专利名称：包括恒定回路增益控制的电压调节器的制作方法
包括恒定回路增益控制的电压调节器 相关申请的交叉引用
本申请要求2008年9月24日提交的题为"用于电压调节器的恒定回路 增益控制"的美国临时专利申请No. 61/099,727的优选权，该申请通过引用 结合于此。
为了更全面地理解，现参考以下结合附图进行的描述，在附图中 图1是降压调节器/模块的框图2是根据本公开内容的用于提供恒定回路增益控制的系统的一般框
图3是示出图2的实现的替代实施例的框图4是更完整地示出包括恒定回路增益控制的电压调节器的示意性框 图；以及
图5是描述图4的电路的配置的流程图。
具体实施例方式
现参考附图，在各图中在此处使用相同附图标记指代相同元件，示出 和描述了用于电压调节器的用于提供恒定回路增益控制的电路的多个示图 和实施例，而且描述了其它可能的实施例。这些附图不一定是按比例绘制 的，而且仅为说明目的起见，在某些实例中有几处已将附图放大和/或简化。 本领域普通技术人员将可理解基于可能实施例的以下示例的许多可能应用 和变型。
具有集成补偿构造的电压调节器存在问题。因为具体建立的固定补偿 配置仅对一个输出电压最优，所以输出电压的变化导致引起系统不稳定的 回路增益偏移。因此，需要某些方法用于消除电压调节器中针对输出电压的回路增益变化，以使电压调节器在宽输出电压范围上稳定。
现参考附图，更具体地参考图1，示出了电压调节器100的框图。可
通过改变分压器118的电阻器120和122的值对节点112处提供的输出电 压编程。因为固定补偿仅对于一个输出电压最优，所以当输出电压出现在 不同电平时系统将不稳定，因为电阻器120和122的值的任何变化将会导 致直流回路增益偏移、交叉频率碰撞以及相位裕度变化。可根据以下方程 确定外部分压器118中的回路增益
G环路=G补偿器x ^调制器x G调节器x GLC x m + w
因此，回路增益取决于包括电阻器R,和R2的外部分压器118。系统设
计可针对某些应用优化内补偿参数。然而，当用户在他们的特定设计中选
择不同的分压器时，固定的内补偿参数可能不再是最优的。这在某些时候
将使系统变得不稳定。如果该补偿固定，则直流回路增益随输出电压偏移。
如果在单个电压处优化该回路，则这将引起不稳定。
外部分压器根据以下方程给回路增益造成直流偏移 A必 二
i l + i 2 —F输出
如果可确定输出电压信息，则可确定分压器增益。可使用此信息来消 除分压器增益对回路增益的影响。
现参考图2，其中示出包括恒定回路增益控制的电压调节器的一般实 现的框图。此思想可适用于诸如非隔离的直流到直流、非隔离的交流到直 流、隔离的直流到交流/直流等任何电压转换器。功率级202可包括类似于 降压器、升压器等等任意数量的布局。在图2中的实现中，功率级202响 应于从调制器204提供的PWM信号提供经调节的输出电压VM。反馈电 压信号Vra在由电阻器R,和112组成的分压器210中的节点206处测得。电 阻器！^连接在输出电压节点208与节点206之间。电阻器R2连接在节点 206与地之间。
电压反馈信号VFB被提供给误差放大器补偿器212，基准电压Vkef亦 然。误差放大器补偿器212产生被输入增益调节块214的补偿电压信号 VC0MP。增益调节块214还接收经过滤波器216处理的来自节点208的V输"言号的经滤波版本。增益调节块214可包括如本文中以下关于图4进一步 描述的乘法器实现或其它实现。通过将误差放大器补偿器输出Vcomp与来 自滤波器216的经滤波的V^信号在增益调节块214中组合，可从施加给 调制器204的补偿信号中基本去除由分压器210引起的回路增益的影响。 这将使调制器204产生更稳定的PWM信号并提供功率级202的稳定工作。 在如图3所示的替代实施例中，将来自滤波器216的经过滤波的输出 信号V ,'施加到调制器204而不是施加到增益调节块214。滤波器216对 在输出电压节点208处提供的由功率级202产生的输出电压进行滤波。输 出电压V^t,由功率级202响应于从调制器204提供的PWM信号产生。调 制器204响应于来自滤波器216的经过滤波的输出和从误差放大器补偿器 212提供的补偿电压VcoMp产生PWM信号。VC0MP电压由误差放大器补偿 器212响应于基准电压V^f和在分压器网络210的节点206处监测到的反 馈电压V,:b产生。和之前一样，分压器210连接至输出电压208。调制器 204可通过调节调制器204中产生并施加给PWM放大器的斜坡电压136的 大小来实现经过补偿的PWM信号的产生。在此情况下，误差放大器补偿 器212将COMP信号施加给调制器204而不是增益调节块214。大小调节 涉及选择峰至峰电压VPP，其以所需方式消除由分压器210引起的回路增
