CN102055321A - Dc-dc转换器中的求和电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种DC-DC转换器中的求和电路。一种集成电路，包括锯齿波发生器，该锯齿波发生器包括：锯齿波节点，被配置成具有在其上生成的锯齿波电压；以及第一开关，具有连接到锯齿波节点的第一端。该集成电路进一步包括耦合在输出节点和电接地端之间的第二开关，其中第一开关和第二开关被配置为同步操作。第一电流源连接到该锯齿波节点。第二电流源连接到该输出节点。

Description

DC-DC转换器中的求和电路
技术领域
本发明总体涉及集成电路，具体地涉及DC-DC转换器，更具体地涉及用于DC-DC转换器的求和电路。
背景技术
DC-DC转换器通常用在用于提供稳定电压的集成电路中。DC-DC转换器是一种将直流源从一个电压电平转换到另一个电压电平的电子电路。为了准确转换，需要使用例如电流感测电路来感测DC-DC转换器的输出电压(转换电压)。通过电流感测电路生成的所得电流(感测电流)然后被转换成电压，将该电压进一步与参考电压进行比较以确定转换电压是否准确，从而可以调整转换电压。于是形成了反馈回路。
用于感测和调整转换电压的反馈回路遇到稳定性的问题。为了解决这个问题，传统上，在将通过电流感测电路生成的电压与参考电压进行比较之前将其与锯齿波电压(saw-tooth voltage)求和。图1示出传统的锯齿波发生器和求和电路的电路图。锯齿波发生器包括运算放大器OP2’、晶体管M3’、电容器C’和电流源I_Bias’，该电流源I_Bias’提供偏置电流I’。当节点A’处的电压VA’低于电压V_reference’时，运算放大器OP2’输出低电压，并且因而使晶体管M3’截止。电流源I_Bias’然后对电容C’进行充电，并且因而电压VA’随时间增加。在电压VA’等于或者大于参考电压V_reference’时，运算放大器OP2’输出足以使晶体管M3’导通的高电压。于是，节点A’被短路到电接地端，并且电压VA’被降低为接地电压。在正输入端接收处于接地电压的电压VA’的情况下，运算放大器OP2’输出低电压从而使晶体管M3’截止，并且电流源I_Bias’再次对电容C’进行充电。通过上述循环重复，在节点A’处生成锯齿波电压。
在求和电路中，运算放大器OP1’的正输入端接收锯齿波电压VA’。运算放大器OP1’的负输入端连接到电阻器R0’，该电阻器R0’的电阻也标示为R0’。因此等于VA’/R0’的电流I1’流过电阻器R0’、晶体管M4’和晶体管M1’。晶体管M1’与晶体管M2’构成电流镜，并且流过晶体管M2’、电阻器R1’和电阻器R_sense’的电流I2’与电流I1’成比例。如果晶体管M1’和M2’相同，则电流I1’等于电流I2’。电流I_sense’引入到节点B’。于是，求和电压V_sum为：
V_sum＝(VA’/R0’)×(R1’+R_sense’)+I_sense’×R_sense’
                                                (等式1)
因此，通过对电流I2’和电流I_sense’的电流求和，得到求和电压V_sum。由于电流+I_sense’表示转换电压，所以求和电压V_sum表示锯齿波电压和转换电压之和。
发明内容
根据实施方式的一个方面，一种集成电路，包括锯齿波发生器，该锯齿波发生器包括：锯齿波节点，被配置成具有在其上生成的锯齿波电压；以及第一开关，具有连接到该锯齿波节点的第一端。该集成电路进一步包括第二开关，该第二开关耦合在输出节点和电接地端之间，其中第一开关和第二开关被配置成同步操作。第一电流源连接到锯齿波节点。第二电流源连接到输出节点。
