CN101764514B - 电压转换器和电压产生方法 - Google Patents
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Abstract
一种电压转换器和电压产生方法。其中电压转换器，用以产生电压输出信号，电压转换器包括：控制器，根据电压输出信号和第一参考电压，用以产生电压控制信号；波形产生器，用以产生锯齿波信号，并根据电压输出信号修改锯齿波信号的波形的上限和下限的至少一者；第一比较器，根据电压控制信号和锯齿波信号，用以产生脉宽调制信号；以及电压转换单元，根据脉宽调制信号，用以产生电压输出信号。利用本发明所提供的电压转换器和电压产生方法不需减少电容器的电容值，因此电压控制信号的稳定性不受影响。
Description
技术领域
本发明有关于一种电压转换器和电压产生方法。
背景技术
图1为现有技术的降压式转换器(buck converter)示意图。参见图1，降压式转换器1产生直流(direct-current，DC)电压输出信号Vout，降压式转换器1包括误差放大器(error amplifier)10、补偿单元(compensating unit)11、比较器(comparator)12、驱动器(driver)13、PMOS晶体管14、NMOS晶体管15、电感器16和电容器17。补偿单元11包括电阻器110和电容器111，两者串联耦接于节点N10和接地信号GND之间。PMOS晶体管14和NMOS晶体管15串联耦接于供应电压源VDD和接地信号GND之间。
误差放大器10接收电压输出信号Vout和参考电压Vref，并根据电压输出信号Vout和参考电压Vref两者的电压差产生电压控制信号Vc。补偿单元11通过电压控制信号Vc进行充电或放电。比较器12接收电压控制信号Vc和锯齿波(saw-wave)信号Vramp，并根据电压控制信号Vc和锯齿波信号Vramp两者的电压差产生脉宽调制(PulseWidth Modulation，PWM)信号Vpwm。图2为锯齿波信号Vramp和PWM信号Vpwm的波形示意图。参见图2，提供至现有技术的降压式转换器1的锯齿波信号Vramp波形的上限和下限是固定的，且锯齿波信号Vramp的波形在每一个周期内仅有一个斜率。假设电压控制信号Vc在稳态下的电平为LV10。根据电平为LV10的电压控制信号Vc和锯齿波信号Vramp两者的电压差，所产生的PWM信号Vpwm因此具有工作周期D10。根据具有工作周期D10的PWM信号Vpwm，驱动器13相应地切换pMOS晶体管14和NMOS晶体管15的状态ON/OFF，从而在节点N11产生方形信号Vsqu。通过电感器16和电容器17对方形信号Vsqu进行滤波，因此在输出节点Nout产生DC电压输出信号Vout。
当外部负载从输出节点Nout下拉出一个大电流时，由于所述大电流，电压输出信号Vout的电平被下拉。此时，参见图2，根据具有更低电平的电压输出信号Vout和参考电压Vref两者的电压差，电压控制信号Vc的电平变为更高的LV11，因此PWM信号Vpwm具有比D10更大的工作周期D11，此工作周期D11更有利于功率传输。为了缩短响应时间，电容器111通常具有小电容值。然而，具有小电容值的电容器111导致电压控制信号Vc的低稳定性，因此导致输出不精确的电压输出信号Vout。
发明内容
为解决电压转换器由于电压控制信号的低稳定性而输出不精确的电压输出信号的技术问题，本发明提供一种电压转换器和电压产生方法。
本发明提供一种电压转换器，用以产生电压输出信号，电压转换器包括：控制器，根据电压输出信号和第一参考电压，用以产生电压控制信号；波形产生器，用以产生锯齿波信号，并根据电压输出信号修改锯齿波信号的波形的上限和下限的至少一者；第一比较器，根据电压控制信号和锯齿波信号，用以产生脉宽调制信号；以及电压转换单元，根据脉宽调制信号，用以产生电压输出信号，其中所述波形产生器包括第二比较器和振荡器，所述第二比较器用以比较所述电压输出信号与第二参考电压，以产生比较结果；所述振荡器用以产生所述锯齿波信号，并根据所述比较结果，修改所述锯齿波信号的所述波形的所述上限和所述下限的至少一者。
