專利名稱：有超低無負(fù)載功耗的最優(yōu)動態(tài)負(fù)載響應(yīng)的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
概括地說，本文所公開的實施例涉及功率轉(zhuǎn)換器，并且更為具體地說，涉及具有開關(guān)控制器的功率轉(zhuǎn)換器，所述開關(guān)控制器適應(yīng)性地設(shè)定功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)循環(huán)的頻率，以實現(xiàn)最優(yōu)的動態(tài)負(fù)載響應(yīng)(DLR)。
背景技術(shù)：
典型地，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器要求在功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和參考電壓之間提供“誤差”信號的誤差電路，以調(diào)整輸出電壓。誤差電路提供指示輸出電壓相對于參考電壓的幅度和極性(正或負(fù))的誤差信號。誤差信號允許功率轉(zhuǎn)換器通過響應(yīng)于該誤差信號來增加或減小遞送給功率轉(zhuǎn)換器的輸出端的功率的量來調(diào)整輸出電壓。典型地，傳統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換器通過感測為模擬值的輸出電壓，并且導(dǎo)出感測到的輸出電壓和為模擬值的參考電壓之間的差，來生成誤差信號。將感測到的輸出電壓和參考電壓之間的差進(jìn)行放大，以基于經(jīng)放大的信號來適當(dāng)?shù)卣{(diào)整輸出電壓。取決于轉(zhuǎn)換器中所使用的控制方案，傳統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換器也可以使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)來生成誤差信號。 其他傳統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換器可以使用模擬誤差放大器來生成誤差信號。在許多傳統(tǒng)的隔離式開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中，直接在變壓器電路的次級側(cè)感測輸出電壓，并且將其與一般而言固定于選定電壓的參考電壓進(jìn)行比較。這允許基于該比較來將功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓調(diào)整到目標(biāo)電平。備選地，其他傳統(tǒng)的隔離式開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器并不直接感測輸出電壓。與之相對，這些轉(zhuǎn)換器只感測開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的變壓器電路的初級側(cè)的信號以檢測輸出電壓電平。這些僅初級信號與固定于選定電壓的參考電壓進(jìn)行比較，以使得功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓被調(diào)整到目標(biāo)電平。這些隔離式開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器通常稱為僅初級反饋轉(zhuǎn)換器。對于用于向便攜設(shè)備(例如，智能手機(jī)、膝上型計算機(jī))提供經(jīng)調(diào)整的功率的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器而言，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器有三種工作模式待機(jī)模式、充電模式和操作模式。待機(jī)模式是當(dāng)開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器耦合到AC市電(S卩，供電電壓)，但是與電子設(shè)備斷開時。因此，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器在低負(fù)載條件(即，無負(fù)載)下進(jìn)行操作。在待機(jī)模式期間， 開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器必須在無負(fù)載條件下維持輸出電壓調(diào)整。此外，為了滿足強(qiáng)制的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)， 開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器必需使得內(nèi)部功耗最小化。舉例而言，根據(jù)5星級能量標(biāo)準(zhǔn)，在230V交流輸入電壓下，蜂窩電話充電器的最大可允許待機(jī)功耗通常是30mW。在待機(jī)模式所采用的方法中，脈沖頻率調(diào)制是有效的并且經(jīng)常使用的方法，其中， 響應(yīng)于無負(fù)載條件，開關(guān)轉(zhuǎn)換器的操作頻率降低到待機(jī)模式操作頻率。功耗的新趨勢要求超低的待機(jī)功耗，例如，小于IOmw并且甚至小于5mW，這需要低得多的無負(fù)載操作頻率以調(diào)整輸出電壓。充電模式是當(dāng)開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器耦合到AC市電和電子設(shè)備這兩者時。因此，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器在負(fù)載條件下進(jìn)行操作。此處，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器提供經(jīng)調(diào)整的功率，以在電子設(shè)備不在活動使用中的情況下對電子設(shè)備的內(nèi)部電池進(jìn)行充電。在這種情況中，在當(dāng)電子設(shè)備初始連接到開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器時，在開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器上置有一次性的“低到高”動態(tài)負(fù)載。在這種情形下，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器從待機(jī)模式轉(zhuǎn)換到充電模式。在該轉(zhuǎn)換期間，操作頻率從待機(jī)操作頻率增加到與負(fù)載條件相關(guān)聯(lián)的較高頻率。響應(yīng)于輸出負(fù)載的突然增加，存在輸出電壓的初始下降，以及輸出電壓的過沖振蕩(overshoot ringing)。輸出電壓下降和振蕩的量很大程度上基于輸出濾波器組件和控制環(huán)路的速度。一旦連接，置于開關(guān)電源上的負(fù)載通常是靜態(tài)的，并且隨著電池充電狀態(tài)逐漸地增加而緩慢地改變。與之相對，當(dāng)開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器從充電模式轉(zhuǎn)換到待機(jī)模式時，在開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器上置有一次性的“高到低”動態(tài)負(fù)載。當(dāng)開關(guān)控制器檢測到高到低的動態(tài)負(fù)載時，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器被置于待機(jī)模式，而開關(guān)頻率相關(guān)聯(lián)地降低到對應(yīng)于無負(fù)載條件的待機(jī)操作頻率。 在這種情況中，當(dāng)高到低的動態(tài)負(fù)載被置于轉(zhuǎn)換器上時，存在相關(guān)聯(lián)的輸出電壓的上升和過沖振蕩。圖IA示出了在待機(jī)模式和充電模式之間轉(zhuǎn)換(并且反之亦然)時，傳統(tǒng)開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的波形，該轉(zhuǎn)換另外被稱為“一次性”動態(tài)負(fù)載響應(yīng)。一次性動態(tài)負(fù)載條件參考輸出負(fù)載的低頻變化，通常低于10Hz。具體地，圖IA示出了在一次性動態(tài)負(fù)載響應(yīng)期間，傳統(tǒng)的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輸出負(fù)載(Iout)波形101、操作頻率(Fsw finaJ波形103和輸出電壓(Vqut) 波形105。對于采用僅初級反饋的傳統(tǒng)開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器而言，反饋信號表示在每個開關(guān)循環(huán)處感測到的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。