CN102684489A

CN102684489A - 用于防止低占空比操作中控制器引发的脉冲跳过的系统和方法

Info

Publication number: CN102684489A
Application number: CN2011104120418A
Authority: CN
Inventors: M·J·休斯敦; 裘卫红; E·陈
Original assignee: Intersil Inc
Current assignee: Intersil Corp
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-11-21
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2031-11-21
Also published as: TWI474146B; CN102684489B; TW201239569A; US20120229113A1; US8723500B2

Abstract

披露了一种用于防止低占空比操作中控制器引发的脉冲跳过的系统和方法，其中一种响应于输入电压和驱动控制信号产生经调节的输出电压的电压调节器。误差放大器响应于经调节的输出电压和基准电压生成误差电压信号。PWM调制器响应于误差电压信号、斜坡电压和基准电压的倒数产生PWM控制信号。PWM调制器中的控制电路将施加于PWM调制器的误差电压信号保持在基准电压工作范围内的基本上相同的DC电压电平下，并使误差电压信号保持在斜坡电压的最小值之上；驱动器电路响应于PWM控制信号产生驱动控制信号。

Description

用于防止低占空比操作中控制器引发的脉冲跳过的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年3月11日提交的题为“SYSTEM AND METHOD FORPREVENTION OF CONTROLLER INDUCED PULSE SKIPPING WITHIN VOLTAGEREGULATORS AT LOW DUTY CYCLE OPERATION(用于防止低占空比操作中电压调节器内的控制器引发的脉冲跳过的系统和方法)”的No.61/451,703美国临时申请以及2011年9月19日提交的题为“SYSTEM AND METHOD FOR PREVENTINGCONTROLLER INDUCED PULSE SKIPPING AT LOW DUTY CYCLE OPERATIONS(用于防止低占空比操作中控制器引发的脉冲跳过的系统和方法)”的No.13/235,586美国申请的优先权，这两篇文献援引包含于此。

技术领域

本发明涉及电压调节器，更具体地涉及包含PWM调制器的电压调节器，其中该PWM调制器在低占空比操作中通过所产生的PWM控制信号来防止脉冲跳过(pulse skipping)。

背景

具有占空比控制的模拟电压调节器控制器产生经脉宽调制的(PWM)输出，该PWM输出驱动电压调节器的功率级的开关晶体管，所述电压调节器将输入电压转换成经调节的输出电压。模拟电压调节器控制器通过将控制输入提供给PWM调制器而产生PWM信号。典型的PWM调制器由PWM比较器构成。PWM比较器通过将控制信号与锯齿斜坡电压波形比较而产生PWM输出控制信号。在低占空比操作中，控制信号(通常是误差放大器的输出)将工作在锯齿波形的底部附近。在这种工作模式下，由于控制信号中的不理想波形、切换脉动(switchingripple)以及模拟电路中可能存在的非线性，PWM调制器可能跳过PWM脉冲。脉冲跳过会造成可能违反电压调节规范并同时导致不稳定操作的较高输出电压脉动。一种能够提供阻止控制信号工作在调制器斜坡底部附近的可变调制的斜坡特征并防止脉冲跳过的实施方式将是合需的。

概述

如本文披露和描述的那样，本发明的一个方面包括一种装置，该装置包括响应于输入电压和驱动控制信号产生经调节的输出电压的电压调节器。误差放大器响应于经调节的输出电压以及基准电压生成误差电压信号。PWM调制器响应于误差电压信号、斜坡电压以及基准电压的倒数产生PWM控制信号。PWM调制器在低占空比状态下防止所产生的PWM控制信号中的脉冲跳过。驱动电路响应于PWM控制信号产生驱动控制信号。

附图说明

为了更全面地理解，现参照下面结合附图进行的描述，在附图中：

图1示出根据本公开的产生PWM信号的调制器；

图2示出包含可变高通滤波器的电压调节器和控制器的实现；

图3示出用于补偿图1的PWM调制器的环路增益的方式的第一实施例；

图4示出用于补偿与图1的PWM调制器关联的环路增益的替代实施例；

图5示出用于补偿图1的PWM调制器所使用的环路增益的方式的又一实施例；以及

图6示出根据一个实施例包括具有图1-5的开关电路的电子/电气电路的电子/电气系统。

具体实施方式

现在参考附图，其中在全部附图中相同的附图标记用来指代相同的元件，解说和描述了用于防止在低占空比操作中控制器引发的脉冲跳过的系统和方法的多个视图和实施例，还描述了其它可能的实施例。这些附图不一定是按比例绘制的，而且仅为说明目的起见，在某些实例中有几处已将附图放大和/或简化。本领域普通技术人员将理解基于以下可行实施例的示例的许多可能的应用和变型。

