CN105612685B - 补偿降压调节器中的等效串联电感（esl）影响的电路和方法 - Google Patents

补偿降压调节器中的等效串联电感（esl）影响的电路和方法 Download PDF

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Abstract

一种快速瞬态开关电压调节器包括在反馈路径中提供参考以控制开关的参考信号生成器。参考信号生成器操作用于将电压偏移合并到通过用于控制开关的控制脉冲定时的参考信号中。电压偏移将参考信号移动离开由于开关电压调节器的输出电容器中的电容ESL而在反馈路径中引入的脉冲。

Description

补偿降压调节器中的等效串联电感（ESL）影响的电路和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年10月2日提交的美国申请第14/504,912号的优先权，该美国申请又要求2013年10月8日提交的美国临时申请第61/888,338号的优先权，这两个申请的全部内容出于所有目的通过整体引用合并于此。
背景技术
除非另外指出，否则以上内容并不被认为是本文中所限定的权利要求的现有技术，并且也不应当这样理解。
现代微处理器和相关数字电子器件仍然需要能够支持快速瞬态加载的电源。基于以脉冲宽度调制(PWM)模式操作的变换器的电源是通用的设计选择。
快速瞬态降压调节器例如可以被设计成响应于纳秒内的毫伏变化。如果降压调节器中的调制器部件被设计成快速响应，则有效的调制块(例如比较器、非常快速的误差放大器等)可以响应于由于输出电容器的寄生串联电感(其有时称为等效串联电感(ESL))而产生的扰动。虽然任何降压调节器设计的输出电容器中存在电容器 ESL，然而低频设计通常不易受到电容器ESL的这一伪差(artifact) 的影响。影响在被设计用于高速操作的降压调节器中变得非常明显。
由于电容器ESL产生的扰动本身表现为在驱动降压调节器的功率晶体管的开关的标准已调制开关波形上叠加的多个脉冲。所得到的系统电平降低包括由于增加的开关损失而产生的差的功率效率以及差的噪声性能。
参考图6，说明了降压变换器的输出部分，以示出电容器ESL。电容器通常也用等效串联电阻(ESR)来建模。出于本讨论的目的，可以省略ESR以简化讨论而不牺牲技术准确性。初级降压电感器L 与电容器ESL之间形成有电感器分压器。每当连接功率晶体管的开关节点在最小和最大电压(例如接地电势和VDD)之间转变时，在开关节点处看到的电压摆动VSW将以初级电感器L和电容器ESL的电感之比被分压。开关节点处的每个转变(步骤)在输出电压节点处产生幅度为几毫伏的对应转变。电感器电流基于定律改变斜率。由于电容器ESL与初级电感器L传导相同的AC(交流)电流，所以电容器ESL的与初级电感器相同。因此，输出节点处的 ESL生成的转变的幅度可以表示为：
其中ESL和L为电容器ESL和初级电感器的相应电感值。
作为负反馈被反馈到开关控制器中的输出节点处的ESL转变可以跨越用于生成开关电压的参考信号。图6中的波形1和2表示慢响应调节器的波形，其中响应时间大于ESL转变。
通过比较，在足够快以响应于VESL的快速响应调节器中，ESL 生成的负反馈可以导致开关电压的振荡，因为电路尝试补偿转变。振荡继续直到参考信号电平上升到输出节点中的ESL生成的伪差的电平以上。这一影响可以用图6中的波形3和4表示。
附图说明
关于下面的讨论以及特别关于附图，强调所示出的特例出于说明性讨论的目的而表示示例，并且为了提供本公开的原理和概念方面的描述而被提出。在这点上，没有尝试示出本公开的基本理解所不需要的实现细节。下面的讨论结合附图使得本领域技术人员很清楚如何能够实践根据本公开的实施例。在附图中：
图1示出根据本公开的电路的框级图。
图2和图2A表示根据本公开的说明性电路实施例。
图3和图3A表示根据本公开的电平移位器的说明性实施例。
图3B图示具有单个移位电路的电平移位器的示例；
图4A和图4B图示开关电压调节器的输出电容器中的电容ESL 的影响。
图5图示图2和图2A中所示的电路实施例的操作。
图6图示开关电压调节器的输出电容器中的电容ESL的影响。
具体实施方式
