TWI759862B - 開關穩壓器控制系統和開關穩壓器 - Google Patents

開關穩壓器控制系統和開關穩壓器 Download PDF

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Abstract

本發明公開了一種開關穩壓器控制系統和開關穩壓器。根據本發明實施例，該開關穩壓器控制系統包括負載動態感測模組，用於感測系統的輸出電壓，並基於輸出電壓生成兩路電流訊號；以及脈衝寬度調變比較器，用於基於兩路電流訊號來生成開關控制訊號，其中，開關控制訊號用於調變輸出電壓。通過上述方案，可以通過利用負載動態感測模組對輸出電壓進行感測，生成兩路電流訊號，並基於兩路電流訊號來調變輸出電壓，可以滿足對負載動態變化進行快速回應的開關穩壓器需求，防止其過衝或跌落。

Description

開關穩壓器控制系統和開關穩壓器
本發明屬於積體電路領域，尤其涉及一種開關穩壓器控制系統和開關穩壓器。
恒定頻率峰值電流模式開關穩壓器在電力電子系統中有廣泛的應用。傳統的恒定頻率峰值電流模式開關穩壓器，在負載電流發生跳變時，輸出電壓可能會有很大的跌落或者過衝，輸出電壓的這種突變(例如，跌落或過程)可能會導致負載裝置無法正常工作。
本發明實施例提供一種開關穩壓器控制系統和開關穩壓器，能夠通過利用負載動態感測模組對輸出電壓進行感測，生成兩路電流訊號，並基於兩路電流訊號來調變輸出電壓，滿足對負載動態變化進行快速回應的開關穩壓器需求，防止其過衝或跌落。
第一方面，本發明實施例提供了一種開關穩壓器控制系統，包括：負載動態感測模組，用於感測系統的輸出電壓，並基於輸出電壓生成兩路電流訊號；以及脈衝寬度調變比較器，用於基於兩路電流訊號來生成開關控制訊號，其中，開關控制訊號用於調變輸出電壓。
根據本發明第一方面提供的系統，還包括：求和電阻，用於基於兩路電流訊號中的第一路電流訊號，生成輸入至脈衝寬度調變比較器的一個輸入端的第一電壓；以及隔離緩衝電阻，用於基於兩路電流訊號中的第二路電流訊號，生成輸入至脈衝寬度調變比較器的另一輸入端的第二電壓，其中，脈衝寬度調變比較器具體用於基於第一電壓和第二電壓來生成開關控制訊號。
根據本發明第一方面提供的系統，還包括：開關控制器， 用於基於開關控制訊號對系統的輸入電壓進行斬波處理；以及電感，用於基於斬波後的電壓對電感電流進行調變，進而調變輸出電壓。
根據本發明第一方面提供的系統，還包括：誤差放大器，用於接收基準電壓和回饋電壓，並生成補償電壓；其中，第二電壓還取決於補償電壓，回饋電壓用於表徵輸出電壓。
根據本發明第一方面提供的系統，在感測到輸出電壓發生跌落時，第一路電流訊號為從求和電阻抽取的第一電流，第二路電流訊號為向隔離緩衝電阻注入的第二電流；在感測到輸出電壓發生過衝時，第一路電流訊號為向求和電阻注入的第三電流，第二路電流訊號為從隔離緩衝電阻抽取的第四電流。
根據本發明第一方面提供的系統，負載動態感測模組是線性感測模組。
根據本發明第一方面提供的系統，線性感測模組包括跨導放大器，跨導放大器用於基於輸出電壓和基準電壓，生成兩路電流訊號。
根據本發明第一方面提供的系統，負載動態感測模組包括：電源模組、第一電流鏡、第二電流鏡、第三電流鏡以及第四電流鏡；其中，電源模組用於接收基準電壓和回饋電壓，電源模組的第一輸出端連接至第一電流鏡的輸入端，第一電流鏡的一個輸出端用於輸出第四電流，第一電流鏡的另一輸出端連接至第二電流鏡的輸入端，並且第二電流鏡的輸出端用於輸出第三電流，電源模組的第二輸出端連接至第三電流鏡的輸入端，第三電流鏡的一個輸出端用於輸出第一電流，第三電流鏡的另一輸出端連接至第四電流鏡的輸入端，並且第四電流鏡的輸出端用於輸出第二電流，其中，回饋電壓用於表徵輸出電壓。
根據本發明第一方面提供的系統，電源模組包括第一電晶體、第二電晶體、第一電流源、第二電流源、第三電流源、第四電流源和電阻；其中，第一電晶體的閘極用於接收基準電壓，第二電晶體的閘極用於接收回饋電壓，第一電晶體的源極經由電阻連接至第二電晶體的源極，並且第一電晶體和第二電晶體的源極與汲極分別連接至第一電流源、第二 電流源、第三電流源和第四電流源。
根據本發明第一方面提供的系統，第一電流鏡包括第三電晶體、第四電晶體和第五電晶體；其中，第五電晶體的閘極與汲極分別連接至第一電晶體的汲極與源極，第五電晶體的閘極還連接至第三電晶體和第四電晶體的閘極，第三電晶體、第四電晶體和第五電晶體的源極接地，第四電晶體的汲極連接至第二電流鏡的輸入端，並且第三電晶體的汲極用於輸出第四電流。
根據本發明第一方面提供的系統，第一電流鏡為N型金屬氧化物半導體場效應(N-Metal-Oxide-Semiconductor，NMOS)電流鏡，並且第三電晶體、第四電晶體和第五電晶體為NMOS電晶體。
根據本發明第一方面提供的系統，第二電流鏡包括第六電晶體和第七電晶體；其中，第六電晶體的閘極連接至第七電晶體的閘極和汲極，第六電晶體和第七電晶體的源極用於接收負載動態感測模組的供電電壓，第七電晶體的汲極還連接至第一電流鏡的另一輸出端，並且第六電晶體的汲極用於輸出第三電流。
根據本發明第一方面提供的系統，第二電流鏡為P型金屬氧化物半導體場效應(P-Metal-Oxide-Semiconductor，PMOS)電流鏡，並且第六電晶體和第七電晶體為PMOS電晶體。
