CN103715891B - 具有跨导提升的dc‑dc开关稳压器 - Google Patents
具有跨导提升的dc‑dc开关稳压器 Download PDFInfo
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Abstract
本申请涉及具有跨导提升的DC‑DC开关稳压器。一种开关稳压器包括响应于基准电压和反馈电压而生成下垂电压的下垂放大器。所述下垂放大器包括可配置为在基准电压的向上转换期间增加下垂放大器的跨导的升压电路。所述开关稳压器进一步包括响应于下垂电压和电流感测信号的比较器。所述比较器被配置为启动开关稳压器的切换。
Description
技术领域
本公开的实施例涉及DC-DC开关稳压器。
背景技术
具有有限负载线的DC-DC开关稳压器被用于减小输出电容同时满足瞬态响应。在此类稳压器中，负载线取决于电感器电流而不是实际负载电流。当电阻器从较低电压转换到较高电压时，输出比目标基准小对应于电感器电流的负载线（下垂）电压，这是由于输出电容器需要在基准转换结束时进行充电。如果在基准转换之后施加负载瞬态，则输出将比小于其给定负载电流的实际目标电压，由此违反电源的规格并有可能导致负载系统的故障。
发明内容
示例性实施例提供一种开关稳压器，其包括响应于基准电压和反馈电压而生成下垂电压的下垂放大器。该下垂放大器包括可配置为在基准电压的向上转换期间增加下垂放大器的跨导的升压电路。该开关稳压器进一步包括响应于下垂电压和电流感测信号的比较器。该比较器被配置为启动开关稳压器的切换。
另一个示例性实施例提供一种开关稳压器，其包括响应于基准电压和反馈电压而生成下垂电压的下垂放大器；该下垂放大器包括可配置为在基准电压的向上转换期间增加下垂放大器的跨导的升压电路。该下垂放大器包括主电阻器和辅助电阻器，该辅助电阻器响应于基准电压的向上转换通过开关并联耦合至该主电阻器。该升压电路包括耦合至开关的所述辅助电阻器，该开关被控制以在基准电压的向上转换期间激活升压电路。该开关稳压器进一步包括响应于下垂电压和电流感测信号的比较器，该比较器被配置为启动开关稳压器的切换。通过启动升压电路来将主电阻器和所述辅助电阻器的电阻并联相加，以便增加所述下垂放大器的跨导，由此增加所述下垂放大器的增益。
其他方面和示例性实施例在以下附图和具体实施方式中提供。
附图说明
图1示出具有动态输出电压控制的DC-DC开关稳压器的示意图；
图2示出根据另一个实施例的具有内建电路的控制回路（内部电流回路和外部电压回路）的示意图；
图3是示出VDAC和VFB的特性的图表；
图4形象地示出在基准转换期间的DAC行为；
图5示出根据一个实施例的具有升压电路和偏移补偿电路的开关稳压器中的输出电压跟踪的改善；以及
图6示出在DC-DC开关稳压器中具有升压电路和偏移补偿电路的下垂放大器的电路图。
具体实施方式
图1示出具有动态输出电压控制的DC-DC开关稳压器。在下文中被称为开关稳压器的DC-DC开关稳压器包括具有数字模拟转换器（DAC）（105）的动态输出电压控制块，该DAC被连接至控制保护块（110），然后该控制保护块被连接至驱动器。驱动器115响应于来自控制保护块110的驱动器信号或控制信号驱动用作开关122（使用其各自的体二极管120）的一组晶体管。具有电感器（125）和电容器（130）的滤波器被连接到在晶体管的漏极和源极之间的结（junction）。负载135被连接到开关稳压器的输出。若干电压信号被从开关稳压器级反馈到控制保护块，即VSCN（电流感测负电压）、VSNS（感测电压）、VGNDSNS（接地感测电压）和VCSP（电流感测正电压）。电感器125被连接到电容器130以便向负载135提供开关稳压器的输出电压。
与输出电压总是被调节到固定基准值的电源不同，在动态dc-dc开关稳压器中，输出电压根据负载条件被连续调制以节省电力，提高热性能，并延长电池寿命。电源的控制基准通常由DAC设置，该DAC的输入位是通过来自智能主机的串联或并联总线供应的，该智能主机负责根据负载需求向电源提供控制信息。对于这种电源，期望提供有限的负载线，这意味着当负载电流增加时输出电压被调节到小于额定基准的低电压。具有负载线或下垂电路的优势是当负载被释放时，输出电压过冲小于该电源实施方式中没有负载线时的输出电压过冲。作为替代，也可以在电源中使用更小的输出电容，因此减少成本和区域置着区。具有负载线的电源的关键在于与电流增加的基准相比，负载以更低的输出电压完美地工作。
