CN111694394A - 数字稳压系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种数字稳压系统及其控制方法，其中，该数字稳压系统包含一数字稳压电路以及一补偿电路。数字稳压电路输出一输出电流以及一输出电压，数字稳压电路根据至少一参考电压以及一回授电压调整输出电流，以对输出电流减少或增加一单位电流。补偿电路接收输出电压，并根据输出电流的变化而对输出电压减少或增加一单位电压，以产生并输出回授电压。

Description

数字稳压系统及其控制方法
技术领域
本发明有关于一种数字稳压系统，特别是有关于一种具有补偿机制以提高收敛稳定度的数字稳压系统及其控制方法。
背景技术
近年来，低压降线性稳压器(linear dropout,LDO)具有较高的转换效率，小体积、低杂讯的优点，所以大量地使用在各种由电池供应电源的可携式系统以及通讯相关的电子产品上。
低压降线性稳压器包含模拟式低压降线性稳压器(analog LDO)以及数字式低压降线性稳压器(digital LDO)。数字式低压降线性稳压器具有低杂讯以及可调输出电压的优点，但是其收敛稳定性低，大大地影响其应用领域。
发明内容
为了解决上述现有技术的问题，本发明的目的在于提出一种数字稳压系统及其控制方法，通过与数字稳压电路的输出电流相对应地调整回授电压，可有效提高数字稳压电路的收敛稳定度。
为了达成上述目的，本发明提出一种数字稳压系统，其包含一数字稳压电路以及一补偿电路。数字稳压电路输出一输出电流以及一输出电压，数字稳压电路根据至少一参考电压以及一回授电压调整输出电流，以对输出电流减少或增加一单位电流。补偿电路接收输出电压，并根据输出电流的变化而对输出电压减少或增加一单位电压，以产生并输出回授电压。
较佳地，数字稳压电路更包含一第一比较器、一第二比较器、一控制单元以及多个电流单元，每一电流单元开启时输出单位电流，控制单元根据第一比较器以及第二比较器产生的两个比较结果分别开启或关闭多个电流单元，以输出至少一单位电流以形成输出电流。
较佳地，控制单元输出一电流调整信号至该补偿电路，该补偿电路根据该电流调整信号对该输出电压减少或增加该单位电压，以产生并输出该回授电压，其中该电流调整信号表示该控制单元分别开启或关闭该多个电流单元以对该输出电流增加或减少该单位电流。
较佳地，第一比较器的正输入端接收该回授电压，而该第一比较器的负输入端接收一第一参考电压，而该第二比较器的正输入端接收该回授电压，而该第二比较器的负输入端接收一第二参考电压，该第一参考电压大于该第二参考电压。
较佳地，单位电压满足下列条件:ΔV>(VREF_H-VREF_R)/2；其中ΔV为该单位电压，VREF_H为该第一参考电压，VREF_R为该第二参考电压。
较佳地，该数字稳压电路的一输出端耦接一电容器，该单位电流满足下列条件:ΔI>(VREF_H-VREF_R)×Cp×Fsw；其中ΔI为该单位电流，VREF_H为该第一参考电压，VREF_R为该第二参考电压，Cp为该电容器的一电容值，Fsw为该数字稳压电路的一切换频率。
较佳地，当该输出电流减少该单位电流，则该补偿电路对该输出电压减少该单位电压，以产生并输出该回授电压；当该输出电流增加该单位电流，则该补偿电路对该输出电压增加该单位电压，以产生并输出该回授电压。
较佳地，补偿电路包含一第一电流源、一第二电流源、一第一开关、一第二开关、一开关控制单元、以及一电阻，该电阻电连接于该补偿电路的一输入端以及一输出端之间，该第一电流源以及该第一开关串联于一供电端以及该补偿电路的该输出端之间，该第二开关以及该第二电流源串联于该补偿电路的该输出端以及一接地端之间，该开关控制单元接收该电流调整信号，并根据该电流调整信号控制该第一开关以及该第二开关。
较佳地，当该电流调整信号表示该控制单元分别控制该多个电流单元以对该输出电流增加该单位电流，则该开关控制单元控制该第一开关导通以及控制该第二开关截止；当该电流调整信号表示该控制单元分别控制该多个电流单元以对该输出电流减少该单位电流，则该开关控制单元控制该第一开关截止以及控制该第二开关导通。
