CN102055330B - Dc-dc转换器和dc电压转换方法 - Google Patents

Dc-dc转换器和dc电压转换方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及DC-DC转换器和DC电压转换方法。具体提供一种DC-DC转换器，当以低功率消耗、高效率以及稳定操作来动态地更改输出电压时，该DC-DC转换器实现适当的斜坡补偿。此DC-DC转换器包括：将响应于驱动信号切换的输入电压转换为输出电压的电路；放大器，该放大器基于目标输出电压值和输出电压之间的误差来生成误差信号；比较器，该比较器基于误差信号、与输入和输出之间的电流值相对应的电流反馈信号、以及输入和输出之间的电流值的斜坡补偿信号来生成PWM信号；基于PWM信号和周期信号来生成驱动信号的电路；寄存器，该寄存器记录与目标输出电压相对应的设定电压值；以及生成与设定电压值相对应的斜坡补偿信号的电路。

Description

DC-DC转换器和DC电压转换方法
技术领域
本发明涉及用于动态地改变输出电压的DC-DC转换器。
背景技术
DC-DC转换器将特定值的DC电压转换为另一值的DC电压。近年来，应用DVFS(动态电压频率调整)的逻辑LSI(大规模集成电路)正在增加。在DVFS中，根据处理器的处理状态来更改电源电压和操作频率。因此，要求用于将电源提供给此逻辑LSI的DC-DC转换器执行输出电压的动态切换控制。利用电流模式的DC-DC转换器，存在以下已知的问题，即，当没有执行适当的斜坡补偿时发生次谐波振荡。特别地，通过用于动态地更改输出电压的DC-DC转换器，存在执行正确的斜坡补偿的需要。
在JP2006-033958A(专利文献1)中，公布了一种涉及DC-DC转换器的技术。在此技术中，适当的斜坡补偿量被保持在电流模式开关调节器(DC-DC转换器)中。图1是示出专利文献1中的开关调节器的构造的图。在下文中，将会参考图1来描述专利文献1的开关调节器。在专利文献1的开关调节器中，斜坡补偿值计算电路130被添加到传统的开关调节器的构造中。
当开关107被导通时，输入电压VIN被存储在线圈108中。当开关107被截止时，被存储在线圈108中的能量经由二极管109被输出到输出电容器112。
误差放大器101对通过用作反馈电阻器的电阻器110和111划分输出电压VOUT而生成的电压，与从基准电压源100提供的基准电压VREF之间的差进行放大。
斜坡补偿值计算电路130输入有输入电压VIN和输出电压VOUT，以将适当的斜坡补偿值VC输出到斜坡补偿电路102。此斜坡补偿电路102根据斜坡补偿值VC的输出来设置补偿斜波的增加率。斜坡补偿电路102生成与振荡器电路104的输出信号同步的具有锯齿波形状的补偿斜波。
加法器电路103在其输入端子中的一个中输入从斜波补偿电路102输出的补偿斜波。加法器电路103在其另一输入端子中输入通过将流过开关107的电流上的信息或者流过线圈108的电流上的信息转换为电压值而获得的电压。
比较器105在其倒相输入端子中输入误差放大器101的输出信号。比较器105在其非倒相输入端子中输入加法器电路103的输出信号。RS锁存器106在其复位端子R中输入比较器105的输出。RS锁存器106在其设置端子S中输入振荡器电路104的输出信号。振荡器电路104输出如图1中所示的恒定周期脉冲。RS锁存器106的输出端子Q被连接到开关107。当RS锁存器106的输出端子Q显示为“H”(其是二进制高/低信号的高状态)时，开关107被导通。
通过包括电阻器120、121、123以及124的加法器和减法器电路，和放大器122来形成斜坡补偿值计算电路130。通过下面的表达式(1)来表达通过斜坡值计算电路130输出的斜坡补偿值VC。
(1)VC＝{(R121)/(2 x R120)}(VQUT)-2(VIN)
