CN100552593C - 电压调节器及其方法 - Google Patents

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Abstract

开关模式DC/DC转换器(101)与线性低压降(LIDO)DC/DC调节器(105)并联连接以驱动单一负载。两个调节器共用公共电压基准、反馈网络(103)、输入源和输出端，因此在每一种运行模式下调节电压都是相同的。在高负载情况下，开关模式调节器(107)运行，并且中断线性调节器，以尽可能使效率最高。相反，在低负载情况下，线性调节器运行，并且中断开关模式调节器(107)，也使效率最高。每个调节器检测负载电流(131)，以在固定的负载电流电平下在合适的电压调节器之间进行自动转换。本发明也包括电压调节器(103)的先合后断转换方案以使电压瞬变降至最小。

Description

电压调节器及其方法
技术领域
本发明涉及一种具有线性低压降(LDO)调节器和开关模式转换器的电压调节器，尤其涉及一种能够根据负载电流在LDO调节器和开关模式转换器之间进行选择的电压调节器。
背景技术
尽管负载引起电源电压或电流变化，但DC/DC电压调节器能够有效地保持电平(level)输出电压。例如，降压转换器可以接收相对不稳定的输入电压并保持预期的电平输出电压，该输出电压在标定上低于输入电压。具体来说，降压转换器可以接收2-10伏(V)范围内的输入电压并且输出(例如)1.8V的电平电压。
许多便携式装置需要稳定的电压源，例如由DC/DC电压调节器提供的电压源。此外，便携式电子产品的出现和电池寿命延长的需求，需要新型的电压调节器。这些DC/DC电压调节器需要在低电流和高电流这两种负载条件下均能有效运行。例如，目前的掌上电子产品如个人数字助理(PDA’s)和手机需要在变化的负载(例如待机和激活模型)下具有高效率，以延长电池的寿命。待机模式需要非常小的电流运行。只有关键(critical)系统和易失存储器需要被供电来经常刷新和保持器件中的数据。由于这些需要，已经开发出在所有的电流电平下都非常有效的新型电压调节器方案。
例如，脉冲宽度调制(PWM)开关模式调节器是在高负载情况下的有效调节方案。它能够提供高效率、低输出电压纹波(ripple)、良好的电源和负载调节(line and load regulation)。然而，在低负载下PWM调节器效率很低。
在低负载下，脉冲频率调制(PFM)开关模式调节器因具有高效率而经常被采用。然而，由于PFM固有的高输出电压纹波、较差的电源和负载调节使其不能用于许多系统。因此，这些系统需要低静态电流LDO调节器。LDO调节器能提供相对良好的低负载效率、低输出电压纹波以及良好的电源和负载调节，但是在高负载下其效率远低于开关模式调节器的效率。
PWM开关模式调节器和线性LDO调节器的并联组合能为许多便携式电池供电系统提供其所需的高效率和良好的输出电压调节。在现有技术中已将开关模式调节器和线性调节器并联，但是调节电压有轻微的差别，并且调节器的控制方案非常基础。这些类型的系统不具有最佳的效率，并且在两种不同的电压下调节输出电压使负载调节变差。
附图说明
图1示出根据本发明形成的DC/DC电压调节器。
图2是示出图1中调节器的控制方法的流程图。
图3示出在开关模式下运行的DC/DC电压调节器。
图4示出在线性模式下运行的DC/DC电压调节器。
具体实施方式
本发明揭示一种DC/DC电压调节器系统，该系统在使用单一电压基准的同时集成了开关模式(PWM)调节器和线性调节器。另外，控制方案为：在两种模式之间进行自动的“先合后断”(make before break)转换，以使开关瞬变(switch over transient)最小。
为提供对本发明实施例的全面理解，在下面的描述中给出了许多具体细节，例如各种系统元件的标识。然而，本领域的技术人员应当理解：在缺少一个或多个具体细节或者使用其它方法、元件、材料等仍然能够实施本发明。在其它实例中，公知的结构、材料或操作没有详细地示出或说明，以免使本发明的各个实施例不分明。
在本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着结合该实施例说明的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书的许多地方出现的表达“一个实施例中”或“实施例中”不一定都指同一个实施例。另外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或多个实施例中。