在下面的描述中，出于解释的目的，给出大量示例和具体细节以便提供对本公开的透彻理解。然而，本领域技术人员应当清楚，权利要求中表达的本公开可以单独地或者结合下面描述的其他特征包括这些示例中的特征中的一些或全部特征，并且还可以包括本文中所描述的特征和概念的修改和等同方案。
图1示出根据本公开的电压调节器电路100的框图。电路100 可以调节输入电压(例如VDD)以在输出端子114处产生输出电压 Vout。在一些实施例中，电路100可以包括可操作用于生成参考信号的参考生成器102。参考生成器102可以包括接收时钟信号112和参考电压Vref的输入。电路100还可以包括可操作用于生成脉冲波形的脉冲宽度调制器(PWM)模块104，脉冲波形可以用作驱动开关模块106的驱动信号。在一些实施例中，电路100还可以包括初级电感器L和输出电容器C。
电路100可以包括从电路100的输出端子114到PWM模块104 以闭合回路从而调节输出端子处的电压的负反馈路径。根据本公开， PWM模块104的输出可以作为正 反馈被提供给参考生成器102，以抵消与初级电感器L交互的输出电容器C中的电容器ESL的影响而稳定输出电压Vout。本公开的这一方面将在下面更详细地讨论。
图2示出根据本公开的一些实施例的电路100的细节。参考生成器102可以包括具有接收时钟信号112和参考电压Vref的输入的调制器电路202。在实施例中，调制器电路202可以使用时钟信号112 和参考电压Vref生成经调制的信号212。例如，调制器电路202可以包括由时钟信号112驱动产生三角波的三角波生成器(未示出)。参考电压Vref可以通过三角波被调制以产生经调制的信号212。在一些实施例中，调制器电路202可以使用锯齿波生成器而非三角波生成器。更一般地，调制器电路202可以使用任意合适的斜波生成器代替三角波生成器。
电路100可以包括具有连接到比较器206的输出216的输入的电平移位器204。电平移位器204的输出204a可以在节点214处耦合到调制器电路202的输出或者与其组合。根据本公开，电平移位器204可以可操作用于在经调制的信号212中包括或者以其他方式叠加电压偏移，从而生成经电平移位的经调制的信号(参考信号) 212a。参考信号212a然后可以被耦合到比较器206。
在一些实施例中，图1中的PWM模块104可以包括图2所示的比较器206。比较器206可以包括非反相输入和反相输入。参考信号 212a可以耦合到比较器206的非反相输入。输出端子可以连接到比较器206的反相输入，从而直接从输出端子114提供负反馈。比较器206的输出216可以输出脉冲波形(PWM信号)，脉冲波形可以用作用于驱动开关晶体管T1和T2的驱动信号。在一些实施例中， T1开关晶体管可以是PMOS FET器件，T2开关晶体管可以是NMOS FET器件。
在一些实施例中，图1中的开关模块106可以包括如图2所示的极限控制器208和栅极驱动器模块210。比较器输出216可以连接到极限控制器208。极限控制器208可以作为状态机来操作，其检测电流极限事件或过零事件。如果没有检测到电流极限事件或者过零事件，则极限控制器208可以向栅极驱动器210传递由比较器206 生成的驱动信号。极限控制器208可以修剪驱动信号以在电流极限事件的情况下修改T1开关晶体管的栅极驱动。在过零事件的情况下，极限控制器208可以类似地修改T2开关晶体管的栅极驱动。
栅极驱动器模块210可以包括高压侧驱动器电路(未示出)和低压侧驱动器电路(未示出)，高压侧驱动器电路产生驱动T1开关晶体管的控制端子(栅极)的信号，低压侧驱动器电路产生驱动T2 开关晶体管的控制端子(栅极)的信号。T1和T2开关晶体管可以在开关节点218处连接。开关节点218可以经由初级电感器L连接到输出端子114。应当理解，输出电容器C包括如以上解释的电容 ESL。
在一些实施例中，参见例如图2A，极限控制器208可以从电路 100中省略。在这样的实施例中，由比较器206产生的脉冲波形可以连接到栅极驱动器210以驱动开关晶体管T1和T2。图2A中省略了图2所示的补偿网络以避免混乱，但是应当理解，其例如被设置在诸如图2中图示的负反馈路径中。
图3示出根据本公开的电平移位器204。图3中省略了补偿电路 (图2所示)以避免混乱，但是应当理解，其例如被设置在诸如图2 中图示的负反馈路径中。
