CN101807852A - 直流/直流转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流/直流转换器，其包括第一开关电路、滤波器、误差放大器、脉冲宽度调制电路、感测电路与补偿电路。该直流/直流转换器可依据负载的变化，适应性地来调整系统的频宽。亦即，当转换器操作于暂态时，系统频宽将被增加，使转换电压能够根据负载状态做出快速的反应；以及当转换器操作于稳态时，系统频宽将被减小，以增加系统的稳定性。

Description

直流/直流转换器

技术领域

本发明是指一种直流/直流转换器，尤指一种能够依据负载状态以改变系统频宽的直流/直流转换器。

背景技术

一般而言，电流模式直流/直流降压转换器(Current Mode DC/DC BuckConverter)于其内部误差放大器之后加入补偿电路来保持整个电路闭回路系统的稳定，而由于闭回路系统的相位边际(Phase Margin)需要极低频的主极点才得以维持，所以，目前已知作法是于该补偿电路中加入一个大电容(通常为奈米等级)来产生闭回路系统所需要的主极点，然而，此大电容无法被集成至集成电路内部，故实作时集成电路需要一个外接的接脚来连接该大电容，而该外接的接脚不但会影响到整体闭回路系统的反应速度，同时亦增加了制作时的成本。

发明内容

因此，本发明的目的之一在于提供一种能够将主极点补偿的电容实现于芯片内部且于暂态下具有较快反应速度的直流/直流降压转换器，以解决上述的问题；该直流/直流降压转换器还使用与负载状态相关的动态极零点补偿技术使整体系统于各稳态负载状态下皆成为单极点系统，以确保整体系统的稳定度。

依据本发明的一实施例，其是揭露一种用于转换输入电压以输出转换电压至负载的转换器。该转换器包括第一开关电路、滤波器、误差放大器、脉冲宽度调制电路、感测电路与补偿电路；第一开关电路接收输入电压并依据脉宽信号来决定是否传送输入电压以输出输出信号；滤波器用来对输出信号进行滤波以输出转换电压至负载；误差放大器用来放大反馈电压与参考电压间的误差以产生控制信号，而反馈电压是与转换电压相对应；脉冲宽度调制电路用来依据控制信号以产生脉宽信号；感测电路用来感测负载的状态以产生感测信号；以及补偿电路用来依据感测信号以补偿控制信号。

附图说明

图1为本发明一实施例的电流模式直流/直流降压转换器的示意图。

图2A为图1所示的适应性电容元件的范例示意图。

图2B为图2A所示的适应性电容元件于不同状态下其各开关元件的操作示意图。

图2C为图1所示的适应性电容元件的另一实施例示意图。

图3为图1所示的适应性电阻元件与电阻值控制电路的范例示意图。

图4A为图1所示的降压转换器由轻载变重载的各阶段的系统响应范例示意图。

图4B为图1所示的降压转换器由重载变轻载的各阶段的系统响应范例示意图。

[主要元件标号说明]

100	电流模式直流/直流降压转换器
		105	负载
110、13533	开关电路
		115	滤波器
120	误差放大器
		125	脉冲宽度调制电路
130	感测电路
		135	适应性补偿电路
1251	比较器
		1252	脉冲宽度调制控制电路
1253	锯齿波产生器
		1254、1302	电压转电流转换器
1301	电流感测电路
		1351	适应性电阻元件
1352	电阻值控制电路
		1353	适应性电容元件
1354	电容值控制电路
		13530	电容
13531	电压跟随器
		13532	电流镜电路