从下面更详细的说明中可知，线性调节器是DC/DC电压调节器的一种相对简单的实施方式，其中通路器件(pass device)连接在输入节点和输出节点之间，该通路器件通常是晶体管。该通路器件由线性模块控制，该线性模块通常是误差放大器。误差放大器通过反馈的方式检测输出电压。如果输出电压降低，则误差放大器发信号通知通路器件传送更大的电流。同样，如果输出电压增加，则误差放大器发信号通知通路器件传送更小的电流。
相比之下，本发明的开关调节器包括：(1)PWM控制器129，(2)串联连接在电源电压和地之间的两个受控通路器件，(3)连接在通路器件的漏极与输出节点之间的电感器，以及(4)连接在输出节点与地之间并位于电感器之后的电容器。电感器的电容器端是滤波后的输出节点。电感器的另一端(与通路器件连接)(由于受PWM控制器控制)可在电源电压与地之间转换。在这项作业中PWM调节器以电流模式运行，说明如下。
通过调制通路器件的开关，电感器聚集能量并将其释放至电容器和负载。通路器件周期性运行，以向负载传送电流。控制元件比较输出电压与内部基准电压，并根据输出电压是否高于或低于电压基准来相应地调制PWM信号，该控制元件通常是误差放大器。
本发明使用这两种类型的电压调节器和一个反馈网络来调节单一稳定电压。该系统保持输出电压，而与输出端的负载电流变化无关。电流模式开关调节器用于在高负载情况下调节输出。线性LDO调节器用于在低负载情况下调节输出。由于这两种电压调节器利用同一个反馈网络，所以不论电压调节器处于线性模式还是开关模式，所有负载的输出电压均可调节到期望值。
系统101的方框图请参见图1。该系统使用交叠(overlapping)调节器选择方案，以在各个运行模式之间进行自动转换。该选择方案在负载瞬变(transient)过程中必然使电压偏移最小。自动选择方案的流程图请参见图2。
该系统包括反馈电路103、LDO调节器105、PWM调节器107、模式选择电路109、LDO电流检测电路111和振荡器113。LDO调节器105和PWM调节器107根据上面已经描述过的相同的原理运行。
反馈电路包括LDO误差放大器115和PWM误差放大器117。如上所述，就PWM调节器而言，PWM调节器107的输出引脚SW经过电感器L与输出节点Vout串联连接。另外，输出节点经过电容器与地连接。系统101的OUT引脚是LDO调节器105的输出端。OUT引脚直接与输出节点Vout连接。
反馈引脚FB通过电阻分压器监测输出节点Vout。反馈引脚FB处的电压提供给反馈电路103。由误差放大器115和117独立地处理该信号。这些误差放大器就输出节点Vout处的电压分别为LDO和PWM调节器提供指示。具体来说，LDO误差放大器115的输出用于选择性地控制LDO调节器105，以确保合适的电流流过LDO调节器105的通路器件119，从而确保输出节点处的电压稳定。
因此，如图1所示，开关模式PWM调节器和线性调节器使用公共反馈电路和单一电压基准(反馈引脚FB处的电压)。PWM调节器的误差放大器117连接到PWM比较器125，而使得PWM调节器107具有电流模式结构。由于公共反馈和电压基准，所以PWM和LDO调节器输出相同的电压。
PWM发生器是电流模式开关调节器，其将电感器电流与通过输出电压和输出负载电流设置的补偿电压进行比较。PWM控制器129通过反馈电路103调节负载电流和输出电压。PWM误差放大器117将一已知电压与输出电压进行比较。PWM误差放大器117的输出端可视为补偿(COMP)节点。该节点通常由外部元件进行平滑，外部元件通常是电容器和电阻器(如图1所示)。
电流式PWM控制器129通过将补偿节点COMP与由电流检测放大器131获得的电感器电流信息进行比较来调制PWM信号。当输出电流增大时，COMP电压也增大。对COMP节点进行箝位以为系统提供电流限制，从而使COMP电压不会增大至超过一定值。
本发明通过监测负载电流在开关模式PWM或LDO模式调节之间进行自动选择。如果具备打开开关模式PWM调节器107以及中断LDO调节器103的条件，则表明负载电流高于“低电流限制”。因而，开关模式PWM调节器107在正常的电流模式操作下运行。在这些条件下，由该系统中的振荡器113和控制逻辑129驱动的周期信号逐周期(cycle by cycle)打开上部(高侧)开关121。当高侧开关121打开时，比较COMP引脚处的补偿电压和电流检测放大器131检测的电感器L中的电流。当这两个电压相等时，满足回路条件，打开PWM比较器125、关断上部开关121和打开下部开关123，从而调节输出电压。
