CN101931326B - 在电流回路中具有取样与保持电路的降压升压转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在电流回路中具有取样与保持电路的降压升压转换器。在平均电流模式控制型降压升压PWM转换器中，在电流回路中***取样与保持电路以避免与平均电感器电流需求信号的纹波相关联的问题。通过已给其输入施加误差信号及对应于穿过所述电感器的瞬时电流的信号的差分跨导放大器来产生纹波平均电感器电流，其中对所述放大器的输出进行滤波。在将所述平均电感器电流需求信号与降压及升压锯齿波形进行比较之前，在每一切换循环开始时对所述纹波平均电感器电流进行取样与保持。通过使用所述取样与保持电路，反馈回路较容易稳定，且所述转换器在切换循环期间无法切换模式。

Description

在电流回路中具有取样与保持电路的降压升压转换器
技术领域
本发明涉及DC-DC电压转换器且特定来说涉及一种使用平均电流模式控制的降压升压转换器。
背景技术
降压升压电压转换器接收未调节输入电压且产生增加或降低的经调节输出电压，其中通过反馈电路中的组件值设定目标输出电压。与本发明人相关的降压升压转换器是脉宽调制(PWM)转换器，其中降压或升压模式晶体管开关的切换工作循环控制所述输出电压。切换致使穿过平滑电感器的电流随着所述电感器充电及放电而斜升及斜降。
电压模式转换器通过将所述输出电压的一小部分施加到误差放大器的第一输入来调节所述输出电压，其中所述误差放大器的第二输入耦合到固定参考电压。接着将所述误差放大器的输出(误差电压)与锯齿波形进行比较以在保持所述误差放大器的两个输入匹配所需的工作循环处导通及断开转换器开关。虽然锯齿波频率通常大于1MHz，但电压反馈回路为相对慢的回路，这是因为输出电压经高度滤波且改变较慢。
峰值电流模式控制转换器将误差电压与直接对应于穿过电感器的瞬时电流的变化信号进行比较。当斜升电感器电流交叉误差电压时，复位切换晶体管。此称为峰值电感器电流控制。电流反馈回路为快回路，这是因为在斜升达到阈值之后立即停止电感器的充电。此控制方法提供对瞬态状况(例如短路及过载状况)的极快响应。
一种较不常见的控制方法称为平均电流控制。在此控制方法中，将变化的信号(直接对应于瞬时电感器电流)及误差电压施加到差分跨导放大器的输入，且对差分跨导放大器的输出进行滤波以对所述放大器的输出大致求平均值(与电感器电流的平均值相关)。经滤波信号在本文中称为“平均电感器电流需求信号”，其实际上并不是平均电感器电流而仅与其相关。此滤波器可以是类型II补偿网络或其它适合滤波器。接着将经滤波波形与锯齿波信号进行比较以控制转换器的晶体管的切换。此控制模式以低频率提供增加的电流回路增益且改进对电感器电流中的噪声的抗扰性。此类特性在某些应用中是有益的。
在使用平均电流控制的降压升压转换器中，将平均电感器电流需求信号与降压锯齿波形(具有对应于降压切换晶体管的100％工作循环的峰值)进行比较且与较高电压升压锯齿波形(具有在降压锯齿波形峰值处开始的基电压及对应于升压切换晶体管的100％工作循环的峰值)进行比较。平均电感器电流需求信号的电平自动控制转换器是在降压模式中还是在升压模式中操作并控制切换晶体管的工作循环。
在已通过补偿电路对平均电感器电流需求信号进行滤波之后，其存在某一残留纹波。此纹波具有三个主要效应。电流回路增益不仅取决于锯齿波产生器斜率且还取决于平均电感器电流纹波斜率。如果关断时间纹波斜率太大，那么可产生次谐波振荡。而且，如果此残留纹波太高，那么降压升压转换器可在切换循环中间在两个模式之间跳跃。补偿电路不可具有太慢的时间常数，否则调节器将不会充分地对瞬态状况作出反应，因此传统上必须容许某一纹波。
需要一种使用平均电流控制且不具有以上所提及缺点的降压升压转换器。
发明内容
描述一种使用平均电流控制的降压升压PWM转换器。为避免与平均电感器电流需求信号的纹波相关联的问题，在电流反馈回路内***取样与保持电路，其通常在补偿电路之后且在将所述平均电感器电流需求信号与降压及升压锯齿波形进行比较之前。所述取样与保持电路由时钟(所述时钟在每一切换循环期间的特定时间锁定所述平均电感器电流需求信号的样本)例如在切换循环即将开始之前复位，且接着在下一切换循环即将开始之前对所述平均电感器电流需求信号进行取样。
