CN101018018B - 具有线性调节器控制的脉冲频率调制式电压调节器 - Google Patents

具有线性调节器控制的脉冲频率调制式电压调节器 Download PDF

Info

Publication number
CN101018018B
CN101018018B CN2006101732426A CN200610173242A CN101018018B CN 101018018 B CN101018018 B CN 101018018B CN 2006101732426 A CN2006101732426 A CN 2006101732426A CN 200610173242 A CN200610173242 A CN 200610173242A CN 101018018 B CN101018018 B CN 101018018B
Authority
CN
China
Prior art keywords
voltage
transistor
circuit
pulse
electric current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN2006101732426A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101018018A (zh
Inventor
C·L·维恩
R·D·齐恩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mcguire LLC
Original Assignee
Micrel Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Micrel Inc filed Critical Micrel Inc
Publication of CN101018018A publication Critical patent/CN101018018A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101018018B publication Critical patent/CN101018018B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0009—Devices or circuits for detecting current in a converter
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0045—Converters combining the concepts of switch-mode regulation and linear regulation, e.g. linear pre-regulator to switching converter, linear and switching converter in parallel, same converter or same transistor operating either in linear or switching mode
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0083—Converters characterised by their input or output configuration
    • H02M1/009—Converters characterised by their input or output configuration having two or more independently controlled outputs

Abstract

一种PFM型电压调节器电路通过使用受脉冲控制电路控制的第一晶体管和受线性调节器电路控制的第二晶体管，将未调节的输入电压转换为调节后的输出电压。线性调节器电路在当被调节的输出电压落到预定的最小目标电压电平时就控制第二晶体管，由此使被调节的输出电压保持在最小目标电压电平处。脉冲控制电路检测流过第二晶体管的电流，并且作为响应产生了持续预定时间周期的脉冲信号，该脉冲信号使第一晶体管完全导通。通过第一晶体管的电压被转换为不断增大的电感器电流，该电流使被调节的输出电压重新恢复到最大目标电压电平。当脉冲信号结束时，被调节的输出电压再次开始朝着预定的最小目标电压电平下降，并且重复上述周期。

