用于在不連續(xù)傳導模式中操作的開關模式調節(jié)器的聲頻靜帶系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于在不連續(xù)傳導模式中操作的開關模式調節(jié)器的聲頻靜 帶系統(tǒng)和方法
[0001] 本申請是申請?zhí)枮?01310442314. 2、申請日為2013年9月24日、題為"用于在不 連續(xù)傳導模式中操作的開關模式調節(jié)器的聲頻靜帶系統(tǒng)和方法"的發(fā)明專利申請的分案申 請。
技術領域
[0002] 本申請公開了一種用于在不連續(xù)傳導模式中操作的開關模式調節(jié)器的聲頻靜帶 系統(tǒng)和方法。
[0003] 相關申請的交叉引用
[0004] 本申請要求2013年6月19日提交的美國臨時申請序列號No. 61/836, 262的權益， 該申請的全部內容出于所有意圖和目的通過引用結合于此。
【附圖說明】
[0005] 參考以下描述以及附圖將能更好地理解本發(fā)明的益處、特征以及優(yōu)點，在附圖 中：
[0006] 圖1是被配置為具有包括根據一個實施例實現的調節(jié)器的電源的計算機系統(tǒng)的 簡化框圖；
[0007] 圖2是圖1的調節(jié)器的簡化示意圖和框圖，其被圖示為根據一個實施例實現的降 壓型DC-DC開關模式調節(jié)器；
[0008] 圖3是一般地示出圖2的調節(jié)器的正常DCM操作的時序圖；
[0009] 圖4是示出DCM操作的時序圖且圖5是示出圖2的調節(jié)器的ADCM操作的另一個 時序圖；
[0010] 圖6是針對圖2的調節(jié)器的一個實施例的每一個操作模式CCM、DCM、和ADCM而繪 出開關頻率（以Hz為單位）相對以安培㈧為單位的輸出電流10的圖；
[0011]圖7是根據一個實施例繪出圖2的調節(jié)器的功率轉換效率（單位為百分比）相對 輸出電流10的圖；
[0012] 圖8是根據一個實施例的狀態(tài)圖，示出分別與圖2的調節(jié)器的模式CCM、SH)CM、 ADCM、和SBDCM對應的四個不同狀態(tài)以及相對應的轉變條件；
[0013] 圖9是在根據一個實施例的圖2的調節(jié)器的ADCM操作模式中的單個開關循環(huán)期 間疊加了輸出電流10的電感器電流IL的繪圖，其與LG和UG的相應繪圖對齊；
[0014] 圖10是在根據一個實施例的圖2的調節(jié)器的ADCM操作模式中的另一個單個開關 循環(huán)期間疊加了輸出電流10的電感器電流IL的繪圖；
[0015] 圖11是在根據一個實施例的圖2的調節(jié)器的ADCM操作模式期間類似于圖9和10 的10和IL的繪圖，且還示出相應的LG脈沖LG1和LG2 ;
[0016] 圖12是根據一個實施例設置于圖2的SBDCM框中的SB檢測電路的一個實施例的 示意圖，其用于確定當DT達到對應于亞音速閾值條件的P1時何時從ADCM操作模式轉變至 SBDCM ;和
[0017] 圖13是根據一個實施例包含DCM、ADCM、和SBDCM框的細節(jié)的圖2的調節(jié)器的更 詳細不意圖和框圖。
[0018] 詳細描述
[0019] 本發(fā)明的益處、特征和優(yōu)勢參照下面的說明書和附圖將變得更容易理解，下面的 說明書使得本領域內普通技術人員能夠作出和使用本發(fā)明，如同在特定場合及其需要的背 景下提供的那樣。然而，優(yōu)選實施例的多種修改對本領域技術人員將會是明顯的，而且可將 本文所限定的一般原理應用于其它實施例。因此，本發(fā)明不旨在局限于本文中示出和描述 的特定實施例，而應給予與本文中披露的原理和新穎特征一致的最寬范圍。
