CN1870407B - 输出信号的调节方法及电路 - Google Patents

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Abstract

一种调节器电路以及补偿所述调节器电路输出信号下跌的方法。第一比较器连接到振荡器的输入，该振荡器输出时钟信号和斜坡信号。根据来自所述调节器电路输出的反馈信号，如果输出信号下跌到不合需要的电平，就复位所述振荡器的时钟信号和斜坡信号。可以在所述有效时钟沿之间复位所述时钟信号和斜坡信号。所述复位时钟信号和斜坡信号使所述调节器电路升高其输出电压，以便减少所述下跌。

Description

输出信号的调节方法及电路
技术领域
一般来说，本发明涉及电子电路，更确切地说，涉及DC到DC变换器。
背景技术
开关电源用于多种电子产品中，包括计算机、计算器、蜂窝电话、照相机、个人数字助理(PDA)、电视游戏控制器等。这些类型的电源产生调整后的电压，为电子产品中包含的集成电路提供电源。图1展示了常规的开关电源10，包括开关调节器12，其输出连接到开关晶体管14和16的栅极。开关晶体管14的漏极端子连接为接收工作电位VDD的源，开关晶体管14的源极端子连接到开关晶体管16的漏极端子。开关晶体管14和16的漏极端子和源极端子的共同连接点连接到电感器18的一端。电感器18的另一端连接到开关电源10的输出20。输出20连接为通过电容器22和通过电阻分压器网络24接收工作电位Vss的源。电阻分压器网络24包括电阻器26，一端连接输出20，一端在节点30处共同连接到电阻器28的一端。电阻器28的另一端连接为接收工作电位Vss的源。节点30连接到控制器12的输入，并为控制开关晶体管14和16提供反馈信号。
在运行中，当输出电压下降到低于预定值时，来自节点30的反馈信号使开关调节器12产生控制信号，它又使开关晶体管14接通，在输出20处升高输出电压VO。在这种结构中，控制信号与系统时钟信号同步。因为控制信号能够从0秒持续到整个时钟周期，所以它能够在单一时钟周期内开始并结束。不过，在下一个时钟信号到来之后它才能重新开始。这种系统的缺点是，如果在控制信号已经结束之后瞬间电信号使输出电压下跌，那么在下一个时钟信号到来之前控制信号无法补偿这种下跌。对输出信号中出现的瞬间电信号进行补偿的一种方法是在控制器内包括磁滞控制电路。虽然这种技术能够快速地补偿在输出中出现的瞬间电信号，但是补偿时它没有使用时钟信号。因此，开关调节器的开关频率不是常数，而是随温度、输入电压和分量自身而变化。更严重的是，由于开关频率不是常数，所以磁滞控制电路引入了电磁噪声，会干扰电子产品的性能。这种噪声称为电磁干扰(EMI)。
因此，需要一种开关调节器和方法，以快速响应时间调整其输出电压，同时使用时钟信号以不变的开关频率运行。
发明内容
本发明通过为调整输出信号提供电路和方法，满足了前述的需求。根据一个实施例，本发明包括的方法用于调整输出信号，包含响应或者高于或者低于第一参考电压的反馈信号，复位斜坡信号和时钟信号，其特征在于，复位斜坡信号和时钟信号开始了一个新的控制信号。
根据另一个实施例，本发明包括用于调整输出信号的方法，包含响应上升至高于参考信号或下降至低于参考信号的反馈信号，复位斜坡信号和时钟信号。
根据又一个实施例，本发明包括用于调整输出电压的方法，包括提供具有第一和第二有效时钟信号沿的时钟信号。斜坡信号用于响应时钟信号的第一有效信号沿，产生输出信号。比较第一信号和第二信号，如果第二信号的值低于第一信号，就在第一和第二有效时钟信号沿之间的时间期间复位所述斜坡信号。
根据又一个实施例，本发明包含调节器电路，该调节器电路包括第一比较器，具有第一和第二输入以及输出。第一比较器的输出连接到振荡器。所述振荡器的第一输出连接到第二比较器的第一输入，第二比较器的输出连接到锁存器的第一输入。所述振荡器的第二输出连接到锁存器的第二输入。
