CN103001492A - 开关稳压器反馈环路中的模拟乘法器 - Google Patents

Abstract

开关稳压器反馈环路中的模拟乘法器，本发明提供了一种在开关稳压器反馈环路中使用的模拟乘法前馈技术。当稳压器输入电压改变时，使用模拟乘法器可以不必再将误差放大器的输出连接到稳压电路去改变电压，并且使得环路增益与输入电压无关。

Description

开关稳压器反馈环路中的模拟乘法器

技术领域

开关稳压器，像所有的反馈系统，必须适当的“补偿”来确定反馈回路不会振荡。在开关稳压器中补偿是特别困难的，因为电感器和电阻(在LC滤波器网络)通常用来转换开关波形，得到稳定的直流输出电压，从而在反馈回路的前置部分引起大的相移。此外，环路的“增益”通常是直流输入电压的函数。当输入电压在很大的范围内变化时，将导致不稳定问题或低回路响应。

开关稳压器的另一个问题是在输入电压或负载电流突然变化时响应速度慢。稳压器具有高直流增益，这使它能够在输入电压和负载电流具有大的变化时保持良好的稳压输出，但如果这些变化迅速，将会有较大的瞬态输出电压的变化，而反馈回路试图纠正输出误差。整体的慢响应速度是由上述提到的LC滤波器网络的响应时间和AC环路增益需要小于0db(单位)的十分之一或更小的开关频率的要求决定的。100khz的开关频率将需要10khz或以下的单位增益频率。

线性稳压器，于此相反，在几百千赫到几兆赫的范围内，可以具有单位增益频率。它们对线路的波动或负载条件迅速作出响应。然而，线性稳压器将不会起到开关稳压器的作用。

背景技术

为了实现更好的时间与输入波动的响应，现有技术的开关稳压器电路中所使用的被称为“前馈”校正。这些电路的原理是把输出校正信号加到回路的前置部分。这个信号与输入电压成比例，在输出电压端引起一个相等的偏移，这也可以由稳压器输入电压改变而引起。此校正信号具有响应速度快，因为它没有直通整体稳压环路慢“反馈”的一部分。一种完成这个反馈功能的方法是使振荡器的振幅是输入电压的函数。由于这会导致频率与输入电压成反比例变化，振荡器的充电电流也需要一个输入电压函数来保持稳定的开关频率。其它各种方案也被设计插入一个前馈信号。然而，这些前馈信号也有缺点。这些现有方案遇到的问题包括：不精确的补偿，小范围的可允许输入电压，以及开关频率和抖动。

鉴于上述情况，在开关稳压器电路中提供一个反馈输出纠正，以此允许精确的补偿和大的可允许的输入电压范围，在开关频率中不会引起抖动，这是可取的。

发明内容

本发明的一个目的是在开关稳压器电路中提供一种前馈方法，这种方法是精确的并且不限制输入电压或影响开关频率。这和本发明的其它目的都是由一个开关调节器电路完成的，该电路采使用了插入在误差放大器和稳压器占空比调节器之间的模拟乘法器电路。

本发明的技术解决方案

乘法器的输出(V_m)的广义公式是V_m＝X*Y/Z，其中X，Y和Z是乘法器三个输入“端口”。为了在开关稳压器降压模式中实现正确的前置功能，X和Y端口分别连接到误差放大器的输出和一个稳定的基准信号源(电压或电流)，Z端口连接到稳压器的输入电压端。模拟乘法器消除了差分放大器在稳压输入电压改变时输出电压改变的可能性，以及使输入电压环路“增益”独立。

