TW201013356A - Voltage regulator including constant loop gain control - Google Patents

Description

201013356 六、發明說明： 【相關申請案之交叉參考】 本申請案要求於2008年9月24曰提申之美國臨時專 利申請案第61/099,727號的權益’其標題為「c〇nstant L〇〇p Gain Control for Voltage Regulator」，其全文併入於本文中 當作參考。 【技術領域】 0 本發明係關於電壓調節器，且特別是關於具有從其輸 出電壓處消除迴路增益變異的能力之電壓調節器。 【先前技術】 電壓調節器回應於所提供的輸入電壓而提供一怪定的 調節輸出電壓。具有整合式補償組態的電壓調節器存在著 一個問題。因為一特定建立的位元補償組態僅針對一個輪 出電壓而為最佳化，在輸出電壓上的變化會導致迴路増益 ®偏移，其造成系統不穩定。因此，需要有某種用於從在一 電壓調碎器之中的輸出電壓處消除迴路增益變異的方法， 以穩定該電壓調節器，使其跨越於輸出電壓之寬廣範圍。 【發明内容】 如本文所揭示及說明的，本發明在其一態樣中，包括 一電壓調節電路，其具有一個侔帏 干隨著迴路增益的回授迴 路。-個功率級回應於在至少_ PWM(脈波寬度調變， 201013356

Pulse-Width Modulation )信號中的輸入電壓而產生一個經 調節的輸出電壓。一個分壓器電路連接到該功率級的輸出 以產生一回授電壓。第一電路系統回應於一電壓誤差信 號、一經濾波的輸出電壓信號、以及一斜波電壓（ramp voltage)信號，而產生至少一 pwm信號。該經濾波的輸出 電壓係用來實質性地移除由該分壓器電路所造成的迴路增 益。一個電壓補償電路回應於一回授電壓和一參考電壓而 產生該電壓誤差信號。 【實施方式】 現在參考圖式’其中同樣的元件符號在本文中係用來 貫穿全篇而標明同樣的元件，將會例示和說明提供用於一 個電壓調節器的恒定迴路增益控制的電路之不同的視圖和 實施例’且其它可能的實施例也會加以說明。該等圖式不 一定按照比例來繪製，且在某些例子中，該等圖式在適當 的地方已經被放大及/或簡化而僅用於舉例解釋之目的。熟 習此技藝者基於後續的可能實施例之範例將會體認許多可 能的應用及變異。 具有整合式補償組態的電壓調節器存在著一個問題。 因為一特定建立的固定補償組態僅針對一個輪出電壓而為 最佳化’在輸出電壓上的變化會導致迴路增益偏移，其造 成系統不穩定。因此，需要有某種用於對在—電壓調節器 之中的輸出電壓消除迴路增益變異的方法，以穩定該電麼 調節器，使該電壓調節器跨越於輸出電壓之寬廣範圍。 201013356 現在參考圖式’特別是參考圖1，其例示一電壓調節器 1 〇〇的方塊圖。提供於節點i丨2處的該輸出電壓，可藉由改 變該分屢器118的電阻器12〇洋口 122之值來加以編程。因 為固疋式補償僅針對一個輸出電壓而為最佳化，該系統在 該輸出電壓發生在不同位準處的時候將會不穩定，因為在 該等電阻器120和122的值之中的任何改變將會導致直流 (DC)迴路增益偏移、交越頻率碰擊（撕請Μ—職y )及相位邊限（phase margin )改變。在該外部分壓器 〇 118之内的迴路增益可根據以下等式來加以決定： G避路=G搞« aXG調變g XG均節器xGlcX—^— R1 + R2

因此，該迴路增益取決於包含電阻器&和&的該外部 分壓器11卜該系統設計可以最佳化用於某些應用的内部補 償參數。‘然而，當顧客在他們特定的設計中選擇了 一個不 同的分壓II的時候，該固定的内部補償參數可能不再是最 佳的。這樣有日㈣將會導致㈣統變得不敎。倘若補償 是固定的，直流迴路增益會隨著輪出電壓漂移。假 路在單-電壓處為最佳化’這樣造成了不穩定性。 個對該迴路增益 的 該外部分壓器根據以下等式呈現 直流偏壓：

