CN1260082A - Dc到dc变换器中的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
用于控制DC到DC变换器(100)的输出电压(V2)的方法和装置。DC到DC变换器(100)包括变换装置(101)和调整装置(102)。变换装置被馈送以来自调整装置的第一DC电压(V1)。第一DC电压(V1)由输出电压(V2)的反馈部分(VDIV)和参考电压(VREF)确定。输出电压(V2)依赖于第一DC电压(V1)和脉冲串(PT1)。来自DC到DC变换器的输出电压(V2)在变化的负载下保持恒定,以及输出电压电平可以通过脉冲串以容易的和灵活的方式被调整。
Description
发明的技术领域
本发明涉及用于控制DC(直流)到DC(直流)变换器的输出电压的方法和装置。
相关技术的描述
在移动电话的印刷电路板上,不同的电子器件(例如,LCD(发光二极管)、数字信号处理器等)可能需要馈送以不同的电源电压。这些不同的电源电压常常从单个DC(直流)电源,例如电池,通过DC到DC变换器而产生。这些变换器的问题在于,它们常常具有相当高的输出阻抗,这导致当负载改变时它们的输出改变。为保证当负载改变时输出电压不变,必须采用某种稳压电路。此外,有些电路需要在不同的时间被馈送以不同的输出电压电平。例如,给LCD显示器的电源电压典型地需要按照温度被调整。这意味着需要有容易和灵活方式来调整DC到DC变换器的输出电压电平到不同电平。
在其中输出电压依赖于作为加到DC到DC变换器的输入的脉冲串的脉冲频率的DC到DC变换器方面,实现这种稳压电路的一种已知方式是把DC到DC变换器输出电压通过A/D转换器反馈到微控制器。微控制器然后调整脉冲串发生器的参量,以使得保持DC到DC变换器的想要的输出电压。这种解决办法的两个缺点在于,它需要A/D转换器和微处理器的额外的处理负担。
日本专利摘要JP 63-228.809揭示了用于确保DC到DC变换器的恒定输出电压电平的装置。DC到DC变换器的输出电压被反馈通过分压器,并被加到运算放大器的倒相输入端。一个输入电压被加到运算放大器的非倒相输入端。运算放大器控制加到DC到DC变换器的电源电压,这样DC到DC变换器的输出电平被保持在与加到运算放大器的非倒相输入端的输入电压的恒定关系。该专利摘要没有提供如何把输出电压调整到不同的电平的细节。
Maxim公司的MAX6623稳压电荷泵DC到DC变换器揭示了,在MAX662电路中,能量被积累在一组电荷泵电容中,然后被转移到输出电容,并在该电容上构建输出电压。MAX622电路包括一个振荡器,提供用来控制从电荷泵电容到输出电容的能量转移的脉冲。MAX622电路的输出电压的调整是通过脉冲跳动方案而提供的,它监视输出电压电平,当输出电压开始下降时,接通电荷泵,即,使得振荡器工作,以及当达到正确的输出电压时,关断电荷泵,即,禁止振荡器工作。MAX622电路提供固定的+12V输出电压,即,输出电压电平不能被调整。
频率-电压变换器可被看作为执行某种DC到DC变换,因为频率-电压变换器被馈送以一个DC电压,在其输出端产生一个第二电压,其数值依赖于加到输入端的信号的频率。然而,频率-电压变换器,不像DC到DC变换器,不打算提供电源电流到其它电路,而只打算产生可被其它电路检测的电压,它可被用作为对于加到其输入端的信号的频率的度量。而且,频率-电压变换器也不能提供大于电源电压电平的输出电压电平。
发明概要
由本发明处理的问题是如何提供其输出电压不随被连接的负载而改变、以及其输出电压电平可以容易的和灵活的方式被调整的DC到DC变换器。
该问题实质上通过一种方法和装置被解决,在其中,DC到DC变换器的内部变换装置被馈送以第一DC电压。这个第一DC电压通过比较变换装置的输出电压的反馈部分与参考电压而被确定。参考电压是从脉冲串得出的。
