CN103947092B - 用于降压dc/dc转换器的滞后控制 - Google Patents

用于降压dc/dc转换器的滞后控制 Download PDF

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Abstract

一种滞后功率转换器(100)包括：开关式电源(40)；滞后比较器(20)，比较器的第一输入(FB)被排列成接收提供开关式电源的输出电压表示的反馈信号并且比较器的第二输入(VREF)被排列成接收基准信号；耦合到比较器的第一和第二输入之一的斜坡电容器(180)；电流源(140)，电流源的端子耦合到斜坡电容器且被排列成将电流驱动到斜坡电容器；以及可开关电流源(150)，可开关电流源的端子耦合到斜坡电容器，可开关电流源(150)被排列成在与电流源(140)所驱动的电流相反的方向上将电流驱动到斜坡电容器，其中可开关电流源响应于滞后比较器(20)的输出而交替地启用和停用。

Description

用于降压DC/DC转换器的滞后控制
技术领域
本发明涉及功率转换器领域，并且具体地涉及其中反馈电压和与基准电压相加的受控斜坡电压进行比较的滞后转换器。
背景技术
控制DC到DC功率转换器的各种方案是已知的。在线性受控的功率转换器中，感测输出电压和输出电流之一并且经由误差放大器将其反馈回控制器。反映目标输出的基准值还由误差放大器接收，并且检测来自目标输出的输出中的差异且通常通过调整电控制开关闭合的时间量来进行补偿。在这种实施例中，输出电压或电流在目标输出周围变化，并且平均输出随着时间可等于目标输出。然而，在需要对负载的大变化进行快速反应时，这种线性调节控制是不适当的。
为了克服这种困难，利用了滞后转换器。滞后转换器包括至少一个电控制开关、比较器、以及电感器，电控制开关响应于比较器的输出而闭合。比较器被排列成响应于瞬时输出电压下降到第一基准信号以下而迅速地闭合电控制开关，由此驱动输出电压变高，而无需延迟积分器或者其他低带宽电路。存在用于打开电控制开关的各种方案，包括但不限于将输出电压与第二基准进行比较、以及限定电控制开关的预定的固定导通时间。
图1示出现有技术的滞后转换器10的高级示意图，滞后转换器10包括：被示为施米特触发比较器的滞后比较器20；被示为但不限于降压转换器的开关模式(switched mode)电源40，该降压转换器由被示为但不限于此的p沟道场效应晶体管(PFET)的第一电控制开关50、被示为但不限于此的n沟道场效应晶体管(NFET)的第二电控制开关60、电感器70、以及输出电容器80组成。另外，还示出负载90。输入电压VIN连接到PFET50的源极，并且PFET50的漏极连接到电感器70的第一端以及NFET 60的漏极。电感器70的第二端连接到输出电容器80的第一端以及负载90的第一端，由此该电压标示输出电压VOUT。负载90的第二端、输出电容器80的第二端、以及NFET 60的源极连接到公共电位。
输出电压VOUT还连接到滞后比较器20的非反相输入，并且基准电压VREF连接到滞后比较器20的反相输入。滞后比较器20的输出连接到PFET 50的栅极以及NFET 60的栅极两者。任选地，在滞后比较器20的输出与PFET 50和NFET 60的栅极之间提供栅极驱动电路(未示出)。输出电压VOUT被示为直接馈送到滞后比较器20的非反相输入，然而这不意味着以任何方式进行限制，并且诸如与基准电压VREF一致的分压输出之类的输出电压VOUT的函数值可交替地馈送回滞后比较器20的非反相输入，优选地为在不需要有源设备的情况下对负载100的变化作出响应而导致缩减的带宽的任何函数。
在操作中，当输出电压VOUT下降到小于馈送到滞后比较器20的反相输入的阈值信号(即，基准电压VREF)时，滞后比较器20使电流能够流经PFET 50，由此将电感器70连接到输入电压VIN且使增大的电流能够流经电感器70，该增大的电流在输出电容器80的方向上流动时为正，由此增大输出电压VOUT。当输出电压VOUT大于基准电压VREF时，滞后比较器20使电流能够流经NFET 60，由此将电感器70连接到公共电位，以使电流能够凭惯性(freewheel)流经NFET 60；通过电感器70的电流随着时间减小，由此减小输出电压VOUT。滞后由滞后比较器20提供以避免不稳定性。
不幸的是，滞后转换器通常在电路中呈现出不稳定行为，其中输出电容器呈现低等效串联电阻，因为响应于电控制开关的闭合，输出电压不会迅速地上升。已经提议了主要通过人为地用电感器电流感应在相位方面的波纹以针对上述缺陷的各种解决方案。
在一种方案中，如在2004年9月14日授权给Walters等人的美国专利S/N 6,791,306(其全部内容通过引用结合于此)中描述的，提供了跨电感器两端连接的跨导放大器。跨导放大器所生成的电流被馈送到波纹电压电容器，该波纹电压电容器将该电流变换成用于输入到滞后比较器的电感器电流表示的电压。这种方案需要来自电感器两侧的输入，这可能难以实现。
在另一方案中，如在2008年11月25日授权给Klein的美国专利S/N 7,457,140(其全部内容通过引用结合于此)中描述的，生成与流经电感器的电流成比例的斜坡电压并将其与输出电压表示相加，该相加的电压被馈送为滞后比较器的输入。所示的实施例是复杂的，需要来自电感器两侧的上述输入和/或双沿单触发电路。
发明内容
因此，本发明的主要目的在于，克服现有技术的至少一些缺点。这在特定实施例中由滞后转换器提供，滞后转换器包括被排列成将功率交替地馈送到电感器且从电感器回收功率的半桥电路。斜坡电压由在该桥的顶开关启用时启用且在该桥的顶开关停用时停用的第一电流源、以及在相反方向上排列的第二电流源的组合生成，第一和第二电流源各自连接到电容器的一端以及与该电容器并联的任选电阻器。斜坡电压与基准电压相加，并且将其提供给滞后比较器的输入。优选地，在电容器两端提供自动归零电路，并且由此确保响应于耦合到滞后比较器的另一输入的反馈输入来确定输出电压。