附图简要说明
连同附图阅读以下的详细说明，将更好地理解本发明，其中相同的引用号的指明相同的元件，其中：
图1是现有技术开关电源的原理图；
图2是根据本发明实施例的开关调节器的原理图。
具体实施方式
图2是根据本发明实施例的开关电源100的原理图。开关电源100包括差分比较器102和104、振荡器106、锁存器108、栅极驱动电路110、开关网络124、分压器网络134以及误差放大器146。更具体地说，差分比较器102具有同相输入和反相输入，前者连接为从分压器网络134接收反馈电压信号VFB，后者连接为接收参考电压VREF1。差分比较器102的输出连接到振荡器106的输入，振荡器106的一个输出用于传输时钟信号CLK，一个输出用于传输周期信号RAMP。应当注意，因为优选情况下周期信号是斜坡(ramp)信号，所以将其标明为RAMP。不过，周期信号不限于斜坡信号。
振荡器106用于传输周期信号RAMP的输出连接到差分比较器104的反相输入。差分比较器104的同相输入连接到误差放大器146的输出。差分比较器104的输出连接到锁存器108的输入R。振荡器106用于传输时钟信号CLK的输出连接到锁存器108的输入S。
锁存器108的输出连接到栅极驱动电路110，它具有高边驱动输出112和低边驱动输出114。例如，栅极驱动电路110包括同相器驱动器116和反相器驱动器118，二者的共同连接的输入连接到锁存器108的输出，其输出标识为字母D。驱动器116和驱动器118的输出分别连接到栅极驱动电路110的高边驱动输出112和低边驱动输出114。
高边驱动输出112连接到开关网络124的输入120，低边驱动输出114连接到开关网络124的输入122。例如，开关网络124包括N沟道晶体管126和128。N沟道晶体管126的漏极端子连接为接收工作电位VDD的源，N沟道晶体管126的源极端子连接到N沟道晶体管128的漏极端子，N沟道晶体管126的栅极连接到开关网络124的输入120。N沟道晶体管128的源极端子连接为接收工作电位VSS的源，N沟道晶体管128的栅极端子连接到开关网络124的输入122。例如，工作电位VDD源的范围从大约5V到大约12V，工作电位VSS的源大约是0V，即接地。晶体管126的源极端子和晶体管128的漏极端子共同连接，形成节点130。
电感器132的一端连接到节点130，另一端连接到分压器网络134和电容器136的一端，形成输出节点138。电容器136的另一端连接为接收工作电位VSS的源。根据一个实施例，分压器网络134包括一对电阻器140和142，其中电阻器140的一端连接到输出节点138，另一端连接到电阻器142的一端，形成了反馈节点144。电阻器142的另一端连接为接收工作电位VSS的源。
反馈节点144连接到误差放大器146和差分比较器102的同相输入。误差放大器146包括运算放大器148，其同相输入连接为接收参考信号VREF2，其反相输入以负反馈结构方式连接到反馈节点144。更具体地说，反馈节点144通过阻抗150连接到运算放大器148的反相输入端子，运算放大器148的输出通过阻抗152连接到运算放大器148的反相输入。运算放大器148的输出连接到误差放大器146的输出，它连接到差分比较器104的同相输入。阻抗150和阻抗152用作辅助对控制器100的控制回路提供稳定性的频率补偿/增益控制网络，并进一步用字母“Z”标识。在替代实施例中，阻抗150可以并入反馈网络134。替代实施例的实例是与电阻器140并联的电容器(未显示)，即电容器的一端连接到节点138，另一端连接到节点144。
优选情况下，参考电压VREF1低于参考电压VREF2。电压VREF1和电压VREF2可以是由包含开关电源100的集成电路内部产生的参考电压，也可以利用集成电路外部的源对电压VREF1和电压VREF2进行设置或调整。