更具体地,该问题以以下的方式被解决。DC到DC变换器包括变换装置和调整装置。第一脉冲串和第一DC电压被变换装置接收,变换装置产生第二DC电压,它是DC到DC变换器的输出电压。第二DC电压依赖于第一DC第一和第一脉冲串。DC到DC变换器的输出电压,即第二DC电压,被反馈到调整装置。调整装置把反馈的第二电压的一部分与参考电压进行比较,产生第一DC电压,以迫使第二DC电压的所述部分趋向于参考电压电平。调整装置接收第二脉冲串,并从这个脉冲串产生参考电压。
按照本发明的一个实施例,被调整装置接收的第二脉冲串实质上是和由变换装置接收的第一脉冲串相同的。
本发明的一个打算是提供一种使得DC到DC变换器的输出电压能够不管连接的负载而保持在恒定电平的方法和装置。
本发明的另一个打算是提供一种以容易的和灵活的方式使得DC到DC变换器的输出电压电平能够被调整的方法和装置。
本发明给出的一个优点是即使负载改变DC到DC变换器的输出电压也可以保持在恒定电平。
另一个优点是DC到DC变换器的输出电压电平可以容易的和灵活的方式被调整。
现在将参照本发明的示例性实施例以及参照附图更详细地描述本发明。
附图简述
图1显示按照本发明的装置的方框图。
图2是按照图1的装置的更详细的方框图。
图3是简单的频率-电压变换器的方框图。
图4是基于电容的电荷泵的方框图。
图5是基于线圈的电荷泵的方框图。
图6A是显示具有低的频率的脉冲串的时序图。
图6B是显示具有更高的频率的脉冲串的时序图。
图7是显示增加的功能的功能图。
图8A-8B是显示图1的DC到DC变换器实施的方法步骤的流程图。
实施例详细描述
图1显示按照本发明的一个实施例的DC到DC变换器100如何被用来提供电源给负载120,例如,LCD显示器。负载120可以正在变化,即,从DC到DC变换器提取的电流I可以变化,以及负载需要在不同的时间被DC到DC变换器100馈送以不同的电压V2。
DC到DC变换器100具有第一输入端111,第二输入端112,和输出端113。DC到DC变换器100包括变换装置101和调整装置102。
变换装置101具有第一输入端103,第二输入端104,和输出端105。变换装置101的第二输入端104被连接到DC到DC变换器100的第二输入端,以及变换装置101的输出端105被连接到DC到DC变换器100的输出端113。变换装置101在第一输入端103接收第一DC电压V1。变换装置在第二输入端104通过DC到DC变换器100的第二输入端接收第一脉冲串PT1。第一脉冲串PT1具有脉冲频率F1。
变换装置在输出端105发送电压V2,此后被表示为第二DC电压V2。这个第二DC电压V2通过DC到DC变换器100的输出端113被发送到负载120。第二DC电压V2依赖于第一DC电压V1和第一脉冲串PT的频率F1。变换装置,例如,可以被实现为基于电容的电荷泵或基于线圈的电荷泵。分别参见图4和图5。
调整装置102具有第一输入端106,被连接到DC到DC变换器100的第一输入端111,用于接收来自DC电源107的电源电压VS。电源107典型地是电池。
调整装置102还具有第二输入端108,被连接到变换装置101的输出端105,用于检测由变换装置101发送的第二DC电压。
调整装置102具有第三输入端109,用于接收第二脉冲串。在这个具体的实施例中,变换装置101的第二输入端104和调整装置102的第三输入端109被连接在一起,所以第二脉冲串是与第一脉冲串PT1相同的。调整装置102也具有被连接到变换装置101的第一输入端103的输出端110。调整装置102把检测的第二DC电压V2的一部分与参考电压(VREF,参见图2)进行比较,并在输出端110产生提供给变换装置101的第一DC电压。
图2提供有关DC到DC变换器100的内部结构的更多的细节,具体地,调整装置102的内部结构。
调整装置102包括差分放大器201,频率-电压变换器202和串联的两个电阻203、204,分别具有阻值R1和R2。
差分放大器201具有输出端205,倒相输入端206和非倒相输入端207。差分放大器201的输出端被连接到调整装置102的输出端110。
频率-电压变换器202具有输入端208和输出端209。变换器输入端208被连接到调整装置102的输入端109,变换器输出端209被连接到差分放大器201的非倒相输入端207。
