專利名稱：開關(guān)電源的控制方法及采用該控制方法的產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于手機和個人數(shù)字助理(PDA)等移動電子裝置中控制電池供電的開關(guān)電源的控制方法，以及采用該控制方法制造的產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
伴隨手機以及個人數(shù)字助理(PDA)的迅速普及，盡可能延長類似移動電子設(shè)備中電池使用壽命已經(jīng)成為廣大消費者的迫切需要。延長電池使用壽命有兩個著眼點，一是提高電池的蓄電容量，二是節(jié)省用電，提高電能的使用效率，在這里，我們僅探討第二個著眼點的問題。
無論是手機還是個人數(shù)字助理(PDA)，除關(guān)機停止使用外，都有兩種不同的用電狀態(tài)一是正常使用，如手機通話、發(fā)送短消息等狀態(tài)，此時功率負載最大，我們稱為重載條件；另一種則是處在待機狀態(tài)，此時功率負載較輕，我們稱為輕載條件。對普通用戶而言，輕載條件狀態(tài)的持續(xù)時間遠遠超過重載條件狀態(tài)的持續(xù)時間，因此如果希望提高電能使用效率，延長電池使用壽命，提高重載條件下的電能使用效率與提高輕載條件下的電能使用效率同等重要。
開關(guān)電源具有效率高，重量輕等特點，已廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中的供電控制。作為公知技術(shù)，開關(guān)電源通常由開關(guān)元件(如功率場效應(yīng)管，二極管等)，電感和電容回路以及控制電路組成?？刂齐娐樊a(chǎn)生一系列開關(guān)脈沖去控制開關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)閉，從而產(chǎn)生脈沖電流。電感、電容回路起低通濾波器作用，把脈沖電流轉(zhuǎn)換為負載所需的直流電流?？刂齐娐吠ǔ２捎霉潭ㄩ_關(guān)頻率，改變脈沖寬度的方法，亦即脈沖寬度調(diào)制法(PWM)。圖1顯示了在公知的PWM開關(guān)電源電路中的門極脈沖和電感電流的波形。由圖1可以看出，PWM開關(guān)電源總是工作在同樣的開關(guān)頻率下，重載條件與輕載條件的區(qū)別僅在于脈沖寬度不同，重載條件下，脈沖較寬，因而感應(yīng)電流幅度較大；而輕載條件下，脈沖較窄，感應(yīng)電流幅度較小。
在PWM開關(guān)電源中，重載條件下的用電效率很高，但輕載條件下的用電效率很低。原因在于開關(guān)電源有兩類功率損耗導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗主要由負載電流的大小決定，而開關(guān)損耗則正比于開關(guān)次數(shù)，開關(guān)次數(shù)越少，則開關(guān)損耗越低。由前所述，在輕載條件下，脈沖較窄，因而感應(yīng)電流幅度很小，導(dǎo)通損耗不大，然而，脈沖頻率卻與重載條件下完全相同，所以開關(guān)損耗也與重載條件下相等，這是PWM開關(guān)電源的不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是在開關(guān)電源中，減少輕載條件下的開關(guān)脈沖次數(shù)，從而降低開關(guān)損耗，提高輕載條件下的電能轉(zhuǎn)換效率，達到延長電池使用壽命的目的。
為解決上述問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種開關(guān)電源，包括一功率開關(guān)電路，該開關(guān)電路包括至少二個開關(guān)元件，一個電感，一個輸出電容，一個輸出電路，一控制電路，該控制電路至少有兩路控制回路第一回路根據(jù)輸出電壓反饋來實現(xiàn)輸出電壓調(diào)整。第二回路根據(jù)負載輕重調(diào)制開關(guān)次數(shù)以達到提高輕載效率的效果。
