CN105406696A - 用以使电流模式切换转换器稳定的前馈回路 - Google Patents

用以使电流模式切换转换器稳定的前馈回路 Download PDF

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Abstract

本申请案涉及用以使电流模式切换转换器稳定的前馈回路。一电路(100)包含电流传感器(160)以感测在切换DC/DC转换器的输入侧处流动的切换电流。输出电容器(140)对所述切换DC/DC转换器的输出侧处的输出电压进行滤波。前馈电路(170)将所述所感测切换电流的一部分传递到所述切换DC/DC转换器的所述输出侧上的反馈路径。所述前馈电路(170)将所述所感测切换电流的一部分传递到所述切换DC/DC转换器的所述输出侧上的反馈路径，从而模拟所述输出电容器(140)的改变的有效串联电阻ESR以促进所述切换DC/DC转换器中的操作稳定性。

Description

用以使电流模式切换转换器稳定的前馈回路
技术领域
本发明涉及切换电力供应器，且更特定来说涉及调整用于切换转换器的输出滤波器的等效串联电阻(ESR)的效应以促进所述转换器的稳定的电路。
背景技术
切换调节器(或转换器)为使用电力开关、电感器及二极管来将能量从输入转移到输出的电路。在输出处，存储电容器接收经由电力开关的切换在电感器中产生的能量。切换转换器的基本组件可经重新布置以形成步降(降压)转换器、步升(升压)转换器或换流器(返驰)，举例来说。反馈及控制电路可嵌套在这些电路周围以调节从电感器到存储电容器的能量转移以将恒定输出维持在正常操作条件内。
用于控制切换转换器的最常见控制方法为经由脉冲宽度调制(PWM)。此方法取输出电压的样本且从参考电压减去此样本以建立小误差信号(VERROR)。将此误差信号与振荡器斜波信号进行比较。比较器输出操作电力开关的数字输出(PWM)信号。当电路输出电压改变时，VERROR也改变且因此导致比较器阈值改变。因此，输出脉冲宽度(PWM)也改变。此工作周期改变然后使输出电压移动以将错差信号减小到零，因此完成控制回路。
关于PWM转换器的一个问题与在调节中维持输出电压的控制回路的操作稳定性有关。用于转换器的控制回路具有随转换器的操作频率变化的增益因子。增益因子受从电路的转移函数导出的极点及零点影响且受转换器的不同组件影响。举例来说，转换器中的输出存储电容器具有称为从存储电容器接收来自转换器的输入侧的能量的频率导出的等效串联电阻(ESR)的参数。存储电容器的ESR有助于控制转移函数中的零点，此有助于控制回路的总体稳定性(例如，抵消回路中的主导极点)。然而，随着时间及温度，存储电容器的ESR可改变，此改变零点在控制转移函数的频域中的放置且因此可使控制回路不稳定。
发明内容
本发明涉及一种电路，所述电路调整用于切换转换器的输出滤波器的等效串联电阻(ESR)的效应以促进转换器的稳定。在一个实例中，电路包含电流传感器以感测在切换DC/DC转换器的输入侧处流动的切换电流。输出电容器对所述切换DC/DC转换器的输出侧处的输出电压进行滤波。所述前馈电路将所述所感测切换电流的一部分传递到所述切换DC/DC转换器的所述输出侧上的反馈路径，从而模拟所述输出电容器的改变的有效串联电阻(ESR)以促进所述切换DC/DC转换器中的操作稳定性。
在另一实例中，电路包含电流传感器以感测在切换DC/DC转换器的输入侧处流动的切换电流。输出电容器对所述切换DC/DC转换器的输出侧处的输出电压进行滤波。所述前馈电路将所述所感测切换电流的一部分传递到所述切换DC/DC转换器的所述输出侧上的反馈路径。所述前馈电路改变受所述输出电容器的所述有效串联电阻(ESR)影响的控制转移函数的频率响应以使所述DC/DC转换器稳定。所述前馈电路中的高通滤波器对所述所感测电流的DC电流进行滤波且将所述所感测电流的AC纹波电流传递到所述反馈路径以改变所述控制转移函数的所述频率响应。