V〇

Adb m + R2 201013356 假如可以決定該輸出電壓資訊，該分壓器增益便可以 加以決定。這個資訊可用來消除在該迴路增益上該分壓器 增益的衝擊。 現在參考圖2，其例示一個包含恆定迴路增益控制的電 壓調節器之一般施行方式的方塊圖。這個概念可以適用於 任何電壓轉換器，比如非隔離式直流對直流、非隔離式交 流對直流、非隔離式直流對交流/直流、、、等等。該功率 級202可包括任何拓撲的數量，像是降壓、升壓、等等。 在圖2的施行中，該功率級2〇2回應於提供自調變器2〇4 的PWM化號而提供經調節的輸出電壓νουτ。回授電壓信 號vFB係量測於一分壓器210之内的節點2〇6處，該分壓器 210由電阻器R!和Rz所組成。電阻器Ri係連接介於輸出 電壓知點208和節點206之間。電阻器I係連接介於節點 206和接地之間。 該電Μ回授彳§號VFB提供至該誤差放大器補償器212， 和一參考電壓vREF—樣。該誤差放大器補償器212產生— 個補償電壓信號vCOMP ’其輸入至一增益調整區塊214。該 增益調整區塊214另外從節點208處接收該信號ν〇υτ信號 的一經濾波的版本’其由一濾波器216所處理。該增益調 整區塊214可包括多工器施行，如下文參照到圖4或其他 施行所進一步說明的。藉由在增益調整區塊214内結合該 誤差放大器補償器輸出VC0MP和從濾波器2丨6的該經減波 的V0UT信號，由該分壓器210所導致的迴路增益之衝擊從 施加於該調變器204的補償信號中實質地加以移除。這樣 201013356 將會造成一個由該調變器2〇4所產生的更穩定的pWM信號 並提供該功率級202的穩定操作。 圖3中所例示的替代性實施例中，從該濾波器216所 遽波的輸出信號ν〇υτ係施加到該調變器204，而不是施加 到增益調整區塊214。該濾波器216過濾由功率級2〇2所產 生提供於該輸出電壓節點208處的輸出電壓。該輪出電壓 VOUT係回應於提供自調變器2〇4的pWM信號，而從該功率 級202處產生。該調變器2〇4回應於從濾波器216處的該 〇 經濾波的輪出和提供自該誤差放大器補償器212的該補償 電壓vC0MP，而產生該PWM信號。該vc〇Mp電壓係回應於 一參考電壓VREF和分壓器網路21〇的節點2〇6處所監測的 回授電壓vFB，而由該誤差放大器補償器212所產生。和之 前一樣，該分壓器210連接到該輸出電壓節點208。由調變 器204所產生的補償PWM信號，其產生可藉由調整該斜波 電壓136的大小而加以完成，該斜波電壓136產生於該調 變器204之内並施加到一 PWM放大器^在這個情況下，該 誤差放大器補償器212施加該COMP信號到該調變器204， 而不是施加到該增益調整區塊214。此大小調整包含選擇一 峰對峰電壓VPP，其以所想要的方式來消除由該分壓器21〇 所造成的廻路增益。 現在參考圖4，其例示一個包含恆定迴路增益控制的電 壓調節器。功率模組電路系統1 〇2由一整合式控制器和 MOSFET (金屬氧化物半導體場效電晶體， Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor )切換 201013356 式電路系統104所組成，該M〇SFET切換式電路系統ι〇4 於節點106處接收一輸入電壓Vin並在一相位節點ι〇8處產 生一輸出電壓。該相位節點1〇8連接到一電壓濾波器，苴 由連接介於節·點108和節，點112之間的一電感_ ιι〇和連 接介於節點114和接地之間的一電容器114所組成。一輸 出電壓v0UT係提供於輸出節點112處且包括該經調節的輸 出電壓V〇。連接到該輸出電壓節點112的為一電阻器ιΐ6， 其連接介於節點11 2和接地之間。該電阻器丨丨6包括—個 用於該調節器的負載電阻器。 _ 另外，一分壓器11 8由電阻器120和電阻器丨22所組 成，該分壓器118連接介於該輸出電壓節點112和接地之 間。該分壓器網路118的電阻器12〇連接介於節點丨12和 節點124之間。該分壓器網路118的電阻器122連接介於 節點124和接地之間。從節點124提供一個回授電壓v叩 到一單位增益放大器126的非反相輸入。該單位增益放大 器126的反相輸入連接到接地。該單位增益放大器的輪出 透過一阻抗z! 1 3 0連接到節點12 8。 ❹ 來自該單位增益放大器126的回授電壓係透過阻抗13〇 而施加到一誤差放大器132的反相輸入，其連接到節點 128。該誤差放大器132的非反相輸入連接到一參考電壓 vREF。回應於該回授電壓Vfb和該參考電壓Vref，該誤差 放大器132提供一輸出誤差電壓Ve到一 Pwm放大器134 的非反相輸入。一阻抗Z2 135連接介於該誤差放大器132 的輸出和該誤差放大器i 32在節點128處的反相輸入。 10 201013356

