CN101667776A - 降压调节器中用于减小负载释放期间电压过冲的***和方法 - Google Patents

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Abstract

一种降压调节器，包括连接在电压输入节点和相节点之间的高侧开关晶体管。低侧开关晶体管连接在相节点和地节点之间。电感器连接在相节点和输出电压节点之间。响应于输出电压和参考电压，电路产生至高侧开关晶体管和低侧开关晶体管的控制信号。响应于流经低侧开关晶体管的电流方向以及对电压误差信号是否已被箝位至选定电平的指示，至低侧开关晶体管的控制信号选择性地关断低侧开关晶体管。

Description

降压调节器中用于减小负载释放期间电压过冲的***和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2009年7月21日提交的题为SYSTEM AND METHODFOR REDUCING VOLTAGE OVERSHOOT DURING LOAD RELEASEWITHIN A BUCK REGULATOR(降压调节器中用于减小负载释放期间电压过冲的***和方法)的美国专利申请No.12/506,722的优先权，其要求了于2008年7月23日提交的题为SYSTEM AND METHOD FOR REDUCINGVOLTAGE OVERSHOOT DURING LOAD RELEASE WITHIN A BUCKREGULATOR(降压调节器中用于减小负载释放期间电压过冲的***和方法)的美国临时专利申请No.61/083,101的权益，其通过引用纳入于此。
附图说明
为了更透彻的理解，结合附图参考以下描述，附图中：
图1为降压调节器的示意图；
图2为包括对于在负载释放期间减小电压过冲所必需的元件的降压调节器的示意图；以及
图3为描述用于控制图2的降压调节器的低侧开关晶体管的操作的过程的流程图。
具体实施方式
现在参考附图，其中贯穿全文使用相同的附图标记以指示相同的元件，附图示出并描述了降压调节器中用于减小负载释放期间电压过冲的***和方法的各种示图和实施例，并描述了其他可能的实施例。附图不一定按比例绘制，且在一些情况中，仅出于图示的目的，在某些地方附图被放大和/或简化。本领域普通技术人员基于可能实施例的以下示例将领会很多可能的应用和变型。
现在参考附图，尤其是图1，示出了标准降压调节器的示意图。输入电压V输入施加至节点102。高侧栅极开关晶体管104连接在节点102和相节点106之间。低侧栅极开关晶体管108连接在相节点106和地(gnd)节点110之间。高侧栅极控制信号施加至开关晶体管104的栅极，且低侧栅极控制信号施加至开关晶体管108的栅极。这些控制信号由下面将会更全面描述的控制电路提供。电感器112连接在相节点106和输出电压节点114之间。由负载电阻器116表示的负载值连接在输出电压节点114和地节点110之间。输出电容器118连接在输出电压节点114和地节点110之间。
在典型的低占空比降压调节器应用中，从输出电压节点114施加的输出电压比输入电压节点102要小得多。结果，跨电感器112在正向上施加的电压(V输入-VO)相对较大，而跨电感器112在反向上的电压相对较小。流经电感器112的电感器电流的变化速率与施加在输入节点102上的电压成正比。因此，***不能以快速的方式将电感器电流倾斜至较低电平。
当流经电感器112的负载电流从高电平转变至低电平时，流经电感器112的电感器电流必须很快降低。该转变发生在降压调节器的负载释放期间。在电感器电流超过负载电流值的时段期间，任何超出的电感器电流都会继续对输出电容器118正向充电，从而导致输出电压过冲情况。为了防止过度的电压过冲，需要增大输出电容器118的值以使得其能够吸收在过电感器电流期间产生的过多能量。在典型的核心调节器笔记本设计中，负载释放过冲规范要求增大电路的输出电容，其导致增加对电路设计中的面积需求。
