CN101238424B - 具有可变斜坡补偿的开关调节器 - Google Patents
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Abstract
通过检测开关调节器的开关占空比、产生具有与被检测的开关占空比百分比相关的持续时间的补偿信号、以及生成针对部分依赖于所产生的补偿信号的调节器的占空比控制信号，来获得对开关调节器的受控补偿。补偿信号具有坡形，并在每个开关周期中，在与开关占空比百分比相关的周期中的设定点处被初始化。
Description
技术领域
本公开涉及开关调节器，具体地，涉及对开关占空比的补偿控制。
背景技术
人们知道利用电流式开关调节器来将DC输出电压控制为比输入电压高、低或与之相同。典型地，激活一个或多个开关，通过电感提供电流脉冲，以对输出电容进行充电。根据输出电压和负载状况，通过调整开关脉冲的开关时间来将输出电压电平保持在想要的电平。
图1是典型电流模式开关调节器的框图。开关控制电路10可以包括任意多种已知的控制器，这些控制器提供脉宽调制输出脉冲，来将DC输出电压VOUT调整为比标称输入电压VIN大、小或相同的电平。典型地，控制电路包括具有置位输入端和复位输入端的锁存器，该锁存器耦接至对电感12提供开关电流ISW的受控开关。电容14连接在输出电压VOUT与地之间。电阻16和18串连在输出电压VOUT与地之间。调节器的输出端为负载20供电。
置位输入端耦接至时钟22，该时钟22可以响应于图中未显示的振荡器来产生脉冲。在正常操作期间，在置位输入端接收到每一个时钟脉冲时，激活锁存器来对开关电流脉冲进行初始化。当复位输入端接收到输入信号时终止开关电流脉冲，从而确定开关电流脉冲的宽度。复位输入端耦接至比较器24的输出端。在电阻16和18的接合点处取得输出电压反馈信号VFB，并将该信号耦接至误差放大器26的负输入端。电压参考VREF被施加到误差放大器26的正输入端。电容28耦接在误差放大器26的输出端和地之间。
电容28的充电电平以及它的电压VC依赖于放大器26的输出而变化。随着负载电流的增大，输出电压和反馈电压VFB减小。随着反 馈电压VFB的减小，VC增大。因此，VC与负载电流成比例。VC耦接至比较器24的反相输入端。正相输入端耦接至加法器30。加法器30将与感应到的开关电流成比例的信号ISW和补偿信号结合在一起。一旦开关响应于时钟置位信号被激活，就通过电感12生成了开关电流。当从加法器30接收到的信号电平超过了VC，比较器24产生复位信号来终止开关电流脉冲。在负载增大的情况下，VC增大，开关电流脉冲相应地增大长度来适当地调整输出电压VOUT。由于VC是负载的指示，可以用图中未示出的内部电路对它进行监控，来检测轻负载状态。作为对VC达到预定的轻负载状态阀值的响应，操作可以被改变为“睡眠模式”，在这种模式下，可以停用一些电路元件，使之不消耗功率。
对于以50％或者更高占空比进行的正常调节器操作而言，需要在开关控制中加入补偿，以避免分谐波震荡。典型的方式叫做“斜坡补偿”，其中，在每个开关周期中，一个幅度连续增大的信号被加到电流信号ISW，或者从信号VC中被减去。图2是现有技术的斜坡补偿发生器的电路图，该斜坡补偿发生器可以输入至加法器30，以对施加到比较器24的正相输入端的电流信号进行修改。该电路的输出是与晶体管32、电阻34(R)和偏压(VB)源36的串连通路中的电流相对应的电流信号SX。晶体管32的基极耦接至单位增益缓冲放大器38的输出端。放大器38的正输入端被耦接用来接收斜坡信号Vramp。放大器38的负输入端耦接至晶体管32和电阻34之间的接合处。
图3是图2电路的补偿函数的简化波形示图。Vramp信号是在每个时钟周期开端产生的锯齿信号，并以线性斜率延伸至对应于100％占空比的周期的结束。例如，Vramp幅度可以在0-1V之间变化。晶体管32在周期中的Ts点开始导通，在该点，Vramp超过了固定电压VB。由于需要对以50％或更大的占空比进行的操作进行补偿，典型地，在本例中VB在最大Vramp电平的一半或0.5V中任意选择。由于Vramp在Ts时刻后继续增大，施加到晶体管32的基极信号增大，从而，输出电流Sx线性地在开关周期的结束处增大到最大Smax。Sx由(Vramp-VB)/R。确定。从而，补偿曲线Sx起始点Ts由VB确定，它的斜率由R确定。在该例中，不管实际的占空比，Ts出现在开关周期的50％处。
