[发明专利]一种具有自适应驱动输出电路能力的高效开关稳压器

说明书

技术领域：

本发明涉及到开关稳压电路。更具体地，本发明涉及在宽电流范围内保持高效率的开关稳压器的电路和方法，同时电路工作在一个基本恒定的频率下。

背景技术：

电压调节器的目的是从不稳定或波动的电压源获得输入，而向负载提供预定的和基本上恒定的输出电压。一般来说，有两种不同类型的稳压器：线性稳压器和开关稳压器。

线性稳压器采用与负载串联耦合在一起的元件（例如功率晶体管），以控制该元件两端的电压降，从而调节出现在负载端的电压。与此相反，开关稳压器采用的开关（例如功率晶体管）与负载串联或并联耦合连接。稳压器控制开关的开启和关闭，以调节供给负载的功率。开关稳压器采用电感能量存储元件，从而将电流脉冲转换成稳定的负载电流。因此，开关稳压器的功率以离散的电流脉冲形式被发送，而在一个线性稳压器中，稳压器的功率以稳定的电流形式被发送。

为了产生电流脉冲，开关稳压器通常包括控制电路，从而打开和关闭开关。开关的占空比（它控制向负载提供的功率）可以通过多种方法来改变。例如，占空比可以通过以下方法改变：（1）固定脉冲频率而改变各脉冲的占空比（即脉冲宽度调制PWM），（2）固定各脉冲的占空比而改变脉冲频率。

而通常采用的是固定频率PWM方法，因为改变频率的方法可能会导致噪声的出现，尤其是在较低的占空比情况下。而电压噪声可能会影响由开关稳压器供电的电路的性能。可变开关频率的另一个问题是开关频率的谐波可能会干扰中频（IF）或射频（RF）通信电路。

不管采用哪种方法控制占空比，开关稳压器一般都比线性稳压器的效率更高（其中效率是由调节器提供的功率与提供到它的功率的比值）。在线性稳压器中，旁路元件一般工作在其线性区域，在线性区域内，旁路元件连续导通电流。这将导致晶体管连续的功率耗散。相反，在开关稳压器中，开关处于断开状态（这种状态下没有功率耗散）或导通状态（低阻抗状态，这种状态下有较小的功率耗散）。这种差异在操作时通常会导致开关稳压器平均功耗的减少。

当稳压器的输入-输出端电压差较大时，上述效率上的差异将更加清晰。例如，等效功能下，线性稳压器的效率低于25％，而开关稳压器的效率可以大于75％。

由于开关稳压器与线性稳压器相比有更高的效率，开关稳压器通常采用电池供电，如便携式笔记本电脑和手持式仪器。在这样的系统中，当开关稳压器的电流接近额定值时（例如笔记本电脑的磁盘和硬盘驱动器都在工作时），整个电路的效率可以很高。然而，效率通常是一个与输出电流相关的函数，并且输出电流减小时功率减小。这种效率的降低一般是由于操作开关稳压器造成的损失。在电池供电的系统中，开关稳压器在低输出电流时效率的减少便很重要，这将使电池的寿命最大化。

鉴于效率和输出电流之间的关系，传统的开关稳压器通常采用功率MOSFET开关。开关稳压器的两个重要损耗是开关造成的功率损耗和开关驱动电流损失。大功率MOSFET具有较低的沟道阻抗，从而在给定的电流下比小功率MOSFET消耗更少的功率。然而，由于其较大的栅极区，大功率MOSFET具有较高的栅极电压，这导致它在给定的操作频率下比小功率MOSFET具有更大的开关驱动电流损耗。在高输出电流时，开关驱动电流损失通常没有耗散损失显著，而在低输出电流时，开关驱动电流损失将导致效率的显著降低。降低开关频率将减小开关驱动器的电流损失，但是，频率的变化对于某些电路是一个不好的方法，如上面所讨论的音频电路。

鉴于上述情况，提供高效率的开关稳压器是需要的。

在开关稳压电路中，提供在宽电流范围（包括低输出电流）内保持高效的控制电路和方法也是需要的。

在工作于一个恒定频率的开关稳压电路中，提供在宽电流范围（包括低输出电流）内保持高效的控制电路和方法也是需要的。

发明内容：

因此，本发明的第一个目的是提供一种高效的开关稳压器。

本发明的第二个目的是在开关稳压电路中，提供在宽电流范围（包括低输出电流）内保持高效的控制电路和方法。

本发明的第三个目的是在工作于一个恒定频率的开关稳压电路中，提供在宽电流范围（包括低输出电流）内保持高效的控制电路和方法。

本发明的技术解决方案：