一種電壓轉換電路以及控制方法
2023-04-24 21:19:21
一種電壓轉換電路以及控制方法
【專利摘要】本申請涉及一種電壓轉換電路以及控制方法。電壓轉換電路具有誤差放大器，產生一誤差信號；比例放大電路，根據輸出電壓和誤差信號，產生一個增益信號；第一比較器，根據增益信號和一個比較信號，產生一個脈衝信號；以及計時器，根據脈衝信號產生一個計時信號，指示電壓轉換電路的導通時間和關斷時間；其中，增益信號和比較信號中的至少一個信號包含有斜坡成分，所述電壓轉換電路的導通時間恆定。本申請的技術方案能夠有效提高電壓轉換電路的瞬態響應性能。
【專利說明】一種電壓轉換電路以及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及功率電路領域，具體的但不限於涉及一種電壓轉換電路及控制方法。【背景技術】
[0002]開關電源被廣泛用於現代電子產品中。傳統的開關電源多採用脈寬調製模式(PWM)控制模式來調整電源的輸出。這樣的模式通常會使得電路結構複雜，瞬態響應慢，因此，在大電流應用中性能不佳。
[0003]相比PWM控制模式，脈寬調製控制模式(PFM)，主要包括恆定導通時間控制模式，恆定關斷時間控制模式和滯環控制模式等等，在電路設計上，以及瞬態響應性能上佔據優勢。圖1示出了現有技術中一種恆定導通時間的電壓轉換電路10。電壓轉換電路10主要包含直流-直流(DC-DC)降壓轉換器101和控制器102。在控制器102中，一個比較器105將一個誤差信號VEAO和一個斜坡信號VRAMP進行比較，其中，VEAO由跨導運算放大器(OTA)根據一參考信號VREF和一個輸出電壓反饋信號VFB之間的誤差產生。當斜坡信號VRAMP低於誤差信號VEAO時，一個脈衝信號會被傳送到計時器103，使主開關管Ml導通，同步整流開關管M2斷開。經過一個恆定時間Tl後，導通計時器103使主開關管Ml斷開，同步整流開關M2導通。在開關Ml和M2的互補動作下，輸入電壓VIN被轉換成輸出電壓VOUT。
[0004]當發生瞬態的負載階躍跳變時，誤差信號VEAO往往反應遲緩。這樣，如果要讓轉換電路10具有較快的瞬態響應，就需要斜坡信號VRAMP的峰-峰值幅度變得很小。然而，斜坡幅度較小會帶來兩個問題。第一，轉換電路10的噪聲容限會隨之變得很小。當轉換電路10工作在一個嘈雜的環境中時，這一特性會帶來很大風險。第二，為了適應幅度較小的斜坡信號，其它電路單元例如比較器要消耗更大的功率以達到需要的速度。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中的一個或多個問題，本發明提供了一種電壓轉換電路以及控制方法。
[0006]在本發明的一個方面，提出了 一種電壓轉換電路，一種電壓轉換電路，用於將一輸入電壓轉換成一輸出電壓，所述電壓轉換電路包含:主開關管；誤差放大器，具有兩輸入端和一輸出端，其中所述兩輸入端分別接收一輸出電壓反饋信號和一參考信號，所述輸出端產生一誤差信號；比例放大電路，具有兩輸入端和一輸出端，其中所述兩輸入端分別接受所述輸出電壓和所述誤差信號，所述輸出端產生一個增益信號；第一比較器，具有兩輸入端和一輸出端，其中所述兩輸入端分別接受所述增益信號和一個比較信號，所述輸出端產生一個脈衝信號；以及計時器，具有一輸入端和一輸出端，其中所述輸入端耦接到所述第一比較器的輸出端，所述輸出端產生一個計時信號，指示電壓轉換電路的導通時間和關斷時間；其中，所述增益信號和所述比較信號中的至少一個信號包含有斜坡成分，所述電壓轉換電路的導通時間恆定。
