CN110707926A - 直流-直流控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种直流‑直流控制器，用以将输入电压转换为输出电压。直流‑直流控制器包括误差放大器、微分电路、加法器及脉宽调制信号产生单元。误差放大器根据反馈信号及参考电压产生第一误差信号。反馈信号与输出电压相关。微分电路耦接误差放大器，接收第一误差信号，并微分第一误差信号以产生微分信号。加法器分别耦接误差放大器及微分电路，且根据第一误差信号及微分信号产生第二误差信号。脉宽调制信号产生单元耦接加法器，且根据第二误差信号产生脉宽调制信号。本发明的直流‑直流控制器可达到减少电路面积及降低成本的具体功效。

Description

直流-直流控制器
技术领域
本发明与电压转换有关，特别是关于一种能够有效增大误差信号中的涟波(Ripple)的直流-直流控制器
背景技术
在传统的恒定导通时间(Constant On Time,COT)直流-直流控制器中，通常会根据与输出电压相关的反馈电压上的涟波来产生误差放大信号，以作为后续产生脉宽调制信号的依据。
当输出电压太过平滑，例如利用积层陶瓷电容(MLCC)作为输出电容的情况下，会导致与输出电压相关的反馈电压上的涟波太小，传统的恒定导通时间直流-直流控制器即无法根据误差放大信号产生脉宽调制信号。为了改善上述现象，常见的作法是额外设置具有高等效串联电阻(Equivalent Series Resistance,ESR)的电容或是涟波注入电路(Ripple injection circuit)来产生较大的涟波。
然而，无论是采用具有高等效串联电阻的电容或是涟波注入电路，均会导致成本增加与电路面积无法缩小等缺点，亟待克服。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种直流-直流控制器，以解决现有技术所述及的问题。
本发明的一较佳具体实施例为一种直流-直流控制器。于此实施例中，直流-直流控制器将输入电压转换为输出电压。直流-直流控制器包括误差放大器、微分电路、加法器及脉宽调制信号产生单元。误差放大器根据反馈信号及参考电压产生第一误差信号。反馈信号与输出电压相关。微分电路耦接误差放大器，接收第一误差信号，并微分第一误差信号以产生微分信号。加法器分别耦接误差放大器及微分电路，且根据第一误差信号及微分信号产生第二误差信号。脉宽调制信号产生单元耦接加法器，且根据第二误差信号产生脉宽调制信号。
在本发明的一实施例中，微分信号的相位超前第一误差信号的相位。
在本发明的一实施例中，第二误差信号的相位超前第一误差信号的相位。
在本发明的一实施例中，微分电路具有放大倍率，微分电路对第一误差信号微分并以放大倍率放大后产生微分信号。
在本发明的一实施例中，微分电路包括第一放大器、电容及电阻。第一放大器具有第一输入端、第二输入端及第一输出端。第一输入端接收第一误差信号。第一输出端输出微分信号。电容耦接于第二输入端与接地端之间。电阻耦接于第二输入端与第一输出端之间。
在本发明的一实施例中，脉宽调制信号产生单元包括斜波信号产生器、比较器及导通时间计算器。斜波信号产生器产生斜波信号。比较器具有第一输入端、第二输入端及输出端。第一输入端耦接斜波信号产生器且第二输入端耦接加法器。比较器根据斜波信号及第二误差信号产生比较信号。导通时间计算器耦接比较器，且根据比较信号产生具有导通时间的脉宽调制信号。
在本发明的一实施例中，第二误差信号的振幅大于第一误差信号的振幅。
在本发明的一实施例中，加法器为节点。
在本发明的一实施例中，加法器包括第二放大器、第一电阻串及第二电阻串。第二放大器具有第三输入端、第四输入端及第二输出端，并由第二输出端输出第二误差信号。第一电阻串具有第一端点、第二端点与第一接点。第一端点接收微分信号。第二端点耦接第二输出端。第一接点耦接第三输入端。第二电阻串具有第三端点、第四端点与第二接点。第三端点接收第一误差信号。第四端点耦接接地端。第二接点耦接第四输入端。
相较于现有技术，本发明的直流-直流控制器不需额外设置具有高等效串联电阻的电容或是涟波注入电路即可有效增大误差信号中的涟波，以顺利产生脉宽调制信号，故能达到减少电路面积及降低成本的具体功效。
