CN106059292A - 基于固定工作时间的脉宽控制装置及方法 - Google Patents

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CN106059292A CN201610207715.3A CN201610207715A CN106059292A CN 106059292 A CN106059292 A CN 106059292A CN 201610207715 A CN201610207715 A CN 201610207715A CN 106059292 A CN106059292 A CN 106059292A
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Abstract

本发明公开了一种基于固定工作时间的脉宽控制装置及方法，该装置和方法可以用于电压转换器中。并且该装置具体包括：比较器、逻辑电路和控制器。其中，该比较器，用于根据控制器的两个信号，产生输出至逻辑电路的逻辑控制信号。其中，该逻辑电路耦接至该比较器，用于根据逻辑控制信号，产生具有工作时间脉宽的脉冲控制信号，以对电压转换器的输出级电路中的输出电容进行充电。其中，该控制器耦接至比较器，用于通过检测输出级电路中的电感的电感电流信号，通过产生斜坡电压信号，通过产生基于参考电压的输出电压纹波信号，从而产生输至比较器的两个信号。以上的装置及方法，可以提高噪声免疫力并且具有DC(直流)调节能力。

Description

基于固定工作时间的脉宽控制装置及方法
技术领域
本发明涉及电压转换技术领域，尤其涉及一种可在电压转换器中使用的基于固定工作时间的脉宽控制装置及方法。
背景技术
一般而言，传统的固定工作时间(constant on time)控制器一般受到其输出电容的小ESR(Equivalent Series Resistor，等效串联电阻)的限制。由于ESR太小，所以传统的控制器不能有效地反应/检测输出电压纹波(voltage ripple)。提出了一些传统方案来改善输出电压纹波的检测。但是，一部分的这些传统方案不能够改善差的噪声免疫力和更糟的DC(直流)电压调节，并且该部分传统方案用于补偿的信号增益太低。另外，另一部分的传统方案可能进一步限制瞬态响应。另外，另一部分的传统方案可能采用电压模式控制回路，并且由于该部分的传统方案缺少用于其电压模式控制回路的电流信号，所以一定需要复杂的补偿电路设计。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于固定工作时间的脉宽控制装置及方法，可以提高噪声免疫力和具有DC调节。
本发明提供了一种基于固定工作时间的脉宽控制装置，该装置用于电压转换器中，包括：比较器，用于根据控制器的两个信号，产生输出至逻辑电路的逻辑控制信号；所述逻辑电路，耦接至所述比较器，用于根据所述逻辑控制信号，产生具有工作时间脉宽的脉冲控制信号，以对所述电压转换器的输出级电路中的输出电容进行充电；以及所述控制器，耦接至所述比较器，用于通过检测所述输出级电路中的电感的电感电流信号，通过产生斜坡电压信号，通过产生基于参考电压的输出电压纹波信号，从而产生输至所述比较器的所述两个信号。
其中，所述控制器包括：误差放大器，具有用于接收所述参考电压的正输入端和用于接收所述电压转换器的输出电压信号的负输入端，从而产生所述输出电压纹波信号；补偿器，耦接至所述误差放大器的所述负输入端和输出端，用于使用高增益来补偿所述输出电压纹波信号。
其中，所述补偿器包括：与第一电容串联的第一电阻，所述第一电阻和所述第一电容连接在所述误差放大器的所述负输入端和所述输出端之间；第二电容，与所述第一电阻和所述第一电容并联；以及第三电阻，一端耦合所述输出电压信号，另一端耦接所述第一电阻和所述误差放大器的所述负输入端。
其中，所述控制器包括：误差放大器，具有用于接收所述参考电压的正输入端和用于接收所述电压转换器的输出电压信号的负输入端，从而产生所述输出电压纹波信号；补偿器，耦接所述误差放大器的输出端和地平面，用于使用高增益来补偿所述输出电压纹波信号。
