CN107645233A - 用于产生脉宽调制信号的方法及电路 - Google Patents

Abstract

本申请案涉及用于产生脉宽调制信号的方法及电路。产生脉宽调制PWM信号的方法包含接收(700)与在所述PWM信号中产生的脉冲的宽度相关的粗信号。产生(702)触发信号，且响应于所述触发信号而触发(706)单稳态装置。所述单稳态装置产生(706)具有与所述粗信号相关的宽度的脉冲。接收(708)与在所述PWM信号中产生的所述脉冲的所述宽度相关的控制信号，且响应于所述控制信号而调整(710)由所述单稳态装置产生的所述脉冲的所述宽度。

Description

用于产生脉宽调制信号的方法及电路

技术领域

本发明涉及用于产生脉宽调制信号的方法及电路。

背景技术

大部分直流-直流转换器使用基于脉宽调制(PWM)的开关电路以将输入直流电压转换为输出直流电压。PWM信号的脉宽与PWM信号的周期的比与直流输出电压成比例。直流-直流功率转换趋向于转换器具有极高开关频率，这要求PWM信号中的周期极低。包含转换器的一些应用要求以固定PWM频率操作开关。

常规的模拟控制PWM产生器依赖于锯齿信号以产生PWM信号。将锯齿信号与参考电压进行比较，其中所得信号是具有与参考电压成比例的脉宽的PWM信号。此类常规的PWM产生器在以无抖动方式产生窄脉冲的能力方面是有限的。系统噪声及寄生元件影响PWM产生器形成适用于高转换频率下的功率转换的窄脉冲的能力。

发明内容

一种产生脉宽调制(PWM)信号的方法包含接收与在所述PWM信号中产生的脉冲的宽度相关的粗信号。产生触发信号，且响应于所述触发信号而触发单稳态装置。所述单稳态装置产生具有与所述粗信号相关的宽度的脉冲。接收与在所述PWM信号中产生的所述脉冲的所述宽度相关的控制信号，且响应于所述控制信号而调整由所述单稳态装置产生的所述脉冲的所述宽度。

附图说明

图1是说明常规PWM产生器的示意图。

图2是展示使用图1的PWM产生器产生PWM信号的曲线图。

图3是基于单稳态装置的PWM产生器的框图。

图4是图3的单稳态装置的延时部分的框图。

图5是图4的单稳态装置的延时部分中的实例延时单元的框图。

图6是产生图3的粗信号的实例电路的框图。

图7是描述图3的PWM产生器的操作的实例的流程图。

图8是包含图3的PWM产生器的直流-直流转换器的框图。

具体实施方式

大部分直流-直流转换器使用基于脉宽调制(PWM)信号的开关电路以将输入直流电压转换为输出直流电压。PWM信号切换转换器内的晶体管以产生输出信号，其与PWM信号的脉宽与PWM信号的周期的比成比例。此类直流-直流转换器的实例是降压及升压转换器。直流-直流转换器趋向于开关晶体管上具有极高的开关频率，其中一些应用最佳地以固定开关频率操作。由本文中所述的PWM产生器及方法产生的PWM信号能够产生极窄脉宽，这实现极高开关频率。本文中所述的PWM产生器及方法具有直流-直流转换器中的应用及其中需要PWM信号的其它应用。

图1是常规PWM产生器100的示意图，且图2是展示使用图1的PWM产生器100产生PWM信号的曲线图200。PWM产生器100包含比较器102，其具有耦合到控制电压V_C的第一输入104及耦合到产生锯齿波形的源的第二输入106。图2提供了控制电压波形202及锯齿波形204的实例。当锯齿波形204的值小于控制电压波形202时，比较器102产生高电压。当锯齿波形204的值大于控制电压波形202时，比较器102产生低电压。由比较器102产生的信号的结果是图2的PWM信号208。PWM信号208被称为固定频率PWM信号，因为锯齿波形204及所得PWM信号208的频率是恒定的或固定的。

常规的基于模拟控制的锯齿式固定频率PWM产生器(例如PWM产生器100)在以无抖动方式产生窄PWM脉冲的能力方面是有限的。例如，常规的PWM产生器通常不能产生小于30ns的脉冲而没有抖动。例如系统噪声及集成电路寄生元件的若干因素影响常规PWM产生器产生适合于在高转换频率下的功率转换的干净、窄脉冲的能力。

