CN103840663B - 脉冲宽度调制直流-直流转换器 - Google Patents

脉冲宽度调制直流-直流转换器 Download PDF

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Abstract

脉冲宽度调制直流-直流转换器。一种脉冲宽度调制直流-直流转换器，包括：开关单元，该开关单元将输入电压转换为输出电压；比例积分微分控制器，该比例积分微分控制器产生比例积分微分控制电压；比较器，该比较器产生开关控制电压；开关控制器，该开关控制器向开关单元提供所述开关控制信号，在开关控制电压的接通时间段中接通充电开关并同时断开放电开关、并且在开关控制电压的断开时间段中断开充电开关并同时接通放电开关；以及工作点补偿单元，该工作点补偿单元响应于工作点补偿信号进行操作并且在初始驱动的预定时间段期间向节点提供统一电平的初始化电压。

Description

脉冲宽度调制直流-直流转换器
技术领域
本发明的实施方式涉及用于输出恒定电平的期望电压的直流-直流转换器。
背景技术
通常，开关调节器是用于利用能量存储装置（诸如电感器和电容器）来转换能量的装置。直流-直流转换器对开关调节器适当地反馈，并且逐步升高或降低输入直流电压，从而输出期望电平的直流电压。直流-直流转换器的示例包括降压转换器和升压转换器。降压转换器是将高的直流电压转换为比较低的直流电压的降压转换器，而升压转换器是将低的直流电压转换为比较高的直流电压的升压转换器。
直流-直流转换器必须适当地选择电路元件，诸如电感器和电容器，并且必须以合适方式来进行控制。作为直流-直流转换器中使用的基本控制模式，已知脉冲频率调制（PFM）方式和脉冲宽度调制方式。脉冲宽度调制方式的优点是噪声小、纹波小，并且已经用于大部分直流-直流转换器中。
图1例示由脉冲宽度调制方式控制的相关技术的直流-直流转换器的示例。更具体地，图1示意性地例示降压转换器。如图1所示，相关技术的直流-直流转换器包括：开关单元1、比例积分微分控制器2、比较器3和开关控制器4。开关单元1包括：充电开关和放电开关，响应于从开关控制器4接收到的开关控制信号充电开关和放电开关被相反地接通和断开；电感器，该电感器用于存储充电能量；电容器，该电容器用于存储放电能量等，并且产生输出电压Vo。比例积分微分控制器2包括误差放大器。比例积分微分控制器2将输入到该误差放大器的输出电压Vo与之前确定的基准电压进行比较并且产生比例积分微分控制电压Va。比较器3将比例积分微分控制电压Va与斜坡电压Vramp进行比较并且产生开关控制电压Vc。在间歇产生的开关控制电压Vc的接通时间段中，开关控制器4接通充电开关并且同时断开放电开关。在开关控制电压Vc的断开时间段中，开关控制器4断开充电开关并且同时接通放电开关。
详细描述相关技术的直流-直流转换器的操作。如图2所示，当在开关控制电压Vc的接通时间段中接通充电开关而断开放电开关时，以(Vi-Vo)/L1的斜率将由电池源施加的输入电压Vi充电到电感器，其中，L1是电感器的电感值。此后，当在开关控制电压Vc的断开时间段中断开充电开关而接通放电开关时，以(-Vo/L1)的斜率将充电到电感器的能量放电到负载和电容器。相关技术的直流-直流转换器周期性地重复充电操作和放电操作，从而保持输出电压Vo恒定。由输入电压Vi和充电开关的接通时间与断开时间之比（即，占空比）来确定输出电压Vo。由此，由等式Vo=D*Vi来表达相关技术的直流-直流转换器的最终输出，其中，0<D<1。图2例示依赖于斜坡电压Vramp和比例积分微分控制电压Va的充电开关的接通率和断开率。在图2中，当因为输出电压Vo低于基准电压，所以比例积分微分控制电压Va增加时，开关控制电压Vc的接通时间段的宽度增加。在图2中，当因为输出电压Vo高于基准电压，所以比例积分微分控制电压Va减小时，开关控制电压Vc的断开时间段的宽度增加。通过上述过程来控制输出电压Vo，使得输出电压Vo保持在期望的恒定电平。