其中，所述补偿器包括：与第一电容串联的电阻，所述电阻和所述第一电容连接在所述误差放大器的输出端和所述地平面之间；以及第二电容，与所述电阻和所述第一电容并联。
其中，所述控制器包括：电流感应电路，用于检测所述输出级电路中的所述电感的所述电感电流信号；以及斜坡电压产生器，用于产生所述斜坡电压信号；其中，所述控制器用于通过将所述斜坡电压信号加上所述电感电流信号的直流电平，来产生模仿的斜坡电流信号，该模仿的斜坡电流信号作为提供至所述比较器的所述两个信号之一；以及，所述输出电压纹波信号作为提供至所述比较器的所述两个信号中的另一个。
其中，所述控制器包括：电流感应电路，用于检测所述输出级电路中的所述电感的所述电感电流信号；以及斜坡电压产生器，用于产生所述斜坡电压信号，该斜坡电压信号作为提供至所述比较器的所述两个信号中的其中一个；其中，所述控制器用于通过从所述放大的输出电压纹波信号中减去所述检测的所述电流感应信号的直流电平，来产生提供至所述比较器的所述两个信号中的另一个。
其中，所述控制器包括：斜坡电压产生器，以及所述斜坡电压产生器包括：电压源，用于提供直流电压电平；电流源，用于提供电流；电容，串联在所述电压源和所述电流源之间；开关，与所述电容并联；其中，所述斜坡电压产生器的输出端设置在所述电流源和所述电容之间；在所述工作时间脉宽期间，所述控制器控制所述开关短路，以提供作为所述斜坡电压信号的所述直流电压电平；以及在关闭时间脉宽期间，控制所述开关打开，以提供作为所述斜坡电压信号的放电电压电平。
其中，所述控制器包括：电流感应电路，以及所述电流感应电路包括：电流感应放大器，用于感应并放大所述电感电流信号；以及取样/保持单元，耦接至所述电流感应放大器，用于对所述电感电流信号的直流电平进行取样，并保持取样的直流电平。
本发明提供了一种基于固定工作时间的脉宽控制方法，该方法用于电压转换器中，包括：根据两个信号，产生逻辑控制信号；根据所述逻辑控制信号，产生具有工作时间脉宽的脉冲控制信号，以对所述电压转换器的输出级电路中的输出电容进行充电；以及通过检测所述输出级电路中的电感的电感电流信号，通过产生斜坡电压信号，通过产生基于参考电压的输出电压纹波信号，来产生所述两个信号。
本发明实施例的有益效果是：
以上的装置和方法，通过检测输出电感的电感电流，产生斜坡电压信号，以及产生基于参考电压的输出电压纹波信号，从而产生两个信号，然后基于该两个信号来控制输出级电路中的电容，从而提高噪声免疫力并具有DC调节效果。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的电压转换器的结构示意图；
图2是图1中所示的信号Vramp、VC2、IL、Ton、和取样/保持单元的周期的示意图；
图3是当电压转换器的负载变化时，图1中所示的信号VC2、IL、Ton、和取样/保持单元的周期的示意图；
图4是根据本发明第二实施例的电压转换器的结构示意图；
图5是根据本发明第三实施例的电压转换器的结构示意图；
图6是根据本发明第四实施例的电压转换器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本申请说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包括”、“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包括(含)但不限定于”。另外，“耦接”一词在此为包括任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接至该第二装置，或透过其它装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。
