一種雙模式直流-直流功率轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種雙模式直流-直流功率轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，該雙模式直流-直流節(jié)能轉(zhuǎn)換器有一個第一開關(guān)控制電路和一個第二開關(guān)控制電路。第一開關(guān)控制電路連接到第一電流傳感器，第二開關(guān)控制電路連接到第二電流傳感器。兩個電流傳感器連接到一個控制邏輯，這個控制邏輯用于啟用和禁用所述第一和第二開關(guān)控制電路。第一開關(guān)控制電路比第二開關(guān)控制電路消耗更少功率?？刂七壿嬙诘碗娏髫?fù)載時激活第一開關(guān)控制電路，并在高電流負(fù)載時激活第二開關(guān)控制電路。其它系統(tǒng)和方法已被公開。
【專利說明】一種雙模式直流-直流功率轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明一般涉及電池供電設(shè)備的電源，特別是一種雙模式直流-直流功率轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】:
[0002]電池供電的電子設(shè)備，如手提電腦，移動電話，計算器等，需要由電池供電設(shè)備的電壓輸出轉(zhuǎn)換成電路設(shè)備所需要的電壓。通常情況下，一個可充電電池可產(chǎn)生1.5伏的電壓。在一些應(yīng)用中，一些電池串聯(lián)，從而將輸出電壓從1.5伏提高到更高的電壓，如提高到6至12伏。然而，大多數(shù)集成電路通常使用大部分電池供電的電子設(shè)備，它需要5.0伏或
3.3伏的電壓供給。因此，由電池產(chǎn)生的電壓必須被轉(zhuǎn)換成電路設(shè)備所需的電壓。
[0003]開關(guān)穩(wěn)壓器為直流-直流功率轉(zhuǎn)換提供了一個模式。圖2(a)是一個簡化的示意圖，它示出一個開關(guān)穩(wěn)壓器。一個開關(guān)穩(wěn)壓器可以被看作是，一個反相器電路連接到一個由電感器和電容組成的低通濾波器。反相器電路產(chǎn)生一個方波電壓的波形，它在脈沖期間具有導(dǎo)通時間，在脈沖之間具有關(guān)斷時間。該低通濾波器使波形變得平滑，從而產(chǎn)生一個幾乎恒定的直流電壓電平。在導(dǎo)通時間期間，電容充電，在關(guān)斷時間期間，電容放電。通過控制由交換網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的電壓脈沖的持續(xù)時間和頻率，即通過控制導(dǎo)通時間與關(guān)斷時間，電壓電平被開關(guān)穩(wěn)壓器調(diào)整。導(dǎo)通時間與導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間的總時間的比值被稱為為占空比。通過降低占空比，電壓被降低，因為電容的充電時間被縮短，而放電時間被延長。相反，通過增加占空比，電壓被增加，因為充電時間會加長，而放電時間會縮短。
[0004]開關(guān)穩(wěn)壓器的一種形式是在反相網(wǎng)絡(luò)中使用晶體管作為開關(guān)。通過提供一個電流或電壓到晶體管的柵極，這些開關(guān)被接通和關(guān)斷。該晶體管的接通和關(guān)斷的頻率是由一個脈寬調(diào)制器(PWM)控制的。這樣的控制器被稱為脈寬調(diào)制控制器。一個脈寬調(diào)制控制器的一個例子是在美國加利福尼亞州的圣克拉拉，美國國家半導(dǎo)體公司的LM1575系列穩(wěn)壓器。
[0005]一種便攜式裝置的值與移動設(shè)備的電池壽命成正比。因此，盡量減少設(shè)備的功耗是非常重要的。許多技術(shù)已被實施，以減少功耗，從而延長便攜式設(shè)備的電池壽命。對于便攜式計算機(jī)，在空閑時間內(nèi)，這種技術(shù)包括關(guān)閉顯示器和/或微處理器。雖然顯示器和微處理器是重要功率消耗源，電源也還消耗著相當(dāng)大量的功率。
[0006]在一個開關(guān)穩(wěn)壓器中，在低負(fù)載時，通過減小占空比，功率消耗可以被降低。然而，仍然有一個相對高的功率消耗在交換網(wǎng)絡(luò)中，由于晶體管的電容和偏置電流。偏置電流是保持電路的活性所需的電流。即使電路不切換，偏置電流也是晶體管反相器網(wǎng)絡(luò)需要的電流。
[0007]美國專利中，專利號5028861佩斯等人描述了一種通過一個直流-直流轉(zhuǎn)換器，減少電源功率消耗的方法。這種方法包括一種調(diào)節(jié)裝置，從而功率轉(zhuǎn)換的接通和關(guān)斷取決于輸出電壓。當(dāng)輸出電壓增至超過預(yù)定閾值時，轉(zhuǎn)換器被關(guān)斷，從而允許電容放電到一個下限值。在該下限，功率轉(zhuǎn)換被重新激活，從而使電容充電。在高電流負(fù)載和低電流負(fù)載期間，功率轉(zhuǎn)換開和關(guān)之間的改變導(dǎo)致了一個相對比較大的紋波電壓。具有很大的紋波電壓是不利的，因為它把一個較大的過濾負(fù)擔(dān)放到了設(shè)備的功能電路上。
[0008]此外，美國專利中，專利號為5028861的文件中，闡述的在低負(fù)載時的技術(shù)是相對低效的，因為甚至在低負(fù)載時，功率轉(zhuǎn)換也要被打開和關(guān)閉，因此需要在晶體管的柵極和偏置電路上施加一個電壓。
[0009]此外，被描述在美國專利，專利號為5028861的文件中，由控制器產(chǎn)生的輸出電壓
波形一直在變頻。
[0010]另一種節(jié)能技術(shù)的例子由加利福尼亞州，米爾皮塔斯的凌力爾特公司(LinearTechnology Corporation)的LTCL148系列開關(guān)穩(wěn)壓控制器闡述。在高電流負(fù)載時，LTCL148展示了一個脈寬調(diào)制控制器的行為。在低電流負(fù)載時，LTCL 148允許輸出電壓打破常規(guī)地抵達(dá)一個上限。在這個階段，LTCL 148與美國專利，專利號5028861中描述的控制器類似，在上限時，功率轉(zhuǎn)換被關(guān)斷，電容被允許放電，直到輸出電壓下降到下限。當(dāng)輸出電壓下降到低于下限時，LTCL 148返回到脈寬調(diào)制模式，即它通過接通和關(guān)斷開關(guān)晶體管的柵極電壓來控制功率轉(zhuǎn)換。因此，LTCL 148在低電流負(fù)載操作期間是低效的，因為它接通和關(guān)斷開關(guān)晶體管的柵極電壓。
