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TWI704758B - 用於不帶輸出電壓偏移的零esr輸出電容器之穩定接通時間開關調節器以及其控制電路及方法 - Google Patents

用於不帶輸出電壓偏移的零esr輸出電容器之穩定接通時間開關調節器以及其控制電路及方法 Download PDF

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Abstract

一種用於開關調節器的控制電路，配置了固定頻率穩定接通時間控制系統，引入一個參考電壓產生器，產生幾乎在整個開關週期上變化的參考電壓斜坡。在一個實施例中，參考電壓從每個工作週期開始時的初始電壓值開始向開關週期的終點不斷增大，在每個開關週期結束時，複位至初始電壓值。參考電壓斜坡確保在開關調節器中穩定的反饋控制操作，對於所有的輸出電壓值都不會引入電壓偏移。控制電路允許開關調節器使用穩定接通時間控制系統，同時使用具有任意ESR值的輸出電容器，包括一個具有很低或零ESR的輸出電容器。

Description

用於不帶輸出電壓偏移的零ESR輸出電容器之穩定接通時 間開關調節器以及其控制電路及方法
本發明是關於開關調節器或直流對直流轉換器，確切地說，是關於實現了固定頻率穩定接通時間控制的開關調節器，參考電壓傾斜，使開關調節器可以耦合到具有等效串聯電阻任意值的輸出電容器上。
開關模式電源或開關調節器，也被稱為直流對直流轉換器，在電路系統中，用於將輸入電壓源轉換成積體電路適合的電壓電平下所需的輸出電壓。例如，供給電路系統的12伏電源電壓，如果為I/O接口電路供電，則需要降至5伏，如果為核心數字邏輯電路供電，則需要降至1伏。開關調節器經由電容器、電感器以及變壓器等低功耗元件，提供電源功能，電源開關接通和斷開以離散分組的形式，將能量從輸入端轉移到輸出端。反饋控制電路用於調節轉移的能量，以便將輸出電壓穩定在電路所需的負載極限範圍內。
開關調節器可以提高或降低輸入電壓，或者兼而有之。確切地說，降壓開關調節器，也稱為“降壓轉換器”，可以降低輸入電壓，而升壓開 關調節器，也稱為“升壓轉換器”，可以提高輸入電壓。降壓-升壓開關調節器或降壓-升壓轉換器提供升壓和降壓功能。
傳統的開關調節器的運行方式眾所周知，簡述如下。電源開關週期性地接通，將能量加載到輸出濾波電路的電感器上，使流經電感器的電流聚集起來。當電源開關斷開時，電感器上的電壓反向，電荷轉移到輸出濾波電路的輸出電容器和負載上。輸出電容器保持住相對穩定的輸出電壓。第二個電源開關，有時也稱為同步整流器，常用於同步控制操作。通常來說，主電源開關，也稱為高端開關接通的同時，第二個電源開關，也稱為低端開關斷開，反之亦然。
開關調節器包括一個控制電路，通常使用誤差放大器，將表示輸出電壓的反饋電壓與參考電壓作比較，控制電路產生一個或多個控制訊號，控制開關頻率(脈衝頻率調節)或接通-斷開開關週期的脈衝寬度(脈衝寬度調節)。可使用多個不同的控制系統，控制主電源開關的工作週期(即接通時間)。一種穩定的接通時間(或固定接通時間)控制系統是一種類型的控制系統，在這種類型的控制系統中，開關調節器的主電源開關的接通時間保持穩定，主電源開關的斷開時間變化，以產生所需的輸出電壓。穩定的接通時間控制系統適用於工業應用有許多關鍵優勢，例如良好的輕負載效率以及較快的暫態反應。
第1圖表示配置了穩定接通時間控制系統的傳統的開關調節器的示意圖。在開關調節器10中，主電源開關M1和第二個電源開關M2串聯在輸入電壓VIN(節點12)和地電勢之間。主電源開關M1工作，將輸入電壓VIN切換至電感器L1，週期性地切換至電荷電感器L1。當主電源開關斷開時，電感器L1中存儲的能量轉移到輸出電容器COUT和負載18上，保持基本穩定的輸出電壓VOUT。電感 器L1和輸出電容器COUT構成低通濾波器。第二個電源開關M2用於實現同步整流，由驅動主電源開關M1的驅動訊號(節點32)反轉驅動。因此，當主電源開關M1斷開時，低端電源開關M2接通，反之亦然。
配置調節控制電路，根據穩定的接通時間控制系統，驅動主電源開關M1和第二個電源開關M2。在運行過程中，主電源開關M1接通一段固定的時間段，由一次發射計時器26決定，然後主電源開關M1斷開。輸出電壓VOUT(節點16)藉由反饋循環監控。更確切地說，輸出電壓VOUT反饋到調節控制電路，作為反饋電壓VFB。反饋電壓VFB與參考電壓VREF相比較，在電壓比較器22處。電壓比較器22的輸出端門控最小的斷開時間計時器30的輸出端，在與邏輯門24處。主電源開關M1斷開至少一段最小的斷開時間後，當輸出電壓VOUT降至參考電壓VREF以下時，與邏輯門24將出發一次發射計時器26再次接通主電源開關M1一段固定的接通時間段。傳統的開關調節器10實現了快速的暫態反應，以及在輕負載情況下的高效率。
