CN113507209B - 脉冲宽度调制直流-直流转换器、控制方法、电子设备 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种脉冲宽度调制的直流‑直流转换器，包括：功率级电路，用于将输入直流电压转换为负载所需的稳定直流电压，其中，当转换器的负载发生瞬态跳变时，该功率级电路的输出电压会发生变化；瞬态增强逻辑电路，用于在具有固定频率的脉冲宽度调制信号内插入与输出直流电压变化幅度有关的占空比扩展信号，以实现任意时刻的快速负载瞬态响应。本公开另一方面还提供了该转换器的控制方法，可实现对负载瞬态变化的快速响应，响应速度与瞬态来到时刻无关，且该转换器的电路结构简单，成本低廉。本公开提供的控制方法可以应用在升压、降压、升降压等直流‑直流转换器拓扑结构中，具备可拓展性。

Description

脉冲宽度调制直流-直流转换器、控制方法、电子设备
技术领域
本公开涉及电子技术领域，尤其涉及一种脉冲宽度调制直流-直流转换器、控制方法、电子设备。
背景技术
由于直流-直流转换器的滤波电感电流不能突变，当负载端的瞬态电流变化速度大于电感电流的上升斜率时，需要由滤波电容补充不平衡的电荷，电容放电，造成输出电压跌落。
对于传统的脉冲宽度调制(Pulse-Width Modulation，PWM)控制直流-直流转换器(参考图1)，负载瞬态跳变发生的时刻不同，PWM信号扩展的幅度不同，单周期内电感L对电容C的充电时间不一致，导致不同的负载瞬态响应速度。因此，传统的PWM控制直流-直流转换器无法实现任意时刻的快速负载瞬态响应，负载瞬态响应速度与负载跳变的时间有关。
随着片上系统(System-on-Chip，SoC)的工作电压逐步降低，使得SoC发生负载跳变时，其对供电电压的瞬态波动响应速度要求越来越高，因此如何提高直流-直流转换器的负载瞬态响应速度成为近年来的研究热点。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种新型脉冲宽度调制直流-直流转换器、控制方法、电子设备，以解决上述技术问题。
本公开的一个方面提供了一种脉冲宽度调制直流-直流转换器，其特征在于，包括：功率级电路，用于将输入直流电压转换为负载所需的稳定直流电压，其中，当所述转换器的负载发生瞬态跳变时，所述功率级电路的输出直流电压会发生变化；瞬态增强逻辑电路，用于在具有固定频率的脉冲宽度调制信号内插入与所述直流电变化幅度有关的占空比扩展信号，以实现任意时刻的快速负载瞬态响应。
可选地，所述瞬态增强逻辑电路包括：误差放大器，用于比较所述直流电和第一参考电压，得到误差信号；第一比较器，用于比较所述误差信号和第二参考电压，得到第一比较信号；逻辑处理模块，用于输出所述脉冲宽度调制信号，当所述误差信号大于第二参考电压时，生成相应的占空比扩展信号，并将所述占空比扩展信号加入所述脉冲宽度调制信号中输出；第二比较器，用于比较所述误差信号和周期斜波信号，产生第二比较信号。
可选地，第二参考电压与误差信号有关，也可是固定电压，在此不加以限制。
可选地，所述占空比扩展信号的时长宽度与所述误差信号大于第二参考电压的时长相同。
可选地，所述周期斜波信号与所述脉冲宽度调制信号的周期相同。
本公开的一个方面提供了一种脉冲宽度调制直流-直流转换器的控制方法，包括：比较转换器产生的输出直流电压与第一参考电压，得到误差信号，以表示所述输出直流电压的变化幅度；当所述误差信号超过第二参考电压时，产生与所述输出直流电压变化幅度有关的占空比扩展信号；产生与所述占空比扩展信号对应的脉冲宽度调制信号，以实现任意时刻的快速负载瞬态响应。
可选地，所述当所述变化幅度超过第二参考电压时，产生与所述输出直流电压变化幅度有关的占空比扩展信号包括：当所述误差信号大于第二参考电压时，生成占空比扩展信号，所述占空比扩展信号的时长宽度与所述第一比较信号大于第二参考电压的时长相同；将所述占空比扩展信号加入脉冲宽度调制信号中输出。
