CN101395790A

CN101395790A - 供dc-dc转换器使用的具有精确电平的改进的窗口比较器

Info

Publication number: CN101395790A
Application number: CN200780007151.8A
Authority: CN
Inventors: 雷默克·布林克曼
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Italian Ericsson Ltd i L; Italian Radio Co ltd; ST Ericsson SA; TDK Electronics AG
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2027-02-26
Also published as: JP4977829B2; JP2009528806A; WO2007099489A3; CN101395790B; US20090027026A1; EP1992061A2; US8427125B2; WO2007099489A2

Abstract

本发明涉及用于产生量化控制信号的改进的反馈电路，其中所述量化控制信号表示受控信号与至少一个误差信号窗口的预定界限相对应的关系，所述电路包括：信号检测装置；误差放大装置。受检测信号与其相连，所述误差放大装置用于将受检测信号与第一基准信号之间的误差进行放大；所述误差放大装置的输出误差信号与至少第一比较器装置和第二比较器装置相连，将所述第一比较器装置和第二比较器装置配置用于将误差信号与至少一个误差信号窗口的上限和下限之一进行比较。本发明提供了一种电路和方法，通过其仅需要一个精确比较器，并且对于误差窗口能够仅使用简单、不精确的比较器。因此，在限定的误差窗口电平之间距离的精确度更加固定，这是因为主要由电阻器的失配而不是由所使用的比较器的偏移确定所述精确度。此外，在反馈节点上的电容性负载更小，其导致更好的响应时间。此外，电流消耗可观地更小了。此外，电路将更小。最后，仍然重要地，输出电压的总体偏移与标准解决方案中的偏移相当。

Description

供DC-DC转换器使用的具有精确电平的改进的窗口比较器

技术领域

本发明涉及：根据权利要求1的用于产生量化控制信号的反馈电路，所述量化控制信号表示受控信号与至少一个误差信号窗口的预定界限相对应的关系；根据权利要求8的用于根据感测信号产生量化控制信号的方法；以及根据权利要求11的用途。

背景技术

在图1中示出了DC-DC上转换器的典型布局。基本地，将输入电压Vin供给至转换器核心110。在开关S1导电时通过线圈L的电流上升(ramp up)。在开关S2导电时，将电流传送至输出电容器C2。数字控制器150通过感测电路130测量在电容器C2处的输出电压Vout。感测电路130根据实际输出信号Vout产生控制信号作为控制器150的输入。通过控制开关S1和S2，控制器150将Vout调节至所需值。因此，开关S1和S2从不同时导电。为了为转换器100的控制电路150得到反馈信号(指示当前输出信号与所需输出信号之间的误差)，可以在感测电路130中使用一个或更多个比较器。反馈信号可以表示：输出电压处于为输出电压所限定的所需窗口的内部、上面或下面。为此目的，量化的反馈信号或控制信号分别是足够的。控制器基于反馈信号调节开关S1、S2的切换，使得输出电压Vout总是在该窗口内部。

以下参考图2，示出了电路结构，用于限定各个误差窗口以便为DC-DC转换器的数字控制单元得到可用的控制信号。使用分别具有高电平和低电平的两个窗口：这里将第一个窄窗口称作“小信号”窗口Ws，将另一个称作“大信号”窗口W1。这意味着，四个比较器OPLWs、OPHWs、OPLW1以及OPHW1全部用于创建这四个(窗口)电平。然而，需要这些比较器是精确的，这通常意味着这些比较器是耗电的并且使用相对大面积的硅。

在图2中，将假设期望切换电源(例如图1的DC-DC转换器)的Vout是2.5V。由具有比例4：1的电阻器RI、RII的电阻分压器210来感测Vout，也就是，如果转换器的Vout如所需的，则电阻分压器210的输出应该是625mV。然后，将分压器210的输出与625mV左右的四个电平进行比较。将各个比较器输出VH20、VH05、VL05以及VL20用作数字控制器(控制转换器的开关)的输入。也就是，在操作期间数字控制器试图将(分开的)输出电压Vout调节到在电平VL05-VH05之间的小信号窗口Ws中，图2的示例中是在620mV至630mV的范围内。对于更大负载阶越(负载的改变以及所需负载电流)，控制器试图将(分开的)输出电压Vout调节到在电平VL20-VH20之间的大信号窗口W1，这里是605mV至645mV。图3示出了大信号窗口W1(VL20-VH20)以及小信号窗口Ws(VL05-VH05)。

