CN110572013A - 电压变换器及用于电压变换器的方法 - Google Patents

电压变换器及用于电压变换器的方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种电压变换器和用于电压变换器的方法。所述电压变换器包括功率级、放大器、采样保持电路、比较电路和逻辑控制电路。所述电压变换器减小了静态电流、改善了负载调节。

Description

电压变换器及用于电压变换器的方法
技术领域
本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种电压变换器及用于电压变换器的方法。
背景技术
恒定导通时间(constant on time，COT)控制技术，由于良好的暂态响应和简单的电路结构，在电压变换领域得到了广泛应用。
现有COT控制技术在系统处于轻载时，误差放大器对输出电压的反馈信号进行持续积分，而轻载状态下系统的输出电压变高，导致误差放大器的输出被低钳位(即误差放大器的输出电压被钳位在参考负电压)，从而影响负载的暂态响应。
因此，有必要提出一种改进的电压变换器。
发明内容
根据本发明的实施例，提出了一种电压变换器，包括：功率级，包括主功率开关和从功率开关，所述主功率开关和从功率开关被周期性地导通与断开，以将输入电压转化为输出电压；放大器，根据参考电压和表征输出电压的反馈电压，产生中间信号；采样保持电路，对中间信号进行采样保持：在电压变换器运行于电流断续模式且流过从功率开关的电流过零时，停止对中间信号的采样，并对停止采样前最后采样的中间信号进行保持，直至主功率开关被重新导通，在电压变换器运行的其他时间，对中间信号进行持续采样并对采样的结果进行持续保持，产生采样保持信号；比较电路，根据反馈电压、采样保持信号和参考电压，产生比较信号；逻辑控制电路，根据比较信号，产生逻辑驱动信号，用以控制主功率开关和从功率开关，其中当电压变换器运行于电流断续模式且流过从功率开关的电流过零后，增大主功率开关的导通时长，在电压变换器运行的其他时间，所述逻辑驱动信号控制主功率开关导通恒定的时长。
根据本发明的实施例，还提出了一种用于电压变换器的方法，所述电压变换器包括主功率开关和从功率开关，周期性地被导通和断开，以将输入电压转化为输出电压，所述方法包括：根据表征输出电压的反馈电压与参考电压，产生中间信号；对中间信号进行采样保持，得到采样保持信号：在电压变换器运行于电流断续模式且流过从功率开关的电流过零时，停止采样中间信号，并对停止采样前最后采样的中间信号进行保持，直至主功率开关被重新导通；在电压变换器运行的其他时间，对中间信号进行持续采样并对采样结果进行持续保持；比较(1)采样保持信号与参考电压之和，与(2)斜坡补偿信号与反馈电压之和，产生比较信号；响应比较信号，产生逻辑驱动信号，用以控制主功率开关和从功率开关；其中当电压变换器运行于电流断续模式且流过从功率开关的电流过零后，增大主功率开关的导通时长，直至主功率开关被重新导通；在电压变换器运行的其他时间，控制主功率开关导通恒定的时长。
根据本发明各方面的上述电压变换器和用于电压变换器的方法，减小了静态电流、改善了负载调节。
附图说明
图1为根据本发明实施例的电压变换器100的电路结构示意图；
图2为根据本发明实施例的电压变换器200的电路结构示意图；
图3为根据本发明实施例的电压变换器300的电路结构示意图；
图4为根据本发明实施例的电压变换器400的电路结构示意图；
图5为根据本发明实施例的电压变换器500的电路结构示意图；
图6为根据本发明实施例的电压变换器600的电路结构示意图；
