专利名称：用于控制电压源的系统和方法
用于控制电压源的系统和方法
相关申请的交叉参考
本申请涉及2009年9月15日提交的、标题为“补偿式脉冲串模式控 制”(Compensated Burst Mode Control)并结合在本文中作为参考的美国临时专利申 请No.61/242,753 (代理案号为SE-2653-IP)。 由此本申请要求美国临时专利申请 No.61/242,753 的权益。
在理解附图仅是示出示意性实施例并因此不作为对范围的限制的基础上，示意 性实施例将通过使用附图进行其他特别以及详细的描述。其中
图1是示出可用来实现本发明的一个实施例的系统的框图2是可用来实现本发明的一个实施例的电压供给电路的示意图3是示出与在脉冲频率调制(PFM)和脉冲宽度调制(PWM)运行模式之间变 换的电压供给电路相关联的电压和电流波形的示图4是示出与在PFM和PWM运行模式之间变换的电压供给电路相关联的多个 信号的时序的示图；以及
图5是示出与在PFM和PWM运行模式之间变换的电压供给电路相关联的多个 第二信号的时序的示图。
根据共同的实践，各个不同的特征仅绘出以强调与示意性实施例相关的特定特 征，而非绘制以限制其范围。
具体实施方式
在下面的详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且通过特定示意性实施例 在其中示出。然而，应该知道可以使用其他的实施例，并且可进行逻辑的、机械的以及 电气的改变。此外，在附图中和说明书中呈现的方法并不被解释为限制可执行各个动作 的顺序。因此，下面的详细说明并不被解释成具有限制意义。
图1是示出系统100的框图，其可用作实现本发明的一个实施例。本质上，系 统100可以是任何合适的电子或电气系统和/或利用DC电源运行的设备。例如，系统 100可以是通用计算机、个人计算机(PC)、信号或数据通信系统、移动电话、个人数字 助理(PDA)、便携式音乐播放器、电池充电系统、即插即用系统、或者根据通用串行总 线(USB)协议运行的系统。作为另一个实施例，在一个实施例中，系统100包括电压供 给电路，其将直流(DC)电源电压变换为低值经调节DC电压，其可用于为一个或多个集 成电路(IC)供电。
参考图1，系统100包括电压供给单元102和一个或多个电子电路104。例如， 该一个或多个电子电路104可以是中央处理单元(CPU)、多处理器单元、随机存取存储 器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘驱动器、大容量存储单元、显示单元、输入/输 出(I/O)单元、发射单元、接收单元、中频(IF)单元、信号处理单元、音频处理单元、5数据处理器单元、通信总线、或可充电电池等。同样，例如，在一个实施例中，电压供 给单元102可以是开关调压器，诸如用于开关模式电源、降压变换器或者逐步降压变换 器等的调压器。电压供给单元102包括具有可开关补偿电路的控制单元106 (下文中称作 “控制单元106)以及功率单元108。控制单元106的输出通过控制线110耦合到功率单 元108的输入端。功率单元108的输出(Vmit)通过线路112耦合到一个或多个电子电路 104，并且还通过电压反馈线116耦合到控制单元106的输入端。功率单元108的第二输 出通过电流反馈线IH(I2)耦合到控制单元106的第二输入端。因此，采用来自功率单元 108的电压和电流反馈，控制单元106可控制功率单元108 (以及电压供给单元102)的运 行模式。例如，如果功率单元108驱动正常负载或重负载则控制单元106使功率单元108 以脉宽调制(PWM)模式运行，或者如果功率单元108驱动轻负载则控制单元106使功率 单元108以脉冲频率调制(PFM)模式(也称作“脉冲串模式”)运行。注意，术语“轻 负载”，“正常负载”或者“重负载”是本领域的术语，它们的实际值仅是设计约束条 件。在任何情况下，采用从功率单元108接收的电压和电流反馈信号，控制单元106能 平滑从PFM模式到PWM模式的运行过渡，因此使得不合需要的输出电压“凹点”(dip) (下降)或者“凸点”(上升)最小化。在这点上，根据本发明，具有可开关补偿电路 的控制单元106用来在电压供给单元102中提供经补偿的脉冲串模式控制。