CN101341647A - 开关调节器斜率补偿产生器电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在开关调节器中提供斜率补偿的斜率补偿电路。所述斜率补偿电路优选地适于从脉宽调制器振荡器接收振荡器脉冲串及从脉宽调制器接收调制器脉冲串。所述电路优选地包含响应于振荡器脉冲串的反馈回路。所述电路优选地提供“接通”及“断开”状态的斜率补偿脉冲串，其部分响应于反馈回路且部分响应于脉宽调制器开关脉冲串。本发明优选地通过将模拟反馈回路并入到PWM系统中以优选地仅稍微先于PWM开关断开之前开始斜率补偿来实现较低的最大斜率补偿电流。此优选地独立于PWM工作循环而发生。

Description

开关调节器斜率补偿产生器电路

技术领域

本发明涉及开关调节器电路。更确切地说，本发明涉及用于优选地独立于调节器的开关频率变化而维持开关调节器中的斜率补偿为恒量的电路及方法。

背景技术

电压调节器的用途是向来自电源的负载提供预定及大致恒定的输出电压，其可能是不太确定或上下浮动的。通常有两类调节器用于提供此功能：线性调节器和开关调节器。在典型的线性调节器中，通过控制从电源穿过通过元件到所述负载的电流来调节输出电压。

然而，在开关电压调节器中，从电源到负载的电流并不稳定，而是以离散电流脉冲的形式。为创建离散电流脉冲，开关调节器通常采用与负载串行或并行耦合的开关(例如功率晶体管)。然后，用感应存储元件将电流脉冲转换为稳定的负载电流。

通过控制此开关的工作循环(也就是开关接通的时间相对于开关循环的总周期的比率)，开关电压调节器可调节负载电压。在电流模式的开关电压调节器中(也就是由调节器中的电流导出信号控制的开关调节器中)，当工作循环超过50％(也就是当开关在给定开关周期的大于50％的时间中处于接通状态时)存在固有不稳定性。稳定性通常通过用斜率补偿信号来调节用于控制调节器的电流导出信号而维持于这种电流模式的开关调节器中，其中所述斜率补偿信号补偿以较高工作循环出现的不稳定性。根据斜率补偿理论，一般了解，仅在开关调节器开关断开的瞬间需要斜率补偿信号。

制造这种斜率补偿信号的一种方法是使用振荡器信号的一部分作为补偿信号。振荡器信号可以是(例如)用于产生控制调节器的开关的时钟信号的斜坡信号。可以通过将斜坡信号添加到电流导出信号或通过将其从控制信号中减去来应用斜率补偿信号。通过从振荡调节器开关的信号导出斜率补偿信号，斜率补偿信号会与调节器的开关同步。

在图1中显示的常规电流模式开关调节器100中，针对50％或更高的操作工作循环需要斜率补偿以避免亚谐波共振。开关调节器100优选地包含振荡器102、触发器104、优选地包含经脉冲带宽调制的开关控制电路106、感应器108、根据电阻110和112形成的电阻分压器、输出电容器114、电压反馈(或其他适合类型，例如电流反馈)放大器118、反馈电容器120、及电流比较器122，所述电流比较器适于接收开关电流样本126和斜率补偿信号124，并用这些信号的和与来自电压反馈放大器118的信号进行对比。

此例示性电路使用常见类型的开关调节器，其已知为脉宽调制(PWM)调节器。所述PWM调节器依赖于脉宽调制器以产生具有不同振幅的输出信号。PWM开关调节器改变其产生的输出信号的工作循环，以调整所施加的电流及维持于其一个或一个以上输出端处的电压电平。施加于这些调节器输出端处的电压可相依于开关脉宽对开关脉冲周期的比率，较高的比率会产生较高的输出电压。

图2中将振荡器102更详细显示为振荡器200。振荡器200优选地包含用于对振荡器电容器204充电的充电源202、振荡器开关206、振荡器电流比较器208、用于对振荡器电容器204放电的放电电流槽210及向电压调节器100提供Vset信号的第二比较器212(图2中未显示)。

通常，调节器使用在图2所示电路中导出且描绘为图3A所示信号300的振荡器电压Vramp作为参考以产生斜率补偿。Vset指示分别被传输到电压调节器100的触发器104的低信号T1及高信号T2。

