CN103616918A - 一种实现非对称反馈放大的开关稳压器 - Google Patents

Abstract

一种实现非对称反馈放大的开关稳压器，开关稳压器网络开放地接收一个输入电压并提供一个稳定的恒定输出电源电压。该稳压器包括一个脉冲宽度调制的开关电路，该电路响应于一个反馈误差信号以调节输出电压。一个跨导误差放大器产生一个误差反馈信号，该信号与参考输入电压和输出电压之间的差值成比例。输出电源电压的过冲通过加入跨导误差放大器提供了比正转换率电流更高的负转换率电流。这样做就不必使用额外的引脚或者集成电路中的部分。

Description

一种实现非对称反馈放大的开关稳压器

技术领域：

本发明涉及一般的开关稳压器，更特别的是，本发明中开关稳压器使用不对称的反馈放大电路，并且提供一种操作方法。

背景技术：

广泛的三端线性稳压器集成电路，可提供恒定的电源电压以调节线路和负载的变化。众所周知，这样的稳压器是低效的，而且具有线性稳压器电路，它不可能得到比输入电压更高的输出电压。

集成电路开关稳压器已经可以实现。这种稳压器采用脉冲宽度调制的开关电路，其中的调节是通过一个有源反馈网络采样输出电压，并产生一个电压以控制调节切换器的脉冲宽度。开关稳压器可以获得高于输入电压的输出电压，并且该电压是高效的。

有源反馈电路所在的开关稳压器中遇到的问题是，在提供输入电源或短路被删除时他们受到输出电压的制约。这是由典型的反馈网络的响应速度慢造成的。响应速度慢是必要的，以确保稳压器不振荡。

已经有一些解决方案以防止或减少输出电压过冲。这些解决方案通常是不令人满意的，因为它们需要额外的元件，并且不在所有的条件下都工作，或者需要额外的管脚被添加到集成电路中。

发明内容：

本发明的一个目的是提供一种改进的开关稳压器和一种操作方法。

本发明的另一个目的是为开关稳压器提供一种改进的反馈误差放大器。

本发明的再一个目的是为开关稳压器提供一个反馈放大器，并且具有不对称的转换率。

本发明的再一个目的是提供一种开关稳压器，其中过冲被最小化，并且可以在所有条件下工作，这样导致过冲不需要集成电路中的额外引脚或者额外的部件。

本发明的技术解决方案：

本发明的上述内容和其它目的通过一个开关稳压器实现，它接收一个输入电压，并提供一个稳定的输出电压。该稳压器包括一个脉冲宽度调制的开关电路，该电路响应于一个反馈误差信号以调节输出电压。一个跨导误差放大器对输出电压进行采样，将其与参考电压进行比较，并提供误差反馈信号。跨导放大器的装置包括提供一个比正的压摆率更高的负压摆率，以尽量减少过冲。

对比专利文献：CN202854636U新型稳压器201220571447.0

附图说明：

根据下面的附图和详细的描述，本发明的目的和特点将得到更充分的体现，其中：

图1为根据时间变化的输出电压函数，此时输入功率被提供或者输出短路被剔除；

图2为一个开关稳压器的示意性框图；

图3为根据本发明得到的一个优选的非对称跨导误差放大器示意图；

图4为非对称的跨导误差放大器的另一个实例示意图；

图5为非对称的跨导误差放大器的另一个不同的实例示意图。

具体实施方式：

图1示出了传统的开关稳压器升高后，作为时间的函数的输出电压。可以看出，输出电压以基本上恒定的速率斜升。然而，输出电压过冲调节输出电压。反馈电压控制开关稳压器使得过电压斜坡回落。

