TWI489777B - 開關調節器、其控制電路及其控制方法 - Google Patents

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Description

開關調節器、其控制電路及其控制方法
本發明主要涉及一種電子電路，尤其涉及開關調節器及其控制電路和控制方法。
恒頻脈寬調製(pulse width modulation，PWM)開關調節器作為負載點(Point-of-load，POL)調節器，被廣泛應用於電源處理器、輸入/輸出邏輯晶片、記憶體、和/或其他數位電子元器件中。與其他類型的調節器相比，恒頻PWM開關調節器具有更高的功率轉換效率和更強的設計靈活性。例如，恒頻PWM開關調節器可以根據單路輸入電壓產生多路不同極性的輸出電壓。
大多數情況下，恒頻PWM開關調節器可以在穩定狀態令人滿意地工作。然而，數位電子元器件的功率管理變得範圍更加寬泛而且控制門限逐漸降低，其對POL調節器的瞬態性能要求也就更加嚴格。解決POL調節器瞬態性能的傳統控制策略一般基於變頻或者准定頻控制技術，這些技術與定頻的元器件和/或系統不相容。因此，我們期望在保證穩態恒頻運行的同時，改善POL調節器的瞬態性能。
針對現有技術中的一個或多個問題，本發明的目的是提供一 種開關調節器及其控制電路和控制方法，其能快速回應瞬態變化，具有良好的瞬態性能。
為實現上述目的，本發明提供一種用於開關調節器的控制電路，其中開關調節器為負載提供輸出電壓，包括具有至少一個開關管的開關電路，該控制電路包括：電壓回饋電路，耦接至開關電路的輸出端，基於輸出電壓和參考電壓產生誤差信號；振盪器，具有輸入端和輸出端，其中輸入端耦接至電壓回饋電路以接收誤差信號，振盪器基於誤差信號，在輸出端產生時鐘信號；PWM控制器，耦接至電壓回饋電路和振盪器以接收誤差信號和時鐘信號，基於誤差信號和時鐘信號控制開關電路中的至少一個開關管。
在本發明的另一個方面，提供一種開關調節器，包括上述述的控制電路。
在本發明的又一個方面，提供一種開關調節器的控制方法，其中開關調節器為負載提供輸出電壓，包括具有至少一個開關管的開關電路，該控制方法包括：基於輸出電壓和參考電壓產生誤差信號；基於誤差信號產生時鐘信號；基於誤差信號和時鐘信號控制開關電路中的至少一個開關管。
根據本發明實施例的開關調節器及其控制方法，在瞬態下通過改變時鐘信號的暫態頻率和暫態週期，從而快速地回應瞬態變化。
CLK‧‧‧時鐘信號
COMP‧‧‧誤差信號
Isw‧‧‧開關電流
PW‧‧‧控制信號
Vin‧‧‧輸入電壓
Vo‧‧‧輸出電壓
Vref‧‧‧參考電壓
100‧‧‧PWM開關調節器
102、102a、102b、102c‧‧‧開關電路
104、104a、104b、104c‧‧‧PWM控制器
106、106a、106b、106c‧‧‧電感器
108‧‧‧電容器
109a、109b、109c‧‧‧分相器
110‧‧‧負載
112a、112b‧‧‧開關管
114‧‧‧電壓比較器
114a、116a‧‧‧第一端
114b、116b‧‧‧第二端
114c、105a、105b、119、138c、152c‧‧‧輸出端
116‧‧‧電流比較器
117、138a、138b、152a、152b‧‧‧輸入端
118‧‧‧振盪器
120‧‧‧電壓回饋電路
121‧‧‧限流電阻器
122‧‧‧回饋電阻器
124‧‧‧回饋電容器
132‧‧‧充電開關管
132a、150a‧‧‧漏極
132b、150b‧‧‧源極
132c‧‧‧柵極
134‧‧‧振盪電容器
136‧‧‧振盪電流源
138‧‧‧振盪比較器
140‧‧‧單穩態電路
142‧‧‧分壓電阻器
144‧‧‧電阻電流源
146‧‧‧電流設定電路
147‧‧‧電流鏡
150‧‧‧電流開關管
152‧‧‧電流比較器
200‧‧‧多相PWM開關調節器
為了更好地理解本發明，將根據以下附圖對本發明進行詳細描述： 第1圖是根據本發明一實施例的PWM開關調節器100的電路原理圖；第2圖是根據本發明一實施例的瞬態下表示誤差信號和時鐘信號的電壓分別隨時間變化的曲線圖；第3至5圖是根據本發明實施例的用於第1圖所示PWM開關調節器的振盪器的電路原理圖；第6圖是根據本發明一實施例的多相PWM開關調節器200的電路原理圖。
下面將詳細描述本發明的開關調節器、控制方法的具體實施例，應當注意，這裏描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本發明。在以下描述中，為了提供對本發明的透徹理解，闡述了大量特定細節。然而，對於本領域普通技術人員顯而易見的是：不必採用這些特定細節來實行本發明。在其他實例中，為了避免混淆本發明，未具體描述公知的電路、材料或方法。