相关技术的直流-直流转换器通过负反馈构造来保持输出电压Vo不变。然而，相关技术的直流-直流转换器不依赖于初始驱动时的操作条件来生成输出电压Vo。更具体地，当相关技术的直流-直流转换器为初始驱动而操作时，比较器3将比例积分微分控制电压Va与斜坡电压Vramp进行比较，并且生成开关控制电压Vc。开关控制电压Vc施加于开关控制器4并且用于控制充电开关和放电开关的开关操作。然而，在初始驱动中，因为通过比例积分微分控制器2的负反馈特性，根据初始驱动的操作条件，通过节点Na输出的比例积分微分控制电压Va具有不同的初始值。因此，相关技术的直流-直流转换器示出因为比例积分微分控制电压Va的不同初始值的影响，所以不根据操作条件产生输出电压Vo的条件性情形。
发明内容
本发明的实施方式提供一种不管操作条件如何都能够稳定地产生输出电压的脉冲宽度调制直流-直流转换器。
在一个方面，一种脉冲宽度调制直流-直流转换器，该脉冲宽度调制直流-直流转换器包括开关单元，该开关单元包括被相反地接通和断开的充电开关和放电开关、用于存储充电能量的电感器、和用于存储放电能量的电容器，所述开关单元被构造为将输入电压转换为输出电压；比例积分微分控制器，该比例积分微分控制器包括误差放大器，所述比例积分微分控制器被构造为将输入到所述误差放大器的所述输出电压与预定确定的基准电压进行比较并且产生比例积分微分控制电压；比较器，该比较器被构造为将所述比例积分微分控制电压与斜坡电压进行比较并且产生开关控制电压；开关控制器，该开关控制器被构造为基于所述开关控制电压来产生开关控制信号、向所述开关单元提供所述开关控制信号，在所述开关控制电压的接通时间段中接通所述充电开关并同时断开所述放电开关，并且在所述开关控制电压的断开时间段中断开所述充电开关并同时接通所述放电开关；以及工作点补偿单元，该工作点补偿单元被构造为响应于工作点补偿信号进行操作并且在初始驱动的预定时间段期间向所述比例积分微分控制电压所输出到的节点Na提供统一电平的初始化电压。
所述工作点补偿单元仅在针对所述初始驱动的预定时间段期间进行操作，并且在所述初始驱动时间段之后的正常驱动时间段期间停止操作。
所述工作点补偿单元包括电阻器串；第一节点和第二节点，该第一节点和第二节点分别连接到所述电阻器串的两端；第一启动开关，该第一启动开关连接在高电势电压源与所述第一节点之间并且响应于所述工作点补偿信号被接通或断开；以及第二启动开关，该第二启动开关连接在低电势电压源与所述第二节点之间并且响应于所述工作点补偿信号被接通或断开，其中，所述第一节点连接到所述节点Na，并且由其中电流在内流动的所述电阻器串确定的所述初始化电压施加于所述第一节点。
所述第一启动开关和所述第二启动开关响应于所述工作点补偿信号，仅在针对所述初始驱动的预定时间段期间接通，并且在所述初始驱动时间段之后的正常驱动时间段期间断开。当接通所述第一启动开关和所述第二启动开关时，所述节点Na被重置为所述初始化电压。
所述工作点补偿单元还包括多个电压确定开关，所述多个电压确定开关连接在所述电阻器串的电压划分节点与所述第二节点之间。各个所述电压确定开关响应于用于确定所述初始化电压的电平的电压确定控制信号来接通或断开。
附图说明
包括附图来提供对发明的进一步理解，附图被并入并构成本说明书的一部分，附图例示了发明的实施方式，并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1例示相关技术的直流-直流转换器的示例；
图2例示相关技术的直流-直流转换器中的依赖于斜坡电压和比例积分微分控制电压的充电开关的接通率和断开率；