Description

具有线性调节器控制的脉冲频率调制式电压调节器
技术领域
本发明涉及电压调节器，尤其涉及脉冲频率调制式(PFM)开关型电压调节器。
背景技术
开关调节器和线性调节器是公知的电压调节器类型，用于将未调节的电压(比如电池电压)转换为调节后具有期望数值的DC输出电压。
线性调节器也被称为低下降(LDO)调节器，包括控制电路以及连接在未调节的电源和输出端之间的线性开关(晶体管)。控制电路通过反馈信号来监控输出端处的调节后的DC输出电压，并且控制线性开关的栅电极使得该开关的电导被调节到产生所期望的DC输出电压电平。
开关调节器包括在未调节的电压和输出端之间串联连接的开关(晶体管)和电感器、滤波电容器、以及基于振荡器的控制电路。基于振荡器的控制电路将时变控制信号提供给开关的栅极端，由此开关被导通以便将未调节的电压以短脉冲的形式传递到电感器。这些脉冲使电感器将能量存储到其磁场中，该磁场产生调节的DC输出电压。滤波电容器用于使脉冲之间被调节的DC输出电压平滑且维持着。被调节的DC输出电压反馈到基于振荡器的控制电路，该控制电路将反馈电压与基准电压进行比较，并且控制振荡器输出使得开关工作周期产生所期望的被调节的DC输出电压。
开关调节器通常可以根据振荡器控制类型分类为脉冲宽度调制式(PWM)或脉冲频率调制式(PFM)调节器。PWM调节器包括用于产生具有固定频率和可变脉冲宽度的脉冲序列的振荡器控制电路。另一方面，PFM调节器使用可产生固定脉冲宽度和可变脉冲频率的振荡器控制电路。无论哪种情况，晶体管的工作周期都受反馈电压控制，使得被调节的输出电压保持所期望的电压电平。开关调节器还具有这样的特征，即它们向上转换未调节的电压(升压或升高配置)或者向下转换未调节的电压(降压或下降配置)或者使未调节的电压倒置(反向-升压或倒置配置)。
开关调节器通常被认为比线性调节器更有效，但通常在工作期间噪声更大。线性调节器提供非常平滑的输出电压，因为线性开关总是部分地导通(导电)，但是因线性开关两端电压差很大而浪费了能量。相反，开关调节器晶体管则完全导通或完全关闭。当开关调节器晶体管完全导通时(比如处于饱和或近饱和边缘的情况下)，晶体管是非常高效的开关，并且通过开关浪费的能量达到最小。然而，当负载条件突然增大时，不像电压调节器那样立即调节到增大后的电流需求，开关型调节器可以经历一些延迟，因为通过电感器的电流无法随时间立即改变。另外，开关调节器周围的控制系统需要比线性系统更长的时间将工作周期适当地调节到电感器的电流负载。
所以有一种需求，要将线性电压调节器的平滑且迅速响应的输出电压与开关型电压调节器的高效率组合起来。
发明内容
本发明涉及一种电压调节器电路，它使用了线性调节器电路和脉冲控制电路，其中线性调节器电路只是在被调节的输出电压落到预定的最小目标电压电平时才被启动，而脉冲控制电路则检测线性调节器电路的启动并且每次被调节的输出电压到达最小目标电压时便将被调节的输出电压恢复为预定的最大目标电压电平。通过只在被调节的输出电压到达最小目标电压电平时才允许输出电流流入线性调节器电路，并且通过将线性调节器电路设计为每次脉冲控制电路使被调节的输出电压增压时就自然地消除其输出电流，本发明的电压调节器电路成功地将常规线性调节器的快速瞬时特征与开关型电压调节器的高效率特征组合起来。
根据本发明一实施例，电压调节器电路包括：第一晶体管，该第一晶体管与电感器串联连接在未调节的输入电压和调节后的输出电压之间，并且受脉冲控制电路控制；以及线性调节器电路，它包括与第一晶体管和电感器并行连接的第二晶体管。该线性调节器电路还包括用于产生线性控制电压的线性控制电路，该线性控制电路是连续导通的，但每次被调节的输出电压落到预定的最小目标电压时就用于调节第二晶体管的输出。该线性控制电压控制着第二晶体管，以提供足够的电流使被调节的输出电压保持在预定的最小目标电压，直到脉冲控制电路启动第一晶体管。另外，脉冲控制电路包括用于检测通过第二晶体管的电流的传感器，并且响应于检测到的电流将脉冲信号发送到第一晶体管。在预定的持续时间(时间周期)内该脉冲信号使第一晶体管完全导通，由此在电感器电流中引起一个斜坡，从而使被调节的输出电压上升。电压增大的量正比于输入和输出电压之差(VIN-VOUT)、电感、第一开关保持导通的时间、以及电感器电流的量。在预定持续时间的末端，脉冲信号不再处于维持状态，这便使第一晶体管截止了。响应于所加的负载，电容器上所存储的输出电压由此便开始下降。当输出电压再一次落到预定的最小目标电压电平时，重复上述循环。这样，电压调节器电路的效率因负载电流穿过第二晶体管的时间相对很短而比常规线性调节器得到大幅提升，由此避免了与线性调节器相关联的高损耗，并且甚至接近“纯粹的”开关电压调节器的效率。即，线性调节器电路引导负载电流流过第一晶体管的时间仅仅是在检测通过第二晶体管的电流以及维持脉冲信号并接下来启动第一晶体管等操作之间的延迟周期期间，这构成了运行时间中相对很小的量，尤其是当所加负载只引起相对很小的电流的时候。此外，电压调节器电路避免了与“纯粹的”开关型电压调节器相关联的噪声问题，因为在检测通过第二晶体管的电流以及维持脉冲信号并接下来启动第一晶体管之间的延迟周期期间，线性电压电路提供了所要求的负载电流。
