TWI714129B - 功率轉換器的開關控制電路和方法 - Google Patents

Abstract

一種開關控制裝置，包括：第一電壓-電流轉換單元，被配置成接收斜坡信號；第二電壓-電流轉換單元，被配置成接收與功率轉換器的輸出電壓成比例的反饋信號；第三電壓-電流轉換單元，被配置成接收誤差放大器的輸出信號的；以及具有第一輸入端和第二輸入端的比較器，比較器的第一輸入端與第三電壓-電流轉換單元的輸出端連接，比較器的第二輸入端通過第一加法器與第一電壓-電流轉換單元的輸出端與第二電壓-電流轉換單元的輸出端連接；由比較器的輸出確定功率轉換器的高壓側開關的導通。

Description

功率轉換器的開關控制電路和方法

本發明涉及功率轉換器的控制方案，並且在特定實施例中，涉及採用恒定導通時間控制方案的功率轉換器。

隨著技術進一步發展，諸如行動電話、平板PC、數碼相機、MP3播放機和/或類似裝置的各種電子裝置變得普及。每個電子裝置都需要大體上恒定電壓的直流功率，其電壓甚至在由電子裝置汲取的電流可在較寬範圍內變化時也可在設定誤差範圍內進行調節。為了使電壓維持在設定的誤差範圍內，耦合到電子裝置的功率轉換器(例如，切換dc/dc轉換器)提供非常快速的瞬態響應，同時在各種負載瞬態下保持穩定的輸出電壓。

諸如恒定導通時間方案的滯環功率轉換器(hysteretic-based power converter)控制方案可使得功率轉換器能夠提供快速瞬態響應。採用恒定導通時間控制方案的降壓轉換器可只包括反饋比較器和打開計時器。在運行時，功率轉換器(例如，降壓轉換器)的反饋電路將反饋信號與內部參考電壓直接進行比較。當反饋信號下降至低於內部參考電壓時，功率轉換器的高壓側開關導通，並且在導通計時器的計時時間內保持導通。作為高壓側開關導通的結果，功率轉換器的電感電流 上升。當導通計時器計時時間結束時，功率轉換器的高壓側開關關斷，並且直到反饋信號再次下降至低於內部參考電壓時重新導通。總之，當在功率轉換器中採用恒定導通時間控制方案時，通過導通計時器來結束功率轉換器的高壓側開關的導通時段。通過反饋比較器來結束功率轉換器的高壓側開關的斷開時段。

採用恒定導通時間控制方案的功率轉換器設計簡單。但是，恒定導通時間控制方案存在使用者不希望得到的不穩定問題，例如在輸出電壓處具有次諧波振盪的。次諧波振盪可能是由於輸出電容的ESR(等效串聯電阻)不足引起的。次諧波振盪可在功率轉換器的輸出端生成過度紋波電壓。此類過度紋波電壓在許多應用中都是不合適的。

為了避免次諧波振盪，在反饋電路中注入斜坡電壓以便解決這種不穩定的問題。斜坡電壓可由諸如檢測電流信號的內部斜坡或諸如通過用恒定電流源對斜坡電容充電而生成的斜坡電壓的外部斜坡來實現。

斜坡電壓對功率轉換器的運行具有顯著影響。更具體來說，大斜坡信號能夠改善功率轉換器的穩定性。另一方面，小斜坡信號有助於改善功率轉換器的瞬態回應。

可通過直接在誤差放大器的反饋輸入端添加斜坡信號和反饋信號的方式，將斜坡信號注入到功率轉換器的控制回路中。但是，將斜坡信號直接注入到控制回路中可造成諸如誤差發生器的輸入偏移等的一些不良效果。

期望提供用於將斜坡信號與反饋信號分離以便在各種操作狀況下實現穩定操作和快速瞬態響應的設備和/或方法。

在實施例提供一種可在各種運行狀況下，實現快速瞬態響應並改善滯環功率轉換器性能的控制方案。

根據一個實施例，一種開關控制裝置包括：第一電壓-電流轉換單元，被配置成接收斜坡信號；第二電壓-電流轉換單元，被配置成接收與功率轉換器的輸出電壓成比例的反饋信號；第三電壓-電流轉換單元，被配置成接收誤差放大器的輸出信號的；以及具有第一輸入端和第二輸入端的比較器，比較器的第一輸入端與第三電壓-電流轉換單元的輸出端連接，比較器的第二輸入端通過第一加法器與第一電壓-電流轉換單元的輸出端與第二電壓-電流轉換單元的輸出端連接；由比較器的輸出確定功率轉換器的高壓側開關的導通。

根據另一個實施例，一種開關控制方法包括：對斜坡電流信號與反饋電流信號求和，獲取第一控制電流；其中，通過第一電壓-電流轉換級基於斜坡電壓信號生成斜坡電流信號，並通過第二電壓-電流轉換級基於反饋信號生成反饋電流信號；對參考電流信號和控制電流信號求和，獲取第二控制電流；其中，通過第三電壓-電流轉換級基於參考信號生成參考電流信號，並通過第四電壓-電流轉換級基於控制信號生成控制電流信號；以及比較第一控制電壓和第二控制電壓，確定功率轉換器的高壓側開關導通；其中，第一控制電壓通過施加到第一電阻的第一控制電流生成，第二控制電壓通過施加到第二電阻的第二控制電流生成。