当电流负载下降至低于低电流限制时，低电流限制的信号被发送给选择逻辑109以使LDO调节器105打开。随着LDO调节器105打开，由线性通路器件119向负载传送电流。该电流不经过电感器L，电感器L中的电流将下降到零。在这种情况下，过零比较器127发送信号中断开关模式PWM调节器107。当电感器电流达到零时，中断PWM调节器107，缓存器将补偿节点COMP的电压充电至设定电压，该设定电压在误差放大器的工作范围内。这能确保在高电流状态下启动开关模式PWM调节器107。由于中断PWM调节器107，因此只有LDO向负载传送电流。具有低电流检测比较器的开关模式调节器的方框图请参见图3。
从低电流LDO运行到高电流开关模式调节器运行的转换是通过在LDO中检测到高负载电流来启动的。LDO电流检测电路111向模式选择电路109发送高电流信号并使开关模式PWM调节器107打开。由于开关模式PWM调节器107不能即刻工作，所以“缓存器中断信号”将延迟一小段时间以使开关模式PWM调节器107通电。然后，开关模式PWM调节器107的回路开始调节回路。由于补偿节点被预先充电，因此电感器电流升高达到限定值以启动PWM比较器125。一旦这种情况发生，系统运行并从开关模式PWM调节器107传送电流，并且安全地中断LDO调节器。从而，在转换过程中将电压偏移降到最小。高电流检测技术和缓存器请参见图4中的线性调节器方框图。
回到图2，上述过程以流程图的方式示出。在方框201，启动(打开)调节器系统101。在本实施例中，默认的开始状态是使用LDO调节器为负载提供电流，因此在方框202，打开LDO调节器105，而关闭PWM调节器。另外，在方框203，将补偿引脚COMP缓存到FB引脚。
注意，反馈电压被选作上述缓存的电压，从而不需要分离的电压源并且该系统能够在较低的静态电流下运行，这表明在低负载下具有较高的效率。然而，该电压可以选择为在误差放大器的运行范围内的任一电压。
然后，在方框205，连续监测通过LDO调节器105的电流，以判断其是否大于预定的阈值电平(A)。如果电流升高至大于阈值A，那么在方框207，启动PWM调节器107并且不将COMP引脚缓存到FB引脚。
接下来，在方框209，一旦启动PWM比较器125(说明PWM调节器107正确运行)，则在方框215，中断LDO调节器105。
另外，在方框211，当打开上部FET121时，逐周期监测通过电感器L的电流(通过电流检测放大器131测量)，以判断其是否小于第二预定阈值电平B。如果电流降低至小于阈值B，那么在方框212启动LDO调节器。在方框213，开关调节器107保持打开，直到电感器电流达到零，而且如果电感器电流达到零，则控制程序返回方框203。也就是说，直到电感器电流达到零，才会发生从PWM调节器107至LDO调节器105的转换。
图3示出系统以PWM模式运行，而图4示出系统以LDO模式运行。在图4中，LDO电流检测111包括晶体管401。晶体管401与输出通路器件119具有相同的栅极，但是尺寸则小得多。该电流检测晶体管的漏极与已知的电流源连接。电流检测晶体管的尺寸与通路晶体管成比例，并且电流源的值与“高电流”电流限制成相同比例。比较器比较两个漏极处的电压，并且当OUT引脚的电压降低至低于电流检测晶体管的电压时，LDO处于高电流状态。
本发明实施例的上述详细说明不是穷举性的或者将本发明限制于以上公开的确定形式。本领域的技术人员应知道，以上对本发明的具体实施例和实例的描述是为了举例说明，在本发明的范围内可以进行各种等效变化。例如，尽管以一定的顺序给出各个步骤或元件，但是可选实施例可执行具有不同顺序的步骤或元件的程序。本发明在此提供的启示也可以用于其它系统，而不一定是此处描述的网络模型。上述各实施例的元件和作用可以合并以提供其他实施例，并且可以删除、移动、增加、细分、合并和/或修改某些步骤或元件。每个步骤可以通过多种不同的方式执行。此外，尽管示出了这些步骤串行执行，但这些步骤可以改为并行执行，或者在不同的时间执行。
在整个说明书和权利要求书中，除非上下文明确要求，否则词语“包括”等都应当解释为包括的含义，而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括，但不限于”的含义。在上述详细说明中使用单数或复数的词语也可分别包括复数或单数。另外，在本申请中使用的词语“在此”“上面”“下面”和类似有关的词语是指整个本申请而不是本申请的任何特定部分。当权利要求书将词语“或者”用于两个或更多条目的列表时，该词语覆盖了所有下述解释：列表中的任意条目、列表中的所有条目以及列表中条目的任意组合。
本发明在此提供的启示可应用到其它系统中，而不一定应用到在此描述的系统中。根据上述详细说明可以对本发明进行修改。上述各实施例的元件和作用可以合并以提供其他实施例。
