開關調節器斜率補償產生器電路的製作方法
2023-06-11 05:57:26 1
專利名稱：開關調節器斜率補償產生器電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及開關調節器電路。更確切地說，本發明涉及用於優選地獨立於調節 器的開關頻率變化而維持開關調節器中的斜率補償為恆量的電路及方法。
背景技術：
電壓調節器的用途是向來自電源的負載提供預定及大致恆定的輸出電壓，其可 能是不太確定或上下浮動的。通常有兩類調節器用於提供此功能線性調節器和開 關調節器。在典型的線性調節器中，通過控制從電源穿過通過元件到所述負載的電 流來調節輸出電壓。
然而，在開關電壓調節器中，從電源到負載的電流並不穩定，而是以離散電流 脈衝的形式。為創建離散電流脈衝，開關調節器通常採用與負載串行或並行耦合的 開關(例如功率電晶體)。然後，用感應存儲元件將電流脈衝轉換為穩定的負載電流。
通過控制此開關的工作循環(也就是開關接通的時間相對於開關循環的總周期 的比率)，開關電壓調節器可調節負載電壓。在電流模式的開關電壓調節器中(也就 是由調節器中的電流導出信號控制的開關調節器中)，當工作循環超過50% (也就是
當開關在給定開關周期的大於50%的時間中處於接通狀態時)存在固有不穩定性。
穩定性通常通過用斜率補償信號來調節用於控制調節器的電流導出信號而維持於這 種電流模式的開關調節器中，其中所述斜率補償信號補償以較高工作循環出現的不 穩定性。根據斜率補償理論， 一般了解，僅在開關調節器開關斷開的瞬間需要斜率 補償信號。
製造這種斜率補償信號的一種方法是使用振蕩器信號的一部分作為補償信號。 振蕩器信號可以是(例如)用於產生控制調節器的開關的時鐘信號的斜坡信號。可 以通過將斜坡信號添加到電流導出信號或通過將其從控制信號中減去來應用斜率補 償信號。通過從振蕩調節器開關的信號導出斜率補償信號，斜率補償信號會與調節 器的開關同步。
在圖1中顯示的常規電流模式開關調節器100中，針對50%或更高的操作工作 循環需要斜率補償以避免亞諧波共振。開關調節器100優選地包含振蕩器102、觸發 器104、優選地包含經脈衝帶寬調製的開關控制電路106、感應器108、根據電阻110 和112形成的電阻分壓器、輸出電容器114、電壓反饋(或其他適合類型，例如電流 反饋)放大器118、反饋電容器120、及電流比較器122，所述電流比較器適於接收開關電流樣本126和斜率補償信號124，並用這些信號的和與來自電壓反饋放大器
118的信號進行對比。
此例示性電路使用常見類型的開關調節器，其已知為脈寬調製(PWM)調節器。 所述PWM調節器依賴於脈寬調製器以產生具有不同振幅的輸出信號。PWM開關調 節器改變其產生的輸出信號的工作循環，以調整所施加的電流及維持於其一個或一
個以上輸出端處的電壓電平。施加於這些調節器輸出端處的電壓可相依於開關脈寬 對開關脈衝周期的比率，較高的比率會產生較高的輸出電壓。
圖2中將振蕩器102更詳細顯示為振蕩器200。振蕩器200優選地包含用於對 振蕩器電容器204充電的充電源202、振#器開關206、振蕩器電流比較器208、用 於對振蕩器電容器204放電的放電電流槽210及向電壓調節器100提供Vset信號的 第二比較器212 (圖2中未顯示)。
通常，調節器使用在圖2所示電路中導出且描繪為圖3A所示信號300的振蕩器 電壓Vramp作為參考以產生斜率補償。Vset指示分別被傳輸到電壓調節器100的觸 發器104的低信號Tl及高信號T2。
圖4A顯示關於Vramp 404的所選部分的補償曲線Sx 402。圖4A的x軸顯示開 關調節器的工作循環。y軸從O伏到l伏。為產生斜率補償曲線Sx402，常規的開關 調節器使用圖4B中顯示的電路。此電路包含單位增益緩衝器406、 NPN電晶體408 和電阻器410。