特定实施例启用滞后功率转换器，滞后功率转换器包括：开关式电源，开关式电源包括电感器、电控制开关、以及输出电容器，电控制开关被排列成通过电感器和电源的引线交替地打开和闭合回路；滞后比较器，滞后比较器的第一输入耦合到反馈连接且被排列成从反馈连接接收提供跨输出电容器两端的电压表示的反馈信号，电控制开关响应于滞后比较器的输出而打开和闭合；基准电压源，基准电压源耦合到滞后比较器的第二输入且被排列成提供基准电压；斜坡电容器，斜坡电容器耦合到基准电压源和反馈连接之一；电流源，电流源的端子耦合到斜坡电容器且被排列成将电流驱动到斜坡电容器；可开关电流源，可开关电流源的端子耦合到斜坡电容器，可开关电流源被排列成在与电流源所驱动的电流相反的方向上将电流驱动到斜坡电容器，其中可开关电流源响应于滞后比较器的输出而交替地被启用和停用；以及自动归零电路，自动归零电路耦合在跨斜坡电容器两端且被排列成将跨斜坡电容器的平均电压设置为0。
在特定的进一步实施例中，可开关电流源被排列成提供在启用时其幅度是电源的引线的电压的函数的电流。在特定的进一步实施例中，电流源被排列成提供其幅度是基准电压源的函数的电流。
在特定的进一步实施例中，滞后功率转换器还包括分压器，分压器的一端耦合到输出电容器，反馈连接是到分压器的公共节点的连接。在特定的进一步实施例中，到基准电压和反馈连接之一的耦合是到基准电压。优选地，可开关电流源在第一电控制开关闭合时启用且在第一电控制开关打开时停用。
在特定的进一步实施例中，选择电流源和可开关电流源，以使跨斜坡电容器的平均电压为0。优选地，滞后功率转换器还包括与斜坡电容器并联耦合的斜坡电阻器。
在特定的进一步实施例中，自动归零电路包括：第一跨导放大器；第二跨导放大器；以及平均电容器，第一跨导放大器的第一和第二输入跨斜坡电容器的两端耦合，第一跨导放大器的输出耦合到第二跨导放大器的第一输入，平均电容器耦合在第二跨导放大器的第一输入和第二输入之间并且被排列成反映跨斜坡电容器的电压的平均值，第二跨导放大器的输出耦合到斜坡电容器的第一端，其中在跨斜坡电容器的平均电压增大的情况下，第二跨导放大器输出电流以减小跨斜坡电容器的电压，并且在跨斜坡电容器的平均电压减小的情况下，第二跨导放大器输出电流以增大跨斜坡电容器的电压。
在特定的进一步实施例中，滞后功率转换器还包括同步电路，同步电路被排列成使开关式电源与周期信号同步。优选地，同步电路被排列成将开关式电源的电控制开关闭合到周期信号的预定情形。优选地，滞后功率转换器还包括斜率补偿电路。
单独地，特定实施例启用滞后功率转换器，滞后功率转换器包括：开关式电源，开关式电源包括电感器、电控制开关、以及输出电容器，电控制开关被排列成通过电感器和电源交替地打开和闭合回路；滞后比较器，滞后比较器的第一输入耦合到反馈连接且被排列成从反馈连接接收提供跨输出电容器的电压表示的反馈信号，电控制开关响应于滞后比较器的输出而打开和闭合；基准电压源，基准电压源耦合到滞后比较器的第二输入且被排列成产生基准电压；斜坡生成器，斜坡生成器被排列成生成与基准电压和反馈信号之一相加的斜坡电压，斜坡生成器包括电流源、可开关电流源、以及斜坡电容器，电流源和可开关电流源各自的端子耦合到斜坡电容器，电流源和可开关电流源被排列成在相反方向上将电流驱动到斜坡电容器，其中可开关电流源响应于滞后比较器的输出而交替地启用和停用；以及自动归零电路，自动归零电路跨斜坡电容器两端耦合且被排列成将生成的斜坡电压的平均值设置为0。
在特定进一步实施例中，电流源被排列成提供其幅度是基准电压源的函数的电流，并且可开关电流源被排列成提供在启用时其幅度是电源的引线的电压的函数的电流。在特定的进一步实施例中，滞后功率转换器还包括分压器，分压器的一端耦合到输出电容器，其中反馈连接是到分压器的公共节点的连接。
在特定的进一步实施例中，斜坡电压与基准电压和反馈信号之一的相加是斜坡电压与基准电压相加。优选地，可开关电流源在第一电控制开关闭合时启用且在第一电控制开关打开时停用。
在特定的进一步实施例中，选择电流源和可开关电流源，以使生成的斜坡电压的平均值为0。优选地，斜坡生成器还包括与斜坡电容器并联耦合的斜坡电阻器。
在特定的进一步实施例中，自动归零电路包括：第一跨导放大器；第二跨导放大器；以及平均电容器，第一跨导放大器的第一和第二输入跨斜坡电容器耦合，第一跨导放大器的输出耦合到第二跨导放大器的第一输入，平均电容器耦合在第二跨导放大器的第一输入和第二输入之间并且被排列成反映生成的斜坡电压的平均值，第二跨导放大器的输出耦合到斜坡电容器的第一端，其中在生成的斜坡电压的平均值增大的情况下，第二跨导放大器输出电流以减小生成的斜坡电压，并且在生成的斜坡电压的平均值减小的情况下，第二跨导放大器输出电流以增大生成的斜坡电压。
在特定的进一步实施例中，滞后功率转换器还包括同步电路，同步电路被排列成使开关式电源与周期信号同步。优选地，同步电路被排列成将开关式电源的电控制开关闭合到周期信号的预定情形。优选地，滞后功率转换器还包括斜率补偿电路。
独立地，启用一种滞后功率转换的方法，该方法包括：提供由电感器和输出电容器组成的开关式电源；提供滞后比较器；将表示跨输出电容器的电压的反馈信号提供给所提供的滞后比较器的第一端子；响应于滞后比较器的输出，通过电感器和电源交替地打开和闭合回路；提供基准电压；提供电流源；提供可开关电流源；响应于耦合到公共节点的所提供的电流源和所提供的可开关电流源，生成斜坡电压，其中可开关电流源响应于滞后比较器的输出而交替地启用和停用；将生成的斜坡电压与提供的基准电压和提供的反馈信号之一相加；以及将生成的斜坡电压主动地设置为0。
