CN100479309C - 直流/直流变换器及其变换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种直流/直流变换器及其变换方法，特别涉及一种具有更高稳定性的直流/直流变换器。所述直流/直流变换器包括一个开关、一个电感、一个电容、一个电阻和一个电压分压器。开关连接到输入电压。电感用于将开关连接至直流/直流变换器的输出节点以在输出节点上生成输出电压。电容连接到输出电压上。电阻与电容串联并接地。分压器连接至电容两端，以减小直流/直流变换器的零点频率。本发明所提供的直流/直流变换器及其变换方法，可以使用造价低廉而且高电容值、低ESR阻值的陶瓷电容作为输出去耦电容。

Description

直流/直流变换器及其变换方法
技术领域
本发明是关于直流/直流变换器，尤其是降压直流/直流变换器及控制直流/直流变换器将输入电压变换为输出电压的方法。
背景技术
直流电流-直流电流变换器广泛用于电子领域。此类电路或设备通常使用半导体器件的开关控制将一个直流输入电压变换为一个预设值大小的平稳直流电压，其用途广为人知，是各类电子设备电源的重要组成部分。用于快速微处理器和芯片组的直流/直流控制器需要快速反应，以满足微处理器和芯片组负载的瞬时反应要求。然而，直流/直流变换器快速反应有可能引起电路稳定性方面的问题。传统的电压模式和电流模式控制器得益于外部补偿网络非常稳定，但是无法达到负载瞬时反应规格的要求。为保证稳定性和减轻负载瞬态反应，必须提高开关频率，而且滤波电容的等效串联电阻(ESR)应该足够高，以保证足够的相位裕度。直流/直流变换器的稳定性本质上决定于输出去耦电容的等效串联电阻。但是，典型的陶瓷输出去耦电容由于其等效串联电阻值低无法使用，以后将有详细描述。
现有技术图1为现有技术的典型的直流/直流变换器100。该直流/直流变换器用于将输入电压(VIN)变换为一个预设值的输出电压提供给负载120，该变换器包括两个开关102和104，一个电感106，一个电容108，电阻112和114，以及一个控制器116。开关102连接到直流/直流变换器100的输入电压和电感106上。开关104将开关102和电感106接地。开关102和104组成开关电路，负责将输入电压变换为预设值大小的输出电压。
控制器116在一个高端驱动(HDR)引脚上连接到开关102，在一个低端驱动(LDR)引脚上连接到开关104，并控制开关102和104的导通状态来控制直流/直流变换器100的输出电压。本领域技术人员显然知悉，在控制器116的高端驱动(HDR)引脚和低端驱动(LDR)引脚供给的脉冲宽度调制(PWM)信号将调整直流/直流变换器100的输出电压稳定在一个预设值上。
电感106的两端分别连接到开关102和直流/直流变换器100的一个输出节点上。电容108连接到直流/直流变换器100的输出节点上。电感106和电容108形成一个低通滤波器来平滑直流/直流变换器的输出。本领域技术人员显然知悉，电阻110是电容108的一个固有寄生电阻或等效串联电阻。
电阻112和114形成电压分压器。电阻112和114串联并将直流/直流变换器100的输出节点连接至地，以此在电阻112和114的共同节点上生成输出电压的一个分压电压。分压电压作为输出电压的回馈信号连接至控制器116的电压回馈(VFB)引脚。控制器116控制开关102和104来响应VFB节点上的回馈信号，以精确地生成预设值大小的输出电压。
本领域技术人员显然知悉，电容108上的电压纹波与电感106上的电流纹波成正比。电容108上的电压由电阻112和114来分压。以下方程(1)可以计算电容108引入的零频率Fz，亦即零点频率：
Fz = 1 2 π × Cout × ESR · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ( 1 )
其中Cout为电容108的电容值，ESR为电容108的E SR值或电阻110的阻值。
在此实例中，稳定条件是保证由结合ESR电阻110的电容108引入的零点频率Fz足够低，以部分降低或补偿电感电容，即电感106和电容108的双极的影响。从方程(1)可以看出，电阻110，也就是电容108的等效串联电阻，必须足够高，以使得零点频率Fz较低。然而，陶瓷输出去耦电容的ESR值是相对小的。这样，造价低廉的陶瓷输出去耦电容可能无法在直流/直流变换器100中使用。
陶瓷电容具有高电容低ESR值的特点，且造价低廉。故需要使用陶瓷电容。因为稳定性原因而不适用陶瓷电容的直流/直流变换器将会体积变大而且造价高昂。现有技术图1所示的电路结构另一个缺点是，由于控制器116的电压回馈节点上的输出电压纹波由分压器来分压，为保证稳定性，输出电压纹波必须足够高。回馈节点VFB上的电压纹波方能保证平稳的PWM运行。现有技术面临的这一问题将在文中详细解释。
