专利名称：改进型电源控制器及其方法
改进型电源控制器及其方法 相关专利申请的相互参照为了使说明简洁清楚起见，该图所示的单元未必按比例示 出，而且不同附图
中相同的参考编号表示相同的单元。此外，为了使 说明简洁起见，省略详细说明众所周知的步骤和单元。在此使用的载 流电极指用于承栽通过该器件的电流的器件单元，例如，MOS晶体 管的源极或者漏极或者双极晶体管的发射极或者集电极或者二极管 的阴极或者阳极，而控制电极指用于控制通过该器件的电流的器件单 元，例如，MOS晶体管的栅极或者双极晶体管的栅极。尽管在此利 用特定N沟道器件或者P沟道器件，描述了各器件，但是本技术领域 内的普通技术人员明白，根据本发明，互补器件也是可行的。本技术 领域内的技术人员明白，在此使用的单词"在…期间"、"在…时，，以及 "当...时"不是表示发生启动动作后立即发生动作的精确时间，它可能 与启动动作的启动反应之间存在小而合理的延迟，例如，传播延迟。
具体实施例方式在功率输入端26与功率回线27之间，系统25接收功率， 然后，在输出电压端28与输出公共端29之间，提供输出电压。构造 并配置系统25的电源控制器41，以控制输出电压值。系统25通常包 括储能电感器33和34、大容量储能电容器35、第一功率开关或者 功率晶体管36、第二功率开关或者功率晶体管37、第一测流电阻器 38、第二测流电阻器39以及二极管31和32。晶体管36和37优选是 MOS功率晶体管，它连接到各电感器33和34，以提供充电电流，从
而对大容量晶体管35充电并在端子28和29之间形成输出电压。在 其他实施例中，功率开关可以是可以接通和断开流过电感器33和34 的充电电流的双极晶体管或者其他类型的开关。晶体管36和37、电 阻器38和39、 二极管31和32以及电感器33和34通常位于控制器 41的外部，但是在某些情况下，晶体管36和37可以是控制器41的 一部分。测流电阻器38和39分别产生表示充电电流的第一测流信号 和第二测流信号。在系统25的优选实施例中，反馈信号的值小，因 此，利用差分反馈信号提高系统25的抗扰性和精度。在该优选实施 例中，接收端子28与29之间的输出电压，则控制器41的反馈输入 端96与99之间的差分反馈(FB)信号或者反馈信号。该差分反馈信 号表示输出电压。在其他实施例中，该反馈信号可以是仅终接并施加 到输入端96的信号，因此，电阻器70和输入端99通常连接到回线 97。配置差分误差放大器45，以在来自控制器66和73的PWM 控制信号的工作频率范围内，对基准电压(Vref)和反馈(FB)信号 具有基本固定的增益。利用这种配置，对于该工作频率，基准电压值 的变化以及通过放大器45和55的FB信号的变化的影响是固定的。 为了在控制器41的工作频率，对于基准电压和反馈信号具有基本固 定的增益配置该误差放大器可以提高系统25的瞬态响应，而且可以 提高系统25的输出电压的稳定性和精度。对于约dc至二十(20) MHz，而且优选从dc到至少十(10) MHz的频率范围，通常具有近 似固定增益。在该优选实施例中，对于该频率范围，放大器45具有 单位增益。
[13在放大器45的倒相输入端与同相输入端之间，差分误差放 大器45接收差分反馈(FB)信号。通过电阻器48，该反馈信号以回 线97为基准，而通过电阻器50，该基准电压以回线97为基准。因此， 放大器45使反馈信号值减基准电压值，然后，作为响应，放大基准 电压值与反馈信号值的差值。差分误差放大器45包括运算放大器 46、第一增益电阻器47、第二增益电阻器48、第三增益电阻器49以 及第四增益电阻器50。选择电阻器47、 48、 49、 50、 70以及电阻器 81，以提供从反馈信号和基准电压到误差信号的要求增益值。偏移器 82提供偏移电压，该偏移电压产生浮动模拟地电压，从而将放大器 45、 55和85的信号偏置到高于回线97的电势。获得的放大器45的 传递函数如下
ES=(((R48/R49)(FB1))+((R48/R81)(V82)))*
((1/R48)+(1/R70)+(1/R47))/((1/R49)+(1/R81)+(1/R50))-FB2(R48/R70) - Vref(R48/R47)
其中
ES -是放大器45的输出电压值；FBI -是相对于回线97对输入端96施加的反馈信号值；
FB2 -是相对于回线97对输入端99施加的反馈信号值；
Vref -是对放大器45的第二输入端施加的基准电压值；
