CN103516203B

CN103516203B - 直流对直流控制器与其操作方法

Info

Publication number: CN103516203B
Application number: CN201210326083.4A
Authority: CN
Inventors: 黄华强
Original assignee: UPI Semiconductor Corp
Current assignee: UPI Semiconductor Corp
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2032-09-05
Also published as: US9000735B2; CN103516203A; TWI470392B; TW201351086A; US20130335046A1

Abstract

本发明提供一种直流对直流控制器与其操作方法。所述直流对直流控制器用以连接输出级。所述直流对直流控制器包括脉冲宽度调制计算电路、负载瞬变检测电路以及取代时间计算电路。脉冲宽度调制计算电路提供脉冲宽度调制信号至输出级。负载瞬变检测电路接收关联于输出级的输出电压的输入信号。负载瞬变检测电路根据输入信号与预设输入信号提供控制信号。取代时间计算电路根据控制信号提供具有预设时间的取代控制信号至脉冲宽度调制计算电路。脉冲宽度调制计算电路根据取代控制信号调整脉冲宽度调制信号中的工作周期。

Description

直流对直流控制器与其操作方法

技术领域

本发明是有关于一种具脉冲宽度调制的电源控制技术，且特别是有关于一种可弹性调整脉冲宽度的直流对直流控制器与其操作方法。

背景技术

过去，半导体工业利用各种方法及结构来形成脉冲宽度调制的电源供应器。一般而言，无论在轻载或重载时，电源供应器所输出的电压都希望维持在固定的调节电压。然而，当重载时，负载电流变大而输出电压会突然往下掉。此时电源供应器便需要控制直流对直流转换器的输出能力，快速地提供更多能量。

通常，对于瞬态响应(transientresponse)的作法是提供一个微小时间的瞬态响应信号。又，瞬态响应信号能量无法提供足够大，以致在重载时不利于将电源供应器的输出电压维持在固定的调节电压。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种直流对直流控制器与其操作方法，用以解决现有技术所述及的问题。

本发明提供一种直流对直流控制器，用以连接一输出级。直流对直流控制器包括脉冲宽度调制计算电路、负载瞬变检测电路以及取代时间计算电路。脉冲宽度调制计算电路提供脉冲宽度调制信号至输出级。负载瞬变检测电路接收关联于输出级的输出电压的一输入信号。当负载瞬变检测电路根据输入信号与预设输入信号提供控制信号。取代时间计算电路耦接负载瞬变检测电路与脉冲宽度调制计算电路，根据控制信号提供具有预设时间的取代控制信号至脉冲宽度调制计算电路，其中脉冲宽度调制计算电路根据取代控制信号调整脉冲宽度调制信号中的工作周期。

在本发明的一实施例中，负载瞬变检测电路所接收的输入信号为误差放大信号时，预设输入信号为三角波信号。

在本发明的一实施例中，当输入信号为为输出级的反馈信号时，预设输入信号为一预设参考电压。

在本发明的一实施例中，负载瞬变检测电路包括第一比较器。第一比较器具有第一输入端、第二输入端与第一输出端。第一输入端接收误差放大信号，第二输入端接收三角波峰值信号，第一输出端输出控制信号。

在本发明的一实施例中，负载瞬变检测电路包括第二比较器。第二比较器具有第三输入端、第四输入端与第二输出端，第三输入端接收预设参考电压，第四输入端接收输入信号与偏移电压的和值信号，第二输出端输出控制信号。

在本发明的一实施例中，取代时间计算电路包括第一电流源以及电容。电容耦接在第一电流源的输出与接地电压端之间。

在本发明的一实施例中，动态响应取代时间计算电路还包括第二电流源、第三比较器、第一晶体管以及第一电阻。第二电流源与第一电流源形成电流镜。第三比较器具有第五输入端、第六输入端与第三输出端，第五输入端接收第一参考电压。第一晶体管的控制端耦接第三输出端，第一晶体管的第一端耦接第二电流源的输出。第一电阻的一端耦接第六输入端与第一晶体管的第二端，第一电阻的另一端耦接接地电压端。

在本发明的一实施例中，取代时间计算电路还包括第四比较器、第二晶体管以及触发器。第四比较器具有第七输入端、第八输入端与第四输出端。第七输入端耦接第一电流源的输出，第八输入端接收第二参考电压。第二晶体管的第一端耦接第一电流源的输出与第七输入端，第二晶体管的第二端耦接接地电压端。触发器具有第九输入端、时脉输入端、重置端、第五输出端与第六输出端，其中第五输出端的输出与第六输出端的输出互为反相，第九输入端接收工作电压，时脉输入端接收控制信号，重置端耦接第四输出端，第五输出端输出取代控制信号，第六输出端耦接第二晶体管的控制端。

