸出電流維持在預定電流水平，使得當所述輸出電流等于所述預定電流水平時，所述檢測電流小于所述參考電流時的第一時間周期為所述檢測電流大于所述參考電流時的第二時間周期的固定比例。
2. 如權利要求1所述的電源轉換器，其特征在于，所述電源轉換器無需檢測所述轉換 器集成電路外部的電流而將所述輸出電流維持在所述預定電流水平。
3. 如權利要求1所述的電源轉換器，其特征在于，還包括位于所述轉換器集成電路外的電阻器，其中利用所述電阻器產生所述參考電流。
4. 如權利要求3所述的電源轉換器，其特征在于，所述電阻器是熱敏電阻器，其中所述 輸出電流與溫度成反比地變化，并且其中所述溫度是取自由下列組成的群組由所述輸出 電流正進行充電的負載的溫度，所述電源轉換器周圍的環(huán)境溫度，和所述輸出電流所流經 的發(fā)光二極管的溫度。
5. 如權利要求1所述的電源轉換器，其特征在于，所述轉換器集成電路包括寄存器，并 且其中通過對所述寄存器進行編程產生所述參考電流。
6. 如權利要求1所述的電源轉換器，其特征在于，所述電源轉換器的輸出電流流經發(fā) 光二極管。
7. 如權利要求6所述的電源轉換器，其特征在于，電源轉換器對所述發(fā)光二極管執(zhí)行 脈寬調制調光。
8. 如權利要求1所述的電源轉換器，其特征在于，所述電源轉換器輸出輸出電壓，并且 其中所述參考電流獨立于所述輸出電壓而變化。
9. 如權利要求1所述的電源轉換器，其特征在于，所述轉換器集成電路包括鎖存器，所 述鎖存器輸出用于斷開所述電源開關的開關信號，并且其中當所述電源開關斷開時，所述 電感器電流停止通過所述電感器增大。
10. —種電源轉換器，其特征在于，包括電感器，其中具有峰值和谷值的波紋電流流經所述電感器并從所述電源轉換器輸出， 其中平均輸出電流是所述峰值和所述谷值的平均值，并且其中波紋大小是所述峰值與所述 谷值的差值；禾口裝置，用于無需檢測所述裝置外部的電流而將所述平均輸出電流維持在固定電流水 平，其中在所述波紋大小改變時，所述固定電流水平不發(fā)生實質改變。
11. 如權利要求io所述的電源轉換器，其特征在于，流經電源開關的主電流和流經復制開關的檢測電流均貢獻于所述波紋電流，其中所述裝置產生指示所述固定電流水平的設 定電流，其中所述檢測電流斜升而在第一時刻達到所述設定電流，其中所述檢測電流在整 個接通時間中增大，并且在經過所述接通時間的預定部分時，出現(xiàn)第二時刻，并且其中所述 裝置調節(jié)所述平均輸出電流，以使所述第二時刻在所述第一時刻處出現(xiàn)。
12. 如權利要求11所述的電源轉換器，其特征在于，所述預定部分是所述接通時間的三分之二。
13. 如權利要求11所述的電源轉換器，其特征在于，所述平均輸出電流對負載充電，其 中所述負載具有負載溫度，其中利用熱敏電阻器產生所述設定電流，并且其中所述平均輸 出電流與所述負載溫度成反比地變化。
14. 如權利要求IO所述的電源轉換器，其特征在于，所述電源轉換器是車輛點煙器適 配器的一部分。
專利摘要本實用新型公開了一種調節(jié)開關式調節(jié)器輸出電流的電源轉換器，其無需利用處于開關式調節(jié)器的轉換器IC外部的電流檢測電阻器即可精確地調節(jié)輸出電流。該電源轉換器包括電感器；和轉換器集成電路，其具有電源開關和復制開關，其中所述電源轉換器產生參考電流，其中具有大小的電感器電流流經所述電感器，其中流經所述復制開關的檢測電流具有與在所述電源開關的接通時間中所述電感器電流的所述大小成比例的大小，其中所述電源轉換器將輸出電流維持在預定電流水平，使得當所述輸出電流等于所述預定電流水平時，所述檢測電流小于所述參考電流時的第一時間周期為所述檢測電流大于所述參考電流時的第二時間周期的固定比例。
文檔編號H02M3/156GK201541197SQ200920179730
公開日2010年8月4日 申請日期2009年9月29日 優(yōu)先權日2008年9月29日
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