发明内容
因此，需要有一种具有更高稳定性的直流/直流变换器，能够减小输出电压纹波而且能够使用造价低廉的陶瓷电容。本发明的一个目的，是提供一种用于直流/直流变换的电路，其输出电压纹波较小，且适合使用陶瓷电容作为输出去耦电容。
为达成以上目的，本发明提供了一种直流/直流变换器，用于将输入电压变换为输出电压。该直流/直流变换器包括一个开关、一个电感、一个电容、一个电阻和一个分压器。开关连接到输入电压。电感用于将这个开关连接至该直流/直流变换器的输出节点上以在输出节点上生成输出电压。电容连接到输出电压。分压器连接到电容两端。电阻与电容串联并接地。
本发明所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，还包括：一个连接到上述第一开关和分压器的控制器，分压器根据输出电压生成回馈电压，控制器根据回馈电压控制上述第一开关的导通状态。
本发明所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，所述分压器还包括：一个第二电阻；一个第三电阻，与上述第二电阻串联，来根据输出电压生成回馈电压。
本发明所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，还包括：一个连接到所述第一开关的控制器，该控制器接收所述回馈电压，并根据回馈电压来控制第一开关的导通状态。
本发明所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，所述电容为陶瓷电容。
本发明所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，还包括：一个第二开关，用于将第一开关接地。
本发明所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，还包括：一个连接到所述第一开关、第二开关和分压器的控制器，分压器根据输出电压生成回馈电压，控制器根据该回馈电压控制第二开关的导通状态。
本发明所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，所述控制器生成一个第一脉冲宽度调制(PWM)信号，传输给第一开关来控制其导通状态。
本发明所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，所述控制器生成一个第二PWM信号，传输给第二开关来控制其导通状态。
本发明所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，所述第二开关为二极管。
本发明所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，所述第二开关为MOS晶体管。
本发明所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，所述第一开关为MOS晶体管。
本发明还提供一种控制直流/直流变换器将输入电压变换为输出电压的方法，包括：接收输入电压；将第一开关连接至输入电压；将电感连接至上述第一开关以间断地从上述输入电压传输能量给电感；将电容和第一电阻以及上述电感串联；在上述电容两端生成一个回馈电压信号；根据所述回馈电压信号生成一个PWM信号使得上述第一开关间断生效，以便于从所述输入电压间断地传输能量给所述电感。
本发明所述的控制直流/直流变换器将输入电压变换为输出电压的方法，所述电容为陶瓷电容。
本发明所述的控制直流/直流变换器将输入电压变换为输出电压的方法，所述生成回馈电压信号还包括：连接两个电阻以形成分压器；将该分压器连接至所述电容两端。
本发明所述的控制直流/直流变换器将输入电压变换为输出电压的方法，还包括：连接一个第二开关至第一开关，以将第一开关接地；生成一个第二PWM信号以间断地使得所述第二开关生效。
本发明所提供的直流/直流变换器及其变换方法，可以使用造价低廉而且高电容值、低ESR阻值的陶瓷电容作为输出去耦电容。
附图说明
附图中类似编号代表类似部件，结合附图及其详细描述，本发明的实施例的特性和优点将显而易见。
图1为当前现有技术的直流/直流变换器。
图2为使用本发明实施例之一的直流/直流变换器。
具体实施方式
以下将对“具有更高稳定性的直流/直流变换器”的实施例作详细说明。当我们联系实施例描述本发明时，需要明确的是本发明并非限于这些实施例。相反，在不背离所附权利要求书所界定的范围和精神的前提下，本发明可以涵盖多种备选物、变体和等同物。