在此通过参考援引所有上述专利和申请以及包括任何可以列在随附申请文件中的其它参考文献。如果有必要，本发明的方案可修改为使用上述各参考文献中的系统、功能和概念，以提供本发明的其他实施例。
根据上述详细说明可以对本发明进行修改。尽管上述说明书中详述了本发明的某些实施例并且说明了最佳实施方式，但是无论上文中描述得多么详细，本发明仍然可以通过多种方式实施。网络模型及其实施的细节在它们的实施细节上可能有相当的变化，但其仍然被在此公开的本发明所涵盖。如上述应当注意，在描述本发明的某些特征或者方案时所使用的特定术语不意味着在此重新定义该术语以限制与该术语相关的本发明的任何具体特性、特征或者方案。总之，随附的权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限定在说明书中公开的具体实施例，除非上述详细说明部分明确地限定了这些术语。因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书下实施或者执行本发明的所有等效方式。
当本发明的某些方案在下面以某些权利要求的形式给出时，发明人以多个权利要求的形式考虑了本发明的各种方案。因此，发明人保留在提交申请后增加附加权利要求的权利，从而以这些附加权利要求的形式追述本发明的其它方案。

Claims (13)

1.一种DC/DC电压调节器，其接收输入电压并在输出节点提供稳定电压供负载使用，该调节器包括：
线性调节器，由线性压降反馈信号控制，如果所述负载电流小于第一预定电流量，所述线性调节器运行；
开关模式调节器，由开关模式反馈信号控制，如果所述负载电流大于第二预定电流量，所述开关模式调节器运行；以及
单一反馈网络，提供表示所述输出节点的电压的输出节点反馈信号，所述反馈网络包括线性压降误差放大器和开关模式误差放大器，所述线性压降误差放大器根据所述输出节点反馈信号输出所述线性压降反馈信号，所述开关模式误差放大器根据所述输出节点反馈信号输出所述开关模式反馈信号。
2.如权利要求1所述的调节器，其中，所述第一和第二预定电流量相同。
3.如权利要求1所述的调节器，其中，所述线性调节器和所述开关模式调节器相互并联。
4.如权利要求1所述的调节器，还包括线性电流传感器，用于检测流经所述线性调节器的电流。
5.如权利要求1所述的调节器，还包括开关模式电流传感器，用于检测流经所述开关模式调节器的电流。
6.如权利要求1所述的调节器，其中当所述负载电流小于所述第一预定电流量时，所述线性调节器运行，当电感器电流达到零时，中断所述开关模式调节器。
7.如权利要求6所述的调节器，其中当所述开关模式调节器被中断后，所述开关模式误差放大器输出端被缓存至运行范围内的电压。
8.一种接收输入电压并提供稳定电压供负载使用的方法，该方法包括：
设置由线性压降反馈信号控制的线性调节器，如果所述负载电流小于第一预定电流量，所述线性调节器运行；
设置由开关模式反馈信号控制的开关模式调节器，如果所述负载电流大于第二预定电流量，所述开关模式调节器运行；以及
设置单一反馈网络，所述反馈网络提供表示所述输出节点的电压的输出节点反馈信号，并且包括线性压降误差放大器和开关模式误差放大器，所述线性压降误差放大器根据所述输出节点反馈信号输出所述线性压降反馈信号，所述开关模式误差放大器根据所述输出节点反馈信号输出所述开关模式反馈信号。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述第一和第二预定电流量相同。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述线性调节器和所述开关模式调节器相互并联。
11.一种接收输入电压并提供稳定电压供负载使用的方法，该方法包括：
如果所述负载电流小于第一预定电流量，使用由线性压降反馈信号控制的线性调节器向所述负载提供所述稳定电压；
如果所述负载电流大于第二预定电流量，使用由开关模式反馈信号控制的开关模式调节器向所述负载提供所述稳定电压；以及
通过单一反馈网络反馈一个表示所述输出节点的电压的输出节点反馈信号，所述反馈网络包括线性压降误差放大器和开关模式误差放大器，所述线性压降误差放大器根据所述输出节点反馈信号输出所述线性压降反馈信号，所述开关模式误差放大器根据所述输出节点反馈信号输出所述开关模式反馈信号。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一和第二预定电流量相同。
13.如权利要求11所述的方法，其中，所述线性调节器和所述开关模式调节器相互并联。
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