图2示出了一个开关稳压器，它包括一个开关网络11，转变输入的直流电压，以形成矩形波，它能够适当地过滤，以提供输出电压。通过调制或控制响应于在端子12的输入反馈误差信号的矩形波的脉冲宽度来调节输出电压的振幅。通过采样电阻器13和14两端的输出电压，并且应用的采样输出作为误差放大器16的一个输入，以产生反馈信号。它的另一个输入是一个参考电压。误差放大器是优选的一个跨导型放大器，它的小信号输出电压Vout由(Gm)(Zload)(Vin)给出，其中(Zload)是外部元件Cc和Rc的阻抗。过驱动时，放大器的压摆率限制条件（恒定输出电流）在Cc上的电压随时间线性增加。误差放大器16的控制电压Vout在端子12上。

如上所述，开关稳压器一般在启动时或在输出短路除去后的过冲下运作。为产生过冲的数学模型，进行了以下假设。输出压摆率由稳压器的输出电流和输出电容限制，dVout/dt=Ilim/Cout。因此，斜坡上升时间(T)为(Cout)(Vout)/(Ilim)。在这段时间内，误差放大器的输出将在正摆限制(SR+)，并且实现电容器Cc的电压值等于(SR+)(T)。在过冲时间(ΔT)内，误差放大器的输出必须摆负，直到它降低开关输出电流为零。因此，ΔT等于(SR+)(T)/(SR-)。过冲电压可从过冲的时间和稳压器的输出压摆率得出，可以发现：

$\mathrm{\ΔV}=\mathrm{\ΔT}\·\mathrm{dVout}/\mathrm{dt}=\frac{(\mathrm{SR}+)\left(T\right)}{\mathrm{SR}-}\frac{\mathrm{dVout}}{\mathrm{dt}}$

$=(\mathrm{SR}+)/(\mathrm{SR}-)[\left(\mathrm{Cout}\right)\left(\mathrm{Vout}\right)/\left(\mathrm{Ilim}\right)](\mathrm{Ilim}/\mathrm{Cout})$

ΔV=(SR+)/(SR-)(Vout)

这个方程推导的假设对于开关稳压器范围广泛的应用是合理正确的，它使用了跨导型误差放大器的频率补偿网络，该网络包括一个从输出到地的电容器。它表明，第一个近似值，过冲电压是独立于用户控制参数的，如Ilim,Cout和放大器的压摆率——在正摆率和负摆率是相等的假设下，因为它们通常是相等的。这也表明，输出电压过冲是一个很现实的问题。这与实际输出电压的振幅相等。

在许多情况下，一个电阻器（Rc）与误差放大器补偿电容器（Cc）串联使用，以形成一个“零”循环。这样做是为了改善闭环系统的相补角。有电阻器的过冲电压计算公式是：

$\mathrm{\ΔV}=\frac{I_{\lim }}{\mathrm{Cout}(\mathrm{SR}-)}[(\mathrm{SR}+)\left(\mathrm{Cout}\right)\left(\mathrm{Vout}\right)/\left(\mathrm{Ilim}\right)-(I-)\left(\mathrm{Rc}\right)]$

I-为误差放大器的输出电流负摆率

这个方程表明，过冲可通过使方括号中的第二项和第一项一样大被减少或消除。在实际应用中，出于环路稳定性的考虑，Rc的值被限制，所以在正压摆率或误差放大器的跨导不增加的情况下，这样增加负摆电流（I-）是可取的。

本发明提供一个误差放大器和增加负摆率的方法，该方法相对于正压摆率而言，以消除额外的外部部件的需求，或在集成电路上的额外的引脚。根据本发明，压摆率和跨导型误差放大器的跨导之间的基本关系被修改。具体而言，正和负摆率不相等，小信号跨导主要取决于较低的压摆率电流。这个方法是产生一个误差放大器，其在一个方向上的压摆率远远高于通常会发生的特定的小信号跨导。

参照图3，Q1通过Q6构成一个典型的IC跨导误差放大器。Q3和Q4是横向PNP晶体管，其1/2的集电极连接到基座，给它们的电流增益为1。在以往的设计中，Q1/Q2的发射极面积比和Q5/Q6是相等的，并且R1将是很短的。一个传统的设计，存在下面的关系式：

Gm为小信号跨导

Gm=IE/(2KT/q)