根據本發明第一方面提供的系統，第三電流鏡包括第八電晶體、第九電晶體和第十電晶體；其中，第八電晶體的閘極與汲極分別連接至第二電晶體的汲極與源極，第八電晶體的閘極還連接至第九電晶體和第十電晶體的閘極，第八電晶體、第九電晶體和第十電晶體的源極接地，第九電晶體的汲極連接至第四電流鏡的輸入端，並且第十電晶體的汲極用於輸出第一電流。
根據本發明第一方面提供的系統，第三電流鏡為NMOS電流鏡，並且第八電晶體、第九電晶體和第十電晶體為NMOS電晶體。
根據本發明第一方面提供的系統，第四電流鏡包括第十一電晶體和第十二電晶體；其中，第十二電晶體的閘極連接至第十一電晶 體的閘極和汲極，第十一電晶體和第十二電晶體的源極用於接收負載動態感測模組的供電電壓，第十一電晶體的汲極還連接至第三電流鏡的另一輸出端，並且第十二電晶體的汲極用於輸出第二電流。
根據本發明第一方面提供的系統，第四電流鏡為PMOS電流鏡，並且第十一電晶體和第十二電晶體為PMOS電晶體。
根據本發明第一方面提供的系統，負載動態感測模組是非線性感測模組，非線性感測模組包括模數轉換器或數模轉換器。
第二方面，本發明實施例提供了一種開關穩壓器，包括：如第一方面的開關穩壓器控制系統，開關穩壓器為降壓型開關穩壓器、升壓型開關穩壓器或升降壓型開關穩壓器。
本發明實施例的開關穩壓器控制系統和開關穩壓器，能夠利用負載動態感測模組對輸出電壓進行感測，生成兩路電流訊號，並基於兩路電流訊號來調變輸出電壓，可以滿足對負載動態變化進行快速回應的開關穩壓器需求，防止其過衝或跌落。
110:負載動態感測模組
120:脈衝寬度調變(PWM)比較器
130:開關控制器
140:電流採樣模組
150:斜坡補償模組
160:偏移電流模組
170:緩衝器
180:誤差放大器
190:分壓模組
210:補償網路
810:第一電流鏡
820:第二電流鏡
830:第三電流鏡
840:第四電流鏡
850:第一電流源
860:第二電流源
870:第三電流源
880:第四電流源
1101:跨導放大器
1301:邏輯單元
1401:比較器
1701:運算放大器
CCOMP:補償電容
I1:第一路電流訊號
I2:第二路電流訊號
IDC:偏移電流
IDYN1:第一電流
IDYN2:第二電流
IDYN3:第三電流
IDYN4:第四電流
IL:電感電流
ILOAD:負載電流
ISENSE:採樣電流
ISLOPE:斜坡補償電流
L1:電感
M1:第一電晶體
M2:第二電晶體
M3:第三電晶體
M4:第四電晶體
M5:第五電晶體
M6:第六電晶體
M7:第七電晶體
M8:第八電晶體
M9:第九電晶體
M10:第十電晶體
M11:第十一電晶體
M12:第十二電晶體
R:電阻
RBUF:隔離緩衝電阻
RCOMP:補償電阻
RFB1:第一電阻
RFB2:第二電阻
RSENSE:電流採樣電阻
RSUM:求和電阻
S1:第一開關
S2:第二開關
TON:導通時間
VCOMP:補償電壓
VCOMP_BUF:緩衝電壓
VFB:回饋電壓
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
VREF:基準電壓
VSUM:電壓
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對本發明實施例中所需要使用的圖式作簡單的介紹，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些圖式獲得其他的圖式。
圖1示出了本發明實施例提供的開關穩壓器控制系統的結構示意圖；
圖2是圖1所示開關穩壓器控制系統的具體實現方式的結構示意圖；
圖3是圖2所示開關穩壓器控制系統的具體實現方式的結構示意圖；
圖4是圖3所示開關穩壓器控制系統的具體實現方式的結構示意圖；
圖5示出了本發明實施例提供的開關穩壓器控制系統在輸出電壓跌落時各個訊號的波形示意圖；
圖6示出了本發明實施例提供的開關穩壓器控制系統在輸出電壓過衝時各個訊號的波形示意圖；
圖7是圖4所示開關穩壓器控制系統的具體實現方式的結構示意圖； 以及
圖8示出了本發明實施例提供的負載動態感測模組的具體實現方式的結構示意圖。
下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施例，為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合圖式及具體實施例，對本發明進行進一步詳細描述。應理解，此處所描述的具體實施例僅被配置為解釋本發明，並不被配置為限定本發明。對於本領域技術人員來說，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明更好的理解。
需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括......”限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
習知技術中，為了減少輸出電壓的這種突變，一種方法可以是，通過增大開關穩壓器的輸出端處的電容，以利用該電容來注入或者吸收負載電流的突變。然而，這可能會導致一些問題，例如，由於電容的增大而導致的系統成本和尺寸的增加。
此外，另一種方法可以是，通過增大開關穩壓器的開關頻率，這是因為頻率的增大意味著開關穩壓器的控制環路可以在更高的頻寬下運行，從而對輸出電壓的變化具有更快的回應速度，從而可以在輸出電壓開始跌落時更快地加大電感電流以阻止輸出電壓的跌落，並且在輸出 電壓開始過衝時更快地減小電感電流以阻止輸出電壓的過衝。