图3例示根据本发明的示例性实施方式的脉冲宽度调制直流-直流转换器；以及
图4例示图3中所示的工作点补偿单元的示例。
具体实施方式
现在将详细描述本发明的实施方式，在附图中例示出了本发明优选实施方式的示例。在可能的情况下，附图中将通篇使用相同的附图标记来指代相同或类似的部件。要注意的是，如果确定已知技术会误导本发明的实施方式，则省略对这些技术的详细描述。
下面将参照图3和图4来描述本发明的示例性实施方式。
图3例示根据本发明的示例性实施方式的脉冲宽度调制直流-直流转换器。
如图3所示，根据本发明的示例性实施方式的脉冲宽度调制直流-直流转换器包括开关单元10、比例积分微分控制器20、比较器30、开关控制器40和工作点补偿单元50。
开关单元10包括充电开关S1和放电开关S2，响应于从开关控制器40接收到的开关控制信号CONT来相反地接通和断开该充电开关S1和放电开关S2；电感器L，该电感器L用于存储充电能量；电容器C，该电容器C用于存储放电能量等。开关单元10通过逐步降低输入电压Vi来产生输出电压Vo。详细描述开关单元10的连接构造。开关单元10包括输入电源Vs，该输入电源Vs用于施加输入电压Vi；充电开关S1和电阻器R1，充电开关S1和电阻器R1彼此串联连接在输入电源Vs与节点Nx之间；电阻器R2和放电开关S2，电阻器R2和放电开关S2彼此串联连接在节点Nx与节点Ny之间；电感器L和电阻器DCR，电感器L和电阻器DCR彼此串联连接在节点Nx与节点No之间；电阻器ESR和电容器C，电阻器ESR和电容器C彼此串联连接在节点No与节点Ny之间；以及输出电流源Iout，该输出电流源Iout在节点No和节点Ny之间与电阻器ESR和电容器C并联连接。因为开关单元10包括电感器L和电容器C，所以开关单元10的操作特性实现二阶系统。
比例积分微分控制器20具有两个零点和三个极点，并且执行频率补偿，以便使开关单元10中产生的振荡现象稳定。比例积分微分控制器20包括误差放大器21和负反馈单元22。比例积分微分控制器20将输入到误差放大器21的输出电压Vo与预先确定的基准电压Vref进行比较并且产生比例积分微分控制电压Va。误差放大器21包括负端子（-），该负端子（-）通过电阻器Rx1从开关单元10接收输出电压Vo；正端子（+），该正端子（+）接收基准电压Vref；以及输出端子，该输出端子连接到节点Na。误差放大器21中产生的比例积分微分控制电压Va施加于节点Na。负反馈单元22连接在误差放大器21的负端子（-）与节点Na之间，并且实现负反馈。电阻器Rx2可以连接在节点No与地电平电压源GND之间。
比较器30将比例积分微分控制电压Va与斜坡电压Vramp进行比较并且产生开关控制电压Vc。比较器30包括负端子（-），该负端子（-）从比例积分微分控制器20接收比例积分微分控制电压Va；正端子（+），该正端子（+）接收斜坡电压Vramp；以及输出端子，该输出端子输出开关控制电压Vc。
开关控制器40从比较器30接收开关控制电压Vc并且输出开关控制信号CONT。开关控制器40向开关单元10施加开关控制信号CONT。因此，在如图2所示的间歇产生的开关控制电压Vc的接通时间段中，开关控制器40接通充电开关S1并且同时断开放电开关S2。进一步地，开关控制器40将开关控制信号CONT施加于开关单元10，从而在开关控制电压Vc的断开时间段中断开充电开关S1并同时接通放电开关S2。
工作点补偿单元50响应于从外部接收到的工作点补偿信号来进行操作，并且向节点Na提供统一电平的初始化电压Vrst。工作点补偿单元50仅在直流-直流转换器被初始驱动的预定时间段（即，初始驱动时间段）期间进行操作，并且在初始驱动时间段之后的正常驱动时间段期间停止操作。不管操作条件如何，工作点补偿单元50都将节点Na统一重置为期望电平的初始化电压Vrst，从而改进直流-直流转换器的操作特性。因此，解决了不根据直流-直流转换器的初始驱动时的操作条件来生成输出电压Vo的问题。在初始驱动时间段中，由工作点补偿单元50产生的初始化电压Vrst施加于节点Na。在正常驱动时间段中，由比例积分微分控制器20产生的比例积分微分控制电压Va施加于节点Na。