具体实施方式

请参照图1，图1是本发明一实施例的电流模式直流/直流降压转换器(Current Mode DC/DC Buck Converter)100的示意图。降压转换器100用于转换输入电压V_DD以输出转换电压V_out至负载105，包含有开关电路110、滤波器115、误差放大器120、脉冲宽度调制电路125、感测电路130与适应性补偿电路135。如图1所示，开关电路110是由两晶体管开关元件M_p、M_n所组成；滤波器115则由电感L、电阻R_ESR与电容C_L所组成；脉冲宽度调制电路125包含有比较器1251、脉冲宽度调制控制电路1252、锯齿波产生器(SawtoothGenerator)1253与电压转电流转换器1254；感测电路130包含有电流感测电路1301与电压转电流转换器1302；以及适应性补偿电路135包含有适应性电阻元件1351、电阻值控制电路1352、适应性电容元件1353以及电容值控制电路1354。降压转换器100的详细操作方式如下所述。

首先，开关电路110接收输入电压V_DD，并依据脉冲宽度调制电路125输出的脉宽信号，以决定是否输出输入电压V_DD至滤波器115。接着，滤波器115用来对开关电路110所输出的输出信号(亦即输入电压V_DD)进行滤波，以产生转换电压V_out至负载105上。为了使转换电压V_out能够符合所需的电压，降压转换器100会通过反馈的方式来控制开关电路110，以调整转换电压V_out。

如图1所示，在反馈的路径上，误差放大器120接收参考电压V_ref与反馈电压V_fb来产生控制信号VC₁，详细来说，误差放大器120放大反馈电压V_fb与参考电压V_ref间的误差来产生控制信号VC₁，反馈电压V_fb则由转换电压V_out经由电阻R₁、R₂的分压而产生(亦即，反馈电压V_fb与转换电压V_out相对应)，而脉冲宽度调制电路125则依据控制信号VC₁来产生脉宽信号以控制开关电路110中开关元件M_p、M_n的开启/关闭(On/Off)状态。感测电路130则感测降压转换器100的负载状态(例如检测负载105的电流)来产生感测信号S_load，而适应性补偿电路135会接收感测信号S_load并依据感测信号S_load来适应性地补偿控制信号VC₁。为了能够使降压转换器100在暂态时具有较快反应速度以及在稳态时具有极低频的主极点，在本实施例中适应性补偿电路135将不使用一颗外接的大电容，而是使用电容值控制电路1354来控制适应性电容元件1353的电容值大小，使得在暂态时具有较小的电容值而在稳态时具有较大的电容值，以分别达到暂态时具有较快反应速度与稳态时具有极低频主极点的功效。换句话说，本发明的降压转换器100在暂态时具有较大的频宽，以加快反应速度；在稳态时具有较小的频宽，以增加系统的稳定性。

请搭配参照图2A与图2B，图2A是图1所示的适应性电容元件1353的范例示意图，图2B是图2A所示的适应性电容元件1353于不同状态下其各开关元件的操作示意图。适应性电容元件1353包含具有固定小电容值C_m的电容13530、电压跟随器(Voltage Follower)13531、具有多个晶体管M₁～M₆所组成的电流镜电路13532以及具有多个不同开关元件S₁～S₄与T₁～T₄的开关电路13533。晶体管M₁～M₆的大小比例则标示于图2A上；由图可知，通过设计晶体管M₁～M₆的大小比例以及利用电压跟随器13531，图1所示的电容值控制电路1354可依据感测信号S_load来控制开关元件S₁～S₄与T₁～T₄的开启/关闭状态以动态地调整流进电容13530的电流量，等效上即可达到动态调整适应性电容元件1353的电容值。举例来说，当感测信号S_load表示出降压转换器100由暂态切换至稳态(轻载(Light Load)或重载(Heavy Load))时，电容值控制电路1354会关闭开关元件S₁～S₄并开启T₁～T₄，所以，虽然流进适应性电容元件1353的电流量是101×I，然此时流进电容13530的电流量仅只有I，适应性电容元件1353等效上所具有的总电容值会是101×C_m，是故，实际上使用小电容13530即可达到在稳态时提供一大电容值使降压转换器100具有一极低频的主极点且适应性电容元件1353亦可设置于芯片内部的功效，因此，不需额外的外接接脚。

