CN101132148A - 电压转换器和使用该电压转换器的方法 - Google Patents

Abstract

示例实施例涉及一种电压转换器，其具有功率开关单元、模拟－数字转换(ADC)单元、数字低通滤波器(LPF)、误差值(EV)计算器、以及开关信号产生器。功率开关单元可通过响应于开关信号在输出端以及功率电压和接地电压之一之间切换，产生输出电压。ADC单元可输出所转换的功率电平信号和所转换的输出电平信号。EV计算器可通过比较从数字LPF输出的经低通滤波的功率电平信号和经低通滤波的输出电平信号、以及输出设定值，产生EV。开关信号产生器可产生开关信号用于调整时间间隔，所述时间间隔期间输出端连接到功率电压和接地电压之一。

Description

电压转换器和使用该电压转换器的方法

技术领域

示例实施例涉及电压转换器，特别是涉及一种开关调节器类型的DC-DC转换器。

背景技术

DC-DC转换器一般指用于将DC电压转换到具有不同电压电平的另一DC电压的电路。DC-DC转换器还可以提供由用户选择的DC电压。DC-DC转换器还可以用于维持恒定电压，其中DC-DC转换器可具有可反馈输出电压并将设定电压与输出电压比较的结构。

开关调节器可以是一种类型的DC-DC转换器。开关调节器可以将输出电压与设定电压比较。然后可以从输出电压和设定电压之间的误差产生脉冲宽度调制信号。可串联耦合并由脉冲宽度信号控制的PMOS功率晶体管和NMOS晶体管，可产生输出电压。

传统的开关调节器可包括功率切换单元、低通滤波器、误差放大器、和模拟脉冲调制器。开关调节器还可包括sigma delta调制器以及栅极驱动器，以替代模拟脉冲宽度调制器。

开关调节器中包括的误差放大器和sigma delta调制器可用模拟电路或数字电路实现。当误差放大器用模拟电路实现时，误差放大器可接收输出电压Vout，并且将电压Vset设定为模拟值。误差值还可对应于一模拟值。sigma delta调制器可用模拟电路实现，并且sigma delta调制器可根据误差值EV产生。当误差放大器用数字电路实现时，输出电压Vout和设定电压可被转换为数字值。对应于误差值EV的数字值然后可通过将输出电压Vout与设定电压Vset比较而输出。sigma delta调制器还可用数字电路实现。

无论开关调节器用模拟电路还是数字电路实现，开关调节器可接收输出电压Vout作为反馈。因此，保留在输出电压Vout中的开关噪声分量、根据负载变化的输出电压Vout的变化、以及由于谐波和自调制造成的噪声分量，可影响误差值EV。功率电压VDD的变化也可影响开关调节器的输出电压Vout。

发明内容

示例实施例因此贯注于一种电压转换器和其方法，其基本上克服由于相关技术的限制和缺点造成的一个或更多的问题。

因此示例实施例的一个特征是提供一种能够补偿功率电压变化的DC-DC转换器。

因此示例实施例的另一个特征是减少由开关操作造成的噪声。

因此示例实施例的另一个特征是通过用数字电路替换传统的模拟电路增加集成度。

因此示例实施例的另一个特征是提供一种转换DC-DC转换器的方法，其可以补偿功率电压的变化并减小噪声。

示例实施例的上述和其他特征之一可提供一种电压转换器，其具有功率开关单元、模拟-数字转换单元、数字低通滤波器、误差值计算器、以及开关信号产生器。功率开关单元可被配置来接收功率电压和接地电压，并可被配置来通过响应于开关信号在输出端以及功率电压和接地电压之一之间切换来产生输出电压。模拟-数字转换单元可被配置来通过采样对应于数字信号的功率电压、输出电压、所转换的功率电平信号以及所转换的输出电平信号，输出所转换的功率电平信号和所转换的输出电平信号。数字低通滤波器可被配置来对所转换的功率电平信号和所转换的输出电平信号执行低通滤波。误差值计算器可被配置来通过将经低通滤波的功率电平信号、经低通滤波的输出电平信号和输出设定值比较而产生误差值。开关信号产生器可被配置来产生开关信号，用于调整将输出端连接到功率电压和接地电压之一的时间间隔。

