TWI325679B - Voltage regulator and method of current cancellation for a voltage regulator - Google Patents

Description

1-325.679 九、發明說明： 案第 【相關申請案交互參照】 本申請案主張2006年3月 60/802,949號之權益，該臨 24曰申請的美國臨時申請 時申請案以弓丨用方式併入。 【發明所屬之技術領域】 本發明有關於閉迴路之電壓調節器，而 而更特別的是有 關於具有用以改良暫態響應的補償網路之切換式調節器。 【先前技術】 當選擇用以補償閉迴路電壓調節器之組件數值時，通 常在容許負載步級變化的數值以及容許參考電壓變化良好 響應的數值之間會有所折衷。換言之，當電壓參考值乃至 於輸出電壓改變成為新數值之時，提供負載電流步級變化 快速安定響應之組件數值可能會導致不能接受的超越量準 位。 圏1顯示典型的閉迴路脈波寬度調變DC-DC轉換器 wo之示意圖。在操作上，將參考電壓Vref施加至誤差放 大器A1之非反相輪入端。Ai之輸出端，即節點c〇MP， 會驅動一脈波寬度調變器PWM 125，藉由LF以及CF對 其輸出端PWMOUT進行濾波，而成為轉換器跨於負載rL 上之輪出電壓V。^ 〇 νουτ具有對節點c〇MP的電壓之關係，通常為大於1 之增益’任意命名為K1，再加上一般某電壓偏移。透過圖 6 示中顯不為電阻器RFB之回授網路11〇，將回授至顯 二FB之節點，此同於A1之反相輸入端。在放大器Αι 的:點FB以及節點C〇MP之間，利用另-由虛線所界定 八品間所示之回授網路i2〇。圖1所示之回授網路12〇包 s Rl、Cl、CHF。回授網路11〇與12〇會設定轉換器1〇〇

之穩疋度以及其他操作特性。一般而言，chf阻抗甚大於 Cl Jk. 香，故而在分析電路100之典型操作時能夠將之忽略。 在穩態下，放大器A1驅動c〇MP節點成為， 因而成為νουτ，致使節點fb(Vfb)上的電壓等於。除 了暫態效應之外，νουτ等於Vref，而Vfb則等於Vref。可 以具有相對較長RC時間常數的R1與C1之數值針對負載 电流變化’最佳地補償特有的PWM電路。 然而’當相應於VREF變化時，長的rc常數一般會產 生所不flb接受的V0UT。參照圖1與2,如果vREF變化了 之一數量，則Α1會使Vc〇Mp改變Δν(：〇Μρ之數量，其依序

