CN109962615B - 用于不带输出电压偏移的零esr输出电容器的稳定的接通时间开关调制器 - Google Patents

用于不带输出电压偏移的零esr输出电容器的稳定的接通时间开关调制器 Download PDF

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Abstract

一种用于开关调制器的控制电路，配置了固定频率稳定接通时间控制体系，引入一个参考电压产生器，产生参考电压斜坡，在几乎整个开关周期上变化。在一个实施例中，参考电压从每个工作周期开始时的初始电压值开始向开关周期的终点不断增大，在每个开关周期结束时，复位至初始电压值。参考电压斜坡确保在开关调制器中稳定的反馈控制操作，对于所有的输出电压值都不会引入电压偏移。控制电路允许开关调制器使用稳定接通时间控制体系，同时使用具有任意ESR值的输出电容器，包括一个具有很低或零ESR的输出电容器。

Description

用于不带输出电压偏移的零ESR输出电容器的稳定的接通时 间开关调制器
技术领域
本发明是关于开关调制器或直流到直流转换器的，确切地说，是关于实现了固定频率稳定接通时间控制的开关调制器，参考电压倾斜，使开关调制器可以耦合到具有等效串联电阻任意值的输出电容器上。
背景技术
开关模式电源或开关调制器，也被称为直流到直流转换器，在电路系统中，用于将输入电压源转换成集成电路适合的电压电平下所需的输出电压。例如，供给电路系统的12伏电源电压，如果为I/O接口电路供电，则需要降至5伏，如果为核心数字逻辑电路供电，则需要降至1伏。开关调制器通过电容器、电感器以及变压器等低功耗元件，提供电源功能，电源开关接通和断开以离散分组的形式，将能量从输入端转移到输出端。反馈控制电路用于调制转移的能量，以便将输出电压稳定在电路所需的负载极限范围内。
开关调制器可以提高或降低输入电压，或者兼而有之。确切地说，降压开关调制器，也称为“降压转换器”，可以降低输入电压，而升压开关调制器，也称为“升压转换器”，可以提高输入电压。降压-升压开关调制器或降压-升压转换器提供升压和降压功能。
传统的开关调制器的运行方式众所周知，简述如下。电源开关周期性地接通，将能量加载到输出滤波电路的电感器上，使流经电感器的电流聚集起来。当电源开关断开时，电感器上的电压反向，电荷转移到输出滤波电路的输出电容器和负载上。输出电容器保持住相对稳定的输出电压。第二个电源开关，有时也称为同步整流器，常用于同步控制操作。通常来说，主电源开关，也称为高端开关，接通，同时第二个电源开关，也称为低端开关断开，反之亦然。
开关调制器包括一个控制电路，通常使用误差放大器，将表示输出电压的反馈电压与参考电压作比较，控制电路产生一个或多个控制信号，控制开关频率(脉冲频率调制)或接通-断开开关周期的脉冲宽度(脉冲宽度调制)。可使用多个不同的控制体系，控制主电源开关的工作周期(即接通时间)。一种稳定的接通时间(或固定接通时间)控制体系是一种类型的控制体系，在这种类型的控制体系中，开关调制器的主电源开关的接通时间保持稳定，主电源开关的断开时间变化，以产生所需的输出电压。稳定的接通时间控制体系适用于工业应用有许多关键优势，例如良好的轻负载效率以及较快的瞬态响应。
图1表示配置了稳定接通时间控制体系的传统的开关调制器的示意图。在开关调制器10中，主电源开关M1和第二个电源开关M2串联在输入电压VIN(节点12)和地电势之间。电源开关M1工作，将输入电压VIN切换至电感器L1，周期性地切换至电荷电感器L1。当主电源开关断开时，电感器L1中存储的能量转移到输出电容器COUT和负载18上，保持基本稳定的输出电压VOUT。电感器L1和输出电容器COUT构成低通滤波器。第二个电源开关M2用于实现同步整流，由驱动主电源开关M1的驱动信号(节点32)反转驱动。因此，当主电源开关M1断开时，低端电源开关M2接通，反之亦然。
配置调制控制电路，根据稳定的接通时间控制体系，驱动电源开关M1和M2。在运行过程中，主电源开关M1接通一段固定的时间段，由一次发射计时器26决定，然后开关M1断开。输出电压VOUT(节点16)通过反馈循环监控。更确切地说，输出电压VOUT反馈到调制控制电路，作为反馈电压VFB。反馈电压VFB与参考电压VREF相比较，在电压比较器22处。电压比较器22的输出端门控最小的断开时间计时器30的输出端，在与逻辑门24处。主电源开关M1断开至少一段最小的断开时间后，当输出电压VOUT降至参考电压VREF以下时，与门24将出发一次发射计时器26再次接通主电源开关M1一段固定的接通时间段。传统的开关调制器10实现了快速的瞬态响应，以及在轻负载情况下的高效率。
