用于开关功率变换器的低功耗模式和反馈结构制造技术

一种用于开关功率变换器的低功率模式和反馈结构。两个或多个主电源开关（Ｍ１，Ｍ２），例如，晶体管，可通过它们的开和关将来自电源的能量传递给负载（１０４）。当负载（１０４）仅需要相对较低的功率电平时，就检测该情况。在响应时，就禁止一个或多个晶体管开关（Ｍ１，Ｍ２）开和关，并且负载所减少的功率需要由剩下的一个或多个晶体管开关（Ｍ１，Ｍ２）来控制。因此，就减小了开关的损耗。这是因为与被禁止的开关相关的寄生栅极电容和导通电阻不再消耗电源的功率。当需要额外的功率时，一个或多个原先被禁止的开关（Ｍ１，Ｍ２）可以重新返回工作，以确保满足负载（１０４）所需要的功率要求。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

Low power mode and feedback structure for switched power converters

A low power mode and feedback structure for switching power converters. Two or more main power switches (M1, M2), such as transistors, that transfer energy from the power source to the load (104) through their opening and closing. When the load (104) requires only relatively low power, the situation is detected. In response, one or more transistor switches (M1, M2) are forbidden to be switched on and off, and the reduced power of the load is controlled by the remaining one or more transistor switches (M1, M2). Therefore, the loss of the switch is reduced. This is because the parasitic gate capacitance and the on resistance associated with the forbidden switch no longer consume the power of the power supply. When additional power is required, one or more previously prohibited switches (M1, M2) can be returned to work to ensure that the power requirements required for the load (104) are met.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及开关功率变换器和放大器的领域。更具体的说，本专利技术涉及具有低功耗模式以保存功率的开关功率变换器和放大器。
技术介绍
在常规的开关模式的功率变换器中，当主电源开关关闭时，则来自诸如未稳压电源这样的电源的电流流经电感器。这就以能量对电感器充电。当开关打开时，该能量就放电到电容器。这就在电容器两端上形成电压，可以随后用于驱动负载。通过适当地控制开关的开和关，例如，脉宽调制(PWM)或频率调制，使该输出电压能维持一个恒定和所需的电平。根据PWM，对开和关主电源开关的占空周期进行控制。例如，将周期性斜波信号与可变信号进行比较，以控制开关的占空周期。提供给负载的功率电平取决于主电源开关的占空周期。根据频率调制，对开和关主电源开关所处频率进行控制。例如，压控振荡器(VCO)能够用于控制主电源开关。提供给负载的功率电平取决于开关频率。常规的开关功率放大器是一类输出是依据输入信号而变化的开关功率变换器。这与输入通常维持在恒定电平的开关功率变换器形成对照。在典型的开关功率放大器中，主电源开关的开和关是响应输入信号电平来控制的。因此，开关放大器的输出趋向于跟随输入信号。D类音频放大器是传统开关功率放大器的实例，它采用四个主电源开关的H桥型结构在扬声器的两端提供差分输出信号。各对开关串联耦合在电源的高电位和低电位之间。位于各对功率开关中间的节点连接扬声器的相对端点。通过根据输入音频信号来控制四个主电源开关的开和关，音频扬声器产生与输入信号有关的声音。因为输出信号是差分的，所以这类放大器一般都是以开环(即，没有反馈)的方式工作。这种放大器开环工作的缺点是输出信号容易产生失真。常规的开关功率变换器趋向于提供胜于其它类型器件的优点。这是因为开关功率变换器趋于将输出功率降到负载所需要的功率相称的比率以及趋于具有相对较低的能量损耗。在开关功率变换器中的能量损耗一般称之为开关损耗且主要是由于在主电源开关和电抗元件(例如，电感器和电容器)中的能量消耗。当负载所消耗的功率电平接近于开关功率变换器的最大的能力时，相对于开关功率变换器的总的输出功率来说，开关的损耗是低的。这样，变换器就能以高的效率工作。然而，随着由负载所消耗的功率电平的下降，相对于从电源所得到的功率电平来说，开关损耗就会变得很明显。这时，负载的功率消耗处在低电平上时，开关损耗会明显地降低效率。然而，效率是衡量开关功率变换器的一项重要的性能指标，例如，由电池供电的情况下，例如在便携式电话中，低的效率就会导致在电池充电间的工作周期减少。因此，常规的开关功率变换器在负载消耗较低功率电平下往往不能有效地使用电池功率。因此，就需要能克服上述缺点的开关功率变换器。这就是本专利技术所提出的目标。