根據(jù)第二控制回路開關(guān)次數(shù)調(diào)制方法不同，可具體分作以下兩種不同的控制方法，并采用這兩種控制方法制造產(chǎn)品。
第一種控制方法，即脈沖跳躍法(Pulse Skipping)在重載條件下，仍然采用固定開關(guān)頻率的PWM法，但在輕載條件下，采用脈沖間歇停止法，即間歇性地停止開關(guān)電路的開關(guān)動作，從而達到減少開關(guān)次數(shù)的目的。
按照這種控制方法制造的產(chǎn)品是一種開關(guān)電源，包括一功率開關(guān)電路，該開關(guān)電路包括至少二個開關(guān)元件，一個電感，一個輸入電容，一個輸出電容；一控制電路，該控制電路至少有兩路控制回路第一控制回路，采用公知的電壓模式控制或電流模式控制，根據(jù)輸出電壓反饋實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)整；第二控制回路，通過直接或間接檢測負載電流，在輕載狀況下，間歇式的停止開關(guān)電路的開關(guān)動作，從而實現(xiàn)減少開關(guān)次數(shù)的目的。
圖2A、2B顯示采用該技術(shù)方案的開關(guān)電源在重載條件下和輕載條件下的門極脈沖和電感電流的波形圖。比較圖1和圖2A、2B，不難看出，在重載條件下，兩者的門極脈沖和電感電流波形完全一致。然而在輕載條件下，與公知的開關(guān)電源相比，采用該技術(shù)方案后，開關(guān)脈沖被間歇式的停止，從而減少了脈沖開關(guān)次數(shù)。
第二種控制方法，即脈沖頻率調(diào)制法在重載條件下，仍然采用PWM法，但在輕載條件下，利用一個脈沖頻率調(diào)制器去調(diào)制原電路中的脈沖頻率，使其頻率降低，從而也就減少了開關(guān)次數(shù)。
按照這種控制方法制造的開關(guān)電源，包括一功率開關(guān)電路，該開關(guān)電路包括至少二個開關(guān)元件，一個電感，一個輸入電容，一個輸出電容；一控制電路，該控制電路至少有兩路控制回路第一回路，根據(jù)輸出電壓反饋，采用公知的電壓模式控制或電流模式控制，實現(xiàn)輸出電壓調(diào)整；第二回路，通過直接或間接檢測負載電流，在輕載狀況下，降低門極脈沖的頻率，從而實現(xiàn)減少開關(guān)次數(shù)的目的。
圖3A、3B顯示采用該技術(shù)方案的開關(guān)電源在重載條件下和輕載條件下門極脈沖和電感電流的波形圖。比較圖1和圖3A、3B，不難看出，在重載條件下，兩者的門極脈沖和電感電流波形完全一致，然而在輕載條件下，與公知的開關(guān)電源相比，采用該技術(shù)方案后，門極脈沖的頻率明顯降低，也即減少了脈沖開關(guān)次數(shù)。
上述兩種控制方法，適用于所有開關(guān)電源，包括隔離式，非隔離式，BUCK，BOOST，BUCK-BOOST，F(xiàn)LYBACK，F(xiàn)ORWARD，CUK，SEPIC等電路，以及各種不同控制方法，包括但不局限于電壓模式控制和電流模式控制。
以上兩種控制方法以及采用這兩種控制方法制造的開關(guān)電源，均可實現(xiàn)在輕載條件下，減少脈沖開關(guān)次數(shù)的目的，從而達到降低開關(guān)損耗，提高開關(guān)電源電能使用效率的目的，使其滿足手機和個人數(shù)字助理用戶希望延長電池壽命的需要。


圖1為公知PWM開關(guān)電源及其重載條件下和輕載條件下門極脈沖和電感電流波形圖。
圖2A為采用第一種技術(shù)方案的開關(guān)電源的示意圖。
圖2B為采用第一種控制方法的開關(guān)電源及其在重載條件下和輕載條件下的門極脈沖和電感電流的波形圖。
圖3A為采用第二種技術(shù)方案的開關(guān)電源的示意圖。
圖3B為采用第二種控制方法的開關(guān)電源及其在重載條件下和輕載下門極脈沖和電感電流的波形圖。