误差值计算器可输出：输出设定值与第一补偿值和第二补偿值的和之间的差值，第一补偿值对应经低通滤波的功率电平信号和第一增益因子的乘积值，并且第二补偿值对应经低通滤波的输出电平信号和第二增益因子的乘积值。

误差值计算器可包括：第一乘法器，其被配置来通过将经低通滤波的功率电平信号和第一增益因子相乘输出第一补偿信号；第二乘法器，其被配置来通过将经低通滤波的输出电平信号和第二增益因子相乘输出第二补偿信号；以及减法器，其被配置来输出该输出设定值与第一补偿值和第二补偿值的和之间的差值。

误差值计算器可输出该输出设定值与第一补偿值、第二补偿值和整个系统的偏置值的和之间的差值。

误差值计算器可包括：第一乘法器，其被配置来通过将经低通滤波的功率电平信号与第一增益因子相乘以输出第一补偿信号；第二乘法器，其被配置来通过将经低通滤波的输出电平信号与第二增益因子相乘以输出第二补偿信号；以及减法器，其被配置来输出该输出设定值与第一补偿值、第二补偿值和偏置值的和之间的差值。

功率开关单元可包括PMOS功率晶体管和NMOS功率晶体管，其串联地耦合在功率电压和接地电压之间，并且PMOS功率晶体管和NMOS功率晶体管的栅极端被配置来接收开关信号。

模拟-数字转换单元可包括模拟sigma delta调制器。

开关信号产生器可被配置来产生开关信号，使得开关信号的脉冲宽度可基于误差值确定。

开关信号产生器可包括：数字多位sigma delta调制器，其被配置来将误差值调制成具有减少位数的脉冲编码调制信号；以及脉冲宽度调制器，其用于产生开关信号，使得开关信号的脉冲宽度可基于脉冲编码调制信号确定。

电压转换器可以是DC-DC转换器。

示例实施例的上述和其他特征的至少之一可以提供一种转换电压的方法。该方法可包括：通过响应于开关信号在输出端以及功率电压和接地电压之一之间切换，从功率电压和接地电压产生输出电压；通过采样功率电压和输出电压产生功率电平信号和输出电平信号；对功率电平信号和输出电平信号执行低通滤波；通过将经低通滤波的功率电平信号、经低通滤波的输出电平信号、和输出设定值比较产生误差值；以及通过调整将输出端连接至功率电压和接地电压之一的时间间隔产生开关信号。

附图说明

对于本领域普通技术人员，通过参照附图详细描述其示例实施例可使上述和其他的特征和优点将变得更加明显，附图中：

图1图示根据示例实施例的DC-DC转换器的框图；

图2图示图1中的误差值计算器的框图；以及

图3图示仿真根据示例实施例的DC-DC转换器的结果的图。

具体实施方式

于2006年8月22日向韩国知识产权局提交的、题为“用于补偿功率电压变化的DC-DC转换器和DC-DC转换的方法”的韩国专利申请No.2006-79447，在此通过引用被全文并入。

现在将参照附图，在下面更完整地描述示例实施例。然而，本发明可以以不同的形式实现，并且不应被释为限制于在此提出的实施例。相反地，提供这些示例实施例，使得对于本领域的技术人员，该公开将是彻底和完全的，并且将完整地传达本发明的范围。

图1图示根据示例实施例的DC-DC转换器20的框图。

参照图1，DC-DC转换器20可包括：功率开关单元21、第一低通滤波器22、高分辨率模拟-数字转换器(ADC)23、第二低通滤波器24、误差值计算器25、控制器26、以及开关信号产生器27。应当认识到，在DC-DC转换器20中可以并入其他装置和/或部件。

功率开关单元21可包括PMOS晶体管MP和NMOS晶体管MN，其串联耦合在功率电压VDD和接地电压GND之间。可以向PMOS晶体管MP和NMOS晶体管MN的栅极提供开关信号SW。PMOS晶体管MP和NMOS晶体管MN之一可根据开关信号SW的脉冲宽度导通。PMOS晶体管MP的漏极端可耦合至NMOS晶体管MN的漏极端，并且具有波纹的输出信号VO可在耦合的漏极端输出。

