CN106300978B - 电压转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电压转换器，包括固定导通时间信号产生器、第一晶体管、第二晶体管、电感、涟波信号补偿器以及涟波注入电路。涟波信号补偿器耦接电压转换器的输出端及第一晶体管的第二端，依据第一晶体管的第二端的切换电压及电压转换器的输出信号以产生调整后涟波信号。涟波注入电路依据调整后涟波信号以产生涟波注入信号。其中，固定导通时间信号产生器依据涟波注入信号以及参考电压以产生第一及第二驱动信号以分别驱动第一晶体管及第二晶体管。因此，本发明的电压转换器在负载状态切换时可对应快速反应，有效提供稳定的输出信号。

Description

电压转换器
技术领域
本发明是涉及一种电压转换器，尤其涉及一种可快速稳定其所提供的输出信号的降压式电压转换器。
背景技术
请参照图1，图1示出现有技术的电压转换器的电路图。现有的电压转换器100包括栅极控制器110、涟波注入电路120、放大器OP1、OP2、晶体管M1、M2、电容C1、C2、电阻R1、R2以及电感L1。栅极控制器110周期性的提供驱动信号以控制晶体管M1、M2的导通或切断状态，并藉此来产生输出信号VOUT。
以下请同步参照图1以及图2，其中图2示出栅极控制器110在负载状态改变时的动态波形图。当电压转换器100的负载状态改变时(例如由轻载进入重载)，负载电流ILOAD由低电流值切换至高电流值。对应于此，输出信号VOUT以及反馈信号VFB的电压值也会随着负载电流的增加而下降。在此时期，涟波注入电路120会依据反馈信号VFB的大小来产生斜波(ramp)信号RAMP，并提供斜波信号RAMP加上反馈信号VFB至放大器OP1、OP2来使放大器OP2产生比较电压COMP。栅极控制器110再依据比较电压COMP来控制其驱动信号的产生动作。
由图2的示出可以清楚的得知，现有的电压转换器100中，斜波信号RAMP的直流成分会因负载电流ILOAD的降低所造成的电感L1上的电流增加而增加，而反馈信号VFB的电压则随着负载电流ILOAD的降低而降低。因此，涟波注入电路120提供至放大器OP1、OP2的信号(斜波信号RAMP加上反馈信号VFB)中，无法反映出负载状态的变化状态电流，因此，比较电压COMP不能因应负载状态的大幅变化来进行调整，致使输出信号VOUT的电压值大幅的下降。
发明内容
本发明提供一种电压转换器，在负载状态切换时可对应快速反应，有效提供稳定的输出信号。
本发明的电压转换器，包括固定导通时间信号产生器、第一晶体管、第二晶体管、电感、涟波信号补偿器以及涟波注入电路。固定导通时间信号产生器产生第一驱动信号以及第二驱动信号。第一晶体管具有第一端、第二端以及控制端，其第一端接收一电源电压，其控制端接收第一驱动信号，其第二端产生一切换电压。第二晶体管具有第一端、第二端以及控制端，第二晶体管的第一端耦接第一晶体管的第二端，第二晶体管的控制端接收第二驱动信号，第二晶体管的第二端耦接至参考接地端。电感串接在第一晶体管的第二端与电压转换器的输出端间，电压转换器接收切换电压并在输出端上产生输出信号。涟波信号补偿器耦接输出端及第一晶体管的第二端，依据切换电压及输出信号以产生调整后涟波信号。涟波注入电路耦接至涟波信号补偿器，依据调整后涟波信号以产生涟波注入信号。其中，固定导通时间信号产生器依据涟波注入信号以及参考电压以产生第一及第二驱动信号。
在本发明的一实施例中，上述的涟波信号补偿器依据切换电压及输出信号产生斜波信号，针对斜波信号进行滤波以产生滤波后斜波信号，还依据斜波信号及滤波后斜波信号来产生调整后涟波信号。
在本发明的一实施例中，上述的涟波信号补偿器使斜波信号及滤波后斜波信号相减以产生调整后涟波信号。
在本发明的一实施例中，上述的涟波信号补偿器包括斜波信号产生器、低通滤波器以及减法器。斜波信号产生器接收切换电压及输出信号，依据切换电压及输出信号以产生斜波信号。低通滤波器耦接斜波信号产生器，针对斜波信号进行滤波以产生滤波后斜波信号。减法器耦接低通滤波器，使斜波信号及滤波后斜波信号进行相减以产生调整后涟波信号。
在本发明的一实施例中，电压转换器还包括比较器。比较器具有第一及第二输入端以分别接收参考电压及涟波注入信号，比较参考电压及涟波注入信号以产生比较结果。比较器并传送比较结果至固定导通时间信号产生器，其中，固定导通时间信号产生器依据比较结果来产生第一驱动信号以及第二驱动信号。
