CN101499721A - 低纹波直流到直流电源转换器 - Google Patents

Abstract

直流到直流电源转换器具有第一开关、第二开关、电感、驱动电路、驱动信号、第一震荡信号、第二震荡信号和震荡信号产生电路。驱动电路根据驱动信号来控制第一和第二开关，并且驱动信号具有工作循环。第一震荡信号具有第一脉冲宽度。第二震荡信号具有第二脉冲宽度。震荡信号产生电路根据驱动信号来产生脉冲震荡信号。根据工作循环、第一脉冲宽度以及第二脉冲宽度来调制脉冲震荡信号的频率。

Description

低纹波直流到直流电源转换器

技术领域

本发明涉及一种直流到直流电源转换器，尤其涉及一种低纹波直流到直流电源转换器。

背景技术

图1显示了公知的直流到直流电源转换器10的电路图。直流到直流电源转换器10将输入电压V_in1转换成输出电压V_o1，以提供给负载Ld1。开关SH1耦合在输入电压V_in1与切换节点N1之间，而开关SL1则耦合在切换节点N1与地电位之间。在图1所示的例子中，用PMOS晶体管来实施开关SH1，而用NMOS晶体管来实施开关SL1。电感L1耦合在切换节点N1与输出端O1之间。输出电容C_o1耦合在输出端O1，以便对输出电压V_o1进行滤波。

直流到直流电源转换器10具有震荡信号产生电路11、闩锁器12、PWM控制电路13和驱动电路14。震荡信号产生电路11产生脉冲震荡信号PL1和谐波震荡信号RM1，其彼此同步震荡。脉冲震荡信号PL1的上升沿(Rising Edge)对应于谐波震荡信号RM1的波峰，而脉冲震荡信号PL1的下降沿(Falling Edge)则对应于谐波震荡信号RM1的波谷。脉冲震荡信号PL1施加到闩锁器12的设置端S，而谐波震荡信号RM1则施加到PWM控制电路13。当脉冲震荡信号PL1的上升沿经由设置端S而触发闩锁器12时，从闩锁器12的输出端Q而来的驱动信号DR1变成高电位。高电位的驱动信号DR1经由驱动电路14，使开关SH1导通，并且使开关SL1不导通，因此直流到直流电源转换器10进入所谓的ON操作阶段。在ON操作阶段中，电感电流I_L1逐渐增大。

电压返馈信号FV1代表输出电压V_o1，而电流返馈信号FI1则代表电感电流I_L1。响应于电压返馈信号FV1、电流返馈信号FI1和谐波震荡信号RM1，PWM控制电路13将控制信号CS1施加到闩锁器12的重设端R。不论是采用电流模式或电压模式的PWM控制方式，当控制信号CS1经由重设端R触发闩锁器12时，从闩锁器12的输出端Q而来的驱动信号DR1变成低电位。低电位的驱动信号DR1经由驱动电路14而使开关SH1不导通并且使开关SL1导通，因此直流到直流电源转换器10进入所谓的OFF操作阶段。在OFF操作阶段中，电感电流I_L1逐渐减小。

具体而言，图1所示的直流到直流电源转换器10属于降压型(Buck Type)，即将较高的输入电压V_in1转换成较低的输出电压V_o1。降压式直流到直流电源转换器10的工作循环(Duty Cycle)Du可由下列方程式(1)所表示：

$\mathrm{Du}\≡\frac{T_{\mathrm{ON}}}{(T_{\mathrm{ON}}+T_{\mathrm{OFF}})}=\frac{V_{o1}}{V_{\mathrm{in}1}}---\left(1\right)$

其中T_ON代表每个周期中ON操作阶段所占时间，即驱动信号DR1保持在高电位所占时间。T_OFF则代表每周期中OFF操作阶段所占时间，即驱动信号DR1保持在低电位所占时间。T_ON与T_OFF的总和等于脉冲震荡信号PL1的周期T_TOL。