第一低通滤波器22可滤波包括波纹的输出信号VO，并且可输出直流(DC)电平的输出电压Vout。输出信号VO的波纹可以通过低通滤波器22消除。低通滤波器22可例如用无源元件实现。

高分辨率ADC 23可将输出电压Vout和功率电压VDD分别转换为输出电平信号Vout1和功率电平信号VDD1。所转换的输出电平信号Vout1和所转换的功率电平信号VDD1可以是例如数字信号。高分辨率ADC 23可以利用用于精确检测误差值的高分辨率运行。高分辨率ADC 23的转换速度可以是例如高于开关信号SW的运行频率大约两倍或三倍。高分辨率ADC 23可以用例如1位模拟sigma delta调制器实现。高分辨率ADC 23可以产生(例如但不限于)低功率耗散、高分辨率和/或噪声成形。因此，模拟sigma delta调制器可适用于调制低频。

高分辨率ADC 23可以用单个ADC实现，用于可选地转换输出电压Vout和功率电压VDD。作为替代，高分辨率ADC 23还可用两个或更多并行设置的ADC实现，用于分别将输出电压Vout和功率电压VDD转换为数字信号。

第二低通滤波器24可对从高分辨率ADC 23输出的数字信号(例如，输出电平信号Vout1和功率电平信号VDD1)执行低通滤波。第二低通滤波器24可对应用于转换数字信号的数字滤波器。数字滤波器可精确地截止频率，而不管元件的集成度。第二低通滤波器24可用例如共射共基集成梳状(CIC)低通滤波器实现。通过实现CIC低通滤波器，频带外噪声分量(其可由ADC23中的过采样产生)、热噪声(其可在整个系统中产生)、以及功率开关单元21的开关噪声分量可被防止和/或减少影响整个系统。例如，通过由CIC滤波器将从1位sigma delta调制器输出的脉冲密度调制(PDM)信号转换为脉冲编码调制(PCM)信号，高频噪声可以减少。由于随噪声降低可能变得更加稳定的反馈电路的特性，可能需要每个元件具有减少噪声的结构。

通过将功率电平信号VDD2和输出电平信号Vout2与输出电压设定值Vset比较，误差值计算器25可输出对应于数字信号的误差值EV，其中输出电平信号Vout2的噪声可通过第二低通滤波器24减少。输出电压设定值Vset可被设置为高分辨率，因为数字输出电平信号Vout2也可被设置为高分辨率。结果，可产生误差值EV。

控制器26可向误差值计算器25提供输出电压设定值Vset、增益因子GF、以及偏置值OV。输出电压设定值Vset、增益因子GF、以及偏置值OV每个可以由用户设定和/或可以自动设定。

开关信号产生器27可接收对应于高分辨率数字信号的误差值EV，并且可产生开关信号SW。开关信号产生器27可包括数字sigma delta调制器28以及脉冲宽度调制信号产生器29，例如栅极驱动器。当使用数字sigma delta调制器28时，可利用噪声成形技术(即，sigma delta调制的特性)。换句话说，数字sigma delta调制器28可减少由于噪声成形特性造成的频带内噪声。因此，模拟低通滤波器或数字低通滤波器可用来防止和/或减少增加频带外噪声的可能性。此外，数字sigma delta调制器28当提供稳定性、速度耗散和功率耗散时可被实现为具有低阶(low order)结构。数字sigma delta调制器28可产生多位脉冲编码调制(PCM)信号。多位PCM信号可经由脉冲宽度调制信号产生器29被转换为开关信号SW。开关信号SW可以是例如PWM信号类型。

图2图示图1中的误差值计算器25的框图。

参照图2，误差值计算器25可包括：第一乘法器251、第二乘法器252、以及减法器253。第一乘法器251可输出对应于功率电平信号VDD2和第一增益因子GF1的乘积值的第一补偿信号VDD3。第二乘法器252可输出对应于输出电平信号Vout2和第二增益因子GF2的乘积值的第二补偿信号。减法器253可输出对应于第一补偿信号VDD3加上第二补偿信号Vout3减去输出电压设定值Vset的误差值EV。