驅動PWM，藉以使所需的ν〇υτ與電壓Vfb在穩態下同樣 也變化AVRef。所要提及的是，由於經PWM 125以及由LF 與CF所構成的低通濾波器，會有K1之增益，因此⑶Μ 等於AVREF /Κ1。此產生跨於R1與C1串聯組合的電壓變 化為ΔνΚΕί?以及aVref /K1之間的差量。如果vREp變化了 △VREF，則跨於R1-C1上的電壓會變成·Δν_ /K1， 或者AVref *(1-1/K1)。如果指定R1與ci之阻抗為zi，則 產生等於 AVref *(1-1/K1)/Z1 之電流 I(Rl-Cl)。 參照圖1與2，如果Vref變化了 之數量，則A1 7 1*325.679 便會驅動其節點成為VC0Mp，此依序驅動pwM，藉以使所 需的ν〇ϋΤ 與電壓VFB於穩態下同樣也變化△Vrw。然而， 由於經PWM 125以及由LF與CF所構成的低通濾波器， 會有K1之增益，因此VCOMP僅變化了 avref /K1。此產生 跨於R1與C1串聯組合的電壓為Vref以及Vc〇Mp之間的差 量。如果VREF變化了 AVref，則跨於R1-C1上的電壓會變 成 AVref -AVref /K1，或者 AVREF *(1-1/K1)。如果指定 R1 與Cl之阻抗為Ζ1 ’則產生等於avref *(1-1/Κ1)/Ζ1之電 流 I(Rl-Cl) 〇 I(Rl-Cl)發生於FB節點。除了從V0UT經由回授電阻 器RFB之外’不會有其他與FB相結合的路徑供此一電流 流動。因此會產生一電壓降跨於RFB上，使得實際的VQUT 與VFB並不吻合，導致νουτ與VREF不吻合。 圖2顯示當起因於VREF = AVREF而Rl、C1提供相對 較長時間常數網路之時，轉換器1〇〇各節點之模擬響應。 如同以上所提及的，由於經PWM 125以及由LF與CF所 構成的低通濾波器之增益K1，因此VC0MP<VREF。所以， 發現I(Rl-Cl)。此一電流會導致所發現實際的V0UT並未緊 密地追蹤VREF(此等於所需的V0UT)。就VREF之變化而言， 此導致VOUT中所顯示而不想要的超越量，其一般會迫使進 行組件數值之折衷，諸如R1C1時間常數之減少。然而， 如同以上所提及的，R1C1時間常數之減少會使電路1〇〇 對負載步級變化之響應惡化。所需的是，一種脈波寬度調 變轉換器之設計，其容許補償組件數值之選擇將負載步級 8 1-325.679 變化的響應以及參考電壓變化的響應之間效能之妥協去 除。 【發明内容】

一種由1C所構成之電壓調節器，該ic包含一誤差放 大器與一脈波寬度調變器（PWM)，其中PWM之輸入端連 接至誤差放大器之輸出端。由串聯著接地電容器的電感器 所構成之低通濾波器連接至調變器之輸出端。其中調節器 之輸出端（VOUT)則位於該電感器與電容器之間的節點。第 一回授網路設置於V〇ut以及誤差放大器的反相輸入端之 間，而第二回授網路則設置於誤差放大器的輸出端以及誤 差放大器的反相輸入端之間。一電流消除網路連接至誤差 放大器的反相輸入端。此電流消除網路會將一消除電流注 入反相輸入端之中，此消除電流實質上大小相等於而極性 相反於流經施加至該誤差放大器的參考電壓變化所觸發的 第二回授網路之電流。 