在整個說明書中，對“一個實施例”、“實施例”、“一個示例”或“示例”的提及意味著：結合該實施例或示例描述的特定特徵、結構或特性被包含在本發明至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個地方出現的短語“在一個實施例中”、“在實施例中”、“一個示例”或“示例”不一定都指同一實施例或示例。此外，可以以任何適當的組合和/或子組合將特定的特徵、結構或特性組合在一個或多個實施例或示例中。此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，並且附圖不一定是按比例繪製的。應當理解，當稱元件“連接到” 或“耦接到”另一元件時，它可以是直接連接或耦接到另一元件或者可以存在中間元件。相反，當稱元件“直接連接到”或“直接耦接到”另一元件時，不存在中間元件。相同的附圖標記指示相同的元件。這裏使用的術語“和/或”包括一個或多個相關列出的專案的任何和所有組合。
第1圖是根據本發明一實施例的PWM開關調節器100的電路原理圖。在以下描述中，將PWM開關調節器100描述為電流模式的PWM降壓變換器。然而，在其他實施例中，PWM開關調節器100可以是電壓模式和/或其他類型合適的PWM開關調節器。在進一步的實施例中，PWM開關調節器100也可以配置為升壓變換器、升-降壓變換器和/或其他類型合適的結構。
在第1圖所示的實施例中，PWM開關調節器100包括耦接在一起的開關電路102、PWM控制器104、振盪器118、電壓回饋電路120、電流比較器116、電感器106、電容器108和負載110(例如CPU)。例如，電容器108和負載110並聯耦接在電感器的輸出電壓Vo與地之間。儘管在第1圖中給出了特定的元器件，在其他實施例中，PWM開關調節器100可包括另外的和/或不同的元器件。
如第1圖所示，開關電路102包括第一開關管112a(通常指高側開關管)和第二開關管112b(通常指低側開關管)，第一開關管112a和第二開關管112b串聯耦接在輸入電壓Vin與地之間。第一開關管112a具有耦接至輸入電壓Vin的漏極以及耦接至第二開關管112b和電感器106的源極。第二開關管112b具有耦接至第一開關管112a源極的漏極和耦接至地的源極。第一開關管112a和第二開關管112b的柵極分別耦接至PWM控制器104的第一 輸出端105a和第二輸出端105b。第一開關管112a和第二開關管112b可包括金屬氧化物場效應電晶體(MOSFET)、結型場效應電晶體(JFET)和/或其他類型合適的電晶體。
PWM控制器104根據輸出電壓Vo以及流過第一開關管112a的開關電流Isw，可控地控制第一輸出端105a和第二輸出端105b，以控制第一開關管112a和第二開關管112b的占空比。如第1圖所示，PWM控制器104具有第一輸入端104a和第二輸入端104b，其中第一輸入端104a耦接至電流比較器116以接收控制信號PW，第二輸入端104b耦接至振盪器118的輸出端119以接收時鐘信號CLK。
電壓回饋電路120產生與輸出電壓Vo和參考電壓Vref的差值對應的誤差信號COMP。電壓回饋電路120還將誤差信號COMP提供給振盪器118和電流比較器116。在圖示的實施例中，電壓回饋電路120包括電壓比較器114、限流電阻器121、回饋電容器124和回饋電阻器122。電壓比較器114具有第一端114a、第二端114b和輸出端114c，其中第一端114a耦接至參考電壓Vref。限流電阻器121耦接在輸出電壓Vo和電壓比較器114的第二端114b之間。回饋電容器124與回饋電阻器122串聯耦接在電壓比較器114的輸出端114c和第二端114b之間。在一些實施例中，電壓回饋電路120中的一些元器件(例如回饋電容器124)可以省去。在其他實施例中，電壓回饋電路120可包括另外的和/或不同的元器件。
電流比較器116將檢測的開關電流Isw與電壓回饋電路120產生的誤差信號COMP相比較，產生控制信號PW。電流比較器116將控制信號PW供給PWM控制器104。在第1圖所示的實施例中，電流比較器116具有第 一端116a和第二端116b，其中第一端116a耦接至開關電流檢測信號Isw，第二端116b耦接至電壓比較器114的輸出端114c以接收誤差信號COMP。在其他實施例中，電流比較器116還可包括回饋電阻器、電容器和/或其他合適的元器件。