因此，對傳統(tǒng)的僅初級反饋的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的限制在于轉(zhuǎn)換器的開關(guān)控制器只能在電壓反饋信號的下降沿處逐個開關(guān)循環(huán)地響應(yīng)于負(fù)載變化。在檢測到輸出電壓的變化時，開關(guān)控制器對開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的操作頻率進(jìn)行控制。 輸出電壓的變化指示輸出負(fù)載的變化。如果開關(guān)頻率較低(例如，300Hz)，例如在低負(fù)載條件下，那么開關(guān)周期可以是長時間周期。這個長周期另外被稱為空白時間(blank time)或盲點(blind spot)，這是因為在開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器正進(jìn)行操作并且嘗試調(diào)整輸出電壓時，在兩個開關(guān)循環(huán)之間變壓器的初級繞組不具有任何樣本信息。在圖IA中，輸出負(fù)載波形101示出了在一次性“低到高”和“高到低”動態(tài)負(fù)載期間一個周期的輸出負(fù)載。輸出負(fù)載波形101在“低”負(fù)載條件(即，無負(fù)載)和“高”負(fù)載條件之間循環(huán)。輸出電壓波形105示出了在一次性動態(tài)負(fù)載響應(yīng)期間輸出電壓的暫態(tài)響應(yīng)。開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器將輸出電壓維持在表不轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)態(tài)輸出電壓的電壓設(shè)定點(V-out 設(shè)定點)處，但是其可以在最大可允許輸出電壓(V-out(MAX))和最小可允許輸出電壓 (V-out(MIN))內(nèi)進(jìn)行操作。操作頻率波形103示出了一次性動態(tài)負(fù)載響應(yīng)期間傳統(tǒng)的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。當(dāng)輸出負(fù)載較低107時,傳統(tǒng)的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器在與待機(jī)模式操作或低輸出負(fù)載條件相關(guān)聯(lián)的待機(jī)模式操作頻率(例如，300Hz) 109下進(jìn)行操作。在低輸出負(fù)載條件期間， 開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓位于輸出電壓設(shè)定點(V-out設(shè)定點)處。在低輸出負(fù)載107 期間的低操作頻率使得開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)控制器不太能夠檢測動態(tài)負(fù)載的上升沿。
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換句話說，低操作頻率導(dǎo)致表示長開關(guān)周期的長盲點。當(dāng)輸出負(fù)載從低負(fù)載條件 107轉(zhuǎn)換113到高負(fù)載條件121時，長盲點導(dǎo)致較慢的動態(tài)負(fù)載響應(yīng)。取決于相對于盲點何時發(fā)生從低負(fù)載107到高負(fù)載121的轉(zhuǎn)換113，輸出電壓下降(下沖)115，這是因為轉(zhuǎn)換器的低操作頻率109阻止轉(zhuǎn)換器快速響應(yīng)于負(fù)載變化。響應(yīng)于指示轉(zhuǎn)換113到高輸出負(fù)載條件121的輸出電壓下沖115，開關(guān)控制器將開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的操作頻率增加117到高輸出負(fù)載操作頻率119。高輸出負(fù)載操作頻率119 是轉(zhuǎn)換器在高輸出負(fù)載121期間操作的頻率。將操作頻率提高到高輸出負(fù)載操作頻率121 使得輸出電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)輸出電壓設(shè)定點111。當(dāng)輸出負(fù)載從高輸出負(fù)載條件121轉(zhuǎn)換123到低負(fù)載條件107時，輸出電壓上升(過沖)125。輸出電壓的上升125由開關(guān)控制器檢測，并且其指示負(fù)載回到低負(fù)載狀態(tài) 107的變化。開關(guān)控制器通過控制開關(guān)循環(huán)以將降低的能量遞送給次級負(fù)載來立即做出響應(yīng)。因此，響應(yīng)于輸出負(fù)載的突然降低，開關(guān)控制器將操作頻率降低127到待機(jī)模式操作頻率109。通過將操作頻率降低到待機(jī)模式操作頻率109，輸出電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)輸出電壓設(shè)定點 111。圖IB示出了在從高負(fù)載121轉(zhuǎn)換123到低負(fù)載107條件期間，圖IA中的波形的部分129的詳細(xì)示圖。除了開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輸出負(fù)載波形101、輸出電壓波形105和操作頻率波形103之外，圖IB示出了驅(qū)動器輸出波形133。驅(qū)動器輸出波形133示出了開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出驅(qū)動信號。輸出驅(qū)動信號控制開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)(例如，金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)何時導(dǎo)通或截止。如先前所描述的，在高輸出負(fù)載121期間，輸出電壓位于輸出電壓設(shè)定點111處, 而開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器在高負(fù)載操作頻率119 (Fsw處于高負(fù)載穩(wěn)態(tài))下進(jìn)行操作。在時間段135 期間，與轉(zhuǎn)換器在待機(jī)模式操作頻率(無負(fù)載穩(wěn)態(tài)下的Fsw) 109下進(jìn)行操作時相比，當(dāng)轉(zhuǎn)換器在高負(fù)載操作頻率119下進(jìn)行操作時，輸出驅(qū)動信號以較高頻率輸出。如圖IB所示，在高負(fù)載到低負(fù)載轉(zhuǎn)換123期間，輸出電壓上升(過沖)到上限137， 上限137高于輸出電壓設(shè)定點111，但是低于最大可允許輸出電壓。一旦檢測到過沖電壓 137，操作頻率(Fsw pim)從高負(fù)載操作頻率119開始降低139，并且最終穩(wěn)定到與低負(fù)載穩(wěn)態(tài)條件107相關(guān)聯(lián)的待機(jī)模式操作頻率109。低負(fù)載穩(wěn)態(tài)條件107期間的待機(jī)模式操作頻率109允許低于30mW或者甚至低于IOmW的超低功耗。然而，由于傳統(tǒng)的反饋控制環(huán)路的響應(yīng)特性，操作頻率下降到待機(jī)模式操作頻率109以下141持續(xù)一段時間143。注意到，操作頻率的降低139反映在驅(qū)動器輸出波形133中。在操作頻率被降低139的時間段147期間，輸出控制信號以較低的頻率生成。操作頻率最終在時刻Tl達(dá)到穩(wěn)態(tài)待機(jī)模式操作頻率109。如果下一個低負(fù)載到高負(fù)載轉(zhuǎn)換145在Tl之后的時刻T2發(fā)生，那么輸出電壓下降到下限149，下限149在轉(zhuǎn)換器的最小可允許輸出電壓之上。開關(guān)控制器檢測輸出電壓達(dá)到動態(tài)負(fù)載響應(yīng)要求的下限 149 (即，檢測點)，并且因此將操作頻率增加151到高負(fù)載操作頻率119。然而，如下文將要討論的，如果輸出負(fù)載的變化是重復(fù)的，那么低負(fù)載到高負(fù)載轉(zhuǎn)換145可以在開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器在待機(jī)模式頻率109之下的頻率141進(jìn)行操作時發(fā)生，從而導(dǎo)致輸出電壓下沖超過動態(tài)負(fù)載響應(yīng)要求的下限149。如上文所討論的，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器有三種主要的工作模式待機(jī)模式、充電模式和操作模式。操作模式描述了當(dāng)開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器耦合到AC市電和電子設(shè)備兩者，并且電子設(shè)備在活動使用中時。此處，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器提供經(jīng)調(diào)整的功率以對電子設(shè)備的內(nèi)部電池進(jìn)行充電，并且用于電子設(shè)備的活動使用。在這種情況中，在電子設(shè)備初始連接時，在開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器上置有一次性的“低到高”動態(tài)負(fù)載。