在本发明的一实施例中，电压转换器还包括放大器以及电容。放大器的第一输入端接收参考电压，第二输入端接收涟波注入信号，其输出端耦接至比较器的第一输入端。电容串接在放大器的输出端及参考接地端间。
在本发明的一实施例中，上述的涟波注入电路依据调整后涟波信号产生斜波电流，并依据斜波电流产生涟波注入信号。
在本发明的一实施例中，上述的涟波注入电路包括转导放大器、电容、加法器以及重置开关。转导放大器的一输入端接收输出信号，另一输入端接收参考接地端，其输出端产生斜波电流。转导放大器的一输入端接收输出信号，另一输入端接收参考接地端，其输出端产生斜波电流。重置开关与电容并连耦接，重置开关依据控制信号以导通或断开。加法器使斜波电压以及输出信号相加，并产生涟波注入信号。
在本发明的一实施例中，上述的第一晶体管依据第一驱动信号被导通的时间是固定的。
在本发明的一实施例中，电压转换器还包括电容，串接在输出端以及参考接地端间。
基于上述，本发明提供涟波信号补偿器，使电压转换器在负载状态发生改变的情况下，可将输出信号因负载状态改变所造成的电压下降的状态真实的传送至固定导通时间信号产生器上。如此一来，固定导通时间信号产生器可产生对应的驱动信号以使输出信号的电压值快速的回复至所设定的目标电压值上，提升电压转换器的效能。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1示出现有技术的电压转换器的电路图；
图2示出栅极控制器110在负载状态改变时的动态波形图；
图3示出本发明一实施例的电压转换器的示意图；
图4A示出的涟波信号补偿器330的一实施方式的示意图；
图4B示出斜波信号产生器410的实施方式的示意图；
图5示出本发明实施例的电压转换器300在负载状态传换下的动态波形图；
图6示出本发明实施例的涟波注入电路的一实施方式的示意图。
附图标记说明：
110：栅极控制器；
100、300：电压转换器；
310：固定导通时间信号产生器；
330：涟波信号补偿器；
320、120：涟波注入电路；
M1、M2：晶体管；
L1：电感；
C1、C2、C11、C12：电容；
OT：输出端；
VOUT：输出信号；
R1、R2、R11：电阻；
VIN：电源电压；
GND：参考接地端；
VFB：反馈信号；
VLX：切换电压；
OP1、OP2、OP3：放大器；
VREF：参考电压；
CMP1：比较器；
RINJ：涟波注入信号；
COMP：比较信号；
VRC：调整后涟波信号；
ILOAD：负载电流；
RAMP：斜波信号；
410：斜波信号产生器；
420：低通滤波器；
430：减法器；
FRAMP：滤波后斜波信号；
UGATE：驱动信号；
600：涟波注入电路；
OTA：转导放大器；
C3：电容；
SW1：重置开关；
ADD：加法器；
IRMP：斜波电流；
VRMP：斜波电压；
CTRL：控制信号。
具体实施方式
以下请参照图3，图3示出本发明一实施例的电压转换器的示意图。电压转换器300包括固定导通时间信号产生器310、晶体管M1、M2、电感L1、涟波信号补偿器330以及涟波注入电路320。电压转换器300的输出端OT上产生输出信号VOUT，其中电压转换器300可以是降压式电压转换器。输出信号VOUT可通过电阻R1、R2所形成的分压电路来产生反馈信号VFB。固定导通时间信号产生器310提供驱动信号至晶体管M1、M2的控制端(例如栅极)，并用以控制晶体管M1、M2的导通或断开的状态。晶体管M1、M2依序串接在电源电压VIN及参考接地端GND间。其中，晶体管M1的第一端接收电源电压VIN，第二端耦接至电感L1并用以产生切换电压VLX。晶体管M2的第二端耦接至参考接地端GND，第二端耦接至电感L1并用以产生切换电压VLX。电感L1未耦接至晶体管M1、M2的端点耦接至输出端OT，并产生输出信号VOUT。另外，电容C1串接在输出端OT与参考接地端GND间。
放大器OP3的输入端接收参考电压VREF以及涟波注入电路320所提供的涟波注入信号RINJ。电容C2耦接在参考接地端GND以及放大器OP3的输出端间，放大器OP3与电容C2形成积分器电路。比较器CMP1接收并比较涟波注入信号RINJ以及放大器OP3的输出端的电压，且藉以产生比较信号COMP。其中，固定导通时间信号产生器310依据比较信号COMP来产生控制晶体管M1、M2的驱动信号。