常规模拟PWM产生器的增益与占空比的变化除以控制电压V_C的变化成比例，且通过锯齿斜坡的斜率与控制电压V_C的比较来确定。图2中展示锯齿波形204的斜坡210。将PWM产生器100的增益提高到更高的水平必须要降低锯齿波形204的振幅，以在锯齿波形204的斜坡210中提供较浅的斜率。随着锯齿波形204的振幅降低，PWM产生器100的信噪比降低，这导致脉宽抖动或开环系统不稳定性。

参考图2，锯齿波形204的波谷214附近的斜率可含有导致窄脉宽处的增益不规则或抖动的非线性。此问题的一种解决方案是偏移控制电压V_C及使脉冲的部分“消隐”。虽然此确实有助于减少非线性问题，但是缺点是由于消隐而导致的脉宽的动态范围受到限制。

本文中所述的电路及方法通过使用单稳态装置产生PWM信号克服PWM产生器的上述问题。图3是基于单稳态装置302的PWM产生器300的框图。PWM产生器300包含单稳态装置302、振荡器304、粗信号电路306及反馈电路308。PWM产生器300的元件被示为单个组件；然而，它们可被集成到单个装置中。

单稳态装置302具有接收由振荡器304产生的触发信号的第一输入310。触发信号可为以固定频率操作的一系列时钟脉冲，或脉冲可在频率上变化。第二输入312接收由电路306产生的粗设定，所述电路提供关于由单稳态装置302产生的脉宽的粗设定。本文中所述的脉宽涉及脉宽与PWM信号的周期的比。因而，长脉宽通常是指相对于PWM信号的周期的长脉宽。第三输入314接收由反馈电路308产生的微调脉宽的微调控制信号。在一些实例中，例如当PWM产生器300用于电源或电压转换器时，控制信号可为指示经测量输出电压与经编程输出电压之间的误差的误差信号。

反馈电路308产生用于调整由单稳态装置302产生的脉冲的宽度的控制信号。更具体地，控制信号为由单稳态装置302产生的脉冲的宽度提供微调。在一些实例中，例如当PWM产生器300并入电压转换器中时，控制信号与经编程输出电压与经测量输出电压之间的差成比例。控制信号提供反馈，使得PMW产生器300或耦合到PWM产生器的装置通过微调由单稳态装置302产生的脉宽来将经测量输出电压与经编程输出电压匹配。

粗信号电路306对由单稳态装置302产生的脉冲的宽度进行粗设定。在一些实例中，粗设定是单稳态装置302的初始脉宽设定。电路306具有输出318，其向单稳态装置302输出指示由单稳态装置302产生的脉冲的粗宽度的信号。实例电路306具有用于接收由电路306解码以产生粗信号的信号的三个输入。第一输入320接收指示经编程输出电压的信号。在一些实例中，经编程输出电压是与PWM产生器300相关联的电压转换器经编程以输出的电压。在其它应用中使用PWM产生器300的实例中，输入320指示经编程输出信号。第二输入322接收指示电压转换器的输入电压的信号。在其它应用中使用PWM产生器300的实例中，输入322可为除输入电压以外的输入信号。第三输入324接收指示单稳态装置302产生脉冲的频率的信号。

振荡器304产生用于单稳态装置302的触发信号，所述单稳态装置响应于触发信号产生PWM信号。在一些实例中，振荡器304是接收上述信号(例如电压或电流)的压控振荡器或电流控制振荡器。信号指示单稳态装置302产生脉冲的频率。振荡器304将经接收信号转换成产生触发信号的频率。

在操作中，PWM产生器300接收指示期望输出的信号。在图3的实例中，期望输出是经编程输出电压。此外，PWM产生器300接收指示输入的信号及指示PWM产生器300产生脉冲的频率的信号。在图3的实例中，输入信号是电压转换器的输入电压。振荡器304接收频率输入并产生输出到单稳态装置302的触发信号。

电路306接收输入信号并确定粗或初始脉宽并产生指示此脉宽的粗信号。在图3的实例中，电路306接收指示经编程输出电压、输入电压及PWM信号的频率的信号。在一些实例中，电路306确定与PWM信号的周期乘以经编程输出电压与输入电压的比成比例或相等的脉宽。此脉宽信息作为粗信号传输到单稳态装置302，使得单稳态装置302可在PWM信号中产生适当的脉宽。

