一种可编程电压转换速率限制器的低噪声降压开关稳压器的制造方法
【专利摘要】一种可编程电压转换速率限制器的低噪声降压开关稳压器，提供了一种有可编程电压转换速率限制器的低噪声降压开关稳压器电路和使用方法。本实用新型提供降压开关稳压器电路，包括电压电流的转换速率限制电路，本实用新型描述了电流模式和电压模式控制的实现提供有效的低噪声开关稳压器电路。
【专利说明】一种可编程电压转换速率限制器的低噪声降压开关稳压器【技术领域】:
[0001]本发明涉及一种开关稳压器电路。更特别地，本发明涉及降压直流到直流(DC到DC)开关变换器电路(也被称为“降压开关稳压器”)，相比以前已知的降压开关稳压器，提供了低噪声和可编程的限制压转换速率的功能。
【背景技术】:
[0002]图1说明了一个已知的降压开关稳压器，从一个不受限的正电源电压输入电压(例如，电池)提供了一个预定的恒定输出电压Vwt用于驱动一个负载Ry虽然只是作为一个电阻，也可以是一个便携式通信设备或计算机。降压开关稳压器10包括受控电流源12，晶体管14和16，二极管18，电感20，电容器22，和控制电路24。控制电路24产生控制信号Vr,在所期望的频率范围控制开和关，通常在100-300千赫兹。
[0003]降压开关稳压器10的操作如下:在一个开关周期的开始，控制信号的变高，使受控电流源12导向电流I1，并使晶体管14导通。晶体管14的集电极驱动晶体管16的基极，使晶体管16导通。一旦晶体管16导通，晶体管16的发射极电流便以较高的正向电流转换率迅速增加。随着电流的回转，在电感输入节点Vsw电压便以一个高的正电压转换速率约Vin迅速增加。二极管18是截止的，一个Vin-Vot的电压\加在电感器20上，将开关电压脉冲转变成电感电流l.。电感器20和电容器22构成一个低通滤波器来消除开关频率及其谐波分量的输出电压VoUT。
[0004]控制电路24监视输出电压Vqut并且提供控制信号，通过改变晶体管16的开关时间调节输出电压Vk (即改变降压开关稳压器的占空比，是在一个周期里打开的时间占周期的百分比)。特别的，当％ 是低电平，受控电流源12关闭，使晶体管14和16截止。由于晶体管16截止，电感的输入节点电压Vsw以一个高的负电压转换速率迅速下降至近似于地电势。随着电压回转，晶体管的16的发射极电流以一个较高的负电流转换率迅速下降。此外，\变为-Vtot，二极管18导通，并产生了电感电流Iy和电感输入节点Vsw保持在近似为地电势，直到下一个周期的控制信号。
[0005]因此，在每个开关周期中，电感输入节点Vsw开关约在Vin和地之间。为了减少瞬时功率损耗和晶体管16的自加热还有开关转换过程中得到整体效益最大化，正、负电流和晶体管16电压转换速率较高。然而快速的转换率也会产生电磁干扰(EMI )，通常被称为“噪音”以传导和辐射干扰的形式存在。
[0006]一些降压稳压器的应用程序都需要噪音低、效率高，如数据采集系统和通信系统。虽然线性稳压器能满足这些应用的噪声要求，可是线性稳压器不能提供所需的效率。传统的降压开关稳压器可满足这样的应用程序的效率要求，但不能满足低噪声的要求。因此，需要提供降压开关稳压器电路，提供高效率，但有限的电压和电流转换率还有低噪声应用。
【发明内容】
:
[0007]综上所述，本发明的目的是:提供高效率、可限制的电压和电流转换速率和低噪声应用的降压开关稳压器电路。
[0008]本发明的技术解决方案:
[0009]在这个发明以及本发明的其他对象中，降压开关稳压器电路包括电压转换速率限制电路和电流的转换速率限制电路。可以实现降压开关稳压器的转换速率限制电路使用电流编程控制或占空比控制。
[0010]对比专利文献:CN2282698Y区间控制型开关稳压器96204039.8，CN201352323Y —种高效同步整流降压型稳压器200920130174.4
