基于固定工作時間的脈寬控制裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于固定工作時間的脈寬控制裝置及方法，該裝置和方法可以用于電壓轉換器中。并且該裝置具體包括：比較器、邏輯電路和控制器。其中，該比較器，用于根據控制器的兩個信號，產生輸出至邏輯電路的邏輯控制信號。其中，該邏輯電路耦接至該比較器，用于根據邏輯控制信號，產生具有工作時間脈寬的脈沖控制信號，以對電壓轉換器的輸出級電路中的輸出電容進行充電。其中，該控制器耦接至比較器，用于通過檢測輸出級電路中的電感的電感電流信號，通過產生斜坡電壓信號，通過產生基于參考電壓的輸出電壓紋波信號，從而產生輸至比較器的兩個信號。以上的裝置及方法，可以提高噪聲免疫力并且具有DC(直流)調節能力。
【專利說明】
基于固定工作時間的脈寬控制裝置及方法
技術領域
[0001]本發明涉及電壓轉換技術領域，尤其涉及一種可在電壓轉換器中使用的基于固定工作時間的脈寬控制裝置及方法。
【背景技術】
[0002]—般而言，傳統的固定工作時間(constant on time)控制器一般受到其輸出電容的小ESR(EquivaIent Series Resistor，等效串聯電阻)的限制。由于ESR太小，所以傳統的控制器不能有效地反應/檢測輸出電壓紋波(voltage ripple)。提出了一些傳統方案來改善輸出電壓紋波的檢測。但是，一部分的這些傳統方案不能夠改善差的噪聲免疫力和更糟的DC(直流)電壓調節，并且該部分傳統方案用于補償的信號增益太低。另外，另一部分的傳統方案可能進一步限制瞬態響應。另外，另一部分的傳統方案可能采用電壓模式控制回路，并且由于該部分的傳統方案缺少用于其電壓模式控制回路的電流信號，所以一定需要復雜的補償電路設計。
【發明內容】
[0003]有鑒于此，本發明實施例提供了一種基于固定工作時間的脈寬控制裝置及方法，可以提尚噪聲免疫力和具有DC調節。
[0004]本發明提供了一種基于固定工作時間的脈寬控制裝置，該裝置用于電壓轉換器中，包括:比較器，用于根據控制器的兩個信號，產生輸出至邏輯電路的邏輯控制信號;所述邏輯電路，耦接至所述比較器，用于根據所述邏輯控制信號，產生具有工作時間脈寬的脈沖控制信號，以對所述電壓轉換器的輸出級電路中的輸出電容進行充電；以及所述控制器，耦接至所述比較器，用于通過檢測所述輸出級電路中的電感的電感電流信號，通過產生斜坡電壓信號，通過產生基于參考電壓的輸出電壓紋波信號，從而產生輸至所述比較器的所述兩個信號。
[0005]其中，所述控制器包括:誤差放大器，具有用于接收所述參考電壓的正輸入端和用于接收所述電壓轉換器的輸出電壓信號的負輸入端，從而產生所述輸出電壓紋波信號;補償器，耦接至所述誤差放大器的所述負輸入端和輸出端，用于使用高增益來補償所述輸出電壓紋波信號。
[0006]其中，所述補償器包括:與第一電容串聯的第一電阻，所述第一電阻和所述第一電容連接在所述誤差放大器的所述負輸入端和所述輸出端之間；第二電容，與所述第一電阻和所述第一電容并聯；以及第三電阻，一端耦合所述輸出電壓信號，另一端耦接所述第一電阻和所述誤差放大器的所述負輸入端。
[0007]其中，所述控制器包括:誤差放大器，具有用于接收所述參考電壓的正輸入端和用于接收所述電壓轉換器的輸出電壓信號的負輸入端，從而產生所述輸出電壓紋波信號;補償器，耦接所述誤差放大器的輸出端和地平面，用于使用高增益來補償所述輸出電壓紋波信號。
[0008]其中，所述補償器包括:與第一電容串聯的電阻，所述電阻和所述第一電容連接在所述誤差放大器的輸出端和所述地平面之間；以及第二電容，與所述電阻和所述第一電容并聯。
[0009 ]其中，所述控制器包括:電流感應電路，用于檢測所述輸出級電路中的所述電感的所述電感電流信號；以及斜坡電壓產生器，用于產生所述斜坡電壓信號；其中，所述控制器用于通過將所述斜坡電壓信號加上所述電感電流信號的直流電平，來產生模仿的斜坡電流信號，該模仿的斜坡電流信號作為提供至所述比較器的所述兩個信號之一；以及，所述輸出電壓紋波信號作為提供至所述比較器的所述兩個信號中的另一個。
[0010]其中，所述控制器包括:電流感應電路，用于檢測所述輸出級電路中的所述電感的所述電感電流信號；以及斜坡電壓產生器，用于產生所述斜坡電壓信號，該斜坡電壓信號作為提供至所述比較器的所述兩個信號中的其中一個;其中，所述控制器用于通過從所述放大的輸出電壓紋波信號中減去所述檢測的所述電流感應信號的直流電平，來產生提供至所述比較器的所述兩個信號中的另一個。