[0011]所述LTCL 148依靠外部設(shè)備進(jìn)行電流檢測。它依賴一個用于確定流過開關(guān)電路電流的感測電阻器。該電阻是在低負(fù)載和高載時，產(chǎn)生功耗的進(jìn)一步原因。此外，當(dāng)輸入電壓改變時，LTCL 148改變開關(guān)頻率，這給電路加上了一個更大范圍的噪聲濾波負(fù)擔(dān)。
[0012]因此，需要提供一種系統(tǒng)和方法，用于直流-直流功率轉(zhuǎn)換，在低負(fù)載時，節(jié)省電量，以及參考現(xiàn)有技術(shù)，克服上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0013]本發(fā)明的一個目的是延長電池供電的電子設(shè)備的電池壽命。
[0014]本發(fā)明的進(jìn)一步目的在于，在電源負(fù)載光電流時節(jié)省功耗。
[0015]本發(fā)明的再一個目的，在電源負(fù)載電流時，提供芯片上的感測。
[0016]本發(fā)明的又一目的是，它使用電流負(fù)載的芯片上的感測，在一個高電流負(fù)載功率轉(zhuǎn)換電路和一個低負(fù)載的功率轉(zhuǎn)換電路之間選擇。
[0017]本發(fā)明的再一個目的，是為電池供電設(shè)備提供雙模直流-直流功率轉(zhuǎn)換。
[0018]本發(fā)明的又一個目的，是在高電流負(fù)載時提供一個低輸出紋波電壓。
[0019]本發(fā)明的再一個目的，是在高電流負(fù)載時，提供一個恒定的脈寬調(diào)制的開關(guān)頻率。
[0020]本發(fā)明的又一個目的是，在節(jié)能模式期間，提供一個直線充電。
[0021]本發(fā)明的再一個目的，是提供在一個高電流負(fù)載的功率轉(zhuǎn)換電路和一個低電流負(fù)載的功率轉(zhuǎn)換電路之間自動選擇。
[0022]本發(fā)明的進(jìn)一步的目的，是在輕負(fù)載時完全關(guān)閉脈寬調(diào)制的功率轉(zhuǎn)換。
[0023]本發(fā)明的進(jìn)一步目的，是提供一個低負(fù)載的直流-直流功率轉(zhuǎn)換方案，并與高電流負(fù)載模式的直流-直流功率轉(zhuǎn)換方案相獨立。
[0024]本發(fā)明的進(jìn)一步的目的，在于提供外部的裝置，以調(diào)整，用于在高電流負(fù)載的功率轉(zhuǎn)換電路和低電流負(fù)載的功率轉(zhuǎn)換電路之間進(jìn)行選擇的閾值。
[0025]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:
[0026]根據(jù)本發(fā)明，提供了一種直流-直流功率轉(zhuǎn)換器，它包括一個高功率直流-直流轉(zhuǎn)換器和一個低功率的直流-直流轉(zhuǎn)換器。該直流-直流功率轉(zhuǎn)換器還包含用于檢測該直流-直流功率轉(zhuǎn)換器上的電流負(fù)載的電路。它還包括選擇電路，用于執(zhí)行在高功率直流-直流轉(zhuǎn)換器和低功率直流-直流轉(zhuǎn)換器之間的開關(guān)操作。在高電流負(fù)載的情況下，該選擇電路選擇高功率直流-直流轉(zhuǎn)換器，在低電流負(fù)載時，則選擇低功率直流-直流轉(zhuǎn)換器。
[0027]本發(fā)明還有其它的目的和優(yōu)點，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，它們將從下面的詳細(xì)描述中變得顯而易見，其中，所述的優(yōu)選實施例將被示出和描述，通過對實現(xiàn)該發(fā)明的最佳模式的簡單闡述。正如將會意識到的那樣，本發(fā)明可以有其他不同的實施例，它的若干細(xì)節(jié)能夠在各個明顯的方面得到修改，所有這些都不背離本發(fā)明。因此，附圖和說明書應(yīng)被認(rèn)為是說明性的，而不是限制性的。
[0028]對比專利文獻(xiàn):CN201663547U直流-直流轉(zhuǎn)換器200920002362.9【專利附圖】

【附圖說明】:
[0029]圖1是一個手提電腦的體系結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0030]圖2(a)是脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓器直流-直流電源轉(zhuǎn)換器的示意圖。
[0031]圖2(b)是由反相器電路產(chǎn)生的電壓的波形。
[0032]圖2(c)是由一個低通濾波器過濾之后的電壓波形。
[0033]圖3是根據(jù)本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換器的方框圖。
[0034]圖4是根據(jù)本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換器的示意圖。
[0035]圖5(a)示出了根據(jù)本發(fā)明的一個直流-直流轉(zhuǎn)換器的休眠模式的輸出電壓的波形的曲線圖。
[0036]圖5(b)示出本發(fā)明的遲滯轉(zhuǎn)換器的輸出信號的波形曲線圖。
[0037]圖5(c)示出了本發(fā)明所使用的感測電容兩端的電壓波形的曲線圖。
[0038]圖6(a)是一個曲線圖，它示出一個直流-直流轉(zhuǎn)換器上的電流負(fù)載，一個直流-直流轉(zhuǎn)換器上的平均電流負(fù)載，以及根據(jù)本發(fā)明，一個直流-直流轉(zhuǎn)換器所使用的一個脈寬調(diào)制脈沖。
[0039]圖6 (b)是根據(jù)本發(fā)明的振蕩器斜波波形。
[0040]圖6(c)是根據(jù)本發(fā)明，為振蕩器斜波的一倍的波形。