、乙显。
现参考图4，其中示出了包括恒定回路增益控制的电压调节器。功率 模块电路系统102由集成控制器和MOSFET开关电路系统104组成， MOSFET开关电路系统104在节点106处接收输入电压Vft入，而在相位节 点108处产生输出电压。相位节点108连接至电压滤波器，该电压滤波器 由连接在节点108与节点112之间的电感器110和连接在节点114与地之 间的电容器114组成。输出电压V，,在输出节点112处提供，且构成经调 节的输出电压V0。连接至输出电压节点112的是连接在节点112与地之间 的电阻器116。电阻器116包括用于该调节器的负载电阻器。
此外，由电阻器120和电阻器122组成的分压器118连接在输出电压 节点112与地之间。分压器网络118的电阻器120连接在节点112与节点 124之间。分压器网络118的电阻器122连接在节点124与地之间。反馈电压VpB从节点124被提供至单位增益放大器126的非反相输入端。单位增 益放大器126的反相输入端接地。单位增益放大器的输出端通过阻抗Z, 130 连接至节点128。
来自单位增益放大器126的反馈电压通过阻抗130被施加给连接至节 点128的误差放大器132的反相输入端。误差放大器132的非反相输入端
连接至基准电压VREF。响应于反馈电压VpB和基准电压VREF，误差放大器
132将输出误差电压Ve提供給PWM放大器134的非反相输入端。阻抗Z2 135连接在误差放大器132的输出端与节点128处的误差放大器132的反相 输入端之间。
斜坡电压136被施加给PWM放大器134的反相输入端，其具有峰至 峰电压VPP。响应于施加给PWM放大器134的输入端的误差电压Ve和斜 坡电压136，该放大器产生输出PWM信号，该PWM信号被施加给上门驱 动电路138和下门驱动电路140的输入端。上门驱动电路138产生PWM驱 动信号通往上晶体管142的栅极。上晶体管142具有连接在输入电压节点 106与相位节点108之间的漏/源路径。驱动电路140包括反相驱动电路， 其使从PWM放大器134提供的PWM输入信号反相，并产生PWM驱动信 号通往下开关晶体管144的栅极。
误差放大器132的输出被提供给乘法器402。乘法器402将误差电压
VE与已经过如下所述地滤波的感测到的输出电压相乘。所感测到的输出电
压在节点112处通过传递函数404被监测。传递函数404的输出通过连接 在传递函数404的输出端与节点408之间的电阻器406施加。电容器410 连接在节点408与地之间。需要由电阻器406与电容器410组成的RC滤 波器来获得直流输出电压信息。节点408连接至加法器电路412，加法器电 路412将经过滤波的输出电压加至来自电压源414的输出。传递函数404、 电阻器406、电容器410、加法器412、电压源414以及乘法器402构成前 馈电路，其消除外部分压器电路118的直流偏移增益。来自加法器电路414 的相加信号在乘法器402处与误差电压Ve相乘。电压源414是小电压源， 需要它在从零伏启动期间使该电路开始运行。
乘法器402的输出被施加到PWM放大器134的非反相输入端。乘法器402的作用去除了分压器118的回路增益，而且限制了分压器依据总回
路增益的输出。如上所述，回路增益由以下方程定义
i 2
G环路=G补偿器x G调制器x G调节器x GAC x
此方程可简化为
因此，回路增益与使用上述前馈电路来消除分压器电路118回路增益
效果的外部分压器电路118无关。