然而，開關頻率的增大，可能會導致一些問題，例如一方面可能導致開關穩壓器的開關損耗增加，使得系統效率降低；另一方面，在峰值電流模式中，由於整流管反向恢復電流導致的電力MOS場效電晶體電流前沿尖峰，這種電流前沿尖峰可能會導致電力MOS場效電晶體的誤關斷，所以需要前沿消隱(Lead Edge Blanking，LEB)電路，LEB時間通常可以在約100ns至約200ns之間的範圍內。但是，開關頻率的提高，會減小電力MOS場效電晶體的導通時間TON，例如在降壓穩壓器中，輸入電壓為12V，開關頻率為1MHz，輸出電壓為1.2V，則其電力MOS場效電晶體的導通時間TON只有100ns，該導通時間小於LEB時間，使得系統無法可靠地工作。
又一種方法可以是，在負載跳變時，增大誤差放大器(EA)的跨導gm，以提高誤差放大器(EA)的輸出對負載的回應速度。然而，在特定的系統週邊以及補償網路下，跨導gm的增大可能會導致環路的不穩定，從而導致系統的輸出發生振盪。
為了解決習知技術問題，本發明實施例提供了一種開關穩壓器控制系統和開關穩壓器。下面首先對本發明實施例所提供的開關穩壓器控制系統進行介紹。
作為一個示例，圖1示出了本發明實施例提供的開關穩壓器控制系統的結構示意圖。
如圖1所示，該開關穩壓器控制系統可以包括：負載動態感測模組110和脈衝寬度調變(Pulse width Modulation，PWM)比較器120。其中，該負載動態感測模組110可以用於感測該開關穩壓器控制系統的輸出電壓VOUT，並基於輸出電壓VOUT生成兩路電流訊號(例如，第一路電流訊號I1和第二路電流訊號I2)，並且該PWM比較器120可以用於基於兩路電流訊號I1和I2來生成開關控制訊號，其中，開關控制訊號用於調變該開關穩壓器控制系統的輸出電壓VOUT。
作為一個示例，負載動態感測模組110可以感測開關穩 壓器控制系統的輸出電壓VOUT，並且在感測到輸出電壓VOUT發生過衝或跌落時，生成不同的兩路電流訊號。例如，在輸出電壓發生跌落時，第一路電流訊號可以為第一電流，第二路電流訊號可以為第二電流；在輸出電壓發生過衝時，第一路電流訊號可以為第三電流，第二路電流訊號可以為第四電流，這將在下面進一步詳細介紹。
作為一個示例，在輸出電壓發生跌落時，PWM比較器120可以用於基於第一電流和第二電流來生成開關控制訊號；在輸出電壓發生過衝時，PWM比較器120可以用於基於第三電流和第四電流來生成開關控制訊號。
通過本發明實施例提供的上述技術方案，通過感測輸出電壓來生成兩路電流訊號，進而基於兩路電流訊號來生成開關控制訊號，以調變輸出電壓，可以在輸出電壓發生過衝時，阻止輸出電壓的過衝，並且在輸出電壓發生跌落時，阻止輸出電壓的跌落，並且在一定程度上降低了成本和尺寸、提高了效率和可靠性，同時可以滿足對負載動態變化進行快速回應的開關穩壓器需求。
以下通過具體示例的方式，對本發明實施例提供的開關穩壓器控制系統的具體實現方式進行詳細的介紹。
作為一個示例，參考圖2，圖2是圖1所示開關穩壓器控制系統的具體實現方式的結構示意圖。
如圖2所示，圖2所示的開關穩壓器控制系統除了包括圖1所示的各個元件之外，還可以包括求和電阻RSUM和隔離緩衝電阻RBUF，其中，相同的元件採用相同的圖式標記，求和電阻RSUM可以連接在負載動態感測模組110的一個輸出端與PWM比較器120的一個輸入端(例如，正相輸入端)之間，並且隔離緩衝電阻RBUF可以連接在負載動態感測模組110的另一輸出端與PWM比較器120的另一輸入端(例如，負相輸入端)之間。
作為一個示例，求和電阻RSUM可以用於基於第一路電流訊號I1，生成輸入至PWM比較器120的一個輸入端的第一電壓(例如， VSUM，參考圖4)，並且隔離緩衝電阻RBUF可以用於基於第二路電流訊號I2，生成輸入至PWM比較器120的另一輸入端的第二電壓(例如，VCOMP_BUF)，以使得PWM比較器120可以用於基於該第一電壓VSUM和第二電壓VCOMP_BUF來生成開關控制訊號，從而可以基於該開關控制訊號來調變輸出電壓VOUT。
綜上，求和電阻RSUM和隔離緩衝電阻RBUF可以用於將兩路電流訊號轉換為兩路電壓訊號，並將這兩路電壓訊號輸入至PWM比較器120中，使得PWM比較器120可以用於基於兩路電壓訊號來生成開關控制訊號。
以下通過具體示例的方式，對本發明實施例提供的開關穩壓器控制系統的具體實現方式進行詳細的介紹。
作為一個示例，參考圖3，圖3是圖2所示開關穩壓器控制系統的具體實現方式的結構示意圖。
如圖3所示，圖3所示的開關穩壓器控制系統除了包括圖2所示的各個元件之外，還可以包括開關控制器130和電感L1，其中，相同的元件採用相同的圖式標記，該開關控制器130的輸入端可以連接至PWM比較器120的輸出端，開關控制器130的輸出端可以連接至電感L1的一端，電感L1的另一端可以連接至系統的輸出端。
作為一個示例，開關控制器130可以用於基於來自PWM比較器120的開關控制訊號來對系統的輸入電壓VIN進行斬波處理，並且電感L1可以用於基於斬波後的電壓對電感電流進行調變，進而調變輸出電壓VOUT。
具體地，當輸出電壓VOUT發生跌落時，電感電流會逐步增大，因此輸入電壓VIN就會向輸出電壓VOUT提供更多的能量，從而更快地阻止輸出電壓VOUT的跌落；當輸出電壓VOUT發生過衝時，電感電流會逐步減小，因此輸入電壓VIN就會向輸出電壓VOUT提供更少的能量，從而更快地阻止輸出電壓VOUT過衝。
以下通過具體示例的方式，對本發明實施例提供的開關 穩壓器控制系統的具體實現方式進行詳細的介紹。
