專利名稱：用以在開(kāi)關(guān)模式電力供應(yīng)源中于脈沖寬度調(diào)制與脈沖頻率調(diào)制之間轉(zhuǎn)變的系統(tǒng)、方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開(kāi)關(guān)模式電力供應(yīng)源，且更特定來(lái)說(shuō)涉及通過(guò)依據(jù)負(fù)載而在脈沖寬度調(diào)制(PWM)與脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制之間轉(zhuǎn)變來(lái)改善開(kāi)關(guān)模式電力供應(yīng)源(SMPS)的效率。
背景技術(shù)：
開(kāi)關(guān)模式電力供應(yīng)源(SMPS)可通過(guò)使用對(duì)電力切換晶體管的脈沖寬度調(diào)制 (PWM)或脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制而操作。SMPS的PWM操作在較高負(fù)載條件期間高效，但在輕負(fù)載條件下在有效操作方面下降。PFM控制在輕負(fù)載條件期間產(chǎn)生SMPS的較高的效率，但在較高負(fù)載條件下產(chǎn)生較低的效率。高效率在SMPS中很重要，尤其當(dāng)用于電池供電的應(yīng)用中時(shí)。圖12展示當(dāng)使用PFM或PWM控制時(shí)在輸出負(fù)載電流范圍上的SMPS的典型效率的曲線圖。

發(fā)明內(nèi)容
因此，期望通過(guò)依據(jù)負(fù)載電流可靠地在PFM與PWM之間轉(zhuǎn)變以控制SMPS而在從無(wú)負(fù)載到全負(fù)載的其整個(gè)操作范圍上優(yōu)化SMPS效率。PFM與PWM操作模式之間的準(zhǔn)確、平滑且無(wú)縫轉(zhuǎn)變可在工廠設(shè)定的負(fù)載電流下發(fā)生。PFM操作改善輕負(fù)載條件期間的效率，且PWM 在較高負(fù)載電流下具有更好的效率。此為電池供電的應(yīng)用中的高度期望的特征，且致使在較長(zhǎng)時(shí)間之后才有必要進(jìn)行電池更換或再充電。SMPS可為(舉例來(lái)說(shuō)但不限于)采用電壓模式、峰值電流模式或平均電流模式控制的降壓、升壓、降壓-升壓、回掃轉(zhuǎn)換器等。根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)例性實(shí)施例，一種使用脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制或脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制的開(kāi)關(guān)模式電力供應(yīng)源(SMPS)包含開(kāi)關(guān)模式電力供應(yīng)源(SMPS)轉(zhuǎn)換器； 及負(fù)載確定電路，其用于檢測(cè)負(fù)載電流何時(shí)達(dá)到轉(zhuǎn)變電流值，其中如果所述負(fù)載電流小于所述轉(zhuǎn)變電流值，那么脈沖頻率調(diào)制(PFM)信號(hào)控制所述SMPS轉(zhuǎn)換器，且如果所述負(fù)載電流等于或大于所述轉(zhuǎn)變電流值，那么脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)控制所述SMPS轉(zhuǎn)換器。根據(jù)本發(fā)明的另一特定實(shí)例性實(shí)施例，一種用于使用脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制或脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制來(lái)控制開(kāi)關(guān)模式電力供應(yīng)源(SMPS)的方法包含確定開(kāi)關(guān)模式電力供應(yīng)源(SMPS)轉(zhuǎn)換器的負(fù)載電流；將所述負(fù)載電流與轉(zhuǎn)變電流值進(jìn)行比較；當(dāng)所述負(fù)載電流小于所述轉(zhuǎn)變電流值時(shí)，用脈沖頻率調(diào)制(PFM)信號(hào)來(lái)控制所述SMPS轉(zhuǎn)換器；及當(dāng)所述負(fù)載電流等于或大于所述轉(zhuǎn)變電流值時(shí)，用脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)來(lái)控制所述SMPS轉(zhuǎn)換器。根據(jù)本發(fā)明的又一特定實(shí)例性實(shí)施例，一種用于使用脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制或脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制來(lái)控制開(kāi)關(guān)模式電力供應(yīng)源(SMPS)的方法包含以下步驟a)停用開(kāi)關(guān)模式電力供應(yīng)源(SMPS)轉(zhuǎn)換器的操作；b)確定來(lái)自所述SMPS轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是否低于參考電壓，其中bl)如果所述輸出電壓不低于所述參考電壓，那么返回到步驟a)，且 b2)如果所述輸出電壓低于所述參考電壓，那么啟用所述SMPS轉(zhuǎn)換器的操作；c)將能量存儲(chǔ)于電感器中；d)確定是否滿足控制需求，其中dl)如果不滿足所述控制需求，那么返回到步驟c)，且d2)如果滿足所述控制需求，那么將所述電感器中所存儲(chǔ)的所述能量傳送到輸出電容器；e)確定來(lái)自所述SMPS轉(zhuǎn)換器的所述輸出電壓是否低于所述參考電壓，其中el) 如果所述輸出電壓不低于所述參考電壓，那么返回到步驟a)，且e2)如果所述輸出電壓低于所述參考電壓，那么返回到步驟c