两个电阻203、204被连接在调整装置102的第二输入端与地GND之间。在两个电阻之间的点被连接到差分放大器201的倒相输入端206。
频率-电压变换器202产生所述电压VREF。在本实施例中,所产生的电压正比于第一脉冲串PT1的频率F1,因此,这个关系可被描述为:
VREP=K*F1 (1)
两个电阻203、204起到分压器的作用,它在两个电阻之间的所述点上提供第二DC电压V2的一部分。在部分电压VREF与第二DC电压V2之间的关系可被表示为
VDIV=V2*R2/(R1+R2) (2)
由变换装置101发送的第二DC电压V2随第一DC电压V1增加而增加,即,被表示为第一DC电压V1的函数的第二DC电压V2具有正的导数。差分放大器201具有足够高的放大倍数,这样反馈环路将迫使倒相输入端206处的电压电平VDIV趋向于加到非倒相输入端207处的电压电平VREF,即,反馈环路将试图保持电压差为零:
VREF-VDIV=0 (3)
通过组合方程(1)、(2)、和(3),找到在第二DC电压V2和第一脉冲串PT1的频率F1之间的以下的近似关系式:
V2=K*(R1+R2)/R2*F1 (4)
图1上的负载120的任何变化将通过反馈环路补偿,以便满足方程(4)。
图3显示了实现图2的频率-电压变换器202的简单方式。电阻301和电容302,分别具有数值R和C,被串联在频率-电压变换器202的输入端与地GND之间。频率-电压变换器202的输出端209被连接到在电阻301与电容302之间的点上。图3的电路起到积分器的作用。
图6A和图6B以时序图的形式显示了第一脉冲串PT1。在这些时序图上,时间具有共同的表示T。在图6A上,每个脉冲具有脉冲持续时间T1和脉冲距离T2。在图6B上,每个脉冲具有与图6A相同的脉冲持续时间,但脉冲距离T3比图6A中的距离短。脉冲串具有频率F1。对于脉冲串PT1,占空比DC1可被规定为在脉冲持续时间T1与脉冲距离T2之间的关系,例如,DC1=T1/T2。占空比DC1在图6A上具有的值比图6B上的值低。
如果第一脉冲串PT1的特性为,如图6A和图6B所示的脉冲持续时间不随频率F1变化而改变以及频率F1比1/(2πRC)小得多,则按照方程(1)的关系对于图3的电路可保持成立,常数K将接近于1。
图1的变换装置101可以以不同的方式实现。
图4显示包括基于电容的电荷泵400的变换装置的实施例。基于电容的电荷泵400包括第一二极管401,和第二二极管402,每个二极管具有负极和正极。第一二极管401的正极405被连接到变换装置的第一输入端103,第一二极管401的负极406被连接到第二二极管402的正极407,第二二极管402的负极408被连接到第一电容403的一端,而第一电容403的另一端被连接到地GND。第二电容404被连接在变换装置的第二输入端104与两个二极管401、402的中间点之间。变换装置的输出端105被连接在第二二极管402与第一电容403之间的点上。
当脉冲串PT1中的脉冲到达第二输入端104时,在两个二极管401和402的中间点上的电压从第一电压V1(减去二极管的正向偏压)上升PT1的幅度。如果这个电压(减去二极管的正向偏压)超过在第一电容403上的第二电压,则第一电容403被从第二电容404流到第一电容403的电流充电。
当脉冲的下降边缘到达第二输入端104时,在两个二极管401和402的中间点上的电压将降低。如果电压降低到第一电压V1(减去二极管的正向偏压)以下,则电流将从供应第一电压V1的电源,即图2上的调整装置102流到电容404。
这个过程将对于脉冲串PT1的每个脉冲重复进行,导致在第一电容403上的第二电压V2接近于第一电压V1与脉冲串PT1幅度的总和,这里假定连接到输出端105的负载是可忽略的。通过结合图2描述的反馈装置,第二电压V2在变化的负载上保持为恒定的。