根據又一個實施例，一種功率轉換器包括：串聯連接在輸入 電源和地之間的第一開關和第二開關；連接在第一開關和第二開關的共同節點與輸出電容之間的電感；被配置成為第一開關和第二開關生成柵極驅動信號的控制設備；控制設備包括：反饋控制裝置和斜坡信號發生器；反饋控制設備的反饋信號和斜坡信號發生器的斜坡信號通過加法級相加；加法級的輸出施加到比較器的第一輸入端；導通時間發生器；以及鎖存器，鎖存器的置位端被配置成接收比較器的輸出信號，鎖存器的復位端被配置成接收導通時間發生器的輸出信號。

本發明的較佳實施例的優點是，通過將斜坡信號從功率轉換器的反饋節點處的反饋信號分離並經由加法級注入到反饋回路的方式，提高了功率轉換器的性能。

上文相當廣泛地概述了本發明的特徵和技術優點，以便可以更好地瞭解以下對本發明的詳細描述。下文將描述形成本發明的請求項的主題的本發明的額外特徵和優點。本領域技術人員應明白，可容易地利用公開的概念和特定實施例作為修改或設計用於進行本發明的相同目的的其它結構或過程的基礎。本領域技術人員還應意識到，此類等效構造並未偏離隨附請求項中闡述的本發明的精神和範圍。

100:功率轉換器

180:控制設備

202:放大裝置/誤差放大器

204:加法級

206:比較裝置/比較器

208:脈寬調製(PWM)電路/鎖存器

210:第一加法器

212:斜坡信號發生器

214:導通時間控制裝置

216:控制邏輯裝置

240:電流源

242:比較器

Q1:第一開關/高壓側開關

Q2:第二開關/低壓側開關

Lo:電感

Co:輸出電容

VIN:輸入電壓

Vo:輸出電壓

FB:輸入信號

VFB:反饋信號

VREF:參考電壓/輸入信號

VREF’:參考信號

VCTRL:輸出信號/控制信號

VRAMP:斜坡信號

SUMN:第一輸出端

SUMP:第二輸出端

LSON:低壓側柵極驅動信號

TOUT:信號

HSON:第一輸出端信號

Q1G:第一輸出端信號

Q2G:第二輸出端信號

RB1:電阻

RB2:電阻

R1:第一電阻

R2:第二電阻

V1:第一電壓

V2:第二電壓

RRMP1:第一斜坡電阻

RRMP2:第二斜坡電阻

CRMP1:第一斜坡電容

CRMP2:第二斜坡電容

VBIAS:偏置電壓

Gm1:第一增益控制單元/電阻

Gm2:第二增益控制單元/電阻

Gm3:第三增益控制單元/電阻

Gm4:第四增益控制單元/電阻

Vth:預定參考電壓

Con:電容

Son:開關

I1:第一電流源

I2:第二電流源

RG1:第一增益控制單元

RG2:第二增益控制單元

RG3:第三增益控制單元

RG4:第四增益控制單元

T1:第一晶體管

T2:第二晶體管

T3:第三晶體管

T4:第四晶體管

S1:解碼器

SN:解碼器

VOUT:輸出電壓

1100:加法級

1102:控制器

1002:將斜坡電流信號和反饋電流信號相加，獲取第一控制電流，斜坡電流信號通過第一電壓-電流轉換級基於斜坡電壓信號生成反饋電流信號通過第二電壓-電流轉換級基於反饋信號生成

1004:參考電流信號和控制電流信號相加，獲取第二控制電流。參考電流信號通過第三電壓-電流轉換級基於參考信號生成；控制電流信號通過第四電壓-電流轉換級基於控制信號生成

1006:通過第一控制電壓和第二控制電壓的比較結果控制功率轉換器的高壓側開關導通，所第一控制電壓和第二控制電壓由加法級生成

圖1示出本發明實施例的功率轉換器的控制設備的框圖；圖2示出本發明實施例在圖1中示出的功率轉換器的控制設備的第一實施例的具體框圖；圖3示出本發明實施例在圖2中示出的控制設備的示意圖； 圖4示出本發明實施例在圖3中示出的加法級的第一實施例的示意圖；圖5示出本發明實施例在圖3中示出的加法級的第二實施例的示意圖；圖6示出本發明實施例在圖1中示出的功率轉換器的控制設備的第二實施例的具體框圖；圖7示出本發明實施例在圖6中示出的控制設備的示意圖；圖8示出本發明實施例在圖7中示出的加法級的第一實施例的示意圖。

圖9示出本發明實施例在圖7中示出的加法級的第二實施例的示意圖

圖10示出本發明實施例用於控制圖1中示出的功率轉換器的方法的流程圖；以及圖11示出本發明實施例用於執行增益調整的控制器的示意圖。

下文詳細論述目前較佳的實施例的製作和使用。但是，應明白，本發明提供可在各種各樣的特定背景中實施的許多適用的發明概念。論述的特定實施例只是說明製作和使用本發明的特定方式，而不是限制本發明的範圍。

將以在特定場景中的較佳實施例，被稱為“具有用於將斜坡信號注入到功率轉換器的控制回路的加法級的功率轉換器”來描述本發明。但是，本發明也可適用於各種功率轉換器。下文中，將結合圖式詳細解釋各種實施例。

圖1示出根據本發明實施例的功率轉換器的控制設備的框圖。功率轉換器100是降壓型功率轉換器(又稱為buck轉換器)。通過控制設備180來控制功率轉換器100的運行。

