CN103580480A - 直流对直流控制器与转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流对直流控制器与转换器。直流对直流转换器包括直流对直流控制器以及输出级电路。直流对直流控制器包括误差放大器、比较器、固定导通时间计算电路以及锯齿波产生器。误差放大器接收第一参考电压与反馈信号，并据以产生误差信号。比较器比较锯齿波信号与误差信号，并产生触发信号。固定导通时间计算电路接收并根据触发信号以产生脉冲宽度调制信号至输出级电路，并且提供最小导通时间信号。锯齿波产生器接收最小导通时间信号并据以产生锯齿波信号，其中锯齿波信号的振幅与输出级电路的输入电压或输出电压无比例关系。

Description

直流对直流控制器与转换器

技术领域

本发明是有关于一种电源控制技术，且特别是有关于一种基于固定导通时间(constant on time，简称COT)架构的直流对直流控制器与转换器。

背景技术

图1是现有技术中的直流对直流转换器的电路示意图。现有技术中的直流对直流转换器100包括直流对直流控制器110与输出级电路120。直流对直流控制器110包括误差放大器112、比较器114、脉冲宽度调制电路116以及锯齿波产生器118。误差放大器112根据参考电压Vref与反馈信号Vfb产生误差信号Verr。比较器114比较锯齿波信号Sramp与误差信号Verr，并产生触发信号Str。脉冲宽度调制电路116根据触发信号Str的驱动来产生脉冲宽度调制信号Spwm。锯齿波产生器118根据脉冲宽度调制信号Spwm、输入电压Vin与输出电压Vout来产生锯齿波信号Sramp。

在现有技术中，锯齿波信号Sramp与输入电压Vin和/或输出电压Vout成一比例关系，如图2所示出。请参看图2。图2是输入电压Vin在不同电位与锯齿波信号Sramp、误差信号Verr和脉冲宽度调制信号Spwm的关系示意图。在较高电位的输入电压Vin时，锯齿波信号Sramp的波形如波形210，而在较低电位的输入电压Vin时，锯齿波信号Sramp的波形如波形220。锯齿波信号Sramp与误差信号Verr之间的夹角会随着输入电压Vin的电位改变而不同。输入电压Vin在较高与较低电位时的夹角分别为θ1与θ2。

一般而言，锯齿波信号Sramp与误差信号Verr之间的夹角若足够大时，可以避免噪声干扰，于是可以提高直流对直流转换器的信噪比(signalto noise ratio，简称SNR)。由于在较低电位的输入电压时，夹角θ2变小，也就是θ2＜θ1。尽管夹角有利于抑制噪声，但在较低电位的输入电压时却有较差的信噪比。因此，需要一个具有改良的直流对直流转换器与转换器。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种直流对直流控制器与转换器，藉以解决现有技术所述及的问题。

本发明提供一种直流对直流控制器，可耦接至输出级电路。直流对直流控制器包括误差放大器、比较器、固定导通时间计算电路以及锯齿波产生器。误差放大器接收第一参考电压与反馈信号，并据以产生误差信号，其中反馈信号关联于输出级电路的输出电压。比较器耦接误差放大器，比较锯齿波信号与误差信号，并产生触发信号。固定导通时间计算电路耦接比较器，接收并根据触发信号以产生脉冲宽度调制信号至输出级电路，并且提供最小导通时间信号。锯齿波产生器耦接比较器与固定导通时间计算电路，接收最小导通时间信号并据以产生锯齿波信号，其中锯齿波信号的振幅与输出级电路的输入电压或输出电压无比例关系。

在本发明的一实施例中，锯齿波产生器包括放大器、第一开关、第二开关、电流源以及电容。放大器的输入端接收第二参考电压，其另一输入端接收来自其输出端的第一信号。第一开关具有第一端、第二端与第一控制端，第一端耦接放大器的输出端，第一控制端接收最小导通时间信号。第二开关具有第三端、第四端与第二控制端，第三端耦接第二端，第二控制端接收控制信号，其中控制信号为最小导通时间信号的反相信号。电流源耦接在第四端与接地端之间。电容耦接在第二端与接地端之间。其中从第一开关、第二开关与电容的耦接之处提供锯齿波信号。