通过使用本发明，存在瞬态响应的最小损耗，回路的增益独立于纹波的斜率，回路较容易在宽带宽及输入和输出电压上稳定，由于电感器关断时间斜率太大而无法导致次谐波振荡，且所述转换器在切换循环期间无法切换模式。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的PWM降压升压转换器的简化示意图。
图2图解说明将降压及升压锯齿波形与样本及所保持的平均电感器电流需求信号进行比较以设定转换器切换晶体管的模式及工作循环。
图3图解说明可用于建立平均电感器电流需求信号的常规类型II补偿电路的实例。
各个图中用相同编号标记的元件可以是一样的。
具体实施方式
图1图解说明并入有本发明的PWM降压升压转换器10。将未调节输入电压Vin施加到输入12且通过输入电容器Cin对所述输入电压进行滤波。
在降压模式中，为给电感器L1充电，接通PMOS晶体管Q1，关断NMOS晶体管Q2，PMOS晶体管Q3保持接通，且NMOS晶体管Q4保持关断。接着穿过电感器L1的电流斜升。
大输出电容器Cout对斜升电感器电流进行滤波以跨越由电阻负载Rload表示的任一负载形成相当稳定的经调节输出电压Vout。目标输出电压Vout通过分压器中的电阻器R1及R2的值来设定，使得当输出电压Vout为目标电压时，经分割电压等于约1.25v的参考电压Vref。
将Vref及经分割电压施加到作为慢电压回路一部分的操作跨导放大器(OTA)14的输入。OTA 14的输出连接到积分滤波器，但也可使用任一补偿网络，例如经典类型II补偿电路(图3中所示)。在图1中，所述滤波器包括电容器C1，所述电容器与RC滤波器并联连接到接地，所述RC滤波器由串联的电阻器Rv及电容器C2组成。所述滤波器的输出将是误差电压，其电平确定所述转换器需求用以维持经调节输出电压的电流。OTA 16的输出(由补偿网络Ri、C4及C3(稍后详细描述)进行补偿)控制降压或升压切换晶体管的工作循环。对于低于输入电压Vin的目标输出电压(假设无损失)，误差电压电平控制降压模式晶体管的工作循环。对于高于输入电压Vin的目标输出电压，误差电压电平超过对应于降压模式的100％工作循环的那个电平，且误差电压电平致使升压模式晶体管在对应工作循环处切换以实现目标输出电压。
OTA 14与滤波器的组合称为误差放大器，其中所述滤波器可以是任一类型的适合滤波器。
将误差电压施加到电流反馈回路中的OTA 16的一个输入。在降压模式中，晶体管Q3始终接通。晶体管Q3可包含小感测晶体管单元，其传导电感器电流的一小部分，但所属领域的技术人员可考虑其它电流感测方法，例如感测跨越串联电阻器的电压或对电感器电压进行积分或在其它晶体管中的一者中使用感测装置。通过电流感测电阻器Rs将那一小部分施加到接地。在降压模式中，在电感器L1由于晶体管Q1接通而正充电时，将跨越电阻器Rs的斜升电压施加到OTA 16的另一输入。OTA 14及16为差分跨导放大器，但可使用任一适合滤波网络(例如图3的经典类型II补偿网络)。
低通滤波器(其可具有类似于电压回路的配置的配置)连接到OTA 16的输出。所述滤波器包括电容器C3、电阻器Ri及电容器C4。由于施加到相应OTA的不同信号，组件值将不同于电压回路滤波器的那些组件值。所属领域的技术人员知晓选择滤波器的组件值以实现所需的滚降、增益对频率、零点和极点。用于设计此类滤波器的指南是许多论文和专著的主题。
OTA 16检测相当稳定的误差电压(来自误差放大器)与高频斜升电感器电流之间的差，且将有效地产生追踪斜升电感器电流的信号。OTA 16的输出处的滤波器使输出平滑以产生平均电感器电流需求信号。选择电流感测电阻器Rs的值以致使斜升电压处于正确操作的适合范围内。
在所述滤波器的输出处产生的平均电感器电流需求信号将具有处于切换频率下的纹波。如先前所述，所述纹波的特性影响转换器10的性能且可导致不稳定性。
为避免所述纹波的此类不利影响，在所述平均电感器电流需求信号与双斜坡调制器22之间***取样与保持(S&H)电路20。图1中的S&H电路20包括晶体管开关24(例如，NMOS晶体管)，其通过时钟28(图2)而以双斜坡调制器22的频率导通及断开。在循环开始时，晶体管开关24将纹波平均电感器电流输入信号连接到电容器26(图2)，以便将电容器26设定(取样)为输入信号电平。接着开关24断开以保持取样电平直到开关24再次闭合。图2图解说明一种类型的S&H电路20的更多细节，其中在循环开始时时钟28致使单触发电路30使开关24闭合达短暂预设定时间。可在电容器26与S&H电路20的输出之间使用缓冲器32。此仅为取样与保持电路的一个实施例，且可构想其它实施例。
