CN202997930U

CN202997930U - 快速响应的直流-直流转换器

Info

Publication number: CN202997930U
Application number: CN 201220707805
Authority: CN
Inventors: 王钊
Original assignee: Wuxi Vimicro Corp
Current assignee: Wuxi Vimicro Corp
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2022-12-20

Abstract

本实用新型提供一种直流-直流转换器和控制方法。直流-直流转换器包括反馈电路、脉冲宽度调制器和误差放大器；其中，直流-直流转换器的输出电压信号经过反馈电路以反馈电压的形式输入到误差放大器的输入端，误差放大器将反馈电压与基准电压比较后，产生差错电压，脉冲宽度调制器根据差错电压的大小调节占空比，从而控制输出电压；直流-直流转换器还包括比较器和脉冲产生器，比较器对反馈电压和第二基准电压比较，脉冲产生器基于比较结果产生预定持续时间的脉冲；调整电路，根据脉冲按与输出电压变化方向相反的方向调整基准电压，以便减少输出电压变化的幅度。本实用新型实施例有助于减小直流-直流转换器负载跳变时输出电压跳变的幅度。

Description

快速响应的直流-直流转换器

技术领域

本实用新型涉及直流-直流转换器。

背景技术

直流-直流转换器广泛应用于为各种电路供电，例如为应用处理器供电。当直流-直流转换器的负载电流突然跳变时，由于其环路响应速度较慢，导致输出电压会出现跳变。当负载电流由小电流变为大电流时，直流-直流转换器的输出电压会向下跳动，经过一段时间后才恢复到目标值；当负载电流由大电流变为小电流时，直流-直流转换器会向上跳动，经过一段时间后才恢复到目标值。图1描述了现有技术中直流-直流转换器负载响应的波形。当负载电流Io从较小值突变到较大值时，输出电压Vo会迅速下降，然后缓慢回升到目标值；当负载电流Io从较大值突变到较小值时，输出电压Vo会迅速上跳，然后缓慢下降到目标值。太大的上跳可能导致被供电芯片过压，从而被损坏；太大的下跳可能导致被供电芯片供电不足而无法正常工作，特别严重的是现代的各种处理器（如intel的CPU和各种基于ARM核的应用处理器）对下跳特别敏感，严重时会引起死机。通常希望直流-直流转换器的输出电压较稳定，波动较小，从而维持被供电电路的稳定工作。

实用新型内容

本实用新型的目的是减小直流-直流转换器负载跳变时输出电压跳变的幅度。

为实现上述目的，本实用新型实施例提供一种直流-直流转换器。该转换器包括反馈电路和脉冲宽度调制PWMC模块和误差放大器模块；其中，直流-直流转换器的输出电压信号经过反馈电路以反馈电压的形式输入到误差放大器的输入端，误差放大器将反馈电压与第一基准电压比较后，产生误差电压，脉冲宽度调制模块根据误差电压的大小调节占空比，从而控制输出电压；其特征在于直流-直流转换器还包括第一比较器和第一脉冲产生器，第一比较器对反馈电压和第二基准电压比较而产生比较结果，第一脉冲产生器基于比较结果产生第一预定持续时间的脉冲；调整电路，根据第一预定持续时间的脉冲按与输出电压变化方向相反的方向调整第一基准电压，以便减少所述输出电压变化的幅度。

优选地，直流-直流转换器还包括基准电压产生器，用于产生第一基准电压、第二基准电压和第三基准电压，第一基准电压大于第二基准电压但小于第三基准电压；调整电路根据第一预定持续时间的脉冲按与输出电压变化方向相反的方向调整第一基准电压具体为所述调整电路选择第三基准电压替代所述第一基准电压。

优选地，直流-直流转换器还包括第二比较器和第二脉冲产生器，第二比较器对反馈电压和第三基准电压比较而产生第二比较结果，第二脉冲产生器基于第二比较结果产生第二预定持续时间的脉冲，调整电路根据第二预定持续时间的脉冲选择第二基准电压替代所述第一基准电压。

优选地，当反馈电压位于第二基准电压和第三基准电压之间时调整电路维持第一基准电压不变。

优选地，所述第二基准电压和/或第三基准电压因负载电流而变。

优选地，脉冲产生器由触发器构成。

优选地，在脉冲宽度调制PWMC模块的RAMP输入信号上叠加电感电流的采样信号，构建电流模式的反馈环路。

优选地，调整电路包括第一电流源、第二电流源、第一开关和第一电阻；其中，第一电流源和第一电阻串联，第一开关在第一预定持续时间的脉冲的控制下实现第二电流源和第一电流源的并联，第一电阻提供所述第一基准电压。