在本发明的一实施例中，锯齿波信号在由上升沿转成下降沿前的波形被截平而维持预设时间，且被截平的波形与第二参考电压有关联。

在本发明的一实施例中，预设时间的大小与最小导通时间信号有关联。

在本发明的一实施例中，锯齿波信号的振幅与第二参考电压有关联。

在本发明的一实施例中，锯齿波信号的下降斜率与第一开关和第二开关的操作频率有关联。

在本发明的一实施例中，直流对直流控制器还包括补偿电路。补偿电路耦接在误差放大器的输出端与接地端之间，用以补偿误差信号。

在本发明的一实施例中，当直流对直流控制器的各部件配置在集成电路时，此集成电路不具有输入电压与输出电压的连接端子。

从另一观点来看，本发明提供一种直流对直流转换器，它包括误差放大器、比较器、固定导通时间计算电路、锯齿波产生器以及输出级电路。误差放大器接收第一参考电压与反馈信号，并据以产生误差信号。比较器耦接误差放大器，比较锯齿波信号与所述误差信号，并产生触发信号。固定导通时间计算电路耦接比较器，接收触发信号以产生脉冲宽度调制信号，并且提供最小导通时间信号。锯齿波产生器耦接比较器与固定导通时间计算电路，接收最小导通时间信号并据以产生锯齿波信号。输出级电路耦接固定导通时间计算电路，接收脉冲宽度调制信号，并将输入电压转换为输出电压。其中反馈信号关联于输出电压，但是锯齿波信号的振幅与输出级电路的输入电压或输出电压无比例关系。

基于上述，本发明的锯齿波信号不随着输入电压和输出电压成比例变化，使得误差信号与锯齿波信号的夹角不会随输入电压或输出电压而变，因此可以维持在任何输入电压或输出电压下较高的信噪比。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所示附图作详细说明如下。

附图说明

下面的所示附图是本发明的说明书的一部分，示出了本发明的示例实施例，所示附图与说明书的描述一起说明本发明的原理。

图1是现有技术中的直流对直流转换器的电路示意图；

图2是输入电压在不同电位与锯齿波信号、误差信号和脉冲宽度调制信号的关系示意图；

图3是本发明一实施例的直流对直流转换器的电路示意图；

图4是图3的锯齿波产生器的电路示意图；

图5A至图5D为图4的锯齿波产生器的脉冲宽度调制信号与相关信号的波形示意图。

附图标记说明：

100：现有技术中的直流对直流转换器；

110、310：直流对直流控制器；

112、312：误差放大器；

114、314：比较器；

116：脉冲宽度调制电路；

118、400：锯齿波产生器；

120、320：输出级电路；

210、220、510、520、530：波形；

300：直流对直流转换器；

302、330：补偿电路；

316：固定导通时间计算电路；

324、326：开关；

328：电感；

340：反馈电路；

410：放大器；

420：第一开关；

430：第二开关；

440：电流源；

450：电容；

COMP：误差信号；

FB、Vfb：反馈信号；

GND：接地端；

ISX：控制信号；

REF：第一参考电压；

REF2：第二参考电压；

Spwm、SPWM：脉冲宽度调制信号；

Sramp、SRAMP：锯齿波信号；

Str、STR：触发信号；

SX：最小导通时间信号；

S1：第一信号；

Verr：误差信号；

Vin：输入电压；

Vout：输出电压；

Vref：参考电压；

θ1～θ5：夹角。

具体实施方式

现将详细参考本发明的实施例，并在附图中说明所述实施例的实例。另外，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件代表相同或类似部分。

图3是本发明一实施例的直流对直流转换器的电路示意图。请参阅图3。直流对直流转换器(DC-DC converter)300包括直流对直流控制器(DC-DC controller)310与输出级电路(output stage circuit)320。直流对直流控制器310包括误差放大器312、比较器314、固定导通时间计算电路316以及锯齿波产生器400。比较器314耦接误差放大器312。固定导通时间计算电路316耦接比较器314。锯齿波产生器400耦接比较器314与固定导通时间计算电路316。