如圖1所示，功率轉換器100包括第一開關Q1、第二開關Q2、電感Lo和輸出電容Co。如圖1所示，第一開關Q1和第二開關Q2串聯連接在輸入電壓VIN和地之間。電感Lo連接在第一開關Q1和第二開關Q2的共同節點與輸出電容Co之間。在本說明書中，在另一些實施例中，第一開關Q1可被稱為功率轉換器100的高壓側開關。同樣地，第二開關Q2可被稱為功率轉換器100的低壓側開關。

在一些實施例中，功率轉換器100由恒定導通時間功率轉換器實現。在另一些實施例中，功率轉換器100還可由諸如恒定斷開時間功率轉換器的其它合適的功率轉換器實現。此外，恒定導通時間控制只是示例。本領域技術人員可以理解，取決於不同應用和設計需要，其它合適的控制機制也可以應用於功率轉換器100。

第一開關Q1和第二開關Q2由如圖1所示的n-型晶體管實現。通過控制設備180控制第一開關Q1的閘極和第二開關Q2的閘極。

應注意，圖1中示出的功率轉換器100只是示例，它不應過度限制請求項的範圍。本領域技術人員將意識到許多改變、備選和修改。例如，第一開關Q1可由p-型晶體管實現。此外，功率轉換器100的開關(例如，第一開關Q1)可由並聯連接的多個n-型晶體管實現。

在一些實施例中，控制設備180可對功率轉換器100運用恒定導通時間控制方案。另外，在不同運行狀況下，控制設備180可對反饋控制電路施加斜坡信號以便實現穩定操作和快速瞬態響應。更具體來說，控制設備180可包括加法級(summing stage)，通過加法級將斜坡信號注入到反饋控制電路中。通過加法級的應用，反饋信號和斜坡信號不會直接 在反饋控制電路的誤差放大器的輸入端加入。相反，反饋信號和斜坡信號作為兩個獨立信號，通過加法級將兩者疊加。

如圖1所示，控制設備180被配置成接收輸入電壓VIN和輸出電壓Vo。基於輸出電壓Vo和/或輸入電壓VIN，控制設備180生成用於控制功率轉換器100運行的兩個柵極信號。下文將關於圖2-9描述控制設備180的詳細操作過程。

圖2示出根據本發明實施例在圖1中示出的功率轉換器的控制設備的第一實施例的詳細框圖。功率轉換器100的控制設備180包括放大裝置202、斜坡信號發生器212、加法級204、比較裝置206、導通時間控制裝置214、脈寬調變(PWM)電路208、控制邏輯裝置216和驅動裝置218。

放大裝置202用於監測功率轉換器100的輸出電壓。放大裝置202的輸入信號FB是與功率轉換器100的輸出電壓成比例的信號。放大裝置202的輸入信號VREF是預定參考電壓。

加法級204具有四個輸入端和兩個輸出端。如圖2所示，加法級204具有被配置成接收斜坡信號VRAMP的第一輸入端、配置成接收反饋信號VFB的第二輸入端、配置成接收放大裝置202的輸出信號VCTRL的第三輸入端以及配置成接收參考信號VREF’的第四輸入端。在本說明書中，VCTRL在另一些實施例中可以被稱為控制信號VCTRL。

斜坡信號VRAMP由斜坡信號發生器212生成。現在將結合圖3描述斜坡信號發生器212的詳細結構。反饋信號VFB是與功率轉換器100的輸出電壓Vo成比例的信號。參考信號VREF’與參考電壓VREF成比 例。

在一些實施例中，參考信號VREF’等於k乘以參考電壓VREF，其中k在從0到1的範圍中。輸出信號VCTRL等於(1-k)乘以參考電壓VREF的附近的值。具有以上參考信號VREF’和輸出信號VCTRL的組合的一個優勢是，放大裝置202的輸出信號VCTRL只需具有小的動態範圍便可全面調節功率轉換器100。下文將結合圖3-5描述加法級204的詳細結構。

導通時間控制裝置214具有三個輸入端和一個輸出端。如圖2所示，導通時間控制裝置214接收輸入電壓VIN、輸出電壓Vo和低壓側柵極驅動信號LSON。基於接收的信號，導通時間控制裝置214生成信號TOUT，將信號TOUT饋送到PWM電路208中。

根據恒定導通時間功率轉換器的工作原理，當檢測的輸出電壓低於預定參考信號(例如，圖2中的VREF)時，通過比較裝置206令高壓側開關Q1導通。更具體來說，通過對PWM電路208的第一輸入端(例如，鎖存器的設置輸入端)施加邏輯高電平來生成高壓側開關Q1的導通信號。在高壓側開關Q1導通之後，通過導通時間控制裝置214來控制高壓側開關Q1的斷開。通過對PWM電路208的第二輸入端(例如，鎖存器的復位端)施加邏輯高電平來生成高壓側開關Q1的關斷信號。

控制邏輯裝置216具有與PWM電路208的輸出端連接的輸入端。在一些實施例中，採用控制邏輯裝置216來基於PWM電路208的(所述一個或多個)輸出信號生成高壓側驅動信號和低壓側驅動信號。此外，可利用控制邏輯裝置216為高壓側驅動信號和低壓側驅動信號產生特定的特徵。例如，控制邏輯裝置216可在高壓側驅動信號和低壓側驅動信號之 間插入一個短的時間段。該時間段稱為高壓側驅動信號和低壓側驅動信號之間的死區時間。

控制邏輯裝置216具有兩個輸出端。第一輸出端SUMN為高壓側開關Q1提供柵極驅動信號。控制邏輯裝置216的第一輸出端信號被定義為如圖2所示的HSON。第二輸出端SUMP為低壓側開關Q2提供柵極驅動信號。控制邏輯裝置216的第二輸出端信號被定義為如圖2所示的LSON。