【具體實施方式】:
[0041]圖1是一個手提電腦100的示意圖。雖然在手提電腦的上下文中，本發(fā)明已描述，但是本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員會將其實現(xiàn)到許多其它的應(yīng)用中，例如，移動電話，尋呼機(jī)，電子計算器，便攜式數(shù)據(jù)庫設(shè)備，全球衛(wèi)星定位(GPS)系統(tǒng)，以及其它電池供電的電子設(shè)備中。
[0042]手提電腦100包括一個連接到的顯示屏103的中央處理單元101，一個隨機(jī)存儲器(RAM) 105, 一個只讀存儲器107, —個外部磁盤驅(qū)動器109和一個內(nèi)部磁盤驅(qū)動器111。手提電腦100是由電池113供電。電池113可能是可再充電的鎳鎘(n1-cad)電池，它包括一個或多個單元，每個單元生產(chǎn)約1.5伏的電壓。通過串聯(lián)多個鎳鎘電池，電池113可以產(chǎn)生更大的電壓，例如，1.5伏，3.0伏，4.5伏，6伏，9伏和12伏。此外，在手提電腦100的操作過程中，由手提電腦100消耗的功率會導(dǎo)致電池的電壓輸出在一定范圍內(nèi)變化。舉一個例子，在一個實施例中，電池113包括8個串聯(lián)的鎳鎘電池，它組合產(chǎn)生的電壓在O至12伏的范圍內(nèi)，其中，O伏表不完全耗盡的電池，12伏表不完全充電的電池。電池113的輸出電壓通過電源線115被提供。
[0043]中央處理單元101，外部磁盤驅(qū)動器109和顯示屏103各自對電壓進(jìn)行操作，電壓可能是彼此不同的，而且都來自電池113的輸出電壓。電源線115上的輸出電壓由直流-直流功率轉(zhuǎn)換器117a，分別經(jīng)過117c，轉(zhuǎn)換成中央處理單元101，外部磁盤驅(qū)動器109，顯示屏103所需要的電壓。根據(jù)本發(fā)明，每一個直流-直流功率轉(zhuǎn)換器117a至117c可以是功率轉(zhuǎn)換器，正如下面結(jié)合圖3所描述的那樣。
[0044]電池113的輸出可能是在不同的范圍，例如，從O伏到12伏。來自直流-直流變換器117a至117c的輸出電壓都是相對穩(wěn)定的，因此，要分別提供設(shè)備的電源所需要的電壓。通常情況下，像中央處理單元101這樣的集成電路，額定電壓是3.3伏或5.5伏。其他電壓，例如2.0伏，也是可以運(yùn)行的。因此，根據(jù)中央處理單元101的電壓要求，連接直流-直流轉(zhuǎn)換器117a和中央處理單兀101的電源線119上的輸出電壓是一個穩(wěn)定電壓。同樣，連接直流-直流轉(zhuǎn)換器117b和外部磁盤驅(qū)動器109，以及連接直流-直流轉(zhuǎn)換器117c和顯示屏103的電源線121和123上的輸出電壓，分別對應(yīng)外部磁盤驅(qū)動器109和顯示屏103的電壓要求。
[0045]中央處理單元經(jīng)由導(dǎo)線125，為顯示屏103提供數(shù)據(jù)和控制信號，并通過導(dǎo)線131，為外部磁盤驅(qū)動器109提供數(shù)據(jù)和控制信號。此外，中央處理單元101分別通過導(dǎo)線127，129，和133，為RAM 105，ROM 107，以及內(nèi)部磁盤驅(qū)動器111提供數(shù)據(jù)，控制和電源。
[0046]電池113通過導(dǎo)線137被電池充電器135充電。該電池充電器135通過電線141，被連接到一個交流/直流電源139。該交流/直流電源通過連接器143和導(dǎo)線145被連接到一個交流電壓源。該交流電壓源可作為家庭或辦公室內(nèi)，提供120伏交流電的電源插座。交流/直流電源139的輸出假如是7.5伏的直流。來自交流/直流電源139的直流輸出，可直接經(jīng)由導(dǎo)線147提供到直流-直流電源轉(zhuǎn)換器117a至117c。
[0047]圖2 (a)是一個脈寬調(diào)制的開關(guān)穩(wěn)壓器的直流-直流功率轉(zhuǎn)換器200的一個簡化原理圖。脈寬調(diào)制的開關(guān)穩(wěn)壓器包括一個直流電源201。直流電源201可以是由一些串聯(lián)的鎳鎘電池組成的電池。直流電源201被連接到一個反相網(wǎng)絡(luò)203，該反向網(wǎng)絡(luò)由兩個反相開關(guān)205和207組成。開關(guān)205和207可以是場效應(yīng)管。開關(guān)的頻率是由一個開關(guān)控制信號Q進(jìn)行控制的。信號Q被反相器208反相。在這個例子中，開關(guān)205和207都是場效應(yīng)管，開關(guān)控制信號Q由一個脈寬調(diào)制器(PWM)產(chǎn)生，圖中未示出。信號Q被發(fā)送到對應(yīng)開關(guān)205的場效應(yīng)管，Q的倒數(shù)被發(fā)送到柵極207，從而交替接通和關(guān)斷場效應(yīng)管。反相網(wǎng)絡(luò)203有兩個輸出端，209和211。當(dāng)Q為高電平(邏輯I)時，開關(guān)205被關(guān)閉，開關(guān)207被打開，從而在端子209和211之間產(chǎn)生一個電壓。當(dāng)Q為低電平(邏輯0)，開關(guān)205被打開，開關(guān)207被關(guān)閉，從而端子209和211之間直接導(dǎo)通。后一種情況會導(dǎo)致端子209和211之間的電壓為零。
[0048]在高電流負(fù)載，高Q的脈沖的頻率高。
[0049]圖2(b)是在高電流負(fù)載時，開關(guān)控制信號Q的波形曲線圖。在圖2(b)的描述中，高電平Q (邏輯I)表示脈沖223a至223d?？臻g225a至225d代表低電平Q (邏輯O)。
[0050]返回圖2 (a)，反相網(wǎng)絡(luò)203連接到一個低通濾波器213。低通濾波器213包括一個電感器215和一個電容217。端子209也連接到電感器215，而后者又連接到電容217。端子211也被連接到電容217。低通濾波器213的輸出電壓可以通過接線端219和221之間獲得。端子219被連接到電感器215，電容217和端子221之間的低通濾波器，而端子211被連接到電容217和端子211之間的低通濾波器213。