由于该斜坡补偿曲线开始于开关周期的50％处，Sx增大至最大100％占空比处的高电平。在最大占空比操作处或附近，高电平的补偿信号是不利的。施加到比较器24负输入端的反馈放大器26的输出电压VC的值等于开关电流ISW与当开关脉冲终止时比较器24正输入端的斜坡补偿信号ISX的和。由于引入了很高的偏移量，VC将不能正确地显示真实的输出负载电流。在高占空比操作中，减小了开关电流限制电平。在更高占空比的操作中，基于VC的睡眠模式阀值会不够精确。因此，需要一种可以克服现有技术斜坡补偿的缺点的改进的补偿方案。
发明内容
通过检测开关调节器的开关占空比、产生与检测到的开关占空比相关的补偿信号、以及生成针对部分依赖于所产生的补偿信号的调节器的占空比控制信号，能够至少部分地实现上述现有技术的需要。在调节器的每一个开关周期中重复补偿，并且在每个开关周期中，补偿信号的持续时间与检测到的开关占空比相关。补偿信号具有坡形，并在每个开关周期中，在与开关占空比有关的设定点被初始化。
通过生成重复的、与调节器开关协同的脉冲信号并对该脉冲信号积分，可以检测占空比。通过在每个开关周期的开始生成斜坡信号、修改占空比信号、并将重复的斜坡信号与修改的占空比信号进行比较，可以设定每个周期中补偿信号被初始化的点。当斜坡信号在幅度上等于修改的占空比信号时，补偿信号开始作用。优选地，通过将占空比信号偏移固定电压来修改占空比信号。
在示例的实现方式中，可变补偿电路耦接至开关控制器的输入端，以在每个开关周期内终止开关脉冲。放大器电路输出端耦接至控制器输入端。斜坡发生器向放大器电路的输入端提供斜坡信号，可变偏移电路向放大器的放大输入端提供可变偏移信号。放大器输出信号与斜坡信号和可变偏移信号之差成比例。从而补偿电路输出一个具有偏移电平的信号，该偏移电平作为由包含于可变补偿电路的占空比检测电路产生的占空比信号的函数而变化。在优选的配置中，可变偏移电路与放大器电路输出端串连耦接。
放大器电路可以配置有具有耦接至斜坡发生器的正输入终端、耦接至可变偏置电路的负输入终端、以及输出端的放大器。晶体管的控制端耦接至放大器输出端。该晶体管耦接在可变偏置电路与放大器电路输出端之间。阻抗与晶体管串连耦接，从而确定补偿电路输出信号的斜率。
可变偏移电路由占空比检测电路和恒定偏移电压电路例示，这些均耦接至加法器输出电路的电路都耦接至放大器的输入端。占空比检测电路可以包括配置来接收与调节器开关协同的重复脉冲信号的积分器电路。
对本领域的技术人员而言，本发明的其他优点将从下列的详细描述中显见，其中，通过图解说明实现本发明的最佳模式只示出和描述了本发明的优选实施例。应该清楚，在不脱离本发明的情况下，本发明可以实现为其他的和不同的实施例，并且可以在很多明显的方面对其细节进行修改。于是，认为附图和描述是说明性的解释，而不是限制性的解释。
附图说明
通过附图以示例而不是限制的方式来对本发明进行图解，在图中，类似的参考数字指的是类似的元件，其中：
图1是典型的电流模式开关调节器的框图；
图2是现有技术的斜坡补偿发生器的电路图；
图3是图2所示的电路的补偿函数的简化波形示图；
图4是按照本发明的示例斜坡补偿的框图；
图5是图4所示的斜坡补偿发生器的电路图；
图6A是图5所示电路的多种信号的波形示图，图6B是图2和
图5的电路的补偿信号的波形对比图。
具体实施方式
本公开的根本概念是基于仅在调节器开关关闭的时候才需要斜 坡补偿的认知。例如，如果图2所示的现有技术的调节器是操作在90％的占空比，开始于50％占空比的补偿信号的增长在接近90％点之前是不必要的。到那时，已经产生了足够的偏移信号幅度。图4是可变补偿电路的框图，该可变补偿电路允许在每个开关周期中补偿信号的生成领先占空比一个小的固定值。利用这个电路，操作占空比被感测，并且斜坡补偿信号的开始仅略早于调节器开关的关闭。避免了在低占空比上不必要的斜坡补偿。可以更精确地检测睡眠模式电平。在开关脉冲结束处的斜坡补偿信号的幅度处于不比开关电流限制电平低很多的电平。