固定的接通时间(或稳定的接通时间)调制器是一种采用波纹模式控制的电压调制器类型。通常来说，波纹模式调制器根据输出信号中的波纹元件，调制它们的输出电压。由于电源开关的开关动作，所有的开关模式调制器都产生一个输出波纹电流，通过切换的输出电感器。这种电流波纹表现为输出电压波纹，原则上由与负载并联的输出电容器中的等效串联电阻(ESR)引起。
对于使用波纹模式控制的电压调制器来说，虽然输出波纹对于输出电压调制有用，但是对于输出信号噪声和负载电压极限来说，它是不必要的。的确，最小化输出波纹的必要性导致所设计和生产的电容器具有极低的ESR。降低输出电容器ESR可以显著的降低输出波纹信号。低波纹有利于噪声最小化的目的，并且减小负载电压变化，但是制作波纹模式调制却更加困难。低波纹振幅减小了比较器电压的差值，使精确、快速的比较非常困难。
为此，固定的接通时间电压调制器的制造商常常提出使输出电容器的ESR最小，以确保输出电压的电压波纹最少，从而实现有效的波纹模式控制。因此，带有较大ESR的输出电容器必须和所有的固定接通时间电压调制器一起使用。在某些情况下，当输出电容器本身没有足够的ESR时，制造商建议将输出电容器与电阻器串联，引入足够的串联电阻，产生所需的最小的波纹电压。
在输出节点处波纹电压最少量的要求限制了固定接通时间电压调制器应用于输出电压中的波纹可以承受的情况。而且，例如陶瓷电容器等零ESR电容器通常比ESR较大的钽电容器更加便宜，因为要适当地控制循环操作，需要最少量的ESR，因此无法使用。
人们提出了使用低ESR输出电容器，以启用固定接通时间电压调制器的解决方案。例如，在某些情况下，使用一个虚拟的波纹产生器产生正比于感应电流的一个内部虚拟的波纹。虽然这些解决方案允许在波纹模式电压调制器中使用低ESR电容器，但是这些解决方案都很复杂，而且增加了电压调制器的成本。
在另一个示例中，降压调制器改变了脉宽调制(PWM)周期内的参考电压，产生PWM信号。图2包括图2a和2b，表示降压调制器的信号波形，在一个示例中使用电压斜坡。确切地说，当主电源开关导电时，参考电压维持在很低的固定值上，然后参考电压在主电源开关断开时间内升高到最终值，如图2a所示。虽然这种类型的电压斜坡可以为电压调制器的反馈控制循环提供补偿，但是不同输出电压的电压斜坡将有不同的最终值，从而获得不同的输出电压的电压偏移结果，如图2b所示。对于不同的输出电压，电压调制器将在不同的工作周期下允许，主开关的断开时间也会变化。因此，对于不同的输出电压，电压倾斜将有不同的最终电压值。不同输出电压之间的电压偏移使得制造商要求用户根据所选择的输出电压调节固定的参考电压值。这种类型的点对点特设的用户调节非常不方便，对于用户来说是一个负担。
发明内容
根据本发明实施例，提供了一种用于开关调制器接收输入电压并产生调制输出电压的控制电路，控制电路利用固定频率稳定接通时间控制体系控制高端开关和低端开关，驱动开关输出节点，用于产生开关输出电压，开关输出节点耦合到LC滤波电路上，产生调制的输出电压，在输出节点上具有基本稳定的幅值，调制的输出电压反馈到控制电路上，作为反馈电压，该控制电路包括：
配置一个参考斜坡产生电路，接收第一参考电压，产生在开关周期上变化的参考电压斜坡，开关周期由固定频率稳定接通时间控制体系决定，参考电压斜坡从作为第一参考电压的初始电压值开始到最终电压值；并且
配置控制电路，产生一个脉宽调制(PWM)信号，具有开关周期和表示调制输出电压的电压值的工作周期，耦合PWM信号，控制高端开关和低端开关，以便在开关周期上交替接通和断开，高端开关在工作周期内接通，在剩余的开关周期内断开，低端开关交替断开和接通，控制电路根据将表示调制输出电压的反馈电压与参考电压斜坡相比较后的输出信号产生PWM信号。
所述的参考电压斜坡对于高端开关不同的工作周期值来说，具有相同的终止电压值，不同的工作周期值表示不同的调制输出电压值。
该控制电路还包括：
配置一个开关控制电路，接收脉宽调制(PWM)信号，开关控制电路产生栅极驱动信号，控制高端开关和低端开关在开关周期上交替接通和断开，高端开关于工作周期接通，于剩余的开关周期高端开关断开，低端开关交替断开和接通；
配置一个比较器，接收表示调制输出电压的反馈电压，和由参考斜坡产生电路产生的参考电压斜坡，当反馈电压高于参考电压斜坡时，比较器产生比较器输出信号失效，当反馈电压等于或小于参考电压斜坡时，比较器输出信号生效；以及
配置一个接通时间产生电路，至少根据比较器输出信号，在固定频率稳定接通时间控制体系下产生PWM信号。
所述的配置参考斜坡产生电路，产生参考电压斜坡，其电压值从每个开关周期的初始阶段从初始电压值开始向每个开关周期快结束时的终止电压值不断增大，参考电压斜坡在每个开关周期结束时，复位至第一参考电压。
所述的参考电压斜坡从初始电压值到终止电压值线性增大。
所述的参考电压斜坡在每个开关周期结束时放电到第一参考电压。
所述的参考斜坡产生电路包括：
一个电压源，提供第一参考电压；
