用于电流模式迟滞降压调节器的前馈频率控制方法
【专利说明】用于电流模式迟滞降压调节器的前馈频率控制方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求享有于2013年3月8日提交的标题为“Feed-Forward FrequencyControl Method for Current Mode Hysteretic Buck Regulator”的美国非临时申请序列号N0.13/791868的优先权，通过引用的方式将该非临时申请的全部内容明确地并入本文。
技术领域
[0003]本公开内容总体上涉及调节器电路，并且更具体地涉及用于电流模式迟滞降压调节器的前馈频率控制方法。
【背景技术】
[0004]诸如降压调节器等迟滞电压调节器用于要求好的瞬态响应和/或快的操作速度的应用中。该控制方案具有帮助实现快速负载瞬态响应的可变切换频率。然而，平均频率控制对于在比如移动电话应用等的对EMI敏感的环境中进行操作的降压器是有用的。锁相环路可以用于控制切换频率，但是这种实施方式在功率、面积方面成本高并且通常需要比如片下电容器等的外部部件。另外，闭合环路平均频率控制方法干扰主电压控制环路的动力。
【发明内容】
[0005]电压调节器包括多个开关、迟滞比较器、迟滞发生器和开关驱动器。迟滞发生器被配置为向迟滞比较器提供迟滞参数V_hyst。迟滞参数V_hyst是迟滞发生器的电路部件、调节器的电压输出Vout、调节器的电压输入Vin、以及驱动多个开关的其中之一的信号的函数。开关驱动器被配置为基于迟滞参数来驱动开关。迟滞发生器的提供迟滞参数的电路部件中的一个或多个还定义了迟滞时间周期T_hyst。迟滞时间周期T_hyst和调节器的延迟时间周期T_Td的组合定义了调节器的大体上恒定的切换时间周期T。
【附图说明】
[0006]图1是电压调节器的示意图。
[0007]图2是示出电压调节器的作为占空比的函数的时间延迟的变化的曲线图。
[0008]图3是图1的电压调节器的迟滞发生器部件的示意图。
[0009]图4是操作电压调节器的方法的流程图。
[0010]图5是示出电压调节器的不同模块/装置/部件之间的信号流的信号流图。
[0011]图6是无线通信设备的框图。
【具体实施方式】
[0012]下文结合附图所阐述的【具体实施方式】旨在作为对各种构造的描述，而不旨在代表其中可以实践本文所描述的构思的唯一构造。【具体实施方式】包括用于提供对各种构思的透彻理解的目的的具体细节。然而，对本领域的技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些构思。在一些实例中，以框图的形式示出了公知的结构和部件，以避免使这种构思难以理解。
[0013]描述了在没有大的硅面积或片下部件的情况下控制切换频率的简单的前馈方法。前馈架构不干扰一阶中的主电压控制环路。电流模式迟滞降压转换器的操作频率取决于输出电压、电感器值、电流感测增益、环路延迟和操作占空比。取决于占空比的延迟分量是利用小电感器在高输入和输出电压范围内进行操作的迟滞调节器中的操作的总体频率的重要贡献。下文所描述的电路用于产生迟滞值，该迟滞值抵消占空比变化的一阶效应。
[0014]图1是实施降压转换器的电压调节器100的示意图。电压调节器100接收输入电压Vin并且产生用于负载Rload的输出电压Vout。电压调节器100包括操作用于在节点A处提供开关电压Vsw的第一开关P-sw和第二开关N-sw。下文提供了开关操作的细节。
[0015]电压调节器102还包括电感器L0、两个电阻器ESR_L和ESR_C和电容器CO。电感器LO具有通过电阻器ESR_L耦合到节点A的一端、以及耦合到节点B的另一端。电容器CO具有耦合到节点B的一端、以及耦合到电路接地的另一端。电感器LO和电容器CO对节点A处的开关电压Vsw进行滤波，以在节点B处产生输出电压Vout。电感器120和电容器130可以具有适合的值来为Vout提供所需量的滤波。