在又一实例中，集成电路包含切换电路以切换所述切换DC/DC转换器的所述输入侧处的电感器中的电流。电流传感器感测在所述电感器中流动的所述电流。比率电路选择由所述电流传感器所感测的电流的比率。输出电容器对所述切换DC/DC转换器的输出侧处的输出电压进行滤波。前馈电路将所述选定电流的部分从所述比率电路传递到所述切换DC/DC转换器的所述输出侧上的反馈路径。所述前馈电路变更由所述输出电容器的所述有效串联电阻(ESR)定义的控制转移函数零点的位置。所述前馈电路中的高通滤波器对所述所感测电流的DC电流进行滤波且将所述所感测电流的AC纹波电流传递到所述反馈路径以变更由所述ESR定义的所述控制转移函数零点的所述位置以使所述切换DC/DC转换器稳定。
附图说明
图1图解说明调整用于切换转换器的输出滤波器的等效串联电阻(ESR)的效应以促进转换器的稳定的电路的实例。
图2图解说明描绘基于用于切换转换器的输出滤波器的等效串联电阻(ESR)的效应的极点移动的实例性图式。
图3图解说明采用前馈路径中的高通滤波器来调整用于切换转换器的输出滤波器的等效串联电阻(ESR)的效应以促进转换器的稳定的实例性电路。
图4图解说明采用前馈路径中的高通滤波器及比率电路来调整用于切换转换器的输出滤波器的等效串联电阻(ESR)的效应以促进转换器的稳定的实例性电路。
图5图解说明关于调整用于切换转换器的输出滤波器的等效串联电阻(ESR)的效应以促进转换器的稳定的电路可采用的切换转换器类型的实例。
具体实施方式
本发明涉及调整用于切换转换器的输出滤波器的等效串联电阻(ESR)的效应以促进转换器的稳定的电路。在一个实例中，切换转换器可包含提供与由输入电压所供应实质上相同的输出电压的各种类型的电流模式DC/DC转换器，所述电流模式DC/DC转换器可包含步升转换器、步降转换器、逆流器及隔离类型转换器。切换转换器包含切换电路以切换在切换DC/DC转换器的输入侧处的电感器中的电流。电流传感器感测在电感器中流动的电流。在一个实例中，比率电路(例如，N:1步降)选择在电感器中流动的电流的一部分。当切换电感器中的电流时，转换器的输出侧上的整流器(例如，半波、全波、同步整流器)将经切换电感器电流转换成转换器的输出侧上的DC输出电压。输出电容器对转换器的输出侧处的输出电压进行滤波。
取决于安装输出电容器的类型、温度及时间，举例来说，输出电容器的有效串联电阻(ESR)可改变，此可使转换器不稳定(例如，移动转换器转移函数中的抵消极点)。因此，提供具有减轻改变的ESR的效应(此允许转换器以稳定方式操作)的效应的前馈电路。前馈电路将选定电流的部分从比率电路传递到切换转换器的输出侧上的反馈路径。反馈路径实现切换转换器的输出电压的调节。前馈电路模拟输出电容器的经增加ESR以促进转换器中的操作稳定性。前馈电路中的高通滤波器对所感测电流的DC电流进行滤波且将所感测电流的AC纹波电流传递到反馈路径以模拟经增加ESR。
图1图解说明调整用于切换转换器的输出滤波器的等效串联电阻(ESR)的效应以促进转换器的稳定的电路100的实例。如本文中所使用，术语电路可包含例如执行电路功能(例如切换电路或整流器电路)的有源及/或无源元件的集合。术语电路还可包含例如其中所有电路元件制作于共同衬底上的集成电路。电路100可配置为切换DC/DC转换器(也称为切换转换器)。在电路100的输入侧处，电压VIN驱动将VIN切换到电感器120的切换电路110(例如，脉冲宽度调制(PWM)电路)。电感器120中的所存储能量转移到电路100的输出侧以由整流器电路130整流。由大容量存储输出电容器140对来自整流器电路130的输出进行滤波以对经调节输出电压VOUT进行滤波。经由反馈电路150对输出电压VOUT进行取样且将输出电压VOUT反馈到切换电路110以控制切换电路的工作周期以将VOUT维持在所要调节电压。切换电路110可包含比较器(未展示)及参考电压以设定VOUT的调节。