图2示出具有内建下垂电路的控制回路（内部电流回路和外部电压回路）的框图。该框图包括接收用于基准追踪的控制位的DAC205。该DAC生成连接到下垂放大器的基准电压VDAC。下垂放大器210特征在于作为下垂跨导放大器，或者换言之为具有跨导GMDRP的下垂放大器。下垂放大器210接收正端子上的VDAC和负端子上的反馈电压VFB。反馈电压VFB由差分放大器225生成，其为电压信号VSNS与GNDSNS的差值。电阻器（下垂电阻器）215被连接在下垂放大器210的输出端。电压下垂可以使用电阻器215来设置，该电阻器是外部电阻器。PWM比较器（比较器）220接收下垂放大器210的输出和电流感测信号VISNS并生成PWM输出。信号VISNS是VCSP和VCSN之间的差分信号的放大版本。下垂放大器的跨导GMDRP是设计参数并被提供给终端用户，以便电阻器215的电阻值可以被选择用于给定的应用。PWM比较器220比较VDROOP和电流感测信号VISNS并在VISNS小于VDROOP时启动切换。
因此，针对上述操作条件的数学模型可表达如下：
其中AISNS是电流感测放大器230的增益，VCSP是电流感测正值，VCSN是电流感测负值，GMDRP是下垂放大器的跨导，RDRP是下垂电阻，VDAC是基准电压，VFB是反馈电压，且IL是平均电感器电流。因此，如图3所示，随着电感器电流增加，输出电压减小。在图3中，X轴表示平均电感器电流（IL），Y轴表示基准电压（VDAC）/反馈电压（VFB）。
图4形象地示出在基准转换期间的DAC变化。由于内建负载线特性，当转换器（DAC）从较低基准转换到较高电压时，尽管实际负载电流可以非常小，但电感器电流与（电容器130的）输出电容的充电电流相等。电容充电电流取决于基准转换的压摆率和输出电容的值。因此，在基准转换结束的时刻，输出电压低于目标基准的量值对应于与电容器充电电流（表示为410）相关的下垂电压。通过对等的方式，VFB1将是VDAC1与VDRP之间的差值，其中VDAC1是目标基准，VFB1是实际输出电压，且VDRP是与电容器充电电流关联的下垂电压。依赖于在该时刻的下垂电压，转换器可能需要花费额外的时间来到达其目标（如405所示）。因此，在不违反预期电力线规格的情况下，在电源准备好提供负载需求之前，主机控制器必须等待更长的时间。
为了完全减少增益误差，很明显下垂放大器增益（GMDRPRDRP）需要远高于其在正常操作条件下操作的增益。由于下垂电阻（RDRP）是由用户在外部设置的，因此实施例仅在基准电压（VDAC）的向上转换期间增加下垂放大器的跨导（GMDRP）。由于实际限制和稳定性考虑，将跨导增加到非常高的值是不切实际的，为了即使在增益增强之后补偿误差，在控制器基准路径中引入固定偏移量。该偏移量可以是仅在DAC向上转换期间的基准路径中的正值或者反馈路径中的负值。一旦DAC向上转换结束，该偏移量被移除，增压电路被禁能，并且转换器在其额定GMDRP设定值下操作。
图5示出具有升压电路和偏移补偿电路的开关稳压器中的输出电压跟踪的改善。从图5中可以看出，具有跨导增强和偏移补偿（505）的VFB更接近DC-DC开关稳压器中的VDAC，由此减少在不具有升压电路和偏移补偿电路的稳压器情况下所需要的额外稳定时间。
图6示出根据一个实施例在DAC基准电压的向上转换期间在DC-DC开关稳压器中具有升压电路605和偏移补偿电路610的下垂放大器210的电路图。图6中示出的电路是图2中下垂放大器210的电路级实施方式。被配置为生成下垂电压（DROOP）的下垂放大器包括耦合至多个晶体管的多个放大器630、耦合在两个晶体管之间的主电阻器625、多个电流镜615（比率为1∶K）和620（比率为1∶1）。升压电路605与主电阻器625并联连接。该升压电路包括连接到开关605b的辅助电阻器605a，其中在被激活时辅助电阻器605a并联连接到主电阻器625。开关605b使用具有由基准电压（REFUP）的向上转换控制的栅极的晶体管实现。升压电路605在基准电压的向上转换期间通过开关605b来激活。升压电路605基于向上/向下计数器635的输出而被激活，其中向上/向下计数器接收目标DAC码并比较该目标码和当前DAC码，从而在基准电压的向上转换期间激活升压电路。通过激活升压电路，主电阻器625和辅助电阻器605a的电阻通过升压电路605的激活并行相加，从而下垂放大器210的跨导增加，由此增加下垂放大器210的增益。