結(jié)合附圖參照以下說(shuō)明可更全面地理解本發(fā)明的揭示內(nèi)容，在附圖中圖1圖解說(shuō)明基本調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的示意性框圖；圖2圖解說(shuō)明圖1中所示的一般調(diào)功器的更詳細(xì)示意性框圖；圖3圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示的控制電路的示意性框圖；圖4圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示由圖3中所示的控制電路控制的電力切換調(diào)節(jié)器電路的示意圖；圖5圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)例性實(shí)施例的過(guò)程控制方法的示意性流程圖；圖6圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示在脈沖頻率調(diào)制(PFM)操作期間圖3中所示的控制電路的示意性操作時(shí)序圖；圖7圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示在增加的負(fù)載下的PFM操作期間圖3中所示的控制電路的示意性操作時(shí)序圖；圖8圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示在進(jìn)一步增加的負(fù)載下的PFM操作期間圖3中所示的控制電路的示意性操作時(shí)序圖；圖9圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示在從PFM到脈沖寬度調(diào)制(PWM)操作的轉(zhuǎn)變期間圖3中所示的控制電路的示意性操作時(shí)序圖；圖10圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示在操作中的負(fù)載步驟期間圖3中所示的控制電路的示意性操作時(shí)序圖；圖11圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示在PWM連續(xù)傳導(dǎo)模式操作期間圖3中所示的控制電路的示意性操作時(shí)序圖；圖12圖解說(shuō)明當(dāng)使用PFM或PWM控制時(shí)在輸出負(fù)載電流范圍上的SMPS的典型效率的曲線圖；圖13圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)例性實(shí)施例的模擬PFM/PWM SMPS控制器的示意圖14圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的另一特定實(shí)例性實(shí)施例的模擬PFM/PWM SMPS控制器的示意圖；圖15圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的又一特定實(shí)例性實(shí)施例的模擬PFM/PWM SMPS控制器的示意圖；及圖16圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的再一特定實(shí)例性實(shí)施例使用混合信號(hào)集成電路裝置的數(shù)字/經(jīng)編程PFM/PWM SMPS控制器的示意圖。

雖然本發(fā)明易于作出各種修改及替代形式，但在圖式中已顯示并在本文中詳細(xì)描述其特定實(shí)例性實(shí)施例。然而，應(yīng)了解，本文對(duì)特定實(shí)例性實(shí)施例的說(shuō)明并非打算將本發(fā)明限定于本文所揭示的特定形式，而是相反，本發(fā)明打算涵蓋所附權(quán)利要求書所界定的所有修改及等效形式。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參照?qǐng)D式，其示意性圖解說(shuō)明具體實(shí)例性實(shí)施例的細(xì)節(jié)。圖式中，相同的元件將由相同的編號(hào)表示，且類似的元件將由帶有不同小寫字母后綴的相同編號(hào)表示。在一般意義上，可將電力轉(zhuǎn)換器界定為在連續(xù)基礎(chǔ)上將一種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量的裝置。當(dāng)此種電力系統(tǒng)正在執(zhí)行其轉(zhuǎn)換功能時(shí)其內(nèi)的任何能量存儲(chǔ)或損失通常與能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程相同。存在許多種類型的可提供此種功能的裝置，其具有不同程度的成本、可靠性、復(fù)雜性及效率。用于電力轉(zhuǎn)換的機(jī)構(gòu)可采取許多基本形式，例如性質(zhì)上為機(jī)械、電或化學(xué)處理的那些形式。本文將聚焦于采用受限制組的組件(包括電感器、電容器、變換器、開(kāi)關(guān)及電阻器)以電方式且以動(dòng)態(tài)方式執(zhí)行能量轉(zhuǎn)化的電力轉(zhuǎn)換器。這些電路組件如何連接由所要的電力轉(zhuǎn)化來(lái)確定。電阻器引入不期望的電力損失。由于高效率在大多數(shù)應(yīng)用中通常為最重要的要求，因此在主電力控制路徑中應(yīng)避免或最少化電阻性電路元件。僅非常罕見(jiàn)地且由于非常特定的原因才將電力消耗電阻引入到主電力控制路徑中。在輔助電路(例如，總系統(tǒng)的序列、監(jiān)視及控制電子器件)中，高值電阻器為常見(jiàn)的，因?yàn)槠鋼p失貢獻(xiàn)通常不顯著。參照?qǐng)D1，其描繪基本調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的示意性框圖。存在電力系統(tǒng)102(例如，基本開(kāi)關(guān)模式電力轉(zhuǎn)換器)，其中將不受控制的電壓(或電流，或電力)源的輸入應(yīng)用到電力系統(tǒng) 102的輸入，而期望將非常好地控制輸出處的電壓(或電流，或電力)?？