为了减小当负载电阻器116从降压调节器电路的输出移除时在负载释放期间传输至输出节点114的电荷量，如果低侧开关晶体管108关断，则电感器电流可更迅速地减小。这导致低侧开关晶体管108的体二极管上的压降，并且体二极管正向压降导致跨电感器112的反向电感器电压的增加。这导致电感器电流、传输的电荷、以及输出电压节点114上的电压过冲更快地降低。该技术被称为二极管制动。在二极管制动期间降压调节器电路中产生的功率损耗可能相当大。因此，效率的降低对于一些类型的应用是难以接受的。
现在参考图2，示出了包括在降压调节器中用于在负载释放期间降低电压过冲所必要的附加元件的降压调节器电路的示意图。输入电压V输入被施加至输入电压节点202。输入电压经过高侧开关晶体管204，其漏/源通路连接在输入电压节点202和相节点206之间的。高侧栅极开关晶体管204的栅极连接至栅极驱动电路208。响应于从PWM电路214提供的控制信号，栅极驱动电路208产生栅极控制信号以导通和关断高侧开关晶体管204和低侧栅极开关晶体管210。低侧开关晶体管210的漏/源通路连接在相节点206和地之间。电感器224连接在相节点206和输出电压节点218之间。输出电容器226连接在输出电压节点218和地之间。输出负载228也连接在输出电压节点218和地之间。
为了基于流经电感器224的电流的方向来控制低侧栅极开关晶体管210的操作，比较器212连接在低侧栅极开关晶体管210两端。比较器212的非反相输入连接至相节点206。比较器212的反相输入在地节点连接至晶体管210的源极。比较器212监测相节点206和地节点之间的电压差。比较器212的状态指示跨低侧栅极开关晶体管210的压降的方向。比较器输出状态提供对流经低侧开关晶体管210的电流的方向的指示。当电流从相节点206流至地节点时(负电感器电流)，比较器212的输出将为逻辑“高”状态。同样，当电流从地节点流至相节点206时(正电感器电流)，比较器212的输出将为逻辑“低“状态。
提供相比较器212的输出作为PWM控制电路214的控制输入。如前所述，PWM控制电路214的输出被提供至栅极驱动电路208。PWM控制电路214还通过控制线222接收来自箝位电路220的电压误差输入以及来自箝位电路220的控制输入，其提供何时箝位电路220被激活以将误差放大器216的输出箝位至选定电平的指示。响应于来自相比较器212的信息以及响应于通过箝位电压电路220从误差放大器216提供的电压误差信号VE，PWM控制电路214产生供给栅极驱动器208的控制信号。
误差放大器216比较参考电压VREF与在输出电压节点218处的降压调节器的输出电压。响应于表明输出电压和参考电压之差的这些信号中的每一个，误差放大器216产生电压误差信号VE。为了提供更快的环路响应以及防止误差放大器216饱和，误差放大器输出(降压调节器的COMP管脚)的执行范围由箝位电路220限制。箝位电路220将误差放大器216的电压输出箝位至预定电平以防止该电压降低至会导致误差放大器216的输出范围饱和的电平。箝位电路220产生内部信号，其通过线222被提供给PWM控制电路以指示何时误差放大器达到箝位电压电平。
为了减小在降压调节器的负载释放情况期间传送给输出电压节点218和输出电容226的电荷电平，如果低侧开关晶体管210关断，则流经电感器224的电感器电流可能被更快地释放。关断低侧栅极开关晶体管210导致低侧栅极晶体管210的体二极管两端的压降。体二极管正向压降导致流经电感器224的反向电感器电流的增加，并且因此导致电感器电流更快地降低，输送给输出电容器226的电荷的减少，以及节点218处电压过冲的减小。