然而，由于電子設(shè)備在活動使用中，所以即便在一次性“低到高”動態(tài)負(fù)載轉(zhuǎn)換之后，在開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器上也置有重復(fù)動態(tài)負(fù)載。舉例而言，LED元件經(jīng)常用于IXD顯示器的背光，IXD顯示器通常用于電子設(shè)備。 LED元件的脈沖寬度調(diào)制通常用于提供調(diào)光控制。在這種情況中，LED元件通常在IOOHz到 200Hz范圍的頻率下進(jìn)行開關(guān)。這種開關(guān)導(dǎo)致開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器上的高頻重復(fù)動態(tài)負(fù)載。當(dāng)這種情況發(fā)生時，傳統(tǒng)的開關(guān)控制器不能夠確定動態(tài)負(fù)載是一次性負(fù)載還是重復(fù)動態(tài)負(fù)載。在重復(fù)動態(tài)負(fù)載的每個循環(huán)處，開關(guān)控制器通過將開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器返回到待機(jī)模式來響應(yīng)于負(fù)載的下降沿。在負(fù)載的后續(xù)上升沿發(fā)生時，傳統(tǒng)的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)控制器因此在與待機(jī)模式相關(guān)聯(lián)的較低操作頻率下進(jìn)行操作。由于較低操作頻率的緣故， 開關(guān)控制器不能快速地響應(yīng)于負(fù)載的突然增加。圖2A示出了在重復(fù)動態(tài)負(fù)載變化期間，傳統(tǒng)的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的波形。重復(fù)動態(tài)負(fù)載變化描述了從低輸出負(fù)載到高輸出負(fù)載(并且反之亦然)的高頻的輸出負(fù)載變化，通常高于100Hz。圖2A示出了在重復(fù)動態(tài)負(fù)載變化期間，傳統(tǒng)的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輸出負(fù)載 (Iout)波形201、操作頻率(F
SW—FINAL )波形203和輸出電壓(Vqut)波形205。在圖2A中，輸出負(fù)載波形201示出了在重復(fù)動態(tài)負(fù)載期間多個周期的輸出負(fù)載。 輸出電壓波形205示出了在重復(fù)動態(tài)負(fù)載響應(yīng)期間，輸出電壓的暫態(tài)響應(yīng)。類似于圖1A，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器試圖將輸出電壓維持在輸出電壓設(shè)定點(V-out設(shè)定點)處，但是其可以在最大可允許輸出電壓(V-out(MAX))和最小可允許輸出電壓(V-out(MIN))內(nèi)進(jìn)行操作。操作頻率波形203示出了在重復(fù)動態(tài)負(fù)載響應(yīng)期間，傳統(tǒng)的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。當(dāng)輸出負(fù)載較低207時,開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器在與低輸出負(fù)載相關(guān)聯(lián)的待機(jī)模式操作頻率209下進(jìn)行操作。在低輸出負(fù)載條件期間，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓位于輸出電壓設(shè)定點(V-out設(shè)定點)處。在從低輸出負(fù)載207轉(zhuǎn)換213到高輸出負(fù)載215期間，輸出電壓下降(下沖)217，這是因為轉(zhuǎn)換器正在阻止轉(zhuǎn)換器快速地響應(yīng)于負(fù)載變化的待機(jī)模式操作頻率209下進(jìn)行操作。響應(yīng)于輸出電壓下沖217，開關(guān)控制器將操作頻率增加219到高輸出負(fù)載操作頻率221。當(dāng)輸出負(fù)載從高輸出負(fù)載215轉(zhuǎn)換223到低輸出負(fù)載207時，輸出電壓上升(過沖)225。輸出電壓的上升225由開關(guān)控制器進(jìn)行檢測，并且其指示負(fù)載變化。響應(yīng)于輸出負(fù)載的突然降低，開關(guān)控制器通過將操作頻率降低227到待機(jī)模式操作頻率209來立即做出響應(yīng)。在重復(fù)動態(tài)負(fù)載條件期間(例如,從低輸出負(fù)載207到高輸出負(fù)載215的后續(xù)轉(zhuǎn)換243)，輸出電壓Vtot在輸出負(fù)載Iott的上升沿和下降沿期間將要經(jīng)歷高輸出電壓瞬時現(xiàn)象，如輸出電壓波形205中所示。具體地并且如下文參考圖2B更為詳細(xì)說明的，在從低輸出負(fù)載207到高輸出負(fù)載215的轉(zhuǎn)換243期間，輸出電壓Vqut經(jīng)歷電壓下沖229，電壓下沖 229超過了最小可允許輸出電壓范圍(V-out (MIN))，由此導(dǎo)致控制環(huán)路不穩(wěn)定性問題和/ 或?qū)е逻B接到開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的電子負(fù)載的故障或者甚至損害。圖2B示出了在重復(fù)動態(tài)負(fù)載變化期間圖2A中的波形的部分233的詳細(xì)示圖。類似于圖1B，除了開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輸出負(fù)載波形201、輸出電壓波形205和操作頻率波形 203之外，圖2B還示出了驅(qū)動器輸出波形235。在高輸出負(fù)載215期間，輸出電壓Vqut被設(shè)為輸出電壓設(shè)定點211，并且開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器在高負(fù)載操作頻率211 (Fsw處于高負(fù)載穩(wěn)態(tài)) 下進(jìn)行操作。在轉(zhuǎn)換器在高負(fù)載操作頻率221下進(jìn)行操作的時間段237期間，與轉(zhuǎn)換器在待機(jī)模式操作頻率(無負(fù)載穩(wěn)態(tài)下的Fsw) 209下進(jìn)行操作時相比，驅(qū)動器輸出控制信號以較高頻率輸出。在從高輸出負(fù)載215到低輸出負(fù)載207轉(zhuǎn)換223之后，輸出電壓上升(過沖)到上限241，該上限241高于輸出電壓設(shè)定點211，但是低于最大可允許輸出電壓。在檢測到過沖電壓241時，降低239操作頻率(Fsw nm)，以將輸出電壓帶到穩(wěn)態(tài)輸出電壓設(shè)定點211。 在操作頻率的降低239期間，在TO和Tl時間段之間頻率下降到穩(wěn)態(tài)低負(fù)載操作頻率209 以下。操作頻率的降低239反映在驅(qū)動器輸出波形235中。與轉(zhuǎn)換器在時間段237期間在高負(fù)載操作頻率221下進(jìn)行操作相比，當(dāng)操作頻率下降239時，輸出控制信號在時間段255 期間以較低的頻率生成。由于重復(fù)負(fù)載變化，由于轉(zhuǎn)換器中使用的傳統(tǒng)的反饋控制環(huán)路的響應(yīng)特性，從低負(fù)載207到高負(fù)載215的后續(xù)轉(zhuǎn)換243發(fā)生在操作頻率低于245針對低負(fù)載穩(wěn)態(tài)的待機(jī)模式操作頻率209的時刻TO處。也就是說，轉(zhuǎn)換243發(fā)生在空白時間247期間。由于較低的操作頻率，空白時間247更長，這是因為僅初級反饋開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器僅可以逐個開關(guān)循環(huán)地響應(yīng)于負(fù)載變化。因此，下一個控制環(huán)路響應(yīng)只能在對應(yīng)于空白時間247的結(jié)尾的下一個開關(guān)循環(huán)249處發(fā)生。由于長的空白時間，輸出電壓Vqut經(jīng)歷深度下沖251，直到在Tl處達(dá)到空白時間的結(jié)尾249，在Tl處，操作頻率增加253到高負(fù)載操作頻率221，從而導(dǎo)致輸出電壓達(dá)到輸出電壓設(shè)定點211。在重復(fù)動態(tài)負(fù)載條件期間，深度下沖251可以導(dǎo)致連接到開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的電子負(fù)載的故障并且甚至損害，這是因為開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器不能響應(yīng)于電壓下沖251，直到驅(qū)動器輸出的下一個開關(guān)循環(huán)。

發(fā)明內(nèi)容