[0020] 取決于輸出負載，調節(jié)器可被配置為在數個操作模式中的任一模式中操作。在較 高負載條件下，調節(jié)器一般在連續(xù)傳導模式（CCM)中操作，其中在開關循環(huán)過程中通過輸 出電感器的電流增加和減少但并不降為零。相反，電流連續(xù)地傳遞至輸出負載和/或輸出 電容器。當負載減少了特定量時，在CCM期間的連續(xù)開關循環(huán)中，電感器電流可能不僅達到 零，還可能變負。在非常輕的負載下，通過輸出電感器傳遞的很多電荷被浪費在CCM操作模 式中。特定地，電荷被低效地四處移動，因為在過量負載要求中的電荷被移動至輸出電容器 且然后轉儲至接地。因此，在較輕負載時，CCM是非常低效的。
[0021] 調節(jié)器可被配置為在不連續(xù)傳導模式（DCM)中操作，其中當電感器電流達到零時 開關器件等被截止從而防止電感器電流變負。在DCM過程中，電源部分的每一電荷包被傳 遞至負載或輸出電容器，且然后使開關中止，直到在輸出處需要附加的電荷包。由于在DCM 過程中的一個或多個循環(huán)中使開關中止，所以調節(jié)器的操作頻率隨負載而變化，使得所得 到的開關頻率FSW可粗略地與負載成比例。在DCM過程中，在新的周期上平均化功率損失。
[0022] DCM在較輕負載范圍處相比CCM具有優(yōu)勢，因為增加了效率。然而，DCM過程中的操 作頻率一般并不受控，因為它一般跟隨負載條件。如果在DCM中負載增加了一定的量，該操 作開關頻率可減少至可聽范圍，從而導致開關模式調節(jié)器產生可聽到的噪音。陶瓷電容器， 經常被用于包括移動計算設備等在內的很多消費電子產品的電源內，當在可聽頻率處被激 勵時，該陶瓷電容器具有產生可聽噪音的內在壓電效應。而且，在提供音頻集成電路（1C) 或半導體芯片等的電壓干線上的開關噪音可被放大，從而引起附加的可聽噪音。很多終端 應用，特別是在消費電子領域，對于可聽頻譜內的能量具有敏感度。在很多消費產品等中， 是非常不期望可聽噪音的。
[0023] 為了解決音頻敏感的應用，已經研發(fā)了音頻DCM方法。研發(fā)了可聽DCM(ADCM)作 為補充來防止調節(jié)器的操作頻率進入音頻頻譜。結合ADCM的調節(jié)器，相對在音頻頻率上被 有效地設置的預定時序閾值，來監(jiān)測DCM開關周期。當該開關周期超過閾值從而表示該開 關周期將要進入可聽頻譜時，發(fā)出新的脈寬調制（PWM)脈沖。以此方式，防止該開關周期增 加至可聽范圍，從而相應的開關頻率FSW保持超音速且不可聽。
[0024] 包括CCM、DCM、和ADCM的開關調節(jié)器在較高負載處在CCM中操作，當負載減少時 切換至DCM且同時開關頻率FSW維持在高于可聽范圍之上，且然后在較輕負載處切換至 ADCM(其中不然的話DCM開關頻率將進入可聽范圍）。在較輕負載處，DCM提供最大效率。 盡管ADCM相比CCM在較輕負載時更有效，但是并不如DCM -樣有效，但是至少防止了可聽 噪音。然而，ADCM顯著地限制了在非常輕負載處由DCM所實現的節(jié)電。以此方式，在非常 輕的負載處，ACDM是在效率和消費者煩擾之間的折衷。