可选地，所述产生与所述占空比扩展信号对应的脉冲宽度调制信号，以实现任意时刻的快速负载瞬态响应包括：比较所述误差信号和一周期斜波信号，产生第二比较信号；将包括所述占空比扩展信号和所述第二比较信号输入逻辑处理模块中，产生与所述占空比扩展信号对应的脉冲宽度调制信号。
可选地，所述周期斜波信号与所述周期脉冲信号周期的相同，当所述脉冲宽度调制信号不包括所述占空比扩展信号，所述逻辑处理模块周期性产生脉冲宽度调制信号。
本公开另一方面提供了一种电子设备，包括如第一方面所述的脉冲宽度调制直流-直流转换器。
在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本公开提供的脉冲宽度调制直流-直流转换器，在任意时刻负载发生瞬态跳变时，通过在具有固定频率的脉冲宽度调制信号内插入与输出电压变化幅度有关的占空比扩展信号，实现任意时刻的快速负载瞬态响应，负载瞬态响应速度与瞬态到来时刻无关；该直流-直流转换器的电路结构简单，不增加额外的片外元件，电路成本低；本公开提供的控制方法可以应用在升压、降压、升降压等直流-直流转换器拓扑结构中，具备可拓展性。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了一种传统PWM控制直流-直流转换器的电路示意图；
图2示意性示出了一种传统PWM控制直流-直流转换器的任意时刻负载瞬态响应示意图；
图3示意性示出了本公开实施例提供的一种新型PWM控制直流-直流转换器的电路示意图；
图4示意性示出了本公开实施例提供的一种新型PWM控制直流-直流转换器的负载瞬态响应示意图；
图5示意性示出了本公开实施例提供的一种新型PWM控制直流-直流转换器的控制方法流程图；
图6示意性示出了本公开实施例提供的一种电子设备的结构框图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
图1示意性示出了一种传统的PWM控制直流-直流转换器的电路示意图。
如图1所示，对于传统的PWM控制直流-直流转换器，输出电压VFB与参考电压VREF，经误差放大器进行误差放大，产生的误差信号VEA与具有固定频率的斜波信号RAMP比较，将比较产生的信号与CLK信号(与斜波信号RAMP同周期，在斜波信号为谷值时触发为高电平的窄脉冲时钟信号)经SR触发器产生PWM信号，对输出电压进行调制。发生负载瞬态正向跳变时，输出电压向下跌落，误差信号VEA增大，误差信号与斜波信号的差值经比较器反映在SR触发器的输入端，SR触发器输出端翻转为高电位，PWM信号占空比扩展)，功率开关每周期的导通时间得到扩展，更多的电荷由输入端Vin流向负载电容，补充由于负载跳变损失的电荷，输出电压恢复至稳定值。发生负载瞬态负向跳变时，与上同理。
对于如图1所示的PWM控制直流-直流转换器，负载瞬态跳变发生的时刻不同，PWM信号扩展的幅度不同，单周期内电感L对电容C的充电时间不一致，导致不同的负载瞬态响应速度。
图2示意性示出了传统PWM控制直流-直流转换器的任意时刻负载瞬态响应示意图。
如图2实线所示，当负载瞬态跳变发生在CLK信号即将或已经翻转为高电位，误差信号的上升幅度可以最大化的经比较器反映在SR触发器的输入端，SR触发器输出端可迅速翻转为高电位，PWM信号扩展幅度最大，负载瞬态响应速度最快。
如图2虚线所示，当负载瞬态跳变发生在CLK信号为低电位时，且PWM信号在当前周期已触发一次高电平，此时SR触发器输出端为保持状态，无法再次翻转，直到下一周期CLK信号到来，PWM信号才得到扩展，瞬态响应存在延时，负载瞬态响应速度慢。
综上，传统的PWM控制直流-直流转换器，无法实现任意时刻的快速负载瞬态响应，负载瞬态响应速度与负载跳变的时间有关。
图3示意性示出了本公开实施例提供的一种新型脉冲宽度调制直流-直流转换器的电路示意图。
