CN1592057A

CN1592057A - 具有负载暂态响应快速反应的直流对直流转换器及其方法

Info

Publication number: CN1592057A
Application number: CN 03156065
Authority: CN
Inventors: 黄南川; 戴良彬; 王弘毅; 黄建荣; 刘国平; 廖于棻
Original assignee: Richtek Technology Corp
Current assignee: Richtek Technology Corp
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: CN100337390C

Abstract

本发明为具有负载暂态响应快速反应的直流对直流转换器及其方法，包括一输出级、一感测电路、一传导放大器、一充放电电路、一驱动器及一暂态响应快速反应电路，该输出级连接于一输入电压及一低压之间，受控切换而调整一工作周期，以产生一输出电压，该感测电路感测该输出电压产生一反馈信号，其与一第一参考电压由该传导放大器比较以产生一第一电流，并应暂态响应产生一第二电流，该第一电流连接该充放电电路产生一充电电压，由该驱动器比较第一及第二参考信号与该充电电压产生一具有该工作周期的驱动信号给该输出级，而该暂态响应快速反应电路比较该第二电流所产生高阻抗电流比较节点与一第二参考电压，产生旁通信号以驱动该输出级。

Description

具有负载暂态响应快速反应的直流对直流转换器及其方法

技术领域

本发明是有关一种直流对直流转换器及其方法，特别是关于一种具有负载暂态响应快速反应的直流对直流转换器及其方法。

背景技术

直流对直流转换器已经广泛地应用于各种电子产品，其作用在于将输入的直流电压做电压准位的调节，例如升压或降压，并使之稳定在所设定的电压数值之间。在计算机***中，由于CPU、内存及硬盘所使用的电源不相同，因此需要直流对直流转换器调节不同电压，以提供计算机***中的各操作单元使用。

传统的直流对直流转换器是以一驱动信号调整一输出级的工作周期，使输出电压维持在一定范围内。传统的直流对直流转换器藉侦测输出电压以产生一反馈信号，并由一误差放大器比较该反馈信号及一参考信号以产生一误差信号，再由一脉宽调变(PWM)比较器比较该误差信号及一锯齿波信号以产生一PWM信号，藉由一驱动器驱动输出级。在此类转换器中，使用一锯齿波振荡器以产生一锯齿波信号做为一脉宽调变(PWM)比较器的准位，调整该输出级的工作周期。在负载电流瞬间变化时，例如负载电流瞬间上升，导致输出电压骤降，由于以锯齿波信号作为调整该工作周期的依据，因此，在负载的暂态响应下，传统的直流对直流转换器调整该工作周期的反应时间缓慢，使得该输出电压无法快速提升至应有的准位。因此，一种快速暂态响应的直流对直流转换器及其方法，乃为所冀。

发明内容

本发明的目的之一，在于提出一种直流对直流转换器，以达到快速的暂态响应的目的。

根据本发明的一个实施例，一种具有负载暂态响应快速反应的直流对直流转换器包括一输出级连接在一输入电压与一低压之间，受控切换而调整一工作周期，以产生一输出电压；一感测电路感测该输出电压产生一反馈信号；一传导放大器比较一第一参考电压及该反馈信号产生一第一电流，并因应一负载响应导出一第二电流；一充放电电路连接该第一电流并产生一充电电压；一驱动器比较该充电电压与一第一及第二参考信号产生一具有该工作周期之驱动信号给该输出级；以及一暂态响应快速反应电路比较该第二电流所产生高阻抗电流比较节点及一第二参考电压，产生旁通信号以驱动该输出级。