在运行时，负载(未显示)连接在输出节点138和工作电位VSS的源之间，输出电压VO跨所述负载形成，即在输出节点138处。开关电源100设计为使输出电压VO优选情况下保持在预定的上下限度之内。在正常运行条件下，振荡器106产生时钟信号CLK和周期信号RAMP。适当的CLK和RAMP信号包括电压信号、电流信号等。时钟信号CLK具有多个在节点130处产生方波的有效脉冲沿，所述方波在节点138处产生输出电压VO。输出节点138处出现的输出电压VO产生跨分压器网络134的电压，使得反馈信号VFB出现在反馈节点144处。反馈信号VFB的值由(1)式给出：
VFB＝R142/(R140+R142)*VO       (1)
式中：R140是电阻器140的电阻；
R142是电阻器142的电阻；以及
VO是输出节点138的输出电压。
当输出电压VO减弱或下跌即下降时，反馈电压VFB也会下降。反馈电压VFB出现在误差放大器146的输入处和比较器102的同相输入处。反馈电压VFB被误差放大器146放大，产生放大了的误差信号，它被传输到差分比较器104的同相输入处。在差分比较器102处，比较反馈电压VFB与参考电压VREF1，以在振荡器106的输入处创建比较信号。当电压VFB的值低于电压VREF1的值时，振荡器106的输入处出现的比较信号使振荡器106分别复位周期信号RAMP和时钟信号CLK。周期信号RAMP传输到比较器104的反相输入处，时钟信号CLK传输到锁存器108的输入S。如果周期信号RAMP超过了在差分比较器104的同相输入处出现的放大了的误差信号，逻辑高电压信号就出现在差分比较器104的输出处，它被传输到锁存器108的输入R。在差分比较器104的输出处出现的信号也称为比较信号。当比较信号是逻辑高电压时，它用作复位信号，以结束晶体管126导通时间。晶体管126导通时间的起点由进入锁存器108的输入S的时钟信号CLK确定。锁存器108的输入S处的正上升沿在锁存器108的输出D处产生逻辑高电压，即它产生锁存信号。逻辑高电压经过同相器驱动器116传输到高边驱动输出112，使N沟道晶体管126导通。在栅极驱动电路110输入处出现的信号称为预控制信号，而在输出112和输入120处出现的信号称为控制信号，或当它替换了先前控制信号时，称为新控制信号。因此，锁存信号根据新时钟信号产生预控制信号。在驱动器电路110输入处出现的逻辑高电压通过反相器118转换成逻辑低电压，该逻辑低电压出现在低驱动输出114处，并使N沟道晶体管128关断。因为N沟道晶体管128关断即不导电，所以流经N沟道晶体管126的电流流入电容器136，升高了在输出节点138处出现的输出电压VO。
因而，响应于反馈信号VFB低于参考电压VREF1，在时钟信号CLK的两个连续有效脉冲沿之间复位周期信号RAMP和时钟信号CLK。优选情况下，有效脉冲沿是上升沿；不过，它们也可以是下降沿。这种信号在锁存器108内被计时，以便产生调节后的输出信号。应当理解，反馈信号VFB、VREF1和VREF2的相对值不是本发明的限制。开关电源100可以配置为响应反馈电压VFB高于参考电压VREF1而复位信号RAMP和信号CLK。
现在应当认同，已经提供了使振荡器发出的斜坡信号和时钟信号复位的开关调节器和方法。本发明的优点在于，斜坡信号能够复位，时钟信号能够复位，或者斜坡信号和时钟信号都能够复位。另一个优点在于，这些信号能够在当前的时钟周期即循环之内复位，从而对可能使输出信号下跌的任何瞬间现象提供快速和有效的补偿。也能够在先前控制信号结束之后，但是在随后时钟信号开始之前使它们复位。本发明也对在输出电压中可能出现的瞬时现象提供了性价比高的补偿技术。另一个优点在于，能够使用单块集成电路制造过程或使用离散组件制造开关调节器。