此電流消除網路較佳地設置於誤差放大器的反相與非 反相輸入端之間。此電流消除網路較佳位於ic上，而且 在其中之一實施例中含一第一放大器（例如，運算放大 器）以及一由此第一放大器所驅動的RC構成之網路。第一 放大器一般會提供大於1之增益。 在其中之-實施例中，RC構成網路之時間常數實質 等於第二回授網路之時間常數。此種安排允許相同的尺與 C用於個別的網路。在其中之—實施例中第—放大器位 9 1-^25.679 ' 上，而第一放大器的輸出端連接至ic的銲墊，以為 充當1C外部接腳的連接之用。 電壓調節器能夠包含支援至少-個1C接腳之結構，提 供第-放大器大於丨之固定增益。在如此安排其中之—實 鈿例中，此固定增益能夠等於2-1/(經PWM與低通濾波器 之増益）。 在電流消除網路包含第一放大以及由此第一放大器所 驅動的RC構成網路之實施例中，轉換器能夠進一步包含 用於檢測PWM增益以及調整第一放大器增益之結構用 以追蹤PWM之增益。 用於電壓調節器改良參考電壓變化補償之電流消除方 法所包含的步驟為，提供：一包含誤差放大器與脈波寬度 調變器（PWM)之電壓調節器，其中pwM的輸入端連接至 誤差放大器的輸出端；一低通濾波器，其包含—電感器並 連接至該PWM輸出端，該電感器係與一接地電容器串聯， 其中該調節器的輸出端（VOUT)位於該電感器與該電容器之 間的郎點’一設置於V0UT與誤差放大器反相輸入端之間的 第一回授網路；以及一設置於誤差放大器輸出端與誤差放 大器反相輸入端之間的第二回授網路。將一消除電流注入 其反相輸入端，此電流實質上大小相等於而極性相反於流 經由施加至誤差放大器的參考電壓變化所觸發的第二回授 網路之電流。 其消除網路能夠包含一第一放大器以及一由第一放大 器所驅動的RC構成網路’用以提供消除電流。在此種安 10 1-325.679 排中，其方法能夠包含用檢測pWM之增益與調整第一放 大器 '曰I之步驟，藉以追蹤PWM之增益，其中藉由調整 第一放大器之增益自動地提供流經施加至誤差放大器的參 考電壓變化所觸發的第二回授網路的電流之電流消除。 在電壓調節器包含- 接腳提供至少-個大於1的固 定增益之實施例中，其方法能夠進一步包含將1C外部的Rc 構成網路連接於此IC接腳以及連接至誤差放大反相輸入 端的接腳之間的步驟。在此一實施例中，其方法能夠進一 步包含將固定的增益設定等於2-1/(經PWM與低通濾波器 之增益）之步驟，其中Rc構成網路之阻抗等於第二回授網 路之阻抗。 【實施方式】 種電壓調節器，包含一連接至脈波寬度調變器（pWM) 之誤差放大器’其中PWM的輸入端接至誤差放大器的輸 出端。包含串聯著接地電容器的電感之低通濾波器連接至 調變器之輸出端，其中調節器的輸出端（V0UT)位於此電感 器與電容器之間的節點上。第一回授網路設置於與誤 差放大器的反相輸入端之間，而第二回授網路則設置於誤 差放大器的輸出端以及誤差放大器的反相輸入端之間。一 根據本發明之電流消除網路設置於誤差放大器的反相輸入 端與誤差放大器的非反相輸入端之間。 相較於上述圖1所示的電路100，此電流消除網路會 在VREF變化期間中’自動將一實質上大小相等於而極性相 11 1-325679