放大器电路37输出具有恒定斜率的补偿信号Sx，该补偿信号可以作为输入耦接至图1中的加法器30。缓冲放大器38从斜坡发生器48接收斜坡信号。该斜坡发生器可以包括一个已知的容性电路，该容性电路与时钟信号同步，以提供具有恒定斜率的锯齿形波形。缓冲放大器38从可变偏移电路41接收第二信号，该可变偏移电路41通过加法器40，将来自源36的固定偏移电压加到由占空比检测电路45提供的信号上。占空比检测电路45的输出与调节器占空比成比例。电路41的输出与由源36的固定电平偏移的调节器占空比成比例。当斜坡发生器信号超过了从可变偏移电路41接收到的信号时，输出电路39在每个周期对输出信号Sx进行初始化。输出信号Sx在高占空比操作的开关周期中比在低占空比操作的开关周期中开始得要晚，从而，关于它在开关周期中的相位是可变的。提供了Sx与操作占空比之间的固定相位差。
图5是图4的可变补偿电路的部分电路图。晶体管32与晶体管34以及加法器40串联耦接。这些元件部分地形成了产生补偿信号Sx的输出电路39。加法器40的第一输入端耦接至固定偏移电压36。加法器40的第二输入端耦接至缓冲器42。缓冲器42的输入端耦接至电阻44和电容46之间的接合点。缓冲器42、电阻44和电容46形成了占空比检测电路45。电压信号V1耦接至电阻44。放大器38的正输入端耦接以接收斜坡信号Vramp。放大器38的负输入端耦接至晶体管32和电阻34之间的接合点。
在描述图5的电路操作中参照图6A的波形。为了能够清楚地解释，举了这样的示例，调节器操作在90％占空比，且Vramp和V1信号分别有1V的上限和0V的下限。应当理解的是，调节器能够在整个占空比范围内操作，并且能够对电压参数范围进行选择。
V1信号是与调节器开关一致的方波信号。如图所示，V1在周期的90％处在1V的电平，并在剩下的10％周期内是0。该信号被电阻44和电容46形成的积分器平均。从而，在这两个电路元件的接合点的电压在90％占空比下是0.9V。该平均电压由缓冲器42缓冲，并被输入到加法器40，在这个加法器中，它被加到电压源36的固定电压偏移上，以在加法器输出端提供电压Vx。在该例中，该固定电压偏移被选为-0.1V，从而，Vx为0.8V。在晶体管32导通之前，晶体管发射极和放大器38的负输入端的电压都位于电平Vx。
Vramp信号在每个时钟周期的开始被产生，并线性增大直到下一时钟。选择这个信号的斜率，以使它的幅度在数目上对应于占空比。也就是，例如，0.5V的Vramp出现在50％占空比。当Vramp信号上升到电平Vx时，放大器38将驱动晶体管32导通。由于Vramp继续增大，施加到晶体管32基极上的电压继续增大，以及它的传导电流Sx增大。在图示的例子中，源36的固定偏移电压被选为-0.1V，从而Vx变为0.8V。由于输入到放大器的两个电压输入都等于0.8V，则如图6A所示，补偿信号在80％占空比处被初始化。进行特定的电压偏移选择，以便斜坡补偿曲线在只领先调节器操作占空比很小占空百分比(在本例中是10％)的地方开始。如果占空比变为70％，则Vx将变为0.6V，且补偿信号将在60％占空比开始。当晶体管导通时，在晶体管34两端产生电压降。选择晶体管34的值，以设定Sx的斜率，以便它在没有达到具有现有技术缺点的高电平的情况下适于进行补偿。
图6B的波形图是由图2的现有技术电路以及90％占空比操作的图5的电路所产生的补偿信号的图示，这些电路对应于上述的例子。图2电路的补偿信号Sx1开始于50％占空比，并在发生开关切断的90％占空比处增大至高电平。在该点，加法器30的输出电流等于VC并包括大的Sx1分量。在图示的补偿信号斜率中，Sx1分量大约是Vramp 信号幅度的80％，并且相比于VC电平是非常大的值。于此对比，图5电路的补偿信号Sx2在80％占空比处以同样的斜率开始。在90％占空比处切断，加法器30的输出的Sx2分量大约是Vramp信号幅度的20％。结果，作为输出负载电流指示器的VC的精度和开关电流限制电平都得到极大的改善。