在特定的进一步实施例中，该方法还包括：提供第一跨导放大器，第一跨导放大器被排列成接收生成的斜坡电压；提供平均电容器，平均电容器被排列成接收提供的第一跨导放大器的输出，其中跨提供的平均电容器的电压反映生成的斜坡电压的平均值；提供第二跨导放大器，第二跨导放大器被排列成接收跨提供的平均电容器的电压；主动地设置以响应于提供的第二跨导放大器的输出。
在特定的进一步实施例中，生成的斜坡电压与提供的基准电压和提供的反馈信号之一的相加是生成的斜坡电压与提供的基准电压相加。优选地，可开关电流源在第一电控制开关闭合时启用且在第一电控制开关打开时停用。
在特定的进一步实施例中，该方法还包括：使提供的开关式电源与接收到的周期信号同步。
根据以下附图和描述，本发明的附加特征和优点将变得显而易见。
附图说明
为了更好地理解本发明和示出可如何实施本发明，现在仅仅作为示例参考附图，其中相似的附图标记在附图中指示对应的元素或部分。
现在专门详细地参考附图，强调的是，所示的细节作为示例且只是出于对本发明的优选实施例的说明性讨论的目的，并且为了提供什么被认为是对本发明的原理和概念方面最有用和容易理解的描述而呈现。在这一点上，未尝试比基本理解本发明所必需的更详细地示出本发明的结构细节，参考附图的描述使得在实践中可如何体现本发明的若干形式对本领域技术人员而言是显而易见的。在附图中：
图1示出根据现有技术的滞后转换器的高级示意图；
图2A示出滞后转换器的示例性实施例的高级示意图，该滞后转换器包括一对电流源和斜坡电容器，电流源之一被排列成在半桥驱动电路的顶开关启用时启用，由此跨斜坡电容器形成斜坡电压，斜坡电压与基准电压相加；
图2B示出滞后转换器的示例性实施例的高级示意图，该滞后转换器包括一对电流源和斜坡电容器，电流源之一被排列成在半桥驱动电路的顶开关启用时启用，由此跨斜坡电容器形成斜坡电压，斜坡电压与反馈信号相加；
图2C示出图2A的滞后转换器的示例性实施例的高级示意图，该滞后转换器还包括耦合到滞后比较器的输入的同步电路；
图2D示出图2A的滞后转换器的示例性实施例的高级示意图，该滞后转换器还包括同步电路，同步电路包括耦合到滞后比较器的输出的可变延迟元件；
图2E示出图2A的滞后转换器的示例性实施例的高级示意图，该滞后转换器还包括同步电路以及任选的斜率补偿电路；
图2F示出图2E的滞后转换器的示例性实施例的高级示意图，其中斜率补偿电路的输出与反馈信号电压相加；
图3示出滞后转换器的示例性实施例的高级示意图，该滞后转换器包括一对电流源并且还包括自动归零电路，电流源之一被排列成在半桥驱动电路启用时启用；以及
图4示出一种滞后功率转换的方法的示例性实施例的高级流程。
具体实施方式
在详细地解释本发明的至少一个实施例之前，应当理解本发明不限于其应用于构造的细节以及在以下描述中阐述或者在附图中示出的组件的排列。本发明可适用于其他实施例或者以各种方式实践或实现。同样，应当理解本文中所采用的词组和术语是出于描述的目的，并且不应被视为限制。
如本文中所使用的术语“连接”或“耦合”或者其任何变体不意味着限于直接连接，并且意味着包括直接或间接的任何耦合或连接，并且适当的电阻器、电容器、电感器以及其他有源和非有源元件的使用不超出其范围。
图2A示出滞后转换器100的示例性实施例的高级示意图，该滞后转换器100包括：滞后比较器20，滞后比较器20在一个非限制性实施例中包括施密特触发比较器；开关式电源40，开关式电源40被示为但不限于降压转换器；分压器110；斜坡生成器120；以及基准电压源130。另外，还示出负载90。开关式电源40包括：第一电控制开关50，在一个非限制性实施例中包括PFET；第二电控制开关60，在一个非限制性实施例中包括NFET；电感器70；以及输出比较器80。斜坡生成器120包括：电流源140；可开关电流源150；逆变器160；斜坡电阻器170；以及斜坡电容器180。第一电控制开关50还被称为高侧开关，而第二电控制开关60还被称为低侧开关。
输入电压VIN连接到PFET 50的源极，并且PFET 50的漏极连接到电感器70的第一端以及NFET 60的漏极。电感器70的第二端连接到输出电容器80的第一端、负载90的第一端、以及分压器110的第一端，由此该电压标示为输出电压VOUT。负载90的第二端、输出电容器80的第二端、以及NFET 60的源极连接到公共电位。
分压器110的第二端连接到公共电位。分压器110的公共节点连接到滞后比较器20的非反相输入并且构成反馈连接，由此电压构成反馈信号且被标示为FB。滞后比较器20的输出连接到PFET 50的栅极、NFET 60的栅极、以及逆变器160的输入。逆变器160的输出连接到可开关电流源150的控制输入。可开关电流源150的输入连接到电流源140的输出、斜坡电阻器170的第一端、斜坡电容器180的第一端、以及滞后比较器20的反相输入，由此电压被标示为VREF。斜坡电阻器170的第二端连接到斜坡电容器180的第二端以及基准电压源130的正端。基准电压源130的负端、电流源140的输入、以及可开关电流源150的输出连接到公共电位。任选地，在比较器20的输出与PFET 50和NFET 60的栅极之间提供栅极驱动电路(未示出)。优选地，斜坡电容器180不耦合到接地。
优选地，电流源140的幅度具有固定幅度，进一步优选地，固定幅度是跨基准电压源130的电压的函数。优选地，在启用时，可开关电流源150的幅度是固定幅度。在一个实施例中，固定幅度是输入电压VIN的函数。在一个实施例中，电流源和可开关电流源150的方向反转。
