CN108258900B - 一种直流到直流转换器及电源调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种直流到直流转换器及电源调制器，该直流到直流转换器包括：控制电路，用于放大参考电压输入端输入的参考电压和电源输出端输出的第二直流电压之间的差值，以输出误差电压信号；脉冲宽度调制电路，用于根据电源输入端输入的第一直流电压将误差电压信号转换为具有预设占空比的数字控制电压信号；开关电路，用于根据数字控制电压信号的预设占空比将第一直流电压转换为开关电压信号；第一电感和第一电容，第一电感和第一电容用于对开关电压信号进行低通滤波处理，得到第二直流电压；该直流到直流转换器在外围无源器件不变的情况下，提高控制电路的速度，减少直流到直流转换器输出电压趋近参考电压所需的时间，提高转换效率。

Description

一种直流到直流转换器及电源调制器
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是指一种直流到直流转换器及电源调制器。
背景技术
现有技术中直流到直流转换器从电源输入端获取电能,输出到电源输出端。电源输入端的电压不等于电源输出端的电压。直流到直流转换器的效率一般高于85％。直流到直流转换器可以在输出端产生一个与输入端电压不相等的电源。此外，直流到直流转换器还可以抑制输入电源的电压波动，将稳定的电源电压提供给负载。
传统的直流到直流转换器由四个部分组成：PID控制器、脉冲宽度调制器、功率开关、以及外围无源器件。其PID控制器基于PID控制原理，将目标电压减去输出端的电压，并将由此得到的误差分别求积分、放大、和微分，并将上述三种操作的结果求和，而后输出到脉冲宽度调制器。控制器的输出由脉冲宽度调制器转换为开关信号，开关信号控制功率开关。由电感器和电容器组成的二阶低通滤波器平滑开关信号，在电源输出端生成一个稳定的电源电压。
综上，传统直流到直流转换器使用PID控制器来控制输出电压，为了确保控制环路的稳定性，PID控制器的速度需要比外围无源器件的更低；PID控制器的速度决定了直流到直流转换器输出电压趋近到目标电压所需的时间。在外围无源器件不变的情况下，PID控制器的速度影响了直流到直流转换器输出电压趋近到目标电压所需的时间，降低了直流到直流转换器的转换速率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直流到直流转换器及电源调制器，解决了现有技术中由于外围无源器件的速度限制PID控制器的速度，从而影响了直流到直流转换器的转换速率的问题。
为了达到上述目的，本发明实施例提供一种直流到直流转换器，所述直流到直流转换器包括参考电压输入端、电源输入端以及电源输出端，所述直流到直流转换器包括：
控制电路，用于放大参考电压输入端输入的参考电压和电源输出端输出的第二直流电压之间的差值，以输出误差电压信号；
脉冲宽度调制电路，用于根据所述电源输入端输入的第一直流电压将所述误差电压信号转换为具有预设占空比的数字控制电压信号；
开关电路，用于根据所述数字控制电压信号的预设占空比将所述第一直流电压转换为开关电压信号；
第一电感和第一电容，所述第一电感和第一电容用于对所述开关电压信号进行低通滤波处理，得到第二直流电压。
其中，所述开关电压信号与所述第一电感的第一端连接，所述第一电感的第二端与所述第一电容的第一端连接，所述第一电容的第二端接地；
所述第一电感和第一电容的连接处输出所述第二直流电压。
其中，所述开关电路包括：
跟随器、第一反相器、第一开关以及第二开关；其中，
所述第一直流电压连接所述第一开关的第一端，所述第一开关的第二端连接所述第二开关的第一端，所述第二开关的第二端接地；
所述数字控制电压信号与所述跟随器的输入端连接，所述跟随器的输出端与所述第一开关的控制端连接；所述数字控制电压信号还与所述第一反相器的输入端连接，所述第一反相器的输出端与所述第二开关的控制端连接；
所述第一开关与所述第二开关的连接处输出所述开关电压信号。
其中，所述脉冲宽度调制电路包括：
电源探测器，用于对所述第一直流电压进行衰减处理，并输出直流衰减电压；
三角波发生器，用于将所述直流衰减电压转换为三角波电压信号；
第一比较器，用于将所述误差电压信号和所述三角波电压信号进行比较，生成具有预设占空比的数字控制电压信号并输出。
其中，所述控制电路包括：
微分器，用于将所述第二直流电压的相位前移90°得到微分电压信号；
误差探测器，用于利用所述微分电压信号对所述低通滤波电路产生的相移进行补偿；所述误差探测器还用于利用所述电源探测器电路输出的直流衰减电压消除第一直流电压对第二直流电压的影响；所述误差探测器还用于获取所述参考电压和第二直流电压之间的差值电压；
误差放大器，用于对所述差值电压进行放大处理，得到误差电压信号。
其中，所述三角波发生器包括：
第二反相器、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第一电阻、第二电阻、第二电容、第三电容、第一运算放大器、第二比较器、第三比较器以及RS触发器；其中，
所述直流衰减电压的正极电压分别与第三开关的第一端和第四开关的第一端连接，所述第三开关的第二端与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端分别与所述第一运算放大器的同相输入端和所述第二电容的第一端连接，所述第二电容的第二端与所述第一运算放大器的负极输出端连接，所述第一运算放大器的负极输出端输出所述三角波电压信号的负极电压；
所述第四开关的第二端与所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端分别与所述第一运算放大器的反相输入端和所述第三电容的第一端连接，所述第三电容的第二端与所述第一运算放大器的正极输出端连接，所述第一运算放大器的正极输出端输出所述三角波电压信号的正极电压；
所述直流衰减电压的负极电压分别与第五开关的第一端和第六开关的第一端连接，所述第五开关的第二端与所述第一电阻的第一端连接；所述第六开关的第二端与所述第二电阻的第一端连接；
所述直流衰减电压的正极电压、所述直流衰减电压的负极电压、所述三角波电压信号的正极电压以及所述三角波电压信号的负极电压分别接入所述第二比较器的输入端和所述第三比较器的输入端；所述第二比较器的输出端与所述RS触发器的复位端连接，所述第三比较器的输出与所述RS触发器的置位端连接；
所述RS触发器的输出端输出触发信号，所述触发信号分别与所述第三开关的控制端和所述第六开关的控制端连接；所述触发信号还与所述第二反相器的输入端连接，所述第二反相器的输出端分别与所述第四开关的控制端和所述第五开关的控制端连接。
其中，所述第二比较器包括：第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻以及第一放大器；其中，
所述直流衰减电压的负极电压与所述第三电阻的第一端连接，所述第三电阻的第二端与所述第一放大器的第一输入端连接；所述三角波电压信号的正极电压与所述第五电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端与所述第一放大器的第一输入端连接；
所述直流衰减电压的正极电压与所述第四电阻的第一端连接，所述第四电阻的第二端与所述第一放大器的第二输入端连接；所述三角波电压信号的负极电压与所述第六电阻的第一端连接，所述第六电阻的第二端与所述第一放大器的第二输入端连接。
其中，所述第三比较器包括：第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻以及第二放大器；其中，
所述直流衰减电压的负极电压与所述第七电阻的第一端连接，所述第七电阻的第二端与所述第二放大器的第一输入端连接；所述三角波电压信号的负极电压与所述第十电阻的第一端连接，所述第十电阻的第二端与所述第二放大器的第一输入端连接；
所述直流衰减电压的正极电压与所述第八电阻的第一端连接，所述第八电阻的第二端与所述第二放大器的第二输入端连接；所述三角波电压信号的正极电压与所述第九电阻的第一端连接，所述第九电阻的第二端与所述第二放大器的第二输入端连接。
其中，所述微分器包括：第二运算放大器、第十一电阻、第十二电阻、第四电容以及第五电容；其中，
所述第二直流电压的负极电压与所述第四电容的第一端连接，所述第四电容的第二端分别与所述第二运算放大器的同相输入端和所述第十一电阻的第一端连接，所述第十一电阻的第二端与所述第二运算放大器的负极输出端连接，所述第二运算放大器的负极输出端输出所述微分电压信号的负极电压；
所述第二直流电压的正极电压与所述第五电容的第一端连接，所述第五电容的第二端分别与所述第二运算放大器的反相输入端和所述第十二电阻的第一端连接，所述第十二电阻的第二端与所述第二运算放大器的正极输出端连接，所述第二运算放大器的正极输出端输出所述微分电压信号的正极电压。
其中，所述误差探测器包括：
第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻以及第三运算放大器；其中，