更详细描述根据本发明的实施方式的脉冲宽度调制直流-直流转换器的操作。当在图2中示出的开关控制电压Vc的接通时间段中接通充电开关S1而断开放电开关S2时，以(Vi-Vo)/L1的斜率将由输入电池源Vs施加的输入电压Vi充电到电感器L，其中，L1是电感器的电感值。此后，当在图2所示的开关控制电压Vc的断开时间段中断开充电开关S1而接通放电开关S2时，以(-Vo/L1)的斜率将充电到电感器L的能量放电到负载侧和电容器C。根据本发明的实施方式的脉冲宽度调制直流-直流转换器在正常驱动时周期性地重复充电操作和放电操作，从而保持输出电压Vo恒定。由输入电压Vi和充电开关S1的接通时间与断开时间之比（例如，占空比）来确定输出电压Vo。由此，由算式Vo=D*Vi来表达根据本发明的实施方式的脉冲宽度调制直流-直流转换器的最终输出，其中，0<D<1。如图2所示，图2例示依赖于斜坡电压Vramp和比例积分微分控制电压Va的充电开关的接通率和断开率，当因为输出电压Vo低于基准电压Vref，所以比例积分微分控制电压Va增加时，开关控制电压Vc的接通时间段的宽度增加。相反，当因为输出电压Vo高于基准电压Vref，所以比例积分微分控制电压Va减小时，开关控制电压Vc的断开时间段的宽度增加。根据本发明的实施方式的脉冲宽度调制直流-直流转换器通过负反馈构造来保持输出电压Vo恒定。
在初始驱动时，由于借助比例积分微分控制器20的负反馈特性，通过节点Na输出的比例积分微分控制电压Va根据初始驱动的操作条件而具有不同的初始值。然而，相关技术示出条件性情形，其中由于比例积分微分控制电压Va的不同初始值的影响，所以不会根据操作条件产生输出电压Vo。另一方面，本发明的实施方式不管操作条件如何都利用工作点补偿单元50将节点Na统一重置为期望电平的初始化电压Vrst，从而解决了相关技术的问题。
图4例示图3中所示的工作点补偿单元50的示例。
如图4所示，工作点补偿单元50包括第一节点N1和第二节点N2，该第一节点N1和第二节点N2分别连接到电阻器串的两端；第一启动开关SW1，该第一启动开关SW1连接在高电势电压源VDD与第一节点N1之间并且响应于工作点补偿信号OP被接通或断开；以及第二启动开关SW2，该第二启动开关SW2连接在低电势电压源VSS与第二节点N2之间并且响应于工作点补偿信号OP被接通或断开。由其中电流在内流动的电阻器串所确定的初始化电压施加于第一节点N1并且提供到连接于第一节点N1的节点Na。
仅在直流-直流转换器被初始驱动的预定时间段（即，初始驱动时间段）期间以启动电平生成工作点补偿信号OP。响应于该工作点补偿信号OP，仅在初始驱动时间段期间接通第一启动开关SW1和第二启动开关SW2，并且在初始驱动时间段之后的正常驱动时间段期间断开第一启动开关SW1和第二启动开关SW2。当接通第一启动开关SW1和第二启动开关SW2时，节点Na被重置为初始化电压Vrst。
初始化电压Vrst可以被设置为与输出电压Vo的各种目标对应的各种值。为此，工作点补偿单元50还包括多个电压确定开关T0-Tn，所述电压确定开关连接在电阻器串的电压划分节点与第二节点N2之间。响应于用于确定初始化电压Vrst的电平的电压确定控制信号B0来接通或断开电压确定开关T0至Tn中的每个确定开关。电压确定控制信号B0至Bn中的每一个电压确定控制信号由表示接通的“1”和表示断开的“0”中的一个来构成，并且可以从外部接收。虽然图4未示出，但是分别在高电势电压源VDD与第一启动开关SW1之间和在低电势电压源VSS与第二启动开关SW2之间连接有电流源。