附图说明
参照下面的说明、所附的权利要求书以及附图，本发明的这些及其它特征、方面和优点将得到更好地理解，其中：
图1是示出了根据本发明一实施例的通用电压调节器电路的简化图；
图2(A)、2(B)、2(C)和2(D)是示出了在图1所示电压调节器电路工作期间所产生的信号的时序图；
图3是示出了根据本发明一特定实施例的电压调节器电路的简化图；以及
图4是示出了根据本发明另一特定实施例的电压调节器电路的简化图。
具体实施方式
下面定义本文中所用到的术语“耦合”、“连接”、“开关”。术语“连接”被用于描述两个电路元件之间借助于正常集成电路制造技术形成的金属线的直接连接。相反，术语“耦合”被用于描述两个电路元件之间的直接连接或非直接连接。例如，两个耦合的元件可以借助于金属线直接相连，或者可以借助于中间电路元件(例如电容器、电阻器、电感器或晶体管)非直接地连接。术语“开关”被用于描述具有大栅-源电压(Vgs)且可以被表示成低值电阻器的晶体管。
图1是电压调节器电路100的简化图，该电路100用于将输入节点101处接收到的未调节的输入电压VIN转换为输出节点103处提供的调节后的输出电压VOUT。电压调节器电路通常包括电压控制电路110、线性调节器电路120、以及脉冲频率调制(PFM)式控制电路130(在本文中也被称为脉冲控制电路)。在一个实施例中，电压调节器电路100是与所加负载(由电阻器RLOAD表示)和/或反馈电路140(由反馈电阻器R1和R2表示)分离的分立组件(即形成于半导体“芯片”上)。在这种分立的实施例中，输入节点101和输出节点103以及接地节点105和可选的反馈节点107都连接到用于包住芯片的封装结构上所设置的器件引脚或其它端结构。在其它实施例中，电压调节器电路100可以被包括到单个芯片上与负载和反馈电路一起制造的更大的器件(例如微处理器)中，在这种情况下输入节点101和输出节点103可以表示更大的电路中的内部节点。下面的描述旨在覆盖这些更广的集成电路器件分类中的任一类。
电压控制电路110通常包括(第一)晶体管(例如，场效应晶体管)111、电感器113、肖特基二极管117(或开关)以及电容器119，它们与PFM控制电路130结合着运行，以与常规PFM型开关调节器相同的方式起作用(即在输入节点101和电感器113之间产生具有预定持续时间的周期性电流)。开关111和电感器113通过输入节点101和输出节点103之间的节点112而串行连接，同时晶体管111的栅极端耦合成用于接收由PFM控制电路130所产生的脉冲信号VPFM，下文对此有描述。开关111依一定尺寸制造并且脉冲信号VPFM按一定的电平来产生，使得每当脉冲信号VPFM加到晶体管111的栅极(控制)端时晶体管111就开关一次，由此使晶体管111在提供脉冲信号VPFM的时间(持续时间)内将未调节的输入电压VIN耦合到节点112。因此，在电感器113两端出现了电压差VIN-VOUT，从而在电感电流中引发了斜坡增长，以便在输出引脚103上的电压中产生相关联的增长。连接在输出节点103和接地节点105之间的电容器119用于存储在脉冲信号VPFM维持期间由电感器113所提供的电荷。
线性调节器电路120按与常规线性调节器相似的方式起作用，以使输出节点103保持在预定的最小目标电压电平，但是线性系统中公知的是，只在当被调节的输出电压VOUT等于或小于预定的最小目标电压电平时才在输入节点101和输出节点103之间传导输出电流ILDO。线性调节器电路120包括输出(第二)晶体管121和线性(LDO)控制电路123，其中晶体管121具有分别连接在输入节点101和输出节点103之间的第一和第二端(即与晶体管111和电感器113所形成的电流通路并行)，而线性控制电路123将线性基准电压VREF与反馈信号VFB进行比较并且产生线性控制信号VLDO，VLDO具有与线性基准电压VREF与反馈信号VFB之差成正比的电压电平。线性基准电压VREF与反馈信号VFB基本上是根据常规方法产生的。然而，根据本发明的一个方面，制造晶体管121并且产生线性控制信号VLDO、线性基准电压信号VREF和反馈信号VFB时要使得晶体管121只在被调节的输出电压VOUT等于或小于预定的最小目标电压电平时才传导电流ILDO。即，当输出电压VOUT大于预定的最小目标电压电平时，线性调节器电路120将晶体管121控制到非传导状态。相反，当输出电压VOUT小于或等于预定的最小目标电压电平时，线性调节器电路120控制(即以使晶体管121导通的电压电平来产生线性控制信号VLDO，使得电流ILDO在输入节点101和输出节点103之间流动且流经晶体管121)。当电压调节器电路120被启动(处于控制中)时经晶体管121流向输出节点103的电流ILDO的量等于负载电流和传感器113中剩余的电流之间的差。