较佳地，补偿电路包含一正电压源、一负电压源、一第三开关、一第四开关、以及一开关控制单元，该第三开关电连接于该正电压源与该第一比较器以及该第二比较器的正输入端之间，该第四开关电连接于该负电压源与第一比较器以及第二比较器的正输入端之间，第一比较器的负输入端接收第一参考电压，第二比较器的负输入端接收第二参考电压；当电流调整信号表示控制单元分别控制多个电流单元以对输出电流增加单位电流，则开关控制单元控制第三开关导通以及控制第四开关截止；当电流调整信号表示控制单元分别控制多个电流单元以对输出电流减少单位电流，则开关控制单元控制第三开关截止以及控制第四开关导通；正电压源提供正的单位电压，而负电压源提供负的单位电压，该单位电压满足下列条件:ΔV>(VREF_H-VREF_R)/2；其中ΔV为该单位电压，VREF_H为一第一参考电压，VREF_R为一第二参考电压。
为了达成上述目的，本发明提出一种数字稳压系统的控制方法，该数字稳压系统包含一数字稳压电路以及一补偿电路，数字稳压电路输出一输出电流以及一输出电压，数字稳压电路根据一第一参考电压、一第二参考电压、以及一回授电压调整输出电流，以对输出电流减少或增加一单位电流，此控制方法包含下列步骤：接收输出电压，并根据输出电流的变化而对该输出电压减少或增加一单位电压，以产生并输出该回授电压；其中该单位电压满足下列条件:ΔV>(VREF_H-VREF_R)/2；其中ΔV为单位电压，VREF_H为第一参考电压，VREF_R为该第二参考电压，其中第一参考电压大于第二参考电压。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明的数字稳压系统的方块图；
图2为本发明的数字稳压系统的一实施例的电路示意图；
图3为本发明的数字稳压系统的另一实施例的电路示意图；
图4为本发明的数字稳压系统的控制方法的流程图。
10:数字稳压电路；
20:比较单元；
201、211、221:比较结果；
21:第一比较器；
22:第二比较器；
30:控制单元；
301:电流调整信号；
40、40A、40B:电流单元；
50:补偿电路；
511:第一电流源；
512:第二电流源；
521:第一开关；
522:第二开关；
523:第三开关；
524:第四开关；
53:开关控制单元；
531:第一控制信号；
532:第二控制信号；
541:正电压源；
542:负电压源；
90:负载；
VFB:回授电压；
VOUT:输出电压；
IOUT:输出电流；
C1:电容器；
RB:电阻器；
GND:接地端；
CLK:时脉信号；
N1:输出端；
VREF:参考电压；
VERF_H:第一参考电压；
VREF_R:第二参考电压。
具体实施方式
以下将配合图式及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
请参阅图1，其为本发明的数字稳压系统的方块图。如图1所示，数字稳压系统可包含一数字稳压电路10以及一补偿电路50。数字稳压电路10至少包含一比较单元20、一控制单元30以及多个电流单元40。每一个电流单元40可提供一单位电流，而控制单元30控制多个电流单元40的开启状态，使得数字稳压电路10的输出端上形成一输出电流IOUT以及一输出电压VOUT。数字稳压电路10的输出端更电连接一电容器C1以及一负载90。
例如，当控制单元30开启两个电流单元40而关闭其他电流单元40，则输出电流IOUT为两倍的单位电流；控制单元30开启五个电流单元40而关闭其他电流单元40，则输出电流IOUT为五倍的单位电流，因此输出电流IOUT的变化是以单位电流为基础。
补偿电路50电连接数字稳压电路10的输出端，且接收输出电压VOUT，并根据输出电流IOUT的变化而对输出电压VOUT减少或增加单位电压，以产生并输出回授电压VFB。比较单元20比较至少一参考电压VREF以及回授电压VFB，以产生一比较结果，而控制单元30可根据比较结果201调整输出电流IOUT，以对输出电流IOUT减少或增加单位电流。