图4A显示关于Vramp 404的所选部分的补偿曲线Sx 402。图4A的x轴显示开关调节器的工作循环。y轴从0伏到1伏。为产生斜率补偿曲线Sx 402，常规的开关调节器使用图4B中显示的电路。此电路包含单位增益缓冲器406、NPN晶体管408和电阻器410。

线性斜率补偿曲线Sx 402通常开始于50％工作循环处(如图4A中显示)且由VB确定。于一特定情形中，VB可以等于0.5V(任选)。此外，Sx 402具有由电阻器410确定的固定斜率。

将振荡器斜坡电压Vramp馈送到单位增益缓冲器406的正输入端，并将VB和电阻器410连接到负输入端。仅在Vramp高于VB时接通NPN晶体管408。晶体管408的发射器电流由下式确定：

$\frac{\mathrm{Vramp}-\mathrm{VB}}{\mathrm{Res}.410}$

晶体管408的此发射器电流形成斜率补偿信号Sx 402。

VB确定斜率补偿曲线Sx 402开始点Ts如下：

$\mathrm{Ts}\left(\mathrm{Sx\; Starting\; point}\right)=\frac{\mathrm{VB}}{\mathrm{Vpeak\; of\; Vramp}}$

且电阻器410确定曲线斜率如下式显示：

$\mathrm{Slope\; of\; Sx}402:\frac{\mathrm{dSx}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{dVramp}}{\mathrm{Resistor}410\mathrm{xdt}}$

由于Vramp是线性斜坡，因此VB直接与工作循环正交。在一个例示性系统中，当VB＝0.5时，Ts对应于来自前述等式的50％工作循环。

与例示性现有技术配置相关联的一个问题是，由于斜率补偿曲线开始于50％处，则其在最大工作循环100％处形成极高电平Smax。

此高电平Smax可在调节器以高工作循环操作时导致问题，如下。由于在调节器回路闭合时，当前比较器122的正输出端处的VC(显示为反馈放大器118的输出)一般与开关电流样本与电流比较器122的负输出端处的斜率补偿信号的和具有相同的值，则其通常用于指示输出电流负载电平。但在高工作循环处，斜率补偿根据50％工作循环形成并在VC处引入高偏移，且VC将不会准确指示真正的输出负载电流。由于以高工作循环形成的此高偏移，问题包括降低的电流限制电平。此问题在针对电流限制使用固定VC电平的情况下尤其贴切。此外，在使用固定VC电平确定BurstMode^TM阈值的情况下，高度有效的Burst Mode^TM阈值将以高负载情形偏移。

与现有技术相关联的另一问题是在以高工作循环操作时电路不得不使用极高电流来产生此高电平斜率补偿信号。

因此，将需要提供不会使得电压调节器电路丢失在高工作循环处的真输出负载电流指示的斜率补偿信号。

还将需要限制以高工作循环产生高电平斜率补偿信号所需要的电流。

发明内容

本发明的一个目的是提供不会使得电压调节器电路丢失在高工作循环处的真输出负载电流指示的斜率补偿信号。

本发明的另一目的是限制以高工作循环产生高电平斜率补偿信号所需要的电流(如图4A的Smax所提供)。

本文提供一种在开关调节器中提供斜率补偿的斜率补偿电路及方法。在本发明的一个实施例中，斜率补偿电路优选地适于从脉宽调制器振荡器接收振荡器脉冲串及从脉宽调制器接收调制器脉冲串。

所述电路优选地包含可响应于振荡器脉冲串的反馈回路。所述电路优选地提供具有接通(“ON”)及断开(“OFF”)状态的斜率补偿脉冲串，其可部分地响应于反馈回路且部分地响应于脉宽调制器开关脉冲串。斜率补偿脉冲串的工作循环优选地小于脉宽调制器开关脉冲串的工作循环。此外，斜率补偿脉冲串优选地稍微在PWM开关断开瞬间之前接通，且优选地在PWM开关断开瞬间之后立即断开。