图7示意性示出了根据本发明实施例的用于电压变换器的方法流程图700。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图1为根据本发明实施例的电压变换器100的电路结构示意图。在图1所示实施例中，所述电压变换器100包括：功率级101，包括主功率开关11和从功率开关12，所述主功率开关11和从功率开关12被周期性地导通与断开，以将输入电压VIN转化为输出电压VO；放大器102，根据参考电压Vref和表征输出电压VO的反馈电压VFB，产生中间信号AMP；采样保持电路103，对中间信号AMP进行采样保持：在电压变换器100运行于电流断续模式且流过从功率开关12的电流过零(即电流零点穿越)时，停止对中间信号AMP的采样，并对停止采样前最后采样的中间信号AMP进行保持，直至主功率开关11被重新导通，在电压变换器100运行的其他时间，对中间信号AMP进行持续采样并对采样的结果进行持续保持，产生采样保持信号VSH；比较电路104，根据反馈电压VFB、采样保持信号VSH和参考电压Vref，产生比较信号CMP；逻辑控制电路105，根据比较信号CMP，产生逻辑驱动信号，用以控制主功率开关11和从功率开关12，其中当电压变换器100运行于电流断续模式且流过从功率开关12的电流过零后，增大主功率开关11的导通时长，在电压变换器100运行的其他时间，所述逻辑驱动信号控制主功率开关11导通恒定的时长。
在一个实施例中，所述比较电路104和逻辑控制电路105还响应休眠信号sleep，被去使能或者恢复使能，以进入或者退出休眠模式。
在一个实施例中，当电压变换器100运行于电流断续模式且流过从功率开关12的电流过零时，由于采样保持电路103停止对中间信号AMP的采样，放大器102运行于比较器模式。此时，若反馈电压VFB大于参考电压Vref，比较电路104和逻辑控制电路105被去使能，主功率开关11和从功率开关12为高阻状态，系统进入休眠模式；若反馈电压VFB小于参考电压Vref，比较电路104和逻辑控制电路105恢复使能，主功率开关11和从功率开关12恢复运行，系统退出休眠模式。
在一个实施例中，所述比较电路104还接收斜坡补偿信号ramp，并根据反馈电压VFB、采样保持信号VSH、参考电压Vref和斜坡补偿信号ramp，产生所述比较信号CMP。在一个实施例中，所述比较电路104比较(1)采样保持信号VSH与参考电压Vref之和，和(2)斜坡补偿信号ramp与反馈电压VFB之和，产生所述比较信号CMP。
图2为根据本发明实施例的电压变换器200的电路结构示意图。图2所示实施例具体示出了采样保持电路103的电路结构示意图。在图2所示实施例中，所述采样保持电路103包括：采样开关31，耦接在放大器102和比较电路104之间，在电压变换器200运行于电流断续模式且流过从功率开关12的电流过零时，采样开关31被控制断开，直至主功率开关11被重新导通，在电压变换器200运行的其他时间，采样开关31保持导通；电容32，通过采样开关31耦接至放大器102，在采样开关31导通时作为放大器102的补偿电容；其中电容32两端的电压为采样保持信号VSH。
图3为根据本发明实施例的电压变换器300的电路结构示意图。图3所示电压变换器300与图2所示电压变换器200相似，与图2所示电压变换器200不同的是，在图3所示实施例中，电压变换器300还包括：过零比较器106，比较零值参考电压VZ和表征流过从功率开关12电流的电流采样信号ICS，产生过零检测信号ZCD，其中当电流采样信号ICS小于零值参考电压VZ后，在采样保持电路103处，采样保持电路103停止对中间信号AMP的采样，直至主功率开关11被重新导通(即采样开关31被断开，从而断开电容32与放大器102的连接)；在逻辑电路105处，逻辑驱动信号控制主功率开关11的导通时长增大。
在一个实施例中，当电流采样信号ICS小于零值参考电压VZ时，过零检测信号ZCD为高电平。
在一个实施例中，零值参考电压VZ为0.1V。