作為一個示例，參考圖4，圖4是圖3所示開關穩壓器控制系統的具體實現方式的結構示意圖。
作為一個示例，在圖4所示的實施例中，除了包括圖3所示的開關穩壓器控制系統的各個元件之外，還可以包括電流採樣模組140、斜坡補償模組150、偏移電流模組160、緩衝器(Buffer)170、誤差放大器180、分壓模組190以及補償網路210。
如圖4所示，開關控制器130可以接收系統的輸入電壓VIN和來自PWM比較器120的開關控制訊號，開關控制器130的輸出端可以連接至電感L1的一端，電感L1的另一端可以連接至電流採樣模組140的輸入端，電流採樣模組140的一輸出端可以連接至系統的輸出端，電流採樣模組140的另一輸出端可以連接至求和電阻RSUM的一端，並且求和電阻RSUM的一端還可以連接至斜坡補償模組150、偏移電流模組160以及負載動態感測模組110的輸出端，以分別從電流採樣模組140、斜坡補償模組150、偏移電流模組160和負載動態感測模組110接收採樣電流ISENSE、斜坡補償電流ISLOPE、偏移電流IDC和第一路電流訊號(例如，感測電流IDYN1,3)，求和電阻RSUM的一端還可以連接至PWM比較器120的正相輸入端，並且求和電阻RSUM的另一端可以接地，其中該求和電阻RSUM可以用於將ISENSE、ISLOPE、IDC和第一路電流訊號(例如，IDYN1,3)疊加在一起產生電壓VSUM，並將該電壓VSUM輸入至PWM比較器120的一輸入端(例如，正相輸入端)，以供PWM比較器120產生開關控制訊號，該電壓VSUM為一斜坡電壓。
可見，電壓VSUM可以取決於電流ISENSE、ISLOPE、IDC和IDYN1,3和電阻RSUM。
此外，分壓模組190的輸入端可以連接至系統的輸出端，分壓模組190的輸出端可以連接至負載動態感測模組110的輸入端，以向負載動態感測模組110提供回饋電壓VFB，並且分壓模組190的輸出端還可以連接至誤差放大器180的一輸入端(例如，負相輸入端)，以向誤差放 大器180提供回饋電壓VFB，誤差放大器180的另一輸入端(例如，正相輸入端)可以用於接收基準電壓VREF，使得誤差放大器180可以基於基準電壓VREF和回饋電壓VFB來生成補償電壓VCOMP，並且誤差放大器180的輸出端可以連接至緩衝器170的輸入端，緩衝器170的輸入端還連接至補償網路210，緩衝器170的輸出端可以連接至隔離緩衝電阻RBUF的一端，隔離緩衝電阻RBUF的另一端可以連接至PWM比較器120的一輸入端(例如，負相輸入端)，並且隔離緩衝電阻RBUF的另一端還可以連接至負載動態感測模組110的一輸出端，以從負載動態感測模組110接收第二路電流訊號(例如，電流IDYN2,4)，其中該隔離緩衝電阻RBUF可以用於將第二路電流訊號(例如，電流IDYN2,4)疊加到補償電壓VCOMP上，以產生緩衝電壓VCOMP_BUF，進而向PWM比較器120的一輸入端(例如，負相輸入端)提供電壓VCOMP_BUF，以供PWM比較器120產生開關控制訊號。
其中，緩衝器170可以用於隔離誤差放大器180的輸出電壓VCOMP。
可見，第二電壓除了取決於IDYN2,4和隔離緩衝電阻RBUF之外，還可以取決於補償電壓VCOMP。
並且，PWM比較器120的輸出端可以連接至開關控制器130的輸入端，其中PWM比較器120可以用於對電壓VSUM和緩衝電壓VCOMP_BUF進行比較，以產生具有工作因數調節資訊的開關控制訊號，並將該開關控制訊號輸入至開關控制器130，使得開關控制器130基於開關控制訊號對系統的輸入電壓VIN進行斬波處理，進而對輸出電壓VOUT進行調變。
在一些實施例中，前面描述的第一路電流訊號對應於圖4所示的IDYN1,3，並且第二路電流訊號對應於圖4所示的IDYN2,4，其中IDYN1、IDYN2、IDYN3和IDYN4均為輸出電壓VOUT的函數，例如IDYN1=f1(VOUT)，IDYN2=f2(VOUT)，IDYN3=f3(VOUT)以及IDYN4=f4(VOUT)。
其中，負載動態感測模組110可以是線性感測模組或者非線性感測模組，其中該線性感測模組可以為跨導放大器，這將在下面進 行介紹，該非線性感測模組可以為模數轉換器或數模轉換器。
作為一個示例，在感測到輸出電壓發生跌落時，第一路電流訊號為從求和電阻RSUM抽取的第一電流IDYN1，第二路電流訊號為向隔離緩衝電阻RBUF注入的第二電流。
具體地，當負載電流ILOAD突然增大時，輸出電壓VOUT會開始跌落，負載動態感測模組110可以感測到這種跌落，並且生成第一電流IDYN1和第二電流IDYN2。
其中，第一電流IDYN1為負電流，用於減小電壓VSUM，並且第二電流IDYN2為正電流，用於增大電壓VCOMP_BUF。
具體地，當輸出電壓VOUT發生跌落時，負載動態感測模組110可以從求和電阻RSUM中抽取第一電流IDYN1，使得求和電阻RSUM上的電壓VSUM會瞬時減小，其中，當在輸出電壓沒有發生跌落和過衝時，流經求和電阻RSUM的電流為ISENSE、ISLOPE和IDC之和，故在輸出電壓發生跌落的情況下，從求和電阻RSUM中抽取的第一電流IDYN1為ISENSE、ISLOPE和IDC之和的一部分。
此外，在從求和電阻RSUM中抽取第一電流IDYN1的同時，負載動態感測模組110還會向隔離緩衝電阻RBUF中注入第二電流IDYN2，使得隔離緩衝電阻RBUF上的電壓VCOMP_BUF會瞬時增大。