此后，将详细描述误差值计算器25的操作。

通过实时采样提供给功率开关单元21的电压电平，可以获得功率电平信号VDD2。因此，功率电压VDD的时间变化可以反映到采样的信号中。例如，由电池提供的功率电压电平的增加或减少，例如可以通过采样功率电压VDD来反映。第一增益因子GF1可以是用于补偿功率电压VDD电平变化的增益因子。第一增益因子GF1可以根据检测的功率电压电平VDD1自动地设定。作为替代，第一增益因子GF1可以由用户外部地设定。

输出电平信号Vout2可以通过实时采样输出电压Vout获得。因此，当输出电压Vout根据用户的设置或接收输出电压Vout的系统的操作改变时，输出电压Vout的时间变化也可以反映到采样的信号中。第二增益因子GF2可以是用于反映输出电压Vout的设定值的变化的增益因子。第二增益因子GF2也可以基于输出电压设定值Vset确定。第二增益因子GF2可以自动地设定，或可以由用户外部地设定。

在由第一增益因子GF1和第二增益因子GF2缩放后，功率电平信号VDD2和输出电平信号Vout2可以分别提供给减法器253。减法器253通过从第一补偿信号VDD3和第二补偿信号Vout3的和减去输出电压设定值Vset，可以输出误差值EV。

在示例实施例中，减后的值可以不对应输出电压Vout的电平和输出电压设定值Vset之间确切的差。然而，减后的值可以反映输出电压Vout的电平和输出电压设定值Vset之间的差。输出电压Vout可以通过由整个系统负载耗散的电流和从功率开关单元21提供的电流而确定。因此，误差值EV可以直接与驱动功率开关单元21的开关信号SW的脉冲宽度的占空比相关。

当功率开关单元21为维持输出电压Vout需要向负载提供更多的电流时，可能需要增加误差值EV。相反，当功率开关单元21为维持输出电压Vout需要向负载提供更少的电流时，可能需要减小误差值EV。因此，误差值EV的范围可以对应开关信号SW的脉冲宽度的范围。因此，输出电压设定值Vset和功率电压的测量值之间的差可不用作误差值EV。

在另一示例实施例中，第一补偿信号VDD3和第二补偿信号Vout3可以通过补偿输出电压Vout1和功率电压VDD1的测量值来产生。然后，可计算输出电压设定值与第一补偿信号VDD3和第二补偿信号Vout3的和之间的差，作为误差值EV。

进一步，偏置值OV可以从控制器26提供至减法器253，用于经由整个系统可包括的偏置反映输出电压Vout的影响。

图3图示仿真根据示例实施例的DC-DC转换器20的结果的图。

参照图3，功率电压VDD初始可以是大约4.2V。功率电压VDD可以根据时间的经过而减少到大约3.7V，然后减少到大约3.2V。输出电压Vout可以对应大约2.1V。其中可提供输出电压Vout的系统的负载，可根据经过的时间改变至大约10ohm或大约1000ohm。输出电压Vout、功率电平信号VDD和误差值EV可对应具有从例如-8192到+8191的16384步长的14位量化数字码。数字sigma delta调制器28可接收14位误差值，并且可调制误差值EV。数字sigma delta调制器28(图1中所示)然后可输出7位PCM码。7位PCM码可具有从例如-64到+63的128步长。

进一步，当功率电压VDD对应大约4.2V时，误差值EV可对应于大约-2940，并且PCM码可对应大约-23。当功率电压VDD减小到大约3.7V时，误差值EV可增加至大约-1250，并且PCM码可增加至大约-10。当功率电压VDD减小至大约3.2V时，误差值EV可增加至大约280，并且PCM码可增加至大约2。输出电压Vout可以在大约2.1V维持恒定，而不管功率电压VDD的变化。