电流传感器160感测在电感器120中流动的电流。在一个实例中，传感器电路中的比率电路(参见例如图4)(例如，N:1步降、N:1步降后续接着M:1步降)选择在电感器120中流动的电流的一部分。取决于安装输出电容器140的类型、温度及时间，举例来说，输出电容器的有效串联电阻(ESR)可改变，此可使电路100不稳定。除由于温度及时间的ESR变化之外，ESR变化还可归因于所使用的电容器的类型。举例来说，陶瓷电容器通常展现低ESR值(例如，在10毫欧姆范围内)，同时铝电容器具有较高ESR值(例如，在1欧姆范围内)。提供具有减轻输出电容器140中的改变的ESR的效应(此允许电路100以稳定方式操作)的效应的前馈电路170。前馈电路170将选定电流的部分从电流传感器160传递到电路100的输出侧上的反馈电路150。
前馈电路170模拟输出电容器140的经增加ESR以促进转换器中的操作稳定性。基本上，由电感器120产生且由电流传感器160所感测的高频率AC纹波电流传递到反馈电路150，此具有模拟输出电容器140中的经增加ESR的效应。前馈电路170中的高通滤波器(未展示)对所感测电流的DC电流进行滤波且将所感测电流的AC纹波电流传递到反馈电路150以模拟经增加ESR。经由前馈电路170前馈到反馈电路150的电感器纹波电流具有似乎增加处于VOUT的纹波电流而不影响DC电压VOUT的经调节值的效应。然而，纹波电流通常仅出现在反馈电路150中且具有将较高频率反馈到切换电路110的效应，此响应于改变ESR而移动电路100的操作零点。
在一个特定实例中，输出电容器140可为330μF电容器(或电容，如果针对输出电容器采用多个电容器)，其中ESR从0.05Ω变化到1.6Ω，举例来说。ESR零点因此可实质上移动若干量级，且因此影响电路100的稳定。举例来说，在较高ESR值下，由ESR提供的零点帮助抵消非主导极点，但在较低值下，零点移开到达较高频率且这些极点的效应变得更显著–因此导致回路转移函数不稳定性。本文中所描述的电路放大ESR针对前馈电流回路的效应以促进ESR零点不在此宽范围内变化。因此，前馈电感器电流信息直接施加到反馈电路150以模拟经增加ESR且移动零点以提升控制回路中的稳定性。以此方式，电容器ESR的效应通过用前馈电感器电流模拟其纹波电压而增大。因此，ESR零点可设定在所要频率。为减轻DC误差，前馈电路170可采用高通滤波器来将其增益减小到接近DC电平。
图2图解说明描绘基于用于切换转换器的输出滤波器的等效串联电阻(ESR)的效应的极点移动的实例性图式。波特图210描绘具有关于垂直存取的回路增益对关于水平存取的频率的回路转移函数。极点P1导致增益的频率滚降。零点(0)出现且具有抵消极点P2的效应，此变更滚降的斜率。此实例中的零点由具有较高ESR的输出电容器供应，此通过抵消极点P2而有助于回路稳定性。第二波特图220图解说明增益转移函数，其中ESR零点已移动到高于210处所描绘的频率。在此实例中，极点P1及P2两者导致滚降的经增加斜率，此可有助于经减小回路稳定性。在220的实例中已移动到较高频率的零点为输出电容器的ESR减小的结果。因此，本文中所描述的电路具有通过模拟经增加ESR的效应而将220处所描绘的零点移动到210处所描绘的较低频率区域的效应。
图3图解说明采用前馈路径308中的高通滤波器来调整用于切换转换器的输出滤波器的等效串联电阻(ESR)的效应以促进转换器的稳定的实例性电路300。电路300包含切换电路310以经由电阻器318驱动电感器314。切换电路310包含用以切换电感器314中的电流且由驱动器324驱动的晶体管装置320。驱动器324由PWM逻辑326驱动，PWM逻辑326又由比较器328驱动。时钟330驱动斜波发生器334，斜波发生器334将斜波信号供应到比较器328的一个输入以控制电路300的电压调节。电阻器336可任选地馈送电感器电流以控制斜波发生器334的操作。