[0051]在高電平Q的期間，端子209和211導(dǎo)致電容217開始充電。在低電平Q期間，電容217放電。圖2(c)中示出端子219和221之間的結(jié)果電壓(Vtjut)的波形為波形231。圖2(c)是一個曲線圖，它示出了在連續(xù)操作模式期間，直流-直流電源轉(zhuǎn)換器200的輸出電壓圖形。
[0052]在連續(xù)操作模式期間，電壓波形保持相對平滑及恒定，如波形231所示，接近5.0伏。如果反相網(wǎng)絡(luò)203不連接到低通濾波器213，那么端子209和211之間的電壓波形，將具有類似Q的波形的形狀，正如圖2(b)中所示的波形227。
[0053]圖3是根據(jù)本發(fā)明，一個功率轉(zhuǎn)換器300的方框圖。功率轉(zhuǎn)換器300將輸入端319的輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換為輸出端321上的輸出電壓Vtjut,并包括一個自選直流-直流電源轉(zhuǎn)換器301，它連接到由電感器303和電容305組成的低通濾波器。該自選直流_直流轉(zhuǎn)換器301包含一個脈寬調(diào)制器(PWM) 307和一個遲滯轉(zhuǎn)換器309。該自選直流-直流轉(zhuǎn)換器301在高電流負(fù)載時使用脈寬調(diào)制307，并在低負(fù)載時使用遲滯轉(zhuǎn)換器309，分別驅(qū)動了由場效應(yīng)晶體管313和315組成一個交換網(wǎng)絡(luò)311。交換網(wǎng)絡(luò)311的輸出端被連接到由電感器303和電容305組成的低通濾波器。
[0054]自選直流-直流電源轉(zhuǎn)換器301進(jìn)一步由一個負(fù)載電流測量儀和轉(zhuǎn)換器選擇邏輯電路317組成，它同時連接到脈寬調(diào)制307和遲滯轉(zhuǎn)換器309。該負(fù)載測量電路和轉(zhuǎn)換器選擇電路317測量了輸出端321上的電流負(fù)載，并可以選擇脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器307或遲滯轉(zhuǎn)換器309。負(fù)載測量電路和轉(zhuǎn)換器選擇邏輯電路317在高電流負(fù)載期間選擇了脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器307，并在低電流負(fù)載期間選擇了遲滯轉(zhuǎn)換器309。當(dāng)遲滯轉(zhuǎn)換器被使用時，脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器307被完全關(guān)閉，遲滯轉(zhuǎn)換器309為場效應(yīng)管313和315的柵極提供了所有的控制信號。負(fù)載電流測量儀和轉(zhuǎn)換器選擇邏輯電路317，在脈寬調(diào)制307和遲滯轉(zhuǎn)換器309之間的選擇方式，在下面的圖4至6會有更詳細(xì)的描述。
[0055]圖4是根據(jù)本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換器300的一個實施例的示意圖。通過圖1中的連接115提供的輸入功率，即電池113的功率，通過端子319，被提供到電源轉(zhuǎn)換器300，則可得到輸出電壓，即通過端子321的中央處理單元101的電壓。
[0056]以上所討論的要結(jié)合圖3來看，在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，一個功率轉(zhuǎn)換器由一個脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器，一個遲滯轉(zhuǎn)換器，以及一個電流負(fù)載感測電路組成。在圖4的原理圖中，脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器307包括脈寬調(diào)制器401，該調(diào)制器被振蕩器403和一個誤差放大器405驅(qū)動。從振蕩器403來看，脈寬調(diào)制401的反相輸入是一個鋸齒電壓波形。而脈寬調(diào)制的非反相輸入是來自誤差放大器405的輸出。脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器的一條輸出線481通過“或”門427連接到反相網(wǎng)絡(luò)，并負(fù)載一個Q’信號。
[0057]該脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器307驅(qū)動一個反相電路402，它由驅(qū)動407和409的柵極組成，其中，407和409分別連接到場效應(yīng)管411和413柵極的407和409。在線481上，來自脈寬調(diào)制401的一個邏輯高電平Q’信號，通過柵極驅(qū)動器407被發(fā)送，使得場效應(yīng)管411導(dǎo)通，從而允許來自端子319的電流，流到一個由電感器415和電容417組成的低通濾波器，最后流到接地端419。場效應(yīng)管413與整流二極管414并聯(lián)。該場效應(yīng)管413降低了整流二極管414的功耗。
[0058]將誤差放大器405的輸出電壓除以電阻器407和409，再與一個參考電壓I進(jìn)行比較。在一個實施例中，參考電壓被設(shè)定為1.25伏，這是硅的初始帶隙電壓。
[0059]電阻器407和409被選擇，以使輸出電壓Vrat可以與參考電壓\進(jìn)行比較。誤差放大器405輸出一個信號，該信號控制脈寬調(diào)制401是輸出高電平Q，還是輸出低電平Q'。如果誤差放大器405感測到的Vtjut是低于參考電壓\的，則誤差放大器405輸出一個信號到脈寬調(diào)制401，來打開功率場效應(yīng)管411。因此，如果Vrat下降到低于\時，反向網(wǎng)絡(luò)402的占空比就增加。如果誤差放大器405感測到Vwt高于參考電壓 '，則誤差放大器405就輸出一個信號到脈寬調(diào)制401，來關(guān)閉功率場效應(yīng)管411，從而減少反相電路402的占空比。
