CN1747299A - 差动电源控制器及其方法 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，电源控制器的误差放大器形成差动误差信号，该差动误差信号被用来设置电源开关的有效和无效状态。

Description

差动电源控制器及其方法

技术领域

总的来说，本发明涉及电子，更特别是涉及半导体器件和半导体结构的制造方法。

背景技术

过去，半导体工业使用各种方法和电路制造开关电源控制器。在一些情况下，为了形成可以改变功率晶体管占空比的驱动信号，开关电源控制器利用三种不同的恒频调制技术中的一种，其中功率晶体管用于将电流切到负载上。一种被称作上升沿调制的调制技术，这种技术采用单倾斜下降沿斜坡信号来改变占空比。另一种被称为后沿调制技术，这种技术采用单倾斜上升沿斜坡信号来改变占空比。第三种调制技术被称为双边调制，该技术需要产生具有倾斜的上升沿和下降沿的双斜率斜坡信号。2002年1月29日授予John等人的美国专利号为6,342,822的申请公开了这种采用双斜坡调制技术的一个实施例，其在本文中引为参考。

采用双斜坡调制技术的一个问题是产生倾斜的上升沿和下降沿。产生上升沿和下降沿需要复杂的电路，这就增加了双斜坡调制电路的成本。此外，为了防止在一个时钟周期内产生多个驱动信号脉冲，双斜坡调制技术需要额外的逻辑电路。这些额外的逻辑电路也增加了复杂性和成本。

因此，需要一种调制方法，该方法由一个周期信号确定其工作速度，并且该方法不需要使用双倾斜沿斜坡信号、减少了控制逻辑的数量、并且降低了成本。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明的电源系统的一部分的实施方式；

图2是一曲线图，其给出了根据本发明的如图1所示电源控制器内部的一些信号；

图3示意性示出了一个误差放大器的部分实施方式，该误差放大器在根据本发明的图1中示出；

图4示意性示出了一个半导体模的平面放大图，该半导体模包含根据本发明的图1的电源系统的一部分。

为了使说明简化、清晰，图中的元件没有按照一定比例，并且在不同的图中，相同的附图标记表示同一元件。此外，为了简化说明，这里省略了公知的步骤以及元件的描述和细节。这里使用的载流电极表示一种器件的电极，该电极运载电流通过器件，例如MOS晶体管的源极和漏极，或者双极晶体管的发射极或者集电极，控制极表示器件的电极，其控制通过器件的电流，例如MOS晶体管的栅极或者双极晶体管的基极。尽管这里被说明的器件是特定的N沟道或者P沟道器件，但是对于本领域的普通人员可以理解的是，依照本发明的互补器件也是可行的。

具体实施方式

图1示意性示出了具有电源控制器25的电源控制系统10的部分实施方式，该电源控制器25可以配置成以低成本实现双边调制技术的结构。为了有助于实现双边调制技术，控制器25也可以配置成产生不同差动误差信号的结构，这些差动误差信号相位不同，并且用来控制开关控制信号的有效状态和无效状态，例如脉宽调制(PWM)控制信号。

系统10接收电源输入端11和电源返回端12之间的电能，并在输出电压端13和输出公共端14之间产生输出电压。系统10通常包括回扫二极管21、储能电容器17、分压器18和与电源开关连接的电感器16，电源开关如功率晶体管22。分压器18通常被连接以形成反馈信号(FB)，其表征端子13和14之间的输出电压。这种分压器和反馈信号(FB)对本领域技术人员来说是公知的。示出电感器16、电容器17、分压器18、晶体管22和二极管21用于帮助说明控制器25。晶体管22、分压器18和二极管21通常位于控制器25外部，但是在某些系统中，晶体管22、分压器18和二极管21中的一个或者某些或者全部可以设置在控制器25中。

