高精度快速響應的直流-直流轉換器的製造方法
2023-09-14 20:14:25
高精度快速響應的直流-直流轉換器的製造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種高精度快速響應的直流-直流轉換器，其包括將輸入電壓轉換為輸出電壓的輸出電路、採樣所述輸出電壓得到反饋電壓的採樣電路、一端接收所述反饋電壓的電容C1、電容Cc、與電容C1並聯的電阻R1、電阻R2、電阻Req、跨導放大器Gm、比較器Comp和邏輯驅動電路。電容C1的另一端與所述比較器Comp的第一輸入端相連。跨導放大器Gm的第一輸入端接收所述反饋電壓，第二輸入端接收參考電壓，其輸出端依次經過電阻Req和電容Cc後接地，電阻Req和電容Cc的中間節點經過電阻R1與所述比較器Comp的第一輸入端相連。所述比較器Comp的第二輸入端接收三角波信號，其輸出端通過邏輯驅動電路與所述輸出電路中的功率開關的控制端相連。通過兩條環路的共同作用，實現了直流-直流轉換器的高精度快速響應控制。
【專利說明】高精度快速響應的直流-直流轉換器
【【技術領域】】
[0001]本實用新型涉及電源轉換領域，特別涉及一種高精度快速響應的直流-直流轉換器。
【【背景技術】】
[0002]隨著現代電子技術的發展，應用中(例如智慧型手機、平板電腦等)需求大電流輸出的直流-直流轉換器。同時希望這些直流-直流轉換器的負載響應特性好，特別是輕載跳到重載時，希望輸出電壓的下跳幅度非常小。如果下跳幅度太大，會引起系統死機。同時又希望輸出電壓的絕對精度高，以抵抗溫度等環境變化對被供電電路性能的影響。
[0003]因此需要一種改進方案來滿足現有技術中的各種不斷提升的需求。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型的目的在於提供一種直流-直流轉換器，其不僅響應速度快，同時控制精度也高。
[0005]為了解決上述問題，本實用新型提供一種直流-直流轉換器，其包括輸出電路、採樣電路、電容Cl、電容Ce、電阻R1、電阻R2、電阻Req、跨導放大器Gm、比較器Comp和邏輯驅動電路。所述輸出電路，包括有功率開關，其用於將輸入電壓轉換為輸出電壓。採樣電路採樣所述輸出電壓得到反饋電壓。電容Cl和電阻R2並聯，電容Cl的一端接收所述反饋電壓，另一端與所述比較器Comp的第一輸入端相連。跨導放大器Gm的第一輸入端接收所述反饋電壓，第二輸入端接收參考電壓，其輸出端依次經過電阻Req和電容Ce後接地，電阻Req和電容Ce的中間節點經過電阻Rl與所述比較器Comp的第一輸入端相連。所述比較器Comp的第二輸入端接收三角波信號Ramp，其輸出端與所述邏輯驅動電路的輸入端相連，所述邏輯驅動電路的輸出端與所述功率開關的控制端相連。
[0006]進一步的，輸出電路、採樣電路、電容Cl和電阻R2、所述比較器Comp、所述邏輯驅動電路共同形成第一反饋環路，輸出電路、採樣電路、跨導放大器Gm、電容Ce、電阻Req、電阻R1、所述比較器Comp、所述邏輯驅動電路共同形成第二反饋環路。
[0007]進一步的，所述輸出電路包括功率開關K1、二極體D1、電感LI和輸出電容Cout，功率開關K1、電感LI和電容Cout依次串聯於輸入電壓端VIN和地之間，二極體Dl的陰極與功率開關Kl和電感LI的中間節點相連，二極體Dl的陽極接地，電感LI和輸出電容Cout的中間節點為直流-直流轉換器的輸出端，所述採樣電路連接在直流-直流轉換器的輸出端和地之間，所述邏輯驅動電路具有一個輸出端，該輸出端與所述功率開關Kl的控制端相連。
[0008]進一步的，所述邏輯驅動電路包括佔空比信號產生電路、邏輯電路、驅動器DRV1，所述佔空比信號產生電路的輸入端與比較器Comp的輸出端相連，其輸出端與邏輯電路的輸入端相連，邏輯電路的輸出端與驅動器DRVl的輸入端相連，驅動器DRVl的輸出端與連接至所述功率開關Kl的控制端相連。