所述参考电压的正极电压与所述第十三电阻的第一端连接，所述第十三电阻的第二端与所述第三运算放大器的同相输入端连接；所述参考电压的负极电压与所述第十四电阻的第一端连接，所述第十四电阻的第二端与所述第三运算放大器的反相输入端连接；
所述微分电压信号的正极电压与所述第十五电阻的第一端连接，所述第十五电阻的第二端与所述第三运算放大器的同相输入端连接；所述微分电压信号的负极电压与所述第十六电阻的第一端连接，所述第十六电阻的第二端与所述第三运算放大器的反相输入端连接；
所述直流衰减电压的负极电压与所述第十七电阻的第一端连接，所述第十七电阻的第二端与所述第三运算放大器的同相输入端连接；所述直流衰减电压的正极电压与所述第十八电阻的第一端连接，所述第十八电阻的第二端与所述第三运算放大器的反相输入端连接；
所述第二直流电压的负极电压与所述第十九电阻的第一端连接，所述第十九电阻的第二端与所述第三运算放大器的同相输入端连接；所述第二直流电压的正极电压与所述第二十电阻的第一端连接，所述第二十电阻的第二端与所述第三运算放大器的反相输入端连接；
所述第三运算放大器的同相输入端还通过所述第二十一电阻与所述第三运算放大器的负极输出端连接，所述第三运算放大器的负极输出端输出所述差值的负极电压；所述第三运算放大器的反相输入端还通过第二十二电阻与所述第三运算放大器的正极输出端连接，所述第三运算放大器的正极输出端输出所述差值的正极电压。
其中，所述误差放大器包括：
第二十三电阻、第二十四电阻、第二十五电阻、第二十六电阻以及第四运算放大器；其中，
所述差值电压的正极电压与所述第二十三电阻的第一端连接，所述第二十三电阻的第二端与所述第四运算放大器的同相输入端连接；所述差值电压的负极电压与所述第二十四电阻的第一端连接，所述第二十四电阻的第二端与所述第四运算放大器的反相输入端连接；
所述第四运算放大器的同相输入端还与所述第二十五电阻的第一端连接，所述第二十五电阻的第二端与所述第四运算放大器的负极输出端连接，所述第四运算放大器的负极输出端输出所述误差电压信号的负极电压；
所述第四运算放大器的反相输入端还与所述第二十六电阻的第一端连接，所述第二十六电阻的第二端与所述第四运算放大器的正极输出端连接，所述第四运算放大器的正极输出端输出所述误差电压信号的正极电压。
本发明实施例还提供一种电源调制器，其特征在于，所述电源调制器包括如上所述的直流到直流转换器，所述电源调制器还包括：线性放大器、下拉开关及差分信号探测器；其中，
所述线性放大器的同相输入端作为所述电源调制器的输入端，且一待跟踪参考信号与所述线性放大器的同相输入端连接；所述直流到直流转换器的第一电容的上极板作为所述电源调制器的输出端，并输出电源调制信号；
所述差分信号探测器用于探测所述直流到直流转换器的第一电容的上极板电压和下极板电压之间的电压差，并对所述电压差进行处理得到差分电压信号，再将差分电压信号输出给所述直流到直流转换器的控制电路；
所述直流到直流转换器的第一电容的上极板电压与所述线性放大器的反相输入端连接，所述线性放大器的输出端与所述直流到直流转换器的第一电容的下极板连接；且所述线性放大器的输出端与所述第一电容的连接处通过所述下拉开关之后与地连接。
其中，所述差分信号探测器包括：
偏置电压发生电路和差分信号探测电路；
所述偏置电压发生电路用于对一直流电压进行处理得到一偏置电压；
所述差分信号探测电路用于根据所述偏置电压对所述电压差进行处理得到差分电压信号，并将差分电压信号输出给所述直流到直流转换器的控制电路。
其中，所述偏置电压发生电路包括：
第五运算放大器、第二十七电阻、第二十八电阻、第二十九电阻以及第三十电阻；
其中，所述直流电压的正极电压与所述第二十七电阻的第一端连接，所述第二十七电阻的第二端与所述第五运算放大器的同相输入端连接，所述第五运算放大器的同相输入端还与所述第二十九电阻的第一端连接，所述第二十九电阻的第二端与所述第五运算放大器的负极输出端连接，所述第五运算放大器的负极输出端输出所述偏置电压的负极电压；
所述直流电压的负极电压与所述第二十八电阻的第一端连接，所述第二十八电阻的第二端与所述第五运算放大器的反相输入端连接，所述第五运算放大器(的反相输入端还与所述第三十电阻的第一端连接，所述第三十电阻的第二端与所述第五运算放大器的正极输出端连接，所述第五运算放大器的正极输出端输出所述偏置电压的正极电压。
其中，所述差分信号探测电路包括：
第六运算放大器、第三十一电阻、第三十二电阻、第三十三电阻、第三十四电阻、第三十五电阻以及第三十六电阻；其中，
所述偏置电压的正极电压与所述第三十一电阻的第一端连接，所述第三十一电阻的第二端与所述第六运算放大器的同相输入端连接，所述第一电容的上极板电压与所述第三十四电阻的第一端连接，所述第三十四电阻的第二端与所述第六运算放大器的同相输入端连接；
所述第六运算放大器的同相输入端还与所述第三十五电阻的第一端连接，所述第三十五电阻的第二端与所述第六运算放大器的负极输出端连接，所述第六运算放大器的负极输出端输出所述差分电压信号的负极电压；
所述偏置电压的负极电压与所述第三十二电阻的第一端连接，所述第三十二电阻的第二端与所述第六运算放大器的反相输入端连接；所述第一电容的下极板电压与所述第三十三电阻的第一端连接，所述第三十三电阻的第二端与所述第六运算放大器的反相输入端连接；
所述第六运算放大器的反相输入端还与所述第三十六电阻的第一端连接，所述第三十六电阻的第二端与所述第六运算放大器的正极输出端连接，所述第六运算放大器的正极输出端输出所述差分电压信号的正极电压。
本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果：
本发明实施例的直流到直流转换器及电源调制器中，通过删除积分器消除了由积分器引起的速度限制，提高直流到直流转换器的控制速度；且该直流到直流转换器中的脉冲宽度调制电路跟踪电源输入端输入的第一直流电压，维持了脉冲宽度调制电路的等效增益，使得控制电路的幅度及相位不受输入电源电压的影响；即该直流到直流转换器能够在外围无源器件不变的情况下，提高控制器的速度，减少直流到直流转换器输出电压趋近到参考电压所需的时间，提高转换效率。
附图说明
图1表示本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器的结构示意图；
图2表示本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器中脉冲宽度调制电路的输入输出信号的时序图；
图3表示本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器中脉冲宽度调制电路包含的三角波发生器的工作原理图；
图4表示本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器中脉冲宽度调制电路包含的三角波发生器的输出信号机内部信号的时序图；
图5表示本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器中脉冲宽度调制电路包含的三角波发生器的电路结构示意图；
图6表示本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器中脉冲宽度调制电路包含的三角波发生器的第一运算放大器的电路结构示意图；
图7表示本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器中脉冲宽度调制电路包含的三角波发生器的比较器的电路结构示意图；
图8表示本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器中脉冲宽度调制电路的输入信号和输出信号之间的转换关系图；
图9表示本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器中的脉冲宽度调制电路及开关电路的等效线性信号流程图；
图10表示本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器的等效线性信号流程图；
图11表示本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器中的各部件的幅度响应及相位响应；
图12表示本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器中的控制电路的电路结构示意图；
图13表示本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器中的控制电路中包含的微分器的第二运算放大器的电路结构示意图；
图14表示本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器中的理想微分器、实际微分器以及实际微分器的第二运算放大器的幅度响应及相位响应；
图15表示本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器中的控制电路中包含的误差探测器的第三运算放大器的电路结构示意图；