在操作中，当反馈信号FB下降到小于电压VREF时，滞后比较器20闭合电控制开关50，打开电控制开关60，并且启用可开关电流源150。由此，电感器70连接到输入电压VIN，并且电流被允许通过电感器70，该电流在输出电容器80的方向上流动且随着时间增大由此增大输出电压VOUT时被定义为正。当反馈信号FB大于电压VREF时，滞后比较器20打开电控制开关50，闭合电控制开关60，并且停用可开关电流源150。由此，电感器70连接到公共电位，并且通过电感器70的电流随着时间减小，由此减小输出电压VOUT。滞后由滞后比较器20提供以避免不稳定性。有利地，分压器110对输出电压VOUT的分压允许低压比较器用于滞后比较器20。
斜坡生成器120被排列成产生增加到基准电压源130的斜坡电压。具体地，被标示为I1的来自电流源140的电流输出(如以上所指示的，该电流输出优选地作为跨基准电压源130的电位的函数)被排列成随着时间对斜坡电容器180进行充电，由此使得电压VREF随着时间斜升。当可开关电流源150启用时，被标示为I2的来自可开关电流源150的电流输出(如以上所指示的，该电流输出优选地作为输入电压VIN的函数)从斜坡电容器180放电，由此使得电压VREF随着时间斜降。
进一步详细地，当PFET 50闭合(即，跨电感器70的电流上升)时，启用可开关电流源150。电流I2大于电流I1，并且由此电容器180开始放电且电压VREF开始斜降。当电压VREF下降到反馈信号FB以下时，如上所述，滞后比较器20被排列成打开PFET 50且闭合PFET 60，并且停用可开关电流源150。在缺少停用的可开关电流源150的电流I2时，通过电流I1对电容器180进行充电，由此电压VREF开始斜升。当电压VREF变得大于反馈信号FB时，如上所述，滞后比较器20被排列成打开NFET 60且闭合PFET 50，并且启用可开关电流源150。
滞后转换器100的闭环排列使得输出电压VOUT平均为：
VOUT＝α*VREF 等式1
其中α是分压器110对输出电压VOUT的分压的函数，具体地：
α＝VOUT/FB 等式2
为了准确地调节输出电压VOUT，VREF应当随着时间维持恒定的平均基准电压。在一个实施例中，选择电流源140和可开关电流源150，以使跨斜坡电容器180的平均电压为0，由此电压VREF通过基准电压源130维持与电压输出相等的平均电压。在一个特定实施例中，选择电流源140和可开关电流源150，以使电流I1和I2的组合的平均值为0。具体地，优选地选择电流源140和可开关电流源150，以使电流I2和电流I1之间的比率为：
I2/I1＝1/D 等式3
其中D是可开关电流源150的占空比，即PFET 50的占空比。在电流I1和I2的组合的平均值未精确为0的情况下，斜坡电阻器170被排列成呈现到斜坡电容器180的放电路径，以防止跨斜坡电容器过度地形成电荷。应当理解，在负载情形的范围上，D在电位值的范围上变化，并且由此无法维持等式3。
以上针对其中斜坡电容器180连接在基准电压源130和滞后比较器20之间的实施例进行了描述，然而这不意味着以任何方式进行限制。在另一实施例中，斜坡电容器180、斜坡电阻器170、电流源140、以及可开关电流源150都并联连接在基准电压源130和公共电位之间，而不超出该范围。
以上针对其中开关式电源40包括降压转换器的实施例进行了描述，然而这不意味着以任何方式进行限制，并且可提供任何开关式电源(包括但不限于升压转换器或升压降压转换器)，而不超出该范围。
图2B示出滞后转换器200的示例性实施例的高级示意图。滞后转换器200在所有方面与图2A的滞后转换器100类似，不同之处在于，滞后比较器20的反相输入连接到基准电压源130的输出。滞后比较器20的非反相输入连接到斜坡电容器180(斜坡生成器120)的第一端、斜坡电阻器170的第一端、电流源140的输出、以及可开关电流源150的输入。斜坡电容器180的第二端和斜坡电阻器170的第二端共同连接到分压器110的公共节点。此外，未提供逆变器160，并且可开关电流源150的控制输入连接到滞后比较器20的输出。
滞后转换器200的操作在所有方面与滞后转换器100的操作类似，不同之处在于，在跨斜坡电容器180产生的斜坡电压在分压器110的公共节点与反馈信号FB相加，而不是与基准电压源130的输出相加。由于斜坡电压与反馈信号FB相加，因此跨斜坡电容器180的电压被排列成在PFET 50闭合时斜升且在PFET 50打开时斜降。然而，如以上所指示的，在负载情形的范围上，无法维持等式3，并且由此跨斜坡电容器180的电压随着时间可以不平均为0，从而导致VOUT从如等式1和等式2所描述的期望值开始变化。
图2C示出滞后转换器250的示例性实施例的高级示意图，该滞后转换器250包括图2A的滞后转换器100，并且还包括耦合到滞后比较器20的输入的同步电路260。同步电路260包括周期性电流源262和电阻器265。周期性电流源262的第一端连接到比较器20的反相输入，并且经由电阻器265耦合到电压VREF。周期性电流源262被排列成向比较器20的反相输入驱动周期性电流。周期性电流源262的第二端连接到公共电位。优选地，周期性电流源262是具有低占空比(诸如1％的占空比，不限于此)的信号，其中该信号为低电平有效(activelow)。
在操作中，滞后转换器250在所有方面与滞后转换器100相同，其与周期性电流源262的输出同步。具体而言，当周期性电流源262有效时，迫使比较器20的输出为正。在周期性电流源262无效时的时间段期间，比较器20的输出如以上针对图2A所描述的。由此，比较器20的循环随着时间与周期性电流源262的有效周期同步，并且作为结果，滞后比较器280由此响应于同步电路260而同步。