图4为根据本发明实施例的电压变换器400的电路结构示意图。图4所示实施例具体示出了比较电路104和逻辑电路105的电路结构示意图。在图4所示实施例中，所述比较电路104包括比较器，该比较器具有两个同相输入端和两个反相输入端，两个同相输入端分别接收采样保持信号VSH与参考电压Vref，两个反相输入端分别接收斜坡补偿信号ramp与反馈电压VFB。也就是说，该比较器比较(1)采样保持信号VSH与参考电压Vref之和，与(2)斜坡补偿信号ramp与反馈电压VFB之和，产生比较信号CMP。
在图4所示实施例中，所述逻辑电路105包括：导通计时器51，响应比较信号CMP和过零检测信号ZCD，产生导通信号TON，在电压变换器运行于电流断续模式且电流采样信号ICS小于零值参考电压VZ时，导通信号TON的高电平时间段增大，使得主功率开关11的导通时长增大，在电压变换器运行的其他时间，导通信号TON控制主功率开关11具有恒定的导通时长；逻辑单元52，响应导通信号TON，产生所述逻辑驱动信号。在一个实施例中，逻辑单元52也被休眠信号sleep控制去使能或者恢复使能，以进入或退出休眠模式。
图5为根据本发明实施例的电压变换器500的电路结构示意图。图5所示实施例具体示出了导通计时器51的电路结构示意图。在图5所示实施例中，所述导通计时器51包括：受控电流源Ich，提供受输入电压VIN控制(如与输入电压VIN成正比)的电流；充电电容C1和复位开关S1，在复位开关S1断开期间，所述受控电流源Ich对充电电容C1进行充电，在复位开关S1导通期间，所述充电电容C1两端电压VC被复位；充电比较器U1，比较充电电容C1两端电压VC和输出电压VO的大小，产生所述导通信号TON；其中当过零检测信号ZCD指示电流采样信号ICS小于零值参考电压VZ(如过零检测信号ZCD为高电平)时，所述受控电流源Ich给充电电容C1的有效充电电流减小。
在一个实施例中，减小受控电流源Ich给充电电容C1的有效充电电流可以通过减小对充电电容C1的有效充电时间，而保持受控电流源Ich提供的充电电流不变。在另一个实施例中，减小受控电流源Ich给充电电容C1的有效充电电流可以通过减小受控电流源Ich提供的充电电流，而保持受控电流源Ich对充电电容C1的有效充电时间不变。在其他实施例中，减小受控电流源Ich给充电电容C1的有效充电电流可以通过既减小受控电流源Ich提供的充电电流，又减小对充电电容C1的有效充电时间。如何减小受控电流源Ich给充电电容C1的有效充电电流是本领域技术人员的常用技术手段，为叙述简明，这里不再详述。
图6为根据本发明实施例的电压变换器600的电路结构示意图。图6所示电压变换器600与图1所示电压变换器100相似，与图1所示电压变换器100不同的是，在图6所示实施例中，电压变换器600还包括：施密特输出级107，耦接至放大器102接收中间信号，产生休眠信号sleep。在电压变换器100运行于电流断续模式且流过从功率开关12的电流过零、使得放大器102运行于比较器模式时，由于放大器转换速度不够快，为提升转换速度，在放大器102后耦接施密特输出级107，以提供及时的休眠信号sleep。
在电压变换器100、200、300、400、500以及600运行过程中，当负载相对较重时，系统运行在电流连续模式下。采样开关31保持导通，采样保持电路103对中间信号AMP进行持续采样并对采样结果进行持续保持，中间信号AMP即为采样保持信号VSH。此时放大器102运行于误差放大器模式，相当于采样保持电路103将中间信号AMP输送至比较电路104，中间信号AMP为误差放大信号。比较电路104响应中间信号AMP、参考电压Vref、斜坡补偿信号ramp和反馈电压VFB的变化，产生比较信号CMP。当中间信号AMP与参考电压Vref之和大于斜坡补偿信号ramp与反馈电压VFB之和，导通计时器51开始计时，以提供具有恒定导通时长的导通信号TON，用以控制功率级101。