刂戚敵龅幕A(chǔ)是某種形式的參考，且輸出與參考之間的任何偏差成為誤差。在反饋控制的系統(tǒng)中，負(fù)反饋用以將此誤差減小到可接受值，如系統(tǒng)要求盡可能接近零。通常期望快速地減小誤差，但反饋控制所固有的是系統(tǒng)響應(yīng)與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的折衷。反饋網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)性越高，不穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)越大。在此點(diǎn)上，應(yīng)提及，存在另一種控制方法_前饋。通過(guò)前饋控制，直接響應(yīng)于輸入變化或微擾而產(chǎn)生控制信號(hào)。前饋不如反饋準(zhǔn)確，因?yàn)椴簧婕拜敵龈袦y(cè)，然而，不存在等待產(chǎn)生輸出誤差信號(hào)的延遲，且前饋控制不會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定性。應(yīng)清楚，前饋控制通常不足以作為電壓調(diào)節(jié)器的唯一控制方法，而是其常常與反饋一起使用以改善調(diào)節(jié)器對(duì)動(dòng)態(tài)輸入變化的響應(yīng)。參照?qǐng)D2，其描繪圖1中所示的一般調(diào)功器的更詳細(xì)示意性框圖。電力系統(tǒng)102已被分離成兩個(gè)塊電力電路206及控制電路208。電力電路206處置電力系統(tǒng)負(fù)載電流且通常較大、強(qiáng)健且經(jīng)受寬廣溫度波動(dòng)。其切換功能根據(jù)定義為在大多數(shù)穩(wěn)定性分析中通常模擬為具有工作循環(huán)的恰好雙態(tài)開(kāi)關(guān)的大信號(hào)現(xiàn)象。輸出濾波器(未展示)也被視為電力電路206的一部分，且可被視為線性塊。控制電路208將通常由增益塊、誤差放大器及脈沖寬度調(diào)制器組成，用以界定電力開(kāi)關(guān)的工作循環(huán)。根據(jù)本發(fā)明的教示，下文更全面地描述用于脈沖頻率調(diào)制(PFM)與脈沖寬度調(diào)制(PWM)之間的平滑、無(wú)縫轉(zhuǎn)變的控制電路208。PFM 減小控制電力電路206的有效速率從而減小切換損失，且增加輕負(fù)載下的效率。 PFM也可表示為脈沖密度調(diào)制(PDM)，因?yàn)殡娏﹄娐?06開(kāi)關(guān)(例如，功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的接通及關(guān)斷控制每時(shí)間周期許多次地發(fā)生。PFM/PDM在低需求電平下允許電力電路206的更好效率，因?yàn)槊繒r(shí)間周期的脈沖數(shù)目減小，從而減少每時(shí)間周期接通及關(guān)斷電力電路206的開(kāi)關(guān)的次數(shù)。由于電力電路206的組件(例如，開(kāi)關(guān)、FET等)為無(wú)損的， 因此每當(dāng)電力電路206中的開(kāi)關(guān)(FET)從關(guān)斷變?yōu)榻油ɑ驈慕油ㄗ優(yōu)殛P(guān)斷時(shí)，在轉(zhuǎn)變期間損失一些電力。在電力電路206開(kāi)關(guān)的PWM控制中，PWM為某一頻率下的連續(xù)多個(gè)脈沖或每時(shí)間周期的脈沖數(shù)目。通過(guò)變化所述連續(xù)多個(gè)脈沖中的每一脈沖的工作循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)電力電路206的PWM控制。通常，PWM脈沖的工作循環(huán)可從0%到小于100%的工作循環(huán)變化。 根據(jù)本發(fā)明的教示，在輕負(fù)載條件下使用PWM控制信號(hào)是浪費(fèi)且低效的，因?yàn)槭褂妹繒r(shí)間周期具有較少脈沖的PFM/PDM的電力電路控制是更好的選擇。在高端處PWM脈沖工作循環(huán)受限制，因?yàn)楸仨毥油瓣P(guān)斷電力電感器上的電壓，否則切換電力供應(yīng)源不能發(fā)揮作用。從PFM到PWM的控制轉(zhuǎn)變基于以下前提切換調(diào)節(jié)器電力轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)變點(diǎn)處以不連續(xù)傳導(dǎo)模式操作。換句話說(shuō)，電感器中所存儲(chǔ)的所有能量在每一循環(huán)傳送到系統(tǒng)負(fù)載。此前提對(duì)于恰當(dāng)設(shè)計(jì)的切換調(diào)節(jié)器電力轉(zhuǎn)換器總是有效?，F(xiàn)在參考圖3及圖4，根據(jù)本發(fā)明的教示，圖3中描繪控制電路的示意性框圖，且圖 4中描繪由圖3中所示的控制電路控制的電力切換調(diào)節(jié)器電路的示意圖。SMPS可包含電源(例如，電池)440 ；電力電感器442 ；分流開(kāi)關(guān)444，例如功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管；串聯(lián)通過(guò)開(kāi)關(guān)446，例如功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管；負(fù)載電容器456，其用于平滑來(lái)自所要直流電(DC)輸出的交流電(AC)波紋；電流感測(cè)電阻器448 ；及輸出分壓器電阻器452及454。在圖4中還指示電源共用部或接地450。當(dāng)節(jié)點(diǎn)320處的電壓反饋信號(hào)低于節(jié)點(diǎn)328處的參考電壓時(shí)，操作開(kāi)始。