CN103856042B - 用于dc/dc变换器的pwm信号发生器及对应dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于DC/DC变换器的PWM信号发生器以及相应的DC/DC变换器。该PWM信号发生器包括：一个斜波电压发生器和一个比较器。该斜波电压发生器用于生成一个斜波电压，包括：恒流源；电容器单元，其第一端连接于所述恒流源的输出端，其第二端可操作为与所述DC/DC变换器中的功率开关所在的电流支路中的电压检测点连接；斜坡开关，与所述电容器单元并联。该比较器的第一输入端与电容器单元的第一端连接，其第二输入端与一个误差信号连接，其输出端可操作以输出脉冲宽度调制信号，用于对功率开关和斜坡开关分别进行控制。本发明的实施例能够实现对检测电压与斜坡电压的直接相加。

Description

用于DC/DC变换器的PWM信号发生器及对应DC/DC变换器

技术领域

本发明的实施方式涉及电路领域，更具体地，本发明涉及一种用于DC/DC变换器的脉冲宽度调制PWM信号发生器及对应DC/DC变换器。

背景技术

在DC/DC变换器中，可以使用PWM信号发生器来产生用于控制DC/DC变换器的功率开关的闭合和断开的PWM信号。

PWM信号发生器包括一个比较器，该比较器比较同相端和反相端的电压信号，输出一个脉冲宽度不同的波形(即PWM信号)，来控制DC/DC变换器的功率开关的闭合和断开。

为了得到优异的负载调整和瞬态响应，DC/DC变换器可以拥有两个反馈回路。第一反馈回路采样输出电压或者输出电压的反馈电压Vfb。由误差放大器比较输出电压或其反馈电压与基准电压Vref，并放大这两者之间的误差Veao，其中这放大的误差Veao输入到比较器的同相端或反相端中的一端。第二反馈回路采样功率开关的电流支路中的电压Vsense。该采样的功率开关的电流支路中的电压Vsense将与一个斜波电压Vramp相加，输入到比较器的同相端或反相端中的另一端。

在现有技术中，为了实现电压Vsense与电压Vramp的相加，需要先将电压Vsense转换成相应的电流，将电压Vramp也转换成相应的电流，并将这两个转换得到的电流相加，最后将相加得到的电流再转换成电压，从而实现电压Vsense与电压Vramp的相加。

这一方案的缺点在于，由于增加了电压到电流以及电流到电压的转换电路，因此增大了芯片的面积、引入了转换噪声、导致相加的结果不正确、以及使得成本增加。

发明内容

因此，需要有一种方案，可以实现上述电压Vsense与电压Vramp的直接相加，从而克服由于两次转换间接相加所产生的上述缺陷。

根据本发明的第一方面，提出了一种用于DC/DC变换器的脉冲宽度调制信号发生器，包括：

一个斜波电压发生器，用于生成一个斜波电压，所述斜波电压发生器包括：

一个恒流源；

一个电容器单元，其第一端连接于所述恒流源的输出端，其第二端可操作为与所述DC/DC变换器中的功率开关所在的电流支路中的电压检测点连接；

一个斜坡开关，与所述电容器单元并联；以及

一个比较器，其第一输入端与所述电容器单元的所述第一端连接，其第二输入端与一个误差信号连接，其输出端可操作以输出脉冲宽度调制信号，用于对所述功率开关和所述斜坡开关分别进行控制。

根据本发明的第二方面，提出了一种DC/DC变换器，包括：

根据上面所述的脉冲宽度调制信号发生器；

一个电感元件、一个电容元件、一个二极管和一个功率开关，其中在所述脉冲宽度调制信号发生器生成的脉冲宽度调制信号的控制下，在所述功率开关闭合时，所述电感元件被充电，在所述功率开关断开时，所述电感元件通过所述二极管向所述电容元件充电；以及

一个连接于所述功率开关与地电位之间的检测电阻，其与所述功率开关的连接点被用作为电压检测点，以提供检测电压。

根据本发明的实施方式，能够实现上述电压Vsense与电压Vramp的直接相加，从而可以减小芯片面积、降低芯片成本、同时不会引入转换噪声并且实现更加准确的电压相加。

附图说明

通过以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面了解，本发明的其他目的和效果将变得更加清楚和易于理解，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施方式的DC/DC变换器的电路图；

图2a、图2b、图2c分别示意性地示出了驱动器的输出端、检测电阻的非接地端、以及电容器单元两端的信号图。

在所有的上述附图中，相同的标号表示具有相同、相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

以下将结合附图详细描述本发明的具体实施方式。

图1示出了根据本发明的一个实施方式的DC/DC变换器的电路图，其中的DC/DC变换器为升压型变换器。当然，本领域的技术人员应该理解，本发明也适用于降压型DC/DC变换器或者升降压型DC/DC变换器。