本发明再提供一种电压转换器，用以产生电压输出信号，电压转换器包括：控制器，根据电压输出信号和第一参考电压，用以产生电压控制信号；波形产生器，用以产生锯齿波信号，其中锯齿波信号的波形在一个周期内具有至少两个不同的斜率，所述锯齿波信号的所述波形具有前部和后部，且所述前部的斜率比所述后部的斜率更陡峭；比较器，根据电压控制信号和锯齿波信号，用以产生脉宽调制信号；以及电压转换单元，根据脉宽调制信号，用以产生电压输出信号。
本发明另提供一种电压产生方法，用以产生电压输出信号，方法包括：提供锯齿波信号；比较电压控制信号和锯齿波信号，以产生比较结果；根据比较结果，产生脉宽调制信号；根据脉宽调制信号产生电压输出信号；比较所述电压输出信号和参考电压；当所述电压输出信号的电平不超过所述参考电压时，设置所述锯齿波的波形的上限为第一电平；以及当所述电压输出信号的所述电平超过所述参考电压时，设置所述锯齿波的所述波形的所述上限为第二电平，其中所述第二电平小于所述第一电平。
本发明又提供一种电压产生方法，用以产生电压输出信号，方法包括：提供锯齿波信号，设置所述锯齿波信号的波形的前部具有陡峭斜率，设置所述锯齿波信号的所述波形的后部具有平滑斜率，其中在一个周期内所述后部跟随所述前部；比较电压控制信号和锯齿波信号，以产生比较结果；根据比较结果，产生脉宽调制信号；根据脉宽调制信号产生电压输出信号。
利用本发明所提供的电压转换器和电压产生方法不需减少电容器的电容值，因此电压控制信号的稳定性不受影响。
附图说明
图1为现有技术的降压式转换器示意图；
图2为锯齿波信号Vramp和PWM信号Vpwm的波形示意图；
图3为本发明的电压转换器的一个实施例的示意图；
图4为图3的电压转换器的信号波形的示意图；
图5为图3的电压转换器的信号波形的另一个示意图；
图6为本发明的电压转换器的另一个实施例的示意图；
图7为图6的电压转换器的信号波形的示意图。
具体实施方式
以下根据多个图式对本发明的较佳实施例进行详细描述，本领域技术人员阅读后应可明确了解本发明的目的。
本发明的目的之一在于提供电压转换器。图3为本发明的电压转换器的一个实施例的示意图。在图3中，电压转换器3产生直流电压输出信号Vout，电压转换器3包括控制器30、波形产生器31、比较器32和电压转换单元33。参见图3，控制器30接收电压输出信号Vout和参考电压Vref1，并根据电压输出信号Vout和参考电压Vref1产生电压控制信号Vc。波形产生器31接收电压输出信号Vout，产生锯齿波信号Vramp，并根据电压输出信号Vout修改锯齿波信号Vramp的上限。比较器32接收电压控制信号Vc和锯齿波信号Vramp，并根据电压控制信号Vc和锯齿波信号Vramp两者的电压差产生PWM信号Vpwm。电压转换单元33耦接供应电压VDD和接地信号GND，并根据PWM信号Vpwm产生电压输出信号Vout。
参见图3，控制器30包括误差放大器300和补偿单元301。误差放大器300接收电压输出信号Vout和参考电压Vref1，并根据电压输出信号Vout和参考电压Vref1两者的电压差产生电压控制信号Vc。电压控制信号Vc输出至比较器32的正输入端。补偿单元301通过电压控制信号Vc充电或放电，以稳定电压控制信号Vc的电平。换言之，使用补偿单元301补偿电压控制信号Vc。在本实施例中，补偿单元301包括电阻器301a和电容器301b，两者串联耦接于误差放大器300的输出和接地信号GND之间。例如，电容器301b具有大电容值，大电容值有利于稳定电压控制信号Vc的电平。因此，允许电压控制信号Vc保持为接近常数的电平。
