电压转换器中的噪声减小的制作方法

该专利要求2017年2月27日提交的美国申请No.15/443,950的优先权的权益，该申请是2017年2月6日提交的国际专利申请序列号PCT/CN2017/072959的延续，这些神奇通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开涉及用于过滤电压转换器中的电子噪声的系统和方法。

背景技术：

某些电压转换器包括在反馈控制回路中具有滞后的比较器，以提供输出电压。

技术实现要素：

在某些系统中，电压转换器可以接收第一DC电压并输送第二DC电压，以便向电子部件提供电力。电压转换器可以包括控制回路，例如使用滞后的控制回路。在包括滞后控制回路的电压转换器中，电压转换器的输出可包括处于电压转换器的开关频率的AC分量。在精密应用中，例如电压转换器可以为顺序近似寄存器(SAR)模数转换器(ADC)提供参考电压，开关频率下的频率分量会导致SAR ADC的性能降低(例如，SAR ADC的精度可以从18位降低到16位)。发明人已经认识到，除了别的以外，可以提供一种电压转换器，其具有开关频率下的减小的AC分量，例如通过调制电压转换器的控制回路中的至少一个信号。在所附权利要求中提供了本公开的其他特征，除非在本文件的其他地方另有明确说明，否则这些特征可任选地以任何排列或组合彼此组合。

在一方面，本公开的特征在于一种用于在电压转换器的开关频率下提供输出纹波能量减小的电压转换的方法。该方法可包括接收输入电压并提供具有在所述开关频率下的频率分量的输出电压。该方法还可包括基于输出电压和参考电压来产生控制信号。该方法还可包括基于所述控制信号来切换所述输入电压。该方法还可包括调制所述参考电压或用于产生所述控制信号的延迟中的至少一种。该方法还可包括使用输出电压驱动负载，并且所述开关频率可取决于所述负载。该方法还可包括使用时变随机值或伪随机值调制所述参考电压的幅度，例如以在所述电压转换器的开关频率下提供所述输出纹波能量的减小。该方法还可包括将所述开关频率下的输出纹波能量的至少一部分转换成不同频率的能量。调制参考电压的幅度可包括向模数转换器提供时变随机生成的微调码。该方法还可包括将所述控制信号延迟变化的随机时间量，例如以在所述电压转换器的开关频率下提供所述输出纹波能量的减小。该方法还可包括将所述开关频率下的输出纹波能量的至少一部分转换成不同频率的能量。该方法还可包括基于所述控制信号对具有时变随机生成电流的电容器充电，以提供所述控制信号的延迟。调制所述参考电压或用于产生所述控制信号的延迟中的至少一种可包括在所述电压转换器的开关频率的倍数处减小所述输出纹波能量。

在一方面，本公开的特征在于一种用于在电压转换器的开关频率下提供输出纹波能量减小的电压转换器。电压转换器可包括开关电压转换器电路，被配置为接收输入电压并提供具有在所述开关频率下的频率分量的输出电压。电压转换器还可包括控制元件，被配置为基于所述输出电压和参考电压来产生控制信号，所述控制信号控制所述开关电压转换器电路。电压转换器还可包括调制电路，被配置为调制所述参考电压或用于产生所述控制信号的延迟中的至少一种。开关电压转换器电路可被配置为使用输出电压驱动负载，并且所述开关频率可取决于所述负载。调制电路可被配置为使用时变随机值或伪随机值调制所述参考电压的幅度，例如以在所述电压转换器的开关频率下提供所述输出纹波能量的减小。调制电路可被配置为将所述开关频率下的输出纹波能量的至少一部分转换成不同频率的能量。调制电路可被配置为向模数转换器提供时变随机生成的或伪随机生成的微调码。电压转换器还可包括可变延迟电路，被配置为将所述控制信号延迟变化的随机或伪随机时间量，以在所述电压转换器的开关频率下提供所述输出纹波能量的减小。调制电路可被配置为将所述开关频率下的输出纹波能量的至少一部分转换成不同频率的能量。电压转换器还可包括电流源，被配置为响应于所述控制信号对具有时变电流的电容器充电，以提供所述控制信号的延迟。调制所述参考电压或用于产生所述控制信号的延迟中的至少一种可在所述电压转换器的开关频率的倍数处减小所述输出纹波能量。控制元件可包括滞后比较器，被配置为如果所述输出电压超过所述参考电压第一阈值量则提供第一控制信号，并且如果所述输出电压小于所述参考电压超过第二阈值量则提供第二控制信号。