如图1所示，该DC/DC变换器100包括一个脉冲宽度调制PWM信号发生器110、一个电感元件L1、一个电容元件C1、一个二极管D1、一个功率开关Q1、一个检测电阻R1和分压电阻串R2和R3。

该PWM信号发生器110包括一个斜波电压(Vramp)发生器112、一个比较器114、一个驱动器116、一个误差放大器118。

所述Vramp发生器112用于生成一个斜波电压Vramp。

该Vramp发生器112包括一个恒流源Is、一个电容器单元C2，其第一端连接于所述恒流源Is的输出端，其第二端与所述DC/DC变换器100中的功率开关Q1所在的电流支路中的电压检测点(电压Vsense输出点)连接、以及一个斜坡开关S1，与所述电容器单元C2并联连接。

比较器114的第一输入端(例如反相端)与所述电容器单元C2的所述第一端(该第一端即提供电压Vramp和电压Vsense之和)连接，其第二输入端(例如同相端)与误差放大器118的输出端相连。比较器114的输出端输出脉冲宽度调制信号，用于通过所述驱动器116对所述功率开关Q1和所述斜坡开关S1分别进行控制。

当比较器114同相端输入的电压大于反相端输入的电压时，其输出高电平；而当比较器114同相端输入的电压小于等于反相端输入的电压时，其输出低电平。

驱动器116的输入端连接到比较器114的输出端，输出端连接到所述功率开关Q1和所述斜坡开关S1的控制端，用于分别驱动所述功率开关Q1和所述斜坡开关S1。例如，驱动器116是一个触发器，例如RS触发器。另外，驱动器116还输入有时钟信号。

所述误差放大器118的一个输入端(例如同相端)连接于一个基准电压Vref，另一个输入端(例如反相端)连接于所述DC/DC变换器100的输出电压或者该输出电压的反馈电压Vfb(在图1中示出为连接到分压电阻串R2和R3的中间)，其输出端与所述比较器114的所述第二输入端连接。

所述二极管D1与所述电容元件C1串联连接，所述功率开关Q1与所述串联连接的二极管D1和电容元件C1并联，所述电感元件L1的一端连接输入电源，另一端连接到所述功率开关Q1与所述串联连接的二极管D1和电容元件C1的第一并联点，其中该第一并联点是所述二极管D1的阳极，所述功率开关Q1与所述串联连接的二极管D1和电容元件C1的第二并联点接地，该二极管D1的阴极与所述电容元件C1的连接点作为所述变换器100的输出端Vout。

检测电阻R1连接于所述功率开关Q1与地电位之间，其与所述功率开关Q1的连接点被用作为电压检测点，以提供功率开关Q1所在的电流之路的检测电压Vsense。串联连接的分压电阻串R2和R3连接于变换器100的输出端Vout与接地之间，用于向所述误差放大器118提供反馈电压Vfb。

另外，功率开关Q1和斜坡开关S1的控制端连接到驱动器116。

在本发明的该实施方式中，所述斜坡开关S1闭合与断开与所述功率开关Q1的闭合与断开相反。

例如，所述功率开关Q1是一个N型MOS晶体管、所述斜坡开关S1是一个P型MOS晶体管。

所述功率开关Q 1和所述斜坡开关S1的栅极连接到所述驱动器116的输出端，所述功率开关Q1的漏极连接到所述二极管D1的阳极，所述功率开关Q1的源极与检测电阻R1的一端(该端不接地)相连；所述斜坡开关S1的源极与所述恒流源Is的输出端相连，并且所述斜坡开关S1的漏极也与所述检测电阻R1的一端(该端不接地)相连。

当然，本领域的技术人员也可以理解，所述功率开关Q1是一个NPN双极型晶体管、所述斜坡开关S1是一个PNP双极型晶体管。

或者，所述功率开关Q1与所述斜坡开关S1是同类型的晶体管，只是所述DC/DC变换器100还包括一个反相器(图中未示出)，所述反相器连接在所述驱动器116的输出端与所述功率开关Q1和所述斜坡开关S1中的一个之间。

下面来说明这个DC/DC变换器100的工作过程。

当功率开关Q1闭合，斜坡开关S1断开时，输入电源Vin给电感元件L1充电。当功率开关Q1断开，斜坡开关S1闭合时，电感元件L1存储的能量可以经过二极管D1提供或输出给电容元件C1和负载。随着功率开关Q1的闭合和断开，输出电压Vout逐渐变高到最后稳定。

