專(zhuān)利名稱：供dc-dc轉(zhuǎn)換器使用的具有精確電平的改進(jìn)的窗口比較器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求l的用于產(chǎn)生量化控制信號(hào)的反饋電 路，所述量化控制信號(hào)表示受控信號(hào)與至少一個(gè)誤差信號(hào)窗口的預(yù)定 界限相對(duì)應(yīng)的關(guān)系；根據(jù)權(quán)利要求8的用于根據(jù)感測(cè)信號(hào)產(chǎn)生量化控制 信號(hào)的方法；以及根據(jù)權(quán)利要求ll的用途。
背景技術(shù)：
在圖1中示出了DC-DC上轉(zhuǎn)換器的典型布局?；镜兀瑢⑤斎腚妷?Vin供給至轉(zhuǎn)換器核心llO。在開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)電時(shí)通過(guò)線圈L的電流上升 (ramp up)。在開(kāi)關(guān)S2導(dǎo)電時(shí)，將電流傳送至輸出電容器C2。數(shù)字控 制器150通過(guò)感測(cè)電路130測(cè)量在電容器C2處的輸出電壓Vout。感測(cè)電 路130根據(jù)實(shí)際輸出信號(hào)Vout產(chǎn)生控制信號(hào)作為控制器150的輸入。通 過(guò)控制開(kāi)關(guān)S1和S2，控制器150將Vout調(diào)節(jié)至所需值。因此，開(kāi)關(guān)S1 和S2從不同時(shí)導(dǎo)電。為了為轉(zhuǎn)換器100的控制電路150得到反饋信號(hào)(指 示當(dāng)前輸出信號(hào)與所需輸出信號(hào)之間的誤差)，可以在感測(cè)電路130中 使用一個(gè)或更多個(gè)比較器。反饋信號(hào)可以表示輸出電壓處于為輸出 電壓所限定的所需窗口的內(nèi)部、上面或下面。為此目的，量化的反饋 信號(hào)或控制信號(hào)分別是足夠的。控制器基于反饋信號(hào)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)S1、 S2 的切換，使得輸出電壓Vout總是在該窗口內(nèi)部。
以下參考圖2，示出了電路結(jié)構(gòu)，用于限定各個(gè)誤差窗口以便為 DC-DC轉(zhuǎn)換器的數(shù)字控制單元得到可用的控制信號(hào)。使用分別具有高電 平和低電平的兩個(gè)窗口這里將第一個(gè)窄窗口稱作"小信號(hào)"窗口Ws， 將另一個(gè)稱作"大信號(hào)"窗口W1。這意味著，四個(gè)比較器OPLWs、 OPHWs、 0PLW1以及0PHW1全部用于創(chuàng)建這四個(gè)(窗口)電平。然而，需要這些 比較器是精確的，這通常意味著這些比較器是耗電的并且使用相對(duì)大 面積的硅。
在圖2中，將假設(shè)期望切換電源(例如圖1的DC-DC轉(zhuǎn)換器)的Vout 是2.5V。由具有比例4: 1的電阻器RI、 RII的電阻分壓器210來(lái)感測(cè) Vout，也就是，如果轉(zhuǎn)換器的Vout如所需的，則電阻分壓器210的輸出 應(yīng)該是625mV。然后，將分壓器210的輸出與625mV左右的四個(gè)電平進(jìn)行 比較。將各個(gè)比較器輸出VH20、 VH05、 VL05以及VL20用作數(shù)字控制器 (控制轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān))的輸入。也就是，在操作期間數(shù)字控制器試圖 將(分開(kāi)的)輸出電壓Vout調(diào)節(jié)到在電平VL05-VH05之間的小信號(hào)窗口 Ws中，圖2的示例中是在620mV至630mV的范圍內(nèi)。對(duì)于更大負(fù)載階越(負(fù) 載的改變以及所需負(fù)載電流)，控制器試圖將(分開(kāi)的)輸出電壓Vout 調(diào)節(jié)到在電平VL20-VH20之間的大信號(hào)窗口W1，這里是605mV至645mV。 圖3示出了大信號(hào)窗口Wl(VL20-VH20)以及小信號(hào)窗口Ws(VL05-VH05)。