对比文献，

发明专利：开关式稳压器，申请号：200610164198.2；

发明专利：开关稳压器，申请号：201110334671.8。

附图说明

图1是一个开关调节模拟乘法器和单片集成振荡器电路，包括一个单片集成电路开关稳压器的设备，结合了模拟倍频器的前馈方法和本发明的一个示例性实施的比较器组件的框图。

图2是图1开关稳压单片集成电路中的模拟乘法器与比较器的典型实现方式的电路图。

具体实施方式

参照图1，在以一种正降压模式工作的开关稳压器电路102中展示了一个单片集成电路的稳压器的移动设备，开关稳压器设备100与分立元件相连接。例如，虽在图1中未画出，设备100优先地包括了一个或多个终端以及执行各种功能的电路，诸如频率补偿，电流限制，软启动操作和关闭。另外，装置100中包含的各种电路的功能可以被交替使用的分立元件所实现(例如，一个额外的开关或差分放大器可以被使用)。

在图1，设备100的四个终端被示出，包括输入电源的终端(V_in)，一个开关输出的终端(V_sw)，反馈端(FB)和接地端子(GND)。终端V_in提供了输入电压的连接点，并用于将电力提供给装置100的内部电路。终端V_sw是装置100的输出端子。它提供了装置100中开关104和外部组件之间的结点，配置用来使转换的脉冲电流流过开关104到一个稳定的输出电压V_out，作为开关稳压器拓扑结构。端子FB作为一个输入，用于反馈电压，端子GND提供用于把设备100的额外电路连接到额外接地的点。

在稳压器电路102中，装置100通过的端子V_sw，FB和GND连接到外部电阻R1和R2，电容C1，二极管D1和电感L1。如前所述，调节器电路102被放置在典型正降压模式稳压器中来实现。降压型稳压器提供稳定的输出电压V_out，这低于端子V_in的电压。稳压电路102的工作原理如下。

开关104，其特征在于，包括一个由NPN晶体管驱动的达林顿饱和PNP晶体管，频率打开和关闭由振荡器电路106设置。一个开关周期是由工作周期控制逻辑电路109的R/S锁存器电路108中的振荡器设置。为了这个目的，振荡器106提供一个脉冲波形106a到置位输入端S。开关104的开关频率等于波形106a的脉冲频率。除了设置R/S锁存器108，每个脉冲也锁定开关104提供给逆变器109和“与”门110持续的脉冲时间。如果需要的话，这可以限定开关的断开时间。

开关104被传统的比较器电路112断开。比较器电路112，以及占空比控制逻辑电路109，包括占空比调制电路111中的移动设备100。比较电路112重设锁存器108，只需非反相输入端(+)的电压超过由反相输入端(-)的电压所设置的阈值电压。比较器112的非反相输入端被连接到振荡器电路106的第二输出端，它为第二输出口提供了一个与锯齿波形106b同步的脉冲波形106a。波形106b峰-峰幅度V_p。连接到乘法器电路114的输出端(OUT)的比较器112的反相输入端，它为比较器提供了一个阈值信号V_m。

开关“接通”时间到“关”时间(占空比)的比例由比较器112反相输入端的电压V_m决定。当V_m是在靠近振荡器输出波形106b的最低点的电压等级时，占空比(DC)接近零，当V_m接近波形106b的高电压时，占空比接近1.0(100％)。稳压器电路102的输出电压由输入电压和占空比决定，如下：V_out＝(DC)(V_in)。端子V_sw的波形在V_in和零之间切换。在开关104关闭时，它大约等于V_in，在开关104打开时，它大致为零。电感L1和电容C1把此矩形开关波形过滤成一个相对平滑的直流输出电压波形。

为了保持一个恒定的直流输出电压V_out，在设备100中的差分放大器电路116检测到一个与规定的输出电压成比例的电压，它被应用到由电阻R1和R2组成的电阻分压器网络的端子FB上。差分放大器116将该比例的反馈电压与一个稳定的参考电压V1比较。输出电压的任何误差将由差分放大器116放大，并通过乘法器114调整开关104的占空比馈送到比较器112。差分放大器116是一个具有高增益的常规的放大器电路。这种高增益的结果是，调节器的输出将由V1，R1和R2确定为一个精确值。设备100中网络a和b是传统的电阻器和电容器组合而成的，用来降低差分放大器的增益，在更高的频率中，以确保一个稳定的反馈回路。