本发明所采用的方法包含以下步骤：切换一连接在一输入电压及低压之间的输出级，以产生一输出电压；

感测该输出电压以产生一反馈信号；

比较该反馈信号及一第一参考电压以产生一第一电流并因应一暂态响应产生一第二电流；

连接该第一电流至一充电电路，以产生一充电电压；

比较该充电电压与一第一及第二参考信号以产生一具有一工作周期的驱动信号给该输出级；

以及比较该第二电流所产生之高阻抗电流比较节点及一第二参考电压以产生一旁通信号驱动该输出级。

附图说明

图1是本发明的直流对直流转换器的电路图；

图2所示为图1中传导放大器的电路图；

图3是本发明与传统直流对直流转换器于暂态响应下的输出电压波形图。

图号说明

100直流对直流转换器 102低压侧NMOS晶体管

104高压侧NMOS晶体管 106电感

108转换器输出端 110SR正反器

112反相器 114电阻

116电阻 118传导放大器

118a反相输入 118b非反相输入

118c输出 118d输出

120电流源 122电流源

124电容 126比较器

126a反相输入 126b非反相输入

126c输出 128比较器

128a反相输入 128b非反相输入

128c输出 130或非门

130a第一输 130b第二输入

130c输出 132开关

134开关 136电流源

138比较器 138a反相输入

138b非反相输 138c输出

200PMOS晶体管 204PMOS晶体管

206PMOS晶体管 208PMOS晶体管

210NMOS晶体管 212NMOS晶体管

214NMOS晶体管 216NMOS晶体管

218NMOS晶体管 220电流源

300本发明于暂态响应下的输出电压波形

302传统直流对直流转换器于暂态响应下的输出电压波形

具体实施方式

图1是本发明的直流对直流转换器100的电路图，其包含一低压侧NMOS晶体管102和一高压侧NMOS晶体管104所组成的输出级，低压侧NMOS晶体管102的源极连接到一接地端GND，汲极经由电感106连接到转换器输出端108，高压侧NMOS晶体管104的源极经由电感106连接到输出端108，汲极连接到一输入电源电压V_IN低压侧NMOS晶体管102和高压侧NMOS晶体管104的闸极分别连接到一SR正反器110的反相输出 Q和反相器112的输出，以受控于驱动信号LG和HG而切换，产生输出电流I_OUT流经电感106，并在转换器输出端108产生输出电压V_OUT。一电阻114及116组成的分压器感测输出电压V_OUT，以产生反馈信号VFB。一传导放大器118具有一反相输入118a连接反馈信号VFB和一非反相输入118连接一参考电压V_REF，传导放大器118比较反馈信号VFB及参考电压V_REF而在输出118c产生一电流I_GM1及在输出118d产生一电流I_GM2。电流源120、122及一电容124组成的充放电电路，由电流I_GM1与电流源120及122提供一充电电流I_C，以产生一充电电压V_C，电流源120具有一电流I₁，电流源122具有一电流I₂，因此，充电电流I_C及电流I_GM1的和等于电流I₁及I₂的和，即

I_C+I_GM1＝I₁+I₂ (EQ-1)根据数学式EQ-1，可以藉由控制电流I₁、I₂及电流I_GM1改变充电电流I_C大小，使充电电压V_C的变化率随充电电流I_C改变。比较器126、128及SR正反器110组成的驱动器控制高、低压侧NMOS晶体管104、102的工作周期，比较器126具有一反相输入126a连接一参考电压V_REF1，一非反相输入126b连接充电电压V_C，比较器126比较参考电压V_REF1及充电电压V_C，于输出126c产生一第一比较信号，其是高或低准位电压。比较器128具有一反相输入128a连接充电电压V_C，一非反相输入128b连接参考电压V_REF2，比较器128比较参考电压V_REF2及充电电压V_C，于输出128c产生一第二比较信号，其是高或低准位电压。SR正反器110具有二输入端S、R及互补输出端Q及 Q，输入端S及R分别连接第一及第二比较信号，于第一或第二比较信号为高准位时，输出Q产生高准位电压及输出 Q产生低准位电压，经由或非门130及反相器112输出，以开启高压侧NMOS晶体管104；于第一或第二比较信号低准位时，输出Q产生低准位电压及输出 Q产生高准位电压，以开启低压侧NMOS晶体管102。输出 Q所产生的高低压准位可控制开关132及134的开启或关闭，使电流I₁或I₂与传导放大器118所产生的电流I_GM提供充电电流I_C流进或流出电容122以改变充电电压V_C的变化率。一电流源136、一比较器138、或非门130及反相器112组成的暂态响应快速反应电路，因应负载暂态响应或参考电压V_REF远大于反馈信号VFB时，传导放大器118产生电流I_GM2，电流源136连接输出端118d，并产生一定电流I₃，比较器138具有一反相输入138a及一非反相输入138b，反相输入138a连接一参考电压V_REF3，非反相输入138b连接输出118d，由电流I_GM2及定电流I₃连接具有高阻抗电流比较节点138a，经比较器138与参考电压V_REF3比较，而在比较器138的输出138c产生一旁通信号，或非门130具有一输入130a及130b分别连接输出Q及输出138c，或非门130的输出130c连接反相器112的输入，在暂态响应时，比较器138比较参考电压V_REF3与高阻抗电流比较节点138a产生旁通信号，以供直接作为驱动信号HG控制高压侧NMOS晶体管104。

直流对直流转换器100具有三种操作模式，其是由传导放大器118设定。在Delta-sigma模式下，电流I_GM1是流入放大器118，即具有吸入电流(sinking)能力，于负载电流瞬间变化时，藉由反馈信号VFB与参考电压V_REF之差值调整高、低压侧NMOS晶体管104及102之工作周期。在磁滞模式下，电流I_GM1可流入放大器118或从放大器118流出，即同时具有吸入电流及输出电流(sourcing)能力，使输出电压V_OUT调整在一范围内。在峰谷模式下，电流I_GM1是从放大器118流出，即具有输出电流能力，使输出电压V_OUT维持在一低压准位之上。