涟波信号补偿器330耦接至输出端OT及晶体管M1的第二端，并依据切换电压VLX及依据输出信号VOUT所产生的反馈信号VFB来产生调整后涟波信号VRC。涟波注入电路320则耦接至涟波信号补偿器330，依据调整后涟波信号VRC以产生涟波注入信号RINJ。
关于涟波信号补偿器330的实施细节，请参照图4A示出的涟波信号补偿器330的一实施方式的示意图。涟波信号补偿器330包括斜波信号产生器410、低通滤波器420以及减法器430。斜波信号产生器410接收反馈信号VFB以及切换电压VLX，其中，反馈信号VFB依据输出信号VOUT所产生。斜波信号产生器410依据切换电压VLX及反馈信号VFB产生斜波信号RAMP，并将斜波信号RAMP传送至低通滤波器420以及减法器430，值得注意的是，斜波信号RAMP是具有涟波成分的信号。而低通滤波器420则可滤除斜波信号RAMP的高频成分，也就是斜波信号RAMP的涟波成分，并藉此产生滤波后斜波信号FRAMP。
另外，滤波后斜波信号FRAMP被提供至减法器430。减法器430使斜波信号RAMP减去滤波后斜波信号FRAMP来产生调整后涟波信号VRC。具体来说明，减法器430减去斜波信号RAMP中的低频成分，并藉以产生调整后涟波信号VRC。
另外，请参照图4B，图4B示出斜波信号产生器410的实施方式的示意图。斜波信号产生器410包括电阻R11、电容C11及C12。电阻R11的一端接收切换电压VLX，其另一端耦接至电容C11、C12的共同耦接端。电容C11未耦接电阻R11的端点接收反馈信号VFB，此外，电容C12未耦接电阻R11的端点产生斜波信号RAMP。
在关于本发明实施例的电压转换器300的动作细节上，请同步参照图3、4A以及图5。其中，图5示出本发明实施例的电压转换器300在负载状态传换下的动态波形图。在当负载状态由轻载变为重载时，负载电流ILOAD由小变大，驱动上端晶体管M1的驱动信号UGATE的切换周期变短，并使晶体管M1保持固定的导通时间。此时，斜波信号产生器410依据切换电压VLX以及反馈信号VFB产生上升具有涟波的斜波信号RAMP。通过低通滤波器420以及减法器430的动作，涟波信号补偿器330产生的调整后涟波信号VRC中，其相对低频的斜波成分会被消除，而仅留下涟波成分，即如图5所示。
如此一来，涟波注入电路320针对调整后涟波信号VRC以及反馈信号VFB进行加成所产生的涟波注入信号RINJ可以保留输出信号VOUT的下降趋势，而这个下降趋势可以有效的提供给比较器CMP1进行比较动作，并藉以产生比较信号COMP。由图5可以清楚得知，比较信号COMP对应输出信号VOUT的下降趋势(等同反馈信号VFB的下降趋势)可产生大幅度的反应，并控制固定导通时间信号产生器310产生对应的驱动信号UGATE，以使输出信号VOUT的电压值快速回升。
以下请参照图6，图6示出本发明实施例的涟波注入电路的一实施方式的示意图。涟波注入电路600包括转导放大器OTA、电容C3、重置开关SW1以及加法器ADD。转导放大器OTA的一输入端接收调整后涟波信号VRC，转导放大器OTA的另一输入端耦接参考接地端GND，转导放大器OTA的输出端产生斜波电流IRMP。也就是说，涟波注入电路600中的转导放大器OTA通过获取调整后涟波信号VRC的涟波部分，并转换所获取的涟波部分为斜波电流IRMP。电容C3耦接转导放大器OTA的输出端以接收斜波电流IRMP以进行充电，并藉以产生斜波电压VRMP。
附带一提的，重置开关SW1的一端耦接至转导放大器OTA的输出端，其另一端则耦接至参考接地端GND。重置开关SW1依据控制信号CTRL以导通或断开，并且，当重置开关SW1依据控制信号CTRL而导通时，电容C3中的电荷可以通过导通的重置开关SW1进行放电，并使电容C3的两端的电压差在接收下一次斜波电流IRMP前，可以保持等于零伏特。由于调整后涟波信号VRC的涟波部分是周期性的产生的，因此斜波电流IRMP也对应为周期性的被产生，也因此，重置开关SW1的导通及断开动作，也会周期性的交互发生。
加法器ADD可针对斜波电压VRMP以及反馈信号VFB进行加法运算，重点在于，由于前一级的涟波信号补偿器所产生的调整后涟波信号VRC不具有低频的斜波成分，因此，加法器ADD所产生的涟波注入信号RINJ中可以带有反馈信号VFB因负载状态的改变所造成的电压下降的状态。
