高精度快速响应的直流-直流转换器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种高精度快速响应的直流-直流转换器，其包括将输入电压转换为输出电压的输出电路、采样所述输出电压得到反馈电压的采样电路、一端接收所述反馈电压的电容C1、电容Cc、与电容C1并联的电阻R1、电阻R2、电阻Req、跨导放大器Gm、比较器Comp和逻辑驱动电路。电容C1的另一端与所述比较器Comp的第一输入端相连。跨导放大器Gm的第一输入端接收所述反馈电压，第二输入端接收参考电压，其输出端依次经过电阻Req和电容Cc后接地，电阻Req和电容Cc的中间节点经过电阻R1与所述比较器Comp的第一输入端相连。所述比较器Comp的第二输入端接收三角波信号，其输出端通过逻辑驱动电路与所述输出电路中的功率开关的控制端相连。通过两条环路的共同作用，实现了直流-直流转换器的高精度快速响应控制。
【专利说明】高精度快速响应的直流-直流转换器
【【技术领域】】
[0001]本实用新型涉及电源转换领域，特别涉及一种高精度快速响应的直流-直流转换器。
【【背景技术】】
[0002]随着现代电子技术的发展，应用中(例如智能手机、平板电脑等)需求大电流输出的直流-直流转换器。同时希望这些直流-直流转换器的负载响应特性好，特别是轻载跳到重载时，希望输出电压的下跳幅度非常小。如果下跳幅度太大，会引起系统死机。同时又希望输出电压的绝对精度高，以抵抗温度等环境变化对被供电电路性能的影响。
[0003]因此需要一种改进方案来满足现有技术中的各种不断提升的需求。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的在于提供一种直流-直流转换器，其不仅响应速度快，同时控制精度也高。
[0005]为了解决上述问题，本实用新型提供一种直流-直流转换器，其包括输出电路、采样电路、电容Cl、电容Ce、电阻R1、电阻R2、电阻Req、跨导放大器Gm、比较器Comp和逻辑驱动电路。所述输出电路，包括有功率开关，其用于将输入电压转换为输出电压。采样电路采样所述输出电压得到反馈电压。电容Cl和电阻R2并联，电容Cl的一端接收所述反馈电压，另一端与所述比较器Comp的第一输入端相连。跨导放大器Gm的第一输入端接收所述反馈电压，第二输入端接收参考电压，其输出端依次经过电阻Req和电容Ce后接地，电阻Req和电容Ce的中间节点经过电阻Rl与所述比较器Comp的第一输入端相连。所述比较器Comp的第二输入端接收三角波信号Ramp，其输出端与所述逻辑驱动电路的输入端相连，所述逻辑驱动电路的输出端与所述功率开关的控制端相连。
[0006]进一步的，输出电路、采样电路、电容Cl和电阻R2、所述比较器Comp、所述逻辑驱动电路共同形成第一反馈环路，输出电路、采样电路、跨导放大器Gm、电容Ce、电阻Req、电阻R1、所述比较器Comp、所述逻辑驱动电路共同形成第二反馈环路。
[0007]进一步的，所述输出电路包括功率开关K1、二极管D1、电感LI和输出电容Cout，功率开关K1、电感LI和电容Cout依次串联于输入电压端VIN和地之间，二极管Dl的阴极与功率开关Kl和电感LI的中间节点相连，二极管Dl的阳极接地，电感LI和输出电容Cout的中间节点为直流-直流转换器的输出端，所述采样电路连接在直流-直流转换器的输出端和地之间，所述逻辑驱动电路具有一个输出端，该输出端与所述功率开关Kl的控制端相连。
[0008]进一步的，所述逻辑驱动电路包括占空比信号产生电路、逻辑电路、驱动器DRV1，所述占空比信号产生电路的输入端与比较器Comp的输出端相连，其输出端与逻辑电路的输入端相连，逻辑电路的输出端与驱动器DRVl的输入端相连，驱动器DRVl的输出端与连接至所述功率开关Kl的控制端相连。
[0009]进一步的，所述输出电路包括功率开关Kl、功率开关K2、电感LI和输出电容Cout，功率开关K1、电感LI和电容Cout依次串联于输入电压端VIN和地之间，功率开关K2的一端与功率开关Kl和电感LI的中间节点相连，功率开关K2的另一端接地，电感LI和输出电容Cout的中间节点为直流-直流转换器的输出端，所述采样电路连接在直流-直流转换器的输出端和地之间，所述逻辑驱动电路具有两个输出端，第一输出端与所述功率开关Kl的控制端相连，第二输出端与所述功率开关K2的控制端相连。
[0010]进一步的，所述逻辑驱动电路包括占空比信号产生电路、逻辑电路、驱动器DRVl和第二驱动器DRV2，所述占空比信号产生电路的输入端与比较器Comp的输出端相连，其输出端与逻辑电路的输入端相连，所述逻辑电路具有两个输出端，一个输出端与驱动器DRVl的输入端相连，另一个输出端与驱动器DRV2的输入端相连，驱动器DRVl的输出端与连接至所述功率开关Kl的控制端相连，驱动器DRV2的输出端与连接至所述功率开关K2的控制端相连。
