[發(fā)明專利]一種切換式調(diào)整器及其控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210448519.7
• 申請日: 2012-11-09
• 公開（公告）號: CN103546029A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發(fā)明（設計）人: S·喬治-凱爾索;法藍·包德
• 申請（專利權）人: 開曼晨星半導體公司;晨星軟件研發(fā)（深圳）有限公司;晨星半導體股份有限公司
• 主分類號: H02M3/10
• 分類號: H02M3/10
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 陳亮

技術領域

本發(fā)明與電壓調(diào)整器相關，尤其關于如何增進以電池供電之電子產(chǎn)品于休眠模式中的效率，以降低其電流消耗。

背景技術

近年來，由于電子裝置的功能不斷增加，其中的集成電路通常需要更大量的電力始能提供良好的效能和正確性。另一方面，為了增進電子裝置的可攜性，電路的實體尺寸持續(xù)下降。

用以將一電壓轉(zhuǎn)換為另一電壓的電壓調(diào)整器是可攜式電子裝置中的必要電路。電壓調(diào)整器可將一輸入供應電壓轉(zhuǎn)換為一特定電路需要的操作電壓，或是將會變動的供應電壓(例如電池電壓)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓。在某些情況下，上述兩種功能都很重要。舉例而言，典型移動電話的電池電壓名義上為3.6伏特，但在放電時卻會有相當大幅度的電壓變化。另一方面，移動電話中的某些集成電路被設計為固定操作在1.1伏特，以降低功率消耗。無論輸入電壓或負載電流是否變化，電壓調(diào)整器都必須要提供穩(wěn)定的輸出電壓(例如1.1伏特)。

電壓調(diào)整程序包含檢測輸出電壓，并且根據(jù)輸出電壓與目標電壓間的差異值調(diào)整提供至輸出電路的電力。在線性調(diào)整器中，此調(diào)整持續(xù)進行。相對地，在切換式調(diào)整器中，電力的供應形式則是頻率和工作周期都可能變化的不連續(xù)脈波。切換式調(diào)整器是先將來自電壓源的能量脈波傳遞至儲存元件(例如電感或電容)，隨后再將能量以損耗最小的方式轉(zhuǎn)換為負載所需的電壓或電流。在這個轉(zhuǎn)換程序中，控制及切換電路負責調(diào)節(jié)能量傳遞至輸出端的速率。負載所得到的電量與切換電路的工作周期(也就是開啟/關閉時間的比例)相關。

就現(xiàn)行以電池供電的裝置而言，微處理器需要的電流量范圍大約是兩百微安培(例如在電子裝置處于休眠模式時)到一安培(例如在微處理器進行高品質(zhì)圖像處理時)。在休眠模式中，微處理器僅需偶爾進行內(nèi)務活動或回應使用者輸入。由于消費者大多相當在意可攜式裝置的電池可用時間，增進電池可用時間對產(chǎn)品設計者來說至關重要。切換式調(diào)整器的效率通常在低輸出電流較差，其原因在于控制及切換電路于低輸出電流時較耗電，詳情可參考美國第5,994,885號專利。先前技術一般是結(jié)合切換式調(diào)整器(用于所需負載電流較高時)和線性調(diào)整器(用于所需負載電流較低時)，詳情可參考美國第7,880,456號和第7,990,119號專利。

線性調(diào)整器包含一主動元件，例如場效晶體管或二極晶體管。該主動元件會受到來自調(diào)整器輸出端的回授信號控制，做為一可變電阻，使輸出電壓不受負載電流或輸入供應電壓的變動影響，皆保持在一預期準位。本技術領域中具有通常知識者可理解，受該主動元件構成的阻抗跨壓的影響，當輸入電壓和輸出電壓間的差異增加時，線性調(diào)整器的效率會變差，詳情可參考Aivaka公司發(fā)表的文章“Linear?or?LDO?Regulators?&?Step-Down?Switching?Regulators”。

兩種調(diào)整器都需要一段時間才能回應負載電流的變化，調(diào)整器的輸出端因此連接有一個或多個電容，做為供應負載的短期電流需求的電荷儲存器。在這樣的情況下，當供應電流或負載電流發(fā)生變化，輸出電壓會不同于名義上的標準電壓。設計者必須確保上述電壓波動不致影響電子產(chǎn)品的正常運作。

切換式調(diào)整器的輸出端可另設一個或多個電感元件來儲存能量。輸出電流較高時，電感元件可在連續(xù)切換脈沖間維持輸出電流。若電感元件中儲存的能量在脈沖之間未下降至零，稱為連續(xù)模式，通常包含最大轉(zhuǎn)換效率區(qū)間。當切換式調(diào)整器操作在低電流，能量脈沖的作用時間或頻率可配合將能量提供至輸出端的速率被降低。若電流夠低，電感元件中的能量可在切換脈沖間降低至零，稱為不連續(xù)模式。在能量脈沖不作用的空檔，輸出電壓由外部電容維系。控制電路則是會維持其運作，以適時回應后續(xù)可能出現(xiàn)的提高電流需求，但控制電路在不連續(xù)模式中造成的固定能量損耗意味著較低的轉(zhuǎn)換效率。

根據(jù)已知的不同狀態(tài)的可預期負載變動和電壓波動容許度，本發(fā)明為具有休眠模式的裝置降低切換式調(diào)整器的控制電路的能量需求。由于根據(jù)本發(fā)明的切換式調(diào)整器在低電流狀態(tài)中的效率可被提升為高于線性調(diào)整器，因此不需要線性調(diào)整器。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供的技術提升了具有休眠模式的產(chǎn)品在低功率模式中的切換效率，進而降低總電流消耗，并且排除對線性調(diào)整器的需求。

藉由根據(jù)產(chǎn)品運作模式的變化適當調(diào)整切換式調(diào)整器的控制電路的運作，本發(fā)明提供的技術無論在低功率或高功率模式都能有效率地實現(xiàn)切換模式轉(zhuǎn)換。