图2D示出滞后转换器270的示例性实施例的高级示意图，该滞后转换器270包括图2A的滞后转换器100，并且还包括同步电路275。同步电路275包括：周期信号生成器280；相位检测器285；滤波器290；以及可变延迟元件295。周期信号生成器280连接在相位检测器285的一个输入和公共电位之间。滞后比较器的输出连接到可变延迟元件295的输入，并且可变延迟元件295的输出连接到相位检测器285的第二输入、电控制开关50、60的栅极、以及逆变器160的输入。相位检测器285的输出经由滤波器290连接到可变延迟元件295的控制输入。斜坡生成器120被示为没有电阻器170，因为在特定实施例中，不需要电阻器170。
在操作中，滞后转换器270在所有方面与滞后转换器100相同，其响应于同步电路275而同步。周期信号生成器280的相位与电控制开关50、60的驱动输入的相位相当，并且响应于相位延迟，到可变延迟元件295的延迟增大或者到可变延迟元件295的延迟减小。过滤器290用来减少噪声。由此，到电控制开关50、60的驱动信号与周期信号生成器280的输出同步。
图2E示出滞后转换器300的示例性实施例的高级示意图，该滞后转换器300包括如以上针对图2A的滞后转换器100所描述的滞后转换器，并且还包括同步电路310以及任选的斜率补偿电路320。一般而言，开关式电源40被示为由第一电控制开关50和第二电控制开关60组成。第一电控制开关50被示为由缓冲器355驱动，并且第二电控制开关60被示为由反相缓冲器370驱动。可提供诸如附加缓冲器之类的延迟电路，以防止击穿。开关式电源40的均衡在所有方面与图2A的开关式电源40相同，并且由此为了简洁将不再进一步地描述。
提供多个缓冲器360。任选的斜率补偿电路320包括电控制开关370、电容器375、以及电流源380。同步电路320包括：求和放大器330；周期信号源335；RS触发器340；与门345；以及也称为“单触发”的任选单稳态多谐振荡器350。周期信号源335被示为在同步电路320内，然而这不意味着以任何方式进行限制，并且具体地预想使用外部周期信号源。
反相缓冲器357的输出经由第一对应缓冲器360连接到电控制开关370的控制输入，并且经由第二对应缓冲器360连接到斜坡生成器120的控制输入。如上所述，斜坡生成器120接收基准电压源130的输出，并且斜坡生成器120的输出连接到求和放大器330的非反相输入。
电控制开关370的第一端连接到电容器375的第一端、电流源380的正输出、以及求和放大器330的反相输入。电控制开关370、电容器375、以及电流源380各自的第二端共同连接到公共电位。求和放大器330的输出连接到滞后比较器20的反相输入。
滞后比较器20的输出连接到SR触发器340的复位输入，并且SR触发器340的Q输出连接到与门345的第一输入。周期信号源335的输出连接到任选的单稳态多谐振荡器350的触发输入，并且任选的单稳态多谐振荡器350的输出连接到与门345的第二输入。与门345的输出连接到缓冲器355和反相缓冲器357各自的输入，并且周期信号源335的返回连接到公共电位。
在操作中，与滞后比较器20和斜坡生成器120协作的开关式电源40如以上针对图2A的滞后转换器100所描述地操作。另外，响应于同步电路310，开关式电源40的操作与周期信号源335的输出同步。任选的斜率补偿电路320操作，从而在开关式电源40的占空比大于50％时减少分谐波振荡。
现在将进一步描述同步电路310的操作。当表示VOUT的反馈信号FB的电压变得大于基准电压源130的输出、从而忽视由斜坡生成器120以及任选的斜率补偿电路320引起的任何扰动时，复位SR触发器340，由此将与门345的输出设置为低逻辑电平，并且由此第一电控制开关50响应于缓冲器355而打开且第二电控制开关60响应于反相缓冲器357而闭合。
SR触发器340响应于周期信号源335并且由此响应于周期信号源335的预定情形(诸如上升沿)而置位，第一电控制开关50响应于与门345和缓冲器355而闭合，并且第二电控制开关60响应于反相缓冲器357而打开。由此，第一电控制开关50(高侧开关)响应于周期信号源225的输出而周期性地闭合，并且第二电控制开关60(低侧开关)同时打开。第一电控制开关50响应于滞后比较器20的输出而打开，并且由此第一电控制开关50闭合的时间量响应于滞后比较器20而被确定。由此，开关式电源40的开关操作与周期信号源335的输出同步。与以上针对图2D所描述的PLL同步相比，这种同步有利地提供了缩减的抖动。
任选的单稳态多谐振荡器350操作以提供第一电控制开关50的闭合状态的固定最大周期，因为在任选的单稳态多谐振荡器350的预定周期结束之后，与门345的输出变低，由此迫使第一电控制开关50打开。
如上所述，斜坡生成器120用来将小斜坡电压与基准电压源130的输出相加，由此增加稳定性。如上所述，斜坡生成器120可包括自动归零电路410，而不超出该范围。
现在将进一步描述任选的斜率补偿电路320的操作。当第二电控制开关60(即，低侧开关)闭合时，电控制开关370类似地闭合，由此使电容器375短路并且将求和放大器330的反相输入设置为公共电位(即，0)。当第二电控制开关60打开时，电控制开关370类似地打开并且电容器375开始响应于电流源380而充电。斜坡生成器120的输出减去跨电容器375的上升电压，并且将该和呈现给滞后比较器20的反相输入。滞后比较器20响应于斜坡生成器120的拐点(inflection)而切换开关，并且斜率补偿电路320为超过50％的占空比提供稳定性。