根据数学式EQ-1，在三种操作模式下，电流I_GM1的大小，影响充电电流I_C的大小。在Delta-sigma模式下，放大器118具有吸入电流能力，电流I_GM1流进放大器118，使得电流I₁需提供充电电流I_C、电流I₂及电流I_GM1，因此，数学式EQ-1在Delta-sigma模式下修改为

I_C+I₂+I_GM1＝I₁ (EQ-2)在磁滞模式下，放大器118同时具有吸入电流及输出电流能力，因此数学式EQ-1中电流I_GM1依照吸入电流或输出电流来改变充电电流I_C。而在峰谷模式下，放大器118具有输出电流能力，电流I_GM1从放大器118流出，电流I_GM1及电流I₁提供充电电流I_C及电流I₂，因此，根据数学式EQ-1控制充电电流I_C。

直流对直流转换器100的电流源120及122所提供之电流I₁及I₂与输入及输出电压V_1N及V_OUT成一定比例关系。

在任何情形下，传导放大器118调整电流I_GM1使电容124的充电电压V_C随着电流I_GM1改变，以控制高、低压侧NMOS晶体管104、102的工作周期，而当暂态响应发生时，传导放大器118因应暂态响应产生电流I_GM2，并透过比较器138快速产生旁通信号，以控制高压侧NMOS晶体管104的工作周期，使在负载暂态响应时，直流对直流转换器100可快速反应。

图2所示为图1中传导放大器118的电路图，其包含PMOS晶体管200、202、204、206、208和NMOS晶体管210、212、214、216、218及电流源220，PMOS晶体管200的源极连接PMOS晶体管208的源极，PMOS晶体管200的汲极连接NMOS晶体管216的汲极与闸极，PMOS晶体管208的汲极连接NMOS晶体管218的汲极与闸极，PMOS晶体管202的源极连接PMOS晶体管204及206的源极，PMOS晶体管202的闸极与汲极连接PMOS晶体管204及206的闸极，PMOS晶体管202的汲极连接NMOS晶体管210的汲极，PMOS晶体管204的汲极连接NMOS晶体管212的汲极，PMOS晶体管206的汲极连接NMOS晶体管214的汲极，NMOS晶体管210的闸极连接NMOS晶体管216的闸极，NMOS晶体管214的闸极连接NMOS晶体管212及218的闸极，NMOS晶体管210、212、214、216及218的源极连接接地端，电流源220在PMOS晶体管202的源极与PMOS晶体管200的源极之间，PMOS晶体管200的闸极连接反馈信号VFB，PMOS晶体管208的闸极连接参考电压V_REF，PMOS晶体管206及NMOS晶体管214的汲极连接电容124，PMOS晶体管204及NMOS晶体管212的汲极连接比较器138的反相输入138a。直流对直流转换器100具有三种操作模式，其是Delta-sigma模式、磁滞模式及峰谷模式，此三种操作模式是设计传导放大器118决定。图2所示是直流对直流转换器100于磁滞模式使用的传导放大器118，当参考电压V_REF大于反馈信号VFB，PMOS晶体管206导通并产生电流I_GM1流向电容124，反之，当参考电压V_REF小于反馈信号VFB，NMOS晶体管214导通并产生电流I_GM1流向传导放大器118。因此，本发明于磁滞模式下，传导放大器118具有输出电流及吸入电流的能力。在Delta-sigma模式下，传导放大器118没有PMOS晶体管206，因此传导放大器118只具有吸入电流的能力。在峰谷模式下，传导放大器118没有NMOS晶体管214，因此传导放大器118只具有输出电流的能力。

随着参考电压V_REF与反馈信号VFB的差值愈大，使得高压侧NMOS晶体管14的工作周期愈大，反之，参考电压V_REF与反馈信号VFB的差值愈小，则高压侧NMOS晶体管14的工作周期愈小，因此，在Delta-sigma模式下，高、低压侧NMOS晶体管14、12的工作周期是因应参考电压V_REF与反馈信号VFB的差值而作调整，俾使输出电压维持在一范围内。

如图2所示，当参考电压V_REF大于反馈信号VFB，即暂态响应发生时，PMOS晶体管204及NMOS晶体管212的汲极输出电流I_GM2，使得比较器138产生旁通信号直接驱动高压侧NMOS晶体管104，达到直流对直流转换器100负载暂态响应快速反应的目的。