一斜波電壓136係施加到該PWM放大器134的反相輸 入其具有一峰對峰電壓Vpp。回應於該誤差電壓Vb和施 加到5亥PWM放大器134的輸入之斜波電壓136，該放大器 產生輸出PWM信號，其施加到高側閘極驅動電路j38的 輸入和低側閘極驅動電路14〇的輸入。該高側閘極驅動電 路138產生一 pWM驅動信號至高側電晶體的閘極。該 南側電晶體142具有它的汲極/源極通道連接介於該輸入電 壓節點106和該相位節點1〇8之間。驅動電路14〇包括一 © 反相驅動電路，其反轉從該PWM放大器134所提供的PWM 輸入仏號，並產生一 PWM驅動信號至低側切換電晶體工44 的閘極。 將该誤差放大器132的輸出提供至一乘法器4〇2。該乘 法器402將該誤差電壓Ve乘以一經感測的輸出電壓，該經 感測的輸出電壓為如下所敘述的已經濾波過了。該經感測 的輸出電壓透過一轉換函數404而在節點i 12處被監測。 該轉換函數404的輸出透過一電阻器4〇6而施加，該電阻 ® 器406連接介於該轉換函數404的輸出和節點4〇8之間。 一電容器410連接介於節點408和接地之間。由電阻器4〇6 和電容器410所組成的RC濾波器是所需要的，以得到該 DC輸出電壓資訊。節點408連接到一加法器電路4丨2，其 將5亥經濾、波的輸出電壓加到來自一電壓源414的輸出。今 轉換函數404、電阻器406、電容器410、加法器412、電 壓源414和乘法器402包括一前饋電路，其消除該外部分 壓器電路118的DC偏壓增益。來自該加法器電路412的經 11 201013356 加總之訊號於該乘法器402處乘以該誤差電壓vb。該電壓 源414為一小電壓源’其在從零伏特啟動的期間，對於啟 始該電路而言為需要的。 該乘法器402的輸出係施加於該PWm放大器134的非 反相輸入。該乘法器402的效應移除了該分壓器丨丨8的迴 路增益並在整體的迴路增益上限制了的該分壓器的輸出。 如之前所提到的’該迴路增益係由下列等式所定義：

G

G 補 償器xG調變3 xG «節器 R2

Rl + R2xHxVol

這個等式可以簡化為：

(ϊ迴路=G

補償sxG調變器xG «節器xglcXHxV

REF 因此使用以上所敘述的前饋電路，該迴路增益係非 相依於該外部分壓器電路i i 8 ’用以消除該分壓器⑴的迴 路增益效應。 &現在參考圖5，其例示描述於圖4的電路系統之操作的 圖最初，-回授誤差電壓藉由該誤差放大器m而 ’驟502處加以產生。該輸出電壓在步驟训處，在該 節點U2處加以監測。此外，在步驟5〇4處，經 ==電壓節點具有該轉換函數•其係施加以滤波 壓伤纟步驟5〇5處，由該電壓源414所產生的電 係加入至該經遽波的輸出電壓。在步驟則，該經渡 12 201013356 波的輸出電壓乘以該所產生的誤差電壓Vb，以產生該補償 信號。在步驟507處’該補償信號是用|藉由該pwM放大 器134而產生一 PWM信號。這些pwM信號用於產生該驅 動信號到降壓調節器的該等切換式電晶體。

Q

^這個解決方案提供一種簡單的施行方式，不會在電壓 調節器的軟啟動（S〇ft Start)或暫態響應上造成衝擊。該電 路系統可加以整合進入一控制器IC中。所提議的恆定迴路 增益控制系統具有一輸出電壓前饋區力，其係用以消除該 輸出電壓效應和系統迴路增益。其結果是，該電路系統能 夠達成隨著該輸出電壓改變時的恆定迴路增益。 、熟習此技藝者將能體認此用於電壓調節器的恒定迴路 增益控制之本揭示具有的好處。其應理解，本文中的圖式 和實施方式係視為說明性的方式而不是限制性的方式，並 且不是意圖要限制於所揭露的特㈣式和實例。相反地， 所包含的是任何進一步的修改、更換、重配置、置換、替 代物、設計選擇、以及對熟習此技藝而言报明顯的實施例， :不會因此背離由後續申請專利範圍所定義的精神和範 、.。因此’意圖以後續的中請專利範圍來解釋以包含所有 進步的修改、更換、重配置、置換、替件札 以及實施例。 f置換帛代物、設計選擇、 以上的實施方式係聯結於後續 【圖式簡單說明】 為了更加完整的暸解 的圖式來作參考，其中： 13 201013356 圖1為一降壓調節器/模組的方塊圖； 圖2為根據本揭示用於提供怪定迴路增益控制之系統 的一般方塊圖； 圖3為例示圖2之施行的-替代性實施例之方塊圖； 圖4為更完整地例示—值定迴路增益控制電廢調節器 之示意方塊圖；以及 圖5為描述圖4之電路組態的流程圖。 【主要元件符號說明】 100 電壓調節器 102 功率模組電路系統 104 MOSFET切換式電路系統 106 節點 108 相位節點 110 電感器 112 節點 114 電容器 116 電阻器 118 分壓器 120 電阻器 122 電阻器 124 節點 126 單位增益放大器 128 節點 201013356 130 阻抗Ζ! 132 誤差放大器 134 PWM放大器 135 阻抗Ζ2 136 斜波電壓 138 高側閘極驅動 140 低側閘極驅動 142 高側電晶體