在该公开中，仅示出和描述了本发明的优选实施例以及它的多样性的一些例子。应当理解的是，在不脱离这里表述的发明概念的范围的情况下，本发明可以用于多种其他组合和环境中，并且可以有很多变化和修改。本发明的原理适于多种电压调节器，包括补偿、放大以及补偿-放大调节器。通过对电阻34、占空比检测元件和操作电压电平的参数进行适当选择，Sx的斜率以及它相对于占空比操作的开始可以被调整为期望的电平。
Claims (12)
1.一种开关调节器，包括：
开关控制器，其具有输入端，该输入端被配置以接收信号，所述信号用于在调节器开关周期中终止开关脉冲以确定所述开关调节器的占空比，并且具有与负载耦接的输出端；以及
可变补偿电路，其耦接至所述控制器输入端，并且被配置为输出作为占空比信号的函数而变化的信号，
其中所述补偿电路包括：
放大器电路，其具有耦接至所述控制器输入端的输出端；
斜坡发生器，其将斜坡信号耦接至放大器电路；以及
可变偏移电路，其将可变偏移信号耦接至放大器电路；
其中，放大器电路的输出信号与斜坡信号和可变偏移信号之差成比例，并且
其中，可变偏移电路包括用于检测所述开关调节器的占空比的占空比检测电路，所述占空比信号由所述占空比检测电路产生。
2.按照权利要求1所述的开关调节器，其中，可变偏移电路与放大器电路输出端串联耦接。
3.按照权利要求2所述的开关调节器，其中，放大器电路包括：
放大器，其具有耦接至斜坡发生器的正输入终端、耦接至可变偏移电路的负输入终端、以及输出端；以及
晶体管，其具有耦接至放大器输出端的控制端；
其中，晶体管耦接在可变偏移电路和放大器电路输出端之间。
4.按照权利要求3所述的开关调节器，其中，放大器电路还包括与晶体管串联耦接的阻抗；并且
补偿电路输出信号具有根据阻抗值固定的斜率，并且该斜率在每个开关周期中重复。
5.按照权利要求1所述的开关调节器，其中，可变偏移电路还包括：
恒定偏移电压电路；以及
加法器，其具有耦接至占空比检测电路的第一输入端、耦接至恒定偏移电压电路的第二输入端以及耦接至放大器输入端的输出电路。
6.按照权利要求5所述的开关调节器，其中，占空比检测电路包括：
积分电路，其被配置以接收重复的脉冲信号，该脉冲信号与调节器开关同步。
7.一种用于开关调节器的方法，包括步骤：
检测调节器的开关占空比；
产生与检测到的开关占空比相关的斜坡式补偿信号；以及
生成用于调节器的占空比控制信号，该占空比控制信号部分地依赖于所产生的补偿信号，
其中，在调节器的每一个开关周期中重复补偿，并且在每个开关周期中，补偿信号的持续时间与检测到的开关占空比相关。
8.一种用于开关调节器的方法，包括步骤：
检测调节器的开关占空比；
产生与检测到的开关占空比相关的斜坡式补偿信号；以及
生成用于调节器的占空比控制信号，该占空比控制信号部分地依赖于所产生的补偿信号，
其中，补偿信号包括坡形，并且所述产生步骤包括：在每个开关周期中，在周期内与开关占空比相关的设定点处对补偿信号进行初始化。
9.一种用于开关调节器的方法，包括步骤：
检测调节器的开关占空比；
产生与检测到的开关占空比相关的补偿信号；以及
生成用于调节器的占空比控制信号，该占空比控制信号部分地依赖于所产生的补偿信号，
其中，补偿信号具有斜坡形，所述产生步骤包括：在每个开关周期中，在周期内与开关占空比相关的设定点处对补偿信号进行初始化，并且检测步骤包括：根据调节器开关产生重复的脉冲信号；以及
对脉冲信号进行积分，以得到表示占空比的信号。
10.按照权利要求9所述的方法，其中，初始化步骤包括：
在每个开关周期的开始产生一个斜坡信号；
修改占空比信号；以及
将重复的斜坡信号与修改后的占空比信号进行比较；
其中，设定点是在每个开关周期中斜坡信号在幅度上等于修改后的占空比信号的点。
11.按照权利要求10所述的方法，其中，修改步骤包括使占空比信号偏移一个固定量。
12.按照权利要求10所述的方法，还包括固定补偿信号的斜率的步骤。
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