採用驅動裝置218來為功率轉換器100提供高速和高電流驅動能力。在一些實施例中，驅動裝置218還可包括用於驅動n-通道高壓側開關(例如，高壓側開關Q1)的電平移位電路(level-shifting circuit)。

驅動裝置218具有兩個輸出端。第一輸出端SUMN連接到高壓側開關Q1的柵極。驅動裝置218的第一輸出端信號被定義為如圖2所示的Q1G。第二輸出端SUMP連接到低壓側開關Q2的柵極。驅動裝置218的第二輸出端信號被定義為如圖2所示的Q2G。

圖3示出根據本發明實施例在圖2中示出的控制設備的示意圖。控制設備180包括放大裝置202、斜坡信號發生器212、加法級204、比較裝置206和導通時間控制裝置214。如圖3所示，放大裝置202作為誤差放大器實現。在本說明書中，放大裝置202在另一些實施例中被稱為誤差放大器202。

誤差放大器202的正相輸入端配置成接收預定參考電壓VREF。在一些實施例中，預定參考電壓VREF等於0.8V。參考電壓VREF具有預定值(例如，0.8V)。取決於不同應用和設計需要，參考電壓VREF 可相應地改變。

如圖3所示，誤差放大器202的反相輸入端連接到由電阻RB1和RB2形成的分壓器。更具體來說，誤差放大器202的反相輸入端連接到電阻RB1和RB2的共同節點。

輸出電容Co可由低-ESR陶瓷電容實現。在一些實施例中，輸出電容Co的電容在從約1μF到約10μF範圍中。輸出電容Co的ESR在從約1毫歐到約10毫歐範圍中。在一些實施例中，前饋電容(未示出)可與電阻RB1並聯設置以便進一步改善功率轉換器100的瞬態響應。

應注意，選擇圖3中示出的誤差放大器202僅是為了示範的目的，而不是要將本發明的各種實施例局限於任何特定放大器。本領域技術人員將意識到許多改變、備選和修改。例如，誤差放大器202可包括跨導放大器和補償網路。

斜坡信號發生器212包括第一斜坡電阻RRMP1、第一斜坡電容CRMP1、第二斜坡電阻RRMP2和第二斜坡電容CRMP2。如圖3所示，第一斜坡電阻RRMP1和第一斜坡電容CRMP1串聯連接在偏置電壓VBIAS和第一電壓V1之間。第二斜坡電阻RRMP2和第二斜坡電容CRMP2串聯連接在第一斜坡電阻RRMP1和第一斜坡電容CRMP1的共同節點與第二電壓V2之間。

在一些實施例中，偏置電壓VBIAS等於地面電壓(例如，GND)。在另一些實施例中，偏置電壓VBIAS等於1.2V。應注意，上文描述的電壓(GND和1.2V)只是示例。本領域技術人員將瞭解，可存在許多改變、修改和備選。

在一些實施例中，第一電壓V1是功率轉換器100的輸出電壓Vo。在另一些實施例中，第一電壓V1電位等於偏置電壓VBIAS。

在一些實施例中，第二電壓V2是功率轉換器100的開關節點(例如，Q1和Q2的共同節點)處的電壓。在另一些實施例中，第二電壓V2是功率轉換器100的內部開關節點處的電壓。

加法級204具有四個輸入端和兩個輸出端。加法級204的第一輸入端被配置成接收斜坡信號VRAMP。加法級204的第二輸入端被配置成接收反饋信號VFB。加法級204的第三輸入端被配置成接收控制信號VCTRL。加法級204的第四輸入端被配置成接收參考信號VREF’。

第一加法器210被配置成：分別通過第一增益控制單元Gm1和第二增益控制單元Gm2接收斜坡信號VRAMP和反饋信號VFB。斜坡信號VRAMP和反饋信號VFB被轉換為相應的電流信號，兩者相加並施加到第一電阻R1。第一電阻R1兩端的電壓是加法級204的第一輸出信號。如圖3所示，加法級204的第一輸出端處的電壓定義為SUMN。

第二加法器220被配置成分別通過第三增益控制單元Gm3和第四增益控制單元Gm4接收輸出信號VCTRL和參考信號VREF’。輸出信號VCTRL和參考信號VREF’被轉換為相應的電流信號，兩者相加並施加到第二電阻R2。第二電阻R2兩端的電壓是加法級204的第二輸出信號。如圖3所示，加法級204的第二輸出端處的電壓定義為SUMP。

比較裝置206由比較器實現。在本說明書中，比較裝置206在另一些實施例中被稱為比較器206。比較器206具有連接到加法級204的第一輸出端(SUMN)的反相輸入端。比較器206的正相輸入端連接到加 法級204的第二輸出端(SUMP)。

在一些實施例中，PWM電路208由如圖3所示的R-S鎖存器實現。在本說明書中，PWM電路208在另一些實施例中被稱為鎖存器208。鎖存器208的置位端與比較器206的輸出端連接。鎖存器208的復位端與導通時間控制裝置214的輸出端連接。鎖存器208的輸出端分別通過控制邏輯裝置216和驅動裝置218，與開關Q1和Q2的柵極連接。

鎖存器208的Q輸出端通過控制邏輯裝置216與高壓側開關Q1的柵極連接。控制邏輯裝置216與鎖存器208的Q輸出端對應的輸出是HSON。控制邏輯裝置216根據HSON和來自控制回路的各種其它控制信號生成LSON。