在一些实施例中，电平移位器204可以包括两个移位电路302'、 302”。移位电路302'例如可以包括具有连接到比较器206的输出216 的输入的数字缓冲器304。数字缓冲器304的输出可以连接到包括电容器C1和C2的电容器分压网络。移位电路302'可以包括将移位电路的输出204a在节点214处AC耦合到调制器电路202的输出的耦合电容器C3。移位电路302”可以类似地来理解并且使用不同的值用于电容器C1-C3。移位电路302'、302”使得能够实现波形中所示的正负偏移。
在操作中，在比较器206的输出216处产生的脉冲波形的输出脉冲耦合到数字缓冲器304中。数字缓冲器304主要用于将移位电路302'与比较器206电隔离。在一些实施例中，数字缓冲器304可以提供输出脉冲的幅度的某种衰减。电容器分压网络C1/C2还衰减输出脉冲幅度。衰减后的脉冲然后可以在节点214处经由AC耦合电容器C3耦合到调制器电路202的输出。移位电路302”几乎以相同的方式操作。
移位电路302'、302”可以向经调制的信号212中引入正负电压偏移，并且从而产生耦合到比较器206中的经电平移位的参考信号 212a。在一些实施例中，电压偏移在衰减后的脉冲的上升沿为正，而在衰减后的脉冲的下降沿为负，如图3中所图示的。
衰减后的脉冲可以被视为一系列阶跃函数。衰减后的脉冲的上升沿可以被视为正向阶跃函数，其耦合到经调制的信号212以向经调制的信号中引入正阶跃，从而产生参考信号212a。类似地，衰减后的脉冲的下降沿可以被视为负向阶跃函数，其耦合到经调制的信号212以向经调制的信号中引入负阶跃。在一些实施例中，正阶跃和负阶跃可以从用于生成三角波形的时钟112来获得。因此，可以在时钟112的边沿处去除(归零)正偏移和负偏移。
根据本公开，可以使向经调制的信号212中引入以产生经电平移位的信号212a的电压偏移与比较器206的输出216处的脉冲波形的输出脉冲的上升沿和下降沿同步。在一些实施例中，例如图3中，可以借助于电平移位器204使用比较器206的输出216使电压偏移与输出脉冲同步。在未示出的其他实施例中，可以间接地使用定时信号而非比较器的输出脉冲来使向经调制的信号212中引入的电压偏移与比较器206的输出同步。
图3A图示根据本公开的电平移位器204的另一实施例。图3A 中省略了图2所示的补偿网络以避免混乱，但是应当理解，其例如被设置在诸如图2中图示的负反馈路径中。
在图3A所示的实施例中，移位电路302'、302”中的每个还包括连接到电容器分压网络C1/C2的电阻器R。电阻器R向阶跃函数引入R-C衰减。R-C衰减特性可以被合并(例如AC耦合)到经调制的信号212中以产生参考信号212a'。在本实施例中，时钟112的边沿对于去除偏移而言是不需要的，因为偏移将通过R-C网络的操作衰减。
在图3和图3A所示的实施例中，节点214表示电平移位器204 的输出到调制器电路202的输出的电连接，以便将由电平移位器产生的电压偏移AC耦合到调制器电路的输出。在其他实施例中，可以使用合适的电路(诸如求和电路等)(未示出)将电压偏移与调制器电路202的输出组合。
图3B图示具有单个移位电路302的电平移位器204的示例。在本实施例中，不需要来自时钟112的时钟脉冲来重置偏移；仅有两个状态：正偏移和零偏移。通过比较，图3和图3A所示的实施例具有三个偏移状态：正、负和零。
图4A和图4B还图示以上在初始结合图6讨论的快速瞬态降压变换器的输出电容器中的电容ESL可能产生的问题的本质。图4A 表示对于没有ESL分量的理想输出电容器的响应。图4A中的底部波形表示与输出电压Vout相比的参考信号；例如使用比较器。在一些实现中，Vout可以穿过增益模块使得比较可以以比其他方式更大的幅度进行。增益模块可以是任何已知类型的放大器。例如，增益模块可以是通过减去参考的误差放大器的形式。
当参考信号的电平跨越Vout的电平时(例如在时间t1)，比较器触发。比较器触发引起开关节点处的电平转变(用图4A中的顶部波形表示)。在没有ESL的理想电容器的情况下，初级电感器没有电压分压动作，从而产生在输出电压Vout上叠加的脉冲，其将在开关节点中产生振荡。
同样，在时间t2，当Vout和参考信号在参考信号的下坡上交叉时，比较器触发并且引起开关节点转变。再次，由于没有ESL，没有分压动作来产生在输出电压上叠加的脉冲，并且再次，在开关节点中没有建立振荡。