圖2的電路的缺點(diǎn)是，四個(gè)比較器OPLWs、 OPHWs、 0PLW1以及0PHW1
必須非常精確。這意味著，這些比較器使用大量的硅面積和高偏置電 流。此外，四個(gè)比較器OPLWs、 OPHWs、 OPLWl以及OPHWl為處于Vout的 電阻分壓器210形成相當(dāng)大的電容性負(fù)載。出于效率原因具有相對(duì)高阻 抗的分壓器210—起，限制了帶寬。作為其結(jié)果，在突然負(fù)載階越的情 況下，控制回路可能不充分快地對(duì)輸出電壓的改變作出反應(yīng)。此外， 在誤差窗口電平之間的"距離"不是固定的。依賴于比較器OPLWs、 OPHWs、 0PLW1以及0PHW1的偏移，窗口可以比預(yù)期的更小或更大，影響 控制回路的穩(wěn)定性，尤其在非常小窗口尺寸的情況下。因此，在實(shí)際 窗口尺寸與預(yù)期窗口尺寸不同的情況下，比較器OPLWs、 OPHWs、 0PLW1 以及0PHW1的偏移是主要原因。
例如，與99.4%誤差電平(所謂的4-sigma誤差)相對(duì)應(yīng)，假設(shè)兩 個(gè)小信號(hào)窗口比較器具有土2mV的誤差?？梢哉J(rèn)為這些偏移是不相關(guān) 的。因此，在VL05與VH05之間的最大距離是 VH05-VL05max = 2xK + ^2wK2 + = 12.8wF ，在VL05與VH05之間的 最小距離是VH05陽(yáng)VL05max = 2xr — V2wF2 + 2mF2 = F 。對(duì)于兩個(gè)可 能最壞情況的方案，圖4a和4b示出了對(duì)于這些誤差的小信號(hào)窗口的影 響。在小信號(hào)窗口變小時(shí)，控制回路的不穩(wěn)定性將成為問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種電路結(jié)構(gòu)以及方法，通過(guò)其 能夠避免上述問(wèn)題。
利用如權(quán)利要求l的反饋電路解決了本發(fā)明的上述目的。因此，
提出了一種用于產(chǎn)生控制信號(hào)的反饋電路，所述控制信號(hào)表示受控信
號(hào)與至少一個(gè)誤差信號(hào)窗口的預(yù)定界限相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，所述反饋電路
包括信號(hào)檢測(cè)裝置；誤差放大裝置，受檢測(cè)信號(hào)與其相連，所述誤
差放大裝置用于將受檢測(cè)信號(hào)與第一基準(zhǔn)信號(hào)之間的誤差進(jìn)行放大；
所述誤差放大裝置的輸出誤差信號(hào)與至少第一比較器裝置和第二比較
器裝置相連，將所述第一比較器裝置和第二比較器裝置配置用于將誤 差信號(hào)與至少一個(gè)誤差信號(hào)窗口的上限和下限之一進(jìn)行比較。
所述反饋電路還可以包括用于產(chǎn)生誤差窗口基準(zhǔn)信號(hào)的裝置，所 述誤差窗口基準(zhǔn)信號(hào)用于提供至少一個(gè)誤差信號(hào)窗口的上限和下限。 可以將用于產(chǎn)生誤差基準(zhǔn)信號(hào)的裝置實(shí)現(xiàn)為與第二基準(zhǔn)信號(hào)相連的電 阻分壓器，并且可以將所述電阻分壓器配置為提供所述至少一個(gè)誤 差信號(hào)窗口的上限和下限作為輸出。在進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)中，所述電路包 括兩個(gè)誤差信號(hào)窗口用于受控信號(hào)的較小改變的小窗口，以及用于 受控信號(hào)的較大改變的大窗口。