本文描述了一種開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其提供開關(guān)循環(huán)的僅初級控制。為了改善對動態(tài)負(fù)載情形的響應(yīng)，當(dāng)輸出負(fù)載從高負(fù)載轉(zhuǎn)換到低負(fù)載條件(即，無負(fù)載)時，開關(guān)控制器將轉(zhuǎn)換器的操作頻率鉗制在中間頻率。中間頻率低于與高負(fù)載條件相關(guān)聯(lián)的操作頻率，而大于與低負(fù)載條件相關(guān)聯(lián)的操作頻率。由于與低負(fù)載條件相關(guān)聯(lián)的低負(fù)載操作頻率相比， 轉(zhuǎn)換器在較高頻率下進(jìn)行操作，所以轉(zhuǎn)換器能夠更好的響應(yīng)于通常在重復(fù)動態(tài)負(fù)載情形中可見的從低負(fù)載條件回到高負(fù)載條件的動態(tài)負(fù)載變化。一旦定時器終止，如果輸出負(fù)載仍然處在低負(fù)載狀態(tài)，那么操作頻率降低到與低負(fù)載條件相關(guān)聯(lián)的頻率。因此，不會對轉(zhuǎn)換器的無負(fù)載功耗產(chǎn)生危害。然而，如果在定時器終止之前發(fā)生從低負(fù)載到高負(fù)載的后續(xù)負(fù)載轉(zhuǎn)換，那么操作頻率增加到高負(fù)載頻率。本說明書中所描述的特征和優(yōu)點并不是窮舉性的，并且，具體地，鑒于附圖和說明書，對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，很多額外的特征和優(yōu)點將是顯而易見的。此外，應(yīng)當(dāng)注意，說明書中所使用的語言主要是為了可讀性和指導(dǎo)性的目的而選擇的，而不是選擇用來對創(chuàng)造性的主題進(jìn)行限定和限制。
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通過結(jié)合附圖考慮下文的詳細(xì)描述，可以更容易理解本申請的實施例的教導(dǎo)。圖IA示出了在待機(jī)模式和充電模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換或“一次性”動態(tài)負(fù)載響應(yīng)期間，傳統(tǒng)開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的波形。圖IB示出了在一次性動態(tài)負(fù)載響應(yīng)期間，傳統(tǒng)的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的波形的詳細(xì)示圖。圖2A示出了在重復(fù)動態(tài)負(fù)載期間，傳統(tǒng)的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的波形。圖2B是出了在重復(fù)動態(tài)負(fù)載期間，傳統(tǒng)的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的波形的詳細(xì)示圖。圖3示出了根據(jù)一個實施例的具有改善的動態(tài)負(fù)載響應(yīng)的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器。圖4A示出了根據(jù)一個實施例的、當(dāng)開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器在待機(jī)模式和充電模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換或者“一次性”動態(tài)負(fù)載響應(yīng)時的波形。圖4B示出了根據(jù)一個實施例的、在一次性動態(tài)負(fù)載響應(yīng)期間開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的波形的詳細(xì)示圖。圖5A示出了根據(jù)一個實施例的、在重復(fù)動態(tài)負(fù)載期間開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的波形。圖5B示出了根據(jù)一個實施例的、在重復(fù)動態(tài)負(fù)載期間開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的波形的詳細(xì)示圖。圖6示出了根據(jù)一個實施例的、開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的可變操作頻率特性的波形。圖7示出了根據(jù)一個實施例的、開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的替代可變操作頻率特性的波形。
具體實施例方式附圖和下文的描述僅以說明的方式涉及各種實施例。應(yīng)當(dāng)注意，從下文的討論中， 很容易將本文所公開的結(jié)構(gòu)和方法的替代實施例認(rèn)為是在不脫離本文所討論的原理的情況下所采用的可行替代實施方式?，F(xiàn)在將詳細(xì)參考數(shù)個實施例，這些實施例的示例示出在附圖中。注意到，在可行的情況下，可以在附圖中使用類似或相同的附圖標(biāo)記，這些類似或相同的附圖標(biāo)記可以指示類似或相同的功能性。附圖僅出于說明的目的而描繪了各種實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易從下文的描述中認(rèn)識到，本文所示出的結(jié)構(gòu)和方法的替代實施例可以在不脫離本文所描述的原理的情況下采用。本文所公開的實施例描述了一種用于在“一次性”動態(tài)負(fù)載響應(yīng)以及“重復(fù)”動態(tài)負(fù)載響應(yīng)期間設(shè)置開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的操作頻率的開關(guān)控制器方法。操作頻率確定開關(guān)控制器可以多快感測輸出負(fù)載變化以及開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器可以對變化做出反應(yīng)的速度。在從高負(fù)載條件到低負(fù)載條件的輸出負(fù)載變化期間，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器將操作頻率鉗制或鎖定在中間操作頻率處。所鉗制的頻率大于如果操作頻率是基于轉(zhuǎn)換器的反饋信號來設(shè)置的情況下轉(zhuǎn)換器應(yīng)該進(jìn)行操作的頻率。較高的操作頻率改善了功率轉(zhuǎn)換器的負(fù)載響應(yīng)，而同時維持低功耗，這是因為在一段時間終止之后，操作頻率回到與低負(fù)載條件相關(guān)聯(lián)的操作頻率。圖3是示出了根據(jù)一個實施例的回掃型開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器300的電路圖。開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器300包含功率級301和次級輸出級303。功率級301包含開關(guān)Ql (例如，功率金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET))和功率變壓器Tl。功率變壓器Tl包含初級繞組Np、次級繞組Ns和輔助繞組Na。次級輸出級303包含二極管D1和輸出電容器Q?？刂破?07使用以導(dǎo)通時間(Ton)和截止時間(Tqff)的脈沖形式的輸出驅(qū)動信號309來控制開關(guān)Ql的導(dǎo)通狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)。換句話說，控制器307生成對開關(guān)Ql進(jìn)行驅(qū)動的輸出驅(qū)動信號309。AC功率從AC電源(未示出)接收，并且被整流以提供未經(jīng)調(diào)整的輸入電壓VIN。 當(dāng)開關(guān)Ql導(dǎo)通時，輸入功率被存儲在變壓器Tl中，這是因為當(dāng)開關(guān)Ql導(dǎo)通時，二極管D1變成反向偏置。在開關(guān)Ql截止時，經(jīng)整流的輸入功率隨后被傳輸?shù)娇珉娙萜鰿1的電子設(shè)備， 這是因為當(dāng)開關(guān)Ql截止時，二極管D1變成正向偏置。二極管D1作為輸出整流器，而電容器 C1作為輸出濾波器。所產(chǎn)生的經(jīng)調(diào)整的輸出信號Vtot被遞送給該電子設(shè)備。如先前所提到的，控制器307生成適當(dāng)?shù)拈_關(guān)驅(qū)動脈沖309以控制功率開關(guān)Ql的導(dǎo)通時間和截止時間，以及調(diào)整輸出電壓VOT。在包含PWM(脈沖寬度調(diào)制)和/或PFM(脈沖頻率調(diào)制)模式在內(nèi)的多種操作模式中，控制器307使用基于在開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的先前開關(guān)循環(huán)中感測到的輸出電壓Vsense和感測到的初級側(cè)電流Ip的反饋環(huán)路來控制開關(guān)Q1。 Isense用于以跨感測電阻Rs上電壓的形式來感測流過初級繞組Np和開關(guān)Ql的初級電流Ip。輸出電壓Vot跨變壓器Tl的輔助繞組Na反映，該輸出電壓Vtot經(jīng)由包括電阻R1 和電阻R2的電阻分壓器作為電壓Vsense輸入給控制器307?；谒袦y的輸出電壓，控制器 307確定開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器300的操作頻率，該操作頻率決定輸出驅(qū)動信號309的導(dǎo)通時間 (Ton)和截止時間(Tqff)的頻率。