CN101882872A - 电流模式dc-dc转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种电流模式DC-DC转换器。该DC-DC转换器包括：脉宽调制(PWM)信号发生器，用于输出PWM信号；电源开关单元，连接在第一电压和接地电压之间，该电源开关单元基于PWM信号接通或断开；传感放大器单元，用于检测流过电源开关单元的电流，并输出检测的电流，该传感放大器单元基于负载控制信号控制检测电流，其中基于由传感放大器单元控制的检测电流来控制PWM信号。

Description

电流模式DC-DC转换器
本申请要求于2008年12月30日提交的韩国专利申请第10-2008-0136939号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种半导体器件，更具体地，涉及一种电流模式DC-DC转换器。
背景技术
DC-DC转换器转换输入电压和输入电流，以输出恒定的电压和具体的电流值。从DC-DC转换器输出到负载的电流可能降低。在这种情况下，会出现效率降低。这种现象由从包含在DC-DC转换器中的脉宽调制(PWM，pulse width modulation)比较器产生的信号(在下文中，被称为“PWM”信号)的传播延迟引起的。
图1A描述了在高负载状态(high load state)下的PWM信号和流过负载的电流IL的波形。图1B描述了在低负载状态(low loadstate)下的PWM信号和流过负载的电流IL的波形。图1C描述了在负载状态下PWM信号跳跃的情况下的波形。
由于PWM信号延迟(tDelay)，所以内部功率晶体管的导通时间(ON time)延长。在这种情况下，负载电流(由阴影部分表示)也增大。由于这样的负载电流增大，导致功耗也增大。这就是所谓的“开关损耗(switching loss)”。
“高负载状态”指的是当内部功率晶体管导通时大电流流过负载的状态。“低负载状态”指的是小电流流过负载的状态。
在低负载状态中，开关损耗的影响大于高负载状态中开关损耗的影响。因此，在低负载状态中，由于增大的开关损耗导致DC-DC转换器的效率进一步降低。
内部功率晶体管的导通时间(ON time)或截止时间(OFF time)可以根据用来控制内部功率晶体管的PWM信号的频率确定。当内部功率晶体管的导通时间延长时，流过负载的电流增大。
例如，在用于AMOLED的DC-DC转换器的情况下，由于DC-DC转换器的高频操作导致其工作在低负载状态下。在这样的低负载操作中，由DC-DC转换器中的内部功率晶体管的延迟的导通时间导致的开关损耗的影响非常大。
同时，在低负载状态下，由于电流的放电量小而导致需要长放电时间，如图1B所示。此外，在低负载状态下，PWM比较器的延迟时间tDelay影响放电时间。结果，存在负载电流IL的波纹增大或者PWM信号的脉冲跳跃的问题。
发明内容
因此，本发明针对一种电流模式DC-DC转换器，其基本上避免了由于相关技术的局限和缺点产生的一个或多个问题。
本发明的一个目的在于提供一种DC-DC转换器，该DC-DC转换器能够根据负载状态改变用来确定在普通电流模式转换器中使用的传感放大器的传感比的电阻值，从而确保稳定的操作。
本发明的其他优点、目的和特征一部分将在下文中阐述，一部分对于本领域的普通技术人员而言通过下文的实验将变得显而易见或者可以从本发明的实践中获得。通过所写的说明书及其权利要求以及附图中特别指出的结构，可以了解和获知本发明的这些目的和其他优点。
为了实现这些目的和其他优点以及根据本发明的目的，如在本文中所体现和概括描述的，一种电流模式DC-DC转换器包括：脉宽调制(PWM，pulse width modulation)信号发生器，用来输出PWM信号；电源开关单元，连接在第一电压和接地电压之间，该电源开关单元基于PWM信号接通或断开；以及传感放大器单元，用于检测流过电源开关单元的电流，并且输出检测的电流，该传感放大器单元基于负载控制信号控制检测电流(sensing current)，其中基于由传感放大器单元控制的检测电流来控制PWM信号。