所述至少第一和第二比較器裝置中的每一個(gè)與所述至少一個(gè)誤 差信號(hào)窗口的界限之一相對(duì)應(yīng)，并且提供指示誤差信號(hào)與各個(gè)界限關(guān) 系的數(shù)字控制信號(hào)作為輸出。因此，所得到的控制信號(hào)是量化的信號(hào)。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述誤差放大裝置是運(yùn)算放大器，所述運(yùn)算放 大器配置為將受檢測(cè)信號(hào)與第一基準(zhǔn)信號(hào)之間的誤差乘以預(yù)定因子， 其中所述誤差信號(hào)包括第一基準(zhǔn)信號(hào)作為偏移。因此，可以將所述至 少一個(gè)誤差信號(hào)窗口的各個(gè)界限對(duì)稱地布置在由所述第一基準(zhǔn)信號(hào)確 定的偏移周?chē)?br> 在所述反饋電路的優(yōu)選應(yīng)用中，所述信號(hào)檢測(cè)裝置與電源電路的 輸出相連，并且將量化的控制信號(hào)輸入至電源電路的控制電路，所述 電源電路的控制電路可以是數(shù)字控制器等。將控制電路配置用于調(diào)節(jié) 電源電路，使得輸出信號(hào)保持在至少一個(gè)預(yù)定的誤差信號(hào)窗口之內(nèi)。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述電源電路是DC-DC轉(zhuǎn)換器。
利用如權(quán)利要求8的用于根據(jù)感測(cè)信號(hào)產(chǎn)生量化控制信號(hào)的方法
還解決了本發(fā)明的上述目的。因此，上述方法包括以下步驟確定具
有預(yù)定上限和下限的至少一個(gè)誤差信號(hào)窗口；通過(guò)從輸入信號(hào)中減去
基準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生誤差信號(hào)；放大所述誤差信號(hào)；將放大的誤差信號(hào)與所 述至少一個(gè)誤差窗口的上限和下限進(jìn)行比較；以及輸出所述比較步驟
的結(jié)果作為量化控制信號(hào)。
所述方法還可以包括以下步驟采用預(yù)定的比例劃分輸入信號(hào)。 通過(guò)該步驟，電路(在其中使用所述方法)的內(nèi)部控制信號(hào)可以比可 用電源電壓更低，所述可用電源電壓可以是電池。此外，所述放大步 驟還可以包括將基準(zhǔn)信號(hào)與放大的誤差信號(hào)相加作為偏移。通過(guò)該 步驟，誤差信號(hào)窗口不需要與電路的接地基準(zhǔn)電勢(shì)對(duì)稱，據(jù)此可以避 免對(duì)稱基準(zhǔn)信號(hào)的產(chǎn)生。
可以在電子電路中有利地使用本發(fā)明的方法，用于根據(jù)電子電路 的輸出信號(hào)產(chǎn)生量化的反饋信號(hào)以控制輸出信號(hào)。
總之，本發(fā)明的一般概念在于以下思想通過(guò)對(duì)用于放大誤差信 號(hào)的精確誤差放大器的使用，所需的窗口比較器能夠相對(duì)不精確，這 減少了對(duì)窗口比較器的要求。此外，采用本發(fā)明的方法以及各個(gè)電路 結(jié)構(gòu)，誤差窗口尺寸與上述解決方案相比能夠更加精確。在對(duì)于非常 精確的輸出電壓需要相當(dāng)小的窗口的情況下，這尤其重要。


通過(guò)以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的詳細(xì)描述，將更完全地理解 本發(fā)明，在附圖中
圖1示出了DC-DC上轉(zhuǎn)換器的原理布局的略圖2示出了用于產(chǎn)生量化誤差反饋信號(hào)的簡(jiǎn)單電路；
圖3是圖2的電路的誤差窗口電平的演示；
圖4a、 4b示出了由于在制造中假設(shè)4-sigma誤差引起的對(duì)于圖3電
路的小誤差窗口的兩個(gè)最壞情況的方案；
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的改進(jìn)實(shí)施例；以及