图4B表示对于具有ESL分量的输出电容器的响应。如在图4A 中，当Vout的电平和参考信号的电平交叉时(例如在时间t1)，比较器触发并且开关节点转变。在这种情况下，初级电感器和电容ESL 形成分压器。分压器产生被反馈给比较器的小的阶跃，并且如结合图6所解释的，当反馈回路尝试补偿阶跃时开关节点中出现震荡。震荡在Vout处出现。震荡继续直到参考信号上升到Vout中的脉冲的电平以上，从而终止震荡。当输出电压和参考信号在下坡上交叉并且开关节点转变时，震荡在时间t2再次出现，从而在反馈回路尝试补偿的输出电压中产生小的阶跃。
图5图示图3所示的电路100的操作，其示出由调制器电路202 生成的经调制的信号212、向比较器206中馈送的参考信号212a、输出电压Vout、以及开关节点218处的电压VSW的波形。在先于时间 t1的时间，向比较器中馈送的参考信号212a没有被电平移位。然而，在当参考信号212a跨越输出电压时的时间t1，比较器206将触发，例如比较器可以输出脉冲的正向(上升)边沿。响应于此，开关节点218将转变其状态，其进而经由输出216处的输出脉冲触发在输出电压Vout中的电容ESL引起的脉冲伪差的开始，如以上所解释的。另外，电平移位器204将响应于比较器输出的正向边沿并且生成AC 耦合到经调制的信号212的电平移位。这一电平移位(电压偏移) 产生经电平移位的参考信号212a；例如，如果比较器206生成上升沿，则电平移位将为正向电平移位。偏移的量可以通过选择电平移位器204中的电容器分压网络中的电容器C1和C2的合适的电容值来控制。
继续图5，在时间t1之后，可以使得参考信号212a的电平高于脉冲伪差。这样，脉冲伪差将不会触发比较器206，因为它们跨越参考信号212a的电平。因此，开关节点218维持其状态直到参考信号 212a在时间t3在下坡上跨越输出电压Vout。
在时间t2，可以去除正的电平移位(偏移)以将参考信号212a 恢复为经调制的信号212。在一些实施例中，时钟112的边沿(例如下降沿)可以用于同步去除正偏移。
在时间t3，当参考信号212a在下坡上跨越输出电压Vout时，比较器206将触发并且引起开关节点281转变。比较器206的触发还将引起电平移位器204生成AC耦合到参考信号212a的负向电平移位。开关节点218(时间t3)处的转变再次触发输出电压Vout中的脉冲伪差的开始。然而，参考信号212a现在已经向下电平移位到随后的脉冲伪差不跨越参考信号并且比较器206将不会被脉冲伪差触发的电平。开关节点218将维持其状态。因此，通过添加电压偏移以与比较器206的脉冲波形的上升沿和下降沿同步地电平移位(向上或者向下)经调制的信号212，比较器所使用的参考信号212a可以“移动”离开由开关节点218中的转变产生的脉冲伪差。
在时间t4，可以去除负电平移位(偏移)以便将参考信号212a 恢复为经调制的信号212。在一些实施例中，时钟112的边沿(例如上升沿)可以用于同步去除负偏移。
以上描述说明本公开的各种实施例连同如何可以实现特定实施例的各个方面的示例。以上示例不应当被视为仅示例，并且被呈现以说明以下权利要求定义的特定实施例的灵活性和优点。基于以上公开和以下权利要求，可以采用其他布置、实施例、实现和等同方案而没有偏离权利要求定义的本公开的范围。

Claims (19)

1.一种电路，包括：
用于到电源的连接的第一输入端子；
用于到参考电势的连接的第二输入端子；
用于到负载的连接的输出端子；
连接到所述输出端子的电感性元件；
连接在所述输出端子与所述第二输入端子之间的电容性元件；
连接在所述第一输入端子与所述电感性元件之间的第一开关；
连接在所述电感性元件与所述第二输入端子之间的第二开关；
可操作用于产生参考信号的参考生成器，所述参考信号包括三角波或锯齿波；以及
具有连接到所述输出端子的输入以及连接到所述参考生成器的输入的脉冲宽度调节器(PWM)模块，所述脉冲宽度调节器模块可操作用于产生驱动所述第一开关和所述第二开关的脉冲波形，
所述参考生成器还可操作用于在所述参考信号的所述三角波或所述锯齿波中包括附加的电压偏移，所述附加的电压偏移与来自所述脉冲宽度调节器模块的所述脉冲波形同步地变化。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述附加的电压偏移根据阶跃函数变化。