传感放大器单元可以包括：传感放大器，用于放大第一检测电压(first sensing voltage)和第二检测电压(second sensing voltage)，并且输出放大结果，其中基于流过电源开关单元的电流检测第一检测电压；传感负载单元，用于将第二检测电压提供给传感放大器，并基于负载控制信号控制第二检测电压；以及传感负载开关(sensing switch)，用来响应于传感放大器的输出根据检测电压输出检测电流。
可选地，该传感放大器单元可以包括：传感放大器，具有第二输入端和连接到电源开关单元的第一输入端；传感负载单元，连接在第一电压与第二输入端之间，以基于负载控制信号控制第一电压与第二输入端之间的电阻值；以及传感负载开关，连接在第二输入端与PWM信号发生器之间，该传感开关响应于传感放大器的输出而接通或断开。
该传感负载单元可以包括：第一电阻器，连接在第一电压与第二输入端之间；第二电阻器，第二电阻器的一端连接到第一电压；负载开关，连接在第二电阻器的另一端与第二输入端之间，该负载开关基于负载控制信号接通或断开；以及传感负载开关，连接在第二输入端与PWM信号发生器之间，该传感开关响应于传感放大器的输出接通或断开。
可以理解的是，本发明的上述总体描述和以下的具体描述都是示例性的和说明性的，并且旨在提供对所要求的本发明的进一步解释。
附图说明
附图被包括用来提供对本发明的进一步理解，并结合于此而构成本申请的一部分。本发明的示例性实施例连同描述都用来解释本发明的原理。在附图中：
图1A是在高负载状态下的脉宽调制(PWM，pulse widthmodulation)信号和流过负载的电流的波形图；
图1B是在低负载状态下的PWM信号和流过负载的电流的波形图；
图1C是在低负载状态下PWM信号跳跃的情况下的波形图；
图2是根据本发明的一个示例性实施例的DC-DC转换器的电路图；
图3A是具有普通传感放大器单元的DC-DC转换器中产生的PWM信号的波形图；
图3B是具有根据本发明的一个示例性实施例的传感放大器单元的DC-DC转换器中产生的PWM信号的波形图；
图4是当PWM信号被延迟时流过负载的电流的波形图。
具体实施方式
现在将详细地参照与具有滞后特性的比较器件相关的本发明的优选实施例，附图中示出了多个实例。
图2是示出了根据本发明的一个示例性实施例的DC-DC转换器的电路图。参照图2，DC-DC转换器200包括：脉宽调制(PWM，pulse width modulation)信号发生器210、电源开关单元(powerswitch unit)220、传感放大器单元(sense amplifier unit)230、输出负载单元240、分压器250以及误差放大器单元260。
PWM信号发生器210产生控制电源开关单元220的PWM信号VPWM。PWM信号发生器210包括斜率偿器(slope compensator)212、第一输入电阻器Ra、第二输入电阻器Rb、PWM比较器214以及RS触发器216。
斜率补偿器212向PWM比较器214的第一输入端提供补偿电流Islope，从而补偿PWM信号的斜率，其中PWM信号具有50％或更大的占空比。第一输入电阻器Ra连接在PWM比较器214的第一输入端与接地电压之间。第二输入电阻器Rb连接在PWM比较器214的第二输入端与接地电压之间。
PWM比较器214比较第一电压Va与第二电压Vb，并且根据比较结果输出比较信号Cs。基于通过将补偿电流Islope与反馈电流Ia叠加得到的电流来确定第一电压Va。基于检测电流Ib确定第二电压Vb。随后将描述反馈电流Ia。
RS触发器216响应于时钟信号CLK输出比较信号Cs作为PWM信号VPWM。
电源开关单元220基于PWM信号VPWM开启或断开。电源开关单元220包括：第一电阻器R1、第一电源开关M1以及第二电源开关M2。
第一电阻器R1连接在第一电压VDD与第二电源开关M2之间。即，第一电阻器R1的一端连接到第一电压VDD，而另一端连接到第二电源开关M2。
