直流变换器及其方法与流程

本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种直流变换器及其方法。

背景技术：

大多数电子产品如笔记本电脑、台式电脑、PDA等，需要直流(DC)电源向各个功能模块提供经过调节的功率。采用恒定导通时间控制(constant on time，COT)的直流变换器具有瞬态响应速度快、结构简单等优点，在上述领域得到了广泛的应用。COT直流变换器通常需要斜坡补偿，以稳定输出电压。

在现有技术中，斜坡补偿信号具有固定的斜率。在COT直流变换器的主功率开关导通时，斜坡补偿信号被复位为零，随后以固定斜率上升；当输出电压降至斜坡补偿信号和参考电压之和时，斜坡信号被重新复位为零。如此周而复始地变化。

然而，当负载跳变时，因输出电压的急剧下降，使得电路的反馈控制环在短时间内产生一系列开关脉冲。该一系列脉冲使电感电流IL急剧上升，从而当输出电压VO开始稳住该负载跳变时，输出电压VO被泵高，产生过冲现象。在某些情况下，甚至产生输出电压回振(ring back)。因此，有需要对此过冲和回振情况进行控制，从而改善负载暂态响应。

此外，在某些应用中，要求输出电压随着输出电流的增大而减小，以减小负载变化过程中输出电压的峰峰值，提高稳定性，即还存在直流跌落(DC droop)的需求。

技术实现要素：

因此本发明的目的在于解决现有技术的上述技术问题，提出一种改进的直流变换器及其方法。

根据本发明的实施例，提出了一种直流变换器，包括：功率开关电路，周期性地被导通和断开以将输入电压转化为输出电压，为负载供电；比较电路，响应差分电压、参考电压以及跌落电压经过低频滤波后的高通滤波信号，产生置位信号，其中所述差分电压表征输出电压，跌落电压表征输出电流；逻辑控制电路，根据置位信号，产生开关控制信号，以控制功率开关电路。

根据本发明的实施例，还提出了一种直流变换器，包括：功率开关电路，周期性地被导通和断开以将输入电压转化为输出电压，为负载供电；比较电路，响应跌落电压经过第一低通滤波后的第一滤波信号与参考电压两者之和、跌落电压经过第二低通滤波后的第二滤波信号与差分电压两者之和，产生置位信号，其中差分电压表征输出电压，跌落电压表征输出电流；逻辑控制电路，根据置位信号，产生开关控制信号，以控制功率开关电路。

根据本发明的实施例，还提出了一种用于直流变换器的方法，所述直流变换器包括功率开关电路，接收输入电压、产生输出电压，以给负载供电，所述方法包括：提供表征输出电压的差分电压、表征输出电流的跌落电压；对跌落电压进行高通滤波，产生高通滤波信号；对高通滤波信号和参考电压两者之和与差分电压进行比较，或者对高通滤波信号和差分电压两者之和与参考电压进行比较，产生置位信号；响应置位信号，控制功率开关电路。

根据本发明各方面的上述直流变换器及其方法，实现了直流跌落、改善了暂态响应、消除了系统暂态过程中输出电压的过冲，保证了系统的稳定性，同时满足了直流跌落的需求。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的直流变换器100的电路结构示意图；

图2示出了图1所示直流变换器100的输出电流IO(即负载电流)和输出电压VO的时序波形图；

图3示出了根据本发明实施例的直流变换器300的电路结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例的直流变换器400的电路结构示意图；

图5示出了根据本发明实施例的直流变换器500中比较电路102的电路结构示意图；

图6示出了图5所示直流变换器500的输出电流IO(即负载电流)和输出电压VO的时序波形图；

图7示出了根据本发明另一实施例的直流变换器700中比较电路102的电路结构示意图；

图8示出了图7所示直流变换器700的输出电流IO(即负载电流)和输出电压VO的时序波形图；

图9示出了根据本发明实施例的直流变换器900中高通滤波器104的电路结构示意图；

图10示出了根据本发明实施例的直流变换器1000的电路结构示意图；

图11示出了根据本发明实施例的直流变换器1100的电路结构示意图；

图12示出了根据本发明实施例的直流变换器1200的电路结构示意图；

图13示出了根据本发明实施例的直流变换器1300的电路结构示意图；

图14示意性示出了根据本发明实施例的用于直流变换器的方法流程图1400。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