图16表示本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器中的控制电路中包含的误差放大器的第四运算放大器的电路结构示意图；
图17表示本发明的第二实施例提供的电源调制器的原理示意图；
图18表示本发明的第二实施例提供的电源调制器用于射频功率放大器时，射频功率放大器的输入信号与输出信号的关系图；
图19表示本发明的第二实施例提供的电源调制器在包络跟踪模式下内部外部信号波形图；
图20表示本发明的第二实施例提供的电源调制器的电路结构示意图；
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
第一实施例
如图1所示，本发明的第一实施例提供一种直流到直流转换器，所述直流到直流转换器包括参考电压输入端、电源输入端以及电源输出端，所述直流到直流转换器包括：
控制电路，用于放大参考电压输入端输入的参考电压VDAC和电源输出端输出的第二直流电压VCBK之间的差值，以输出误差电压信号VLG；该控制电路主要由三个部件组成：微分器、误差探测器以及误差放大器。控制电路的主要作用是，比较参考电压VDAC与电源输出端输出的第二直流电压VCBK，并将两者之间的误差放大并作为误差电压信号VLG传递到后续部件，来控制电源输出端的电压。
本发明实施例提供的直流到直流转换器中的控制电路不包含积分器，则消除了由积分器引起的速度限制，提高直流到直流转换器的控制速度。
脉冲宽度调制电路，用于根据所述电源输入端输入的第一直流电压VBAT将所述误差电压信号VLG转换为具有预设占空比的数字控制电压信号DPWM；该脉冲宽度调制电路主要包含三个部件：电源探测器、三角波发生器以及比较器。脉冲宽度调制电路的主要作用是把模拟控制信号(即误差电压信号VLG)转换为数字控制信号(即数字控制电压信号DPWM)，而两者之间的转换关系由电源输入端输入的第一直流电压VBAT决定。
开关电路，用于根据所述数字控制电压信号DPWM的预设占空比将所述第一直流电压VBAT转换为开关电压信号DSW；该开关电路为功率开关，其主要作用是，将数字控制电压信号DPWM转化为第一电感L1与电源输入端或者接地端之间低阻抗的通断，从而高效率地将电源输入端输入的第一直流电压VBAT转换为负载输出端的电压。开关电路是实现高转换效率的关键部件。
第一电感L1和第一电容C1，所述第一电感L1和第一电容C1用于对所述开关电压信号DSW进行低通滤波处理，得到第二直流电压VCBK。第一电感L1和第一电容C1为外围无源器件，外围无源器件对开关电路输出的开关电压信号DSW进行平滑处理，在电源输出端输出一个稳定的电源电压，即第二直流电压VCBK。
本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器不包含积分器，消除了由积分器引起的速度限制，提高直流到直流转换器的控制速度；且本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器中的脉冲宽度调制电路跟踪电源输入端输入的第一直流电压VBAT，维持了脉冲宽度调制电路的等效增益，使得控制电路的幅度及相位不受输入电源电压的影响；即本发明的第一实施例能够在外围无源器件不变的情况下，提高控制器的速度，减少直流到直流转换器输出电压趋近到参考电压所需的时间，提高转换效率。
具体的，如图1所示，本发明的第一实施例中外围无源器件的连接关系如下：所述开关电压信号DSW与所述第一电感L1的第一端连接，所述第一电感L1的第二端与所述第一电容C1的第一端连接，所述第一电容的第二端接地；且所述第一电感L1和第一电容C1的连接处输出所述第二直流电压VCBK。
进一步的，所述开关电路包括：
跟随器F、第一反相器T1、第一开关SUP以及第二开关SDN；其中，
所述第一直流电压VBAT连接所述第一开关SUP的第一端，所述第一开关SUP的第二端连接所述第二开关SDN的第一端，所述第二开关SDN的第二端接地；
所述数字控制电压信号DPWM与所述跟随器F的输入端连接，所述跟随器F的输出端与所述第一开关SUP的控制端连接；所述数字控制电压信号DPWM还与所述第一反相器T1的输入端连接，所述第一反相器T1的输出端与所述第二开关SDN的控制端连接；所述第一开关SUP与所述第二开关SDN的连接处输出所述开关电压信号DSW。
本发明的第一实施例中，开关电路的动作由脉冲宽度调制电路的输出信号数字控制电压信号DPWM控制。数字控制电压信号DPWM是数字信号，当数字控制电压信号DPWM为逻辑高电平时，第二开关SDN被断开而第一开关SUP被闭合，开关电路的输出端与电源输入端相连接；当数字控制电压信号DPWM为逻辑低电平时，第二开关SDN被闭合而第一开关SUP被断开，开关电路的输出端与接地端相连接。具体的，数字控制电压信号DPWM的占空比以及电源输入端的第一直流电压VBAT决定开关电路输出的开关电压信号DSW的等效直流电压，继而决定了电源输出端的直流电压。
进一步的，本发明的第一实施例中所述脉冲宽度调制电路包括：
电源探测器，用于对所述第一直流电压VBAT进行衰减处理，并输出直流衰减电压VDRV；该电源探测器是一个衰减系数为KBAT的衰减器，电源探测器的输入电压为第一直流电压VBAT。电源探测器的输出电压直流衰减电压VDRV是三角波发生器的振幅参考电压。
三角波发生器，用于将所述直流衰减电压VDRV转换为三角波电压信号VWV；三角波发生器的振幅和电源输入端的输入电压成正比，两者之间的比例由直流衰减电压VDRV决定。
第一比较器，用于将所述误差电压信号VLG和所述三角波电压信号VWV进行比较，生成具有预设占空比的数字控制电压信号DPWM并输出。该第一比较器比较输入信号(即误差电压信号VLG)和三角波发生器的输出信号(即三角波电压信号VWV)，生成具有预设占空比的数字控制电压信号DPWM。
综上，脉冲宽度调制电路将误差电压信号VLG转换为一个开关控制信号(即数字控制电压信号DPWM)。如图2所示，具体的转换过程如下：脉冲宽度调制电路的三角波发生器生成一个三角波电压信号VWV，这个三角波电压信号VWV的峰值为-VDRV和VDRV。如图2所示，三角波电压信号VWV下降坡度恒定，当触碰到阈值-VDR时，波形VWV反转方向，以恒定的坡度向上升，当触碰到阈值VDRV时，波形VWV反转方向，以恒定的坡度再次下降，如此周而复始，形成三角波电压信号VWV。进一步的，脉冲宽度调制电路的第一比较器比较误差电压信号VLG与三角波电压信号VWV的大小；当VLG大于VWV时，输出信号DPWM为1；当VLG小于VWV时，输出信号DPWM为0；当VLG等于或者大于VDRV，则DPWM保持为1；当VLG等于或者小于-VDRV，则DPWM保持为0。当电源输入端输入的第一直流电压VBAT处于-VDRV与VDRV之间时，数字控制电压信号DPWM的占空比与误差电压信号VLG呈线性关系。
三角波发生器的工作原理如图3所示，电阻R、电容C以及运算放大器构成一个积分器，开关S1和S2受触发器输出信号DRS的控制。当DRS为1时，S1闭合而S2断开，电流从电阻R的左端流向右端，运算放大器的虚拟接地效应迫使这股电流流向电容C，并在电容C的右极板积聚负电荷，因此运算放大器的输出电压逐渐减小。反之，当DRS为0时，S1断开而S2闭合，电流从电阻R的右端流向左端，运算放大器的虚拟接地效应迫使这股电流从电容C流出，从而在电容C的右极板积聚正电荷，因此运算放大器的输出电压逐渐增大。此外，三角波发生器还包含两个比较器，即比较器1和比较2；当当VWV大于VDRV时，比较器1输出的信号DCH为1；当VWV小于-VDRV时，比较器2输出的信号DCL为1。
如图4所示，当比较器2探测到VWV低于-VDRV，输出信号DCL由0变为1，并将RS触发器的状态设置为1，接下来由于信号DRS变为1，积分器开始向上积分，信号VWV上升；当信号VWV高过VDRV时，比较器1的输出信号变为1，RS触发器的状态被重置为0，积分器再次改变方向，开始向下积分，信号VWV下降，如此周而复始。
进一步的，本发明的第一实施例中，三角波发生器的具体实现电路采用全差分电路结构实现，其中，信号VWVP和VWVN分别代表信号VWV的正极和负极，也就是VWV＝VWVP-VWVN。信号VDRVP和VDRVN分别代表信号VDRV的正极和负极，也就是VDRV＝VDRVP-VDRVN。具体的，如图5所示，所述三角波发生器包括：
第二反相器T2、第三开关K1、第四开关K2、第五开关K3、第六开关K4、第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2、第三电容C3、第一运算放大器OP1、第二比较器CMP1、第三比较器CMP2以及RS触发器；其中，
所述直流衰减电压VDRV的正极电压VDRVP分别与第三开关K1的第一端和第四开关K2的第一端连接，所述第三开关K1的第二端与所述第一电阻R1的第一端连接，所述第一电阻R1的第二端分别与所述第一运算放大器OP1的同相输入端和所述第二电容C2的第一端连接，所述第二电容C2的第二端与所述第一运算放大器OP1的负极输出端连接，所述第一运算放大器OP1的负极输出端输出所述三角波电压信号VWV的负极电压VWVN；