[0009]進一步的，所述輸出電路包括功率開關Kl、功率開關K2、電感LI和輸出電容Cout，功率開關K1、電感LI和電容Cout依次串聯於輸入電壓端VIN和地之間，功率開關K2的一端與功率開關Kl和電感LI的中間節點相連，功率開關K2的另一端接地，電感LI和輸出電容Cout的中間節點為直流-直流轉換器的輸出端，所述採樣電路連接在直流-直流轉換器的輸出端和地之間，所述邏輯驅動電路具有兩個輸出端，第一輸出端與所述功率開關Kl的控制端相連，第二輸出端與所述功率開關K2的控制端相連。
[0010]進一步的，所述邏輯驅動電路包括佔空比信號產生電路、邏輯電路、驅動器DRVl和第二驅動器DRV2，所述佔空比信號產生電路的輸入端與比較器Comp的輸出端相連，其輸出端與邏輯電路的輸入端相連，所述邏輯電路具有兩個輸出端，一個輸出端與驅動器DRVl的輸入端相連，另一個輸出端與驅動器DRV2的輸入端相連，驅動器DRVl的輸出端與連接至所述功率開關Kl的控制端相連，驅動器DRV2的輸出端與連接至所述功率開關K2的控制端相連。
[0011]與現有技術相比，本實用新型中具有兩條控制環路，第一條為快速低精度環路，第二條為慢速高精度環路，通過兩條環路的共同作用，實現了直流-直流轉換器的高精度快速響應控制。
【【專利附圖】
【附圖說明】】
[0012]為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。其中:
[0013]圖1為本實用新型中的直流-直流轉換器在一個實施例中的結構框圖；
[0014]圖2為圖1中的快速響應控制電路在一個實施例中的電路示意圖；
[0015]圖3為本實用新型中的直流-直流轉換器在另一個實施例中的結構框圖；和
[0016]圖4為圖3中的快速響應控制電路在一個實施例中的電路示意圖。
【【具體實施方式】】
[0017]為使本實用新型的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細的說明。
[0018]此處所稱的「一個實施例」或「實施例」是指可包含於本實用新型至少一個實現方式中的特定特徵、結構或特性。在本說明書中不同地方出現的「在一個實施例中」並非均指同一個實施例，也不是單獨的或選擇性的與其他實施例互相排斥的實施例。除非特別說明，本文中的連接、相連、相接的表示電性連接的詞均表示直接或間接電性相連。
[0019]圖1為本實用新型中的直流-直流轉換器100在一個實施例中的結構框圖。所述直流-直流轉換器包括輸出電路110、採樣電路120和快速響應控制電路130。
[0020]所述輸出電路110包括有功率開關Kl。採樣電路120採樣所述輸出電壓Vout得到反饋電壓FB。所述控制電路130基於反饋電壓FB控制所述功率開關Kl的導通和截止，以使得所述輸出電路100將輸入電壓VIN轉換為輸出電壓Vout。
[0021]所述輸出電路110還包括二極體D1、電感LI和輸出電容Cout。功率開關K1、電感LI和電容Cout依次串聯於輸入電壓端VIN和地之間。二極體Dl的陰極與功率開關Kl和電感LI的中間節點相連，二極體Dl的陽極接地，電感LI和輸出電容Cout的中間節點為直流-直流轉換器100的輸出端。所述採樣電路120連接在直流-直流轉換器的輸出端和地之間。
[0022]所述採樣電路120可以是串聯的兩個分壓電阻，該兩個分壓電阻的中間節點輸出反饋電壓FB。
[0023]圖2為圖1中的快速響應控制電路130在一個實施例中的電路示意圖。所述控制電路130包括電容Cl、電容Ce、電阻R1、電阻R2、電阻Req、跨導放大器Gm、比較器Comp和邏輯驅動電路132。