图5显示包括基于线圈的电荷泵500的变换装置的第二实施例。基于线圈的电荷泵500包括电感501,晶体管502,二极管503,和电容504。晶体管具有集电极505,发射极506,和基极507。二极管503具有正极508和负极509。电感501一端被连接到变换装置的第一输入端103,而另一端被连接到晶体管502的集电极506。晶体管502的发射极506被连接到地GND。晶体管502的基极507被连接到变换装置的第二输入端104。二极管503的正极被连接到晶体管502的集电极505,二极管503的负极509被连接到电容504的一极,而电容504的另一极被连接到地GND。变换装置的输出端105被连接在二极管503与电容504之间的点上。
当脉冲串PT1中的正脉冲到达第二输入端104时,晶体管502将打开,提供在电感501与地GND之间的低阻连接。由于电感501的一端被连接到第一输入端103,在其上接收来自源(即,图2上的调整装置102)的第一(正的)电压V1,电流将通过电感501流到地GND。
当脉冲的下降边缘到达第二输入端104时,晶体管502将关闭,截断流过晶体管502的电流。电感501通过在其连接到二极管503的端感应一个正电压而起反作用。如果这个电压超过电容504上的第二电压V2(减去二极管的正向偏压),则电容504将通过来自电感501的电流而被充电。
这个过程将对于脉冲串PT1的每个脉冲重复进行,导致在电容504上的第二电压V2高于第一电压V1。第二电压V2依赖于电感值、脉冲串PT1的频率F1、和脉冲串PT1的占空比DC1,以及被连接到电容504的负载。
在图1的例子中,第一脉冲串PT1由具有用于产生脉冲串的固有支持的微控制器121产生。脉冲持续时间和脉冲距离,例如图6A上的T1,T2,是通过把适当的值写入微控制器121的特定的寄存器而被设定的。
图8A和图8B中的流程描述了按照本发明的、如图1和图2所示的DC到DC变换器100所实行的方法。
图8A显示了在变换装置101中实行的方法步骤。在步骤801中,从微控制器121接收第一脉冲串PT1。在步骤802,从调整装置102接收第一DC电压V1。在步骤803,如前面所描述地产生第二DC电压V2。这些方法步骤801-803在变换装置101中重复地进行。
图8B显示了在调整装置102中实行的方法步骤。在步骤804中,从DC电源107接收电源电压VS。在步骤805,从变换装置101接收第二DC电压V2。在步骤806,从微控制器121接收第二脉冲串,它在本具体实施例中是和第一脉冲串相同的,在步骤807,由频率-电压变换器202产生参考电压VREF,在步骤808,把第二DC电压V2与在步骤807产生的参考电压VREF进行比较,以及在步骤809,这个比较的结果在产生第一DC电压V1时被使用。这些方法步骤804-809在调整装置101中重复地进行。
本发明可以以多种不同的方式变化。
变换装置101可以以不同于图4和图5所揭示的方式的几种方式来实施。在变换装置101的所有的这些不同的实施例中,变换装置101被安排成使得,所产生的第二DC电压V2依赖于第一DC电压V1和第一脉冲串PT1的至少一个特性,以及第二DC电压V2是第一DC电压的单调函数。
图7提供了单调函数MF1的例子,即,当独立变量增加时,函数绝不降低或绝不增加。在本具体的例子中,V2是V1的递增函数。更精确地,V2是V1的具有正的导数的线性函数。
在图4的基于电容的电荷泵400中,所产生的第二DC电压V2依赖于第一脉冲串PT1的频率和幅度。在图5的基于线圈的电荷泵500中,所产生的第二DC电压V2依赖于第一脉冲串PT1的频率和占空比。在这两个电荷泵400、500中,所产生的第二电压V2,当被看作为第一DC电压V1的函数时,随着所接收的第一DC电压V1增加而增加。对于这两个电荷泵400、500,被表示为第一DC电压V1的函数的第二电压V2近似于具有正的导数的线性函数。这样,图7上的函数MF1可用作为对于基于电容的电荷泵400和基于电感的电荷泵500时第二DC电压V2如何依赖于第一DC电压V1的说明。
