CN100446391C - 具有改进的负载降低瞬态响应的降压转换器 - Google Patents

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Abstract

一种在输出电流下降期间具有改进的瞬态响应的同步降压转换器，包括：连接于输入节点和第一节点之间的第一开关晶体管；连接于第一节点和第二节点之间的第二开关晶体管；连接于第一节点和输出节点之间的串联电感器；连接于输出节点和第二节点之间的输出电容；第一驱动电路，根据误差信号确定的可变占空比来使第一开关晶体管导通和关断，误差信号表示转换器输出电压与基准电压的差值；检测电路，在第一开关晶体管的占空比为0时提供控制信号；第二驱动电路，响应于控制信号而关断第二开关晶体管；第二检测电路，在电感器的耗散电流为0时提供第二控制信号，其中，当电感器耗散电流为0时，第二驱动电路响应于第二控制信号而导通第二开关晶体管。

Description

具有改进的负载降低瞬态响应的降压转换器
相关申请的引用
本申请要求于2005年4月15日提交的、题为“具有改进的负载降低瞬态响应的降压转换器”的第60/671,561号美国临时申请的优先权，并且该申请的全部内容通过引用而并入本文。
背景技术
图1图解说明了同步降压转换器的基本结构。电路100包括串联开关102，所述串联开关通常为功率MOSFET或类似的元件，并且其源漏路径连接于输入端104和第一信号节点106之间；并联开关108，也通常为功率MOSFET或类似的元件；以及输出电路，其包括串联电感器112和在信号输出节点116处连接到电感器112并且连接到地线110的并联电容114。如果想要在开关108的死区时间(deadtime)内，提供传导以减小与MOSFET 108内部的本体二极管有关的二极管反向恢复损耗，则可以将肖特基二极管118这样的二极管与MOSFET 108并联。如果认为较高的开关损耗比外部肖特基二极管的附加成本更可取，则不需要单独的二极管118。
通过输入电容111，在输入端104和地线110之间提供直流(D.C.)输入电压VIN，并且将小于VIN的输出电压VOUT提供给连接于信号输出节点116和地线110之间的负载124。
通过选择性地改变MOSFET 102和108的通-断占空比来控制输出电压。由连接到MOSFET的栅极端、并由脉宽调制电路124来驱动的选通控制逻辑或者驱动电路120来控制输出电压，其中，所述脉宽调制电路包括PWM发生器124，而所述PWM发生器采用由误差放大器126所提供的信号，将所需的开关频率的斜坡信号与固定的最大(波峰)和最小(波谷)值进行比较。所述误差放大器根据由信号线128上的反馈信号VFB所表示的实际的输出电压与第二输入端130提供的期望的输出电压信号VREF之间的差值，来提供输出信号VE。
在工作过程中，通过令MOSFET 102导通以及MOSFET 108关断，使电感器112上的电压等于VIN-VOUT，并且所形成的电流给电容114充电。为了保持电容114上的电压基本稳定，可以采用VE的预定值来控制PWM电路124和选通驱动器120，以便在适当的时候令MOSFET102关断而令MOSFET 108导通。当MOSFET 108导通时，MOSFET108的非常低的源漏电阻会使电路维持流过电感112的电流。因此，这样可以给电容器114充电，并且在MOSFET的几个通-断周期之后，可以达到稳态的输出电压。图1所示的电路的工作对本领域技术人员来说是公知的，因此在此省略了进一步的描述以节省篇幅。
当需要超过MOSFET 102和108的容量的输出电流时，如本领域中所公知的那样，可以采用多相的降压转换器。在这种情况下，N个同步降压转换器级被连接到输入节点和公共地线之间，并且它们的输出为输出节点馈电。因此，每一级都贡献了所需的电流需量的一部分。这种结构对于本领域技术人员来说也是公知的，因此也省略了进一步的描述。