在本表达式中，R121和R120分别表示电阻器121和120的电阻值。斜坡补偿值计算电路130输出与(VOUT-2VIN)成比例的斜坡补偿值VC。因此，能够形成保持最小斜坡补偿的电流模式步升型开关调节器，通过所述最小斜坡补偿，没有任何的输入电压VIN或者输出电压VOUT会导致发生次谐波振荡。
发明内容
然而，在专利文献1的开关调节器中，存在用于通过其中输出电压被反馈的模拟电路来实现斜坡补偿计算的需要。因此，通过添加模拟电路，存在电流消耗被增加并且效率被降低的缺点。通过反馈输出电压以用于斜坡补偿，还存在由于用于斜坡补偿的反馈回路而导致开关调节器的整个系统不能稳定的缺点。
在本发明的一方面中，DC-DC转换器包括：开关电路，该开关电路被构造为将响应于驱动信号而切换并且被输入到输入的输入电压值转换为被输出到输出的输出电压值；误差放大器，该误差放大器被构造为基于要从输出处输出的目标输出电压值和输出处的输出电压值之间的误差生成误差信号；PWM比较器，该PWM比较器被构造为基于误差信号、对应于输入和输出之间的电流值的电流反馈信号、以及执行输入和输出之间的电流值的斜坡补偿的斜坡补偿信号来生成PWM信号；锁存器电路，该锁存器电路被构造为基于PWM信号和预定的周期信号来生成驱动信号；输出电压设定寄存器，该输出电压设定寄存器被构造为用于记录与目标输出电压值相对应的设定电压值；以及斜坡补偿电路，该斜坡补偿电路被构造为用于生成具有与设定电压值相对应的斜坡补偿量的斜坡补偿信号。
根据本发明的另一方面，直流电压转换方法包括：将响应于驱动信号而被切换并且被输入到输入的输入电压值转换为被输出到输出的输出电压值；基于将要从输出处输出的目标输出电压值和在输出处的输出电压值之间的误差来生成误差信号；基于误差信号、与输入和输出之间的电流值相对应的电流反馈信号、以及要执行输入和输出之间的电流值的斜坡补偿的斜坡补偿信号来生成PWM信号；基于PWM信号和预定的周期信号来生成驱动信号；记录与目标输出电压值相对应的设定电压值；以及生成具有与设定电压值相对应的斜坡补偿量的斜坡补偿信号。
根据本发明，不要求有用于斜坡计算的模拟电路。因此，能够实现一种DC-DC转换器，该DC-DC转换器能够在以低功率消耗、高效率以及稳定操作来动态地更改输出电压时，实现适当的斜坡补偿。
附图说明
结合附图，从某些优选实施例的以下描述中，本发明的以上和其它方面、优点和特征将更加明显，其中：
图1是示出专利文献1的开关调节器的构造的图；
图2是示出本发明的实施例中的DC-DC转换器的构造的图；
图3是示出本实施例中的与VREF[6:0]的高2位相对应的斜坡补偿量的图；以及
图4是示出在输出电压VOUT被动态地切换的情况下，本实施例中的DC-DC转换器中的VOUT、VREF[6:0]与VSLOPE之间的关系的图。
具体实施方式
将参考附图来描述根据本发明的一些示例性实施例的DC-DC转换器。
[构造的描述]
首先，将会参考图2描述本实施例中的DC-DC转换器的构造。图2是示出本实施例中的DC-DC转换器的构造的图。本实施例中的DC-DC转换器包括输出电压设定寄存器10；斜坡补偿D/A转换器(在下文中，D/A转换器被称为DAC)11，其是第一D/A转换器；用于输出电压的DAC 12，其是第二D/A转换器；斜坡补偿电路13；振荡器电路14；输出电压反馈电阻器15和16；误差放大器17；相位补偿电阻器18；相位补偿电容器19；减法器电路20；PWM(脉冲宽度调制)比较器21；RS锁存器22；输出功率MOS驱动器23；输出功率PMOS24；输出功率NMOS 25；输出线圈26；以及输出电容器27。在下面的描述中，输出功率MOS驱动器23、输出功率PMOS 24、以及输出功率NMOS 25可以被共同地称为开关电路。
输出电压设定寄存器10的输出被连接至用于输出电压的DAC 12的输入和用于斜坡补偿的DAC 11的输入。用于输出电压的DAC 12的输出被连接至误差放大器17的非倒相输入。输出电压反馈电阻器15的一端被连接到输出线圈26和输出电容器27。输出电压反馈电阻器15的另一端被连接到输出电压反馈电阻器16的一端和误差放大器17的倒相输入端子。输出电压反馈电阻器16的另一端被连接到接地。误差放大器17的输出被连接到相位补偿电阻器18的一端和减法器电路20的输入中的一个。相位补偿电阻器18的另一端被连接到相位补偿电容器19的一端。相位补偿电容器19的另一端被连接到地。