根据本发明的另一个方面，PFM控制电路130用于检测线性调节器电路120中的电流传导(即何时非零电流ILDO流过线性调节器电路130)，并且在线性调节器电路120有效时产生脉冲信号VPFM。在一个实施例中，PFM控制电路130包括可有效地检测电流ILDO(即通过晶体管121的电流)的电流检测电路132，将电流ILDO与预定的最小基准电流IREF进行比较，并且在电流ILDO超过预定的最小电流IREF时产生脉冲控制信号VPC。注意到在一个实施例中，最小基准电流IREF可以基本上是零安培(即任何检测到的电流触发脉冲控制信号VPC的产生)。脉冲控制信号VPC被提供给脉冲发生器137(例如，单触发电路)，脉冲发生器137则响应于脉冲控制信号VPC提供脉冲信号VPFM且持续预定的时间周期。如上所述，脉冲信号VPFM被施加到晶体管111的栅极端，并且具有预定的固定持续时间，该持续时间使晶体管111完全导通以使内部节点112处的电压增大到原本未调节的输出电压VIN。
图2(A)到2(D)是电压调节器100工作期间所产生的典型信号的时序图。图2(A)示出了典型的调节后的输出电压VOUT，它是响应于假想施加的负载而在输出节点103处产生的。图2(B)、2(C)和2(D)分别示出了流过晶体管121的电流ILDO、脉冲控制信号VPC和脉冲信号VPFM，它们是与图2(A)的典型调节后的输出电压关联产生的。在这些图中，时间t0和时间t6之间的时间周期描绘了电压调节器100响应于相对轻的所加负载的工作情况，而时间t7和时间t12之间的时间周期描绘了电压调节器100响应于相对重的所加负载的工作情况。
参照图2(A)的左侧，在输出节点103处产生并由电容器119(图1)存储的电荷在时间t0和t1之间被相对轻的所加负载逐渐地耗尽，由此使被调节的输出电压VOUT朝着预定的最小目标电压VT-MIN逐渐地减小。如上所述，当被调节到的输出电压VOUT达到预定的最小目标电压VT-MIN时(例如，在时刻t1；图2(A))，反馈信号VFB下降到线性基准电压信号VREF以下，从而使LDO控制电路123引导电流ILDO通过晶体管121(图2(B)中有描绘)。这解释了在最小目标电压VT-MIN处被调节的输出电压VOUT的下降，同时噪声产生达到最小。通过使用常规线性调节器中所利用的已知技术，以某一电压电平产生线性控制信号VLDO，使得流过晶体管121的电流ILDO等于所加负载引起的电流，由此防止输出节点103落到最小目标电压VT-MIN之下。因为电流ILDO增大到预定的最小电流IREF之上(图2(B)；紧随时刻t1之后)，所以电流检测电路132提供脉冲控制信号VPC(紧随时刻t1之后；图2(C))。在短暂的开关延迟(延迟；图(D))之后，响应于脉冲控制信号VPC的提供，脉冲发生器137提供脉冲信号VPFM(时刻t2；图2(D))，该脉冲信号VPFM使晶体管111导通。注意到，图2(D)中的延迟周期长度是出于解释说明目的而任意选择的。如上所述，输入电压VIN被电感器113转换为增大的电感器电流，并且拉高输出节点103，从而使被调节的输出电压VOUT增大到最小目标电压VT-MIN以上(时间t2；图2(A))。输出电压VOUT增大到最小目标电压VT-MIN以上的现象被LDO控制电路123检测到，该LDO控制电路123在线性控制下使电流ILDO下降到预定的最小电流IREF以下(紧随时刻t2之后；图2(B))。在比较器超过最小阈值的那一刻(紧随时刻t2；图2(C))，脉冲控制信号VPC的维持被边沿触发。再次参照图2(D)，脉冲信号VPFM在预定的持续时间D内仍然维持着，这在本示例中使被调节的输出电压VOUT保持在最大目标电压电平VT-MAX。在时刻t3处，脉冲信号VPFM不再处于维持状态，并且被调节的输出电压VOUT再次从其最大电平开始衰减。
与常规PFM型开关调节器相似的是，产生固定持续时间脉冲信号VPFM时所处的频率是由所加的负载来决定的。在所揭示的示例中，相对轻的所加负载使被调节的输出电压VOUT在时刻t4(图2(A))下降到最小目标电压VT-MIN，从而使电流ILDO再次流过晶体管121(时刻t4；图2(B))，这便重新维持脉冲控制信号VPC(紧随时刻t4之后；图2(C))，这又转而重新维持脉冲控制信号VPC(时刻t5；图2(D))。因此，响应于相对轻的负载，脉冲信号VPFM维持在相对低的频率f1处(图2(D)中有示出)。相反，如图2(A)到2(D)右侧所示，相对重的负载使被调节的输出电压VOUT以相对快的速率(例如，在图2(A)中的时刻t7和t8之间以及t10和t11之间)下降到最小目标电压VT-MIN，这便以上述方式产生了流过晶体管121的电流ILDO(图2(B))以及脉冲控制信号VPC(图2(C))，由此使脉冲信号VPFM维持在相对高的频率f2处(在维持时间t9和t12之间测得的，如图2(D)所示)。也注意到，除了以更快的速率使输出电压VOUT下降以外，较重的所加负载引起相对高的流过晶体管121的电流ILDO(图2(B))。线性调节器电路120通过使用常规线性电压调节器方法来调节电流ILDO以满足负载要求。