根據R-S鎖存器的工作原理，由比較器206的輸出確定施加到高壓側開關Q1的柵極驅動信號的導通沿或上升沿。由導通時間控制裝置214的輸出確定施加到高壓側開關Q1的柵極驅動信號的關斷沿或下降沿。

導通時間控制裝置214包括電流源240、電容Con、開關Son和比較器242。在一些實施例中，電流源240可耦合到輸入電壓VIN。此外，電流源240的電流與輸入電壓VIN成比例。在一些實施例中，電流源240的電流可等於輸入電壓VIN除以預定電阻。將電容Con兩端的電壓饋送到比較器242的正相輸入端。比較器242的反相輸入端連接到預定參考電壓Vth。可基於輸入電壓VIN、輸出電壓Vo、或輸入電壓VIN和輸出電壓Vo的組合生成預定參考電壓Vth。例如，預定參考電壓Vth可與輸出電壓Vo成比例，或者與開關占空比和輸入電壓VIN成比例。

在運行時，當高壓側開關Q1導通時，分別對R-S鎖存器208的置位端和復位端施加邏輯電平“1”和邏輯電平“0”。響應於R-S鎖存器208的輸入端處的邏輯變化，控制邏輯裝置216在HSON處生成邏輯電平“1”，並在LSON處生成邏輯電平“0”。LSON處的邏輯電平“0”關斷開關Son。作為關斷開關Son的結果，電流源240開始以線性方式對電容Con充電。在比較器242處將電容Con兩端的電壓與預定參考電壓Vth進行比較。在電容Con兩端的電壓達到預定參考電壓Vth後，比較器242的輸出端生成邏輯電平“1”，由此重置R-S鎖存器208並在Q輸出端生成邏輯電平“0”。利用Q輸出端處的邏輯電平“0”來控制高壓側開關Q1斷開。一旦高壓側開關Q1斷開，控制邏輯裝置216便在LSON處生成邏輯電平“1”，由此令低壓側開關Q2導通。如圖3所示，還利用LSON處的邏輯電平“1”來控制開關Son導通。導通的開關Son對電容Con放電，並將電容Con兩端的電壓維持在約等於0。因此，電容Con兩端的電壓是斜坡電壓。該斜坡電壓與施加到高壓側開關Q1的柵極驅動信號同步。換句話說，在高壓側開關Q1導通的期間，斜坡電壓從0開始並線性地上升。而在柵極驅動信號的下降沿施加到高壓側開關Q1時，斜坡電壓恢復到0。

圖4示出根據本發明實施例在圖3中示出的加法級的第一實施例的示意圖。加法級204具有四個輸入端(即，VRAMP、VFB、VCTRL和VREF’)和兩個輸出端(即，SUMP和SUMN)。如圖4所示，第一晶體管T1和第一增益控制單元RG1串聯連接在第一電流源I1和加法級204的第一輸出端SUMN之間。第一晶體管T1的柵極被配置成接收斜坡信號VRAMP。第一晶體管T1是p型晶體管。第一晶體管T1的源極與第一增益 控制單元RG1連接。第一晶體管T1的汲極與第一輸出端SUMN連接。第一增益控制單元RG1由如圖4所示的電阻R1實現。

如圖4所示，第二晶體管T2和第二增益控制單元RG2串聯連接在第二電流源I2和加法級的第一輸出端SUMN之間。第二晶體管T2的柵極被配置成接收反饋信號VFB。第三晶體管T3和第三增益控制單元RG3串聯連接在第一電流源I1和加法級204的第二輸出端SUMP之間。第三晶體管T3的柵極被配置成接收控制信號VCTRL。第四晶體管T4和第四增益控制單元RG4串聯連接在第二電流源I2和加法級204的第二輸出端SUMP之間。第四晶體管T4的柵極被配置成接收參考信號VREF’。晶體管T2、T3和T4是p型晶體管。增益控制單元RG2、RG3和RG4由如圖4所示的電阻R2實現。

在運行時，加法級204分別將斜坡信號VRAMP和反饋信號VFB轉換成斜坡電流信號和反饋電流信號。分別通過第一增益控制單元RG1和第二增益控制單元RG2來控制電壓-電流轉換增益。例如，可通過減小第一增益控制單元RG1的電阻值來增加斜坡信號VRAMP的跨導增益。

將斜坡電流信號和反饋電流信號相加。斜坡電流信號和反饋電流信號之和被施加到第一輸出端SUMN處的電阻R1。第一輸出端SUMN處的輸出信號是斜坡信號VRAMP乘以第一預定增益和反饋信號VFB乘以第二預定增益之和。

同樣地，加法級204分別將控制信號VCRTL和參考信號VREF’轉換成控制電流信號和參考電流信號。分別通過第三增益控制單元 RG3和第四增益控制單元RG4來控制電壓-電流轉換增益。令控制電流信號和參考電流信號相加，並將兩者之和施加到第二輸出端SUMP處的電阻R2。第二輸出端SUMP處的輸出信號是控制信號VCTRL乘以第三預定增益和參考信號VREF’乘以第四預定增益之和。

應注意，控制信號VCRTL和參考信號VREF’的電壓-電流轉換增益可與斜坡信號VRAMP和反饋信號VFB的電壓-電流轉換增益相同。在另一些實施例中，取決於不同應用和設計需要，控制信號VCRTL和參考信號VREF’的電壓-電流轉換增益可與斜坡信號VRAMP和反饋信號VFB的電壓-電流轉換增益不同。