图2是电压供给电路200的示意性框图，其可用来实现本发明的一个实施例。例 如，电压供给电路200可用于实现图1所示的电压供给单元102。同样，在一个实施例 中，电压供给电路200可以是开关调压器，诸如用于开关模式电源、降压变换器或者逐 步降压变换器等的调压器。同样，在一个实施例中，电压供给电路200可被实现为例如 采用互补型金属氧化物半导体(CMOS)制造技术的集成电路(IC)。然而，在其他实施例 中，电压供给电路200可以采用一个或多个IC以及一个或多个分立电子部件或器件(例 如，电感器、晶体管等等)来实现。参考图2，电压供给电路200包括控制单元202以及功率单元204。例如，控制 单元202和功率单元204可用于分别实现图1所示的控制单元104和功率单元108。控制 单元202包括信号放大器206。信号放大器206的输出耦合到第一开关单元208的第一触 点208a、节点COMP 209、以及第一信号比较器210的第一(例如正)输入端。第一开 关单元208的第二触点208b耦合到补偿电路212的一侧，该补偿电路212由电容器214、 218以及电阻器216组成。补偿电路212的第二侧耦合到放大器206的第一(例如负)输 入端以及分压网络222，该分压网络222由电阻器224、226、228以及电容器230组成。 放大器206的第二(例如正)输入端耦合到第一参考电压源(Vrefi) 220的正端子。第一 信号比较器210的第二(例如负)输入端耦合到第二参考电压源(VREF2) 232。注意，第 一信号比较器210周围的部件提供滞后带，这样如果在节点COMP 209上的信号或者来自 第二参考电压源(Vref2) 232的电压中出现噪声，可确保第一信号比较器210不会错误地触 发或者跳动。控制电路202还包括开关控制器234、模式选择器单元236、以及第二信号比较 器238。开关控制器234的输出通过控制线(LOOP，回路)240耦合到第一开关单元208 的控制输入端。另外，模式选择器236的第一输出通过控制线242耦合到开关控制器234
6的第一输入端，而模式选择器236的第二输出通过控制线244耦合到第二信号比较器238 的第一输入端。第二信号比较器238的输出通过控制线246耦合到开关控制器234的第 二输入端，并通过控制线248耦合到第二开关单元250的控制输入端。第二开关单元250 的第一触点250a耦合到第一参考电压源(Vrefi) 220的负端子，而第二开关单元250的第 二触点250b耦合到偏置电压源(Vqfs) 252的正端子。偏置电压源(Vqfs) 252的负端子耦合 电路接地。分压网络222中的电压反馈(Vfb)节点邪4通过线路256耦合到第二信号比较 器238的第二输入端和模式选择器236的第二输入端。第一补偿阈值信号(COMP1) 258通 过线路258耦合到第二信号比较器238的第三输入端，而第二补偿阈值信号(COMI52UeO 通过线路260耦合到第二信号比较器238的第四输入端。补偿阈值信号258、260的值是 预定义的。在一个实施例中，第二补偿阈值信号^O(COMP2)的值大于第一补偿阈值信 号 258 (COMP1)的值。
功率单元204包括第一驱动器沈2以及第二驱动器沈4。控制单元202中的第一 信号比较器210的输出通过线路261耦合到第一驱动器沈2的输入端以及第二驱动器264 的反相输入端。例如，线路261可用于实现图1所示的线路110。第一驱动器沈2的输 出端耦合到第一晶体管266的控制栅，而第二驱动器沈4的输出端耦合到第二晶体管268 的控制栅。在一个实施例中，每个晶体管沈6、268例如可以是P型MOS场效应晶体管 (MOSFET)。在第二实施例中，晶体管266可以是P型晶体管，而晶体管268可以是N型 晶体管，反之亦可。在第三实施例中，每个晶体管沈6、268可以是N型晶体管。在任 何情况下，注意用于实现晶体管266、268的晶体管的类型仅仅是设计约束条件。然而， 如果采用两个N型或P型晶体管作为晶体管沈6、268,则驱动器沈2、264中的一个应该 是反相型。第一晶体管266的漏极耦合到电源电压(Vin)。第一晶体管沈6的源极耦合 到第二晶体管268的漏极以及电感器270的第一端子。第二晶体管沈8的源极耦合到电 路接地。