波形产生器31包括比较器310和振荡器311。比较器310接收并比较电压输出信号Vout和参考电压Vref2。振荡器311产生锯齿波信号Vramp，并根据比较器310的比较结果修改所述锯齿波信号Vramp的上限，其中锯齿波信号Vramp的产生方法相似于先前技术，在此无需详述。输出锯齿波信号Vramp至比较器32的负输入端。
电压转换单元33包括PMOS晶体管330、NMOS晶体管331、驱动器332、电感器333和电容器334。PMOS晶体管330具有栅极，耦接至供应电压源VDD的源极，以及耦接至节点N30的漏极。NMOS晶体管331具有栅极，耦接至接地信号GND的源极，以及耦接至节点N30的漏极。驱动器332接收PWM信号Vpwm，并根据PWM信号Vpwm相应地切换PMOS晶体管330和NMOS晶体管331。通过切换PMOS晶体管330和NMOS晶体管331的状态ON/OFF，根据供应电压源VDD和接地信号GND在节点N30产生方形信号Vsqu。电感器333耦接至节点N30和输出节点Nout之间，电容器334耦接至输出节点Nout和接地信号GND之间。电感器333和电容器334组成低通滤波器，因此通过此低通滤波器对方形信号Vsqu进行滤波，并在输出节点Nout上产生DC电压输出信号Vout。
图4为图3的电压转换器的信号波形的示意图，其中电流信号Iload表示耦接至电压转换器3的外部负载的所需电流，电流信号IL表示电感器333的电流。接下来参考图3和图4，介绍波形产生器31的详细操作。在此实施例中，初始化参考电压Vref2小于电压输出信号Vout的电平。在稳态下，保持电压输出信号Vout的电平高于参考电压Vref2，即，不超过参考电压Vref2所限定的边界。在此实施例中，由于初始化参考电压Vref2小于电压输出信号Vout的电平，“超出边界”意味着电压输出信号Vout的电平向下超过参考电压Vref2的电平。相反地，如果初始化参考电压Vref2大于电压输出信号Vout的电平，“超出边界”意味着电压输出信号Vout的电平向上超过参考电压Vref2的电平。因此，超出边界的条件根据参考电压Vref2和电压输出信号Vout的初始化电平而决定。此外，振荡器311产生锯齿波信号Vramp，其中锯齿波信号Vramp的波形的上限为电平LVup 1，锯齿波信号Vramp的波形的下限为电平LVlo1。通过比较电压控制信号Vc和具有上限LVup1的锯齿波信号Vramp，比较器32产生具有工作周期D30的PWM信号Vpwm。根据具有工作周期D30的PWM信号Vpwm，驱动器332相应地切换PMOS晶体管330和NMOS晶体管331，并在输出节点Nout产生DC电压输出信号Vout。
参见图3和图4，当耦接至电压转换器3的外部负载从输出节点Nout下拉出一个大电流时，例如，负载从小变大，由于所述大电流，电压输出信号Vout的电平被下拉。在此实施例中，由于电容器301b的电容值较大，控制器30能产生具有接近常数电平的电压控制信号Vc。同时，通过比较电压输出信号Vout和参考电压Vref2，比较器310检测电压输出信号Vout的变化，其中参考电压Vref2被初始化为小于电压输出信号Vout的电平。由于下拉出一个大电流，当电压输出信号Vout的电平超过参考电压Vref2时，换言之，当电压输出信号Vout的电平小于参考电压Vref2所限定的边界时，振荡器311修改锯齿波信号Vramp的波形的上限为电平LVup2，其中电平LVup2小于电平LVup1。同时在此实施例中，锯齿波信号Vramp的波形的下限可固定为电平LVlo1。通过比较电压控制信号Vc和具有上限LVup2的锯齿波信号Vramp，比较器32产生具有工作周期D31的PWM信号Vpwm，其中工作周期D31大于工作周期D30。根据具有工作周期D31的PWM信号Vpwm，驱动器332相应地切换PMOS晶体管330和NMOS晶体管331，并在输出节点Nout产生DC电压输出信号Vout。在此状态下，例如，工作周期D31大于工作周期D30，这有利于功率传输。