144 低側切換電晶體 202 功率級 204 調變器 206 節點 208 電壓節點 210 分壓器 212 誤差放大器補償器 214 增益調整區塊

216 濾波器 402 乘法器 404 轉換函數 406 電阻器 408 節點 410 電容器 412 加法器電路 502 步驟 15 201013356 503 步 驟 504 步 驟 505 步驟 506 步 驟 507 步 驟

Claims (1)

1. 201013356 七、申請專利範圍： 1. 一種電壓調節電路，其具有一個伴隨著迴路增益的回 授迴路，該電壓調節電路包括： 一功率級，用於回應於一輸入電壓和至少一 PWM (脈 波寬度調變，Pulse-Width Modulation)信號而產生一個經 調節的輸出電壓； 一分壓器電路，其連接到該功率級的輸出，用於產生 一回授電壓； 〇 第一電路系統’其用於回應於一電壓誤差信號、一經 濾波的輸出電壓信號、以及一斜波電壓信號，而產生該至 少一 PWM信號，其中，該經濾波的輸出電壓係用來實質性 地移除由該分壓器電路所造成的迴路增益變動；以及 一電壓補償電路，其用於回應於一回授電壓和一參考 電壓而產生該電壓誤差信號。 2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節電路，其中， 該第一電路系統進一步包括： ® 一増益調節電路，其調整該電壓誤差信號之增益，用 於藉由處理帶著該電壓誤差信號之經濾波的輸出電壓信號 來實質上移除由該分壓器電路所造成的迴路增益變動；以 及 一調變器’其用於回應於該增益調整電壓誤差信號和 該斜波電壓信號而產生該至少一 PWM信號。 3. 如申請專利範圍第2項所述之電壓調節電路，其中， 該增益調整電路進一步包括： 17 201013356 轉換函數’其用於濾波該經調節的輸出電壓； -加法器電路，其用於將該經濾波且 壓和由-電壓源所拯徂"周郎的輸出電 痪供的第一電壓相加，以提供該 的輸出電壓；以及 ^ ϋ 以該經濾 造成的迴 乘法器電路’其用於將該電壓誤差信號乘 波的輸出電壓’以實質上移除由該分壓器電路所 路增益變動。 4.如申哨專利範圍第3項所述之電壓調節電路其中， 由〜電壓源所提供的該第一電壓是用來致使該電壓調節冑^ 路能夠在啟動時開始運行。 :5·如申請專利範圍第2項所述之電壓調節電路，其中， S調變器包括-比較器’其用於回應於該增益調整電壓誤 差信號和該斜波信號而產生該PWM信號。 6_如申明專利範圍第1項所述之電壓調節電路，其中， 該電壓補償電路包括一誤差放大器，其用於回應於該回授 電壓和該參考電壓而產生該電壓誤差信號。 =7·如申凊專利範圍第1項所述之電壓調節電路，其中，Θ 該第一電路系統進一步包括： ;慮波器’其連接到該經調節的輸出電壓’用於提供 該經濾波的輸出電壓；以及 —調變器，其用於回應於該電壓誤差信號、該經濾波 的輪出電壓和該斜波電壓’而產生該至少一 PWM信號，其 中選擇該斜波電壓的大小以實質上移除由該分壓器電路 所造成的迴路增益變動。 18 201013356 8. —種用於控制具有一個伴隨著廻路增益的回授迴路 之電壓調節器的積體電路，其包括： 一對切換式電晶體，其用於回應於一輸入電壓和數個 驅動控制信號而產生一相位電壓； 驅動電路系統，其用於回應於一 pWM信號而產生該等 驅動控制信號； 第一電路系統，其用於回應於一電壓誤差信號、一經 濾波的輸出電壓信號、以及—斜波電壓信號，而產生該pwM © 仏號，其中，該經濾波的輸出電壓係用來實質性地移除由 一分壓1§電路所造成的迴路增益變動，該分壓器電路係連 接到該電壓調節器的輸出；以及 電壓補償電路，其用於回應於一回授電壓和一參考 電壓而產生該電壓誤差信號。 9. 如申响專利範圍第8項所述之積體電路其中，該第 一電路系統進一步包括： 〇 —增益調節電路’其調整該電廢誤差信號之增益，用 於藉由處理帶著該電壓誤差信號之經滤波的輸出電壓信號 來實質上從5亥電麼誤差信獍移除由該分愿器電路所造成的 迴路增益變動；以及 調變器，其用於回應於該增益調整電壓誤差信號和 該斜波電壓信就而產生該至少- PWM信號。 如申請專利範圍第9項所述之積體電路，其中，該 增益調整電路進一步包括： 、 、函數，其用於遽波該經調節的輸出電麼； 19 201013356 一加法器電路，其用於將該經濾波且經調節的輸出電 壓和由t i源所提供的第一電麼相力口，以提供該經遽波 的輸出電壓；以及 一乘法器電路，其用於將該電壓誤差信號乘以該經濾 波的輸出電壓’以實質上移除由該分壓器電路所造成的迴 路增益。 π.如申請專利範圍第10項所述之積體電路，其中，由