用于斜坡补偿的DAC 11的输出被连接到斜坡补偿电路13的输入中的一个。斜坡补偿电路13的另一输入被连接到振荡器电路14的输出。斜坡补偿电路13的输出被连接到减法器电路20的另一输入。
减法器电路20的输出被连接到PWM比较器21的倒相输入端子。PWM比较器21的非倒相输入端子被连接到用于生成如下信号的检测电路(未示出)，其中，所述信号是通过将在输入和输出之间流动的电流值——具体而言是将经由输出线圈26流动的电流值或者经由开关电路流动的电流值——转换为电压电平而获得的信号。PWM比较器21的输出被连接到RS锁存器22的复位端子R。RS锁存器22的设置端子S被连接到振荡器电路14的输出。RS锁存器22的非倒相输出端子Q被连接到输出功率MOS驱动器23的输入。输出功率MOS驱动器23的输出分别被连接到输出功率PMOS 24的栅极端子和输出功率NMOS 25的栅极端子。
输出功率PMOS 24的源极端子被连接到输入电压VIN。输出功率PMOS 24的漏极端子和输出功率NMOS 25的漏极端子被连接到输出线圈26的一端。输出功率NMOS 25的源极端子被连接到地。输出线圈26的另一端被连接到后级上的电路(未示出)和输出电容器27。
[操作的描述]
接下来，将会描述具有上述构造的本实施例中的DC-DC转换器的操作。在本实施例中的DC-DC转换器中，输出电压VOUT是可更改的。在本实施例的DC-DC转换器中，在更改输出时，输出电压设定寄存器的基准电压VREF[6:0]的值被更改。用于输出电压的DAC 12基于VREF[6:0]执行D/A转换，以输出基准电压值VDAC。误差放大器17对通过输出电压反馈电阻器15和16所划分的并且被输入到倒相输入端子的VOUT、与被输入到非倒相输入端子的基准电压VDAC之间的差进行放大，并且输出被放大的差作为误差信号。
同时，用于斜坡补偿的DAC 11基于作为VREF[6:0]的高2位的VREF[6:5]来执行D/A转换，以输出斜坡补偿量基准电压VREFSLOPE。斜坡补偿电路13在其输入中的一个中输入VREFSLOPE。将来自于振荡器电路14的预定频率的周期信号输入到斜坡补偿电路13的另一输入。斜坡补偿电路13生成与来自于振荡器电路14的周期信号同步的、作为锯齿波的斜坡补偿信号VSLOPE。在这里，斜坡补偿电路13根据VREFSLOPE的值来切换作为VSLOPE的振幅的斜坡补偿量。
减法器电路20输入：从误差放大器17输出并且通过相位补偿电阻器18和相位补偿电容器19相位补偿的误差信号；和从斜坡补偿电路13输出的VSLOPE。减法器电路20输出通过从误差信号减去VSLOPE而获得的信号。PWM比较器21在其倒相输入端子中输入有减法器电路20的输出。在其非倒相输入端子中，PWM比较器21输入通过将在输入和输出之间流动的电流值——具体而言将经由输出线圈26流动的电流值或者经由开关电路流动的电流值转换为电压电平而获得的信号。PMW比较器21基于到倒相输入端子的输入和到非倒相输入端子的输入之间的差来生成PWMDUTY信号。通过更改PWMDUTY信号的占空比，从RS锁存器22到开关电路(输出功率MOS驱动器23、输出功率PMOS 24以及输出功率NMOS 25)的驱动信号被控制。
RS锁存器22在其复位端子R中输入来自于RWM比较器的PWMDUTY信号，并且在其设置端子S中输入来自于振荡器电路14的周期信号。RS锁存器的非倒相输出端子Q被连接到输出功率MOS驱动器23的输入。RS锁存器22基于到复位端子R的输入和到设置端子S的输入，从非倒相端子Q对输出功率MOS驱动器23的驱动信号进行输出。当从RS锁存器的非倒相输出端子输出的驱动信号处于高电平时，输出功率MOS驱动器23导通输出功率PMOS 24的栅极端子和输出功率NMOS 25的栅极端子。在这里，VIN被存储在输出线圈26中。当从RS锁存器的非倒相输出端子Q输出的驱动信号处于低电平时，输出功率MOS驱动器23截止输出功率PMOS 24的栅极端子和输出功率NMOS 25的栅极端子。在这里，被存储在输出线圈26中的能量被输出到输出比较器27，并且作为VOUT经由输出比较器27而被输出到后级。