所述第四开关K2的第二端与所述第二电阻R2的第一端连接，所述第二电阻R2的第二端分别与所述第一运算放大器OP1的反相输入端和所述第三电容C3的第一端连接，所述第三电容C3的第二端与所述第一运算放大器OP1的正极输出端连接，所述第一运算放大器OP1的正极输出端输出所述三角波电压信号VWV的正极电压VWVP；
所述直流衰减电压VDRV的负极电压VDRVN分别与第五开关K3的第一端和第六开关K4的第一端连接，所述第五开关K3的第二端与所述第一电阻R1的第一端连接；所述第六开关K4的第二端与所述第二电阻R2的第一端连接；
所述直流衰减电压VDRV的正极电压VDRVP、所述直流衰减电压VDRV的负极电压VDRVN、所述三角波电压信号VWV的正极电压VWVP以及所述三角波电压信号VWV的负极电压VWVN分别接入所述第二比较器CMP1的输入端和所述第三比较器CMP2的输入端；所述第二比较器CMP1的输出端与所述RS触发器的复位端R连接，所述第三比较器CMP2的输出与所述RS触发器的置位端S连接；
所述RS触发器的输出端Q输出触发信号DRS，所述触发信号DRS分别与所述第三开关K1的控制端和所述第六开关K4的控制端连接；所述触发信号DRS还与所述第二反相器T2的输入端连接，所述第二反相器T2的输出端分别与所述第四开关K2的控制端和所述第五开关K3的控制端连接。
较佳的，图5中第一电阻R1的电阻值等于第二电阻R2的电阻值等于RWV。第二电容C2的电容值等于第三电容C3的电容值等于CWV。
当第一运算放大器OP1为理想且具有无限的带宽时，三角波发生器所生成三角波信号的频率只受到电阻值RWV和电容值CWV的影响。电阻值RWV和电容值CWV相对于工作环境的稳定可以保证三角波发生器振荡频率的稳定。
本发明的上述实施例中，第一运算放大器OP1为全差分的二级运算放大器，其具体电路实现如图6所示。第一运算放大器OP1的输出级电压范围可以足够容纳三角波的峰值。此外，当运算放大器的带宽与三角波的振荡频率比较接近时，第一运算放大器OP1的带宽会影响振荡频率。如图6所示，电阻R41的电阻值和电阻R42的电阻值可以是可调的，也可以是可编程的；电容C41的电容值和电容C42的电容值可以是可调的，也可以是可编程的；以便于动态调整三角波发生器的频率，从而优化直流到直流转换器的工作效率，提高直流到直流转换器的电磁兼容性。具体的，场效应管M2、M5、M6、M10、M11组成第一级差分信号放大级；场效应管M1、M3、M9、和M12组成第二级信号放大级；场效应管M4、M7、M8、M13和M14组成共模信号控制电路；电阻R43、电阻R44、电容C43和电容C44组成共模信号探测器。电阻R41和电容C41、电容R42和电容C42可以对第一运算放大器OP1进行相位补偿，确保第一运算放大器在负反馈环路中保持稳定。
需要说明的是，图6中的VDD为一电源电压，VSS为接地端电压，VCM为共模电压，VIP和VIN为差分输入信号，VOP和VON为差分输出信号。
具体的，三角波发生器中的第一比较器CMP1和第二比较器CMP2为相同的比较器，其比较器的工作原理如图7所示，场效应管M18、M19、M20和M21组成第一级放大器，可以将差分输入信号VIP和VIN放大；场效应管M22和M17组成第二级放大器，将第一级放大器的输出信号继续放大，并输出比较器的输出信号Z。当输入端VIP的电压高于输入端VIN的电压，输出端Z的电压为电源电压VDD。当输入端VIP的电压低于输入端VIN的电压，输出端Z的电压为接地端电压VSS。
进一步的，本发明的第一实施例中，三角波发生器中第一比较器和第二比较器的具体电路结构如图5所示，其中，所述第二比较器CMP1包括：第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6以及第一放大器P1；其中，
所述直流衰减电压VDRV的负极电压VDRVN与所述第三电阻R3的第一端连接，所述第三电阻R3的第二端与所述第一放大器P1的第一输入端连接；所述三角波电压信号VWV的正极电压VWVP与所述第五电阻R5的第一端连接，所述第五电阻R5的第二端与所述第一放大器P1的第一输入端连接；
所述直流衰减电压VDRV的正极电压VDRVP与所述第四电阻R4的第一端连接，所述第四电阻R4的第二端与所述第一放大器P1的第二输入端连接；所述三角波电压信号VWV的负极电压VWVN与所述第六电阻R6的第一端连接，所述第六电阻R6的第二端与所述第一放大器P1的第二输入端连接。
其中，所述第三比较器CMP2包括：第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10以及第二放大器P2；其中，
所述直流衰减电压VDRV的负极电压VDRVN与所述第七电阻R7的第一端连接，所述第七电阻R7的第二端与所述第二放大器P2的第一输入端连接；所述三角波电压信号VWV的负极电压VWVN与所述第十电阻R10的第一端连接，所述第十电阻R10的第二端与所述第二放大器P2的第一输入端连接；
所述直流衰减电压VDRV的正极电压VDRVP与所述第八电阻R8的第一端连接，所述第八电阻R8的第二端与所述第二放大器P2的第二输入端连接；所述三角波电压信号VWV的正极电压VWVP与所述第九电阻R9的第一端连接，所述第九电阻R9的第二端与所述第二放大器P2的第二输入端连接。
本发明的上述实施例中，如图1所示，误差电压信号VLG进入脉冲宽度调制电路被转换为数字控制电压信号DPWM；数字控制电压信号DPWM继而转换为开关电压信号DSW，并通过第一电感L1和第一电容C1组成的低通滤波器转换为第二直流电压VCBK。
如图8所示为脉冲宽度调制电路的输入信号(即误差电压信号VLG)与直流到直流转换器的输出信号(即第二直流电压VCBK)之间的转换关系。当脉冲宽度调制器的输入电压信号VLG为-VDRV时，开关信号DPWM的占空比为0％；当脉冲宽度调制器的输入电压信号VLG为0时，开关信号DPWM的占空比为50％。当脉冲宽度调制器的输入电压信号VLG为VDRV时，开关信号DPWM的占空比为100％。当脉冲宽度调制器的输入电压信号VLG在-VDRV到VDRV的范围内时，从脉冲宽度调制器输入信号VLG到功率开关控制信号DPWM占空比之间的转换关系为线性。
具体的，当功率开关控制信号DPWM的占空比为0％时，直流直转换器的输出电压信号VCBK为0；当功率开关控制信号DPWM的占空比为50％时，直流直转换器的输出电压信号VCBK为0.5VBAT；当功率开关控制信号DPWM的占空比为100％时，直流直转换器的输出电压信号VCBK为VBAT；从功率开关控制信号DPWM占空比到直流到直流转换器输出信号VCBK之间的转换关系为线性。
进一步的，根据图8所描述的脉冲宽度调制电路的输入信号(即误差电压信号VLG)与直流到直流转换器的输出信号(即第二直流电压VCBK)之间的等效线性关系，可以推演出图9中的等效性信号流程图。该等效性信号流程图由四个部分组成，一个增益为KPWM的放大器、一个加法器、一个增益为0.5的放大器，以及一个电压源VBAT。
具体的，图9中线性信号流程图可以用如下的表达式描述：
综上，本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器的等效线性信号的流程图如图10所示。为了消除输入电源电压VBAT对输出电压VCBK的影响，误差探测器的系数KDRV应该设置为这样VCBK仅仅受到VDAC的影响，并且
如图11所示为本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器的控制环路增益的幅度响应以及相位响应。频率FLC是外围无源器件的带宽；频率FZE是微分器的零点的频率；频率FLP是控制环路增益幅度响应与0dB的交叉点。频率FLP对应控制环路的带宽。在频率FLP上，控制环路增益幅度响应对应相位与-180度的差值就是控制环路的相位裕量。
当频率小于FLC，外围无源器件的幅度响应为0dB，相位响应为0度。当频率大于FLC，外围无源器件的相位响应为-180度，幅度响应以40dB每十倍频程的斜率下降。
微分器的幅度响应在频率F1和F2处转折。当频率小于F1，微分器的幅度响应以20dB每十倍频程的斜率上升，对应的相位时90度；当频率大于F1而小于F2时，微分器的幅度响应维持恒定，对应的相位响应是0度；当频率大于F2时，微分器的幅度响应以20dB每十倍频程的斜率下降，对应的相位响应是-90度。
控制电路与脉冲宽度调制电路总和的幅度及相位响应与微分器的幅度及相位响应类似，区别是：前者的幅度响应相对于后向上平移；此外前者的幅度响应在频率FZE出有转折，并在频率低于FZE时保持恒定。控制电路以及脉冲宽度调制电路的幅度响应与微分器幅度响应之间差异的原因在于：反馈信号VCBKP和VCBKN既是微分器的输入信号也是误差探测器的输入信号，当频率小于FZE，微分器对反馈信号VCBKP和VCBKN的放大倍数小于误差探测器；控制器和脉冲宽度调制器总和的幅度响应相对于微分器的幅度响应的向上平移由误差探测器的增益KCBK、误差放大器的增益KLG、以及脉冲宽度调制器等效增益KPWM组成。由KCBK、KLG、KPWM组成的增益影响控制环路的带宽：增益越大带宽越高。