【专利附图】
【附图说明】:
[0011]从下面的详细描述在图纸中可以更清楚地理解上述的目的以及本发明的特征，相同的参考数字表示的是相同的结构:
[0012]图1是一个已知的降压开关稳压器原理图；
[0013]图2是一个已知的电流编程控制降压开关稳压器实现原理图；
[0014]图3是一个已知的调节占空比控制降压开关稳压器实现原理图；
[0015]图4是另一个已知的电流编程控制降压开关稳压器实现原理图；
[0016]图5是一个以本发明原理构建一个说明性的低噪声降压开关稳压器实例； [0017]图6是图5的电路的一个说明性的实例；
[0018]图7是图5的电路的另一个实例；
[0019]图8是另一个以本发明原理构建的一个说明性的低噪声降压开关稳压器实例；
[0020]图9仍然是一个以本发明原理构建的一个说明性的低噪声降压开关稳压器实例；[0021 ]图10是说明图9的电路的实例。
【具体实施方式】:
[0022]提供本发明的背景，下面详细描述了已知的降压开关稳压器电路。然后描述了在这些已知的被公开的稳压电路上修改过的低噪声稳压器。
[0023]A、现有降压开关稳压器
[0024]图2显示了一个现有的电流编程控制的降压开关稳压器70。稳压器70类似于图1的稳压器10，有控制电路24，由电阻26，电流检测电阻28，比较器30，振荡器32，SR锁存器34，分压电阻36和38，受控电流源40，误差放大器42，与参考电压Vkefc。
[0025]稳压器70的操作如下:在一个周期的开始，32振荡器产生时钟信号，置位锁存器34，使受控电流源12产生电流I1，从而打开14和16晶体管。反过来，约一个电压VJVin-Vtot出现在电感20上以增加通过电感的电流Ip 二极管18是关闭的，感应电阻28传导晶体管16集电极电流，约等于电感电流込。
[0026]约等于(Vra-1jR1)电压的Vi耦合到比较器30的反相输入。误差放大器42放大参考电压Vkefc和反馈电压Vftc的差异产生的误差电压矢量。误差放大器42提供了非常高的增益(通常为40-60分贝)。分压电阻36和38按照调节过的输出电压Vqut比例设置VFBC。误差电压乂％矢量耦合到控制电流源40，按Vk同比例产生电流12。电阻26传导电流12。电压Vc，等于(Vra-1jR2), f禹合到比较器的非反相输入30。
[0027]比较器30产生输出响应的差异标志(IjR1-12^R2X[0028]当A<(|)%时，比较器16的输出为低电平;当八 >(鲁)*,2时，比较器30的输
出是高电平；当电感电流込超过((R2A1) *12)，比较器30输出高电平并且复位锁存器34，使受控电流源12关闭，从而关闭晶体管14和16。这一变化Vl约-Votjt,正向偏置二极管18,并使电感电流k下降，直到下一个时钟脉冲振荡器32，置位锁存器34。
[0029]因此，在正常操作过程中，晶体管关闭时，电感16电流込超过电流I2和电阻R1和R2设置的预定水平(取/%)*12)。如果调节输出电压Vrat的增加超过由分压电阻36和38、参考电压Vkefc，误差电压Vk和电流I2的减小设置的预定的稳态值，结果就是，k开关周期前超过(0?2/%)*12)而不是在稳态运行时。缩短开关时间引起调准输出电压Vot减小，直至达到其以前的稳态值。
[0030]然而，如果调节的输出电压Vtot下降到低于预定的稳态值，误差电压Vec增加，电流I2增加。作为一个结果，晶体管16打开的持续时间加长，因为込要超过((R2Z^R1) *12)，在开关周期比其在稳态运行时间晚。延长开关打开的持续时间，引起调节输出电压Vtot增加直到达到以前的稳态值。