转回参照图1，使用稳定的所保持电压来选择降压或升压操作模式并设定工作循环。双斜坡调制器22产生两个偏移锯齿波形，其在图2中显示为由锯齿波产生器33产生。锯齿波产生器33可通过在每一切换循环开始时将固定电流源施加到电容器并复位所述电容器来产生所述波形。接着使用DC偏移将升压及降压锯齿波形电平移位到所需电平。
如果所保持的平均电感器电流需求信号低于模式阈值电平(图2)，那么所述信号将在某一时间交叉降压锯齿波形。在切换循环开始时，降压模式充电晶体管Q1导通，且当锯齿波形交叉所保持的信号时，晶体管Q1断开且晶体管Q2导通以使电感器L1放电。图2图解说明PWM降压比较器34，其将降压锯齿波形与所保持的电压进行比较。以此方式，所保持的信号控制工作循环使得经分割反馈电压与OTA 14的输入处的参考电压大致匹配且实现电压调节。在降压模式期间，升压模式晶体管Q3保持接通而晶体管Q4保持关断。
如果所保持的电压高于模式阈值，那么升压锯齿波形将交叉所保持的电压。在升压切换循环开始时，晶体管Q4接通以使电感器L1充电。晶体管Q4包含小感测晶体管单元，其传导电感器电流的一小部分。在切换循环的充电部分期间，通过电流感测电阻器Rs将那一小部分施加到接地。如先前所提及，可能有在升压模式期间进行电流感测的其它实施例。升压锯齿波形的交叉断开晶体管Q4且导通晶体管Q3以使电感器L1放电到输出电容器Cout及负载中。由晶体管Q3传导的电流的一小部分传导穿过电流感测电阻器Rs。如先前所述，将斜升电感器电流波形及误差信号施加到OTA 16，接着对OTA 16输出进行滤波并由S&H电路20对所述输出进行取样与保持。图2图解说明PWM升压比较器36，其将升压锯齿波形与所保持的电压进行比较。以此方式，所保持的信号控制升压晶体管的工作循环使得经分割反馈电压与OTA 14的输入处的参考电压大致匹配且实现电压调节。在升压模式期间，降压模式晶体管Q1保持接通而晶体管Q2保持关断。
通过使用S&H电路20来使平均电感器电流需求信号稳定，存在瞬态响应的最小损耗，这是因为转换器10仍在时钟循环内作出反应，电流回路的增益独立于平均电感器电流纹波的斜率，电流回路及电压回路较容易在宽带宽及输入和输出电压上稳定，由于电感器关断时间斜率太大而无法导致次谐波振荡，且转换器10在切换循环期间无法切换模式，这是因为所保持的信号将在整个循环内保持高于或低于模式阈值。可使用任一适合S&H电路20。
通过将S&H电路20置于所述滤波器之后，施加到OTA 16的电压误差信号的任一纹波将不会在所述双斜坡调制器的输入处产生纹波。
虽然S&H电路20稍微减小电流回路的带宽，但此减小是以较高频率发生，因此实际影响是最小的。切换频率通常将在1MHz到10MHz之间。
图3图解说明经典类型II滤波器，可使用其来替代利用图1及2中所示的OTA 14及16的积分滤波器。还可使用常规类型I及类型III滤波器。
也可使用其它类型的滤波器。
可用二极管来替换充当同步整流器的晶体管Q2及Q3。
在详细描述本发明之后，所属领域的技术人员将了解，在给出本发明的情况下，可作出各种修改，此并不背离本文中所述的精神及发明概念。因此，并不打算将本发明范围局限于所图解说明及所描述的具体实施例。

Claims (14)

1.一种DC到DC降压升压电压转换器，其包括：
降压切换电路，其包括耦合在输入电压与电感器的第一端之间的至少一个降压切换晶体管，所述降压切换电路经耦合以在所述转换器的降压模式期间使所述电感器充电及放电；
升压切换电路，其包括连接在所述电感器的第二端与接地之间的至少一个升压切换晶体管，所述升压切换电路经耦合以在所述转换器的升压模式期间使所述电感器充电及放电；
输出电容器，其经耦合以使穿过所述电感器的电流平滑；
输出电压端子，其耦合到所述输出电容器以用于将经调节电压提供到负载；
误差放大器，其经连接以接收与所述经调节电压成比例的电压并输出误差信号；
差分跨导放大器，其具有连接到所述误差信号的第一输入及经连接以接收对应于瞬时电感器电流的信号的第二输入；
低通滤波器，其对所述差分跨导放大器的输出进行滤波，所述低通滤波器的输出提供纹波电压，所述纹波电压具有通过所述误差信号设定的平均电平；
取样与保持电路，其连接到所述低通滤波器的输出，所述取样与保持电路包括时钟及存储装置，且在每一切换循环期间的特定时间对所述低通滤波器的输出进行取样并输出所保持的经取样电压直到下一取样时间为止；及
