CN116430940A - 稳压器的反馈电路及适用于稳压器的反馈控制方法 - Google Patents

稳压器的反馈电路及适用于稳压器的反馈控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供稳压器的反馈电路及适用于稳压器的反馈控制方法，可提供改进的AVP性能。在一个实施例中，本发明提供的稳压器的反馈电路，可包括：第一感测电路，被布置为产生第一反馈信号，该第一反馈信号用于提供该稳压器的一电感器的电感器电流的信息；第二感测电路，被布置为产生第二反馈信号，该第二反馈信号用于提供该稳压器的一输出电压的信息；第三感测电路，被布置为产生第三反馈信号，该第三反馈信号用于提供该稳压器的一输出电容器的电容器电流的信息；以及处理电路，被布置为根据该第一反馈信号、该第二反馈信号和该第三反馈信号产生控制电压信号，并将该控制电压信号输出至该稳压器的一控制器电路，以用于调节该稳压器的该输出电压。

Description

稳压器的反馈电路及适用于稳压器的反馈控制方法
技术领域
本发明涉及稳压器(voltage regulator)设计，更具体地，涉及稳压器的反馈电路和相关反馈控制方法。
背景技术
在电子设备中，稳压器用于为电子负载提供稳定的电源。稳压器通常设计为将输出电压保持在指定范围内。在某些应用(application)中，稳压器可能支持自适应电压定位(Adaptive Voltage Positioning，AVP)功能。因此，除了稳压器的输出电压之外，在反馈回路控制中可以考虑提供给负载的负载电流。例如，负载可以是微处理器。然而，感测负载电流可能不可行。为了获得负载信息，电感器电流通常被感测并用作负载电流的近似值。在某些情况下，这种近似会失败并影响输出电压调节的性能。因此，需要为具有AVP的稳压器提供创新的补偿设计。
发明内容
本发明提供稳压器的反馈电路及适用于稳压器的反馈控制方法，可提供改进的AVP性能。
在一个实施例中，本发明提供的稳压器的反馈电路，可包括：第一感测电路，被布置为产生第一反馈信号，该第一反馈信号用于提供该稳压器的一电感器的电感器电流的信息；第二感测电路，被布置为产生第二反馈信号，该第二反馈信号用于提供该稳压器的一输出电压的信息；第三感测电路，被布置为产生第三反馈信号，该第三反馈信号用于提供该稳压器的一输出电容器的电容器电流的信息；以及处理电路，被布置为根据该第一反馈信号、该第二反馈信号和该第三反馈信号产生控制电压信号，并将该控制电压信号输出至该稳压器的一控制器电路，以用于调节该稳压器的该输出电压。
在一个实施例中，本发明提供的稳压器的反馈控制方法，包括：产生第一反馈信号，该第一反馈信号用于提供该稳压器的一电感器的电感器电流的信息；产生第二反馈信号，该第二反馈信号用于提供该稳压器的一输出电压的信息；产生第三反馈信号，该第三反馈信号用于提供该稳压器的一输出电容器的电容器电流的信息；根据该第一反馈信号、该第二反馈信号和该第三反馈信号产生控制电压信号；以及将该控制电压信号输出至该稳压器的一控制器电路，以用于调节该稳压器的该输出电压。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的具有自适应电压定位(AVP)的稳压器的反馈电路的示意图。
图2为根据本发明的一个实施例的具有AVP的稳压器的示意图。
具体实施方式
在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”及“包括”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大体上”或“大约”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”或“耦合”一词在此包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接在一第二装置，则代表该第一装置可直接电性连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电性连接至该第二装置。以下所述为实施本发明的较佳方式，目的在于说明本发明的精神而非用以限定本发明的保护范围，本发明的保护范围当视之后附的权利要求书所界定者为准。
下面的描述为本发明预期的最优实施例。这些描述用于阐述本发明的大致原则而不应用于限制本发明。本发明的保护范围应在参考本发明的权利要求书的基础上进行认定。