固定的接通時間(或穩定的接通時間)調節器是一種採用波紋模式控制的電壓調節器類型。通常來說，波紋模式調節器根據輸出訊號中的波紋元件，調節它們的輸出電壓。由於電源開關的開關動作，所有的開關模式調節器都產生一個輸出波紋電流，經由切換的輸出電感器。這種電流波紋表現為輸出電壓波紋，原則上由與負載並聯的輸出電容器中的等效串聯電阻(ESR)引起。
對於使用波紋模式控制的電壓調節器來說，雖然輸出波紋對於輸出電壓調節有用，但是對於輸出訊號噪聲和負載電壓極限來說，它是不必要的。的確，最小化輸出波紋的必要性導致所設計和生產的電容器具有極低的ESR。降低輸出電容器的ESR可以顯著的降低輸出波紋訊號。低波紋有利於噪音最小化的 目的，並且減小負載電壓變化，但是製作波紋模式調結卻更加困難。低波紋振幅減小了比較器電壓的差值，使精確、快速的比較非常困難。
為此，固定的接通時間電壓調節器的製造商常常提出使輸出電容器的ESR最小，以確保輸出電壓的電壓波紋最少，從而實現有效的波紋模式控制。因此，帶有較大ESR的輸出電容器必須和所有的固定接通時間電壓調節器一起使用。在某些情況下，當輸出電容器本身沒有足夠的ESR時，製造商建議將輸出電容器與電阻器串聯，引入足夠的串聯電阻，產生所需的最小的波紋電壓。
在輸出節點處波紋電壓最少量的要求限制了固定接通時間電壓調節器應用於輸出電壓中的波紋可以承受的情況。而且，例如陶瓷電容器等零ESR電容器通常比ESR較大的鉭電容器更加便宜，因為要適當地控制循環操作，需要最少量的ESR，因此無法使用。
人們提出了使用低ESR輸出電容器，以啟用固定接通時間電壓調節器的解決方案。例如，在某些情況下，使用一個虛擬的波紋產生器產生正比於感應電流的一個內部虛擬的波紋。雖然這些解決方案允許在波紋模式電壓調節器中使用低ESR電容器，但是這些解決方案都很複雜，而且增加了電壓調節器的成本。
在另一個示例中，降壓調節器改變了脈寬調節(PWM)週期內的參考電壓，產生PWM訊號。第2a圖和第2b圖，表示降壓調節器的訊號波形，在一個示例中使用電壓斜坡。確切地說，當主電源開關導電時，參考電壓維持在很低的固定值上，然後參考電壓在主電源開關斷開時間內升高到最終值，如第2a圖所示。雖然這種類型的電壓斜坡可以為電壓調節器的反饋控制循環提供補償，但是不同輸出電壓的電壓斜坡將有不同的最終值，從而獲得不同的輸出電 壓的電壓偏移結果，如第2b圖所示。對於不同的輸出電壓，電壓調節器將在不同的工作週期下允許，主開關的斷開時間也會變化。因此，對於不同的輸出電壓，電壓傾斜將有不同的最終電壓值。不同輸出電壓之間的電壓偏移使得製造商要求用戶根據所選擇的輸出電壓調節固定的參考電壓值。這種類型的點對點特設的用戶調節非常不方便，對於用戶來說是一個負擔。
根據本發明實施例，提供了一種用於開關調節器接收輸入電壓並產生調節輸出電壓的控制電路，控制電路利用固定頻率穩定接通時間控制系統控制高端開關和低端開關，驅動開關輸出節點，用於產生開關輸出電壓，開關輸出節點耦合到LC濾波電路上，產生調節的輸出電壓，在輸出節點上具有基本穩定的幅值，調節的輸出電壓反饋到控制電路上，作為反饋電壓，該控制電路包括：配置一個參考斜坡產生電路，接收第一參考電壓，產生在開關週期上變化的參考電壓斜坡，開關週期由固定頻率穩定接通時間控制系統決定，參考電壓斜坡從作為第一參考電壓的初始電壓值開始到最終電壓值；並且配置控制電路，產生一個脈寬調節(PWM)訊號，具有開關週期和表示調節輸出電壓的電壓值的工作週期，耦合PWM訊號，控制高端開關和低端開關，以便在開關週期上交替接通和斷開，高端開關在工作週期內接通，在剩餘的開關週期內斷開，低端開關交替斷開和接通，控制電路根據將表示調節輸出電壓的反饋電壓與參考電壓斜坡相比較後的輸出訊號產生PWM訊號。
所述的參考電壓斜坡對於高端開關不同的工作週期值來說，具有相同的終止電壓值，不同的工作週期值表示不同的調節輸出電壓值。
該控制電路還包括：配置一個開關控制電路，接收脈寬調節(PWM)訊號，開關控制電路產生閘極驅動訊號，控制高端開關和低端開關在開關週期上交替接通和斷開，高端開關於工作週期接通，於剩餘的開關週期高端開關斷開，低端開關交替斷開和接通；配置一個比較器，接收表示調節輸出電壓的反饋電壓，和由參考斜坡產生電路產生的參考電壓斜坡，當反饋電壓高於參考電壓斜坡時，比較器產生比較器輸出訊號失效，當反饋電壓等於或小於參考電壓斜坡時，比較器輸出訊號生效；以及配置一個接通時間產生電路，至少根據比較器輸出訊號，在固定頻率穩定接通時間控制系統下產生PWM訊號。
所述的配置參考斜坡產生電路，產生參考電壓斜坡，其電壓值從每個開關週期的初始階段從初始電壓值開始向每個開關週期快結束時的終止電壓值不斷增大，參考電壓斜坡在每個開關週期結束時，複位至第一參考電壓。
所述的參考電壓斜坡從初始電壓值到終止電壓值線性增大。
所述的參考電壓斜坡在每個開關週期結束時放電到第一參考電壓。
所述的參考斜坡產生電路包括：一個電壓源，提供第一參考電壓；一個電流源，提供第一電流；一個第一電容器，具有耦合到電流源上的第一端以及耦合到電壓源上的第二端，第一電容器的第一端提供參考電壓斜坡；一個耦合在第一電容器上的開關，由開關控制訊號控制；以及配置一個一次發射電路，產生一次發射訊號，根據比較器輸出訊號預定時間段， 一次發射訊號耦合到開關上，作為開關控制訊號，在每個開關週期結束時，閉合開關預定時間段，對電容器放電，在剩餘的開關週期內打開開關。
