CN102035384B - 开关变换器电路和功率变换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用内部斜坡补偿的数字控制变换器及其方法，通过数字方式或者数字与模拟结合方式，产生带有斜坡补偿信号的参考电压，实现内部斜坡补偿，并且斜坡补偿信号的幅值和斜率可以调整，以满足不同用户的需求。本发明的开关变换器电路包括：输入和输出端子；反馈电路，对输出电压采样，提供反馈信号；包含数字控制器的信号发生装置，通过改变数字控制器输出的数字信号来调整提供到比较电路的参考电压，或者调整提供到比较电路的参考电压以及提供到反馈电路的斜坡补偿信号；比较电路，将反馈信号与参考电压比较产生比较信号；导通时间控制电路，控制开关电路的导通时间；驱动电路，输出驱动信号；开关电路，由驱动信号控制其导通或关断。
Description
技术领域
本发明一般地涉及电源，更具体地说，涉及一种采用内部斜坡补偿的数字控制开关变换器及其方法。
背景技术
大多数电子产品如笔记本电脑、台式电脑、PDA等，需要直流（DC）电源向各个功能模块提供经过调节的功率。DC-DC同步降压式变换器具有效率高、体积小等优点，得到了广泛的应用。
采用恒定导通时间（COT）控制的DC-DC同步降压式变换器电路具有瞬态响应速度快、结构简单等优点。图1是传统的采用恒定导通时间（COT）控制的DC-DC同步降压式变换器电路的示意图。
图1所示为传统的COT降压式变换器电路，包括：输入端子Vin、输出端子Vout、包含由电阻器106和107构成的电压采样电路的反馈电路、比较电路108、导通时间控制电路110、驱动电路109、以及包含晶体管101和102的开关电路。
输入电压Vin通过晶体管101和102的调制，耦合到电感器103和电容器104组成的输出滤波器，滤波之后的电压输出到负载105，输出电压Vout通过电阻器106和107构成的电压采样电路将电压采样信号VOSM反馈到比较器108的输入端，根据图1所示电路，反馈信号VFB等于VOSM。比较器108将VFB与参考电压VREF相比较，输出端耦接到驱动电路109，比较器的输出信号控制晶体管101的导通。同时导通时间控制电路110也耦接到驱动电路109，由导通时间控制电路110控制晶体管101的导通时间。驱动电路109产生互补的驱动信号，控制晶体管101和102的导通和关断，以调节输出电压Vout。图1的示例示出，晶体管101和102为金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），在其他示例中，可以使用诸如双极结晶体管（BJT）或绝缘双极型晶体管（IGBT）之类的其他适当电子设备来实现。传统的COT降压式变换器中VREF为恒定的直流电压，电路设计完成之后无法调整。
图2是COT变换器电路中电容器电压纹波占主导时的波形图。
如图2所示，201示出了图1中晶体管101的门极驱动信号，202示出了图1中电容器104所包含的等效串联电阻（图1中未示出）两端的电压纹波，可以看出等效串联电阻两端的电压纹波与晶体管101的门极驱动信号是同相位的。203示出的是电容器104两端的电压纹波，电容器104两端的电压纹波与门极驱动信号有时间长度为Tdela的延时，相位上滞后门极驱动信号90°。如果电容器104两端的电压纹波占主导，那么电容器104两端电压纹波与等效串联电阻两端的电压纹波叠加之后的波形，即输出电压纹波，如204所示，与203近似，相对于门极驱动信号同样会有一段时间的延时，即会有相位滞后。这种相位的滞后可能会导致***的不稳定，如图2所示201中不平均的驱动分布波形就会出现。
图3是COT变换器电路中电容器等效串联电阻电压纹波占主导时的波形图。