由恒定頻率峰值電流模式的控制特點可知，在VSUM減小且VCOMP_BUF增大的情況下，電感電流IL會逐步增大。因此，輸入電壓VIN就會向輸出電壓VOUT提供更多的能量，從而更快地阻止輸出電壓VOUT的跌落，在若干個開關週期內，便可以將輸出電壓VOUT調變到穩定的目標值。
作為一個示例，參考圖5，圖5示出了本發明實施例提供的開關穩壓器控制系統在輸出電壓跌落時各個訊號的波形示意圖。
參考圖5，圖5中示出了訊號ILOAD、CLK、VCOMP_BUF、VSUM、IL以及VOUT的波形示意圖。其中，虛線示出的是未加入負載動態感測模組的開關穩壓器控制系統在輸出電壓跌落時各個訊號的波形，而實線示出的是加入了負載動態感測模組的開關穩壓器控制系統在輸出電壓跌落 時各個訊號的波形。
從圖5中可以看出，在輸出電壓發生跌落的情況下，與未加入負載動態感測模組的開關穩壓器控制系統相比，加入了負載動態感測模組的開關穩壓器控制系統的各個訊號VCOMP_BUF、VSUM、IL以及VOUT均有所增加。可見，加入了負載動態感測模組的開關穩壓器可以在輸出電壓跌落時感測到這種跌落，並快速產生回應以阻止輸出電壓的跌落。
作為一個示例，在感測到輸出電壓發生過衝時，第一路電流訊號為向求和電阻RSUM注入的第三電流IDYN3，第二路電流訊號為從隔離緩衝電阻RBUF抽取的第四電流IDYN4。
具體地，當負載電流ILOAD突然減小時，輸出電壓會VOUT開始過衝，負載動態感測模組110可以感測到這種過衝，並且生成第三電流IDYN3和第四電流IDYN4。
其中，第三電流IDYN3為正電流，用於增大電壓VSUM，並且第四電流IDYN4為負電流，用於減小電壓VCOMP_BUF。
具體地，輸出電壓會VOUT發生過衝時，負載動態感測模組110可以向求和電阻RSUM中注入第三電流IDYN3，使得求和電阻RSUM上的電壓VSUM會瞬時增大，與此同時，負載動態感測模組110可以從隔離緩衝電阻RBUF抽取第四電流IDYN4，使得隔離緩衝電阻RBUF上的電壓VCOMP_BUF會瞬時減小。
由恒定頻率峰值電流模式的控制特點可知，在VSUM增大且VCOMP_BUF減小的情況下，電感電流IL會逐步減小。因此，輸入電壓VIN就會向輸出電壓VOUT提供更少的能量，從而更快地阻止輸出電壓VOUT的過衝，在若干個開關週期內，便可以將輸出電壓VOUT調變到穩定的目標值。
作為一個示例，參考圖6，圖6示出了本發明實施例提供的開關穩壓器控制系統在輸出電壓過衝時各個訊號的波形示意圖。
參考圖6，圖6中示出了訊號ILOAD、CLK、VCOMP_BUF、VSUM、IL以及VOUT的波形示意圖。其中，虛線示出的是未加入負載動態感測模組的開關穩壓器控制系統在輸出電壓過衝時各個訊號的波形，而實線 示出的是加入了負載動態感測模組的開關穩壓器控制系統在輸出電壓過衝時各個訊號的波形。
從圖6中可以看出，在輸出電壓發生過衝的情況下，與未加入負載動態感測模組的開關穩壓器控制系統相比，加入了負載動態感測模組的開關穩壓器控制系統的各個訊號VCOMP_BUF、VSUM、IL以及VOUT均有所下降。可見，加入了負載動態感測模組的開關穩壓器可以在輸出電壓過衝時感測到這種過衝，並快速產生回應以阻止輸出電壓的過衝。
作為一個示例，參考圖7，圖7是圖4所示開關穩壓器控制系統的具體實現方式的結構示意圖。其中相同的元件採用相同的圖式標記。
在一些實施例中，負載動態感測模組110可以包括跨導放大器1101，該跨導放大器1101的一輸入端(例如，正相輸入端)可以用於接收基準電壓VREF，跨導放大器1101的另一輸入端(例如，負相輸入端)可以用於接收回饋電壓VFB，以基於基準電壓VREF和回饋電壓VFB來生成四個電流，例如在輸出電壓發生跌落時，可以生成第一電流IDYN1和第二電流IDYN2，在輸出電壓發生過衝時，可以生成第三電流IDYN3和第四電流IDYN4，並且負載動態感測模組110可以用於將負載動態資訊轉換為感測電流。
在一些實施例中，開關控制器130可以包括第一開關S1、第二開關S2和邏輯單元1301，其中，第一開關S1可以連接在系統的輸入端與電感L1的一端之間，電感L1的一端還可以連接至第二開關S2的一端，第二開關S2的另一端可以接地，並且PWM比較器120的輸出端可以連接至邏輯單元1301的輸入端，邏輯單元1301的一個輸出端可以連接至第一開關S1，邏輯單元1301的另一輸出端可以連接至第二開關S2，以對第一開關S1和第二開關S2的導通和斷開進行控制，進而對輸入電壓VIN進行斬波處理。
在一些實施例中，電流採樣模組140可以包括電流採樣電阻RSENSE和比較器1401，其中，電流採樣電阻RSENSE的一端可以連接至 電感L1的另一端，電流採樣電阻RSENSE的另一端可以連接至系統的輸出端，比較器1401的正相輸入端和負相輸入端可以連接在電流採樣電阻RSENSE的兩端，並且電流採樣模組140可以用於對電感電流進行採樣，並且輸出採樣電流ISENSE，其中該採樣電流ISENSE是與電感電流成一定比例的電流。
在一些實施例中，緩衝器170可以為運算放大器1701，該運算放大器1701的一輸入端(例如，正相輸入端)可以連接至誤差放大器180的輸出端，運算放大器1701的另一輸入端(例如，負相輸入端)可以連接至負相輸入端的輸出端，並且運算放大器1701的輸出端可以連接至隔離緩衝電阻RBUF的一端，隔離緩衝電阻RBUF的另一端可以連接至PWM比較器120的一輸入端(例如，負相輸入端)。