所述的一次發射訊號的預定時間段為10ns或更短。
所述的電流源提供第一電流，其電流值對第一電容器充電到每個開關週期快結束時的終止電壓值。
所述的反饋電壓包括調節輸出電壓的分壓電壓。
一個開關調節器，接收輸入電壓並產生調節輸出電壓，開關調節器根據反饋控制系統，控制一個高端開關和一個低端開關，驅動一個用於產生開關輸出電壓的開關輸出節點，開關輸出節點耦合到LC濾波器上，產生調節輸出電壓，在輸出節點上具有基本穩定的幅值，其特徵在於，該開關調節器包括： 一個控制電路，產生脈寬調節(PWM)訊號，其開關週期由固定頻率穩定接通時間控制系統決定，其工作週期表示調節輸出電壓的電壓值，耦合PWM訊號，控制高端開關和低端開關在整個工作週期上交替接通和斷開，高端開關於工作週期接通，在剩餘的開關週期上斷開，低端開關交替斷開和接通，控制電路根據比較表示調節輸出電壓的反饋電壓與參考電壓斜坡的比較輸出訊號產生PWM訊號，其中參考電壓斜坡的電壓值在開關週期上從初始電壓值到終止電壓值變化。
所述的參考電壓斜坡對於高端開關不同的工作週期值來說，具有相同的終止電壓值，不同的工作週期值表示不同的調節輸出電壓值。
所述的LC濾波電路包括第一電感器和輸出電容器，輸出電容器具有小於30毫歐的等效串聯電阻(ESR)值。
所述的控制電路包括： 一個開關控制電路，接收PWM訊號，產生閘極驅動訊號，控制高端開關和低端開關在開關週期上交替接通和斷開，高端開關在工作週期上接通，在剩餘的開關週期上斷開，低端開關交替斷開和接通；一個參考斜坡產生電路，接收第一參考電壓，並產生參考電壓斜坡，在開關週期上變化，從第一參考電壓的初始電壓值變化到終止電壓值；一個比較器，接收表示調節輸出電壓的反饋電壓，參考電壓斜坡由參考斜坡產生電路產生，當反饋電壓大於參考電壓斜坡時，比較器產生生效的比較器輸出訊號，當反饋電壓等於或小於參考電壓斜坡時，比較器輸出訊號失效；以及一個接通時間產生電路，在固定頻率穩定接通時間系統下至少根據比較器輸出訊號，產生PWM訊號。
配置參考斜坡產生電路，產生參考電壓斜坡，其電壓值從每個工作週期開始時的初始電壓值向每個工作週期快結束時的終止電壓值不斷增大，在每個開關週期結束時，參考電壓斜坡複位至第一參考電壓。
所述的參考電壓斜坡從初始電壓值開始到終止電壓值線性增大。
所述的參考電壓斜坡在每個開關週期結束時，放電到第一參考電壓。
所述的參考斜坡產生電路包括：一個電壓源，提供第一參考電壓；一個電流源，提供第一電流；一個第一電容器，具有耦合到電流源上的第一端以及耦合到電壓源上的第二端，第一電容器的第一端提供參考電壓斜坡；一個耦合在第一電容器上的開關，由開關控制訊號控制；以及 配置一個一次發射電路，產生一次發射訊號，根據比較器輸出訊號預定時間段，一次發射訊號耦合到開關上，作為開關控制訊號，在每個開關週期結束時，閉合開關預定時間段，對電容器放電，在剩餘的開關週期內打開開關。
所述的一次發射訊號的預定時間段為10ns或更短。
所述的電流源提供第一電流，其電流值對第一電容器充電到每個開關週期快結束時的終止電壓值。
所述的反饋電壓包括調節輸出電壓的分壓電壓。
一種用於開關調節器接收輸入電壓並產生調節輸出電壓的方法，其中開關調節器根據反饋控制系統，控制一個高端開關和一個低端開關，驅動一個用於產生開關輸出電壓的開關輸出節點，開關輸出節點耦合到LC濾波器上，產生調節輸出電壓，在輸出節點上具有基本穩定的輸出電壓幅值，該方法包括：根據脈寬調節(PWM)訊號交替接通和斷開高端開關和低端開關，開關週期由固定頻率穩定接通時間控制系統決定，工作週期表示調節輸出電壓的電壓值，高端開關在工作週期接通，在剩餘的開關週期上斷開，低端開關交替斷開和接通；並且根據比較表示調節輸出電壓的反饋電壓與一個參考電壓斜坡的比較輸出訊號，產生PWM訊號，其中參考電壓斜坡的電壓值在開關週期上從一個初始電壓值變化到一個終止電壓值。
所述的方法還包括：產生參考電壓斜坡，對於高端開關不同的工作週期值具有相同的終止電壓值，不同的工作週期值表示不同的調節電壓值。
所述產生參考電壓斜坡包括： 產生參考電壓斜坡，其電壓值在每個開關週期開始時從初始電壓值開始向每個開關週期快結束時的終止電壓值不斷增大，參考電壓斜坡在每個開關週期結束時，複位至第一參考電壓。
所述產生參考電壓斜坡包括：在每個開關週期結束時，對參考電壓斜坡放電到第一參考電壓。
10:開關調節器
12、16、32、71、73、79:節點
18:負載
22:電壓比較器
24:邏輯門
26:一次發射計時器
28:開關控制電路
30:斷開時間計時器
52、54、56:曲線
60:開關調節器
61:控制電路
64:公共節點
66:輸出電壓節點
68:負載
72:比較器
74:時間產生電路/時間產生器
78:開關控制電路
80:參考斜坡產生電路
82:一次發射電路
84:電流源
86:電壓源
92:公共節點
94:比較器