[0011]其中，所述控制器包括:斜坡電壓產生器，以及所述斜坡電壓產生器包括:電壓源，用于提供直流電壓電平；電流源，用于提供電流；電容，串聯在所述電壓源和所述電流源之間；開關，與所述電容并聯;其中，所述斜坡電壓產生器的輸出端設置在所述電流源和所述電容之間；在所述工作時間脈寬期間，所述控制器控制所述開關短路，以提供作為所述斜坡電壓信號的所述直流電壓電平；以及在關閉時間脈寬期間，控制所述開關打開，以提供作為所述斜坡電壓信號的放電電壓電平。
[0012]其中，所述控制器包括:電流感應電路，以及所述電流感應電路包括:電流感應放大器，用于感應并放大所述電感電流信號；以及取樣/保持單元，耦接至所述電流感應放大器，用于對所述電感電流信號的直流電平進行取樣，并保持取樣的直流電平。
[0013]本發明提供了一種基于固定工作時間的脈寬控制方法，該方法用于電壓轉換器中，包括:根據兩個信號，產生邏輯控制信號;根據所述邏輯控制信號，產生具有工作時間脈寬的脈沖控制信號，以對所述電壓轉換器的輸出級電路中的輸出電容進行充電；以及通過檢測所述輸出級電路中的電感的電感電流信號，通過產生斜坡電壓信號，通過產生基于參考電壓的輸出電壓紋波信號，來產生所述兩個信號。
[0014]本發明實施例的有益效果是:
[0015]以上的裝置和方法，通過檢測輸出電感的電感電流，產生斜坡電壓信號，以及產生基于參考電壓的輸出電壓紋波信號，從而產生兩個信號，然后基于該兩個信號來控制輸出級電路中的電容，從而提高噪聲免疫力并具有DC調節效果。
【附圖說明】
[0016]圖1是根據本發明第一實施例的電壓轉換器的結構示意圖；
[0017]圖2是圖1中所示的信號Vramp、VC2、IL、Ton、和取樣/保持單元的周期的示意圖；
[0018]圖3是當電壓轉換器的負載變化時，圖1中所示的信號VC2、IL、Ton、和取樣/保持單元的周期的示意圖；
[0019]圖4是根據本發明第二實施例的電壓轉換器的結構示意圖；
[0020]圖5是根據本發明第三實施例的電壓轉換器的結構示意圖； [0021 ]圖6是根據本發明第四實施例的電壓轉換器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0022]為了使本發明所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0023]在本申請說明書及權利要求當中使用了某些詞匯來指稱特定的組件。本領域技術人員應可理解，硬件制造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個組件。本說明書及權利要求并不以名稱的差異作為區分組件的方式，而是以組件在功能上的差異作為區分的準則。在通篇說明書及權利要求當中所提及的“包括”、“包含”為一開放式的用語，故應解釋成“包括(含)但不限定于”。另外，“耦接”一詞在此為包括任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述第一裝置耦接于第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接至該第二裝置，或透過其它裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
[0024]圖1是根據本發明第一實施例的電壓轉換器100的結構示意圖。本實施例中的該電壓轉換器100為DC-DC(直流至直流)降壓轉換器(但是不限制于此)，并且包括:裝置103和輸出級電路120。其中裝置103包括:控制器105、比較器110和邏輯電路115。控制器105包括:誤差放大器1051、高增益補償器1053、電流感應電路1055和斜坡電壓(voltage ramp)產生器1057。邏輯電路115包括:產生器1151和控制邏輯單元1153。輸出級電路120包括:兩個開關晶體管HSFETT(High-Speed Field-Effect Transistor，高速場效應晶體管)和LSFET(Low-Speed Field-Effect Transistor，低速場效應晶體管)，輸出電感Lout和輸出電容Cout。