一个电流源，提供第一电流；
一个第一电容器，具有耦合到电流源上的第一端以及耦合到电压源上的第二端，第一电容器的第一端提供参考电压斜坡；
一个耦合在第一电容器上的开关，由开关控制信号控制；以及配置一个一次发射电路，产生一次发射信号，根据比较器输出信号预定时间段，一次发射信号耦合到开关上，作为开关控制信号，在每个开关周期结束时，闭合开关预定时间段，对电容器放电，在剩余的开关周期内打开开关。
所述的一次发射信号的预定时间段为10ns或更短。
所述的电流源提供第一电流，其电流值对第一电容器充电到每个开关周期快结束时的终止电压值。
所述的反馈电压包括调制输出电压的分压电压。
一个开关调制器，接收输入电压并产生调制输出电压，开关调制器根据反馈控制体系，控制一个高端开关和一个低端开关，驱动一个用于产生开关输出电压的开关输出节点，开关输出节点耦合到LC滤波器上，产生调制输出电压，在输出节点上具有基本稳定的幅值，其特征在于，该开关调制器包括：
一个控制电路，产生脉宽调制(PWM)信号，其开关周期由固定频率稳定接通时间控制体系决定，其工作周期表示调制输出电压的电压值，耦合PWM信号，控制高端开关和低端开关在整个工作周期上交替接通和断开，高端开关于工作周期接通，在剩余的开关周期上断开，低端开关交替断开和接通，控制电路根据比较表示调制输出电压的反馈电压与参考电压斜坡的比较输出信号产生PWM信号，其中参考电压斜坡的电压值在开关周期上从初始电压值到终止电压值变化。
所述的参考电压斜坡对于高端开关不同的工作周期值来说，具有相同的终止电压值，不同的工作周期值表示不同的调制输出电压值。
所述的LC滤波电路包括第一电感器和输出电容器，输出电容器具有小于30毫欧的等效串联电阻(ESR)值。
所述的控制电路包括：
一个开关控制电路，接收PWM信号，产生栅极驱动信号，控制高端开关和低端开关在开关周期上交替接通和断开，高端开关在工作周期上接通，在剩余的开关周期上断开，低端开关交替断开和接通；
一个参考斜坡产生电路，接收第一参考电压，并产生参考电压斜坡，在开关周期上变化，从第一参考电压的初始电压值变化到终止电压值；
一个比较器，接收表示调制输出电压的反馈电压，参考电压斜坡由参考斜坡产生电路产生，当反馈电压大于参考电压斜坡时，比较器产生生效的比较器输出信号，当反馈电压等于或小于参考电压斜坡时，比较器输出信号失效；以及
一个接通时间产生电路，在固定频率稳定接通时间体系下至少根据比较器输出信号，产生PWM信号。
配置参考斜坡产生电路，产生参考电压斜坡，其电压值从每个工作周期开始时的初始电压值向每个工作周期快结束时的终止电压值不断增大，在每个开关周期结束时，参考电压斜坡复位至第一参考电压。
所述的参考电压斜坡从初始电压值开始到终止电压值线性增大。
所述的参考电压斜坡在每个开关周期结束时，放电到第一参考电压。
所述的参考斜坡产生电路包括：
一个电压源，提供第一参考电压；
一个电流源，提供第一电流；
一个第一电容器，具有耦合到电流源上的第一端以及耦合到电压源上的第二端，第一电容器的第一端提供参考电压斜坡；
一个耦合在第一电容器上的开关，由开关控制信号控制；以及
配置一个一次发射电路，产生一次发射信号，根据比较器输出信号预定时间段，一次发射信号耦合到开关上，作为开关控制信号，在每个开关周期结束时，闭合开关预定时间段，对电容器放电，在剩余的开关周期内打开开关。
所述的一次发射信号的预定时间段为10ns或更短。
所述的电流源提供第一电流，其电流值对第一电容器充电到每个开关周期快结束时的终止电压值。
所述的反馈电压包括调制输出电压的分压电压。
一种用于开关调制器接收输入电压并产生调制输出电压的方法，其中开关调制器根据反馈控制体系，控制一个高端开关和一个低端开关，驱动一个用于产生开关输出电压的开关输出节点，开关输出节点耦合到LC滤波器上，产生调制输出电压，在输出节点上具有基本稳定的输出电压幅值，该方法包括：
根据脉宽调制(PWM)信号交替接通和断开高端开关和低端开关，开关周期由固定频率稳定接通时间控制体系决定，工作周期表示调制输出电压的电压值，高端开关在工作周期接通，在剩余的开关周期上断开，低端开关交替断开和接通；并且
根据比较表示调制输出电压的反馈电压与一个参考电压斜坡的比较输出信号，产生PWM信号，其中参考电压斜坡的电压值在开关周期上从一个初始电压值变化到一个终止电压值。
所述的方法还包括：
产生参考电压斜坡，对于高端开关不同的工作周期值具有相同的终止电压值，不同的工作周期值表示不同的调制电压值。
所述产生参考电压斜坡包括：
产生参考电压斜坡，其电压值在每个开关周期开始时从初始电压值开始向每个开关周期快结束时的终止电压值不断增大，参考电压斜坡在每个开关周期结束时，复位至第一参考电压。
所述产生参考电压斜坡包括：
在每个开关周期结束时，对参考电压斜坡放电到第一参考电压。
附图说明