综上所述，本发明提供涟波信号补偿器来产生调整后涟波信号，并使涟波注入电路依据调整后涟波信号来产生涟波注入信号。如此一来，负载状态变化可以有效的被反应至固定导通时间信号产生器。固定导通时间信号产生器可以因应负载的变化来动态的调整驱动信号，并藉以提供更为稳定的输出信号。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种电压转换器，其特征在于，包括：
固定导通时间信号产生器，产生第一驱动信号以及第二驱动信号；
第一晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，其第一端接收电源电压，其控制端接收所述第一驱动信号，所述第二端产生切换电压；
第二晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，所述第二晶体管的第一端耦接所述第一晶体管的第二端，所述第二晶体管的控制端接收所述第二驱动信号，所述第二晶体管的第二端耦接至参考接地端；
电感，串接在所述第一晶体管的第二端与所述电压转换器的输出端间，所述电压转换器接收所述切换电压并在所述输出端上产生输出信号；
涟波信号补偿器，耦接所述输出端及所述第一晶体管的第二端，依据所述切换电压及所述输出信号以产生调整后涟波信号；以及
涟波注入电路，耦接至所述涟波信号补偿器，依据所述调整后涟波信号以产生涟波注入信号，
所述固定导通时间信号产生器依据所述涟波注入信号以及参考电压以产生所述第一及所述第二驱动信号，所述涟波信号补偿器依据所述切换电压及所述输出信号产生斜波信号，针对所述斜波信号进行滤波以产生滤波后斜波信号，还依据所述斜波信号及所述滤波后斜波信号来产生所述调整后涟波信号。
2.根据权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，所述涟波信号补偿器使所述斜波信号及所述滤波后斜波信号相减以产生所述调整后涟波信号。
3.根据权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，所述涟波信号补偿器包括：
斜波信号产生器，接收所述切换电压及所述输出信号，依据所述切换电压及所述输出信号以产生所述斜波信号；
低通滤波器，耦接所述斜波信号产生器，针对所述斜波信号进行滤波以产生所述滤波后斜波信号；以及
减法器，耦接所述低通滤波器，使所述斜波信号及所述滤波后斜波信号进行相减以产生所述调整后涟波信号。
4.根据权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，还包括：
比较器，具有第一及第二输入端以分别接收所述参考电压及所述涟波注入信号，比较所述参考电压及所述涟波注入信号以产生比较结果，所述比较器并传送所述比较结果至所述固定导通时间信号产生器，
所述固定导通时间信号产生器依据所述比较结果来产生所述第一驱动信号以及所述第二驱动信号。
5.根据权利要求4所述的电压转换器，其特征在于，还包括：
放大器，其第一输入端接收所述参考电压，第二输入端接收所述涟波注入信号，所述输出端耦接至所述比较器的第一输入端；以及
电容，串接在所述放大器的输出端及所述参考接地端间。
6.根据权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，所述涟波注入电路依据所述调整后涟波信号产生斜波电流，并依据所述斜波电流产生所述涟波注入信号。
7.根据权利要求6所述的电压转换器，其特征在于，所述涟波注入电路包括：
转导放大器，其一输入端接收所述输出信号，另一输入端耦接所述参考接地端，其输出端产生所述斜波电流；
电容，其第一端耦接所述转导放大器的输出端及所述固定导通时间信号产生器，其第二端耦接至所述参考接地端，所述电容接收所述斜波电流并在其第一端产生所述斜波电压；
重置开关，与所述电容并联耦接，所述重置开关依据控制信号以导通或断开；以及
加法器，使所述斜波电压以及所述输出信号相加，并产生所述涟波注入信号。
8.根据权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，所述第一晶体管依据所述第一驱动信号被导通的时间是固定的。
9.根据权利要求1所述的电压转换器，其特征在于，还包括：
电容，串接在所述输出端以及所述参考接地端间。
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