[0031]另外，现有的开关稳压器可通过占空比控制实现，其中稳压器监视输出电压，直接设定占空比。图3显示了这样一个现有的占空比控制降压开关稳压器80，操作如下:误差放大器142放大的参考电SVkefv和反馈电压Vfbv之间的差异来产生误差电压定。误差放大器142提供了非常高的增益(通常为40-60分贝)。分压电阻136和138同比例与调节的输出电压Vmjt来设置Vfbv。比较器130有一个非反相输入稱合误差电压Vev,和反相输入f禹合到锯齿波发生器132的输出电压\。
[0032]在每个时钟周期的开始，Vs低于Vev，比较器130的输出是高电平，受控电流源12导出电流I1,晶体管14和二 极管16导通，二极管18是截止的。约一个\ (Vin-Vqut)的电压出现在电感20上，使通过电感的电流Il增加。当\高于Vev比较器130关闭受控电流源12、晶体管14和16 (二极管18打开)。在图2的电流模式稳压器70中，在输出电压Votit处，电感20和电容22形成一个低通滤波器来消除元件的开关频率及其谐波。
[0033]在正常操作过程中，如果调节输出电压Vqut下降到低于由分压电阻136和138、参考电压Vkefc设置的预定的稳态值，Vec增加，因此在时钟周期的后期Vs超过Vev，引起导致比较器130延长晶体管16导通的时间。因此，流过电感20的电流L增加，Vqut增加直到达到以前的稳态值。但是如果Vott的增加高于期望稳态值，Vev减小，因此在时钟周期早期，Vs便超过Vev，使比较器130缩短对晶体管16导通的时间。结果，流过电感20的电流込和Vqut下降，直到它到达它以前的稳态值。
[0034]图2和图3的现有的降压稳压器的电压转换速率，主要是晶体管14和16的特性函数体现。在导通之前，晶体管14的基极电压约为Vin，它的集电极电压接近地。导通后，晶体管14的基极电压约为(VIN (Vbe)晶体管的Vbe的导通电压约0.7V)，它的集电极电压约为VIN。当开关打开时，电流I1的很大一部分电荷充满了晶体管14的相对大的基极-集电极电容。这往往限制晶体管14在集电极的转换速率，因此限制了晶体管16的正电压转换速率和电感输入节点Vsw。
[0035]为了关闭作用，电流源12是关闭的，除去晶体管14的基极电流，关闭晶体管14和切断晶体管16的基极电流。当晶体管14不导通时，晶体管16的集电极电容是晶体管16的唯一驱动电流，并且是负电压转换速率唯一的自然极限。负电压转换速率取决于输出负载的水平和有源区的晶体管16的电流增益(β )，通常比正电压转换速率快得多。
[0036]正向电流转换率受限于PNP晶体管14单位增益频率(fT)和晶体管16的β值。图2和图3的电路中，负电流转换率通常比正向电流的转换速率快得多。当电流源12和晶体管14关闭时，晶体管16的集电极电容和负电压转换速率的乘积等于电流,它提供了晶体管16的基极驱动，直到节点Vsw略低于地电势并且二极管18导通。当二极管18打开，晶体管16的基极和发射极停止电压回转。因此，驱动晶体管16的基极近似为零，晶体管16的发射极电流迅速关闭。这种负的电流转换是迅速地、不受控制的。
[0037]图4显示了另一个先前已知的采用电流编程控制的降压开关稳压器90的原理图。稳压器90是类似图2的装置70，还包括电容器74，二极管76和78，电阻器82和84还有电路86。此外图2中控制电流源112和NPN晶体管114分别取代受控电流源12和PNP晶体管14。
[0038]稳压器90的操作类似于稳压器70，为了提高效率，它还拥有另外的电路。特别的，三极管114的集电极连接到一个标记端子“BOOST”，这是连接到Vqut的电容74、二极管76的。在正常操作过程中，在晶体管16关闭之后，Vsw低于地电势，二极管76导通，电容器74充满，电压约VOT。在下一个开关周期，当晶体管16打开开关，Vsw变成约Vin，二极管76导通，并且“BOOST”节点增加至约(VIN+VOTT)。这样的话，当晶体管114打开，其发射极电压超过输入电压。这允许晶体管114驱动晶体管16至接近饱和，从而最大限度地减少晶体管16的电压降并且提闻效率。