線性斜率補償曲線Sx 402通常開始於50。/o工作循環處(如圖4A中顯示)且由 VB確定。於一特定情形中，VB可以等於0.5V (任選)。此外，Sx 402具有由電阻 器410確定的固定斜率。
將振蕩器斜坡電壓Vramp饋送到單位增益緩衝器406的正輸入端，並將VB和 電阻器410連接到負輸入端。僅在Vramp高於VB時接通NPN電晶體408。電晶體 408的發射器電流由下式確定
Res.410
電晶體408的此發射器電流形成斜率補償信號Sx402。
VB確定斜率補償曲線Sx 402開始點Ts如下
formula see original document page 6
且電阻器410確定曲線斜率如下式顯示
formula see original document page 6
由於Vramp是線性斜坡，因此VB直接與工作循環正交。在一個例示性系統中，當 \^=0.5時，Ts對應於來自前述等式的50y。工作循環。
與例示性現有技術配置相關聯的一個問題是，由於斜率補償曲線開始於50%處， 則其在最大工作循環100%處形成極高電平Smax。此高電平Smax可在調節器以高工作循環操作時導致問題，如下。由於在調節 器迴路閉合時，當前比較器122的正輸出端處的VC(顯示為反饋放大器118的輸出) 一般與開關電流樣本與電流比較器122的負輸出端處的斜率補償信號的和具有相同 的值，則其通常用於指示輸出電流負載電平。但在高工作循環處，斜率補償根據50% 工作循環形成並在VC處引入高偏移，且VC將不會準確指示真正的輸出負載電流。 由於以高工作循環形成的此高偏移，問題包括降低的電流限制電平。此問題在針對 電流限制使用固定VC電平的情況下尤其貼切。此外，在使用固定VC電平確定Burst ModeTM閾值的情況下，高度有效的Burst ModeTM閾值將以高負載情形偏移。
與現有技術相關聯的另一問題是在以高工作循環操作時電路不得不使用極高電 流來產生此高電平斜率補償信號。
因此，將需要提供不會使得電壓調節器電路丟失在高工作循環處的真輸出負載 電流指示的斜率補償信號。
還將需要限制以高工作循環產生高電平斜率補償信號所需要的電流。
發明內容
本發明的一個目的是提供不會使得電壓調節器電路丟失在高工作循環處的真輸 出負載電流指示的斜率補償信號。
本發明的另一目的是限制以高工作循環產生高電平斜率補償信號所需要的電流 (如圖4A的Smax所提供)。
本文提供一種在開關調節器中提供斜率補償的斜率補償電路及方法。在本發明 的一個實施例中，斜率補償電路優選地適於從脈寬調製器振蕩器接收振蕩器脈衝串 及從脈寬調製器接收調製器脈衝串。
所述電路優選地包含可響應于振蕩器脈衝串的反饋迴路。所述電路優選地提供 具有接通("ON")及斷開("OFF")狀態的斜率補償脈衝串，其可部分地響應於反 饋迴路且部分地響應於脈寬調製器開關脈衝串。斜率補償脈衝串的工作循環優選地 小於脈寬調製器開關脈衝串的工作循環。此外，斜率補償脈衝串優選地稍微在PWM 開關斷開瞬間之前接通，且優選地在PWM開關斷開瞬間之後立即斷開。
所述斜率補償電路還優選地包含在斜率補償脈衝串接通時接通的開關，及在開
關接通時通過開關提供電流的電流源。最後，所述斜率補償電路優選地包含在開關 接通時產生斜率補償電流的斜率補償電流源。
結合附圖考慮下文詳細說明，本發明的上述及其他優勢將顯而易見，其中通篇
中相同的參考字符均涉及相同的部件，附圖中 圖1顯示常規的開關調節器系統100;
圖2顯示可用於為圖1中所示開關調節器系統產生時鐘信號的振蕩器； 圖3A及3B顯示經時鐘振蕩的信號；
圖4A顯示振蕩器信號的一部分及斜率補償信號的一部分的圖示；
圖4B顯示用於基于振蕩器信號產生斜率補償信號的現有技術電路的示意性圖
示；
圖5A顯示與圖5B中所示電路相關聯的各種跡線；