该二极管制动技术的采用会导致输出节点218处电压过冲的减小。但是，采用二极管制动带来很多关于降压调节器的整体操作的效率影响的不确定性的忧虑。如前所述，该二极管制动技术可能在电路中导致相当大的功率损耗。因此，必须建立各种准则以确定何时采用二极管制动方法以防止在某些情况下可能不期望的功率损耗。建立用于采用二极管制动的准则最直接的方法涉及比较器212的输出状态以及箝位电路220的操作，其将在以下更全面地描述。
现在参考图3，示出了描述用于确定何时导通和关断低侧开关晶体管210以最有效地向降压调节器电路实施二极管制动技术的过程的流程图。根据本公开，用于关断低侧开关晶体管210的准则包括误差放大器箝位电路220的状态以及相比较器212的输出两者。对于其中电源工作在连续电流工作模式(CCM)或二极管仿真工作模式(DE)的情况，其控制方法稍有不同。
一旦在步骤302发起控制过程，询问步骤304确定电源工作在连续电流工作模式还是二极管仿真工作模式。如果电路工作在连续电流工作模式下，询问步骤306确定误差放大器的输出误差电压信号VE是否由箝位电路220箝位。如果误差放大器的输出被箝位，则控制前进至询问步骤308，其中确定流经低侧开关晶体管210的电流是否在正向电流方向上流动(即，从地流向相节点)。如果电流在正向上流动，则已满足关断低侧开关晶体管的两个必要条件，并且在步骤312关断低侧开关晶体管。如果询问步骤306确定误差放大器输出误差电压VE未被箝位或者如果询问步骤308确定流经低侧开关晶体管210的电流不是在正向方向上流动(即，从相结点流向地)，则控制前进至步骤310并且低侧开关晶体管保持为导通状态。
如果询问步骤304确定电源工作在二极管仿真工作模式，则控制前进至询问步骤314以确定误差放大器输出电压VE是否被箝位电路220箝位。如果输出电压VE没有被箝位，则低侧开关晶体管在步骤312被置于关断状态。如果误差放大器输出电压VE被箝位，询问步骤315确定电流在前两个周期是否为负。如果是，低侧开关晶体管210在步骤312被置于关断状态。如果否，在步骤310低侧FET保持导通状态。一旦已在步骤310或312之一确定了开关晶体管的导通状态或关断状态，该过程将重复其自身以通过重复以上控制过程来作出关于低侧晶体管210是否保持导通或关断的进一步决定。
当处于连续电流工作模式下时，仅当如询问步骤306确定的误差放大器输出电压VE被箝位以及相比较器212指示流经低侧开关晶体管210的电流为正向方向时，二极管制动功能才关断低侧开关晶体管210。在连续电流模式期间，信号电平将不会导致误差放大器输出被箝位，除非是在显著的负载释放或参考电压极快变化期间。一旦电感器电流反向，由于相比较器状态将指示在低侧开关晶体管210中发生了反向电流的情况，因此低侧FET将被导通。这确保了负电流可自由流动，从而允许从输出电容器226中消除电荷以及减小电压过冲情况的持续时间。当处于二极管仿真工作模式时，流经开关晶体管210的反向电流通常是不被允许的。因此，只要在先前的2个周期中存在负电流(即，相比较器212的状态)并且仅基于误差放大器箝位状态的情况，低侧开关晶体管210将被关断而不管电流方向如何。如果不存在负电流，低侧晶体管将保持导通。
上述配置和操作方法与现有降压调节器应用相比具有多个优势。误差放大器输出具有内在行为，诸如差动传感、电流信息、滤波，并且通常可在应用级进行调谐。简单的输出电压比较器通常不具备这些特征并且不易调节。用于切换低侧栅极关断功能的参考电平可独立于通常的斜波调制方案而进行调节，并且可基于工作模式是连续电流模式还是二极管仿真模式而改变。相比较器212的采用还允许电感器224在负载释放事件中传导负电流。这是优点的原因在于由于过度的电容器充电可由电池恢复，从而导致***效率的提高。因此，对于同步降压转换器，采用上述电路，实现特定的过冲规范所需的输出电容的量可减小，这是由于在负载释放事件期间更少的电流被传输至输出电压节点。