在一方面，本公开的特征在于一种用于在电压转换器的开关频率下提供输出纹波能量减小的电压转换器。电压转换器可包括构件，用于接收输入电压并提供具有在所述开关频率下的频率分量的输出电压。用于接收输入并提供输出的构件可以包括转换器电路，例如图1所示的转换器电路105。电压转换器还可包括构件，用于基于输出电压和参考电压来产生控制信号。用于产生控制信号的构件可包括控制电路，如图1所示的控制电路110。电压转换器还可包括构件，用于基于所述控制信号来切换所述输入电压。用于切换输入电压的构件可以包括驱动器电路，例如图1所示的驱动器电路115。电压转换器还可包括构件，用于调制所述参考电压或用于产生所述控制信号的延迟中的至少一种。用于调制的构件可以包括调制电路，例如图1所示的调制电路120。

附图说明

现在将参考附图通过示例描述本公开，其中：

图1A示出了电压转换器的图。

图1B示出了电压转换器的图。

图1C示出了调制电路的示图。

图2A示出了电压转换器中的波形的示例。

图2B示出了电压转换器中的波形的示例。

图2C示出了电压转换器中的波形的示例。

图3A示出了电压转换器中的输出电压波形。

图3B示出了电压转换器中的输出功率谱。

图4A示出了电压转换器中的输出电压波形。

图4B示出了电压转换器中的输出功率谱。

图4C示出了调制电路的示图。

图5A示出了电压转换器中的输出电压波形。

图5B示出了电压转换器中的输出功率谱。

图6示出了电压转换器的操作方法。

具体实施方式

图1A示出了电压转换器100的示例。电压转换器100可以包括转换器电路105、控制电路110、驱动器电路115和调制电路120。转换器电路105可以包括到输入电压的连接和到控制电路110的连接。控制电路110可以包括到参考电压、转换器电路105和驱动器电路115的连接。驱动器电路115可以包括到转换器电路105的连接和到控制电路110的连接。调制电路120可以包括到控制电路110的连接。在操作期间，可以将输入电压(Vin)提供给转换器电路105。转换器电路105可以将输入电压转换为输出电压(Vout)。输出电压(Vout)可用于驱动负载。输出电压可以包括DC分量和输出纹波，输出纹波包括在电压转换器100的开关频率处的AC分量。开关频率可以取决于负载的值(例如，开关频率可以线性地取决于负载)。转换器电路105可以向控制电路110提供输出电压(Vout)的缩放版本。控制电路110可以将输出电压(Vout)的缩放版本与参考电压(Vref)进行比较，以便提供控制信号。控制电路110可以将控制信号提供给驱动器电路115。驱动器电路115可以控制转换器电路，例如通过基于接收的控制信号切换输入电压，以便减小缩放输出电压和参考电压之间的差异。调制电路120可以调制由控制电路提供的控制信号，例如以降低开关频率下的频率分量中的输出纹波能量。

图1B示出了电压转换器100的示例。电压转换器100可以包括转换器电路105、电阻分压器106、控制电路110、驱动器电路115和调制电路120a和120b。转换器电路105可包括第一晶体管105a和第二晶体管105b、电感器105c和电容器105d。控制电路110可以包括滞后比较器110a和逻辑控制电路110b。转换器电路105可以包括到输入电压的连接和到控制电路110的连接。第一晶体管105a可以连接到驱动器电路、输入电压(Vin)和电感器105c。第二晶体管105b可以连接到驱动器电路、电感器105c和电接地。电感器105c可以连接到第一晶体管105a、第二晶体管105b、输出电压，并连接到电容器105d。电容器105d可以连接到电感器105c、输出电压和电接地。电阻分压器可以连接到输出电压、控制电路110、电容器105d和电感器105c。控制电路110可以包括到参考电压、转换器电路105和驱动器电路115的连接。滞后比较器110a的输入可以连接到电阻分压器106，并且连接到参考电压(Vref)，并且剧烈比较器110a的输出可以连接到逻辑控制电路110b。逻辑控制电路110b可以连接到驱动器电路115。驱动器电路115可以包括到转换器电路105的连接和到控制电路110的连接。调制电路120可以包括到控制电路110的连接。在操作期间，第一晶体管120a可以由驱动器电路115激活，例如将电感器105c连接到输入电压(Vin)，以便使得上升电流流过电感器105c。然后可以停用第一晶体管120a，例如将输入电压(Vin)与电感器105c断开。然后可以激活第二晶体管105b，以便将电感器105c连接到电接地，以便使下降的电流流过电感器105c。在第一晶体管105a和第二晶体管105b的激活期间，电容器105d可以提供输出电压(Vout)。输出电压(Vout)可用于驱动负载(例如，SARADC或其他电子组件)。可以将缩放版本的输出电压(Vout)和参考电压提供给滞后比较器110a的输入。如果缩放的输出电压超过第一阈值量，则滞后比较器110a可以提供第一信号，而如果缩放的输出电压低于第二阈值量，则滞后比较器110a可以提供第二信号。第一阈值量可以大于缩放的参考电压，第二阈值可以低于缩放的参考电压。逻辑控制电路110b可以基于从滞后比较器110a接收的第一和第二信号向驱动器电路115提供控制信号。然后，驱动器电路115可以基于所接收的控制信号激活晶体管105a和105b。例如，如果驱动器电路基于第一信号接收控制信号，则驱动器电路可以提供信号，例如激活第二晶体管105b和停用第一晶体管105a。如果驱动器电路基于第二控制信号接收控制信号，则驱动器电路可以提供信号，例如激活第一晶体管105b和停用第二晶体管105a。因此，电压转换器电路105可以由控制电路110和驱动器电路115调节，以便提供输出电压，使得缩放的输出电压接近参考电压。缩放的输出电压可以包括近似等于参考电压的DC分量和包括在电压转换器100的开关频率处的AC分量的输出纹波。开关频率可以由控制电路中的参数确定，例如负载、第一阈值量、第二阈值量、缩放参考电压的值以及控制回路中的总延迟。在一个示例中，如果参考电压保持恒定，则开关频率可以保持恒定。