图1是根据本发明第一实施例的电压转换器100的结构示意图。本实施例中的该电压转换器100为DC-DC(直流至直流)降压转换器(但是不限制于此)，并且包括：装置103和输出级电路120。其中装置103包括：控制器105、比较器110和逻辑电路115。控制器105包括：误差放大器1051、高增益补偿器1053、电流感应电路1055和斜坡电压(voltage ramp)产生器1057。逻辑电路115包括：产生器1151和控制逻辑单元1153。输出级电路120包括：两个开关晶体管HSFETT(High-Speed Field-Effect Transistor，高速场效应晶体管)和LSFET(Low-Speed Field-Effect Transistor，低速场效应晶体管)，输出电感Lout和输出电容Cout。DC-DC降压转换器100用于接收输入DC电压Vin，以产生并输出输出DC电压Vout。装置103产生脉宽控制信号Ton来控制开关晶体管HSFET和LSFET的开/关状态，从而在信号Ton的工作时间的脉宽期间，动态地对电容Cout充电，以及在Ton的关闭时间(off-time)的脉宽期间，控制电容Cout放电。装置103包括：基于固定工作时间的脉宽控制操作，并且可以被视为基于固定工作时间的脉宽控制的控制器。该基于固定工作时间的脉宽控制操作意味着装置103在每个周期的期间，采取固定的工作时间脉宽，其中该每个周期用于控制开关晶体管LSFET和LSFET(在正常负载状态下)的开/关状态。如果负载状态改变，那么可以延长或缩短工作时间脉宽。
传统的固定工作时间控制器受到输出电容的小ESR的限制。由于ESR太小，所以该传统控制器不能有效地反应/检测输出电压纹波。从而导致传统的固定工作时间控制器不具有好的噪声免疫力和DC调节。在本实施例中，使用组合了比较器110和逻辑电路115的控制器，以便于解决上述问题，并且也获得灵活的电流模式补偿和维持快速的瞬态响应。控制器105用于产生两个合成信号(resultant signal)VC1和VC2。具体的，控制器105检测输出电感Lout的电感电流信号IL；产生模仿纯斜坡电流(pure current ramp)的斜坡电压信号Vramp；放大并产生基于参考电压Vref和输出电压信号Vout的输出电压纹波信号，以产生信号VC1。比较器110用于根据两个合成信号VC1和VC2，产生输出至逻辑电路115的逻辑控制信号Sset。逻辑电路115根据逻辑控制信号Sset，产生具有工作时间脉宽的脉冲控制信号Ton，以控制开关晶体管HSFET和LSFET。
在该第一实施例中，误差放大器1051用于放大输出电压信号Vout和参考电压Vref之间的差，从而产生作为信号VC1的输出电压纹波信号。高增益补偿器1053用于使用高增益来补偿输出电压纹波信号，从而为输出电压信号Vout提供回路稳定性和更好的DC电压调节。高增益补偿器1053连同误差放大器1051可以被视为用于累加输出电压信号Vout和参考电压Vref之差的积分器，从而产生输出电压纹波信号，以便于放大输出电压信号Vout上的电压纹波。将信号VC1传送至比较器110的正输入端。另外，在实践中，高增益补偿器1053包括：电阻R1、R3和电容C1、C2。电阻R1与电容C1串联，并且电阻R1和电容C1连接在误差放大器的负输入端和输出端之间。电容C2与电阻R1和电容C1并联。输出电压信号Vout经过电阻R3并提供给误差放大器1051。误差放大器1051和高增益补偿器1053可以提供好的噪声免疫，更好的DC调节和改善的回路稳定性。
电流感应电路1055用于检测输出电感Lout的电感电流信号IL，以及斜坡电压产生器1057用于产生斜坡电压信号Vramp。控制器105可以基于斜坡电压信号Vramp和检测的电感电流信号IL的DC电平，模仿纯电流斜坡信号，该模仿的纯电流斜坡信号作为提供给比较器110的信号VC2。在实践中，斜坡电压产生器1057包括：电压源VS、电流源IS、电容C3和开关SW。电压源VS用于提供直流电压电平。电流源IS提供特定电流。电容C3串联在电压源VS和电流源IS之间，并且开关SW与电容C3并联。斜坡电压产生器1057的输出节点设置在电流源IS和电容C3之间。根据脉冲信号Ton，控制开关SW。控制器105控制开关SW在信号Ton的工作时间脉宽期间闭合，以提供作为斜坡电压信号Vramp的直流电压电平，以及控制开关SW在信号Ton的关闭时间脉宽期间打开，以提供作为斜坡电压信号Vramp的缓慢的放电电压电平。该斜坡电压信号Vramp类似具有特定斜率的三角波信号。另外，电流感应电路1055包括：电流感应放大器1058和取样/保持单元1059。电流感应放大器1058具有增益K，用于感应和放大该输出电感电流IL，以及取样/保持单元1059用于对放大后的电感电流IL的电平进行取样，并保持该取样的电平。控制器105通过将斜坡电压信号Vramp加上取样/保持单元1059输出的电平VDC，来产生合成信号VC2，从而模仿纯斜坡电流信号。