另外，例如，当感测信号S_load表示出降压转换器100是由稳态切换至暂态(例如图2B中所示的第一阶段暂态)时，电容值控制电路1354会关闭开关元件T₁～T₄并开启S₁～S₄，此时流进适应性电容元件1353的电流量仍是101×I，然而流进电容13530的电流量却有96×I，使得适应性电容元件1353等效上所具有的总电容值会是101/96×C_m，所以此时适应性电容元件1353的等效电容值变得相当小，亦即，降压转换器100的频宽变得较大，降压转换器100即具有较快的暂态反应速度。对于图2B中所示的第二阶段暂态下适应性电容元件1353的操作说明，其类似于第一阶段暂态下的操作，在此不另赘述。此外，本发明并未限制电流镜电路13532中所包含的晶体管个数，例如，若将晶体管M₁视为第一晶体管，而晶体管M₆视为第二晶体管，则本实施例的适应性电容元件1353中的电流镜电路亦可利用晶体管M₁、M₂以及至少一第三晶体管(例如M₂)来实现之，而其开关电路则至少包含两开关元件即可实现；详细的电路结构请参照图2C。因此，前述的适应性电容元件1353的实施方式仅是用来描述其运作方式，适应性电容元件1353的任何电路变型皆应属于本发明的范畴。

此外，为了能够达到最佳的极零点补偿，由于非主极点的频率变化是与降压转换器100本身的负载状态有关，因此，在本实施例中是设计适应性电阻元件1351的电阻值的变化亦与降压转换器100的负载状态有关，以达到最佳的极零点相消。请参照图3，图3是图1所示的适应性电阻元件1351与电阻值控制电路1352的范例示意图。适应性电阻元件1351会与适应性电容1353形成整个系统的动态补偿零点来抵消掉系统的极点(非主极点)以达成单极点的稳定系统，由于此系统极点是与负载状态相关，所以本实施例亦将动态补偿零点设计为与负载状态相关。如图3所示，在系统的软启动(Soft Start)阶段结束之后，信号

会处于低电压电平，而适应性电阻元件1351的阻值将由两个操作于线性区的晶体管M_pz、M_nz所决定，所以电阻值控制电路1352可通过控制两晶体管M_pz、M_nz的栅极端电压来改变适应性电阻元件1351的阻值，而感测信号S_load可以是图3上的信号V_A，其是经由感测电路130所得到且与负载电流相关的电压信号，信号V_A可表示成如下：

V_A＝K_A×I_load×R_SH，            等式(1)

其中K_A是常数，I_load是负载电流，而R_SH是电阻值；如等式(1)所示，信号V_A会随着负载电流I_load的变化而改变。接着，电阻值控制电路1352会以信号V_A作为输入来产生两栅极端的电压信号V_ctrln与V_ctrlp以控制两操作于线性区的晶体管M_pz与M_nz，如此可产生等效的补偿电阻值。电压信号V_ctrln与V_ctrlp可由下列的等式表示之：

V_ctrlp＝g_m1×(V_DD-V_A-|V_tp1|)×R_P，等式(2)

$V_{\mathrm{ctr}\ln }=V_{\mathrm{DD}}-g_{m2}\×(V_{\mathrm{DD}}-V_A-|V_{\mathrm{tp}2}\left|\right)\×(\frac{1}{g_{m5}}+R_N)+\left|V_{\mathrm{tp}5}\right|,$ 等式(3)

其中g_m1、g_m2、g_m5分别是P型晶体管M₁’、M₂’、M₅’的转导值，|V_tp1|、|V_tp2|、|V_tp5|则分别是晶体管M₁’、M₂’、M₅’的临界电压，R_P、R_N分别是电阻值控制电路1352内两电阻的电阻值。接着，依据等式(2)与等式(3)，可得到下列的等式：

$\frac{1}{R_{\mathrm{zp}}}=K_{M_{\mathrm{pz}}}\×[g_{m1}\×(V_{\mathrm{DD}}-V_A-|V_{\mathrm{tp}1}\left|\right)\×R_P-|V_{\mathrm{tpz}}\left|\right],$ 等式(4)