振盪器118產生時鐘信號CLK，並將時鐘信號CLK提供給PWM控制器104。在第1圖所示的實施例中，振盪器118具有輸入端117和輸出端119，其中輸入端117耦接至電壓比較器114的輸出端114c，輸出端119耦接至PWM控制器104的第二輸入端104b。在其他實施例中，振盪器118可耦接至檢測的開關電流Isw、PWM開關調節器100中其他合適的元器件、和/或其組合。振盪器118的一些實施例將在後文中參照附第3至5圖作詳細描述。
工作時，PWM控制器104根據時鐘信號CLK和控制信號PW，交替導通第一開關管112a和第二開關管112b。例如，當時鐘信號CLK的脈衝上升沿來臨時，在與控制信號PW對應的第一時長內，PWM控制器104導通第一開關管112a並關斷第二開關管112b，為電感器106和電容器108充電。第一時長結束後，PWM控制器104關斷第一開關管112a並導通第二開關管112b，使得在第二時長內，電流經電感器106、電感器108和第二開關管112b續流。以上動作不斷重複，為負載110提供所需的輸出電壓。
與傳統的具有恒定工作頻率的PWM器件不同，本發明實施例的PWM開關調節器100中的振盪器118產生調製的時鐘信號CLK，該時鐘信號CLK在穩態時頻率保持不變，在瞬態時頻率可變。以下所稱“穩態”一般指系統的所有變數不隨時間變化，所稱“瞬態”一般指系統的變數發 生改變而系統沒有達到穩態。
頻率可變的時鐘信號CLK有助於快速回應瞬態變化，從而使PWM開關調節器100獲得更好的瞬態性能。第2圖是根據本發明一實施例的瞬態下表示誤差信號COMP和時鐘信號CLK的電壓分別隨時間變化的曲線圖。如第2圖所示，在第一穩態(即第2圖中的第一時間段)中，誤差信號COMP保持第一穩態值COMP1，因此第1圖中的振盪器118產生具有恒定頻率的時鐘信號CLK，該時鐘信號CLK的頻率與恒定誤差信號COMP相對應。
在t1時刻，負載110增大，說明進入瞬態(即第2圖中的第二時間段)。此時，由於負載110的需求增加，輸出電壓Vo隨時間降低，電壓回饋電路120產生的誤差信號COMP從第一穩態值COMP1隨時間開始增大。由於誤差信號COMP增大，振盪器118產生頻率較高的時鐘信號CLK。
基於頻率較高的時鐘信號CLK和控制信號PW，PWM控制器104以與第一穩態相比更長的脈衝寬度和更高的頻率導通第一開關管102a，為電感器106和電容器108充電。PWM控制器104也以更短的脈衝寬度和更高的頻率來導通第二開關管112b。因此，輸出電壓Vo增大，誤差信號COMP隨時間減小直到在時刻t2進入第二穩態(即第三時間段)。因為PWM開關調節器100的時鐘信號CLK的頻率增大，輸出電壓Vo與誤差信號COMP達到第二穩態的速度比傳統元器件快，從而使PWM開關調節器100獲得更好的瞬態性能。如第2圖所示，誤差信號COMP實際上超過了它的第二穩態值COMP2。
儘管前面所述的振盪器118基於電壓回饋電路120的誤差信號COMP來調製時鐘信號CLK的頻率，在其他實施例中，振盪器118可基於 檢測的開關電流Isw、PWM開關調節器100中其他合適的工作參數和或其組合來調製時鐘信號CLK的頻率。在進一步的實施例中，振盪器118可以省略，可採用PWM控制器104中數位信號的上升沿作為時鐘信號，並直接將誤差信號COMP供給PWM控制器104來調製該數位信號的上升沿。
第3至5圖是根據本發明實施例的用於第1圖所示PWM開關調節器的振盪器的電路原理圖。第3圖和第4圖給出了通過調節施加在振盪電容器上的充/放電電壓來控制時鐘信號CLK的暫態週期的技術。第5圖是通過調節為振盪電容器充電的振盪電流源來控制時鐘信號CLK的暫態週期的技術。儘管在第3至5圖中給出了振盪器118的特定實施例，本領域的技術人員應當理解，振盪器118可以具有其他的和/或不同的實施方式。
第3圖給出第一實施例，其中振盪器118包括彼此耦接在一起的充電開關管132、振盪電容器134、振盪電流源136、振盪比較器138、單穩態電路140、分壓電阻器142以及電阻電流源144。充電開關管132具有漏極132a、源極132b和柵極132c。充電開關管132的漏極132a耦接至振盪器的輸入端117以接收誤差信號COMP，充電開關管132的源極132b在節點A耦接至振盪電容器134、振盪電流源136以及振盪比較器138的第一輸入端138a。充電開關管132的柵極132c耦接至單穩態電路140的輸出端。充電開關管132可包括MOSFET、JFET和/或其他類型合適的固態開關管。