95:轉換器
96:觸發器
C1、C22、CX:電容器
COUT:輸出電容器
ESR:電阻
HS:高端開關
I1:電流
L1:電感器
M1:高端開關
M2:低端開關
PWM:脈寬調節訊號
Q:輸出端
R1、R2、R22、RX:串聯電阻器
S:設置端
S1、S2:開關
Ton:接通時間
VA:初始電壓值
VB:終止電壓值
Vc:電壓
VCOMP:輸出電壓/輸出訊號
VCOMP2:輸出訊號
VFB:反饋電壓
VHS、VLS:閘極驅動訊號
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
VREF:參考電壓
VSW:開關輸出電壓
VSX:電壓
第1圖表示配置了穩定接通時間控制系統的傳統的開關調節器的示意圖。
第2a圖和第2b圖，表示降壓調節器的訊號波形，在一個示例中使用電壓傾斜。
第3圖表示依據本發明的實施例，一種開關調節器的示意圖，它包括配置了固定頻率穩定接通時間控制系統並引入了參考傾斜產生電路的控制電路。
第4a圖和第4b圖，表示在本發明的實施例中，用於引入參考斜坡產生器的開關調節器的訊號波形。
第5圖表示第3圖所示開關調節器的示意圖，表示依據本發明的實施例，參考斜坡產生電路。
第6圖表示在某些實施例中，配置接通時間產生電路的示意圖。
本發明可以以各種方式實現，包括作為一個製程；一種元件；一個系統；一種物質組成。在本說明書中，這些實現方式或本發明可能採用的任 意一種其他方式，都可以稱為技術。一般來說，可以在本發明的範圍內變換所述製程步驟的順序。
本發明的一個或多個實施例的詳細說明以及圖式解釋了本發明的原理。雖然，本發明與這些實施例一起提出，但是本發明的範圍並不局限於任何實施例。本發明的範圍僅由申請專利範圍限定，本發明包含多種可選方案、修正以及等效方案。在以下說明中，所提出的各種具體細節用於全面理解本發明。這些細節用於解釋說明，無需這些詳細細節中的部分細節或全部細節，依據申請專利範圍，就可以實現本發明。為了簡便，本發明相關技術領域中習知的技術材料並沒有詳細說明，以免對本發明產生不必要的混淆。
依據本發明的原理，配有固定頻率穩定接通時間控制系統的開關調節器的控制電路，引入了一個參考電壓產生器，以產生參考電壓傾斜，在整個開關週期上變化。在一個實施例中，參考電壓在每個開關週期開始時從初始電壓值開始上升到開關週期結束時，在每個開關週期結束時，重置到初始的電壓值。基於固定頻率穩定接通時間控制系統，參考電壓傾斜的充電時間將對所有的工作週期或所有的輸出電壓值都相同。因此，無論所選擇的輸出電壓或所使用的工作週期是多少，控制電路都會確保在開關調節器中實現穩定的反饋控制操作，而不會引入電壓偏移。參考電壓產生器產生參考電壓斜坡，使得開關調節器使用穩定的接通時間控制系統，同時利用具有等效串聯電阻(ESR)值的輸出電容器，包括一個帶有很低或零ESR(例如小於30毫歐)的輸出電容器。
第3圖表示一種開關調節器的示意圖，它包括配置了固定頻率穩定接通時間控制系統並引入了參考傾斜產生電路的控制電路。參見第3圖，開關調節器60包括一個調節控制電路61，驅動串聯在輸入電壓VIN(節點12)和地之間的高端電源開關M1和低端電源開關M2。在本實施例中，電源開關M1和M2都是NMOS電晶體，低端電源開關M2由閘極驅動訊號VLS控制，作為閘極驅動訊號 VHS的反相驅動高端電源開關M1。在允許過程中，當高端電源開關M1斷開時，低端電源開關M2接通，反之亦然。電源開關M1和M2交替接通和斷開，以便在公共節點64處產生一個開關電壓VSW。公共節點64處的開關電壓VSW驅動電感器L1和輸出電容器COUT形成的輸出LC濾波電路。輸出LC濾波電路在輸出電壓節點66上產生一個直流輸出電壓VOUT，其振幅基本穩定。在運行過程中，耦合輸出電壓VOUT，驅動負載68。
輸出電容器COUT與一定量的ESR有關，用虛線電阻ESR與輸出電容器串聯表示。當使用零ESR的輸出電容器時，電阻ESR具有零電阻，因此是短路。在本發明的實施例中，開關調節器60可以利用具有任意量的ESR的輸出電容器COUT配置，包括帶有很低或零(例如30毫歐以下)ESR的輸出電容器。因此，在某些實施例中，陶瓷電容器等零ESR電容器可以用作輸出電容器COUT，使得輸出電壓VOUT處的波紋電壓達到最小。
配置調節器控制電路61，根據固定頻率的穩定接通時間控制系統，驅動高端電源開關M1和低端電源開關M2。在本說明中，固定頻率控制接通時間控制是指控制系統的開關時間或開關頻率都是固定的，即使當輸入電壓VIN或輸出電壓VOUT變化時，也是固定的。在固定頻率的穩定接通時間控制系統下，高端電源開關M1的接通時間由輸入電壓VIN和開關電壓VSW的平均值(也稱為電壓VSX)決定。配置固定頻率的穩定接通時間控制系統的電路及方法已為習知。下面參照第6圖將詳細介紹固定頻率的穩定接通時間控制系統的一個配置示例。在固定頻率穩定接通時間控制系統下，電源開關的開關頻率或開關週期，對於不同的輸出電壓級來說保持相同。也就是說，無論所選擇的輸出電壓是多少，電源開關M1和M2的開關週期都是相同的。調節器控制電路61根據所選擇的輸出電壓級，控制高端電源開關的工作週期或接通時間。更確切地說，調節器 控制電路61根據輸入電壓與所選擇的輸出電壓級的比值，控制高端電源開關的工作週期或接通時間。