在本发明的一实施例中，脉冲宽度调制计算电路包括第五比较器、补偿单元、第六比较器以及计算与驱动电路。第五比较器具有第十输入端、第十一输入端与第七输出端，第十输入端接收第三参考电压，第十一输入端接收反馈信号。补偿单元耦接第七输出端与接地电压端。第六比较器具有第十二输入端、第十三输入端与第八输出端，第十二输入端接收三角波信号，第十三输入端耦接第七输出端与补偿单元。计算与驱动电路耦接第八输出端，并接收控制信号，据以输出脉冲宽度调制信号至输出级。

从另一观点来看，本发明提供一种直流对直流控制器的操作方法，其包括下列步骤。接收关联于输出级的输出电压的输入信号。根据预设输入信号与输入信号提供具有预设时间的取代控制信号。根据输入信号与取代控制信号提供脉冲宽度调制信号，其中在正常负载情况根据与输出电压相关的反馈信号来提供脉冲宽度调制信号，而在负载瞬变事件发生时则根据取代控制信号调整脉冲宽度调制信号中的工作周期。利用脉冲宽度调制信号控制输出级的直流对直流转换。

在本发明的一实施例中，当直流对直流控制器的操作方法中的输入信号为误差放大信号时，预设输入信号为三角波峰值信号。

在本发明的一实施例中，当直流对直流控制器的操作方法中的输入信号为关联于反馈信号时，预设输入信号为预设参考电压。

基于上述，本发明通过可检测负载瞬变的电路，在正常负载情况根据反馈信号提供脉冲宽度调制信号，而在负载瞬变事件发生时则根据取代控制信号调整脉冲宽度调制信号中的工作周期，可以有效调节所要的输出电压值，并有助于提升直流对直流控制器的效能。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

下面的附图是本发明的说明书的一部分，示出了本发明的示例实施例，附图与说明书的描述一起说明本发明的原理。

图1是本发明一实施例的直流对直流转换器的电路图；

图2A是本发明一实施例的直流对直流转换器的电路图；

图2B是本发明一实施例的负载瞬变检测电路与相关信号的时序图；

图3A是本发明一实施例的直流对直流转换器的电路图；

图3B是本发明一实施例的负载瞬变检测电路与相关信号的时序图；

图4A是本发明一实施例的取代时间计算电路的电路图；

图4B是本发明一实施例的取代时间计算电路的相关时序图；

图5A与图5B是本发明一实施例的IC示意图；

图6是本发明一实施例的直流对直流控制器的操作方法的流程图。

附图标记说明：

100、100A、100B：直流对直流控制器；

110：脉冲宽度调制计算电路；

112：比较器；

114：补偿单元；

116：比较器；

118：计算与驱动电路；

120：反馈电路；

122、124：电阻；

130：负载瞬变检测电路；

132、134：比较器；

140：取代时间计算电路；

142：电流镜；

142A、142B：电流源；

144：电容；

146：比较器；

148：晶体管；

150：输出级；

152：高压侧开关；

154：低压侧开关；

156：输出电感；

160：三角波产生器；

170：电阻；

172：比较器；

174：晶体管；

176：触发器；

COMP：误差放大信号；

FB：反馈信号；

FBO：和值信号；

GND：接地电压端；

PM：信号；

PW：取代控制信号；

RAMP：三角波信号；

S601～S607：步骤；

TB：控制信号；

TOP：三角波峰值信号；

T1：预设时间；

VCC：工作电压；

VOUT：输出电压；

VQ：信号；

VREF1、VREF2、V1、V2：参考电压；

W1、W2：脉冲宽度调制信号。

具体实施方式

现将详细参考本发明的实施例，并在附图中说明所述实施例的实例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件代表相同或类似部分。

图1是本发明一实施例的直流对直流转换器的电路图。请参阅图1。直流对直流转换器(DC-DCconverter)包括直流对直流控制器(DC-DCcontroller)100与输出级(outputstage)150。