[0024]電容Cl和電阻R2並聯，電容Cl的一端接收所述反饋電壓FB，另一端與所述比較器Comp的第一輸入端相連。跨導放大器Gm的第一輸入端接收所述反饋電壓FB，第二輸入端接收參考電壓Ref，其輸出端依次經過電阻Req和電容Ce後接地，電阻Req和電容Ce的中間節點經過電阻Rl與所述比較器Comp的第一輸入端相連。所述比較器Comp的第二輸入端接收三角波信號Ramp，其輸出端與所述邏輯驅動電路132的輸入端相連，所述邏輯驅動電路132具有一個輸出端，該輸出端與所述功率開關Kl的控制端相連。
[0025]所述電阻Rout為所述跨導放大器Gm的等效輸出電阻。
[0026]所述邏輯驅動電路132包括佔空比信號產生電路、邏輯電路、驅動器DRV1。所述佔空比信號產生電路的輸入端與比較器Comp的輸出端相連，其輸出端與邏輯電路的輸入端相連，邏輯電路的輸出端與驅動器DRVl的輸入端相連，驅動器DRVl的輸出端與連接至所述功率開關Kl的控制端相連。
[0027]在本實用新型的上述實施例中，存在兩個反饋環路。
[0028]在第一反饋環路中，反饋電壓FB經過電容Cl耦合到比較器Comp的第一輸入端得到信號VE，信號VE與三角波信號Ramp經過比較器Comp比較產生觸發信號Trigger，佔空比信號產生電路根據觸發信號Trigger產生一定導通時間的佔空比信號VD，佔空比信號VD經過邏輯電路Logic產生輸入驅動信號HDI，最後通過驅動器DRVl輸出驅動信號HD到功率開關Kl的控制端，控制功率開關Kl的導通和關斷，最後經過LC濾波器(由圖1電感LI和Cout構成)產生直流-直流轉換器的輸出電壓Vout，隨後輸出電壓Vout被採樣再次形成反饋電路FB，這樣形成一個快速低精度的反饋環路。
[0029]在第二反饋環路中，反饋電壓FB經過跨導放大器Gm與參考電壓Ref比較產生誤差電流，跨導放大器Gm的輸出連接電阻Req、電容Ce及電阻Rl (此處圖2中電阻Rout不是專門添加，而是跨導放大器Gm的等效輸出阻抗，也可以被認為其寄生輸出阻抗)，耦合到比較器Comp的第一輸入端得到信號VE，信號VE與三角波信號Ramp經過比較器Comp比較產生觸發信號Trigger，佔空比信號產生電路根據觸發信號Trigger產生一定導通時間的佔空比信號VD，佔空比信號VD經過邏輯電路Logic產生輸入驅動信號HDI，最後通過驅動器DRVl輸出驅動信號HD到功率開關Kl的控制端，控制功率開關Kl的導通和關斷，最後經過LC濾波器(由圖1電感LI和Cout構成)產生直流-直流轉換器的輸出電壓Vout，隨後輸出電壓Vout被採樣再次形成反饋電路FB，這樣形成一個慢速高精度的反饋環路。
[0030]在此兩個反饋環路共同作用下，可以實現直流-直流轉換器輸出電壓同時具有快速響應和高精度的特性。當直流-直流轉換器輸出電流劇烈跳動時，快速反饋環路迅速(例如5微秒以內)將輸出電壓調整到接近最終目標值(應該等於參考電壓Ref)附近，從而防止輸出電壓跳動幅度太大，快速響應時間結束後慢速高精度反饋環路逐步(例如100微秒)將輸出電壓調整至完全等於最終目標值(應該等於參考電壓Ref)。
[0031]快速低精度環路通過設計較低的環路增益，以便減小寄生極點，從而實現穩定。慢速高精度環路需要特別設計來實現環路穩定，避免自激振蕩。設計慢速高精度環路穩定性是本實用新型的主要難點。下面著重介紹，慢速高精度環路的頻域設計。慢速高精度環路需要高低頻增益，才能保證輸出電壓的高精度。
[0032]對圖2中慢速高精度環路進行頻域分析，需計算圖2中FB節點經過慢反饋路逕到節點VE的傳遞函數。根據基爾霍夫定律列方程:
[0033]gm.vfb = vl/Rout+(vl-v2)/Req
[0034](vl-v2) /Req+ (VE-v2) /Rl = v2.s.Ce
[0035](vfb-VE).s.Cl+(vfb-VE)/R2 = (VE_v2)/Rl