一次性動態(tài)負(fù)載:轉(zhuǎn)換圖4A示出了在一次性動態(tài)輸出負(fù)載轉(zhuǎn)換期間，轉(zhuǎn)換器300的波形。該波形包含在一次性動態(tài)輸出負(fù)載轉(zhuǎn)換期間，功率轉(zhuǎn)換器300的輸出負(fù)載(Iqut)波形401、開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器操作頻率(Fswnm)波形403和輸出電壓(Vout)波形405。在一個實施例中，一次性動態(tài)負(fù)載條件指的是輸出負(fù)載(Iom)從低負(fù)載到高負(fù)載條件并且反之亦然的低頻變化，其中，頻率通常低于IOHz。輸出負(fù)載波形401示出了通常在電子設(shè)備從待機(jī)模式到充電模式的轉(zhuǎn)換(并且反之亦然)中出現(xiàn)的動態(tài)負(fù)載特性。具體地，輸出負(fù)載波形401描繪了輸出負(fù)載從低負(fù)載狀態(tài)407循環(huán)到高負(fù)載狀態(tài)415，并且反之亦然。輸出電壓波形405示出了在一次性動態(tài)負(fù)載響應(yīng)期間輸出電壓的暫態(tài)響應(yīng)。開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器300在穩(wěn)態(tài)輸出電壓設(shè)定點(V-out設(shè)定點)處進(jìn)行操作，該穩(wěn)態(tài)輸出電壓設(shè)定點可以在最大可允許輸出電壓(V-out(MAX))和最小可允許輸出電壓(V-out(MIN))內(nèi)波動。操作頻率波形403示出了在一次性負(fù)載響應(yīng)期間， 開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器300的開關(guān)頻率。當(dāng)輸出負(fù)載較低407時，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器300的輸出電壓位于輸出電壓設(shè)定點 (V-out設(shè)定點)409處。輸出電壓設(shè)定點409是轉(zhuǎn)換器300的穩(wěn)態(tài)輸出電壓。在低負(fù)載條件407期間，控制器307將轉(zhuǎn)換器300的操作頻率設(shè)定在待機(jī)模式操作頻率411處。如圖4A中所示，在從低負(fù)載407到高負(fù)載415的轉(zhuǎn)換413 ( S卩，輸出負(fù)載的上升沿)期間，在重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)設(shè)定點409之前，輸出電壓波形下降417(下沖)到位于輸出電壓設(shè)定點409之下的值。輸出電壓下沖417指示向高負(fù)載條件415的轉(zhuǎn)換413。響應(yīng)于輸出電壓下沖417，控制器307將操作頻率從待機(jī)模式操作頻率411增加419到與高負(fù)載條件 415相關(guān)聯(lián)的高負(fù)載操作頻率421。通過將操作頻率增加到高負(fù)載操作頻率421，輸出電壓被調(diào)整回到輸出電壓設(shè)定點409。當(dāng)輸出負(fù)載從高負(fù)載415轉(zhuǎn)換423到低負(fù)載407時，輸出電壓過沖425。電壓過沖 425導(dǎo)致控制器307降低427操作頻率，直到達(dá)到中間頻率429。如圖4A中所示，在從高輸出負(fù)載415到低輸出負(fù)載407的轉(zhuǎn)換423期間，操作頻率被鉗制在中間頻率429。通過將操作頻率設(shè)定在中間頻率429，與操作頻率是基于Vsense的值來計算時相比，控制器307可以較快地響應(yīng)于輸出負(fù)載的任何后續(xù)變化。在一個實施例中，中間頻率429低于高負(fù)載操作頻率421，而高于在低輸出負(fù)載條件期間的待機(jī)模式操作頻率411。中間頻率429與功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)有關(guān)。這些設(shè)計參數(shù)包含待機(jī)模式操作頻率411、待機(jī)條件下的整體系統(tǒng)功耗、輸出電容器Cl、實際操作頻率被鉗制在中間頻率429期間的定時器的長度和最大可允許輸出電壓過沖等。在一個實施例中，中間頻率429被設(shè)定為待機(jī)模式操作頻率411的 3倍-8倍的范圍內(nèi)。在一個實施例中，在從高負(fù)載415到低動態(tài)負(fù)載條件407的轉(zhuǎn)換423期間，當(dāng)操作頻率達(dá)到中間頻率429時，開關(guān)控制器307設(shè)定覆蓋期(override period) 4310覆蓋期 431描述了一個時間段，在這個時間段中，開關(guān)控制器307覆蓋基于來自響應(yīng)于反饋信號的誤差的反饋控制環(huán)路的Vsmse信號值來計算的轉(zhuǎn)換器300的操作頻率。應(yīng)該基于Vsmse值所設(shè)定的操作頻率示出為虛線433。在覆蓋期431期間，不同于基于Vsense來設(shè)定開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器300的操作頻率，而是在從高負(fù)載415到低負(fù)載407 (即，從充電模式到待機(jī)模式)的轉(zhuǎn)換423期間的最小操作頻率被控制器307鉗制在中間頻率429處。在覆蓋期431期間，如果基于Vsense所計算的操作頻率大于中間頻率429，那么控制器307將開關(guān)轉(zhuǎn)換器300的實際操作頻率設(shè)定為基于 Vsense值的操作頻率，而不是將其鉗制在頻率429。然而，如果基于Vsense值所計算的操作頻率433低于或等于中間頻率429，那么在覆蓋期431的持續(xù)時間期間，控制器307將開關(guān)轉(zhuǎn)換器300的實際操作頻率鉗制在中間頻率429。一旦覆蓋期431終止，則開關(guān)控制器307再次基于反饋信號Vsense來設(shè)定操作頻率 433。舉例而言，一旦覆蓋期431終止，那么控制器307將操作頻率降低435為待機(jī)模式操作頻率411。轉(zhuǎn)到圖4B，圖4B示出了在從高負(fù)載415到低輸出負(fù)載407的轉(zhuǎn)換423期間，圖4A 中的轉(zhuǎn)換器300的波形的部分437的詳細(xì)示圖，其中，輸出負(fù)載維持低負(fù)載穩(wěn)態(tài)條件407。 除了輸出負(fù)載波形401、轉(zhuǎn)換器300的實際操作頻率(Fsw Fim)403和輸出電壓波形405之外，圖4B還示出了基于Vsense所計算的操作頻率(Fsw TEMP)波形433、表示控制器307的輸出驅(qū)動信號309的驅(qū)動器輸出波形439和定時器波形453，如下文進(jìn)一步的描述。輸出負(fù)載波形401示出了從高負(fù)載415到低負(fù)載條件407的轉(zhuǎn)換423。轉(zhuǎn)換423 使得輸出電壓從輸出電壓設(shè)定點409上升443到檢測點445，如輸出電壓波形405中所示。 基于Vsmse的操作頻率波形433 (即，F(xiàn)sw temp)表示通常將從傳統(tǒng)的基于反饋的控制環(huán)路生成的轉(zhuǎn)換器300的開關(guān)頻率。在輸出電壓405的檢測點445處，控制器307基于Vsense將操作頻率433從與高負(fù)載條件415相關(guān)聯(lián)的高負(fù)載頻率421降低447到與低負(fù)載穩(wěn)態(tài)407相關(guān)聯(lián)的低負(fù)載頻率411。如波形433中所示，在穩(wěn)定于待機(jī)模式操作頻率411之前，基于Vsense 的操作頻率下沖待機(jī)模式操作頻率411，并且達(dá)到最小頻率449。然而，操作頻率波形403示出了由控制器307設(shè)定的用于根據(jù)本文的實施例來驅(qū)動開關(guān)Ql的實際操作頻率(Fsw Fim)。一旦輸出電壓上升443到檢測點445，控制器307使得實際操作頻率追蹤基于Vsense所計算的操作頻率433，直到實際操作頻率降低到中間頻率 429。如圖4B所示，類似于基于Vsense所計算的操作頻率433，在高負(fù)載條件415期間， 實際操作頻率403被設(shè)定為高負(fù)載頻率421。與轉(zhuǎn)換器300在待機(jī)模式操作頻率(無負(fù)載穩(wěn)態(tài)下的Fsw) 411和中間頻率429下進(jìn)行操作時相比而言，在轉(zhuǎn)換器300在高負(fù)載操作頻率 421下進(jìn)行操作時的時間段451期間，輸出控制信號309以較高的頻率輸出。在輸出電壓的檢測點445處，控制器307使得實際操作頻率Fsw Fim初始追蹤基于 Vsense所計算的操作頻率。一旦在時刻TO處達(dá)到了中間頻率429，則控制器307發(fā)起由定時器波形453所表示的定時器。定時器波形453描述了在其期間實際操作頻率被鉗制在中間頻率429的時間段(從TO到Tl)。定時器的長度與功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)有關(guān)。設(shè)計參數(shù)包含重復(fù)動態(tài)負(fù)載變化的頻率、待機(jī)模式操作頻率411、待機(jī)條件下的整體系統(tǒng)功耗、 輸出電容器Cl、實際頻率被鉗制在此處的中間頻率和最大可允許輸出電壓過沖等。