[0011]与现有技术相比，本实用新型中具有两条控制环路，第一条为快速低精度环路，第二条为慢速高精度环路，通过两条环路的共同作用，实现了直流-直流转换器的高精度快速响应控制。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0012]为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中:
[0013]图1为本实用新型中的直流-直流转换器在一个实施例中的结构框图；
[0014]图2为图1中的快速响应控制电路在一个实施例中的电路示意图；
[0015]图3为本实用新型中的直流-直流转换器在另一个实施例中的结构框图；和
[0016]图4为图3中的快速响应控制电路在一个实施例中的电路示意图。
【【具体实施方式】】
[0017]为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细的说明。
[0018]此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
[0019]图1为本实用新型中的直流-直流转换器100在一个实施例中的结构框图。所述直流-直流转换器包括输出电路110、采样电路120和快速响应控制电路130。
[0020]所述输出电路110包括有功率开关Kl。采样电路120采样所述输出电压Vout得到反馈电压FB。所述控制电路130基于反馈电压FB控制所述功率开关Kl的导通和截止，以使得所述输出电路100将输入电压VIN转换为输出电压Vout。
[0021]所述输出电路110还包括二极管D1、电感LI和输出电容Cout。功率开关K1、电感LI和电容Cout依次串联于输入电压端VIN和地之间。二极管Dl的阴极与功率开关Kl和电感LI的中间节点相连，二极管Dl的阳极接地，电感LI和输出电容Cout的中间节点为直流-直流转换器100的输出端。所述采样电路120连接在直流-直流转换器的输出端和地之间。
[0022]所述采样电路120可以是串联的两个分压电阻，该两个分压电阻的中间节点输出反馈电压FB。
[0023]图2为图1中的快速响应控制电路130在一个实施例中的电路示意图。所述控制电路130包括电容Cl、电容Ce、电阻R1、电阻R2、电阻Req、跨导放大器Gm、比较器Comp和逻辑驱动电路132。
[0024]电容Cl和电阻R2并联，电容Cl的一端接收所述反馈电压FB，另一端与所述比较器Comp的第一输入端相连。跨导放大器Gm的第一输入端接收所述反馈电压FB，第二输入端接收参考电压Ref，其输出端依次经过电阻Req和电容Ce后接地，电阻Req和电容Ce的中间节点经过电阻Rl与所述比较器Comp的第一输入端相连。所述比较器Comp的第二输入端接收三角波信号Ramp，其输出端与所述逻辑驱动电路132的输入端相连，所述逻辑驱动电路132具有一个输出端，该输出端与所述功率开关Kl的控制端相连。
[0025]所述电阻Rout为所述跨导放大器Gm的等效输出电阻。
[0026]所述逻辑驱动电路132包括占空比信号产生电路、逻辑电路、驱动器DRV1。所述占空比信号产生电路的输入端与比较器Comp的输出端相连，其输出端与逻辑电路的输入端相连，逻辑电路的输出端与驱动器DRVl的输入端相连，驱动器DRVl的输出端与连接至所述功率开关Kl的控制端相连。
[0027]在本实用新型的上述实施例中，存在两个反馈环路。
[0028]在第一反馈环路中，反馈电压FB经过电容Cl耦合到比较器Comp的第一输入端得到信号VE，信号VE与三角波信号Ramp经过比较器Comp比较产生触发信号Trigger，占空比信号产生电路根据触发信号Trigger产生一定导通时间的占空比信号VD，占空比信号VD经过逻辑电路Logic产生输入驱动信号HDI，最后通过驱动器DRVl输出驱动信号HD到功率开关Kl的控制端，控制功率开关Kl的导通和关断，最后经过LC滤波器(由图1电感LI和Cout构成)产生直流-直流转换器的输出电压Vout，随后输出电压Vout被采样再次形成反馈电路FB，这样形成一个快速低精度的反馈环路。
[0029]在第二反馈环路中，反馈电压FB经过跨导放大器Gm与参考电压Ref比较产生误差电流，跨导放大器Gm的输出连接电阻Req、电容Ce及电阻Rl (此处图2中电阻Rout不是专门添加，而是跨导放大器Gm的等效输出阻抗，也可以被认为其寄生输出阻抗)，耦合到比较器Comp的第一输入端得到信号VE，信号VE与三角波信号Ramp经过比较器Comp比较产生触发信号Trigger，占空比信号产生电路根据触发信号Trigger产生一定导通时间的占空比信号VD，占空比信号VD经过逻辑电路Logic产生输入驱动信号HDI，最后通过驱动器DRVl输出驱动信号HD到功率开关Kl的控制端，控制功率开关Kl的导通和关断，最后经过LC滤波器(由图1电感LI和Cout构成)产生直流-直流转换器的输出电压Vout，随后输出电压Vout被采样再次形成反馈电路FB，这样形成一个慢速高精度的反馈环路。