反馈环路调节电路102的数学分析表明，比较器112的反相输入端的电压等于：

V_p是斜坡振荡器输出波形106b的峰-峰电压。如果V_in从一个低电压值(V1)到一个高电压值(V_h)，V_m该变量必须等于：。

在不需要乘法器电路114的情况下，差分放大器116将调整V_m到所需的值，以保持一个恒定的输出，但是，因为差分放大器在高频时被网络a和b“减缓”，这纠正行动需要相当长的时间。在这段时间内，调节器输出的偏量可以从相对大的量到一个预定值。

当稳压器输入电压改变时，乘法器114的功能是消除差分放大器的输出来改变电压。乘法器(V_m)的输出与相等，由于所需的相等，然后一个简单的代数的操纵表明。

需要注意的是，现在所需的V_n独立于输入电压V_in。输入电压的变化由乘法器114转换成值V_m，可以保持一个恒定的输出电压值V_m。这个乘法器前馈技术的速度和准确性超过任何输入电压范围。这不影响开关频率。

该乘法器执行第二功能，它使环路“增益”独立于输入电压。V_out与V_p，V_m和V_in关系为。

V_m到V_out的“增益”通过区别V_m来表达：

这表明，在没有乘法器的传统电路中，环路增益直接正比于输入电压。频率补偿网必须设计以确保在最高电压时V_in的环路稳定性，并因此被“过度设计”为低电压。这使得环路很慢，加剧了在低输入电压的瞬态响应问题。

添加乘法器引入一个增益项，可以取消V_m到V_out增益变化，在下面一系列方程中表示，

正如可以看到的，环路增益目前独立于输入电压。

开关稳压电路的其他拓扑结构使用模拟乘法器前馈技术可以容易地实现。它可能需要在其他拓扑结构中使用不同的输入到乘法器。例如，这是优先选择的，在一个正到负转换器(或者负到正的转换器)中，在“Z”的乘法器的输入等于V_in+V_out，，而不是V_in。这是很容易完成的一个求和网络。

作为本技术领域中的一项技术，在所有的开关稳压器的瞬态和闭环增益的问题中，本发明的乘法器技术提供了一种通用的解决方案。

图2示意出模拟乘法器在双极集成电路器件中的一个优先电路。乘法器114在图2中，作为单象限(所有的输入和输出都是正)电流基乘法器电路。其他常规设计的基于电流或电压的(一般在图1中显示出)模拟乘法器电路可能在乘法器114中实现。

晶体管Q1作为乘法器核心通过Q4运作。“X”输入到乘法器V_a(差分放大器116的输出端)，其产生的电流通过V_a/R1中的电阻R1。为了电路2操作中的讨论，三极管基极电流和基极-发射极电压降被忽略。

“Y”输入是一个基准电流I1。电流源202传递电流I1到镜像电流Q5/Q6，通过三极管Q2的电流等于I1。“Z”输入是V_in(从终端设备100传到V_in端)。V_in通过电阻器R2和镜像电流Q7/Q8被馈送使三极管Q3的电流等于V_in/R2。

乘法器114的输出是三极管中的电流Q4。电流被计算为：。

振荡器的电压波形106b被馈送到输入电阻R3，可以传导电流到三极管Q4和Q10。从这个信号中减去三极管Q4的电流，以设置三极管Q10的基极电压。三极管Q10包括比较器112。三极管Q10集电极电压输出近似方波的占空比(DC)约等于：。电流源204为三极管Q2和Q3提供一个基极电流I2。偏置电压从应用在端子V_in的输入电压应用到整体乘法器电路。三极管Q11作为电流放大器隔离来自三极管Q1的偏置电流。

这样已经描述了用在开关稳压器电路中的模拟乘法器前馈技术。对本领域技术有理解的人可以认识到本发明可用与本文所述不同的方案实现，本文所述方案是说明性的而不具有限制性，本发明仅受到以上所描述的权力要求限制。

Claims (9)