根据实施方式的另一个方面，一种集成电路，包括：运算放大器，该运算放大器包括正输入端、负输入端和输出端；以及第一开关，该第一开关具有耦合到运算放大器的输出端的第一控制节点。第一开关被配置成：当在正输入端的电压高于在负输入端的参考电压时，将运算放大器的正输入端连接到电接地端，当在正输入端的电压不高于参考电压时，将运算放大器的正输入端从电接地端断开。该集成电路还包括：输出节点；以及第二开关，该第二开关具有耦合到运算放大器的输出端的第二控制节点。第二开关包括连接到输出节点的第一端以及连接到电接地端的第二端。第一恒定电流源耦合到运算放大器的正输入端。第二恒定电流源耦合到输出节点。第一电容器耦合在运算放大器的正输入端和电接地端之间。第二电容器耦合在输出节点和电接地端之间。电阻器与第二电容器串联耦合，其中第二电容器和电阻器耦合在第二开关的第一端和第二端之间。
根据实施方式的又一个方面，一种集成电路，包括：正电源节点；第一电流源，耦合到正电源节点；第二电流源，耦合到正电源节点；运算放大器，具有正输入端、负输入端和输出端；以及第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管。第一NMOS晶体管包括：第一栅极，耦合到运算放大器的输出端；第一源极，耦合到电接地端；以及第一漏极，耦合到正输入端，其中第一电流源耦合在正电源节点和第一漏极之间。第二NMOS晶体管包括：第二栅极，耦合到运算放大器的输出端；第二源极，耦合到电接地端；以及第二漏极，其中第二电流源耦合在正电源节点和第二漏极之间。该集成电路进一步包括：第一电容器，具有耦合到第一漏极的第一端以及耦合到电接地端的第二端；第二电容器，具有耦合到第二漏极的第一端；以及电阻器，具有耦合到第二电容器的第二端的第一端以及耦合到电接地端的第二端。第二电容器和电阻器耦合在第二源极和第二漏极之间。
附图说明
为了更全面地理解本发明的实施方式以及其优点，现在参考以下结合附图做出的描述，其中：
图1示出传统的锯齿波发生器和求和电路的电路图；以及
图2示出根据一个实施方式的锯齿波发生器和求和电路的电路图。
具体实施方式
所讨论的具体实施方式只是说明性的，并不对本发明的范围构成限制。
图2示出根据一个实施方式的锯齿波发生器和求和电路的电路图。该锯齿波发生器包括运算放大器OP、晶体管M1、电容器C1和电流源I_Bias1，该电流源I_Bias1用于提供恒定电流I1。电流源I_Bias1的一端连接到提供正电源电压的电源节点VIN。晶体管M1用作开关，其状态由运算放大器OP的输出端控制。晶体管M1的栅极因而被称为开关的控制节点。运算放大器OP的负输入端连接到参考电压发生器，该参考电压发生器向该负输入端输出稳定的参考电压V_ref。
锯齿波发生器的操作讨论如下。假设在一个时间点，节点A处的电压VA低于参考电压V_ref，则运算放大器OP输出低于晶体管M1的阈值电压的低电压，并且因而使晶体管M1截止。电流源I_Bias1从而利用电流I1对电容器C1进行充电。在电流I1恒定的情况下，所得电压VA随时间增加的上升斜率是直的。电压VA的增加还意味着，运算放大器OP的正输入端处的电压增加，直到节点B处的电压VB超过晶体管M1的阈值电压，从而使晶体管M1导通。于是，节点A被短路到电接地端，并且电压VA被降低为接地电压。在电压VA处于接地电压的情况下，运算放大器OP输出低电压从而使晶体管M1截止。重复上述循环，在节点A处生成锯齿波电压VA。在整个描述中，电压VA也被称为锯齿波电压Vsaw_tooth。