在本實施例中，調節器控制電路61包括一個接通時間產生電路(也稱為“接通時間產生器”)為開關控制電路78產生一個控制訊號，開關控制電路78產生閘極驅動訊號VHS和VLS，分別接通或斷開高端開關M1和低端開關M2。在本實施例中，接通時間產生器產生一個具有固定開關頻率或固定開關週期以及具有制定工作週期的脈寬調節(PWM)訊號，用於接通高端開關M1。
為了調節輸出電壓節點66處的輸出電壓VOUT，調節器控制電路61配置反饋控制回路，輸出電壓VOUT(節點66)耦合到調節器控制電路61上，作為反饋電壓VFB(節點70)。在本實施例中，反饋電壓VFB是輸出電壓VOUT的分壓電壓。由串聯電阻器R1和R2組成的分壓器，用於對輸出電壓VOUT分壓，已產生反饋電壓VFB。反饋電壓VFB耦合到比較器72上，與參考電壓VREF(節點71)作比較。當反饋電壓VFB大於參考電壓VREF時，比較器72的比較輸出電壓VCOMP(節點73)失效，當反饋電壓VFB等於或降至參考電壓VREF以下時，比較器輸出電壓VCOMP生效。比較器輸出電壓VCOMP耦合到接通時間產生器74上，接通時間產生器74根據比較器輸出訊號VCOMP產生PWM訊號。在某些實施例中，根據比較器輸出訊號VCOMP、輸入電壓VIN以及電壓VSX，接通時間產生器74產生PWM訊號，電壓VSX是開關電壓VSW輸出的平均電壓值。因此，反饋控制回路工作，藉由固定頻率穩定接通時間控制系統，調節輸出電壓VOUT，高端電源開關接通一段由VIN和VSX決定的接通時間，這將在下文中參照第6圖詳細說明。
在本發明的實施例中，參考電壓VREF是一個電壓傾斜，從初始電壓值變換到終止電壓值，跨過固定頻率穩定接通時間控制系統的開關時間。為此，調節器控制電路61包括一個參考斜坡產生電路80，產生參考電壓斜坡，用於參考電壓VREF。參考斜坡產生電路80產生參考電壓斜坡，在開關調節器的整個 開關週期上變化。因此，無論開關調節器的輸出電壓值或工作週期是多少，參考電壓斜坡是相同的。參考斜坡產生電路80產生參考電壓斜坡，在每個工作週期開始時從初始電壓值開始向每個工作週期快結束時的終止電壓值增大，初始電壓值是所需參考電壓值或最初的參考電壓值。因此，在高端開關接通以及高端開關斷開時，參考電壓斜坡的電壓都會變化。參考電壓斜坡在每個開關週期結束時，複位至初始電壓值。在某些實施例中，參考電壓斜坡的電壓在開關週期內線性增大。
第4a圖和第4b圖，表示在本發明的實施例中，引入參考斜坡產生器的開關調節器的訊號波形。參見第4a圖，PWM訊號(曲線52)控制高端開關M1(HS)在每個開關週期中接通和斷開，從而控制低端開關M2交替地斷開和接通。開關週期由高端開關的兩個臨近的接通時間的初始時之間的時間段決定。何況現在，開關週期由PWM訊號兩個鄰近的低至高變化之間的時間段限定，用於有效的高PWM訊號。反饋電壓VFB(曲線54)表示輸出電壓VOUT，具有一個很小的波紋元件和相位滯後。在本發明的實施例中，參考電壓VREF(曲線56)由參考電壓斜坡提供，在開關週期上變化。也就是說，參考電壓斜坡的電壓值在高端開關的接通時間內以及高端開關的斷開時間內變化。
第4b圖表示當選擇了不同的輸出電壓時，對於高端開關不同的工作週期的參考電壓斜坡。在本實施例中，參考電壓斜坡從開關週期開始時的初始電壓值VA開始向開關週期快結束時的終止電壓值VB變化，並且在開關週期結束時，複位至初始電壓值VA。由於參考電壓斜坡幾乎在整個開關週期內增大，因此無論高端開關的工作週期是多少，參考電壓斜坡都具有相同的終止電壓值VB。另外，利用固定頻率穩定接通時間控制系統，參考電壓斜坡對於所有的輸出電壓值都是一樣的，這是因為對於斜坡的電壓上升時間對於所有的輸出電壓值來說都是相同的。即使是當工作週期或輸出電壓值變化時，也沒有產生參考 電壓電壓偏移的結果。因此，當參考斜坡產生電路80用於開關調節器60時，開關調節器可以用於很廣的輸出電壓值，而無需用戶調節參考電壓，也就是參考電壓斜坡的初始參考電壓值。
第5圖表示依據本發明的實施例，配置了參考斜坡產生電路的第3圖所示的開關調節器的示意圖。參見第5圖，在本實施例中，參考斜坡產生電路80包括一個電壓源86，提供作為初始參考電壓值的電壓，以及一個電流源84，提供電流I1。電容器C1連接在電流源84和電壓源86之間。確切地說，電容器C1具有一個第一端，耦合到電流源84上，以及一個第二端，耦合到電壓源86上。開關S1耦合在電容器C1上。開關S1由一次發射電路82產生的開關控制訊號控制。一次發射電路82根據比較器輸出訊號VCOMP，產生具有預定義時間段的一次發射訊號。一次發射訊號耦合到開關S1上，作為開關控制訊號。電容器C1的第一端(節點71)提供參考電壓VREF的電壓斜坡。