1.一种开关稳压器反馈环路中的模拟乘法器，即开关稳压器反馈回路的集成电路，开关稳压器电路包括一个与驱动开关稳压器电路输入电压源相连的输入端，一个电流转换装置，一个用来控制电流转换装置1和截止开关频率的振荡器装置，并且还包括反馈回路中的差分放大器装置，集成电路包括：用来提供一个信号控制电流转换装置断开开关占空比的模拟乘法装置，该信号具有一个立即变化的幅度与来自差分放大端的差分信号幅度除以开关电压调节器电路输入电压幅度成比例。

2.根据权利要求1所述的开关稳压器反馈环路中的模拟乘法器，其特征是：所述的模拟乘法器装置包括一个用参考值乘以差分信号以及用输入电压除以参考值和差分信号的乘积的电路。

3.根据权利要求2所述的开关稳压器反馈环路中的模拟乘法器，其特征是：所述的参考值包括一个由模拟乘法器电路进行传输的参考电流的幅度。

4.根据权利要求3所述的开关稳压器反馈环路中的模拟乘法器，其特征是：所述的开关稳压器电路包括一个由基极耦合在振荡器端口的三极管和模拟乘法电路组成的比较器电路，比较器电路的三极管，振荡器端口和模拟乘法器电路耦合到一个公共电路结点。

5.根据权利要求4所述的开关稳压器反馈环路中的模拟乘法器，其特征是：所述的振荡器装置中的参考信号包括一个耦合到公共电路结点的斜坡电压信号，从斜坡电压信号中减去模拟乘法电路以设置比较器电路中三极管的基极电压。

6.根据权利要求5所述的开关稳压器反馈环路中的模拟乘法器，其特征是：反馈电路中的模拟乘法器在开关电压调节器电路中使用的一个集成电路，开关电压调节器电路具有一个输入端，与输入电压源相连接，在稳压器输出端子提供一个稳定的输出电压，集成电路包括：

一个控制端；

一个开关三极管；

一个接收来自集成电路输入电压的输入端；

一个用来接收开关电压稳压器电路的反馈信号，在差分放大器输出端提供一个差分信号，该差分信号表明了与参考值相关的反馈信号的变化；控制装置的端子与差分放大器输出端和开关三极管相连接，来改变与差分信号相关的开关三极管开和关占空比，控制装置包括一个能够成反比例改变开关占空比的反馈补偿电路，并且可以立即响应开关稳压电路输入电压的变化，反馈补偿电路包括：

一个用来控制开关三极管占空比的控制信号，耦合到集成电路差分放大输出端的第一输入端和第二输入端，模拟乘法器电路在输出端提供一个控制信号，该控制信号与集成电路输入电压提供的差分放大器输出端的差分信号成实质性的比例。

7.根据权利要求6所述的开关稳压器反馈环路中的模拟乘法器，其特征是：所述第一输入端包括一个三极管，其基极耦合到差分放大器输出极，这样三极管的集电极-发射极电路向差分放大器输出端传递与电压信号成比例的电流；所述第二输入端包括一个端子，耦合到集成电路的输入端，另一端连接到镜像电流电路的电阻上。

8.根据权利要求7所述的开关稳压器反馈环路中的模拟乘法器，其特征是：镜像电流电路耦合到三极管基极，三极管集电极包括模拟乘法器电路的输出级。

9.根据权利要求8所述的开关稳压器反馈环路中的模拟乘法器，其特征是：一个用来在开关稳压器电路反馈回路中提供前馈补偿的方法，反馈回路包括一个差分放大器装置，用来提供一个放大的差分信号以调节开关稳压器的占空比，方法包括如下步骤：

用开关稳压器电路的输入电压除以放大器的差分信号来提供一个信号，用于反向地改变开关的占空比以对开关稳压器电路的输入电压的变化作出瞬时响应，从而使开关稳压器电路能够保持基本恒定的输出电压，而不需要改变差分放大器装置输出的差分信号对开关稳压器电路输入电压的变化作出响应，并由此获得的反馈环路是独立的开关稳压器电路的输入电压。

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