[0025] 期望的是，對于電子設備而言，特別是消費者電子設備，諸如超級本、平板、智能手 機，在"保持連接的待機（connected standby)"操作中具有非常高的效率。保持連接的待 機操作意味著該設備處于低供電的狀態(tài)中，包括空閑狀態(tài)，且可被非?？焖俚剞D變至全工 作模式。DCM提供最佳效率但是受困于當在可聽頻率范圍內操作時的聲頻噪音。ADCM消除 了音頻噪音但是由于包括保持連接的待機操作的低于超音速范圍的操作頻率而顯著減少 了效率。
[0026] 圖1是被配置為具有包括根據一個實施例實現的調節(jié)器103的電源101的計算機 系統(tǒng)100的簡化框圖。電源101產生經由連接網絡105為計算機系統(tǒng)100的其他系統(tǒng)設備 提供電能的一個或多個供電電壓。連接網絡150可以是總線系統(tǒng)或開關系統(tǒng)或一組導體 等。在所示實施例中，計算機系統(tǒng)100包括處理器107和外設系統(tǒng)109,兩者均耦合至連接 網絡105來從電源101處接收電源電壓。在所示實施例中，外設系統(tǒng)109可包括系統(tǒng)存儲 器111 (例如，包括RAM和ROM類型設備和存儲器控制器等的任何組合）和輸入/輸出（1/ 0)系統(tǒng)113的任何組合，該輸入/輸出系統(tǒng)113可包括系統(tǒng)控制器等，例如圖形控制器、中 斷控制器、鍵盤和鼠標控制器、系統(tǒng)存儲設備控制器（例如，用于硬盤驅動器的控制器等） 等等。所示系統(tǒng)只是示例性的，因為本領域技術人員可以理解，許多處理器系統(tǒng)和支持裝置 可以被集成到處理器芯片上。
[0027] 圖2是調節(jié)器103的簡化示意圖和框圖，其被圖示為根據一個實施例實現的降壓 型DC-DC開關模式調節(jié)器。盡管圖示并描述了降壓型DC-DC調節(jié)器，可理解的是此處所述 的原理可應用于任何其他類型的調節(jié)器，諸如升壓型調節(jié)器等。可構想任何類型的調節(jié)器， 其中可結合DCM來改進在較低負載時的效率并可結合ADCM來避免DCM期間生成可聽頻率。
[0028] 調節(jié)器103包括控制器201，用于接收輸出電壓V0。注意，可使用反饋網絡或其它 (未示出）來感測V0并提供V0的感測版本（例如，提供反饋感測電壓VFB的分壓器等，未 示出）而不是直接感測V0本身?？刂破?01以一般形式圖示出，但可根據電壓模式控制、 電流模式控制、恒定導通時間（或恒定頻率）等來實現該控制器，且該控制器可被配置為模 擬控制器或數字控制器等。
[0029] 控制器201向上開關Q1的柵極端子提供上柵極驅動信號UG，并向下開關Q2的柵 極端子提供下柵極驅動信號LG。UG和LG信號在其它情況下被稱為開關控制信號，用于分 別控制電子開關Q1和Q2的激勵。在所示實施例中，電子開關Q1和Q2被圖示為本領域技 術人員已知的一對N溝道金屬氧化物半導體場效應管（M0SFET)?？墒褂闷渌愋偷碾娮?開關器件，包括其它類型的FET等、以及其它類型的晶體管，例如雙極結晶體管（BJT)或絕 緣柵雙極晶體管（IGBT)等。開關Q1具有耦合在VIN和相位節(jié)點202之間的漏極和源極端 子，且開關Q2具有耦合在相位節(jié)點202和地（GND)之間的漏極和源極端子。開關Q1和Q2 是受控的，從而通過耦合至輸出電感器L 一端的相位節(jié)點202來切換輸入電壓VIN，該輸出 電感器L的另一端耦合于輸出節(jié)點204。相位節(jié)點202形成相電壓VPH，并且輸出電壓V0 由耦合在輸出節(jié)點204和GND之間的輸出電容