圖6示出了本發(fā)明對(duì)于誤差窗口效果。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考圖5，將更加詳細(xì)地描述利用本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。 首先，利用四個(gè)相等電阻器R的電阻分壓器531感測(cè)Vout，所述電阻分 壓器531根據(jù)分壓器531的預(yù)定比例輸出一部分Vout、因?yàn)樗兴膫€(gè)龜 阻器R是相等的，所以比例是4: 1。然后，將Vou^與各個(gè)基準(zhǔn)電壓Vrefl 進(jìn)行比較，所述基準(zhǔn)電壓Vrefl與Vout'的所需值相對(duì)應(yīng)，具體地與根 據(jù)電阻分壓器531的比例的那部分所需值Vout相對(duì)應(yīng)。利用預(yù)定的因子 將在Voii1^與Vrefl之間的所得到的誤差進(jìn)行放大，例如乘以20。
在圖5中，利用包括精確運(yùn)算放大器0P在內(nèi)的誤差放大器電路535 執(zhí)行Vout'與Vrefl的比較以及所得到的誤差(Vou1^與Vrefl之差)的 放大。將VouV輸入放大器0P的正輸入端，并且將基準(zhǔn)電壓Vrefl輸入 放大器0P的負(fù)端，其中通過(guò)電阻器Ra和Rb將放大器OP互連，使得放大 器0P的輸出電壓變成
Vrefl+A(l+》)，其中A = Vout'—Vrefl
也就是，在本實(shí)施例中，將VouC與Vrefl之間的誤差放大了20倍， 加上基準(zhǔn)電壓Vrefl作為偏移。然后，將誤差傳送至四個(gè)窗口比較器 0PLWs、 0PHWs、 0PLW1以及0PHW1。
為了更好地演示，在本實(shí)施例中使用某些電壓值作為示例，這并 非傾向于限制本發(fā)明。因此，將反饋節(jié)點(diǎn)FB與Vrerl^625mV的基準(zhǔn)電壓 之差乘以20。因此，從而將在605…645mV之間的以前的大誤差窗口Wl 展寬到225mV…1025mV，從而將以前的小窗口 Ws620…630mV展寬到 525...725mV。這樣，因?yàn)閷⒋翱诒容^器的有效偏移除以20，所以窗口 比較器幾乎不再添加任何不精確性。因此，窗口比較器中的偏移不再 重要。此外，窗口電平之間距離的精確度現(xiàn)在幾乎完全取決于與在本 實(shí)施例中是1250mV的參考電壓Vref2連接的電阻分壓器532的質(zhì)量。這 里值得注意的是，采用精確設(shè)計(jì)電阻器失配可以使失配小于O. 1%。
當(dāng)然，除了窗口電平(圖6)之間距離的精確度以外，總體精確
度也是重要的?？傮w精確度依賴于參考電壓Vrefl和Vref2的精確度， 與Vout連接的電阻分壓器531，以及放大器OP的偏移。放大器0P可以具 有與圖2的(大)窗口比較器0PLW1、 0PHW1可比較的偏移。因此，本發(fā) 明的電路結(jié)構(gòu)將具有與電路2的電路可比較的總體精確度，然而窗口電 平之間的距離更加固定。
反饋電路的另外優(yōu)點(diǎn)是如在圖2的電路中，現(xiàn)在反饋節(jié)點(diǎn)FB需 要支持更少的電容性負(fù)載。這是因?yàn)椋鐖D2中僅將放大器0P連接到反 饋節(jié)點(diǎn)FB而不是4個(gè)比較器。這導(dǎo)致了更快的響應(yīng)時(shí)間以及更好的調(diào)節(jié) 特性。
此外，因?yàn)槿鐖D2中僅需要一個(gè)大電流運(yùn)算放大器而不是四個(gè)大 電流比較器，所以可以顯著地降低電流消耗。與所述運(yùn)算放大器OP連 接的四個(gè)窗口比較器OPLWs、 0PHWs、 0PLW1以及0PHW1可能相對(duì)不精確， 并且能夠以低電流進(jìn)行操作。最后，因?yàn)椴痪_的比較器可以具有非 常小的輸入晶體管，所以能夠節(jié)省硅面積。對(duì)于所需的快速放大器OP, 已經(jīng)采用具有20腿z增益帶寬積的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)了最好的結(jié)果。這 樣，放大器足夠快以跟隨例如lMHz的Vout改變。