[0060]脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器307還包括一個電阻器421和一個電容423。電阻器421連接在誤差放大器405的輸出端和脈寬調(diào)制401的非反相輸入端之間。電阻器421連接到電容423，電容423連接到位于電阻407和409之間的引腳473。電阻器421與電容423 —起為誤差放大器405提供補(bǔ)償。
[0061]電源300還包括一個遲滯功率轉(zhuǎn)換器309。遲滯功率轉(zhuǎn)換器309可能是一個遲滯比較器。遲滯功率轉(zhuǎn)換器309與反向網(wǎng)絡(luò)402結(jié)合時，就成為了一個變頻直流-直流功率控制器。遲滯轉(zhuǎn)換器309具有一條輸出線483，它用來傳送的Q信號，并通過或門427連接到反相網(wǎng)絡(luò)402。
[0062]遲滯轉(zhuǎn)換器309允許輸出電壓除以電阻器407和409在閾值大小的上下波動，例如，5V±25mV。這個比較參考了連接到遲滯轉(zhuǎn)換器309的非反相輸入端的一個參考電壓N2。當(dāng)遲滯轉(zhuǎn)換器309檢測到分頻輸出電壓下降到低于閾值下限時，遲滯轉(zhuǎn)換器309就輸出一個高電平Q”到反向網(wǎng)絡(luò)402，然后與脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器307 —起操作，如上所述。當(dāng)遲滯轉(zhuǎn)換器感測到分頻輸出電壓高于閾值上限時，它發(fā)送一個低電平Q”到反相網(wǎng)絡(luò)402，從而允許電容417放電。
[0063]脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器307和遲滯轉(zhuǎn)換器309不同時工作。脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器307在高電流負(fù)載期間被使用，而遲滯轉(zhuǎn)換器309在低電流負(fù)載期間被使用。脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器307的輸出線483和遲滯轉(zhuǎn)換器309的輸出線481都連接到或門427的輸入端?；蜷T427的一個輸出信號Q被發(fā)送到反向網(wǎng)絡(luò)402的輸入端。
[0064]脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器的開啟和關(guān)閉由控制邏輯模塊429的PWMON信號控制。該P(yáng)WMON信號作為一個控制信號，被提供到脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器307，誤差放大器405，以及振蕩器403中。當(dāng)誤差放大器405感測到高電平PWMON信號，誤差放大器405就變得有效。此外，高電平PWMON信號打開振蕩器403，從而激活脈寬調(diào)制401。當(dāng)PWMON信號為低電平時，誤差放大器405無效，振蕩器403被關(guān)閉，因此沒有信號被提供到脈寬調(diào)制401。
[0065]控制邏輯429的PWMON信號輸出，作為第三輸入端被連接到遲滯轉(zhuǎn)換器309。當(dāng)PWMON信號為低電平時，遲滯轉(zhuǎn)換器被激活，并且當(dāng)PWMON信號為高電平時，遲滯轉(zhuǎn)換器被停用。高電平PWMON信號對應(yīng)一個高電流負(fù)載，一個低電平PWMON信號對應(yīng)一個低電流負(fù)載。在低電流負(fù)載期間，功率轉(zhuǎn)換器300進(jìn)入休眠模式，這就需要關(guān)閉脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器307，打開遲滯轉(zhuǎn)換器309。
[0066]控制邏輯電路429從外休眠電路431和內(nèi)休眠電路433中獲得輸入。外休眠電路431，內(nèi)休眠電路433和控制邏輯429的組合，等效于圖3中，負(fù)載電流測量儀和轉(zhuǎn)換選擇邏輯317的結(jié)合。當(dāng)外休眠電路431檢測到，電流負(fù)載升高到超過一個外休眠閾值，外休眠電路431就提供一個邏輯高電平信號到控制邏輯429。這種邏輯高信號指示控制邏輯429在下一個可用實例中，將PWMON升高至高電平。控制邏輯429不會瞬間將PWMON信號從低電平改變到高電平，反之亦然，因為這樣會中斷遲滯轉(zhuǎn)換器309或脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器307的操作。
[0067]外休眠電路通過電容435的放電電壓與參考電壓Vi的比較，測量了高脈沖從遲滯轉(zhuǎn)換器309，到反向網(wǎng)絡(luò)402之間的關(guān)斷時間的持續(xù)時間。
[0068]圖5 (a)是曲線圖，它示出了在休眠模式期間，直流-直流控制器300的輸出電壓的波形，即在遲滯轉(zhuǎn)換器309的操作模式下。在圖5(a)的曲線圖中，縱軸表示輸出電壓，即圖3和圖4中端子321上的Vwt，橫軸表示時間。虛線501表示的上限閾值電壓，虛線503表示下限閾值電壓。
[0069]圖5 (b)是一個曲線圖，它示出了遲滯轉(zhuǎn)換器的輸出信號Q”的波形，縱軸表示信號的邏輯狀態(tài)，橫軸表不時間。
[0070]當(dāng)遲滯轉(zhuǎn)換器309感測到輸出電壓Vwt大于或等于上限閾值電壓501時，正如時刻505所示，它就發(fā)送一個邏輯低電平到反相網(wǎng)絡(luò)402，從而使電容417放電。電容417—直放電，直到遲滯轉(zhuǎn)換器309感測到電壓小于或等于下限閾值電壓503，正如時刻507所示。點505和507之間的圖形部分表示電容417放電的時間。當(dāng)電壓下降到或低于下限閾值電壓503時，遲滯轉(zhuǎn)換器309發(fā)送一個高電平Q”信號到反相網(wǎng)絡(luò)，如圖5(b)中507’所示。遲滯轉(zhuǎn)換器309保持Q”信號為高電平，直到輸出電壓再次等于或高于閾值電壓501，如時刻509所示。在那個時候，遲滯轉(zhuǎn)換器降低了 Q”信號，如圖5中時刻509”所示。