图2的电路的缺点是，四个比较器OPLWs、OPHWs、OPLW1以及OPHW1必须非常精确。这意味着，这些比较器使用大量的硅面积和高偏置电流。此外，四个比较器OPLWs、OPHWs、OPLW1以及OPHW1为处于Vout的电阻分压器210形成相当大的电容性负载。出于效率原因具有相对高阻抗的分压器210一起，限制了带宽。作为其结果，在突然负载阶越的情况下，控制回路可能不充分快地对输出电压的改变作出反应。此外，在误差窗口电平之间的“距离”不是固定的。依赖于比较器OPLWs、OPHWs、OPLW1以及OPHW1的偏移，窗口可以比预期的更小或更大，影响控制回路的稳定性，尤其在非常小窗口尺寸的情况下。因此，在实际窗口尺寸与预期窗口尺寸不同的情况下，比较器OPLWs、OPHWs、OPLW1以及OPHW1的偏移是主要原因。

例如，与99.4％误差电平(所谓的4-sigma误差)相对应，假设两个小信号窗口比较器具有±2mV的误差。可以认为这些偏移是不相关的。因此，在VL05与VH05之间的最大距离是

VH 05 - VL 05 \max = 2 \times 5 mV + \sqrt{2 m V^{2} + {2 mV}^{2}} = 12.8 mV,

在VL05与VH05之间的最小距离是

VH 05 - VL 05 \max = 2 \times 5 mV - \sqrt{2 m V^{2} + {2 mV}^{2}} = 7.2 mV .

对于两个可能最坏情况的方案，图4a和4b示出了对于这些误差的小信号窗口的影响。在小信号窗口变小时，控制回路的不稳定性将成为问题。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种电路结构以及方法，通过其能够避免上述问题。

利用如权利要求1的反馈电路解决了本发明的上述目的。因此，提出了一种用于产生控制信号的反馈电路，所述控制信号表示受控信号与至少一个误差信号窗口的预定界限相对应的关系，所述反馈电路包括：信号检测装置；误差放大装置，受检测信号与其相连，所述误差放大装置用于将受检测信号与第一基准信号之间的误差进行放大；所述误差放大装置的输出误差信号与至少第一比较器装置和第二比较器装置相连，将所述第一比较器装置和第二比较器装置配置用于将误差信号与至少一个误差信号窗口的上限和下限之一进行比较。

所述反馈电路还可以包括用于产生误差窗口基准信号的装置，所述误差窗口基准信号用于提供至少一个误差信号窗口的上限和下限。可以将用于产生误差基准信号的装置实现为与第二基准信号相连的电阻分压器，并且可以将所述电阻分压器配置为：提供所述至少一个误差信号窗口的上限和下限作为输出。在进一步的开发中，所述电路包括两个误差信号窗口：用于受控信号的较小改变的小窗口，以及用于受控信号的较大改变的大窗口。

所述至少第一和第二比较器装置中的每一个与所述至少一个误差信号窗口的界限之一相对应，并且提供指示误差信号与各个界限关系的数字控制信号作为输出。因此，所得到的控制信号是量化的信号。

在一个实施例中，所述误差放大装置是运算放大器，所述运算放大器配置为将受检测信号与第一基准信号之间的误差乘以预定因子，其中所述误差信号包括第一基准信号作为偏移。因此，可以将所述至少一个误差信号窗口的各个界限对称地布置在由所述第一基准信号确定的偏移周围。

在所述反馈电路的优选应用中，所述信号检测装置与电源电路的输出相连，并且将量化的控制信号输入至电源电路的控制电路，所述电源电路的控制电路可以是数字控制器等。将控制电路配置用于调节电源电路，使得输出信号保持在至少一个预定的误差信号窗口之内。在一个实施例中，所述电源电路是DC-DC转换器。

利用如权利要求8的用于根据感测信号产生量化控制信号的方法还解决了本发明的上述目的。因此，上述方法包括以下步骤：确定具有预定上限和下限的至少一个误差信号窗口；通过从输入信号中减去基准信号产生误差信号；放大所述误差信号；将放大的误差信号与所述至少一个误差窗口的上限和下限进行比较；以及输出所述比较步骤的结果作为量化控制信号。