如图3所示，本公开实施例提供的新型脉冲宽度调制直流-直流转换器包括功率级电路201和瞬态增强逻辑电路202。其中，功率级电路201，用于将输入直流电压转换为负载所需的稳定直流电压，当所述转换器的负载发生瞬态跳变时，所述功率级电路的输出稳定直流电压会发生变化；瞬态增强逻辑电路202，用于在具有固定频率的脉冲宽度调制信号内插入与所述输出直流电压变化幅度有关的占空比扩展信号，并产生与所述占空比扩展信号对应的PWM信号，以实现任意时刻的快速负载瞬态响应。
具体的，功率级电路201用于将输入直流电压转换为负载所需的稳定直流电压。该功率级电路可以是多种直流-直流转换器拓扑结构，如升压、降压、升降压结构等，这里不加以限制。该电路201通常包括功率开关(图3中功率级电路201的PWM代表功率开关控制信号)，滤波电感L和滤波电容C等。
如图3所示，瞬态增强逻辑电路202包括误差放大器，第一比较器，逻辑处理模块，第二比较器。
其中，误差放大器，用于比较所述输出直流电压VFB和第一参考电压VREF，得到误差信号VEA；
第一比较器，用于比较所述误差信号VEA和第二参考电压VC，得到第一比较信号；
逻辑处理模块，用于输出所述脉冲宽度调制信号。当所述误差信号大于第二参考电压时，生成相应的占空比扩展信号，并将所述占空比扩展信号加入所述PWM信号中输出；
第二比较器，用于比较所述误差信号VEA和周期斜波信号Ramp，产生第二比较信号，其中，周期斜波信号与所述PWM信号的周期相同；
图4示意性示出了本公开实施例提供的一种脉冲宽度调制直流-直流转换器的负载瞬态响应示意图。
如图4黑实线所示，当直流-直流转换器采用202控制电路，当所述脉冲宽度调制信号PWM不包括所述占空比扩展信号，所述逻辑处理模块周期性产生脉冲宽度调制信号。当负载瞬态跳变发生在CLK信号为低电位时，PWM信号在当前周期已触发一次高电平，由于PWM信号额外插入了与输出电压变化幅度有关的占空比扩展信号，所述占空比扩展信号的时长宽度与所述误差信号大于第二参考电压的时长相同，此时逻辑处理模块输出端仍可再次翻转为高电位，PWM信号同样得到实时扩展，负载瞬态响应速度快。
如图4黑虚线所示，当直流-直流转换器采用图1所示的传统PWM控制直流-直流转换器，负载瞬态跳变发生在CLK信号为低电位时，PWM信号在当前周期已触发一次高电平，由于PWM信号没有额外插入与输出电压变化幅度有关的占空比扩展信号，直到下一周期CLK信号到来，PWM信号才得到扩展，瞬态响应存在延时，负载瞬态响应速度慢。
本公开实施例提供的新型脉冲宽度调制直流-直流转换器相比于传统的PWM控制直流-直流转换器，通过在具有固定频率的PWM信号内插入与输出电压变化幅度有关的占空比扩展信号，实现任意时刻的快速负载瞬态响应，且电路简单，不增加额外的片外元件，电路成本低。
图5示意性示出了本公开实施例提供的一种新型脉冲宽度调制直流-直流转换器的控制方法流程图。
如图5所示，该方法包括步骤S510～S530。
S510，比较负载瞬态响应直流-直流转换器产生的输出直流电压VFB与第一参考电压VREF，得到误差信号VEA，以表示所述输出直流电压VFB的变化幅度。
S520，当所述误差信号VFB超过第二参考电压VC时，产生与所述输出直流电压VFB变化幅度有关的占空比扩展信号。
参考图3，在本公开提供的新型脉冲宽度调制直流-直流转换器中，包括一逻辑处理模块，当所述误差信号VFB超过第二参考电压VC时，逻辑处理模块根据步骤S521～S522产生占空比扩展信号，并将其插入脉冲宽度调制信号PWM中输出：
S521，当所述误差信号大于第二参考电压时，生成占空比扩展信号，所述占空比扩展信号的时长宽度与所述第一比较信号大于第二参考电压的时长相同。
S522，将所述占空比扩展信号加入脉冲调制信号中。
S530，产生与所述占空比扩展信号对应的脉冲宽度调制信号PWM，以实现任意时刻的快速负载瞬态响应。
参考图3提供的脉冲宽度调制直流-直流转换器，在获取响应负载瞬态的占空比信号后，将其输入逻辑处理模块，产生响应的脉冲宽度调制信号PWM，具体包括S531～S533。
S531，比较所述误差信号和一周期斜波信号，产生第二比较信号。