控制电路、脉冲宽度调制电路以及外围无源器件的总和的增益，即控制环路增益。控制环路增益的幅度响应在频率FLC、FZE、FLP以及F1有转折点。当频率小于FLC，控制环路增益的保持恒定。当频率大于FLC而小于FZE，控制环路的增益以40dB每十倍频程的斜率下降。当频率大于FZE而小于F1，控制环路的增益以20dB每十倍频程的斜率下降。当频率大于F1，控制环路的增益以40dB每十倍频程的斜率下降。控制环路增益的频率响应，在频率等于FLP处于0dB相交。频率FLP大于FZE且小于F1。
具体的，本发明的第一实施例中，如图1所示所述控制电路包括：
微分器，用于将所述第二直流电压VCBK的相位前移90°得到微分电压信号VZE；该微分器可以消除有第一电容C1和第一电感L1组成的二阶系统的谐振。微分器的输入信号是电源输出端输出的第二直流电压VCBK，微分器对输入信号对时间求导。从频域分析角度来讲，微分器可以产生90°的相位矫正，使控制器补偿外围无源器件180°的相移。
误差探测器，用于利用所述微分电压信号VZE对所述低通滤波电路产生的相移进行补偿；所述误差探测器还用于利用所述电源探测器电路输出的直流衰减电压VDRV消除第一直流电压VBAT对第二直流电压VCBK的影响；所述误差探测器还用于获取所述参考电压VDAC和第二直流电压VCBK之间的差值电压VEA；该误差探测器有四个输入信号端口，分别连接至参考电压输入端、微分器、电源输出端以及脉冲宽度调制电路的电源探测器的输出端。误差探测器的每个输入端口都配有独立的放大系数。
误差放大器，用于对所述差值电压VEA进行放大处理，得到误差电压信号VLG。该误差放大器将上述误差探测器的输出信号放大KLG倍。
本发明的第一实施例的控制电路由三个部件组成：微分器、误差探测器以及误差放大器。控制器以全差分电路的形式实现。其中VEA＝VEAP-VEAN、VDRV＝VDRVP-VDRVN、VZE＝VZEP-VZEN、VLG＝VLGP-VLGN、VDAC＝VDACP-VDACN。
具体的，如图12所示微分器包括：第二运算放大器OP2、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第四电容C4以及第五电容C5；其中，
所述第二直流电压VCBK的负极电压VCBKN与所述第四电容C4的第一端连接，所述第四电容C4的第二端分别与所述第二运算放大器OP2的同相输入端和所述第十一电阻R11的第一端连接，所述第十一电阻R11的第二端与所述第二运算放大器OP2的负极输出端连接，所述第二运算放大器OP2的负极输出端输出所述微分电压信号VZE的负极电压VZEN；
所述第二直流电压VCBK的正极电压VCBKP与所述第五电容C5的第一端连接，所述第五电容C5的第二端分别与所述第二运算放大器OP2的反相输入端和所述第十二电阻R12的第一端连接，所述第十二电阻R12的第二端与所述第二运算放大器OP2的正极输出端连接，所述第二运算放大器OP2的正极输出端输出所述微分电压信号VZE的正极电压VZEP。
具体的，第十一电阻R11、第十二电阻R12、第四电容C4以及第五电容C5既可以是固定的，也可以是可调节的，在此不作具体限定。较佳的，第四电容C4的电容值以及第五电容C5的电容值为CZE。第十一电阻R11的电阻值以及第十二电阻R12的电阻值为RZEFB。则
VZE＝-SRZEFBCZEVCBK
具体的，如图12所示误差探测器包括：第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第二十二电阻R22以及第三运算放大器OP3；其中，
所述参考电压VDAC的正极电压VDACP与所述第十三电阻R13的第一端连接，所述第十三电阻R13的第二端与所述第三运算放大器OP3的同相输入端连接；所述参考电压VDAC的负极电压VDACN与所述第十四电阻R14的第一端连接，所述第十四电阻R14的第二端与所述第三运算放大器OP3的反相输入端连接；
所述微分电压信号VZE的正极电压VZEP与所述第十五电阻R15的第一端连接，所述第十五电阻R15的第二端与所述第三运算放大器OP3的同相输入端连接；所述微分电压信号VZE的负极电压VZEN与所述第十六电阻R16的第一端连接，所述第十六电阻R16的第二端与所述第三运算放大器OP3的反相输入端连接；
所述直流衰减电压VDRV的负极电压VDRVN与所述第十七电阻R17的第一端连接，所述第十七电阻R17的第二端与所述第三运算放大器OP3的同相输入端连接；所述直流衰减电压VDRV的正极电压VDRVP与所述第十八电阻R18的第一端连接，所述第十八电阻R18的第二端与所述第三运算放大器OP3的反相输入端连接；
所述第二直流电压VCBK的负极电压VCBKN与所述第十九电阻R19的第一端连接，所述第十九电阻R19的第二端与所述第三运算放大器OP3的同相输入端连接；所述第二直流电压VCBK的正极电压VCBKP与所述第二十电阻R20的第一端连接，所述第二十电阻R20的第二端与所述第三运算放大器OP3的反相输入端连接；
所述第三运算放大器OP3的同相输入端还通过所述第二十一电阻R21与所述第三运算放大器OP3的负极输出端连接，所述第三运算放大器OP3的负极输出端输出所述差值VEA的负极电压VEAN；所述第三运算放大器OP3的反相输入端还通过第二十二电阻R22与所述第三运算放大器OP3的正极输出端连接，所述第三运算放大器OP3的正极输出端输出所述差值VEA的正极电压VEAP。
较佳的，电阻R13和R14的阻值为RDAC。电阻R15和R16的阻值为RZE。电阻R17和R18的阻值为RDRV。电阻R19和R20的阻值为RCBK。电阻R21和R22的阻值为REAFB。则
进一步的，如图12所示误差放大器包括：第二十三电阻R23、第二十四电阻R24、第二十五电阻R25、第二十六电阻R26以及第四运算放大器OP4；其中，
所述差值电压VEA的正极电压VEAP与所述第二十三电阻R23的第一端连接，所述第二十三电阻R23的第二端与所述第四运算放大器OP4的同相输入端连接；所述差值电压VEA的负极电压VEAN与所述第二十四电阻R24的第一端连接，所述第二十四电阻R24的第二端与所述第四运算放大器OP4的反相输入端连接；
所述第四运算放大器OP4的同相输入端还与所述第二十五电阻R25的第一端连接，所述第二十五电阻R25的第二端与所述第四运算放大器OP4的负极输出端连接，所述第四运算放大器OP4的负极输出端输出所述误差电压信号VLG的负极电压VLGN；
所述第四运算放大器OP4的反相输入端还与所述第二十六电阻R26的第一端连接，所述第二十六电阻R26的第二端与所述第四运算放大器OP4的正极输出端连接，所述第四运算放大器OP4的正极输出端输出所述误差电压信号VLG的正极电压VLGP。
较佳的，电阻R23和R24的阻值是REA。电阻R25和R26的阻值是RLGFB。则
本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器中的控制电路包含的微分器的第二运算放大器OP2的电路实现如图13所示。效应管M24、M27、M28、M33、M34组成差分信号放大电路；场效应管M27的栅极与正输入极VIP相连；场效应管M28的栅极与负输入极VIN相连；场效应管M27和M28的源极与场效应管M24的漏极相连。场效应管M33的漏极与运算放大器的负输出极相连。场效应管M34的漏极与运算放大器的正输出极相连。场效应管M33和M34的源极与电源VDD相连。场效应管M25、M26、M29、M30、M31、M32、M35、M36组成共模信号控制电路。共模信号控制电路的作用是探测差分输出信号VOP和VON的共模信号(VOP+VON)/2，将之与VCM相比较，通过控制场效应管M35和M36的漏极电流来控制M35的栅极电压，继而控制场效应管M33和M34的漏极电流，从而形成负反馈来抬升或降低运算放大器的差分输出信号的共模电压。在正常工作状态下，共模信号控制电路能够控制差分输出信号VOP和VON的共模信号，使之维持在VCM。
通常运算放大器含有两级信号放大级，以达到足够的直流增益(通常是40dB以上)。图13为只有一级信号放大级的运算放大器。
进一步的，如图14所示为理想微分器、实际微分器以及微分器包含的第二运算放大器的幅度响应和频率响应。其中，第二运算放大器的直流增益是A。第二运算放大器的带宽是F2。理想微分器的相位在整个频率范围上维持在90°。理想微分器的幅度响应呈恒定的斜率。理想微分器幅度响应与横轴交汇点对应的频率是FZE，其中FZE＝1/(2πCZERZEFB)。实际微分器的幅度响应在频率大于F1时，与微分器中运算放大器的幅度响应一致。实际微分器的幅度响应在频率小于F1时，与理想微分器的幅度响应一致。实际微分器的相位响应在F1和F2处分别有两次相位转折，其中每次相位转折为90°。