图3示出的是等效串联电阻两端的电压纹波占主导的情况，301示出了晶体管101的门极驱动信号，302示出了电容器104所包含的等效串联电阻两端的电压纹波，303示出的是电容器104两端的电压纹波，304为电容器104两端的电压纹波与等效串联电阻两端的电压纹波叠加之后的波形，即输出电压纹波。由于等效串联电阻占主导，叠加后的电压纹波与晶体管101的门级驱动信号同相位，因此***是稳定的。
图4是具有外部斜坡补偿电路的COT变换器电路。
对于输出电容器所引起的信号延时或相位滞后，可以采用斜坡补偿的方法来进行补偿。图4所示为传统COT降压式变换器所采用的外部斜坡补偿的方法。电阻器408的第一端耦接电感器103的第一端和晶体管101与102的公共点，电容器409的第一端耦接到电感器103的第二端，电阻器408的第二端和电容器409的第二端耦合在一起，耦接到电压采样信号FB，以实现外部斜坡补偿。外部斜坡补偿通过外部元器件的相互连接来实现，虽然结构简单，但是会受到输入电压和输出电压变化的影响，外部元器件的参数也会随着使用时间的推移发生变化，因此设计难度大。
目前，也有通过采样电感器103上电流来等效电容器104上的等效串联电阻效应，实现内部斜坡补偿。虽然这种方法受输入电压和输出电压变化的影响较小，但需要采样电感器103上的电流，并且通过一系列模拟元器件的组合来实现斜坡补偿的功能，设计完成后难以调整。
发明内容
本发明的另外方面和优点部分将在后面的描述中阐述，还有部分可从描述中明显地看出，或者可以在本发明的实践中得到。
本发明提供一种开关变换器电路，包括：输入端子，接收输入电压；输出端子，耦接到负载电路，为所述负载电路提供输出电压；反馈电路，耦接到所述输出端子，对所述输出电压进行采样，以提供反馈信号；包含数字控制器的信号发生装置，通过改变数字控制器输出的数字信号来调整提供到比较电路的参考电压，或者调整提供到比较电路的参考电压以及提供到反馈电路的斜坡补偿信号；比较电路，将反馈信号与参考电压相比较，产生比较信号；导通时间控制电路，控制开关电路的导通时间；驱动电路，与比较电路和导通时间控制电路耦接，输出驱动信号；和开关电路，与输入端子串联连接，通过驱动电路输出的驱动信号控制该开关电路的导通或关断；其中所述数字控制器以数字方式产生斜坡补偿信号的幅值的数字信号。
本发明还提供一种功率变换的方法，包括：通过输入端子接收输入电压；通过输出端子为负载电路提供输出电压；通过反馈电路，对所述输出电压进行采样，以提供反馈信号；经由信号发生装置通过改变信号发生装置中包含的数字控制器输出的数字信号来调整提供到比较电路的参考电压，或者调整提供到比较电路的参考电压以及提供到反馈电路的斜坡补偿信号；将所述反馈信号与所述参考电压相比较，产生比较信号；通过导通时间控制电路控制开关电路的导通时间；根据所述比较信号和所述开关电路的导通时间，输出驱动信号；以及基于所述驱动信号控制所述开关电路的导通或关断；其中所述数字控制器输出斜坡补偿信号的幅值的数字信号。
附图说明
通过结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，本发明的上述和其他目的、特性和优点将会变得更加清楚，其中相同的标号指定相同结构的单元，并且在其中：
图1是传统的采用恒定导通时间（COT）控制的DC-DC同步降压式变换器电路的示意图；
图2是COT变换器电路中电容器电压纹波占主导时的波形图；
图3是COT变换器电路中电容器等效串联电阻电压纹波占主导时的波形图；
图4是具有外部斜坡补偿电路的COT变换器电路；
图5是根据本发明教导的采用内部斜坡补偿的COT变换器的波形示意图；
图6是根据本发明第一实施例的信号发生装置的示意图；
图7是根据本发明第二实施例的信号发生装置的示意图；
图8是根据本发明第三实施例的信号发生装置的示意图；