当负载减小，减小到使得系统进入电流断续模式时，系统检测流过从功率开关12的电流(如通过与从功率开关12串联的采样电阻、或者通过与从功率开关12形成电流镜的开关管、或者检测从功率开关12两端的压降，等等，未图示)。当该电流减小到零(如电流采样信号ICS小于零值参考电压VZ)时，采样开关31被断开，采样保持电路103停止对中间信号AMP的采样。相应的，电容32两端电压(即采样保持信号VSH)为停止采样前最后采样的中间信号AMP。此时，由于采样开关31的断开，放大器102输出端和电容32的连接被断开，此时放大器102运行于比较器模式。即放大器102对反馈电压VFB和参考电压Vref的大小进行比较，输出具有正负电平的信号，中间信号AMP为比较信号。若反馈电压VFB大于参考电压Vref，放大器102输出的中间信号AMP为低电平，施密特输出级107响应该低电平的中间信号AMP，输出休眠信号sleep，使系统进入休眠模式，比较电路104和逻辑控制电路105被去使能，主功率开关11和从功率开关12变为高阻状态。相应地，输出电压VO减小。当输出电压VO减小至某一电压值，使得反馈电压VFB小于参考电压Vref，放大器102输出的中间信号AMP变为高电平，施密特输出级107响应该高电平的中间信号AMP，改变休眠信号sleep的状态，使系统退出休眠模式，比较电路104和逻辑控制电路105被恢复使能，重新开始运行。由于在采样开关31断开后，电容32两端电压(即采样保持信号VSH)为停止采样前最后采样的中间信号AMP。因此，恢复正常运行(重新被使能)时，系统控制环路(如比较电路104，导通计时器51等)响应该采样保持信号VSH，产生逻辑驱动信号，用以控制主功率开关11和从功率开关12。
前述根据本发明各实施例的电压变换器，在系统运行于电流断续模式且流过从功率开关12的电流过零后，放大器作为比较器，其输出用于判断系统是否进入或者退出休眠模式。在系统进入休眠模式后，由于比较电路被去使能，减小了静态电流。在系统退出休眠模式时，由于采样保持电路的作用，系统控制环路(如比较器)恢复使能时，参与系统控制环路的参数(如用于比较器进行比较的参数)为流过从功率开关12电流过零前的中间信号。此中间信号对应从功率开关12电流过零前的输出电压VO。因此，当系统恢复使能、重新开始正常运行时，输出电压VO不会变高，改善了负载调节。
图7示意性示出了根据本发明实施例的用于电压变换器的方法流程图700，所述电压变换器包括主功率开关和从功率开关，周期性地被导通和断开，以将输入电压转化为输出电压。所述方法包括：
步骤701，根据表征输出电压的反馈电压与参考电压，产生中间信号。
步骤702，对中间信号进行采样保持，得到采样保持信号：在电压变换器运行于电流断续模式且流过从功率开关的电流过零时，停止采样中间信号，并对停止采样前最后采样的中间信号进行保持，直至主功率开关被重新导通；在电压变换器运行的其他时间，对中间信号进行持续采样并对采样结果进行持续保持。
步骤703，比较(1)采样保持信号与参考电压之和，与(2)斜坡补偿信号与反馈电压之和，产生比较信号。
步骤704，响应比较信号，产生逻辑驱动信号，用以控制主功率开关和从功率开关；其中当电压变换器运行于电流断续模式且流过从功率开关的电流过零后，增大主功率开关的导通时长，直至主功率开关被重新导通；在电压变换器运行的其他时间，所述逻辑驱动信号控制主功率开关导通恒定的时长。
在一个实施例中，所述方法还包括：在电压变换器运行于电流断续模式且流过从功率开关的电流过零时，比较反馈电压与参考电压，得到所述中间信号；在电压变换器运行的其他时间，放大反馈电压与参考电压的差值，得到所述中间信号。
在一个实施例中，当电压变换器运行于电流断续模式且流过从功率开关的电流过零时，若反馈电压大于参考电压，所述电压变换器进入休眠模式。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种电压变换器，包括：
功率级，包括主功率开关和从功率开关，所述主功率开关和从功率开关被周期性地导通与断开，以将输入电压转化为输出电压；
放大器，根据参考电压和表征输出电压的反馈电压，产生中间信号；