求和电路包括晶体管M2、电容器C2和电流源I_Bias2，该电流源I_Bias2用于提供恒定电路I2。电流源I_Bias2的一端连接到正电源节点VIN。晶体管M2用作开关，其状态也由运算放大器OP的输出端控制。运算放大器OP的输出端进一步连接到NMOS晶体管M2的栅极(以下也称为开关控制节点)。NMOS晶体管M2的漏极耦合到求和电路的输出节点C，并且在节点C处输出求和电路的输出电压V_sum。NMOS晶体管M2的源极可以耦合到电接地端。
电流I_sense输入到节点D，并通过电阻器R_sense流到电接地端，该电流I_sense可以通过DC-DC转换器(未示出)的电流感测电路生成。电流I_sense可以与DC-DC转换器的输出电压成比例。于是，电流I_sense单独(不计电流I2)产生将在电阻器R_sense上生成的电压降I_sense×R_sense。另一方面，由于晶体管M2的栅极与晶体管M1的栅极(开关控制节点)连接到同一节点B，因此晶体管M1和M2同时导通和截止。换言之，晶体管M1和M2同步工作。假设不存在电流I_sense，则晶体管M2和电容器C2决定节点C的充电和放电，从而电压V_sum也是锯齿波电压。在整个描述中，电压V_compensation用来指假设没有电流I_sense流到节点D时节点C处的电压。由于通过恒定充电电流充电的电容器的电压与该充电电流成正比并且与电容器的电容成反比，所以电压V_compensation可以表达为：
V_compensation＝Vsaw_tooth×(I2/I1)×(C1/C2)  (等式2)
其中电压Vsaw_tooth是节点A处的电压。求和电压V_sum等于补偿电压V_compensation和电压降I_sense×R_sense之和，并且可以表达为：
V_sum＝V_compensation+I_sense×R_sense    (等式3)
或者
V_sum＝Vsaw_tooth×(I2/I1)×(C1/C2)+I_sense×R_sense
                                          (等式4)
等式2-等式4表明电压V_compensation可以成比例地且准确地复制锯齿波电压Vsaw_tooth。此外，通过调整比值(I2/I1)和/或比值(C1/C2)，可以将电压V_compensation调整为锯齿波电压Vsaw_tooth的期望比例。在示例性实施方式中，电流I1等于电流I2，并且电容C1等于电容C2，因而电压V_compensation精确地复制锯齿波电压Vsaw_tooth。在其它实施方式中，电容C1可以大于或小于电容C2，并且/或者电流I1可以大于或小于电流I2。
在上述实施方式中，求和电路不需要任何运算放大器。这不仅带来求和电路的所需芯片面积以及功耗的降低，而且带来求和电路的瞬时响应和准确性的提高。该实施方式可以用在降压型DC-DC转换器、升压型DC-DC转换器以及降压-升压型DC-DC转换器中。
尽管具体描述了示例性实施方式及其优点，但应理解到，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，这里可以做出各种改变、替代和变更。此外，并不旨在将本申请的范围限于本说明书中所描述的过程、机构、产品以及物质成分、装置、方法和步骤的具体实施方式。本领域普通技术人员从本发明的公开内容中将容易认识到，根据本发明可以利用当前存在的或者未来将开发的过程、机构、产品、物质成分、装置、方法或步骤来执行与这里描述的对应实施方式基本相同的功能或者实现与之基本相同的结果。