在一個實施例中，定時器的長度大于重復(fù)負(fù)載變化的周期，并且可以在重復(fù)負(fù)載變化的周期的2 倍-5倍的范圍內(nèi)。舉例而言，如果重復(fù)動態(tài)負(fù)載變化速率近似是IOOHz (即，周期為IOms)， 那么定時器的長度可以在從20ms到50ms的范圍內(nèi)。注意到，定時器的長度還可以包含足夠的裕度以考慮重復(fù)動態(tài)負(fù)載變化速率的變化。在從TO到Tl的時間段期間，注意到，輸出控制信號的頻率大于關(guān)于圖2B所描述的時間段255期間的輸出控制信號的頻率。由于更為頻繁的開關(guān)循環(huán)，轉(zhuǎn)換器300可以更好的響應(yīng)任何后續(xù)的負(fù)載變化。一旦定時器在時刻Tl處終止，控制器307禁用頻率鉗制?？刂破?07將實際操作頻率(Fsw—FIm)降低455到基于Vsense所計算的操作頻率。如圖4B所示，在定時器453在時刻Tl處終止后，實際操作頻率從中間頻率429降低455，并且穩(wěn)定到與低負(fù)載穩(wěn)態(tài)條件407 相關(guān)聯(lián)的待機(jī)模式操作頻率411。注意到，在時刻Tl之后，輸出控制信號453的頻率低于輸出控制信號在時刻TO到Tl之間的頻率，這是因為控制器307已經(jīng)將操作頻率設(shè)定為較低的待機(jī)模式操作頻率411。由于在穩(wěn)態(tài)低負(fù)載條件407下的實際操作頻率沒有增加，因此無負(fù)載功耗沒有受到影響。重復(fù)動態(tài)負(fù)載條件圖5A示出了在操作模式期間經(jīng)歷的重復(fù)動態(tài)輸出負(fù)載轉(zhuǎn)換期間轉(zhuǎn)換器300的波形。該波形包含在重復(fù)動態(tài)輸出負(fù)載條件期間功率轉(zhuǎn)換器300的輸出負(fù)載(Iqut)波形501、 開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器操作頻率(Fsw nm)波形503和輸出電壓(Vtot)波形505。在一個實施例中， 重復(fù)動態(tài)負(fù)載條件描述了從低輸出負(fù)載到高輸出負(fù)載(并且反之亦然)的高頻變化(典型地，高于IOOHz)。輸出負(fù)載波形501示出了在電子設(shè)備的操作模式期間的重復(fù)動態(tài)負(fù)載特性。具體地，輸出負(fù)載波形501示出了在從低負(fù)載到高負(fù)載(并且反之亦然)的重復(fù)動態(tài)負(fù)載期間多個周期的輸出負(fù)載。輸出電壓波形505不出了在重復(fù)動態(tài)負(fù)載響應(yīng)期間輸出電壓的暫態(tài)響應(yīng)。類似于圖4A，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器300被配置成在最大可允許輸出電壓(V-out(MAX))和最小可允許輸出電壓(V-out(MIN))內(nèi)進(jìn)行操作。操作頻率波形503示出了在重復(fù)動態(tài)負(fù)載響應(yīng)期間開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器300的開關(guān)頻率。當(dāng)輸出負(fù)載為低507時，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器300的輸出電壓位于輸出電壓設(shè)定點(V-out設(shè)定點)509處。在低負(fù)載條件507期間，控制器307將轉(zhuǎn)換器300的操作頻率設(shè)定在待機(jī)模式操作頻率511處。如圖5A中所示，在從低輸出負(fù)載507到高輸出負(fù)載515的轉(zhuǎn)換513期間，輸出電壓波形505下降517到在輸出電壓設(shè)定點509以下但是大于最小輸出電壓的值。輸出電壓下沖517指示了輸出負(fù)載的上升513。響應(yīng)于輸出電壓下沖517，控制器307將操作頻率從待機(jī)模式操作頻率511增加519到與高負(fù)載條件515相關(guān)聯(lián)的高負(fù)載操作頻率521。注意到，由于重復(fù)動態(tài)負(fù)載，電壓輸出505從不達(dá)到穩(wěn)態(tài)輸出電壓設(shè)定點509。在從高輸出負(fù)載515到低輸出負(fù)載條件507的轉(zhuǎn)換523期間，輸出電壓波形過沖 525電壓輸出設(shè)定點509。輸出電壓過沖525并未超過轉(zhuǎn)換器300的最大可允許輸出電壓。 為了將輸出電壓從過沖525降低回到輸出電壓設(shè)定點509，控制器307降低529操作頻率， 直到達(dá)到了中間頻率531。如圖5A中所示，在低輸出負(fù)載條件期間，操作頻率被鉗制在低于高負(fù)載操作頻率521，而大于待機(jī)模式操作頻率511的中間頻率531。中間頻率531與功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)有關(guān)。這些參數(shù)包含待機(jī)模式操作頻率511、待機(jī)條件下的整體系統(tǒng)功耗、輸出電容器Cl、在其期間實際操作頻率被鉗制在中間頻率531的定時器的長度和最大可允許輸出電壓過沖等。在一個實施例中，中間頻率531被設(shè)定為待機(jī)模式操作頻率 411的3倍-8倍的范圍內(nèi)。通過將操作頻率設(shè)定在中間頻率531，與操作頻率是基于Vsense 的值來設(shè)定時相比(如上文關(guān)于圖2所描述的)，控制器307可以較快響應(yīng)從低負(fù)載條件 507到高負(fù)載條件515的負(fù)載的后續(xù)變化527。類似于一次性動態(tài)負(fù)載變化，在操作模式期間，當(dāng)檢測到從高負(fù)載515到低負(fù)載條件507的轉(zhuǎn)換523時，開關(guān)控制器307設(shè)定覆蓋期533。具體地，控制器307響應(yīng)于操作頻率降低529達(dá)到中間頻率531而設(shè)定覆蓋期533。在一個實施例中，覆蓋期533描述了一個時間段，在這個時間段中，開關(guān)控制器307覆蓋基于來自反饋控制環(huán)路的Vsmse信號的值來計算的轉(zhuǎn)換器300的操作頻率?；赩smse的值而計算的操作頻率示出為虛線535。在覆蓋期533期間，不是設(shè)定基于Vsmse來計算的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器300的操作頻率535，而是控制器307將操作頻率設(shè)定為中間頻率531。在覆蓋期533期間，如果基于Vsense的值來計算的操作頻率535高于中間頻率531， 那么將開關(guān)轉(zhuǎn)換器300的實際操作頻率設(shè)為基于Vsmse的值的操作頻率535。然而，如果基于Vsmse的值來計算的操作頻率535小于或等于中間頻率531，那么開關(guān)轉(zhuǎn)換器300的實際操作頻率被鉗制在中間頻率531。一旦覆蓋期533終止，開關(guān)控制器307基于反饋信號Vsense 來設(shè)定操作頻率535。然而，如果功率轉(zhuǎn)換器300在覆蓋期533終止之前經(jīng)歷從低負(fù)載507到高負(fù)載條件515的轉(zhuǎn)換527，那么開關(guān)控制器307增加537操作頻率以響應(yīng)于增加的負(fù)載條件。由于功率轉(zhuǎn)換器300在作為高于基于Vsmse的待機(jī)模式頻率511的頻率的中間頻率531進(jìn)行操作，開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器500能夠更快速響應(yīng)于從低負(fù)載507到高動態(tài)負(fù)載條件515的轉(zhuǎn)換 527。與圖2A中所示出的輸出電壓下沖229相比而言，轉(zhuǎn)換器300的改善的響應(yīng)導(dǎo)致較低的輸出電壓下沖539。轉(zhuǎn)到圖5B，圖5B示出了在重復(fù)動態(tài)負(fù)載條件期間，圖5A中的轉(zhuǎn)換器300的波形的一部分541的詳細(xì)示圖。除了輸出負(fù)載波形501、轉(zhuǎn)換器300的實際操作頻率(FSW Fim)503 和輸出電壓波形505之外，圖5B還示出了基于Vsense計算的操作頻率(Fsw TEMP)波形535、表示控制器307的輸出驅(qū)動信號309的驅(qū)動器輸出波形543以及定時器波形545，如下文將要進(jìn)一步描述的。輸出負(fù)載波形501示出了從高負(fù)載515到低負(fù)載條件507的轉(zhuǎn)換547，這導(dǎo)致輸出電壓從輸出電壓設(shè)定點509上升549到檢測點551，如在輸出電壓波形505中所示的?；谒嬎愕牟僮黝l率波形535 (即，F(xiàn)sw TEMP)表示從傳統(tǒng)的基于反饋的控制環(huán)路生成的轉(zhuǎn)換器300的開關(guān)頻率。隨著輸出電壓過沖549到輸出電壓檢測點551，控制器307將基于 Vsense計算的操作頻率從高負(fù)載頻率521降低553到與低負(fù)載條件507相關(guān)聯(lián)的待機(jī)模式頻率511。由于控制器307不能夠?qū)χ貜?fù)動態(tài)負(fù)載變化和一次性動態(tài)負(fù)載變化加以區(qū)分，所以對于控制器307而言，從高負(fù)載515到低負(fù)載507的轉(zhuǎn)換547看似是一次性負(fù)載變化。