图1为根据本发明的一个实施例的具有自适应电压定位(AVP)的稳压器的反馈电路的示意图。反馈电路100包括第一感测电路102、第二感测电路104、第三感测电路106及处理电路108。第一感测电路102被布置为产生第一反馈信号FB1，第一反馈信号FB1用于提供稳压器(例如开关降压转换器)的电感器L的电感器电流IL的信息。第二感测电路104被布置为产生第二反馈信号FB2，第二反馈信号FB2用于提供稳压器的输出电压Vo的信息。第三感测电路106被布置为产生第三反馈信号FB3，第三反馈信号FB3用于提供稳压器的输出电容器Co的电容器电流Ic的信息。处理电路108被布置为根据第一反馈信号FB1、第二反馈信号FB2和第三反馈信号FB3产生控制电压信号Vc，并将控制电压信号Vc输出至稳压器的控制器电路，以用于调节稳压器的输出电压Vo。在该实施例中，第三感测电路106作为补偿电路，用以补偿电感器电流IL的偏差(deviation)。作为举例，第三感测电路106充当补偿电路以补偿由动态电压缩放(Dynamic Voltage Scaling，DVS)事件(例如DVS上升事件(up event)或DVS下降事件(down event))导致的电感器电流IL的偏差。DVS上升事件是将输出电压Vo从当前电压设置改变为下一电压设置，其中下一电压设置高于当前电压设置。DVS下降事件是将输出电压Vo从当前电压设置改变为下一电压设置，其中下一电压设置低于当前电压设置。
如图1所示，电感器L的平均电感器电流ave(IL)等于输出电容器Co的平均电容器电流ave(Ic)与负载101的平均负载电流ave(Io)之和(即ave(IL)＝ave(Io)+ave(Ic))。在稳定状态下，由于ave(Ic)＝0，平均电感器电流ave(IL)等于平均负载电流ave(Io)。电感器电流IL可被检测为负载电流Io的近似值。因此，第一感测电路102根据用于提供电感器电流IL的信息的感测电流信号产生第一反馈信号FB1，并将第一反馈信号FB1输出至处理电路108。然而，上述的近似在某些情况下失败。如果不对基于电感器电流IL的不准确的负载电流近似进行补偿，稳压器的AVP性能将下降。
例如，假设所提出的补偿电路(即，第三感测电路106)未启用，输出电压Vo的偏差可能由DVS上升事件引起。DVS上升事件是将输出电压Vo从当前电压设置改变为下一电压设置，其中下一电压设置高于当前电压设置。因此，电感器电流IL的增加用于对输出电容器Co进行充电，使得输出电压Vo可以相应地上升。具体地，输出电容器Co的电容器电流Ic为非零充电电流，额外的充电电流将被视为AVP回路中电感器电流IL的增加。结果，输出电压Vo具有不期望的偏移ΔV＝ΔIL×Ri，其中Ri是第一感测电路102的电阻值。具体地，由于在DVS上升事件期间电感器电流IL不能近似于负载电流Io，输出电压Vo被AVP回路错误地调整到更低的电压水平。
在另一个示例中，假设所提出的补偿电路(即，第三感测电路106)未启用，输出电压Vo的偏差可能由DVS下降事件引起。DVS下降事件是将输出电压Vo从当前电压设置改变为下一电压设置，其中下一电压设置低于当前电压设置。因此，电感器电流IL的减小用于对输出电容器Co进行放电，使得输出电压Vo可以相应地斜坡下降。具体地，输出电容器Co的电容器电流Ic为非零放电电流，额外的放电电流将被视为AVP回路中电感器电流IL的减小。结果，输出电压Vo具有不期望的偏移ΔV＝ΔIL×Ri，其中Ri是第一感测电路102的电阻值。具体地，由于在DVS下降事件期间电感器电流IL不能近似于负载电流Io，输出电压Vo被AVP回路错误地调整到更高的电压水平。
针对上述问题，本发明提出使用补偿电路(即第三感测电路106)来产生第三反馈信号FB3，其提供输出电容器Co的电容器电流Ic的信息。第三反馈信号FB3来自输出电容器电流感测并可以作为补偿信号来补偿由DVS事件(例如，DVS上升事件或DVS下降事件)引起的电感器电流IL的偏差。因此，补偿电路(即，第三感测电路106)可以响应于DVS事件而被启用以产生第三反馈信号FB3。第一反馈信号FB1在DVS上升事件期间的增加可以由通过感测非零充电电流Ic获得的第三反馈信号FB3补偿。第一反馈信号FB1在DVS下降事件期间的减小可以由通过感测非零放电电流Ic获得第三反馈信号FB3补偿。