当信号VC1大于信号VC2时，比较器110输出作为其输出(即逻辑控制信号Sset)的逻辑高电平，以及当信号VC1小于信号VC2时，输出作为其输出的逻辑低电平。产生器1151根据逻辑控制Sset，接收DC输入电压Vin和参考电压Vref，从而产生具有工作时间脉宽的脉冲控制信号Ton。控制逻辑单元1153根据信号Ton，控制开关晶体管HSFET和LSFET的开/关状态。
请结合图1参考图2。图2是图1中所示的信号Vramp、VC2、IL、Ton、和取样/保持单元1059的周期的示意图。作为示例的信号Vramp为三角波信号，并且当信号VC1大于信号VC2(即信号Ton的工作时间脉宽)时，Vramp被升高至高电平(DC电压VS)。信号Vramp按照由电容C3和/或电流IS决定的斜率渐渐地下降。通过将信号Vramp添加至信号VDC以产生信号VC2。IL指示输出电感信号的波形，并且实际上可以包括：一些小的变化(即，电流纹波)。Ton为由产生器1151产生的脉冲信号，用于控制控制逻辑单元1153，并且Ton的高逻辑电平指示工作时间脉宽。在本示例中，取样/保持单元1059用于对输出电感电流IL的峰值振幅取样，保持该取样的峰值振幅，该取样并保持的峰值振幅作为VDC电平；取样/保持单元1059在信号Ton的每个工作时间脉冲结束之后，立即工作。如图2所示，控制器105使用斜坡电压产生器1057和电流感应电路1055来模仿用于输出电感信号TL的纯斜坡电流信号。当DC-DC降压转换器100工作在电流模式并且维持相同的电流增益时，通过调整电容C3和/或电流IS来灵活地增加信号Vramp的振幅，从而改善噪声免疫力。
图3示出了当DC-DC降压转换器100的负载变化时，图1所示的信号VC2、IL、Von和取样/保持单元1059的周期的示意图。如图3所示，DC-DC降压转换器100的负载从轻负载状态变化至重负载状态，并且斜坡电压产生器1057和电流感应电路1055可以成功地模仿对应DC-DC降压转换器100的负载状态变化的纯斜坡电流。也就是说，即使DC-DC降压转换器100的负载变化，也适合使用斜坡电压产生器1057和电流感应电路1055来有效地模仿纯斜坡电流。DC-DC降压转换器100维持快速的瞬态响应。
在另一个实施例中，高增益补偿器1053可以由不同电路结构实现，该不同的电路结构没有连接至误差放大器1051的负输入端。图4为根据本发明第二实施例的DC-DC降压转换器100的示意图。高增益补偿器1053包括：与电容C1串联的电阻R1，以及电容C2。电阻R1连同电容C1连接在误差放大器1051的输出端和地平面之间。电容C2与电阻R1和电容C1并联。电容C2也连接在误差放大器1051的输出端和地平面之间。在第二实施例中，误差放大器1051连同高增益补偿器1053也可视为积分器，用于累加参考电压Vref和输出电压Vout之间的差。
进一步地，在修改的实施例中，控制器105可以基于误差放大器1051的输出和取样/保持单元1059输出的信号VDC，产生信号VC1，并且产生作为信号VC2的斜坡电压信号Vramp。图5示出了根据本发明第三实施例的DC-DC降压转换器100的示意图。控制器105通过从误差放大器1051放大的输出电压纹波信号中减去检测的电感电流信号IL的直流电平VDC，从而产生提供给比较器110的信号VC1。类似地，根据本发明第四实施例，图5所示的高增益补偿器1053也可以修改为在图6所示的DC-DC降压转换器100中的结构。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于固定工作时间的脉宽控制装置，该装置用于电压转换器中，其特征在于，包括：
比较器，用于根据控制器的两个信号，产生输出至逻辑电路的逻辑控制信号；