根据图4的实施例，当耦接至电压转换器3的外部负载从输出节点Nout下拉出一个大电流时，根据电压输出信号Vout的变化，PWM信号Vpwm的工作周期相应地增大，此有利于功率传输。此外，因不需减少电容器301b的电容值，因此电压控制信号Vc的稳定性不受影响。
图5为图3的电压转换器的信号波形的另一个示意图。当耦接至电压转换器3的外部负载从输出节点Nout下拉出一个大电流时，例如，负载从小变大，除锯齿波信号Vramp的波形的上限之外，振荡器311可同样修改锯齿波信号Vramp的波形的下限为电平LVlo2。需注意的是，电平LVup1和LVlo1的电压差可近似等于电平LVup2和LVlo2的电压差。在此瞬时下，因为PWM信号Vpwm的高电平(非零)时期被增加，PWM信号Vpwm就具有大于稳态工作周期D30的工作周期D32。
图6为本发明的电压转换器的另一个实施例的示意图。在图6中，电压转换器6产生直流电压输出信号Vout，电压转换器6包括控制器60、波形产生器61、比较器62和电压转换单元63。控制器60接收电压输出信号Vout和参考电压Vref1，并根据电压输出信号Vout和参考电压Vref1产生电压控制信号Vc。波形产生器61产生锯齿波信号Vramp，其中在一个周期内，锯齿波信号Vramp的波形具有至少两个不同的斜率。图7为图6的电压转换器的信号波形的示意图。如图7所示，锯齿波信号Vramp的波形的前部具有陡峭的斜率SL60，跟随前部的锯齿波信号Vramp的波形后部具有平滑的斜率SL61。比较器62接收电压控制信号Vc和锯齿波信号Vramp，并根据电压控制信号Vc和锯齿波信号Vramp两者的电压差产生PWM信号Vpwm。电压转换单元63耦接供应电压VDD和接地信号GND，并根据PWM信号Vpwm在输出节点Nout输出电压输出信号Vout。
控制器60包括误差放大器600和补偿单元601。误差放大器600接收电压输出信号Vout和参考电Vref1，并根据电压输出信号Vout和参考电压Vref1两者的电压差产生电压控制信号Vc。电压控制信号Vc输出至比较器62的正输入端。补偿单元601包括电阻器601a和电容器601b，两者串联耦接于误差放大器600的输出和接地信号GND之间。电压转换单元63包括PMOS晶体管630、NMOS晶体管631、驱动器632、电感器633和电容器634。电容器634耦接至输出节点Nout和接地信号GND之间。电压转换单元63的操作与图3的电压转换单元33的操作相同。比较器62的操作与第3图的比较器32的操作相同。因此不再赘述控制器60、比较器62和电压转换单元63的详细电路结构与操作。波形产生器61直接产生锯齿波信号Vramp，其中锯齿波信号Vramp的波形具有至少两个不同的斜率。在此实施例中，锯齿波信号Vramp的波形的前部和后部分别具有陡峭的斜率SL60和平滑的斜率SL61。
参见图7，在稳态下，电压控制信号Vc的电平为电平LV60，PWM信号Vpwm具有工作周期D60。当耦接至电压转换器6的外部负载从输出节点Nout下拉出一个大电流时，由于所述大电流，电压输出信号Vout的电平被下拉。通过比较具有更低电平的电压输出信号Vout和参考电Vref1，控制器60产生具有更高电平LV61的电压控制信号Vc。然后，根据具有电平LV61的电压控制信号Vc和锯齿波信号Vramp，比较器62产生具有工作周期D61的PWM信号Vpwm。参见图7，因为电平LV61大于电平LV60，通过比较电压控制信号Vc和锯齿波信号Vramp，PWM信号Vpwm的工作周期D61大于工作周期D60。在此实施例中，当耦接至电压转换器6的外部负载下拉出一个大电流时，由于更陡峭的斜率SL60，电压控制信号Vc从电平LV60移动至更高的电平LV61，锯齿波信号Vramp的工作周期变大。