所述方法还可以包括以下步骤：采用预定的比例划分输入信号。通过该步骤，电路(在其中使用所述方法)的内部控制信号可以比可用电源电压更低，所述可用电源电压可以是电池。此外，所述放大步骤还可以包括：将基准信号与放大的误差信号相加作为偏移。通过该步骤，误差信号窗口不需要与电路的接地基准电势对称，据此可以避免对称基准信号的产生。

可以在电子电路中有利地使用本发明的方法，用于根据电子电路的输出信号产生量化的反馈信号以控制输出信号。

总之，本发明的一般概念在于以下思想：通过对用于放大误差信号的精确误差放大器的使用，所需的窗口比较器能够相对不精确，这减少了对窗口比较器的要求。此外，采用本发明的方法以及各个电路结构，误差窗口尺寸与上述解决方案相比能够更加精确。在对于非常精确的输出电压需要相当小的窗口的情况下，这尤其重要。

附图说明

通过以下结合附图对本发明实施例的详细描述，将更完全地理解本发明，在附图中：

图1示出了DC-DC上转换器的原理布局的略图；

图2示出了用于产生量化误差反馈信号的简单电路；

图3是图2的电路的误差窗口电平的演示；

图4a、4b示出了由于在制造中假设4-sigma误差引起的对于图3电路的小误差窗口的两个最坏情况的方案；

图5示出了根据本发明的改进实施例；以及

图6示出了本发明对于误差窗口效果。

具体实施方式

现在参考图5，将更加详细地描述利用本发明的电路结构的改进。首先，利用四个相等电阻器R的电阻分压器531感测Vout，所述电阻分压器531根据分压器531的预定比例输出一部分Vout^*；因为所有四个电阻器R是相等的，所以比例是4：1。然后，将Vout^*与各个基准电压Vref1进行比较，所述基准电压Vref1与Vout^*的所需值相对应，具体地与根据电阻分压器531的比例的那部分所需值Vout相对应。利用预定的因子将在Vout^*与Vref1之间的所得到的误差进行放大，例如乘以20。

在图5中，利用包括精确运算放大器OP在内的误差放大器电路535执行Vout^*与Vref1的比较以及所得到的误差(Vout^*与Vref1之差)的放大。将Vout^*输入放大器OP的正输入端，并且将基准电压Vref1输入放大器OP的负端，其中通过电阻器Ra和Rb将放大器OP互连，使得放大器OP的输出电压变成：

Vref 1 + Δ (1 + \frac{R_{b}}{R_{a}}),

其中Δ＝Vout^*-Vref1

也就是，在本实施例中，将Vout^*与Vref1之间的误差放大了20倍，加上基准电压Vref1作为偏移。然后，将误差传送至四个窗口比较器OPLWs、OPHWs、OPLW1以及OPHW1。

为了更好地演示，在本实施例中使用某些电压值作为示例，这并非倾向于限制本发明。因此，将反馈节点FB与Vrer1＝625mV的基准电压之差乘以20。因此，从而将在605...645mV之间的以前的大误差窗口W1展宽到225mV...1025mV，从而将以前的小窗口Ws620...630mV展宽到525...725mV。这样，因为将窗口比较器的有效偏移除以20，所以窗口比较器几乎不再添加任何不精确性。因此，窗口比较器中的偏移不再重要。此外，窗口电平之间距离的精确度现在几乎完全取决于与在本实施例中是1250mV的参考电压Vref2连接的电阻分压器532的质量。这里值得注意的是，采用精确设计电阻器失配可以使失配小于0.1％。

当然，除了窗口电平(图6)之间距离的精确度以外，总体精确度也是重要的。总体精确度依赖于参考电压Vref1和Vref2的精确度，与Vout连接的电阻分压器531，以及放大器OP的偏移。放大器OP可以具有与图2的(大)窗口比较器OPLW1、OPHW1可比较的偏移。因此，本发明的电路结构将具有与电路2的电路可比较的总体精确度，然而窗口电平之间的距离更加固定。

反馈电路的另外优点是：如在图2的电路中，现在反馈节点FB需要支持更少的电容性负载。这是因为，如图2中仅将放大器OP连接到反馈节点FB而不是4个比较器。这导致了更快的响应时间以及更好的调节特性。