在本实施例中，输出级150包括高压侧开关(highsideswitch)152、低压侧开关(lowsideswitch)154及输出电感156。在其他实施例中，输出级150亦可仅包括高压侧开关152与低压侧开关154，此时在这样的实施例中的输出级150还需额外通过输出电感156来提供所产生的输出电压VOUT。

直流对直流控制器100包括脉冲宽度调制计算电路110、负载瞬变检测电路130以及取代时间计算电路140。负载瞬变检测电路130接收关联于输出级150的输出电压VOUT的输入信号。负载瞬变检测电路130根据输入信号与预设输入信号，用以在获知一负载瞬变事件发生时，提供控制信号TB。预设输入信号可以为三角波信号，其中三角波信号又可称之为斜波信号或锯齿波信号。

取代时间计算电路140耦接负载瞬变检测电路130与脉冲宽度调制计算电路110，根据控制信号TB与时间计算机制提供具有预设时间的取代控制信号PW至脉冲宽度调制计算电路110。

另外，直流对直流控制器100还可包括反馈电路120。反馈电路120耦接于输出级150的输出与脉冲宽度调制计算电路110之间。并且反馈电路120可根据输出电压VOUT的比例电压而提供反馈信号FB至脉冲宽度调制计算电路110。

在正常负载情况，脉冲宽度调制计算电路110根据反馈信号FB来提供脉冲宽度调制信号W1、W2至输出级150。而在负载瞬变事件发生时，脉冲宽度调制计算电路110根据取代控制信号PW调整脉冲宽度调制信号W1、W2中的工作周期(dutycycle)，从而能够控制输出级150的高压侧开关152、低压侧开关154。

上述工作周期是指在一串理想的脉冲序列中(如方波)，代表1的正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。也就是说，可将代表1的正脉冲的持续时间延长或是缩短。当在负载瞬变时代表1的正脉冲的持续时间变长，则直流对直流控制器100可快速地打开高压侧开关152，从而提供足够能量至负载。故可有效地调节所要的输出电压值。

接下来将基于图1的架构，详细说明相关部件的构造或工作原理。

图2A是本发明一实施例的直流对直流转换器的电路图。图2B是本发明一实施例的负载瞬变检测电路与相关信号的时序图。请同时参阅图2A和图2B。

在本实施例中，直流对直流控制器100A类似于直流对直流控制器100的构造。负载瞬变检测电路130可包括比较器132。此比较器132的正输入端接收误差放大信号COMP(输入信号)，负输入端接收来自三角波产生器160的三角波峰值信号TOP(TOP位在三角波信号RAMP波形的峰值)，而误差放大信号COMP为比较反馈信号FB与参考电压VREF1的信号。

如图2B所示，在负载瞬变事件发生时，由于误差放大信号COM大于三角波峰值信号TOP，因此比较器132的输出端输出一脉冲型式的控制信号TB。

图3A是本发明一实施例的直流对直流转换器的电路图。图3B是本发明一实施例的负载瞬变检测电路与相关信号的时序图。请同时参阅图3A和图3B。

在本实施例中，直流对直流控制器100B类似于直流对直流控制器100的构造。负载瞬变检测电路130包括比较器134。此比较器134的正输入端接收预设参考电压VREF2(预设输入信号)，负输入端接收反馈信号FB(输入信号)与偏移电压VOFFSET的和值信号FBO。

预设参考电压VREF2可以设定为与反馈信号FB相同的电位值。当负载瞬变事件发生时，由于和值信号FBO会低于预设参考电压VREF2，因此在比较器134的输出端输出一脉冲型式的控制信号TB。

图4A是本发明一实施例的取代时间计算电路的电路图。图4B是本发明一实施例的取代时间计算电路的相关时序图。请参阅图4A和图4B。

取代时间计算电路140包括电流源142A、电流源142B、电容144、比较器146、晶体管148、电阻170、比较器172、晶体管174以及触发器176。

电流源142A和142B可以形成一电流镜142。电容144耦接在电流源142A的输出与接地电压端GND之间。比较器146的正输入端接收参考电压V1。晶体管148的控制端耦接比较器146的输出端，晶体管148的第一端耦接电流源142B的输出。

电阻170的一端耦接比较器146的负输入端与晶体管148的第二端，电阻170的另一端耦接接地电压端GND。比较器172的正输入端耦接电流源142A的输出。比较器172的负输入端接收参考电压V2。晶体管174的第一端耦接电流源142A的输出与比较器172的正输入端。晶体管174的第二端耦接接地电压端GND。