技术实现思路
本专利技术是用于开关功率变换器的低功耗模式和反馈结构。两个或多个电源开关，例如，晶体管，通过它们的开和关将来自电源的能量传递给负载。当负载需要相对较低的功率水平时，就检测出该情况。作为响应，一个或多个晶体管开关就被禁止开关，并且由剩余的一个或多个晶体管开关来处理负载减少的功率需求。因此，就减小了开关的损耗。这是因为与被禁止工作的开关关联的寄生栅电容和导通电阻不再消耗电源的功率。本专利技术在负载处于低功率的电平周期期间提供了显著效率的优点。这对电池供电的器件特别有用，这可以使它在低功率模式时工作更长时间周期，例如，便携式电话的等待模式。功率消耗的防止对在需要再次充电之前延长工作时间大有帮助。然而，当需要额外的功率时，原先被禁止的一个或多个开关可能返回到工作状态，以确保能满足负载的功率需要。在提供差分输出信号的具有H桥型结构的音频放大器中，本专利技术也提供仅来自负载一侧的反馈路径。这能够减小与开环工作关联的失真。根据本专利技术的一个方面，提供了具有第一和第二晶体管开关的开关功率变换器。通过开和关第一晶体管开关将来自电源的能量传递给负载；通过开和关第二晶体管开关将来自电源的能量传递给负载；并且检测到低功率条件时，就禁止第二晶体管开关。在关闭时，第一开关可以将来自电源的能量传递给第一电抗元件，而打开时，第一开关就可以将来自第一电抗元件的能量传递给第二电抗元件。在关闭时，第二晶体管开关可以将来自电源的能量传递给第三电抗元件，而打开时，第二晶体管开关可以将能量从第三电抗元件传递给第二电抗元件。第一和第二晶体管开关的切换可以是交替的。第一和第二晶体管开关可以相互并联耦合。当第二晶体管开关处于有效切换时，第一晶体管开关的切换可与第二晶体管开关的切换同步。当第二晶体管开关处于有效切换时，第一晶体管开关可以禁止切换。开关功率变换器可以包括与第一和第二开关相耦合的脉宽调制开关控制器。开关功率变换器可以包括与第一和第二开关相耦合的频率调制开关控制器。低功率检测器可以通过监测提供给负载的电压或通过监测代表提供给负载上的电压和所要求电压电平之间差异的误差信号来检测低功率情况。低功率检测器可以包括具有滞后传递特性的比较器。第一和第二晶体管开关可以具有相当大不同的载流能力。能量可以通过同时整流的电流传递给负载。开关功率变换器也可以包括第三晶体管开关和第四晶体管开关，第三和第四晶体管开关用于执行电流的同步整流，其中，一旦检测到低功率情况，低功率检测器就禁止第四晶体管工作。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种开关功率变换器，它包括开关控制器以及包括有第一晶体管开关和至少有两个附加晶体管开关组的多个晶体管开关。每个晶体管开关都与开关控制器相耦合，用于通过开关控制器对相对应的晶体管开关的开和关控制从电源向负载提供功率。低功率检测器与至少两个附加晶体管开关组成的组相耦合，用于根据所检测到提供给负载的功率电平来选择一个或多个晶体管开关的禁止开关。多个晶体管开关可以相互并联耦合。有效切换的多个晶体管开关可以同步。开关控制器可以是脉宽调制开关控制器。开关控制器可以是频率调制开关控制器。低功率检测器可以通过监测提供给负载的电压或通过监测代表在提供给负载的电压和所要求电压电平之间差异的误差信号来检测提供给负载的功率电平。低功率检测器可以包括具有滞后传递特性的比较器。根据本专利技术的另外一个方面，提供了一种开关放大器，它可用于接收输入信号和用于产生代表输入信号的输出信号。依据第一对晶体管开关的切换，第一对晶体管开关就会交替上升和下降电抗元件第一端点的电位；依据第二对晶体管开关的切换，第二对晶体管开关就会交替上升和下降电抗元件第一端的电位；开关控制器根据输入信号来控制第一对和第二对晶体管开关的切换，以便在电抗元件的第二端上形成输出信号。低信号电平检测器与第二对晶体管开关相耦合，以便于一旦检测到低输入信号电平情况，就禁止第二对晶体管开关的切换。输入信号可以是音频信号。开关放大器可以包括相耦合接收输出信号的扬声器。开关放大器可以包括一对或多对附加的晶体管开关，用于交替地上升和下降电抗元件第一端的电压电位，一旦检测到所对应的低信号电平情况，由低信号电平检测器有选择性地禁止各个附加对晶体管开关的工作。第一对晶体管开关可以具有基本相同的载流能力，而该载流能力可以相当大地不同于第二对的晶体管开关的载流能力。低信号电平检测器可以通过监视输入信号或通过监视代表在输入信号和参考电平之间差异的误差信号来检测低信号电平情况。低功率检测器可以包括窗口比较器。窗口比较器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关功率变换器，其特征在于，包括：第一晶体管开关，用于通过开和关所述第一晶体管开关将来自电源的能量传递给负载；第二晶体管开关，它与所述第一晶体管开关相耦合，用于通过开和关所述第二晶体管开关将来自电源的能量传递给负载；和低功率 检测器，它与所述第二晶体管开关相耦合，用于一旦检测到低功率情况就禁止所述第二晶体管开关的开和关。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：J黄，
申请(专利权)人：虹冠电子工业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]