具有占空比控制的模拟电压调节器控制器产生经脉宽调制的(PWM)输出，该PWM输出驱动电压调节器的功率级的开关晶体管，所述电压调节器将输入电压转换成经调节的输出电压。模拟电压调节器控制器通过将控制输入提供给PWM调制器而产生PWM信号。典型的PWM调制器由PWM比较器构成。PWM比较器通过将控制信号与锯齿斜坡电压波形比较而产生PWM输出控制信号。在低占空比操作中，控制信号(通常是误差放大器的输出)将工作在锯齿波形的底部附近。在这种工作模式下，由于控制信号中的不理想波形、切换脉动以及模拟电路中可能存在的非线性，PWM调制器可能跳过PWM脉冲。脉冲跳过会造成可能违反电压调节规范并同时导致不稳定操作的较高输出电压脉动。下面的实现使用一种调制器，该调制器提供将阻止控制信号工作在调制器斜坡底部附近并防止脉冲跳过的可变调制器斜坡特征。另外，用于补偿由可变调制器斜坡特征产生的可变调制器增益的方法维持电压调节器的理想动态性能。

现在参见图1，图1示出一种PWM调制器100的方框图，该PWM调制器100限制或消除电压调节器中的脉冲跳过事件。第一比较器102在其非反相输入处接收斜坡电压信号V_{DOWN_RAMP}。V_{DOWN_RAMP}信号设定稳态PWM切换频率。当该向下斜坡信号越过并低于VCOMP时，PWM信号被导通。第一比较器102在其非反相输入处另行接收误差电压信号V_COMP。比较器102的输出被提供给脉冲发生电路104，该脉冲发生电路响应于比较器102的输出去往逻辑“高”电平而产生输出脉冲。脉冲发生电路104的输出连接于SR锁存器106的S输入。

误差电压V_COMP也被施加于求和电路108的第一输入。求和电路108的另一输入接收电流感测信号K_i×I_average。该电流感测信号包括来自电流感测电路220(图2)的电流感测信号。通过求和电路108从误差信号V_COMP减去该电流感测信号，以产生信号V_COMP1。新信号V_COMP1被提供给第二比较器110的反相输入。第二比较器110的非反相输入接收在节点112产生的信号V_{UP_RAMP}。当PWM信号导通时，该V_{UP_RAMP}信号开始充电。当V_{UP_RAMP}信号越过并高于信号VCOMP1时，PWM信号截止。V_{UP_RAMP}是主斜坡信号，它确定控制信号COMP在何处工作。因此，当1/VREF乘数乘以标称UP_RAMP转换速率(I_{UPRAMP_NOM})时，以下所讨论的RAMP信号可被视为V_{UP_RAMP}，因为就是RAMP信号与1/VREF相乘。比较器110的输出被提供给SR锁存器106的R输入。

在节点112产生的V_{UP_RAMP}信号是响应于电流源114产生的，该电流源114响应于电流控制信号I_BALANCE源入节点112。电流源114额外地响应于乘法器电路116的输出。乘法器电路116将I_{UPRAMP_NOM}控制信号和基准电压的倒数

相乘。I_{UPRAMP_NOM}控制信号设定V_{UP_RAMP}信号的标称电压转换速率。为了增大V_{UP_RAMP}信号的电压转换速率，将标称电流I_{UPRAMP_NOM}控制信号乘以1/V_REF。这校正了V_{UP_RAMP}信号转换速率以将V_COMP保持在同一控制信号电压下。这些信号中的每一个被施加于乘法器电路116并且乘法器电路的输出作为又一控制信号被提供给电流源114。信号