图1C示出了调制电路的示例，例如调制电路120b。调制电路可以包括电流源130、开关140、电容器135和比较器145。电流源130可以连接到开关140、电容器135和比较器145的非反相输入端子。电容器135可以连接到电气接地，并且连接到开关140、电流源130、以及比较器145的非反相输入端子。比较器的反相输入端子可以连接到参考电压，并且比较器的输出端子可以连接到驱动器电路115。在操作期间，控制电路110可以打开开关140，例如允许电流源130对电容器135充电。电流源可以用时变随机码或伪随机码编程，例如提供时变随机值或电流的伪随机值以对电容器135充电。在将电容器充电到超过参考电压的电压之后，比较器可以改变输出状态，例如向驱动器电路115提供具有时变延迟的控制信号。

图2A示出了电压转换器中的波形的示例，例如电压转换器100，其中参考电压可以是未调制的。参考电压215a可以是未调制的，并且未调制的参考电压和输出电压210a(Vout)之间的差可以提供给控制电路，例如控制电路110。控制电路可以向驱动器电路(例如驱动器电路115)提供控制信号220a。驱动器电路115可以基于所接收的控制信号来切换输入电压(Vin)，以便在诸如电感器105c的电感器中提供电流215a。

图3A示出了电压转换器(例如电压转换器100)的输出电压(Vout)的模拟结果，其中调制电路120不提供调制。图2A所示的输出电压(Vout)包括锯齿形状，其频率约为4.5kHz，平均值约为1.4V，幅度约为25mV。图2B示出了电压转换器的输出处的功率谱的模拟结果，例如电压转换器100，其中调制电路120不提供调制。如图3B所示的功率谱包括0Hz处的0dB峰值，以及对应于在4.5kHz处具有-55dB的幅度的电压转换器的开关频率的分量。功率谱还包括开关频率的倍数的分量(例如，开关频率的两倍和开关频率的三倍)。

图2B示出了电压转换器(例如电压转换器100)中的波形的示例，其中参考电压可以用时变随机值或时变伪随机值调制。在示例中，调制深度可以在1％至5％的范围内。在示例中，调制深度可以在1％至3％的范围内。在一个示例中，调制深度可以在3％至5％的范围内。在一个例子中，调制深度可以在2％至4％的范围内。在一个示例中，调制深度可以在2.5％至3.5％的范围内。在示例中，调制深度可以约为3％。在一个示例中，太小的调制深度(例如小于1％)可能对输出纹波能量具有有限的影响，而太大的调制深度(例如大于10％)可以增加总输出纹波能量。在一个例子中，时变随机值或时变伪随机值可以基于均匀概率分布。在示例中，时变随机值或时变伪随机值可以基于正态概率分布。可以调制参考电压315b，并且可以将调制的参考电压和输出电压310b(Vout)之间的差提供给控制电路，例如控制电路110。控制电路可以向驱动器电路(例如驱动器电路115)提供控制信号320b。控制信号320b可以由于施加到参考电压(Vref)的调制而被调制。驱动器电路115可以基于所接收的控制信号来切换输入电压(Vin)，以便在诸如电感器105c的电感器中提供电流315b。