[0030]在此两个反馈环路共同作用下，可以实现直流-直流转换器输出电压同时具有快速响应和高精度的特性。当直流-直流转换器输出电流剧烈跳动时，快速反馈环路迅速(例如5微秒以内)将输出电压调整到接近最终目标值(应该等于参考电压Ref)附近，从而防止输出电压跳动幅度太大，快速响应时间结束后慢速高精度反馈环路逐步(例如100微秒)将输出电压调整至完全等于最终目标值(应该等于参考电压Ref)。
[0031]快速低精度环路通过设计较低的环路增益，以便减小寄生极点，从而实现稳定。慢速高精度环路需要特别设计来实现环路稳定，避免自激振荡。设计慢速高精度环路稳定性是本实用新型的主要难点。下面着重介绍，慢速高精度环路的频域设计。慢速高精度环路需要高低频增益，才能保证输出电压的高精度。
[0032]对图2中慢速高精度环路进行频域分析，需计算图2中FB节点经过慢反馈路径到节点VE的传递函数。根据基尔霍夫定律列方程:
[0033]gm.vfb = vl/Rout+(vl-v2)/Req
[0034](vl-v2) /Req+ (VE-v2) /Rl = v2.s.Ce
[0035](vfb-VE).s.Cl+(vfb-VE)/R2 = (VE_v2)/Rl
[0036]其中，gm为跨导放大器Gm的等效跨导值，vfb为节点FB的电压值，vl为节点Vl的节点电压值，Rout为跨导放大器Gm的等效输出电阻，v2为节点V2的节点电压值，Req为电阻Req的电阻值，VE为节点VE的电压值，Ce为电容Ce的电容值，s为频率算子，R2为电阻R2的电阻值，Rl为电阻Rl的电阻值。
[0037]对上述方程组求解可得:
[0038]VE/vfb = AA/BB
[0039]其中:
[0040]AA = Rout+Rout.s.Cl.R2+s.Ce.Req.Rl+Req+Req.s.Cl.R2+s.Ce.Req.Rl.s.Cl.R2+Rout.s.Ce.Rl+Rout.s.Ce.Rl.s.Cl.R2+gm.Rout.R2+s.Cl.R2.Rl+Rl
[0041]BB = Rout.s.Ce.Rl.s.Cl.R2+Rout.s.Ce.R2 + s.Ce.Req.Rl + s.Ce.Req.R2+Req+Req.s.Cl.R2+s.Ce.Req.Rl.s.Cl.R2+Rout.s.Ce.Rl+Rout.s.Cl.R2+Rout+s.Cl.R2.R1+R2+R1
[0042]对分子AA求解零点(Zero)可得:
[0043]12 = - (Cl.Rl.R2+Cc.Rl.Rout+Cl.R2.Req+Cl.R2.Rout+Cc.Req.Rl) / (Rl.R2.Cl.Ce.Rout+C.Rl.R2.Ce.Req)
[0044]Zl = - (Rl+Rout+Req+Rout.R2.gm) / [ (Rl.R2.Cl.Ce.Rout+C.Rl.R2.Ce.Req).Z2]，
[0045]当满足Rout?Rl，且 Rout?R2，gm.Rout?l, Cc?Cl 时，可化简得:
[0046]Z2 = -1/(R2.Cl)，Zl = - (gm/Cc).(R2/R1)
[0047]对分母BB求解极点(Pole)可得:
[0048]P2 = -(Rout.R2.Cc+Req.Rl.Cc+Req.R2.Cc+Req.R2.Cl+Rout.Rl.Cc+Rout.R2.Cl+Rl.R2.Cl)/(Rout.R2.Rl.Cl.Cc+Req.Rl.R2.Cl.Ce)
[0049]Pl = - (Rl+R2+Rout+Req) / [P2.(Rout.R2.Rl.Cl.Cc+Req.Rl.R2.Cl.Ce)]
[0050]当满足Rout?Rl，且 Rout?R2，gm.Rout?l, Cc?Cl 时，可化简得:
[0051]P2 = -1/[Cl.(R1//R2)]
[0052]Pl = -1/[Ce.(R1+R2)]
[0053]Pl应该被设计为主极点，零点Z2被设计补偿P2导致的相位下降，零点Zl被用于补偿功率级引入的极点，通过仿真软件，可以设计出较好的相位裕度，实现环路的稳定性补
\-ZX O
[0054]在本实用新型中，>> 表示两者差I个数量级以上，比如Rout>>Rl，表示Rout>Rl*10n，其中η为大于等于I的自然数。
[0055]图3为本实用新型中的直流-直流转换器300在一个实施例中的结构框图。所述直流-直流转换器包括输出电路310、采样电路320和快速响应控制电路330。与图1相比，其主要是将二极管Dl换成功率开关Κ2，同时高精度快速响应控制电路330增加了另一个驱动输出端LD。