節(jié)點(diǎn)320 處的電壓反饋信號(hào)表示經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓的值(圖4)。當(dāng)此條件為真時(shí)，啟用操作。當(dāng)PWM 工作循環(huán)(將能量放到電感器442中的接通時(shí)間)需求小于固定或最小工作循環(huán)需求時(shí)， PFM控制操作發(fā)生。在此模式中，比維持輸出電壓調(diào)節(jié)所需要的能量更多的能量被放到電感器442中。對(duì)于輸入與輸出條件，跨越電感器442的伏-時(shí)間不平衡。因此，輸出電壓無(wú)法處于穩(wěn)定狀態(tài)條件中且處于上升轉(zhuǎn)變狀態(tài)。在PFM操作中，平均輸出由控制PFM閾值產(chǎn)生器314的滯后比較器310維持。用電流感測(cè)電阻器448來(lái)確定負(fù)載電流。參照?qǐng)D6、圖7及圖8，其描繪圖3及圖4中所示的控制電路在負(fù)載電流增加時(shí)的各種示意性PFM操作時(shí)序圖。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到轉(zhuǎn)變點(diǎn)時(shí)，PFM操作不能夠?qū)⑤敵錾叩綔蟊容^器310的低電平以上。PWM誤差產(chǎn)生器電路312比PFM閾值產(chǎn)生器電路314需要更高的工作循環(huán)，從而將誤差驅(qū)動(dòng)到零(等于參考的反饋)。PWM誤差產(chǎn)生器電路312現(xiàn)在處于電力電路206輸出調(diào)節(jié)的控制下且無(wú)縫轉(zhuǎn)變已發(fā)生。圖9描繪到PWM操作模式的無(wú)縫轉(zhuǎn)變。如果輸出電壓在負(fù)載電流高于轉(zhuǎn)變閾值的情況下達(dá)到滯后比較器310的低電平，那么PFM操作不能夠維持輸出電壓。輸出電壓將繼續(xù)減小，直到PWM誤差產(chǎn)生器電路312供應(yīng)較高工作循環(huán)，從而將誤差驅(qū)動(dòng)到零(等于參考的反饋)。圖10描繪從輕負(fù)載條件到高于轉(zhuǎn)變點(diǎn)的負(fù)載的負(fù)載步驟。經(jīng)由滯后比較器310停用轉(zhuǎn)換器，那么高于轉(zhuǎn)變點(diǎn)的負(fù)載電流將輸出減小到低于滯后比較器310的低電平。從PFM 閾值產(chǎn)生器電路314供應(yīng)最小工作循環(huán)。然而，PFM控制不能夠維持所需的輸出電壓(不足夠高的工作循環(huán))。在此情況下對(duì)于輸入與輸出條件，跨越電感器442的伏-時(shí)間不平衡。 因此，輸出無(wú)法處于穩(wěn)定狀態(tài)條件中且處于下降轉(zhuǎn)變狀態(tài)。輸出將繼續(xù)減小，直到PWM誤差產(chǎn)生器供應(yīng)較高工作循環(huán)，從而將誤差驅(qū)動(dòng)到零(等于參考的反饋)。
圖11描繪連續(xù)傳導(dǎo)模式期間的操作。在理想的轉(zhuǎn)換器中，工作循環(huán)獨(dú)立于輸出電流。PWM控制僅在連續(xù)傳導(dǎo)模式期間有效?？赏ㄟ^(guò)由PFM閾值產(chǎn)生器314產(chǎn)生的PFM閾值來(lái)確定轉(zhuǎn)變點(diǎn)?？苫谇袚Q調(diào)節(jié)器電力系統(tǒng)的輸入及輸出條件來(lái)調(diào)整所述閾值。此在所有操作條件上提供一致的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。此轉(zhuǎn)變方法獨(dú)立于負(fù)載電流轉(zhuǎn)變點(diǎn)提供最佳切換電力供應(yīng)轉(zhuǎn)換器效率。然而，轉(zhuǎn)變點(diǎn)的確影響在PFM操作期間存在的最小輸出波紋量。負(fù)載電流轉(zhuǎn)變點(diǎn)越高，輸出的波紋將越大。參照?qǐng)D5，其描繪根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)例性實(shí)施例的過(guò)程控制方法的示意性流程圖。在步驟520處，SMPS的操作開(kāi)始。在步驟522中，停用SMPS的操作。在步驟524中，作出經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓是否低于參考電壓(所要的操作輸出電壓)的確定?？墒褂冒娮杵?452及454的分壓器將經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓劃分為較低電壓反饋信號(hào)320 (見(jiàn)圖3及圖4)。如果輸出電壓不低于參考電壓，那么不需要將額外能量放置到電感器442中。然而，如果輸出電壓低于參考電壓，那么在步驟526中，經(jīng)由開(kāi)關(guān)444將額外能量放置到電感器442中。其中開(kāi)關(guān)444在步驟528中將額外能量添加到電感器442。然后在步驟530中，作出是否滿足PFM及PWM控制需求的確定。如果否，那么將更多的能量添加到電感器442。如果滿足這些需求，那么在步驟532中經(jīng)由開(kāi)關(guān)446將電感器 442中所存儲(chǔ)的能量傳送到輸出電容器456。接下來(lái)在步驟534中，檢查輸出電壓以查看其是否高于參考電壓。如果是，那么在步驟522中停用SMPS的操作且控制循環(huán)再次開(kāi)始。如果輸出電壓不高于參考電壓，那么在步驟528中將額外能量存儲(chǔ)于電感器442中。PFM與PWM控制之間的平滑轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵是基于可在SMPS的設(shè)計(jì)、測(cè)試及/或應(yīng)用期間界定的負(fù)載電流值。當(dāng)負(fù)載電流低于PFM電流閾值時(shí)，PFM控制更高效(見(jiàn)圖6、圖7 及圖8)且可在循環(huán)時(shí)間的至少一部分期間維持輸出電壓高于參考電壓。然而，一旦不能維持輸出電壓高于參考電壓(見(jiàn)圖9)，那么PWM控制必須接手。