3.根据权利要求2所述的电路，其中所述阶跃函数为用于生成所述参考信号的时钟信号。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述附加的电压偏移根据具有衰减特性的阶跃函数变化。
5.根据权利要求1所述的电路，其中所述附加的电压偏移根据所述脉冲波形的上升沿和下降沿变化。
6.根据权利要求5所述的电路，其中所述附加的电压偏移在所述脉冲波形的所述上升沿上具有第一极性并且在所述脉冲波形的所述下降沿上具有第二极性。
7.根据权利要求1所述的电路，其中所述参考生成器包括可操作用于产生经调制的信号的调制器电路以及被连接以从所述脉冲宽度调节器模块接收所述脉冲波形的电平移位器，所述电平移位器与所述调制器电路一起操作以与所述脉冲波形同步地改变所述经调制的信号中的所述附加的电压偏移，从而产生所述参考信号。
8.根据权利要求7所述的电路，其中所述电平移位器包括：
连接到所述脉冲宽度调节器模块的数字缓冲器；以及
连接到所述数字缓冲器的输出的电容器分压网络。
9.根据权利要求7所述的电路，其中所述电平移位器交流耦合到所述调制器电路的输出。
10.根据权利要求1所述的电路，还包括连接到所述第一开关和所述第二开关的驱动器电路，所述驱动器电路被耦合以从所述脉冲宽度调节器模块接收所述脉冲波形并且可操作用于根据所述脉冲波形产生驱动所述第一开关和所述第二开关的驱动信号。
11.一种电路，包括：
用于到电源的连接的第一输入端子；
用于到参考电势的连接的第二输入端子；
用于到负载的连接的输出端子；
开关电路，具有用于经由电感器到所述输出端子的连接的节点；
可操作用于产生参考信号的参考生成器，所述参考信号包括三角波或锯齿波；以及
脉冲宽度调制器(PWM)模块，具有从所述输出端子接收信号的第一输入、从所述参考生成器接收所述参考信号的第二输入、以及与所述开关电路电通信的输出，所述脉冲宽度调制器模块可操作用于在所述脉冲宽度调制器模块的所述输出处输出脉冲波形，
所述参考生成器还可操作用于基于来自所述脉冲宽度调制器模块的所述脉冲波形移位所述参考信号的所述三角波或所述锯齿波的电平。
12.根据权利要求11所述的电路，其中所述参考信号的电平根据所述脉冲波形的上升沿和下降沿被移位。
13.根据权利要求11所述的电路，其中所述参考生成器包括可操作用于产生所述参考信号的调制器电路以及被连接以接收所述脉冲波形并且操作用于产生电压偏移以根据所述脉冲波形移位所述参考信号的电平的电平移位器。
14.根据权利要求13所述的电路，其中所述电平移位器包括：
连接到所述脉冲宽度调制器模块的数字缓冲器；
连接到所述数字缓冲器的输出的电容器分压网络；以及
连接到所述调制器电路的输出的输出电容器。
15.根据权利要求13所述的电路，其中所述电压偏移在所述脉冲波形的上升沿上具有第一极性并且在所述脉冲波形的下降沿上具有第二极性。
16.根据权利要求11所述的电路，还包括驱动器电路，所述驱动器电路具有从所述脉冲宽度调制器模块接收所述脉冲波形的输入并且可操作用于根据所述脉冲波形产生驱动所述开关电路的驱动信号。
17.根据权利要求11所述的电路，其中所述开关电路包括第一晶体管和第二晶体管。
18.一种电路，包括：
接收参考电压的电路输入；
提供输出电压的电路输出，所述电路输出可连接到负载；
调制器电路，具有使用在所述电路输入处接收的所述参考电压提供经调制的信号的输出，所述经调制的信号包括三角波或锯齿波；
脉冲宽度调制器(PWM)模块，具有从所述电路输出接收信号的输入、接收由所述调制器电路产生的所述经调制的信号的输入、以及提供脉冲波形的输出；
包括第一开关晶体管和第二开关晶体管的开关电路，所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管能够响应于来自所述脉冲宽度调制器模块的所述脉冲波形而操作；以及
连接到所述调制器电路的所述输出的电平移位器电路，所述电平移位器电路可操作用于与来自所述脉冲宽度调制器模块的所述脉冲波形的上升沿和下降沿同步地移位所述经调制的信号的所述三角波或所述锯齿波中的电平。
19.根据权利要求18所述的电路，其中所述电平移位器包括：
连接到所述脉冲宽度调制器模块的数字缓冲器；
连接到所述数字缓冲器的输出的电容器分压网络；以及
连接到所述调制器电路的输出的输出电容器。
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