如上述示例所示出的那样，和线性调节器相比，电压调节器电路100的效率因负载电流流过线性调节器120的时间量相对较短而急剧增大，由此使与线性调节器相关联的高损耗最小化，并且甚至接近“纯粹的”开关电压调节器的效率。即，线性调节器电路120引导负载电流流过晶体管121的时间仅仅是在检测电流ILDO和维持脉冲信号VPFM并接下来启动晶体管111等操作之间的延迟周期期间，如图2(A)所示这构成了运行时间中相对很小的量，尤其是当负载很轻的时候。
另外，如上述示例所示出的那样，电压调节器电路100避免了与“纯粹的”开关型电压调节器相关联的低电压噪声问题，使得线性电压电路120在检测电流ILDO和维持脉冲信号VPFM并接下来启动晶体管111等操作之间的延迟周期期间提供所要求的负载电流。
图3是根据本发明一特定实施例描绘电压调节器电路200的简化图。电压调节器电路200中与电压调节器电路100相似的那些部分都用相同的标号来标识(例如，电压调节器电路100中的晶体管121由电压调节器电路200中的PMOS晶体管221来表示)。
电压调节器电路200的电压控制部分的特征在于，用PMOS晶体管211和整流器电路217来替代肖特基二极管117。PMOS晶体管211因其较低的导通电阻而成为较佳的晶体管。整流器电路217被设置成能够进行同步工作。即，电压调节器100被描绘成非同步配置。同步配置是根据已知的技术通过在整流器电路217中设置NMOS晶体管(未示出)而实现的，该NMOS晶体管是用PFM控制电路230所产生的可选同步操作控制信号VSYNCH来控制的。运行期间，在单触发电路和PFM控制电路230的暂停周期使PMOS晶体管211截至之后，不再使电流流过肖特基二极管117，而是使电流流过NMOS晶体管，这是PFM控制电路230根据已知的技术启动的。
线性调节器电路220的特征也在于PMOS晶体管221的使用，并且比较器223被用于根据上述方法来产生线性控制信号VLDO。
PFM控制电路230包括电流检测电路232和脉冲发生器237，它们基本上按上述来工作。电流检测电路232包括电阻传感器233、电流比较器234和(第三)PMOS晶体管235。PMOS晶体管235与PMOS晶体管221并行连接在输入节点201和输出节点203之间，并且受线性控制信号VLDO控制。当产生线性控制信号VLDO以便生成流过PMOS晶体管221和235的电流ILDO时，电阻传感器233产生电流检测信号VI-LDO。比较器234将电流检测信号VI-LDO与预定的基准信号VI--REF进行比较，并且当电流检测信号VI-LDO大于预定的基准信号VI--REF时将产生脉冲控制信号VPC。脉冲控制信号VPC被施加到脉冲发生器237中所设置的单触发电路238，脉冲发生器237响应于脉冲控制信号VPC产生脉冲信号VPFM且持续预设的时间周期(预定的持续时间)。
上述实施例描绘了非同步配置。在另一个实施例中，同步配置根据已知的技术得到实现，其中二极管电路217包括受PFM控制电路230控制的NMOS晶体管(未示出)。在单触发电路和PFM控制电路230的暂停周期使PMOS晶体管211截止之后，不再使电流流过肖特基二极管117，而是使电流流过NMOS晶体管，这是PFM控制电路230根据已知技术来启动的。
图4是根据本发明另一个实施例描绘电压调节器电路300的简化图。电压调节器电路300中与电压调节器电路200完全一样的那些部分都用相同的标号标识。电压调节器电路300与电压调节器电路200相比不同之处在于，它包括脉冲宽度调制(PWM)式控制电路360和脉冲信号选择电路370。PWM控制电路360根据已知的技术产生脉冲宽度调制式控制信号VPWM，并且脉冲信号选择电路370确定所加负载的电流要求(“所加负载条件”)，并且响应于所加负载条件选择性地将PWM控制信号VPWM和脉冲信号VPFM之一传递到晶体管211的栅极端。在一个实施例中，当电流负载低于100毫安时由脉冲信号选择电路370将脉冲信号VPFM发送到晶体管211，并且当电流负载高于100毫安时由脉冲信号选择电路370将PWM控制信号VPWM发送到晶体管211。
尽管已经结合特定的实施例描述了本发明，但是对于本领域的那些技术人员而言，很明显本发明的发明特征可以应用于其它实施例，所有这些都将落在本发明的范围之中。