来自切换电路310的输出通过整流器340馈送以产生VOUT。由具有由电阻器348描绘的等效串联电阻(ESR)的输出电容器344对电压VOUT进行滤波。电压VOUT经由反馈电阻器RFB1及RFB2通过电阻器350反馈到具有反馈电容器356的积分器354。积分器354利用参考VREF以通过提供对比较器328的反馈将VOUT控制到所要DC电压。如所展示，电流感测器360对电感器电流进行取样且通过高通滤波器364将电流馈送到前馈路径308。电流传感器360可为感应回路传感器，举例来说，或可经由下文所描述的有源电子组件(例如图4中所描绘)提供。来自高通滤波器364的输出经由电阻器RFB3插入到电压反馈回路中。电流传感器360可提供经由RFB3前馈到反馈回路的电感器电流的比率。通过控制比率(所反馈的电流量)及/或RFB3的缩放，可通过移动与输出电容器344的ESR348相关联的零点而调整控制回路的频率。下文关于图4更详细地描述此些调整。
图4图解说明采用前馈路径中的高通滤波器及比率电路来调整用于切换转换器的输出滤波器的等效串联电阻(ESR)的效应以促进转换器的稳定的实例性电路400。电路400包含驱动晶体管装置414(其又驱动电感器420)的切换电路410。经由供应由输出电容器428进行滤波的VOUT的整流器424整流来自电感器420的输出。来自VOUT的输出经由电阻器RFB1及RFB2反馈到切换电路410以控制VOUT的DC调节。
电流传感器电路430对电感器420中且展示为N:1比率的电流量的比率进行取样，其中N表示表示为1的电感器电流的较小量。电流传感器430包含提供比由电感器420中的晶体管414切换的小的电流量的缩放晶体管434。晶体管434驱动将所缩放电流从晶体管434供应到电流镜(例如，PMOS电流镜)440的放大器438(例如，运算放大器)。电流镜440可提供来自晶体管434的所缩放电流的额外M:1缩放，其中M表示来自电流镜440的较小输出电流量(其依据在电流镜440的输入处供应的电流)。电流镜440产生驱动晶体管对444及448的两个并行经缩放输出。晶体管对经由包含电阻器450及电容器454的低通滤波器在其相应栅极节点处耦合。低通滤波器具有使来自电流镜440的DC电流(展示为ILPF)汇集同时经由RFB3使高通纹波电流(展示为IHPF)转向到反馈回路的效应。因此，处于此配置中的低通滤波器具有形成高通滤波器以将高通纹波电流供应到反馈回路(此模拟如先前所描述的输出电容器428中的经增加ESR)的效应。
可经由电路400中的数个机构完成ESR零点的移动。在一个实例中，电流传感器430及/或电流镜440中的缩放可导致反馈更多或更少电感器电流，此具有使ESR零点出现在回路转移函数中的频率移动的效应。在另一实例中，可利用RFB3的缩放来移动ESR零点。举例来说，RFB1及RFB2/RFB3组合设定电压VOUT的调节。如果例如采用2:1比率，那么RFB1可设定为RFB2与RFB3的比率的两倍。如果RFB1设定为例如2k欧姆，那么RFB2与RFB3的组合应等于例如1k欧姆。因此，可通过控制RFB2与RFB3的比率同时将其集体电阻维持在1k欧姆而调整ESR零点。举例来说，如果RFB2设定为900欧姆，那么RFB3将设定为100欧姆以维持1k欧姆集体电阻。如果期望更多ESR调整，可降低RFB2同时增加RFB3然而将集体电阻维持到所要值(例如，在此特定实例中为1k欧姆)。