受益于本公开的本领域技术人员将理解通过控制低侧开关晶体管的导通和关断状态来在降压调节器中减小负载释放期间的电压过冲的此***和方法。应当理解，这里的附图和详细描述应以说明性而非限制性方式来考虑，并且不旨在限制于所公开的特定形式和示例。相反，包括了对于本领域技术人员显而易见的任何进一步修改、变动、重排列、替换、替代、设计选择以及实施例，而不脱离如所附权利要求所限定的精神和范围。因此，所附权利要求旨在被解释为包括所有这样的进一步修改、变动、重排列、替换、替代、设计选择以及实施例。

Claims (19)

1、一种降压调节器，包括：
连接在电压输入节点和相节点之间的高侧开关晶体管；
连接在所述相节点和地节点之间的低侧开关晶体管；
连接在所述相节点和输出电压节点之间的电感器；
连接在所述输出电压节点和地之间的电容器；以及
用于响应于输出电压和参考电压而产生至所述高侧开关晶体管和所述低侧开关晶体管的控制信号的电路，其中至所述低侧开关晶体管的所述控制信号响应于流经所述低侧开关晶体管的电流方向以及对电压误差信号是否被箝位至选定电平的指示而选择性地关断所述低侧开关晶体管。
2、如权利要求1所述的降压调节器，其特征在于，所述电路还包括：
栅极驱动电路，用于响应于PWM控制信号而产生至所述高侧开关晶体管和所述低侧开关晶体管的所述控制信号；
误差放大器，用于响应于所述输出电压和所述参考电压而产生所述电压误差信号；
箝位电路，用于将所述电压误差信号箝位至所述选定电平以防止其降低至低于所述选定电平，以及在将所述电压误差信号箝位至所述选定电平时产生箝位指示；以及
PWM控制器，用于响应于流经所述低侧开关晶体管的所述电流方向、所述电压误差信号以及所述箝位指示而产生所述PWM控制信号。
3、如权利要求1所述的降压调节器，其特征在于，所述电路还包括：
比较器，用于确定流经所述低侧开关晶体管的所述电流方向，所述比较器具有连接至所述相节点的第一输入和连接至所述地节点的第二输入；以及
箝位电路，用于产生关于所述电压误差信号已被箝位至所述选定电平的箝位指示。
4、如权利要求1所述的降压调节器，其特征在于，在连续电流工作模式下，响应于所述电压误差信号已经被箝位至所述选定电平的指示以及对流经所述低侧开关晶体管的正电感器电流的检测，所述电路关断所述低侧开关晶体管。
5、如权利要求1所述的降压调节器，其特征在于，在连续电流工作模式下，响应于所述电压误差信号已经被箝位至所述选定电平的指示以及对流经所述低侧开关晶体管的负电感器电流的检测，所述电路导通所述低侧开关晶体管。
6、如权利要求1所述的降压调节器，其特征在于，在连续电流工作模式下，响应于所述电压误差信号尚未被箝位至所述选定电平的指示，所述电路导通所述低侧开关晶体管。
7、如权利要求1所述的降压调节器，其特征在于，在二极管仿真工作模式下，响应于所述电压误差信号已被箝位的指示，所述电路关断所述低侧开关晶体管。
8、如权利要求1所述的降压调节器，其特征在于，在二极管仿真工作模式下，响应于所述电压误差信号尚未被箝位的指示，所述电路导通所述低侧开关晶体管。
9、一种降压调节器，包括：
连接在电压输入节点和相节点之间的高侧开关晶体管；
连接在所述相节点和地节点之间的低侧开关晶体管；
所述相节点和输出电压节点之间的电感器；
连接在所述输出电压节点和地之间的电容器；
栅极驱动电路，用于响应于PWM控制信号而产生至所述高侧开关晶体管和所述低侧开关晶体管的控制信号；
误差放大器，用于响应于输出电压和参考电压而产生电压误差信号；
箝位电路，用于将所述电压误差信号箝位至选定电平以防止其降低至低于所述选定电平，以及在将所述电压误差信号箝位至所述选定电平时产生箝位指示；
比较器，用于确定流经所述低侧开关晶体管的电流方向，所述比较器具有连接至所述相节点的第一输入和连接至所述地节点的第二输入；以及
PWM控制器，用于响应于流经所述低侧开关晶体管的所述电流方向、所述电压误差信号以及所述箝位指示而产生所述PWM控制信号；并且