圖4A為采用第一種控制方法第一個實施例的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖4B為第一種控制方法第一個實施例輕載條件下門極脈沖、輸出電壓、鎖存器輸出電平、檢測電流的波形5A為采用第一種控制方法第二個實施例的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖5B為第一種控制方法第二個實施例輕載條件下門極脈沖、輸出電壓、鎖存器輸出電平、誤差信號放大器輸出電壓、電感電流的波形圖。
圖6為采用第一種控制方法第三個實施例的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖7為采用第一種控制方法第四個實施例的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖8A為采用第一種控制方法第五個實施例的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖8B為第一種控制方法第五個實施例輕載條件下的門極脈沖、鎖存器輸出電平、誤差放大器輸出電壓、電感電流的波形圖。
圖9A為采用第二種控制方法第一個實施例的電路結(jié)構(gòu)。
圖9B為第二種控制方法第一個實施例中重載條件下和輕載條件下的時鐘信號、鋸齒波信號、門極脈沖、誤差放大器、輸出電壓、電感電流波形圖。
圖9C表示第二種控制方法第一個實施例，鋸齒波發(fā)生器的振蕩頻率FOSC與脈沖頻率調(diào)制器輸出電壓FC的變化關(guān)系以及振蕩器內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)。
圖10為采用第二種控制方法的第二個實施例的電路結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
下面總共用七個實施例來描述本發(fā)明的具體內(nèi)容，實施例均采用BUCK電路拓樸，但適用其他所有拓樸。
圖4A顯示采用第一種控制方法的第一個實施例的電路結(jié)構(gòu)，圖4B則為該實施例輕載條件下的主要工作波形。由圖可知，該開關(guān)電源由功率開關(guān)電路10和控制電路20組成。在功率開關(guān)電路中，功率開關(guān)管S漏極與VIN電耦接，源極與二極管D陰極和電感L一端電耦接，電容COUT與電感L和二極管D陰極電耦接，VOUT即為輸出電壓；S管控制極與控制電路中的門閥驅(qū)動器的輸出端電耦接；控制電路20有兩路控制回路，第一控制回路根據(jù)輸出電壓的反饋來實現(xiàn)調(diào)整輸出電壓的效果，第二控制回路根據(jù)負載來調(diào)制開關(guān)次數(shù)以達到提高輕載效率的目的。第一控制回路包括電壓型誤差放大器(E/A)201，脈沖比較器(PWM Comparator)202，鋸齒波發(fā)生器(OSC)203，鎖存器(Latch)204，門閥驅(qū)動器(Gate driver)205，這些都與公知PWM開關(guān)電源相同；第二控制電路包括關(guān)閉比較器(Switching-offcomparator)206，啟動比較器(Switching on comparator)207，鎖存器208，與門電路209；在該電路中，信號的傳遞過程是設(shè)定該開關(guān)電源已開始工作，能量從VIN經(jīng)開關(guān)管S再經(jīng)電感L，電容COUT組成的低通濾波器傳送至VOUT，VOUT以及基準電壓VBEFI分別輸入至誤差放大器201的反相端和同相端，放大后的誤差信號送入脈沖比較器202反相端，鋸齒波發(fā)生器203輸出的鋸齒波信號(RAMP)送入脈沖比較器202的同相端，比較放大后的信號輸入至鎖存器204的R端，在公知技術(shù)中，鋸齒波發(fā)生器203輸出的時鐘信號(CLK)直接輸入至鎖存器204的S端，假設(shè)R端電壓為低值，則時鐘信號將觸發(fā)鎖存器Q端輸出的門極電壓升高，經(jīng)門閥驅(qū)動器放大后，開通功率開關(guān)管S，而當脈沖比較器202的輸出電壓升高時，又觸發(fā)門極信號變低，關(guān)閉開關(guān)管S，無論重載還是輕載，門極脈沖頻率都與鋸齒波信號頻率相同。