這是易于理解的，在于PFM啟用更高效(較低損失)的SMPS，因?yàn)殡娏﹂_(kāi)關(guān)不像在筆直PWM控制下的情形那樣在一時(shí)間周期中轉(zhuǎn)變?cè)S多次(較少控制脈沖)。然而，一旦反饋誤差需求要求在一時(shí)間周期中需要最大數(shù)目個(gè)PFM脈沖，那么PFM控制的效率啟用屬性結(jié)束。一旦PFM脈沖不再能夠?qū)⒈匦枘芰抗?yīng)到電感器442，那么PWM控制必須接手。PWM控制每時(shí)間周期具有相同數(shù)目個(gè)脈沖，但這些PWM脈沖中的每一者可使其工作循環(huán)(接通時(shí)間對(duì)關(guān)斷時(shí)間)在最小值0%與最大值約90%之間變化。為進(jìn)一步圖解說(shuō)明，處于其最大每時(shí)間間隔脈沖數(shù)目的PFM會(huì)將與處于相同工作循環(huán)且處于相同的每時(shí)間間隔脈沖數(shù)目的PWM信號(hào)將提供的能量相同的能量提供到電感器442。到電感器442的能量的進(jìn)一步增加將使接通脈沖寬度大于PFM脈沖寬度成為必然。此可僅通過(guò)PWM控制實(shí)現(xiàn)。通過(guò)主要地監(jiān)視負(fù)載電流且次要地監(jiān)視輸出電壓， 可針對(duì)PFM/PDM與PWM之間的切換控制斷定最佳轉(zhuǎn)變點(diǎn)。每時(shí)間間隔的脈沖數(shù)目(操作的頻率)取決于電力切換調(diào)節(jié)器(例如，電感器及電容器值)的電路設(shè)計(jì)。 參照?qǐng)D13，其描繪根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)例性實(shí)施例的模擬PFM/PWM SMPS控制器的示意圖。大體由編號(hào)1300表示的模擬PFM/PWM SMPS控制器包含電壓比較器1510、1516、 1526及1530 ；運(yùn)算放大器1512，其具有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；加法電路1532 ；AND門1528 ；OR門1518 及1522 ；RS觸發(fā)器1520 ；及驅(qū)動(dòng)器1524。振蕩器(未展示)在節(jié)點(diǎn)1509處供應(yīng)時(shí)鐘信號(hào)。比較器1510用以每當(dāng)節(jié)點(diǎn)320處的電壓反饋信號(hào)大于節(jié)點(diǎn)328處的參考電壓 Vref時(shí)在節(jié)點(diǎn)1506處產(chǎn)生啟用信號(hào)?？蓮姆浅５偷碾娏﹄妷簠⒖?未展示)供應(yīng)參考電壓Vref。運(yùn)算放大器1512為控制回路的部分，其中來(lái)自運(yùn)算放大器1512的輸出的誤差信號(hào)用以控制PFM及PWM產(chǎn)生器。此誤差信號(hào)基于電壓反饋信號(hào)與參考電壓之間的差。此特定實(shí)施例采用峰值電流模式控制。加法電路1532在節(jié)點(diǎn)1534處將傾斜補(bǔ)償斜坡加到電流感測(cè)信號(hào)，從而產(chǎn)生應(yīng)用到PWM比較器1526的正輸入的受控制數(shù)量。運(yùn)算放大器1512產(chǎn)生應(yīng)用到PWM比較器1526的負(fù)輸入的誤差信號(hào)。所述誤差信號(hào)建立作用于受控制數(shù)量的PWM需求且有效地控制PWM工作循環(huán)需求。應(yīng)用到PFM比較器1530的負(fù)輸入的PFM閾值建立PFM工作循環(huán)需求。兩個(gè)需求中的較大者控制電感器442中所存儲(chǔ)的逐循環(huán)能量。當(dāng)PFM工作循環(huán)需求較大時(shí)，對(duì)于輸入與輸出條件跨越電感器442的伏-時(shí)間不平衡。因此，輸出電壓無(wú)法處于穩(wěn)定狀態(tài)條件中且處于上升轉(zhuǎn)變狀態(tài)。在PFM操作中，平均輸出由啟用及停用PFM及PWM工作循環(huán)產(chǎn)生器的滯后比較器1510維持，從而有效地減小每時(shí)間周期的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)變數(shù)目。當(dāng)PWM工作循環(huán)需求較大時(shí)，跨越電感器442的伏-時(shí)間平衡。 因此，輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)條件中。在PWM操作中，輸出電壓由經(jīng)由誤差信號(hào)建立的PWM 工作循環(huán)需求維持。滯后比較器1510連續(xù)地啟用控制。比較器1516用于不正常操作條件下的過(guò)電流保護(hù)。參照?qǐng)D14，其描繪根據(jù)本發(fā)明的另一特定實(shí)例性實(shí)施例的模擬PFM/PWM SMPS控制器的示意圖。大體由編號(hào)1400表示的模擬PFM/PWM SMPS控制器包含電壓比較器1510、 1516、1526及1530 ；運(yùn)算放大器1512，其具有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；AND Π 1528 ；OR門1518及1522 ；RS 觸發(fā)器1520 ；及驅(qū)動(dòng)器1524。振蕩器(未展示)在節(jié)點(diǎn)1509處供應(yīng)時(shí)鐘信號(hào)。比較器1510用以每當(dāng)節(jié)點(diǎn)320處的電壓反饋信號(hào)大于節(jié)點(diǎn)328處的參考電壓 Vref時(shí)在節(jié)點(diǎn)1506處產(chǎn)生啟用信號(hào)。可從非常低的電力電壓參考(未展示)供應(yīng)參考電壓Vref。運(yùn)算放大器1512為控制回路的部分，其中來(lái)自運(yùn)算放大器1512的輸出的誤差信號(hào)用以控制PFM及PWM產(chǎn)生器。