电感器270的第二端子耦合到电容器272和电阻器274的第一侧，而电容器272 和电阻器274的第二侧耦合到电路接地。注意，在一个实施例中，电阻器274被用作外 部负载。因此，在图2中电阻器274被示为在功率单元200外部。功率单元204(以及 电压供给电路200)的输出连接(Vqut) 276通过电压反馈(％B)线278耦合到电阻器2 和 电阻器228的第二侧。此外，电感器270的第二端子通过电流反馈Ct2)线280耦合到模 式选择器236的第二输入端。例如，电压反馈(Vfb)线278以及电流反馈(I2)线280可 分别用于实现图1所示的电压反馈线116和电流反馈线114。
实质上，放大器206和分压网络222中的电阻器224、2 形成了反馈回路的一 部分，用于将输出电压Vcjut维持在几乎等于第一参考电压VREF1，并由此为所涉及的反 馈回路提供稳定性。此外，如果功率单元204驱动轻负载，则电压供给电路200适于以 PFM(脉冲串)模式运行，或者如果功率单元204驱动正常负载或重负载，则电压供给电 路200适于以PWM模式运行。如上所述，注意术语“轻负载”，“正常负载”或者“重负载”是本领域的术语，其实际值仅仅是设计约束条件。
在运行中，输出电压(V。UT) 276通过线路278耦合到反馈节点254。电阻器224、 2 对输出电压(Vqut) 276分压，以在节点邪4上产生合适的电压反馈信号(Vfb)。节点 254处的电压反馈信号Vfb耦合到信号放大器206、第二信号比较器238以及模式选择器 236的输入端。同时，流过电感器270的电流I1随着负载电阻器274(外部提供的)的电阻变化而反比例变化。选择成电流I1的合适比例的反馈电流I2耦合到模式选择器236的 输入端。因此，模式选择器236被启用来监测和使用电压反馈信号Vfb以及电流反馈信 号12，以确定电压供给电路200的运行模式。注意，在另一实施例中，处理器(例如微 处理器)可用于监测表示负载大小的信号，并且将合适信号(与负载大小相关联)输出给 模式选择器236，这使得模式选择器236能确定电压供给电路200的运行模式。模式选择器236接收反馈电压Vfb以及反馈电流12，并且利用它们的值来确定负 载电阻器274的电阻值是否小于或等于预定义值(例如，与“正常”负载相关联的电阻 值)。如果负载电阻器274的电阻值小于或者等于预定值，则模式选择器236将关断第 二信号比较器238的控制信号T1发送给第二信号比较器238。同样，模式选择器236将
“断言”信号S2发送给开关控制器234，该信号S2使第一开关单元208闭合(例如，将 触点208a耦合到触点208b)并且因此使电压供给电路200以PWM模式运行。通过使电压供给电路200以PWM模式运行，信号放大器206放大差分电压(例 如，电压反馈信号Vfb和第一参考电SVrefi之间的差)并且将经放大差分电压提供给第 一信号比较器210。第一信号比较器210又将从信号比较器206接收的经放大差分电压与 第二参考电压Vref2(例如“斜坡”电压)进行比较。如果经放大差分电压大于第二参考 电压(VREF2)，则第一信号比较器210输出使得第一晶体管266导通因而向电感器270提供 电流的合适信号。或者，如果经放大差分电压小于或等于第二参考电压(Vref2)，则第一 信号比较器210输出使得第二晶体管268导通因而将电流从电感器270取出的合适信号。 因此，来自第一信号比较器210的输出信号被用来控制电感电流I1以及输出电压V。ut的幅 值。如果模式选择器236接收反馈电压Vfb以及反馈电流I2并且确定负载电阻器274 的电阻值大于预定义值(例如与“轻”负载相关联的电阻值)，则模式选择器236向第 二信号比较器238放出导通第二信号比较器238的控制信号T115另外，模式选择器236 向开关控制器234发送使得第一开关单元208断开因此使得电压供给电路200以PFM(脉 冲串)模式运行的“取消断言”信号S2。通过电压供给电路200以PFM模式运行，第二信号比较器238将反馈电压Vfb的 值与第一和第二补偿阈值信号COMP1. COMP2W值进行比较。如果第二信号比较器238 确定反馈电压Vfb的值小于第一补偿信号COMP1的值，则第二信号比较器238向第二开 关单元250发送使得第二开关单元250闭合因此将偏置电压源Vqfs与第一参考电压Vrefi 串联耦合的“断言”信号Si。