第一电源开关M1连接在第一电压VDD与第一节点N1之间。第一电源开关M1响应于PWM信号VPWM接通或断开。第二电源开关M2连接在第一电阻器R1与第一节点N1之间。第二电源开关M2响应于PWM信号VPWM接通或断开。
传感放大器单元230检测流过电源开关单元220的电流(例如，流过第一电阻器R1的电流)，并基于检测结果输出检测电流Ib。在这种情况下，基于负载控制信号Sc来调节检测电流Ib。传感放大器单元230包括传感放大器232和传感负载单元234。
例如，传感放大器230可以调节检测电流Ib，以使检测电流Ib的斜率在低负载状态下增大。
传感放大器232放大第一检测电压(first sensing voltage)VS1与第二检测电压VS2之差，其中，基于流过第二电源开关M2的电流I1(例如，流过第一电阻器R1的电流)来检测第一检测电压VS1，基于施加在传感负载单元234两端的电压来检测第二检测电压VS2。
传感放大器232具有连接到第一电阻器R1的另一端的第一输入端(+)以及连接到传感负载单元234的第二输入端(-)。
传感负载单元234连接在第一电压VDD与第二输入端(-)之间，并基于负载控制信号Sc控制第一电压VDD与第二输入端(-)之间的传感负载单元234的电阻值。传感负载单元234可以执行控制操作以减小低负载状态下第一电压VDD与第二输入端(-)之间的电阻值。
例如，传感负载单元234包括第二电阻器R2、第三电阻器R3以及负载开关SW。第二电阻器R2连接在第一电压VDD与第二输入端(-)之间。第三电阻器R3连接在第一电压VDD与负载开关SW之间。负载开关SW连接在第三电阻器R3与第二输入端(-)之间。负载开关SW基于负载控制信号Sc接通或断开。
负载控制信号Sc在第一模式下(即，在低负载状态下)接通负载开关SW，在第二模式下(即，在高负载状态下)断开负载开关SW。
传感负载开关M3连接在传感负载单元234与PWM比较器214的第二输入端之间。传感负载开关M3基于传感放大器232的输出接通或断开。即，当传感负载开关M3接通时，检测电流Ib被提供给PWM比较器214的第二输入端。可以根据负载开关SW的接通或断开来控制检测电流Ib。
输出负载单元240连接在第一节点N1与接地电压之间。输出负载单元240根据电源开关单元220的导通或断开产生负载电压Vo。例如，输出负载单元240可以包括输出电感器Lo、输出电容器Co以及输出电阻器Ro。输出电感器Lo连接在第一节点N1与第二节点N2之间。输出电容器Co和输出电阻器Ro连接在第二节点N2与接地电压之间。
施加到PWM比较器214的第一输入端的第一电压Va可以基于负载电压Vo确定。具体地，流过第一输入端的反馈电流Ia可以根据负载电压Vo来确定。第一电压Va可以基于反馈电流和补偿电流Islope来确定。
分压器250连接在第二节点N2与接地电压之间。分压器250将从输出负载单元240产生的负载电压Vo进行分压，从而产生分压(divided voltage)Vfb1。分压器250放大分压Vfb1与参考电压Vref之差，并且输出放大的结果。例如，分压器250可以包括第四电阻器R4、第五电阻器R5以及第一放大器252。
第四电阻器R4连接在第二节点N2与第一放大器252的第一输入端(+)之间。第五电阻器R5连接在第一放大器252的第一输入端(+)与接地电压之间。第一放大器252放大加在第一放大器252的第一输入端(+)的分压Vfb1与第一参考电压Vref之差，并且输出放大结果。
误差放大器单元260连接在分压器250与PWM比较器214的第一输入端之间。误差放大器单元260放大第二参考电压Vos与第一放大器252的输出之差，并且将放大结果作为第一电压Va输出。例如，误差放大器单元260可以包括误差放大器262、第一电容器C1以及第六电阻器R6。
在低负载状态下，负载控制信号Sc使得负载开关SW接通。结果，降低了传感负载单元234的电阻值。由于传感负载单元234的电阻值降低，所以流过PWM比较器214的第二输入端的检测电流Ib增大，从而施加到PWM比较器214的第二输入端的第二电压Vb的斜率增大。由于第二电压Vb的斜率增大，所以PWM信号VPWM的延迟缩短。
