CN102651604A - 纹波调节器的控制电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种纹波调节器的控制电路包括纹波产生电路及偏移消除电路，该纹波产生电路提供纹波信号使该纹波调节器能兼顾小纹波及回路稳定性，此外该纹波产生电路也提供纹波信息给偏移消除电路，该纹波信息正比于该纹波信号的振幅，该偏移消除电路根据该纹波信息产生偏移消除信号以改善该纹波调节器的输出电压因该纹波信号而产生的偏移。

Description

纹波调节器的控制电路及方法
技术领域
本发明是有关一种纹波调节器(ripple regulator)，特别是关于一种纹波调节器的控制电路及方法。
背景技术
在固定导通时间(Constant On Time；COT)或磁滞模式(hysteretic mode)的自行计时(self-clocking)直流对直流转换器中，脉宽调变信号的产生是依赖输出电压上的纹波做触发控制。较大的纹波可以让回路的稳定性提升，但是可能超出转换器的规范。相反的，较小的纹波可以符合规范的要求，但却可能破坏回路的稳定性。因此，拥有小的输出电压纹波而又不丧失回路的稳定性是一项具有挑战性的工作。
如图1所示，传统的COT纹波调节器包括一对高压侧元件Q1和低压侧元件Q2经相节点Phs连接在电压输入端Vin和地端GND之间，控制电路10提供脉宽调变信号UG及LG分别控制高压侧元件Q1及低压侧元件Q2以调节对输出稳压电容Co充电的电感电流IL，进而控制输出电压Vout，电阻R1及R2组成的分压器分压输出电压Vout产生回授电压Vfb1给控制电路10，电阻R3是输出稳压电容Co的等效串联电阻(Effective SeriesResistance；ESR)。在控制电路10中，误差比较器14比较回授电压Vfb1及参考电压Vref产生比较信号Sc，脉宽调变控制器12根据比较信号Sc触发脉宽调变信号UG以控制高压侧元件Q1，反相器16将信号UG反相产生脉宽调变信号LG以控制低压侧元件Q2。在脉宽调变控制器12中，固定时间产生器18决定脉宽调变信号UG的固定时间Ton，逻辑控制器22根据比较信号Sc产生触发信号St给单击电路20以触发脉宽调变信号UG。
图2是图1的电路的波形图，用以说明COT纹波调节器的运作方式。参照图1及图2，在时间t1时，回授电压Vfb1降到低于参考电压Vref，因此比较信号Sc由高准位转为低准位，逻辑控制器22因而产生触发信号St以触发脉宽调变信号UG使高压侧元件Q1打开(turnon)固定时间Ton，在高压侧元件Q1打开期间，回授电压Vfb1上升，在固定时间Ton结束后，高压侧元件Q1关闭(turn off)而低压侧元件Q2打开，回授电压Vfb1下降，当回授电压Vfb1再次降到低于参考电压Vref时，高压侧元件Q1再次打开固定时间Ton。如此周期性地运作，使得COT纹波调节器的输出电压Vout稳定在设定值。
然而，若使用陶瓷(ceramic)电容作为输出稳压电容Co，因为其等效串联电阻R3很小，所以输出电压Vout及回授电压Vfb1的纹波也会很小，甚至可以视为直流信号，导致COT纹波调节器几乎不可能运作在稳定的状况下。
发明内容
本发明的目的之一，在于提出一种使纹波调节器具有小纹波及高回路稳定性的控制电路及方法。
本发明的目的之一，在于提出一种改善纹波调节器的输出电压偏移的控制电路及方法。
根据本发明，一种纹波调节器的控制电路包括误差比较器比较参考电压以及与该纹波调节器的输出电压相关的回授电压产生比较信号，脉宽调变控制器根据该比较信号触发脉宽调变信号以控制电感电流，纹波产生电路提供与该电感电流同步且同相的纹波信号迭加到该参考电压或回授电压上，以提升回路稳定性，以及偏移消除电路从该纹波产生电路取得正比于该纹波信号的振幅的纹波信息产生偏移消除信号给该误差比较器，以改善该输出电压因该纹波信号而产生的偏移。