因此，控制器307將操作頻率535設(shè)定為與低負(fù)載條件507相關(guān)聯(lián)的待機(jī)模式操作頻率511。 如波形535中所示，在高負(fù)載到低負(fù)載的轉(zhuǎn)換547期間，基于Vsense的操作頻率下沖555待機(jī)模式操作頻率511。由于基于Vsense計算的操作頻率535低于待機(jī)模式頻率511，所以如果實際操作頻率503是基于Vsense的，那么轉(zhuǎn)換器300將不能夠快速響應(yīng)于到高負(fù)載條件515 的后續(xù)轉(zhuǎn)換561。然而，操作頻率波形503示出了由控制器307設(shè)定的用于根據(jù)本文的實施例來驅(qū)動開關(guān)Ql的實際操作頻率(Fsw Fim)。一旦輸出電壓上升到輸出電壓檢測點551，則控制器 307使得實際操作頻率初始跟蹤557基于Vsmse計算的操作頻率535。類似于基于Vsense計算的操作頻率，在高負(fù)載條件515期間，實際操作頻率503被設(shè)定為高負(fù)載頻率521。在當(dāng)轉(zhuǎn)換器300在高負(fù)載操作頻率521下進(jìn)行操作時的時間段561期間，輸出控制信號309以對應(yīng)于高負(fù)載操作頻率521的頻率輸出。一旦輸出電壓過沖到檢測點551，實際操作頻率初始跟蹤557基于Vsense計算的操作頻率。控制器307降低557實際操作頻率Fsw pim，直到達(dá)到了中間頻率531。一旦在時刻TO處達(dá)到了中間頻率531，控制器307發(fā)起由定時器波形545所表示的定時器，該定時器在時刻T3處終止。控制器307還將實際操作頻率鉗制在中間頻率531。定時器波形545描述了其間在低負(fù)載條件507期間實際操作頻率可以被鉗制在中間頻率531處的時間段(T0 到T3)。定時器的長度與功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)有關(guān)。設(shè)計參數(shù)包含重復(fù)動態(tài)負(fù)載變化的頻率、待機(jī)模式操作頻率511、待機(jī)模式下的整體系統(tǒng)功耗、輸出電容器Cl、實際頻率鉗制于此處的中間頻率和最大可允許輸出電壓過沖等。在一個實施例中，定時器的長度大于重復(fù)負(fù)載變化的周期，并且可以在重復(fù)負(fù)載變化的周期的2倍-5倍的范圍內(nèi)。舉例而言， 如果重復(fù)動態(tài)負(fù)載變化速率大概是IOOHz(即，周期為10ms)，那么定時器的長度可以在從 20ms到50ms的范圍內(nèi)。注意到，定時器的長度還可以包含足夠的裕度以涵蓋重復(fù)動態(tài)負(fù)載變化速率的變化。在從TO到T2的時間段期間，注意到，輸出控制信號309的頻率大于在關(guān)于圖2B所描述的時間段255期間輸出控制信號309的頻率，但是小于當(dāng)轉(zhuǎn)換器300在高負(fù)載操作頻率521下進(jìn)行操作的時間段561期間的輸出控制信號的頻率。在時刻Tl處，(在定時器在T3處終止之前)由于輸出負(fù)載的重復(fù)性,輸出負(fù)載從低負(fù)載507轉(zhuǎn)換561回到高輸出負(fù)載條件515。在轉(zhuǎn)換561期間，輸出電壓下沖563輸出電壓設(shè)定點509。然而，在轉(zhuǎn)換561期間，操作頻率仍舊被鉗制在中間頻率531處，中間頻率531大于本應(yīng)當(dāng)基于Vsmse來設(shè)定的所計算的操作頻率。轉(zhuǎn)換器300的較高的操作頻率允許較短的開關(guān)周期或空白時間563。與如果開關(guān)頻率被設(shè)定為基于Vsmse的較低頻率相比12/13 頁
而言，由于空白時間563比圖2B中所示出的空白時間247短得多，所以在TO到T3之間的時間段期間，轉(zhuǎn)換器300可以通過更快速的方式來響應(yīng)于負(fù)載變化。舉例而言，由于較高的開關(guān)頻率，在定時器在T3處終止之前在時刻T2處的下一個開關(guān)循環(huán)處，在與如果操作頻率是根據(jù)Vsense來計算的情況下控制器307檢測下沖563所花費的時間相比而言，控制器307在檢測點565處更快速地檢測到下沖563?？刂破?07隨后將操作頻率增加567到高負(fù)載操作頻率521，以使得輸出電壓可以快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)輸出電壓設(shè)定點509。因此，雖然定時器還沒有在T3處終止，但是控制器307仍舊增加操作頻率， 以考慮到高負(fù)載條件515的輸出負(fù)載的變化。在與圖2B中的輸出電壓的深度下沖251相比，由于最大輸出電壓下沖565降低了，所以重復(fù)動態(tài)負(fù)載響應(yīng)性能得以改善，同時仍舊實現(xiàn)了在一次性動態(tài)負(fù)載條件期間超低無負(fù)載功耗。在控制器307在時刻T2處檢測到低負(fù)載到高負(fù)載轉(zhuǎn)換561之后，即使定時器不被設(shè)定成直到時刻T3才終止，控制器307仍重新設(shè)定定時器，以為下一輪重復(fù)動態(tài)負(fù)載響應(yīng)做準(zhǔn)備。覆蓋頻率閾倌.圖6和圖7示出了可變覆蓋頻率閾值和定時器的各種實施例。下文的定時器和可變閾值可以應(yīng)用于如上文所描述的一次性動態(tài)負(fù)載條件或重復(fù)動態(tài)負(fù)載條件。注意到，在其他實施例中，可以采用其他時間和閾值配置。輸出波形601示出了高到低動態(tài)負(fù)載條件，而操作頻率波形603示出了在負(fù)載轉(zhuǎn)換期間轉(zhuǎn)換器300的操作頻率。在高輸出負(fù)載條件607期間，控制器307將操作頻率設(shè)定為高負(fù)載操作頻率609。當(dāng)檢測到從高負(fù)載607到低動態(tài)負(fù)載條件613的轉(zhuǎn)換611時，發(fā)起一個或多個頻率覆蓋定時器615和617。每個定時器的持續(xù)時間可以由控制器307來適應(yīng)性的設(shè)定，或者可以預(yù)先設(shè)定。在一個實施例中，定時器的發(fā)起相對于負(fù)載中的轉(zhuǎn)換611的檢測來設(shè)定。備選地，如圖6中所示，定時器的發(fā)起相對于彼此而設(shè)定。每個覆蓋定時器分別與一個中間頻率相關(guān)聯(lián)。具體地，定時器615與中間頻率619相關(guān)聯(lián)，而定時器617與中間頻率621相關(guān)聯(lián)。一旦檢測到從高負(fù)載607到低負(fù)載613的轉(zhuǎn)換611，就發(fā)起定時器615，這導(dǎo)致控制器307將操作頻率從高負(fù)載操作頻率609減小623到中間閾值頻率619。如圖6中所示， 操作頻率以步進(jìn)增量的方式減小623到中間頻率619。在一個實施例中，步進(jìn)增量在高負(fù)載操作頻率609的20%到40%的范圍內(nèi)。一旦定時器615終止，就發(fā)起定時器617，這導(dǎo)致控制器307進(jìn)一步以另一步進(jìn)增量的方式將操作頻率從中間頻率619減小625到中間頻率 621。一旦定時器619終止，則控制器307再次將操作頻率從此中間頻率621減小627到待機(jī)模式操作頻率629。圖7示出了備選的覆蓋頻率閾值和覆蓋期。類似于圖6，輸出波形701示出了高到低動態(tài)負(fù)載條件，而操作頻率波形703示出了在負(fù)載轉(zhuǎn)換期間轉(zhuǎn)換器300的操作頻率。在高輸出負(fù)載條件707期間，控制器307將操作頻率設(shè)定為高負(fù)載操作頻率709。當(dāng)檢測到從高負(fù)載707到低動態(tài)負(fù)載條件713的轉(zhuǎn)換711時，發(fā)起一個或多個頻率覆蓋定時器715和 717。每個定時器的持續(xù)時間可以由控制器307來適應(yīng)性的設(shè)定，或者可以預(yù)先設(shè)定。在一個實施例中，定時器的發(fā)起相對于負(fù)載中的轉(zhuǎn)換711的檢測來設(shè)定。備選地，如圖7中所示， 定時器的發(fā)起相對于彼此而設(shè)定。每個覆蓋定時器分別與一個中間頻率相關(guān)聯(lián)。具體地， 定時器715與中間頻率719相關(guān)聯(lián)，而定時器717與中間頻率721相關(guān)聯(lián)。