[0039]驱动晶体管16过饱和很不方便，因为会导致关断延迟很长。为了防止晶体管16太过饱和，电路86使用几种本身在行业中已知的技术在刚刚开始饱和的时候来消除晶体管114基极的驱动。
[0040]电阻82和84分别耦合到晶体管114和晶体管16的基极-发射极结。这些电阻有助于减少晶体管114和16的关断时间，并提供一些泄漏电流的路径。
[0041]B、低噪声降压稳压器
[0042]图5显示了本发明的一个低噪声降压开关稳压器的实例的示意图，在类似于图2的电路开关稳压器70中实现。如上所述，晶体管14和16本质上提供图2和3中的降压开关稳压器的正电压转换速率限制特性。因此，本发明的低噪音降压开关稳压器的实例中包括附加电路负电压转换速率和正、负电流转换率的限制特性。
[0043]特别是，稳压器170包括负电压转换速率限制器电路44，它耦合在晶体管16的Vin和底座之间，正和负电流的转换速率限制器电路46，耦合到Vin和节点Vsw与Vd电流感应电感48。在下面有更详细的描述，在开关断开时，电路44提供晶体管16的基极驱动来限制负电压转换速率。此外，在开关打开和关闭后，电路46消除驱动，或提供驱动，晶体管16分别限制电流正负压转换速率。
[0044]图6显示了图5中低噪声降压开关稳压器的实例。负电压转换速率限制器电路44包括电容器50,晶体管52和54,电阻56和58。晶体管52和54的输入端与一个达林顿配置的电容器50耦合，然后连接到VIN。电流的转换速率限制器电路46包括晶体管60和62，电流源64、二极管66。
[0045]当晶体管14、16接通，在晶体管16的基极电压大约在输入电压，通过电容器50的电流Iratl是可以忽略的，电阻56和58，晶体管52和54是关闭的。电流源64传导电流13，流过二极管66。在晶体管60的基极和发射极的电压近似相等，因此晶体管60是关闭的。如下所述，感应电感48的电压差Vsi近似为零，晶体管62是关闭的。
[0046]在开关关闭时，晶体管14是关闭的，当晶体管16的基极电压开始下降，电容器50和电阻56和58开始产生电流Ira(l。当电阻56电压降大于Vbe，则晶体管52和54打开，并且供应晶体管16的基极驱动，来限制负电压转换速率。因为相比起晶体管54，晶体管52只需要几百微安基极的驱动电流，晶体管52可以最小(IX )晶体管。相反，由于晶体管54必须供应晶体管16基极几十晕安的驱动电流，晶体管54必须大于最小尺寸(例如1X )。
[0047]负电压转换速率限制为:
【权利要求】
1.一种可编程电压转换速率限制器的低噪声降压开关稳压器，其特征是:具有耦合到输入节点的第一端开关晶体管，第二端子，和第三端子；具有一个电感器，它的第一端子耦合到开关晶体管的第三端，第二端耦合到输出节点；具有第一电路，它的第一端子耦合到开关晶体管的第二端，第二端连接到输入节点，在开关晶体管的第三端限制电压转换速率到第一预定值；具有第二电路，第一端子耦合电感的第一端子，第二端子耦合电感器的第二端，第三端耦合到开关晶体管的第二端，第二电路在该开关晶体管的第三端子限制电流转换速率在第二预定值。