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附附图得到进一步的了解。
附图说明
图1示出根据本发明的一较佳具体实施例中的直流-直流控制器将输入电压转换为输出电压的示意图。
图2示出图1中的脉宽调制信号、电感电流、第一误差信号、微分信号及第二误差信号的波形时序示意图。
图3A示出图1中的微分电路的一实施例。
图3B示出图1中的微分电路的另一实施例。
图4示出图1中的加法器的一实施例。
图5示出第一误差信号、第二误差信号及斜波信号的波形时序图。
图6示出将第一误差信号微分得到微分信号后再将第一误差信号与微分信号相加得到第二误差信号的波形时序图。
图7示出将第一误差信号微分并放大得到微分信号后再将第一误差信号与微分信号相加得到第二误差信号的波形时序图。
主要元件符号说明：
1：直流-直流控制器
10：误差放大器
11：参考电压产生器
12：微分电路
13：加法器
14：脉宽调制信号产生单元
140：比较器
141：斜波信号产生器
142：导通时间产生器
15：驱动单元
FB：反馈信号
VREF：参考电压
COMP1：第一误差信号
COMP2：第二误差信号
CS：微分信号
RAMP：斜波信号
PWM：脉宽调制信号
UG：第一开关控制信号
LG：第二开关控制信号
－：第一输入端
+：第二输入端
K、J、G、Q：输出端
OS：输出级
M1：第一开关
M2：第二开关
L：输出电感
IL：电感电流
C：电容
VIN：输入电压
VOUT：输出电压
t1～t5：时间
TON：导通时间
IN：输入端
OUT：输出端
R：电阻
120：放大器
IR：电阻电流
IC：电感电流
130：放大器
－：第三输入端
+：第四输入端
132：第一电阻串
134；第二电阻串
R1～R4：电阻
E1～E4：第一端点～第四端点
N1～N2：第一接点～第二接点
具体实施方式
现在将详细参考本发明的示范性实施例，并在附图中说明所述示范性实施例的实例。在图式及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
根据本发明的一较佳具体实施例为一种直流-直流控制器。于此实施例中，直流-直流控制器根据与输出电压相关的反馈信号产生脉宽调制信号控制输出级的运作，由以将输入电压转换为输出电压，但不以此为限。
请参照图1，图1示出此实施例中的直流-直流控制器将输入电压转换为输出电压的示意图。如图1所示，输出级OS包括串接于输入电压VIN与接地端GND之间的第一开关M1及第二开关M2。输出级OS的第一开关M1及第二开关M2分别耦接至直流-直流控制器1。输出电感L的一端耦接至第一开关M1及第二开关M2之间且输出电感L的另一端耦接输出电压VOUT及输出电容C。输出电容C耦接于输出电压VOUT与接地端GND之间。
直流-直流控制器1包括误差放大器10、参考电压产生器11、微分电路12、加法器13、脉宽调制信号产生单元14及驱动单元15。误差放大器10具有第一输入端－、第二输入端+及输出端K。第一输入端－接收与输出电压VOUT相关的反馈信号FB。第二输入端+耦接参考电压产生器11，接收参考电压产生器11所产生的参考电压VREF。输出端K分别耦接微分电路12及加法器13，输出第一误差信号COMP1。
微分电路12分别耦接误差放大器10的输出端K及加法器13，接收误差放大器10的输出端K所输出的第一误差信号COMP1并根据第一误差信号COMP1产生微分信号CS后输出至加法器13。
加法器13分别耦接误差放大器10的输出端K、微分电路12及脉宽调制信号产生单元14，分别接收第一误差信号COMP1及微分信号CS并将第一误差信号COMP1与微分信号CS相加后输出第二误差信号COMP2至脉宽调制信号产生单元14。
脉宽调制信号产生单元14耦接于加法器13与驱动单元15之间，接收第二误差信号COMP2并根据第二误差信号COMP2产生脉宽调制信号PWM至驱动单元15。
于此实施例中，脉宽调制信号产生单元14包括比较器140、斜波信号产生器141及导通时间产生器142。比较器140包括第一输入端－、第二输入端+及输出端J。第一输入端－耦接斜波信号产生器141，接收斜波信号产生器141所产生的斜波信号RAMP。第二输入端+耦接加法器13，接收加法器13所输出的第二误差信号COMP2。斜波信号产生器141分别耦接比较器140的第一输入端－以及以产生斜波信号RAMP。导通时间产生器142耦接于比较器140的输出端J与驱动单元15之间，根据比较器140的比较结果产生包括导通时间的脉宽调制信号PWM至驱动单元15。