调整装置102也可以以几种不同方式被实施。对于某些这些实施例,调整装置102的内部结构相应于图2的那种结构,而另外的实施例不一定需要具有相应于图2的那种内部结构。
图2上的差分放大器201可以以不同的方式被实施。差分放大器201必须能够提供足够的功率给变换装置101。如果放大器201以集成电路来实现,则可能必须加上分立的晶体管输出级来应付热耗散。差分放大器201中的功率耗散通过选择差分放大器201的适当的工作点而被保持为最小值。这是通过选择适当的参考电压电平VREF和选择两个电阻203和204以使得达到V2的匹配电压分压,而实现的。
不使用控制由调整装置发送的第一DC电压的差分放大器,而使用比较器用于同样的目的。
图2上的频率-电压变换器202可以用不同于图3所示的其它的方式来实现。不通过频率-电压变换器来产生参考电压,而使用某些其它类型的参考电压发生装置。在参考电压发生装置的所有不同的实施例中,所产生的参考电压依赖于由调整装置接收的第二脉冲串的至少一个特性,例如,频率或占空比。
即使图6A和图6B只公开了方形脉冲,但本发明不限于只使用于具有方形脉冲的脉冲串。然而,具有方形脉冲的脉冲串闪存非常容易产生的,如果变换装置按照图5被实施,则首选的是具有非常陡的脉冲沿,因为这使得起到开关作用的晶体管能够有效地工作。
也不必要求由变换装置接收的第一脉冲串和由调整装置接收的第二脉冲串是相同的。然而,只提供一个脉冲串是更容易的。
Claims (17)
1.DC到DC变换器(100)包括:
变换装置(101),具有第一输入端(103),用于接收第一DC电压(V1)和输出端(105),在其上变换装置发送第二DC电压(V2);
调整装置(102)具有:
第一输入端(106),用于从DC电源(107)接收电源电压(VS),
第二输入端(108),被连接到变换装置(101)的输出端(105),
一个输出端(110),被连接到变转装置(101)的第一输入端(103),
调整装置(102)发送在调整装置(102)中通过比较第二DC电压的一部分(VDIF)与参考电压(VREF)而确定的所述第一DC电压(V1),由此,所述第一DC电压(V1)被产生,以便迫使第二DC电压的一部分(VDIF)趋向于参考电压(VREF)电平,
其特征在于,
变换装置(101)具有第二输入端(104),用于接收第一脉冲串(PT1),变换装置(101)被安排成使得:所产生的第二DC电压(V2)依赖于第一DL电压(VI)和第一脉冲串(PT1)的至少一个特性(F1,DC1),以及第二DC电压(V2)是第一DC电压(V1)的单调函数(MF1);
调整装置(102)具有第三输入端(109),用于接收第二脉冲串(PT1),调整装置(102)包括被安排来产生参考电压(VREF)的参考电压产生装置(202),该参考电压(VREF)依赖于第二脉冲串(PT1)的至少一个特性(F1,DC1)。
2.按照权利要求1的DC到DC变换器(100),
其特征在于,DC到DC变换器(100)被安排成使得所述第二脉冲串基本上与所述第一脉冲串(PT1)相同。
3.按照权利要求1或2的DC到DC变换器(100),
其特征在于,所述变换装置(101)被安排成使得所述所产生的第二DC电压(V2)所依赖的第一脉冲串(PT1)的所述至少一个特性是频率(F1)。
4.按照权利要求1或2的DC到DC变换器(100),
其特征在于,所述变换装置(101)被安排成使得所述所产生的第二DC电压(V2)所依赖的第一脉冲串(PT1)的所述至少一个特性是占空比(DC1)。
5.按照权利要求1-4的任一项的DC到DC变换器(100),
其特征在于,所述参考电压产生装置(202)被安排成使得所述所产生的参考电压(VREF)所依赖的第二脉冲串(PT1)的所述至少一个特性是频率(F1)。
6.按照权利要求1-4的任一项的DC到DC变换器(100),
其特征在于,所述参考电压产生装置(202)被安排成使得所述所产生的参考电压(VREF)所依赖的第二脉冲串(PT1)的所述至少一个特性是占空比(DC1)。
7.按照权利要求1-6的任一项的DC到DC变换器(100),
