本公開涉及用于對開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出進行穩(wěn)壓的裝置和方法。具體來說，本發(fā)明涉及具有優(yōu)化的恢復時間的降壓轉(zhuǎn)換器。

背景

轉(zhuǎn)換器通常用于電源領(lǐng)域?，F(xiàn)代先進的工藝技術(shù)已被用于實現(xiàn)越來越緊湊的設(shè)備。然而，這些發(fā)展也導致對于由于負載電流變化引起的過載的容限減小。

當轉(zhuǎn)換器的負載電流急劇增加時，反饋回路可被用于跟蹤負載并使輸出下沖電壓的發(fā)生最小化。已經(jīng)提出了許多同步轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)來解決這個問題。然而，目前的解決方案仍然存在許多限制，包括輸出電壓過沖的生成和相對較差的恢復時間。

概述

本發(fā)明的目的是解決以上提到的限制中的一個或多個限制。根據(jù)本公開的第一方面，提供了一種用于輸出輸出電壓的轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器包括在用于對抗輸出電壓減小的第一狀態(tài)和用于對抗輸出電壓增加的第二狀態(tài)之間可操作的開關(guān)；以及電路，該電路適于確定輸出電壓在其期間正在下降的時間段，其中在該時間段期間，開關(guān)處于第一狀態(tài)；并且基于該時間段，計算將開關(guān)從第一狀態(tài)轉(zhuǎn)到第二狀態(tài)以防止輸出電壓增加到參考值之上的時間。

可選地，將開關(guān)轉(zhuǎn)到第二狀態(tài)的時間基于轉(zhuǎn)換器的占空比。

可選地，電路包括耦合到開關(guān)的存儲器設(shè)備，存儲器設(shè)備具有耦合到第一電路的第一輸入端、耦合到第二電路的第二輸入端和輸出將開關(guān)轉(zhuǎn)到第二狀態(tài)的信號的輸出端。

可選地，第一電路適于檢測輸出電壓的梯度，并且基于該梯度輸出與時間段成正比的第一信號。

可選地，第一電路包括第一比較器，該第一比較器適于檢測輸出電壓的負梯度；第二比較器，該第二比較器適于檢測輸出電壓的正梯度；以及存儲器設(shè)備，該存儲器設(shè)備包括耦合到第一比較器的輸出端的第一輸入端、耦合到第二比較器的輸出端的第二輸入端；以及輸出與時間段成正比的信號的輸出端。

可選地，第二電路包括用于接收與所述時間段成正比的信號的輸入端、以及輸出基于所述轉(zhuǎn)換器的占空比與另一時間段成正比的信號的輸出端。

可選地，第二電路包括電流發(fā)生器、耦合到電流發(fā)生器的電容器、及比較器，該比較器具有耦合到電容器的輸入端和耦合到邏輯門的輸出端；其中，電流發(fā)生器適于輸出電流以控制電容器的放電速率。

可選地，電流發(fā)生器適于輸出與輸入電流的平方根成正比的電流。

可選地，電流發(fā)生器適于輸出與占空比的平方根的倒數(shù)成正比的電流。

可選地，電流發(fā)生器包括輸入電流發(fā)生器，該輸入電流發(fā)生器用于生成輸入電流；運算放大器，該運算放大器適于控制輸出開關(guān)；以及電流鏡，該電流鏡耦合到運算放大器的輸入端。

可選地，電流鏡包括第一晶體管和第二晶體管，并且其中第二晶體管的尺寸是第一晶體管的尺寸的四倍。

可選地，電流發(fā)生器包括適于接收電壓值并生成與電壓值的平方根的倒數(shù)成正比的數(shù)字值的數(shù)字電路。

根據(jù)本公開的第二方面，提供了一種對轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進行穩(wěn)壓的方法，包括：提供開關(guān)，該開關(guān)在用于對抗輸出電壓減小的第一狀態(tài)和用于對抗輸出電壓增加的第二狀態(tài)之間可操作；確定在其期間輸出電壓正在下降的時間段，其中在該時間段期間，開關(guān)處于第一狀態(tài)；并且基于該時間段，計算將開關(guān)從第一狀態(tài)轉(zhuǎn)到第二狀態(tài)以防止輸出電壓增加到參考值之上的時間；在所計算的時間處將開關(guān)切換到第二狀態(tài)。