在一些實施例中，分壓模組190可以包括例如串聯連接的第一電阻RFB1和第二電阻RFB2，第一電阻RFB1的一端可以連接至系統的輸出端，第二電阻RFB2的一端可以接地，第一電阻RFB1和第二電阻RFB2的公共端(即，分壓模組190的輸出端)可以連接至跨導放大器1101的一輸入端(例如，負相輸入端)，還可以連接至誤差放大器180的一輸入端(例如，負相輸入端)，以向跨導放大器1101和誤差放大器180提供回饋電壓VFB，其中回饋電壓VFB為對輸出電壓VOUT進行分壓之後得到的電壓。
在一些實施例中，補償網路210可以包括補償電阻RCOMP和補償電容CCOMP，其中補償電阻RCOMP的一端可以連接至運算放大器1701的一輸入端(例如，正相輸入端)和誤差放大器180的輸出端，補償電阻RCOMP的另一端可以連接至補償電容CCOMP的一端，並且補償電容CCOMP的另一端可以接地。
在圖7所示的實施例中，該負載動態感測模組110採用線性的方式實現，即利用跨導放大器1101來實現，其中跨導放大器1101可以用於基於回饋電壓VFB和基準電壓VREF來生成兩路電流訊號(例如，第一路電流訊號和第二路電流訊號)，其中第一路電流訊號為與跌落相對應的第一電流和與過衝相對應的第三電流，第二路電流訊號為與跌落相對應 的第二電流和與過衝相對應的第四電流，這四個電流的大小可以表示為如下：
Figure 109131729-A0101-12-0015-1
Figure 109131729-A0101-12-0015-2
Figure 109131729-A0101-12-0015-3
Figure 109131729-A0101-12-0015-4
其中，gm為跨導放大器的跨導值，|△V OUT |為輸出電壓VOUT相對於目標電壓的變化量，RFB1和RFB2為分壓模組190中兩個電阻的電阻值，V REF 為基準電壓，並且α，β，γ，δ為係數，各個係數可以取決於跨導放大器中相應電晶體的寬長比，這將在下面進行介紹。
作為一個示例，圖8示出了本發明實施例提供的負載動態感測模組的具體實現方式的結構示意圖。
參考圖8，圖8所示的負載動態感測模組可以包括電源模組、第一電流鏡810、第二電流鏡820、第三電流鏡830以及第四電流鏡840。其中，電源模組可以用於接收基準電壓VREF和回請電壓VFB，電源模組的第一輸出端可以連接至第一電流鏡810的輸入端，第一電流鏡810的一個輸出端可以用於輸出第四電流IDYN4，第一電流鏡810的另一輸出端可以連接至第二電流鏡820的輸入端，並且第二電流鏡820的輸出端可以用於輸出第三電流IDYN3，電源模組的第二輸出端可以連接至第三電流鏡830的輸入端，第三電流鏡830的一個輸出端可以用於輸出第一電流IDYN1，第三電流鏡830的另一輸出端可以連接至第四電流鏡840的輸入端，並且第四電流鏡840的輸出端可以用於輸出第二電流IDYN2，其中，回饋電壓VFB可以用於表徵輸出電壓VOUT。
在一些實施例中，電源模組可以包括第一電晶體M1、第二電晶體M2、第一電流源850、第二電流源860、第三電流源870、第四電流源880和電阻R。其中，第一電晶體M1的閘極可以用於接收基準電壓 VREF，第二電晶體M2的閘極可以用於接收回饋電壓VFB，第一電晶體M1的源極可以經由電阻R連接至第二電晶體M2的源極，第一電晶體M1的源極還可以連接至第一電流源850的一端，第一電流源850的另一端可以連接至負載動態感測模組的供電電壓，第二電晶體M2的源極還可以連接至第二電流源860的一端，第二電流源860的另一端可以連接至前述供電電壓，第一電晶體M1的汲極可以連接至第三電流源870的一端，第三電流源870的另一端可以接地，並且第二電晶體M2的汲極可以連接至第四電流源880的一端，第四電流源880的另一端可以接地。
作為一個示例，第一電晶體M1和第二電晶體M2可以為P型金屬氧化物半導體場效應(P-Metal-Oxide-Semiconductor，PMOS)電晶體。
在一些實施例中，第一電流鏡810可以包括第三電晶體M3、第四電晶體M4和第五電晶體M5。其中，第五電晶體M5的閘極可以連接至第一電晶體M1的汲極，第五電晶體M5的汲極可以連接至第一電晶體M1的源極，第五電晶體M5的閘極還可以連接至第三電晶體M3和第四電晶體M4的閘極，第三電晶體M3、第四電晶體M4和第五電晶體M5的源極可以接地，第四電晶體M4的汲極可以連接至第二電流鏡820的輸入端(例如，第七電晶體M7的汲極)，並且第三電晶體M3的汲極可以用於輸出第四電流IDYN4。
作為一個示例，第一電流鏡810可以為N型金屬氧化物半導體場效應(N-Metal-Oxide-Semiconductor，NMOS)電流鏡，並且第三電晶體M3、第四電晶體M4和第五電晶體M5可以為NMOS電晶體。
在一些實施例中，第二電流鏡820可以包括第六電晶體M6和第七電晶體M7。其中，第六電晶體M6的閘極可以連接至第七電晶體M7的閘極和汲極，第六電晶體M6和第七電晶體M7的源極可以用於接收前述供電電壓，第七電晶體M7的汲極還可以連接至第一電流鏡810的另一輸出端(例如，第四電晶體M4的汲極)，並且第六電晶體M6的汲極可以用於輸出第三電流IDYN3。
作為一個示例，第二電流鏡820可以為PMOS電流鏡，並且第六電晶體M6和第七電晶體M7可以為PMOS電晶體。
可以理解，當輸出電壓VOUT發生過衝時，圖8所示電路的左半部分生成第三電流IDYN3和第四電流IDYN4。而圖8所示電路的右半部分不會生成第一電流IDYN1和第二電流IDYN2。