是所产生的增益信号，该增益信号与标称向上斜坡转换速率(I_{UPRAMP_NOM})相乘。随着V_REF下降，标称向上斜坡转换速率将增加以将误差电压COMP信号维持在基准电压工作范围内的同一DC电平。因此，误差电压信号将充分地工作在调制器RAMP信号底部上方，即使在低占空比操作中亦是如此。这允许电压调节器避免脉冲跳过情况。该电路限制或防止由于噪声和其它非理想性而产生的错误脉冲跳过。这发生在低占空比操作中，其中噪声可将COMP信号推动到斜坡底部周围。在从关联的电压调节器提供的输出电压工作在非常接近施加于PWM调制器100的斜坡信号的最小电压电平的点的情形下，低占空比操作发生。当电压调节器的输出电压脉动落在可接受窗限之外时，脉冲跳过问题可能发生在PWM调制器100的输出处。该电路在需要脉冲跳过以维持电压调节的真实情形下不应阻止脉冲跳过。真实脉冲跳过导致COMP信号落到斜坡的底部之下。可变斜坡电压将使控制信号维持在基准电压范围内的同一DC电平。电容器118连接在节点112和地面之间。开关120响应于SR锁存器106的

输出，并当开关闭环时将节点112连接于地面。

在一替代实施例中，与其在所有情形下将倒数基准电压1/V_REF应用于乘法器116，倒不如仅当输出电压低于一些临界阈值电平时才应用1/V_REF的值。因此，V_REF存在临界点，在该临界点，当输出电压低于电压电平N时，施加于I_{UPRAMP_NOM}的增益将是1/V_REF，而在输出电压高于电压电平N的任何时候，施加于I_{UPRAMP_NOM}的增益为1。可按需选择N的电压值。

较快的斜坡转换速率将减小调制器100的总增益。为了补偿减小的调制器增益，将可变高通滤波器插入到误差放大器和PWM调制器100之间。这将在下文中更全面地讨论。可变增益高通滤波器可包括数种不同配置，如图3、图4和图5中更全面阐述的那样。可变增益高通滤波器的增益将等于

误差电压信号将保持在同一DC电压电平，而不会使动态响应降级。

现在参见图2，图中示出针对图1描述的调制器100的方框图，该调制器100具有插入到误差放大器214和调制器100之间的可变增益高通滤波器204。通过将可变增益高通滤波器204插入到误差放大器214和调制器100之间，由调制器100内的较快斜坡转换速率造成的增益减小由滤波器204补偿。误差电压信号将保持在同一DC电压而不会使调制器100的动态响应降级。

输入电压V_IN被施加于输入电压节点202。第一开关晶体管205的漏极/源极路径连接在节点202和节点206之间。第二开关晶体管208的漏极/源极路径连接在节点206和地面之间。开关晶体管205和208中的每一个的栅极被连接以从驱动器电路210接收控制信号。驱动器电路响应于来自PWM调制器200的PWM控制信号产生对晶体管205的驱动信号QU以及对晶体管208的驱动信号QL。二极管仿真是通过当负载电流被检测为零时截止下端FET、第二开关晶体管208来实现的。

电压调节器进一步包括连接在节点206和节点218之间的电感器216。电流传感器220在节点218监测流过电感器216的电流并在节点222产生I_DROOP电流感测信号至误差放大器214的反相输入。电容器224连接在节点218和地面之间。经调节的输出电压V_OUT从节点218提供。在节点218通过由电阻器226、228和电容器230构成的RC电路监测输出电压V_OUT。电阻器226连接在节点218和节点222之间。与电阻器226并联的是电阻器228和电容器230在节点222和节点218之间的串联。

误差放大器214将监测的输出电压V_OUT与基准电压V_REF比较，所述基准电压V_REF被施加于误差放大器214的非反相输入。反馈信号被提供在误差放大器214的输出和误差放大器214的由电容器232、234及电阻器236构成的非反相输入之间。电容器234连接在误差放大器214的输出和节点222处的非反相输入之间。与电容器234并联的是电容器232和电阻器236的串联。

可变增益高通滤波器204可以任何数量的方式来实现。这些实现中的若干实现结合图3-5示出。在图3的实施例中，可变增益高通滤波器204包括放大器304，该放大器304的非反相输入被连接以从误差放大器214接收误差电压信号(COMP)。放大器304的反相输入连接于节点306。可变反馈电阻器308连接在放大器304的输出和节点306处的反相输入之间。可变电阻器的值是根据等式(1/V_REF-1)×R_HPF2建立的。电阻器310和电容器312串联在节点306和地面之间。

