[发明专利]开关调节器以及其操作控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及起DC-DC转换器作用的开关调节器，更具体地，涉及具有PWM(脉宽调制)控制模式以及VFM(变频调制)控制模式以及基于例如输出电流的状态而切换控制模式的开关调节器。

背景技术

近年来，考虑到环境问题要求电子装置节能，并且在由电池驱动的电子装置中节能的倾向变得尤其突出。通常，为了实现这样的节能，降低电子装置消耗的电功率、以及提高电源电路本身的效率以及抑制无用的电功率消耗是很重要的。使用电感器的非隔离开关调节器广泛用作用于小电子装置的高效率电源电路。

开关调节器有两种主要的控制模式。第一种是PWM(脉宽调制)控制模式，其中通过保持脉冲信号的频率为常数以及改变脉冲信号的占空比改变开关晶体管的接通时间与断开时间之比，以及控制平滑之后的输出电压的平均值为常数。第二种是VFM(变频调制)控制模式，其中通过保持脉冲信号的脉冲持续时间为常数以及改变脉冲信号的频率来改变开关晶体管的接通时间与预定周期之比，以及控制平滑之后的输出电压的平均值为常数。另外，有两种VFM控制模式。第一种涉及连续地改变脉冲信号的频率，而第二种涉及通过以PWM控制模式划分开关调节器的时钟脉冲信号来假性地改变脉冲信号的频率。该VFM控制模式也描述为PFM(脉冲频率调制)控制模式。

开关调节器本身的电功率消耗与开关频率成比例地增加。在PWM控制模式下，即使在轻负载的情况下，也以恒定的周期执行开关晶体管的接通/断开控制；因此降低轻负载情况下的效率。另一方面，在VFM控制模式下，开关晶体管的切换频率基于负载电流而波动；因此，噪声以及脉动(ripple)对装置的影响增加，对于轻负载切换次数降低，且效率变得比PWM控制模式更好。因此，传统地，存在通过基于负载条件而执行PWM控制与VFM控制的切换来提高从轻负载的情况到重负载的情况的电源效率的开关调节器。

然而，因为由开关调节器产生的噪声大大地影响外围装置，所以必须考虑这样的噪声。在开关调节器的噪声分量中，开关晶体管的切换频率的噪声分量最大。在VFM控制模式下，频率基于负载电流而波动；因此由开关调节器产生的噪声分量基于负载电流而波动。关于上述噪声，需要考虑外围装置来使用开关调节器。

另外，通常，在以VFM控制模式进行控制的情况下，输出电压的脉动变得比以PWM控制模式进行控制的情况下更大。即使在VFM控制模式下，VFM控制下的切换频率的最大值也是不一致的；因此在电感器电流成为零之前接通开关调节器以及将能量供应给电感器的情况下，存在输出电压的脉动进一步变大的问题。

图8是说明执行PWM控制以及VFM控制的切换的电流模式控制开关调节器的传统示例的电路图。

在图8中，当存储在输出电容器Co中的电荷向连接到输出端子OUT的负载120放电时，输出电压Vout逐步下降，而误差电压opout上升。当误差电压opout超过第二参考电压Vr2时，使能信号OSCEN(其是比较器108的输出信号)反相以及使能信号OSCEN成为高状态。当使能信号OSCEN成为高状态时，振荡电路109立即产生一个高状态脉冲以及作为时钟信号CLK输出。由时钟信号CLK置位RS触发器电路105，且输出Q成为高状态。然后，控制电路106将每个控制信号PHS以及NLS设置为低状态，接通开关晶体管M101以及断开同步整流晶体管M102。

当接通开关晶体管M101时，输入电压Vin施加到电感器L101，因此电感器电流iL流过电感器L101。电感器电流iL关于时间的增加率与输入电压Vin和输出电压Vout之间的电压差成比例。当电感器电流iL超过输出电流iout时，输出电压Vout上升以便充电输出电容器Co，而误差电压opout下降。当误差电压opout下降到小于第二参考电压Vr2时，来自比较器108的使能信号OCSEN返回到高状态。因此，振荡电路109只输出作为时钟信号CLK的一个脉冲，以及停止振荡操作。