控制器25接收电源输入端26和电源返回端27之间的电能。输入端26一般与输入端11连接，返回端27一般与返回端12连接。控制器25通常包括反馈输入端33和与晶体管22连接的脉宽调制(PWM)驱动输出端47，其中连接反馈输入端33是用于接收反馈信号(FB)的。控制器25还包括晶体管驱动器46、参考信号发生器或参考29、时钟发生器或时钟30、斜坡发生器或斜坡电路32、脉宽调制(PWM)控制器40和差动误差放大器35。通常，控制器25也包括内部调节器28，其可以被连接以形成内部工作电压，该电压用于使控制器25内的部件工作，这些部件包括PWM控制器40、参考29和放大器35。为了接收输入电能调节器28连接在输入端26和返回端27之间。参考29配置成可以在参考29的输出端产生稳定的参考电压。时钟30产生自由运行的时钟信号(CLK)，其用于控制控制器40的工作速度。为了使由斜坡32产生的斜坡信号的无效时间最小化，这个自由运行时钟信号(CLK)通常具有很低的占空比。典型的，该占空比低于百分之十(10％)，优选低于百分之五(5％)。斜坡32利用CLK产生单倾斜斜坡信号(Ramp)，其具有倾斜的上升沿和基本上不倾斜的下降沿。正如本领域所熟知的，斜坡信号(Ramp)的下降沿不是完美垂直的但是需要花很短的时间转变到零，然而，转变到零的时间量明显少于斜坡信号(Ramp)倾斜上升沿的时间，优选少于上升沿的时间大于百分之九十(90％)，其中这种单倾斜上升沿斜坡信号对本领域的技术人员来说是熟知的。斜坡32利用CLK的上升沿来形成斜坡信号(Ramp)大体不倾斜的下降沿，利用CLK的下降沿来启动产生该倾斜上升沿。这种斜坡信号发生器对本领域的技术人员来说是熟知的。差动误差放大器35具有非反相输入端41、反相输入端42、非反相输出端63和反相输出端62。差动放大器35可以配置成在输入端41接收参考29输出端输出的参考电压并且在输入端42接收来自输入端33的反馈信号，进而形成差动误差信号，该信号包括输出端62上的导通误差信号和输出端63上的关断误差信号。放大器35配置成这样的结构，相对于放大器35的共模电压形成具有第一极性的导通状态误差信号，相对于该共模电压形成具有第二极性的关断状态误差信号。导通状态和关断状态误差信号的极性相对于该共模电压彼此是相反的。下文中，将这种情形称为两个异相信号。典型的，导通状态和关断状态误差信号的增益的大小大体是相同的，但是在某些实施例中这个增益可以是不同的。本领域的技术人员应该可以理解，由于元件误差和其它变化，很难形成精确的一百八十度异相的信号，因此导通状态和关断状态误差信号可以变化，变化量约等于准确的一百八十度加上或减去百分之十，但是仍然认为它呈一百八十度的异相关系。由于放大器35是具有差动输出端的差动放大器，所以导通和关断状态误差信号响应于参考电压和FB信号的值在放大器35的共模电压范围内变化。该共模电压值通常是斜坡信号(Ramp)最大值和最小值之间的某一点，优选约等于Ramp值的平均值。本领域的技术人员可以认识到，放大器35通常包括频率补偿网络，为了能解释清楚在图1中没有示出。通常，该频率补偿网络连接在输入端42和输出端63之间。

PWM控制器40配置成接收来自放大器35的导通状态误差信号并相应地形成PWM控制信号(PWM)的有效状态，也可接收来自放大器35的关断状态误差信号并相应地形成PWM的无效状态，因此在输出端47上形成相应的PWM驱动信号的有效和无效状态，以及晶体管22的有效和无效状态。控制器40包括导通状态比较器36、关断状态比较器37、导通状态锁存器38、关断状态锁存器39、NOR门43和OR门44。锁存器38和39主要进行复位。