所述斜率补偿电路还优选地包含在斜率补偿脉冲串接通时接通的开关，及在开关接通时通过开关提供电流的电流源。最后，所述斜率补偿电路优选地包含在开关接通时产生斜率补偿电流的斜率补偿电流源。

附图说明

结合附图考虑下文详细说明，本发明的上述及其他优势将显而易见，其中通篇中相同的参考字符均涉及相同的部件，附图中：

图1显示常规的开关调节器系统100；

图2显示可用于为图1中所示开关调节器系统产生时钟信号的振荡器；

图3A及3B显示经时钟振荡的信号；

图4A显示振荡器信号的一部分及斜率补偿信号的一部分的图示；

图4B显示用于基于振荡器信号产生斜率补偿信号的现有技术电路的示意性图示；

图5A显示与图5B中所示电路相关联的各种迹线；

图5B显示根据本发明的示意性电路图，其基于振荡器信号及脉宽调制器开关信号产生可用于产生斜率补偿信号的第一信号；

图6A显示振荡器信号的一部分及斜率补偿信号的一部分的图示；

图6B显示根据本发明的示意性电路图，其基于振荡器信号产生斜率补偿信号；及

图7显示根据本发明的振荡器信号的一部分及斜率补偿信号的一部分的图示。

具体实施方式

如上文提及，一般已知仅在脉宽调制器开关断开之前的瞬间处需要斜率补偿。如上文提及，图4B中所示的用于产生斜率补偿的现有技术电路的一个主要问题是，斜率补偿总是开始于工作循环的50％处，也就是在工作循环的“接通”部分超过整个工作循环已流逝时间的50％(或某其它可比值)时，甚至是在开关直到工作循环的90％点处才断开时。在从约50％到90％的此整个范围上，斜率补偿是不必要的，且仅形成不必要的高电平。此不必要的高电平斜率补偿导致了上文所述问题。实际上，为除去工作循环抖动，斜率补偿甚至可在开关调节器的电力开关断开之前的少至总工作循环时间的5％时开始。

根据本发明的电路的一个实施例优选地仅稍微先于调节器开关断开瞬间起始斜率补偿。这阻止在工作循环的较早时间处产生任何不必要的斜率补偿。例如，在根据本发明的电路的90％工作循环操作中，斜率补偿仅开始于80％工作循环处，也就是开关断开瞬间的10％之前。这显著降低在现有技术电路的90％工作循环处的问题性斜率补偿形成电平Smax。

图5A显示根据本发明图解说明电路操作的6个不同信号迹线。图5B中显示根据本发明用于产生这些信号迹线的电路。所述信号显示出现在经脉宽调制(PWM)的开关断开之前的例示性10％时间处的斜率补偿窗口。为实现这些功能，本发明的电路优选地使用负反馈回路520来首先产生脉冲串Vs 512，其与任一适合的PWM操作工作循环处的PWM调节器开关断开瞬间同步。Vs 512的脉宽T1514由电流源Iup 522和Idown 524及开关526的“接通”时间编程，如下文更详细描述。

然后使用脉宽为t1514的Vs 512(其经编程以在开关断开瞬间之前的工作循环10％处接通)接通开关612(图6B中显示)以传送斜坡信号Iramp(也显示于图6B中)来对所需斜率补偿信号Islope的电容器C2充电。

下文是根据本发明如图5B中显示的电路500的一个实施例的操作描述。负反馈回路520优选地包含高增益放大器528、由电流源Iup 522、Idown 524及开关526形成的电荷比较器、SR锁存器530、及与门532、及电容器534(其具有约20皮法的电容或其他适合电容)。此外，所述电路适于接收来自PWM振荡器534的信号。

Iup 522在开关526接通时对电容器536充电，且Idown 524对电容器536放电。Va优选地仅在接通时间足够长以允许下列等式平衡时升高：(Iup 522)x(接通时间)＝Idown 524，其中Iup＝10微安培(uA)且Idown＝1uA直流。在一个例示性实施例中，比较器528比较振荡器534的Va和斜坡信号Vramp，以强迫开关526接通来在由Idown及Iup充电时(例如在此情形中，为工作循环的总时间的10％)平衡电容器534。