图3A示出了在具有普通传感放大器单元的DC-DC转换器中产生的PWM信号。图3B示出了在具有根据本发明示出的实施例的传感放大器单元的DC-DC转换器中产生的PWM信号。
参照图3A和3B，在具有根据本发明示出的实施例的传感放大器单元的DC-DC转换器中产生的PWM信号由于第二电压Vb的斜率增大而减小(t’Delay＜tDelay)。
图4描述了当PWM信号延迟时流过负载的电流IL的波形图。参照图4，可以看出，在PWM信号中没有发生脉冲跳跃，这是因为PWM信号的延迟时间缩短使得流过具有根据本发明示出的实施例的传感放大器单元的DC-DC转换器中的负载的电流IL增大。因此，保证了DC-DC转换器的稳定工作。
从以上描述显而易见的是，根据本发明示出的实施例的DC-DC转换器改变用来确定在普通电流模式传感器(current modeconverter)中使用的传感放大器的传感率的电阻值，从而降低PWM信号的延迟。因此，可以确保稳定的工作。
在不脱离本发明的精神和范围内可以作各种修改及变形，这对于本领域的技术人员而言是显而易见的。因此，本发明意在涵盖在所附权利要求及其等同替换的范围内的对本发明的修改和变形。

Claims (8)

1.一种电流模式DC-DC转换器，包括：
脉宽调制(PWM)信号发生器，用于输出PWM信号；
电源开关单元，连接在第一电压和接地电压之间，所述电源开关单元基于所述PWM信号接通或断开；以及
传感放大器单元，用于检测流过所述电源开关单元的电流，并输出所述检测的电流，所述传感放大器单元基于负载控制信号控制所述检测电流，
其中基于由所述传感放大器单元控制的所述检测电流来控制所述PWM信号。
2.根据权利要求1所述的电流模式DC-DC转换器，其中所述传感放大器单元包括：
传感放大器，用来放大第一检测电压和第二检测电压，并且输出放大结果，其中基于流过所述电源开关单元的电流检测所述第一检测电压；
传感负载单元，用于将所述第二检测电压提供给所述传感放大器，并基于所述负载控制信号控制所述第二检测电压；以及
传感负载开关，用来响应于所述传感放大器的输出根据所述检测电压输出所述检测电流。
3.根据权利要求1所述的电流模式DC-DC转换器，其中所述传感放大器单元可以包括：
传感放大器，具有第一输入端和第二输入端，其中所述第一输入端连接到所述电源开关单元；
传感负载单元，连接在第一电压与所述第二输入端之间，以基于所述负载控制信号控制所述第一电压与所述第二输入端之间的电阻值；以及
传感负载开关，连接在所述第二输入端与所述PWM信号发生器之间，所述传感开关响应于所述传感放大器的输出接通或断开。
4.根据权利要求3所述的电流模式DC-DC转换器，其中所述传感负载单元包括：
第一电阻器，连接在所述第一电压与所述第二输入端之间；
第二电阻器，在所述第二电阻器的一端连接到所述第一电压；
负载开关，连接在所述第二电阻器的另一端与所述第二输入端之间，所述负载开关基于所述负载控制信号接通或断开；以及
传感负载开关，连接在所述第二输入端与所述PWM信号发生器之间，所述传感开关响应于所述传感放大器的输出接通或断开。
5.根据权利要求1所述的电流模式DC-DC转换器，进一步包括：
输出负载单元，连接在所述电源开关单元与所述接地电压之间，以根据所述电源开关单元的接通或断开产生负载电压，
其中，所述PWM发生器根据基于所述负载电压的第一电压以及基于所述检测电流的第二电压输出所述PWM信号。
6.根据权利要求1所述的电流模式DC-DC转换器，其中所述传感放大器单元控制所述检测电流，以增大所述检测电流的斜率。
7.根据权利要求3所述的电流模式DC-DC转换器，其中所述传感负载单元控制所述第一电压与所述第二输入端之间的电阻值，以在低负载状态下降低电阻值。
8.根据权利要求4所述的电流模式DC-DC转换器，其中所述负载开关在低负载状态下接通。
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