此外，第二信号比较器238向开关控制器234发送使得第 一开关单元208闭合(例如，采用控制信号“回路”)的“断言”信号Si。因此，如果 电压供给电路200以PFM模式运行，且反馈电压Vfb的值小于第一补偿阈值信号COMP1 的值，则补偿电路212(例如，电容器214、218和电阻器216)被用来将来自信号放大器 206的第一输入端的反馈电压Vfb耦合到其输出端。同样，施加到信号放大器206的第二 输入端的电压从第一参考电压Vrefi的值增大到等于第一参考电压220和偏置电压源电压 252之和的值(例如，VREF1+V0FS)。在电压供给电路200以PFM模式运行的情况下，如果第二信号比较器238确定 反馈电压Vfb的值大于第二补偿阈值信号COMP2的值，则第二信号比较器238发送出
“取消断言”信号Si。该“取消断言”信号S1H第二开关单元250断开，这将使偏置
8电压源Vras从信号放大器206的第二输入解耦。另外，“取消断言”信号S1使得开关控 制器234采用控制信号回路来打开第一开关单元208。因此，如果电压供给电路以PFM 模式运行，并且反馈电压Vfb的值大于第二补偿电压COMP2的值，则补偿电路212并不 连接在信号放大器206的第一输入端与其输出端之间。此外，施加到信号放大器206的 第二输入端的电压是第一参考电压VREF1220。当以PFM模式运行时，第一开关单元208 周期性断开和闭合，其周期性地刷新耦合到信号放大器206两端的补偿回路(例如补偿电 路212)并且由此使得节点COMP 209上的电压变化最小。
图3是示出与在脉冲频率调制(PFM)和脉冲宽度调制(PWM)模式运行之间变 换的电压供给电路200相关联的电压和电流波形的示图300。具体而言，图300示出了如 果电压供给电路200以PFM模式运行以及当电压供给电路200从PFM模式变换到PWM 模式时，输出电压VQUT、施加到电感器270的相电压Vphase以及流过电感器270的电流 IL0 (I1)的变化。
参考图2和3，如302所示，当流过电感器270的电流ILtl的值小于PFM电流阈 值的值时，从信号放大器206的负输入端到输出端的补偿回路(例如，由补偿电路212形 成)开路(例如，Vphase为零)。同样，如304所示，当输出电压Vcjut的值下降到额定 值(例如在本实施例中接近1.20V)时，电感器270被再次充电(例如，那时ILtl的值从 OA上升到8A)。此外，如306所示，当电压供给电路200切换到PWM模式时，从PFM 模式到PWM模式的变换是平滑的，这是因为补偿电容器214、218上的电荷对于两种运 行模式均保持稳定。注意，输出电压Vcjut中小的凹点是由于补偿电路212的部件本身的 延迟所导致的。
图4是示出与在PFM和PWM模式运行之间变换的电压供给电路200相关联的 多个信号的时序的示图400。参考图2和4，注意，在时刻^和。、和、，以及、和、 之间的时间段，电压供给电路200以PFM模式运行，第二信号比较器238输出使得开关 控制器234输出控制信号回路、将补偿回路(例如，采用补偿电路21 耦合到信号放大 器206两端的控制信号Si。同样，控制信号S1使得第二开关单元250闭合，这将偏置电 压源V。FS (例如斜坡)添加到第一参考电压Vrefi上。因此，在402、404以及406，第一 参考电压VREF1、输出电压Vqut以及电感器电流I1结果分别被示为是增加的。在时刻t6， 电压供给电路200被切换成以PWM模式(在408)运行。
更精确地，在时刻t1;输出电压Vcjut降至额定值，触发新的闭环补偿间隔。在 时刻^和^之间的闭环补偿间隔期间，第一参考电压Vrefi由偏置电压源Vqfs采用相对慢 的转换速率从额定值增加，而输出电压Vcjut在闭环补偿回路的控制下增加。注意，在时 刻t2，电感器电流I1的值小于预定义阈值信号的值。因此，补偿回路在下一个时间间隔 (例如，在时刻、和、之间)开路，同时电压供给电路200继续以PFM模式运行。在时 刻t6，电感器电流I1的值被示为大于预定义阈值信号的值，这使得电压供给电路200切换 成PWM模式运行。
