CN1901342A - 电源控制器及其方法 - Google Patents

Abstract

在一种实施方式中，电源控制器使用以不同频率运行的多个参考信号来形成适于控制功率设备以校准输出电压的开关信号。

Description

电源控制器及其方法

技术领域

本发明总体上涉及电子技术，更具体而言，涉及形成半导体设备与结构的方法。

背景技术

过去，半导体行业使用各种方法与结构来生产如脉宽调制(PWM)电源控制器的开关电源控制器。该系统一般向负载提供电流和校准的输出电压。在这些PWM电源控制器运行期间，负载的电流需求有可能变化，在提供电流增加的和减少的量之间需要瞬变。一般来说，电源控制器的响应时间是有限的，这导致差的瞬变响应。差的瞬变响应导致提供给负载的输出电压值的变化，还会限制在瞬变期间可以提供给负载的电流的值。

因此，期望有对负载所需电流中的变化有改进的响应的电源控制器。

附图说明

图1示意性地说明了根据本发明具有电源控制器的电源系统的一部分的实施方式；

图2是根据本发明具有图1电源控制器的一些信号的曲线的图；

图3示意性地说明了根据本发明具有是图1电源控制器可选实施方式的电源控制器的电源系统的一部分的实施方式；

图4示意性地说明了根据本发明是图1电源控制器可选实施方式的电源控制器的一部分的实施方式；

图5是根据本发明具有图4电源控制器的一些信号曲线的图；及

图6说明了根据本发明包括图1电源系统的半导体设备的放大的平面图。

为了说明的简化和清晰，图中的元素不一定要按比例绘制，而且不同图中的相同标号指示相同的元素。此外，为了描述的简化，众所周知的步骤和元素的描述与细节都忽略了。如在此所使用的，载流电极的意思是携带电流通过如MOS晶体管的源极或漏极或者双极晶体管的发射极或集电极或者二极管的阴极或阳极的设备的设备元素，而控制电极的意思是控制通过如MOS晶体管的选通电极或者双极晶体管的基极的设备的电流的设备元素。尽管设备在此解释为特定的N-通道或P-通道设备，但本领域普通技术人员将理解根据本发明互补设备也是可能的。本领域技术人员将理解在此所使用的词“在……期间”、“当……时候”和“在……时候”并不是意味着动作在启动动作后立即发生的确切术语，而是在由初始动作启动的反应之间可以有一些小的但是合理的延迟。

具体实施方式

图1示意性地说明了具有电源控制器30的示例形式的电源系统10的一部分的实施方式，其中电源控制器30具有改进的瞬变响应。电源系统10一般接收功率输入端子11与功率返回端子12之间的功率并在输出16与输出返回17之间形成输出电压。返回17通常连接到返回12。可以连接负载18，以便从输出16与返回17接收输出电压与负载电流。在端子11和12之间施加的电压可以是直流电压或整流的交流电压，如半波整流的正弦波。系统10一般包括由如功率晶体管24的功率开关控制的电感器14，以形成输出电压。二极管25充当快速恢复整流器。在有些实施方式中，二极管25可以是由控制器30控制的功率晶体管。系统10通常还包括由串联电阻21和22说明的反馈网络，该反馈网络用于提供表示输出16和返回17之间的输出电压值的反馈(FB)信号。这种反馈(FB)网络和反馈(FB)信号对本领域技术人员是众所周知的。在有些实施方式中，晶体管24和二极管25可以作为控制器30的一部分包括在其中。

控制器30配置成接收FB输入34上的FB信号，并且响应性地在输出33上形成用于控制晶体管24并校准输出16和返回17之间输出电压值的开关信号。如以下将进一步看到的，控制器30还使用具有第一频率的第一参考信号，以便响应第一输出电压值形成控制输出电压的开关信号，还使用具有第二频率的第二参考信号，以便响应第二输出电压值形成开关信号。

控制器30接收电压输入31与电压返回32之间的功率。输入31通常连接到端子11，而输入3一般连接到端子12。控制器30通常包括可变参考发生器部分61、选择器59、PWM控制部分40、时钟发生器或时钟37、固定参考发生器或参考51、误差放大器46及实现为比较器53的选择控制器。如本领域技术人员众所周知的，阻抗47和48可以连接到放大器46，以便提供频率补偿。控制器30一般还包括用于在输出39上形成内部操作电压的内部校准器38，其中内部操作电压用于操作如部分40和61、参考51、时钟37及比较器53的控制器30的一些元素。PWM控制部分40通常包括PWM比较器43、在锁存器41的Q输出上形成PWM控制信号45的PWM锁存器41及具有足以控制晶体管24的驱动的驱动器42。