此誤差信號(hào)基于電壓反饋信號(hào)與參考電壓之間的差。圖14中所示的實(shí)施例采用電壓(或直接工作循環(huán))模式控制。節(jié)點(diǎn)1536處的固定電壓斜坡為應(yīng)用到PWM比較器1526的正輸入的受控制數(shù)量。運(yùn)算放大器1512產(chǎn)生應(yīng)用到PWM比較器1526的負(fù)輸入的誤差信號(hào)。所述誤差信號(hào)建立作用于受控制數(shù)量的PWM需求且有效地控制PWM工作循環(huán)需求。應(yīng)用到PFM比較器1530的負(fù)輸入的PFM閾值建立PFM 工作循環(huán)需求。兩個(gè)需求中的較大者控制電感器442中所存儲(chǔ)的逐循環(huán)能量。當(dāng)PFM工作循環(huán)需求較大時(shí)，對(duì)于輸入與輸出條件跨越電感器442的伏-時(shí)間不平衡。因此，輸出電壓無(wú)法處于穩(wěn)定狀態(tài)條件中且處于上升轉(zhuǎn)變狀態(tài)。在PFM操作中，平均輸出由啟用及停用PFM 及PWM工作循環(huán)產(chǎn)生器的滯后比較器1510維持，從而有效地減小每時(shí)間周期的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)變數(shù)目。當(dāng)PWM工作循環(huán)需求較大時(shí)，跨越電感器442的伏-時(shí)間平衡。因此，輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)條件中。在PWM操作中，輸出電壓由經(jīng)由誤差信號(hào)建立的PWM工作循環(huán)需求維持。滯后比較器1510連續(xù)地啟用控制。比較器1516用于不正常操作條件下的過(guò)電流保護(hù)。參照?qǐng)D15，其描繪根據(jù)本發(fā)明的又一特定實(shí)例性實(shí)施例的模擬PFM/PWM SMPS控制器的示意圖。大體由編號(hào)1500表示的模擬PFM/PWM SMPS控制器包含電壓比較器1510、 1514及1516 ；運(yùn)算放大器1512及1526，其具有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；OR門1518及1522 ；RS觸發(fā)器 1520 ；及驅(qū)動(dòng)器1524。振蕩器(未展示)在節(jié)點(diǎn)1509處供應(yīng)時(shí)鐘信號(hào)。

比較器1510用以每當(dāng)節(jié)點(diǎn)320處的電壓反饋信號(hào)大于節(jié)點(diǎn)328處的參考電壓 Vref時(shí)在節(jié)點(diǎn)1506處產(chǎn)生啟用信號(hào)?？蓮姆浅５偷碾娏﹄妷簠⒖?未展示)供應(yīng)參考電壓Vref。運(yùn)算放大器1512為控制回路的部分，其中來(lái)自運(yùn)算放大器1512的輸出的誤差信號(hào)用以控制PFM及PWM產(chǎn)生器。此誤差信號(hào)基于電壓反饋信號(hào)與參考電壓之間的差。圖15中所示的實(shí)施例采用平均電流模式控制。節(jié)點(diǎn)1508處的固定電壓斜坡為應(yīng)用到比較器1514的正輸入的受控制數(shù)量。運(yùn)算放大器1512產(chǎn)生應(yīng)用到第二運(yùn)算放大器 1526的正輸入的誤差信號(hào)。所述誤差信號(hào)建立平均電流需求。運(yùn)算放大器1526產(chǎn)生應(yīng)用到比較器1514的負(fù)輸入的誤差信號(hào)(其作用于受控制數(shù)量)，且有效地控制工作循環(huán)需求。 PFM閾值為應(yīng)用到運(yùn)算放大器1512的輸出的箝位。此建立最小平均電流需求。每當(dāng)箝位作用時(shí)，PFM操作將被調(diào)用。對(duì)于輸入與輸出條件，跨越電感器442的伏-時(shí)間不平衡。因此，輸出電壓無(wú)法處于穩(wěn)定狀態(tài)條件中且處于上升轉(zhuǎn)變狀態(tài)。在PFM操作中，平均輸出由啟用及停用PFM及PWM工作循環(huán)產(chǎn)生器的滯后比較器1510維持，從而有效地減小每時(shí)間周期的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)變數(shù)目。每當(dāng)運(yùn)算放大器1512產(chǎn)生大于PFM閾值的誤差信號(hào)時(shí)，PWM操作將被調(diào)用。跨越電感器442的伏-時(shí)間平衡。因此，輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)條件中。在PWM操作中，輸出電壓由經(jīng)由誤差信號(hào)建立的PWM工作循環(huán)需求維持。滯后比較器1510連續(xù)地啟用控制。比較器1516用于不正常操作條件下的過(guò)電流保護(hù)。參照?qǐng)D16，其描繪根據(jù)本發(fā)明的再一特定實(shí)例性實(shí)施例使用混合信號(hào)集成電路裝置的數(shù)字/經(jīng)編程PFM/PWM SMPS控制器的示意圖?；旌闲盘?hào)集成電路裝置1650包含模擬多路復(fù)用器1652 ；模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 1654、存儲(chǔ)器1656、處理器1658、脈沖產(chǎn)生器1660，其用于產(chǎn)生脈沖頻率調(diào)制(PFM)或脈沖寬度調(diào)制(PWM)；電壓參考1666 ；及時(shí)鐘振蕩器1668。多路復(fù)用器1652用以選擇用于耦合到ADC 1654的各種模擬信號(hào)。ADC 1654將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字表示且將數(shù)字表示發(fā)送到處理器1658。處理器由存儲(chǔ)器1656中所存儲(chǔ)的軟件程序控制。存儲(chǔ)器1656可為易失性及/或非易失性存儲(chǔ)器。