   該電壓源所提供的該第一電壓是用來致使該電壓調節電路 能夠在啟動時開始運行。 12_如申請專利範圍第9項所述之積體電路，其中，該 調變器包括一比較器，其用於回應於該增益調整電壓誤差 信號和該斜波信號而產生該PWM信號。 13. 如申請專利範圍第8項所述之積體電路，其中，該 電壓補償電路系統包括一誤差放大器，其用於回應於該回 授電壓和該參考電壓而產生該電壓誤差信號。 14. 如申請專利範圍第8項所述之積體電路其中該 第一電路系統進一步包括： 一遽波器’其連接到該經調節的輸出電壓，用於提供 該經濾波的輸出電壓；以及 一調變器，其用於回應於該電壓誤差信號、該經濾波 的輸出電廢和該斜波電壓，而產生該PWM信號，其中，選 擇該斜波電壓的大小以實質上移除由該分壓器電路所造成 的迴路增益變動。 15·—種電壓調節的方法，其包括以下的步驟： 20 201013356 回應於一輸入電壓和至少—Pwm信號 具有迴路增益的回授迴踗而太1 精由利用一個 透過一分壓器而監測— 輸出電壓； 監測該經調卽的輸出電壓. 濾波該經調節的輸出電壓； 回應於該回授電壓和參考電壓，而產生 血，回授電壓； 號； 電壓誤差信

   移除由該分壓器造成的迴路增益變動； 回應於該電壓誤差信號而產生該至少-pWM作號 %如申請專利制第15項所述之方法，其^該移除 的步驟進-步包括以下的步驟：處理帶著該電麗誤差，號 之經濾波的輸出電壓信號以移除由該分壓器電路造成的迴 路增益變動。 17.如申請專利範圍第16項所述之方法’其中，該結合 的步驟進一步包括以下的步驟： 使用一轉換函數而濾波該經調節的輸出電壓； 將該經濾波且經調節的輸出電壓和由一電壓源所提供 的第一電壓相加，以提供該經濾波的輸出電壓；以及 將該電廢誤差信號乘以該經遽波的輸出電壓，以實質 上移除由該分壓器電路所造成的迴路增益變動。 18_如申請專利範圍第15項所述之方法，其中，該產生 該至少一 PWM信號的步驟進一步包括以下的步驟：回應於 一增益調整電壓誤差信號和一斜波信號，而產生該至少一 PWM信號。 21 201013356 19. 如申請專利範圍第15項所述之方法’其中，該產生 、 該電壓誤差信號的步驟包括以下的步驟：回應於該回授電 壓和一參考電壓而比較該電壓誤差信號。 20. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中，該移除 的步驟進一步包括以下的步驟： 選擇一斜波電壓的大小，用來回應於該經濾波的輸出 電壓而產生該至少一 PWM信號；以及 回應於該電壓誤差信號和該斜波電壓而產生該至少— 信號，其中，選擇該斜波電壓的大小，以實質上移除 _ 由該分壓器電路所造成的迴路增益變動。 八、圖式： (如次頁）

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