例如，单位电压可为0.5V，当输出电流IOUT增加一单位电流，则补偿电路50则将输出电压VOUT加上0.5V，以形成回授电压VFB；当输出电流IOUT减少一单位电流，则补偿电路50则将输出电压VOUT减去0.5V，以形成回授电压VFB。藉由补偿电路50对应输出电流IOUT的变化而调整回授电压VFB，可提高数字稳压电路10的收敛稳定性(convergent stability)。
请参阅图2，其为本发明的数字稳压系统的一实施例的电路示意图。如图2所示，数字稳压电路可包含一第一比较器21、一第二比较器22、一控制单元30以及多个电流单元40、40A以及40B。数字稳压电路的一输出端N1耦接一电容器C1以及一负载90。
每一电流单元40A开启时可输出单位电流ΔI。第一比较器21的负输入端接收第一参考电压VREF_H，而正输入端接收一回授电压VFB，第一比较器21比较第一参考电压VREF_H以及回授电压VFB，以产生一比较结果211。第二比较器22的负输入端接收第二参考电压VREF_R，而正输入端接收回授电压VFB。第一参考电压VREF_H大于第二参考电压VREF_R。第二比较器22比较第二参考电压VREF_R以及回授电压VFB，以产生一比较结果221。第一比较器21以及第二比较器22接收一时脉信号CLK，并根据时脉信号CLK周期性地进行比较。
应注意的是，此实施例是以两个比较器以及两个参考电压作为实施说明，但是本发明不受其限制，根据实际应用，数字稳压系统也可以仅使用单一比较器对回授电压与一参考电压进行比较。
控制单元30可根据比较结果211以及221分别开启或关闭多个电流单元40，所有开启的电流单元40所输出的单位电流的总和形成流经数字稳压电路的输出端N1的输出电流IOUT。
控制单元30输出一电流调整信号301，其表示控制单元30分别开启或关闭多个电流单元40以对输出电流IOUT增加或减少单位电流。在此实施例中，补偿电路包含一第一电流源511、一第二电流源512、一第一开关521、一第二开关522、一开关控制单元53、以及一电阻器RB。电阻器RB电连接于补偿电路的一输入端以及一输出端N2之间，而补偿电路的输入端电连接数字稳压电路的输出端N1。
第一电流源511以及第一开关521串联于一供电端VDD以及补偿电路50的输出端N2之间，且第一电流源511的电流流出端电连接第一开关521，第二开关522以及第二电流源512串联于补偿电路50的输出端以及一接地端GND之间，且第二电流源512的电流流出端电连接第二开关522。
开关控制单元53接收电流调整信号301，并根据电流调整信号301控制第一开关521以及第二开关522。透过上述架构，补偿电路50可根据电流调整信号301对输出电压VOUT减少或增加一单位电压ΔV，以产生并输出回授电压VFB。
在一实施例中，当单位电压ΔV满足下列条件:ΔV>(VREF_H-VREF_R)/2，则可有效地提高数字稳压电路的收敛稳定度。
在一实施例中，单位电流ΔI可满足下列条件:ΔI>(VREF_H-VREF_R)×Cp×Fsw，其中Cp为该电容器C1的一电容值，Fsw为数字稳压电路10的一切换频率，藉此，可有效地提高数字稳压电路的收敛稳定度。
以下说明此实施例的补偿电路的详细操作。当开关控制单元53根据电流调整信号301判断控制单元30决定多开启一电流电元以使得输出电流IOUT增加一单位电流ΔI时，则开关控制单元53开启(turn on)第一开关521并关闭(turn off)第二开关522，使得第一电流源511的电流流向补偿电路的输出端N2。由于第一比较器21以及第二比较器22的输入阻抗远大于电阻器RB，因此第一电流源511的电流流经电阻器RB，并流向数字稳压电路的输出端N1。
由于电流经由电阻器RB从补偿电路的输出端N2流向补偿电路的输入端，所以补偿电路的输出端N2的电压高于数字稳压电路的输出电压VOUT，换句话说，补偿电路50对应地对输出电压VOUT增加一单位电压ΔV，以产生并输出回授电压VFB。单位电压ΔV为电阻器RB的跨压。