虽然本文已经公开了一定的优选实施例和方法，但是显而易见，本领域的技术人员根据以上公开材料，可以对这些实施例和方法作出若干变化和修改，而不脱离本发明的实质和范围。例如，输出信号可以是电流信号、电压信号等。本发明人的意图在于，本发明应当仅仅受限于所附带的权利要求书以及所适用法律的规则和原理所需要的范围。

Claims (10)

1.一种调整输出信号的方法，包括响应反馈信号高于第一参考电压或者低于第一参考电压两种情况之一，复位斜坡信号和时钟信号，其特征在于，复位所述斜坡信号和所述时钟信号开始新的控制信号。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，复位所述斜坡信号和所述时钟信号发生在先前控制信号结束之后，但是在随后时钟信号开始之前。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，复位所述斜坡信号和所述时钟信号发生在所述先前控制信号在当前时钟周期内结束之前。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，复位所述斜坡信号和所述时钟信号包括：
响应输出信号，产生所述反馈信号；
比较所述反馈信号和所述第一参考电压，产生比较信号；
根据所述比较信号，复位所述时钟信号和所述斜坡信号；
比较所述反馈信号和第二参考电压，产生误差信号；
比较复位的斜坡信号和所述误差信号，产生第二比较信号；
根据复位的时钟信号，锁存所述第二比较信号，并使用所述锁存的信号，产生预控制信号；以及
使用所述新的控制信号，升高所述输出信号。
5.一种调整输出信号的方法，包括响应反馈信号上升至高于参考信号或所述反馈信号下降至低于所述参考信号两种情况之一，复位斜坡信号和时钟信号，其中复位所述斜坡信号和所述时钟信号开始新的控制信号。
6.根据权利要求5的方法，进一步包括：
在复位所述斜坡信号和所述时钟信号之后，产生新的控制信号；以及
在先前控制信号结束之后，但是在随后时钟信号开始之前，复位所述斜坡信号和所述时钟信号。
7.一种调整输出电压的方法，包括：
提供具有第一和第二有效时钟信号沿的时钟信号；
响应第一有效时钟信号沿，使用斜坡信号产生输出信号；
比较第一信号和第二信号；以及
如果所述第一信号的值低于所述第二信号，就在所述第一和第二有效时钟信号沿之间的时间期间复位所述斜坡信号。
8.根据权利要求7的方法，进一步包括如果所述第一信号的值低于所述第二信号，就复位所述时钟信号。
9.一种调节器电路，包括：
第一比较器，具有第一和第二输入以及输出；
振荡器，具有输入和第一输出，所述第一比较器的输出连接到所述振荡器的输入；
第二比较器，具有第一和第二输入以及输出，所述振荡器的第一输出连接到所述第二比较器的第一输入；以及
锁存器，具有第一输入和输出，所述第一输入连接到所述第二比较器的输出。
10.根据权利要求9的调节器电路，进一步包括：
误差放大器，具有第一和第二输入以及输出，所述误差放大器的第一输入连接为接收第一参考信号，所述误差放大器的第二输入连接为接收反馈信号，所述误差放大器的输出连接到所述比较器的第二输入；
驱动电路，具有输入以及第一和第二输出，所述锁存器的输出连接到所述驱动电路的输入；
第一晶体管，具有控制电极以及第一和第二电流传送电极，所述驱动电路的第一输出连接到所述第一晶体管的控制电极，所述第二电流传送电极连接为接收输入信号；以及
第二晶体管，具有控制电极以及第一和第二电流传送电极，所述驱动电路的第二输出连接到所述第二晶体管的控制电极，所述第二晶体管的第一电流传送电极连接到所述第一晶体管的第二电流传送电极，所述第二晶体管的第二电流传送电极连接为接收工作电位源。
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