误差放大器312接收第一参考电压REF与反馈信号FB，并据以产生误差信号COMP，其中反馈信号FB可关联于输出级电路320的输出电压Vout而有固定的比例关系。比较器314比较锯齿波信号SRAMP与误差信号COMP，并产生触发信号STR来驱动固定导通时间计算电路316。固定导通时间计算电路316接收并根据触发信号STR来产生脉冲宽度调制信号SPWM至输出级电路320。固定导通时间计算电路316并提供最小导通时间信号SX至锯齿波产生器400。此最小导通时间信号SX也用于产生脉冲宽度调制信号SPWM，可以确保当脉冲宽度调制信号SPWM被启用时，切换操作不会低于最小导通时间。锯齿波产生器400接收最小导通时间信号SX并据以产生锯齿波信号SRAMP。

值得注意的是，锯齿波信号SRAMP的产生方式并没有与输出级电路320的输入电压Vin或输出电压Vout有关联，而是与最小导通时间信号SX有关联。

另外，直流对直流控制器310可以包括补偿电路302。补偿电路302耦接在误差放大器312的输出端与接地端GND之间，用以补偿误差信号COMP。输出级电路320包括控制单元322、两个开关324与326以及电感328。控制单元322接收脉冲宽度调制信号SPWM并据以驱动开关324、326。输出级电路320用以将输入电压Vin转换为输出电压Vout。

在本实施例中，直流对直流转换器300还可以包括补偿电路330以及反馈电路340。补偿电路330耦接在输出级电路320的输出端与接地端GND之间，用以补偿输出电压Vout。反馈电路340可以是多个电阻组成的电路，根据分压原理来提供反馈信号FB，而且反馈信号FB的大小可以比例于输出电压Vout。

图4是图3的锯齿波产生器的电路示意图。请参阅图4。锯齿波产生器400包括放大器410、第一开关420、第二开关430、电流源440以及电容450。放大器410的正相输入端接收第二参考电压REF2，其反相输入端接收来自其输出端的第一信号S1。

值得注意的是，第二参考电压REF2为任意电压值，并且第二参考电压REF2与图3所示的输入电压Vin或输出电压Vout无比例关系。在又一实施例中，第二参考电压REF2可以为1V，然而本发明并不以此为限。另一方面，电流源440可以为固定电流值，而且电流源440与图3所示的输入电压Vin或输出电压Vout无比例关系。

在本实施例中，第一开关420、第二开关430利用晶体管来实施，然而本发明并不以此为限。第一开关420的第一端耦接放大器410的输出端。第二开关430的第一端耦接第一开关420的第二端。第一开关420的控制端接收最小导通时间信号SX，而第二开关430的控制端接收控制信号ISX，其中控制信号ISX为最小导通时间信号SX的反相信号。第一开关420的导通状态受控于最小导通时间信号SX，而第二开关430的导通状态受控于控制信号ISX，因此调整最小导通时间信号SX相当于调整第一开关420和第二开关430的操作频率。电流源440耦接在第二开关430的第二端与接地端GND之间。电容450耦接在第一开关420的第二端与接地端GND之间。其中从第一开关420、第二开关430与电容450的耦接之处提供锯齿波信号SRAMP。