反於流經RFB的電流I(Rl-Cl)之電流注入節點FB。所以， 由於是相反之極性，進入節點FB之電流會將電流消除於 其節點。在此所使用的”實質相等”一般表示足以等同符合 I(Rl-Cl)之注入電流’其將Vref變化期間中之ν〇υτ超越量 降低成預定之最大可接受準位，諸如小於1〇 mV。如果電 流消除網路所&供的電流以及I(R 1 _C 1 )電流之間不符合， 則數個mV之已降低超越量仍然可能出現，此超越量之大 小則會是電流不符合量乘以rfb電阻值。例如，如果3 mV 為超越量最大之可接受準位，則此一電流不符合量便需小 於 3 mV/RFB。 r 電流消除實質上係消除或至少明顯地降低變化時 流經rfb之電流。由於vREF實質上保持等於ν〇υτ，因此由 VREF變化所造成的超越量實質上被消除了。所以，根據本 發明具有電流消除網路之閉迴路電壓調節器不需選擇補償 組件數值時所做之折衷，因此容許負載步級與參考電壓兩 者變動時有良好的響應。 參照圖3，顯不根據本發明之閉迴路脈波寬度調變 DC-DC轉換器300包含由虛線所界定的區間所示之範例電 流消除網路320。轉換器300其他的組件一般相同於針對 圖1所示的轉換器100所說明之組件。僅為簡化之目的， 將假設轉換器300具有相同於轉換器1〇〇之配置，因而表 示相似之組件。 圖3所示的範例電流消除網路32〇包含驅動rc網路 之放大器315，其包含串聯電容g C2之電阻器r2。放大 12 器。。315提供顯示為K2之增益。在其中之一實施例中，放 器315包3運算放大器，其具有電阻分壓器，提供從其 輸出端至$反相輸入端之電壓回授，it而提供所需的增益 K2。當運算放大器以及電阻分壓器（包含另—末端接地的 輸入電阻II R1與回授電阻器R2)以眾所周知的非反相配置 操作時K2增益為1+R2/R1。放大器315 一般位於晶片之 上。儘管因尺寸之限制，LF與CF通常不能在晶片之上， 然而卻能夠將圖3所示之其他組件放置於晶片之上或者之 外。