图1表示配置了稳定接通时间控制体系的传统的开关调制器的示意图。
图2包括图2a和图2b，表示降压调制器的信号波形，在一个示例中使用电压倾斜。
图3表示依据本发明的实施例，一种开关调制器的示意图，它包括配置了固定频率稳定接通时间控制体系并引入了参考倾斜产生电路的控制电路。
图4包括图4a和图4b，表示在本发明的实施例中，用于引入参考斜坡产生器的开关调制器的信号波形。
图5表示图3所示开关调制器的示意图，表示依据本发明的实施例，参考斜坡产生电路。
图6表示在某些实施例中，配置接通时间产生电路的示意图。
具体实施方式
本发明可以以各种方式实现，包括作为一个工艺；一种器件；一个系统；一种物质组成。在本说明书中，这些实现方式或本发明可能采用的任意一种其他方式，都可以称为技术。一般来说，可以在本发明的范围内变换所述工艺步骤的顺序。
本发明的一个或多个实施例的详细说明以及附图解释了本发明的原理。虽然，本发明与这些实施例一起提出，但是本发明的范围并不局限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求书限定，本发明包含多种可选方案、修正以及等效方案。在以下说明中，所提出的各种具体细节用于全面理解本发明。这些细节用于解释说明，无需这些详细细节中的部分细节或全部细节，依据权利要求书，就可以实现本发明。为了简便，本发明相关技术领域中众所周知的技术材料并没有详细说明，以免对本发明产生不必要的混淆。
依据本发明的原理，配有固定频率稳定接通时间控制体系的开关调制器的控制电路，引入了一个参考电压产生器，以产生参考电压倾斜，在整个开关周期上变化。在一个实施例中，参考电压在每个开关周期开始时从初始电压值开始上升到开关周期结束时，在每个开关周期结束时，重置到初始的电压值。基于固定频率稳定接通时间控制体系，参考电压倾斜的充电时间将对所有的工作周期或所有的输出电压值都相同。因此，无论所选择的输出电压或所使用的工作周期是多少，控制电路都会确保在开关调制器中实现稳定的反馈控制操作，而不会引入电压偏移。参考电压产生器产生参考电压斜坡，使得开关调制器使用稳定的接通时间控制体系，同时利用具有等效串联电阻(ESR)值的输出电容器，包括一个带有很低或零ESR(例如小于30毫欧)的输出电容器。
图3表示一种开关调制器的示意图，它包括配置了固定频率稳定接通时间控制体系并引入了参考倾斜产生电路的控制电路。参见图3，开关调制器60包括一个调制控制电路61，驱动串联在输入电压VIN(节点12)和地之间的高端电源开关M1和低端电源开关M2。在本实施例中，电源开关M1和M2都是NMOS晶体管，低端电源开关M2由栅极驱动信号VLS控制，作为栅极驱动信号VHS的反相驱动高端电源开关M1。在允许过程中，当高端电源开关M1断开时，低端电源开关M2接通，反之亦然。电源开关M1和M2交替接通和断开，以便在公共节点64处产生一个开关电压VSW。节点64处的开关电压VSW驱动电感器L1和输出电容器COUT形成的输出LC滤波电路。输出LC滤波电路在输出电压节点66上产生一个直流输出电压VOUT，其振幅基本稳定。在运行过程中，耦合输出电压VOUT，驱动负载68。
输出电容器COUT与一定量的ESR有关，用虚线电阻ESR与输出电容器串联表示。当使用零ESR的输出电容器时，电阻ESR具有零电阻，因此是短路。在本发明的实施例中，开关调制器60可以利用具有任意量的ESR的输出电容器COUT配置，包括带有很低或零(例如30毫欧以下)ESR的输出电容器。因此，在某些实施例中，陶瓷电容器等零ESR电容器可以用作输出电容器COUT，使得输出电压VOUT处的波纹电压达到最小。
配置调制器控制电路61，根据固定频率的稳定接通时间控制体系，驱动高端电源开关M1和低端电源开关M2。在本说明中，固定频率控制接通时间控制是指控制体系的开关时间或开关频率都是固定的，即使当输入电压VIN或输出电压VOUT变化时，也是固定的。在固定频率的稳定接通时间控制体系下，高端电源开关M1的接通时间由输入电压VIN和开关电压VSW的平均值(也称为电压VSX)决定。配置固定频率的稳定接通时间控制体系的电路及方法已众所周知。下面参照图6将详细介绍固定频率的稳定接通时间控制体系的一个配置示例。在固定频率稳定接通时间控制体系下，电源开关的开关频率或开关周期，对于不同的输出电压级来说保持相同。也就是说，无论所选择的输出电压是多少，电源开关M1和M2的开关周期都是相同的。调制器控制电路61根据所选择的输出电压级，控制高端电源开关的工作周期或接通时间。更确切地说，调制器控制电路61根据输入电压与所选择的输出电压级的比值，控制高端电源开关的工作周期或接通时间。