总的来说，负载升高，即电流需量的增加趋向于使输出电压VO降低，而输出电压的降低通常由串联MOSFET 102的导通时间增加来补偿。另一方面，负载降低，即电流需量的减少趋向于使输出电压升高，而所述输出电压的升高通常由串联MOSFET 102的导通时间减小来补偿。
参照图1，显然，如果VIN为12V而VOUT为1.0V，则当串联MOSFET102导通而并联MOSFET 108关断，以增加通过电感器112的电流时，电感器112上的电压将为VIN-VOUT＝11V，从而将会使电感器电流IL增大。当串联MOSFET 102关断而并联MOSFET 108导通时，则电感器112上的电压将为-VOUT＝-1V，从而将会使电感器电流IL减小。在稳态工作期间，电感器112内部的电流增加部分与电流减小部分相同，而电流的直流成分与输出电流相同。
但是，当负载降低时，电感器电流IL将大于输出的负载电流ILOAD，因而二者的电流之差会流入输出电容114中，从而导致输出电压过冲。直到电感器电流IL下降到已降低的输出负载的电流水平时，该过冲才会停止。电流耗散的速度将影响过冲的大小，但过冲的大小是由所述电感器上的负电压来决定的。
美国专利6,753,723的说明书和附图的全部内容通过引用而并入本文。在所述专利中，公开了一项通过利用所谓的本体制动效应(bodybraking effect)来改进电流减小期间同步降压转换器的瞬态响应的技术。在这项专利中，当串联(高边)MOSFET 102的占空比为0时，由检测电路来提供控制信号输出，以表明负载电流的减小。驱动电路响应于所述检测电路的控制信号输出，以关断并联或低边MOSFET108。
图2图解说明了降压转换电路的示范性实施方案，其中所述电路包括了第6,753,723号专利的上述特征。图2采用相同的附图标记来表示与图1中的元件相对应的元件。图2所示的电路200除了包括0％占空比检测器202，以产生输出信号来表明在整个开关周期内都需要保持串联MOSFET 102关断之外，其电路结构均与图1所示的电路相似。例如，当由于负载降低而导致的过冲使所述电压输出高于常规点时，生成所述输出信号。
通过将误差电压VE与具有固定的波峰值和波谷值的三角斜坡电压进行比较，而生成PWM 124的输出，因此高于斜坡电压波峰值的VE值需要100％的占空比，而低于斜坡电压波谷值的VE值需要0％的占空比。因此，零占空比检测电路202可以是这样的电路：连接到误差放大器206的输出端，以检测VE是否低于固定的斜坡波谷电压。
零占空比检测器202的输出信号优选地连接到与门208的一个输入端。由串联MOSFET 102的选通信号通过反相器210来提供第二输入信号。与电路209的输出驱动并联MOSFET 108的栅极，从而当串联MOSFET 102的占空比为0时，两个MOSFET均保持关断，并且电感器的电流IL可以通过并联MOSFET 102的本体二极管来耗散。
这种结构的优点在于，例如，并联MOSFET的本体二极管和/或肖特基二极管118上的压降高于MOSFET 108的传导通道的压降，从而瞬态电流可以更快速地耗散。
虽然图2的电路能够使输出电压更快速下降，但该电路的性能还可能进一步改进，尤其在电感器的耗散电流达到0的情况下。
发明内容
如上所述，本发明进一步改进了第6,753,723号专利中所公开的技术。根据本发明，并不采用第6,753,723号专利中所提供的技术，即允许电感器电流IL通过本体制动效应来完成耗散，而是提供第二检测电路即电感器电流检测元件来检测电感器耗散电流何时达到0。此时，低边MOSFET 108导通并且保持导通状态，直到输出电压达到规定值。
由于过冲与输出电容成反比，因此采用传统的较大而昂贵的输出电容来减小过冲。为了避免采用较大而昂贵的输出电容，可以在负载降低期间通过完全关断并联MOSFET 108，从而允许耗散电流流过MOSFET 108的本体二极管和并联肖特基二极管118，以便更快速的释放电感器112中的能量，其中通过上述两个二极管会比通过第6,753,723号专利中所讨论的MOSFET产生更大的压降。