另外，以下对于本发明的详细描述涉及大量的具体细节，以便于理解。然而，本领域的普通技术人员应该理解，本发明也可在不使用这些具体细节的情况下实现。同时，为求简约并突出本发明的主旨，对于熟知的方案、程序、元件和电路不作赘述。
图2为使用本发明的实施例的直流/直流变换器200。该直流/直流变换器200用于将一个输入电压变换为预设值大小的输出电压提供给负载220，具体包括开关202和204，电感206，电容208，电阻210、212和214，以及控制器216。开关202将直流/直流变换器200的输入电压(VIN)连接至电感206。开关204连接到开关202和电感206。开关202和204形成开关电路，用于接收输入电压并变换为预设值大小。在本发明的一个实施例中，开关202和204为N型MOS(金属氧化物半导体)晶体管。本领域技术人员显然理解，在本发明的另一实施例中，开关204可以是二极管。在本发明的另一实施例中，开关202和204为P型MOS晶体管。
电感206的一端连接到开关202，另一端连接到直流/直流变换器200的输出节点。电容208和电阻210串联，这样将直流/直流变换器200的输出节点接地。电感206和电容208形成一个低通滤波器，以平滑直流/直流变换器200的输出。
电阻212和214串联，作为电压分压器。电阻212和214将直流/直流变换器200的输出节点通过电容208连接至电阻210。
在本发明的一个实施例中，控制器216为包含一个高端驱动(HDR)引脚、一个低端驱动(LDR)引脚和一个VFB引脚的集成电路(IC)。控制器216的高端驱动(HDR)引脚连接到开关202以控制开关202的导通状态，以此来控制直流/直流变换器200的输出电压。在本发明的一个实施例中，从控制器216的高端驱动(HDR)引脚发送一个PWD信号来调整直流/直流变换器200的输出电压至预设值。从电阻212和214之间的节点传输一个回馈信号给控制器216的VFB引脚。控制器216根据VFB引脚的回馈信号来控制开关202和204的导通状态。
在本发明的一个实施例中，使用一个第一PWM信号来使得开关202工作和失效，使用一个第二PWM信号来使得开关204工作和失效。第一PWM信号和第二PWM信号可以彼此相反而有一个重叠失效短时间，以此来避免开关202和开关204同时工作。
参照图2，直流/直流变换器200的零点频率低于现有技术图1所示的直流/直流变换器100，其大小取决于电阻210，分压器中的电阻212和214的阻值比，以及输出电容208。零点频率Fz的大小可以由方程(2)计算：
Fz = 1 2 π × Cout × R 210 × ( R 212 + R 214 ) / R 214 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ( 2 )
此处Cout为电容208的大小，R210，R212和R214分别为电阻210，212和214的大小。本领域技术人员显然理解，通过调整电阻210，或者是调整电阻212和214的大小比例，可以获得所需大小的或者是预设值大小的Fz。在本发明的一个实施例中，设定电阻212和214的阻值比可以满足控制器216中参考电压的要求以输出理想大小的输出电压，而零点频率Fz仅仅由电阻210来调整。相比于现有技术图1中的传统直流/直流变换器，电阻210是额外增加的一个电阻，而非电容208的等效串联电阻，其大小可以远远小于电容108的ESR电阻110，而在VFB上产生相同的纹波。在此实施例中，电容208无需高ESR阻值。这样就可以使用造价低廉而且高电容值、低ESR阻值的陶瓷电容作为输出去耦电容208。
另外，由于输出电压纹波作用于电阻分压器的两面，输出电压纹波不是在VFB层上分压。这样，确保变换器稳定性所需的输出纹波电压大为减小。参照图2，本领域技术人员还应理解，电容208上的电压由电阻212和214来分压。电阻210上生成的电压纹波在电压回馈节点VFB上完全可见，因此输出电压纹波可以大大减小。另外，当不考虑纹波电压时，电容208也可减小以降低整体成本。
需要说明的是，本发明的思路可以用于任何类型的直流/直流降压变换器。而且，也可用于其它类型的电源变换器。
本申请的优先权基于同时待决的临时专利申请“具有更高稳定性的直流/直流变换器”，序列号60/710,025，申请日期2005年8月19日，其受让人与本申请的申请人相同，故其内容完全参照合并于此。