$\frac{1}{R_{\mathrm{zn}}}=K_{M_{\mathrm{nz}}}\×[V_{\mathrm{DD}}-g_{m2}\×(V_{\mathrm{DD}}-V_A-|V_{\mathrm{tp}2}\left|\right)\×(\frac{1}{g_{m5}}+R_N)+|V_{\mathrm{tp}5}|-V_{\mathrm{tnz}}],$ 等式(5)

$\frac{1}{R_z}=\frac{1}{R_{\mathrm{zp}}}+\frac{1}{R_{\mathrm{zn}}}=k^{\′}\×V_A+D,$ 等式(6)

${\mathrm{\ω}}_z=\frac{1}{R_z\×C_c}=\frac{k^{\′}\×V_A+D}{C_c}=k^{\′\′}\×\frac{I_{\mathrm{load}}}{C_c}+D^{\′},$ 等式(7)

其中R_zp、R_zn分别是晶体管M_pz、M_nz导通时的阻值，R_z是适应性电阻元件的阻值，而ω_z的数值则是动态补偿零点的频率。由等式(7)可知在本实施例中动态补偿零点的频率是与负载状况相关并且呈现正比的关系。例如，当降压转换器100由轻载变成为重载时，动态补偿零点的频率会往高频方向移动，此与系统极点的极点频率的移动方向相同，因此，适应性补偿电路135可于不同负载状态下依据感测信号S_load调整降压转换器100的系统零点ω_z来消除其系统极点，所以，确实可达到极零点相消的目的而使降压转换器100操作在稳态状态(轻载与重载)下成为单极点系统。

降压转换器100于负载变动时的系统响应可见于图4A与图4B。图4A是图1所示的降压转换器100由轻载变重载的各阶段的系统响应范例示意图，如图4A所示，当降压转换器100处于轻载状态时，除了位于低频频率的系统主极点ω_p之外，降压转换器100的另一系统极点ω_ps是与其动态补偿零点ω_z相抵消因而使得降压转换器100成为单极点系统。而当降压转换器100进入第一阶段暂态时，适应性补偿电路135会依据感测信号S_load适应性地补偿控制信号VC₁，原先在稳态下具有较大电容值的适应性电容1353此时所具有的电容值将会变小，使得系统的频宽变大，极零点ω_p、ω_ps、ω_z的频率皆会移动至较高频的位置，换句话说，降压转换器100的频宽将大为增加，故降压转换器100可依据瞬变的负载状态来调整所产生的转换电压V_out。接着，降压转换器100会进入第二阶段暂态，在此阶段中，电容值控制电路1354会控制图2A所示的适应性电容元件1353中的各开关元件使得虽然适应性电容元件1353的电容值会被放大然而其电容值并未回到稳态(轻载与重载)时的电容值，所以降压转换器100仍具有较大的频宽，因此，降压转换器100可依据负载105的变化快速地对转换电压V_out进行调整。此外，动态补偿零点ω_z会因为上述等式(7)中其零点频率与负载状况有关的缘故而开始往降压转换器100于重载下极点ω_ps的频率靠近。因此，当降压转换器100由第二阶段暂态变成重载的状态时，如图所示，动态补偿零点ω_z与极点ω_ps可相抵消，使得降压转换器100在重载时亦为单极点系统，而整个系统的相位边际(phasemargin)将会增大来避免系统具有过大频宽所造成不稳定的情况。

图4B则是图1所示的降压转换器100由重载变轻载的各阶段的系统响应范例示意图，如图所示，降压转换器100在由重载变轻载的过程中，无论是第一阶段暂态或是第二阶段暂态下适应性电容1353的电容值会比稳态下时来得较小，这是因为适应性补偿电路135可于降压转换器100处于不同负载状态之间的暂态时提高系统主极点ω_p的频率来增加降压转换器100本身的频宽，当降压转换器100具有较大的频宽，则可快速地对转换电压V_out进行调整。当降压转换器100变成重载时，因为等式(7)的关系动态补偿零点ω_z会与极点ω_ps相抵消，使得降压转换器100成为单极点系统。由于其操作原理类似于图4A中降压转换器100由轻载变重载的操作原理，在此不另赘述。