采样保持电路，对中间信号进行采样保持：在电压变换器运行于电流断续模式且流过从功率开关的电流过零时，停止对中间信号的采样，并对停止采样前最后采样的中间信号进行保持，直至主功率开关被重新导通，在电压变换器运行的其他时间，对中间信号进行持续采样并对采样的结果进行持续保持，产生采样保持信号；
比较电路，根据反馈电压、采样保持信号和参考电压，产生比较信号；
逻辑控制电路，根据比较信号，产生逻辑驱动信号，用以控制主功率开关和从功率开关，其中当电压变换器运行于电流断续模式且流过从功率开关的电流过零后，增大主功率开关的导通时长，在电压变换器运行的其他时间，所述逻辑驱动信号控制主功率开关导通恒定的时长。
2.如权利要求1所述的电压变换器，其中所述采样保持电路包括：
采样开关，耦接在放大器和比较电路之间，在电压变换器运行于电流断续模式且流过从功率开关的电流过零时，采样开关被控制断开，直至主功率开关被重新导通；在电压变换器运行的其他时间，采样开关保持导通；
电容，通过采样开关耦接至放大器，在采样开关导通时作为放大器的补偿电容；其中电容两端的电压为采样保持信号。
3.如权利要求1所述的电压变换器，还包括：
过零比较器，比较零值参考电压和表征流过从功率开关电流的电流采样信号，产生过零检测信号。
4.如权利要求3所述的电压变换器，其中若电流采样信号小于零值参考电压：
在采样保持电路处，采样保持电路停止对中间信号的采样，直至主功率开关被重新导通；
在逻辑电路处，逻辑驱动信号控制主功率开关的导通时长增大。
5.如权利要求3所述的电压变换器，其中所述逻辑电路包括：
导通计时器，响应比较信号和过零检测信号，产生导通信号，在电压变换器运行于电流断续模式且电流采样信号小于零值参考电压时，导通信号的高电平时间段增大，使得主功率开关的导通时长增大，在电压变换器运行的其他时间，导通信号控制主功率开关具有恒定的导通时长；
逻辑单元，响应导通信号，产生所述逻辑驱动信号。
6.如权利要求5所述的电压变换器，其中所述导通计时器包括：
受控电流源，提供受输入电压控制的电流；
充电电容和复位开关，在复位开关断开期间，所述受控电流源对充电电容进行充电，在复位开关导通期间，所述充电电容两端电压被复位；
充电比较器，比较充电电容两端电压和输出电压的大小，产生所述导通信号；其中当过零检测信号指示电流采样信号小于零值参考电压时，所述受控电流源给充电电容的有效充电电流减小。
7.如权利要求1所述的电压变换器，还包括：
施密特输出级，耦接至放大器接收中间信号，产生休眠信号。
8.一种用于电压变换器的方法，所述电压变换器包括主功率开关和从功率开关，周期性地被导通和断开，以将输入电压转化为输出电压，所述方法包括：
根据表征输出电压的反馈电压与参考电压，产生中间信号；
对中间信号进行采样保持，得到采样保持信号：在电压变换器运行于电流断续模式且流过从功率开关的电流过零时，停止采样中间信号，并对停止采样前最后采样的中间信号进行保持，直至主功率开关被重新导通；在电压变换器运行的其他时间，对中间信号进行持续采样并对采样结果进行持续保持；
比较(1)采样保持信号与参考电压之和，与(2)斜坡补偿信号与反馈电压之和，产生比较信号；
响应比较信号，产生逻辑驱动信号，用以控制主功率开关和从功率开关；其中当电压变换器运行于电流断续模式且流过从功率开关的电流过零后，增大主功率开关的导通时长，直至主功率开关被重新导通；在电压变换器运行的其他时间，控制主功率开关导通恒定的时长。
9.如权利要求8所述的方法，其中
当电压变换器运行于电流断续模式且流过从功率开关的电流过零时，若反馈电压大于参考电压，所述电压变换器进入休眠模式。
10.如权利要求8所述的方法，还包括：
在电压变换器运行于电流断续模式且流过从功率开关的电流过零时，比较反馈电压与参考电压，得到所述中间信号，直至主功率开关被重新导通；
在电压变换器运行的其他时间，放大反馈电压与参考电压的差值，得到所述中间信号。
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