图5图解说明关于调整用于切换转换器的输出滤波器的等效串联电阻(ESR)的效应以促进转换器的稳定的电路500可采用的切换转换器类型的实例。电路500可配置为切换DC/DC转换器(也称为切换转换器)。在电路500的输入侧处，电压VIN驱动将VIN切换到电感器520的切换电路510(例如，脉冲宽度调制(PWM)电路)。电感器520中的所存储能量转移到电路500的输出侧以由下文所描述的实例性整流器电路530整流。由大容量存储输出电容器540对来自整流器电路530的输出进行滤波以对经调节输出电压VOUT进行滤波。经由反馈电路550对输出电压VOUT进行取样且将输出电压VOUT反馈到切换电路510以控制切换电路的工作周期以将VOUT维持在所要调节电压。切换电路510可包含比较器(未展示)及参考电压以设定VOUT的调节。
电流传感器560感测在电感器520中流动的电流。提供具有减轻输出电容器540中的改变的ESR的效应(此允许电路500以稳定方式操作)的效应的前馈电路570。前馈电路570将来自电流传感器560的选定电流的部分传递到电路500的输出侧上的反馈电路550。如先前所描述，前馈电路570模拟输出电容器540的经增加ESR以促进转换器中的操作稳定性。实例性整流器电路530可包含各种形式的整流。在一个实例中，可采用半波整流器534(例如，单个二极管)。在另一实例中，整流器电路530可包含全波整流536(例如，桥式整流器)。在又一实例中，整流器电路530可包含同步整流538(例如，由控制电路定时以经由输入侧切换及输出侧切换的定时控制整流的同步开关)。实质上，可由电路530采用任一形式的整流。
上文已描述实例。当然，不可能描述组件或方法的每一想得到的组合，但所属领域的技术人员将认识到许多进一步组合及排列是可能的。因此，本发明打算囊括归属于包含所附权利要求书的此申请案的范围内所有此些替代、修改及变化。如本文中所使用，术语“包含(includes)”意指包含但不限于，术语“包含(including)”意指包含但不限于。术语“基于”意指至少部分地基于。另外，在本发明或权利要求书叙述“一(a、an)”、“一第一”或“另一”元件或其等效形式的情况下，其应解释为包含一个或一个以上此类元件，既不需要也不排除两个或两个以上此类元件。

Claims (20)

1.一种电路，其包括：
电流传感器，其用以感测在切换DC/DC转换器的输入侧处流动的切换电流；
输出电容器，其用以对所述切换DC/DC转换器的输出侧处的输出电压进行滤波；
前馈电路，其将所述所感测切换电流的一部分传递到所述切换DC/DC转换器的所述输出侧上的反馈路径，从而模拟所述输出电容器的改变的有效串联电阻ESR以促进所述切换DC/DC转换器中的操作稳定性。
2.根据权利要求1所述的电路，其进一步包括所述前馈电路中的高通滤波器以对所述所感测电流的DC电流进行滤波且将所述所感测电流的AC纹波电流传递到所述反馈路径以模拟所述改变的ESR。
3.根据权利要求2所述电路，其进一步包括比率电路以使由所述电流传感器所感测的切换电流缩放到N:1的比率，其中N表示比所述所感测切换电流小的所感测输出电流量。
4.根据权利要求3所述的电路，其中所述比率电路进一步包括使来自驱动电感器的晶体管开关装置的较小电流量缩放以产生所述切换电流的缩放晶体管。
5.根据权利要求4所述的电路，其进一步包括电流镜以进一步使来自所述缩放晶体管的所述电流以M:1的比率缩放，其中M表示比由所述缩放晶体管缩放的小的所感测输出电流量。
6.根据权利要求5所述的电路，其中通过由所述缩放晶体管或所述电流镜提供的所述缩放增加或减小所述所模拟ESR。
7.根据权利要求5所述的电路，其进一步包括由所述电流镜驱动的晶体管对，所述晶体管对经由低通滤波器在其相应栅极节点处耦合，所述晶体管对及低通滤波器充当高通滤波器以使高通纹波电流从所述电流镜转向到所述反馈路径。