可選地，所計算的時間基于轉(zhuǎn)換器的占空比。

可選地，檢測時間段包括檢測輸出電壓的梯度。

可選地，檢測梯度包括檢測輸出電壓的負梯度并且檢測輸出電壓的正梯度。

可選地，計算時間包括生成與輸入電流的平方根成正比的電流。

可選地，計算時間包括生成與占空比的平方根的倒數(shù)成正比的電流。

可選地，計算時間包括接收電壓值并生成與電壓值的平方根的倒數(shù)成正比的數(shù)字值。

可選地，該方法包括提供耦合到開關(guān)的存儲器設(shè)備，該存儲器設(shè)備具有耦合到第一電路的第一輸入端、耦合到第二電路的第二輸入端和輸出將開關(guān)轉(zhuǎn)到第二狀態(tài)的信號的輸出端。

可選地，第二電路包括用于接收與時間段成正比的信號的輸入端、以及輸出基于所述轉(zhuǎn)換器的占空比與另一時間段成正比的信號的輸出端。

可選地，第二電路包括電流發(fā)生器、耦合到電流發(fā)生器的電容器、及比較器，該比較器具有耦合到電容器的輸入端和耦合到邏輯門的輸出端；其中電流發(fā)生器適于輸出電流以控制電容器的放電速率。

可選地，電流發(fā)生器包括輸入電流發(fā)生器，該輸入電流發(fā)生器用于生成輸入電流；運算放大器，該運算放大器適于控制輸出開關(guān)；以及電流鏡，該電流鏡耦合到運算放大器的輸入端。

可選地，電流鏡包括第一晶體管和第二晶體管，并且其中第二晶體管的尺寸是第一晶體管的尺寸的四倍。

附圖簡述

以下將通過示例方式并且參考附圖進一步詳細描述本發(fā)明，在附圖中：

圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器的圖示；

圖2是示出圖1的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)換器的工作的時序圖；

圖3是對轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進行穩(wěn)壓的方法的流程圖；

圖4是根據(jù)本公開的示例性實施例的轉(zhuǎn)換器的圖示；

圖5是示出圖4的轉(zhuǎn)換器的工作的時序圖；

圖6是斜率檢測器的圖示；

圖7是脈沖調(diào)制器的圖示；

圖8是電流電路的圖示；

圖9是另一個電流電路的圖示。

描述

圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器100。轉(zhuǎn)換器包括高壓側(cè)電源開關(guān)105、低壓側(cè)電源開關(guān)110、電感器115、門驅(qū)動器120和用于對轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進行穩(wěn)壓的輸出穩(wěn)壓回路。

門驅(qū)動器120包括或門，其具有第一和第二輸入端以及耦合到非門的一個輸出端。

輸出穩(wěn)壓回路包括連接到門驅(qū)動器的第一輸入端的第一支路和連接到門驅(qū)動器的第二輸入端的第二支路。

第一支路包括脈寬調(diào)制pwm比較器130和誤差放大器140。誤差放大器140具有用于接收轉(zhuǎn)換器的輸出電壓v輸出的反相輸入端、用于接收參考電壓vref的非反相輸入端、以及一個輸出端。

脈寬調(diào)制pwm比較器130具有用于接收誤差放大器140的輸出的非反相輸入端、用于接收斜坡電壓v斜坡的反相輸入端和耦合到門驅(qū)動器120的第一輸入端的一個輸出端。

第二支路包括應(yīng)急(panic)比較器150，其具有用于接收轉(zhuǎn)換器的反饋電壓v輸出的非反相輸入端和用于接收參考電壓vref的反相輸入端。應(yīng)急比較器的輸出端連接到門驅(qū)動器120的第二輸入端。