根据图7的实施例，当耦接至电压转换器6的外部负载从输出节点Nout下拉出一个大电流时，根据锯齿波信号Vramp，PWM信号Vpwm的工作周期相应地增大，其中，锯齿波信号Vramp的波形具有两个不同的斜率。此外，因不需减少电容器601b的电容值，因此电压控制信号Vc的稳定性不受影响。
如上所述，所述实施例提供的电压转换器，用以产生输出电压信号。电压转换器包括控制器、波形产生器、比较器和电压转换单元。根据电压输出信号和第一参考电压，控制器产生电压控制信号。波形产生器产生锯齿波信号。比较器根据电压控制信号和锯齿波信号产生PWM信号。电压转换单元根据PWM信号产生电压输出信号。当电压转换器的负载增大时，PWM信号的工作周期相应地增大。例如，通过具有不同频率或两个不同斜率的锯齿波信号，可实现增大PWM信号的工作周期。在图3和图4的实施例中，在稳态下，由于锯齿波信号Vramp的频率小，PWM信号Vpwm具有小工作周期D30；当耦接至电压转换器3的外部负载从输出节点Nout下拉出一个大电流时，例如，负载由小变大，锯齿波信号Vramp的频率变大，且PWM信号Vpwm具有更大的工作周期D31。
在图6和图7的另一个实施例中，锯齿波信号Vramp具有两个不同的斜率。在稳态下，电压控制信号Vc具有低电平LV60，通过比较电压控制信号Vc和锯齿波信号Vramp所具有陡峭的斜率SL60的部分，PWM信号Vpwm具有更小的工作周期D60。当耦接至电压转换器6的外部负载从输出节点Nout下拉出一个大电流时，电压控制信号Vc变为高电平LV61，通过比较电压控制信号Vc和锯齿波信号Vramp所具有陡峭的斜率SL60的部分，PWM信号Vpwm具有更大的工作周期D61。
上述实施例仅用来例举本发明的实施，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的范畴。任何本领域的技术人员可依据本发明的精神轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利范围应以权利要求为准。
Claims (14)
1.一种电压转换器，用以产生电压输出信号，其特征在于，所述电压转换器包括：
控制器，用以根据所述电压输出信号和第一参考电压，产生电压控制信号；
波形产生器，用以产生锯齿波信号，并根据所述电压输出信号修改所述锯齿波信号的波形的上限和下限的至少一者；
第一比较器，用以根据所述电压控制信号和所述锯齿波信号，产生脉宽调制信号；以及
电压转换单元，用以根据所述脉宽调制信号，产生所述电压输出信号，
其中所述波形产生器包括第二比较器和振荡器，所述第二比较器用以比较所述电压输出信号与第二参考电压，以产生比较结果；所述振荡器用以产生所述锯齿波信号，并根据所述比较结果，修改所述锯齿波信号的所述波形的所述上限和所述下限的至少一者。
2.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，当所述电压输出信号的电平不超过所述第二参考电压时，所述锯齿波信号的所述波形的所述上限为第一电平；当所述电压输出信号的所述电平超过所述第二参考电压时，所述锯齿波信号的所述波形的所述上限为第二电平，其中所述第二电平小于所述第一电平。
3.如权利要求2所述的电压转换器，其特征在于，当所述电压输出信号的所述电平不超过所述第二参考电压时，所述锯齿波信号的所述波形的所述下限为第三电平；当所述电压输出信号的所述电平超过所述第二参考电压时，所述锯齿波信号的所述波形的所述下限为第四电平，其中所述第四电平小于所述第三电平。
4.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，当所述电压输出信号的电平不超过所述第二参考电压时，其中所述锯齿波信号的所述波形的所述下限为第三电平；当所述电压输出信号的所述电平超过所述第二参考电压时，锯齿波信号的所述波形的所述下限为第四电平， 其中所述第四电平小于所述第三电平。