圖5示出根據本發明實施例在圖3中示出的加法級的第二實施例的示意圖。圖5中示出的加法級204與圖4中示出的加法級類似，不同之處在於，通過多個電阻-開關網路形成增益控制單元。如圖5所示，多個第一電阻-開關網路與電阻RG1並聯連接。所述多個第一電阻-開關網路被配置成動態地調整第一增益控制單元RG1的增益。

同樣地，多個第二電阻-開關網路與電阻RG2並聯連接。所述多個第二電阻-開關網路被配置成動態地調整第二增益控制單元RG2的增益。多個第三電阻-開關網路與電阻RG3並聯連接。所述多個第三電阻-開關網路被配置成動態地調整第三增益控制單元RG3的增益。多個第四電阻-開關網路與電阻RG4並聯連接。所述多個第四電阻-開關網路被配置成動態地調整第四增益控制單元RG4的增益。

在一些實施例中，圖5中示出的所述多個電阻-開關網路由多個二進制加權電阻-開關網路實現。例如，所述多個二進制加權電阻-開關 網路具有與預定的二進制位數對應的增益值，所述預定的二進制位數具有從最低有效位到最高有效位的範圍(例如，2n：2n-1...4：2：1的比)。

具有如圖5所示的可調增益控制單元的一個優勢是，可在不同操作狀況下調整諸如斜坡信號VRAMP的控制信號VCTRL。此類可調的斜坡信號VRAMP有助於提高功率轉換器100的性能。例如，利用可調的斜坡信號VRAMP，功率轉換器100能夠在各種運行狀況下實現穩定操作和快速瞬態響應。

圖11是控制可調整增益的加法級的示例，該加法級的增益控制開關基於功率轉換器100的占空比進行選擇。占空比檢測器塊包括比較器的陣列、從輸入電壓VIN分壓的一系列閾值電壓以及用於解碼比較器輸出以便確定功率轉換器100的占空比等級的解碼器。由解碼器的輸出(S1至SN)驅動加法級的增益控制開關，從而基於檢測的占空比等級選擇合適的增益。

圖6示出根據本發明實施例在圖1中示出的功率轉換器的控制設備的第二實施例的詳細框圖。圖6中示出的控制設備180與圖2中示出的控制設備180類似，不同之處在於，不將參考信號VREF’饋送到加法級204中。由於關於圖2詳細論述了控制設備180的結構，所以這裡不再論述以免重複。

圖7示出根據本發明實施例在圖6中示出的控制設備的示意圖。圖7中示出的控制設備180與圖3中示出的控制設備180類似，因此不再進一步詳細論述以免重複。

圖8示出根據本發明實施例在圖7中示出的加法級的第一實 施例的示意圖。圖8中示出的加法級204與圖4中示出的加法級204類似，不同之處在於，第四晶體管T4的柵極改為與控制信號VCRTL連接，並且第三晶體管T3的柵極接地。由於關於圖4詳細論述了加法級204的結構，所以這裡不再論述以免重複。

圖9示出根據本發明實施例在圖7中示出的加法級的第二實施例的示意圖。圖9中示出的加法級204與圖5中示出的加法級204類似，因此不再進一步詳細論述以免重複。

圖10示出根據本發明實施例用於控制圖1中示出的功率轉換器的方法的流程圖。圖10中示出的該流程圖只是示例，它不應過度限制請求項的範圍。本領域技術人員將意識到許多改變、備選和修改。例如，圖10中示出的各種步驟可增加、去除、替換、重新排列和重複。

功率轉換器包括串聯連接在輸入電源和地之間的高壓側開關和低壓側開關。功率轉換器還包括連接在高壓側開關和低壓側開關的共同節點與輸出電容之間的電感。通過恒定導通時間控制方案來控制功率轉換器。通過比較器的輸出控制功率轉換器的高壓側開關導通。通過預定導通計時器控制高壓側開關斷開。比較器的輸入端與加法級的輸出端連接。

在步驟1002，將斜坡電流信號和反饋電流信號相加，獲取第一控制電流。通過第一電壓-電流轉換級，由斜坡電壓信號生成斜坡電流信號，並通過第二電壓-電流轉換級，由反饋信號生成反饋電流信號。將第一控制電流施加到第一電阻。作為將第一控制電流施加到第一電阻的結果，在加法級的第一輸出端生成第一控制電壓。

在步驟1004，將參考電流信號和控制電流信號相加，獲取 第二控制電流。通過第三電壓-電流轉換級，由參考信號生成參考電流信號，並通過第四電壓-電流轉換級，由控制信號生成控制電流信號。控制信號是誤差放大器的輸出信號。將第二控制電流施加到第二電阻。作為將第二控制電流施加到第二電阻的結果，在加法級的第二輸出端生成第二控制電壓。

在步驟1006，通過比較器比較由加法級生成的第一控制電壓和第二控制電壓。通過比較器的輸出信號控制功率轉換器的高壓側開關導通。通過預定導通計時器的輸出信號控制功率轉換器的高壓側開關斷開。

圖11示出根據本發明實施例用於實現可調增益的控制器的示意圖。加法級1100包括多個可調增益控制單元。上文關於圖5詳細描述了具有多個可調增益控制單元的加法級204的結構和操作原理，因此這裡不再論述以免不必要的重複。

使用控制器1102控制加法級1100的開關(例如，S1至SN)的導通/斷開。如圖11所示，控制器1102被配置成接收諸如輸入電壓VIN和輸出電壓VOUT的多個指令引數。控制器1102包括比較器陣列、從輸入電壓VIN分壓的一系列閾值電壓以及用於解碼比較器輸出，確定功率轉換器100的占空比等級的解碼器。利用控制器1102的輸出來驅動加法級1100的開關(例如，S1至SN)以便基於檢測的占空比等級獲得合適的增益。