图9是根据本发明第四实施例的信号发生装置的示意图；
图10是根据本发明第四实施例的信号发生装置的波形图；以及
图11是根据本发明第五实施例的信号发生装置的示意图。
具体实施方式
下面将参照示出本发明实施例的附图充分描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
公开了一种用于开关变换器的方法和装置。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图5一般地示出了根据本发明教导的COT变换器波形示意图，501示出的是晶体管101的门极驱动信号，502示出的是输出电压采样信号VOSM，503示出的是斜坡补偿信号VSLOPE-COMP。斜坡补偿信号VSLOPE-COMP可以通过数字控制方式产生，也可以通过数字与模拟相结合的控制方式产生，斜坡补偿信号VSLOPE-COMP的幅值VSLOPE可以进行调整，其下降斜率KSLOPE也可以进行调整。如503所示，在晶体管101导通的时刻，即501中脉冲的上升沿时刻，斜坡补偿信号VSLOPE-COMP跳变到设定的幅值VSLOPE，并在晶体管101导通期间一直保持在VSLOPE。从晶体管101关断时刻开始，即501中脉冲的下降沿时刻，斜坡补偿信号VSLOPE-COMP以斜率KSLOPE逐渐减小，直到晶体管101下一个导通时刻到来为止。斜坡补偿信号VSLOPE-COMP等效图1中电容器104的等效串联电阻效应，实现内部斜坡补偿，而无需采样电感器103上流过的电流。
图6一般地示出了根据本发明第一实施例的信号发生装置的示意图。信号发生装置600包括数字控制器601和高速数模转换器602。
数字控制器601产生基准参考电压的数字信号VREF-BASE(D)和斜坡补偿信号的数字信号VSLOPE-COMP(D)。VREF-BASE(D)为数字信号，其模拟信号VREF-BASE为传统COT变换器中恒定的直流参考电压。数字控制器601通过数字运算电路，将VSLOPE-COMP(D)从VREF-BASE(D)中减去，得到参考电压的数字信号VREF(D)，并将VREF(D)传输到高速数模转换器（DAC）602。高速数模转换器602输出参考电压VREF。通过对数字控制器程序或其***器件的修改，可以很方便的对VREF-BASE(D)和VSLOPE-COMP(D)进行调整，进而调整参考电压VREF，以满足不同用户的需求。
图7一般地示出了根据本发明第二实施例的信号发生装置的示意图。信号发生装置700包括数字控制器701、低速数模转换器702、高速数模转换器703以及运算电路704。
数字控制器701产生基准参考电压的数字信号VREF-BASE(D)和斜坡补偿信号的数字信号VSLOPE-COMP(D)。VREF-BASE(D)信号被传输到低速数模转换器702，702的输出为模拟信号VREF-BASE。VSLOPE-COMP(D)被传输到高速数模转换器703，703的输出为模拟信号VSLOPE-COMP。通过运算电路704将VSLOPE-COMP从VREF-BASE中减去，并输出参考电压VREF。
图8一般地示出了根据本发明第三实施例的信号发生装置的示意图。信号发生装置800包括数字控制器801、低速数模转换器802、以及高速数模转换器803。
数字控制器801产生参考电压的数字信号VREF(D)和斜坡补偿信号的数字信号VSLOPE-COMP(D)。VREF(D)被传输到低速数模转换器802，702的输出为模拟信号的参考电压VREF。斜坡补偿信号VSLOPE-COMP(D)被传输到高速数模转换器703，703的输出为模拟信号的斜坡补偿信号VSLOPE-COMP。VSLOPE-COMP耦接到反馈电路，与输出电压采样信号VOSM相叠加，产生反馈信号VFB。