Claims (18)

1.一种集成电路，包括：
输出节点；
锯齿波发生器，包括：
锯齿波节点，被配置成具有在其上生成的锯齿波电压；以及
第一开关，包括耦合到所述锯齿波节点的第一端；
第二开关，耦合在所述输出节点和电接地端之间，其中所述第一开关和所述第二开关被配置成同步操作；
第一电流源，连接到所述锯齿波节点；以及
第二电流源，连接到所述输出节点。
2.根据权利要求1的集成电路，进一步包括：
第一电容器，耦合在所述锯齿波节点和所述电接地端之间；
第二电容器；以及
电阻器，与所述第二电容串联耦合，其中所述第二电容器和所述电阻器一起并联耦合到所述第二开关。
3.根据权利要求2的集成电路，进一步包括：
电流感测电路，包括耦合到位于所述第二电容器和所述电阻器之间的节点的输出端。
4.根据权利要求1的集成电路，其中所述第一开关包括第一NMOS晶体管，所述第一NMOS晶体管包括漏极和耦合到所述电接地端的源极，并且所述第二开关包括第二NMOS晶体管，所述第二NMOS晶体管包括耦合到所述输出节点的漏极以及耦合到所述电接地端的源极。
5.根据权利要求4的集成电路，其中所述锯齿波发生器包括运算放大器，所述运算放大器包括：
输出端，耦合到所述第一NMOS晶体管的栅极和所述第二NMOS晶体管的栅极；
正输入端，耦合到所述锯齿波节点；以及
负输入端，耦合到被配置成生成恒定参考电压的参考电压发生器的输出端。
6.根据权利要求1的集成电路，其中所述第一电流源和所述第二电流源是恒定电流源。
7.根据权利要求1的集成电路，其中所述第一电流源和所述第二电流源被配置成输出彼此相同的电流。
8.一种集成电路，包括：
运算放大器，包括正输入端、负输入端和输出端；
第一开关，包括耦合到所述运算放大器的输出端的第一控制节点，其中所述第一开关被配置成当在所述正输入端的电压高于在所述负输入端的参考电压时，将所述运算放大器的正输入端电耦合到电接地端，以及当在所述正输入端的电压不高于所述参考电压时，将所述运算放大器的正输入端从所述电接地端断开；
输出节点；
第二开关，包括耦合到所述运算放大器的输出端的第二控制节点，其中所述第二开关包括连接到所述输出节点的第一端以及连接到所述电接地端的第二端；
第一恒定电流源，耦合到所述运算放大器的正输入端；
第二恒定电流源，耦合到所述输出节点；
第一电容器，耦合在所述运算放大器的正输入端和所述电接地端之间；
第二电容器，耦合在所述输出节点和所述电接地端之间；以及
电阻器，与所述第二电容器串联耦合，其中所述第二电容器和所述电阻器耦合在所述第二开关的第一端和第二端之间。
9.根据权利要求8的集成电路，其中所述第一开关和所述第二开关是NMOS晶体管，所述第一控制节点和所述第二控制节点是所述NMOS晶体管的栅极。
10.根据权利要求8的集成电路，其中由所述第一电流源输出的电流等于由所述第二电流源输出的电流。
11.根据权利要求10的集成电路，其中所述第一电容器和所述第二电容器具有相同的电容。
12.根据权利要求8的集成电路，进一步包括电流感测电路，所述电流感测电路被配置成将感测电流输出到在所述第二电容器和所述电阻器之间的节点。
13.一种集成电路，包括：
正电源节点；
第一电流源，耦合到所述正电源节点；
第二电流源，耦合到所述正电源节点；
运算放大器，包括正输入端、负输入端和输出端；
第一NMOS晶体管，包括：
第一栅极，耦合到所述运算放大器的输出端；
第一源极，耦合到电接地端；以及
第一漏极，耦合到所述正输入端，其中所述第一电流源耦合在所述正电源节点和所述第一漏极之间；
第二NMOS晶体管，包括：
第二栅极，耦合到所述运算放大器的输出端；
第二源极，耦合到所述电接地端；以及
第二漏极，其中所述第二电流源耦合在所述正电源节点和所述第二漏极之间；
第一电容器，包括耦合到所述第一漏极的第一端以及耦合到所述电接地端的第二端；
第二电容器，包括耦合到所述第二漏极的第一端；以及
电阻器，包括耦合到所述第二电容器的第二端的第一端以及耦合到所述电接地端的第二端，其中所述第二电容器和所述电阻器耦合在所述第二源极和所述第二漏极之间。
14.根据权利要求13的集成电路，进一步包括参考电压发生器，所述参考电压发生器包括耦合到所述运算放大器的负输入端的输出端。
15.根据权利要求13的集成电路，其中所述第一电容器的第二端直接连接到所述电接地端。
16.根据权利要求13的集成电路，其中由所述第一电流源输出的电流等于由所述第二电流源输出的电流。
17.根据权利要求13的集成电路，其中所述第一电容器和所述第二电容器具有相同的电容。
18.根据权利要求13的集成电路，进一步包括电流感测电路，所述电流感测电路被配置成将感测电流输出到在所述第二电容器和所述电阻器之间的节点。
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Address after: 5 / F East B501, South B502, North B503, 6th floor, block B, TCL Industrial Research Institute building, No. 006, Gaoxin South 1st Road, Nanshan District, Shenzhen City, Guangdong Province

Patentee after: STMicroelectronics (Shenzhen) R&D Co.,Ltd.

Address before: 518057, 4/5 building, B block, South SKYWORTH building, South Zone, Shenzhen hi tech Zone, Nanshan District science and Technology Park, Guangdong, China

Patentee before: STMicroelectronics (Shenzhen) R&D Co.,Ltd.

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