[0036]其中，gm為跨導放大器Gm的等效跨導值，vfb為節點FB的電壓值，vl為節點Vl的節點電壓值，Rout為跨導放大器Gm的等效輸出電阻，v2為節點V2的節點電壓值，Req為電阻Req的電阻值，VE為節點VE的電壓值，Ce為電容Ce的電容值，s為頻率算子，R2為電阻R2的電阻值，Rl為電阻Rl的電阻值。
[0037]對上述方程組求解可得:
[0038]VE/vfb = AA/BB
[0039]其中:
[0040]AA = Rout+Rout.s.Cl.R2+s.Ce.Req.Rl+Req+Req.s.Cl.R2+s.Ce.Req.Rl.s.Cl.R2+Rout.s.Ce.Rl+Rout.s.Ce.Rl.s.Cl.R2+gm.Rout.R2+s.Cl.R2.Rl+Rl
[0041]BB = Rout.s.Ce.Rl.s.Cl.R2+Rout.s.Ce.R2 + s.Ce.Req.Rl + s.Ce.Req.R2+Req+Req.s.Cl.R2+s.Ce.Req.Rl.s.Cl.R2+Rout.s.Ce.Rl+Rout.s.Cl.R2+Rout+s.Cl.R2.R1+R2+R1
[0042]對分子AA求解零點(Zero)可得:
[0043]12 = - (Cl.Rl.R2+Cc.Rl.Rout+Cl.R2.Req+Cl.R2.Rout+Cc.Req.Rl) / (Rl.R2.Cl.Ce.Rout+C.Rl.R2.Ce.Req)
[0044]Zl = - (Rl+Rout+Req+Rout.R2.gm) / [ (Rl.R2.Cl.Ce.Rout+C.Rl.R2.Ce.Req).Z2]，
[0045]當滿足Rout?Rl，且 Rout?R2，gm.Rout?l, Cc?Cl 時，可化簡得:
[0046]Z2 = -1/(R2.Cl)，Zl = - (gm/Cc).(R2/R1)
[0047]對分母BB求解極點(Pole)可得:
[0048]P2 = -(Rout.R2.Cc+Req.Rl.Cc+Req.R2.Cc+Req.R2.Cl+Rout.Rl.Cc+Rout.R2.Cl+Rl.R2.Cl)/(Rout.R2.Rl.Cl.Cc+Req.Rl.R2.Cl.Ce)
[0049]Pl = - (Rl+R2+Rout+Req) / [P2.(Rout.R2.Rl.Cl.Cc+Req.Rl.R2.Cl.Ce)]
[0050]當滿足Rout?Rl，且 Rout?R2，gm.Rout?l, Cc?Cl 時，可化簡得:
[0051]P2 = -1/[Cl.(R1//R2)]
[0052]Pl = -1/[Ce.(R1+R2)]
[0053]Pl應該被設計為主極點，零點Z2被設計補償P2導致的相位下降，零點Zl被用於補償功率級引入的極點，通過仿真軟體，可以設計出較好的相位裕度，實現環路的穩定性補
\-ZX O
[0054]在本實用新型中，>> 表示兩者差I個數量級以上，比如Rout>>Rl，表示Rout>Rl*10n，其中η為大於等於I的自然數。
[0055]圖3為本實用新型中的直流-直流轉換器300在一個實施例中的結構框圖。所述直流-直流轉換器包括輸出電路310、採樣電路320和快速響應控制電路330。與圖1相比，其主要是將二極體Dl換成功率開關Κ2，同時高精度快速響應控制電路330增加了另一個驅動輸出端LD。
[0056]圖4為圖3中的快速響應控制電路330在一個實施例中的電路示意圖。與圖2相比，其主要增加了驅動器DRV2，產生輸出驅動信號LD給功率開關Κ2。一般驅動信號LD與驅動信號HD為反相信號。即當功率開關Kl導通時，功率開關Κ2關斷；當功率開關Κ2關斷時，功率開關Kl導通。
[0057]圖3和圖4中的工作原理與圖1和圖2所不出的例子相同，這裡不再贅述了。
[0058]在本實用新型中，「連接」、「相連」、「連」、「接」等表示電性連接的詞語，如無特別說明，則表示直接或間接的電性連接。