Claims (19)

1.一种电压调节器电路，用于将输入节点处接收到的未调节的输入电压转换为输出节点处提供的调节后的输出电压，所述电压调节器包括：
第一晶体管，它具有耦合到所述输入节点的第一端；
电感器，它耦合在所述第一晶体管的第二端和所述输出节点之间；
线性调节器电路，它与所述第一晶体管和所述电感器并行地耦合在所述输入节点和所述输出节点之间，其中所述线性调节器电路包括当在所述输出节点处提供的调节后的输出电压下降到低于预定的最小目标电压电平时，用于从所述输入节点到所述输出节点流过第一电流的装置，由此所述第一电流将所述输出节点保持在所述最小目标电压电平；以及
脉冲控制电路，包括用于检测流过所述线性调节器电路的第一电流的装置，以及用于响应于所检测到的第一电流将具有预定持续时间的脉冲信号发送到所述第一晶体管的栅极端的装置。
2.如权利要求1所述的电压调节器电路，其特征在于，所述线性调节器包括：
第二晶体管，它具有连接到所述输入节点的第一端、连接到所述输出节点的第二端以及栅极端；以及
线性控制电路，它包括用于比较线性基准电压和反馈信号、并且还用于产生其电压电平正比于所述线性基准电压和所述反馈信号之差的线性控制信号的装置，
其中所述线性控制信号被施加到所述第二晶体管的栅极端，由此所述第二晶体管的导通响应于所述线性控制信号而受到控制，使得流过所述第二晶体管的所述第一电流正比于所述线性控制信号。
3.如权利要求2所述的电压调节器电路，其特征在于，所述脉冲控制电路包括：
电流检测电路，用于在当流过所述线性调节器的第一电流超过预定的最小电流时断定脉冲控制信号；以及
脉冲发生电路，用于响应于所述脉冲控制信号而产生所述脉冲信号。
4.如权利要求3所述的电压调节器电路，其特征在于，所述电流检测电路包括：
传感器，用于响应于流过所述线性调节器的第一电流而产生电流检测信号；以及
比较器，用于将所述电流检测信号与预定的基准信号进行比较，并且还用于在所述电流检测信号大于所述预定的基准信号时产生所述脉冲控制信号。
5.如权利要求4所述的电压调节器电路，其特征在于，所述电流检测电路还包括第三晶体管，它具有连接到所述输入节点的第一端、连接到所述输出节点的第二端以及连接到所述线性调节器电路的线性控制电路的栅极端，其中所述传感器耦合到所述第三晶体管的第一端。
6.如权利要求4所述的电压调节器电路，其特征在于，所述脉冲发生电路包括单触发电路。
7.如权利要求1所述的电压调节器电路，其特征在于，所述第一晶体管包括场效应晶体管，而所述脉冲控制电路包括用于产生足够电平的脉冲信号的装置，所产生的脉冲信号处于足够大的电平下，使得所述第一晶体管在预定的持续时间内响应于所述脉冲信号而进行开关操作。
8.如权利要求7所述的电压调节器电路，其特征在于，所述场效应晶体管包括PMOS晶体管。
9.如权利要求1所述的电压调节器电路，还包括连接在所述输出节点和接地端之间的二极管。
10.如权利要求1所述的电压调节器电路，还包括连接在所述输出节点和接地端之间的电容器。
11.如权利要求1所述的电压调节器电路，还包括用于产生脉冲宽度调制控制信号的装置、以及响应于所加负载条件而选择性地将所述脉冲宽度调制控制信号和所述脉冲信号之一施加到所述第一晶体管的栅极端的装置。
12.一种电压调节器电路，用于将输入节点处接收到的未调节的输入电压转换为输出节点处提供的调节后的输出电压，使得调节后的输出电压保持在预定的最小目标电压电平处，所述电压调节器包括：
第一晶体管，它具有耦合到所述输入节点的第一端；
电感器，它连接在所述第一晶体管的第二端和所述输出节点之间；
第二晶体管，它具有耦合到所述输入节点的第一端以及连接到所述输出节点的第二端；
线性控制装置，用于控制所述第二晶体管，使得当调节后的输出电压等于或小于预定的最小目标电压电平时，所述第二晶体管在所述输入节点和所述输出节点之间传导第一电流，由此所述第一电流将所述输出节点保持在所述最小目标电压电平；以及
脉冲控制装置，用于控制所述第一晶体管，以在所述线性控制装置使所述第二晶体管传导所述第一电流时在所述输入节点和所述电感器之间传导第二电流，由此在所述输出节点处提供的调节后的输出电压被所述第二电流升高到所述最小目标电压电平以上。
13.如权利要求12所述的电压调节器电路，其特征在于，所述脉冲控制装置包括：
电流检测装置，用于在流过所述第二晶体管的第一电流超过预定的最小电流时断定脉冲控制信号；以及
脉冲发生装置，用于响应于所述脉冲控制信号而产生脉冲信号，
其中所述脉冲发生装置耦合到所述第一晶体管的栅极端。
14.如权利要求13所述的电压调节器电路，其特征在于，所述电流检测装置包括：
传感器，用于响应于流过所述第二晶体管的第一电流而产生电流检测信号；以及
用于在所述电流检测信号大于预定的基准信号时就产生所述脉冲控制信号的装置。
15.如权利要求14所述的电压调节器电路，其特征在于，所述电流检测装置还包括第三晶体管，它具有连接到所述输入节点的第一端、连接到所述输出节点的第二端以及连接到所述第二晶体管的栅极端的栅极端，其中所述传感器耦合到所述第三晶体管的第一端。
16.如权利要求15所述的电压调节器电路，其特征在于，所述第一、第二和第三晶体管包括PMOS晶体管。
17.如权利要求13所述的电压调节器电路，还包括用于产生脉冲宽度调制控制信号的装置、以及响应于所加负载条件而选择性地将所述脉冲宽度调制控制信号和所述脉冲信号之一施加到所述第一晶体管的栅极端的装置。
18.如权利要求12所述的电压调节器电路，还包括连接在所述输出节点和接地端之间的电容器。
19.一种电压调节器电路，用于将输入节点处接收到的未调节的输入电压转换为输出节点处提供的调节后的输出电压，使得所调节的输出电压保持在预定的最小目标电压电平处，所述电压调节器包括：
电感器，它耦合在所述输入节点和所述输出节点之间；
线性调节器装置，它与所述电感器并行排列，用于仅当所调节的输出电压等于或小于预定的最小目标电压电平时才选择性地产生在所述输入节点和所述输出节点之间的第一电流，由此所述第一电流将所述输出节点保持在所述最小目标电压电平；以及
用于在所述线性调节器装置产生所述第一电流时在所述输入节点和所述电感器之间产生持续预定时间周期的第二电流的装置，由此在所述输出节点处提供的调节后的输出电压被所述第二电流升高到所述最小目标电压电平以上。
CN2006101732426A 2005-12-21 2006-12-20 具有线性调节器控制的脉冲频率调制式电压调节器 Active CN101018018B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/316,470 2005-12-21
US11/316,470 US7230408B1 (en) 2005-12-21 2005-12-21 Pulse frequency modulated voltage regulator with linear regulator control