图1示出了根据本发明实施例的直流变换器100的电路结构示意图。在图1所示实施例中，所述直流变换器100包括：功率开关电路101，周期性地被导通和断开以将输入电压VIN转化为输出电压VO，为负载(如中央处理器CPU)供电；比较电路102，响应差分电压Vdiff、参考电压Vref以及跌落电压Vdroop经过低频滤波后的高通滤波信号HPF，产生置位信号S，其中差分电压Vdiff表征输出电压VO，跌落电压Vdroop表征输出电流；逻辑控制电路103，根据置位信号S，产生开关控制信号PWM，以控制功率开关电路101。

在一些实施例中，所述比较电路102对高通滤波信号HPF与差分电压Vdiff两者之和与参考电压Vref进行比较，产生置位信号S。在其他一些实施例中，所述比较电路102对高通滤波信号HPF与参考电压Vref两者之和与差分电压Vdiff进行比较，产生置位信号S。当高通滤波信号HPF与差分电压Vdiff两者之和小于参考电压Vref，或者差分电压Vdiff小于高通滤波信号HPF与参考电压Vref两者之和时，所述功率开关电路101被导通。

在一个实施例中，比较电路102可进一步接收斜坡补偿信号VSL(如图1虚线所示)，所述比较电路102根据高通滤波信号HPF、斜坡补偿信号VSL、差分电压Vdiff和参考电压Vref，产生所述置位信号S。

在图1所示实施例中，所述功率开关电路101至少包括主功率开关1011。当主功率开关1011被导通时，流过功率开关电路101的电流增大；而当主功率开关1011被断开时，流过功率开关电路101的电流减小。功率开关电路101还可以进一步包含从功率开关(未示于图1)，被控制为与主功率开关1011互补导通。

在一个实施例中，所述置位信号S触发所述开关控制信号PWM，以将主功率开关1011导通。在一个实施例中，所述功率开关电路101被导通表示主功率开关1011被导通，所述功率开关电路101被断开表示主功率开关1011被断开。

在图1所示实施例中，所述直流变换器100还包括：高通滤波器104，用以滤除跌落电压Vdroop的低频成分，使跌落电压Vdroop的高频成分通过，产生所述高通滤波信号HPF。

在一个实施例中，跌落电压Vdroop在被输送至高通滤波器104之前经由缓冲器106(如图1虚线所示)，以调整跌落电压Vdroop的电压水平，得到与差分电压Vdiff处于同一电压水平的跌落调节信号Vdroop1。在一些实施例中，缓冲器106的增益为1，即跌落调节信号Vdroop1与跌落电压Vdroop的电压水平相同。

在图1所示实施例中，所述直流变换器100还包括：差分放大器105，接收输出电压VO，产生差分电压Vdiff。

在直流变换器100运行过程中，若负载出现跳变(如负载电流突然变小)，则跌落电压Vdroop也突然减小、输出电压VO增大。跌落电压Vdroop经由高通滤波器104后转化成高通滤波信号HPF，低频成分被滤除，留下高频成分。而低频成分表示的是稳态信息，高频成分表示的是暂态信息。因此，跌落电压Vdroop经由高通滤波器104后留下了负载跳变的暂态信息。输出电压VO经由差分放大器105后，差分电压Vdiff随之增大。如果比较电路102对高通滤波信号HPF与差分电压Vdiff之和与参考电压Vref进行比较，则输出电压VO的变化被跌落电压Vdroop的暂态信息所缓冲，此时置位信号S延迟触发开关控制信号PWM，使得相比于现有技术，开关控制信号PWM的脉冲数减少。因此，负载跳变过程中存储在电感上的能量减少，回振现象被消除，系统稳定性得到了保障。输出电流IO(即负载电流)和输出电压VO的时序波形图如图2所示。