[0059]需要指出的是，熟悉該領域的技術人員對本實用新型的【具體實施方式】所做的任何改動均不脫離本實用新型的權利要求書的範圍。相應地，本實用新型的權利要求的範圍也並不僅僅局限於前述【具體實施方式】。
【權利要求】
1.一種直流-直流轉換器，其特徵在於，其包括輸出電路、採樣電路、電容Cl、電容Ce、電阻R1、電阻R2、電阻Req、跨導放大器Gm、比較器Comp和邏輯驅動電路， 所述輸出電路，包括有功率開關，其用於將輸入電壓轉換為輸出電壓； 採樣電路採樣所述輸出電壓得到反饋電壓； 電容Cl和電阻R2並聯，電容Cl的一端接收所述反饋電壓，另一端與所述比較器Comp的第一輸入端相連， 跨導放大器Gm的第一輸入端接收所述反饋電壓，第二輸入端接收參考電壓，其輸出端依次經過電阻Req和電容Ce後接地，電阻Req和電容Ce的中間節點經過電阻Rl與所述比較器Comp的第一輸入端相連， 所述比較器Comp的第二輸入端接收三角波信號Ramp，其輸出端與所述邏輯驅動電路的輸入端相連，所述邏輯驅動電路的輸出端與所述功率開關的控制端相連。
2.根據權利要求1所述的直流-直流轉換器，其特徵在於，輸出電路、採樣電路、電容Cl和電阻R2、所述比較器Comp、所述邏輯驅動電路共同形成第一反饋環路， 輸出電路、採樣電路、跨導放大器Gm、電容Ce、電阻Req、電阻R1、所述比較器Comp、所述邏輯驅動電路共同形成第二反饋環路。
3.根據權利要求1或2所述的直流-直流轉換器，其特徵在於，所述輸出電路包括功率開關K1、二極體Dl、電感LI和輸出電容Cout， 功率開關K1、電感LI和電容Cout依次串聯於輸入電壓端VIN和地之間， 二極體Dl的陰極與功率開關Kl和電感LI的中間節點相連，二極體Dl的陽極接地， 電感LI和輸出電容Cout的中間節點為直流-直流轉換器的輸出端， 所述採樣電路連接在直流-直流轉換器的輸出端和地之間， 所述邏輯驅動電路具有一個輸出端，該輸出端與所述功率開關Kl的控制端相連。
4.根據權利要求3所述的直流-直流轉換器，其特徵在於，所述邏輯驅動電路包括佔空比信號產生電路、邏輯電路、驅動器DRV1， 所述佔空比信號產生電路的輸入端與比較器Comp的輸出端相連，其輸出端與邏輯電路的輸入端相連，邏輯電路的輸出端與驅動器DRVl的輸入端相連， 驅動器DRVl的輸出端與連接至所述功率開關Kl的控制端相連。
5.根據權利要求1或2所述的直流-直流轉換器，其特徵在於，所述輸出電路包括功率開關K1、功率開關K2、電感LI和輸出電容Cout， 功率開關K1、電感LI和電容Cout依次串聯於輸入電壓端VIN和地之間， 功率開關K2的一端與功率開關Kl和電感LI的中間節點相連，功率開關K2的另一端接地， 電感LI和輸出電容Cout的中間節點為直流-直流轉換器的輸出端， 所述採樣電路連接在直流-直流轉換器的輸出端和地之間， 所述邏輯驅動電路具有兩個輸出端，第一輸出端與所述功率開關Kl的控制端相連，第二輸出端與所述功率開關K2的控制端相連。
6.根據權利要求5所述的直流-直流轉換器，其特徵在於，所述邏輯驅動電路包括佔空比信號產生電路、邏輯電路、驅動器DRVl和第二驅動器DRV2， 所述佔空比信號產生電路的輸入端與比較器Comp的輸出端相連，其輸出端與邏輯電路的輸入端相連， 所述邏輯電路具有兩個輸出端，一個輸出端與驅動器DRVl的輸入端相連，另一個輸出端與驅動器DRV2的輸入端相連， 驅動器DRVl的輸出端與連接至所述功率開關Kl的控制端相連， 驅動器DRV2的輸出端與連接至所述功率開關K2的控制端相連。
【文檔編號】H02M3/06GK204205944SQ201420701776
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月20日 優先權日:2014年11月20日
【發明者】王釗 申請人:無錫中星微電子有限公司