總之，本發(fā)明提供了一種反饋電路以及產(chǎn)生反饋控制信號(hào)的方 法，利用所述電路和方法僅需要一個(gè)精確放大器，并且對(duì)于誤差窗口 能夠僅使用簡(jiǎn)單、不精確的放大器。所公開(kāi)方法的主要優(yōu)點(diǎn)是在限 定的誤差窗口電平之間距離的精確度更加固定，這是因?yàn)橹饕呻娮?器的失配而不是由所使用比較器的偏移來(lái)確定所述精確度。此外在反 饋節(jié)點(diǎn)上的電容性負(fù)載更小，其導(dǎo)致更好的響應(yīng)時(shí)間。另外，電流消 耗可觀地更小了。此外，電路將更小。最后，仍然重要地，輸出電壓 的總體偏移與標(biāo)準(zhǔn)解決方案中的偏移相當(dāng)。
應(yīng)該注意的是，不應(yīng)將本發(fā)明的描述視為對(duì)本發(fā)明的限制。基本 上，本發(fā)明的發(fā)明原理可以應(yīng)用于具有控制回路的任何電路，在所述 控制回路中通過(guò)使用一個(gè)或更多個(gè)誤差窗口觀測(cè)輸出信號(hào)值并且產(chǎn)生 控制信號(hào)。具體地，能夠?qū)⒈景l(fā)明應(yīng)用于任何類(lèi)型的電壓轉(zhuǎn)換器電路， 在所述電壓轉(zhuǎn)換器電路中輸出電壓根據(jù)所述原理進(jìn)行變化。因此優(yōu)選 實(shí)施例可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)變化。
最后，仍然重要的是，注意在說(shuō)明書(shū)(包括權(quán)利要求)中使用的 術(shù)語(yǔ)"包括"旨在說(shuō)明所聲明的特性、裝置、步驟或部件的存在，然 而不排除一個(gè)或更多個(gè)特性、裝置、步驟、部件或其組合的存在或添 加。此外，在權(quán)利要求中元件之前的詞"一個(gè)"不排除多個(gè)這樣的元 件的存在。此外，任何參考標(biāo)記不限制權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1、一種用于產(chǎn)生量化控制信號(hào)的反饋電路，所述量化控制信號(hào)表示受控信號(hào)與至少一個(gè)誤差信號(hào)窗口的預(yù)定界限相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，所述電路包括信號(hào)檢測(cè)裝置；誤差放大裝置，受檢測(cè)信號(hào)與其相連，所述誤差放大裝置用于將受檢測(cè)信號(hào)與第一基準(zhǔn)信號(hào)之間的誤差進(jìn)行放大；所述誤差放大裝置的輸出誤差信號(hào)與至少第一比較器裝置和第二比較器裝置相連，將所述第一比較器裝置和第二比較器裝置配置用于將誤差信號(hào)與至少一個(gè)誤差信號(hào)窗口的上限和下限之一進(jìn)行比較。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l的反饋電路，還包括用于產(chǎn)生誤差窗口基準(zhǔn) 信號(hào)的裝置，所述誤差窗口基準(zhǔn)信號(hào)用于提供所述至少一個(gè)誤差信號(hào) 窗口的上限和下限。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2的反饋電路，其中用于產(chǎn)生誤差基準(zhǔn)信號(hào)的裝 置是與第二基準(zhǔn)信號(hào)相連的電阻分壓器，所述電阻分壓器配置用于提 供所述至少一個(gè)誤差信號(hào)窗口的上限和下限作為輸出。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l的反饋電路，其中，所述至少第一和第二比較 器裝置中的每一個(gè)與所述至少一個(gè)誤差信號(hào)窗口的界限之一相對(duì)應(yīng)， 并且提供指示誤差信號(hào)與各個(gè)界限關(guān)系的數(shù)字控制信號(hào)作為輸出。