V82 一是配置器82提供的电压值；
R47-是电阻器47的值；
R48-是电阻器48的值；
R49-是电阻器49的值；
R50-是电阻器50的值；
R70-是电阻器70的值；
R81-是电阻器81的值；
该目的是配置放大器46和电阻器47 - 50和70,以<吏对于PWM 控制信号的工作频率，FB信号变化的增益和基准信号变化的增益是 固定值。然而，在本技术领域内众所周知，始终存在较小差异，这样 避免增益等同。在本技术领域内非常确定的是，相对于准确固定值的 理想目标至多约百分之十(10% )的差异被认为是合理差异。在形成 在半导体芯片上的控制器41的实施例中，电阻器47 - 50和70通常 位于该半导体芯片内，但是在某些实施例中可以位于外部。
[l引补偿放大器55包括放大器56，该放大器56具有包括第一阻 抗57和第二阻抗58的频率补偿网络。选择阻抗57和58,以使系统 25的控制回路实现高频稳定，而在低频实现高增益，从而对系统25 实现良好DC调节。选择阻抗57和58的值，以使补偿放大器55实 现要求的高频稳定性和高dc增益。选择阻抗59的值，以对系统25 实现受控输出阻抗。在形成在半导体芯片上的控制器41的实施例中， 阻抗部件Z1、 Z2和Z3通常位于半导体芯片的外部。补偿放大器55 接收来自差分误差放大器45的误差信号(ES )和来自放大器85的输 出端的信号的和，然后，补偿该和信号，以形成补偿信号(CS)，该 补偿信号(CS)提供实现要求的稳定性所需的极点(pole)和零点。 因此，至少在控制器41的工作频率范围的一部分上，放大器55对收 到的ES信号施加随频率变化的相位。减法器44和51接收来自补偿放大器55的输出端的补偿信号(CS)，该减法器44和51将它减去 各第一和第二电流反馈信号的值，以将系统25的通道之间共享的强 制电流送到控制器41，而且提高其输出电压的稳定性。控制器66和 73的各比较器67和74分别接收来自减法器44和51的电流校正信号。 该电流校正信号的值设定比较器67和74以其清除各锁存器69和76 并开始关闭各晶体管36和37的值。
15可以看出，形成用于使误差信号减去基准电压的放大器45 以及形成用于实现分离信号补偿的放大器55可以使放大器45以对于 该工作频率基本固定的第一增益放大基准电压的变化，而以对于该工 作频率基本固定的第二增益放大反馈信号的变化。此外，可以改变或 者修改阻抗57和58提供的频率补偿，而不影响该基准电压与反馈信 号之间的增益频率关系。获得的放大器45的传递函数如下
ES=(((R48/R49)(FB1))+((R48/R81)(V82)))* ((1/R48)+(1/R70)+(1/R47))/((1/R49)+(1/R81)+(1/R50))-FB2(R48/R70) - Vref(R48/R47)
[16配置包括电容器88和电阻器89的前馈电路，以缩短响应基 准器产生的基准电压值的变化，使输出电压从一个值变更为新值所需 的时间。在改变输出电压值时，输出电流40的一部分用于对大容量 电容器35充电，而将一部分送到连接在端子28与29之间的负栽(未 示出)。从下面的描述可以进一步看出，该前馈电路使控制器41将 电流40的值增加基本上等于对大容量电容器35进行充电所需的电流 量的数量。这样可以缩短响应该基准电压值的变化，使该输出电压达 到新值所需的时间。
17如果来自基准器43的基准电压值发生变化(例如，升高)， 则放大器45接收该变化，因此，该误差信号(ES)相反变化(例如， 减小)，这样导致输出电流40的值相反变化(例如，升高)。此外， 来自基准器43的基准电压值的变化使时变电流卯流过位于节点91 的电阻器89和电容器88的前馈网络(例如，进入放大器85的倒相 输入端)。这样导致放大器85的输出发生相反变化(例如，减小)。来自放大器85的信号通过阻抗59 (Z3)传播，然后，它与ES信号 的变化相加，而且与误差信号(ES)的变化引起的变化相比，该补偿 误差信号(CS)进一步发生变化(例如，升高)，因此，导致输出电 流40的值相应进一步变化(例如，升高)。电流40的总变化值(例 如，升高)导致放大器52和53的输出值以及加法电路63的输出值 相应变化。倒相放大器64接收电路63的被改变输出(例如，被升高)， 然后，相反改变电流65的值(例如，减小)。