在一些實施例中，第三電流鏡830可以包括第八電晶體M8、第九電晶體M9和第十電晶體M10。其中，第八電晶體M8的閘極可以連接至第二電晶體M2的汲極，第八電晶體M8的汲極可以連接至第二電晶體M2的源極，第八電晶體M8的閘極還可以連接至第九電晶體M9和第十電晶體M10的閘極，第八電晶體M8、第九電晶體M9和第十電晶體M10的源極可以接地，第九電晶體M9的汲極可以連接至第四電流鏡840的輸入端(例如，第十一電晶體M11的汲極)，並且第十電晶體M10的汲極可以用於輸出第一電流IDYN1。
作為一個示例，第三電流鏡830可以為NMOS電流鏡，並且第八電晶體M8、第九電晶體M9和第十電晶體M10為NMOS電晶體。
在一些實施例中，第四電流鏡840可以包括第十一電晶體M11和第十二電晶體M12。其中，第十二電晶體M12的閘極可以連接至第十一電晶體M11的閘極和汲極，第十一電晶體M11和第十二電晶體M12的源極可以用於接收前述供電電壓，第十一電晶體M11的汲極還可以連接至第三電流鏡830的另一輸出端(例如，第九電晶體M9的汲極)，並且第十二電晶體M12的汲極可以用於輸出第二電流IDYN2。
作為一個示例，第四電流鏡840可以為PMOS電流鏡，第十一電晶體M11和第十二電晶體M12可以為PMOS電晶體。
應當注意，本發明實施例提供的用於負載動態快速回應的開關穩壓器控制系統可以適應於例如降壓型開關穩壓器、升壓型開關穩壓器或升降壓型開關穩壓器等，本發明對此不作限制。
可以理解，當輸出電壓VOUT發生跌落時，圖8所示電路的右半部分生成第一電流IDYN1和第二電流IDYN2。而圖8所示電路的左半 部分不會生成第三電流IDYN3和第四電流IDYN4。
在如圖8所示的實施例中，公式(1)至(4)中的跨導放大器的跨導值
Figure 109131729-A0101-12-0018-6
，並且各個係數分別表示為如下：
Figure 109131729-A0101-12-0018-7
Figure 109131729-A0101-12-0018-8
Figure 109131729-A0101-12-0018-9
Figure 109131729-A0101-12-0018-10
其中，
Figure 109131729-A0101-12-0018-5
為第n電晶體的寬長比。
綜上，通過本發明實施例提供上述方案，可以通過利用負載動態感測模組對輸出電壓的過衝或跌落進行感測，並且在輸出電壓發生過衝或跌落的情況下，生成兩路電流，以使得PWM比較器可以基於這兩路電流來生成開關控制訊號，並將這種開關控制訊號輸入到開關控制器中，使得開關控制器可以基於該開關控制訊號來對輸入電壓進行斬波，進而控制電感電流，從而控制了輸出電壓，以在輸出電壓發生跌落時防止其進一步跌落，並在輸出電壓發生過衝時防止其進一步過衝，在降低成本和尺寸、提高效率和可靠性的同時，還對負載動態的變化進行了快速回應。
需要明確的是，本發明並不局限於上文所描述並在圖中示出的特定配置和處理。為了簡明起見，這裡省略了對已知方法的詳細描述。在上述實施例中，描述和示出了若干具體的步驟作為示例。但是，本發明的方法過程並不限於所描述和示出的具體步驟，本領域的技術人員可以在領會本發明的精神後，作出各種改變、修改和添加，或者改變步驟之間的順序。
以上所述的結構框圖中所示的功能塊可以實現為硬體、軟體、固件或者它們的組合。當以硬體方式實現時，其可以例如是電子電 路、專用積體電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、適當的固件、外掛程式、功能卡等等。當以軟體方式實現時，本發明的元素是被用於執行所需任務的程式或者程式碼片段。程式或者程式碼片段可以存儲在機器可讀介質中，或者通過載波中攜帶的資料訊號在傳輸介質或者通信鏈路上傳送。“機器可讀介質”可以包括能夠存儲或傳輸資訊的任何介質。機器可讀介質的例子包括電子電路、半導體記憶體設備、唯讀記憶體(Read-Only Memory，ROM)、快閃記憶體、可擦除ROM(Erasable Read Only Memory，EROM)、軟碟、唯讀記憶光碟(Compact Disc Read-Only Memory，CD-ROM)、光碟、硬碟、光纖介質、射頻(Radio frequency，RF)鏈路，等等。程式碼片段可以經由諸如網際網路、內聯網等的電腦網路被下載。
還需要說明的是，本發明中提及的示例性實施例，基於一系列的步驟或者裝置描述一些方法或系統。但是，本發明不局限於上述步驟的順序，也就是說，可以按照實施例中提及的循序執行步驟，也可以不同於實施例中的順序，或者若干步驟同時執行。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，所屬領域的技術人員可以清楚地瞭解到，為了描述的方便和簡潔，上述描述的系統、模組和單元的具體工作過程，可以參考前述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。應理解，本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
110:負載動態感測模組
120:脈衝寬度調變(PWM)比較器
I1:第一路電流訊號
I2:第二路電流訊號
VOUT:輸出電壓

Claims (18)