图2是曲线图，其中曲线示出了控制器25的部分工作期间控制器25内部的一些信号。横坐标表示时间，纵坐标表示各种信号的大小。这部分说明参考的是图1和图2。曲线60表示CLK，曲线61表示Ramp，曲线72表示输出端62处的导通状态误差信号，曲线73表示输出端63处的关断状态误差信号，曲线65表示比较器36的输出，曲线66表示锁存器38的 Q输出，曲线68是比较器39的输出，曲线69表示锁存器39的Q输出，曲线70表示门43的输出端处的PWM控制信号(PWM)。值得注意的是，曲线72和73示出了对应于反馈(FB)信号给定值导通状态和关断状态误差信号的相对值。虽然为了使附图清楚图2中没有示出，但是当FB值变化时，曲线72和73与曲线61交叉点处的值会相应地变化。例如，如果反馈电压值增加，那么导通状态误差信号的值增加并且关断状态误差信号的值降低。在时间T0时，CLK的下降沿触发斜坡电路32以在斜坡电路32的输出端产生Ramp的倾斜上升沿，如曲线61所示。在时间T1时，Ramp的值近似等于输出端62的导通状态误差信号值，这使比较器36的输出为高电平，如曲线65所示。由于CLK为低电平，该高电平置位锁存器38使 Q输出为低电平、PWM为高电平，分别如曲线66和70所示。比较器36的输出端保持高电平，直到Ramp的值降到低于输出端62处的导通状态误差信号值时或者直到反馈电压值改变使得导通状态误差信号值升高到高于Ramp值时为止。在时间T2，Ramp变为近似等于输出端63处的关断状态误差信号，这使比较器37的输出为高电平，如曲线68所示。比较器37输出端的高电平置位锁存器39使Q输出为高电平、PWM为低电平，分别如曲线69和70所示。锁存器39的Q输出端的高电平由门44接收，这使锁存器38的复位输入端为高电平，从而使锁存器38复位， Q为输出端高电平。当锁存器39置位时，保持复位输入端为高电平，这也可以保证锁存器38不会被置位。当锁存器39置位时，将锁存器38复位可以防止锁存器38和锁存器39同时复位，否则会因为竞争条件产生一个不期望的PWM脉冲。在Ramp的值减少到低于输出端63上的关断状态误差信号值之前，或者反馈电压值变化使得关断状态误差信号值增加到大于Ramp的值之前，比较器37的输出一直保持为高电平。在时间T3，CLK变为高电平，复位斜坡电路32，以使Ramp为低电平并准备产生斜坡信号(Ramp)的另一个倾斜上升沿。CLK变为高电平，使锁存器39复位，同时通过门44使锁存器38复位。在需要占空比小于100％的情况下，如果ramp61一定不会超过关断状态误差信号时，这可以保证锁存器39复位。如果允许占空比为100％，那么锁存器39的输出端Q可以不通过门44连接到锁存器38的复位端。复位锁存器38可以使输出端 Q为高电平，通过门43可使PWM为低电平。CLK每次变为高电平并且然后变成低电平时，都会重复这一循环。本领域的技术人员会意识到：可以使Ramp的斜率正比于输入电压值。我们常将这种配置称为前馈，它可以保持从参考29到输出电压这一路径的增益恒定。

为了提供上文中描述的功能，调节器28有一个与输入端26连接的输入端和一个与返回端27连接的公共端。输入端33与放大器35的输入端42相连。参考29的输出端与放大器35的输入端41相连。放大器35的输出端62与比较器36的反相输入端连接，放大器35的输出端63与放大器37的反相输入端连接。斜坡电路32的输出端与比较器36和37的非反相输入端共同连接。比较器36的输出端与锁存器38的置位输入端相连，该锁存器具有与门43的第一输入端连接的输出端Q。比较器37的输出端与锁存器39的置位输入端连接，其中锁存器39具有与门43的第二输入端以及门44的第一输入端共同连接的输出端Q。时钟30的输出端与门44的第二输入端、斜坡32的输入端以及锁存器39的复位输入端共同连接。门44的输出端与锁存器38的复位输入端连接。门43的输出端与驱动器46的输入端连接，该驱动器具有与控制器25的输出端47连接的输出端。