图6所示实施例电路，数字控制器601将VSLOPE-COMP(D)与VREF-BASE(D)作减法运算，得到数字信号VREF(D)，并直接传输到数模转换器602，由于VREF(D)包含VSLOPE-COMP的数字信号VSLOPE-COMP(D)，因此需要高速数模转换器来实现数字信号到模拟信号的转换。同样地，图7、图8所示实施例电路，数字控制器将VSLOPE-COMP(D)直接传输到数模转换器，因此要求703为高速数模转换器。数模转换速度还与晶体管101的开关频率有关，开关频率越高，对数模转换的速度也要求越高，当然成本也就越高。可以通过下面的实施例，来实现低速数模转换器对斜坡补偿信号VSLOPE-COMP(D)的数模转换。
图9一般地示出了根据本发明第四实施例的信号发生装置的示意图。数字控制器901产生VREF-BASE(D)，并将其输送到低速数模转换器902，902输出模拟信号VREF-BASE，该模拟信号耦合到运算电路904。数字控制器还输出斜坡补偿信号VSLOPE-COMP的幅值VSLOPE的数字信号VSLOPE(D)，根据本发明的教导，VSLOPE(D)可以调整，因此VSLOPE可以调整。VSLOPE(D)被传输到低速数模转换器903，903输出模拟信号VSLOPE。开关S1耦合到VSLOPE，S1的导通和关断由数字控制器进行控制，导通时间可以调整。在开关S1导通期间，电压控制电流源VCCS905向电容器906进行充电，VCCS输出的充电电流与VSLOPE成比例，因此充电斜率由VSLOPE控制。907所示模块为放电电路，电压源VCC耦接到由开关S2和电阻器R组成的开关阵列，开关S2的导通和关断由数字控制器控制。开关阵列另一端耦接到晶体管T2的集电极，T2的集电极和基极与晶体管T1的基极耦接在一起，T1与T2的发射极耦接到电气地，T1和T2构成电流镜电路。T1的集电极耦接到电容器906，在开关S1关断期间，通过控制开关S2的导通个数，就可以控制电容器906的放电电流，因此放电斜率也可以调整。电容器906上电压就是斜坡补偿信号VSLOPE-COMP，将电容器906耦接到运算电路904，将斜坡补偿信号VSLOPE-COMP从VREF-BASE中减去，输出参考电压VREF。
本领域技术人员可以根据实际情况来确定图9的开关阵列中的开关S2和电阻器R的个数。并且根据实际情况，可以采用相同阻值的电阻器或不同阻值的电阻器。
图10是根据本发明第四实施例的信号发生装置的波形图。
如图10所示，1001为晶体管101的门极驱动信号，1002为图9所示实施例中开关S1的驱动信号，当1002为高电平时，开关S1导通，1004所示为斜坡补偿信号VSLOPE-COMP，在S1导通期间，以充电斜率KCHARGE向电容器906充电。1003为开关阵列中开关S2的驱动信号，1代表S2导通，0代表S2关断，在S2导通期间，电容器906以放电斜率KDISCHARGE放电。VSLOPE-COMP的幅值由S1的导通时间和VSLOPE控制，在S1导通时间一定的情况下，由VSLOPE决定。
图11一般地示出了根据本发明第五实施例的信号发生装置的示意图，信号发生装置1100输出参考电压VREF和斜坡补偿信号VSLOPE-COMP，将斜坡补偿信号VSLOPE-COMP耦接到反馈电路，与输出电压采样信号VOSM相叠加，输出反馈信号VFB。