电流65的减小量与电 流90的增加量相加，在输出电流40的值响应来自基准器43的基准 电压的变化而变化时，这样可以減小放大器85的输出的值。所选择 的电阻器89和电容器88的时间常数与电容器35和其寄生电阻产生 的时间常数基本相同。选择电阻器89的值，以使电流90的最大值与 电流65基本相同，因此，随着电流40的值升高，这两个电流互相扭^ 消。使这两个电流互相抵消确保控制器41仅提供由电流90产生的额 外负载电流，直到电容器35被充电到由来自基准器43的基准电压值 的变化获得的新输出电压值。电容器35—被充电到该新值，电流65 的值就变成O，而随着电容器88被充电，电流90的值升高。因为这 两个时间常数基本相同，所以电流90和电容器35的电压以相同速率 变化。前馈电路的时间常数通常在放大器45的输出可以改变电流40 之前改变输出电流40的值。除了来自放大器45的ES信号引起的变 化，该前馈电路迅速提供CS信号和电流40的值的时变变化。可以看 出，放大器85、电阻器84和86、放大器64以及放大器55构成支持 该前馈电路的第一电路。可以相信，前馈电路与放大器64和85—起 将对电容器35进行充电所需的时间接近缩短百分之一百(100%)， 因此，该输出电压值几乎与该基准电压值同时发生变化。
[18I为了实现上面描述的功能，通常将放大器46的倒相输入端 连接到电阻器47、 70和48的第一端子。电阻器70的第二端子连接 到控制器41的输入端99。电阻器48的第二端子连接到放大器46的 输出端和阻抗57的第一端子。电阻器47的第二端子连接到基准器43 的输出端。放大器46的非倒相输入端通常连接到电阻器49、 50和81
的第一端子。电阻器49的第二端子连接到反馈输入端96，而电阻器 50的第二端子连接到回线97。电阻器81的第二端子连接到其第二端 子连接到回线97的偏移器82的第一端子。调节器42的输入端连接 到控制器41的输入端98。阻抗57的第二端子通常连接到放大器56 的倒相输入端、阻抗59的第一端子以及阻抗58的第一端子。阻抗58 的第二端子通常连接到放大器56的输出端、减法器44的第一输入端 以及减法器51的第一输入端。阻抗59的第二端子连接到放大器85 的输出端和电阻器86的第一端子。电阻器86的第二端子通常连接到 电阻器84的第一端子、放大器85的倒相输入端以及电容器88的第 一端子。电容器88的第二端子连接到其第二端子连接到基准器43的 输出端的电阻器89的第一端子。电阻器84的第二端子连接到其输入 端连接到电路63的输出端的放大器64的输出端。减法器44的第二 输入端通常连接到电路63的第一输入端和放大器52的输出端。减法 器44的输出端连接到比较器67的倒相输入端。减法器51的第二输 入端通常连接到电路63的第二输入端和放大器53的输出端。减法器 51的输出端连接到比较器74的倒相输入端。比较器67的非倒相输入 端连接到斜坡器68的第 一输出端，而比较器67的输出端连接到锁存 器69的复位输入端。锁存器69的置位输入端连接到斜坡器68的第 二输出端，而锁存器69的Q输出端连接到驱动器71的输入端。驱动 器71的输出端连接到控制器41的输出端77。比较器74的倒相输入 端连接到斜坡器75的第一输出端，而比较器74的输出端连接到锁存 器76的复位输入端。锁存器76的置位输入端连接到斜坡器75的第 二输出端。锁存器76的Q输出端连接到驱动器78的输入端，而驱动 器78的输出端连接到控制器41的输出端79。控制器41的输入端30 连接到基准器43的输入端。控制器41的输出端77连接到其漏极连 接到输入端22，其源极通常连接到二极管31的第一端子和电感器34 的第一端子的晶体管36的栅极。控制器41的输出端79连接到其漏 极连接到输入26，而其源极通常连接到电阻器39的第一端子和电感 器34的第一端子的晶体管37的栅极。电感器33和34的第二端子连
接到各电阻器38和39的笫一端子和各放大器52和53的非倒相输入 端。电阻器38和39的第二端子连接到放大器52和53的各倒相输入 端和端子28。 二极管31和32的第二端子连接到端子29。
19图2示出形成在半导体芯片91上的半导体器件卯的实施例 的一部分的放大平面原理图。控制器41形成在芯片91上。芯片91 还可以包括为了简化该图而在图2中未示出的其他电路。利用本技术 领域内的技术人员众所周知的半导体制造技术，在芯片91上形成控 制器41和器件卯。