在触发器176中，输入端D接收工作电压VCC，时脉输入端clk接收控制信号TB，重置端Res耦接比较器172的输出端，输出端Q输出一取代控制信号PW，而输出端Q耦接晶体管174的控制端。请注意，在此实施例中使用了D型触发器，但本发明对于触发器的种类并不加以限制。

当控制信号TB被提供至取代时间计算电路140，将使电流源142A对电容144开始充电。当电容144上的信号VC达到参考电压V2时，比较器172输出一信号VQ，信号VQ为逻辑高准位且信号VC将被拉至逻辑低准位。所产生的取代控制信号PW维持在逻辑高准位的期间(T1)为控制信号TB的脉冲开端部分至信号VQ的脉冲开端部分，也就是说，取代控制信号PW具有预设时间T1。

值得一提的是，本发明实施例可以调整时间计算电路140的各参数，例如参数可以为参考电压V1、参考电压V2、电阻170的电阻值、电容144的电容量，每一个参数都可以依照系统应用进行调整。也就是说，取代控制信号PW的脉冲宽度可以通过各参数而被调整，因此并不限定于特定。

另一方面，取代控制信号PW可以用于图1的输出级150控制，并且对于调整如图1的脉冲宽度调制信号W1、W2的脉冲宽度的工作周期较具弹性度，可将代表1的正脉冲的持续时间延长或是缩短。故，本发明实施例可以产生比控制信号TB更长或更短持续时间的取代控制信号PW。

请再参阅图1。脉冲宽度调制计算电路包括比较器112、补偿单元114、比较器116以及计算与驱动电路118。在比较器112中，正输入端接收参考电压VREF1，负输入端接收反馈信号FB。补偿单元114可以由电阻与电容所组成的电路。

补偿单元114耦接比较器112的输出端与接地电压端GND。补偿单元114用来对放大误差信号COMP进行补偿。比较器116的正输入端接收来自三角波产生器160的三角波信号RAMP。比较器116的负输入端耦接比较器112的输出端与补偿单元114。

计算与驱动电路118耦接比较器116的输出端，并接收控制信号PW。计算与驱动电路118根据信号PM、取代控制信号PW输出脉冲宽度调制信号W1、W2至输出级150。

另外，计算与驱动电路118可以配置或门(ORgate)电路。在正常负载情况根据信号PM来提供脉冲宽度调制信号W1、W2；而在发生负载瞬变时，经由或门电路而能够利用取代控制信号PW来打开高压侧开关152。

图5A与图5B是本发明一实施例的IC示意图。在实施例中，针对直流对直流控制器100的大部分元件可以配置在集成电路(integratedcircuit；IC)内，而取代时间计算电路140内的电阻170或电容144则可以设计成可调整元件而配置在IC外部，以方便作为可调整参数。

请注意，上述的电阻170或电容144属于图4A的取代时间计算电路140的一部份。

基于上述实施例所揭示的内容，可以汇整出一种通用的直流对直流控制器的操作方法。更清楚来说，图6是本发明一实施例的直流对直流控制器的操作方法的流程图。为了方便说明，请合并参阅图1、图4B和图6，本实施例的直流对直流控制器的操作方法可以包括以下步骤：

如步骤S601所示，接收关联于输出级150的输出电压VOUT的输入信号。

如步骤S603所示，根据预设输入信号与输入信号提供具有预设时间T1的取代控制信号PW。

接着，如步骤S605所示，根据输入信号与取代控制信号PW提供脉冲宽度调制信号W1、W2。于是，在正常负载情况根据与输出电压VOUT相关的反馈信号FB来提供脉冲宽度调制信号W1、W2；在负载瞬变事件发生时则根据取代控制信号PW调整脉冲宽度调制信号W1、W2中的工作周期。

然后，如步骤S607所示，利用脉冲宽度调制信号W1、W2控制输出级150的直流对直流转换，并调节出所要的输出电压值。

另外，当直流对直流控制器的操作方法中的输入信号为误差放大信号COMP时，预设输入信号为三角波峰值信号TOP(详细请参见图2B)。另一方面，当直流对直流控制器的操作方法中的输入信号为关联于反馈信号FB时，预设输入信号为预设参考电压VREF2(详细请参见图3B)。