[0007]在本發明的另一方面，提出了一種使用電壓轉換電路將輸入電壓轉換成輸出電壓的方法，包含:根據一個反饋信號和一個參考信號產生一個誤差信號；輸入所述誤差信號和所述輸出電壓到一比例放大電路，產生一個增益信號；將所述增益信號與一個比較信號進行比較，產生一個脈衝信號；根據所述脈衝信號，產生一個計時信號，決定電壓轉換電路的導通時間和關斷時間，其中導通時間為一個常數；其中，所述增益信號和所述比較信號中，至少一個具有斜坡成分。
[0008]利用本發明實施例，可有效提高電壓轉換電路的瞬態響應性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]下列附圖涉及有關本發明非限制性和非窮舉性的實施例的描述。除非另有說明，否則同樣的數字和符號在整個附圖中代表同樣或相似的部分。附圖無需按比例畫出。另外，圖中所示相關部分尺寸可能不同於說明書中敘述的尺寸。為更好地理解本發明，下述細節描述以及附圖將被提供以作為參考。
[0010]圖1示出了現有技術中一種恆定導通時間的電壓轉換電路10的電路示意圖；
[0011]圖2示出了根據本發明一個實施例的轉換電路20的電路示意圖；
[0012]圖3示出了根據本發明一個實施例的圖2所示的電壓轉換電路20的工作波形圖；
[0013]圖4示出了根據本發明一個實施例的電壓轉換電路20同現有技術中電壓轉換電路10的瞬態響應波形的比較示意圖；
[0014]圖5示出了根據本發明另一實施例的電壓轉換電路50的電路示意圖；
[0015]圖6示出了根據本發明一個實施例的圖5所示的電壓轉換電路50的工作波形示意圖；
[0016]圖7示出了根據本發明又一實施例的電壓轉換電路70的電路示意圖；
[0017]圖8示出了根據本發明再一實施例的電壓轉換電路80的電路示意圖；
[0018]圖9示出了根據本發明一個實施例的一種控制電壓轉換電路的方法的流程示意圖。
[0019]不同附圖中相同的標記表示相同或相似的特徵。
【具體實施方式】
[0020]下面將詳細描述本發明的具體實施例，應當注意，這裡描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本發明。在以下描述中，為了提供對本發明的透徹理解，闡述了大量特定細節。然而，對於本領域普通技術人員顯而易見的是:不必採用這些特定細節來實行本發明。在其他實例中，為了避免混淆本發明，未具體描述公知的電路、材料或方法。
[0021]在這裡及下文中，「導通時間」意為在一個轉換電路中，每工作周期中主開關管(例如在某些實施例中的高側開關)導通的持續時間。「關斷時間」意為每工作周期內主開關管關斷的持續時間。
[0022]圖2示出了根據本發明一個實施例的電壓轉換電路20的電路示意圖。如圖2所示，電壓轉換電路20主要包含一個電壓轉換器201，和一個控制器202。在某些實施例中，電壓轉換器201為一個開關轉換器。例如，在圖2所示的實施例中，電壓轉換器201為一個DC-DC降壓(Buck)轉換器。其它類型的轉換器，例如升壓轉換器(Boost)，降壓-升壓轉換器(Buck-Boost),反激轉換器(Fly-Back)或者本領域內技術人員熟知的任何合適的轉換器，均可作為開關轉換器。電壓轉換器201至少包含一個功率開關，例如在圖示實施例中，電壓轉換器201包含高側開關Ml。在某些實施例中，開關轉換器201還包含低側開關202。如本領域技術人員所公知的那樣，低側開關202在其它實施例中可以用一個續流二極體來替代。驅動電路208耦接到功率開關Ml和M2，用於根據控制器202的輸出來驅動開關Ml和M2。開關Ml和M2的公共端被定義為開關端SW。輸出電感L，電阻RESR和輸出電容COUT共同組成了開關轉換器201的濾波電路。其中，RESR為理想輸出電容COUT的等效串聯電阻。反饋信號電路包含電阻Rl和R2組成的分壓器，感測位於輸出端OUT上的輸出電壓V0UT，產生反饋信號VFB。