根据本发明，一种纹波调节器的控制方法包括比较参考电压以及与该纹波调节器的输出电压相关的回授电压产生比较信号，供触发脉宽调变信号以控制电感电流，提供与该电感电流同步且同相的纹波信号迭加到该回授电压或参考电压上，以提升回路稳定性，以及取得正比于该纹波信号的振幅的纹波信息，并据以产生偏移消除信号以改善该输出电压因该纹波信号而产生的偏移。
附图说明
图1是传统的COT纹波调节器；
图2是图1的电路的波形图；
图3是本发明的实施例；
图4是图3的电路的波形图；
图5是图3中的纹波产生电路的实施例；以及
图6是图3中的偏移消除电路的实施例。
附图标号
10  控制电路
12  脉宽调变控制器
14  误差比较器
16  反相器
18  固定时间产生器
20  单击电路
22  逻辑控制器
30  纹波产生电路
32  偏移消除电路
34  回授电压Vfb2
36  回授电压Vfb1
38  低通滤波器
40  低通滤波器
42  转导放大器
44  电流源
具体实施方式
图3是以图1的电路为基础设计的实施例，其中输出稳压电容Co的等效串联电阻R3很小，因此回授电压Vfb1的纹波很小，可视为直流信号，如图4的波形36所示。在图3的控制电路10中，除了图1的脉宽调变控制器12、误差比较器14及反相器16之外，还包括纹波产生电路30及偏移消除电路32。纹波产生电路30根据相节点Phs的电压产生与电感电流IL同步且同相的纹波信号Vripple给误差比较器14的正输入端，纹波信号Vripple迭加到回授电压Vfb1上产生具有大纹波的回授电压Vfb2，如图4的波形34所示，进而解决因等效串联电阻R3太小而造成回路不稳定的问题。在其他实施例中，纹波信号Vripple也可以改为给误差比较器14的负输入端而迭加到参考电压Vref上。图3的COT纹波调节器是以回授电压Vfb2触发脉宽调变信号UG，因此在回路稳定时，如图4的波形36所示，回授电压Vfb1并不等于参考电压Vref，而是等于Vref+ΔV，其中ΔV等于纹波信号Vripple的振幅，这将导致输出电压Vout与设定值有所偏移，此偏移量在较精密的系统中可能超出规格书的规范。在图3的电路中，由于可以从纹波产生电路30得知纹波信号Vripple的纹波信息Sam，故偏移消除电路32根据纹波信息Sam产生偏移消除信号Soc给误差比较器14，以改善输出电压Vout因纹波信号Vripple而产生的偏移，其中纹波信息Sam正比于纹波信号Vripple的振幅ΔV。偏移消除信号Soc可以提供给误差比较器14的正输入端或负输入端以平移回授电压Vfb2或参考电压Vref，也可以用来调整误差比较器14内部的偏移参数。
图5是纹波产生电路30的实施例，其中由电阻RA及电容CA组成的低通滤波器38用以滤除相节点Phs的电压的高频成分产生信号VA，当高压侧元件Q1打开而低压侧元件Q2关闭时，相节点Phs的电压等于Vin并经由电阻RA对电容CA充电，当高压侧元件Q1关闭而低压侧元件Q2打开时，电容CA的电荷经由电阻RA放电，故信号VA近似三角波且与电感电流IL同步且同相。由电阻RB及电容CB组成的低通滤波器40用以滤除信号VA的交流成分产生信号VB，信号VB为信号VA的平均值。转导放大器42具有正输入端及负输入端分别接受信号VA及VB，根据二者之间的差值产生与电感电流IL同步且同相的转导电流I1＝gm×(VA-VB)，gm是转导放大器42的转导系数。电阻R4连接在误差比较器14及节点Vfb1之间，因应转导电流I1产生纹波信号Vripple迭加到回授电压Vfb1上产生回授电压Vfb2。
从图5可知，纹波信号Vripple的纹波是由信号VA及VB之间的压差乘上gm×R4而产生的，由于R4为定值，因此只要把|gm×(VA-VB)|的最大值的信息送到偏移消除电路32，便可减少因纹波信号Vripple而造成的偏移量。图6是偏移消除电路32的实施例，其包括电流源44根据纹波信息Sam产生偏移电流I2＝gm×VF，其中VF正比于|VA-VB|的最大值，电阻RF连接在误差比较器14的负输入端及参考电压端Vref之间，因应偏移电流I2产生偏移消除信号Soc以平移参考电压Vref，进而减小输出电压Vout的偏移量。参照图4、图5及图6，纹波信号Vripple的纹波等于gm×R4×(VA-VB)，因此回授电压Vfb1与参考电压Vref之间的偏移量ΔV等于|0.5×gm×R4×(VA-VB)|的最大值，若设定偏移消除信号Soc＝I2×RF＝ΔV，便可将输出电压Vout的偏移量完全消除。