由于微分器使用的第二运算放大器仅使用了一级放大级。这样的第二运算放大器具有更大的带宽F2，从而尽可能的减小运算放大器有限带宽对于微分器相位纠正作用的影响。
进一步的，本发明的第一实施例中，误差探测器中的第三运算放大器OP3的电路实现如图15所示。场效应管M41、M47、M48、M59和M60组成第一级差分信号放大级。场效应管M42、M43、M49、M50、M51、M52、M61和M62组成第一级差分信号放大电路的共模信号控制电路。场效应管M44、M53、M54、M63和M64组成第二级差分信号放大电路，电阻器R61和R62，以及电容器C61和C62的作用是相位补偿，确保运算放大器的在闭环连接中的稳定性。在图15所示的运算放大器结构中，第一级差分信号放大电路配备有独立的共模信号控制电路，这样有助于提高共模信号控制环路的带宽，增加运算放大器对输入信号中的共模分量的抑制作用。此外，第二级差分信号放大电路使用了与第一级差分信号放大电路相同的结构的，这种结构的优点是可以抑制输入信号中的共模分量，缺点是输出信号的范围比较小，不能低至接地电位VSS；不过，由于误差探测器的输出信号还要经过误差放大器的放大，所以误差探测器在工作时不需要支持从VSS到VDD的电压范围，图15中的运算放大器不会因为信号超过范围而失效。
具体的，本发明的第一实施例的误差放大器中的第四运算放大器OP4的电路实现如图16所示。场效应管M72、M75、M76、M80、M81组成第一级差分信号放大级。场效应管M71、M73、M79和M82组成第二级信号放大级。场效应管M74、M77、M78、M83和M84组成共模信号控制电路。电阻器R73和R74，以及电容器C73和C74组成共模信号探测器。电阻器R71和电容器C71，以及电阻器R72和C72可以对运算放大器相位进行补偿，确保运算放大器在负反馈环路中保持稳定。
综上，本发明第一实施例提供的直流到直流转换器中不包含积分器，消除了由积分器引起的速度限制，提高直流到直流转换器的控制速度；且直流到直流转换器中的微分器产生正向的相位矫正，可以补偿由电感和电容组成的二价系统所产生的相移，维持控制环路的稳定性；且本发明的第一实施例提供的直流到直流转换器中的脉冲宽度调制电路跟踪电源输入端输入的第一直流电压VBAT，维持了脉冲宽度调制电路的等效增益，使得控制电路的幅度及相位不受输入电源电压的影响；即本发明的第一实施例能够在外围无源器件不变的情况下，提高控制器的速度，减少直流到直流转换器输出电压趋近到参考电压所需的时间，提高转换效率。
第二实施例
如图17所示，本发明的第二实施例还提供一种电源调制器，该电源调制器适用于一射频功率放大器，具体的，所述电源调制器包括如上所述的直流到直流转换器，所述电源调制器还包括：线性放大器、下拉开关DK及差分信号探测器；其中，
所述线性放大器的同相输入端作为所述电源调制器的输入端，且一待跟踪参考信号VENV与所述线性放大器的同相输入端连接；所述直流到直流转换器的第一电容C1的上极板作为所述电源调制器的输出端，并输出电源调制信号；
所述差分信号探测器用于探测所述直流到直流转换器的第一电容C1的上极板电压VCBKP和下极板电压VCBKN之间的电压差VCBK，并对所述电压差VCBK进行处理得到差分电压信号VDIF，再将差分电压信号VDIF输出给所述直流到直流转换器的控制电路；
所述直流到直流转换器的第一电容C1的上极板电压VCBKP与所述线性放大器的反相输入端连接，所述线性放大器的输出端与所述直流到直流转换器的第一电容C1的下极板连接；且所述线性放大器的输出端与所述第一电容C1的连接处通过所述下拉开关DK之后与地连接。
具体的，射频功率放大器使用电源调制器来提高电源利用率，降低耗电量。电源调制器生成的电源电压以及射频功率放大器的射频输出信号的关系如图18所示。射频功率放大器的电源电压随着射频输出信号的包络而起伏，当射频输出信号幅度变小，电源电压会降低；当射频输出信号幅度变大，电源电压会升高。这种动态的电源电压调整可以确保：输出功率大的时候，射频功率放大器得到足够高的电源电压，避免失真；而当输出功率小的时候，射频功率放大器的电源电压相应减小，则避免了能量浪费。
具体的，如图17所示，本发明的第二实施例提供的电源调制器与第一实施例提供的直流到直流转换器而言，增加了差分信号探测器、线性放大器以及一下拉开关DK。其中，线性放大器的输出端与第一电容C1的下极板相连，使第一电容C1的下极板的电位可以相对于接地电位VSS自由移动。且当下拉开关DK闭合时，电源调制器可被配置为第一实施例中的直流到直流转换器。
电源调制器具有两种工作模式：平均功率模式和包络跟踪模式。
在平均功率模式下，电源调制器关闭线性放大器，并且闭合下拉开关DK，使电容C1的下极板与接地端相连。控制电路、脉冲宽度调制电路、开关电路以及电感L1和电容C1组成的控制环路使电容C1的电压降稳定于参考电压VDAC。在平均功率模式下，电源调制器提供一个稳定的输出电源电压，而不是一个根据射频信号包络调制的动态电压。
在包络跟踪模式下，电源调制器激活线性放大器，并且断开下拉开关DK。使电容C1的下极板与接地端隔断。由线性放大器和电容C1构成的单位增益负反馈回路使电源调制器的输出端跟踪包络信号。控制电路、脉冲宽度调制电路、开关电路以及电感L1和电容C1组成的控制环路使电容C1的电压稳定于参考电压VDAC。
图19显示了电源调制器输入电压信号VENV、电源调制器的输出信号、以及线性放大器输出信号的波形图。由图19可知，电源调制器的输出信号跟随电源调制器的输入电压，两者之间的时延是线性放大器有限的带宽造成的。线性放大器的输出电压向上平移得到电源调制器的输出电压。线性放大器输出电压与电源调制器之间的电压差是电容器C1两极板间的电压降。
在包络跟踪模式下，电容C1上下极板间的电压差维持恒定，上下极板相对于接地端的电压跟随射频信号的包络信号。在图17中，控制电路控制电容器C1上下极板间电压。控制电路的带宽比线性放大器慢若干个数量级。
为了使控制电路不受射频信号包络的影响，本发明实施例中的控制电路使用差分信号探测器来探测电容C1上下极板的电压差。电容器上下极板各自相对于接地电位VSS的运动是控制器与差分信号探测器输入电压的共模信号，而电容器上下极板之间电压差是差分信号探测器输入电压的差分信号。差分信号探测器阻断共模信号，而通行差分信号。差分信号探测器不可以使用低通滤波器来阻断含有高频分量的共模信号，因为低通滤波器会引入信号的延迟，降低负反馈环路的相位裕量。
具体，如图20所示差分信号探测器包括：
偏置电压发生电路和差分信号探测电路；
所述偏置电压发生电路用于对一直流电压VBG进行处理得到一偏置电压VVB；
所述差分信号探测电路用于根据所述偏置电压VVB对所述电压差VCBK进行处理得到差分电压信号VDIF，并将差分电压信号VDIF输出给所述直流到直流转换器的控制电路。该直流电压VBG用于防止差分探测器由于饱和而导致无法使用。
具体的，所述偏置电压发生电路包括：第五运算放大器OP5、第二十七电阻R27、第二十八电阻R28、第二十九电阻R29以及第三十电阻R30；
其中，所述直流电压VBG的正极电压VBGP与所述第二十七电阻R27的第一端连接，所述第二十七电阻R27的第二端与所述第五运算放大器OP5的同相输入端连接，所述第五运算放大器OP5的同相输入端还与所述第二十九电阻R29的第一端连接，所述第二十九电阻R29的第二端与所述第五运算放大器OP5的负极输出端连接，所述第五运算放大器OP5的负极输出端输出所述偏置电压VVB的负极电压VVBN；
所述直流电压VBG的负极电压VBGN与所述第二十八电阻R28的第一端连接，所述第二十八电阻R28的第二端与所述第五运算放大器OP5的反相输入端连接，所述第五运算放大器OP5的反相输入端还与所述第三十电阻R30的第一端连接，所述第三十电阻R30的第二端与所述第五运算放大器OP5的正极输出端连接，所述第五运算放大器OP5的正极输出端输出所述偏置电压VVB的正极电压VVBP。
且差分信号探测电路包括：第六运算放大器OP6、第三十一电阻R31、第三十二电阻R32、第三十三电阻R33、第三十四电阻R34、第三十五电阻R35以及第三十六电阻R36；其中，
所述偏置电压VVB的正极电压VVBP与所述第三十一电阻R31的第一端连接，所述第三十一电阻R31的第二端与所述第六运算放大器OP6的同相输入端连接，所述第一电容C1的上极板电压VCBKP与所述第三十四电阻R34的第一端连接，所述第三十四电阻R34的第二端与所述第六运算放大器OP6的同相输入端连接；
所述第六运算放大器OP6的同相输入端还与所述第三十五电阻R35的第一端连接，所述第三十五电阻R35的第二端与所述第六运算放大器OP6的负极输出端连接，所述第六运算放大器OP6的负极输出端输出所述差分电压信号VDIF的负极电压VDIFN；
所述偏置电压VVB的负极电压VVBN与所述第三十二电阻R32的第一端连接，所述第三十二电阻R32的第二端与所述第六运算放大器OP6的反相输入端连接；所述第一电容C1的下极板电压VCBKN与所述第三十三电阻R33的第一端连接，所述第三十三电阻R33的第二端与所述第六运算放大器OP6的反相输入端连接；