8.根据权利要求1所述的电路，所述反馈路径进一步包括第一反馈电阻器、第二反馈电阻器及第三反馈电阻器以对所述输出电压进行取样，其中所述第二及第三反馈电阻器的组合与所述第一反馈电阻器一起形成分压器以控制所述输出电压。
9.根据权利要求8所述的电路，其中采用所述第三反馈电阻器来增加或减小所述所模拟ESR，这是通过以由所述第二反馈电阻器及所述第三反馈电阻器的所述组合形成的集体值增加或减小所述所模拟ESR的值而进行的。
10.根据权利要求1所述的电路，其中所述电路配置为步升转换器、步降转换器、逆流器或隔离转换器。
11.根据权利要求1所述的电路，其进一步包括包含半波整流器、全波整流器或同步整流器的整流器电路。
12.一种电路，其包括：
电流传感器，其用以感测在切换DC/DC转换器的输入侧处流动的切换电流；
输出电容器，其用以对所述切换DC/DC转换器的输出侧处的输出电压进行滤波；
前馈电路，其将所述所感测切换电流的一部分传递到所述切换DC/DC转换器的所述输出侧上的反馈路径，所述前馈电路改变受所述输出电容器的有效串联电阻ESR影响的控制转移函数的频率响应以使所述DC/DC转换器稳定；及
高通滤波器，其在所述前馈电路中以对所述所感测电流的DC电流进行滤波且将所述所感测电流的AC纹波电流传递到所述反馈路径以改变所述控制转移函数的所述频率响应。
13.根据权利要求12所述的电路，其进一步包括比率电路以使由所述电流传感器所感测的切换电流缩放到N:1的比率，其中N表示比所述所感测切换电流小的所感测输出电流量。
14.根据权利要求13所述的电路，其中所述比率电路进一步包括使来自驱动电感器的晶体管开关装置的较小电流量缩放以产生所述切换电流的缩放晶体管。
15.根据权利要求14所述的电路，其进一步包括电流镜以进一步使来自所述缩放晶体管的所述电流以M:1的比率缩放，其中M表示比由所述缩放晶体管缩放的小的所感测输出电流量。
16.根据权利要求15所述的电路，其中通过由所述缩放晶体管或所述电流镜提供的所述缩放增加或减小所述所模拟ESR。
17.根据权利要求12所述的电路，所述反馈路径进一步包括第一反馈电阻器、第二反馈电阻器及第三反馈电阻器以对所述输出电压进行取样，其中所述第二及第三反馈电阻器的组合与所述第一反馈电阻器一起形成分压器以控制所述输出电压。
18.根据权利要求17所述的电路，其中采用所述第三反馈电阻器来增加或减小所述所模拟ESR，这是通过以由所述第二反馈电阻器及所述第三反馈电阻器的所述组合形成的集体值增加或减小所述所模拟ESR的值而进行的。
19.一种集成电路，其包括：
切换电路，其用以切换切换DC/DC转换器的输入侧处的电感器中的电流；
电流传感器，其用以感测在所述电感器中流动的所述电流；
比率电路，其用以选择由所述电流传感器所感测的所述电流的比率；
输出电容器，其用以对所述切换DC/DC转换器的输出侧处的输出电压进行滤波；
前馈电路，其将所述选定电流的部分从所述比率电路传递到所述切换DC/DC转换器的所述输出侧上的反馈路径，所述前馈电路变更由所述输出电容器的有效串联电阻ESR定义的控制转移函数零点的位置；及
高通滤波器，其在所述前馈电路中以对所述所感测电流的DC电流进行滤波且将所述所感测电流的AC纹波电流传递到所述反馈路径以变更由所述ESR定义的所述控制转移函数零点的所述位置以使所述切换DC/DC转换器稳定。
20.根据权利要求19所述的集成电路，其中经由所述反馈路径中的电阻器或经由所述比率电路通过选择由所述电流传感器所感测的所述电流的所述比率而调整所述所模拟ESR。
CN201510574117.5A 2014-09-10 2015-09-10 用以使电流模式切换转换器稳定的前馈回路 Active CN105406696B (zh)

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