图2F示出滞后转换器390的示例性实施例的高级示意图，该滞后转换器390在所有方面与图2E的滞后转换器300相同，不同之处在于，增加斜率补偿电路320的输出，其中斜率补偿电路的输出经由求和放大器330与反馈信号FB相加。反馈信号FB和斜率补偿电路320的输出各自耦合到求和放大器330的对应非反相输入，并且求和放大器330的输出耦合到滞后比较器20的非反相输入。斜坡生成器120的输出耦合到滞后比较器20的反相输入。滞后转换器390的操作在所有方面与滞后转换器300的操作相同，并且为了简洁将不再进一步地详述。
图3示出滞后转换器400的示例性实施例的高级示意图。滞后转换器400在所有方面与图2A的滞后转换器100类似，不同之处在于，滞后转换器400还包括自动归零电路410。自动归零电路410包括：第一跨导放大器420；第二跨导放大器430；以及平均电容器440。第一跨导放大器420的反相输入连接到斜坡电容器180的第一端，并且第一跨导放大器420的非反相输入连接到斜坡电容器180的第二端。第一跨导放大器420的输出连接到第二跨导放大器430的非反相输入以及平均电容器440的第一端。平均电容器440的第二端和第二跨导放大器430的反相输入各自连接到公共电位。第二跨导放大器430的输出连接到斜坡电容器180的第一端。
滞后转换器400的操作在所有方面与滞后转换器100的操作相类似，不同之处在于，当跨斜坡电容器180的电压小于0时，平均电容器440通过第一跨导放大器420进行充电，并且当跨斜坡电容器180的电压大于0时，平均电容器440通过第一跨导放大器420进行放电，由此确保跨斜坡电容器180的平均电压为0。优选地，选择第一跨导放大器420和平均电容器440，以使平均电容器440以比斜坡电容器180更慢的速率进行充电。通常，该平均电路的带宽显著地慢于滞后转换器400的交叉频率。由此，跨平均电容器440的电压表示跨斜坡电容器180的平均电压的反相值。如果跨平均电容器440的电压小于0(即，跨斜坡电容器180的平均电压大于0)，则第二跨导放大器430被排列成对斜坡电容器180进行放电。如果跨平均电容器440的电压大于0(即，跨斜坡电容器180的平均电压小于0)，则第二跨导放大器430被排列成对斜坡电容器180进行充电。由此，自动归零电路410被排列成将跨斜坡电容器180的平均电压主动地设置为0。在这种实施例中，不需要斜坡电阻器170。然而，斜坡电阻器170在特定实施例中对于对自动归零电路410施加界限和/或改进瞬态响应性能可能是有利的。
图4示出根据特定实施例的一种滞后功率转换的方法的高级流程图。在阶段1000中，提供开关式电源，诸如开关式电源40。如以上针对图2A所描述的，可提供任何类型的开关式电源，不限于此。开关式电源包括电感器、电控制开关、以及输出电容器。在阶段1010，提供滞后比较器。所提供的滞后比较器的第一输入耦合到被排列成提供表示跨输出电容器的电压的反馈信号的反馈连接。在一个实施例中，跨输出电容器的电压由分压器分压，该电压的分压部分构成反馈信号。在阶段1020中，响应于阶段1010的所提供的滞后比较器的输出，通过电感器和电源交替地打开和闭合回路。在一个实施例中，通过分别打开和闭合电控制开关来打开和闭合该回路。在任选的阶段1030中，该回路的打开和闭合与周期信号同步。
在阶段1040中，提供基准电压，所提供的基准电压耦合到阶段1010的所提供的滞后比较器的第二输入。在阶段1050中，提供斜坡生成器，该斜坡生成器包括：斜坡电容器；电流源，优选具有作为阶段1040的所提供的基准电压的函数的固定值；以及可开关电流源，优选具有在启动时作为输入电压的函数的固定值。斜坡电容器、电流源、以及可开关电流源连接到公共节点，并且可开关电流源被排列成在与关于公共节点的电流源所提供的电流方向相反的方向上提供电流。如上所述，斜坡电容器通过所提供的电流进行充电和放电，由此跨斜坡电容器生成斜坡电压。可开关电流源响应于阶段1010的所提供的滞后比较器的输出而交替地启用和停用。在一个实施例中，可开关电流源在阶段1000的电控制开关闭合时启用且在该电控制开关打开时停用。
在阶段1060中，阶段1050的所生成的斜坡电压与反馈信号和基准电压之一相加。在一个特定实施例中，所生成的斜坡电压与基准电压相加。在一个进一步实施例中，阶段1050的斜坡电容器耦合在阶段1040的所提供的基准电压与阶段1010的所提供的滞后比较器的第二输入之间。在任选的阶段1070中，选择阶段1050的电流源和可开关电流源，以使在跨斜坡电容器产生的平均斜坡电压为0。在一个实施例中，提供斜坡电阻器，该斜坡电阻器并联连接到斜坡电容器并且被排列成提供到斜坡电容器的放电路径从而为跨那里的任何累积的电荷提供放电路径。
在任选的阶段1080中，提供自动归零电路，该自动归零电路优选地包括：第一和第二跨导放大器；以及平均电容器。响应于第一跨导放大器的输出，跨平均电容器的电压反映阶段1050的跨斜坡电容器的平均斜坡电压。在一个实施例中，第一跨导放大器的输入跨斜坡电容器耦合，并且第一跨导放大器的输出耦合到平均电容器。优选地，第二跨导放大器被排列成响应于跨平均电容器的电压将平均斜坡电压主动地设置为0。在一个实施例中，第二跨导放大器的输入跨平均电容器耦合，并且第二跨导放大器的输出连接到斜坡电容器。
应当理解，为了清楚起见在单独实施例的上下文中描述的本发明的特定特征还可在单一实施例中组合地提供。相反，为了简洁起见在单一实施例的上下文中描述的本发明的各个特征还可单独地或者以任何合适的子组合提供。
除非以其他方式定义，否则本文中所使用的所有技术和科学术语具有如本发明所属的本领域的普通技术人员共同理解的相同含义。虽然类似于或等同于本文中所描述的方法可在实践或试验本发明时使用，但是合适的方法在本文中进行了描述。