所述第六运算放大器OP6的反相输入端还与所述第三十六电阻R36的第一端连接，所述第三十六电阻R36的第二端与所述第六运算放大器OP6的正极输出端连接，所述第六运算放大器OP6的正极输出端输出所述差分电压信号VDIF的正极电压VDIFP。
本发明的第二实施例中将第一实施例中所描述的直流到直流转换器的变体应用在电源调制器中，则该电源调制器可以输出稳定的电源(平均功率模式)，也可以输出经过调制的电源(包络跟踪模式)；且该电源调制器可以在平均功率模式和包络跟踪模式间迅速切换，而不需要改变直流到直流转换器控制器的配置、结构或参数，结构简单，易于实现；进一步的，该电源调制器中差分信号探测器可以探测电容器的电压降，而不会受包络信号的干扰。
需要说明的是，本发明的第二实施例提供的电源调制器包含上述第一实施例提供的直流到直流转换器，则上述第一实施例提供的直流到直流转换器的所有实施例均适用于该电源调制器，且均能达到相同或相似的有益效果。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种直流到直流转换器，所述直流到直流转换器包括参考电压输入端、电源输入端以及电源输出端，其特征在于，所述直流到直流转换器包括：
控制电路，用于放大参考电压输入端输入的参考电压(VDAC)和电源输出端输出的第二直流电压(VCBK)之间的差值，以输出误差电压信号(VLG)；
脉冲宽度调制电路，用于根据所述电源输入端输入的第一直流电压(VBAT)将所述误差电压信号(VLG)转换为具有预设占空比的数字控制电压信号(DPWM)；
开关电路，用于根据所述数字控制电压信号(DPWM)的预设占空比将所述第一直流电压(VBAT)转换为开关电压信号(DSW)；
第一电感(L1)和第一电容(C1)，所述第一电感(L1)和第一电容(C1)用于对所述开关电压信号(DSW)进行低通滤波处理，得到第二直流电压(VCBK)；
其中，所述脉冲宽度调制电路包括：
电源探测器，用于对所述第一直流电压(VBAT)进行衰减处理，并输出直流衰减电压(VDRV)；
三角波发生器，用于将所述直流衰减电压(VDRV)转换为三角波电压信号(VWV)；
第一比较器，用于将所述误差电压信号(VLG)和所述三角波电压信号(VWV)进行比较，生成具有预设占空比的数字控制电压信号(DPWM)并输出；
所述控制电路包括：
微分器，用于将所述第二直流电压(VCBK)的相位前移90°得到微分电压信号(VZE)；
误差探测器，用于利用所述微分电压信号(VZE)对所述低通滤波电路产生的相移进行补偿；所述误差探测器还用于利用所述电源探测器电路输出的直流衰减电压(VDRV)消除第一直流电压(VBAT)对第二直流电压(VCBK)的影响；所述误差探测器还用于获取所述参考电压(VDAC)和第二直流电压(VCBK)之间的差值电压(VEA)；
误差放大器，用于对所述差值电压(VEA)进行放大处理，得到误差电压信号(VLG)。
2.根据权利要求1所述的直流到直流转换器，其特征在于，所述开关电压信号(DSW)与所述第一电感(L1)的第一端连接，所述第一电感(L1)的第二端与所述第一电容(C1)的第一端连接，所述第一电容的第二端接地；
所述第一电感(L1)和第一电容(C1)的连接处输出所述第二直流电压(VCBK)。
3.根据权利要求1所述的直流到直流转换器，其特征在于，所述开关电路包括：
跟随器(F)、第一反相器(T1)、第一开关(SUP)以及第二开关(SDN)；其中，
所述第一直流电压(VBAT)连接所述第一开关(SUP)的第一端，所述第一开关(SUP)的第二端连接所述第二开关(SDN)的第一端，所述第二开关(SDN)的第二端接地；
所述数字控制电压信号(DPWM)与所述跟随器(F)的输入端连接，所述跟随器(F)的输出端与所述第一开关(SUP)的控制端连接；所述数字控制电压信号(DPWM)还与所述第一反相器(T1)的输入端连接，所述第一反相器(T1)的输出端与所述第二开关(SDN)的控制端连接；
所述第一开关(SUP)与所述第二开关(SDN)的连接处输出所述开关电压信号(DSW)。
4.根据权利要求1所述的直流到直流转换器，其特征在于，所述三角波发生器包括：
第二反相器(T2)、第三开关(K1)、第四开关(K2)、第五开关(K3)、第六开关(K4)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第一运算放大器(OP1)、第二比较器(CMP1)、第三比较器(CMP2)以及RS触发器；其中，
所述直流衰减电压(VDRV)的正极电压(VDRVP)分别与第三开关(K1)的第一端和第四开关(K2)的第一端连接，所述第三开关(K1)的第二端与所述第一电阻(R1)的第一端连接，所述第一电阻(R1)的第二端分别与所述第一运算放大器(OP1)的同相输入端和所述第二电容(C2)的第一端连接，所述第二电容(C2)的第二端与所述第一运算放大器(OP1)的负极输出端连接，所述第一运算放大器(OP1)的负极输出端输出所述三角波电压信号(VWV)的负极电压(VWVN)；
所述第四开关(K2)的第二端与所述第二电阻(R2)的第一端连接，所述第二电阻(R2)的第二端分别与所述第一运算放大器(OP1)的反相输入端和所述第三电容(C3)的第一端连接，所述第三电容(C3)的第二端与所述第一运算放大器(OP1)的正极输出端连接，所述第一运算放大器(OP1)的正极输出端输出所述三角波电压信号(VWV)的正极电压(VWVP)；
所述直流衰减电压(VDRV)的负极电压(VDRVN)分别与第五开关(K3)的第一端和第六开关(K4)的第一端连接，所述第五开关(K3)的第二端与所述第一电阻(R1)的第一端连接；所述第六开关(K4)的第二端与所述第二电阻(R2)的第一端连接；
所述直流衰减电压(VDRV)的正极电压(VDRVP)、所述直流衰减电压(VDRV)的负极电压(VDRVN)、所述三角波电压信号(VWV)的正极电压(VWVP)以及所述三角波电压信号(VWV)的负极电压(VWVN)分别接入所述第二比较器(CMP1)的输入端和所述第三比较器(CMP2)的输入端；所述第二比较器(CMP1)的输出端与所述RS触发器的复位端(R)连接，所述第三比较器(CMP2)的输出与所述RS触发器的置位端(S)连接；
所述RS触发器的输出端(Q)输出触发信号(DRS)，所述触发信号(DRS)分别与所述第三开关(K1)的控制端和所述第六开关(K4)的控制端连接；所述触发信号(DRS)还与所述第二反相器(T2)的输入端连接，所述第二反相器(T2)的输出端分别与所述第四开关(K2)的控制端和所述第五开关(K3)的控制端连接。
5.根据权利要求4所述的直流到直流转换器，其特征在于，所述第二比较器(CMP1)包括：第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)以及第一放大器(P1)；其中，
所述直流衰减电压(VDRV)的负极电压(VDRVN)与所述第三电阻(R3)的第一端连接，所述第三电阻(R3)的第二端与所述第一放大器(P1)的第一输入端连接；所述三角波电压信号(VWV)的正极电压(VWVP)与所述第五电阻(R5)的第一端连接，所述第五电阻(R5)的第二端与所述第一放大器(P1)的第一输入端连接；
所述直流衰减电压(VDRV)的正极电压(VDRVP)与所述第四电阻(R4)的第一端连接，所述第四电阻(R4)的第二端与所述第一放大器(P1)的第二输入端连接；所述三角波电压信号(VWV)的负极电压(VWVN)与所述第六电阻(R6)的第一端连接，所述第六电阻(R6)的第二端与所述第一放大器(P1)的第二输入端连接。
6.根据权利要求4所述的直流到直流转换器，其特征在于，所述第三比较器(CMP2)包括：第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)以及第二放大器(P2)；其中，
所述直流衰减电压(VDRV)的负极电压(VDRVN)与所述第七电阻(R7)的第一端连接，所述第七电阻(R7)的第二端与所述第二放大器(P2)的第一输入端连接；所述三角波电压信号(VWV)的负极电压(VWVN)与所述第十电阻(R10)的第一端连接，所述第十电阻(R10)的第二端与所述第二放大器(P2)的第一输入端连接；
所述直流衰减电压(VDRV)的正极电压(VDRVP)与所述第八电阻(R8)的第一端连接，所述第八电阻(R8)的第二端与所述第二放大器(P2)的第二输入端连接；所述三角波电压信号(VWV)的正极电压(VWVP)与所述第九电阻(R9)的第一端连接，所述第九电阻(R9)的第二端与所述第二放大器(P2)的第二输入端连接。
7.根据权利要求1所述的直流到直流转换器，其特征在于，所述微分器包括：第二运算放大器(OP2)、第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)、第四电容(C4)以及第五电容(C5)；其中，