在步降型DC-DC转换器的情况下，通过下面的表达式(2)来表达输出线圈26中的纹波电流的斜坡。应注意的是，在下面的表达式(2)中，dlripple/dt表示纹波电流的斜坡，VOUT表示输出电压值，并且L表示线圈的电感器值。
dlripple/dt＝VOUT/L        (2)
为了执行适当的斜坡补偿，要求根据纹波电流的斜坡来调节斜坡补偿量。如图表达式(2)中所示，在步降型DC-DC转换器的情况下，纹波电流的斜坡可能是与VOUT成比例的值。然而，为了确定斜坡补偿数量没有必要要求反馈实际的VOUT。认为在设置输出电压设定寄存器10中的设定电压值之后，VOUT始终是恒定的。因此，当根据作为与VOUT相对应的值的VREF[6:0]的值将斜坡补偿量设置为定值时，能够获得充分的斜坡补偿效应。
在本实施例中，用于斜坡补偿的DAC 11根据VREF[6:0]的7位当中的高2位来输出VREFSLOPE。为了根据VREFSLOPE更改VSLOPE的斜坡补偿量，斜坡补偿电路13根据VREF[6:0]的7位当中的高2位来更改VSLOPE的斜坡补偿量。通过此构造，存在抑制了用于斜坡补偿的DAC 11的电路规模的扩大的效应。否则，在具有大量的位(诸如7位)的输出电压寄存器10的情况下，为了使用于斜坡补偿的DAC 11对应于所有的位，则不可避免地要扩大用于斜坡补偿的DAC 11的电路规模。在本实施例中的DC-DC转换器中，用于斜坡补偿的DAC 11和斜坡补偿电路13仅对应于对输出电压进行大幅度改变的VREF[6:0]的高位的变化。因此，能够获得斜坡补偿的足够的稳定性，并且能够抑制电路规模的增加。
应注意的是，本发明不限于如下的结构，即，本实施例中的用于斜坡构造的DAC 11和斜坡补偿电路13对应于VREF[6:0]的高2位。这仅是一个示例，并且通过使用于斜坡补偿的DAC和斜坡补偿电路对应于VREF[6:0]的一些高位，至少1位，能够获得相同的效应。此外，用于斜坡补偿的DAC和斜坡补偿电路可以对应于VREF[6:0]的所有的7位。此外，VREF[6:0]不限于7位的信号。
图3是示出本实施例中的与VREF[6:0]的高2位相对应的斜坡补偿量的图。在图3中，当VOUT是“1.3V”时，斜坡补偿量被标准化以具有标准值“1”。参考图3，在是VREF[6:0]的高2位的VREF[6:5]是“00”的情况下，不管低位如何，斜坡补偿量均是“1”。当VREF[6:5]是“01”时，不管低位如何，斜坡补偿量为“9/13”。类似地，当VREF[6:5]是“10”时，不管低位如何，斜坡补偿量为“5/13”。图3中的寄存器的值、VOUT、以及斜坡补偿量的值仅是一个示例，并且本发明不限于此示例。
图4是示出在输出电压VOUT被动态地切换的情况下，本实施例中的DC-DC转换器中的VSLOPE、VOUT、和VREF[6:0]之间的关系的图。参考图4，能够认为当在时间t输出电压设定寄存器10的值被更改以更改VOUT时，VSLOPE的斜坡补偿量被更改，并且因此VOUT被逐渐地更改被目标电压值。在VOUT被设置为高值的情况下，如图3中所示，通过增加斜坡补偿量能够实现稳定操作，在所述稳定操作中能防止次谐波振荡。在上面描述了本实施例中的DC-DC转换器的操作。
如在本说明书中所述，根据本发明的实施例的DC-DC转换器包括输出电压设定寄存器10，替代以前述传统的技术通过模拟电路来实现的斜坡补偿值计算电路。斜坡补偿电路13根据在输出电压设定寄存器10中设定的值来切换斜坡补偿量，使得即使在动态地切换主电压VOUT之后，也能够实现适当的斜坡补偿。因此，在上述实施例的DC-DC转换器中，通过消除模拟电路的斜坡补偿值计算电路，能够实现在以低功率消耗、高效率以及稳定操作来动态地更改输出电压时，实现适当的斜坡补偿的DC-DC转换器。