分壓電阻器142與電阻電流源144串聯耦接在誤差信號COMP和地之間。因此，比較信號等於振盪器118中節點B的電壓VB，電壓VB可表示為： V B =V COMP -iR其中，VCOMP為振盪器輸入端117的電壓，R為分壓電阻器142的電阻值，i為電阻電流源144的電流。
振盪電容器134與振盪電流源136並聯耦接在充電開關管132的源極132b和地之間。振盪比較器138具有第一輸入端138a和第二輸入端138b，其中第一輸入端138a在節點A耦接至充電開關管132的源極132b，第二輸入端138b在節點B耦接至分壓電阻器142。這樣，振盪比較器138比較節點A和節點B處的電壓(分別表示為VA和VB)，並將比較結果經輸出端138c提供給單穩態電路140。在圖示的實施例中，第一輸入端138a為正向輸入端，第二輸入端138b為反向輸入端。在其他實施例中，第一輸入端138a和第二輸入端138b可具有其他合適的結構。
工作時，振盪器輸出端119的時鐘信號CLK的暫態頻率(或者暫態週期)與振盪電容器134的放電速率以及節點B的電壓值VB有關。最初，充電開關管132處於開路或者關斷狀態。振盪電流源136為振盪電容器134放電，直到振盪電容器134的電壓Vcapacitor等於B節點的電壓VB。一旦振盪電容器134的電壓Vcapacitor小於B節點的電壓VB，振盪比較器138觸發單穩態電路140產生作為時鐘信號CLK的脈衝。單穩態電路140產生的脈衝導通或者關閉充電開關管132，以將振盪電容器134充電至誤差信號電壓VCOMP，然後重複上述過程，產生週期性的時鐘信號CLK。
如上所述，節點B的電壓VB由誤差信號電壓VCOMP來確定，誤差信號電壓VCOMP的突然增大會導致B節點的電壓VB增大。因此，將放電 電容器134的電壓Vcapacitor下降至小於B節點的電壓VB，使得振盪比較器138觸發單穩態電路140所需要的時間更短。相應地，時鐘信號CLK的暫態週期可以被縮短，以有助於改善第1圖中PWM開關調節器100的瞬態性能。
在第3圖中，充電開關管132被關閉時，採用誤差信號電壓VCOMP對振盪電容器134充電。在其他實施例中，振盪電容器134可採用其他合適的電壓源(未畫出)來充電。例如，在一個實施例中，振盪電容器134採用恒定的參考電壓來充電。如上所述，隨著誤差信號電壓VCOMP的增大，B節點的電壓VB也增大。這樣將電容器的電壓Vcapacitor從恒定的參考電壓下降至小於B節點的電壓VB所需要的時間會縮短，從而減小時鐘信號CLK的暫態週期。
第4圖是振盪器118的第二個實施例，其中B節點的電壓VB高於誤差信號電壓VCOMP。如第4圖所示，電阻電流源144和分壓電阻器142串聯耦接在電源電壓VS和誤差信號電壓VCOMP之間，因此，節點B的電壓VB可表示為：V B =V COMP +iR振盪電流源136在節點A耦接至振盪電容器134、充電開關管132的漏極132a和振盪比較器138的第二輸入端138b。充電開關管132的源極132b耦接至誤差信號電壓VCOMP。第4圖所示的振盪器118的工作原理與第3圖中的振盪器類似，在此不再贅述。
第5圖是振盪器118的又一個實施例，其中通過調節振盪電流源136來控制時鐘信號CLK的暫態週期。與第4圖所示的振盪器118的實施例 不同，第5圖所示的振盪比較器138的第二輸入端138b耦接至恒定的振盪參考電壓。
如第5圖所示，振盪器118還包括電流設定電路146。電流設定電路146包括電流開關管150和電流比較器152，電流開關管150具有耦接至電阻電流源144的漏極150a和耦接至分壓電阻器142的源極150b。電流比較器152包括耦接至誤差信號電壓VCOMP的第一輸入端152a、耦接至分壓電阻器142的第二輸入端152b以及耦接至電流開關管150的柵極的輸出端152c。工作時，分壓電阻器142兩端的電壓被調節至等於誤差信號電壓VCOMP。因此，誤差信號電壓VCOMP設定流過分壓電阻器142的電流水準。
誤差信號電壓VCOMP設定的電流水準通過電流鏡147和/或其他合適的元器件被鏡像至振盪器電流源136，因此，當誤差信號電壓VCOMP增大，振盪電流源136提供的充電電流也增大，使得時鐘信號CLK的暫態週期變短，暫態頻率升高。當誤差信號電壓VCOMP減小，時鐘信號CLK的暫態週期被拉長，暫態頻率降低。