开关控制单元53根据电流调整信号301判断控制单元30决定多关闭一电流电元，使得输出电流IOUT减少一单位电流ΔI时，则开关控制单元53开启(turn on)第二开关522并关闭(turn off)第一开关521，使得第二电流源512的电流从补偿电路的输出端N2流向接地端GND。由于第一比较器21以及第二比较器22的输入阻抗远大于电阻器RB，因此第二电流源512的电流从数字稳压电路的输出端N1流经电阻器RB，而流向补偿电路的输出端N2。
由于电流经由电阻器RB从补偿电路的输入端N1流向补偿电路的输出端，所以补偿电路的输出端N1的电压低于数字稳压电路的输出电压VOUT，换句话说，补偿电路50对应地对输出电压VOUT减少一单位电压ΔV，以产生并输出回授电压VFB。
请参阅图3，其为本发明的数字稳压系统的另一实施例的电路示意图。如图3所示，补偿电路50包含一正电压源541、一负电压源542、一第三开关523、一第四开关524、以及一开关控制单元53。第三开关523电连接于正电压源541与第一比较器21以及第二比较器22的正输入端之间，第四开关524电连接于负电压源542与第一比较器21以及第二比较器22的正输入端之间。第一比较器21的负输入端接收第一参考电压VREF_H，而第二比较器22的负输入端接收第二参考电压VREF_R。正电压源541一端电连接第三开关523，而另一端电连接数字稳压电路的输出端N1，并接收输出电压VOUT。负电压源542一端电连接第四开关524，而另一端电连接数字稳压电路的输出端N1，并接收输出电压VOUT。
正电压源541提供正的单位电压ΔV，而负电压源542提供负的单位电压ΔV，而单位电压ΔV满足下列条件:ΔV>(VERF_H-VERF_R)/2。
开关控制单元53用以开启或关闭第三开关523以及第四开关524。当开关控制单元53根据电流调整信号301判断控制单元30决定多开启一电流电元以使得输出电流IOUT增加一单位电流ΔI时，则开关控制单元53开启第三开关523以及关闭第四开关524，因此，输出电压VOUT加上单位电压ΔV而输入至第一比较器21以及第二比较器22的正输入端。
当开关控制单元53根据电流调整信号301判断控制单元30决定多关闭一电流电元以使得输出电流IOUT减少一单位电流ΔI时，则开关控制单元53关闭第三开关523以及开启第四开关524，因此，输出电压VOUT减去单位电压ΔV而输入至第一比较器21以及第二比较器22的正输入端。
因此，当单位电压ΔV大于第一参考电压与第二参考电压的总和的一半，且回授电压VFB会对应输出电流而增加会减少单位电压ΔV时，可有效地提高数字稳压电路的收敛稳定度。
请参阅图4，其为本发明的数字稳压系统的控制方法的流程图。本发明的控制方法适用于一数字稳压电路，其输出一输出电流以及一输出电压，且输出电流的变化减少或增加一单位电流。此控制方法包含步骤S41至S43。在步骤S41，使用一补偿电路接收输出电压。在步骤S42，补偿电路根据输出电流的变化而对输出电压VOUT减少或增加一单位电压，以产生并输出回授电压至数字稳压电路。在步骤S43，数字稳压电路根据第一参考电压、第二参考电压、以及回授电压调整输出电流，其中单位电压大于第一参考电压与第二参考电压之和的一半，藉此以提高数字稳压电路的收敛稳定性。
虽然本发明以前述的实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的权利要求保护范围所界定者为准。

Claims (11)

1.一种数字稳压系统，其特征在于，包含：
一数字稳压电路，输出一输出电流以及一输出电压，该数字稳压电路根据至少一参考电压以及一回授电压调整该输出电流，以对该输出电流减少或增加一单位电流；以及
一补偿电路，接收该输出电压，并根据该输出电流的变化而对该输出电压减少或增加一单位电压，以产生并输出该回授电压。
2.如权利要求1所述的数字稳压系统，其特征在于，该数字稳压电路更包含一第一比较器、一第二比较器、一控制单元以及多个电流单元，每一个电流单元开启时输出该单位电流，该控制单元根据该第一比较器以及该第二比较器产生的两个比较结果分别开启或关闭该多个电流单元，以输出至少一该单位电流以形成该输出电流。