由方程式(1)可知，当输入电压V_in1越来越接近输出电压V_o1时，T_ON会越来越增长。由于脉冲震荡信号PL1的周期T_TOL是固定值，所以T_ON的增长会使得T_OFF缩短。然而，因为开关SH1从导通状态进入不导通状态并且开关SL1从不导通状态进入导通状态都需要一段有限的物理时间以完成电荷的累积与释放，所以必须将T_OFF限制为大于预定的最小值T_OFF，min以允许正常的切换操作。因此，工作循环Du所能达到的最大值仅为1-T_OFF，min/T_TOL。当电池因大量耗电而使得输入电压V_in1持续降低而小于[T_TOL/(T_TOL-T_OFF，min)]*V_o1时，由于T_OFF无法再缩短，所以直流到直流电源转换器10将进入不正常的切换操作，导致输出电压V_o1的纹波变大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减少输出电压的纹波的直流到直流电源转换器。

根据本发明的目的，提供一种直流到直流电源转换器，用于将输入电压转换成为输出电压。该直流到直流电源转换器具有第一开关、第二开关、电感、驱动电路、驱动信号、第一震荡信号、第二震荡信号、以及震荡信号产生电路。该第一开关、该第二开关、与该电感共同耦合在切换节点。当该第一开关导通并且该第二开关不导通时，流经该电感的电感电流增加。当该第一开关不导通并且该第二开关导通时，该电感电流则减少。该驱动电路根据该驱动信号来控制该第一开关和该第二开关，并且该驱动信号具有工作循环。该第一震荡信号具有第一脉冲宽度w1。该第二震荡信号具有第二脉冲宽度w2，其中w2>2*w1。该震荡信号产生电路根据该驱动信号来产生脉冲震荡信号。根据该工作循环、该第脉冲宽度w1和该第二脉冲宽度w2来调制该脉冲震荡信号的频率，以减少该输出电压的纹波。

附图说明

图1显示了公知的直流到直流电源转换器的电路图。

图2显示了根据本发明的直流到直流电源转换器的电路图。

图3显示了图2中的震荡信号产生电路的详细电路图。

图4显示了图3中的控制电路的详细电路图。

图5(a)到5(c)显示了图3中的震荡信号产生电路的波形时序图。

图6显示脉冲震荡信号的频率PL随驱动信号DR的工作循环D变化的对比图。

具体实施方式

结合附图，下文中的说明将使本发明的前述与其他目的、特征、与优点更明显。现在将参照附图详细说明根据本发明的优选实施例。

图2显示了根据本发明的直流到直流电源转换器20的电路图。直流到直流电源转换器20属于降压型，即将较高的输入电压V_in转换成较低的输出电压V_o，而提供给负载Ld。开关SH耦合在输入电压V_in和切换节点N之间，而开关SL则耦合在切换节点N与地电位之间。在图2所示的例子中，用PMOS晶体管来实施开关SH而用NMOS晶体管来实施开关SL。电感L耦合在切换节点N与输出端O之间。输出电容C_o耦合在输出端O，以便对输出电压V_o进行滤波。

直流到直流电源转换器20具有震荡信号产生电路21、闩锁器22、PWM控制电路23和驱动电路24。震荡信号产生电路21产生脉冲震荡信号PL和谐波震荡信号RM，其彼此同步震荡并且具有相同的周期。脉冲震荡信号PL的上升沿对应于谐波震荡信号RM的波峰，而脉冲震荡信号PL的下降沿则对应于谐波震荡信号RM的波谷。脉冲震荡信号PL施加到闩锁器22的设置端S，而谐波震荡信号RM则施加到PWM控制电路23。当脉冲震荡信号PL的上升沿经由设置端S而触发闩锁器22时，从闩锁器22的输出端Q而来的驱动信号DR变成高电位。高电位的驱动信号DR经由驱动电路24而使开关SH导通并并且使开关SL不导通，因此直流到直流电源转换器20进入所谓的ON操作阶段。在ON操作阶段中，电感电流IL逐渐增大。