数字控制器1101产生参考电压的数字信号VREF(D)，VREF(D)被传输到低速数模转换器1102，1102的输出为模拟信号的参考电压VREF。数字控制器还输出斜坡补偿信号VSLOPE-COMP的幅值VSLOPE的数字信号VSLOPE(D)，根据本发明的教导，VSLOPE(D)可以调整，因此VSLOPE可以调整。VSLOPE(D)被传输到低速数模转换器1103，1103输出模拟信号VSLOPE。开关S1耦合到VSLOPE，S1的导通和关断由数字控制器进行控制，导通时间可以调整。在开关S1导通期间，电压控制电流源VCCS1105向电容器1106进行充电，VCCS输出的充电电流与VSLOPE成比例，因此充电斜率由VSLOPE控制。1107所示模块为放电电路，电压源VCC耦接到由开关S2和电阻器R组成的开关阵列，开关S2的导通和关断由数字控制器控制。开关阵列另一端耦接到晶体管T2的集电极，T2的集电极和基极与晶体管T1的基极耦接在一起，T1与T2的发射极耦接到电气地，T1和T2构成电流镜电路。T1的集电极耦接到电容器1106，在开关S1关断期间，通过控制开关S2的导通个数，就可以控制电容器1106的放电电流，因此放电斜率也可以调整。电容器1106上电压就是斜坡补偿信号VSLOPE-COMP，将电容器1106耦接到反馈电路，将斜坡补偿信号VSLOPE-COMP与输出电压采样信号VOSM相叠加，输出反馈信号VFB。
本领域技术人员可以根据实际情况来确定图11的开关阵列中的开关S2和电阻器R的个数。并且根据实际情况，可以采用相同阻值的电阻器或不同阻值的电阻器。
以上对本发明的示出示例的描述，包括摘要中所描述的，并不希望是穷尽的或者是对所公开的精确形式的限制。尽管出于说明性目的在此描述了本发明的特定实施例和示例，但是在不偏离本发明的更宽的精神和范围的情况下，各种等同修改是可以的。实际上，应当理解，特定电压、电流、频率、功率范围值、时间等被提供用于说明目的，并且其他值也可以用在根据本发明教导的其他实施例和示例中。
Claims (19)
1.一种开关变换器电路，包括：
输入端子，接收输入电压；
输出端子，耦接到负载电路，为所述负载电路提供输出电压；
反馈电路，耦接到所述输出端子，对所述输出电压进行采样，以提供反馈信号；
包含数字控制器的信号发生装置，通过改变数字控制器输出的数字信号来调整提供到比较电路的参考电压以及提供到比较电路的模拟的斜坡补偿信号，或者调整提供到比较电路的参考电压以及提供到反馈电路的模拟的斜坡补偿信号；
比较电路，将反馈信号与参考电压相比较，产生比较信号；
导通时间控制电路，控制开关电路的导通时间；
驱动电路，与比较电路和导通时间控制电路耦接，输出驱动信号；和
开关电路，与输入端子串联连接，通过驱动电路输出的驱动信号控制该开关电路的导通或关断；
其中所述数字控制器以数字方式产生斜坡补偿信号的幅值的数字信号，所述信号发生装置根据所述斜坡补偿信号的幅值的数字信号产生一用于控制斜坡补偿信号的幅值的模拟信号。
2.如权利要求1所述的开关变换器电路，其特征在于，所述反馈电路包括输出电压采样电路，对输出电压进行采样，以提供输出电压采样信号作为所述反馈信号。
3.如权利要求1或2所述的开关变换器电路，其特征在于，所述数字控制器以数字方式产生基准参考电压的数字信号。
4.如权利要求3所述的开关变换器电路，其特征在于，所述信号发生装置进一步包括：
第四数模转换器，该第四数模转换器将基准参考电压的数字信号转换为模拟信号，并输出基准参考电压；以及
第五数模转换器，该第五数模转换器将斜坡补偿信号的幅值的数字信号转换为模拟信号，并输出斜坡补偿信号的幅值。
5.如权利要求4所述的开关变换器电路，其特征在于，所述信号发生装 置进一步包括：第一开关，该第一开关的导通和关断由所述数字控制器控制，其一端耦接到第五数模转换器的输出，其另一端耦接到一电压控制电流源的输入端。
6.如权利要求5所述的开关变换器电路，其特征在于，所述电压控制电流源的输出电流与第五数模转换器输出的所述斜坡补偿信号的幅值成比例。