驱动单元15耦接于脉宽调制信号产生单元14与输出级OS之间，接收脉宽调制信号PWM并根据脉宽调制信号PWM分别产生第一开关控制信号UG及第二开关控制信号LG至输出级OS中的第一开关M1与第二开关M2的栅极，由以控制第一开关M1与第二开关M2的导通或关闭，致使第一开关M1与第二开关M2之间产生流经输出电感L的电感电流IL。
接着，请参照图2，图2示出图1中的脉宽调制信号PWM、电感电流IL、第一误差信号COMP1、微分信号CS及第二误差信号COMP2的波形时序图。
如图2所示，于时间t1，脉宽调制信号PWM会由低准位变为高准位并维持一段时间至时间t2，此段时间为导通时间TON。于导通时间TON内，流经输出电感L的电感电流IL会线性上升。于时间t2，脉宽调制信号PWM会由高准位变为低准位并维持一段时间至时间t3，于此段非导通时间内，电感电流IL会线性下降。
误差放大器10所输出的第一误差信号COMP1在时间t1仍维持于低准位，直至时间t2才开始上升。微分电路12对第一误差信号COMP1微分后得到微分信号CS，但不以此为限。接着，再由加法器13将第一误差信号COMP1与微分信号CS相加后得到第二误差信号COMP2。经过微分信号CS的补偿后，误差放大器10原本输出的第一误差信号COMP1会相位移变成第二误差信号COMP2。
至于时间t3至t5的情形与上述时间t1至t3的情形相同，故可依此类推，于此不另行赘述。
于实际应用中，图1中的微分电路12可具有各种不同的电路架构，分别如下列实施例所述。
请参照图3A，图3A示出图1中的微分电路12的一实施例。如图3A所示，微分电路12可包括放大器120、电容C及电阻R。放大器120具有第一输入端+、第二输入端－及输出端G。第一输入端+接收第一误差信号COMP1。第二输入端－耦接至彼此串接的电阻R与电容C之间。输出端G输出微分信号CS。电容C耦接于第二输入端－与接地端GND之间，且有电容电流IC流经电容C。电阻R耦接于第二输入端－与输出端G之间，且有电阻电流IR流经电阻R。微分信号CS为电阻R的跨压VCS，并且于放大器120输出端G产生第二误差信号COMP2。
请参照图3B，图3B示出图1中的微分电路12的另一实施例。如图3B所示，微分电路12可包括放大器120、电容C及电阻R。放大器120具有第一输入端+、第二输入端－及输出端G。第一输入端+耦接接地端GND。第二输入端－分别耦接电容C及电阻R。电阻R的一端耦接至电容C与比较器120的第二输入端－之间且电阻R的另一端耦接至比较器120的输出端G，且有电阻电流IR流经电阻R。电容C接收第一误差信号COMP1，且有电容电流IC流经电容C。输出端G输出微分信号CS。
于实际应用中，图1中的加法器13除了可为节点之外，如图4所示，于另一实施例中，加法器13也可包括放大器130、第一电阻串132及第二电阻串134。第一电阻串132包括彼此串接的电阻R1～R2且第二电阻串134包括彼此串接的电阻R3～R4。放大器130具有第三输入端－、第四输入端+及输出端Q，并由输出端Q输出第二误差信号COMP2。第一电阻串132具有第一端点E1、第二端点E2与第一接点N1。第一端点E1接收微分信号CS。第二端点E2耦接输出端Q。第一接点N1耦接第三输入端－。第二电阻串134具有第三端点E3、第四端点E4与第二接点N2。第三端点E3接收第一误差信号COMP1。第四端点E4耦接接地端GND。第二接点N2耦接第四输入端+。
请参照图5，图5示出第一误差信号COM1、第二误差信号COMP2及斜波信号RAMP的波形时序图。如图5所示，经补偿后的第二误差信号COMP2的振幅明显大于原本的第一误差信号COM1的振幅，使得脉宽调制信号产生单元14顺利根据产生第二误差信号COMP2产生脉宽调制信号PWM。