DC-DC降壓轉換器100用于接收輸入DC電壓Vin，以產生并輸出輸出DC電壓Vout。裝置103產生脈寬控制信號Ton來控制開關晶體管HSFET和LSFET的開/關狀態，從而在信號Ton的工作時間的脈寬期間，動態地對電容Cout充電，以及在Ton的關閉時間(off-time)的脈寬期間，控制電容Cout放電。裝置103包括:基于固定工作時間的脈寬控制操作，并且可以被視為基于固定工作時間的脈寬控制的控制器。該基于固定工作時間的脈寬控制操作意味著裝置103在每個周期的期間，采取固定的工作時間脈寬，其中該每個周期用于控制開關晶體管LSFET和LSFET(在正常負載狀態下)的開/關狀態。如果負載狀態改變，那么可以延長或縮短工作時間脈寬。
[0025]傳統的固定工作時間控制器受到輸出電容的小ESR的限制。由于ESR太小，所以該傳統控制器不能有效地反應/檢測輸出電壓紋波。從而導致傳統的固定工作時間控制器不具有好的噪聲免疫力和DC調節。在本實施例中，使用組合了比較器110和邏輯電路115的控制器，以便于解決上述問題，并且也獲得靈活的電流模式補償和維持快速的瞬態響應。控制器105用于產生兩個合成信號(resultant signal)VCl和VC2。具體的，控制器105檢測輸出電感Lout的電感電流信號IL;產生模仿純斜坡電流(pure current ramp)的斜坡電壓信號Vramp;放大并產生基于參考電壓Vref和輸出電壓信號Vout的輸出電壓紋波信號，以產生信號VC1。比較器110用于根據兩個合成信號VCl和VC2，產生輸出至邏輯電路115的邏輯控制信號Sset。邏輯電路115根據邏輯控制信號Sset，產生具有工作時間脈寬的脈沖控制信號Ton，以控制開關晶體管HSFET和LSFET。
[0026]在該第一實施例中，誤差放大器1051用于放大輸出電壓信號Vout和參考電壓Vref之間的差，從而產生作為信號VCl的輸出電壓紋波信號。高增益補償器1053用于使用高增益來補償輸出電壓紋波信號，從而為輸出電壓信號Vout提供回路穩定性和更好的DC電壓調節。高增益補償器1053連同誤差放大器1051可以被視為用于累加輸出電壓信號Vout和參考電壓Vref之差的積分器，從而產生輸出電壓紋波信號，以便于放大輸出電壓信號Vout上的電壓紋波。將信號VCl傳送至比較器110的正輸入端。另外，在實踐中，高增益補償器1053包括:電阻Rl、R3和電容Cl、C2。電阻Rl與電容Cl串聯，并且電阻Rl和電容Cl連接在誤差放大器的負輸入端和輸出端之間。電容C2與電阻Rl和電容Cl并聯。輸出電壓信號Vout經過電阻R3并提供給誤差放大器1051。誤差放大器1051和高增益補償器1053可以提供好的噪聲免疫，更好的DC調節和改善的回路穩定性。
[0027]電流感應電路1055用于檢測輸出電感Lout的電感電流信號IL，以及斜坡電壓產生器1057用于產生斜坡電壓信號Vramp。控制器105可以基于斜坡電壓信號Vramp和檢測的電感電流信號IL的DC電平，模仿純電流斜坡信號，該模仿的純電流斜坡信號作為提供給比較器110的信號VC2。在實踐中，斜坡電壓產生器1057包括:電壓源VS、電流源IS、電容C3和開關Sff ο電壓源VS用于提供直流電壓電平。電流源IS提供特定電流。電容C3串聯在電壓源VS和電流源IS之間，并且開關SW與電容C3并聯。斜坡電壓產生器1057的輸出節點設置在電流源IS和電容C3之間。根據脈沖信號Ton，控制開關SW。控制器105控制開關SW在信號Ton的工作時間脈寬期間閉合，以提供作為斜坡電壓信號Vramp的直流電壓電平，以及控制開關SW在信號Ton的關閉時間脈寬期間打開，以提供作為斜坡電壓信號Vramp的緩慢的放電電壓電平。該斜坡電壓信號Vramp類似具有特定斜率的三角波信號。另外，電流感應電路1055包括:電流感應放大器1058和取樣/保持單元1059。電流感應放大器1058具有增益K，用于感應和放大該輸出電感電流IL，以及取樣/保持單元1059用于對放大后的電感電流IL的電平進行取樣，并保持該取樣的電平。控制器105通過將斜坡電壓信號Vramp加上取樣/保持單元1059輸出的電平VDC，來產生合成信號VC2，從而模仿純斜坡電流信號。