现在参见图4，图4示出实现在电压调节器中的可变增益高通滤波器的第二实施例。在该实施例中，可变增益高通滤波器204包括求和电路402，该求和电路402具有连接于节点404的第一输入以及连接于放大器406的输出的第二输入。电容器408连接在节点404和地面之间。电阻器410连接在节点404和节点412之间。节点412连接于误差放大器214的输出以接收误差电压信号。电容器414连接在节点412和节点416之间。电阻器418连接在节点416和地面之间。放大器406的输入连接于节点416。放大器406接收

的控制输入。求和电路402的输出连接于PWM调制器100的输入。

参照图5示出第三实施例。图5的实现包括求和电路502，其输出对PWM调制器100提供输入。求和电路502的第一输入连接于节点504。节点504被连接以从误差放大器214的输出接收误差电压信号。电容器506连接在节点504和节点508之间。电阻器510连接在节点508和地面之间。求和电路502的第二输入连接于放大器512的输出。放大器512的输入连接于节点508，并且放大器512也接收控制信号

-1作为控制输入。

-1信号包括用于放大器512的增益控制信号。

通过利用调制器100内的可变向上斜坡转换速率以及可变增益高通滤波器204，COMP电压在输出电压范围内保持平坦。当包括可变增益高通滤波器204时，瞬变性能不存在降级。图1-5的电路提供了用来限制或防止在低占空比操作中的控制器引发的脉冲跳过的一种简单方法。该电路也提供维持具有可变调制器增益的理想动态性能的方式。这通过防止在低占空比操作中的脉冲跳过改善了电压调节器的调节和稳定性。该电路提供用于防止在低占空比操作下的控制器引发的跳过的一种简单方法。提供这些能力的已有技术方案因为在电路板上增加了用于改善低占空比操作中的调节的器件而增加了电压调节器的BOM成本。

根据本公开实施例的电压调节器和相关电路可具体化为多种不同类型的电子设备和系统，例如计算机、蜂窝电话、个人数字助理以及工业系统和设备。更具体地，一些应用可包括但不局限于，CPU功率调节器、芯片调节器、负载功率点调节器和存储器调节器。图6是一种电子/电气系统600的方框图，该电子/电气系统600包括电子/电气电路/设备602，电子/电气电路/设备602包括结合图1-5描述的电压调节电路604。电子/电气电路/设备602包括用于执行给定系统所需的各种功能的电路，例如在电子系统是计算机系统的情形下执行具体软件以执行特定计算或任务。另外，电子/电气系统600可包括一个或多个输入设备606，例如键盘、鼠标或触摸板，所述输入设备606耦合于电子电路/设备602以使操作者与系统交互。典型地，电子/电气系统600也包括耦合于电子/电气电路/设备602的一个或多个输出设备608，该输出设备一般包括例如LCD显示器的视频显示器。一个或多个数据存储设备610也通常耦合于电子/电气电路/设备602以存储数据或从存储介质检取数据。典型的存储设备610的示例包括磁盘驱动器、磁带盒、紧凑盘只读(CD-ROM)和紧凑盘(CD R/W)存储器以及数字视频盘(DVD)、闪存驱动器等等。

已从本公开中获益的本领域内技术人员将会理解，这种用于防止低占空比操作下的控制器引发的脉冲跳过的系统和方法提供了消除电压调节器中的脉冲跳过的系统和方法。应当理解的是，本文中的附图和详细描述应被认为是解说性而不是限制性的，而且不旨在受限于所公开的特定形式和示例。反之，如所附权利要求所限定地，在不背离本发明的精神和范围的情况下，包括的是对本领域的普通技术人员而言显而易见的任何进一步修改、变化、重新排列、替换、替代物、设计选择以及实施例。因此，旨在使所附权利要求被解释为涵盖所有这些进一步修改、变化、重新排列、替换、替代物、设计选择以及实施例。

Claims

1.一种装置，包括：

电压调节器，用于响应于输入电压和驱动控制信号产生经调节的输出电压；

误差放大器，用于响应于经调节的输出电压和基准电压生成误差电压信号；

PWM调制器，用于响应于误差电压信号、斜坡电压和基准电压的倒数产生PWM控制信号；

所述PWM调制器中的控制电路，用于将施加于所述PWM调制器的误差电压信号维持在基准电压工作范围内的基本上相同的DC电压电平下，并使误差电压信号保持在斜坡电压的最小值之上；以及