所述逻辑电路，耦接至所述比较器，用于根据所述逻辑控制信号，产生具有工作时间脉宽的脉冲控制信号，以对所述电压转换器的输出级电路中的输出电容进行充电；以及
所述控制器，耦接至所述比较器，用于通过检测所述输出级电路中的电感的电感电流信号，通过产生斜坡电压信号以及通过产生基于参考电压的输出电压纹波信号，从而产生输至所述比较器的所述两个信号。
2.如权利要求1所述的基于固定工作时间的脉宽控制装置，其特征在于，所述控制器包括：
误差放大器，具有用于接收所述参考电压的正输入端和用于接收所述电压转换器的输出电压信号的负输入端，从而产生所述输出电压纹波信号；
补偿器，耦接至所述误差放大器的所述负输入端和输出端，用于使用高增益来补偿所述输出电压纹波信号。
3.如权利要求2所述的基于固定工作时间的脉宽控制装置，其特征在于，所述补偿器包括：
与第一电容串联的第一电阻，所述第一电阻和所述第一电容连接在所述误差放大器的所述负输入端和所述输出端之间；
第二电容，与所述第一电阻和所述第一电容并联；以及
第三电阻，一端耦合所述输出电压信号，另一端耦接所述第一电阻和所述误差放大器的所述负输入端。
4.如权利要求1所述的基于固定工作时间的脉宽控制装置，其特征在于，所述控制器包括：
误差放大器，具有用于接收所述参考电压的正输入端和用于接收所述电压转换器的输出电压信号的负输入端，从而产生所述输出电压纹波信号；
补偿器，耦接所述误差放大器的输出端和地平面，用于使用高增益来补偿所述输出电压纹波信号。
5.如权利要求4所述的基于固定工作时间的脉宽控制装置，其特征在于，所述补偿器包括：
与第一电容串联的电阻，所述电阻和所述第一电容连接在所述误差放大器的输出端和所述地平面之间；以及
第二电容，与所述电阻和所述第一电容并联。
6.如权利要求1所述的基于固定工作时间的脉宽控制装置，其特征在于，所述控制器包括：
电流感应电路，用于检测所述输出级电路中的所述电感的所述电感电流信号；以及
斜坡电压产生器，用于产生所述斜坡电压信号；
其中，所述控制器用于通过将所述斜坡电压信号加上所述电感电流信号的直流电平，来产生模仿的斜坡电流信号，该模仿的斜坡电流信号作为提供至所述比较器的所述两个信号之一；以及，所述输出电压纹波信号作为提供至所述比较器的所述两个信号中的另一个。
7.如权利要求1所述的基于固定工作时间的脉宽控制装置，其特征在于，所述控制器包括：
电流感应电路，用于检测所述输出级电路中的所述电感的所述电感电流信号；以及
斜坡电压产生器，用于产生所述斜坡电压信号，该斜坡电压信号作为提供至所述比较器的所述两个信号中的其中一个；
其中，所述控制器用于通过从所述放大的输出电压纹波信号中减去所述检测的所述电流感应信号的直流电平，来产生提供至所述比较器的所述两个信号中的另一个。
8.如权利要求1所述的基于固定工作时间的脉宽控制装置，其特征在于，所述控制器包括：斜坡电压产生器，以及所述斜坡电压产生器包括：
电压源，用于提供直流电压电平；
电流源，用于提供电流；
电容，串联在所述电压源和所述电流源之间；
开关，与所述电容并联；
其中，所述斜坡电压产生器的输出端设置在所述电流源和所述电容之间；在所述工作时间脉宽期间，所述控制器控制所述开关短路，以提供作为所述斜坡电压信号的所述直流电压电平；以及在关闭时间脉宽期间，控制所述开关打开，以提供作为所述斜坡电压信号的放电电压电平。
9.如权利要求1所述的基于固定工作时间的脉宽控制装置，其特征在于，所述控制器包括：电流感应电路，以及所述电流感应电路包括：
电流感应放大器，用于感应并放大所述电感电流信号；以及
取样/保持单元，耦接至所述电流感应放大器，用于对所述电感电流信号的直流电平进行取样，并保持取样的直流电平。
10.一种基于固定工作时间的脉宽控制方法，该方法用于电压转换器中，其特征在于，包括：
根据两个信号，产生逻辑控制信号；
根据所述逻辑控制信号，产生具有工作时间脉宽的脉冲控制信号，以对所述电压转换器的输出级电路中的输出电容进行充电；以及
通过检测所述输出级电路中的电感的电感电流信号，通过产生斜坡电压信号以及通过产生基于参考电压的输出电压纹波信号，来产生所述两个信号。
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