一旦檢測到從高負(fù)載707到低負(fù)載713的轉(zhuǎn)換711，就發(fā)起定時器715，這使得控制器307將操作頻率從高負(fù)載操作頻率709減小到中間頻率719。如圖7所示，操作頻率是以線性比例減小723，直到達(dá)到了中間頻率719。注意到，在備選的實施例中，操作頻率是以非線性比率來減小。一旦定時器715終止，則發(fā)起定時器717，這導(dǎo)致控制器307以線性比率來將操作頻率從中間頻率719減小725到中間頻率721。為了減小操作頻率，在每一步驟(即，開關(guān)循環(huán))，開關(guān)頻率相對于先前開關(guān)循環(huán)以高負(fù)載操作頻率709的10%到20%的步長降低。備選地，當(dāng)前開關(guān)循環(huán)的開關(guān)頻率降低到先前開關(guān)循環(huán)中所使用的開關(guān)頻率的 35%到50%。一旦定時器717終止，則控制器307將操作頻率從中間頻率721降低727到待機(jī)模式操作頻率729。在閱讀了本申請之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解還有存在用于檢測開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器中的無負(fù)載條件和使開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器在無負(fù)載條件下進(jìn)行操作的另外替代設(shè)計。因此， 盡管已經(jīng)示出并且描述了特定的實施例和應(yīng)用，但是應(yīng)當(dāng)理解，本文所討論的實施例不限于本文所公開的精確結(jié)構(gòu)和部件，并且在不脫離本申請的精神實質(zhì)和范圍的前提下，可以對本文所公開的方法和裝置的安排、操作和細(xì)節(jié)做出對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的各種修改、改變和變化。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，包括變壓器，其包含初級繞組和次級繞組，其中，所述初級繞組耦合到輸入電壓，并且所述次級繞組耦合到所述開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輸出端；開關(guān)，其耦合到所述變壓器的所述初級繞組，在所述開關(guān)導(dǎo)通時生成通過所述初級繞組的電流，而在所述開關(guān)截止時不生成通過所述初級繞組的電流；以及控制器，其被配置成生成控制信號以使所述開關(guān)導(dǎo)通或截止，所述開關(guān)響應(yīng)于所述控制信號在第一狀態(tài)中而導(dǎo)通，并且所述開關(guān)響應(yīng)于所述控制信號在第二狀態(tài)中而截止；其中，在從第一輸出負(fù)載條件到第二輸出負(fù)載條件的轉(zhuǎn)換期間，所述控制器進(jìn)一步被配置成以中間頻率來生成所述控制信號，所述中間頻率低于對應(yīng)于所述第一輸出負(fù)載條件的第一頻率但是高于對應(yīng)于所述第二輸出負(fù)載條件的第二頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第二輸出負(fù)載條件是無負(fù)載條件。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述控制器進(jìn)一步被配置成基于根據(jù)指示所述開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的反饋信號計算的頻率，將所述控制信號的頻率從所述第一頻率逐漸降低到所述中間頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述控制器進(jìn)一步被配置成持續(xù)一段時間以所述中間頻率來生成所述控制信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述控制器進(jìn)一步被配置成在所述一段時間終止之前，在從所述第二輸出負(fù)載條件到所述第一輸出負(fù)載條件的轉(zhuǎn)換期間，以所述第一頻率來生成所述控制信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述控制器進(jìn)一步被配置成響應(yīng)于所述一段時間的終止，將所述控制信號的頻率從所述中間頻率逐漸降低到所述第二頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其中，在從所述第一輸出負(fù)載條件到所述第二輸出負(fù)載條件的所述轉(zhuǎn)換期間，所述控制器進(jìn)一步被配置成在所述一段時間終止之后，以另一中間頻率來生成所述控制信號，所述另一中間頻率低于所述中間頻率但是高于對應(yīng)于所述第二輸出負(fù)載條件的所述第二頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述控制器進(jìn)一步被配置成線性地或非線性地將所述控制信號的頻率從所述第一頻率降低到所述中間頻率，并且從所述中間頻率降低到所述另一中間頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述控制器進(jìn)一步被配置成在第一步驟中，將所述控制信號的頻率從所述第一頻率降低到所述中間頻率，而在第二步驟中，將所述控制信號的頻率從所述中間頻率降低到所述另一中間頻率。
10.一種在控制器中用于控制開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的方法，所述開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器包含變壓器和開關(guān)，所述變壓器具有初級繞組和次級繞組，其中，所述初級繞組耦合到輸入電壓，而所述次級繞組耦合到所述開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輸出端，并且所述開關(guān)耦合到所述變壓器的所述初級繞組，在所述開關(guān)導(dǎo)通時生成通過所述初級繞組的電流，而在所述開關(guān)截止時不生成通過所述初級繞組的電流，所述方法包括生成控制信號以使所述開關(guān)導(dǎo)通或截止，所述開關(guān)響應(yīng)于所述控制信號在第一狀態(tài)中而導(dǎo)通，并且所述開關(guān)響應(yīng)于所述控制信號在第二狀態(tài)中而截止；以及在從第一輸出負(fù)載條件到第二輸出負(fù)載條件的轉(zhuǎn)換期間，以中間頻率來生成所述控制信號，所述中間頻率低于對應(yīng)于所述第一輸出負(fù)載條件的第一頻率但是高于對應(yīng)于所述第二輸出負(fù)載條件的第二頻率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述第二輸出負(fù)載條件是無負(fù)載條件。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括基于根據(jù)指示所述開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的反饋信號計算的頻率，將所述控制信號的頻率從所述第一頻率逐漸降低到所述中間頻率。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括持續(xù)一段時間以所述中間頻率來生成所述控制信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)一步包括在所述一段時間終止之前，在從所述第二輸出負(fù)載條件到所述第一輸出負(fù)載條件的轉(zhuǎn)換期間，以所述第一頻率來生成所述控制信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)一步包括響應(yīng)于所述一段時間的終止，將所述控制信號的頻率從所述中間頻率逐漸降低到所述第二頻率。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)一步包括在所述一段時間終止之后，以另一中間頻率來生成所述控制信號，所述另一中間頻率低于所述中間頻率但是高于對應(yīng)于所述第二輸出負(fù)載條件的所述第二頻率，所述控制信號的生成在從所述第一輸出負(fù)載條件到所述第二輸出負(fù)載條件的所述轉(zhuǎn)換期間。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括線性地將所述控制信號的頻率從所述第一頻率降低到所述中間頻率，并且從所述中間頻率降低到所述另一中間頻率。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括在第一步驟中，將所述控制信號的頻率從所述第一頻率降低到所述中間頻率，而在第二步驟中，將所述控制信號的頻率從所述中間頻率降低到所述另一中間頻率。
全文摘要
本文涉及有超低無負(fù)載功耗的最優(yōu)動態(tài)負(fù)載響應(yīng)的開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器。其公開了一種開關(guān)控制器，該開關(guān)控制器適應(yīng)性地控制開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的操作頻率，以改善一次性負(fù)載響應(yīng)和重復(fù)動態(tài)負(fù)載響應(yīng)。在從高負(fù)載到低負(fù)載條件的轉(zhuǎn)換期間，在允許操作頻率回到與低負(fù)載條件相關(guān)聯(lián)的頻率之前，開關(guān)控制器將開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的操作頻率鉗制在中間頻率持續(xù)一段時間。所鉗制的頻率高于與低負(fù)載條件相關(guān)聯(lián)的頻率，由此允許改善對到高負(fù)載條件的后續(xù)負(fù)載變化的響應(yīng)。因此，該系統(tǒng)改善了動態(tài)負(fù)載響應(yīng)，而不對無負(fù)載功耗產(chǎn)生影響。
文檔編號H02M3/335GK102594149SQ20121000531
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月7日
發(fā)明者D·恩古延, 史富強(qiáng), 李勇, 高小林 申請人:艾沃特有限公司