在運行過程中，比較器輸出訊號VCOMP生效，或者在每個週期的邊界處，躍遷至邏輯高。每個開關週期的邊界是指一個開關週期的終點和下一個開關週期的起點。一旦比較器輸出訊號VCOMP生效時，一次發射訊號在開關週期結束時激活，關閉開關S1，使電容器C1快速放電。在某些實施例中，對於持續時間為1000ns的開關週期來說，一次發射訊號的持續時間為10ns或更短。隨著開關S1的關閉，電容器C1的頂端和底端都偏置到直流電壓。因此，參考電壓VREF(節點71)偏置到初始電壓值VA。一次發射時間結束後，開關S1打開。下一個開關週期繼續進行，電流源84對電容器C1充電，使電容器C1頂端處的參考電壓VREF增大。因此，參考電壓VREF利用利參考電壓斜坡，從每個開關週期開始時的初始電壓值VA開始向每個開關週期快結束時的終止電壓值VB增大。在開關週期結束時，比較器輸出訊號VCOMP生效，出發一次發射電路82，開關S1再次關閉， 使電容器C1放電。參考電壓斜坡複位，再次在下一個開關週期上產生參考電壓斜坡。
第5圖表示可以用於產生第4a圖和第4b圖所示的參考電壓斜坡的參考斜坡產生電路80的一種配置結構。如第5圖所示的參考斜坡產生電路80僅用於解釋說明，不用於局限。在其他實施例中，參考斜坡產生電路80可以利用其他電路配置，產生在每個開關週期上變化的參考電壓斜坡，如上第4a圖和第4b圖所示。
第6圖表示在某些實施例中，接通時間產生電路的配置示意圖。參見第6圖，接通時間產生電路74在固定頻率穩定接通時間操作下產生PWM訊號。接通時間產生電路74接收輸入電壓VIN和平均電壓VSX(節點79)，平均電壓VSX表示開關電壓VSW。還有許多從開關電壓VSW產生平均電壓VSX的方法。在本實施例中，利用一個RC濾波器，從開關電壓VSW上產生平均電壓VSX。確切地說，RC濾波器包括一個與電容器CX串聯的電阻器RX，在開關電壓VSW(節點64)和地之間。節點79是平均電壓VSX。
同時，輸入電壓VIN耦合到串聯電阻器R22和電容器C22上。開關S2連接在電容器C22上，開關S2由PWM訊號的轉換控制，以打開和閉合開關。輸入電壓VIN(節點62)藉由電阻器R22對電容器C22充電，在公共節點92上產生電壓Vc。電壓Vc和電壓VSX耦合到比較器94上，產生比較器輸出訊號VCOMP2。比較器輸出訊號VCOMP2耦合到觸發器96的複位端(R)。來自反饋控制回路的比較器72(第5圖)的比較器輸出訊號VCOMP，耦合到觸發器96的設置端(S)。觸發器96的輸出端(Q)是表示高端開關接通時間(Ton)的PWM訊號。PWM訊號連接到轉換器95上，然後耦合轉換後的PWM訊號，驅動連接在電容器C22上的開關S2。
在運行過程中，在每個開關週期的初始階段，比較器輸出訊號VCOMP處於邏輯高，設置觸發器96的輸出端Q(例如邏輯高)，並且接通時間訊 號(PWM訊號)生效，以接通高端電源開關M1。同時，開關S2打開，輸入電壓VIN經由電阻器R22對電容器C22充電，電壓Vc增大。當輸入電壓VIN對電壓Vc充滿電時，電壓Vc與比較器94處的電壓VSX相比較。
當電壓Vc高於平均電壓VSX時，比較器輸出訊號VCOMP2生效(例如邏輯高)，複位觸發器96的輸出端Q(例如邏輯低)。接通時間訊號Ton(PWM訊號)失效，接通時間停止。同時，轉換接通時間訊號Ton，耦合到開關S2上，導致開關S2閉合。隨著開關S2的閉合，電容器C22放電，電壓Vc複位至地電壓。開關S2保持閉合，直到比較器輸出訊號VCOMP生效(例如邏輯高)，以開始下一個開關週期。在下一個開關週期開始時，比較器輸出訊號VCOMP設置接通時間訊號Ton(觸發器96的輸出端Q)，開關S2打開，使電容器C22再次被輸入電壓VIN充電。
如果電壓Vc很小，那麼電容器C22的充電電流大約為Vin/R22。如果Rx*Cx至少是電感器L1*COUT的十倍大，那麼電容器Cx上的電壓就等於輸出電壓VOUT。也就是說，電阻器Rx和Cx的RC濾波器產生開關電壓VSW輸出的平均電壓值，作為電壓VSX，平均電壓值為輸出電壓VOUT。
如果Ton=T*VOUT/VIN，其中T為常數，等於開關週期，那麼就可以實現固定頻率穩定接通時間控制。有多種方式產生Ton=T*VOUT/VIN。第6圖表示一種產生固定頻率接通時間控制的方法。確切地說，電容器C22對電壓VSX放電所需要的時間等於t=VSX*R22*C22/Vin，假設放電電流等於Vin/R22。因此，如果電容器C22對電壓VSX放電所需的時間t設置為Ton，開關週期固定為R22*C22，假設放電電流等於Vin/R22的話，那麼開關頻率就固定為1/(R22*C22)。更確切地說，接通時間Ton可以表示為：Ton*(VIN/R22)=C22*VOUT，以及Ton=R22*C22*VOUT/VIN。
利用固定頻率為Fsw=1/(R22*C22)的Vin和Vsw，調節穩定接通時間Ton，使得接通時間產生電路74實現了固定頻率。
第6圖表示一種可以用於產生PWM訊號的接通時間產生電路74，用於控制高端開關M1和低端開關M2。如第6圖所示的接通時間產生電路74僅用於解釋說明，不用於局限。在其他實施例中，如上所述，接通時間產生電路74可以利用在固定頻率接通時間控制系統下產生PWM訊號的其他電路配置。