[0028]當信號VCl大于信號VC2時，比較器110輸出作為其輸出(即邏輯控制信號Sset)的邏輯高電平，以及當信號VCl小于信號VC2時，輸出作為其輸出的邏輯低電平。產生器1151根據邏輯控制Sset，接收DC輸入電壓Vin和參考電壓Vref，從而產生具有工作時間脈寬的脈沖控制信號Ton。控制邏輯單元1153根據信號Ton，控制開關晶體管HSFET和LSFET的開/關狀
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[0029]請結合圖1參考圖2。圖2是圖1中所示的信號Vramp、VC2、IL、Ton、和取樣/保持單元1059的周期的示意圖。作為示例的信號Vramp為三角波信號，并且當信號VCl大于信號VC2(即信號Ton的工作時間脈寬)時，Vramp被升高至高電平(DC電壓VS)。信號Vramp按照由電容C3和/或電流IS決定的斜率漸漸地下降。通過將信號Vramp添加至信號VDC以產生信號VC2。IL指示輸出電感信號的波形，并且實際上可以包括:一些小的變化(S卩，電流紋波KTon為由產生器1151產生的脈沖信號，用于控制控制邏輯單元1153，并且Ton的高邏輯電平指示工作時間脈寬。在本示例中，取樣/保持單元1059用于對輸出電感電流IL的峰值振幅取樣，保持該取樣的峰值振幅，該取樣并保持的峰值振幅作為VDC電平;取樣/保持單元1059在信號Ton的每個工作時間脈沖結束之后，立即工作。如圖2所示，控制器105使用斜坡電壓產生器1057和電流感應電路1055來模仿用于輸出電感信號TL的純斜坡電流信號。當DC-DC降壓轉換器100工作在電流模式并且維持相同的電流增益時，通過調整電容C3和/或電流IS來靈活地增加信號Vramp的振幅，從而改善噪聲免疫力。
[0030]圖3示出了當DC-DC降壓轉換器100的負載變化時，圖1所示的信號VC2、IL、Von和取樣/保持單元1059的周期的示意圖。如圖3所示，DC-DC降壓轉換器100的負載從輕負載狀態變化至重負載狀態，并且斜坡電壓產生器1057和電流感應電路1055可以成功地模仿對應DC-DC降壓轉換器100的負載狀態變化的純斜坡電流。也就是說，即使DC-DC降壓轉換器100的負載變化，也適合使用斜坡電壓產生器1057和電流感應電路1055來有效地模仿純斜坡電流。DC-DC降壓轉換器100維持快速的瞬態響應。
[0031]在另一個實施例中，高增益補償器1053可以由不同電路結構實現，該不同的電路結構沒有連接至誤差放大器1051的負輸入端。圖4為根據本發明第二實施例的DC-DC降壓轉換器100的示意圖。高增益補償器1053包括:與電容Cl串聯的電阻Rl，以及電容C2。電阻Rl連同電容Cl連接在誤差放大器1051的輸出端和地平面之間。電容C2與電阻Rl和電容Cl并聯。電容C2也連接在誤差放大器1051的輸出端和地平面之間。在第二實施例中，誤差放大器1051連同高增益補償器1053也可視為積分器，用于累加參考電壓Vref和輸出電壓Vout之間的差。
[0032]進一步地，在修改的實施例中，控制器105可以基于誤差放大器1051的輸出和取樣/保持單元1059輸出的信號VDC，產生信號VCl，并且產生作為信號VC2的斜坡電壓信號Vramp。圖5示出了根據本發明第三實施例的DC-DC降壓轉換器100的示意圖。控制器105通過從誤差放大器1051放大的輸出電壓紋波信號中減去檢測的電感電流信號IL的直流電平VDC，從而產生提供給比較器110的信號VC1。類似地，根據本發明第四實施例，圖5所示的高增益補償器1053也可以修改為在圖6所示的DC-DC降壓轉換器100中的結構。
[0033]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種基于固定工作時間的脈寬控制裝置，該裝置用于電壓轉換器中，其特征在于，包括: 比較器，用于根據控制器的兩個信號，產生輸出至邏輯電路的邏輯控制信號； 所述邏輯電路，耦接至所述比較器，用于根據所述邏輯控制信號，產生具有工作時間脈寬的脈沖控制信號，以對所述電壓轉換器的輸出級電路中的輸出電容進行充電；以及 所述控制器，耦接至所述比較器，用于通過檢測所述輸出級電路中的電感的電感電流信號，通過產生斜坡電壓信號以及通過產生基于參考電壓的輸出電壓紋波信號，從而產生輸至所述比較器的所述兩個信號。