现参考图5，其中示出描述图4的电路系统的操作的流程图。最开始， 在步骤502，误差放大器132产生反馈误差电压。在步骤503，在输出电压 节点112处监测输出电压。在步骤504，被监测的输出电压节点处施加有传 递函数404来对输出电压进行滤波。在步骤505，由电压源414产生的电压 被加至经过滤波的输出电压。在步骤506，将经过滤波的输出电压与所产生 的误差电压VE相乘以产生经过补偿的信号。在步骤507， PWM放大器134 使用经过补偿的信号来产生PWM信号。这些PWM信号用于产生用于降压 调节器的开关晶体管的驱动信号。
此解决方案提供了对电压调节器的软启动或瞬态响应没有影响的简单 实现。该电路系统可被集成在控制器IC中。所提出的恒定回路增益控制方 案具有输出电压前馈块，其用来消除输出电压影响和系统回路增益。因此， 该电路系统能实现针对输出电压变化的恒定回路增益。
受益于本公开内容的本领域技术人员应当理解用于电压调节器的此恒 定回路增益控制。应当理解的是，本文中的附图和详细描述应被认为是说 明性而不是限制方式的，而且不旨在受限于所公开的特定形式和示例。反 之，如所附权利要求所限定地，在不背离本发明的精神和范围的情况下， 所包括的是对本领域的普通技术人员而言明显的任何进一步修改、变化、 重新排列、替换、替代物、设计选择以及实施例。因此，旨在使所附权利 要求被解释为包含所有这些进一步修改、变化、重新排列、替换、替代物、 设计选择以及实施例。
权利要求
1.一种具有反馈回路的电压调节电路，所述反馈回路具有回路增益，所述电路包括功率级，用于响应于输入电压和至少一个PWM信号产生经过调节的输出电压；分压器电路，其连接至所述功率级的输出端，用于产生反馈电压；第一电路系统，用于响应于电压误差信号、经过滤波的输出电压信号以及斜坡电压信号产生所述至少一个PWM信号，其中所述经过滤波的输出电压用于基本去除由所述分压器电路引起的回路增益变化；以及电压补偿电路，用于响应于反馈电压和基准电压产生所述电压误差信号。
2. 如权利要求1所述的电压调节电路，其特征在于，所述第一电路系统 还包括增益调节电路，其调节所述电压误差信号的增益，以便通过利用所述电压 误差信号处理所述经过滤波的输出电压信号来基本去除由所述分压器电路引 起的所述回路增益变化；以及调制器，用于响应于所述增益经过调节的电压误差信号和所述斜坡电压信 号产生所述至少一个PWM信号。
3. 如权利要求2所述的电压调节电路，其特征在于，所述增益调节电路 还包括传递函数，用于对所述经过调节的输出电压进行滤波； 加法器电路，用于将所述经过滤波和调节的输出电压与由电压源提供的第一电压相加，以提供所述经过滤波的输出电压；以及乘法器电路，用于将所述电压误差信号与所述经过滤波的输出电压相乘，以基本去除由所述分压器电路引起的所述回路增益变化。
4. 如权利要求3所述的电压调节电路，其特征在于，由所述电压源提供 的所述第一电压用于使所述电压调节电路在启动时开始运行。
5. 如权利要求2所述的电压调节电路，其特征在于，所述调制器包括比 较器，所述比较器用于响应于所述增益经过调节的电压误差信号和所述斜坡信号产生PWM信号。
6. 如权利要求1所述的电压调节电路，其特征在于，所述电压补偿电路系统包括误差放大器，所述误差放大器用于响应于所述反馈电压和所述基准电 压产生所述电压误差信号。
7. 如权利要求1所述的电压调节电路，其特征在于，所述第一电路系统 还包括滤波器，其连接至所述经过调节的输出电压，用于提供所述经过滤波的输 出电压；以及调制器，用于响应于所述电压误差信号、所述经过滤波的输出电压以及所述斜坡电压产生所述至少一个PWM信号，其中所述斜坡电压的大小被选择成 基本去除由所述分压器电路引起的回路增益变化。
8. —种用于控制具有反馈回路的电压调节器的集成电路，所述反馈回路 具有回路增益，所述集成电路包括-一对开关晶体管，用于响应于输入电压和驱动控制信号产生相位电压； 驱动器电路系统，用于响应于PWM信号产生所述驱动控制信号；第一电路系统，用于响应于电压误差信号、经过滤波的输出电压信号以及斜坡电压信号产生所述PWM信号，其中所述经过滤波的输出电压用于基本去除由连接至所述电压调节器的输出端的所述分压器电路引起的回路增益变化；以及电压补偿电路，用于响应于反馈电压和基准电压产生所述电压误差信号。