其特征在于,DC到DC变换器(100)被安排成使得所述第二DC电压(V2)具有大于所述电源电压(VS)的绝对值的绝对值。
8.按照权利要求1-3的任一项的DC到DC变换器(100),
其特征在于,所述变换装置(101)包括基于电容的电荷泵(400)。
9.按照权利要求1-4的任一项的DC到DC变换器(100),
其特征在于,所述变换装置(101)包括基于线圈的电荷泵(500)。
10.按照权利要求1-5的任一项的DC到DC变换器(100),
其特征在于,所述调整装置(102)包括:
差分放大器(201)具有输出端(205),倒相输入端(206)和非倒相输入端(207),差分放大器(201)的输出端(205)被连接到调整装置(102)的输出端(110);
频率-电压变换器(202)作为所述参考电压产生装置,具有输入端(208)和输出端(209),频率-电压变换器(202)的输入端(208)被连接到调整装置(102)的第三输入端(109),频率-电压变换器(202)在其输出端(209),被连接到差分放大器(201)的非倒相输入端(207),发送所述参考电压(VREF)。
被串联的两个电阻(203、204),被连接在调整装置(102)的第二输入端(108)与预定的电位(GND)之间,在两个电阻之间的点被连接到差分放大器(201)的倒相输入端(206),因此,电阻(203,204)确定所述第二DC电压(V2)的所述部分(VDIV)。
11.用于控制由DC到DC变换器(100)发送的第二DC电压(V2)的方法,DC到DC变换器(100)包括变换装置(101)和调整装置(102),所述方法包括以下步骤:
(a)在变换装置(101)中接收(801)第一脉冲串(PT1);
(b)在变换装置(101)中接收(802)第一DC电压(V1);
(c)在变换装置(101)中产生(803)第二DC电压(V2),以使得第二DC电压(V2)依赖于第一DC电压(V1)和第一脉冲串(PT1)的至少一个特性(F1,DC1),以及第二DC电压(V2)是第一DC电压(V1)的单调函数(MF1);
(d)在调整装置(102)中接收(804)来自DC电源(107)的电源电压(VS);
(e)在调整装置(102)中接收(805)来第二DC电压(V2);
(f)在调整装置(102)中接收(806)来第二脉冲串(PT1);
(g)在调整装置(102)中产生(807)参考电压(VREF),以使得参考电压(VREF)依赖于第二脉冲串(PT1)的至少一个特性(F1,DC1);
(h)在调整装置(102)中比较(808)第二DC电压(V2)的一部分(VDIV)与参考电压(VREF);
(i)在调整装置(102)中根据在步骤(h)中的比较产生(809)第一DC电压(V1),以便迫使第二DC电压(V2)的所述部分(VDIV)趋向于参考电压(VREF)电平。
12.按照权利要求11的方法,
其特征在于,所述第二脉冲串(PT1)基本上与所述第一脉冲串(PT1)相同。
13.按照权利要求11或12的方法,
其特征在于,决定所述所产生的第二DC电压(V2)的第一脉冲串(PT1)的所述至少一个特性是频率(F1)。
14.按照权利要求11或12的方法,
其特征在于,决定所述所产生的第二DC电压(V2)的第一脉冲串(PT1)的所述至少一个特性是占空比(DC1)。
15.按照权利要求11-14的任一项的方法,
其特征在于,决定所述所产生的参考电压(VREF)的第二脉冲串(PT1)的所述至少一个特性是频率(F1)。
16.按照权利要求11-14的任一项的方法,
其特征在于,决定所述所产生的参考电压(VREF)的第二脉冲串(PT1)的所述至少一个特性是占空比(DC1)。
17.按照权利要求11-16的任一项的方法,
其特征在于,所述第二DC电压(V2)在步骤(c)中被产生,以使得它具有大于所述电源电压(VS)的绝对值的绝对值。
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