图3示意性示出了图1说明中所述放大器35结构的一个典型实施方式的一部分。在该典型的实施方式中，放大器35包括第一运算放大器75，这里将第一运算放大器75设置成从参考电压的值减去FB的值，然后对所得的信号进行放大，以在输出端63形成导通状态误差信号。放大器75的增益由电阻器76、77、78以及79的阻值大小决定。在优选实施方式中，电阻器76和78的阻值相同，电阻器77和79的阻值相同。第二运算放大器81接收放大器75的输出，将该输出反相以形成关断状态误差信号。为了形成差动输出信号，放大器81的增益典型选择为1。偏置电路85为放大器35的输出端提供共模电压值。偏置电路85包括一个滤波器，该滤波器斜坡信号(Ramp)的值平均，并将Ramp的平均值用作共模电压。滤波器由电阻器87和电容器88组成，缓冲器86对滤波器形成的平均信号进行缓冲，防止电阻器78和79组成的输入网络的影响。

为了促进放大器35的功能，电阻器76的第一端与输入端42相连，第二端与放大器75的反相输入端相连，同时与电阻器77的第一端相连。电阻器77的第二端与放大器75的输出端、输出端63和电阻器82的第一端共同相连。电阻器82的第二输出端与放大器81的反相输入端连接，并与电阻器83的第一端连接。电阻器83的第二端与输出端62相连并与放大器81的输出端连接。电阻器78的第一端与输出端41相连，其第二端与放大器75的非反相相输入端以及电阻器79的第一端相连。电阻器79的第二端与缓冲器86的输出端以及放大器81的非反相输入端共同连接。缓冲器86的输入端与电阻器87的第一端以及电容器88的第一端共同连接。电容器88的第二端与返回端27相连，电阻器87的第二端与斜坡电路32的输出端连接。

本领域的技术人员都了解，图3中解释说明的示意性实施例仅仅是构成放大器35的一种实施方式，其还可以采用其他实施方式。具有共模反馈电路的被称作差动输出运算放大器的另一个实施方式在书“CMOS Circuit Design，Layout，and Simulation”，RJacob Baker，Harry W.Li和David E.Boyce著，IEEE发表1998年第664-674页中有描述。

图4示意性示出了半导体器件95的部分实施方式的放大平面图，该器件形成在半导体模96上。控制器25形成在模96上。模96也可包括在图4中未示出的其它电路，这是为了使附图简单。控制器25和器件95通过本领域技术人员熟知的半导体制造技术形成在模96上。

参看上面全部说明，显然公开了一种新颖的装置和方法。其它特征中，包括形成一种差动误差信号，该信号具有带有第一相的第一误差信号和带有与第一误差信号不同相的第二误差信号。作为反馈电压值的功能，这两个误差信号的作用是控制电源的有效和无效状态。这种操作可使其能具有更快响应电源转换器工作情况的优势，否则需要在转换器内存储更多的电能，这将使存储器的尺寸更大、成本更高。因此，产生两个误差信号可以使电路最小化，并降低电源控制器的本。

尽管本发明描述了具体的优选实施例，显然，一些替换和变化对半导体领域的技术人员来讲是很明显的。例如，示出了差动放大器的实现，但是差动放大器可以有各种其它的结构，只要其可以产生两个误差信号即可。尽管这里示出了具有倾斜上升沿的斜坡信号，但是，如果交换比较器的反相和非反相输入端，并调整斜坡电路使其正确地被时钟控制，那么也可以使用倾斜下降沿斜坡信号代替倾斜上升沿斜坡信号。此外，为了使描述清晰，我们在全文中使用了“连接(connected)”，然而，“耦合(coupled)”具有相同的意思。因此，“连接(connected)”应该被认为其既包括具有直接连接的含义也有间接连接的含义。例如，晶体管22的栅极与PWM信号通过驱动器46耦合或间接连接。

Claims (20)

1、一种形成电源控制器的方法，包括：

该电源控制器配置成接收表示输出电压的反馈信号；

连接误差放大器以接收该反馈信号和参考信号，并相应地形成具有第一误差信号和第二误差信号的差动误差信号，其中该第一误差信号具有表示该参考信号和该反馈信号之间的差的第一相位，第二误差信号与第一误差信号异相大约一百八十度。

该电源控制器配置成响应于该第一误差信号形成PWM控制信号的有效状态；

该电源控制器配置成响应于该第二误差信号形成PWM控制信号的无效状态。

2、根据权利要求1的方法，其中该电源控制器配置成响应于该第一误差信号形成PWM控制信号的有效状态包括连接第一PWM比较器以接收该第一误差信号和斜坡信号，并相应地触发该PWM控制信号的有效状态。