此外，因为如图2中仅需要一个大电流运算放大器而不是四个大电流比较器，所以可以显著地降低电流消耗。与所述运算放大器OP连接的四个窗口比较器OPLWs、OPHWs、OPLW1以及OPHW1可能相对不精确，并且能够以低电流进行操作。最后，因为不精确的比较器可以具有非常小的输入晶体管，所以能够节省硅面积。对于所需的快速放大器OP，已经采用具有20MHz增益带宽积的运算放大器实现了最好的结果。这样，放大器足够快以跟随例如1MHz的Vout改变。

总之，本发明提供了一种反馈电路以及产生反馈控制信号的方法，利用所述电路和方法仅需要一个精确放大器，并且对于误差窗口能够仅使用简单、不精确的放大器。所公开方法的主要优点是：在限定的误差窗口电平之间距离的精确度更加固定，这是因为主要由电阻器的失配而不是由所使用比较器的偏移来确定所述精确度。此外在反馈节点上的电容性负载更小，其导致更好的响应时间。另外，电流消耗可观地更小了。此外，电路将更小。最后，仍然重要地，输出电压的总体偏移与标准解决方案中的偏移相当。

应该注意的是，不应将本发明的描述视为对本发明的限制。基本上，本发明的发明原理可以应用于具有控制回路的任何电路，在所述控制回路中通过使用一个或更多个误差窗口观测输出信号值并且产生控制信号。具体地，能够将本发明应用于任何类型的电压转换器电路，在所述电压转换器电路中输出电压根据所述原理进行变化。因此优选实施例可以在所附权利要求的范围内变化。

最后，仍然重要的是，注意在说明书(包括权利要求)中使用的术语“包括”旨在说明所声明的特性、装置、步骤或部件的存在，然而不排除一个或更多个特性、装置、步骤、部件或其组合的存在或添加。此外，在权利要求中元件之前的词“一个”不排除多个这样的元件的存在。此外，任何参考标记不限制权利要求的范围。

Claims

1、一种用于产生量化控制信号的反馈电路，所述量化控制信号表示受控信号与至少一个误差信号窗口的预定界限相对应的关系，所述电路包括：信号检测装置；误差放大装置，受检测信号与其相连，所述误差放大装置用于将受检测信号与第一基准信号之间的误差进行放大；所述误差放大装置的输出误差信号与至少第一比较器装置和第二比较器装置相连，将所述第一比较器装置和第二比较器装置配置用于将误差信号与至少一个误差信号窗口的上限和下限之一进行比较。

2、根据权利要求1的反馈电路，还包括：用于产生误差窗口基准信号的装置，所述误差窗口基准信号用于提供所述至少一个误差信号窗口的上限和下限。

3、根据权利要求2的反馈电路，其中用于产生误差基准信号的装置是与第二基准信号相连的电阻分压器，所述电阻分压器配置用于提供所述至少一个误差信号窗口的上限和下限作为输出。

4、根据权利要求1的反馈电路，其中，所述至少第一和第二比较器装置中的每一个与所述至少一个误差信号窗口的界限之一相对应，并且提供指示误差信号与各个界限关系的数字控制信号作为输出。

5、根据权利要求1的反馈电路，其中，所述误差放大装置是运算放大器，所述运算放大器配置为将受检测信号与第一基准信号之间的误差乘以预定因子，其中所述误差信号包括第一参考信号作为偏移。

6、根据权利要求1的反馈电路，其中所述信号检测装置与电源电路的输出相连，并且将控制信号输入至电源电路的控制电路，所述控制电路配置用于调节电源电路。

7、根据权利要求6的反馈电路，其中所述电源电路是DC-DC转换器。

8、一种用于根据感测的信号产生量化控制信号的方法，所述方法包括以下步骤：

确定具有预定上限和下限的至少一个误差信号窗口；

通过从输入信号中减去基准信号产生误差信号；

放大所述误差信号；

将放大的误差信号与所述至少一个误差窗口的上限和下限进行比较；以及

输出所述比较步骤的结果作为量化控制信号。

9、根据权利要求8的方法，还包括以下步骤：采用预定的比例划分输入信号。

10、根据权利要求8的方法，其中，所述放大步骤还包括：将基准信号与所放大的误差信号相加作为偏移。

11、根据权利要求8或9的方法在电子电路中用途，用于根据所述电子电路的输出信号产生数字反馈信号以控制输出信号。