单稳态装置302产生具有由电路306及反馈电路308设定的脉宽的PWM信号。在操作电压转换器的PWM产生器300的实例中，输出电压是上述经测量输出且由反馈电路308通过输入330接收。反馈电路308将经测量输出电压与在输入332处接收的经编程输出电压进行比较，并产生可能类似于误差信号的控制信号。控制信号由单稳态装置302在输入314处接收。单稳态装置302响应于控制信号而改变PWM信号的脉宽以最小化控制信号中指示的误差。最小化控制信号中指示的误差意味着改变脉宽，使得误差信号指示经编程输出电压与经测量输出电压之间的最小差。

图4是图3的单稳态装置302的延时部分400的框图。延时部分400包含多个级联的延时单元402，其如下文所述般被选择性地激活及撤销激活，如下所述。活动的延时单元402的数量与由单稳态装置302产生的脉冲的初始宽度或粗宽度相关。在一个实例中，延时部分400具有256个延时单元402，其中每一延时单元具有1.2纳秒的标称延时。因此，用于延时部分的粗范围设定是1.2纳秒到307.2纳秒，这产生1.2纳秒到307.2纳秒的初始脉宽。控制信号调整或微调由延时单元402中的每一者产生的延时。在一些实例中，控制信号提供相对于粗设定的50％到100％调整，在上述实例中，每延时单元0.6纳秒到1.2纳秒。

在图4的实例中，粗设定由解码器410处理为数字信号。解码器410可包含许多不同的组件，例如解复用器及执行代码的计算机，以将二进制数转换成延时单元402中的每一者的一个选择位。延时单元402的数量与由解码器410产生的二进制数相关。关于256个延时单元402的实例，解码器410产生256位二进制数，其中二进制数的每一位控制个别延时单元。解码器410产生的数位越大，解码器410接通的位就越多，从而接通更多的延时单元402。接通的延时单元402的数量继而又直接与由单稳态装置302(图3)产生的脉冲的宽度成比例。

图5是实例延时单元500的框图，所述延时单元是图4的延时单元402中的一者的实例。延时单元500包含接收上述控制信号的输入502。输入504耦合到前一个延时单元的输出。如果延时单元500是多个延时单元402(图4)的行中的第一者，那么输入504耦合到触发输入310(图4)，所述触发输入耦合到振荡器304(图3)的输出。输入506耦合到解码器410(图4)，且用于选择或激活延时单元500。输出510耦合到随后的延时单元。如果延时单元500是延时单元402的行中的最后一者，那么输出是由单稳态装置302(图3)产生的PWM信号。

延时单元500包含耦合到输入504的可调延时装置520。由延时装置520产生的延时的量由在输入502处接收的控制信号设定。开关SW51闭合时，开关SW51旁通延时装置520或使其分流。开关SW51是由解码器410(图4)产生的信号控制，所述信号在输入506处接收。电路306(图3)产生用于输入到单稳态装置302的粗信号。在其中PWM产生器300与直流-直流转换器结合使用的实例中，电路306可具有乘法器/除法器电路，其产生与PWM信号的脉宽相关的粗信号，所述脉宽与PWM信号的周期乘以经编程输出电压与输入电压的比相等或成比例。此粗信号是由图4的解码器410处理以确定将活动的延时单元402的数量。如果延时单元500将活动，那么开关SW51断开，且如果延时单元500不活动，那么开关SW51闭合，这导致输入504上的信号旁通延时单元500。

图6是在电路306(图3)内产生粗信号的实例电路600的框图。电路600包含耦合到输入信号的输入602。在电路600与直流-直流转换器结合使用的实例中，输入信号是直流-直流转换器的输入电压。输入602耦合到输入电压缩放单元604，其将输入电压缩放到与电路600的操作电压兼容的电压。电路600还包含耦合到输入信号的输入610。在电路600与直流-直流转换器结合使用的实例中，输入610是与直流-直流转换器的经编程输出电压成比例的信号。输入610耦合到输出电压缩放单元616，其将输入电压缩放到与电路600的操作电压兼容的电压。电路600包含耦合到输入信号的输入612。在电路600与直流-直流转换器结合使用的实例中，输入612耦合到与PWM信号的开关周期或频率成比例的信号。输入612耦合到输入电压缩放单元618，其将输入电压缩放到与电路600的操作电压兼容的电压。

乘法/除法电路620对产生输出信号所需的输入信号执行功能。在上述实例中，乘法/除法电路620将输入612处的周期信号乘以输入610处的经编程输出电压与输入602处的输入电压的比。乘法/除法电路620的输出被传输到缩放电路622，在缩放电路中，所述输出被适当地缩放。接着，信号作为粗信号312传输到单稳态装置302(图3)。