然而在本實施例電路中，時鐘信號經(jīng)過與門電路209后才能進入鎖存器204，與門電路的另一端則是鎖存器208的輸出電壓，只有當此電壓處于高位時，與門電路209才允許時鐘信號輸出；在重載條件下，關(guān)閉比較器206反相端的電壓高于同相端的門檻電壓VREF2，從而鎖存器208輸出電壓高，確保時鐘信號經(jīng)與門電路209觸發(fā)門極信號，使開關(guān)電源工作在正常PWM模式下；然而在輕載條件下，關(guān)閉比較器206反相端的輸入電壓低于其門檻電壓VREF2，其輸出電壓處于低位，從而使鎖存器208輸出電壓處于低位，與門電路209關(guān)閉，從而丟失時鐘信號，也丟失了鎖存器204輸出的門極脈沖，這個丟失門極脈沖的周期一直要持續(xù)到VOUT降低到低于啟動比較器207的門檻電壓VREF3時，啟動比較器207輸出電壓突變，觸發(fā)鎖存器208輸出電壓升高，重新打開與門電路209，由時鐘信號觸發(fā)鎖存器204產(chǎn)生門極脈沖。由此實現(xiàn)了在輕載條件下的間歇式脈沖停止。本實施例中，第一控制回路采用公知的電壓控制模式，誤差放大器采用電壓型放大器，但也可采用跨導(dǎo)型(gm)放大器。
圖5A顯示采用第一種控制方法的第二個實施例，圖5B顯示其主要的工作波形。與圖4A相比，不同之處是關(guān)閉比較器206反相端不是直接檢測電感電流或開關(guān)管電流或二極管電流，而是檢測誤差放大器201的輸出電壓EAO。這是因為，在輕載條件下，EAO信號正比于負載電流。圖5A中的誤差放大器201仍為電壓型放大器，但也可采用跨導(dǎo)型(gm)放大器，輕載條件下，仍采用脈沖間歇停止法。
圖6顯示采用第一種控制方法的第三個實施例。與圖4A相比，不同之處僅在于第一控制回路采用公知的電流控制模式，誤差放大器201采用跨導(dǎo)型(gm)放大器，可簡化回路補償，但也可采用電壓型放大器。在輕載條件下，采用脈沖間歇停止法，并直接檢測電感電流或開關(guān)管電流或二極管電流以達到檢測負載電流的目的。
圖7顯示采用第一種控制方法的第四個實施例。與圖5A相比，不同之處為第一控制回路采用公知的電流控制模式，誤差放大器201采用跨導(dǎo)型(gm)放大器。在輕載條件下，采用脈沖間歇停止法，并通過檢測誤差放大器輸出電壓來測得輕載電流。
圖8A顯示采用第一種控制方法的第五個實施例，圖8B顯示其主要的工作波形。與前四個實施例相比，不同點在啟動比較器207檢測和比較的是誤差放大器輸出電壓EAO，而不是VOUT，誤差放大器201，既適用于電壓型放大器，也適用于跨導(dǎo)型gm放大器。
圖9A顯示采用第二種技術(shù)的第一個實施例的電路結(jié)構(gòu)，圖9B顯示其主要的工作波形。與公知的PWM開關(guān)電源相比，該實施例的特征在于其控制至少有兩路控制回路，第一回路根據(jù)輸出電壓反饋來調(diào)整輸出電壓的效果，第二回路根據(jù)負載大小調(diào)制開關(guān)次數(shù)以達到提高效率的結(jié)果。第一控制回路與公知的PWM開關(guān)電源一樣，第二控制電路包括一脈沖頻率調(diào)制器(PFM AMP)210，其反相端與誤差放大器201的輸出端EA0電耦接，同相端輸入一比較電壓VPFM，輸出端FC與鋸齒波發(fā)生器203的輸出端電耦接。在重載條件下，電感電流較大，EA0電壓較高，大于脈沖頻率調(diào)制器的門檻電壓VPFM，PFM放大器輸出電壓為0，因而調(diào)壓器工作在正常的PWM模式。然而在輕載條件下，電感電流減小，EA0電壓低于VPFM時，PFM放大器輸出電壓FC大于零，此時鋸齒波發(fā)生器203的振蕩頻率FOSC隨著FC電壓的升高而降低，從而減少了門極脈沖的次數(shù)。圖9C顯示振蕩頻率FOSC受FC電壓控制的關(guān)系曲線，以及鋸齒波發(fā)生器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在普通振蕩器的基礎(chǔ)上，加入了受FC電壓控制的電流源，電流源電流大小正比于FC電壓。此電路也可由別的方法實現(xiàn)。在此實施例中，第一控制回路采用公知電壓控制模式，誤差放大器采用電壓式放大器，但也可采用跨導(dǎo)型放大器(gm)，輕載條件下采用脈沖頻率調(diào)制法(PFM)。