下垂放大器进一步包括偏移补偿电路610，其与升压电路605一起进行补偿，从而使反馈电压准确地遵循/跟随基准电压。补偿电路610包括耦合到电流源（IOFF）的电阻器（ROFF）。偏移电压被给定为IOFFROFF。在一个实施例中，偏移补偿电路610处于具有负值的开关稳压器的反馈路径中。在另一个实施例中，偏移补偿电路610处于具有正值的开关稳压器的基准路径中。偏移补偿电路610被配置为遵循基准电压的向上转换的压摆率。注意到升压电路605和补偿电路610仅对更高的基准压摆率设定值（可选择为八个设定值中的一个）有效。动态转换的基准压摆率设定值在IC启动时被数字化并且是用户可编程的，因此该信息用于为基准电压使能升压电路605和偏移补偿电路610。
在一个实施例中，在正常操作条件下电路的跨导是K/RSET。在基准向上转换期间，辅助电阻器605a的电阻和开关串联电阻一起与主电阻器625的电阻并联相加，由此增加电路的跨导。类似地，偏移补偿电路610被添加到反馈路径中，但是在开关稳压器的正常操作条件下被禁能。一些实施例未使用任何用于增益提升的附加复杂电路，并且用于负载线实施方式的相同电路可以在控制基准向上转换期间被重新配置从而减小来自DC-DC开关稳压器的稳定延迟。一个实施例提供单个可重新配置的电路，其提供两个不同的下垂值，一个值在基准高转换期间，另一个所需值在电源可操作的剩余时间中。使用最少的附加电路的优势是不需要额外的IC成本同时实现基准转换和稳态操作间的无缝转换。
在一个实施例中，由于下垂电压依赖于下垂放大器的高增益，因此在电源的控制基准从较低电压转换到较高电压时，跨导增加并且因此增益增加。依赖于增益增强，下垂电压被减小到更小的值，因此转换结束时的误差与在基准转换期间下垂增益未增加的情况相比是减小的。进一步地，控制器中的偏移补偿电路610补偿在向上基准转换期间由下垂放大器的有限增益导致的误差。
在前面的讨论中，术语“连接”至少表示被连接设备之间的直接电连接或者通过一个或更多无源或有源中间设备的间接连接。术语“电路”至少表示连接在一起提供预期功能的单个组件或复数个组件（有源或无源）。术语“信号”表示至少一个电流、电压、电荷、数据或其他信号。
前面的描述阐述许多详细的细节以传达本发明的全面理解。然而，对本领域技术人员显而易见的是在没有这些详细细节的情况下仍然可以实践本发明。众所周知的特征有时并未描述以避免模糊本发明。从上述教导内容来看其他变体和实施例也是可能的，并且因此旨在使本发明的范围不限制于该具体实施方式，而仅由随附的权利要求限定。
Claims (17)
1.一种将输出电压调节到第一电压的开关稳压器，其包括：
下垂放大器，其响应于基准电压和反馈电压而生成下垂电压；所述下垂放大器在其输入端包括可配置为仅在所述基准电压的向上转换期间增加所述下垂放大器的跨导的升压电路，其中所述跨导在输入级中被控制以便允许用户对输出进行控制；以及
比较器，其响应于所述下垂电压和电流感测信号，所述比较器被配置为启动所述开关稳压器的切换，其中所述开关稳压器具有有限负载线以生成负下垂，其中在负载增加时输出电压被调节到低于所述第一电压的第二电压。
2.根据权利要求1所述的开关稳压器，其中所述下垂放大器包括主电阻器和辅助电阻器，所述辅助电阻器响应于所述基准电压的所述向上转换而通过开关与所述主电阻器并联耦合。
3.根据权利要求1所述的开关稳压器，其中所述升压电路包括耦合至开关的辅助电阻器，所述开关被控制以在所述基准电压的所述向上转换期间激活所述升压电路。
4.根据权利要求1所述的开关稳压器，其中所述基准电压随时间变化并且其中所述基准电压是根据数字到模拟转换器的输出而生成的。