在示例实施例中，DC-DC转换器可提供稳定的输出电压，不管功率电压的变化。进一步，由开关操作造成的噪声可以减小，通过用数字电路替代传统的模拟电路可提高集成度，并且可减小功率耗散。

将理解到，尽管术语“第一”和“第二”等可在此用作描述各种元件、结构、组件、区域、层和/或部分，然而这些元件、结构、组件、区域、层和/或部分应当不被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件、结构、组件、区域、层和/或部分与另一个元件、结构、组件、区域、层和/或部分区分开。因此，下面讨论的第一元件、结构、组件、区域、层或部分可以被称作第二元件、结构、组件、区域、层或部分，而不背离示例实施例的教导。

空间相对的术语，如“在......之下”、“在......下面”、“低于”、“在......之上”、“在......上面”，可在此使用以易于描述，用于如附图所示描述一个元件或特征与另外的(各)元件或(各)特征的关系。将理解到，空间相对的术语意图在于除附图中描述的方向外、包含使用或操作的装置的不同方向。例如，如果附图中的装置朝上(或朝下)，那么描述为“在其他元件或层下面”或“在其他元件或层以下”的元件或层，将可以朝向“其他元件或层的上面”。因此，实例术语“在......下面”可包括上面和下面两个方向。装置可以其他情况的朝向(旋转90度或在其他方向)，并且空间相对的描述符在此相应地解释。

在此使用的术语仅是出于描述特定实施例的目的，并且意图不在于限制示例实施例。如在这里使用的，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“这个(the)”意图在于也包括复数形式，除非上下文清楚地另有所指。还将理解到，当在本说明中使用术语“包括(comprise)”和/或“包括(comprsing)”时，指定所述特征、整体、步骤、操作、元件、和/或组件的存在，但是不排除存在或添加一个或更多其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其集合。

除非其他情况下定义，这里使用的所有术语(包括科学和技术术语)具有与示例实施例所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。还将认识到，术语(如那些在通常使用的字典中定义的)应当被释为具有与相关技术环境中它们的意思一致的意思，并且将不被以理想化或过分形式意思来解释，除非这里清楚地如此定义。

已经在此公开了本发明的示例实施例，并且尽管使用了特定术语，但是它们仅被用来并且要以通用和描述性的意思解释，并且不出于限制目的。因此，本领域的普通技术人员将理解，各种形式和细节的变化可以进行，而不背离如在权利要求中提出的本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种电压转换器，包括：

功率开关单元，被配置来接收功率电压和接地电压，并且被配置来通过响应于开关信号、在输出端以及功率电压和接地电压之一之间切换，产生输出电压；

模拟-数字转换单元，被配置来通过采样对应于数字信号的功率电压、输出电压、所转换的功率电平信号和所转换的输出电平信号，输出所转换的功率电平信号和所转换的输出电平信号；

数字低通滤波器，被配置来对所转换的功率电平信号和所转换的输出电平信号执行低通滤波；

误差值计算器，被配置来通过比较经低通滤波的功率电平信号、经低通滤波的输出电平信号和输出设定值，产生误差值；以及

开关信号产生器，被配置来产生开关信号，用于调整时间间隔，在所述时间间隔期间输出端连接到功率电压和接地电压之一。

2.如权利要求1所述的电压转换器，其中误差值计算器被配置来输出该输出设定值与第一补偿值和第二补偿值的和之间的差值，第一补偿值对应于经低通滤波的功率电平信号和第一增益因子的乘积值，并且第二补偿值对应于经低通滤波的输出电平信号和第二增益因子的乘积值。