于一实施例中，微分电路12对第一误差信号COMP1微分后产生微分信号CS。请参照图6，微分电路12对第一误差信号COMP1微分，得到微分信号CS，再由加法器13将第一误差信号COMP1与微分信号CS相加得到振幅较大的第二误差信号COMP2并输出至脉宽调制信号产生单元14。由于微分的关系，微分信号CS的相位与第一误差信号COMP1的相位不同。准确地说，微分信号CS具有第一误差信号COMP1的超前相位，亦即微分信号CS的相位会超前第一误差信号COMP1的相位。此外，将第一误差信号COMP1与微分信号CS相加而得到的第二误差信号COMP2的相位亦会超前第一误差信号COMP1的相位。
于另一实施例中，微分电路12还具有特定放大倍率，对第一误差信号COMP1微分并放大特定放大倍率后产生微分信号CS。举例而言，请参照图7，微分电路12先对第一误差信号COMP1微分并放大特定放大倍率后，产生微分信号CS(如图7所示的微分信号CS的振幅明显大于第一误差信号COMP1的振幅)，再由加法器13将第一误差信号COMP1与微分信号CS相加得到第二误差信号COMP2并输出至脉宽调制信号产生单元14。由于图7中的第二误差信号COMP2的振幅明显大于第一误差信号COMP1的振幅，因此，脉宽调制信号产生单元14能根据第二误差信号COMP2产生脉宽调制信号PWM。
相较于现有技术，本发明的直流-直流控制器不需额外设置具有高等效串联电阻的电容或是涟波注入电路即可有效增大误差信号中的涟波，以顺利产生脉宽调制信号，故能达到减少电路面积及降低成本的具体功效。
通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所公开的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。

Claims (9)

1.一种直流-直流控制器，用以将一输入电压转换为一输出电压，其特征在于，上述直流-直流控制器包括：
一误差放大器，根据一反馈信号及一参考电压产生一第一误差信号，其中上述反馈信号与上述输出电压相关；
一微分电路，耦接上述误差放大器，接收上述第一误差信号，并微分上述第一误差信号以产生一微分信号；
一加法器，分别耦接上述误差放大器及上述微分电路，且根据上述第一误差信号及上述微分信号产生一第二误差信号；以及
一脉宽调制信号产生单元，耦接上述加法器，且根据上述第二误差信号产生一脉宽调制信号。
2.根据权利要求1所述的直流-直流控制器，其特征在于，上述微分信号的相位超前上述第一误差信号的相位。
3.根据权利要求1所述的直流-直流控制器，其特征在于，上述第二误差信号的相位超前上述第一误差信号的相位。
4.根据权利要求1所述的直流-直流控制器，其特征在于，上述微分电路具有一放大倍率，上述微分电路对上述第一误差信号微分并以上述放大倍率放大后产生上述微分信号。
5.根据权利要求1所述的直流-直流控制器，其特征在于，上述微分电路包括：
一第一放大器，具有一第一输入端、一第二输入端及一第一输出端，上述第一输入端接收上述第一误差信号，上述第一输出端输出上述微分信号；
一电容，耦接于上述第二输入端与一接地端之间；以及
一电阻，耦接于上述第二输入端与上述第一输出端之间。
6.根据权利要求1所述的直流-直流控制器，其特征在于，上述脉宽调制信号产生单元包括：
一斜波信号产生器，产生一斜波信号；
一比较器，具有一第一输入端、一第二输入端及一输出端，上述第一输入端耦接上述斜波信号产生器且上述第二输入端耦接上述加法器，上述比较器根据上述斜波信号及上述第二误差信号产生一比较信号；以及
一导通时间计算器，耦接上述比较器，且根据上述比较信号产生具有一导通时间的上述脉宽调制信号。
7.根据权利要求1所述的直流-直流控制器，其特征在于，上述第二误差信号的振幅大于上述第一误差信号的振幅。
8.根据权利要求1所述的直流-直流控制器，其特征在于，上述加法器为一节点。
9.根据权利要求1所述的直流-直流控制器，其特征在于，上述加法器包括：
一第二放大器，具有一第三输入端、一第四输入端及一第二输出端，并由上述第二输出端输出上述第二误差信号；
一第一电阻串，具有一第一端点、一第二端点与一第一接点，上述第一端点接收上述微分信号，上述第二端点耦接上述第二输出端，该第一接点耦接上述第三输入端；以及
一第二电阻串，具有一第三端点、一第四端点与一第二接点，上述第三端点接收上述第一误差信号，上述第四端点耦接一接地端，上述第二接点耦接上述第四输入端。
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