雖然為了表述清楚，以上內容對實施例進行了詳細介紹，但是本發明並不局限於上述細節。本發明的範圍內還可能有許多修正和變化。本發明範圍由所附的申請專利範圍限定。
61:控制電路
62、70、71、73:節點
64:公共節點
66:輸出電壓節點
68:負載
72:比較器
74:時間產生電路/時間產生器
78:開關控制電路
80:參考斜坡產生電路

Claims (25)

  1. 一種用於開關調節器接收輸入電壓並產生調節輸出電壓的控制電路，控制電路利用固定頻率穩定接通時間控制系統控制高端開關和低端開關，驅動開關輸出節點，用於產生開關輸出電壓，開關輸出節點耦合到LC濾波電路上，產生調節的輸出電壓，在輸出節點上具有基本穩定的幅值，調節的輸出電壓反饋到控制電路上，作為反饋電壓，其中該控制電路包括：配置一參考斜坡產生電路，接收第一參考電壓，產生在開關週期上變化的參考電壓斜坡，開關週期由固定頻率穩定接通時間控制系統決定，參考電壓斜坡從作為第一參考電壓的初始電壓值開始到最終電壓值；並且配置控制電路，產生一脈寬調節(PWM)訊號，具有開關週期和表示調節輸出電壓的電壓值的工作週期，耦合PWM訊號，控制高端開關和低端開關，以便在開關週期上交替接通和斷開，高端開關在工作週期內接通，在剩餘的開關週期內斷開，低端開關交替斷開和接通，控制電路根據將表示調節輸出電壓的反饋電壓與參考電壓斜坡相比較後的輸出訊號產生PWM訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中該參考電壓斜坡對於高端開關不同的工作週期值來說，具有相同的終止電壓值，不同的工作週期值表示不同的調節輸出電壓值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其進一步包括：配置一開關控制電路，接收脈寬調節(PWM)訊號，開關控制電路產生閘極驅動訊號，控制高端開關和低端開關在開關週 期上交替接通和斷開，高端開關於工作週期接通，於剩餘的開關週期高端開關斷開，低端開關交替斷開和接通；配置一比較器，接收表示調節輸出電壓的反饋電壓，和由參考斜坡產生電路產生的參考電壓斜坡，當反饋電壓高於參考電壓斜坡時，比較器產生比較器輸出訊號失效，當反饋電壓等於或小於參考電壓斜坡時，比較器輸出訊號生效；以及配置一接通時間產生電路，至少根據比較器輸出訊號，在固定頻率穩定接通時間控制系統下產生PWM訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中配置該參考斜坡產生電路，產生參考電壓斜坡，其電壓值從每個開關週期的初始階段從初始電壓值開始向每個開關週期快結束時的終止電壓值不斷增大，參考電壓斜坡在每個開關週期結束時，複位至第一參考電壓。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的控制電路，其中該參考電壓斜坡從初始電壓值到終止電壓值線性增大。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的控制電路，其中該參考電壓斜坡在每個開關週期結束時放電到第一參考電壓。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中該參考斜坡產生電路包括：一電壓源，提供第一參考電壓；一電流源，提供第一電流；一第一電容器，具有耦合到電流源上的第一端以及耦合到電壓源上的第二端，第一電容器的第一端提供參考電壓斜坡； 一耦合在第一電容器上的開關，由開關控制訊號控制；以及配置一一次發射電路，產生一次發射訊號，根據比較器輸出訊號預定時間段，一次發射訊號耦合到開關上，作為開關控制訊號，在每個開關週期結束時，閉合開關預定時間段，對電容器放電，在剩餘的開關週期內打開開關。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的控制電路，其中該一次發射訊號的預定時間段為10ns或更短。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的控制電路，其中該電流源提供第一電流，其電流值對第一電容器充電到每個開關週期快結束時的終止電壓值。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的控制電路，其中該反饋電壓包括調製輸出電壓的分壓電壓。
