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CN101404448A - 直流-直流转换器 - Google Patents

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CN101404448A CNA2008101472767A CN200810147276A CN101404448A CN 101404448 A CN101404448 A CN 101404448A CN A2008101472767 A CNA2008101472767 A CN A2008101472767A CN 200810147276 A CN200810147276 A CN 200810147276A CN 101404448 A CN101404448 A CN 101404448A
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Abstract

本发明涉及一种直流－直流转换器，在输出节点提供输出电压。直流－直流转换器包括输出级、数字控制器以及控制单元。输出级包括上拉电路、下拉电路以及低通滤波器。上拉电路包括控制端且耦接在第一固定电压与内部节点之间，下拉电路耦接在内部节点与第二固定电压之间，低通滤波器耦接在内部节点与输出节点之间。数字控制器通过输出电压提供电源，且数字控制器通过控制输出级来调整输出电压。控制单元依据输出电压控制反馈路径的连结。上述直流－直流转换器可以对数字和模拟电路提供共同的电源，并且不会影响转换效率且不会增加芯片面积。

Description

直流-直流转换器
技术领域
本发明是有关于直流-直流转换器，且特别是关于降压转换器(Buckconverter)。
背景技术
电子装置中的空间限制经常无法允许使用多个电池来对装置内的不同组件提供电能，于是直流-直流转换器对于从电池接收电能的移动装置(如：移动电话与膝上型电脑)是很重要的。
在直流-直流转换器设计中，转换效率通常是主要的考虑之一。具有数字控制回路的直流-直流转换器因其弹性而渐受欢迎。因为可编程的增益与回路频宽(loop bandwidth)，使得其可轻易地根据不同的电感-电容滤波器或切换频率等对直流-直流转换器进行编程。
图1为具有数字控制回路的现有技术直流-直流转换器的示意图。直流-直流转换器包括输出级以及数字控制器。输出级包括P型金属氧化物半导体晶体管、N型金属氧化物半导体晶体管以及电感-电容滤波器。P型金属氧化物半导体晶体管与N型金属氧化物半导体晶体管串联在电源供应电压PVDD与接地PGND之间。电感-电容滤波器包括电感与电容。电感耦接在P型金属氧化物半导体晶体管与N型金属氧化物半导体晶体管的共漏极与直流-直流转换器的输出节点之间。电容耦接在输出节点与接地PGND之间。输出节点的输出电压由分压器(如图1中的电阻)所采样。数字控制器包括模数转换器以及数字控制电路，并由数字电源供应电压DVDD对数字控制电路供应电能。模数转换器耦接至分压器并接收采样的输出电压。采样的输出电压被转换成数字控制码并被传送至数字控制电路。数字控制电路依据数字控制码而控制P型金属氧化物半导体晶体管与N型金属氧化物半导体晶体管的切换。图1更显示了与电阻并联的负载。
直流-直流转换器的问题之一在于，集成电路中的数字与模拟电路所需的电能通常由不同的电源所提供。举例而言，在锂电池供电的装置中，通常需由3V电压降转至1.8V的电压，作为系统数字电源。3V电压对直流转换器的模拟电路提供电能，而数字控制器需要1.8V的电压，并且不能直接连接到电池上。图2为对图1中的直流-直流转换器修正所得现有技术直流-直流转换器的示意图。如图2所示，使用额外的低压降稳压器(low dropout regulator，LDO)来提供数字电源便可解决此问题。然而，低压降稳压器的转换效率取决于输出电压对电池电压的比值，因而产生转换效率的损耗，并增加芯片面积。
发明内容
为解决上述提供给数字和模拟电路共同电源时，使用额外低压降稳压器使得转换效率低且增加芯片面积的问题，本发明提出多种直流-直流转换器，不需要额外的低压降稳压器与电源。
依据本发明的一实施方式的一种直流-直流转换器，在输出节点提供输出电压。直流-直流转换器包括输出级、数字控制器和控制单元。输出级包括上拉电路、下拉电路以及低通滤波器。上拉电路包括控制端且上拉电路耦接在第一固定电压与内部节点之间，下拉电路耦接在内部节点与第二固定电压之间，低通滤波器耦接在内部节点与输出节点之间。数字控制器通过输出电压提供电源，且数字控制器通过控制输出级来调整输出电压。控制单元依据输出电压控制反馈路径的连结。
