[发明专利]恒定导通时间的开关调节器实现轻负载控制

说明书

技术领域

本发明涉及开关调节器或直流-直流转换器，尤其是实现恒定导通时间控制的开关调节器，并引入控制体系，提高轻负载效率，增强瞬态响应。

背景技术

本申请为于2011年5月23日递交的美国专利申请US13/113,981的部分连续申请案，特此引用其全文以作参考。

直流电压调节器或开关调节器用于将能量从一个直流电压级转移到另一个直流电压级。这种类型的开关调节器也称为直流/直流调节器或开关模式电源。开关调节器通过低损耗零件（例如电容器、电感器和变压器），起到电源的功能，电源开关开启或断开，将能量在独立元件中从输入端转移到输出端。反馈控制电路用于管理能量转移，以便在电路需要的负载极限内维持恒定的输出电压。

可以配置开关调节器，提高输入电压或降低输入电压，或者两者兼具。确切地说，降压型开关调节器（也称为“降压调节器”）可以降低输入电压，而升压型调节器（也称为“升压调节器”）可以提高输入电压。降压-升压型调节器，或降压-升压型转换器，可以提供升高和降低的功能。

传统的开关调节器的运行方式已为人们所熟知，可以总结如下。开关周期性地开启，将能量传递到输出滤波电路的电感器上，使电流流经电感器积累起来。当电源断开时，电感器上的电压反转，电荷被转移到输出滤波电路的输出电容和负载上。输出电容获得相对恒定的输出电压。第二个电源开关有时也用于同步控制器件。在器件运行时，主电源开关（也称为高端开关）开启，而第二个电源开关（也称为低端开关）断开，反之亦然。

开关调节器包括一个控制电路，通常使用误差信号放大器，将输出电压与参考电压相比较，控制电路产生一个或多个控制信号，控制信号控制开启-断开控制循环的开关频率（脉沉频率调制）或脉沉宽度（脉沉宽度调制）。可以利用许多不同的控制体系控制主电源开关的工作循环（即导通时间）。导通时间恒定（或恒定导通时间）的控制体系是这样一类控制体系，其中开关调节器的主电源开关的导通时间保持恒定，主电源开关的断开时间各不相同，以产生需要的输出电压。

图1所示的示意图，表示一种实现恒定导通时间控制体系的传统的开关调节器。在开关调节器10中，主电源开关M1和二极管D1在输入电压V_IN（节点12）和接地电压之间并联。电压开关M1用于将输入电压V_IN周期性地切换到电感器L1，对电感器L1充电。当主电源开关M1断开时，电感器L1上储存的能量被转移到输出电容C_OUT以及负载18上，保持了非常恒定的输出电压V_OUT。

根据恒定导通时间控制体系，配置调节器控制电路20，驱动主电源开关M1。在运行时，主电源开关M1开启一段由单次计时器26所设定的恒定的时间，之后开关M1断开。反馈回路控制输出电压V_OUT（节点16）。更确切地说，输出电压V_OUT作为反馈电压V_FB反馈至调节器控制电路20。在电压比较器22中，将反馈电压V_FB与参考电压V_REF作比较。电压比较器22的输出端在与逻辑门24处，受到最小的断开时间计时器30的输出限制。当主电源开关M1断开一段最小的断开时间后，当输出电压V_OUT降至参考电压V_REF之下时，与门24将触发单次计时器26，再次接通主电源开关M1一段恒定的导通时间。传统的开关调节器10实现了快速的瞬态响应，但调节器的效率受到二极管上的功率损耗的影响。当电流在二极管正向偏置时流经二极管，功率就会耗散掉。这种功率耗散降低了开关调节器的整体效率。

为了使低端二极管上的功率损耗最小，有些开关调节器使用低端开关代替二极管，实现了所谓的“同步整流”。图2所示的示意图，表示实现了恒定导通时间控制体系和同步整流的传统开关调节器。低端二极管被低端电源开关M2代替，由驱动主电源开关M1的驱动信号（节点32）的反转驱动。因此，当主电源开关M1断开时，低端电源开关M2开启，反之亦然。当低端开关正向偏置时，功率耗散可以忽略。在使用同步整流时，重负载的效率较佳。然而，由于负电流从电感器L1流入低端电源开关M2，因此轻负载的效率很低。