3.如权利要求2所述的数字稳压系统，其特征在于，该控制单元输出一电流调整信号至该补偿电路，该补偿电路根据该电流调整信号对该输出电压减少或增加该单位电压，以产生并输出该回授电压，其中该电流调整信号表示该控制单元分别开启或关闭该多个电流单元以对该输出电流增加或减少该单位电流。
4.如权利要求2所述的数字稳压系统，其特征在于，该第一比较器的正输入端接收该回授电压，而该第一比较器的负输入端接收一第一参考电压，而该第二比较器的正输入端接收该回授电压，而该第二比较器的负输入端接收一第二参考电压，该第一参考电压大于该第二参考电压。
5.如权利要求4所述的数字稳压系统，其特征在于，该单位电压满足下列条件：
ΔV>(VREF_H-VREF_R)/2；
其中，ΔV为该单位电压，VREF_H为该第一参考电压，VREF_R为该第二参考电压。
6.如权利要求4所述的数字稳压系统，其特征在于，该数字稳压电路的一输出端耦接一电容器，该单位电流满足下列条件：
ΔI>(VREF_H-VREF_R)×Cp×Fsw；
其中，ΔI为该单位电流，VREF_H为该第一参考电压，VREF_R为该第二参考电压，Cp为该电容器的一电容值，Fsw为该数字稳压电路的一切换频率。
7.如权利要求4所述的数字稳压系统，其特征在于，当该输出电流减少该单位电流，则该补偿电路对该输出电压减少该单位电压，以产生并输出该回授电压；
其中当该输出电流增加该单位电流，则该补偿电路对该输出电压增加该单位电压，以产生并输出该回授电压。
8.如权利要求3所述的数字稳压系统，其特征在于，该补偿电路包含一第一电流源、一第二电流源、一第一开关、一第二开关、一开关控制单元、以及一电阻，该电阻电连接于该补偿电路的一输入端以及一输出端之间，该第一电流源以及该第一开关串联于一供电端以及该补偿电路的该输出端之间，该第二开关以及该第二电流源串联于该补偿电路的该输出端以及一接地端之间，该开关控制单元接收该电流调整信号，并根据该电流调整信号控制该第一开关以及该第二开关。
9.如权利要求8所述的数字稳压系统，其特征在于，当该电流调整信号表示该控制单元分别控制该多个电流单元以对该输出电流增加该单位电流，则该开关控制单元控制该第一开关导通以及控制该第二开关截止；
其中当该电流调整信号表示该控制单元分别控制该多个电流单元以对该输出电流减少该单位电流，则该开关控制单元控制该第一开关截止以及控制该第二开关导通。
10.如权利要求7所述的数字稳压系统，其特征在于，该补偿电路包含一正电压源、一负电压源、一第三开关、一第四开关、以及一开关控制单元，该第三开关电连接于该正电压源与该第一比较器以及该第二比较器的正输入端之间，该第四开关电连接于该负电压源与该第一比较器以及该第二比较器的正输入端之间，该第一比较器的负输入端接收该第一参考电压，该第二比较器的负输入端接收该第二参考电压；
其中当该电流调整信号表示该控制单元分别控制该多个电流单元以对该输出电流增加该单位电流，则该开关控制单元控制该第三开关导通以及控制该第四开关截止；
其中当该电流调整信号表示该控制单元分别控制该多个电流单元以对该输出电流减少该单位电流，则该开关控制单元控制该第三开关截止以及控制该第四开关导通；
其中该正电压源提供正的该单位电压，而该负电压源提供负的该单位电压，该单位电压满足下列条件：
ΔV>(VREF_H-VREF_R)/2；
其中，ΔV为该单位电压，VREF_H为一第一参考电压，VREF_R为一第二参考电压。
11.一种数字稳压系统的控制方法，其特征在于，该数字稳压系统包含一数字稳压电路以及一补偿电路，该数字稳压电路输出一输出电流以及一输出电压，该数字稳压电路根据一第一参考电压、一第二参考电压、以及一回授电压调整该输出电流，以对该输出电流减少或增加一单位电流，其中该方法包含：
接收该输出电压，并根据该输出电流的变化而对该输出电压减少或增加一单位电压，以产生并输出该回授电压；
其中该单位电压满足下列条件：
ΔV>(VREF_H-VREF_R)/2；
其中，ΔV为该单位电压，VREF_H为该第一参考电压，VREF_R为该第二参考电压，其中该第一参考电压大于该第二参考电压。
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