以上描述和附图仅为本发明的常见实施例，应该理解，在不背离后附权利要求书所界定的本发明原理的精神和范围的前提下，可以有各种增补、修改和替代物。本领域技术人员将欣然看到，在不背离本发明原则的前提下，根据具体环境和操作要求，本发明的实现，可以在形式、结构、安排、比例、材料、要素和元件及其它方面有所修改。在此公开的实施例，应视为说明性而非限制性，本发明的范围由后附权利要求书及其合法等同物来界定，而非限于以上描述。

Claims (16)

1.一种用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，其特征在于，所述用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器包括：
一个第一开关，连接至输入电压；
一个电感，用于连接上述第一开关至所述直流/直流变换器的输出节点以在所述输出节点上产生输出电压；
一个电容，连接到输出电压上；
一个分压器，连接到上述电容两端；
一个第一电阻，与上述电容串联并接地。
2.根据权利要求1所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，其特征在于，还包括：
一个连接到上述第一开关和分压器的控制器，分压器根据输出电压生成回馈电压，控制器根据回馈电压控制上述第一开关的导通状态。
3.根据权利要求1所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，其特征在于，所述分压器还包括：
一个第二电阻；
一个第三电阻，与上述第二电阻串联，来根据输出电压生成回馈电压。
4.根据权利要求3所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，其特征在于，还包括：
一个连接到所述第一开关的控制器，该控制器接收所述回馈电压，并根据回馈电压来控制第一开关的导通状态。
5.根据权利要求1所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，其特征在于，所述电容为陶瓷电容。
6.根据权利要求1所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，其特征在于，还包括：
一个第二开关，用于将第一开关接地。
7.根据权利要求6所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，其特征在于，还包括：
一个连接到所述第一开关、第二开关和分压器的控制器，分压器根据输出电压生成回馈电压，控制器根据该回馈电压控制第二开关的导通状态。
8.根据权利要求7所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，其特征在于，所述控制器生成一个第一脉冲宽度调制信号，传输给第一开关来控制其导通状态。
9.根据权利要求8所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，其特征在于，所述控制器生成一个第二脉冲宽度调制信号，传输给第二开关来控制其导通状态。
10.根据权利要求6所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，其特征在于，所述第二开关为二极管。
11.根据权利要求6所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，其特征在于，所述第二开关为金属氧化物半导体晶体管。
12.根据权利要求1所述的用于将输入电压变换为输出电压的直流/直流变换器，其特征在于，所述第一开关为金属氧化物半导体晶体管。
13.一种控制直流/直流变换器将输入电压变换为输出电压的方法，其特征在于，包括：
接收输入电压；
将第一开关连接至输入电压；
将电感连接至上述第一开关以间断地从上述输入电压传输能量给电感；
将电容和第一电阻以及上述电感串联；
在上述电容两端生成一个回馈电压信号；
根据所述回馈电压信号生成一个脉冲宽度调制信号使得上述第一开关间断生效，以便于从所述输入电压间断地传输能量给所述电感。
14.根据权利要求13所述的控制直流/直流变换器将输入电压变换为输出电压的方法，其特征在于，所述电容为陶瓷电容。
15.根据权利要求13所述的控制直流/直流变换器将输入电压变换为输出电压的方法，其特征在于，所述生成回馈电压信号还包括：
连接两个电阻以形成分压器；
将该分压器连接至所述电容两端。
16.根据权利要求13所述的控制直流/直流变换器将输入电压变换为输出电压的方法，其特征在于，还包括：
连接一个第二开关至第一开关，以将第一开关接地；
生成一个第二脉冲宽度调制信号以间断地使得所述第二开关生效。
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