综上所述，本发明的直流对直流控制器可以提供较具弹性度的取代控制信号，从而在正常负载情况可根据反馈信号提供脉冲宽度调制信号，而在负载瞬变事件发生时则根据取代控制信号调整脉冲宽度调制信号中的工作周期，从而本发明可以有效调节所要的输出电压值，并有助于提升直流对直流控制器的效能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种直流对直流控制器，用以连接一输出级，其特征在于，所述直流对直流控制器包括：

一脉冲宽度调制计算电路，提供一脉冲宽度调制信号至所述输出级；

一负载瞬变检测电路，接收关联于所述输出级的一输出电压的一输入信号，所述负载瞬变检测电路根据所述输入信号与一预设输入信号提供一控制信号；以及

一取代时间计算电路，耦接所述负载瞬变检测电路与所述脉冲宽度调制计算电路，且根据所述控制信号提供一具有一预设时间的取代控制信号至所述脉冲宽度调制计算电路，

其中所述脉冲宽度调制计算电路根据所述取代控制信号调整所述脉冲宽度调制信号中的工作周期，其中当在一负载瞬变时，调整所述工作周期的方式为持续时间变长，以使所述输出级提供足够能量至所述负载，其中所述工作周期是指在一串理想的脉冲序列中，代表1的正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值；

其中所述负载瞬变检测电路包括：

一第一比较器，具有一第一输入端、一第二输入端与一第一输出端，所述第一输入端接收一误差放大信号，所述第二输入端接收一三角波峰值信号，所述第一输出端输出所述控制信号。

2.一种直流对直流控制器，用以连接一输出级，其特征在于，所述直流对直流控制器包括：

其中所述负载瞬变检测电路包括：

一第二比较器，具有一第三输入端、一第四输入端与一第二输出端，所述第三输入端接收一预设参考电压，所述第四输入端接收所述输入信号与一偏移电压的和值信号，所述第二输出端输出所述控制信号，所述预设输入信号为所述预设参考电压。

3.一种直流对直流控制器，用以连接一输出级，其特征在于，所述直流对直流控制器包括：

其中所述取代时间计算电路包括：

一第一电流源；

一电容，所述电容耦接在所述第一电流源的输出与一接地电压端之间；

一第二电流源，其与所述第一电流源形成一电流镜；

一第三比较器，具有一第五输入端、一第六输入端与一第三输出端，所述第五输入端接收一第一参考电压；

一第一晶体管，所述第一晶体管的控制端耦接所述第三输出端，所述第一晶体管的第一端耦接所述第二电流源的输出；以及

一第一电阻，所述第一电阻的一端耦接所述第六输入端与所述第一晶体管的第二端，所述第一电阻的另一端耦接所述接地电压端。

4.根据权利要求3所述的直流对直流控制器，其特征在于，所述负载瞬变检测电路所接收的所述输入信号为一误差放大信号时，所述预设输入信号为一三角波峰值信号。

5.根据权利要求3所述的直流对直流控制器，其特征在于，当所述输入信号为所述输出级的一反馈信号时，所述预设输入信号为一预设参考电压。

6.根据权利要求3所述的直流对直流控制器，其特征在于，所述取代时间计算电路还包括：

一第四比较器，具有一第七输入端、一第八输入端与一第四输出端，所述第七输入端耦接所述第一电流源的输出，所述第八输入端接收一第二参考电压；

一第二晶体管，所述第二晶体管的第一端耦接所述第一电流源的输出与所述第七输入端，所述第二晶体管的第二端耦接所述接地电压端；以及

一触发器，具有一第九输入端、一时脉输入端、一重置端、一第五输出端与一第六输出端，其中所述第五输出端的输出与所述第六输出端的输出互为反相，所述第九输入端接收一工作电压，所述时脉输入端接收所述控制信号，所述重置端耦接所述第四输出端，所述第五输出端输出所述取代控制信号，所述第六输出端耦接所述第二晶体管的控制端。

7.根据权利要求2或3所述的直流对直流控制器，其特征在于，所述脉冲宽度调制计算电路包括：

一第五比较器，具有一第十输入端、一第十一输入端与一第七输出端，所述第十输入端接收一第三参考电压，所述第十一输入端接收一反馈信号；

一补偿单元，耦接所述第七输出端与一接地电压端；

一第六比较器，具有一第十二输入端、一第十三输入端与一第八输出端，所述第十二输入端接收一三角波信号，所述第十三输入端耦接所述第七输出端与所述补偿单元；以及

一计算与驱动电路，耦接所述第八输出端，并接收所述取代控制信号，据以输出所述脉冲宽度调制信号至所述输出级。