应注意，由于PWM开关信号Vpwm在与门532的一个输入端上，则优选地仅在PWM开关接通且Vx为高时允许开关526接通。也就是说，连接到与门532的另一输入端的SR锁存器530反转输出Vx允许在Vpwm接通时开关526接通。

锁存器530由PWM振荡器时钟设定信号Vset设定，且锁存器530由比较器528重设。比较器528比较电荷比较器输出Va和振荡器斜坡电压Vramp。

此负反馈回路520(其将比较器528作为放大器且将电容器536作为回路滤波器)产生具有10％脉宽T1514的脉冲串Vs，其与PWM开关断开瞬间同步(且开始稍微先于PWM断开瞬间)。

基于电荷平衡原理，如下文所述，根据百分比工作循环将脉宽T1514编程为：

T1/(工作循环时间)＝Idown/Iup。

响应于Vs 512、由电路500产生的10％脉冲、控制开关526，电路500仅在T1期间产生斜率补偿Islope 640(图6A)，即开关断开瞬间的10％循环时间之前及同时。

响应于信号Vs(由图5B中所示电路产生的10％脉冲)，图6B中所示电路600(且进一步由图6A中所示迹线图解说明)优选地仅在T1514期间产生斜率补偿Islope，即工作循环时间的10％处且稍微先于PWM开关断开瞬间。

借助连接到单位增益放大器602的振荡器534的Vramp 510，晶体管604和电阻器606产生Iramp。晶体管608和610是用于在晶体管610的漏极和开关612处产生Iramp的电流镜晶体管。

开关612由Vs 512控制，且仅在T1514期间接通。当开关612接通时，Iramp向下流动以对电容器614充电。

晶体管616优选地提供会取消晶体管618的栅极到源极电压降的电平移位。

其中 $\frac{{\mathrm{d\; Vc}}^2}{\mathrm{d\; T}}=\frac{\mathrm{Iramp}}{\mathrm{Cap}.614},$ 且 $\mathrm{Islope}=\frac{\mathrm{Vc}2}{\mathrm{Res}.620}$

因此，斜率补偿

$\frac{\mathrm{d\; Islope}}{\mathrm{dT}}=\frac{\mathrm{d\; Vc}2}{\mathrm{dTxRes}.620}=\frac{\mathrm{Iramp}}{\mathrm{Cap}.614\mathrm{xRes}.620}$

因为Iramp 638信号电平随工作循环进行而增加，所以Islope 640的斜率随工作循环进行而增加以满足需要。

反相器622与晶体管624和626一起作用以对电容器614放电来准备下一循环。通过调节电容器614及/或电阻器620，可以实现斜率补偿信号Islope的所需斜率。

当调节器以90％工作循环操作时，图7突出根据本发明开始于80％工作循环处的电路的斜率补偿曲线Islope 710(其复制图6A中显示的Islope 640)与开始于50％工作循环处的现有技术电路Sx 720的斜率(其复制图4A中的现有技术斜率补偿曲线402Sx)之间的斜率补偿曲线的差。应注意，Islope 710和现有技术斜率补偿曲线720Sx二者均可具有同一斜率；

在90％工作循环处的

也就是当PWM开关断开时在循环期间的时刻。明显地，Islope 710具有低得多的累积电平(图7中的Smax 1比Smax 2大得多)且需要较少电流来实施。较高Smax 1的缺点已较为完整地描述于上文的段落14及15中。

此电路的至少一个优势是通过使用Iup及Idown 524(二者均显示于图5B中)的电流比率来以极高准确度控制以T(工作循环时间)的百分比为单位的T1514(显示于图5A中)。5％的电流不匹配T1/T仅偏移0.5％的工作循环。

因此，应了解，前述仅是本发明原理的例示性说明，且所属技术领域的技术人员可在不背离本发明范围及精神的前提下做出各种修改，且本发明仅由随附权利要求书限制。

Claims (20)