参考发生器部分61包括多个参考发生器，其中每个参考发生器都产生具有可变输出值的参考信号。这多个参考信号中每个参考信号的运行频率通常都不同于这多个参考信号中其它的参考信号。

在优选实施方式中，部分61包括第一斜坡发生器或斜坡64和第二斜坡发生器或斜坡62。斜坡64产生具有值有变化且在第一频率重复的输出电压的斜坡信号65，而斜坡62产生具有值有变化且在不同于第一频率的第二频率重复的输出电压的斜坡信号63。选择器59配置成在信号63与65之间进行选择并将信号63或信号65中的一个耦合到比较器43，因此控制器30可以使用以第一频率变化的信号65来响应第一输出电压值形成信号45或者可以使用以第二频率变化的信号63来响应第二输出电压值形成信号45。如图1所说明的选择器59的示例实施方式包括第一晶体管57、第二晶体管56及反相器60。比较器53配置成形成控制选择器59选择信号63或65的选择信号。时钟选择器电路用于同步用于生成参考信号和用于操作PWM控制部分40的时钟信号。时钟选择器电路包括耦合器晶体管66和67及反相器68。

图2是具有说明信号63与65幅值与频率的曲线的图。横坐标指示时间，纵坐标说明信号的相对幅值。曲线70说明信号63的幅值与频率，而曲线71说明信号65的幅值与频率。该描述参考图1和图2。

如曲线70和71所说明的，斜坡62形成其频率比信号65的频率高的信号63。比较器53接收FB信号和来自控制器30的选择输入35的选择参考信号并响应由FB信号表示的输出电压值在比较器53的输出上形成选择信号。选择参考信号由控制器30的电阻52和外部电阻36形成。因此，该选择参考信号的值可以通过改变电阻36的值改变。本领域技术人员将理解输入35上的选择参考信号可以由除电阻52和36以外的其它方式形成。

在运行中，时钟37以信号63和65的频率生成时钟信号。施加到锁存器41的设置输入的设置信号选择成与所选的信号63或65中的一个的频率一致。所选的时钟信号用于启动输出33上信号45和开关信号的循环。该时钟信号还启动对应的斜坡62和64生成各自的信号63和65。控制器30接收输入34上的FB信号，而误差放大器46形成表示输出电压与期望的输出电压校准值的偏差的误差信号。比较器43接收误差电压并将其与来自选择器59的变化参考信号进行比较。当变化参考信号的值等于误差电压的值时，比较器43的输出变高，以便复位锁存器41并终止循环。复位锁存器41强制Q输出变低并开始禁用晶体管24。

比较器53配置成形成控制选择器59选择信号63或65的选择信号。在正常运行过程中，输出电压的值通常接近于由来自由放大器46接收的参考51的参考信号和由FB信号建立的期望校准值。在这种正常运行过程中，FB信号的值大于输入35上的选择参考信号，它强制比较器53的输出变低，以便选择信号65。比较器53的低禁用晶体管56而启用晶体管57，因此选择器59将信号65耦合到节点58，由此耦合到比较器43。如从曲线71可以看到的，信号65使控制器30和系统10以信号65的频率，由此以第一频率，运行。如果负载18所需的电流值增加，则输出电压的值可以充分减小，以便使FB信号减小到小于输入35上选择参考信号的值，由此强制比较器53的输出变高。比较器53的高通过反向器60禁用晶体管57而启用晶体管56，以便将信号63耦合到比较器43。因此，信号63的高频率用于终止由时钟37的所选时钟信号启动的控制器30的这种特定循环。因此，现在控制器30和系统10以高频率运行，因此系统10可以更快地对负载电流瞬变作出响应。随着输出电压的值向后增加到接近于期望的校准输出电压值，FB信号的值增加，强制比较器53的输出变低，以便再次将信号65耦合到比较器43，由此控制控制器30使用信号65的第一频率来控制开关信号并校准输出电压。电阻36的值通常选择成确保在正常运行过程中比较器53选择信号65。

尽管曲线70和71说明了具有相同幅值的各个信号63和65，但本领域技术人员将意识到信号63和65中任一个可以具有不同于信号63和65中另一个的幅值。此外，本领域技术人员将理解放大器46的输出可以用作表示输出电压的信号，由此放大器46的输出将由被比较器53接收。对于这种情况，比较器53的输入可能必须从图1所说明的反向。