尽管在上面步降型DC-DC转换器被描述为示例，但是本发明不限于步降型DC-DC转换器，而是可应用于步降型或者步升型DC-DC转换器。
以上参考一些实施例来描述了本发明。然而，本发明不限于该实施例。本领域的技术人员应理解的是，在本发明的范围内能够不同地修改本发明的详细部分和构造。

Claims (6)

1.一种DC-DC转换器，包括：
开关电路，所述开关电路被构造为将响应于驱动信号而被切换的并且被输入到输入处的输入电压值转换为被输出到输出处的输出电压值；
误差放大器，所述误差放大器被构造为基于要从所述输出处输出的目标输出电压值和所述输出处的输出电压值之间的误差来生成误差信号；
PWM比较器，所述PWM比较器被构造为基于所述误差信号、与在所述输入处和所述输出处之间的电流值相对应的电流反馈信号、以及用于执行在所述输入处和所述输出处之间的电流值的斜坡补偿的斜坡补偿信号来生成PWM信号；
锁存器电路，所述锁存器电路被构造为基于所述PWM信号和预定的周期信号来生成所述驱动信号；
输出电压设定寄存器，所述输出电压设定寄存器被构造为记录与所述目标输出电压值相对应的设定电压值；
斜坡补偿电路，所述斜坡补偿电路被构造为生成具有与所述设定电压值相对应的斜坡补偿量的所述斜坡补偿信号；
第一D/A转换器，所述第一D/A转换器被构造为用于生成一斜坡补偿量基准电压，该斜坡补偿量基准电压是与所述设定电压值相对应的电压电平；以及
第二D/A转换器，所述第二D/A转换器被构造为用于生成一基准电压，该基准电压是与所述设定电压值相对应的电压电平，
其中，所述斜坡补偿电路被构造为响应于所述斜坡补偿量基准电压来改变所述斜坡补偿信号的斜坡补偿量，并且
所述误差放大器被构造为通过使用由所述第二D/A转换器生成的所述基准电压作为所述目标输出电压值来生成所述误差信号。
2.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，所述斜坡补偿电路被构造为生成具有与所述设定电压值的至少高1位相对应的斜坡补偿量的斜坡补偿信号。
3.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其中，所述第一D/A转换器被构造为用于生成是与所述设定电压值的至少高1位相对应的电压电平的所述斜坡补偿量基准电压。
4.一种直流电压转换方法，包括：
将响应于驱动信号被切换的并且被输入到输入处的输入电压值转换为被输出到输出处的输出电压值；
基于要从所述输出处输出的目标输出电压值和所述输出处的所述输出电压值之间的误差来生成误差信号；
基于所述误差信号、与在所述输入处和所述输出处之间的电流值相对应的电流反馈信号、以及用于执行在所述输入处和所述输出处之间的电流值的斜坡补偿的斜坡补偿信号，来生成PWM信号；
基于所述PWM信号和预定的周期信号来生成所述驱动信号；
记录与所述目标输出电压值相对应的设定电压值；
生成具有与所述设定电压值相对应的斜坡补偿量的斜坡补偿信号；
利用第一D/A转换器，来生成是与所述设定电压值相对应的电压电平的斜坡补偿量基准电压；以及
利用第二D/A转换器，来生成是与所述设定电压值相对应的电压电平的基准电压，
其中，所述的生成斜坡补偿信号包括：
响应于所述斜坡补偿量基准电压来改变所述斜坡补偿信号的所述斜坡补偿量，并且
所述的生成误差信号包括：
通过使用由所述第二D/A转换器所生成的所述基准电压作为所述目标输出电压值，生成所述误差信号。
5.根据权利要求4所述的直流电压转换方法，其中，所述的生成斜坡补偿信号包括：
生成具有与所述设定电压值的至少高1位相对应的斜坡补偿量的所述斜坡补偿信号。
6.根据权利要求4所述的直流电压转换方法，其中，所述的生成斜坡补偿信号包括：
生成是与所述设定电压值的至少高1位相对应的电压电平的所述斜坡补偿量基准电压。
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