圖2顯示了示出圖1的轉(zhuǎn)換器的工作的時序圖。該圖包括電流負載205、電感器電流210、轉(zhuǎn)換器電壓輸出215、差分電壓vref-vth220和高壓開關(guān)的接通時間信號225的分布曲線。

在時間t＝t0處，負載電流205增加，導致v輸出215減小。v輸出的減小由應(yīng)急比較器150檢測到。當輸出電壓的下降低于給定閾值時，比較器150輸出使高壓側(cè)開關(guān)105接通(開關(guān)閉合)的信號，以對抗輸出電壓的減小。

在時間t＝t1處，電感器電流210變得大于負載電流205。

在時間t＝t2處，輸出電壓恢復到電壓vref-vth。此時，比較器150輸出使高壓側(cè)開關(guān)105關(guān)斷以對抗輸出電壓中的增加的信號。電感器電流210達到其最大值。

在時間t＝t2和t4之間，輸出電壓215繼續(xù)增加。

該方法的缺點在于，如果在應(yīng)急比較器150檢測到下降之前高壓側(cè)開關(guān)105被關(guān)斷，那么當檢測到下沖電壓時，接通高壓側(cè)開關(guān)就遲了。

此外，使用這種方法，高壓側(cè)開關(guān)105保持接通，直到電壓回到設(shè)定的閾值電壓為止。在時間段t4-t3期間，電感器電流210有助于導致輸出電壓過沖的過量電荷q過量。

圖3示出了當負載電流正在改變時對轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進行穩(wěn)壓的方法的流程圖。

在步驟310處，該方法提供開關(guān)。該開關(guān)在用于對抗輸出電壓減小的第一狀態(tài)和用于對抗輸出電壓增加的第二狀態(tài)之間可操作。

在步驟320處，該方法確定輸出電壓在其期間正在減小的時間段。在該時間段期間，該開關(guān)處于第一狀態(tài)。

在步驟330處，該方法基于該時間段計算將開關(guān)從第一狀態(tài)轉(zhuǎn)到第二狀態(tài)以防止輸出電壓增加到參考值之上的時間。例如，參考值可以是在發(fā)生電流負載增加之前的轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的值。

在步驟340處，開關(guān)在所計算的時間處切換到第二狀態(tài)。

圖4示出了用于實施圖3中所示方法的開關(guān)轉(zhuǎn)換器400。該轉(zhuǎn)換器包括高壓側(cè)電源開關(guān)105、低壓側(cè)電源開關(guān)110、電感器115、門驅(qū)動器120和用于對轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進行穩(wěn)壓的輸出穩(wěn)壓回路。

門驅(qū)動器120包括或門，其具有第一和第二輸入端以及耦合到非門的一個輸出端。

輸出穩(wěn)壓回路包括連接到門驅(qū)動器的第一輸入端的第一支路和連接到門驅(qū)動器的第二輸入端的第二支路。

第一支路包括脈寬調(diào)制pwm比較器130和誤差放大器140。誤差放大器140具有用于接收轉(zhuǎn)換器的輸出電壓v輸出的反相輸入端、用于接收參考電壓vref的非反相輸入端以及一個輸出端。

脈寬調(diào)制pwm比較器130具有用于接收誤差放大器140的輸出的非反相輸入端、用于接收斜坡電壓v斜坡的反相輸入端和耦合到門驅(qū)動器120的第一輸入端的一個輸出端。

第二支路包括存儲器電路450(諸如鎖存器或觸發(fā)器)、脈沖調(diào)制器460和斜率比較器470(也被稱為斜率檢測器)。存儲器電路450具有用于接收置位和復位信號的兩個輸入端和輸出端。斜率比較器470具有用于接收轉(zhuǎn)換器的輸出電壓v輸出的輸入端和用于發(fā)出邏輯信號的一個輸出端。脈沖調(diào)制器460具有連接到斜率比較器470的輸出端的輸入端和用于發(fā)出邏輯信號的、連接到存儲器電路450的復位輸入端的一個輸出端。存儲器電路450的置位輸入端連接到斜率比較器470的輸出端。存儲器電路450的輸出端連接到門驅(qū)動器120的第二輸入端。