图5A至图5D为图4的锯齿波产生器400的脉冲宽度调制信号与相关信号的波形示意图。

请参阅图5A、图5B和图5C。请合并参阅图4、图5A、图5B和图5C。在第一实施例中，锯齿波信号SRAMP的产生方式与最小导通时间信号SX的上升沿有关。在图5A中，锯齿波信号SRAMP的波形被第二参考电压REF2控制而有部分波形被截平，锯齿波信号SRAMP的波形510与误差信号COMP产生夹角θ3。而在图5B中，第二参考电压REF2未控制到锯齿波信号SRAMP，使得锯齿波信号SRAMP的波形520为完整的锯齿波，且锯齿波信号SRAMP与误差信号COMP产生夹角θ4。从图5A和图5B的实施例可知，锯齿波信号SRAMP的振幅设计与第二参考电压REF2有关联，并且锯齿波信号SRAMP的振幅皆保持在某一固定值，因为锯齿波信号SRAMP的产生方式不会随着输入电压Vin和/或输出电压Vout(参见图3)成比例变化，也使得误差信号COMP与锯齿波信号SRAMP的夹角θ3或夹角θ4不会随着输入电压Vin或输出电压Vout而变，因此可以维持在任何输入电压Vin或输出电压Vout下较高的信噪比(SNR)。

再者，从图5C的波形可以看出夹角θ3＞θ4，也就是说，波形510在由上升沿转成下降沿前的波形被截平而维持一段预设时间，波形510的夹角θ3相较于波形520的夹角θ4会较有利于抑制更多噪声。

如图5D所示的第二种实施例。锯齿波信号SRAMP的产生方式可以与最小导通时间信号SX的下降沿有关。锯齿波信号SRAMP的波形530与误差信号COMP可以产生夹角θ5。这种根据最小导通时间信号SX的下降沿来触发并产生锯齿波信号SRAMP的方式与使用上升沿的触发原理类似，在此不加以赘述。

请同时参阅图4和图5A。锯齿波信号SRAMP的波形被第二参考电压REF2部分截平，而被截平的波形可以维持一段预设时间。此预设时间的大小关联于最小导通时间信号SX的脉冲宽度，因为最小导通时间信号SX的脉冲宽度会影响到第一开关420和第二开关430的动作。举例来说，当第一开关420由导通变成关闭，而第二开关430由关闭变成导通时，电容450开始放电，同时地锯齿波信号SRAMP的波形由截平转成下降沿。

值得注意的是，上述实施例中的直流对直流控制器的各部件可以配置在集成电路(integrated circuit，简称IC)上。此集成电路可以不具有输入电压与输出电压的连接端子(或称为引脚)，从而节省两个端子的使用。因为本发明使用了最小导通时间信号来产生锯齿波信号，并且最小导通时间信号与输入电压和输出电压无比例关系，仍然可以达到和现有技术电路中抑制噪声效果，并且可以同时大幅减少集成电路的面积。另外，由于不需额外的端子即可实现与输入电压和输出电压比例无关系的锯齿波，而且所节省的集成电路的端子可以用来定义为其他功能端子。再者，锯齿波信号的振幅与第二参考电压的调整有关联，而锯齿波信号的下降斜率可随着最小导通时间信号被调整，从而可以调整成更适合的夹角，由此提高信噪比。

综上所述，本发明的直流对直流控制器与转换器采用了锯齿波信号不随着输入电压和/或输出电压成比例变化，使得误差信号与锯齿波信号的夹角不会随输入电压或输出电压而变，因此可以维持在任何输入电压或输出电压下较高的信噪比。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (15)

1.一种直流对直流控制器，耦接一输出级电路，其特征在于，所述直流对直流控制器包括：

一误差放大器，接收一第一参考电压与一反馈信号，并据以产生一误差信号，其中所述反馈信号关联于所述输出级电路的一输出电压；

一比较器，耦接所述误差放大器，比较一锯齿波信号与所述误差信号，并产生一触发信号；

一固定导通时间计算电路，耦接所述比较器，接收并根据所述触发信号以产生一脉冲宽度调制信号至所述输出级电路，并且提供一最小导通时间信号；以及

一锯齿波产生器，耦接所述比较器与所述固定导通时间计算电路，接收所述最小导通时间信号并据以产生所述锯齿波信号，其中所述锯齿波信号的振幅与所述输出级电路的一输入电压或所述输出电压无比例关系。