應意識到，儘管圖11示出一個控制器1102，但是加法級1100可容納任意數量的控制器。更具體來說，可存在四個控制器來控制這四個可調增益控制單元的運行。在另一些實施例中，可將這四個控制器集成到 一個單個控制器中。

儘管詳細描述了本發明的實施例和它的優點，但是應瞭解，在不偏離由隨附請求項限定的本發明的精神和範圍的情況下，可在本文中進行各種改變、替換和變更。

此外，不希望將本發明的範圍局限於本說明書中描述的過程、機器、製造、物質組成、方式、方法和步驟的特定實施例。本領域技術人員將從本發明的公開容易地明白，根據本發明，可利用目前現有或稍後開發的用於與本文中描述的對應實施例執行大體上相同的功能或實現大體上相同的結果的過程、機器、製造、物質組成、方式、方法或步驟。因此，希望隨附請求項在它們的範圍內包含此類過程、機器、製造、物質組成、方式、方法或步驟。

100:功率轉換器

180:控制設備

Q1:第一開關

Q2:第二開關

Lo:電感

Co:輸出電容

VIN:輸入電壓

Vo:輸出電壓

Claims (17)

1. 一種開關控制裝置，包括：一第一電壓-電流轉換單元，被配置成接收一斜坡信號；一第二電壓-電流轉換單元，被配置成接收與一功率轉換器的輸出電壓成比例的一反饋信號；一第三電壓-電流轉換單元，被配置成接收一誤差放大器的一輸出信號的；一第四電壓-電流轉換單元，被配置成接收與該誤差放大器的參考電壓成比例的一參考信號；具有一第一輸入端和一第二輸入端的一比較器，該比較器的該第一輸入端與該第三電壓-電流轉換單元的輸出端連接，該比較器的該第二輸入端通過一第一加法器與該第一電壓-電流轉換單元的輸出端與該第二電壓-電流轉換單元的輸出端連接；以及具有配置成接收該第三電壓-電流轉換單元的該輸出信號的該第一輸入端、配置成接收該第四電壓-電流轉換單元的該輸出信號的該第二輸入端以及連接到該比較器的該第一輸入端的一第二加法器；其中由該比較器的輸出確定該功率轉換器的一高壓側開關的導通。
2. 如請求項1所述之開關控制裝置，其中，該比較器的一反相輸入端與該第一加法器的輸出端連接；該比較器的一正相輸入端與該第二加法器的輸出端連接。
3. 如請求項1所述之開關控制裝置，其中，該第一電壓-電流轉換單元、該第二電壓-電流轉換單元、該第三電壓-電流轉換單元、該第四電壓-電流轉換單元、該第一加法器和該第二加法器形成一加法級；該加法級包括：串聯連接在一第一電流源和該加法級的一第一輸出端之間的一第一晶體管和一第一電阻，該第一晶體管的柵極被配置成接收該斜坡信號，該第一電阻作為一第一增益控制單元；串聯連接在一第二電流源和該加法級的該第一輸出端之間的一第二晶體管和一第二電阻，該第二晶體管的柵極被配置成接收該反饋信號，該第二電阻作為一第二增益控制單元；串聯連接在該第一電流源和該加法級的一第二輸出端之間的一第三晶體管和一第三電阻，該第三晶體管的柵極被配置成接收該誤差放大器的該輸出信號，該第三電阻作為一第三增益控制單元；以及串聯連接在該第二電流源和該加法級的該第二輸出端之間的一第四晶體管和一第四電阻，該第四晶體管的柵極被配置成接收該參考信號，該第四電阻作為一第四增益控制單元。
4. 如請求項3所述之開關控制裝置，還包括：與該第一電阻並聯連接的多個第一電阻-開關網路，多個該第一電阻-開關網路被配置成：動態地調整該第一增益控制單元的增益；與該第二電阻並聯連接的多個第二電阻-開關網路，多個該第二電阻-開關網路被配置成：動態地調整該第二增益控制單元的增益； 與該第三電阻並聯連接的多個第三電阻-開關網路，多個該第三電阻-開關網路被配置成：動態地調整該第三增益控制單元的增益；以及與該第四電阻並聯連接的多個第四電阻-開關網路，多個該第四電阻-開關網路被配置成：動態地調整該第四增益控制單元的增益。
5. 如請求項1所述之開關控制裝置，其中，該功率轉換器包括：串聯連接在輸入電源和地之間的該高壓側開關和一低壓側開關；以及連接在該高壓側開關和該低壓側開關的共同節點與一輸出電容之間的一電感。
6. 如請求項5所述之開關控制裝置，其中，該高壓側開關的斷開係通過一預定導通計時器控制。
7. 一種開關控制方法，包括：對一斜坡電流信號與一反饋電流信號求和，獲取一第一控制電流；其中，通過一第一電壓-電流轉換級基於一斜坡電壓信號生成該斜坡電流信號，並通過一第二電壓-電流轉換級基於一反饋信號生成該反饋電流信號；對一參考電流信號和一控制電流信號求和，獲取一第二控制電流；其中，通過一第三電壓-電流轉換級基於一參考信號生成該參考電流信號，並通過一第四電壓-電流轉換級基於一控制信號生成該控制電流信號；以及比較一第一控制電壓和一第二控制電壓，確定一功率轉換器的一高壓側開關導通；其中，該第一控制電壓通過施加到一第一電阻的該 第一控制電流生成，該第二控制電壓通過施加到一第二電阻的該第二控制電流生成。