将参考图3到6解释PWM产生器300的操作，且PWM产生器300的操作结合直流-直流转换器进行操作。PWM产生器300接收四个输入信号：经编程输出电压、输入电压、经测量输出电压及PWM频率信号。经编程输出电压、输入电压及PWM频率信号在电路600中被接收，电路600产生如上所述的粗信号。例如，乘法/除法电路620处理信号以产生粗信号。振荡器304接收PWM频率信号，并响应于PWM频率信号而产生时钟信号或在PWM频率处触发。反馈电路308接收经编程输出电压及经测量输出电压，并产生与经编程输出电压与测得的输出电压之间的差成比例的控制信号。

单稳态装置302接收来自振荡器304的触发信号、来自电路306的粗信号及来自反馈电路308的控制信号。粗信号在输入312处接收，在输入312处，解码器410将粗信号转换为二进制数。基于二进制数，特定数量的延时单元402被接通或被激活。参考图5，当延时单元500活动时，开关SW51断开，且当延时单元500不活动时，开关SW51闭合，从而使得触发信号能够旁通延时单元500。控制信号设定延时元件520中的延时量。当延时单元500活动时，从前一个延时单元到后续的延时单元的信号是由延时元件520延时。当延时单元500不活动时，从前一个延时单元到后续的延时单元的信号未被延时元件520延时，因为其被开关SW51旁通。活动的延时单元402的数量及控制信号设定延时，所述延时是PWM信号的脉宽。因此，活动的延时单元402的数量是脉宽的粗设定；且控制信号是微调信号，因为其调谐脉宽使得经测量输出电压等于经编程输出电压。

图7是描述使用图3到6的电路产生PWM信号的实例方法的流程图700。流程图700在步骤702开始于接收与在PWM信号中产生的脉宽相关的粗信号。步骤704包含产生触发信号。步骤706包含响应于触发信号而触发单稳态装置，其中单稳态装置产生具有与粗信号相关的宽度的脉冲。步骤708包含接收与在PWM信号中产生的脉冲的宽度相关的控制信号。步骤710包含响应于控制信号而调整由单稳态装置产生的脉冲的宽度。

图8是包含图3的PWM产生器300的直流-直流转换器800的框图。转换器800包含开关电路802及控制器804。开关电路802是常规的开关电路，其用于直流-直流转换器且由PWM信号控制。控制器804可为用于常规直流-直流转换器的常规控制器，以设定转换器800的经编程输出电压及PWM信号的频率。控制器804向PWM产生器300输出信号，所述信号指示转换器800的经编程输出电压及由转换器300产生的PWM信号的频率。转换器300如上所述地起作用并监测经测量输出电压及输入电压。基于四个输入，产生器300产生上述PWM信号以驱动开关电路802。开关电路802操作装置，所述装置响应于PWM信号而将输入电压转换为输出电压。PWM产生器300能够以比常规转换器更高的频率操作，这缓解如上所述的常规转换器的异常。

上文已经描述了图3的PWM产生器300与直流-直流转换器结合使用。PWM产生器300能够与需要PWM信号的其它装置一起操作，所述其它装置包含交流-直流转换器及交流-交流转换器。

虽然已经通过实例展示及描述了说明性实施例，但是在前述揭示内容的范围内，宽范围的替代性实施例是可能的。

Claims (20)

1.一种产生脉宽调制PWM信号的方法，所述方法包括：

接收与在所述PWM信号中产生的脉冲的宽度相关的粗信号；

产生触发信号；

响应于所述触发信号而触发单稳态装置，所述单稳态装置产生具有与所述粗信号相关的宽度的脉冲；

接收与在所述PWM信号中产生的所述脉冲的所述宽度相关的控制信号；及

响应于所述控制信号而调整由所述单稳态装置产生的所述脉冲的所述宽度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述触发装置包含多个延时单元，且其中产生具有与所述粗信号相关的宽度的脉冲包括激活与所述脉冲的所述宽度相关的许多延时单元。

3.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括将所述粗信号解码到待激活的许多延时单元。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述PWM信号结合具有经编程输出信号及经测量输出信号的装置使用，且其中所述控制信号与所述经测量输出信号与所述经编程输出信号之间的差成比例。