模擬信號(hào)可為 (舉例來(lái)說(shuō)但不限于)節(jié)點(diǎn)320處的電壓反饋信號(hào)、節(jié)點(diǎn)324處的電流感測(cè)信號(hào)、節(jié)點(diǎn)326 處的前饋信號(hào)及節(jié)點(diǎn)328處的參考電壓。根據(jù)本發(fā)明的教示，脈沖產(chǎn)生器1660可包含由處理器選擇并控制的單獨(dú)PFM及 PWM產(chǎn)生器，或脈沖產(chǎn)生器1660可包含PWM產(chǎn)生器及脈沖吞除電路，使得PWM產(chǎn)生的脈沖可被轉(zhuǎn)換為PFM或脈沖密度調(diào)制(PDM)控制信號(hào)。來(lái)自脈沖產(chǎn)生器1660的輸出在節(jié)點(diǎn)322 處應(yīng)用其脈沖序列輸出，其可經(jīng)由驅(qū)動(dòng)器1524耦合到電力開(kāi)關(guān)444及446?？筛鶕?jù)本發(fā)明的教示編程混合信號(hào)集成電路裝置1650的操作。雖然已參照本發(fā)明的實(shí)例性實(shí)施例來(lái)描繪、說(shuō)明及界定發(fā)明的實(shí)施例，但此類參考并不意味著限制本發(fā)明，且不應(yīng)推斷出存在此限制。所揭示的標(biāo)的物能夠在形式及功能上具有大量修改、替代及等效形式，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明將會(huì)聯(lián)想到所述修改、 替代及等效形式并受益于本發(fā)明。所描繪及所描述的本發(fā)明實(shí)施例僅作為實(shí)例，而并非是對(duì)本發(fā) 明的范圍的窮盡性說(shuō)明。
權(quán)利要求
1.一種使用脈沖頻率調(diào)制PFM控制或脈沖寬度調(diào)制PWM控制的開(kāi)關(guān)模式電力供應(yīng)源 SMPS，所述SMPS包含開(kāi)關(guān)模式電力供應(yīng)源SMPS轉(zhuǎn)換器；及負(fù)載確定電路，其用于檢測(cè)負(fù)載電流何時(shí)達(dá)到轉(zhuǎn)變電流值，其中如果所述負(fù)載電流小于所述轉(zhuǎn)變電流值，那么脈沖頻率調(diào)制PFM信號(hào)控制所述SMPS轉(zhuǎn)換器，且如果所述負(fù)載電流等于或大于所述轉(zhuǎn)變電流值，那么脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)控制所述 SMPS轉(zhuǎn)換器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SMPS，其中所述SMPS轉(zhuǎn)換器選自由降壓、升壓、降壓_升壓及回掃轉(zhuǎn)換器組成的群組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SMPS，其中所述SMPS轉(zhuǎn)換器使用功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為電力開(kāi)關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SMPS，其中所述負(fù)載確定電路包含負(fù)載電流感測(cè)元件，其用于將所述負(fù)載電流轉(zhuǎn)換成表示所述負(fù)載電流的電壓；及電流感測(cè)電壓比較器，其將表示所述負(fù)載電流的所述電壓與參考電流限制電壓進(jìn)行比較，其中如果表示所述負(fù)載電流的所述電壓小于所述參考電流限制電壓，那么所述電流感測(cè)電壓比較器的輸出處于第一邏輯電平，且如果表示所述負(fù)載電流的所述電壓等于或大于所述參考電流限制電壓，那么所述電流感測(cè)電壓比較器的所述輸出處于第二邏輯電平。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的SMPS，其中當(dāng)所述電流感測(cè)電壓比較器的所述輸出處于所述第一邏輯電平時(shí)，所述PFM信號(hào)控制所述SMPS轉(zhuǎn)換器，且當(dāng)所述電流感測(cè)電壓比較器的所述輸出處于所述第二邏輯電平時(shí)，所述PWM信號(hào)控制所述SMPS轉(zhuǎn)換器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SMPS，其中所述PFM信號(hào)由PFM產(chǎn)生器產(chǎn)生且所述PWM信號(hào)由PWM產(chǎn)生器產(chǎn)生，借此所述SMPS轉(zhuǎn)換器在所述負(fù)載電流小于所述轉(zhuǎn)變電流值時(shí)耦合到所述PFM產(chǎn)生器且在所述負(fù)載電流等于或大于所述轉(zhuǎn)變電流值時(shí)耦合到所述PWM產(chǎn)生器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SMPS，其中所述PFM信號(hào)由PWM產(chǎn)生器及脈沖吞除電路產(chǎn)生且所述PWM信號(hào)由所述PWM產(chǎn)生器產(chǎn)生，借此由所述脈沖吞除電路在一時(shí)間周期期間移除來(lái)自所述PWM產(chǎn)生器的脈沖流的至少一個(gè)脈沖。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SMPS，其中負(fù)載電壓耦合到運(yùn)算放大器的第一輸入且參考電壓耦合到所述運(yùn)算放大器的第二輸入，其中所述運(yùn)算放大器的輸出控制所述PFM產(chǎn)生器或所述PWM產(chǎn)生器以便維持所述負(fù)載電壓的值為大致所述參考電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SMPS，其中將PFM工作循環(huán)需求與PWM工作循環(huán)需求進(jìn)行比較；借此當(dāng)所述PFM工作循環(huán)需求大于所述PWM工作循環(huán)需求時(shí)，所述PFM信號(hào)控制所述SMPS 轉(zhuǎn)換器，且當(dāng)所述PWM工作循環(huán)需求大于所述PFM工作循環(huán)需求時(shí)，所述PWM信號(hào)控制所述SMPS 轉(zhuǎn)換器。