2.如權利要求1所述的基于固定工作時間的脈寬控制裝置，其特征在于，所述控制器包括: 誤差放大器，具有用于接收所述參考電壓的正輸入端和用于接收所述電壓轉換器的輸出電壓信號的負輸入端，從而產生所述輸出電壓紋波信號； 補償器，耦接至所述誤差放大器的所述負輸入端和輸出端，用于使用高增益來補償所述輸出電壓紋波信號。3.如權利要求2所述的基于固定工作時間的脈寬控制裝置，其特征在于，所述補償器包括: 與第一電容串聯的第一電阻，所述第一電阻和所述第一電容連接在所述誤差放大器的所述負輸入端和所述輸出端之間； 第二電容，與所述第一電阻和所述第一電容并聯；以及 第三電阻，一端耦合所述輸出電壓信號，另一端耦接所述第一電阻和所述誤差放大器的所述負輸入端。4.如權利要求1所述的基于固定工作時間的脈寬控制裝置，其特征在于，所述控制器包括: 誤差放大器，具有用于接收所述參考電壓的正輸入端和用于接收所述電壓轉換器的輸出電壓信號的負輸入端，從而產生所述輸出電壓紋波信號； 補償器，耦接所述誤差放大器的輸出端和地平面，用于使用高增益來補償所述輸出電壓紋波信號。5.如權利要求4所述的基于固定工作時間的脈寬控制裝置，其特征在于，所述補償器包括: 與第一電容串聯的電阻，所述電阻和所述第一電容連接在所述誤差放大器的輸出端和所述地平面之間；以及 第二電容，與所述電阻和所述第一電容并聯。6.如權利要求1所述的基于固定工作時間的脈寬控制裝置，其特征在于，所述控制器包括: 電流感應電路，用于檢測所述輸出級電路中的所述電感的所述電感電流信號；以及 斜坡電壓產生器，用于產生所述斜坡電壓信號； 其中，所述控制器用于通過將所述斜坡電壓信號加上所述電感電流信號的直流電平，來產生模仿的斜坡電流信號，該模仿的斜坡電流信號作為提供至所述比較器的所述兩個信號之一；以及，所述輸出電壓紋波信號作為提供至所述比較器的所述兩個信號中的另一個。7.如權利要求1所述的基于固定工作時間的脈寬控制裝置，其特征在于，所述控制器包括: 電流感應電路，用于檢測所述輸出級電路中的所述電感的所述電感電流信號；以及斜坡電壓產生器，用于產生所述斜坡電壓信號，該斜坡電壓信號作為提供至所述比較器的所述兩個信號中的其中一個； 其中，所述控制器用于通過從所述放大的輸出電壓紋波信號中減去所述檢測的所述電流感應信號的直流電平，來產生提供至所述比較器的所述兩個信號中的另一個。8.如權利要求1所述的基于固定工作時間的脈寬控制裝置，其特征在于，所述控制器包括:斜坡電壓產生器，以及所述斜坡電壓產生器包括: 電壓源，用于提供直流電壓電平； 電流源，用于提供電流； 電容，串聯在所述電壓源和所述電流源之間； 開關，與所述電容并聯； 其中，所述斜坡電壓產生器的輸出端設置在所述電流源和所述電容之間；在所述工作時間脈寬期間，所述控制器控制所述開關短路，以提供作為所述斜坡電壓信號的所述直流電壓電平；以及在關閉時間脈寬期間，控制所述開關打開，以提供作為所述斜坡電壓信號的放電電壓電平。9.如權利要求1所述的基于固定工作時間的脈寬控制裝置，其特征在于，所述控制器包括:電流感應電路，以及所述電流感應電路包括: 電流感應放大器，用于感應并放大所述電感電流信號；以及 取樣/保持單元，耦接至所述電流感應放大器，用于對所述電感電流信號的直流電平進行取樣，并保持取樣的直流電平。10.—種基于固定工作時間的脈寬控制方法，該方法用于電壓轉換器中，其特征在于，包括: 根據兩個信號，產生邏輯控制信號； 根據所述邏輯控制信號，產生具有工作時間脈寬的脈沖控制信號，以對所述電壓轉換器的輸出級電路中的輸出電容進行充電；以及 通過檢測所述輸出級電路中的電感的電感電流信號，通過產生斜坡電壓信號以及通過產生基于參考電壓的輸出電壓紋波信號，來產生所述兩個信號。
【文檔編號】H02M3/156GK106059292SQ201610207715
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月5日 公開號201610207715.3, CN 106059292 A, CN 106059292A, CN 201610207715, CN-A-106059292, CN106059292 A, CN106059292A, CN201610207715, CN201610207715.3
【發明人】黃華強
【申請人】聯發科技股份有限公司