电压返馈信号FV代表输出电压V_o，而电流返馈信号FI则代表电感电流I_L。响应于电压返馈信号FV、电流返馈信号FI和谐波震荡信号RM，PWM控制电路23施加控制信号CS到闩锁器22的重启端R。不论是采用电流模式或电压模式的PWM控制方式，当控制信号CS经由重启端R触发闩锁器22时，从闩锁器22的输出端Q而来的驱动信号DR变成低电位。低电位的驱动信号DR经由驱动电路24而使开关SH不导通并并且使开关SL导通，因此直流到直流电源转换器20进入所谓的OFF操作阶段。在OFF操作阶段中，电感电流IL逐渐减小。

驱动信号DR经由震荡信号产生电路21，可适性地调制脉冲震荡信号PL和谐波震荡信号RM的频率。当输入电压V_in与输出电压V_o的差值变小时，驱动信号DR的工作循环D将会变大，此时震荡信号产生电路21会根据工作循环D来降低脉冲震荡信号PL和谐波震荡信号RM的频率，因而减少输出电压V_o的纹波。当输入电压V_in与输出电压V_o的差值变大时，驱动信号DR的工作循环D将会变小，此时震荡信号产生电路21会根据工作循环D来升高脉冲震荡信号PL和谐波震荡信号RM的频率。

图3显示了根据本发明的震荡信号产生电路21的详细电路图。震荡信号产生电路21具有比较器31到33、单触发电路(One Shot)34、谐波震荡信号产生器35、分频器36到38、多路复用器39到41、控制电路42、计数器43、计数器44、参考电压源V_r1到V_r3、电流源I_osc、电容C_osc和晶体管TN，彼此耦合形成如图所示的结构。比较器33的非反相输入端接收震荡信号D0的电压，并且其反相输入端接收参考电压源V_r3的电压。当震荡信号D0的电压超过参考电压源V_r3的电压时，比较器33输出上升沿的输出信号以触发单触发电路34产生震荡信号OSC。当震荡信号OSC为高电位时，此时晶体管TN导通，震荡信号D0的电压会降低到地电位。当震荡信号OSC为低电位时，此时晶体管TN不导通，电流源I_osc立即对电容C_osc充电，使得震荡信号D0的电压逐渐上升。比较器31的非反相输入端接收震荡信号D0的电压，并且其反相输入端接收参考电压源V_r1的电压，以产生震荡信号F10，其中可以通过调整参考电压源V_r1的电压来决定震荡信号F10的脉冲宽度。比较器32的非反相输入端接收震荡信号D0的电压，并且其反相输入端接收参考电压源V_r2的电压，以产生震荡信号F20，其中可通过调整参考电压源V_r2的电压来决定震荡信号F20的脉冲宽度。震荡信号OSC、震荡信号F10和震荡信号F20都具有相同的周期T和相同的频率F，其中F＝1/T。此外，谐波震荡信号产生器35根据震荡信号D0和脉冲震荡信号PL来产生谐波震荡信号RM。