Ihd E=Q1/Q2发射极电流源

K为玻尔兹曼常数

T为绝对温度开尔文

q为电子电荷

输出压摆率为SR=IE/Cc

放大器（GBW）的增益带宽积为：

GBW=Gm/2πCc=IE/(4KT·π·Cc/q)

为了减少使用误差放大器的稳压器的过冲，在不会较多改变正压摆率的条件下，通过提高负压摆率的比例增益带宽是必要的。这假定了在过冲期间，放大器将在负摆状态。

请注意，为常规的设计，压摆率增益带宽的比率是：

$\frac{\mathrm{SR}}{\mathrm{GBW}}\frac{\frac{I_E}{C_C}}{\frac{I_E}{4\mathrm{KT}\·\mathrm{\π}\·C_C/q}}=4\·\mathrm{KT}/q\·\mathrm{\π}$

这个等式表明，压摆率增益带宽比是对于常规的跨导放大器的一个固定常数。

为了实现压摆率的增加比例，仅在一个方向上的增益带宽，R1被添加到基本电路。通用计算公式为：

$\mathrm{Gm}=\frac{I_e}{(2\mathrm{KT}/q)}[2m(m+1+m\ln m)/{(m+1)}^2]$

“m”是超然关系（m+1）（ln m）=I_ER₁/KT/q

负摆率的新公式为：

$\mathrm{SR}(-)=\frac{I_E{e}^{\frac{I_E\·R_1}{\mathrm{KT}/q}}}{\mathrm{Cc}}$

新的压摆率与增益带宽比为

$\mathrm{SR}(-)/\mathrm{GBW}=\frac{4\·\mathrm{KT}/q\·\mathrm{\π}\left(e^{\frac{I_E\·R_1}{\mathrm{KT}/q}}\right)}{\frac{2m(m+1+m\left(\ln m\right)}{{(m+1)}^2}}$

请注意，现在这个比例可以被I_ER₁所操纵。如果我们让I_ER₁等于54mV，m为2。将这些值转换为公式计算：

SR(-)/GBW=4KT/qπ(4.1)

这是一个4:1的压摆率改善为相同的增益带宽。实现了显著的过冲的减少，但是，负摆率与正摆率的比必须很高。正的压摆率是不受R1影响的，负摆率与正摆率的比是：

$\mathrm{SR}(-)/\mathrm{SR}(+)=e^{\frac{I_E\·R_1}{\mathrm{KT}/q}}$

对于I_ER₁=54mV，压摆率的比例是8:1。

R1被添加时，输入晶体管Q1、Q2的静态电流比等于m，而不是以常规的1:1的比例运作。这为误差放大器产生了一个偏移电压。通过使Q1至Q2的发射极面积之比等于m，可以取消偏移电压。如果IE与绝对温度（俗称PTAT）成正比，误差放大器的偏移电压将在整个温度范围内保持在零。

图4说明了一个非对称的跨导误差放大器的另一实例体现。图4的误差放大器正压摆率高于负压摆率。

图5说明了另一个实例体现的一个非对称的跨导误差放大器，其负摆率高于正摆率。

因此，已经提供了一个改进的开关稳压器，其中在压摆率限制条件下，跨导反馈误差放大器提供非对称的压摆率，从而最大限度地减少输出电压过冲。

Claims (2)

1.一种实现非对称反馈放大的开关稳压器，其特征是：开关稳压器网络用于接收输入电压，并提供了一个稳压器的输出电压，包括：一个脉冲宽度调制的开关电路，该电路响应于一个反馈误差信号以调节输出电压，一个跨导误差放大器，用于采样输出电压并且将其与参考电压进行比较，并提供上述反馈误差信号，从而调节输出电压，上述跨导放大器用于提供一个比正极反馈误差信号的变化率更高的负极反馈误差信号的变化率。

2.根据权利要求1所述的一种实现非对称反馈放大的开关稳压器，其特征是：包括上述反馈误差信号所在的阻抗网络，并且上述跨导放大器提供一个不同的最大电流对上述阻抗网络进行充电，而不是让上述阻抗网络放电以提供不同的压摆率。

Images