[0023]繼續如圖2所示，在一個實施例中，控制器202包含計時器203，誤差放大器204，比例放大電路205和一個第一比較器206。在圖示實施例中，誤差放大器204為一個跨導運算放大器(OTA)。0TA204包含一個同相輸入端,一個反相輸入端和一個輸出端，其中同相輸入端耦接接收參考信號VREF，反相輸入端耦接接收反饋信號VFB。電容CF耦接於0TA204的輸出端和參考地之間。而後，0TA204的輸出端產生一個誤差信號VEA0。比例放大電路205具有兩個輸入端和一個輸出端，其中兩個輸入端分別接收輸出電壓VOUT和誤差信號VEA0，輸出端據此輸出一個增益信號VGAIN。
[0024]在一個實施例中，比例放大電路205包含一個運算放大器AMP，一個第一電阻R3和一個第二電阻R4。運算放大器AMP具有第一輸入端,第二輸入端和一個輸出端。其中第一輸入端耦接到0TA204的輸出端，運算放大器AMP的輸出端耦接到第一比較器206。第一電阻R3的一端耦接接收輸出電壓V0UT，另一端耦接到運算放大器AMP的第二輸入端。第二電阻R4耦接於運算放大器AMP的第二輸入端和輸出端之間。電阻R3和R4用於決定比例放大電路205的放大倍數。本領域內具有一般水平的技術人員應當注意，在其他實施例中，其它具有類似功能的常見電路結構也可以用於作為比例放大電路205。第一比較器206具有兩個輸入端和一個輸出端，其中兩個輸入端分別接受增益信號VGAIN和一個比較信號，輸出端據此產生一個脈衝信號Vpulse。當比較信號小於增益信號VGAIN時，脈衝信號Vpulse上會產生一個短脈衝。
[0025]圖示實施例的一個特徵在於，增益信號VGAIN和比較信號中的至少一個具有一個斜坡成分。例如，在如圖2所示的實施例中，比較信號為一個由斜坡網絡207所產生的斜坡信號。在一個實施例中，斜坡網絡207同電壓轉換器201的輸出電感L並聯。斜坡網絡207可包含一個電阻Re和一個電容Ce，其中電阻Re同電容Ce串聯。斜坡信號VRAMP產生於電阻Re和電容Ce的公共端C0N。在其它實施例中，斜坡網絡207可能具有不同於圖示實施例的其它合適的電路結構，或元件之間具有不同的連接關係。例如，在另一實施例中，斜坡網絡可能被耦接到輸出端0UT，僅接收輸出電壓V0UT。在又一實施例中，斜坡網絡207進一步包含一個電阻分壓器，將被輸出電壓VOUT分壓後，提供到電容Ce，而不是讓電容Ce直接耦接接收輸出電壓V0UT。計時器203具有一個輸入端和一個輸出端，其中輸入端耦接到第一比較器206的輸出端，計時器203的輸出端產生一個計時信號VT，指示電壓轉換器201的導通時間和關斷時間。在一個實施例中，計時器203的輸出作為控制器202的輸出。通過驅動電路208，計時信號VT至少控制高側開關Ml的開通和關斷。在圖示實施例中，計時信號VT進一步控制低側開關M2的導通和關斷。
[0026]高側開關Ml和低側開關M2以互補的狀態開關和關斷。當脈衝信號Vpulse上有脈衝產生是，計時信號VT躍升到高電平，使高側開關Ml開通，低側開關M2關斷。同時，計時器203開始計時。在經過一個恆定時間TON後，計時信號VT跌落回低電平，使高側開關Ml關斷，低側開關M2導通。
[0027]在另一實施例中，控制器202進一步包含一個可選的或門209(繪於圖2中虛線所圍成的區域)。或門209具有兩個輸入端和一個輸出端，其中兩個輸入端分別耦接接收計時信號VT和脈衝信號Vpulse,或門209的輸出信號作為控制器202的輸出信號,I禹接驅動電路208，控制至少高側開關Ml。在圖示實施例中，或門209的輸出可以進一步通過驅動電路208控制低側開關M2。當脈衝信號Vpulse上有脈衝產生時，高側開關Ml立即開通，這樣可以避免由計時器203所產生的傳輸延遲，提高瞬態響應性能。同樣，只要比較器206的輸出為高電平，高側開關Ml就會始終開通，這樣，一旦發生負載電流階躍上跳時，導通時間能夠得到延長。