7.如权利要求6所述的开关变换器电路，其特征在于，所述信号发生装置进一步包括：放电电路，该放电电路由开关阵列和电流镜电路串联耦合而成，所述开关阵列的第一端耦接到电压源，第二端耦接到电流镜电路的第一端，所述开关阵列中的开关的导通和关断由所述数字控制器控制；所述电流镜电路的第二端作为放电电路的输出端耦接到所述电压控制电流源的输出端。
8.如权利要求7所述的开关变换器电路，其特征在于，所述信号发生装置进一步包括电容器，所述电容器耦合到所述电压控制电流源的输出端和所述放电电路的输出端的交点以及地之间，用于提供所述斜坡补偿信号。
9.如权利要求8所述的开关变换器电路，其特征在于，所述信号发生装置进一步包括运算电路，用于将所述电容器提供的所述斜坡补偿信号从第四数模转换器输出的所述基准参考电压中减去，以输出参考电压到所述比较电路。
10.如权利要求2所述的开关变换器电路，其特征在于，所述数字控制器以数字方式产生参考电压的数字信号。
11.如权利要求10所述的开关变换器电路，其特征在于，所述信号发生装置进一步包括：
第四数模转换器，该第四数模转换器将参考电压的数字信号转换为模拟信号，以输出参考电压到所述比较电路；以及
第五数模转换器，该第五数模转换器将斜坡补偿信号的幅值的数字信号转换为模拟信号，以输出斜坡补偿信号的幅值。
12.如权利要求11所述的开关变换器电路，其特征在于，所述信号发生装置进一步包括第一开关，该第一开关的导通和关断由所述数字控制器控制，其一端耦接到第五数模转换器的输出，其另一端耦接到一电压控制电流源的输入端。
13.如权利要求12所述的开关变换器电路，其特征在于，所述电压控制 电流源的输出电流与第五数模转换器输出的所述斜坡补偿信号的幅值成比例。
14.如权利要求13所述的开关变换器电路，其特征在于，所述信号发生装置进一步包括放电电路，该放电电路由开关阵列和电流镜电路串联耦合而成，所述开关阵列的第一端耦接到电压源，第二端耦接到电流镜电路第一端，所述开关阵列中的开关的导通和关断由所述数字控制器控制；所述电流镜电路的第二端作为放电电路的输出端耦接到所述电压控制电流源的输出端。
15.如权利要求14所述的开关变换器电路，其特征在于，所述信号发生装置进一步包括电容器，所述电容器耦合到所述电压控制电流源的输出端和所述放电电路的输出端的交点以及地之间，用于输出所述斜坡补偿信号。
16.如权利要求15所述的开关变换器电路，其特征在于，所述电容器将所述斜坡补偿信号耦接到所述反馈电路，与所述输出电压采样信号相叠加得到所述反馈信号，并输出所述反馈信号。
17.一种功率变换的方法，包括：
通过输入端子接收输入电压；
通过输出端子为负载电路提供输出电压；
通过反馈电路，对所述输出电压进行采样，以提供反馈信号；
经由信号发生装置通过改变信号发生装置中包含的数字控制器输出的数字信号来调整提供到比较电路的参考电压以及提供到比较电路的模拟的斜坡补偿信号，或者调整提供到比较电路的参考电压以及提供到反馈电路的模拟的斜坡补偿信号；
将所述反馈信号与所述参考电压相比较，产生比较信号；
通过导通时间控制电路控制开关电路的导通时间；
根据所述比较信号和所述开关电路的导通时间，输出驱动信号；以及
基于所述驱动信号控制所述开关电路的导通或关断；
其中所述数字控制器输出斜坡补偿信号的幅值的数字信号，所述信号发生装置根据所述斜坡补偿信号的幅值的数字信号产生一用于控制斜坡补偿信号的幅值的模拟信号。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，经由数字控制器输出基准参考电压的数字信号。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，经由数字控制器输出参考 电压的数字信号。
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