图3示出了根据本发明实施例的直流变换器300的电路结构示意图。图3所示直流变换器300与图1所示直流变换器100相似，与图1所示直流变换器100不同的是，在图3所示实施例中，跌落电压Vdroop直接被引入反馈控制环，即比较电路102还接收/响应跌落电压Vdroop，并根据跌落电压Vdroop与差分电压Vdiff之和、高通滤波信号HPF以及参考电压Vref，产生所述置位信号S。也就是说，在图3所示的直流变换器300中，直流变换器300可能还包括：加法器，对跌落电压Vdroop和差分电压Vdiff进行相加运算，产生电压反馈信号VFB，其中所述电压反馈信号VFB被输送至比较电路102，以用于后续电路控制。

图4示出了根据本发明实施例的直流变换器400的电路结构示意图。图4所示实施例示出了跌落电压Vdroop的一种实现方式。如图4所示，所述直流变换器400包括前述的功率开关电路101、比较电路102、逻辑控制电路103、高通滤波器104和差分放大器105。在图4所示实施例中，所述直流变换器400还包括：电阻器107，流经表征输出电流的电流跌落信号Idroop，所述电阻器107两端的电压为跌落电压Vdroop。

在一个实施例中，所述电流跌落信号Idroop可以通过电流镜提供。如图4所示，所述直流变换器400还包括镜像开关管21，其中流过镜像开关管21的电流与流过主功率开关1011(或者从功率开关)的电流成镜像比例关系，以提供表征输出电流的电流跌落信号Idroop。即，所述电阻器107上流经与流过功率开关电路101的电流成镜像比例关系的电流，以在其两端产生跌落电压Vdroop。

在图4所示实施例中，所述差分电压Vdiff经由所述电阻器107后被输送至比较电路102。

图5示出了根据本发明实施例的直流变换器500中比较电路102的电路结构示意图。在图5所示实施例中，所述比较电路102包括：比较器，具有第一输入端和第二输入端，其中第一输入端接收参考电压Vref与高通滤波信号HPF两者之和，第二输入端接收电压反馈信号VFB(即差分电压Vdiff与跌落电压Vdroop两者之和)，所述比较器对参考电压Vref与高通滤波信号HPF两者之和与电压反馈信号VFB进行比较，产生置位信号S，当参考电压Vref与高通滤波信号HPF两者之和大于电压反馈信号VFB时，所述置位信号S触发开关控制信号PWM，以导通主功率开关1011。

在一个实施例中，所述直流变换器500还包括：加法器，对参考电压Vref和高通滤波信号HPF进行相加运算后，将运算结果输送至比较器。

在直流变换器500运行过程中，若负载出现跳变(如负载电流突然变小)，则跌落电压Vdroop也突然减小、输出电压VO增大。如前所示，跌落电压Vdroop经由高通滤波器104后转化成高通滤波信号HPF，低频成分被滤除，留下的高频成分表征了负载跳变的暂态信息。输出电压VO经由差分放大器105后，差分电压Vdiff随之增大。在直流变换器500中，比较器在第一输入端接收参考电压Vref与表征负载跳变暂态信息的高通滤波信号HPF之和，第二输入端接收电压反馈信号VFB(即跌落电压Vdroop与差分电压Vdiff之和)，并对两个输入端的信号大小进行比较。相应地，跌落电压Vdroop的高频成分被比较器抵消，比较器的输出保留了跌落电压Vdroop的低频成分。也就是说，输出电流的低频成分被添加进反馈控制坏，从而控制直流变换器500的输出电压VO。图6示出了直流变换器500的输出电流IO(即负载电流)和输出电压VO的时序波形图。从图6可以看出，直流变换器500的输出电压VO随着输出电流的减小而增大，实现了直流跌落的功能；同时，直流变换器500在负载跳变过程中的过冲现象被消除。

图7示出了根据本发明另一实施例的直流变换器700中比较电路102的电路结构示意图。在图7所示实施例中，所述比较电路102包括：比较器，具有第一输入端和第二输入端，其中第一输入端接收参考电压Vref，第二输入端接收电压反馈信号VFB与高通滤波信号HPF之和，所述比较器比较电压反馈信号VFB与高通滤波信号HPF两者之和与参考电压Vref的大小，产生置位信号S，当电压反馈信号VFB与高通滤波信号HPF两者之和小于参考电压Vref时，所述置位信号S触发开关控制信号PWM，以导通主功率开关1011。