2.根据权利要求1所述的直流对直流控制器，其特征在于，所述锯齿波产生器包括：

一放大器，其一输入端接收一第二参考电压，其另一输入端接收来自其输出端的一第一信号；

一第一开关，具有一第一端、一第二端与一第一控制端，所述第一端耦接所述放大器的输出端，所述第一控制端接收所述最小导通时间信号；

一第二开关，具有一第三端、一第四端与一第二控制端，所述第三端耦接所述第二端，所述第二控制端接收一控制信号，其中所述控制信号为所述最小导通时间信号的反相信号；

一电流源，耦接在所述第四端与一接地端之间；以及

一电容，耦接在所述第二端与所述接地端之间；

其中从所述第一开关、所述第二开关与所述电容的耦接之处提供所述锯齿波信号。

3.根据权利要求2所述的直流对直流控制器，其特征在于，所述锯齿波信号在由上升沿转成下降沿前的波形被截平而维持一预设时间，且被截平的波形与所述第二参考电压有关联。

4.根据权利要求3所述的直流对直流控制器，其特征在于，所述预设时间的大小与所述最小导通时间信号有关联。

5.根据权利要求2所述的直流对直流控制器，其特征在于，所述锯齿波信号的振幅与所述第二参考电压有关联。

6.根据权利要求2所述的直流对直流控制器，其特征在于，所述锯齿波信号的下降斜率与所述第一开关和所述第二开关的操作频率有关联。

7.根据权利要求1所述的直流对直流控制器，其特征在于，还包括：

一补偿电路，耦接在所述误差放大器的输出端与一接地端之间，用以补偿所述误差信号。

8.根据权利要求1所述的直流对直流控制器，其特征在于，当所述直流对直流控制器的各部件配置在一集成电路时，所述集成电路不具有所述输入电压与所述输出电压的连接端子。

9.一种直流对直流转换器，其特征在于，包括：

一误差放大器，接收一第一参考电压与一反馈信号，并据以产生一误差信号；

一比较器，耦接所述误差放大器，比较一锯齿波信号与所述误差信号，并产生一触发信号；

一固定导通时间计算电路，耦接所述比较器，接收所述触发信号以产生一脉冲宽度调制信号，并且提供一最小导通时间信号；

一锯齿波产生器，耦接所述比较器与所述固定导通时间计算电路，接收所述最小导通时间信号并据以产生所述锯齿波信号；以及

一输出级电路，耦接所述固定导通时间计算电路，接收所述脉冲宽度调制信号，并将一输入电压转换为一输出电压；

其中所述反馈信号关联于所述输出电压，但是所述锯齿波信号的振幅与所述输出级电路的所述输入电压或所述输出电压无比例关系。

10.根据权利要求9所述的直流对直流转换器，其特征在于，所述锯齿波产生器包括：

一放大器，其一输入端接收一第二参考电压，其另一输入端接收来自其输出端的一第一信号；

一第一开关，具有一第一端、一第二端与一第一控制端，所述第一端耦接所述放大器的输出端，所述第一控制端接收所述最小导通时间信号；

一第二开关，具有一第三端、一第四端与一第二控制端，所述第三端耦接所述第二端，所述第二控制端接收一控制信号，其中所述控制信号为所述最小导通时间信号的反相信号；

一电流源，耦接在所述第四端与一接地端之间；以及

一电容，耦接在所述第二端与所述接地端之间；

其中从所述第一开关、所述第二开关与所述电容的耦接之处提供所述锯齿波信号。

11.根据权利要求10所述的直流对直流转换器，其特征在于，所述锯齿波信号在由上升沿转成下降沿前的波形被截平而维持一预设时间，且被截平的波形与所述第二参考电压有关联。

12.根据权利要求11所述的直流对直流转换器，其特征在于，所述预设时间的大小与所述最小导通时间信号有关联。

13.根据权利要求10所述的直流对直流转换器，其特征在于，所述锯齿波信号的振幅与所述第二参考电压有关联。

14.根据权利要求10所述的直流对直流转换器，其特征在于，所述锯齿波信号的下降斜率与所述第一开关和所述第二开关的操作频率有关联。

15.根据权利要求9所述的直流对直流转换器，其特征在于，还包括：

一补偿电路，耦接在所述误差放大器的输出端与一接地端之间，用以补偿所述误差信号。

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