分频器36根据震荡信号F10来产生震荡信号F11到F13，其中震荡信号F11的频率为0.5*F，震荡信号F12的频率为0.25*F，并且震荡信号F13的频率为0.125*F。多路复用器39根据计数信号S0和S1来选择震荡信号F10到F13中的一个以产生震荡信号D2。当计数信号S0和S1都为低电位时，震荡信号D2等于震荡信号F10。当计数信号S0为高电位而计数信号S1为低电位时，震荡信号D2等于震荡信号F11。当计数信号S0为低电位而计数信号S1为高电位时，震荡信号D2等于震荡信号F12。当计数信号S0和S1都为高电位时，震荡信号D2等于震荡信号F13。同样，分频器37根据震荡信号F20来产生震荡信号F21到F23，其中震荡信号F21的频率为0.5*F，震荡信号F22的频率为0.25*F，并且震荡信号F23的频率为0.125*F。多路复用器40根据计数信号S0和S1来选择震荡信号F20到F23中的一个，以产生震荡信号D1。当计数信号S0和S1都为低电位时，震荡信号D1等于震荡信号F20。当计数信号S0为高电位而计数信号S1为低电位时，震荡信号D1等于震荡信号F21。当计数信号S0为低电位而计数信号S1为高电位时，震荡信号D1等于震荡信号F22。当计数信号S0和S1都为高电位时，震荡信号D1等于震荡信号F23。分频器38根据震荡信号OSC用于产生震荡信号F31到F33，其中震荡信号F31的频率为0.5*F，震荡信号F32的频率为0.25*F，并且震荡信号F33的频率为0.125*F。多路复用器41根据计数信号S0和S1来选择震荡信号OSC和F31到F33中的一个，以产生脉冲震荡信号PL。当计数信号S0和S1都为低电位时，脉冲震荡信号PL等于震荡信号OSC。当计数信号S0为高电位而计数信号S1为低电位时，脉冲震荡信号PL等于震荡信号F31。当计数信号S0为低电位而计数信号S1为高电位时，脉冲震荡信号PL等于震荡信号F32。当计数信号S0和S1都为高电位时，脉冲震荡信号PL等于震荡信号F33。因此，脉冲震荡信号PL、震荡信号D1和震荡信号D2在任何时间都具有相同的频率。

控制电路42接收驱动信号DR、震荡信号D1和震荡信号D2，以输出控制信号CNTUP和CLR。计数器43接收控制信号CLR和脉冲震荡信号PL，以输出控制信号C1。计数器44接收控制信号CNTUP和控制信号C1，以输出计数信号S0和S1，其中计数信号S0和S1的初始值都为低电位并且控制信号CNTUP用于控制计数器44往上数或往下数。计数器44的位数为二，其中计数信号S0为低位信号而计数信号S1为高位信号。图4显示了根据本发明的控制电路42的详细电路图。控制电路42具有双稳态多谐振荡器45和46、与非门47、异或门48、与反相器49和50，彼此耦合形成如图所示的结构。双稳态多谐振荡器45的数据端DATA接收驱动信号DR，并且双稳态多谐振荡器45的时钟端CLK接收震荡信号D1，用于产生输出信号Q1到与非门47和异或门48。双稳态多谐振荡器46的数据端DATA接收驱动信号DR，并且双稳态多谐振荡器46的时钟端CLK接收震荡信号D2，用于产生输出信号Q2到与非门47和异或门48。反相器49的输入端耦合到与非门47的输出端，以产生控制信号CNTUP。反相器50的输入端耦合到异或门48的输出端，以产生控制信号CLR。

图5(a)到图5(c)显示了脉冲震荡信号PL、震荡信号D1、震荡信号D2和驱动信号DR的波形时序图。如图5(a)所示，由于计数信号S0和S1的初始值都为低电位，此时钟冲震荡信号PL等于震荡信号OSC，震荡信号D1等于震荡信号F20，并且震荡信号D2等于震荡信号F10。震荡信号D1具有脉冲宽度w1并且震荡信号D2具有脉冲宽度w2，其中w2>2*w1以避免脉冲震荡信号PL的频率发生不稳定现象。本实施例选择脉冲宽度w1等于100ns，脉冲宽度w2等于250ns，周期T等于1μs，即频率F等于1MHz。

请同时参照图3、图4和图5(a)以便说明本发明的震荡信号产生电路21的操作方式。当驱动信号DR的工作循环D大于1-F*w1，震荡信号D1和D2的上升沿都采样到高电位的驱动信号DR，使得双稳态多谐振荡器45的输出信号Q1为高电位并且双稳态多谐振荡器46的输出信号Q2为高电位，此时控制信号CNTUP为高电位而控制信号CLR为低电位。接着，假设连续N个脉冲震荡信号PL的周期内工作循环D都大于1-F*w1，此时计数器43将产生上升沿的控制信号C1，使得计数器44的储存值加一，其中N为大于一的正整数，并且本发明选择N等于8。储存值加一表示此时计数信号S0为高电位而计数信号S1为低电位。最后，脉冲震荡信号PL等于震荡信号F31，震荡信号D1等于震荡信号F21，并且震荡信号D2等于震荡信号F11，此时钟冲震荡信号PL的频率将被调制为0.5*F。