在操作中，轉(zhuǎn)換的輸出電壓v輸出由經(jīng)由門驅(qū)動器120控制高壓電源開關(guān)105和低壓電源開關(guān)110的啟動的第一支路的信號輸出和第二支路的信號輸出兩者來穩(wěn)壓。

第一支路的信號輸出是從比較器130輸出的pwm信號，第二支路的信號輸出是來自存儲器電路450的邏輯信號。

如果或門從第一支路的輸出信號或從第二支路的輸出端接收到至少一個高輸入(例如邏輯1)，則或門返回高輸出。在這種情況下，高輸出由反相器轉(zhuǎn)換成低輸出，導致高壓開關(guān)105接通(閉合)。

如果或門從第一支路的輸出信號和第二支路的輸出端中都接收到低輸入(例如邏輯0)，則或門返回低輸出。在這種情況下，低輸出由反相器轉(zhuǎn)換成高輸出，導致高壓開關(guān)105關(guān)斷(打開)。

圖5顯示了示出圖4的轉(zhuǎn)換器的工作的時序圖。該圖包括電流負載505、電感器電流510、轉(zhuǎn)換器電壓輸出515、轉(zhuǎn)換器電壓輸出的斜率520、斜率比較器470的輸出邏輯信號525、脈沖調(diào)制器460的輸出邏輯信號530、存儲器電路450的輸出邏輯信號535和高壓開關(guān)105的接通時間信號540的分布曲線。

在時間t＝t0處，負載電流505增加，導致v輸出515減小。斜率520(也被稱為輸出電壓的梯度)為負。v輸出的減小由斜率比較器470檢測到，該斜率比較器470輸出高邏輯信號。因此，圖4的存儲器電路450的輸出為高，并且門驅(qū)動器120的輸出為低，由此使高壓側(cè)開關(guān)105接通(開關(guān)閉合)，以增加電壓v輸出。

如果高壓側(cè)開關(guān)105在t0之前接通，如圖5所示，則它將在t0之后保持接通。如果高壓側(cè)開關(guān)在t0之前關(guān)斷，則它將在t＝t0處接通。

輸出電壓515在持續(xù)時間δt1＝t1-t0中持續(xù)減小。

在時間t1處，v輸出開始增加，并且輸出電壓的斜率520變?yōu)檎?。此時，斜率比較器470輸出低輸出邏輯信號。脈沖調(diào)制器460計算持續(xù)時間δt2＝t2-t1，其中，t2是高壓側(cè)開關(guān)105應(yīng)該被關(guān)斷(開關(guān)打開)以防止電壓過沖的時間。

例如，可以通過將第一電荷q-與第二電荷q+進行比較來計算持續(xù)時間δt2。

電感器電流510形成相對于電流負載505具有正部分和負部分的漣波。漣波的負部分從轉(zhuǎn)換器的輸出電容器移除電荷q-，并且漣波的正部分向輸出電容器增加電荷q+。