電流消除網路320 —般包含至少一個的放大器與一 RC 網路。然而，其他提供實質相等於而極性相反於'π變化 期間中所產生的I(R1_C1)電流之電流消除網路實施例皆在 於本發明之範疇之内。 在放大器315輸出節點RC0MP上之電壓vRC〇Mp為放 大盗3 15的VREF之K2增益放大複製，其中K2大於1°R2 與C2連接於節點rc〇MP以及節點FB之間。如同以上所 提及的，RCOMP節點可以是一外部接腳，藉以利用外部 之RC或者在RCOMP與FB接腳之間的其他適用電抗網路， 提供使用者之適應性。 關於閉迴路脈波寬度調變DC-DC轉換器300之操作， 就Vref變化=AVref而言’ VRC0MP變化了 K2*AVREF »由於 藉由A1驅動節點FB上的電壓，藉以符合vREF，因此之後 跨於由放大器315驅動的網路上之電壓（圖3之R2-C2)會 變化 K2*AVREF - AVref，或者（K2-1)*AVREF。電流消除網 13 1-325.679 路320因此而將極性相反於的i(R2_C2)電流注入 FB之中。是故’在vREF的變化期間中，實質上消除了流 經RFB 110之電流，Vfb以及ν〇υτ因而緊密追隨。此消除 或者至少實質地消除因Vref變化所引起的超越量。 用於實質消除整個I(Rl-Cl)的R2與C2之適當數值能 约計算如下。在較佳實施例中，R2C2時間常數等於R1C1 之時間常數。如果R2C2具有相同於R1C1之時間常數， 而且R2C2之阻抗表示為Z2，則藉由設定i(Ri_ci)= i(R2- • C2)，可得： (K2-1)*AVref/Z2 = (1-1/K1)*AVref/Z1 以上之方程式化簡為Z2=Z1*(K2-1)(1-1/K1)。例如， 如果Κ=2 ’而且經PWM與低通濾波器之增益Κ1 = 8，則 Ζ2=Ζ1*8/7，以為 i(R2_C2)消除 I(Rl-Cl)之用。 如同以上所提及的，本發明提供將RCOMP節點設置 為轉換器300外部IC接腳之選擇。此種配置容許電流消 φ 除網路所提供之電流可於1C外部調整。 圖4闡述具有圖3所顯示的電流消除網路32〇之閉迴 路脈波寬度調變DC-DC轉換器3〇〇模擬暫態效能。由於 包流消除網路320所產生的電流I(r2-C2)等於i(Ri-Cl)， 因此得知實際的νουτ接近地符合於所需的V0UT。 本發明另一實施例包含至少一個具有固定增益K2之 c接腳，其中K2相較於，大於〗。使用者之後則能 夠將一外部RC網路施加於其接腳與誤差放大器的反相輸 知之間。以上實施例的子集將會致使其增益精碑地 1*325.679 等於2-I/K1，使得Z2=Z卜而且相同數值之组件可用於r卜 C1以及R2、C2兩者。 ' 另一實施例涵蓋檢測實際㈣變器增益，其為幻之 變量，使K2追隨K卜致使Z2之數值不須隨著調變器增 盈之改變而改變，用以提供實質上完整電流消除。換… (K2-K1)/(1-1/K1)將會保料值。所要提及的是，除㈣變 器設有前饋補償，否則調變器之增益K1係與pwM據波器 輸入端上的電壓成比例。經由眾所周知的乘法技術，便能 使用此一電壓來修改增益K2。 本發明能夠用來提供改良的切換式調節器電路，其優 點為精準& ν〇υτ追蹤’包含Dc-Dc轉換器、馬達控制電 路、以及其相似者。 所要了解的是，儘管已經結合較佳特定實施例說明了 本發明，然而以上說明以及所提供的任何一個範例皆是用 :閣述而非限制本發明之範齊。熟悉本項技術人士應可明 ”於本發明範疇之内的其他觀點、優點以及修改。 【圖式簡單說明】 當配合圖式閱讀詳細說明時’會對本發明特徵與優點 有較深的了解，其中： w圖1顯示一種已知的閉迴路脈波寬度調變DC-DC轉換 器之示意圖。 、 圖2顯示在圖！所示的轉換器1〇〇數個節點上對 電壓變化之模擬響應。 15 1*325.679 圖3顯示根據本發明實施例包含範例電流消除網路之 閉迴路脈波寬度調變DC-DC轉換器示意圖。 圖4顯不在圖3所示的轉換器電路數個節點上對表考 電壓（VREF)變化之響應。 【主要元件符號說明】 100 閉迴路脈波寬度調變DC-DC轉換器 110 回授網路