调制器，其将所述所保持的经取样电压与降压锯齿波形及与升压锯齿波形进行比较，其中取决于所述所保持的经取样电压的量值，所述所保持的经取样电压被所述降压锯齿波形或升压锯齿波形的交叉时间控制所述至少一个降压切换晶体管或所述至少一个升压切换晶体管的切换工作循环，以产生所述经调节电压。
2.根据权利要求1所述的转换器，其中所述时钟还控制锯齿波产生器，所述锯齿波产生器产生所述降压锯齿波形及所述升压锯齿波形，使得所述电压经保持以持续所述降压锯齿波形及所述升压锯齿波形的斜升的至少一部分。
3.根据权利要求1所述的转换器，其中所述低通滤波器为积分滤波器。
4.根据权利要求1所述的转换器，其中所述低通滤波器为类型II滤波器。
5.根据权利要求1所述的转换器，其中所述低通滤波器为类型I滤波器。
6.根据权利要求1所述的转换器，其中所述低通滤波器为类型III滤波器。
7.根据权利要求1所述的转换器，其中所述至少一个降压切换晶体管包括充电降压晶体管及放电降压晶体管，且所述至少一个升压切换晶体管包括充电升压晶体管及放电升压晶体管。
8.根据权利要求1所述的转换器，其中所述存储装置为电容器。
9.一种DC到DC降压升压电压转换器，其包括：
降压切换电路，其经耦合以在降压操作模式中使电感器充电及放电；
升压切换电路，其经耦合以在升压操作模式中使所述电感器充电及放电；
输出电容器，其经耦合以使穿过所述电感器的电流平滑；
输出电压端子，其耦合到所述输出电容器以用于将经调节电压提供到负载；
误差放大器，其经连接以接收与所述经调节电压成比例的电压并输出误差信号；
平均电路，其经连接以接收所述误差信号及对应于瞬时电感器电流的信号，所述平均电路经配置以用于产生与电感器电流相关且具有通过所述误差信号设定的平均电平的经滤波纹波电压；
取样与保持电路，其经连接以在所述降压切换电路或所述升压切换电路的每一切换循环期间的特定时间对所述经滤波纹波电压进行取样与保持，所述取样与保持电路经控制以输出恒定的所保持的经取样电压直到下一取样时间为止；及
调制器，其将所述所保持的经取样电压与降压锯齿波形且与升压锯齿波形进行比较，其中取决于所述所保持的经取样电压的量值，所述所保持的经取样电压被所述降压锯齿波形或升压锯齿波形的交叉时间控制所述降压切换电路或所述升压切换电路的切换工作循环，以产生所述经调节电压。
10.根据权利要求9所述的转换器，其中所述平均电路包括经连接以接收所述误差信号及对应于所述瞬时电感器电流的所述信号的差分跨导放大器以及连接到所述差分跨导放大器的输出的低通滤波器。
11.一种由DC到DC降压升压电压转换器执行的方法，其包括：
检测所述转换器的经调节输出电压；
通过将所述输出电压的一小部分与参考电压进行比较来产生误差信号；
产生对应于穿过电感器的瞬时电流的信号；
将所述误差信号及对应于穿过所述电感器的所述瞬时电流的所述信号施加到差分跨导放大器的输入；
对所述差分跨导放大器的输出进行滤波以产生具有通过所述误差信号设定的平均电平的经滤波纹波电压；
在所述转换器的每一切换循环期间的特定时间对所述纹波电压进行取样并在所述切换循环的整个剩余部分期间将所述经取样电压保持为恒定的所保持电压；及
将所述所保持电压与降压锯齿波形且与升压锯齿波形进行比较，其中取决于所述所保持电压的量值，所述所保持的经取样电压被所述降压锯齿波形或升压锯齿波形的交叉时间控制至少一个降压切换晶体管或至少一个升压切换晶体管的切换工作循环，以产生所述经调节输出电压。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在所述转换器的每一切换循环期间的特定时间对所述纹波电压进行取样并保持所述经取样电压包括通过控制开关的时钟将所述经滤波纹波电压临时耦合到存储装置，所述方法进一步包括通过使用所述时钟来产生所述降压锯齿波形及所述升压锯齿波形，以使得所述取样与所述降压锯齿波形及所述升压锯齿波形同步。
13.根据权利要求11所述的方法，其中对所述差分跨导放大器的输出进行滤波包括使用类型I、II或III网络中的一者来对所述输出进行低通滤波。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述至少一个降压切换晶体管包括充电降压晶体管及放电降压晶体管，且所述至少一个升压切换晶体管包括充电升压晶体管及放电升压晶体管。
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