图5是示出与在PFM和PWM运行模式之间变换的电压供给电路200相关联的多 个第二信号的时序的示图500。具体而言，参考图2和5，在时刻t1;电压供给电路200 被示为从PWM模式切换到PFM模式，并且分别示出在502、504和506，电感器电流值 I1^输出电压V。UT、以及在节点COMP 209上的补偿电压。注意，在节点COMP 209上的补偿电压的变化相对较小。 尽管特定的实施例已经在本文中示出和描述，但是本领域普通技术人员应该清 楚，为了实现相同目的而考虑的任何设置可替代所示出的特定实施例。因此，本发明旨 在仅由权利要求及其等效物所限定。
权利要求
1.一种系统，包括至少一个电子电路；以及耦合到所述至少一个电子电路的输入端的电压供给单元，所述电压供给单元包括向所述至少一个电子电路提供电压的功率单元；以及控制所述功率单元的运行模式的控制单元，所述控制单元的输出端耦合到所述功率 单元的输入端，所述控制单元包括选择所述功率单元的运行模式，并且耦合到所述功率单元的至少第一输出端的模式 选择器；耦合到所述功率单元的所述至少第一输出端的放大器；补偿电路；以及耦合到所述模式选择器以及所述补偿电路、以在所述功率单元的所选运行模式是第 一模式时将所述补偿电路耦合到所述放大器的第一开关单元。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一模式是脉冲频率调制(PFM)模式。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功率单元的所述至少第一输出端是电 压输出端。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述模式选择器进一步耦合到所述功率单 元的第二输出端。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述模式选择器进一步耦合到所述功率单 元的第二输出端，并且所述功率单元的第二输出端是电流输出端。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，如果所选运行模式是脉宽调制(PWM)模 式，则使所述第一开关单元能将所述补偿电路从所述放大器断开。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述放大器进一步耦合到参考电压源，且 所述放大器的输出是与所述参考电压源的值与所述功率单元第一输出端的值之间的差相 关联的值。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电压供给电路采用至少一个集成电路 (IC)实现。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个电子电路是中央处理器单元 (CPU)、多处理器单元、随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)、硬盘驱动器、大 容量存储单元、显示单元、输入/输出(I/O)单元、发射单元、接收单元、中频(IF)单 元、信号处理单元、音频处理器单元、数据处理器单元、通信总线、或可充电电池中的 一种或多种。
10.—种电压供给电路，包括输出直流(DC)电压的功率单元，所述功率单元包括电感器以及对所述电感器充电或 放电的至少一个晶体管；以及控制所述功率单元的运行模式、耦合到所述至少一个晶体管的控制单元，所述控制 单元包括模式选择器，所述模式选择器用于接收与流过所述电感器的电流相关联的电压信号 和电流信号中的至少一个，并且响应于所述电压信号和电流信号中的至少一个来选择功率单元运行的脉宽调制(PWM)模式以及脉冲频率调制(PFM)中的至少一种；放大器，所述放大器用于接收参考电压信号和所述电压信号，并输出与所述参考电 压信号的值和所述电压信号的值之间的差相关联的信号；补偿电路，所述补偿电路用于平滑所述功率单元到PWM模式和PFM模式中的至少 一个的模式变换；以及第一开关单元，所述第一开关单元耦合到所述模式选择器和所述补偿电路，以在所 述功率单元的所选运行模式是第一模式时将所述补偿电路耦合到所述放大器。
11.如权利要求10所述的电压供给电路，其特征在于，所述第一模式是PFM模式。