如上所述，本发明的实施方式不管操作条件如何都将节点Na（该节点Na接收由比例积分微分控制器产生的比例积分微分控制电压）统一重置为期望电平的初始化电压Vrst，从而改善直流-直流转换器的操作特性。因此，不管操作条件如何，本发明的实施方式都可以稳定地产生输出电压。进一步地，本发明的实施方式可以调节与输出电压的各种目标对应的初始化电压，从而将输出电压快速跟踪到给定目标。因此，本发明的实施方式可以大大缩短在初始驱动中到达输出电压的给定目标所需的时间。
尽管参照多个示例性实施方式描述了以上实施方式，但是应理解的是本领域技术人员能够设计出的各种其他修改例和实施方式均落入本公开的原理的范围内。更具体地说，在本公开、附图以及所附的权利要求的范围内，在主题组合配置的组成部分和/或配置方面可以进行各种变型和修改。除了组成部分和/或配置方面的变型和修改之外，另选的使用对于本领域技术人员也是显而易见的。
本申请要求2012年11月23日提交的韩国专利申请No.10-2012-0134029的权益，此处为了一切目的以引证的方式并入本文上述申请，如同在本文中完全阐述一样。

Claims (3)

1.一种脉冲宽度调制直流-直流转换器，该脉冲宽度调制直流-直流转换器包括：
开关单元，该开关单元包括被相反地接通和断开的充电开关和放电开关、用于存储充电能量的电感器、和用于存储放电能量的电容器，所述开关单元被构造为将输入电压转换为输出电压；
比例积分微分控制器，该比例积分微分控制器包括误差放大器，所述比例积分微分控制器被构造为将输入到所述误差放大器的所述输出电压与预定确定的基准电压进行比较并且产生比例积分微分控制电压；
比较器，该比较器被构造为将所述比例积分微分控制电压与斜坡电压进行比较并且产生开关控制电压；
开关控制器，该开关控制器被构造为基于所述开关控制电压来产生开关控制信号，向所述开关单元提供所述开关控制信号，在所述开关控制电压的接通时间段中接通所述充电开关并同时断开所述放电开关，并且在所述开关控制电压的断开时间段中断开所述充电开关并同时接通所述放电开关；以及
工作点补偿单元，该工作点补偿单元被构造为响应于工作点补偿信号进行操作并且在初始驱动的预定时间段期间向所述比例积分微分控制电压所输出到的节点Na提供统一电平的初始化电压，
其中，所述工作点补偿单元包括：
电阻器串；
第一节点和第二节点，该第一节点和第二节点分别连接到所述电阻器串的两端；
第一启动开关，该第一启动开关连接在高电势电压源与所述第一节点之间并且响应于所述工作点补偿信号被接通或断开；以及
第二启动开关，该第二启动开关连接在低电势电压源与所述第二节点之间并且响应于所述工作点补偿信号被接通或断开，
其中，所述第一启动开关和所述第二启动开关响应于所述工作点补偿信号，仅在针对所述初始驱动的预定时间段期间接通以允许所述工作点补偿单元向所述节点Na提供所述初始化电压，并且在所述初始驱动时间段之后的正常驱动时间段期间断开以使所述工作点补偿单元停止向所述节点Na提供所述初始化电压。
2.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制直流-直流转换器，其中，所述第一节点连接到所述节点Na，并且由电流在内流动的所述电阻器串所确定的所述初始化电压施加于所述第一节点。
3.根据权利要求2所述的脉冲宽度调制直流-直流转换器，其中，所述工作点补偿单元还包括多个电压确定开关，所述多个电压确定开关连接在所述电阻器串的电压划分节点与所述第二节点之间，
其中，各个所述电压确定开关响应于用于确定所述初始化电压的电平的电压确定控制信号来接通或断开。
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