优选地，调整电路包括第三电流源、第二开关、第二电阻和第三电阻；其中，第一电流源、第二电阻和第三电阻串联，第二开关在第一预定持续时间的脉冲的控制下实现第三电阻的旁路并联，第二电阻提供所述第一基准电压。

在第二方面，本实用新型提供一种直流-直流转换器的控制方法，直流-直流转换器包括反馈电路和脉冲宽度调制PWMC模块和误差放大器模块；其中，直流-直流转换器的输出电压信号经过反馈电路接到误差放大器的负输入端，误差放大器将反馈电压与第一基准电压比较后，产生误差电压，脉冲宽度调制模块根据误差电压的大小调节占空比，从而控制输出电压；其特征在于所述方法包括当输出电压出现变化时，通过脉冲产生器产生预定持续时间的脉冲；利用该预定持续时间的脉冲按与输出电压变化方向相反的方向改变基准电压。

优选地，在脉冲宽度调制模块的三角波输入信号上叠加电感电流的采样信号，构建电流模式的反馈环路。

本实用新型实施例有效减小直流-直流转换器负载跳变时输出电压跳变的幅度。

附图说明

图1描述了现有技术中直流-直流转换器负载响应的波形；

图2描述了根据本实用新型第一实施方式的直流-直流转换器；

图3描述了脉冲产生器的一种实现方式；

图4描述了图3所示脉冲产生器的工作波形；

图5描述了根据本实用新型第二实施方式的直流-直流转换器；

图6描述了根据本实用新型第三实施方式的直流-直流转换器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施例做进一步详细的说明。

在本实用新型的实施例中，当检测到输出电压低于预设下限电压时，产生第一高电平脉冲，该脉冲为高电平时，将基准电压调高，这样就会减小输出电压下跳的幅度。同理，当检测到输出电压高于预设上限电压时，产生第二高电平脉冲，将基准电压调低，这样就会减小输出电压上跳的幅度。当输出电压位于预设下限电压和预设上限电压之间时，基准电压等于原预设电压，反馈环路维持正常的工作过程。

图2描述了根据本实用新型第一实施方式的直流-直流转换器。如图2所示，直流-直流转换器内部一般具有反馈环路。该反馈环路包括脉冲宽度调制PWMC模块和误差放大器模块EA等几大功能模块。输出电压信号经过反馈电路以反馈电压方式接到EA的FB输入端。反馈电压FB与设定好的比较电压REF比较后，产生误差电压信号EAO，误差电压信号EAO输入到PWMC模块。PWMC根据误差电压的大小调节占空比，从而达到控制输出电压的目的。控制电路根据占空比选择通断功率开关K1和K2，在电感L1和电容C1构成的低通滤波器的滤波下产生输出电压。

在一个例子中，反馈电路包括电阻R1和R2构成的对输出电压VO的分压电路，该分压电路产生分压后的反馈电压信号FB。

根据本实用新型的实施例，直流-直流转换器可以包括一个带隙基准电压产生模块Bandgap，它可以产生带隙基准电压REF1、REF2、REF3中的一个或数个。其中REF2比REF1电压低Va，例如Va=10mV，REF3比REF1电压高Vb，例如Vb=10mV。还可以包括开关SW1、SW2、SW3中的一个或数个。SW1、SW2、SW3可以为普通开关，分别在H1和H2的组合或者单独控制下通断；当H1为高电平时，SW1和SW3关断，SW2接通；当H2为高电平时，SW1和SW2关断，SW3接通；当H1和H2为低电平时，SW1接通而SW2和SW3关断。由此，REF1-REF3中的一个作为REF信号接入EA的正输入端。

在一个例子中，直流-直流转换器可以包括比较器Comp1，比较器Comp1用于对反馈电压信号FB和带隙基准电压REF2进行比较，产生输出信号US；还可以包括脉冲发生器1，在信号US的作用下产生一段时间高电平脉冲H1。脉冲H1控制开关SW2的通断，并且在或非门NOR1的协助下控制SW1的通断。因此，在一定意义上，SW1、SW2和或非门NOR1构成一个调整电路，它为误差放大器EA选择（或者调整出）不同的基准电压。

在另一个例子中，直流-直流转换器可以包括比较器Comp2，比较器Comp2用于对电压信号FB和基准电压REF3进行比较，产生输出信号OS；还可以包括脉冲发生器2，在信号OS的作用下产生一段时间高电平脉冲H2。脉冲H2控制开关SW3的通断，并且在或非门NOR1的协助下控制SW1的通断。因此，在一定意义上，SW1、SW3和或非门NOR1构成一个调整电路，它为误差放大器EA选择（或者调整出）不同的基准电压。

当需要进行重载-轻载双向突变控制时，需要同时采用比较器Comp1和Comp2以及脉冲发生器1和脉冲发生器2。脉冲发生器1和脉冲发生器2可以为相同结构的脉冲产生电路。