此外，由于斜坡开关S1断开，恒流源Is对电容器单元C2进行充电，电容器单元C2两端之间的电压Vramp也逐渐升高。

随着充电的进行，当比较器114的反相端的电压Vramp+Vsense大于等于比较器114的同相端的电压Veao时，其中该Veao是误差放大器118的输出，是反馈电压Vfb与基准电压Vref之间的差异的放大值，比较器114输出发生转变，从高电平变成低电平。比较器114从高电平到低电平的这一转变，触发驱动器116输出一个低电平，从而使得功率开关Q1断开以及斜坡开关S1闭合。

在斜坡开关S1闭合的情况下，电压Vramp等于0。另外，在功率开关Q1断开的情况下，电压Vsense也接近于0。因此，比较器114的反相端的输入电压。而此时比较器114的同相输入端的基准电压Vref与反馈电压Vfb之间的差基本上保持不变，其可以认为大于0。因此，比较器114输出又从低电平转变成高电平。然而，比较器114的这一转变不能使驱动器116进行相应的动作。

另一方面，在时钟信号的上升沿到来时，驱动器116的输出发生转变，从低电平转变成高电平，从而使得功率开关Q1闭合，而斜坡开关S1断开，从而又开始一个新的周期。

图2a、图2b、图2c分别示意性地示出了驱动器116的输出端、检测电阻R1的非接地端、以及电容器单元C2两端的信号图。

应当注意，为了使本发明更容易理解，上面的描述省略了对于本领域的技术人员来说是公知的、并且对于本发明的实现可能是必需的更具体的一些技术细节。

本领域的技术人员还应当理解，本发明不限于上面所描述的步骤，本发明也包括对上面所描述的步骤进行的组合、顺序变换等。本发明的最终范围由所附的权利要求限定。

选择并描述实施方式是为了更好地解释本发明的原理及其实际应用，并使本领域普通技术人员明白，在不脱离本发明实质的前提下，所有修改和变更均落入由权利要求所限定的本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于DC/DC变换器的脉冲宽度调制信号发生器，包括：

一个斜波电压发生器，用于生成一个斜波电压，所述斜波电压发生器包括：

一个恒流源；

一个电容器单元，其第一端连接于所述恒流源的输出端，其第二端可操作为与所述DC/DC变换器中的功率开关所在的电流支路中的电压检测点连接；以及

一个斜坡开关，与所述电容器单元并联；以及

一个比较器，其第一输入端与所述电容器单元的所述第一端连接，其第二输入端与一个误差信号连接，其输出端可操作以输出脉冲宽度调制信号，用于对所述功率开关和所述斜坡开关分别进行控制；

其中所述斜坡开关的闭合与断开与所述功率开关的闭合与断开相反。

2.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制信号发生器，其中所述比较器的所述第一输入端的电压是所述斜波电压与所述电压检测点处的电压之和。

3.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制信号发生器，其中所述斜坡开关和所述功率开关是相同类型的晶体管，并且

所述脉冲宽度调制信号发生器还包括一个反相器，所述反相器的一端接收控制信号，另一端连接到所述斜坡开关的栅极或者所述功率开关的栅极，用于对所述控制信号进行反相。

4.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制信号发生器，其中所述功率开关和所述斜坡开关是下面两种情况中的一种：

所述功率开关是一个N型MOS晶体管、所述斜坡开关是一个P型MOS晶体管；或者

所述功率开关是一个NPN双极型晶体管、所述斜坡开关是一个PNP双极型晶体管。

5.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制信号发生器，还包括：

一个驱动器，连接到所述比较器的输出端，可操作以根据所述脉冲宽度调制信号，并且根据时钟信号输入，对所述DC/DC变换器中的功率开关和所述斜坡开关分别进行驱动。

6.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制信号发生器，还包括：

一个误差放大器，所述误差放大器的一个输入端连接于一个基准电压，另一个输入端可操作以连接于所述DC/DC变换器的输出电压或者该输出电压的反馈电压，其输出端与所述比较器的所述第二输入端连接。

7.一种DC/DC变换器，包括：

根据权利要求1至6中任一项的脉冲宽度调制信号发生器；

一个电感元件、一个电容元件、一个二极管和一个功率开关，其中在所述脉冲宽度调制信号发生器生成的脉冲宽度调制信号的控制下，在所述功率开关闭合时，所述电感元件被充电，在所述功率开关断开时，所述电感元件通过所述二极管向所述电容元件充电；以及

一个连接于所述功率开关与地电位之间的检测电阻，其与所述功率开关的连接点被用作为电压检测点，以提供检测电压。

8.根据权利要求7所述的DC/DC变换器，还包括一个连接于变换器的输出端与接地之间的分压电阻串，用于向所述脉冲宽度调制信号发生器中的误差放大器提供反馈电压。

9.根据权利要求7所述的DC/DC变换器，其中所述功率开关包括一个功率MOS晶体管或者双极型晶体管。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的DC/DC变换器，被操作为升压型、降压型或升-降压型。