当电感器的电流IL达到0时，通过导通低边MOSFET 108，可以使反向电流从电感器112流过低边MOSFET 108的通道。因此，输出电压VO迅速地下降以校正过冲。
根据本发明，提供一种在输出电流下降期间具有改进的瞬态响应的同步降压转换器，包括：第一开关晶体管，连接于输入节点和第一节点之间；第二开关晶体管，连接于所述第一节点和第二节点之间；串联电感器，连接于所述第一节点和输出节点之间；输出电容，连接于所述输出节点和所述第二节点之间；第一驱动电路，用于根据由误差信号所确定的可变占空比，来使所述第一开关晶体管导通和关断，所述误差信号表示所述转换器输出的电压与基准电压之间的差值；检测电路，用于在所述第一开关晶体管的占空比为0时，提供控制信号；第二驱动电路，其响应于所述检测电路所输出的所述控制信号而关断所述第二开关晶体管；以及第二检测电路，用于在所述电感器的耗散电流为0时，提供第二控制信号，其中，当所述电感器的耗散电流为0时，所述第二驱动电路响应于所述第二控制信号而导通所述第二开关晶体管。
根据本发明的实施方案，提供一种在输出电流下降期间具有改进的瞬态响应的同步降压转换器，包括：串联MOSFET，连接于输入节点和第一节点之间；并联MOSFET，连接于所述第一节点和第二节点之间；串联电感器，连接于所述第一节点和输出节点之间；输出电容，连接于所述输出节点和所述第二节点之间；第一驱动电路，用于根据由误差信号所确定的可变占空比，来使所述第一开关晶体管导通和关断，所述误差信号表示所述转换器输出的电压与基准电压之间的差值；检测电路，用于在所述串联MOSFET的占空比为0时，提供控制信号；第二驱动电路，其响应于所述检测电路所输出的所述控制信号而关断所述并联MOSFET；以及第二检测电路，用于在所述电感器的耗散电流为0时，提供第二控制信号，其中，当所述电感器的耗散电流为0时，所述并联MOSFET响应于所述第二控制信号而导通所述并联MOSFET。
附图说明
图1是用于从总体上来解释同步降压转换器的工作的示意图；
图2图解说明了根据美国专利6,753,723的实施方案、用于改进负载降低期间的瞬态特性的技术；
图3图解说明了根据本申请的实施方案、用于进一步改进负载降低期间的瞬态特性的技术；
图4是与图2所示的电路相关的波形图；
图5是与根据本申请的实施方案的、图3所示的电路相关的波形图。
具体实施方式
图3图解说明了根据本申请的实施方案的降压转换器电路300。图3的电路与图2的电路相似，并且采用相同的附图标记来表示相同的元件。图3的电路与图2的电路之间的区别在于：提供电感器电流检测器件310来检测电感器耗散电流IL何时达到0。当电感器电流为0时，利用电感器电流检测器件的输出来导通低边MOSFET 108。
在图3的转换器电路300中，如果负载电流ILOAD下降，零占空比检测器202则检测串联晶体管102的占空比是否为0％。如果串联晶体管102的占空比为0％，零占空比检测器则提供控制信号来关断低边MOSFET 108，以便获得如第6,753,723号专利所述的本体制动效果。电感器电流检测器件310在监控电感器电流IL的同时还提供第二控制信号来表示电感器电流为0。该第二控制信号用于重新导通低边MOSFET 108。
在优选的实施方案中，将与门208的输出作为或门312的一个输入，并且将所述电感器电流检测器件的输出连接到或门312的另一个输入端。将或门312的输出(LGATE)连接到低边或并联MOSFET 108的栅极。因此，当串联MOSFET 102的占空比为0％时，通过与门208和或门312来向并联MOSFET 108提供控制信号，以如第6,753,723号专利中所述那样关断所述MOSFET。因此，所述电感器耗散电流流过MOSFET 104的本体二极管和/或肖特基二极管118(如果提供了该二极管)，从而产生了更大的压降，并提高了所述电感器耗散电流的减小速度。但是，当电感器电流达到0时，电感器电流检测器件310优选地经由或门312向MOSFET 108的栅极提供信号，以重新导通MOSFET 108。因此，负向电流可以从电感器112流过低边MOSFET108，以快速地降低输出电压VO。可以通过任何适当的方式来实现用以监控电感器电流的电感器电流检测器件310。类似地，也可以采用任何适当的逻辑电路来向MOSFET 108提供所述第一和第二控制信号。