本文中所提及的所有出版物、专利申请、专利、以及其它引用文献通过引用整体结合于此。在冲突的情况下，包括定义的专利申请将优先。另外，材料、方法、以及示例指示说明性的，并且不旨在进行限制。
本领域技术人员应当理解，本发明不限于以上在本文中已经具体地示出和描述的内容。相反，本发明的范围由所附权利要求限定，并且包括上文中所描述的各个特征的组合和子组合两者、以及本领域技术人员在阅读前面的描述之后可发生且不是现有技术的其变体和修改。

Claims (24)

1.滞后功率转换器，包括：
开关式电源，所述开关式电源包括电感器、电控制开关、以及输出电容器，所述电控制开关被排列成通过所述电感器和电源的引线交替地打开和闭合回路；
同步电路，所述同步电路被排列成使所述开关式电源与周期信号同步，所述同步电路被排列成响应于所述周期信号的预定情形将所述电控制开关闭合；
滞后比较器，所述滞后比较器的第一输入耦合到反馈连接且被排列成从所述反馈连接接收提供跨所述输出电容器的电压表示的反馈信号，所述电控制开关响应于所述滞后比较器的输出而被打开；
基准电压源，所述基准电压源耦合到所述滞后比较器的第二输入且被排列成提供基准电压；
斜坡电容器，所述斜坡电容器耦合到所述基准电压源和所述反馈连接之一；
电流源，所述电流源的端子耦合到所述斜坡电容器且被排列成将电流驱动到所述斜坡电容器；
可开关电流源，所述可开关电流源的端子耦合到所述斜坡电容器，所述可开关电流源被排列成在与所述电流源所驱动的电流相反的方向上将电流驱动到所述斜坡电容器，其中所述可开关电流源响应于所述滞后比较器的输出而交替地启用和停用；以及
自动归零电路，所述自动归零电路跨所述斜坡电容器被耦合且被排列成将跨所述斜坡电容器的平均电压设置为0。
2.如权利要求1所述的滞后功率转换器，其特征在于，所述可开关电流源被排列成提供在启用时其幅度是所述电源的所述引线的电压的函数的电流。
3.如权利要求1所述的滞后功率转换器，其特征在于，所述电流源被排列成提供其幅度是所述基准电压源的函数的电流。
4.如权利要求1所述的滞后功率转换器，其特征在于，还包括：分压器，所述分压器的一端耦合到所述输出电容器，所述反馈连接是到所述分压器的公共节点的连接。
5.如权利要求1所述的滞后功率转换器，其特征在于，所述可开关电流源在所述电控制开关闭合时启用且在所述电控制开关打开时停用。
6.如权利要求1所述的滞后功率转换器，其特征在于，选择所述电流源和所述可开关电流源，以使跨所述斜坡电容器的平均电压为0。
7.如权利要求6所述的滞后功率转换器，其特征在于，还包括：斜坡电阻器，所述斜坡电阻器与所述斜坡电容器并联耦合。
8.如权利要求1所述的滞后功率转换器，其特征在于，所述同步电路被进一步排列成在固定最大周期到期之后打开所述电控制开关。
9.如权利要求1所述的滞后功率转换器，其特征在于，还包括：斜率补偿电路。
10.滞后功率转换器，包括：
开关式电源，所述开关式电源包括电感器、电控制开关、以及输出电容器，所述电控制开关被排列成通过所述电感器和电源的引线交替地打开和闭合回路；
滞后比较器，所述滞后比较器的第一输入耦合到反馈连接且被排列成从所述反馈连接接收提供跨所述输出电容器的电压表示的反馈信号，所述电控制开关响应于所述滞后比较器的输出而被打开和闭合；
基准电压源，所述基准电压源耦合到所述滞后比较器的第二输入且被排列成提供基准电压；
斜坡电容器，所述斜坡电容器耦合到所述基准电压源和所述反馈连接之一；
电流源，所述电流源的端子耦合到所述斜坡电容器且被排列成将电流驱动到所述斜坡电容器；
可开关电流源，所述可开关电流源的端子耦合到所述斜坡电容器，所述可开关电流源被排列成在与所述电流源所驱动的电流相反的方向上将电流驱动到所述斜坡电容器，其中所述可开关电流源响应于所述滞后比较器的输出而交替地启用和停用；以及
自动归零电路，所述自动归零电路跨所述斜坡电容器被耦合且被排列成将跨所述斜坡电容器的平均电压设置为0；
其中所述自动归零电路包括：
第一跨导放大器；
第二跨导放大器；以及
平均电容器，
所述第一跨导放大器的第一输入耦合到所述斜坡电容器的第一端，而所述第一跨导放大器的第二输入耦合到所述斜坡电容器的第二端，所述第一跨导放大器的输出耦合到所述第二跨导放大器的第一输入，所述平均电容器耦合在所述第二跨导放大器的所述第一输入和所述第二跨导放大器的所述第二输入之间并且被排列成反映跨所述斜坡电容器的电压的平均值，所述第二跨导放大器的输出耦合到所述斜坡电容器的第一端，
其中在跨所述斜坡电容器的平均电压增大的情况下，所述第二跨导放大器输出电流以减小跨所述斜坡电容器的电压，并且在跨所述斜坡电容器的平均电压减小的情况下，所述第二跨导放大器输出电流以增大跨所述斜坡电容器的电压。
11.如权利要求10所述的滞后功率转换器，其特征在于，还包括：同步电路，所述同步电路被排列成使所述开关式电源与周期信号同步。
12.一种滞后功率转换器，包括：
开关式电源，所述开关式电源包括电感器、电控制开关、以及输出电容器，所述电控制开关被排列成通过所述电感器和电源交替地打开和闭合回路；
同步电路，所述同步电路被排列成使所述开关式电源与周期信号同步，所述同步电路被排列成响应于所述周期信号的预定情形将所述电控制开关闭合；
滞后比较器，所述滞后比较器的第一输入耦合到反馈连接且被排列成从所述反馈连接接收提供跨所述输出电容器的电压表示的反馈信号，所述电控制开关响应于所述滞后比较器的输出而被打开；
基准电压源，所述基准电压源耦合到所述滞后比较器的第二输入且被排列成产生基准电压；
斜坡生成器，所述斜坡生成器被排列成生成与所述基准电压和所述反馈信号之一相加的斜坡电压，所述斜坡生成器包括：