再者，本发明并未限制图1中的适应性电阻元件1351与电阻值控制电路1352必需跟适应性电容元件1353与电容值控制电路1354设置于同一装置中，亦即，在另一实施例中，使用适应性电阻元件1351、电阻值控制电路1352与已知的大电容亦可达到在稳态时使动态补偿零点与系统的非主极点相抵消的效果，而在其它实施例中，使用适应性电容元件1353、电容值控制电路1354与已知的固定电阻亦可达到将主极点补偿的电容实现于芯片内部来减少一外接接脚的目的以及加快整体系统于暂态下对负载瞬间变动的反应速度。此外，虽然上述实施例仅说明到通过检测降压转换器100的负载电流来产生感测信号S_load，然而，亦可通过检测降压转换器100的负载电压来产生感测信号S_load。而感测信号S_load在其它实施例中亦可以是电流信号，换句话说，此时图3所示的电阻值控制电路1352需另行设计以利用代表电流信号的感测信号S_load来产生电压信号V_ctrln与V_ctrlp。以上的实施变化皆符合本发明的精神。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种转换器，用于转换输入电压以输出转换电压至负载，该转换器包含：

第一开关电路，接收该输入电压，用来依据脉宽信号以决定是否传送该输入电压，以输出输出信号；

滤波器，耦接至该第一开关电路，用来对该输出信号进行滤波，以输出该转换电压至该负载；

误差放大器，耦接至该滤波器，用来放大反馈电压与参考电压间的误差，以产生控制信号；其中，该反馈电压是与该转换电压相对应；

脉冲宽度调制电路，耦接至该误差放大器，用来依据该控制信号以产生该脉宽信号；

感测电路，用来感测该负载的状态，以产生感测信号；以及

补偿电路，耦接于该误差放大器的输出端，用来依据该感测信号以补偿该控制信号。

2.根据权利要求1所述的转换器，其中该感测电路包含有电流感测电路，用以感测该负载的电流状态。

3.根据权利要求1所述的转换器，其中当该转换器操作于稳态时，该补偿电路依据该感测信号适应性地补偿该控制信号，使得该转换器的零点与极点相消。

4.根据权利要求3所述的转换器，其中该补偿电路包含有电阻元件以及电阻值控制电路，该电阻值控制电路依据该感测信号调整该电阻元件的电阻值，使得该零点与该极点相消。

5.根据权利要求1所述的转换器，其中当该转换器操作于暂态时，该补偿电路依据该感测信号适应性地补偿该控制信号，使得该转换器的极点所对应的极点频率增加，以增加该转换器的频宽。

6.根据权利要求5所述的转换器，其中该补偿电路包含有电容元件以及电容值控制电路，而该电容值控制电路依据该感测信号调整该电容元件的电容值，使得该频宽增加。

7.根据权利要求6所述的转换器，其中该电容元件包含有：

电容，具有固定电容值；

电压跟随器；

电流镜电路，包含有多个晶体管形成电流镜架构，该多个晶体管包含有：

第一晶体管，耦接于该电压跟随器的输入端与该电容；

第二晶体管，耦接于该电压跟随器的输出端；以及

至少一第三晶体管；以及

第二开关电路，耦接于该第三晶体管与该电压跟随器之间；

其中，该电容值控制电路依据该感测信号来控制该第二开关电路，调整流入该电容的电流量，以调整该电容元件的该电容值。

8.根据权利要求1所述的转换器，其中该补偿电路包含电容元件；当该转换器操作于稳态时，该电容元件具有第一电容值；当该转换器操作于暂态时，该电容元件具有第二电容值；以及该第一电容值大于该第二电容值。

9.根据权利要求1所述的转换器，其中该补偿电路包含电容元件，且该电容元件被设置于芯片内部。

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