在本实施例中，调制器控制电路61包括一个接通时间产生电路74(也称为“接通时间产生器”)为开关控制电路78产生一个控制信号，开关控制电路78产生栅极驱动信号VHS和VLS，分别接通或断开高端开关M1和低端开关M2。在本实施例中，接通时间产生器产生一个具有固定开关频率或固定开关周期以及具有制定工作周期的脉宽调制(PWM)信号，用于接通高端开关M1。
为了调制输出节点66处的输出电压VOUT，调制器控制电路61配置反馈控制回路，输出电压VOUT(节点66)耦合到调制器控制电路61上，作为反馈电压VFB(节点70)。在本实施例中，反馈电压VFB是输出电压VOUT的分压电压。由串联电阻器R1和R 2组成的分压器，用于对输出电压VOUT分压，已产生反馈电压VFB。反馈电压VFB耦合到比较器72上，与参考电压VREF(节点71)作比较。当反馈电压VFB大于参考电压VREF时，比较器72的比较输出电压VCOMP(节点73)失效，当反馈电压VFB等于或降至参考电压VREF以下时，比较器输出电压VCOMP生效。比较器输出电压VCOMP耦合到接通时间产生器74上，接通时间产生器74根据比较器输出信号VCOMP产生PWM信号。在某些实施例中，根据比较器输出信号VCOMP、输入电压VIN以及电压VSX，接通时间产生器74产生PWM信号，电压VSX是开关输出电压VSW的平均电压值。因此，反馈控制回路工作，通过固定频率稳定接通时间控制体系，调制输出电压VOUT，高端电源开关接通一段由VIN和VSX决定的接通时间，这将在下文中参照图6详细说明。
在本发明的实施例中，参考电压VREF是一个电压倾斜，从初始电压值变换到终止电压值，跨过固定频率稳定接通时间控制体系的开关时间。为此，调制器控制电路61包括一个参考斜坡产生电路80，产生参考电压斜坡，用于参考电压VREF。参考斜坡产生电路80产生参考电压斜坡，在开关调制器的整个开关周期上变化。因此，无论开关调制器的输出电压值或工作周期是多少，参考电压斜坡是相同的。参考斜坡产生电路80产生参考电压斜坡，在每个工作周期开始时从初始电压值开始向每个工作周期快结束时的终止电压值增大，初始电压值是所需参考电压值或最初的参考电压值。因此，在高端开关接通以及高端开关断开时，参考电压斜坡的电压都会变化。参考电压斜坡在每个开关周期结束时，复位至初始电压值。在某些实施例中，参考电压斜坡的电压在开关周期内线性增大。
图4包括图4a和图4b，表示在本发明的实施例中，引入参考斜坡产生器的开关调制器的信号波形。参见图4a，PWM信号(曲线52)控制高端开关M1(HS)在每个开关周期中接通和断开，从而控制低端开关M2交替地断开和接通。开关周期由高端开关的两个临近的接通时间的初始时之间的时间段决定。何况现在，开关周期由PWM信号两个邻近的低至高变化之间的时间段限定，用于有效的高PWM信号。反馈电压VFB(曲线54)表示输出电压VOUT，具有一个很小的波纹元件和相位滞后。在本发明的实施例中，参考电压VREF(曲线56)由参考电压斜坡提供，在开关周期上变化。也就是说，参考电压斜坡的电压值在高端开关的接通时间内以及高端开关的断开时间内变化。
图4b表示当选择了不同的输出电压时，对于高端开关不同的工作周期的参考电压斜坡。在本实施例中，参考电压斜坡从开关周期开始时的初始电压值VA开始向开关周期快结束时的终止电压值VB变化，并且在开关周期结束时，复位至初始电压值VA。由于参考电压斜坡几乎在整个开关周期内增大，因此无论高端开关的工作周期是多少，参考电压斜坡都具有相同的终止电压值VB。另外，利用固定频率稳定接通时间控制体系，参考电压斜坡对于所有的输出电压值都是一样的，这是因为对于斜坡的电压上升时间对于所有的输出电压值来说都是相同的。即使是当工作周期或输出电压值变化时，也没有产生参考电压电压偏移的结果。因此，当参考斜坡产生电路80用于开关调制器60时，开关调制器可以用于很广的输出电压值，而无需用户调节参考电压，也就是参考电压斜坡的初始参考电压值。
图5表示依据本发明的实施例，配置了参考斜坡产生电路的图3所示的开关调制器的示意图。参见图5，在本实施例中，参考斜坡产生电路80包括一个电压源86，提供作为初始参考电压值的电压VA，以及一个电流源84，提供电流Il。电容器C1连接在电流源84和电压源86之间。确切地说，电容器C1具有一个第一端，耦合到电流源84上，以及一个第二端，耦合到电压源86上。开关S1耦合在电容器C1上。开关S1由一次发射电路82产生的开关控制信号控制。一次发射电路82根据比较器输出信号VCOMP，产生具有预定义时间段的一次发射信号。一次发射信号耦合到开关S1上，作为开关控制信号。电容器C1的第一端(节点71)提供参考电压VREF的电压斜坡。