在工作中，当负载出现从轻载突变到重载时，输出电压Vo下降。当检测到FB电压比VREF2低（即FB电压比VREF1低例如10mV）时，比较器Comp1输出高电平，即US为高电平，表明输出电压下跳(Undershoot)。US的上升沿导致脉冲产生器1产生一段时间高电平脉冲，在这段时间内选通开关SW2同时关闭SW1和SW3，从而选择较高的基准电压REF3作为反馈环路控制的基准电压，这样环路将趋于升高输出电压，从而减小输出电压下降的幅度。

反之，负载出现从重载突变到轻载时，输出电压Vo上降。当检测到FB电压比VREF3高时（即FB电压比VREF3高例如10mV时），比较器Comp2输出高电平，即OS为高电平，表明输出电压下跳(Overshoot)，OS的上升沿导致脉冲产生器2产生一段时间高电平脉冲。在这段时间内选通开关SW3同时断开开关SW1和SW2，从而选择较低的基准电压REF2作为反馈环路控制的基准电压，这样环路将趋于降低输出电压，从而减小输出电压上跳的幅度。

图2存在一些变体设计，例如可以在PWMC模块的三角波信号输入端RAMP上叠加电感电流的采样信号，构建电流模式的反馈环路。有关细节属于现有技术，不复赘述。

另外，图2中的功率开关K2可被一个整流二极管所替代，这样构成非同步整流直流-直流转换器，属于现有技术，此处也省略描述。

另外，图2中实现方式描述了同时使用减小输出电压下跳和上跳的技术，但实际中根据应用需要，可以仅采用减小输出电压下跳的部分电路而单独使用，也可以仅采用减小输出电压上跳的部分电路而单独使用。

另外，本领域的技术人员将会意识到，虽然在图中示意了或非门NOR1来控制SW1、SW2和SW3的通断从而选择基准电压，但是，根据需要，可以采用各种其它类型的调整电路来根据脉冲产生器1和/或2的脉冲，按与输出电压变化方向相反的方向而调整误差放大器模块的输入端上的基准电压，从而减少输出电压变化的幅度。

图3描述了脉冲产生器的一种实现方式。如图所示，脉冲产生器包括D触发器DEFA、DEFB、DFF1和DFF2。DFFA和DFFB为上升沿触发的D触发器，D为数据输入端，Q为输出端，QN为其反相输出端，其RST端为高电平时被复位，复位后Q为低电平，CK为时钟输入端，其上升沿将D端数据锁存到输出端Q。DFF1～2为下降沿触发的D触发器，D为数据输入端，Q为输出端，QN为其反相输出端，RST端为高电平时被复位，复位后Q为低电平，CK为时钟输入端，其下降沿将D端数据锁存到输出端Q。

UV信号为上电复位信号，通常D触发器DEFA、DEFB、DFF1和DFF2通过该信号来复位，即电源电压从零升到正常值时，UV产生一段时间的高电平，用于复位各触发器到初始状态。VDD为电源电压，表示逻辑高电平。HCK为周期性的时钟信号，用于产生延迟时间。

在工作中，输入A端的跳变信号将导致脉冲产生器生成一个预定持续时间的脉冲。图4描述了脉冲产生器的工作波形。脉冲产生器的工作过程不复赘述。

图4只是描述了2个D触发器(DFF1和DFF2)做延时的设计，根据不同应用要求，可以为1～N个D触发器做延时，其延时时间与HCK的周期有关。

图2中用于检测下跳的基准电压与检测上跳出现后切换反馈环路控制的基准电压都采用了相同的基准电压信号REF2，但本质上它们属于不同性质的基准电压。前者用于判断是否实际出现下跳，应当足以区分下跳和假跳；后者则用于调整输出电压，只要能够减少所述输出电压变化的幅度，采取任何数值均属可行。因此，它们当然可以为两个独立的基准电压。

同理，图2中用于检测上跳的基准电压与检测下跳出现后切换反馈环路控制的基准电压都采用了相同的基准电压信号REF3，但本质上它们属于不同性质的基准电压，因此当然可以为两个独立的基准电压。

图5描述了根据本实用新型第二实施方式的直流-直流转换器，其中检测用基准电压和切换用基准电压不同。如图所示，连接开关SW2的基准电压被替换成REF4(REF4=REF1+IL*RK)，其中REF1为基准电压信号REF1的电压值，REF4为基准电压信号REF4的电压值，IL为采样的电感电流值，RK为设计的一个比例系数，这样可以产生更好的效果。当负载电流从小突变大时，电感电流也会变大，如果跳变后的负载电流越大，则IL越大，从而REF4越高，越有助于减小输出电压下降的幅度。与图2相比，开关SW3连接基准电压被替换成REF5(REF5=REF1+IL*RL-VB)，其中REF1为基准电压信号REF1的电压值，REF5为基准电压信号REF5的电压值，IL为采样的电感电流值，RL和VB为设计的一个系数。这样跳变后的负载越小，基准电压REF5越小，越有助于减小输出电压上跳的幅度。