5.根据权利要求1所述的方法，其中响应于所述控制信号而调整由所述单稳态装置产生的所述脉冲的所述宽度包括响应于所述控制信号而调整由所述单稳态装置产生的所述脉冲以最小化所述控制信号。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述PWM信号结合具有经编程输出信号及输入信号的装置使用，且所述方法进一步包括产生所述粗信号，其中所述粗信号与所述PWM信号的周期乘以所述经编程输出信号与所述输入信号的比成比例。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述PWM信号结合具有经编程输出电压及输入电压的电压转换器使用，且所述方法进一步包括产生所述粗信号，其中所述粗信号与所述PWM信号的所述周期乘以所述经编程输出信号与所述输入信号的所述比成比例。

8.一种PWM产生器，其包括：

单稳态装置，其包括：

串联耦合的多个延时单元；

用于接收触发信号的第一输入，所述第一输入耦合到串联耦合的所述延时单元中的第一者；

用于接收粗信号的第二输入，所述粗信号用于确定所述多个延时单元中的哪些延时单元是活动的；

用于接收控制信号的第三输入，所述第三输入耦合到可变延时，其中所述控制信号用于设定所述可变延时的延时周期；及

耦合到所述多个延时单元中的最后者的输出，其中所述输出用于输出PWM信号。

9.根据权利要求8所述的PWM产生器，其中所述延时单元中的至少一者耦合到旁通电路用于使得信号能够旁通所述可变延时。

10.根据权利要求9所述的PWM产生器，其中所述旁通电路包含开关，且其中所述PWM产生器进一步包括解码器，所述解码器用于将所述粗信号解码为用于控制所述开关的状态的信号。

11.根据权利要求10所述的PWM产生器，其中所述解码器将所述粗信号解码为多个位，所述多个位中的每一者耦合到所述开关中的一者，其中位控制的状态是耦合到所述位的所述开关的所述状态。

12.根据权利要求8所述的PWM产生器，其中所述PWM产生器用于控制具有经编程输出信号及经测量输出信号的电路，且其中所述PWM产生器进一步包括用于产生所述控制信号的反馈电路，其中所述反馈电路产生所述控制信号作为所述经编程输出信号与经测量输出信号之间的差。

13.根据权利要求12所述的PWM产生器，其中所述电路是直流-直流转换器中的开关电路，所述经编程输出信号是经编程以由所述直流-直流转换器输出的直流电压，且所述经测量输出信号是由所述直流-直流转换器输出的所述直流电压。

14.根据权利要求8所述的PWM产生器，其中所述PWM产生器结合具有输入信号的开关装置来操作，所述PWM产生器进一步包括用于产生所述粗信号的电路，用于产生所述粗信号的所述电路包括：

用于接收信号的输入，所述信号与所述PWM信号的频率成比例；

用于接收所述经编程输出信号的输入；

用于接收所述输入信号的输入；及

用于产生对与所述PWM信号的所述频率成比例的所述信号、所述经编程输出信号及所述输入信号执行操作的电路，结果为所述粗信号。

15.根据权利要求8所述的PWM产生器，其中所述PWM产生器用于在电压转换器中产生开关信号，且其中所述经编程输出信号是所述转换器的经编程输出电压，且所述输入信号是所述转换器的输入电压。

16.一种直流-直流转换器，其包括：

开关电路，其用于接收输入电压且响应于PWM信号而产生输出电压；及

用于产生所述PWM信号的PWM产生器，所述PWM产生器包括：

串联耦合的多个延时单元；

用于接收触发信号的第一输入，所述输入耦合到串联耦合的所述延时单元中的第一者；

用于接收粗信号的第二输入，所述粗信号用于确定所述多个延时单元中的哪些延时单元将要活动；

用于接收控制信号的第三输入，所述第三输入耦合到可变延时，其中所述控制信号用于设定所述可变延时中的延时周期；及

耦合到所述多个延时单元中的最后者的输出，其中所述输出用于输出PWM信号。

17.根据权利要求16所述的转换器，其进一步包括控制器用于确定所述转换器的所述输出电压。

18.根据权利要求16所述的转换器，其进一步包括控制器用于确定由所述PWM产生器产生的所述PWM信号的所述频率。

19.根据权利要求16所述的转换器，其进一步包括反馈电路用于确定所述输出电压与所述转换器的经编程输出电压之间的差，所述差与所述控制信号成比例。

20.根据权利要求16所述的PWM产生器，其中所述延时单元中的至少一者具有旁通电路用于使得信号能够旁通所述可变延时。