在运行过程中，比较器输出信号VCOMP生效，或者在每个周期的边界处，跃迁至逻辑高。每个开关周期的边界是指一个开关周期的终点和下一个开关周期的起点。一旦比较器输出信号VCOMP生效时，一次发射信号在开关周期结束时激活，关闭开关S1，使电容器C1快速放电。在某些实施例中，对于持续时间为1000ns的开关周期来说，一次发射信号的持续时间为10ns或更短。随着开关S1的关闭，电容器C1的顶端和底端都偏置到直流电压VA。因此，参考电压VREF(节点71)偏置到初始电压值VA。一次发射时间结束后，开关S1打开。下一个开关周期继续进行，电流源84对电容器C1充电，使电容器C1顶端处的参考电压VREF增大。因此，参考电压VREF利用利参考电压斜坡，从每个开关周期开始时的初始电压值VA开始向每个开关周期快结束时的终点电压VB增大。在开关周期结束时，比较器输出信号VCOMP生效，出发一次发射电路82，开关S1再次关闭，使电容器C1放电。参考电压斜坡复位，再次在下一个开关周期上产生参考电压斜坡。
图5表示可以用于产生图4所示的参考电压斜坡的参考斜坡产生电路80的一种配置结构。如图5所示的参考斜坡产生电路80仅用于解释说明，不用于局限。在其他实施例中，参考斜坡产生电路80可以利用其他电路配置，产生在每个开关周期上变化的参考电压斜坡，如上图4所示。
图6表示在某些实施例中，接通时间产生电路的配置示意图。参见图6，接通时间产生电路74在固定频率稳定接通时间操作下产生PWM信号。接通时间产生电路74接收输入电压VIN和平均电压VSX(节点79)，平均电压VSX表示开关输出电压VSW。还有许多从开关电压VSW产生平均电压VSX的方法。在本实施例中，利用一个RC滤波器，从开关电压VSW上产生平均电压VSX。确切地说，RC滤波器包括一个与电容器CX串联的电阻器RX，在开关输出电压VSW(节点64)和地之间。公共节点79是平均电压VSX。
同时，输入电压VIN耦合到串联电阻器R22和电容器C22上。开关S2连接在电容器C22上，开关S2由PWM信号(Ton)的转换控制，以打开和闭合开关。输入电压VIN(节点62)通过电阻器R22对电容器C22充电，在公共节点92上产生电压Vc。电压Vc和电压VSX耦合到比较器94上，产生比较器输出信号VCOMP2。比较器输出信号VCOMP2耦合到触发器96的复位端(R)。来自反馈控制回路的比较器72(图5)的比较器输出信号VCOMP，耦合到触发器96的设置端(S)。触发器96的输出端(Q)是表示高端开关接通时间(Ton)的PWM信号。PWM信号连接到转换器95上，然后耦合转换后的PWM信号，驱动连接在电容器C22上的开关S2。
在运行过程中，在每个开关周期的初始阶段，比较器输出信号VCOMP处于逻辑高，设置触发器96的Q输出(例如逻辑高)，并且接通时间信号Ton(PWM信号)生效，以接通高端电源开关M1。同时，开关S2打开，输入电压VIN通过电阻器R22对电容器C22充电，电压Vc增大。当输入电压VIN对电压Vc充满电时，电压Vc与比较器94处的电压VSX相比较。
当电压Vc高于平均电压VSX时，比较器输出信号VCOMP2生效(例如逻辑高)，复位触发器96的Q输出端(例如逻辑低)。接通时间信号Ton(PWM信号)失效，接通时间停止。同时，转换接通时间信号Ton，耦合到开关S2上，导致开关S2闭合。随着开关S2的闭合，电容器C22放电，电压Vc复位至地电压。开关S2保持闭合，直到比较器输出信号VCOMP生效(例如逻辑高)，以开始下一个开关周期。在下一个开关周期开始时，比较器输出信号VCOMP设置接通时间信号Ton(触发器96的Q输出)，开关S2打开，使电容器C22再次被输入电压VIN充电。
如果电压Vc很小，那么电容器C22的充电电流大约为Vin/R22。如果Rx*Cx至少是低通滤波器L1*COUT的十倍大，那么电容器Cx上的电压就等于输出电压VOUT。也就是说，电阻器Rx和Cx的RC滤波器产生开关输出电压VSW的平均电压值，作为电压VSX，平均电压值为输出电压VOUT。
如果Ton＝T*VOUT/VIN，其中T为常数，等于开关周期，那么就可以实现固定频率稳定接通时间控制。有多种方式产生Ton＝T*VOUT/VIN。图6表示一种产生固定频率接通时间控制的方法。确切地说，电容器C22对电压VSX放电所需要的时间等于t＝VSX*R22*C22/Vin，假设放电电流等于Vin/R22。因此，如果电容器C22对电压VSX放电所需的时间t设置为Ton，开关周期固定为R22*C22，假设放电电流等于Vin/R22的话，那么开关频率就固定为1/(R22*C22)。更确切地说，接通时间Ton可以表示为：
Ton*(VIN/R22)＝C22*VOUT，以及
Ton＝R22*C22*VOUT/VIN。
利用固定频率为Fsw＝1/(R22*C22)的Vin和Vsw，调制稳定接通时间Ton，使得接通时间产生电路74实现了固定频率。
图6表示一种可以用于产生PWM信号的接通时间产生电路74，用于控制高端开关M1和低端开关M2。如图6所示的接通时间产生电路74仅用于解释说明，不用于局限。在其他实施例中，如上所述，接通时间产生电路74可以利用在固定频率接通时间控制体系下产生PWM信号的其他电路配置。