图4A示出了电压转换器(例如电压转换器100)的输出电压(Vout)的模拟结果，其中调制电路120可以用时变随机值或时变伪随机值调制参考电压，例如以降低电压转换器开关频率下输出纹波的能量。在示例中，参考电压可以由调制电路调制，例如图4C中所示的调制电路400。调制电路400可以包括电阻器450和开关455。电阻器450可以串联连接并且可以提供恒定电压(Vfix)和电气接地之间的连接。可以向开关455提供时变随机码或时变伪随机码，以便使得其中一个开关闭合，例如提供与参考电压(Vref)的连接。其他开关455可以保持打开。参考电压(Vref)的值可以由电阻器450和开关455形成的分压器确定。在一个示例中，可以选择电阻器450和开关455，使得参考电压可以有增量为0.5％的变化。图4A所示的输出电压(Vout)包括锯齿形状，其频率约为4.5kHz，平均值约为1.4V，幅度约为25mV。图4B示出了电压转换器(例如电压转换器100)的输出处的功率谱的模拟结果，其中调制电路120可以用时变随机值或时变伪随机值调制参考电压，例如以降低电压转换器开关频率下输出纹波的能量。如图4B所示的功率谱包括0Hz处的0dB峰值，以及对应于具有-59dB峰值(4.5kHz)的电压转换器的开关频率的分量，其可以表示与具有未调制参考电压的电压转换器相比，电压转换器的开关频率下输出纹波能量至少降低4dB。功率谱还可以包括开关频率的倍数的分量(例如，开关频率的两倍和开关频率的三倍)。

图2C示出了电压转换器中的波形的示例，例如电压转换器100，其中可以调制诸如由控制电路110提供的控制信号。可以调制控制信号320b，以便引入控制信号320b的随机或伪随机时间延迟。在示例中，开关频率可以是4.5kHz并且时间延迟时间在0μs和12μs之间变化。在示例中，调制深度可以在1％至5％的范围内。在示例中，调制深度可以在1％至3％的范围内。在示例中，调制深度可以在3％至5％的范围内。在示例中，调制深度可以在2％至4％的范围内。在示例中，调制深度可以在2.5％至3.5％的范围内。在示例中，调制深度可以约为3％。控制信号320b的随机调制或伪随机调制的时间延迟可以在电压转换器电路105的切换中引起随机或伪随机延迟。电压转换器电路105中的随机或伪随机延迟可以引入提供给电感器(例如电感器105c)的电流的随机延迟。提供给电感器的电流的随机延迟可以在输出电压(Vout)中引入随机或伪随机延迟。

图5A示出了诸如电压转换器100的电压转换器的输出电压(Vout)的模拟结果，其中调制电路120可以将控制信号延迟时变随机或伪随机时间量，例如以减小在电压转换器的开关频率处的输出纹波中的能量。图5A所示的输出电压(Vout)包括锯齿形状，其频率约为4.5kHz，平均值约为1.4V，振幅约为25mV。图5B示出了电压转换器(例如电压转换器100)的输出处的功率谱的模拟结果，其中调制电路120可以通过随时间变化的随机或伪随机时间延迟控制信号。如图5B所示的功率谱包括0Hz处的0dB峰值，以及对应于在4.5kHz处具有-58dB的幅度的电压转换器的开关频率的分量，其可以表示与具有未调制参考电压的电压转换器相比，电压转换器的开关频率处的输出纹波能量至少降低3dB。功率谱还可以包括开关频率的倍数的分量(例如，开关频率的两倍和开关频率的三倍)。

图6示出了操作诸如电压转换器100的电压转换器的方法的示例，以便在电压转换器的开关频率下提供输出纹波能量的减小。诸如转换器电路105的转换器电路可以接收输入电压并提供具有开关频率的频率分量的输出电压(步骤610)。诸如控制电路110的控制电路可以基于从转换器电路105接收的输出电压和参考电压产生控制信号(步骤620)。诸如驱动器电路115的驱动器电路可以基于从控制电路(例如控制电路110)接收的控制信号来切换输入电压(步骤630)。调制电路(例如调制电路120)可以调制参考电压或用于产生控制信号的延迟中的至少一个(步骤640)。调制电路可以用时变随机值或伪随机值调制参考电压的幅度，以在电压转换器的开关频率处提供输出纹波能量的减小。调制参考的幅度可以包括向数模转换器提供时变随机生成的微调码。在示例中，调制电路可以通过改变随机或伪随机时间量来延迟控制信号，以在电压转换器的开关频率处提供输出纹波能量的减小。开关频率处的输出纹波能量的减小可以伴随着与开关频率不同的至少一个频率的能量的相应增加。通过变化的随机或伪随机时间量来延迟控制信号可以包括基于控制信号对具有时变随机生成的电流的电容器充电，以提供控制信号中的延迟。在一个示例中，调制参考电压的幅度或控制信号的时间延迟可以提供电压转换器的开关频率处的输出纹波能量的减小以及开关频率的倍数处的输出纹波能量的减小(例如，开关频率的两倍或开关频率的三倍)。