3.如权利要求2所述的电压转换器，其中误差值计算器包括：

第一乘法器，被配置来通过将经低通滤波的功率电平信号和第一增益因子相乘，输出第一补偿信号；

第二乘法器，被配置来通过将经低通滤波的输出电平信号和第二增益因子相乘，输出第二补偿信号；以及

减法器，被配置来输出在输出设定值与第一补偿值和第二补偿值的和之间的差值。

4.如权利要求2所述的电压转换器，其中误差值计算器被配置来输出该输出设定值与第一补偿值、第二补偿值以及整个系统的偏置值的和之间的差值。

5.如权利要求4所述的电压转换器，其中误差值计算器包括：

第一乘法器，被配置来通过将经低通滤波的功率电平信号和第一增益因子相乘输出第一补偿信号；

第二乘法器，被配置来通过将经低通滤波的输出电平信号和第二增益因子相乘，输出第二补偿信号；以及

减法器，被配置来输出在输出设定值与第一补偿值、第二补偿值和偏置值的和之间的差值。

6.如权利要求4所述的电压转换器，其中功率开关单元包括PMOS功率晶体管和NMOS功率晶体管，其串联地耦合在功率电压和接地电压之间，并且PMOS功率晶体管和NMOS功率晶体管的栅极端被配置来接收开关信号。

7.如权利要求1所述的电压转换器，其中模拟-数字转换单元包括模拟sigma delta调制器。

8.如权利要求1所述的电压转换器，其中开关信号产生器被配置来产生开关信号，使得基于误差值确定开关信号的脉冲宽度。

9.如权利要求8所述的电压转换器，其中开关信号产生器包括：

数字多位sigma delta调制器，被配置来将误差值调制到具有减少的位数的脉冲编码调制信号；以及

脉冲宽度调制器，被配置来产生开关信号，使得基于脉冲编码调制信号确定开关信号的脉冲宽度。

10.如权利要求1所述的电压转换器，其中电压转换器是DC-DC转换器。

11.一种转换电压的方法，包括：

通过响应于开关信号在输出端与功率电压和接地电压之一之间切换，从功率电压和接地电压产生输出电压；

通过采样功率电压和输出电压，产生功率电平信号和输出电平信号；

对功率电平信号和输出电平信号执行低通滤波；

通过比较经低通滤波的功率电平信号、经低通滤波的输出电平信号、以及输出设定值，产生误差值；以及

通过调整时间间隔产生开关信号，在所述时间间隔期间输出端连接到功率电压和接地电压之一。

12.如权利要求11所述的方法，其中产生误差值包括：输出在输出设定值与第一补偿值和第二补偿值的和之间的差值，第一补偿值对应于经低通滤波的功率电平信号和第一增益因子的乘积值，第二补偿值对应于经低通滤波的输出电平信号和第二增益因子的乘积值。

13.如权利要求12所述的方法，其中产生误差值包括：

通过将经低通滤波的功率电平信号与第一增益因子相乘，输出第一补偿信号；

通过将经低通滤波的输出电平信号与第二增益因子相乘，输出第二补偿信号；以及

输出在输出设定值与第一补偿值和第二补偿值的和之间的差值。

14.如权利要求12所述的方法，其中产生误差值包括：输出在输出设定值与第一补偿值、第二补偿值、和整个系统的偏置值的和之间的差值。

15.如权利要求14所述的方法，其中产生误差值包括：

通过将经低通滤波的功率电平信号和第一增益因子相乘，输出第一补偿信号；

通过将经低通滤波的输出电平信号和第二增益因子相乘，输出第二补偿信号；以及

输出在输出设定值与第一补偿值、第二补偿值、以及整个系统的偏置值的和之间的差值。

16.如权利要求11所述的方法，其中产生输出电压包括：

提供串联耦合在功率电压和接地电压之间的PMOS功率晶体管和NMOS功率晶体管；

将开关信号施加到PMOS功率晶体管和NMOS功率晶体管的栅极端；以及

经由PMOS功率晶体管和NMOS功率晶体管的栅极端的连接节点，产生输出信号。

17.如权利要求11所述的方法，其中产生输出电压包括：通过使用模拟sigma delta调制器转换误差值。

18.如权利要求11所述的方法，其中产生开关信号包括：通过基于误差值确定开关信号的脉冲宽度，产生开关信号。

19.如权利要求18所述的方法，其中产生开关信号包括：

将误差值调制成具有减少的位数的脉冲编码调制信号；以及

产生开关信号，使得基于脉冲编码调制信号确定开关信号的脉冲宽度。

20.如权利要求11所述的方法，其中转换电压为DC-DC转换。

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