依据本发明的一实施方式的一种直流-直流转换器，在输出节点提供输出电压。直流-直流转换器包括输出级、电流控制电路和控制单元。输出级包括上拉电路、下拉电路以及低通滤波器。上拉电路包括控制端且上拉电路耦接在第一固定电压与内部节点之间，下拉电路耦接在内部节点与第二固定电压之间，低通滤波器耦接在内部节点与输出节点之间。电流控制电路选择性地耦接至上拉电路并控制流经上拉电路的电流。控制单元依据输出电压选择性地将电流控制电路耦接至上拉电路。
依据本发明的一实施方式的一种直流-直流转换器，将输入电压转换为输出电压。直流-直流转换器包括上拉电路、下拉电路、低通滤波器以及数字电路。低通滤波器耦接至上拉电路与下拉电路。数字电路耦接在低通滤波器的输出以及上拉电路与下拉电路的控制端之间，且数字电路为直流-直流转换器的反馈路径。其中输出电压作为数字电路的电源。
依据本发明的一实施方式的一种直流-直流转换器，将输入电压转换为输出电压。直流-直流转换器包括上拉电路、下拉电路、低通滤波器、数字电路以及控制单元。低通滤波器耦接至上拉电路与下拉电路。数字电路耦接在低通滤波器的输出以及上拉电路与下拉电路的控制端之间，且数字电路为直流-直流转换器的反馈路径。控制单元因应于输出电压选择性地连接或断开反馈路径。
依据本发明的一实施方式的一种直流-直流转换器，将输入电压转换为输出电压。直流-直流转换器包括上拉电路、下拉电路、低通滤波器、数字电路以及电流控制电路。低通滤波器耦接至上拉电路与下拉电路。数字电路耦接在低通滤波器的输出以及上拉电路与下拉电路的控制端之间，且数字电路为直流-直流转换器的反馈路径。电流控制电路在直流-直流转换器通电的初始期中，控制流经上拉电路与下拉电路的电流。
上述多种直流-直流转换器通过控制流经上拉电路与下拉电路的电流或通过控制包含上拉电路与下拉电路的输出级来调整输出电压，可以对数字和模拟电路提供共同的电源，并且不会影响转换效率且不会增加芯片面积。
附图说明
图1为具有数字控制回路的现有技术直流-直流转换器的示意图。
图2为对图1中的直流-直流转换器修正所得现有技术直流-直流转换器的示意图。
图3A所示为依据本发明一实施方式的直流-直流转换器的示意图。
图3B所示为图3A所示的下拉电路的另一实施方式的示意图。
图4A所示为依据本发明另一实施方式的直流-直流转换器的示意图。
图4B所示为图4A所示的下拉电路的另一实施方式的示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施方式，并配合所附图式，作详细说明如下：
图3A所示为依据本发明一实施方式的直流-直流转换器的示意图。图3A与图4A中，L表示低电位，H表示高电位。直流-直流转换器300包括输出级310、数字控制器330以及控制单元350。输出级310包括上拉电路320、下拉电路340以及低通滤波器325。上拉电路320包括控制端311且耦接在第一固定电压PVDD(例如电源供应电压)与内部节点315之间。下拉电路340耦接在内部节点315与第二固定电压PGND(例如接地)之间。低通滤波器325耦接在内部节点315与输出节点319之间。输出节点319的输出电压(例如直流输出电压Vo)被分压器(如图3所示的电阻399)所采样。直流输出电压Vo对数字控制器330提供电源。数字控制器330透过分压器耦接至输出节点319，且数字控制器330通过控制输出级310来调整直流输出电压Vo。控制单元350依据直流输出电压Vo控制输出节点319与控制端311之间的反馈路径的连结。反馈路径包括数字控制器330。较佳而言，上拉电路320为P型金属氧化物半导体晶体管370。P型金属氧化物半导体晶体管370包括耦接至第一固定电压PVDD的源极371、耦接至控制端311的栅极373以及耦接至内部节点315的漏极375。此外，下拉电路340可以是N型金属氧化物半导体晶体管380，N型金属氧化物半导体晶体管380包括耦接至第二固定电压PGND的源极381、被控制单元350所控制的栅极383以及耦接至内部节点315的漏极385。更明确地说，第一固定电压与第二固定电压分别为电源供应电压PVDD与接地PGND。
图3B所示为图3A所示的下拉电路340的另一实施方式的示意图。或者如图3B所示，下拉电路340可以是二极管390，二极管390包括耦接至第二固定电压PGND的阳极391以及耦接至内部节点315的阴极395。
在图3A中，控制单元350为比较器355。比较器355包括正相输入端351与反相输入端353。正相输入端351接收直流输出电压Vo，而反相输入端353接收参考电压VREF。比较器355产生控制信号RSTB以选择性地将控制端311连接至数字控制器330。更进一步的说，控制信号RSTB可被传送至数字控制电路337以控制其运作。较佳而言，比较器355为施密特触发器(Schmitt trigger)。