10.一種用于使用脈沖頻率調(diào)制PFM控制或脈沖寬度調(diào)制PWM控制來(lái)控制開(kāi)關(guān)模式電力供應(yīng)源SMPS的方法，所述方法包含以下步驟確定開(kāi)關(guān)模式電力供應(yīng)源SMPS轉(zhuǎn)換器的負(fù)載電流； 將所述負(fù)載電流與轉(zhuǎn)變電流值進(jìn)行比較；當(dāng)所述負(fù)載電流小于所述轉(zhuǎn)變電流值時(shí)，用脈沖頻率調(diào)制PFM信號(hào)來(lái)控制所述SMPS轉(zhuǎn)換器；及當(dāng)所述負(fù)載電流等于或大于所述轉(zhuǎn)變電流值時(shí)，用脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)來(lái)控制所述 SMPS轉(zhuǎn)換器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中從由降壓、升壓、降壓-升壓及回掃轉(zhuǎn)換器組成的群組中選擇所述SMPS轉(zhuǎn)換器。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述確定所述負(fù)載電流的步驟包含以下步驟 將所述負(fù)載電流轉(zhuǎn)換成表示所述負(fù)載電流的電壓；及用電壓比較器將表示所述負(fù)載電流的所述電壓與參考電流限制電壓進(jìn)行比較，其中如果表示所述負(fù)載電流的所述電壓小于所述參考電流限制電壓，那么從所述電壓比較器輸出第一邏輯電平，且如果表示所述負(fù)載電流的所述電壓等于或大于所述參考電流限制電壓，那么從所述電壓比較器輸出第二邏輯電平。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中當(dāng)所述電壓比較器的所述輸出處于所述第一邏輯電平時(shí)，所述PFM信號(hào)控制所述SMPS 轉(zhuǎn)換器，且當(dāng)所述電壓比較器的所述輸出處于所述第二邏輯電平時(shí)，所述PWM信號(hào)控制所述SMPS 轉(zhuǎn)換器。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其進(jìn)一步包含以下步驟 將PFM工作循環(huán)需求與PWM工作循環(huán)需求進(jìn)行比較；當(dāng)所述PFM工作循環(huán)需求大于所述PWM工作循環(huán)需求時(shí)，用所述PFM信號(hào)控制所述 SMPS轉(zhuǎn)換器，及當(dāng)所述PWM工作循環(huán)需求大于所述PFM工作循環(huán)需求時(shí)，用所述PWM信號(hào)控制所述 SMPS轉(zhuǎn)換器。
15.一種用于使用脈沖頻率調(diào)制PFM控制或脈沖寬度調(diào)制PWM控制來(lái)控制開(kāi)關(guān)模式電力供應(yīng)源SMPS的方法，所述方法包含以下步驟a)停用開(kāi)關(guān)模式電力供應(yīng)源SMPS轉(zhuǎn)換器的操作；b)確定來(lái)自所述SMPS轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是否低于參考電壓，其中 bl)如果所述輸出電壓不低于所述參考電壓，那么返回到步驟a)，且b2)如果所述輸出電壓低于所述參考電壓，那么啟用所述SMPS轉(zhuǎn)換器的操作；c)將能量存儲(chǔ)于電感器中；d)確定是否滿足控制需求，其中dl)如果不滿足所述控制需求，那么返回到步驟c)，且d2)如果滿足所述控制需求，那么將所述電感器中所存儲(chǔ)的所述能量傳送到輸出電容器；e)確定來(lái)自所述SMPS轉(zhuǎn)換器的所述輸出電壓是否低于所述參考電壓，其中el)如果所述輸出電壓不低于所述參考電壓，那么返回到步驟a)，且 e2)如果所述輸出電壓低于所述參考電壓，那么返回到步驟c。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述控制需求為脈沖頻率調(diào)制PFM需求。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述控制需求為脈沖寬度調(diào)制PWM需求。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述控制需求依據(jù)正由所述SMPS供應(yīng)的電流而在脈沖頻率調(diào)制PFM需求與脈沖寬度調(diào)制PWM需求之間改變。
全文摘要
一種開(kāi)關(guān)模式電力供應(yīng)源SMPS已通過(guò)依據(jù)負(fù)載電流在脈沖頻率調(diào)制PFM與脈沖寬度調(diào)制PWM之間轉(zhuǎn)變以控制所述SMPS而在從無(wú)負(fù)載到全負(fù)載的整個(gè)操作范圍上優(yōu)化效率。PFM與PWM操作模式之間的準(zhǔn)確、平滑且無(wú)縫轉(zhuǎn)變?cè)陬A(yù)設(shè)的負(fù)載電流下發(fā)生。PFM操作改善輕負(fù)載條件期間的效率，且PWM在較高負(fù)載電流下具有更好的效率。此在電池供電的應(yīng)用中是有利的，且從而致使在較長(zhǎng)時(shí)間之后才有必要進(jìn)行電池更換或再充電。
文檔編號(hào)H02M3/158GK102449894SQ201080016834
公開(kāi)日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2010年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日
發(fā)明者斯科特·C·迪爾伯恩 申請(qǐng)人:密克羅奇普技術(shù)公司