虽然为了表述清楚，以上内容对实施例进行了详细介绍，但是本发明并不局限于上述细节。本发明的范围内还可能有许多修正和变化。本发明范围由所附的权利要求书限定。

Claims (25)

1.一种用于开关调制器接收输入电压并产生调制输出电压的控制电路，控制电路利用固定频率稳定接通时间控制体系控制高端开关和低端开关，驱动开关输出节点，用于产生开关输出电压，开关输出节点耦合到LC滤波电路上，产生调制的输出电压，在输出节点上具有基本稳定的幅值，调制的输出电压反馈到控制电路上，作为反馈电压，其特征在于，该控制电路包括：
配置一个参考斜坡产生电路，接收第一参考电压，产生在开关周期上变化的参考电压斜坡，开关周期由固定频率稳定接通时间控制体系决定，参考电压斜坡从作为第一参考电压的初始电压值开始到最终电压值；并且
配置控制电路，产生一个脉宽调制(PWM)信号，具有开关周期和表示调制输出电压的电压值的工作周期，耦合PWM信号，控制高端开关和低端开关，以便在开关周期上交替接通和断开，高端开关在工作周期内接通，在剩余的开关周期内断开，低端开关交替断开和接通，控制电路根据将表示调制输出电压的反馈电压与参考电压斜坡相比较后的输出信号产生PWM信号，高端开关接通时，参考电压VREF偏置到初始电压值VA。
2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述的参考电压斜坡对于高端开关不同的工作周期值来说，具有相同的终止电压值，不同的工作周期值表示不同的调制输出电压值。
3.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括：
配置一个开关控制电路，接收脉宽调制(PWM)信号，开关控制电路产生栅极驱动信号，控制高端开关和低端开关在开关周期上交替接通和断开，高端开关于工作周期接通，于剩余的开关周期高端开关断开，低端开关交替断开和接通；
配置一个比较器，接收表示调制输出电压的反馈电压，和由参考斜坡产生电路产生的参考电压斜坡，当反馈电压高于参考电压斜坡时，比较器产生比较器输出信号失效，当反馈电压等于或小于参考电压斜坡时，比较器输出信号生效；以及
配置一个接通时间产生电路，至少根据比较器输出信号，在固定频率稳定接通时间控制体系下产生PWM信号。
4.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述的配置参考斜坡产生电路，产生参考电压斜坡，其电压值从每个开关周期的初始阶段从初始电压值开始向每个开关周期快结束时的终止电压值不断增大，参考电压斜坡在每个开关周期结束时，复位至第一参考电压。
5.如权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述的参考电压斜坡从初始电压值到终止电压值线性增大。
6.如权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述的参考电压斜坡在每个开关周期结束时放电到第一参考电压。
7.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述的参考斜坡产生电路包括：
一个电压源，提供第一参考电压；
一个电流源，提供第一电流；
一个第一电容器，具有耦合到电流源上的第一端以及耦合到电压源上的第二端，第一电容器的第一端提供参考电压斜坡；
一个耦合在第一电容器上的开关，由开关控制信号控制；以及配置一个一次发射电路，产生一次发射信号，根据比较器输出信号预定时间段，一次发射信号耦合到开关上，作为开关控制信号，在每个开关周期结束时，闭合开关预定时间段，对电容器放电，在剩余的开关周期内打开开关。
8.如权利要求7所述的控制电路，其特征在于，所述的一次发射信号的预定时间段为10ns或更短。
9.如权利要求7所述的控制电路，其特征在于，所述的电流源提供第一电流，其电流值对第一电容器充电到每个开关周期快结束时的终止电压值。
10.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述的反馈电压包括调制输出电压的分压电压。
11.一个开关调制器，接收输入电压并产生调制输出电压，开关调制器根据反馈控制体系，控制一个高端开关和一个低端开关，驱动一个用于产生开关输出电压的开关输出节点，开关输出节点耦合到LC滤波器上，产生调制输出电压，在输出节点上具有基本稳定的幅值，其特征在于，该开关调制器包括：