为了实现控制器30的这种功能性，耦合校准器38来接收输入31与返回32之间的功率。斜坡62的输出连接到其漏极连接到节点58的晶体管56的源极。斜坡64的输出连接到晶体管57的源极，其中晶体管57的漏极连接到节点58。晶体管57的选通电极连接到反向器60的输出，其中反向器60的输入通常连接到晶体管56的选通电极和比较器53的输出。节点58连接到比较器43的非反向输入。比较器43的反向输入通常连接到放大器46的输出和阻抗48的第一端子。比较器43的输出连接到锁存器41的复位输入。放大器46的反向输入通常连接到阻抗48的第二端子和阻抗47的第一端子。阻抗47的第二端子通常连接到输入34和比较器53的反向输入。放大器46的非反向输入连接到参考51的输出。比较器53的非反向输入通常连接到电阻52的第一端子和输入35。电阻52的第二端子连接到输出39。锁存器41的Q输出连接到驱动器42的输入，其中驱动器42的输出连接到输出33。

图3示意性地说明了是图1描述中所解释的系统10的可选实施方式的电源控制系统75的一部分的实施方式。系统75包括是图1描述中所解释的控制器30的可选实施方式的电源控制器76。控制器76具有是图1描述中所解释的部分40和选择器59的可选实施方式的PWM控制部分79。部分79包括PWM比较器77和78及选择器逻辑或选择器84。选择器84包括与门80和81、反向器82及或门83。比较器77和78功能类似于比较器43(图1)。比较器78接收信号65和来自放大器46的误差信号并响应性地形成具有信号65的第一频率的第一PWM比较器信号86。类似地，比较器77接收信号63和来自放大器46的误差信号并响应性地形成具有信号63的第二频率的第二PWM比较器信号85。选择器84配置成在信号85和86之间选择，并将信号85和86中的一个耦合到锁存器41，由此控制器76可以使用以第一频率变化的信号86，以便响应第一输出电压值形成信号45，或者可以使用以第二频率变化的信号85，以便响应第二输出电压值形成信号45。

为了实现控制器76的这种功能性，斜坡62的输出连接到比较器77的非反向输入，而斜坡64的输出连接到比较器78的非反向输入。比较器77和78的反向输入连接到放大器46的输出。比较器77的输出连接到门80的第一输入，而比较器78的输出连接到门81的第一输入。门81的第二输入连接到反向器82的输出。反向器82的输入通常连接到门80的第二输入和比较器53的输出。门80的输出连接到门83的第一输入，而门81的输出连接到门83的第二输入。门83的输出连接到锁存器41的复位输入。

图4示意性地说明了是图1描述中所解释的控制器30的可选实施方式的电源控制器89一部分的实施方式。控制器89包括是图1描述中所解释的选择器59的可选实施方式的选择器90。选择器90包括放大器91和93及实现“或”运算的二极管92和94。斜坡62和64的优选实施方式修改成分别形成是信号63和65的可选实施方式的各个信号97和98。信号97和98具有与各信号63和65相似的频率，但幅值不同。

放大器91接收信号97并优选地利用统一的增益放大它，以便在二极管92的阳极形成来自放大器91的输出信号。类似地，放大器93接收信号98并优选地利用统一的增益放大它，以便在二极管94的阳极形成来自放大器93的输出信号。放大器91和93的物理输出结构被各自的二极管92和94彼此隔离开，由此方便在节点96对来自放大器91和93的信号实现“或”运算。在节点96形成的信号有有效地或到一起的被放大器91和93放大的信号97和98。由于控制器89的实现没有使用PWM锁存器，因此比较器43的输出形成PWM控制信号45。

图5是具有说明信号97和98的幅值与频率的曲线的图。横坐标指示时间，纵坐标说明信号的相对幅值。曲线100说明信号97的幅值与频率，而曲线101说明信号98的频率与幅值。曲线102说明节点96的信号。本描述参考图4和图5。

如以下将进一步看到的，信号97的最大幅值选择成小于信号98的最大幅值，以方便选择功能。如图5所说明的，来自放大器93的信号的幅值具有比放大器91的输出的频率和峰值更低的频率和更负的峰值。对于在校准范围内的输出16(见图1)上输出电压的值，误差放大器46的输出具有比放大器91的输出的峰值更负的值，因此，来自放大器46的误差信号的值未能正到足以交叉来自放大器91和二极管92的信号。如果发生瞬变，则误差信号的值充分增加，因此误差信号可以交叉来自放大器91和二极管92的信号。因此，误差信号变化的幅值与来自放大器91和93的参考信号的不同幅值用来响应由FB信号表示的输出电压的值选择第一或第二参考信号。

为了实现部分90的这种功能性，放大器91的非反向输入连接到斜坡62的输出，而反向输入连接到节点96和二极管92的阳极。二极管92的阴极连接到放大器91的输出。放大器93的非反向输入连接到斜坡64的输出，而放大器93的反向输入连接到节点96和二极管94的阳极。二极管94的阴极连接到放大器93的输出。电阻95的第一端子连接到节点96，而第二端子连接到输出39。