[0071]遲滯頻率是電流負(fù)載的一個很好的指標(biāo)。要測量遲滯頻率，外休眠電路431讓電容435在Q”保持低電平時充電，電容435被連接到一個電流源438，它提供了電容435的充電電流，電容435在充電期間的速率由外休眠調(diào)整電阻器437進(jìn)行調(diào)整。電容435允許通過場效應(yīng)管439進(jìn)行放電。當(dāng)Q”被遲滯比較器降低時，場效應(yīng)管439導(dǎo)通，如圖5(b)中時間505'所示。場效應(yīng)管439被單發(fā)脈沖441打開，它連接到場效應(yīng)管439的柵極。
[0072]單發(fā)脈沖441的輸入端被連接到反相器442，反相器442被連接到輸出線483，從而從遲滯轉(zhuǎn)換器309接收輸出信號Q”，因此，當(dāng)Q”降低時，反相器442反轉(zhuǎn)Q”信號，并提供該反轉(zhuǎn)信號到單發(fā)脈沖441。單發(fā)脈沖441在上升沿觸發(fā)并接收反轉(zhuǎn)Q”的信號，給場效應(yīng)管439提供了足夠的柵極電壓，以允許電流通過場效應(yīng)管439，從而非常迅速地使電容放電。
[0073]圖5(c)是一個曲線圖，它示出了電容435兩端的電壓的波形。在時刻505”，對應(yīng)圖5(b)中的時間505’，它在時刻505’響應(yīng)以降低的Q”信號，電容兩端的電壓下降得非常快，正如時刻505”所示。在時刻505'和509'之間，電容將被重新充電。在時刻505'和509'之間的時間期間，沒有柵極電壓被施加到場效應(yīng)管439上。因此，來自電流源438的輸出電流給電容435充電。
[0074]電流源438產(chǎn)生的電流量由外休眠調(diào)整電阻器437控制。外休眠調(diào)整電阻器437連接到管腳477，而管腳477又連接到電流源438。一個電壓被施加到管腳477，例如，1.25伏。該電壓產(chǎn)生的電流通過外休眠調(diào)整電阻器437。電流源438反射該電流，即電流源438產(chǎn)生的電流量，使之與發(fā)送到通過調(diào)整電阻器437的電流量大致相同。
[0075]電流源438也被連接到場效應(yīng)管447。場效應(yīng)管447對電流源438來說，起開關(guān)的作用。場效應(yīng)管447的柵極被連接到遲滯轉(zhuǎn)換器309的輸出線483。輸出線483上的信號Q”，在進(jìn)入場效應(yīng)管447的柵極之前被反轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)Q”為低電平時，場效應(yīng)管447導(dǎo)通，這又導(dǎo)通了電流源438。因此，在時刻505”和507”之間，電容435充電。反之，當(dāng)Q”為高電平時，在時刻507 ”和509 ”之間，場效應(yīng)管447被關(guān)閉，而這又關(guān)斷了電流源438，這使在Q”為高電平時，電容435上的電荷保持不變，正如圖5(c)中，時刻507”和509”之間的圖形所示。
[0076]電容435兩端的電壓由電壓比較器441不斷監(jiān)測。電壓比較器441將電容435兩端的電壓與參考電壓Ni進(jìn)行比較。在本發(fā)明的一個實施例中，Ni被設(shè)置為2.0伏。比較器441的輸出端連接到一個D型觸發(fā)器443的D端子。比較器441的輸出是判斷電容435兩端的電壓V。是否低于或高于參考電壓Ni的指示，例如，如果N。高于Ni,比較器441的輸出就會被設(shè)置邏輯1，如果N。低于Ni,比較器441的輸出就會被設(shè)置為邏輯O。D型觸發(fā)器443的時鐘輸入端通過單發(fā)脈沖445連接到輸出線483，從而由遲滯比較器309獲得的Q”信號輸出，單發(fā)脈沖445在其輸入端的正邊沿觸發(fā)。因此，在Q”的上升沿，正如圖5(b)中，時刻507所示，比較器441的輸出被鎖定到D型觸發(fā)器443。因為比較器441的輸出連續(xù)比較電容435兩端的電壓N。與參考電壓Ni,被單發(fā)脈沖445鎖定到D型觸發(fā)器443的比較器441的輸出，導(dǎo)致D觸發(fā)器443在遲滯比較器309的輸出信號Q”的上升沿時刻，存儲了電容435兩端電壓的測量值N。。被鎖定到D觸發(fā)器443的測量電壓是遲滯頻率的表示，因為時刻505 ”和507 ”之間的時間可以來自于下面的關(guān)系:
【權(quán)利要求】
1.一種雙模式直流-直流功率轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，其特征是:它包括一個第一開關(guān)控制電路；一個第二個開關(guān)控制電路；一個連接到第一開關(guān)控制電路的第一電流傳感器；一個連接到第二開關(guān)控制電路的第二電流傳感器；以及連接到第一電流傳感器和第二電流傳感器電路的控制邏輯，該控制邏輯可用來啟用和禁用所述第一和第二開關(guān)控制電路；其中，所述第一開關(guān)控制電路比第二開關(guān)控制電路消耗更少的功率，而且，第一開關(guān)控制電路在低電流負(fù)載時被啟動，而第二開關(guān)控制電路在高電流負(fù)載時被啟動，其中，所述第一開關(guān)控制電路是一個脈寬調(diào)制(PWM)電路；所述第二開關(guān)控制電路是一個遲滯比較器電路，它還包括一個連接到第一開關(guān)控制電路和第二開關(guān)控制電路的第一電源開關(guān)，該第一電源開關(guān)是一個場效應(yīng)管(MOSFET)，其特征在于:第一開關(guān)控制電路可用來交替地打開和關(guān)閉第一電源開關(guān)；所述第一開關(guān)控制電路交替地產(chǎn)生一個具有第一狀態(tài)和第二狀態(tài)的輸出信號；其中，第一電流傳感器包括:一個連接到所述第一開關(guān)控制電路，并受其控制的電流源；一個連接到所述電流源電容，其中，在所述輸出信號保持第一狀態(tài)期間，該電容被充電；