一个控制电路，产生脉宽调制(PWM)信号，其开关周期由固定频率稳定接通时间控制体系决定，其工作周期表示调制输出电压的电压值，耦合PWM信号，控制高端开关和低端开关在整个工作周期上交替接通和断开，高端开关于工作周期接通，在剩余的开关周期上断开，低端开关交替断开和接通，控制电路根据比较表示调制输出电压的反馈电压与参考电压斜坡的比较输出信号产生PWM信号，其中参考电压斜坡的电压值在开关周期上从初始电压值到终止电压值变化，高端开关接通时，参考电压VREF偏置到初始电压值VA。
12.如权利要求11所述的开关调制器，其特征在于，所述的参考电压斜坡对于高端开关不同的工作周期值来说，具有相同的终止电压值，不同的工作周期值表示不同的调制输出电压值。
13.如权利要求11所述的开关调制器，其特征在于，所述的LC滤波电路包括第一电感器和输出电容器，输出电容器具有小于30毫欧的等效串联电阻(ESR)值。
14.如权利要求11所述的开关调制器，其特征在于，所述的控制电路包括：
一个开关控制电路，接收PWM信号，产生栅极驱动信号，控制高端开关和低端开关在开关周期上交替接通和断开，高端开关在工作周期上接通，在剩余的开关周期上断开，低端开关交替断开和接通；
一个参考斜坡产生电路，接收第一参考电压，并产生参考电压斜坡，在开关周期上变化，从第一参考电压的初始电压值变化到终止电压值；一个比较器，接收表示调制输出电压的反馈电压，参考电压斜坡由参考斜坡产生电路产生，当反馈电压大于参考电压斜坡时，比较器产生生效的比较器输出信号，当反馈电压等于或小于参考电压斜坡时，比较器输出信号失效；以及
一个接通时间产生电路，在固定频率稳定接通时间体系下至少根据比较器输出信号，产生PWM信号。
15.如权利要求14所述的开关调制器，其特征在于，配置参考斜坡产生电路，产生参考电压斜坡，其电压值从每个工作周期开始时的初始电压值向每个工作周期快结束时的终止电压值不断增大，在每个开关周期结束时，参考电压斜坡复位至第一参考电压。
16.如权利要求15所述的开关调制器，其特征在于，所述的参考电压斜坡从初始电压值开始到终止电压值线性增大。
17.如权利要求15所述的开关调制器，其特征在于，所述的参考电压斜坡在每个开关周期结束时，放电到第一参考电压。
18.如权利要求14所述的开关调制器，其特征在于，所述的参考斜坡产生电路包括：
一个电压源，提供第一参考电压；
一个电流源，提供第一电流；
一个第一电容器，具有耦合到电流源上的第一端以及耦合到电压源上的第二端，第一电容器的第一端提供参考电压斜坡；
一个耦合在第一电容器上的开关，由开关控制信号控制；以及
配置一个一次发射电路，产生一次发射信号，根据比较器输出信号预定时间段，一次发射信号耦合到开关上，作为开关控制信号，在每个开关周期结束时，闭合开关预定时间段，对电容器放电，在剩余的开关周期内打开开关。
19.如权利要求18所述的开关调制器，其特征在于，所述的一次发射信号的预定时间段为10ns或更短。
20.如权利要求18所述的开关调制器，其特征在于，所述的电流源提供第一电流，其电流值对第一电容器充电到每个开关周期快结束时的终止电压值。
21.如权利要求11所述的开关调制器，其特征在于，所述的反馈电压包括调制输出电压的分压电压。
22.一种用于开关调制器接收输入电压并产生调制输出电压的方法，其中开关调制器根据反馈控制体系，控制一个高端开关和一个低端开关，驱动一个用于产生开关输出电压的开关输出节点，开关输出节点耦合到LC滤波器上，产生调制输出电压，在输出节点上具有基本稳定的输出电压幅值，其特征在于，该方法包括：
根据脉宽调制(PWM)信号交替接通和断开高端开关和低端开关，开关周期由固定频率稳定接通时间控制体系决定，工作周期表示调制输出电压的电压值，高端开关在工作周期接通，在剩余的开关周期上断开，低端开关交替断开和接通；并且
根据比较表示调制输出电压的反馈电压与一个参考电压斜坡的比较输出信号，产生PWM信号，其中参考电压斜坡的电压值在开关周期上从一个初始电压值变化到一个终止电压值，高端开关接通时，参考电压VREF偏置到初始电压值VA。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括：
产生参考电压斜坡，对于高端开关不同的工作周期值具有相同的终止电压值，不同的工作周期值表示不同的调制电压值。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述产生参考电压斜坡包括：
产生参考电压斜坡，其电压值在每个开关周期开始时从初始电压值开始向每个开关周期快结束时的终止电压值不断增大，参考电压斜坡在每个开关周期结束时，复位至第一参考电压。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述产生参考电压斜坡包括：
在每个开关周期结束时，对参考电压斜坡放电到第一参考电压。
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