5.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，所述控制器包括：
误差放大器，用以根据所述电压输出信号和所述第一参考电压之间的电压差，产生所述电压控制信号；以及
补偿单元，用以补偿所述电压控制信号。
6.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，所述电压转换单元包括：
PMOS晶体管，具有栅极、耦接至供应电压源的源极以及耦接至第一节点的漏极，其中所述电压输出信号自输出节点输出；以及
电容器，耦接至所述输出节点和接地信号之间。
7.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，所述波形产生器用以修改所述锯齿波信号的所述波形的所述上限和所述下限的一者，并保持所述锯齿波信号的所述波形的所述上限和所述下限的另一者。
8.如权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，所述锯齿波信号的所述波形的所述上限和所述下限两者的电压差值是固定的。
9.一种电压转换器，用以产生电压输出信号，其特征在于，所述电压转换器包括：
控制器，用以根据所述电压输出信号和第一参考电压，产生电压控制信号；
波形产生器，用以产生锯齿波信号，其中所述锯齿波信号的波形在一个周期内具有至少两个不同的斜率，所述锯齿波信号的所述波形具有前部和后部，且所述前部的斜率比所述后部的斜率更陡峭；
比较器，用以根据所述电压控制信号和所述锯齿波信号，产生脉宽调制信号；以及
电压转换单元，用以根据所述脉宽调制信号，产生所述电压输出信号。
10.如权利要求9所述的电压转换器，其特征在于，所述控制器包括：
误差放大器，用以根据所述电压输出信号和所述第一参考电压之 间的电压差，产生所述电压控制信号；以及
补偿单元，用以补偿所述电压控制信号。
11.如权利要求9所述的电压转换器，其特征在于，所述电压转换单元包括：
PMOS晶体管，具有栅极、耦接至供应电压源的源极以及耦接至第一节点的漏极；
NMOS晶体管，具有栅极以及耦接至所述第一节点的漏极；
驱动器，用以接收所述脉宽调制信号，并根据所述脉宽调制信号，相应地切换所述PMOS晶体管和所述NMOS晶体管 ;
电感器，耦接至所述第一节点和输出节点之间，其中所述电压输出信号自所述输出节点输出；以及
电容器，耦接至所述输出节点和接地信号之间。
12.一种电压产生方法，用以产生电压输出信号，其特征在于，所述方法包括：
提供锯齿波信号；
比较电压控制信号和所述锯齿波信号，以产生比较结果；
根据所述比较结果，产生脉宽调制信号；
根据所述脉宽调制信号产生所述电压输出信号；
比较所述电压输出信号和参考电压；
当所述电压输出信号的电平不超过所述参考电压时，设置所述锯齿波的波形的上限为第一电平；以及
当所述电压输出信号的所述电平超过所述参考电压时，设置所述锯齿波的所述波形的所述上限为第二电平，其中所述第二电平小于所述第一电平。
13.如权利要求12所述的电压产生方法，其特征在于，所述电压产生方法还包括：
当所述电压输出信号的电平不超过所述参考电压时，设置所述锯齿波的所述波形的下限为第三电平；以及
当所述电压输出信号的所述电平超过所述参考电压时，设置所述锯齿波的所述波形的所述下限为第四电平，其中所述第四电平小于所述第三电平。
14.一种电压产生方法，用以产生电压输出信号，其特征在于，所述方法包括：
提供锯齿波信号，设置所述锯齿波信号的波形的前部具有陡峭斜率，设置所述锯齿波信号的所述波形的后部具有平滑斜率，其中在一个周期内所述后部跟随所述前部；
比较电压控制信号和所述锯齿波信号，以产生比较结果；
根据所述比较结果，产生脉宽调制信号；
根据所述脉宽调制信号产生所述电压输出信号。
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