一個連接到所述電容和第一開關(guān)控制電路的晶體管，當(dāng)所述輸出信號從第一狀態(tài)向第二狀態(tài)過渡時，該晶體管可以用于給所述電容放電；一個連接到電容的電壓比較器，它用于將所述電容兩端的電壓與一個參考電壓進(jìn)行比較；一個存儲單元，它具有一個數(shù)據(jù)輸入端連接到所述電壓比較器，一個時鐘輸入端連接到第一開關(guān)控制電路，其中，當(dāng)所述輸出信號從第一狀態(tài)向第二狀態(tài)過渡時，數(shù)據(jù)輸入端上的一個值被移入所述存儲單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙模式直流-直流功率轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，其特征在于:所述第一電流傳感器還包括一個連接到所述電流源的外休眠調(diào)整電阻器，其中，由電流源產(chǎn)生的電流被該外休眠調(diào)整電阻器控制；第二開關(guān)控制電路可以用來交替地打開和關(guān)閉第一電源開關(guān)；其中，所述第二開關(guān)控制電路還包括:一個連接到第一電源開關(guān)的開關(guān)控制器；一個振蕩器，它具有一個連接到開關(guān)控制器的第一輸出端，和一個第二輸出端，所述第一輸出端具有一個第一振蕩器斜波，所述第二輸出具有一個第二振蕩器斜波，其中，所述第二振蕩器斜波比第一振蕩器斜波更加陡峭；所述第二電流傳感器還包括:一個與第一電源開關(guān)并聯(lián)的感測晶體管，其中，所述感測晶體管的尺寸是按照電源開關(guān)可以承載的，電流的一小部分來制造的；其中，所述第二電流傳感器還包括:一個連接到所述感測晶體管的電流源，它用于產(chǎn)生一個電流，并讓其與感測晶體管承載的電流競爭，因此，感測晶體管承載的電流以及電流源產(chǎn)生的 電流，產(chǎn)生了一個相對強(qiáng)度的電壓表示；其中，所述第二電流傳感器還包括:一個連接到電流源的內(nèi)休眠調(diào)整電阻器，其特征在于:電流源產(chǎn)生的電流被該內(nèi)休眠調(diào)整電阻器控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雙模式直流-直流功率轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，其特征在于:第二電流傳感器還包括:一個連接到第一電源開關(guān)和電流源連接線之間的電壓比較器，它同時連接到一個參考電壓，而且可以用于將感測晶體管承載的電流以及電流源產(chǎn)生的電流的一個相對強(qiáng)度的電壓表示與參考電壓進(jìn)行比較；其中，所述第二電流傳感器還包括:一個存儲單元，它具有一個數(shù)據(jù)輸入端和一個時鐘輸入端，所述數(shù)據(jù)輸入端連接到所述電壓比較器；它進(jìn)一步包括:一個連接到所述第一脈寬調(diào)制的誤差放大器，它具有一個輸出電壓；一個連接到所述振蕩器的第二輸出端的第二脈寬調(diào)制；所述第二電壓比較器；連接到所述時鐘輸入端的存儲單元；以及當(dāng)所述第二振蕩器的斜波與所述輸出電壓相交時，可用來引起數(shù)據(jù)輸入端上的一個值被移入到所述存儲單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種雙模式直流-直流功率轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，其特征在于:一種雙模式電池供電設(shè)備，在低電流負(fù)載時啟用第一操作模式，在高電流負(fù)載時啟用第二操作模式，該雙模式電源包括:一個第一功率場效應(yīng)管，它具有一個柵極，一個漏極和一個源極，其中，施加在柵極上的電壓使得電流經(jīng)過漏極流到源極；一個低通濾波器，它包括一個連接到所述功率場效應(yīng)管的電感器和一個連接到所述電感器的電容；一個連接到所述第一功率場效應(yīng)管的脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)控制電路，還包括:一個脈寬調(diào)制，它連接到所述功率場效應(yīng)管，并可以用于切換所述功率場效應(yīng)管的導(dǎo)通狀態(tài)與關(guān)斷狀態(tài)；一個誤差放大器，它連接到所述脈寬調(diào)制，并用于將所述低通濾波器的輸出電壓與參考電壓進(jìn)行比較，所述誤差放大器用于控制該脈寬調(diào)制，從而使低通濾波器的輸出電壓基本上等于所述參考電壓；一個遲滯開關(guān)控制電路，它連接到所述功率場效應(yīng)管，從而使得所述低通濾波器的輸出電壓保持在一個預(yù)定的電壓范圍之內(nèi)；一個外休眠電路，它連接到所述遲滯開關(guān)控制電路，用于確定當(dāng)前的負(fù)載是否超過一個閾值，該閾值用于激活所述遲滯開關(guān)控制電路，并重新激活所述脈寬調(diào)制開關(guān)控制電路；一個內(nèi)休眠電路，它連接到所述脈寬調(diào)制開關(guān)控制電路，用于確定是否當(dāng)前的負(fù)載低于一個閾值，該閾值用于激活所述脈寬調(diào)制開關(guān)控制電路和重新激活所述遲滯開關(guān)控制電路；控制邏輯連接到所述外休眠電路，內(nèi)休眠電路，脈寬調(diào)制開關(guān)控制電路，以及所述遲滯開關(guān)控制電路，所述控制邏輯可在高電流負(fù)載時，打開所述脈寬調(diào)制開關(guān)控制電路，關(guān)閉所述遲滯開關(guān)控制電路，而在低電流負(fù)載時，關(guān)閉所述脈寬調(diào)制開關(guān)控制電路，打開遲滯開關(guān)控制電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種雙模式直流-直流功率轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，其特征在于:它還包括:一個外休眠調(diào)整電阻器，它連接到所述外休眠電路，并用于調(diào)整、激活所述遲滯開關(guān)控制電路的閾值；除此之外，還包括:一個內(nèi)休眠調(diào)整電阻器連接到所述內(nèi)休眠電路，并用于調(diào)整、激活所述脈寬調(diào)制開關(guān)控制電路的所述閾值；一個便攜式電池供電系統(tǒng)，包括:一個處理單元；一個電池；一個第一雙模式電源連接，以接收來自電池的電源，并為所述處理單元提供電源；所述雙模式電源包括:一個連接到低通濾波器上的開關(guān)；一個第一開關(guān)控制電路，它連接到所述開關(guān)，并在高電流負(fù)載時，用來控制開關(guān)閉合和關(guān)斷；一個第二開關(guān)控制電路，它連接到所述開關(guān)，并在低電流負(fù)載時，用來控制開關(guān)的閉合和關(guān)斷；一個第一電流傳感電路，它連接到所述第 