改进的DC‑DC转换器的负载瞬变和抖动的制作方法

本申请要求于2015年9月10日提交的、标题为“用于提高D-CAP串联调制中的抖动/负载瞬变性能的电容器受控平滑斜坡生成(COMPARATOR-CONTROLLED SMOOTH-RAMP-GENERATION FOR IMPROVING JITTER/LOAD TRANSIENT PERFORMANCE IN D-CAP SERIES MODULATIONS)”的美国临时专利申请62/216,449的益处，其全部内容通过引用纳入本文。

技术领域

本申请涉及集成电路，并且更具体地涉及提高直流到直流(DC-DC)转换器的负载瞬变和抖动性能的电路和方法。

背景技术：

开关模式直流到直流(DC-DC)转换器代表电源设计的主要类别。开关模式DC-DC转换器可以超过90％电力转换效率并因此已经广泛地在所有类型的电子装置(例如，计算机、手机、电视等)中高效供电。在开关模式DC-DC转换器中，控制环路设计决定转换器的主要性能参数，如负载瞬变响应的速度、DC精度和设计成本(其包括转换器的模具大小以及例如片外组件的数量)。在过去几十年期间已经开发了许多不同控制方案以改善这些参数。例如，由于其性能已经在许多转换器中实施电压模式控制和电流模式控制方案。

技术实现要素：

本发明涉及提高DC-DC转换器的负载瞬变和抖动性能的方法和电路。

在一个实例中，一种电路包括电感器，该电感器接收开关输入电压以提供用于驱动负载的输出。驱动电路，其响应于输入脉冲驱动开关输入电压到电感器。耦合到电感器的斜坡电路，其生成仿真(emulate)电感器的电流的斜坡信号。控制电路，其基于斜坡信号和驱动负载的输出生成输入脉冲以控制驱动电路。瞬变监测电路，其相对于预定阈值监测输出并基于输出与预定阈值的关系调节斜坡电路以控制电感器的仿真电流从而促进抖动和负载瞬变性能。

在另一个实例中，一种半导体装置包括驱动电路，该驱动电路响应于输入脉冲驱动开关输入电压到电感器。斜坡电路，其从电感器接收输入以生成仿真电感器的电流的斜坡信号。控制电路，其基于斜坡信号和用于驱动负载的输出生成输入脉冲以控制驱动电路。瞬变监测电路，其相对于预定阈值监测输出并基于输出与预定阈值的关系调节斜坡电路中的斜坡信号。如果输出高于预定阈值，瞬变监测电路减小斜坡信号的幅值以促进负载瞬变性能。如果输出低于预定阈值，瞬变监测电路增大斜坡信号的幅值以缓解控制电路中的抖动。

在又一个实例中，一种方法包括，生成仿真通过电感器的电流的斜坡信号，该电感器被供应开关电压以提供通过电感器的电流。该方法包括基于斜坡信号和用于驱动负载的输出生成输入脉冲。该方法包括相对于预定阈值监测输出。该方法包括基于输出与预定阈值的关系调节斜坡信号以控制电感器的仿真电流，从而促进负载瞬变和抖动性能。

附图说明

图1示出一种具有改进的稳定性的DC-DC转换器电路的示例性示意框图。

图2示出一种改善DC-DC转换器的瞬变性能和抖动的集成电路的一个实例。

图3示出一个示例性信号图，其证明DC-DC转换器的斜坡信号大小和驱动电路驱动脉冲的抖动性能之间的关系。

图4示出另一个示例性信号图，其证明DC-DC转换器的负载瞬变性能和斜坡信号大小之间的关系。

图5示出一种调节DC-DC转换器的斜坡信号的示例性电路。

图6示出的流程图示出一种改进DC-DC转换器的瞬变性能和稳定性的示例性方法。

具体实施方式

本发明涉及改进DC-DC转换器的性能的电路、方法和系统。例如，一种电路包括电感器，该电感器接收开关输入电压以提供用于驱动负载的输出。在一个实例中，电感器能够被提供在该电路的外部。在另一些实例中，电感器能够在集成电路(IC)的内部。驱动电路接收输入电压并响应于输入脉冲(例如，脉宽调制(PWM)信号)驱动开关输入电压到电感器。耦合到电感器的斜坡电路生成仿真通过电感器的电流的斜坡信号。随着驱动电路提供开关输入电压，电感器电流在输入电压的这种切换期间升高和降低，导致电流斜坡，该电流斜坡由生成斜坡信号的斜坡电路仿真。该电路将斜坡信号用作输出滤波器电容(其具有有效串联电阻(effective series resistive，ESR)值)的补偿和反馈机构。为了具有更小ESR的电容器能够在该电路中用于滤波，斜坡电路根据电感器电流生成纹波电压以提高电路稳定性。