圖10顯示采用第二種控制方法的第二個實施例。與圖9A相比，不同點僅在于第一控制回路采用公知的電流控制模式，誤差放大器201采用跨導(dǎo)型放大器(gm)，但也可采用電壓式放大器。輕載條件下，仍采用脈沖頻率調(diào)制法。
另外，當開關(guān)電源采用第一種控制方法，亦即采用脈沖跳躍法時，在以上所舉五個具體實施例，并包括更為一般的其他電路結(jié)構(gòu)中，為進一步提高輕載效率，減少靜態(tài)工作電流，在脈沖跳躍的持續(xù)周期內(nèi)，只要保持啟動比較器(switching-on)處于工作狀態(tài)，其余不用的控制電路可以被關(guān)掉，這包括鋸齒波發(fā)生器OSC、脈沖比較器以及關(guān)閉比較器等。
根據(jù)本發(fā)明公開的兩種控制方法制造的開關(guān)電源，其具體電路結(jié)構(gòu)的任何變化及改進，都將落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)電源的控制方法，在重載條件下，采用固定開關(guān)頻率，改變脈沖寬度的方法，其特征在于在輕載條件下，采用脈沖跳躍法，在正常開關(guān)脈沖中間跳過一些開關(guān)周期。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法制造的開關(guān)電源，包括一功率開關(guān)電路，所述電路包括至少兩個開關(guān)元件，一個電感及輸入輸出電容器，該開關(guān)電路連接于輸入電源與輸出負載之間；一控制電路，擁有至少兩種控制回路，即第一回路和第二回路，其中第一回路調(diào)制開關(guān)工作動作，以達到調(diào)制輸出電壓的效果，第二回路調(diào)制在不同負載下開關(guān)次數(shù)以達到提供效率的結(jié)果。
3.如權(quán)利要求2所述的開關(guān)電源，其特征在于第二控制回路通過直接或間接檢測負載電流，在輕載狀況下間歇式地停止開關(guān)電路的開關(guān)動作。
4.如權(quán)利要求3所述的開關(guān)電源，其特征在于第一控制回路包括一誤差放大器，一脈沖比較器，一鋸齒波或三角波發(fā)生器，一鎖存器，一門閥驅(qū)動器；第二控制回路包括一關(guān)閉比較器，一啟動比較器，一鎖存器，以及一個門電路。
5.如權(quán)利要求4所述的開關(guān)電源，其特征在于開關(guān)電路輸出信號與一比較電壓分別輸送至誤差信號放大器的反相端和同相端，放大后的誤差信號輸至脈沖比較器反相端，鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波信號輸至脈沖比較器同相端，脈沖比較器的輸出信號輸至第一鎖存器的R端；取輸出信號成分分別輸至關(guān)閉比較器和啟動比較器的反相端，關(guān)閉比較器和啟動比較器同相端分別輸入不同的比較電壓，兩個比較器的輸出信號送入第二鎖存器的兩個輸入端，第二鎖存器的輸出信號以及鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的時鐘信號分別輸至與門電路的兩個輸入端，與門電路的輸出信號輸至第一鎖存器的S端，第一鎖存器輸出信號送至門閥驅(qū)動器輸入端，門閥驅(qū)動器輸出信號送至功率開關(guān)元件的控制端，用以控制開關(guān)元件的開通與關(guān)閉。