2.根据权利要求1所述的一种可编程电压转换速率限制器的低噪声降压开关稳压器，其特征是:其中第一电路在开关晶体管的第三端限制负电压转换速率到第一预定值；其中第一电路在开关晶体管的第三端限制正电压转换速率到第一预定值；其中第一电路在开关晶体管的第三端限制一极正、一极负电压转换速率到第一预定值；其中第二电路在开关晶体管的第三端限制负电流转换速率到第二预定值；其中第二电路在开关晶体管的第三端限制正电流转换速率到第二预定值；其中第二电路在开关晶体管的第三端限制一极正、一极负电压转换速率到第二预定值；其中第一电路在开关晶体管的第三端限制正电压转换速率到第一预定值；其中第一电路在开关晶体管的第三端限制一级正一级负电压转换速率到第一预定值；其中第二电路在开关晶体管的第三端限制负电流转换速率到第二预定值；其中第二电路在开关晶体管的第三端限制正电流转换速率到第二预定值；其中第二电路在开关晶体管的第三端限制一级正一级负电压转换速率到第二预定值；其中开关晶体管由双极型晶体管构成，其中双极型晶体管包括耦合到输入端子的集电极和耦合到第一电路的第一端子和第二电路第三端的基极，和一个耦合电感的第一端子的发射极。
3.根据权利要求1所述的一种可编程电压转换速率限制器的低噪声降压开关稳压器，其特征是:它由耦合到开关晶体管的第二端电流型控制电路构成；它由与开关晶体管的第二端耦合的占空比控 制电路构成；其中第一电路包括:一个电容，电容第一端子连接到开关晶体管的第二端，电容第二端连接到输入节点，其中第一预定值和电容器的电容成反比。其中第一电路还包括:一个电阻，它一端耦合电容的第一端，第二端连接到开关晶体管的第二端，其中第一预定值的电阻器的电阻和电容成反比；一个由第一端耦合接至输入节点，第二端子耦合到电阻的第一端，第三端耦合电阻的第二端的晶体管，其中第一预定值是与晶体管的电压，除以电阻和电容后的值成正比；其中该第二电路包括:第一晶体管包括第一端耦合接至输入节点，第二端耦合电感器的第二端，第三端连接到开关晶体管的第二端；第二晶体管包括第一端子耦合到的开关晶体管的第二端，第二端耦合电感的第一终端，第三端耦合电感器的第二端，其中第二预定值与第二晶体管电压除以电感器的电感的值成正比；所述第二预设电平等于第二晶体管的电压除以电感器的电感；所述第二预设电平等于两倍第二晶体管的电压除以电感器的电感。
4.根据权利要求1所述的一种可编程电压转换速率限制器的低噪声降压开关稳压器，其特征是:一种限制电压的降压开关稳压器的电流变化率的方法，该方法包括:在输入节点提供输入；提供具有耦合接至输入节点开关晶体管的第一端，和一个第二端，和一个第三端；提供具有第一端耦合接至该开关晶体管第三端的电感，和一个耦合到输出节点的第二端；提供具有耦合到开关晶体管的第二端的第一端子；第一电路，通过一个第二端子与输入节点耦合，限制电压转换速率在开关晶体管的第三端为第一预定值；第二电路提供具有第一端子耦合电感器的第一端，第二端耦合电感器的第二端，并连接到开关晶体管的第二端的第三端，该开关晶体管的第三端用来限制电流转换率为第二预定值。
5.根据权利要求1所述的一种可编程电压转换速率限制器的低噪声降压开关稳压器，其特征是:一种在一个降压开关稳压器的第一节点限制电压转换速率、在降压开关稳压器的第二节点限制电流转换率、在降压型开关第三个节点来控制第一节点处的电压稳压器、第四个节点用来控制电流在第二节点的方法包括:在第三节点感应电压变化率；在第三个节点提供成比例于第三节点电压变化率的第一电流，该第一电流限制电压转换速率在第一节点的第一预定值；在第二个节点感应电流变化的速率，在第二个节点提供第四节点的第二电流与第二节点的电流的变化率成比例，第二电流限制在第二节点的电流的转换速率在第二预定值；第一第二节点是相同的节点，第三第四节点是相同的节点。
6.根据权利要求1所述的一种可编程电压转换速率限制器的低噪声降压开关稳压器，其特征是:当输入节点产生输入，输出节点产生输出，它包括:具有第一端、第二端和第三端的开关晶体管，它的第一端耦合到输入节点；第一端耦合到开关晶体管的第三端，第二端率禹合到输出节点的电感器；具有电阻器、电容器和第一晶体管的第一电路，具有第一和第二端子的电阻器，具有第一和第二端子的电容器，具有第一，第二和第三端子的第一晶体管；该电容器稱合到第一晶体管的第一端，输入节点的第一端，该电容稱合电阻的第一端，电容的第二端耦合电阻的第一端和第一晶体管的第二端；第一晶体管是具有基极与发射极和集电极的双极型晶体管；电容的第一端耦合于第一晶体管的集电极和输入节点，电容器的第二端子耦合于电阻第一端子和第一晶体管的基极，电阻器的第二端子耦合于第一晶体管的发射极和开关晶体管的第二端。