控制电路，其基于斜坡信号和用于驱动负载的输出生成输入脉冲以控制驱动电路。瞬变监测电路，其相对于预定阈值监测输出并基于输出与预定阈值的关系调节斜坡电路中的斜坡信号以控制电感器的仿真电流，从而改善负载瞬变并减小抖动。如果输出高于预定阈值，瞬变监测电路能够减小斜坡信号的幅值从而在输出和相关控制环路中提供快速瞬变响应。如果输出低于预定阈值，瞬变监测电路能够增大斜坡信号的幅值以缓解控制电路中的抖动。能够建立高阈值和低阈值两者用于正负载瞬变和负负载瞬变。例如，如果负载瞬变高于或低于高阈值和低阈值中的任一者，斜坡电路中的斜坡信号的大小能够在瞬变状况期间被动态减小，从而提高电路性能。

图1示出一种改进转换器的瞬变性能和抖动性能的示例性DC-DC转换器电路100。如本文使用的，术语电路能够包括执行电路功能的有源元件和/或无源元件的集合，例如，模拟电路或控制电路。附加地或替代地，术语电路能够包括例如其中所有和/或一些电路元件被制造在共同的基板上的集成电路。

如图1的实例中所示，电路100包括电感器110，电感器110接收开关输入电压以提供驱动负载120的输出VOUT。驱动电路130响应于134处的输入脉冲驱动开关电压到电感器110，导致相应的电流通过电感器。耦合到电感器110的斜坡电路140生成仿真电感器110的电流的斜坡信号144(或多个信号)。控制电路150基于斜坡信号144和驱动负载120的输出VOUT生成输入脉冲134以控制驱动电路130。反馈电路160监测VOUT和斜坡信号144两者以生成到控制电路的误差控制信号164。因而控制电路150基于误差控制信号164控制输入脉冲134。

瞬变监测电路170相对于一个或更多预定阈值监测输出VOUT并基于输出与预定阈值(一个或更多)的关系调节斜坡电路140(例如，参见图2用于阈值连接的电路)以控制斜坡电路140生成的仿真电感器电流。仿真电感器电流的控制操作以稳定输出VOUT。例如，如果输出VOUT高于预定阈值，瞬变监测电路170能够减小斜坡信号的幅值以稳定输出并改进瞬变负载性能。如果输出低于预定阈值，瞬变监测电路170能够增大斜坡信号的幅值以缓解控制电路150中的抖动(例如，参见图3中的抖动波形)。能够在瞬变监测电路170中设置(例如，可编程的)高阈值和低阈值两者以适应正负载瞬变和负负载瞬变两者。也就是说，如果负载瞬变高于或低于高阈值和低阈值中的任一者，来自斜坡电路140的斜坡信号144的大小能够在瞬变状况期间被动态的减小(例如，减小至峰值斜坡信号的大约20％)，从而提高电路100的稳定性。在正常负载状况下，斜坡信号144的大小能够被动态增大(例如，峰-峰信号值)以减小输出VOUT的抖动。

在一些实例中，瞬变监测电路170被配置为针对正瞬变和负瞬变两者监测输出VOUT。例如，瞬变监测电路170确定输出是否高于预定阈值(例如，对于正负载瞬变)或者输出是否低于预定低阈值(例如，对于负负载瞬变)。如果瞬变监测电路170检测到，超过正阈值或负阈值任一者，斜坡电路140能够响应于该检测并在瞬变状况期间减小斜坡信号144的大小以提高电路100的稳定性。

在一个实例中，瞬变监测电路170被配置为响应于瞬变监测电路170在输出VOUT处检测到瞬变信号，生成斜坡控制信号以控制来自斜坡电路140的斜坡信号144的大小。在一个示例性实施中，斜坡电路140生成与来自斜坡电路140的斜坡信号144的大小成比例的计数值(例如，参见图5的计数器510)。计数值能够用于控制斜坡电路140中的滤波器145。作为一个实例，滤波器145能够包括可变电阻网络，其能够基于计数值改变网络的总电阻值。

在一些实例中，斜坡电路140的滤波器145能够经实施以包括可变RC滤波器。在这个实例中，滤波器145的阻抗响应于来自计数器的计数值被控制以调节来自斜坡电路140的斜坡信号144。在另一个实例中，滤波器145能够包括不止一个滤波器，例如，基于仿真的电感器电流，耦合在一起以提供各自滤波的信号到反馈电路160的滤波器对。因此，反馈电路160(例如，比较器)能够基于来自斜坡电路140的滤波器145的信号，提供误差信号164到控制电路150以生成输入脉冲134，从而控制驱动电路130。反馈电路160相对于驱动负载120的输出和预定阈值监测来自斜坡电路140中的滤波器145的每个的输出以生成误差信号164，从而控制驱动电路130。电路100至少提供两级动态控制以提高转换器的稳定性。在一个方面，斜坡信号144在正常负载状况下被保持在较高值以通过仿真输出滤波器电容ESR值来促进电路稳定性。在另一方面，斜坡信号的幅值在瞬变负载状况期间被动态降低以减小控制电路150中的抖动。