[0028]圖3示出了根據本發明一個實施例的圖2所示的電壓轉換電路20的工作波形圖。下文將根據圖2和圖3，對電壓轉換電路20的工作原理進行描述。
[0029]如圖3所示，電壓轉換電路20初始工作在穩態下。由0TA204產生的誤差信號VEAO為反饋信號VFB和參考信號VREF (例如0.8V)的函數。具體的，誤差信號:
[0030]
【權利要求】
1.一種電壓轉換電路,用於將一輸入電壓轉換成一輸出電壓，所述電壓轉換電路包含: 誤差放大器，具有兩輸入端和一輸出端，其中所述兩輸入端分別接收一輸出電壓反饋信號和一參考信號，所述輸出端產生一誤差信號； 比例放大電路，具有兩輸入端和一輸出端，其中所述兩輸入端分別接受所述輸出電壓和所述誤差信號，所述輸出端產生一個增益信號； 第一比較器，具有兩輸入端和一輸出端，其中所述兩輸入端分別接受所述增益信號和一個比較信號，所述輸出端產生一個脈衝信號；以及 計時器，具有一輸入端和一輸出端，其中所述輸入端耦接到所述第一比較器的輸出端，所述輸出端產生一個計時信號，指示電壓轉換電路的導通時間和關斷時間； 其中，所述增益信號和所述比較信號中的至少一個信號包含有斜坡成分，所述電壓轉換電路的導通時間恆定。
2.如權利要求1所述的電壓轉換電路，進一步包含一個輸出電感和一個輸出電容。
3.如權利要求2所述的電壓轉換電路，進一步包含一個斜坡網絡，所述斜坡網絡同所述輸出電感並聯，用 於產生一個斜坡信號作為所述比較信號。
4.如權利要求3所述的電壓轉換電路，其中所述斜坡網絡包含一個電阻和一個電容，其中所述電阻和所述電容串聯，所述斜坡信號在所述電感和所述電容的連接端處產生。
5.如權利要求2所述的電壓轉換電路，其中所述比例放大電路包含: 運算放大器，具有第一輸入端，第二輸入端和一個輸出端，其中所述第一輸入端稱接到所述誤差放大器的輸出端，所述輸出端耦接到所述第一比較器； 第一電阻，所述第一電阻的一端耦接接收所述輸出電壓，所述輸出電阻的另一端耦接到所述運算放大器的第二輸入端；以及 第二電阻，所述第二電阻耦接到所述運算放大器的第二端和所述運算放大器的輸出端之間。
6.如權利要求5所述的電壓轉換電路，其中所述比例放大電路進一步包含一個電容，其中所述電容同所述第一電阻並聯，所述比較信號為所述輸出電壓。
7.如權利要求2所述的電壓轉換電路，進一步包含一個或門，所述或門具有兩輸入端和一輸出端，所述兩輸入端分別接收所述計時信號和所述脈衝信號，所述輸出端耦接到所述電壓轉換電路的一個主開關管，控制所述主開關管的開通和關斷。
8.如權利要求1所述的電壓轉換電路，進一步包含一個終止電路，用於在檢測到所述電壓轉換電路的負載電流階躍下跳時，終止電壓轉換電路的導通時間，其中所述終止電路包含: 偏置電壓源，具有正極和負極，其中所述正極耦接到所述誤差放大器的輸出端； 第二比較器，具有同相輸入端，反相輸入端和輸出端，其中所述同相輸入端耦接到所述偏置電壓源的負極，所述反相輸入端耦接到所述比例放大電路的輸出端； 觸發器，具有置位端，復位端和Q輸出端，其中所述置位端耦接到所述第二比較器的輸出端，所述復位端耦接到所述第一比較器的輸出端，所述Q輸出端產生一個終止信號，用於指示負載電流是否發生階躍下跳； 邏輯運算電路，具有兩輸入端和一輸出端，其中所述兩輸入端分別耦接所述觸發器的Q輸出端和所述計時器的輸出端，所述輸出端耦接到所述電壓轉換電路的功率開關，所述邏輯運算電路用於在所述負載電流發生階躍下跳時關斷所述電壓轉換電路的所有功率開關。