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l的反饋電路，其中，所述誤差放大裝置是運(yùn)算 放大器，所述運(yùn)算放大器配置為將受檢測(cè)信號(hào)與第一基準(zhǔn)信號(hào)之間的 誤差乘以預(yù)定因子，其中所述誤差信號(hào)包括第一參考信號(hào)作為偏移。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l的反饋電路，其中所述信號(hào)檢測(cè)裝置與電源電 路的輸出相連，并且將控制信號(hào)輸入至電源電路的控制電路，所述控 制電路配置用于調(diào)節(jié)電源電路。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6的反饋電路，其中所述電源電路是DC-DC轉(zhuǎn)換器。
8、 一種用于根據(jù)感測(cè)的信號(hào)產(chǎn)生量化控制信號(hào)的方法，所述方法包括以下步驟確定具有預(yù)定上限和下限的至少一個(gè)誤差信號(hào)窗口； 通過(guò)從輸入信號(hào)中減去基準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生誤差信號(hào)； 放大所述誤差信號(hào)；將放大的誤差信號(hào)與所述至少一個(gè)誤差窗口的上限和下限進(jìn)行比較；以及輸出所述比較步驟的結(jié)果作為量化控制信號(hào)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，還包括以下步驟采用預(yù)定的比例劃分輸入信號(hào)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中，所述放大步驟還包括將基準(zhǔn)信號(hào)與所放大的誤差信號(hào)相加作為偏移。
11、 根據(jù)權(quán)利要求8或9的方法在電子電路中用途，用于根據(jù)所述電子電路的輸出信號(hào)產(chǎn)生數(shù)字反饋信號(hào)以控制輸出信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生量化控制信號(hào)的改進(jìn)的反饋電路，其中所述量化控制信號(hào)表示受控信號(hào)與至少一個(gè)誤差信號(hào)窗口的預(yù)定界限相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，所述電路包括信號(hào)檢測(cè)裝置；誤差放大裝置。受檢測(cè)信號(hào)與其相連，所述誤差放大裝置用于將受檢測(cè)信號(hào)與第一基準(zhǔn)信號(hào)之間的誤差進(jìn)行放大；所述誤差放大裝置的輸出誤差信號(hào)與至少第一比較器裝置和第二比較器裝置相連，將所述第一比較器裝置和第二比較器裝置配置用于將誤差信號(hào)與至少一個(gè)誤差信號(hào)窗口的上限和下限之一進(jìn)行比較。本發(fā)明提供了一種電路和方法，通過(guò)其僅需要一個(gè)精確比較器，并且對(duì)于誤差窗口能夠僅使用簡(jiǎn)單、不精確的比較器。因此，在限定的誤差窗口電平之間距離的精確度更加固定，這是因?yàn)橹饕呻娮杵鞯氖涠皇怯伤褂玫谋容^器的偏移確定所述精確度。此外，在反饋節(jié)點(diǎn)上的電容性負(fù)載更小，其導(dǎo)致更好的響應(yīng)時(shí)間。此外，電流消耗可觀地更小了。此外，電路將更小。最后，仍然重要地，輸出電壓的總體偏移與標(biāo)準(zhǔn)解決方案中的偏移相當(dāng)。
文檔編號(hào)H02M3/157GK101395790SQ200780007151
公開(kāi)日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2007年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月28日
發(fā)明者雷默克·布林克曼 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司