驱动器电路，用于响应于PWM控制信号产生驱动控制信号。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括可变增益高通滤波器，所述可变增益高通滤波器以等于基准电压倒数的增益来放大所述误差电压信号。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述可变增益高通滤波器响应于可变增益控制信号。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述可变增益高通滤波器将所述误差电压信号维持在相同的DC电压电平。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述PWM调制器还包括：

锁存电路，用于响应于脉冲输出和第一控制信号而产生PWM控制信号；

第一比较器，用于响应于斜坡电压和误差电压信号的第一输出；

脉冲发生器电路，用于响应于所述第一输出而产生脉冲输出；以及

第二比较器，用于响应于所述误差电压和电流感测信号的结合与第二斜坡信号的比较而产生第一控制信号。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制电路还包括：

乘法器，用于将基准电压的倒数与标称向上斜坡转换速率信号相乘；以及

电流源，所述电流源响应于平衡电流和所述乘法器的输出，在与所述电流源关联的节点处产生第二RAMP信号。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括电流传感器，所述电流传感器用于产生被施加于经调节的输出电压的电流感测信号。

8.一种产生PWM控制信号的方法，包括：

将斜坡电压与误差电压信号比较，并响应于此产生脉冲信号；

响应于电流感测信号修正所述误差电压信号；

响应于所述基准电压的倒数和标称向上斜坡转换速率信号而产生第一电压；

将所述经修正的误差电压信号与所述第一电压比较以产生第一控制信号；以及

响应于所述脉冲信号和第一控制信号而产生PWM控制信号。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述产生第一电压的步骤还包括：

将所述标称向上斜坡转换速率信号与所述基准电压的倒数相乘以产生第二控制信号；以及

响应于所述第二控制信号和电流控制信号控制电流源以产生第一电压。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

将所述PWM控制信号施加于电压调节器；

响应于所述PWM控制信号产生驱动控制信号；

响应于输入电压和驱动控制信号生成经调节的输出电压；以及

响应于所述经调节的输出电压和所述基准电压来产生误差电压信号。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括用等于所述基准电压倒数的增益来放大所述误差电压信号。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述放大还包括响应于可变增益控制信号来放大所述误差电压信号。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：

响应于流过电压调节器的电感器的电流而产生电流感测信号；以及

将所述电流感测信号施加于经调节的输出电压。

14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括将所述误差电压信号维持在基准电压的工作范围内的相同DC电压电平下。

15.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

将所述电流感测信号施加于经调节的输出电压。

16.一种产生用于电压调节器的PWM控制信号的PWM控制器，包括：

第一输入，用于接收误差电压信号；

第二输入，用于接收斜坡电压信号；

第三输入，用于接收倒数基准电压；

输出，用于提供PWM控制信号；

调制器电路，用于响应于误差电压信号、斜坡电压信号和基准电压的倒数产生PWM控制信号；以及

控制电路，用于将施加于所述调制器电路的误差电压信号维持在基准电压工作范围内的基本相同的DC电压电平下，并使所述误差电压信号保持在斜坡电压的最小值之上。

17.如权利要求16所述的PWM控制器，其特征在于，所述调制器电路还包括：

18.如权利要求17所述的PWM控制器，其特征在于，所述控制电路还包括：

19.如权利要求16所述的PWM控制器，其特征在于，所述调制器电路以所述基准电压的倒数为因子减小所述PWM调制器的增益。

20.一种系统，包括：

电压调节器，用于响应于输入电压和驱动控制信号在输出处产生经调节的输出电压；

PWM调制器，所述PWM调制器响应于误差电压信号、斜坡电压和基准电压的倒数产生PWM控制信号；

所述PWM调制器中的控制电路，用于将施加于所述PWM调制器的误差电压信号保持在基准电压工作范围内的基本上相同的DC电压电平下，并使所述误差电压信号保持在斜坡电压的最小值之上；

驱动器电路，用于响应于所述PWM控制信号来产生驱动控制信号；以及

负载，所述负载耦合于所述电压调节器的输出。

21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述负载是从包括处理器、存储器、输入设备、输出设备和存储设备的组中选取的。