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101018018A CN101018018A (zh) 2007-08-15
CN101018018B true CN101018018B (zh) 2012-05-02

Family

ID=37966444

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2006101732426A Active CN101018018B (zh) 2005-12-21 2006-12-20 具有线性调节器控制的脉冲频率调制式电压调节器

Country Status (6)

Country Link
US (1) US7230408B1 (zh)
EP (1) EP1801959A3 (zh)
JP (1) JP2007174893A (zh)
KR (1) KR101281395B1 (zh)
CN (1) CN101018018B (zh)
HK (1) HK1106624A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109565239A (zh) * 2016-03-19 2019-04-02 川斯普公司 用于反馈控制回路电路的抖动调节装置、以及用于切换模式dc-dc转换器的抖动调节器拓扑、以及制造该装置的方法

Families Citing this family (51)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7414458B2 (en) * 2006-03-08 2008-08-19 Faraday Technology Corp. Power gating circuit of a signal processing system
TWI398157B (zh) * 2006-08-11 2013-06-01 Hon Hai Prec Ind Co Ltd 影像邊界掃描系統及方法
US7508179B2 (en) * 2006-11-06 2009-03-24 Micrel, Incorporated Dual input prioritized LDO regulator
US7859236B2 (en) 2007-05-25 2010-12-28 Micrel, Inc. Voltage regulation system
US7436159B1 (en) * 2008-03-31 2008-10-14 International Business Machines Corporation Compound power supply
US8129962B2 (en) * 2008-08-15 2012-03-06 Texas Instruments Incorporated Low dropout voltage regulator with clamping
US20100060078A1 (en) * 2008-09-08 2010-03-11 Micrel, Incorporated Dual Input LDO Regulator With Controlled Transition Between Power Supplies
TWI385510B (zh) * 2008-12-31 2013-02-11 Asustek Comp Inc 自動調整驅動器輸入電源之裝置
US8536840B2 (en) * 2009-03-17 2013-09-17 Linear Technology Corporation Bidirectional power converters
US9000745B2 (en) * 2009-04-10 2015-04-07 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Switching regulator and method for operating the same
US8618784B2 (en) * 2009-04-10 2013-12-31 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Regulator control circuits, switching regulators, systems, and methods for operating switching regulators
US8253397B2 (en) * 2009-06-18 2012-08-28 Analog Devices, Inc. Switching converters with efficiently-controlled mode transitions
US8427123B2 (en) * 2009-07-08 2013-04-23 Microchip Technology Incorporated System, method and apparatus to transition between pulse width modulation and pulse-frequency modulation in a switch mode power supply
US8451628B2 (en) 2010-04-01 2013-05-28 Analog Devices, Inc. Switching converter systems with isolating digital feedback loops
US8957651B2 (en) * 2010-12-06 2015-02-17 Microchip Technology Incorporated User-configurable, efficiency-optimizing, power/energy conversion switch-mode power supply with a serial communications interface
US8593123B2 (en) 2010-12-27 2013-11-26 Analog Devices, Inc. Switching voltage regulators with hysteretic control for enhanced mode-transition speed and stability
US8890493B2 (en) 2010-12-29 2014-11-18 Tacettin Isik Highly simplified switching regulator which allows very high switching frequencies
US8614567B2 (en) 2011-01-05 2013-12-24 Analog Devices, Inc. Voltage regulator structures and methods with bootstrapped bias capacitor
US8552706B2 (en) 2011-03-29 2013-10-08 Analog Devices, Inc. Stability methods and structures for current-mode DC-DC voltage converters
US8587283B2 (en) 2011-04-20 2013-11-19 Analog Devices, Inc. DC-DC voltage converter system with a high-efficiency pulse-skip operational mode
TWI465011B (zh) * 2011-06-02 2014-12-11 Richtek Technology Corp Ｐｗｍ電壓調節器的控制電路及方法
US9531270B2 (en) * 2011-07-11 2016-12-27 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Power management circuit and method
US8988054B2 (en) * 2011-12-27 2015-03-24 St-Ericsson Sa Single feedback loop for parallel architecture buck converter—LDO regulator
WO2013130088A1 (en) * 2012-03-01 2013-09-06 Intel Corporation Dual mode voltage regulator with reconfiguration capability
KR101387300B1 (ko) * 2012-04-23 2014-04-18 삼성전기주식회사 위상 마진 보상 수단을 갖는 ｌｄｏ 및 그를 이용한 위상 마진 보상 방법
TWI548193B (zh) * 2012-05-11 2016-09-01 緯創資通股份有限公司 用於電子裝置之省電方法以及相關省電電路
US9847718B2 (en) * 2014-08-04 2017-12-19 Ferric, Inc. Apparatus and methods for integrated power converter with high bandwidth
US11197374B2 (en) 2012-09-11 2021-12-07 Ferric Inc. Integrated switched inductor power converter having first and second powertrain phases
US10893609B2 (en) 2012-09-11 2021-01-12 Ferric Inc. Integrated circuit with laminated magnetic core inductor including a ferromagnetic alloy
US11116081B2 (en) 2012-09-11 2021-09-07 Ferric Inc. Laminated magnetic core inductor with magnetic flux closure path parallel to easy axes of magnetization of magnetic layers
US11058001B2 (en) 2012-09-11 2021-07-06 Ferric Inc. Integrated circuit with laminated magnetic core inductor and magnetic flux closure layer
US10244633B2 (en) * 2012-09-11 2019-03-26 Ferric Inc. Integrated switched inductor power converter
US11064610B2 (en) 2012-09-11 2021-07-13 Ferric Inc. Laminated magnetic core inductor with insulating and interface layers
US9071138B2 (en) * 2013-04-12 2015-06-30 Adaptive Digital Power, Inc. Adaptive digital pulse width modulation generator for buck converters
US10320290B2 (en) * 2013-08-09 2019-06-11 Microsemi Corporation Voltage regulator with switching and low dropout modes
KR101919625B1 (ko) * 2013-08-23 2018-11-19 매그나칩 반도체 유한회사 전류제어 모드 dc-dc 컨버터
TWI501064B (zh) * 2014-01-21 2015-09-21 Celestica Technology Consultancy Shanghai Co Ltd 混成供電架構
US9515556B2 (en) * 2014-04-28 2016-12-06 Intersil Americas LLC Current pulse count control in a voltage regulator
US10629357B2 (en) 2014-06-23 2020-04-21 Ferric Inc. Apparatus and methods for magnetic core inductors with biased permeability
US11302469B2 (en) 2014-06-23 2022-04-12 Ferric Inc. Method for fabricating inductors with deposition-induced magnetically-anisotropic cores
US10270337B2 (en) * 2015-05-25 2019-04-23 Apple Inc. Dynamic integration based current limiting for power converters
KR102521718B1 (ko) * 2016-11-01 2023-04-14 삼성전자주식회사 스위치 모드 전원 공급기를 포함하는 전원 변조기 및 그것을 포함하는 송신 장치
JP6951198B2 (ja) * 2016-12-13 2021-10-20 ローム株式会社 非絶縁型のｄｃ／ｄｃコンバータおよびそのコントローラ、電子機器
US10230301B2 (en) * 2016-12-13 2019-03-12 Rohm Co. Ltd. Non-isolated DC/DC converter
US10768646B2 (en) * 2017-03-09 2020-09-08 Macronix International Co., Ltd. Low dropout regulating device and operating method thereof
US10474174B2 (en) * 2017-04-04 2019-11-12 Intel Corporation Programmable supply generator
US9985521B1 (en) * 2017-04-13 2018-05-29 Nanya Technology Corporation Voltage system
US10218254B1 (en) * 2017-12-13 2019-02-26 Nxp Usa, Inc. Switching power supply and method for operating a switched-mode power supply
US10872640B2 (en) 2018-08-31 2020-12-22 Micron Technology, Inc. Capacitive voltage dividers coupled to voltage regulators
US11703897B2 (en) * 2020-03-05 2023-07-18 Stmicroelectronics S.R.L. LDO overshoot protection in a cascaded architecture
US11929673B2 (en) 2021-10-29 2024-03-12 Ferric Inc. Two-stage voltage converters for microprocessors