在一个实施例中，所述直流变换器700还包括：加法器，对电压反馈信号VFB和高通滤波信号HPF进行相加运算后，将运算结果输送至比较器。

在直流变换器700运行过程中，若负载出现跳变(如负载电流突然变小)，则跌落电压Vdroop也突然减小、输出电压VO增大。如前所示，跌落电压Vdroop经由高通滤波器104后转化成高通滤波信号HPF，低频成分被滤除，留下的高频成分表征了负载跳变的暂态信息。输出电压VO经由差分放大器105后，差分电压Vdiff随之增大。在直流变换器700中，比较器在第一输入端接收参考电压Vref，在第二输入端接收表征负载跳变暂态信息的高通滤波信号HPF与电压反馈信号VFB之和(即比较器第二输入端接收跌落电压Vdroop、高通滤波信号HPF和差分电压Vdiff三者之和)，并对两个输入端的信号大小进行比较。相应地，跌落电压Vdroop的高频成分部分和跌落电压Vdroop完整的信号均被添加进反馈控制坏，从而控制直流变换器500的输出电压VO。图8示出了直流变换器700的输出电流IO(即负载电流)和输出电压VO的时序波形图。从图8可以看出，直流变换器700的输出电压VO随着输出电流的减小而增大，实现了直流跌落的功能；同时直流变换器700在负载跳变过程中，输出电压VO的变化被跌落电压Vdroop的暂态信息所缓冲，此时置位信号S延迟触发开关控制信号PWM，使得开关控制信号PWM相比于现有技术，其脉冲数有所减少。因此，负载跳变过程中存储在电感上的能量减少，回振现象被消除。直流变换器700的暂态响应也得到了改善。

图9示出了根据本发明实施例的直流变换器900中高通滤波器104的电路结构示意图。在图9所示实施例中，所述高通滤波器104包括：第一滤波器41，接收跌落电压Vdroop，产生第一滤波信号VF1；第二滤波器42，接收跌落电压Vdroop，产生第二滤波信号VF2；其中第一滤波器41和第二滤波器42的带宽均可调。

在一个实施例中，第一滤波器41和第二滤波器42均包括RC(电阻电容)滤波器(低通滤波器或者全通滤波器)，其中电阻的阻值可调。

图10示出了根据本发明实施例的直流变换器1000的电路结构示意图。如图10所示，所述直流变换器1000包括：功率开关电路101，周期性地被导通和断开以将输入电压VIN转化为输出电压VO，为负载(如中央处理器CPU)供电；比较电路102，响应跌落电压Vdroop经过第一低通滤波后的第一滤波信号VF1与参考电压Vref两者之和、跌落电压Vdroop经过第二低通滤波后的第二滤波信号VF2与差分电压Vdiff两者之和，产生置位信号S；逻辑控制电路103，根据置位信号S，产生开关控制信号PWM，以控制功率开关电路101。

在一个实施例中，所述比较电路102包括比较器，该比较器对第一滤波信号VF1与参考电压Vref两者之和与第二滤波信号VF2与差分电压Vdiff两者之和进行比较，产生所述置位信号S。

在一些实施例中，跌落电压Vdroop经由第一滤波器41后，高频成分被滤除，低频成分通过，得到第一滤波信号VF1；跌落电压Vdroop经由第二滤波器42后，基本上全频通过(即第二滤波器42的电阻阻值很小，带宽很大)，得到第二滤波信号VF2。在另一些实施例中，跌落电压Vdroop经由第一滤波器41后，基本上全频通过，得到第一滤波信号VF1；跌落电压Vdroop经由第二滤波器42后，高频成分被滤除，低频成分通过，得到第二滤波信号VF2。

在一个实施例中，所述跌落电压Vdroop通过图4所示的电阻器获得。

图11示出了根据本发明实施例的直流变换器1100的电路结构示意图。在图11所示实施例中，所述比较电路102响应第一滤波信号VF1与参考电压Vref两者之和、第二滤波信号VF2与差分电压Vdiff以及跌落电压Vdroop三者之和，产生置位信号S。也就是说，所述比较电路102对第二滤波信号VF2、差分电压Vdiff以及跌落电压Vdroop三者之和与第一滤波信号VF1与参考电压Vref两者之和进行比较，产生置位信号，从而将跌落电压Vdroop的完整信号添加进反馈控制坏。