一開關(guān)控制電路，而且當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)控制電路在工作時，它可以用來檢測電流負(fù)載；一個第二電流傳感電路，它連接到所述第二開關(guān)控制電路，而且當(dāng)所述第二開關(guān)控制電路在工作時，它用于檢測電流負(fù)載；控制邏輯電路與所述第一電流檢測電路，第二電流檢測電路，第一開關(guān)控制電路，第二開關(guān)的控制電路相連接，用于在低電流負(fù)載時，停用所述第一開關(guān)控制電路，啟用第二開關(guān)控制電路；而在高電流負(fù)載時，啟用所述第一開關(guān)控制電路，并在低電流負(fù)載期間停用所述第二開關(guān)控制電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種雙模式直流-直流功率轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，其特征在于:所述開關(guān)是一個功率場效應(yīng)管；其中，所述第一開關(guān)的控制電路是一個脈寬調(diào)制電路；第二開關(guān)控制電路是一個遲滯電路；所述開關(guān)是一個雙極性晶體管電路；一個用于檢測脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器上電流負(fù)載的電路具有一個開關(guān)，一個連接到開關(guān)上的第一脈寬調(diào)制，一個連接到所述第一脈寬調(diào)制的誤差放大器，和一個低通濾波器，它具有一個電感器連接到開關(guān)，一個電容連接到所述電感器，該電路包括:一個與開關(guān)并聯(lián)的感測晶體管，它的尺寸是按照它所承載的，通過開關(guān)電流的一小部分來制造的；一個第一電流源，它連接到所述感測晶體管，用于產(chǎn)生一個電流，使之與感測晶體管的電流進(jìn)行競爭，從而產(chǎn)生一個所述感測晶體管所產(chǎn)生的電流，以及第一電流源產(chǎn)生的電流的相對強(qiáng)度的電壓表示；一個比較器，它連接到一個參考電壓，并連接到所述感測晶體管和所述第一電流源的連接節(jié)點上，所述比較器，用于比較所述感測晶體管所產(chǎn)生的電流，以及第一電流源產(chǎn)生的電流的相對強(qiáng)度的電壓表示；一個存儲單元，它具有一個數(shù)據(jù)輸入端和一個時鐘輸入端，所述數(shù)據(jù)輸入端被連接到所述比較器；一個第二脈寬調(diào)制連接到所述誤差放大器和所述存儲單元的時鐘輸入端；一個振蕩器，其具有一個第一輸出端連接到第一脈寬調(diào)制，和一個第二輸出端連接到第二脈寬調(diào)制，其中，所述第二輸出端的振蕩器斜波比第一輸出端更陡；其中，當(dāng)?shù)诙敵龆说恼袷幤餍辈ù笥诨虻扔谡`差放大器的輸出時，第二脈寬調(diào)制改變其狀態(tài)，由此使數(shù)據(jù)輸入端上的一個值被移入所述存儲單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種雙模式直流-直流功率轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，其特征在于:它還包括:一個連接到所述感測晶體管和第一電流源的緩沖晶體管； 一個連接在開關(guān)和緩沖晶體管之間的二極管，其中所述緩沖晶體管和二極管基本上穩(wěn)定了所述感測晶體管所產(chǎn)生的電流，以及第一電流源產(chǎn)生的電流的相對強(qiáng)度的電壓表示，它還包括:一個第二電流源，它連接到所述二極管，并接地；一個調(diào)整電阻器，它連接到所述第一電流源，而且可以用于控制第一電流源所產(chǎn)生的電流的量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種雙模式直流-直流功率轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，其特征在于:一個檢測電路，用于檢測遲滯比較器電路上的負(fù)載，它包括一個開關(guān)，一個連接到該開關(guān)的遲滯比較器，一個低通濾波器，該低通濾波器具有一個電感器連接到所述開關(guān)，一個第一電容連接到所述電感器，所述檢測電路包括:一個連接到所述遲滯比較器的第一電流源；一個連接到所述第一電流源的第二電容；一個連接到一個參考電壓和所述電容的電壓比較器，該電壓比較器用于將參考電壓與所述電容兩端的電壓進(jìn)行比較；一個第一晶體管，它由所述遲滯比較器控制，并與所述第二電容并聯(lián)，以導(dǎo)致來自遲滯比較器的第一信號被收到后，所述第二電容放電；一個存儲單元，它具有一個數(shù)據(jù)輸入端連接到所述電壓比較器，一個時鐘輸入端連接到所述遲滯比較器，其中，在收到來自遲滯比較器的第二信號時，數(shù)據(jù)輸入端上的一個值被移入到所述存儲單元；進(jìn)一步包括:一個第二晶體管，它連接在遲滯比較器和電流源之間，所述第二晶體管用于控制所述電流源，從而使得在收到來自所述遲滯轉(zhuǎn)換器的第二信號時，所述電流源不會導(dǎo)致第二電容進(jìn)行充電。
【文檔編號】H02M1/08GK103618450SQ201310617275
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請人:蘇州貝克微電子有限公司