[發明專利]恒定導通時間的開關調節器實現輕負載控制

有效

• 申請號: 201210163129.5
• 申請日: 2012-05-22
• 公開（公告）號: CN102801315A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發明（設計）人: 張之也
• 申請（專利權）人: 萬國半導體股份有限公司
• 主分類號: H02M3/156
• 分類號: H02M3/156
• 代理公司: 上海申新律師事務所 31272
• 代理人: 竺路玲

技術領域

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，并引入控制體系，提高輕負載效率，增強瞬態響應。

背景技術

本申請為于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于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。反饋控制電路用于管理能量轉移，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。開關周期性地開啟，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于同步控制器件。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-斷開控制循環的開關頻率（脈沉頻率調制）或脈沉寬度（脈沉寬度調制）。可以利用許多不同的控制體系控制主電源開關的工作循環（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。

圖1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和二極管D1在輸入電壓V_IN（節點12）和接地電壓之間并聯。電壓開關M1用于將輸入電壓V_IN周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C_OUT以及負載18上，保持了非常恒定的輸出電壓V_OUT。

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，之后開關M1斷開。反饋回路控制輸出電壓V_OUT（節點16）。更確切地說，輸出電壓V_OUT作為反饋電壓V_FB反饋至調節器控制電路20。在電壓比較器22中，將反饋電壓V_FB與參考電壓V_REF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后，當輸出電壓V_OUT降至參考電壓V_REF之下時，與門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管上的功率損耗的影響。當電流在二極管正向偏置時流經二極管，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。

為了使低端二極管上的功率損耗最小，有些開關調節器使用低端開關代替二極管，實現了所謂的“同步整流”。圖2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。低端二極管被低端電源開關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，由于負電流從電感器L1流入低端電源開關M2，因此輕負載的效率很低。