图2为根据本发明的一个实施例的具有AVP的稳压器的示意图。稳压器200可以是具有AVP的开关降压转换器。稳压器200能够根据输入电压VIN来调节提供给负载101的输出电压Vo。例如，输入电压VIN可以是电池装置提供的直流(DC)电压，负载101可以是微处理器，输出电压Vo可以是提供给微处理器的直流电压。需注意的是，提供至负载101的负载电流Io可因应负载101的不同负载情况而有所不同。如图2所示，稳压器200可以包括控制器电路202、功率级电路204、电感器L、输出电容器Co和反馈电路206。反馈电路206被设计为在DVS期间为稳压器200提供改进的AVP性能。
控制器电路202可以包括比较器电路(标记为“CMP”)208以及逻辑和门驱动器块210。在该实施例中，馈入比较器电路208的控制电压信号Vc从反馈电路206输出，反馈电路206是用于调节输出电压Vo的AVP回路的一部分。如图2所示，比较器电路208具有用于接收斜坡信号Vramp的反相节点(-)和用于接收控制电压信号Vc的同相节点(+)。因此，比较器电路208将控制电压信号Vc与斜坡信号Vramp进行比较，产生比较结果以用于后续的脉宽调变(Pulse-Width Modulation，PWM)控制。逻辑和门驱动器块210包括被布置为处理功率级电路204的PWM控制和/或附加功能的电路。例如，逻辑和门驱动器块210还可以支持过电压保护、过电流保护等。关于PWM控制，逻辑和门驱动器块210可以通过控制应用于功率级电路204的PWM脉冲来调节传递给负载101的输出电压信号Vo。作为举例，功率级电路204可以包括由逻辑和门驱动器块210产生的PWM脉冲控制的高侧开关和低侧开关。
反馈电路206负责产生控制电压信号Vc并将控制电压信号Vc输出至控制器电路202(具体地，控制器电路202的比较器电路208)。在该实施例中，反馈电路206启用稳压器200的AVP特征，从而允许稳压器200将用于轻负载(light load)的输出电压Vo定位在刚好低于容差窗口(tolerance window)的最大电压并且将用于重负载(heavy load)的输出电压Vo定位在刚好高于容差窗口的最小电压。因此，具有AVP的稳压器200可以减小输出电容器Co(例如，减少输出电容器Co的电容值)并提高电源效率。
在该实施例中，反馈电路206的实现遵循图1中所示的反馈电路100的架构。反馈电路206包括具有电阻值Ri以产生第一反馈信号FB1(提供电感器电流IL的信息)的第一感测电路、用于产生第二反馈信号FB2(提供输出电压Vo的信息)第二感测电路、用于提供第三反馈信号FB3(提供电容器电流Ic的信息)第三感测电路，以及用于根据第一反馈信号FB1、第二反馈信号FB2和第三反馈信号FB3产生控制电压信号Vc的处理电路(包括组合(combine)电路212和误差放大器电路214)。
在该实施例中，第三感测电路包括电流感测电阻器Rsen以及开关电路SW。电流感测电阻器Rsen与输出电容器Co(具有等效串联电阻ESR)串联。开关电路SW耦接于组合电路212与电流感测电阻器Rsen之间，并响应于DVS事件(标记为“DVS”)而导通。具体地，在DVS事件(例如DVS上升事件或DVS下降事件)期间，组合电路212接收到的第三反馈信号FB3由耦接开关电路SW的电流感测电阻器Rsen的一端的电压来设置。由于电流感测电阻器Rsen的另一端耦接接地电压(例如0V)，因此电流感测电阻器Rsen的一端的电压等于跨越电流感测电阻器Rsen两端的电压。然而，使用与地串联的电流感测电阻器Rsen仅用于说明目的，本发明不限于此。实际上，反馈电路206可以采用任何能够测量或估计输出电容器Co的电容器电流Ic的方式。这些替代的电容器电流感测设计均落入本发明的范围内。
组合电路212用于组合第一反馈信号FB1、第二反馈信号FB2和第三反馈信号FB3以产生反馈电压信号VFB。在该实施例中，组合电路212被布置为将第一反馈信号FB1加到第二反馈信号FB2中以用于典型的AVP控制，并且还被布置为从第二反馈信号FB2中减去第三反馈信号FB3以用于建议的AVP补偿，由此产生反馈电压信号VFB。由于第一反馈信号FB1的偏差(反映DVS期间电感器电流IL的偏差)可由第三反馈信号FB3补偿，因此反馈电压信号VFB不会受到DVS期间的电感器电流IL偏差的影响。因此，在DVS事件期间(例如，DVS上升事件或DVS下降事件)，反馈电压信号VFB由FB2+FB1–FB3设置。误差放大电路214被布置为接收反馈电压信号VFB与参考电压信号VREF(由DVS设定)，并根据在误差放大电路214的反相节点(-)接收到的反馈电压信号VFB与在误差放大电路214的同相节点(+)接收的参考电压信号VREF之间的电压差产生控制电压信号Vc。由于第三反馈信号FB3防止反馈电压信号VFB受电感器电流IL的偏差的影响，输出电压Vo在DVS期间可能不会遭受不希望的偏移ΔV＝ΔIL×Ri。