在時間δt1期間，電荷q-被定義為：

其中，l是轉(zhuǎn)換器中的電感器的值。在時間間隔t3-t1期間，電荷q+被定義為：

通過考慮條件q-＝q+，可以從以上的方程式1和2中推導出持續(xù)時間δt2。

在這種情況下，持續(xù)時間δt2由下式給出：

其中，d是轉(zhuǎn)換器的占空比。

因此，高壓側(cè)開關(guān)105在其處應(yīng)被關(guān)斷以防止輸出電壓過沖的時間t2基于持續(xù)時間δt1乘以占空比d的平方根。

在時間t3處，輸出電壓v輸出回到其在負載電流增加發(fā)生之前的初始值。

在時間t>t3處，輸出電壓的dc值基本保持恒定；沒有輸出電壓過沖。

持續(xù)時間(也被稱作時間段δt1＝t1-t0)還可以由斜率比較器470檢測。例如，斜率比較器470可以識別減小輸出值的起點和增加輸出值的起點。

圖6顯示了斜率比較器的示例，其也被稱作適于區(qū)分輸出電壓的負梯度和正梯度的斜率檢測器。斜率檢測器600具有用于接收反饋電壓vfb的輸入端和分別用于輸出邏輯信號的被標記為q和qb的兩個輸出端。斜率檢測器包括耦合到存儲器電路615的第一比較器605和第二比較器610。每個比較器具有反相輸入端、非反相輸入端和一個輸出端。第一比較器605的反相輸入端和第二比較器610的非反相輸入端都連接到節(jié)點a處的相同輸入端，用于接收反饋電壓vfb。第二比較器610的反相輸入端在節(jié)點b處耦合到第一比較器605的非反相輸入端。電容器620具有連接到地的第一端子和連接到節(jié)點b的第二端子。電阻器625一端連接到節(jié)點a，并且另一端連接到節(jié)點b。

存儲器電路615具有被稱為置位輸入端和重置輸入端的兩個輸入端，以及分別被標記為q和qb的兩個輸出端。qb是q的互補。第一比較器605的輸出端連接到置位輸入端。第二比較器610的輸出端連接到重置輸入端。

在時間t＝t0處的操作中，v輸出開始減小。此時，第一比較器605輸出高信號(邏輯1)，而第二比較器610輸出低信號(邏輯0)。當v輸出開始減小時，存儲器電路的輸出被置為1并保持這樣直到時間t＝t1為止。此時，第一比較器605輸出低信號(邏輯0)，而第二比較器610輸出高信號(邏輯1)，這重置存儲器電路615的輸出。因此，存儲器電路615在持續(xù)時間δt1＝t1-t0中保持邏輯值1。

由電阻器625和電容器620形成的rc電路用于獲得節(jié)點a處的電壓與節(jié)點b處之間的電壓的延遲。如果輸出電壓正在上升，則在節(jié)點a處的電壓vfb比在節(jié)點b處的電壓vb上升得更快。如果輸出電壓正在下降，則在節(jié)點a處的電壓vfb比在節(jié)點b處的電壓vb下降得更快。通過這種方式，該電路可以檢測到輸出電壓何時上升或下降。

圖7顯示了脈沖調(diào)制器的示例。脈沖調(diào)制器700分別包括用于生成恒定電流的第一電流發(fā)生器705、用于生成與占空比的平方根的倒數(shù)成正比的電流的第二電流發(fā)生器710、電容器715、比較器720、與門725以及第一和第二開關(guān)730和735。

第一電流發(fā)生器705經(jīng)由第一開關(guān)730與電容器715串聯(lián)耦合。第二電流發(fā)生器710和第二開關(guān)735與電容器715并聯(lián)耦合。比較器720具有耦合到電容器715的第一端子的反相輸入端和耦合到電容器715的第二端子的非反相輸入端。電容器715的第二端子接地。與門725具有用于接收比較器720的輸出的第一輸入端和用于接收邏輯信號的第二輸入端。例如，邏輯信號可以是圖6的斜率比較器600的輸出信號qb。與門具有用于輸出指示持續(xù)時間δt2的信號的輸出端。

在操作中，脈沖調(diào)制器700如下操作。在時間t0處，第一開關(guān)730閉合。在時間長度δt1期間，由電流發(fā)生器705生成的第一恒定電流i1對電容器715充電。

在時間t1處，第一開關(guān)730斷開并且第二開關(guān)735閉合。由電流發(fā)生器710生成的第二電流i2用于使電容器715放電。通過控制電流i2，可以控制電容器715兩端的電壓變化率，從而控制電容器的放電速率。電流i2與占空比的平方根的倒數(shù)成正比，并在長度時間δt2中使電容器放電。通過這種方式，可以處理所期望的在δt1和δt2之間的依賴性。脈沖調(diào)制器700輸出直到t2為止保持為低(邏輯0)的邏輯信號530。