图11所示的直流变换器1100的其他电路结构和运行原理与前述直流变换器500相似，为叙述简明，这里不再详述。

图12示出了根据本发明实施例的直流变换器1200的电路结构示意图。图12所示直流变换器1200与图11所示直流变换器11相似，与图11所示直流变换器1100不同的是，在图12所示实施例中，所述直流变换器1200还包括：低通滤波器43，所述跌落电压Vdroop经由该低通滤波器43后，高频成分被滤除，转化为低通滤波信号LPF，该低通滤波信号LPF以减法的形式被输送至比较电路102。即在图12所示实施例中，差分电压Vdiff与跌落电压Vdroop两者之和减去低通滤波信号LPF后，与第二滤波信号VF2相加，最终的运算结果被输送至比较电路102，与第一滤波信号VF1与参考电压Vref两者之和进行比较，产生置位信号S。

由于低通滤波信号LPF以减法的形式被输送至比较电路102，因此跌落电压Vdroop在被输送至比较电路102时，其低频成分被低通滤波信号LPF抵消，留下了跌落电压Vdroop的高频成分。因此输出电流的暂态信息被添加进反馈控制坏。

图12所示的直流变换器1200的其他电路结构和运行原理与前述各直流变换器相似，为叙述简明，这里不再详述。

图13示出了根据本发明实施例的直流变换器1300的电路结构示意图。在图13所示实施例中，所述直流变换器1300包括：功率开关电路101，周期性地被导通和断开以将输入电压VIN转化为输出电压VO，为负载供电；第一电阻器107，流经表征输出电流的电流跌落信号Idroop，从而在第一电阻器107两端产生跌落电压Vdroop；第二电阻器108，流经电流跌落信号Idroop的镜像电流Idroop1，从而在第二电阻器108两端产生跌落调节信号Vdroop1；第一滤波器41，对跌落调节信号Vdroop1进行低通滤波，产生第一滤波信号VF1；第二滤波器42，对跌落调节信号Vdroop1进行低通滤波，产生第二滤波信号VF2；比较电路102，对第一滤波信号VF1与参考电压Vref两者之和与第二滤波信号VF2、表征输出电压VO的差分电压Vdiff以及跌落电压Vdroop三者之和进行比较，产生置位信号S；逻辑控制电路103，根据置位信号S，产生开关控制信号PWM，以控制功率开关电路101。其中镜像电流Idroop1与电流跌落信号Idroop的比例可调，第二电阻器108的阻值可调，以使第一滤波信号VF1和第二滤波信号VF2的电压水平与差分电压Vdiff一致。

图13所示的直流变换器1300的运行原理与前述各直流变换器相似，为叙述简明，这里不再详述。

图14示意性示出了根据本发明实施例的用于直流变换器的方法流程图1400，所述直流变换器包括功率开关电路，接收输入电压、产生输出电压，以给负载(如CPU)供电，所述方法包括：

步骤1401，提供表征输出电压的差分电压、表征输出电流的跌落电压。

步骤1402，对跌落电压进行高通滤波，产生高通滤波信号。

步骤1403，对高通滤波信号和参考电压两者之和与差分电压进行比较，或者对高通滤波信号和差分电压两者之和与参考电压进行比较，产生置位信号。

步骤1404，响应置位信号，控制功率开关电路。

在一个实施例中，所述方法进一步包括：将跌落电压与差分电压相加，得到电压反馈信号；对高通滤波信号和参考电压两者之和与电压反馈信号进行比较，或者对高通滤波信号和电压反馈信号两者之和与参考电压进行比较，产生所述置位信号。

在一个实施例中，产生与流过功率开关电路成镜像的镜像电流；使该镜像电流流经电阻器，以在电阻器两端产生所述跌落电压。

在一个实施例中，对跌落电压的高通滤波通过下述方式实现：对跌落电压进行全通，得到第一滤波信号；对跌落电压进行低通滤波，得到第二滤波信号；对第一滤波信号和第二滤波信号相减，得到所述高通滤波信号。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。