图3是本发明与传统直流对直流转换器于暂态响应下的输出电压V_OUT波形图，本发明于暂态响应下的输出电压波形300及传统直流对直流转换器于暂态响应下的输出电压波形302，在输出电流I_OUT瞬间上升时，由于本发明暂态响应快速反应电路快速反应，使比较器138产生高准位输出，因而直接调整高压侧NMOS晶体管104的工作周期，因此，由本发明于暂态响应下的输出电压波形300及传统直流对直流转换器于暂态响应下的输出电压波形302的对照，在时间T1时，本发明的输出电压V_OUT已由暂态响应快速反应电路控制高压侧NMOS晶体管104的工作周期，使输出电压V_OUT上升，而传统的输出电压V_OUT’必须下降至最低电压V_MIN后才反应使输出电压V_OUT’上升，在时间T2时，本发明的输出电压V_OUT已经达到设定值，而传统的输出电压V_OUT’仍然需要一段反应时间，换言之，本发明较传统的直流对直流转换器具有负载暂态响应快速反应之能力。

以上对于本发明之较佳实施例所作的叙述是为阐明之目的，而无意限定本发明精确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例是为解说本发明的原理以及让熟习该项技术者以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述，本发明的技术思想企图由以下的申请专利范围及其均等来决定。

Claims

1.一种具有负载暂态响应快速反应的直流对直流转换器，其特征在于，包括：

一输出级，连接在一输入电压与一低压之间，受控切换而调整一工作周期，以产生一输出电压；

一感测电路，以感测该输出电压产生一反馈信号；

一传导放大器，以比较一第一参考电压及该反馈信号产生一第一电流，并应一负载响应导出一第二电流；

一充放电电路，连接该第一电流并产生一充电电压；

一驱动器，以比较该充电电压与一第一及第二参考信号产生一具有该工作周期的驱动信号给该输出级；

以及一暂态响应快速反应电路，以比较该第二电流所产生高阻抗电流比较节点及一第二参考电压，产生旁通信号以驱动该输出级。

2.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，该充放电电路包括：

一在一高压及一节点之间的第一电流源，受控于该驱动信号；

一在该节点及一低压之间的第二电流源，受控于该驱动信号；

一电容，连接该节点，以产生该充电电压。

3.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，该驱动器包括：

一第一比较器，以比较该第一参考信号及该充电电压产生一第一比较信号；

一第二比较器，以比较该第二参考信号及该充电电压产生一第二比较信号；

以及一正反器，以应该第一及第二比较信号产生该驱动信号。

4.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，该暂态响应快速反应电路包括：

一比较器，具有一第一及第二输入端，该第一输入端连接一偏压电流及该传导放大器以引入该产生高阻抗电流比较节点，该第二输入端连接该第二参考电压，据以产生一暂态响应反应信号；

一或非门，连接该驱动器及暂态响应反应信号，在该暂态响应时产生一输出；

以及一反相器，连接该或非门之输出以产生该旁通信号。

5.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，该第一电流在Delta-sigma模式下可流进该传导放大器。

6.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，该电流差量在磁滞模式下流进该传导放大器或从该传导放大器流出。

7.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，该第一电流在0模式下从该传导放大器流出。

8.如权利要求2所述的转换器，其特征在于，该第一及第二电流源的比值正比于该输入及输出电压的比值。

9.如权利要求3所述的转换器，其特征在于，该正反器包括一SR正反器。

10.一种具有负载暂态响应快速反应的直流对直流电压转换方法，其特征在于，包括下列步骤：

切换一连接在一输入电压及低压之间的输出级，以产生一输出电压；

感测该输出电压以产生一反馈信号；

连接该第一电流至一充电电路，以产生一充电电压；

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，产生该充电电压的步骤包括下列步骤：

该第一电流对一电容充电；

该驱动信号切换一第三电流连接至该电容；

该驱动信号切换而从该电容汲取一第四电流。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，比较该充电电压与该第一及第二参考信号的步骤包括下列步骤：

比较该第一参考信号及该充电电压以产生一第一比较信号；

比较该第二参考信号及该充电电压以产生一第二比较信号；

因应该第一及第二比较信号产生该驱动信号。

13.一种改善直流对直流转换器的负载暂态响应反应的方法，其特征在于，包括下列步骤：

因应该转换器的输出电压的暂态响应产生一旁通信号；

由该旁通信号驱动该转换器的输出级。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，产生该旁通信号的步骤包括下列步骤：

感测该转换器的输出电压以产生一反馈信号；

比较该反馈信号及一第一参考电压以产生一电流；

以及比较该电流所产生高阻抗电流比较节点及一第二参考电压以产生该旁通信号。