9.如權利要求1所述的電壓轉換電路，進一步包含一個終止電路，用於在檢測到所述電壓轉換電路的負載電流階躍下跳時，終止電壓轉換電路的導通時間，其中所述終止電路包含: 偏置電壓源，具有正極和負極，其中所述正極耦接接收所述輸出電壓； 第二比較器，具有同相輸入端，反相輸入端和輸出端其中所述同相輸入端耦接到所述偏置電壓源的負極，所述反相輸入端耦接到所述比例放大電路的輸出端； 觸發器，具有置位端，復位端和Q輸出端，其中所述置位端耦接到所述第二比較器的輸出端，所述復位端耦接到所述第一比較器的輸出端，所述Q輸出端產生一個終止信號，用於指示所述負載電流是否發生階躍下跳； 邏輯運算電路，具有兩輸入端和一輸出端，所述兩輸入端分別耦接到所述觸發器的Q輸出端和所述計時器的輸出端，所述輸出端耦接到所述電壓轉換電路的功率開關，所述邏輯運算電路用於在所述負載電流發生階躍下跳時，關斷所述電壓轉換電路的所有功率開關。
10.如權利要求8或9所述的電壓轉換電路，其中所述電壓轉換電路包含一個高側開關，所述邏輯運算電路包含: 反相器，具有輸入端和輸出端，其中所述輸入端耦接到所述計時器的輸出端；以及第一或非門，具有兩輸入端和一輸出端，其中所述兩輸入端分別耦接到所述反相器的輸出端和所述觸發器的Q輸出端，所述輸出端產生一個高側柵極信號用於控制所述高側開關。
11.如權利要求8或9所述的電壓轉換電路，進一步包含一個低側開關，其中所述邏輯運算電路進一步包含一個第二或非門，所述第二或非門具有兩輸入端和一輸出端，所述兩輸入端分別耦接所述計時器的輸出端和所述觸發器的Q輸出端，所述輸出端產生一個低側柵極信號用於控制所述低側開關。
12.—種控制電壓轉換電路將輸入電壓轉換成輸出電壓的方法，包含: 根據一個反饋信號和一個參考信號產生一個誤差信號； 輸入所述誤差信號和所述輸出電壓到一比例放大電路，產生一個增益信號； 將所述增益信號與一個比較信號進行比較，產生一個脈衝信號； 根據所述脈衝信號，產生一個計時信號，決定電壓轉換電路的導通時間和關斷時間，其中導通時間為一個常數； 其中，所述增益信號和所述比較信號中，至少一個具有斜坡成分。
13.如權利要求12所述的方法，其中所述電壓轉換電路包含至少一個功率開關，所述功率開關根據所述計時信號和所述脈衝信號控制開通和關斷。
14.如權利要求12所述的方法，進一步包含:產生一個斜坡信號作為比較信號，其中所述斜坡信號由一個斜坡網絡產生。
15.如權利要求14所述的方法，其中所述斜坡信號的幅度由所述輸出電壓和所述輸入電壓共同決定。
16.如權利要求12所述的方法，進一步包含:在所述增益信號上產生一個斜坡成分；以及 將所述輸出電壓作為所述比較信號。
17.如權利要求12所述的方法，進一步包含: 將所述增益信號與一個偏置信號比較，以指示所述電壓轉換電流是否發生負載電流階躍下跳；以及 在檢測到所述負載電流階躍下跳時，關斷所述電壓轉換電路的所有功率開關。
18.如權利要求17所述的方法，其中所述電壓轉換電路包含一個高側開關和一個低側開關，所述方法進一步包含: 根據所述計時信號，控制所述高側開關和所述低側開關導通和關斷；以及 在檢 測到所述負載電流階躍下跳時，關斷所述高側開關和所述低側開關。
19.如權利要求17所述的方法，其中所述偏置信號為所述誤差信號與一個偏置電壓之差。
20.如權利要求17所述的方法，其中所述偏置信號為所述輸出電壓與一個偏置電壓之差。
【文檔編號】H02M3/10GK103956896SQ201410120782
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年3月27日 優先權日:2013年3月29日
【發明者】楊波, 席小玉 申請人:成都芯源系統有限公司