1、一种斜率补偿电路，其在开关调节器中提供斜率补偿，所述斜率补偿电路包括：

脉宽调制器振荡器，其产生振荡器脉冲串；

脉宽调制器，其产生调制器脉冲串；

反馈回路，其响应于所述振荡器脉冲串；

接通及断开状态的斜率补偿脉冲串，其部分响应于所述反馈回路且部分响应于所述脉宽调制器开关脉冲串；

开关，其在所述斜率补偿脉冲串接通时接通；

电流源，其在所述开关接通时通过所述开关供应电流；及

斜率补偿电流源，其在所述开关接通时产生斜率补偿电流。

2、如权利要求1所述的斜率补偿电路，其进一步包括电流镜，所述电流镜映出响应于通过所述开关的电流的电流，以控制所述斜率补偿电流的量值。

3、如权利要求1所述的斜率补偿电路，其中在所述脉宽调制器开关断开瞬间的瞬间之前的与所述脉宽调制器工作循环相关联的时间的约20％或更少处，所述斜率补偿脉冲串接通。

4、如权利要求1所述的斜率补偿电路，其中所述脉宽调制器开关脉冲串的所述工作循环约为50％或更多。

5、如权利要求1所述的斜率补偿电路，其进一步包括映出通过所述开关的电流的电流镜。

6、如权利要求1所述的斜率补偿电路，其中所述斜率补偿脉冲串与所述脉宽调制器开关脉冲串断开的瞬间大致同时断开。

7、如权利要求1所述的斜率补偿电路，其中所述反馈回路经配置以在所述脉宽调制器开关脉冲串关断之前接通所述斜率补偿脉冲串。

8、一种在开关调节器中提供斜率补偿的方法，其包括：

使用脉宽调制器振荡器产生振荡器脉冲串；

使用脉宽调制器产生调制器脉冲串；

提供响应于所述振荡器脉冲串的反馈回路；及

提供接通及断开状态的斜率补偿脉冲串，其部分响应于所述反馈回路且部分响应于所述脉宽调制器开关脉冲串。

9、如权利要求8所述的方法，其进一步包括：

当所述斜率补偿脉冲串接通时接通开关；

当所述开关接通时通过所述开关供应电流；及

当所述开关接通时产生斜率补偿电流。

10、如权利要求9所述的方法，其进一步包括映出通过所述开关的电流，以控制所述斜率补偿电流的量值。

11、如权利要求9所述的方法，其进一步包括在所述脉宽调制器开关脉冲的所述开关断开瞬间之前的与所述脉宽调制器开关脉冲串的工作循环相关联的时间的约20％或更少处，接通所述斜率补偿。

12、如权利要求9所述的方法，其进一步包括仅在所述脉宽调制器开关脉冲串的所述工作循环约为50％或更多时提供所述斜率补偿电流。

13、如权利要求9所述的方法，其进一步包括映出通过所述开关的电流以产生所述斜率补偿电流。

14、如权利要求8所述的方法，其中所述断开所述斜率补偿脉冲串在所述脉宽调制器开关脉冲串的断开之后立即发生。

15、如权利要求8所述的方法，其中在所述脉宽调制器开关串的所述开关断开瞬间之前的所述脉宽调制器开关脉冲串的所述工作循环的少于20％处，所述接通所述斜率补偿脉冲串发生。

16、一种经配置以部分响应于脉宽调制器振荡器脉冲串且部分响应于脉宽调制器输出的斜率补偿电流。

17、如权利要求16所述的斜率补偿电流，其中在所述脉宽调制器输出的所述开关断开瞬间之前的所述工作循环的少于20％处，所述斜率补偿电流接通。

18、如权利要求16所述的斜率补偿电流，其经同步以先于脉宽调制器开关断开瞬间之前接通。

19、如权利要求16所述的斜率补偿电流，其经同步以在脉宽调制器开关断开瞬间之后立即断开。

20、一种斜率补偿电路，其在开关调节器中提供斜率补偿，所述斜率补偿电路包括：

脉宽调制器振荡器，其产生振荡器脉冲串；

脉宽调制器，其产生调制器脉冲串；

反馈回路，其响应于所述振荡器脉冲串；

接通及断开状态的斜率补偿脉冲串，其响应于所述反馈回路且响应于所述脉宽调制器开关脉冲串；

开关，其在所述斜率补偿脉冲串接通时接通；

电流源，其在所述开关接通时通过所述开关供应电流；及

斜率补偿电流源，其在所述开关接通时产生斜率补偿电流。

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