8. 如請求項7所述之開關控制方法，其中，該功率轉換器是一降壓型轉換器，包括：串聯連接在輸入電源和地之間的一第一開關和一第二開關；以及連接在該第一開關和該第二開關的共同節點與一輸出電容之間的一電感。
9. 如請求項7所述之開關控制方法，其中，由一加法級執行對該斜坡電流信號與該反饋電流信號求和以及對該參考電流信號和該控制電流信號求和；該加法級包括：串聯連接在一第一電流源和該第一電阻之間的一第一晶體管和一第一增益控制單元，該第一晶體管的柵極被配置成接收該斜坡電壓信號；串聯連接在一第二電流源和該第一電阻之間的一第二晶體管和一第二增益控制單元，該第二晶體管的柵極被配置成接收該反饋信號；串聯連接在該第一電流源和該第二電阻之間的一第三晶體管和一第三增益控制單元，該第三晶體管的柵極被配置成接收該控制信號；以及串聯連接在該第二電流源和該第二電阻之間的一第四晶體管和一第四增益控制單元，該第四晶體管的柵極被配置成接收該參考信號。
10. 如請求項9所述之開關控制方法，其中，該第一增益控制單元包括並聯連接的多個第一電阻-開關網路；該第二增益控制單元包括並 聯連接的多個第二電阻-開關網路；該第三增益控制單元包括並聯連接的多個第三電阻-開關網路；並且該第四增益控制單元包括並聯連接的多個第四電阻-開關網路。
11. 如請求項10所述之開關控制方法，還包括：通過控制多個該第一電阻-開關網路的開關導通或者斷開，動態地調整該第一增益控制單元的增益；通過控制多個該第二電阻-開關網路的開關導通或者斷開，動態地調整該第二增益控制單元的增益；通過控制多個該第三電阻-開關網路的開關導通或者斷開，動態地調整該第三增益控制單元的增益；以及通過控制多個該第四電阻-開關網路的開關導通或者斷開，動態地調整該第四增益控制單元的增益。
12. 如請求項7所述之開關控制方法，還包括：通過一恒定導通時間發生器生成一導通時間信號；以及比較該反饋信號和該參考信號，生成該控制信號，該反饋信號與該功率轉換器的輸出電壓成比例。
13. 如請求項12所述之開關控制方法，還包括：基於該導通時間信號，確定該功率轉換器的該高壓側開關斷開。
14. 一種功率轉換器，包括：串聯連接在輸入電源和地之間的一第一開關和一第二開關；連接在該第一開關和該第二開關的共同節點與一輸出電容之間的一電感； 被配置成為該第一開關和該第二開關生成柵極驅動信號的一控制設備；該控制設備包括：一反饋控制裝置和一斜坡信號發生器；一反饋控制設備的一反饋信號和該斜坡信號發生器的一斜坡信號通過一加法級相加；該加法級的輸出施加到一比較器的一第一輸入端；一導通時間發生器；以及一鎖存器，該鎖存器的一置位端被配置成接收該比較器的一輸出信號，該鎖存器的一復位端被配置成接收該導通時間發生器的一輸出信號；其中，該加法級包括：串聯連接在一第一電流源和該加法級的一第一輸出端之間的一第一晶體管和一第一增益控制單元，該第一晶體管的柵極被配置成接收該斜坡信號；串聯連接在一第二電流源和該加法級的該第一輸出端之間的一第二晶體管和一第二增益控制單元，該第二晶體管的柵極被配置成接收該反饋信號；串聯連接在該第一電流源和該加法級的一第二輸出端之間的一第三晶體管和一第三增益控制單元，該第三晶體管的柵極被配置成接收一誤差放大器的一輸出信號；以及串聯連接在該第二電流源和該加法級的該第二輸出端之間的一第四晶體管和一第四增益控制單元，該第四晶體管的柵極被配置成接收一參考信號。
15. 如請求項14所述之功率轉換器，其中，該反饋控制設備包括：連接在該輸出電容的正極端子和地之間的一電阻分壓器；以及具有與該電阻分壓器連接的一反相輸入端和與一參考電壓連接的一正相輸入端的一反饋放大器，從該反饋放大器的該反相輸入端檢測該反饋信號。
16. 如請求項14所述之功率轉換器，其中，該斜坡信號發生器包括：串聯連接在一第一電壓和一第二電壓之間的一第一斜坡電阻和一第一斜坡電容，該斜坡信號在該第一斜坡電容的兩端生成；以及串聯連接在該第一斜坡電阻和該第一斜坡電容的共同節點與一第三電壓之間的一第二斜坡電阻和一第二斜坡電容。
17. 如請求項14所述之功率轉換器，其中，該第一增益控制單元包括並聯連接的多個第一電阻-開關網路，多個該第一電阻-開關網路被配置成動態地調整該第一增益控制單元的增益；該第二增益控制單元包括並聯連接的多個第二電阻-開關網路，多個該第二電阻-開關網路被配置成動態地調整該第二增益控制單元的增益；該第三增益控制單元包括並聯連接的多個第三電阻-開關網路，多個該第三電阻-開關網路被配置成動態地調整該第三增益控制單元的增益；以及 該第四增益控制單元包括並聯連接的多個第四電阻-開關網路，多個該第四電阻-開關網路被配置成動態地調整該第四增益控制單元的增益。

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