120 回授網路 125 脈波寬度調變器 315 放大器 320 電流消除網路 A1 誤差放大器 C1 電容器 C2 電容器 CF 電容器 CHF 電容器 LF 電感器 R1 電阻器 R2 電阻器 RFB 電阻器 RL 負載 16

Claims (1)

1325.679 十、申請專利範圍： 1. 一種電壓調節器，包含： 一控制器’包含一誤差放大器與一脈波寬度調變器 (PWM) ’其中該PWM之輸入端連接至該誤差放大器之輸出 端； 一能量儲存電路，連接至該PWM之輸出端與該調節器 之輸出端（V〇ut); 一設置於該V〇UT以及該誤差放大器的反相輪入端之間 的第一回授網路； 一設置於該誤差放大器的輸出端以及該誤差放大器的 反相輸入端之間的第二回授網路；以及 一電流消除網路，連接至該誤差放大器的該反相輸入 糕，該電流消除網路會將一消除電流注入該反相輸入端之 中，該消除電流實質上大小相等於而極性相反於流經該第 二回授網路之電流，其中流經該第二回授網路之該電流是 由施加至該誤差放大器的參考電壓變化所造成。 2.如申請專利範圍第i項之電壓調節器，其中該電流消 :網路設置於該誤差放大器的該反相輪入端與該誤差放大 器的該非反相輸入端之間。 3.如申請專利範圍第 除網路與該控制器設置於 1項之電壓調節器，其中該電流消 一積體電路（1C)之上。 4.如申凊專利範圍第3項之雷恩唯 $ i电壓調即|§，其中該電流消 除網路包含一第一放大器以一 及藉由該第一放大器所驅動 之電阻器-電容器（RC)網路。 17 1.325679 ,_· _ _ I . 辦？形)日壯频頁 5. 如申請專利範圍第4項之電壓調節器，其中該第一放 大器"T操作以提供大於1之電壓增益。 6. 如申請專利範圍第4項之電壓調節器，其中該RC網 路之時間常數實質等於該第二回授網路之時間常數。 7·如申請專利範圍第4項之電壓調節器，其中該第一放 大器設置於該積體電路上，其中該第一放大器的輸出端連 接至該積體電路的銲墊，以為充當該積體電路外部接腳的 連接之用。 8·如申請專利範圍第4項之電壓調節器，其中該電壓調 即态包含至少一個積體電路接腳，提供該第一放大器大於】 之固定電壓增益。 9.如申請專利範圍第8項之電壓調節器，其中該固定電 壓增益為一經該PWM與該能量儲存電路之增益的函數。 1〇_如申請專利範圍第4項之電壓調節器進一步包含 用於檢測該PWM的電壓增益並且調整該第—放大器的電壓 增益之構件，用以追蹤該pWM之該電壓增益。 "•-種用於電壓調節器之電流消除的方法，該方 含： 將一參考電壓輸入到在該電壓調節器中的一第一放大 器之第一輸入端之中； 將-回授信號從該第-放大器之輸出端輸入到該第一 放大器之第二輸入端；以及 回應於該參考電塵内的變化，經由_第二放大器將 -消除電流注入該第—放大器之該第二輸入端之中，該消 18 1.325679 4用\曰沴正替換頁 除電流實質上大小相等於而極性相反於該回授信號Z 流。 12. 如申請專利範圍第"項之方法，其中的將該回授信 號從該第一放大器之輸出端輸入到該第一放大器之第二輸 入端’包含將該回授信號從該第—放大器之輸出端輸：到 該第一放大器之反相輪入端。 13. 如申請專利範圍第π項之方法，進一步包含： 檢測一連接至該放大器之脈波寬度調變器（pwM)的電 壓增益；以及 調整該第二放大器的電壓增益’用以追蹤該pwM之經 檢測的增益。 14. 如申請專利範圍第13項之方法，進一步包含· 設定一電流消除網路之至少一固定增益，該電流消除 網路包括該第二放大器，回應於注入的消除電流，該至少 —固定增益為大於壹。 15·如申請專利範圍第14項之方法，進一步包含： 經由一低通濾波器而傳遞該PWM之輸出端。 ，丨6·如申請專利範圍第15項之方法，其中，設定該電流 消除網路之至少一固定電壓增益’包含設定其為經由該 PWM和該低通濾波器的電壓增益之函數的至少—電壓增 益。 17·一種電壓調節器，包含： 放大器，可操作以在一第一輪入端處接收一參考電 壓； 19 1.325679 ι^ί" 5r，^'*'* ^ 一電阻器-電容器（RC)回授電路，可操作以提供一第一 回授仏號至該放大器的一第二輸入端，該回授電路連接於 該放大器的輸出端和該放大器的該第二輸入端之間； 一電流消除電路，可操作以回應於該參考電壓的變化 而提供一消除電流至該放大器的該第二輸入端，其中該消 除電流實質上大小相等於而極性相&於由胃RC目授電路 所提供的該第一回授信號之電流。 18.如申請專利範圍第17項之電壓調節器，其中該電流 消除電路包含： 一第二放大器，可操作以接收該參考電壓；以及 一電阻器-電容器（RC)電路，由該第二放大器的輸出端 所驅動。 19·如申請專利範圍第18項之電壓調節 二=路之中的該電阻器·電容器(RC)電路的時間常數實電 寺於4 RC回授電路的時間常數。 含：20.如中請專利範圍第17項之電M調節器，進一步包 —脈波寬度調變器（PWM)，遠桩s兮〜丄 1 )連接至該放大器的輸出端； —里儲存電路’連接至該PWM之輸出端；以及 第二輪’連接介於該能量儲存電路和該放大器的該 器。入端之間，該電阻器提供-第二回授信號至該放大 I如申凊專利範圍第2〇項 储存電路A V . 調即器，其中該能量 电路為一低通濾波器。 20 1325.679

十一、圖式： 如次頁 21 1325679 ^你？剌日征替換頁I

圖2 VREF、VFB、及 所需VOUT VCOMP VREF — VCOMP、或丨 V跨越R1-CI

I(Rl-CI) 實際VOUT

1.325679 (¾年]ΦΙ HI修止f換頁 320

1325679

VREF、VFB、及 所需V〇UT VCOMP VREF — VCOMP、或 V跨越Rl-Cl

I(R1-C1)

ICOMP-FB) VRCOMP - VFB、或 V跨越R2-C2 I(R2-C2), 減去 IiRI-Cl) 實際Vout 符合所需vout