图4是示出图2的转换器电路200的负载电流ILOAD、电感器电流IL以及输出电压VO的波形图。可以看出，虽然采用了第6,753,723号专利中的本体制动方法来使电感器电流IL迅速耗散，但是输出电压VO没有迅速地耗散。也就是说，由于输出电压VO与负载电流ILOAD是成比例的，并且负载电流ILOAD相对较小，因此输出电压没有迅速地下降。如图所示，信号LGATE表明了何时导通或关断MOSFET 108。
另一方面，图5示出了根据本申请的实施方案的、图3的转换器电路300的负载电流ILOAD、电感器电流IL以及输出电压VO的波形图。从图5的波形图可以看出，在MOSFET 108重新导通之后，反向电流从电感器112流过MOSFET 108，起到快速降低输出电压VO的作用。因此，输出电压将快速降至期望水平。在输出电压接近期望水平之后，MOSFET 108可再次关断。如图所示，信号LGATE表明了何时导通或关断MOSFET 108。
当输出电压VO接近期望值时，信号VE将会在PWM器件124的斜坡信号的波峰和波谷之间的范围内变化。因此，串联MOSFET 102的占空比将不再是0％，因此本体制动技术就不再必要。进一步，当输出电压VO达到期望水平时，电感器电流检测器件310也可操作用来改变提供给MOSFET 108的控制信号。因此，MOSFET 108的通/断状态将完全由(例如)PWM器件124所提供的PWM信号来控制。
尽管根据本发明的具体实施方案来描述了本发明，但是其他的变化、修改和应用对于本领域技术人员来说都是显而易见的。因此，本发明并不受到本文特定公开的限制，而仅受到所附的权利要求的限制。

Claims (4)

1.一种在输出电流下降期间具有改进的瞬态响应的同步降压转换器，包括：
第一开关晶体管，连接于输入节点和第一节点之间；
第二开关晶体管，连接于所述第一节点和第二节点之间；
串联电感器，连接于所述第一节点和输出节点之间；
输出电容，连接于所述输出节点和所述第二节点之间；
第一驱动电路，用于根据由误差信号所确定的可变占空比，来使所述第一开关晶体管导通和关断，所述误差信号表示所述转换器的输出电压与基准电压之间的差值；
检测电路，用于在所述第一开关晶体管的占空比为0时，提供控制信号；
第二驱动电路，其响应于所述检测电路所输出的所述控制信号而关断所述第二开关晶体管；以及
第二检测电路，用于在所述电感器的耗散电流为0时，提供第二控制信号，其中，所述电感器连接至所述输出节点，当所述电感器的耗散电流为0时，所述第二驱动电路响应于所述第二控制信号而导通所述第二开关晶体管，从而使得反向电流从所述电感器流过所述第二开关晶体管，并使得所述输出节点处的所述输出电压的降低增强。
2.如权利要求1所述的同步降压转换器，其中，所述第二检测电路用于在所述输出电压达到期望值时，改变所述第二控制信号，从而关断所述第二开关晶体管。
3.如权利要求1所述的同步降压转换器，其中：
所述第一开关晶体管是MOSFET，其连接于所述输入节点和所述第一节点之间；
所述第二开关晶体管是MOSFET，其连接于所述第一节点和所述第二节点之间。
4.如权利要求3所述的同步降压转换器，其中，所述第二检测电路用于在所述输出电压达到期望值时，改变所述第二控制信号，从而关断所述第二开关晶体管。
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