[0056]图4为图3中的快速响应控制电路330在一个实施例中的电路示意图。与图2相比，其主要增加了驱动器DRV2，产生输出驱动信号LD给功率开关Κ2。一般驱动信号LD与驱动信号HD为反相信号。即当功率开关Kl导通时，功率开关Κ2关断；当功率开关Κ2关断时，功率开关Kl导通。
[0057]图3和图4中的工作原理与图1和图2所不出的例子相同，这里不再赘述了。
[0058]在本实用新型中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
[0059]需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本实用新型的【具体实施方式】所做的任何改动均不脱离本实用新型的权利要求书的范围。相应地，本实用新型的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述【具体实施方式】。
【权利要求】
1.一种直流-直流转换器，其特征在于，其包括输出电路、采样电路、电容Cl、电容Ce、电阻R1、电阻R2、电阻Req、跨导放大器Gm、比较器Comp和逻辑驱动电路， 所述输出电路，包括有功率开关，其用于将输入电压转换为输出电压； 采样电路采样所述输出电压得到反馈电压； 电容Cl和电阻R2并联，电容Cl的一端接收所述反馈电压，另一端与所述比较器Comp的第一输入端相连， 跨导放大器Gm的第一输入端接收所述反馈电压，第二输入端接收参考电压，其输出端依次经过电阻Req和电容Ce后接地，电阻Req和电容Ce的中间节点经过电阻Rl与所述比较器Comp的第一输入端相连， 所述比较器Comp的第二输入端接收三角波信号Ramp，其输出端与所述逻辑驱动电路的输入端相连，所述逻辑驱动电路的输出端与所述功率开关的控制端相连。
2.根据权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，输出电路、采样电路、电容Cl和电阻R2、所述比较器Comp、所述逻辑驱动电路共同形成第一反馈环路， 输出电路、采样电路、跨导放大器Gm、电容Ce、电阻Req、电阻R1、所述比较器Comp、所述逻辑驱动电路共同形成第二反馈环路。
3.根据权利要求1或2所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述输出电路包括功率开关K1、二极管Dl、电感LI和输出电容Cout， 功率开关K1、电感LI和电容Cout依次串联于输入电压端VIN和地之间， 二极管Dl的阴极与功率开关Kl和电感LI的中间节点相连，二极管Dl的阳极接地， 电感LI和输出电容Cout的中间节点为直流-直流转换器的输出端， 所述采样电路连接在直流-直流转换器的输出端和地之间， 所述逻辑驱动电路具有一个输出端，该输出端与所述功率开关Kl的控制端相连。
4.根据权利要求3所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述逻辑驱动电路包括占空比信号产生电路、逻辑电路、驱动器DRV1， 所述占空比信号产生电路的输入端与比较器Comp的输出端相连，其输出端与逻辑电路的输入端相连，逻辑电路的输出端与驱动器DRVl的输入端相连， 驱动器DRVl的输出端与连接至所述功率开关Kl的控制端相连。
5.根据权利要求1或2所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述输出电路包括功率开关K1、功率开关K2、电感LI和输出电容Cout， 功率开关K1、电感LI和电容Cout依次串联于输入电压端VIN和地之间， 功率开关K2的一端与功率开关Kl和电感LI的中间节点相连，功率开关K2的另一端接地， 电感LI和输出电容Cout的中间节点为直流-直流转换器的输出端， 所述采样电路连接在直流-直流转换器的输出端和地之间， 所述逻辑驱动电路具有两个输出端，第一输出端与所述功率开关Kl的控制端相连，第二输出端与所述功率开关K2的控制端相连。
6.根据权利要求5所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述逻辑驱动电路包括占空比信号产生电路、逻辑电路、驱动器DRVl和第二驱动器DRV2， 所述占空比信号产生电路的输入端与比较器Comp的输出端相连，其输出端与逻辑电路的输入端相连， 所述逻辑电路具有两个输出端，一个输出端与驱动器DRVl的输入端相连，另一个输出端与驱动器DRV2的输入端相连， 驱动器DRVl的输出端与连接至所述功率开关Kl的控制端相连， 驱动器DRV2的输出端与连接至所述功率开关K2的控制端相连。
【文档编号】H02M3/06GK204205944SQ201420701776
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】王钊 申请人:无锡中星微电子有限公司