图2示出一种改进DC-DC转换器的瞬变性能和稳定性的集成电路200的一个实例。集成电路200能够被实施为半导体装置，该装置能够与外部组件(包括电感器L1和输出负载(其被示为RL))连接。驱动电路210响应于来自控制电路224的输入脉冲并基于输入电压VIN驱动开关输入电压SW到电感器L1。斜坡电路214从电感器L1接收输入以生成仿真电感器的电流的斜坡信号(在节点220处)。控制电路224基于节点220处的斜坡信号和用于驱动负载RL的输出VOUT生成输入脉冲以控制驱动电路210。

瞬变监测电路230相对于一个或更多预定阈值监测输出VOUT并基于输出与预定阈值(一个或更多)的关系调节斜坡电路214中的节点220处的斜坡信号。例如，如果输出高于阈值，瞬变监测电路230减小节点220处的斜坡信号的幅值以稳定输出。如果输出低于另一个预定阈值，瞬变监测电路230增大斜坡信号的幅值以缓解控制电路224中的抖动。包括电阻器RF1和RF2的电阻性分压器网络对输出VOUT采样以提供瞬变监测电路230监测的反馈电压VFB(例如，根据RF1和RF2，VFB与VOUT成比例)。

如图2的实例中所示，在瞬变监测电路230中，电压VFB由高比较器240相对于高阈值VTH监测，并且低比较器244相对于低阈值VTL监测电压VFB。高比较器240生成高信号VOBH，其指示电压VFB高于预定阈值(例如，高于正负载瞬变阈值)。低比较器244生成低信号VOBL，其指示电压VFB低于预定低阈值(例如，低于负负载瞬变阈值)。

响应于输出VOUT处检测的瞬变信号，分别来自瞬变监测电路230的高比较器240和低比较器244的高信号VOBH和低信号VOBL驱动产生如箭头254所示的斜坡控制信号(一个或更多)的斜坡计算单元250以控制斜坡电路214中的斜坡信号(220处)。在一个实例中，斜坡计算单元250能够包括计数器(基于VOBL和VOBH(例如，参见图5)调节该计数器)，该计数器产生与斜坡电路214中的斜坡信号(节点220处)的大小成比例的计数值。斜坡电路214能够包括可变电阻器RV(例如，电阻性开关网络)，其中根据斜坡计算单元250的计数值控制该可变电阻器RV。也就是说，基于计数值，可变电阻器RV改变网络的总电阻值RV。

如图2的实例中所示，斜坡电路214能够包括电容器C1，其与可变电阻RV串联以形成斜坡电路中的第一滤波器。因此，第一滤波器是RC滤波器，响应于来自计数器的计数值，第一滤波器的传输函数(例如，阻抗)经调节(例如，经由设置可变电阻器RV)以控制斜坡电路214中的斜坡信号(节点220处)。

斜坡电路214还能够包括第二滤波器，其包括与R1串联的C2，第二滤波器提供的滤波信号通过采样保持电路260采样。第二滤波器耦合到第一滤波器，其中第二滤波器R1和C2与C1并联连接。来自斜坡电路214的第一滤波器和第二滤波器的滤波信号由比较器264监测以生成误差信号270到控制电路224。如图所示，除了监测斜坡信号之外，比较器264能够相对于基准VREF监测VOUT，其中VOUT和VREF两者都能够经由比例缩放因子阿尔法(274处指示的)被按比例缩放。因此，比较器264相对于按比例缩放后的输出VOUT和预定阈值VREF监测来自斜坡电路214的第一滤波器和第二滤波器的每个的信号以生成误差信号270到控制电路224。因而控制电路220基于误差信号270产生输入脉冲以控制驱动电路210。

输出电容器C3对负载VOUT进行滤波，其中C3具有有效串联电阻(ESR)。在该实例中，C3的ESR可以是较小值。在许多现代电路应用中，期望减小C3的ESR，从而输出纹波较小。因此，如本文描述的斜坡信号能够补偿较小ESR的一些影响，例如，增加电路的稳定性。

图3示出的示例性信号图示出DC-DC转换器的斜坡信号大小和驱动电路驱动脉冲的抖动性能之间的关系。如本文使用的，术语抖动指代各个信号脉冲中与期望周期的偏差。在低抖动周期期间，接通(ON)脉冲相对稳定并且驱动脉冲之间脉冲宽度没有太大变化。在高抖动周期期间，ON状态存在更大变化，其能够具有的效果是：ON脉冲的时间明显增加。这种抖动在图3中示出。