9. 如权利要求8所述的集成电路，其特征在于，所述第一电路系统还包括增益调节电路，其调节所述电压误差信号的增益，以便通过利用所述电压 误差信号处理所述经过滤波的输出电压信号来从所述电压误差信号中基本去除由所述分压器电路引起的所述回路增益变化；以及调制器，用于响应于所述增益经过调节的电压误差信号和所述斜坡电压信 号产生所述至少一个PWM信号。
10. 如权利要求9所述的集成电路，其特征在于，所述增益调节电路还包括传递函数，用于对所述经过调节的输出电压进行滤波；加法器电路，用于将所述经过滤波和调节的输出电压与由电压源提供的第 -电压相加，以提供所述经过滤波的输出电压；以及乘法器电路，用于将所述电压误差信号与所述经过滤波的输出电压相乘， 以基本去除由所述分压器电路引起的所述回路增益变化。
11. 如权利要求10所述的集成电路，其特征在于，由所述电压源提供的 所述第一电压用于使所述电压调节电路在启动时开始运行。
12. 如权利要求9所述的集成电路，其特征在于，所述调制器包括比较器，所述比较器用于响应于所述增益经过调节的电压误差信号和所述斜坡信号产 生PWM信号。
13. 如权利要求8所述的集成电路，其特征在于，所述电压补偿电路系统 包括误差放大器，所述误差放大器用于响应于所述反馈电压和所述基准电压产 生所述电压误差信号。
14. 如权利要求8所述的集成电路，其特征在于，所述第一电路系统还包括滤波器，其连接至所述经过调节的输出电压，用于提供所述经过滤波的输 出电压；以及调制器，用于响应于所述电压误差信号、所述经过滤波的输出电压以及所述斜坡电压产生所述PWM信号，其中所述斜坡电压的大小被选择成基本去除 由所述分压器电路引起的回路增益变化。
15. —种电压调节方法，包括以下步骤通过利用具有回路增益的反馈回路响应于输入电压和至少一个PWM信 号产生经过调节的输出电压； 通过分压器监测反馈电压； 监测所述经过调节的输出电压； 对所述经过调节的输出电压进行滤波； 响应于所述反馈电压和所述基准电压产生电压误差信号； 去除由所述分压器引起的回路增益变化； 响应于所述电压误差信号产生所述至少一个PWM信号。
16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述去除的步骤还包括利 用所述电压误差信号处理所述经过滤波的输出电压信号，以去除由所述分压器 电路引起的回路增益变化的步骤。
17. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述组合步骤还包括以下步骤使用传递函数对所述经过调节的输出电压进行滤波；将所述经过滤波和调节的输出电压与由电压源提供的第一电压相加，以提供所述经过滤波的输出电压；以及将所述电压误差信号与所述经过滤波的输出电压相乘，以基本去除由所述 分压器电路引起的所述回路增益变化。
18. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述产生所述至少一个PWM 信号的步骤还包括响应于增益经过调节的电压误差信号和斜坡信号产生所述 至少一个PWM信号的步骤。
19. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述产生所述电压误差信 号的步骤包括响应于所述反馈电压和基准电压比较所述电压误差信号的步骤。
20. 如权利要求15所述的电压方法，其特征在于，所述去除步骤还包括 以下步骤响应于所述经过滤波的输出电压选择用来产生所述至少一个PWM信号 的斜坡电压的大小；以及响应于所述电压误差信号和所述斜坡电压产生所述至少一个PWM信号， 其中所述斜坡电压的大小被选择成基本去除由所述分压器电路引起的回路增 益变化。
全文摘要
一种电压调节电路包括功率级，该功率级用于响应于输入电压和至少一个PWM信号产生经过调节的输出电压。分压器电路连接至该功率级的输出端，并产生反馈电压。第一电路系统响应于电压误差信号、经过滤波的输出电压信号以及斜坡电压信号产生该至少一个PWM信号。经过滤波的输出电压用于基本去除由分压器电路引起的回路增益变化。电压补偿电路响应于反馈电压和基准电压产生电压误差信号。
文档编号G05F1/46GK101685315SQ200910178748
公开日2010年3月31日 申请日期2009年9月23日 优先权日2008年9月24日
发明者N·蓬格拉塔纳努库, 肖尚阳, 裘卫红 申请人:英特赛尔美国股份有限公司