需要指出，上述采样的电感电流值一般可以通过采样功率开关（例如，图2中的K1或K2）的电流得到。本领域技术人员应该熟知各种从功率开关K1或K2采样到电感电流的电路实现方式。为了简化，省略有关描述。

概括言之，在第一和第二实施例中，通过比较器Comp1和脉冲产生器1以及比较器Comp2和脉冲产生器2产生预定持续时间的脉冲，以此指示输出电压的变化方向。SW1-SW3和NOR1构成的调整电路根据预定持续时间的脉冲按与输出电压变化方向相反的方向改变或者调整基准电压，以便减少输出电压变化的幅度。本领域的技术人员意识到，还可以采取其它形式的调整电路来达到减少所述输出电压变化的幅度的目的。

图6描述了根据本实用新型第三实施方式的通过数字信号A或B来调整基准电压的情形。如图6所示，数字信号A和B可以分别是图2和图5所示实施例中的脉冲产生器1和2的输出脉冲，调整电路则由电流源I1、电流源I2、电阻Rr1和Rr2以及开关SW5和SW6构成。当A、B均为低电平无效时，开关SW5和SW6关断，由此，电流源I1接通对Rr1和Rr2的串联电路提供电流。当A高电平有效时，选通开关SW5，由此，电流源I1和I2均接通对Rr1和Rr2的串联电路提供电流，REF的电压升高。当B高电平有效时，选通开关SW6，Rr2被旁路，由此，电流源I1接通对Rr1提供电流，REF的电压降低。利用这样的电路可以有效调整误差放大器的基准电压REF，从而有效减小直流-直流转换器负载跳变时输出电压跳变的幅度。

需要指出，图6中实现方式描述了利用开关SW5增大基准电压和利用SW6减少基准电压（以便使用减小输出电压下跳和上跳）的技术，但实际中根据应用需要，可以仅采用增大基准电压的部分电路而单独使用，也可以仅采用减小基准电压的部分电路而单独使用。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种直流-直流转换器，包括反馈电路、脉冲宽度调制PWMC模块和误差放大器；其中，直流-直流转换器的输出电压信号经过反馈电路以反馈电压的形式输入到误差放大器的输入端，误差放大器将反馈电压与第一基准电压比较后，产生误差电压，脉冲宽度调制模块根据误差电压的大小调节占空比，从而控制输出电压；其特征在于，直流-直流转换器还包括第一比较器和第一脉冲产生器，第一比较器对反馈电压和第二基准电压比较而产生比较结果，第一脉冲产生器基于比较结果产生第一预定持续时间的脉冲；调整电路，根据第一预定持续时间的脉冲按与输出电压变化方向相反的方向调整第一基准电压，以便减少所述输出电压变化的幅度。

2.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于还包括基准电压产生器，用于产生第一基准电压、第二基准电压和第三基准电压，第一基准电压大于第二基准电压但小于第三基准电压；调整电路根据第一预定持续时间的脉冲按与输出电压变化方向相反的方向调整第一基准电压具体为所述调整电路选择第三基准电压替代所述第一基准电压。

3.如权利要求2所述的直流-直流转换器，其特征在于还包括第二比较器和第二脉冲产生器，第二比较器对反馈电压和第三基准电压比较而产生第二比较结果，第二脉冲产生器基于第二比较结果产生第二预定持续时间的脉冲，调整电路根据第二预定持续时间的脉冲选择第二基准电压替代所述第一基准电压。

4.如权利要求2所述的直流-直流转换器，其特征在于，当反馈电压位于第二基准电压和第三基准电压之间时调整电路维持第一基准电压不变。

5.如权利要求2或3所述的直流-直流转换器，其特征在于所述第二基准电压和/或第三基准电压因负载电流而变。

6.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于脉冲产生器由触发器构成。

7.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于在脉冲宽度调制PWMC模块的RAMP输入信号上叠加电感电流的采样信号，构建电流模式的反馈环路。

8.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于调整电路包括第一电流源、第二电流源、第一开关和第一电阻；其中，第一电流源和第一电阻串联，第一开关在第一预定持续时间的脉冲的控制下实现第二电流源和第一电流源的并联，第一电阻提供所述第一基准电压。

9.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于调整电路包括第三电流源、第二开关、第二电阻和第三电阻；其中，第一电流源、第二电阻和第三电阻串联，第二开关在第一预定持续时间的脉冲的控制下实现第三电阻的旁路并联，第二电阻提供所述第一基准电压。