电流源、可开关电流源、以及斜坡电容器，所述电流源和所述可开关电流源各自的端子耦合到所述斜坡电容器，所述电流源和所述可开关电流源被排列成在相反方向上将电流驱动到所述斜坡电容器，
其中所述可开关电流源响应于所述滞后比较器的输出而交替地被启用和停用；以及
自动归零电路，所述自动归零电路跨所述斜坡电容器耦合且被排列成将所述生成的斜坡电压的平均值设置为0。
13.如权利要求12所述的滞后功率转换器，其特征在于，所述电流源被排列成提供其幅度是所述基准电压源的函数的电流，并且所述可开关电流源被排列成提供在启用时其幅度是所述电源的引线的电压的函数的电流。
14.如权利要求12所述的滞后功率转换器，其特征在于，还包括：分压器，所述分压器的一端耦合到所述输出电容器，其中所述反馈连接是到所述分压器的公共节点的连接。
15.如权利要求12所述的滞后功率转换器，其特征在于，所述可开关电流源在所述电控制开关闭合时启用且在所述电控制开关打开时停用。
16.如权利要求12所述的滞后功率转换器，其特征在于，选择所述电流源和所述可开关电流源，以使所述生成的斜坡电压的平均值为0。
17.如权利要求16所述的滞后功率转换器，其特征在于，还包括：所述斜坡生成器还包括斜坡电阻器，所述斜坡电阻器与所述斜坡电容器并联耦合。
18.如权利要求12所述的滞后功率转换器，其特征在于，所述同步电路被进一步排列成在固定最大周期到期之后打开所述电控制开关。
19.如权利要求12所述的滞后功率转换器，其特征在于，还包括：斜率补偿电路。
20.滞后功率转换器，包括：
开关式电源，所述开关式电源包括电感器、电控制开关、以及输出电容器，所述电控制开关被排列成通过所述电感器和电源交替地打开和闭合回路；
滞后比较器，所述滞后比较器的第一输入耦合到反馈连接且被排列成从所述反馈连接接收提供跨所述输出电容器的电压表示的反馈信号，所述电控制开关响应于所述滞后比较器的输出而被打开和闭合；
基准电压源，所述基准电压源耦合到所述滞后比较器的第二输入且被排列成产生基准电压；
斜坡生成器，所述斜坡生成器被排列成产生被加入到所述基准电压和所述反馈信号之一的斜坡电压，所述斜坡生成器包括：
电流源、可开关电流源、以及斜坡电容器，所述电流源和所述可开关电流源各自的端子耦合到所述斜坡电容器，所述电流源和所述可开关电流源被排列成在相反方向上将电流驱动到所述斜坡电容器，
其中所述可开关电流源响应于所述滞后比较器的输出而交替地被启
用和停用；以及
自动归零电路，所述自动归零电路跨所述斜坡电容器耦合且被排列成将所述生成的斜坡电压的平均值设置为0，
其中，所述自动归零电路包括：
第一跨导放大器；
第二跨导放大器；以及
平均电容器，
所述第一跨导放大器的第一输入耦合到所述斜坡电容器的第一端，和所述第一跨导放大器的第二输入耦合到所述斜坡电容器的第二端，所述第一跨导放大器的输出耦合到所述第二跨导放大器的第一输入，所述平均电容器耦合在所述第二跨导放大器的所述第一输入和所述第二跨导放大器的所述第二输入之间并且被排列成反映跨所述斜坡电容器的电压的平均值，所述第二跨导放大器的输出耦合到所述斜坡电容器的所述第一端，
其中在所述生成的斜坡电压的平均值增大的情况下，所述第二跨导放大器输出电流以减小所述生成的斜坡电压，并且在所述生成的斜坡电压的平均值减小的情况下，所述第二跨导放大器输出电流以增大所述生成的斜坡电压。
21.如权利要求20所述的滞后功率转换器，其特征在于，还包括：同步电路，所述同步电路被排列成使所述开关式电源与周期信号同步。
22.一种滞后功率转换的方法，包括：
提供由电感器、电控制开关和输出电容器组成的开关式电源；
提供滞后比较器；
将表示跨所述输出电容器的电压的反馈信号提供给所提供的滞后比较器的第一端子；
响应于所述滞后比较器的输出，通过所述电感器和电源交替地打开和闭合回路；
提供基准电压；
提供电流源；
提供可开关电流源；
响应于耦合到公共节点的所述提供的电流源和所述提供的可开关电流源，生成斜坡电压，其中所述可开关电流源响应于所述滞后比较器的输出而交替地被启用和停用；
将所述生成的斜坡电压与所述提供的基准电压和所述提供的反馈信号之一相加；
提供第一跨导放大器，所述第一跨导放大器被排列成接收所述生成的斜坡电压；
提供平均电容器，所述平均电容器被排列成接收所述提供的第一跨导放大器的输出，其中跨所述提供的平均电容器的电压反映所述生成的斜坡电压的平均值；
提供第二跨导放大器，所述第二跨导放大器被排列成接收跨所述提供的平均电容器的电压；以及
响应于所述提供的第二跨导放大器的输出，将所述生成的斜坡电压的平均值主动地设置为0。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述可开关电流源在所述电控制开关闭合时启用且在所述电控制开关打开时停用。
24.一种滞后功率转换的方法，包括：
提供由电感器、电控制开关和输出电容器组成的开关式电源；
响应于所接收的周期信号的预定条件，闭合与所述电感器和电源的回路，由此使所述提供的开关式电源与接收到的周期信号同步；
提供滞后比较器；
将表示跨所述输出电容器的电压的反馈信号提供给所提供的滞后比较器的第一端子；
响应于所述滞后比较器的输出，通过所述电感器和电源打开所述回路；
提供基准电压；
提供电流源；
提供可开关电流源；
响应于耦合到公共节点的所述提供的电流源和所述提供的可开关电流源，生成斜坡电压，其中所述可开关电流源响应于所述滞后比较器的输出而交替地被启用和停用；
将所述生成的斜坡电压与所述提供的基准电压和所述提供的反馈信号之一相加。
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