圖8顯示了也被稱作電流電路的第二發(fā)生器710的可能的實施例。

電流電路具有被稱作第一805、第二810和第三815pmos晶體管的三個pmos晶體管；運算放大器820、nmos晶體管825、第一830和第二840電流鏡、以及電流發(fā)生器850。第一電流鏡具有第一nmos晶體管830a和第二nmos晶體管830b。第一nmos晶體管830a具有為第二nmos晶體管830b的尺寸的四分之一的尺寸。第二電流鏡具有第一nmos晶體管840a和第二nmos晶體管840b。

三個pmos晶體管具有用于接收干線電壓vdd的源極和與電流發(fā)生器耦合的柵極。第一pmos晶體管805具有與電流發(fā)生器850耦合的漏極。第二pmos晶體管810具有與第二電流鏡的晶體管840a的漏極耦合的漏極。第三pmos晶體管具有與第二電流鏡的晶體管830a耦合的漏極。

nmos晶體管830b具有與pmos晶體管805、810和815的源極耦合的漏極；以及與nmos晶體管840b的漏極耦合的源極。

運算放大器820具有耦合到電阻的非反相輸入端和耦合到由nmos晶體管830b的源極和晶體管840b的漏極形成的節(jié)點a的反相輸入端。

運算放大器820具有與nmos晶體管825的柵極耦合的輸出端。

在操作中，由電流發(fā)生器850生成的電流i輸入通過第一pmos晶體管805、第二pmos晶體管810和第三pmos晶體管815。因此，相同的電流i輸入通過第一電流鏡的第一nmos晶體管830a，并通過第二電流鏡的第一nmos晶體管840a。因此，電流i輸入還通過第二nmos晶體管840b。

通過晶體管830b的電流由通過晶體管840a的電流確定。830b的柵極電壓由830a的柵極電壓確定。可以從nmos晶體管的漏極-源極電流ids電流的標準方程式導出nmos晶體管830b的電壓源。

節(jié)點a具有如下定義的電壓va

其中，i輸入是由電流發(fā)生器850生成的輸入電流，μn是nmos晶體管的電荷遷移率，cox是每單位面積氧化物的柵極電容，并且w/l是溝道寬度與長度之比。

輸出電流i輸出與輸入電流的平方根成正比，并且可從va得出：

電流i輸入可以被設(shè)置為所期望的值。通過將i輸入設(shè)置為與占空比的倒數(shù)成正比的值，于是i輸出與占空比的平方根的倒數(shù)成正比。

圖9示出了圖7的第二發(fā)生器的另一實施例。在這種情況下，發(fā)生器由包括寄存器905、數(shù)字核910和電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器915的數(shù)字電路900提供。寄存器905具有用于連接到內(nèi)置集成電路(i2c)的輸入端和與數(shù)字核910的輸入端耦合的輸出端。電流dac915具有用于接收數(shù)字核910的輸出的輸入端和用于輸出與占空比的平方根的倒數(shù)成正比的電流的輸出端。

在操作中，使用內(nèi)置集成電路對電壓標識符vid的參考目標進行編程。例如，用戶可以經(jīng)由內(nèi)置集成電路來設(shè)置轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。

內(nèi)置集成電路將對應(yīng)于轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的電壓標識符vid傳送到寄存器905。數(shù)字核910從寄存器905檢索vid數(shù)字數(shù)據(jù)，計算vid的平方根的倒數(shù)的近似值并輸出對應(yīng)的數(shù)字值電流dac915將數(shù)字值轉(zhuǎn)換為與占空比的平方根的倒數(shù)成正比的電流。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，在不脫離本公開的情況下，所公開的布置的變型是可能的。因此，僅通過示例的方式而不是為了限制的目的做出具體實施例的以上描述。技術(shù)人員將清楚，在沒有顯著改變的情況下，可以對所描述的操作進行微小的修改。