图6示意性地说明了在半导体电路小片111上形成的半导体设备110的实施方式一部分的放大平面图。电路小片111还可以包括为了图的简化而未在图6中示出的其它电路。控制器30和设备110通过本领域技术人员众所周知的半导体制造技术在电路小片111上形成。

根据所有以上描述，很显然公开了新的设备与方法。除了其它特征，还包括配置电源控制器，以便使用每个都具有在一段时间周期上幅值变化且每个都以彼此不同的频率重复信号的输出信号的多个可变参考信号。在瞬变事件中使用具有快频率的参考信号提高了对瞬变事件的响应时间。

尽管本发明利用特定的优选实施方式进行了描述，但很显然许多可选方案与变体对半导体领域的技术人员都是显而易见的。例如，将参考信号以斜坡形状的信号形成是一种优选实施方式，但参考信号可以具有其它波形。而且，只要频率是基于输出电压的值选择的，形成参考信号和在不同频率之间选择的各种方法都可以使用。本领域技术人员将认识到尽管补偿电源控制器用于解释本发明主体的一些实施方式，但包括增压系统配置的其它电源配置也可以使用。此外，词“连接”贯穿全文都是为描述的清晰而使用的，但是，它是要有与词“耦合”相同的意义。因此，“连接”应当解释为包括直接连接或间接连接。

Claims (10)

1、一种电源控制器，包括：

PWM部分，配置成响应表示输出电压的第一信号形成控制功率开关的开关信号；及

参考发生器部分，配置成形成以第一频率变化的第一参考信号，以便响应第一输出电压值而形成开关信号，还配置成形成以第二频率变化的第二参考信号，以便响应第二输出电压值而形成开关信号。

2、如权利要求1所述的电源控制器，其中参考发生器部分包括配置成形成第一参考信号的第一斜坡发生器和配置成形成第二参考信号的第二斜坡发生器。

3、如权利要求2所述的电源控制器，其中第一斜坡发生器配置成形成具有第一最大幅值并具有由第一频率确定的第一周期的第一斜坡信号，其中第二斜坡发生器配置成形成具有第二最大幅值并具有由第二频率确定的第二周期的第二斜坡信号，而且其中第一周期不同于第二周期。

4、如权利要求2所述的电源控制器，还包括配置成接收第一参考信号并响应第一输出电压值将第一参考信号耦合到节点的第一晶体管及耦合成接收第二参考信号并响应第二输出电压值将第二参考信号耦合到节点的第二晶体管。

5、如权利要求2所述的电源控制器，还包括配置成接收第一参考信号的第一比较器和耦合成接收第二参考信号的第二比较器，具有耦合到第一比较器的输出的第一输入、耦合成接收选择信号的第二输入和输出的第一门及具有耦合到第二比较器的输出的第一输入、耦合成接收反向选择信号的第二输入和输出的第二门及具有耦合到第一门的输出的第一输入、耦合到第二门的输出的第二输入和耦合到PWM部分的PWM锁存器的输出的第三门。

6、一种形成电源控制器的方法，包括：

将电源控制器配置成接收表示输出电压的第一信号并响应性地形成控制功率开关的开关信号，来校准输出电压的值；及

将电源控制器配置成至少使用具有第一频率的第一参考信号来响应第一输出电压值而形成开关信号和具有第二频率的第二参考信号来响应第二输出电压值而形成开关信号。

7、如权利要求6所述的方法，其中将电源控制器配置成至少使用具有第一频率的第一参考信号来响应第一输出电压值而形成开关信号和具有第二频率的第二参考信号来响应第二输出电压值而形成开关信号包括将电源控制器配置成形成具有以第一频率变化的第一斜坡形状波形的第一参考信号并形成具有以第二频率变化的第二斜坡形状波形的第二参考信号。

8、如权利要求7所述的方法，其中将电源控制器配置成形成具有以第一频率变化的第一斜坡形状波形的第一参考信号并形成具有以第二频率变化的第二斜坡形状波形的第二参考信号包括将第一斜坡发生器配置成形成第一参考信号并将第二斜坡发生器配置成形成第二参考信号。

9、如权利要求6所述的方法，其中将电源控制器配置成至少使用具有第一频率的第一参考信号来响应第一输出电压值而形成开关信号和具有第二频率的第二参考信号来响应第二输出电压值而形成开关信号包括将电源控制器配置成响应第一输出电压值将第一参考信号耦合到电源控制器的PWM控制部分和响应第二输出电压值将第二参考信号耦合到电源控制器的PWM控制部分。

10、一种电源控制方法，包括：

选择性地使用具有第一频率的第一变化参考信号来响应第一输出电压值而控制电源的输出电压和使用具有第二频率的第二变化参考信号来响应第二输出电压值而控制输出电压。

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