6.如權(quán)利要求5所述開關(guān)電源，其特征在于啟動比較器反相端與輸出電壓反饋電耦接，關(guān)閉比較器反相端與功率開關(guān)電路中的檢測電流電耦接。
7.如權(quán)利要求5所述開關(guān)電源，其特征在于關(guān)閉比較器反相端與誤差放大器輸出端電耦接，啟動比較器反相端與輸出電壓反饋電耦接。
8.如權(quán)利要求5所述開關(guān)電源，其特征在于關(guān)閉比較器反相端與啟動比較器同相端同時與誤差放大器輸出端電耦接。
9.如權(quán)利要求2～8所述的開關(guān)電源，其特征在于在脈沖停止周期內(nèi)，除繼續(xù)保持啟動比較器正常工作外，其他不用的控制電路單元關(guān)閉電源，暫停工作。
10.一種開關(guān)電源的控制方法，在重載條件下，采用固定開關(guān)頻率，改變脈沖寬度的方法，其特征在于在輕載條件下，采用脈沖頻率調(diào)制方法，根據(jù)負載大小降低開關(guān)頻率。
11.一種根據(jù)權(quán)利要求10所述的控制方法制造的開關(guān)電源，包括一功率開關(guān)電路，所述電路包括至少兩個開關(guān)元件，一個電感及輸入輸出電容器，該開關(guān)電路連接于輸入電源與輸出負載之間；一控制電路，擁有至少兩種控制回路，即第一回路和第二回路，其中第一回路調(diào)制開關(guān)工作動作，以達到調(diào)制輸出電壓的效果，第二回路調(diào)制在不同負載下開關(guān)次數(shù)以達到提供效率的結(jié)果，其中，第二控制回路通過直接或間接檢測負載電流，在輕載狀況下，降低開關(guān)電路的開關(guān)頻率。
12.如權(quán)利要求11所述開關(guān)電源，其特征在于第一控制回路，包括一誤差放大器，一脈沖比較器，一鋸齒波或三角波發(fā)生器，一鎖存器，一門閥驅(qū)動器；第二控制回路包括一脈沖頻率調(diào)制器。
13.如權(quán)利要求12所述開關(guān)電源，其特征在于開關(guān)電路輸出信號與一比較電壓分別輸送至誤差信號放大器的反相端與同相端，放大后的誤差信號輸至脈沖比較器的反相端，鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波信號輸至脈沖比較器同相端，脈沖比較器的輸出信號輸至鎖存器的R端；誤差信號放大器的輸出信號同時輸至脈沖頻率調(diào)制器反相端，脈沖頻率調(diào)制器同相端輸入一比較電壓，其輸出信號輸至鋸齒波發(fā)生器，而鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的時鐘信號輸至鎖存器的S極，觸發(fā)鎖存器產(chǎn)生門極脈沖，經(jīng)門閥驅(qū)動器放大后控制功率開關(guān)元件的開通與關(guān)閉。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于手機和個人數(shù)字助理(PDA)等移動電子裝置中控制電池供電的開關(guān)電源的控制方法以及采用該控制方法的產(chǎn)品。為達到在輕載條件下，減少脈沖開關(guān)次數(shù)，降低開關(guān)損耗，提高用電效率的目的，本發(fā)明公開了脈沖跳躍法(Pulse Skipping)和脈沖頻率調(diào)制法(PFW)。在脈沖跳躍法中，在輕載條件下，間歇性地停止開關(guān)電路的開關(guān)動作，實現(xiàn)減少脈沖開關(guān)次數(shù)的目的；在脈沖頻率調(diào)制法中，采用脈沖頻率調(diào)制器，降低輕載條件下的振蕩頻率，實現(xiàn)減少脈沖開關(guān)次數(shù)的目的。
文檔編號H02J7/00GK1855680SQ200510068979
公開日2006年11月1日 申請日期2005年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月26日
發(fā)明者徐鵬 申請人:美國芯源系統(tǒng)股份有限公司