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5705919A (en) * 1996-09-30 1998-01-06 Linear Technology Corporation Low drop-out switching regulator architecture
US5731731A (en) * 1995-05-30 1998-03-24 Linear Technology Corporation High efficiency switching regulator with adaptive drive output circuit

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5528132A (en) * 1994-02-25 1996-06-18 Maxim Integrated Products Method and apparatus for increasing switching regulator light load efficiency
US5592072A (en) * 1995-01-24 1997-01-07 Dell Usa, L.P. High performance dual section voltage regulator
US6057607A (en) * 1999-07-16 2000-05-02 Semtech Corporation Method and apparatus for voltage regulation in multi-output switched mode power supplies
JP2005086931A (ja) * 2003-09-10 2005-03-31 Renesas Technology Corp スイッチング電源装置とそれに用いられる半導体集積回路
US6972548B2 (en) * 2003-11-25 2005-12-06 Aimtron Technology Corp. Pulse frequency modulated voltage regulator capable of prolonging a minimum off-time
US7071665B2 (en) * 2003-11-25 2006-07-04 Aimtron Technology Corp. Method of reducing a ripple of a heavy loading pulse frequency modulated voltage regulator
US7679350B2 (en) * 2004-02-05 2010-03-16 Monolithic Power Systems, Inc. DC/DC voltage regulator with automatic current sensing selectability for linear and switch mode operation utilizing a single voltage reference

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5731731A (en) * 1995-05-30 1998-03-24 Linear Technology Corporation High efficiency switching regulator with adaptive drive output circuit
US5705919A (en) * 1996-09-30 1998-01-06 Linear Technology Corporation Low drop-out switching regulator architecture

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109565239A (zh) * 2016-03-19 2019-04-02 川斯普公司 用于反馈控制回路电路的抖动调节装置、以及用于切换模式dc-dc转换器的抖动调节器拓扑、以及制造该装置的方法
CN109565239B (zh) * 2016-03-19 2021-08-06 川斯普公司 时域和频域信号调节装置、电路布置及制造该装置的方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP1801959A2 (en) 2007-06-27
CN101018018A (zh) 2007-08-15
JP2007174893A (ja) 2007-07-05
HK1106624A1 (en) 2008-03-14
KR101281395B1 (ko) 2013-07-02
EP1801959A3 (en) 2008-03-12
US20070139025A1 (en) 2007-06-21
KR20070067639A (ko) 2007-06-28
US7230408B1 (en) 2007-06-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101018018B (zh) 具有线性调节器控制的脉冲频率调制式电压调节器
CN1996732B (zh) 开关电源装置和用于该开关电源装置的半导体装置
CN102916586B (zh) 用于开关电源变换器的系统和方法
CN102801325B (zh) 用于电源变换器的开关频率和峰值电流调节的系统和方法
US7616459B2 (en) System and method for a primary feedback switched mode power supply
CN103036438B (zh) 用于电源变换系统中的峰值电流调节的系统和方法
CN101147315B (zh) 开关式电源电路
JP5453508B2 (ja) 効率的軽負荷動作を有する分離フライバックコンバータ
KR101229659B1 (ko) 주측 적응 디지털 제어에 기반된 비제이티를 구동하는 스위칭 전력 변환기를 위한 컨트롤러
JP5357144B2 (ja) パワーを収集するための入力調整ｄｃ−ｄｃ変換器
US20100148740A1 (en) Voltage buck-boost switching regulator
CN102224665B (zh) 开关电源装置
CN101325372B (zh) 同步整流器电路及使用该电路的多输出电源装置
US20110227506A1 (en) Controllers, systems and methods for controlling power of light sources
KR20150053742A (ko) Ｌｅｄ 제어 방법 및 구조
TW201411995A (zh) 用於電源變換系統的電壓和電流控制的系統和方法
CN105656312A (zh) 开关电源装置
TWI491150B (zh) 直流轉直流轉換控制器
KR101789799B1 (ko) 피드백 회로 및 이를 포함하는 전원 공급 장치
US20160087523A1 (en) High power-factor control circuit and power supply
CN102223067A (zh) 驱动恒流源负载的装置及方法
JPH07241075A (ja) 電力変換における電流検出装置及び方法
JP4477846B2 (ja) 電流調整された出力をもつ誘導性ｄｃコンバータのための方法及び回路
JP6654548B2 (ja) スイッチング電源装置
CN101192806B (zh) 一种变压器激磁周期的控制方法及其控制电路

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
REG Reference to a national code

Ref country code: HK

Ref legal event code: DE

Ref document number: 1106624

Country of ref document: HK

C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
REG Reference to a national code

Ref country code: HK

Ref legal event code: GR

Ref document number: 1106624

Country of ref document: HK

TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20240318

Address after: California, USA

Patentee after: McGuire LLC

Country or region after: U.S.A.

Address before: California, USA

Patentee before: Micrel, Inc.

Country or region before: U.S.A.

TR01 Transfer of patent right