在本实施方式中，数字控制器330包括数字控制电路337以及模数转换器333。数字控制电路337选择性地耦接至上拉电路320的控制端311，以及模数转换器333耦接在输出节点319与数字控制电路337之间。低通滤波器325包括耦接在内部节点315与输出节点319之间的电感L以及耦接在输出节点319与第二固定电压PGND之间的电容C。
此外，直流-直流转换器300可更包括电流控制电路360。电流控制电路360选择性地被耦接至上拉电路320的控制端311，并控制流经上拉电路320的电流。较佳而言，电流控制电路360包括P型金属氧化物半导体晶体管362以及电流源367。P型金属氧化物半导体晶体管362包括耦接至第一固定电压PVDD的源极361、选择性耦接至P型金属氧化物半导体晶体管370的栅极373的栅极363以及耦接至P型金属氧化物半导体晶体管362的栅极363的漏极365。电流源367耦接在P型金属氧化物半导体晶体管362的漏极365与第二固定电压PGND。更明确地说，第一固定电压与第二固定电压分别为电源供应电压PVDD以及接地PGND。
在此实施方式中，上拉电路与下拉电路的交互切换在内部节点315产生脉冲宽度调变信号(pulse width modulation，PWM)。脉冲宽度调变信号被低通滤波器325接收并平缓化。脉冲宽度调变信号的电压浮动可被低通滤波器325显著地抑制，且在输出节点319的平缓化脉冲宽度调变信号已近似于直流输出电压。直流输出电压Vo的电压等级决定于脉冲宽度调变信号的占空比(duty ratio)。输出节点319的直流输出电压Vo可被电阻399所采样。模数转换器333接收采样的输出电压并将其转换成数字控制码。数字控制电路337接收数字控制码并依据采样的输出电压控制上拉电路与下拉电路的切换。于是，可调整脉冲宽度调变信号的的占空比以将直流输出电压Vo调整至所需电压等级。直流输出电压Vo对数字控制器330提供电能，并不需要额外的电源或者低压降稳压器。
此外，直流-直流转换器300的软启动(soft start)是由电流控制电路360达成。在直流-直流转换器300启动期间，因为直流输出电压Vo低于参考电压VREF(比方说1.6V)，所以控制信号RSTB为低电位。初始时，数字控制电路337被控制信号RSTB维持在重置(reset)状态，且回路为断路状态。上拉电路320与电流控制电路360被组态化(configured)成电流镜，且当控制信号RSTB为低电位时，下拉电路340为断路。由于流经上拉电路320的电流被电流镜所控制，直流输出电压不会突然地上升。直流输出电压Vo缓慢地攀升(软启动)直到其电位超过参考电压VREF。当直流输出电压Vo高于参考电压VREF时，控制信号RSTB改变至高电位状态。控制信号RSTB的高电位状态将上拉电路与下拉电路连接至数字控制电路337。于是，数字控制电路337的重置状态被控制信号RSTB的高电位状态所释放，且数字控制电路337开始闭路(closed loop)操作。
当直流-直流转换器300在初始时被启动(powered on)时，反馈路径(从输出节点319透过数字控制器330至控制端311与栅极383的连结)并未建立。控制端311连接至电流控制电路360。P型金属氧化物半导体晶体管370与362在此实施方式中形成电流镜，且流经P型金属氧化物半导体晶体管370的电流受到此电流镜控制。流经P型金属氧化物半导体晶体管370的电流对直流输出电压Vo进行充电，并使其稳定地上升至足以对数字控制器330提供电能的电位。这便是防止直流输出电压Vo产生过冲(overshooting)的软启动(soft start)过程。
一旦直流输出电压Vo够高(在此实施方式中，高于参考电压VREF)时，比较器355的输出从低电位状态改变为高电位状态，并将控制端311至电流控制电路360的连结断开，并通过将控制端311连接至数字控制电路337以建立一个反馈路径。相同地，N型金属氧化物半导体晶体管380的栅极383至接地PGND的连结会被断开且栅极383被切换至与数字控制电路337连接。通过将栅极373与栅极383连接至数字控制电路337，便可建立反馈路径，且可通过使用脉冲宽度调变将整个回路当成正常的直流-直流转换器操作。