S532，将包括所述占空比扩展信号和所述第二比较信号输入逻辑处理模块中，产生与所述占空比扩展信号对应的脉冲宽度调制信号PWM。
其中，所述周期斜波信号与所述周期脉冲信号周期的相同。参考图4，当所述脉冲宽度调制信号PWM不包括所述占空比扩展信号，所述逻辑处理模块会周期性产生脉冲宽度调制信号；当所述脉冲宽度调制信号中包括占空比扩展信号时，逻辑处理模块都会响应产生对应的脉冲宽度调制信号，与时刻无关，从而实现了任意时刻对负载瞬态的快速响应。
图6示意性示出了本公开实施例提供的一种电子设备的结构框图。
如图6所示，本实施例中所描述的电子设备600至少包括了如图3所示的脉冲宽度调制直流-直流转换器。该电子设备600可以执行上面参考图5描述的方法，以实现快速负载瞬态响应，以及将其应用于升压、降压、升降压等直流-直流转换器拓扑结构中。
本公开提供的脉冲宽度调制直流-直流转换器，在任意时刻负载发生瞬态跳变时，通过在具有固定频率的脉冲宽度调制信号内插入与输出电压变化幅度有关的占空比扩展信号，实现任意时刻的快速负载瞬态响应，负载瞬态响应速度与瞬态到来时刻无关；该直流-直流转换器的电路结构简单，不增加额外的片外元件，电路成本低；本公开提出的控制方法可以应用在升压、降压、升降压等直流-直流转换器拓扑结构中，具备可拓展性。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (5)

1.一种脉冲宽度调制的直流-直流转换器，其特征在于，包括：
功率级电路，用于将输入直流电压转换为负载所需的稳定直流电压，其中，当所述转换器的负载发生瞬态跳变时，所述功率级电路的输出直流电压会发生变化；
瞬态增强逻辑电路，用于在具有固定频率的脉冲宽度调制信号内插入与所述输出直流电压变化幅度有关的占空比扩展信号，以实现任意时刻的快速负载瞬态响应；所述瞬态增强逻辑电路包括：
误差放大器，用于比较所述输出直流电压和第一参考电压，得到误差信号；
第一比较器，用于比较所述误差信号和第二参考电压，得到第一比较信号；
第二比较器，用于比较所述误差信号和周期斜波信号，产生第二比较信号，所述周期斜波信号与周期脉冲信号的周期相同；
逻辑处理模块，用于输出所述脉冲宽度调制信号，当所述误差信号大于第二参考电压时，生成相应的占空比扩展信号，并将所述占空比扩展信号加入所述脉冲宽度调制信号中输出。
2.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述占空比扩展信号的时长宽度与所述误差信号大于第二参考电压的时长相同。
3.一种脉冲宽度调制直流-直流转换器的控制方法，其特征在于，包括：
比较负载瞬态响应直流-直流转换器输出直流电压与第一参考电压，得到误差信号，以表示所述输出直流电压的变化幅度；
当所述误差信号超过第二参考电压时，产生与所述直流电压变化幅度有关的占空比扩展信号；
比较所述误差信号和一周期斜波信号，产生第二比较信号；
将所述占空比扩展信号和所述第二比较信号输入逻辑处理模块中，产生与所述占空比扩展信号对应的脉冲宽度调制信号，以实现任意时刻的快速负载瞬态响应；
所述周期斜波信号与所述脉冲宽度调制信号周期的相同，当所述脉冲宽度调制信号不包括所述占空比扩展信号时，所述逻辑处理模块周期性产生脉冲宽度调制信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述误差信号超过第二参考电压时，产生与所述输出直流电压变化幅度有关的占空比扩展信号包括：
当所述误差信号大于第二参考电压时，生成占空比扩展信号，所述占空比扩展信号的时长宽度与所述误差信号大于第二参考电压的时长相同；
将所述占空比扩展信号加入周期脉冲宽度调制信号中输出。
5.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1~2任意一项所述的脉冲宽度调制的直流-直流转换器。
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