  11. 一種開關調節器，接收輸入電壓並產生調節輸出電壓，開關調節器根據反饋控制系統，控制一高端開關和一低端開關，驅動一用於產生開關輸出電壓的開關輸出節點，開關輸出節點耦合到LC濾波器上，產生調節輸出電壓，在輸出節點上具有基本穩定的幅值，其中該開關調節器包括：一控制電路，產生脈寬調節(PWM)訊號，其開關週期由固定頻率穩定接通時間控制系統決定，其工作週期表示調節輸出電壓的電壓值，耦合PWM訊號，控制高端開關和低端開關在整個工作週期上交替接通和斷開，高端開關於工作週期接通，在剩餘的開關週期上斷開，低端開關交替斷開和接通，控制電路根據比較表示調節輸出電壓的反饋電壓與參考電壓斜坡的比較輸出訊號產生PWM訊號，其中參考電壓斜坡的電壓值在開關週 期上從初始電壓值到終止電壓值變化。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的開關調節器，其中該參考電壓斜坡對於高端開關不同的工作週期值來說，具有相同的終止電壓值，不同的工作週期值表示不同的調節輸出電壓值。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的開關調節器，其中該LC濾波電路包括第一電感器和輸出電容器，輸出電容器具有小於30毫歐的等效串聯電阻(ESR)值。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的開關調節器，其中該控制電路包括：一開關控制電路，接收PWM訊號，產生閘極驅動訊號，控制高端開關和低端開關在開關週期上交替接通和斷開，高端開關在工作週期上接通，在剩餘的開關週期上斷開，低端開關交替斷開和接通；一參考斜坡產生電路，接收第一參考電壓，並產生參考電壓斜坡，在開關週期上變化，從第一參考電壓的初始電壓值變化到終止電壓值；一比較器，接收表示調節輸出電壓的反饋電壓，參考電壓斜坡由參考斜坡產生電路產生，當反饋電壓大於參考電壓斜坡時，比較器產生生效的比較器輸出訊號，當反饋電壓等於或小於參考電壓斜坡時，比較器輸出訊號失效；以及一接通時間產生電路，在固定頻率穩定接通時間系統下至少根據比較器輸出訊號，產生PWM訊號。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的開關調節器，其中配置參考斜坡產生電路，產生參考電壓斜坡，其電壓值從每個工作週期開 始時的初始電壓值向每個工作週期快結束時的終止電壓值不斷增大，在每個開關週期結束時，參考電壓斜坡複位至第一參考電壓。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的開關調節器，其中該參考電壓斜坡從初始電壓值開始到終止電壓值線性增大。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的開關調節器，其中該參考電壓斜坡在每個開關週期結束時，放電到第一參考電壓。
  18. 如申請專利範圍第14項所述的開關調節器，其中該參考斜坡產生電路包括：一電壓源，提供第一參考電壓；一電流源，提供第一電流；一第一電容器，具有耦合到電流源上的第一端以及耦合到電壓源上的第二端，第一電容器的第一端提供參考電壓斜坡；一耦合在第一電容器上的開關，由開關控制訊號控制；以及配置一一次發射電路，產生一次發射訊號，根據比較器輸出訊號預定時間段，一次發射訊號耦合到開關上，作為開關控制訊號，在每個開關週期結束時，閉合開關預定時間段，對電容器放電，在剩餘的開關週期內打開開關。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的開關調節器，其中該一次發射訊號的預定時間段為10ns或更短。
  20. 如申請專利範圍第18項所述的開關調節器，其中該電流源提供第一電流，其電流值對第一電容器充電到每個開關週期快結 束時的終止電壓值。
  21. 如申請專利範圍第11項所述的開關調節器，其中該反饋電壓包括調節輸出電壓的分壓電壓。
  22. 一種用於開關調節器接收輸入電壓並產生調節輸出電壓的方法，其中開關調節器根據反饋控制系統，控制一高端開關和一低端開關，驅動一用於產生開關輸出電壓的開關輸出節點，開關輸出節點耦合到LC濾波器上，產生調節輸出電壓，在輸出節點上具有基本穩定的輸出電壓幅值，其中該方法包括：根據脈寬調節(PWM)訊號交替接通和斷開高端開關和低端開關，開關週期由固定頻率穩定接通時間控制系統決定，工作週期表示調節輸出電壓的電壓值，高端開關在工作週期接通，在剩餘的開關週期上斷開，低端開關交替斷開和接通；並且根據比較表示調節輸出電壓的反饋電壓與一參考電壓斜坡的比較輸出訊號，產生PWM訊號，其中參考電壓斜坡的電壓值在開關週期上從一初始電壓值變化到一終止電壓值。
  23. 如申請專利範圍第22項所述的方法，其進一步包括：產生參考電壓斜坡，對於高端開關不同的工作週期值具有相同的終止電壓值，不同的工作週期值表示不同的調節電壓值。
  24. 如申請專利範圍第23項所述的方法，其中該產生參考電壓斜坡的電壓值在每個開關週期開始時從初始電壓值開始向每個開關週期快結束時的終止電壓值不斷增大，參考電壓斜坡在每個開關週期結束時，複位至第一參考電壓。
  25. 如申請專利範圍第24項所述的方法，其中該產生參考電壓斜坡在每個開關週期結束時，對參考電壓斜坡放電到第一參考電 壓。
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