图4A所示为依据本发明另一实施方式的直流-直流转换器的示意图。直流-直流转换器400包括输出级410、电流控制电路460以及控制单元450。输出级410包括上拉电路420、下拉电路440以及低通滤波器425。上拉电路420包括控制端411且上拉电路420耦接在第一固定电压PVDD与内部节点415之间。下拉电路440耦接在内部节点415与第二固定电压PGND之间。低通滤波器425耦接在内部节点415与输出节点419之间。较佳而言，低通滤波器425包括耦接在内部节点415与输出节点419之间的电感L以及耦接在输出节点419与第二固定电压PGND之间的电容C。电流控制电路460选择性地耦接至上拉电路420并控制流经上拉电路420的电流。控制单元450依据直流输出电压Vo选择性地将电流控制电路460耦接至上拉电路420。较佳而言，第一固定电压与第二固定电压分别为电源供应电压PVDD与接地PGND。
在图4A中，控制单元450为比较器455。比较器455包括正相输入端451与反相输入端453，正相输入端451接收直流输出电压Vo，反相输入端453接收参考电压VREF。比较器455产生控制信号RSTB以选择性地将上拉电路420连接至电流控制电路460。较佳而言，比较器455为施密特触发器。
在本实施方式中，上拉电路420为第一P型金属氧化物半导体晶体管470，第一P型金属氧化物半导体晶体管470包括耦接至第一固定电压PVDD的源极471、耦接至控制端411的栅极473以及耦接至内部节点415的漏极475。电流控制电路460包括第二P型金属氧化物半导体晶体管462与电流源467。第二P型金属氧化物半导体晶体管462包括耦接至第一固定电压PVDD的源极461、选择性地耦接至第一P型金属氧化物半导体晶体管470的栅极473的栅极463以及耦接至第二P型金属氧化物半导体晶体管462的栅极463的漏极465。电流源467耦接在第二P型金属氧化物半导体晶体管462的漏极465与第二固定电压PGND之间。
此外，下拉电路440可以是N型金属氧化物半导体晶体管480。N型金属氧化物半导体晶体管480包括耦接至第二固定电压PGND的源极481、受到控制单元450控制的栅极483以及耦接至内部节点415的漏极485。图4B所示为图4A所示的下拉电路440的另一实施方式的示意图。或者如图4B所示，下拉电路440可为二极管490。二极管490包括耦接至第二固定电压PGND的阳极491与耦接至内部节点415的阴极495。
当直流-直流转换器400在初始时被启动时，直流输出电压Vo低于反相输入端453的参考电压VREF。控制信号RSTB为低电位状态，且将控制端411连接至栅极463。第二P型金属氧化物半导体晶体管462与第一P型金属氧化物半导体晶体管470形成电流镜，且流经第一P型金属氧化物半导体晶体管470的电流受到此电流镜控制。流经第一P型金属氧化物半导体晶体管470的电流对直流输出电压Vo进行充电，并使其稳定地上升至所需电压。这也是防止直流输出电压Vo产生过冲的软启动过程。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (22)

1.一种直流-直流转换器，在输出节点提供输出电压，包括输出级、数字控制器和控制单元，
该输出级，包括：
上拉电路，包括控制端，且该上拉电路耦接在第一固定电压与内部节点之间；
下拉电路，耦接在该内部节点与第二固定电压之间；以及
低通滤波器，耦接在该内部节点与该输出节点之间；
该数字控制器，通过该输出电压提供电源，且该数字控制器通过控制该输出级来调整该输出电压；以及
该控制单元，依据该输出电压控制反馈路径的连结。
2.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，该控制单元为比较器，该比较器接收参考电压与该输出电压，并产生控制信号以选择性地将该上拉电路的控制端连接至该数字控制器。
3.如权利要求2所述的直流-直流转换器，其特征在于，该比较器为施密特触发器。
4.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，该数字控制器包括数字控制电路以及耦接在该输出节点与该数字控制电路之间的模数转换器。
5.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，该上拉电路为P型金属氧化物半导体晶体管，该P型金属氧化物半导体晶体管包括耦接至该第一固定电压的源极、耦接至该控制端的栅极以及耦接至该内部节点的漏极。
6.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，该下拉电路为N型金属氧化物半导体晶体管，该N型金属氧化物半导体晶体管包括耦接至该第二固定电压的源极、受该控制单元控制的栅极以及耦接至该内部节点的漏极。
7.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，该下拉电路为二极管，该二极管包括耦接至该第二固定电压的阳极以及耦接至该内部节点的阴极。