圖5B顯示根據本發明的示意性電路圖，其基于振蕩器信號及脈寬調製器開關信 號產生可用於產生斜率補償信號的第一信號；
圖6A顯示振蕩器信號的一部分及斜率補償信號的一部分的圖示；
圖6B顯示根據本發明的示意性電路圖，其基于振蕩器信號產生斜率補償信號；
及
圖7顯示根據本發明的振蕩器信號的一部分及斜率補償信號的一部分的圖示。
具體實施例方式
如上文提及， 一般已知僅在脈寬調製器開關斷開之前的瞬間處需要斜率補償。
如上文提及，圖4B中所示的用於產生斜率補償的現有技術電路的一個主要問題是， 斜率補償總是開始於工作循環的50%處，也就是在工作循環的"接通"部分超過整 個工作循環已流逝時間的50% (或某其它可比值)時，甚至是在開關直到工作循環 的90%點處才斷開時。在從約50%到90%的此整個範圍上，斜率補償是不必要的， 且僅形成不必要的高電平。此不必要的高電平斜率補償導致了上文所述問題。實際 上，為除去工作循環抖動，斜率補償甚至可在開關調節器的電力開關斷開之前的少 至總工作循環時間的5%時開始。
根據本發明的電路的一個實施例優選地僅稍微先於調節器開關斷開瞬間起始斜 率補償。這阻止在工作循環的較早時間處產生任何不必要的斜率補償。例如，在根 據本發明的電路的90%工作循環操作中，斜率補償僅開始於80%工作循環處，也就 是開關斷開瞬間的10%之前。這顯著降低在現有技術電路的90%工作循環處的問題 性斜率補償形成電平Smax。
圖5A顯示根據本發明圖解說明電路操作的6個不同信號跡線。圖5B中顯示根 據本發明用於產生這些信號跡線的電路。所述信號顯示出現在經脈寬調製(PWM) 的開關斷開之前的例示性10%時間處的斜率補償窗口。為實現這些功能，本發明的 電路優選地使用負反饋迴路520來首先產生脈衝串Vs 512，其與任一適合的PWM 操作工作循環處的PWM調節器開關斷開瞬間同步。Vs 512的脈寬Tl 514由電流源 Iup 522和Idown 524及開關526的"接通"時間編程，如下文更詳細描述。
然後使用脈寬為tl 514的Vs 512 (其經編程以在開關斷開瞬間之前的工作循環 10%處接通)接通開關612 (圖6B中顯示)以傳送斜坡信號Iramp (也顯示於圖6B 中)來對所需斜率補償信號Islope的電容器C2充電。
下文是根據本發明如圖5B中顯示的電路500的一個實施例的操作描述。負反饋 迴路520優選地包含高增益放大器528、由電流源Iup 522、 Idown 524及開關526形 成的電荷比較器、SR鎖存器530、及與門532、及電容器534 (其具有約20皮法的 電容或其他適合電容)。此外，所述電路適於接收來自PWM振蕩器534的信號。
Iup 522在開關526接通時對電容器536充電，且Idown 524對電容器536放電。 Va優選地僅在接通時間足夠長以允許下列等式平衡時升高(Iup 522) x (接通時間)= Idown 524，其中Iup=10微安培(uA)且Idown=luA直流。在一個例示性實施例中，比 較器528比較振蕩器534的Va和斜坡信號Vramp，以強迫開關526接通來在由Idown 及Iup充電時(例如在此情形中，為工作循環的總時間的10%)平衡電容器534。
應注意，由於PWM開關信號Vpwm在與門532的一個輸入端上，則優選地僅 在PWM開關接通且Vx為高時允許開關526接通。也就是說，連接到與門532的另 一輸入端的SR鎖存器530反轉輸出Vx允許在Vpwm接通時開關526接通。
鎖存器530由PWM振蕩器時鐘設定信號Vset設定，且鎖存器530由比較器528 重設。比較器528比較電荷比較器輸出Va和振蕩器斜坡電壓Vramp。
此負反饋迴路520 (其將比較器528作為放大器且將電容器536作為迴路濾波 器)產生具有10。/。脈寬T1514的脈衝串Vs，其與PWM開關斷開瞬間同步(且開始 稍微先於PWM斷開瞬間)。