12.如权利要求10所述的电压供给电路，其特征在于，所述电压信号是电压反馈信 号，而所述电流信号与流过所述电感器的电流成比例。
13.如权利要求10所述的电压供给电路，还包括信号比较器，所述信号比较器用于接 收所述电压信号，并且如果第一模式是PFM模式，响应于所述电压信号和所述模式选择 器，将补偿电路耦合到所述放大器或者从所述放大器解耦。
14.如权利要求10所述的电压供给电路，其特征在于，所述至少一个晶体管是金属氧 化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
15.如权利要求10所述的电压供给电路，其特征在于，所述电压供给电路采用互补型 MOS (CMOS)制造技术来实现。
16.如权利要求10所述的电压供给电路，其特征在于，所述电压供给电路在IC中实现。
17.如权利要求10所述的电压供给电路，其特征在于，所述电压信号的值以及所述电 流信号的值与功率单元上的输出负载的值相关联。
18.如权利要求10所述的电压供给电路，其特征在于，所述电压供给电路是开关调压
19.如权利要求10所述的电压供给电路，其特征在于，所述电压供给电路是开关模式 电源。
20.—种用于电压供给电路的控制单元，包括模式选择器，所述模式选择器用于选择电压供给电路的运行模式、并且耦合到所述 电压供给电路的第一输出端；耦合到所述电压供给电路的第一输出端的放大器；补偿电路；以及第一开关单元，所述第一开关单元耦合到所述模式选择器以及所述补偿电路，以在 电压供给电路的所选运行模式是第一模式时将所述补偿电路耦合到所述放大器。
21.如权利要求20所述的控制单元，其特征在于，所述第一模式是PFM模式。
22.如权利要求20所述的控制单元，其特征在于，所述电压供给电路的第一输出端是 电压输出端。
23.如权利要求20所述的控制单元，其特征在于，所述模式选择器进一步耦合到所述 电压供给电路的第二输出端。
24.如权利要求20所述的控制单元，其特征在于，所述模式选择器进一步耦合到所述 电压供给电路的第二输出端，所述电压供给电路的第二输出端是电流输出端。
25.如权利要求20所述的控制单元，其特征在于，如果所选运行模式是PWM模式， 则使所述第一开关单元能将所述补偿电路从所述放大器解耦。
26.如权利要求20所述的控制单元，其特征在于，所述放大器进一步耦合到参考电压 源，且所述放大器的输出是与所述参考电压源的值和所述电压供给电路的第一输出端的 值之间的差相关联的值。
27.如权利要求20所述的控制单元，其特征在于，所述控制单元采用IC实现。
28.—种控制电压供给电路的方法，包括接收与流过所述电压供给电路的电感器的电流相关联的电压信号和电流信号中的至 少一个；响应于所述电压信号和电流信号中的至少一个，选择所述电压供给电路的PWM运行 模式和PFM运行模式中的至少一种；以及使所述电压供给电路的功率单元变换到PWM运行模式或PFM运行模式平滑。
29.如权利要求28所述的方法，还包括如果所述电压供给电路以PFM模式运行，则将所述补偿电路耦合到所述电压供给电路。
30.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述接收、选择和平滑在IC中执行。
全文摘要
公开了一种系统、电压供给电路、用于电压供给电路的控制单元、以及控制电压供给电路的方法。例如，揭示了包括至少一个电子电路以及耦合到该至少一个电子电路的输入端的电压供给电路的系统。该电压供给单元包括向至少一个电子电路提供电压的功率单元以及控制该功率单元的运行模式的控制单元，该控制单元的输出端耦合到功率单元的输入端。该控制单元包括选择该功率单元的运行模式、并且耦合到该功率单元的至少第一输出端的模式选择器；耦合到功率单元的该至少第一输出端上的放大器；补偿电路；以及耦合到模式选择器以及补偿电路的第一开关单元，如果该功率单元的所选运行模式是第一模式则该第一开关单元将补偿电路耦合到该放大器。
文档编号H02M3/16GK102025279SQ20101053893
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者S·肖, 刘军, 裘卫红 申请人:英特赛尔美国股份有限公司