7.根据权利要求1所述的一种可编程电压转换速率限制器的低噪声降压开关稳压器，其特征是:在输出节点产生输出当输入节点产生输入，该稳压器包括:具有第一端耦接至输入节点开关晶体管 ，第二端子和第三端子；电感器具有第一端耦合到开关晶体管第三端，第二端子耦合到输出节点；第一电路具有电阻器，电容器和第一晶体管，电阻器第一和第二端子，电容器具有第一和第二端子，第一晶体管具有第一，第二和第三端子，该第一晶体管连接到输入节点第一端子，该第一晶体管的第二端子耦合电容的第一端和电阻的第一端子，该第一晶体管第三端子耦合到开关晶体管的第二端子、第三端和电阻第二端，电容器的第二端是接地的；第一晶体管是具有基极与发射极和集电极的双极型晶体管；第一晶体管的集电极耦合到输入节点，该第一晶体管的基极耦合电容的第一端和电阻的第一端子，和第一晶体管的发射极耦合开关晶体管的第二端和电阻的第二端。
8.根据权利要求1所述的一种可编程电压转换速率限制器的低噪声降压开关稳压器，其特征是:当输入节点产生输入，输出节点产生输出，该低噪声降压开关稳压器包括:具有第一端耦合接至输入节点、第二端和第三端的开关晶体管；有一个电感器，电感器有耦合到开关晶体管第三端的第一端子、耦合到输出节点的第二端子；有第二和第三晶体管的第二电路，第二晶体管具有第一，第二和第三端子，第三晶体管具有第一，第二和第三端子，第二晶体管耦合到输入节点的第一端子，第二晶体管的第二端耦合到电感器的第二端，第二晶体管的第三端耦合到开关晶体管的第二端，该第三晶体管的第一端子耦合到开关晶体管的第二端子，该第三晶体管第二端子耦合电感的第一端子，该第三晶体管第三端子耦合电感的第二端子；第二晶体管具有集电极、基极和发射极的双极型晶体管；第三晶体管具有集电极、基极和发射极的双极型晶体管；第二晶体管的集电极连接到输入节点，第二晶体管的基极耦合电感器的第二端，第二晶体管的发射极连接到开关晶体管的第二端；第三晶体管的集电极连接到开关晶体管的第二端，该第三晶体管的基极耦合电感的第一端子，第三晶体管的发射极耦合电感器的第二端。
9.根据权利要求1所述的一种可编程电压转换速率限制器的低噪声降压开关稳压器，其特征是:产生一个输出信号，当输入节点产生输入，输出节点产生输出，该低噪声降压开关稳压器包括:切换输入信号耦合输入节点和输出节点之间的一种装置；电流转换率传感装置与开关装置和输出节点耦合；限制开关稳压器的电压转换速率为第一预定值的一种装置，电压限制装置与输入节点和开关装置耦合；限制开关稳压器的电流转换率为第二预定值的装置，限流装置与电流变化率检测装置和开关装置耦合；其中电压转换速率限制装置限制负电压转换速率为开关稳压器的第一预定值；其中电压转换速率限制装置限制正电压转换速率为开关稳压器的第一预定值；其中电压转换速率限制装置限制负电压转换速率和正电压转换速率为开关稳压器的第一预定值；其中电流转换速率限制装置，限制负电流变化率为开关稳压器的第二预定值；其中电流转换速率限制装置，限制了正电流变化率为开关稳压器的第二预定值；其中电流转换速率限制装置，限制负电流转换率和正电流变化率为开关稳压器的第二 预定值。
【文档编号】H02M3/158GK203813665SQ201320761208
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2013年11月27日
【发明者】李志鹏 申请人:苏州贝克微电子有限公司