基於電荷平衡原理，如下文所述，根據百分比工作循環將脈寬T1514編程為
Tl/(工作循環時間)=Idown/Iup。
響應於Vs512、由電路500產生的10%脈衝、控制開關526，電路500僅在Tl 期間產生斜率補償Islope640(圖6A)，即開關斷開瞬間的10%循環時間之前及同時。
響應於信號Vs (由圖5B中所示電路產生的10%脈衝)，圖6B中所示電路600 (且進一步由圖6A中所示跡線圖解說明)優選地僅在Tl 514期間產生斜率補償 Islope，即工作循環時間的10%處且稍微先於PWM開關斷開瞬間。
藉助連接到單位增益放大器602的振蕩器534的Vramp 510，電晶體604和電阻 器606產生Iramp。電晶體608和610是用於在電晶體610的漏極和開關612處產生 Iramp的電流鏡電晶體。
開關612由Vs512控制，且僅在T1 514期間接通。當開關612接通時，Iramp 向下流動以對電容器614充電。
電晶體616優選地提供會取消電晶體618的柵極到源極電壓降的電平移位。
其中 d Vc2-工ramp,且Islope = Vc2
八 d T Cap.614 Res.620
因此，斜率補償
d Islope = d Vc2_ = _工ramp_
dT dTxRes.620 Cap,614xRes.620
因為Iramp 638信號電平隨工作循環進行而增加，所以Islope 640的斜率隨工作
循環進行而增加以滿足需要。
反相器622與電晶體624和626 —起作用以對電容器614放電來準備下一循環。 通過調節電容器614及/或電阻器620，可以實現斜率補償信號Islope的所需斜率。
當調節器以卯％工作循環操作時，圖7突出根據本發明開始於80%工作循環處
的電路的斜率補償曲線Islope 710 (其複製圖6A中顯示的Islope 640)與開始於50%
工作循環處的現有技術電路Sx 720的斜率(其複製圖4A中的現有技術斜率補償曲
線402 Sx)之間的斜率補償曲線的差。應注意，Islope 710和現有技術斜率補償曲線
720 Sx 二者均可具有同一斜率；
d slope
在90%工作循環處的 dT ，也就是當PWM開關斷開時在循環期間的時刻。明 顯地，Islope 710具有低得多的累積電平(圖7中的Smaxl比Smax2大得多)且需 要較少電流來實施。較高Smaxl的缺點已較為完整地描述於上文的段落14及15中。
此電路的至少一個優勢是通過使用Iup及Idown 524 (二者均顯示於圖5B中) 的電流比率來以極高準確度控制以T (工作循環時間)的百分比為單位的Tl 514 (顯 示於圖5A中)。5%的電流不匹配Tl/T僅偏移0.5%的工作循環。
因此，應了解，前述僅是本發明原理的例示性說明，且所屬技術領域的技術人 員可在不背離本發明範圍及精神的前提下做出各種修改，且本發明僅由隨附權利要 求書限制。
權利要求
1、一種斜率補償電路，其在開關調節器中提供斜率補償，所述斜率補償電路包括脈寬調製器振蕩器，其產生振蕩器脈衝串；脈寬調製器，其產生調製器脈衝串；反饋迴路，其響應於所述振蕩器脈衝串；接通及斷開狀態的斜率補償脈衝串，其部分響應於所述反饋迴路且部分響應於所述脈寬調製器開關脈衝串；開關，其在所述斜率補償脈衝串接通時接通；電流源，其在所述開關接通時通過所述開關供應電流；及斜率補償電流源，其在所述開關接通時產生斜率補償電流。
2、 如權利要求l所述的斜率補償電路，其進一步包括電流鏡，所述電流鏡映出 響應於通過所述開關的電流的電流，以控制所述斜率補償電流的量值。
3、 如權利要求l所述的f4率補償電路，其中在所述脈寬調製器開關斷開瞬間的 瞬間之前的與所述脈寬調製^工作循環相關聯的時間的約20%或更少處，所述斜率 補償脈衝串接通。