儘管第1圖中PWM開關調節器100為單相開關調節器，多相的PWM開關調節器同樣也適用本發明。例如，第6圖根據本發明一實施例的多相PWM開關調節器200的電路原理圖。如第6圖所示，與第1圖中所示的PWM開關調節器100不同，PWM開關調節器200包括分別耦接至第一、第二和第三PWM控制器104a、104b和104c的第一、第二和第三分相器109a、109b和109c、開關電路102a、102b和102c以及電感器106a、106b和106c。每個分相器分別在不同的相位選擇性地使能對應的PWM控制器。儘管第6圖中給出了三相PWM開關調節器，在其他實施例中，本發明可以應用於兩相和/或其 他任意類型合適的多相開關調節器。
上述的一些特定實施例僅僅以示例性的方式對本發明進行說明，這些實施例不是完全詳盡的，並不用於限定本發明的範圍。對於公開的實施例進行變化和修改都是可能的，其他可行的選擇性實施例和對實施例中元件的等同變化可以被本技術領域的普通技術人員所瞭解。本發明所公開的實施例的其他變化和修改並不超出本發明的精神和保護範圍。
CLK‧‧‧時鐘信號
COMP‧‧‧誤差信號
Isw‧‧‧開關電流
PW‧‧‧控制信號
Vin‧‧‧輸入電壓
Vo‧‧‧輸出電壓
Vref‧‧‧參考電壓
100‧‧‧PWM開關調節器
102‧‧‧開關電路
104、104a、104b、104c‧‧‧PWM控制器
106‧‧‧電感器
108‧‧‧電容器
110‧‧‧負載
112a、112b‧‧‧開關管
114‧‧‧電壓比較器
114a、116a‧‧‧第一端
114b、116b‧‧‧第二端
114c、105a、105b、119‧‧‧輸出端
116‧‧‧電流比較器
117‧‧‧輸入端
118‧‧‧振盪器
120‧‧‧電壓回饋電路
121‧‧‧限流電阻器
122‧‧‧回饋電阻器
124‧‧‧回饋電容器

Claims (3)

  1. 一種用於開關調節器的控制電路，其中開關調節器為負載提供輸出電壓，包括具有至少一個開關管的開關電路，該控制電路包括：電壓回饋電路，耦接至開關電路的輸出端，基於輸出電壓和參考電壓產生誤差信號；振盪器，具有輸入端和輸出端，其中輸入端耦接至電壓回饋電路以接收誤差信號，振盪器基於誤差信號，在輸出端產生時鐘信號；PWM控制器，耦接至電壓回饋電路和振盪器以接收誤差信號和時鐘信號，基於誤差信號和時鐘信號控制開關電路中的至少一個開關管；以及其中振盪器包括：振盪電流源，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至電源電壓；充電開關管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至振盪電流源的第二端，第二端耦接至誤差信號；振盪電容器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至振盪電流源的第二端，第二端耦接至地；振盪比較器，具有第一端、第二端和輸出端，其中第一端耦接至振盪電容器的第一端； 單穩態電路，具有輸入端和輸出端，其中輸入端耦接至振盪比較器的輸出端，輸出端耦接至充電開關管的控制端並用作振盪器的輸出端；以及分壓電阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至振盪比較器的第二端，第二端耦接至誤差信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中振盪器進一步包括：電阻電流源，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至參考電壓，第二端耦接至分壓電阻器的第一端。
  3. 一種開關調節器，包括如申請專利範圍第1至2項中任一項所述的控制電路，其中：開關電路包括：第一開關管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至輸入電壓，控制端耦接至PWM控制器；第二開關管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至第一開關管的第二端，第二端接地，控制端耦接至PWM控制器；所述控制電路進一步包括：電流比較器，耦接至電壓回饋電路和第一開關管，基於誤差信號和流過第一開關管的電流，產生控制信號，並將該控制信號提供至PWM控制器； 其中PWM控制器基於控制信號調節第一和第二開關管的占空比。
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