8.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，该低通滤波器包括耦接在该内部节点与该输出节点之间的电感以及耦接在该输出节点与该第二固定电压之间的电容。
9.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，该第一固定电压与该第二固定电压分别为电源供应电压与接地。
10.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，该直流-直流转换器更包括电流控制电路，选择性地耦接至该上拉电路的该控制端，并控制流经该上拉电路的电流。
11.如权利要求10所述的直流-直流转换器，其特征在于，该上拉电路为第一P型金属氧化物半导体晶体管，该第一P型金属氧化物半导体晶体管包括耦接至该第一固定电压的源极、耦接至该控制端的栅极以及耦接至该内部节点的漏极，且该电流控制电路包括第二P型金属氧化物半导体晶体管与电流源，该第二P型金属氧化物半导体晶体管包括耦接至该第一固定电压的源极、选择性地耦接至该第一P型金属氧化物半导体晶体管的栅极的栅极与耦接至该第二P型金属氧化物半导体晶体管的栅极的漏极，以及该电流源耦接在该第二P型金属氧化物半导体晶体管的漏极与该第二固定电压之间。
12.一种直流-直流转换器，在输出节点提供输出电压，该直流-直流转换器包括输出级、电流控制电路和控制单元：
该输出级，包括
上拉电路，包括控制端且该上拉电路耦接在第一固定电压与内部节点之间；
下拉电路，耦接在该内部节点与第二固定电压之间；以及
低通滤波器，耦接在该内部节点与该输出节点之间；
该电流控制电路，选择性地耦接至该上拉电路并控制流经该上拉电路的电流；以及
该控制单元，依据该输出电压选择性地将该电流控制电路耦接至该上拉电路。
13.如权利要求12所述的直流-直流转换器，其特征在于，该上拉电路为第一P型金属氧化物半导体晶体管，该第一P型金属氧化物半导体晶体管包括有耦接至该第一固定电压的源极、耦接至该控制端的栅极以及耦接至该内部节点的漏极，且该电流控制电路包括第二P型金属氧化物半导体晶体管与电流源，该第二P型金属氧化物半导体晶体管包括耦接至该第一固定电压的源极、选择性地耦接至该第一P型金属氧化物半导体晶体管的栅极的栅极以及耦接至该第二P型金属氧化物半导体晶体管的栅极的漏极，且该电流源耦接在该第二P型金属氧化物半导体晶体管的漏极与该第二固定电压之间。
14.如权利要求12所述的直流-直流转换器，其特征在于，该下拉电路为N型金属氧化物半导体晶体管，该N型金属氧化物半导体晶体管包括耦接至该第二固定电压的源极、受该控制单元控制的栅极以及耦接至该内部节点的漏极。
15.如权利要求12所述的直流-直流转换器，其特征在于，该下拉电路为二极管，该二极管包括耦接至该第二固定电压的阳极以及耦接至该内部节点的阴极。
16.如权利要求12所述的直流-直流转换器，其特征在于，该低通滤波器包括耦接在该内部节点与该输出节点之间的电感以及耦接在该输出节点与该第二固定电压之间的电容。
17.如权利要求12所述的直流-直流转换器，其特征在于，该第一固定电压与该第二固定电压分别为电源供应电压与接地。
18.如权利要求12所述的直流-直流转换器，其特征在于，该控制单元为比较器，该比较器接收参考电压与该输出电压，并产生控制信号以选择性地将该电流控制电路连接至该上拉电路。
19.如权利要求18所述的直流-直流转换器，其特征在于，该比较器为施密特触发器。
20.一种直流-直流转换器，将输入电压转换为输出电压，该直流-直流转换器包括：
上拉电路与下拉电路；
低通滤波器，耦接至该上拉电路与该下拉电路；以及
数字电路，耦接在该低通滤波器的输出以及该上拉电路与该下拉电路的控制端之间，且该数字电路为该直流-直流转换器的反馈路径；
其中，该输出电压作为该数字电路的电源。
21.一种直流-直流转换器，将输入电压转换为输出电压，该直流-直流转换器包括：
上拉电路与下拉电路；
低通滤波器，耦接至该上拉电路与该下拉电路；
数字电路，耦接在该低通滤波器的输出以及该上拉电路与该下拉电路的控制端之间，且该数字电路为该直流-直流转换器的反馈路径；以及
控制单元，因应于该输出电压选择性地连接或断开该反馈路径。
22.一种直流-直流转换器，将输入电压转换为输出电压，该直流-直流转换器包括：
上拉电路与下拉电路；
低通滤波器，耦接至该上拉电路与该下拉电路；
数字电路，耦接在该低通滤波器的输出以及该上拉电路与该下拉电路的控制端之间，且该数字电路为该直流-直流转换器的反馈路径；以及
电流控制电路，在该直流-直流转换器通电的初始期中，控制流经该上拉电路与该下拉电路的电流。
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