以上对于本发明的较佳实施例所作的叙述为阐明的目的，而无意限定本发明精确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例为解说本发明的原理以及让本领域的技术人员以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述，本发明的技术思想企图由以下的权利要求及其均等来决定。

Claims (7)

1.一种纹波调节器的控制电路，其特征在于，所述纹波调节器包括高压侧元件及低压侧元件经相节点连接在一起，因应脉宽调变信号以控制电感电流对输出稳压电容充电产生输出电压，所述控制电路包括：
误差比较器，具有二输入端分别接受参考电压以及与所述输出电压相关的回授电压，以及一输出端提供比较信号；
脉宽调变控制器，连接所述误差比较器，根据所述比较信号触发所述脉宽调变信号；
纹波产生电路，连接所述相节点，根据所述相节点的电压产生与所述电感电流同步且同相的纹波信号给所述误差比较器的二输入端其中之一；以及
偏移消除电路，连接所述纹波产生电路及误差比较器，从所述纹波产生电路取得正比于所述纹波信号的振幅的纹波信息产生偏移消除信号给所述误差比较器，以改善所述输出电压因所述纹波信号而产生的偏移。
2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述纹波产生电路包括：
第一低通滤波器，连接所述相节点，滤除所述相节点的电压的高频成分，产生与所述电感电流同步且同相的第一信号；
第二低通滤波器，连接所述第一低通滤波器，滤除所述第一信号的交流成分产生第二信号；
转导放大器，连接所述第一及第二低通滤波器，根据所述第一及第二信号之间的差值产生与所述电感电流同步且同相的转导电流；
电阻，连接所述转导大器，因应所述转导电流产生所述纹波信号。
3.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述偏移消除电路提供所述偏移消除信号给所述误差比较器的二输入端其中之一，以平移所述参考电压或回授电压。
4.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述偏移消除电路提供所述偏移消除信号给所述误差比较器，以调整所述误差比较器的偏移参数。
5.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述偏移消除电路包括：
电流源，连接所述纹波产生电路，根据所述纹波信息提供偏移电流，所述偏移电流正比于所述纹波信号的振幅；以及
电阻，连接所述电流源，因应所述偏移电流产生所述偏移消除信号。
6.一种纹波调节器的控制方法，其特征在于，所述纹波调节器包括高压侧元件及低压侧元件经相节点连接在一起，因应脉宽调变信号以控制电感电流对输出稳压电容充电产生输出电压，所述控制方法包括下列步骤：
(A)比较参考电压以及与所述输出电压相关的回授电压产生比较信号，供触发所述脉宽调变信号；
(B)侦测所述相节点的电压产生与所述电感电流同步且同相的纹波信号迭加到所述回授电压或参考电压上；以及
(C)取得正比于所述纹波信号的振幅的纹波信息，并据以产生偏移消除信号以改善所述输出电压因所述纹波信号而产生的偏移。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述步骤(B)包括：
滤除所述相节点的电压的高频成分，产生与所述电感电流同步且同相的第一信号；
滤除所述第一信号的交流成分，产生第二信号；以及
根据所述第一及第二信号之间的差值产生所述纹波信号。
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