3、根据权利要求2的方法，其中连接该第一PWM比较器以接收该第一误差信号和该斜坡信号并相应地触发该PWM控制信号的有效状态包括该电源控制器配置成存储该比较器的状态并利用所存储的状态来触发该PWM控制信号的有效状态。

4、根据权利要求2的方法，其中该电源控制器配置成响应于该第二误差信号形成PWM控制信号的无效状态包括连接第二PWM比较器以接收该第二误差信号和该斜坡信号，并相应地触发该PWM控制信号的无效状态。

5、根据权利要求1的方法，其中连接该误差放大器以接收该反馈信号和该参考信号包括连接具有差动输出端的差动放大器来接收具有单倾斜沿的斜坡信号。

6、根据权利要求1的方法，其中该电源控制器配置成形成该PWM控制信号的无效状态包括将该电源控制器配置成在无效状态期间利用该无效状态来阻止形成该有效状态。

7、根据权利要求6的方法，其中该电源控制器配置成在无效状态期间利用该无效状态来阻止形成有效状态包括将该电源控制器配置成存储该无效状态并利用所存储的无效状态来阻止形成有效状态。

8、一种电源控制方法，包括：

产生表示电源输出电压的反馈信号；

产生具有第一误差信号和第二误差信号的差动误差信号，其中该第一误差信号具有表示参考信号和该反馈信号之间的差的第一极性，该第二误差信号与该第一误差信号异相；

利用该第一误差信号来形成PWM控制信号的有效状态；

利用该第二误差信号来形成PWM控制信号的无效状态。

9、根据权利要求8的方法，其中利用该第一误差信号来形成该PWM控制信号的有效状态包括将该第一误差信号与可变参考信号进行比较，并利用这个比较的结果来形成该PWM控制信号的有效状态。

10、根据权利要求8的方法，还包括在该第一误差信号的至少一个有效状态期间，保持PWM控制信号的无效状态。

11、根据权利要求8的方法，其中产生该差动误差信号包括利用差动放大器来产生该差动误差信号。

12、根据权利要求8的方法，其中利用该第一误差信号来形成该PWM控制信号的有效状态包括将该第一误差信号与单倾斜斜坡信号进行比较。

13、根据权利要求8的方法，其中利用该第二误差信号来形成该PWM控制信号的无效状态包括将该第二误差信号的有效状态存储在第一存储器中，并利用所存储的有效状态来保持该PWM控制信号的无效状态。

14、根据权利要求8的方法，其中产生具有第一误差信号和第二误差信号的相差误差信号包括产生的第二误差信号与第一误差信号异相大约一百八十度，其中该第一误差信号具有表示该参考信号和该反馈信号之间差值的第一极性，该第二误差信号与该第一误差信号相位不同。

15、一种电源控制器，包括：

误差放大器，被连接成接收反馈信号和参考信号并相应地形成具有第一误差信号和第二误差信号的差动误差信号；

第一PWM比较器，被连接成接收该第一误差信号并相对应地触发PWM控制信号的有效状态；

第二PWM比较器，被连接成接收该第二误差信号并相应地触发该PWM控制信号的无效状态；

16、根据权利要求15的电源控制器，其中该误差放大器是具有第一差动输出端和第二差动输出端的差动放大器，其中该第一差动输出端配置成产生具有第一相位的第一误差信号，该第二差动输出端配置成产生第二误差信号，其具有与第一相位不同的第二相位。

17、根据权利要求16的电源控制器，其中该第一PWM比较器被连接以接收该第一误差信号并相应地触发该有效状态包括该第一PWM比较器被连接成接收该第一误差信号和具有单倾斜沿的斜坡信号。

18、根据权利要求17的电源控制器，还包括第一存储部件，其被连接成存储该第一比较器的状态。

19、根据权利要求18的电源控制器，还包括第二比较器，其被连接成接收该第二误差信号和该斜坡信号并相应地触发该无效状态。

20、根据权利要求19的电源控制器，还包括第二存储部件，其被连接成存储该第二比较器的状态，并被连接成改变该第一存储部件的状态。

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