其中所述PWM控制信号响应于流经所述低侧开关晶体管的所述电流方向以及所述箝位指示而使得至所述低侧开关晶体管的所述控制信号选择性地关断所述低侧开关晶体管。
10、如权利要求9所述的降压调节器，其特征在于，在连续电流工作模式下，响应于所述电压误差信号已经被箝位至所述选定电平的指示以及对流经所述低侧开关晶体管的正电感器电流的检测，所述PWM控制信号使得至所述低侧开关晶体管的所述控制信号关断所述低侧开关晶体管。
11、如权利要求9所述的降压调节器，其特征在于，在连续电流工作模式下，响应于所述电压误差信号已经被箝位至所述选定电平的指示以及对流经所述低侧开关晶体管的负电感器电流的检测，所述PWM控制信号使得至所述低侧开关晶体管的所述控制信号导通所述低侧开关晶体管。
12、如权利要求9所述的降压调节器，其特征在于，在连续电流工作模式下，响应于所述电压误差信号尚未被箝位至所述选定电平的指示，所述PWM控制信号使得至所述低侧开关晶体管的所述控制信号导通所述低侧开关晶体管。
13、如权利要求9所述的降压调节器，其特征在于，在二极管仿真工作模式下，响应于所述电压误差信号已经被箝位的指示，所述PWM控制信号使得至所述低侧开关晶体管的所述控制信号关断所述低侧开关晶体管。
14、如权利要求9所述的降压调节器，其特征在于，在二极管仿真工作模式下，响应于所述电压误差信号尚未被箝位的指示，所述PWM控制信号使得至所述低侧开关晶体管的所述控制信号导通所述低侧开关晶体管。
15、一种用于控制降压调节器的低侧开关晶体管的方法，包括以下步骤：
确定所述降压调节器是运行于连续电流工作模式还是二极管仿真工作模式；
如果所述降压调节器运行于二极管仿真工作模式，则响应于误差放大器的输出是否被箝位至选定电平来控制所述低侧开关晶体管的状态；以及
如果所述降压调节器运行于连续电流工作模式，则响应于所述误差放大器的所述输出是否被箝位至所述选定电平以及流经所述低侧开关晶体管的电流是否为正向来控制所述低侧开关晶体管的状态。
16、如权利要求15所述的方法，其特征在于，在二极管仿真工作模式下的所述控制步骤还包括以下步骤：
确定所述误差放大器的所述输出是否被箝位至所述选定电平；
如果所述误差放大器的所述输出被箝位至所述选定电平，则将所述低侧开关晶体管维持在关断状态；以及
当高侧开关晶体管关断并且电感器电流为正时，如果所述误差放大器的所述输出未被箝位至所述选定电平，则将所述低侧开关晶体管维持在导通状态。
17、如权利要求15所述的方法，其特征在于，在连续电流模式下的所述控制步骤还包括以下步骤：
确定所述误差放大器的所述输出是否被箝位至所述选定电平；
确定流经所述低侧开关晶体管的所述电流是否在正向上流动；
如果所述误差放大器的所述输出被箝位至所述选定电平并且流经所述低侧开关晶体管的所述电流在正向上流动，则将所述低侧开关晶体管维持在关断状态；以及
如果所述误差放大器的所述输出未被箝位至所述选定电平或者流经所述低侧开关晶体管的所述电流不在正向上流动，则将所述低侧开关晶体管维持在导通状态。
18、如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述确定误差放大器的输出是否被箝位的步骤还包括以下步骤：
如果所述误差放大器的所述输出被箝位则产生第一指示；以及
如果所述误差放大器的所述输出未被箝位则产生第二指示。
19、如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述确定电流的步骤还包括以下步骤：
比较所述低侧开关晶体管的第一侧上的电压与所述开关晶体管的第二侧上的第二电压；以及
响应于确定所述电流在所述低侧开关晶体管中以正向流动而从所述比较器产生第一输出；以及
响应于确定所述电流在所述低侧开关晶体管中以负向流动而从所述比较器产生第二输出。
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