如图5(b)所示，此时钟冲震荡信号PL的频率将被调制为0.5*F而周期被调制为2*T，震荡信号D1的脉冲宽度保持为w1并且震荡信号D2的脉冲宽度保持为w2。当驱动信号DR的工作循环D大于1-F*w1/2时，输出信号Q1和Q2仍将维持为高电位。接着，假设连续N个脉冲震荡信号PL的周期内工作循环D都大于1-F*w1/2，计数器44的储存值会继续加一，表示此时计数信号S0为低电位而计数信号S1为高电位。最后，脉冲震荡信号PL等于震荡信号F32，震荡信号D1等于震荡信号F22，并且震荡信号D2等于震荡信号F12，此时钟冲震荡信号PL的频率将被调制为0.25*F。

如图5(c)所示，此时钟冲震荡信号PL的频率将被调制为0.5*F而周期被调制为2*T，震荡信号D1的脉冲宽度保持为w1并且震荡信号D2的脉冲宽度保持为w2。当驱动信号DR的工作循环D小于1-F*w2/2，震荡信号D1和D2的上升沿都采样到低电位的驱动信号DR，此时控制信号CNTUP和CLR都为低电位。接着，假设连续N个脉冲震荡信号PL的周期内工作循环D都小于1-F*w2/2，计数器43将产生上升沿的控制信号C1，使得计数器44的储存值减，表示此时计数信号S0和S1都为低电位。最后，脉冲震荡信号PL等于震荡信号OSC，震荡信号D1等于震荡信号F20，并且震荡信号D2等于震荡信号F10，此时钟冲震荡信号PL的频率将被调制为初始值F。

图6显示了脉冲震荡信号PL的频率随驱动信号DR的工作循环D变化的对照图。举例而言，当脉冲震荡信号PL的频率为0.25*F时，假设工作循环D大于1-F*w1/4，脉冲震荡信号PL的频率将被调制为0.125*F。假设工作循环D小于1-F*w2/4，脉冲震荡信号PL的频率将被调制为0.5*F。假设工作循环D介于1-F*w2/4与1-F*w1/4的之间，脉冲震荡信号PL的频率将维持为0.25*F。因此，通过可适性地调制脉冲震荡信号PL的频率可减少输出电压V_o的纹波。虽然本实施例的计数器44的位数为二并且脉冲震荡信号PL的最小频率为0.125*F，但本发明不限于此。可以根据实际需求来决定计数器44的位数和脉冲震荡信号PL的最小频率。此外，虽然本实施例的直流到直流电源转换器20为降压型，但本发明也可适用于升压型(BoostType)直流到直流电源转换器，在此便不再赘述。

虽然已通过优选实施例作为示例来说明了本发明，应当理解，本发明不限于这里所公开的实施例。相反地，本发明旨在覆盖本领域技术人员所公知的明显的各种修改与相似配置。因此，权利要求的范围应根据最广的诠释，以包容所有此类修改与相似配置。

Claims (20)

1、一种电源转换器，用于将输入电压转换成为输出电压，包括：

第一开关；

第二开关；

电感，其中所述第一开关、所述第二开关和所述电感共同耦合在切换节点，使得当所述第一开关导通并且所述第二开关不导通时，流经所述电感的电感电流增加，而当所述第一开关不导通并且所述第二开关导通时，所述电感电流则减少；

驱动电路，根据驱动信号，用于控制所述第一开关和所述第二开关，所述驱动信号具有工作循环；以及

震荡信号产生电路，其具有第一震荡信号和第二震荡信号，所述第一震荡信号具有第一脉冲宽度w1并且所述第二震荡信号具有第二脉冲宽度w2，所述震荡信号产生电路用于产生脉冲震荡信号，所述脉冲震荡信号具有初始值为F的频率，