4、 如權利要求1所述的斜率補償電路， 工作循環約為50%或更多。
5、 如權利要求1所述的斜率補償電路， 的電流鏡。
6、 如權利要求1所述的斜率補償電路， 制器開關脈衝串斷開的瞬間大致同時斷開。其中所述脈寬調製器開關脈衝串的所述 其進一步包括映出通過所述開關的電流 其中所述斜率補償脈衝串與所述脈寬調
7、 如權利要求l所述的斜率補償電路，其中所述反饋迴路經配置以在所述脈寬 調製器開關脈衝串關斷之前接通所述斜率補償脈衝串。
8、 一種在開關調節器中提供斜率補償的方法，其包括 使用脈寬調製器振蕩器產生振蕩器脈衝串； 使用脈寬調製器產生調製器脈衝串； 提供響應於所述振蕩器脈衝串的反饋迴路；及提供接通及斷開狀態的斜率補償脈衝串，其部分響應於所述反饋迴路且部分響 應於所述脈寬調製器開關脈衝串。
9、 如權利要求8所述的方法，其進一步包括 當所述斜率補償脈衝串接通時接通開關； 當所述開關接通時通過所述開關供應電流；及 當所述開關接通時產生斜率補償電流。
10、 如權利要求9所述的方法，其進一步包括映出通過所述開關的電流，以控 制所述斜率補償電流的量值。
11、 如權利要求9所述的方法，其進一步包括在所述脈寬調製器開關脈衝的所 述開關斷開瞬間之前的與所述脈寬調製器開關脈衝串的工作循環相關聯的時間的約 20%或更少處，接通所述斜率補償。
12、 如權利要求9所述的方法，其進一步包括僅在所述脈寬調製器開關脈衝串 的所述工作循環約為50%或更多時提供所述斜率補償電流。
13、 如權利要求9所述的方法，其進一步包括映出通過所述開關的電流以產生 所述斜率補償電流。
14、 如權利要求8所述的方法，其中所述斷開所述斜率補償脈衝串在所述脈寬 調製器開關脈衝串的斷開之後立即發生。
15、 如權利要求8所述的方法，其中在所述脈寬調製器開關串的所述開關斷開 瞬間之前的所述脈寬調製器開關脈衝串的所述工作循環的少於20%處，所述接通所 述斜率補償脈衝串發生。
16、 一種經配置以部分響應於脈寬調製器振蕩器脈衝串且部分響應於脈寬調製 器輸出的斜率補償電流。
17、 如權利要求16所述的斜率補償電流，其中在所述脈寬調製器輸出的所述開 關斷開瞬間之前的所述工作循環的少於20%處，所述斜率補償電流接通。
18、 如權利要求16所述的斜率補償電流，其經同步以先於脈寬調製器開關斷開瞬間之前接通。
19、 如權利要求16所述的斜率補償電流，其經同步以在脈寬調製器開關斷開瞬 間之後立即斷開。
20、 一種斜率補償電路，其在開關調節器中提供斜率補償，所述斜率補償電路包括脈寬調製器振蕩器，其產生振蕩器脈衝串； 脈寬調製器，其產生調製器脈衝串； 反饋迴路，其響應於所述振蕩器脈衝串；接通及斷開狀態的斜率補償脈衝串，其響應於所述反饋迴路且響應於所述脈寬調製器開關脈衝串；開關，其在所述斜率補償脈衝串接通時接通；電流源，其在所述開關接通時通過所述開關供應電流；及 斜率補償電流源，其在所述開關接通時產生斜率補償電流。
全文摘要
本發明提供一種在開關調節器中提供斜率補償的斜率補償電路。所述斜率補償電路優選地適於從脈寬調製器振蕩器接收振蕩器脈衝串及從脈寬調製器接收調製器脈衝串。所述電路優選地包含響應于振蕩器脈衝串的反饋迴路。所述電路優選地提供「接通」及「斷開」狀態的斜率補償脈衝串，其部分響應於反饋迴路且部分響應於脈寬調製器開關脈衝串。本發明優選地通過將模擬反饋迴路併入到PWM系統中以優選地僅稍微先於PWM開關斷開之前開始斜率補償來實現較低的最大斜率補償電流。此優選地獨立於PWM工作循環而發生。
文檔編號H02M3/156GK101341647SQ200680047973
公開日2009年1月7日 申請日期2006年8月7日 優先權日2005年11月17日
發明者廖介威 申請人:凌力爾特公司