例如，如310处示出的，当本文所述斜坡信号大时(如320处所示)，ON脉冲抖动相对小(在变化的脉冲宽度方面)。然而，如330处所示，当斜坡信号具有较小幅值(如340处所示)时，抖动增加(如330处所示)。如果斜坡信号处于其大的幅值状态，例如，320处所示，能够合适地控制抖动性能。然而，在负载瞬变状况下，较小的斜坡信号(例如340处所示)提高本文所述DC-DC转换器电路的改进的负载瞬变性能。因此，图1和图2描述的电路在负载状况稳定时，在较大斜坡之间动态切换以减小控制信号的抖动，并在检测到瞬变状况时提供较小斜坡以提高瞬变性能。

图4示出的示例性信号图示出DC-DC转换器(例如，转换器100或200)的负载瞬变性能和斜坡信号大小之间的关系。如图所示，斜坡计算单元410的输出(例如，计数值)基于信号VOBH和VOBL(其经由上述关于图2描述的正或负负载瞬变指示已经超过阈值)变化。在负负载瞬变期间，瞬变信号420所示，其变到低于VTL所示的低阈值水平以下，在这个时间期间，信号VOBL 430被断言。响应于VOBL 430被断言，斜坡计算单元410生成的斜坡信号减小(例如，较小的计数值)，如斜坡幅度信号440处所示。当输出处的瞬变返回到VTL以上，VOBL被去断言并且斜坡幅度返回到其正常操作水平。

类似地，当负载电流减小并且当瞬变450增加高于代表正瞬变值的阈值VTH，信号VOBH 460被断言。响应于VOBH 460被断言，斜坡计算单元410提供计数值以减小斜坡幅度信号470并在瞬变状况期间保持减小。当瞬变450减弱到低于阈值VTH的水平，信号VOBH 460被去断言并且斜坡幅度增加回到其正常操作水平，如图所示。因此，当负载值在VTH和VTL之间时，斜坡幅度能够增加以减小抖动，如本文所述的。

图5示出一种调节DC-DC转换器(例如，转换器100或200)的斜坡信号大小的示例性电路。计数器510代表本文所述斜坡计算单元的一个实例。计数器510能够经由逻辑块512驱动，逻辑块512由本文所述的控制信号VOBH和VOBL驱动。如所示的，计数器510的输出能够包括输出B1-BN，其中N为正整数。来自计数器510的计数器输出驱动电阻性开关网络520，其中，电阻性开关网络520包括可控开关S1-SN以使能或禁用网络520中的串联电阻。例如，当相应开关闭合时，禁用电阻器，并且当该开关打开时，该电阻器被使能且插入到电阻性网路的串联回路中。可控开关S1-SN中的每个能够经由相应计数器输出B0-BN控制。电阻性开关网络520在电路200中可以被建模为例如斜坡生成电路214中的可变电阻器RV。

鉴于上文描述的前述结构和功能特征，针对图6的示例性方法将更好理解。尽管出于简单解释目的，该方法被示出和描述为连续执行，应当理解和认识到，该方法并不限于按所示顺序执行，因为该方法的部分可以以和本文示出和描述的顺序不同的顺序执行和/或并行执行。这种方法能够由例如集成电路、处理器或控制器中配置的各种组件执行。

图6示出一种改进DC-DC转换器的瞬变性能和抖动的示例性方法600。在610处，方法600包括生成斜坡信号(例如，经由图1的斜坡电路140)，其仿真通过电感器的电流，电感器被供应开关电压以提供通过电感器的电流。在620处，方法600包括基于斜坡信号和驱动负载的输出生成输入脉冲(例如，经由图1的控制电路180)。在630处，方法600包括相对于预定阈值监测输出以控制电感器的仿真电流，从而稳定输出(例如，经由图1的瞬变监测电路170)。在640处，方法600包括基于输出与预定阈值的关系调节斜坡信号以控制仿真电感器的电流的斜坡信号，从而减小抖动并改进负载瞬变性能(例如，经由图1的瞬变监测电路170)。尽管未示出，方法600还能够包括，如果输出高于预定阈值，减小斜坡信号的幅值以稳定输出。该方法还能够包括，如果输出低于预定阈值，增大斜坡信号的幅值。

上述已经描述的是实例。当然，不可能描述组件或方法的每一个可实现的组合，但是本领域技术人员将认识到，许多进一步组合和排列是可能的。因此，本发明旨在包含落入本发明(包括随附的权利要求)的范围的所有这种改变、修改和变化。如本文使用的，术语“包括”是指包括但不限于，术语“包含”是指包括但不限于。附加地，其中本发明或要求保护的范围描述“一”、“一个”、“第一”或“另一个”元件或其等效物，应当被解释为包括一个或不止一个这种元件，而既不要求也不排除两个或更多这种元件。