所述第二直流电压(VCBK)的负极电压(VCBKN)与所述第四电容(C4)的第一端连接，所述第四电容(C4)的第二端分别与所述第二运算放大器(OP2)的同相输入端和所述第十一电阻(R11)的第一端连接，所述第十一电阻(R11)的第二端与所述第二运算放大器(OP2)的负极输出端连接，所述第二运算放大器(OP2)的负极输出端输出所述微分电压信号(VZE)的负极电压(VZEN)；
所述第二直流电压(VCBK)的正极电压(VCBKP)与所述第五电容(C5)的第一端连接，所述第五电容(C5)的第二端分别与所述第二运算放大器(OP2)的反相输入端和所述第十二电阻(R12)的第一端连接，所述第十二电阻(R12)的第二端与所述第二运算放大器(OP2)的正极输出端连接，所述第二运算放大器(OP2)的正极输出端输出所述微分电压信号(VZE)的正极电压(VZEP)。
8.根据权利要求1所述的直流到直流转换器，其特征在于，所述误差探测器包括：
第十三电阻(R13)、第十四电阻(R14)、第十五电阻(R15)、第十六电阻(R16)、第十七电阻(R17)、第十八电阻(R18)、第十九电阻(R19)、第二十电阻(R20)、第二十一电阻(R21)、第二十二电阻(R22)以及第三运算放大器(OP3)；其中，
所述参考电压(VDAC)的正极电压(VDACP)与所述第十三电阻(R13)的第一端连接，所述第十三电阻(R13)的第二端与所述第三运算放大器(OP3)的同相输入端连接；所述参考电压(VDAC)的负极电压(VDACN)与所述第十四电阻(R14)的第一端连接，所述第十四电阻(R14)的第二端与所述第三运算放大器(OP3)的反相输入端连接；
所述微分电压信号(VZE)的正极电压(VZEP)与所述第十五电阻(R15)的第一端连接，所述第十五电阻(R15)的第二端与所述第三运算放大器(OP3)的同相输入端连接；所述微分电压信号(VZE)的负极电压(VZEN)与所述第十六电阻(R16)的第一端连接，所述第十六电阻(R16)的第二端与所述第三运算放大器(OP3)的反相输入端连接；
所述直流衰减电压(VDRV)的负极电压(VDRVN)与所述第十七电阻(R17)的第一端连接，所述第十七电阻(R17)的第二端与所述第三运算放大器(OP3)的同相输入端连接；所述直流衰减电压(VDRV)的正极电压(VDRVP)与所述第十八电阻(R18)的第一端连接，所述第十八电阻(R18)的第二端与所述第三运算放大器(OP3)的反相输入端连接；
所述第二直流电压(VCBK)的负极电压(VCBKN)与所述第十九电阻(R19)的第一端连接，所述第十九电阻(R19)的第二端与所述第三运算放大器(OP3)的同相输入端连接；所述第二直流电压(VCBK)的正极电压(VCBKP)与所述第二十电阻(R20)的第一端连接，所述第二十电阻(R20)的第二端与所述第三运算放大器(OP3)的反相输入端连接；
所述第三运算放大器(OP3)的同相输入端还通过所述第二十一电阻(R21)与所述第三运算放大器(OP3)的负极输出端连接，所述第三运算放大器(OP3)的负极输出端输出所述差值(VEA)的负极电压(VEAN)；所述第三运算放大器(OP3)的反相输入端还通过第二十二电阻(R22)与所述第三运算放大器(OP3)的正极输出端连接，所述第三运算放大器(OP3)的正极输出端输出所述差值(VEA)的正极电压(VEAP)。
9.根据权利要求1所述的直流到直流转换器，其特征在于，所述误差放大器包括：
第二十三电阻(R23)、第二十四电阻(R24)、第二十五电阻(R25)、第二十六电阻(R26)以及第四运算放大器(OP4)；其中，
所述差值电压(VEA)的正极电压(VEAP)与所述第二十三电阻(R23)的第一端连接，所述第二十三电阻(R23)的第二端与所述第四运算放大器(OP4)的同相输入端连接；所述差值电压(VEA)的负极电压(VEAN)与所述第二十四电阻(R24)的第一端连接，所述第二十四电阻(R24)的第二端与所述第四运算放大器(OP4)的反相输入端连接；
所述第四运算放大器(OP4)的同相输入端还与所述第二十五电阻(R25)的第一端连接，所述第二十五电阻(R25)的第二端与所述第四运算放大器(OP4)的负极输出端连接，所述第四运算放大器(OP4)的负极输出端输出所述误差电压信号(VLG)的负极电压(VLGN)；
所述第四运算放大器(OP4)的反相输入端还与所述第二十六电阻(R26)的第一端连接，所述第二十六电阻(R26)的第二端与所述第四运算放大器(OP4)的正极输出端连接，所述第四运算放大器(OP4)的正极输出端输出所述误差电压信号(VLG)的正极电压(VLGP)。
10.一种电源调制器，其特征在于，所述电源调制器包括如权利要求1至9任一项所述的直流到直流转换器，所述电源调制器还包括：线性放大器、下拉开关(DK)及差分信号探测器；其中，
所述线性放大器的同相输入端作为所述电源调制器的输入端，且一待跟踪参考信号(VENV)与所述线性放大器的同相输入端连接；所述直流到直流转换器的第一电容(C1)的上极板作为所述电源调制器的输出端，并输出电源调制信号；
所述差分信号探测器用于探测所述直流到直流转换器的第一电容(C1)的上极板电压(VCBKP)和下极板电压(VCBKN)之间的电压差(VCBK)，并对所述电压差(VCBK)进行处理得到差分电压信号(VDIF)，再将差分电压信号(VDIF)输出给所述直流到直流转换器的控制电路；
所述直流到直流转换器的第一电容(C1)的上极板电压(VCBKP)与所述线性放大器的反相输入端连接，所述线性放大器的输出端与所述直流到直流转换器的第一电容(C1)的下极板连接；且所述线性放大器的输出端与所述第一电容(C1)的连接处通过所述下拉开关(DK)之后与地连接。
11.根据权利要求10所述的电源调制器，其特征在于，所述差分信号探测器包括：
偏置电压发生电路和差分信号探测电路；
所述偏置电压发生电路用于对一直流电压(VBG)进行处理得到一偏置电压(VVB)；
所述差分信号探测电路用于根据所述偏置电压(VVB)对所述电压差(VCBK)进行处理得到差分电压信号(VDIF)，并将差分电压信号(VDIF)输出给所述直流到直流转换器的控制电路。
12.根据权利要求11所述的电源调制器，其特征在于，所述偏置电压发生电路包括：
第五运算放大器(OP5)、第二十七电阻(R27)、第二十八电阻(R28)、第二十九电阻(R29)以及第三十电阻(R30)；
其中，所述直流电压(VBG)的正极电压(VBGP)与所述第二十七电阻(R27)的第一端连接，所述第二十七电阻(R27)的第二端与所述第五运算放大器(OP5)的同相输入端连接，所述第五运算放大器(OP5)的同相输入端还与所述第二十九电阻(R29)的第一端连接，所述第二十九电阻(R29)的第二端与所述第五运算放大器(OP5)的负极输出端连接，所述第五运算放大器(OP5)的负极输出端输出所述偏置电压(VVB)的负极电压(VVBN)；
所述直流电压(VBG)的负极电压(VBGN)与所述第二十八电阻(R28)的第一端连接，所述第二十八电阻(R28)的第二端与所述第五运算放大器(OP5)的反相输入端连接，所述第五运算放大器(OP5)的反相输入端还与所述第三十电阻(R30)的第一端连接，所述第三十电阻(R30)的第二端与所述第五运算放大器(OP5)的正极输出端连接，所述第五运算放大器(OP5)的正极输出端输出所述偏置电压(VVB)的正极电压(VVBP)。
13.根据权利要求11所述的电源调制器，其特征在于，所述差分信号探测电路包括：
第六运算放大器(OP6)、第三十一电阻(R31)、第三十二电阻(R32)、第三十三电阻(R33)、第三十四电阻(R34)、第三十五电阻(R35)以及第三十六电阻(R36)；其中，
所述偏置电压(VVB)的正极电压(VVBP)与所述第三十一电阻(R31)的第一端连接，所述第三十一电阻(R31)的第二端与所述第六运算放大器(OP6)的同相输入端连接，所述第一电容(C1)的上极板电压(VCBKP)与所述第三十四电阻(R34)的第一端连接，所述第三十四电阻(R34)的第二端与所述第六运算放大器(OP6)的同相输入端连接；
所述第六运算放大器(OP6)的同相输入端还与所述第三十五电阻(R35)的第一端连接，所述第三十五电阻(R35)的第二端与所述第六运算放大器(OP6)的负极输出端连接，所述第六运算放大器(OP6)的负极输出端输出所述差分电压信号(VDIF)的负极电压(VDIFN)；
所述偏置电压(VVB)的负极电压(VVBN)与所述第三十二电阻(R32)的第一端连接，所述第三十二电阻(R32)的第二端与所述第六运算放大器(OP6)的反相输入端连接；所述第一电容(C1)的下极板电压(VCBKN)与所述第三十三电阻(R33)的第一端连接，所述第三十三电阻(R33)的第二端与所述第六运算放大器(OP6)的反相输入端连接；
所述第六运算放大器(OP6)的反相输入端还与所述第三十六电阻(R36)的第一端连接，所述第三十六电阻(R36)的第二端与所述第六运算放大器(OP6)的正极输出端连接，所述第六运算放大器(OP6)的正极输出端输出所述差分电压信号(VDIF)的正极电压(VDIFP)。
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