[0016]输出电压Vout通过由电阻器Rl和RO以及电容器Cl形成的分压器，并且在非反向输入端处被输入到误差放大器102。参考电压Vref在反向输入端处也被输入到误差放大器102。参考电压Vref是Vout的目标电压，并且可以是固定值或可配置值。误差放大器102比较两个电压以获得误差、放大误差、并且提供放大的误差信号Ve。在误差放大器102的输出端处的电阻器R2和电容器C2提供滤波和频率补偿。
[0017]电压调节器100还包括电流感测单元104、迟滞发生器106、以及迟滞比较器108和开关驱动器控制器110。电流感测单元104通过电感器120的第一端上的电压Vout和电感器LO的第二侧上的开关电压Vsw来获得电感器LO两端的电压，并且感测通过电感器的电流。电流感测单元104输出从所感测的电流中导出的电压感测Visns。
[0018]迟滞发生器106接收电压Vout，电压Vout为驱动第一开关P_sw和输入电压Vin的信号。迟滞发生器106的电路产生迟滞参数，迟滞参数可以是迟滞电压Vhyst或迟滞电流Ihyst。本文进一步使用的迟滞参数是迟滞电压Vhyst。如在下文所进一步描述的，迟滞发生器106被配置为提供允许电压调节器102以相对恒定的频率进行操作的迟滞参数。
[0019]迟滞比较器108接收来自误差放大器102的放大的误差信号Ve、来自电流感测单元104的电压感测Visns、以及来自迟滞发生器106的迟滞电压Vhyst，并且产生用于第一开关P-sw和第二开关N-sw的控制信号。例如，迟滞比较器108可以包括两个比较器。第一比较器将放大的误差信号Ve和电压迟滞Vhyst的和与电压感测Visns进行比较，并且输出第一信号Sp。第二比较器将放大的误差信号Ve与电压迟滞Vhyst的差与电压感测Visns进行比较，并且输出第二信号。
[0020]迟滞比较器108的第一输出信号和第二输出信号被输入到开关驱动器控制器110并且分别被输出为开关控制信号Sp和Sn。开关控制信号Sp驱动第一开关P-sw的P栅极，而开关控制信号Sn驱动第二开关N-sw的N栅极。第一开关P-sw可以是P沟道功率场效应晶体管(FET)开关，其源极耦合到输入电压Vin、其栅极接收Sp控制信号、并且其漏极耦合到节点A。第二开关Sn可以是N沟道FET开关，其漏极耦合到节点A、其栅极接收Sn信号、并且其源极耦合到电路接地。当Sp信号处于逻辑低时，打开第一开关P-sw，并且当Sn信号处于逻辑高时，打开第二开关N-sw。可以产生Sp和Sn控制信号，以使得在任何给定时刻至多打开一个开关。第一开关和第二开关在节点A处提供开关电压Vsw输出信号。该输出信号为从Vin向电路接地摆动的方波信号并且具有由Vout确定的占空比。
[0021]电压调节器100的大部分可以被制造在集成功率管理电路(IC)上，余下几个电路部件位于IC芯片的外部。例如，电感器L0、两个电阻器ESR_L、ESR_(^P Rload、以及电容器CO位于功率管理IC的外部。
[0022]电压调节器102操作如下。在接通状态期间，由Sp信号打开第一开关P-sw，并且由Sn信号关闭第二开关N-sw。输入电压Vin经由第一开关P-sw I禹合到电感器LO，电感器LO存储来自Vin供电电压的能量。通过电感器LO的电流在接通状态期间上升，并且上升率取决于Vin与Vout之间的差和电感器LO的电感L。在关断状态期间，由Sp信号关闭第一开关P-sw，并且将Vin供电电压与电感器LO断开连接。由Sn信号打开第二开关N_sw，并且电感器LO耦合在电路接地与节点B之间。通过电感器LO的电流在关断状态期间下降，并且下降率取决于输入电压Vout和电感L。因此，输入电压Vin在接通状态期间向电容器CO和负载Rload提供电流，并且电感器LO在关断状态期间向电容器CO和负载Rload提供其存储的能量。电容器CO维持节点B处的输出电压Vout并且还在关断状态期间向负载Rload提供其电荷。
[0023]对于理想的降压转换器，来自降压转换器的输出电压Vout可以被表示为:
[0024]Vout = DXVin (等式 I)<