其中根据所述工作循环、所述第一脉冲宽度w1和所述第二脉冲宽度w2来调制所述频率。

2、如权利要求1所述的电源转换器，其中当所述频率为F并且所述工作循环大于1-F*w1时，所述频率将被调制为0.5*F。

3、如权利要求2所述的电源转换器，其中当所述频率为0.5*F并且所述工作循环大于1-F*w1/2时，所述频率将被调制为0.25*F。

4、如权利要求3所述的电源转换器，其中当所述频率为0.5*F并且所述工作循环小于1-F*w2/2时，所述频率将被调制为F。

5、如权利要求4所述的电源转换器，其中当所述频率为0.25*F并且所述工作循环大于1-F*w1/4时，所述频率将被调制为0.125*F。

6、如权利要求5所述的电源转换器，其中当所述频率为0.25*F并且所述工作循环小于1-F*w2/4时，所述频率将被调制为0.5*F。

7、如权利要求6所述的电源转换器，其中当所述频率为0.125*F并且所述工作循环小于1-F*w2/8时，所述频率将被调制为0.25*F。

8、如权利要求1所述的电源转换器，其中所述震荡信号产生电路还包括：

计数器，用于产生第一计数信号和第二计数信号；

控制电路，用于根据所述驱动信号、所述第一震荡信号和所述第二震荡信号来控制所述计数器；以及

谐波震荡信号产生器，用于根据所述脉冲震荡信号，产生谐波震荡信号。

9、如权利要求8所述的电源转换器，其中所述震荡信号产生电路还包括：

第一分频器，用于根据第三震荡信号，产生第四震荡信号、第五震荡信号和第六震荡信号；以及

第一多路复用器，用于根据所述第一计数信号和所述第二计数信号，选择所述第三震荡信号、所述第四震荡信号、所述第五震荡信号和所述第六震荡信号中的一个，以产生所述脉冲震荡信号。

10、如权利要求9所述的电源转换器，其中所述震荡信号产生电路还包括：

第二分频器，用于根据第七震荡信号，产生第八震荡信号、第九震荡信号和第十震荡信号；以及

第二多路复用器，用于根据所述第一计数信号和所述第二计数信号，选择所述第七震荡信号、所述第八震荡信号、所述第九震荡信号和所述第十震荡信号中的一个，以产生所述第一震荡信号。

11、如权利要求10所述的电源转换器，其中所述震荡信号产生电路还包括：

第三分频器，用于根据第十震荡信号，产生第十二震荡信号、第十三震荡信号和第十四震荡信号；以及

第三多路复用器，用于根据所述第一计数信号和所述第二计数信号，选择所述第十震荡信号、所述第十二震荡信号、所述第十三震荡信号和所述第十四震荡信号中的一个，以产生所述第二震荡信号。

12、如权利要求11所述的电源转换器，其中所述震荡信号产生电路还包括单触发电路、第一比较器和第一电压源，用于产生所述第三震荡信号。

13、如权利要求12所述的电源转换器，其中所述震荡信号产生电路还包括第二比较器和第二电压源，用于产生所述第七震荡信号，并且所述第七震荡信号的脉冲宽度为w1。

14、如权利要求13所述的电源转换器，其中所述震荡信号产生电路还包括第三比较器和第三电压源，用于产生所述第十震荡信号，并且所述第十震荡信号的脉冲宽度为w2。

15、如权利要求14所述的电源转换器，其中所述电源转换器还包括闩锁器，所述闩锁器用于根据所述脉冲震荡信号产生所述驱动信号。

16、如权利要求1所述的电源转换器，其中w2>2*w1。

17、如权利要求7所述的电源转换器，其中当所述频率为0.5*F并且所述工作循环介于1-F*w2/2与1-F*w1/2的之间时，所述频率将维持为0.5*F。

18、如权利要求17所述的电源转换器，其中当所述频率为0.25*F并且所述工作循环介于1-F*w2/4与1-F*w1/4的之间时，所述频率将维持为0.25*F。

19、如权利要求18所述的电源转换器，其中F等于1MHz。

20、如权利要求19所述的电源转换器，其中w1等于100ns并且w2等于250ns。

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