5.根据权利要求3所述的开关稳压器，其中在激活所述升压电路后将主电阻器和所述辅助电阻器及所述开关的电阻并联相加，以便增加所述下垂放大器的所述跨导，由此增加所述下垂放大器的增益。
6.根据权利要求1所述的开关稳压器，其进一步包括与所述升压电路一起进行补偿以便使所述反馈电压遵循所述基准电压的偏移补偿电路。
7.根据权利要求6所述的开关稳压器，其中所述偏移补偿电路处于具有负值的所述开关稳压器的反馈路径中。
8.根据权利要求6所述的开关稳压器，其中所述偏移补偿电路处于具有正值的所述开关稳压器的基准路径中。
9.根据权利要求6所述的开关稳压器，其中所述偏移补偿电路被配置为遵循所述基准电压的所述向上转换的压摆率。
10.根据权利要求1所述的开关稳压器，其进一步包括：
多个开关，其响应于所述比较器的输出而切换所述开关稳压器；以及
耦合至负载的LC滤波器，所述负载耦合至所述开关稳压器。
11.一种将输出电压调节到第一电压的开关稳压器，其包括：
下垂放大器，其响应于基准电压和反馈电压而生成下垂电压；所述下垂放大器在其输入端包括升压电路，所述升压电路可配置为仅在所述基准电压的向上转换期间增加所述下垂放大器的跨导，其中所述下垂放大器包括耦合到其输入级的主电阻器和辅助电阻器，所述辅助电阻器响应于所述基准电压的所述向上转换通过开关与所述主电阻器并联耦合，并且其中所述升压电路包括耦合至开关的所述辅助电阻器，所述开关被控制以在所述基准电压的所述向上转换期间激活所述升压电路，其中所述跨导在输入级中被控制以便允许用户对输出进行控制；以及
比较器，其响应于所述下垂电压和电流感测信号，所述比较器被配置为启动所述开关稳压器的切换，其中在激活所述升压电路后将所述主电阻器和所述辅助电阻器的电阻并联相加，以便增加所述下垂放大器的所述跨导，由此增加所述下垂放大器的增益，其中所述开关稳压器具有有限负载线以生成负下垂，其中在负载增加时输出电压被调节到低于所述第一电压的第二电压。
12.根据权利要求11所述的开关稳压器，其进一步包括与所述升压电路一起进行补偿以便使所述反馈电压遵循所述基准电压的偏移补偿电路。
13.根据权利要求12所述的开关稳压器，其中所述偏移补偿电路处于具有负值的所述开关稳压器的反馈路径中。
14.根据权利要求12所述的开关稳压器，其中所述偏移补偿电路处于具有正值的所述开关稳压器的基准路径中。
15.根据权利要求12所述的开关稳压器，其中所述偏移补偿电路被配置为遵循所述基准电压的所述向上转换的压摆率。
16.一种开关稳压器，其包括：
下垂放大器，其响应于基准电压和反馈电压而生成下垂电压；所述下垂放大器包括可配置为在所述基准电压的向上转换期间增加所述下垂放大器的跨导的升压电路；以及
比较器，其响应于所述下垂电压和电流感测信号，所述比较器被配置为启动所述开关稳压器的切换，并且其中所述升压电路包括耦合至开关的辅助电阻器，所述开关被控制以在所述基准电压的向上转换期间激活所述升压电路，其中所述升压电路基于向上/向下计数器的输出而被激活，其中所述向上/向下计数器接收目标DAC码并且比较所述目标DAC码和当前DAC码，以便在所述基准电压的所述向上转换期间所述升压电路被激活。
17.一种开关稳压器，其包括：
下垂放大器，其响应于基准电压和反馈电压而生成下垂电压；所述下垂放大器在其输入端包括升压电路，所述升压电路可配置为在所述基准电压的向上转换期间增加所述下垂放大器的跨导，其中所述下垂放大器包括主电阻器和辅助电阻器，所述辅助电阻器响应于所述基准电压的所述向上转换通过开关与所述主电阻器并联耦合，并且其中所述升压电路包括耦合至开关的所述辅助电阻器，所述开关被控制以在所述基准电压的所述向上转换期间激活所述升压电路；以及
比较器，其响应于所述下垂电压和电流感测信号，所述比较器被配置为启动所述开关稳压器的切换，其中在激活所述升压电路后将所述主电阻器和所述辅助电阻器的电阻并联相加，以便增加所述下垂放大器的所述跨导，由此增加所述下垂放大器的增益，其中基于向上/向下计数器的输出而激活所述升压电路，其中所述向上/向下计数器接收目标DAC码并比较所述目标DAC码和当前DAC码以便在所述基准电压的所述向上转换期间激活所述升压电路。
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