  1. 一種開關穩壓器控制系統，包括：負載動態感測模組，用於感測所述系統的輸出電壓，並基於所述輸出電壓生成兩路電流訊號；脈衝寬度調變比較器，用於基於所述兩路電流訊號來生成開關控制訊號，其中，所述開關控制訊號用於調變所述輸出電壓；求和電阻，用於基於所述兩路電流訊號中的第一路電流訊號，生成輸入至所述脈衝寬度調變比較器的一個輸入端的第一電壓；以及隔離緩衝電阻，用於基於所述兩路電流訊號中的第二路電流訊號，生成輸入至所述脈衝寬度調變比較器的另一輸入端的第二電壓，其中，所述脈衝寬度調變比較器具體用於基於所述第一電壓和所述第二電壓來生成所述開關控制訊號。
  2. 如請求項1所述的系統，其中，還包括；開關控制器，用於基於所述開關控制訊號對所述系統的輸入電壓進行斬波處理；以及電感，用於基於斬波後的電壓對電感電流進行調變，進而調變所述輸出電壓。
  3. 如請求項1所述的系統，其中，還包括：誤差放大器，用於接收基準電壓和回饋電壓，並生成補償電壓；其中，所述第二電壓還取決於所述補償電壓，所述回饋電壓用於表徵所述輸出電壓。
  4. 如請求項1所述的系統，其中，在感測到所述輸出電壓發生跌落時，所述第一路電流訊號為從所述求和電阻抽取的第一電流，所述第二路電流訊號為向所述隔離緩衝電阻注入的第二電流；在感測到所述輸出電壓發生過衝時，所述第一路電流訊號為向所述求和電阻注入的第三電流，所述第二路電流訊號為從所述隔離緩衝電阻抽取 的第四電流。
  5. 如請求項1所述的系統，其中，所述負載動態感測模組是線性感測模組。
  6. 如請求項5所述的系統，其中，所述線性感測模組包括跨導放大器，所述跨導放大器用於基於所述輸出電壓和基準電壓，生成所述兩路電流訊號。
  7. 如請求項1所述的系統，其中，所述負載動態感測模組包括：電源模組、第一電流鏡、第二電流鏡、第三電流鏡以及第四電流鏡；其中，所述電源模組用於接收基準電壓和回饋電壓，所述電源模組的第一輸出端連接至所述第一電流鏡的輸入端，所述第一電流鏡的一個輸出端用於輸出所述第四電流，所述第一電流鏡的另一輸出端連接至所述第二電流鏡的輸入端，並且所述第二電流鏡的輸出端用於輸出所述第三電流，所述電源模組的第二輸出端連接至所述第三電流鏡的輸入端，所述第三電流鏡的一個輸出端用於輸出所述第一電流，所述第三電流鏡的另一輸出端連接至所述第四電流鏡的輸入端，並且所述第四電流鏡的輸出端用於輸出所述第二電流，其中，所述回饋電壓用於表徵所述輸出電壓。
  8. 如請求項7所述的系統，其中，所述電源模組包括第一電晶體、第二電晶體、第一電流源、第二電流源、第三電流源、第四電流源和電阻；其中，所述第一電晶體的閘極用於接收所述基準電壓，所述第二電晶體的閘極用於接收所述回饋電壓，所述第一電晶體的源極經由所述電阻連接至所述第二電晶體的源極，並且所述第一電晶體和所述第二電晶體的源極與汲極分別連接至所述第一電流源、所述第二電流源、所述第三電流源和所述第四電流源。
  9. 如請求項8所述的系統，其中，所述第一電流鏡包括第三電晶體、第四電晶體和第五電晶體；其中， 所述第五電晶體的閘極與汲極分別連接至所述第一電晶體的汲極與源極，所述第五電晶體的閘極還連接至所述第三電晶體和所述第四電晶體的閘極，所述第三電晶體、所述第四電晶體和所述第五電晶體的源極接地，所述第四電晶體的汲極連接至所述第二電流鏡的輸入端，並且所述第三電晶體的汲極用於輸出所述第四電流。
  10. 如請求項9所述的系統，其中，所述第一電流鏡為NMOS電流鏡，並且所述第三電晶體、所述第四電晶體和所述第五電晶體為NMOS電晶體。
  11. 如請求項7所述的系統，其中，所述第二電流鏡包括第六電晶體和第七電晶體；其中，所述第六電晶體的閘極連接至所述第七電晶體的閘極和汲極，所述第六電晶體和所述第七電晶體的源極用於接收所述負載動態感測模組的供電電壓，所述第七電晶體的汲極還連接至所述第一電流鏡的另一輸出端，並且所述第六電晶體的汲極用於輸出所述第三電流。
  12. 如請求項11所述的系統，其中，所述第二電流鏡為PMOS電流鏡，並且所述第六電晶體和所述第七電晶體為PMOS電晶體。
  13. 如請求項8所述的系統，其中，所述第三電流鏡包括第八電晶體、第九電晶體和第十電晶體；其中，所述第八電晶體的閘極與汲極分別連接至所述第二電晶體的汲極與源極，所述第八電晶體的閘極還連接至所述第九電晶體和所述第十電晶體的閘極，所述第八電晶體、所述第九電晶體和所述第十電晶體的源極接地，所述第九電晶體的汲極連接至所述第四電流鏡的輸入端，並且所述第十電晶體的汲極用於輸出所述第一電流。
  14. 如請求項13所述的系統，其中，所述第三電流鏡為NMOS電流鏡，並且所述第八電晶體、所述第九電晶體和所述第十電晶體為NMOS電晶體。
  15. 如請求項7所述的系統，其中，所述第四電流鏡包括第十一電晶體和第十二電晶體；其中，所述第十二電晶體的閘極連接至所述第十一電晶體的閘極和汲極，所述第十一電晶體和所述第十二電晶體的源極用於接收所述負載動態感測模組的供電電壓，所述第十一電晶體的汲極還連接至所述第三電流鏡的另一輸出端，並且所述第十二電晶體的汲極用於輸出所述第二電流。
  16. 如請求項15所述的系統，其中，所述第四電流鏡為PMOS電流鏡，並且所述第十一電晶體和所述第十二電晶體為PMOS電晶體。
  17. 如請求項1所述的系統，其中，所述負載動態感測模組是非線性感測模組，所述非線性感測模組包括模數轉換器或數模轉換器。
  18. 一種開關穩壓器，包括如請求項1至17中任一項所述的開關穩壓器控制系統，所述開關穩壓器為降壓型開關穩壓器、升壓型開關穩壓器或升降壓型開關穩壓器。
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