对于典型的AVP实现，反馈电压信号VFB根据输出电压和感测的电感器电流产生。一种补偿设计可以施加根据输出电容器Co的常规电容值(nominal capacitance value)预先定义的恒定电流，以补偿DVS期间的反馈电压信号VFB。然而，由于输出电容器Co存在变异、电压降额、温度系数等因素，输出电容器Co的实际电容值可能会与常规电容值存在偏差。因此，基于恒定电流的补偿设计无法涵盖输出电容器Co的所有条件，并且输出电压Vo在DVS期间仍可能遭受不希望的偏移ΔV＝ΔIL×Ri。与在DVS期间使用恒定电流补偿反馈电压信号VFB的补偿设计相比，所提出的补偿设计在DVS期间使用对输出电容器电流的感测来补偿反馈电压信号VFB。由于第三反馈信号FB3是通过感测输出电容器Co的电容器电流Ic而获得，因此第三反馈信号FB3提供电容器电流Ic的实时信息，而不用考虑输出电容器Co的实际电容值。因此，第三反馈信号FB3可以覆盖输出电容器Co的所有条件，并且最小化DVS期间输出电压Vo的非期望偏移ΔV＝ΔIL×Ri。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (12)

1.一种稳压器的反馈电路，其特征在于，包括：
第一感测电路，被布置为产生第一反馈信号，该第一反馈信号用于提供该稳压器的一电感器的电感器电流的信息；
第二感测电路，被布置为产生第二反馈信号，该第二反馈信号用于提供该稳压器的一输出电压的信息；
第三感测电路，被布置为产生第三反馈信号，该第三反馈信号用于提供该稳压器的一输出电容器的电容器电流的信息；以及
处理电路，被布置为根据该第一反馈信号、该第二反馈信号和该第三反馈信号产生控制电压信号，并将该控制电压信号输出至该稳压器的一控制器电路，以用于调节该稳压器的该输出电压。
2.如权利要求1所述的反馈电路，其特征在于，该处理电路包括：
组合电路，被布置为组合该第一反馈信号、该第二反馈信号和该第三反馈信号以产生反馈电压信号；以及
误差放大器电路，被布置为接收该反馈电压信号与参考电压信号，并根据该反馈电压信号与该参考电压信号之间的电压差产生该控制电压信号。
3.如权利要求2所述的反馈电路，其特征在于，该组合电路被布置为将该第一反馈信号加到第二反馈信号中并且从相加的结果中减去该第三反馈信号，以产生该反馈电压信号。
4.如权利要求1所述的反馈电路，其特征在于，该第三感测电路被布置为响应于动态电压缩放事件而产生该第三反馈信号。
5.如权利要求1所述的反馈电路，其特征在于，该第三感测电路包括：
电流感测电阻器，与该输出电容器串联。
6.如权利要求5所述的反馈电路，其特征在于，该第三感测电路进一步包括：
开关电路，耦接于该处理电路与该电流感测电阻器之间，其中该开关电路响应于动态电压缩放事件而导通。
7.一种适用于稳压器的反馈控制方法，其特征在于，包括：
产生第一反馈信号，该第一反馈信号用于提供该稳压器的一电感器的电感器电流的信息；
产生第二反馈信号，该第二反馈信号用于提供该稳压器的一输出电压的信息；
产生第三反馈信号，该第三反馈信号用于提供该稳压器的一输出电容器的电容器电流的信息；
根据该第一反馈信号、该第二反馈信号和该第三反馈信号产生控制电压信号；以及
将该控制电压信号输出至该稳压器的一控制器电路，以用于调节该稳压器的该输出电压。
8.如权利要求7所述的反馈控制方法，其特征在于，根据该第一反馈信号、该第二反馈信号和该第三反馈信号产生控制电压信号包括：
组合该第一反馈信号、该第二反馈信号和该第三反馈信号以产生反馈电压信号；以及
根据该反馈电压信号与参考电压信号之间的电压差产生该控制电压信号。
9.如权利要求8所述的反馈控制方法，其特征在于，组合该第一反馈信号、该第二反馈信号和该第三反馈信号以产生反馈电压信号包括：
将该第一反馈信号加到第二反馈信号中并且从相加的结果中减去该第三反馈信号，以产生该反馈电压信号。
10.如权利要求7所述的反馈控制方法，其特征在于，产生第三反馈信号包括：
响应于动态电压缩放事件而产生该第三反馈信号。
11.如权利要求7所述的反馈控制方法，其特征在于，产生第三反馈信号包括：
通过与该输出电容器串联的电流感测电阻器来设置该第三反馈信号。
12.如权利要求11所述的反馈控制方法，其特征在于，产生第三反馈信号进一步包括：
响应于动态电压缩放事件而导通一开关电路，其中该第三反馈信号由耦接该开关电路的该电流感测电阻器的一端的电压来设置。
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