[20根据上面的全部描述，显而易见，公开了一种新颖器件和方 法。除了其他特征，还包括形成响应基准电压的变化改变负载电流的 前馈电路。附加负载电流导致该输出电压迅速响应该基准电压的变化 而变化。
[21I尽管利用特定优选实施例描述了本发明，但是对于半导体技 术领域内的技术人员，许多变换例和变型是显而易见的。利用差分误 差放大器45以及多个PWM通道，描述了控制器41的典型实施例， 但是本技术领域内的技术人员明白，放大器45可以是单端放大器， 而且该前馈电路可以与单个PWM控制通道一起4吏用。
权利要求
1.一种电源控制器，包括基准信号发生器，被可操作地耦连，以产生基准信号，而且被配置，以选择性地产生所述基准信号的值；误差放大器，被可操作地连接，以接收所述基准信号并接收表示电源控制系统的输出电压的反馈信号，而且作为响应，产生误差信号；前馈电路，被配置，以产生表示所述基准信号的所述值的变化的前馈信号，其中响应所述基准信号的所述值的变化，在第一时间间隔，所述前馈信号的值发生变化；第一电路，被配置，以合成所述前馈信号和所述误差信号，从而产生补偿信号；以及PWM通道，被配置，以产生PWM驱动信号，连接所述PWM通道，以利用所述补偿信号产生所述PWM驱动信号的工作周期(dutycycle)。
2. 根据权利要求1所述的电源控制器，其中所述前馈电路包括 RC网络，连接所述RC网络，以接收所述基准信号，而且作为对所 述基准信号的所述值的变化的响应，产生所述前馈信号。
3. 根据权利要求2所述的电源控制器，其中所述第一电路包括 第一放大器，连接所述第一放大器，以接收所述前馈信号，而且连接 所述第一放大器，以接收表示用于产生所述输出电压的充电电流的电 流传感信号，而且其中所述第 一放大器求所述前馈信号和所述电流感 应信号之和，以产生电流误差信号，所述第一放大器具有第一输入、 第二输入以及输出。
4. 根据权利要求3所述的电源控制器，其中所述RC网络包括 电阻器，具有第一端子和被连接以接收所述基准信号的第二端子；电容器，具有耦连到所述电阻器的所述第一端子的第一端子并具有第二端子；所述第一放大器的所述第一输入端，所述第一输入耦连到所述电容器的所述第二端子并被耦连以接收表示所述测流信号的信号；所述第一放大器的所述第二输入端，所述第二输入被耦连以接收补偿电 压。
5. 根据权利要求3所述的电源控制器，其中所述第一电路包括 求所述电流误差信号和所述误差信号之和并产生所述补偿信号的第 二放大器。
6. 根据权利要求5所述的电源控制器，其中所述第二放大器包 括第一输入端，被连接，以接收所述误差信号和所述电流误差信号； 第二输入端，被连接，以接收补偿电压；以及输出端，被连接，以提 供所述补偿信号。
7. —种用于控制具有输出电压的电源系统的方法，包括 连接PWM控制器，以产生用于控制所述输出电压的值的PWM驱动信号；配置所述电源系统，以产生表示所述输出电压的所述值的反馈信号；配置可调基准信号发生器，以产生具有可选值的基准信号； 连接误差放大器，以接收所述反馈信号和所述基准信号，而且作为响应，产生误差信号；连接前馈电路，以产生表示所述基准信号的所述值的变化的前馈信号；以及配置第一电路，以合成所述误差信号和所述前馈信号，从而产生 用于控制所述PWM驱动信号的工作周期的补偿信号。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中配置所述第一电路以合成所述误差信号和所述前馈信号从而产生所述补偿信号包括求所述误 差信号和所述前馈信号之和。
9. 一种用于形成电源控制器的方法，包括 连接误差放大器，以接收表示位于电源控制器外部的电压的反馈信号，而且接收可以选择的值的基准信号；配置前馈电路，以产生表示所述基准信号的所述值的变化的前馈信号；配置第一电路，以合成所述前馈信号和所述误差信号，从而产生 补偿信号；以及配置PWM通道，以利用所述补偿信号控制所述PWM通道产生 的PWM驱动信号的工作周期。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中配置所述前馈电路以产生 表示所述基准信号的所述值的变化的前馈信号包括连接RC网络，以 接收所述基准信号，而且作为响应，产生作为对所述基准信号的所述 值的变化的响应，其值在时间间隔内发生变化的所述前馈信号，其中 所述时间间隔由所述RC网络的串联电阻器和电容器确定。
全文摘要
本发明公开一种改进型电源控制器及其方法。在一个实施例中，配置电源控制器，以产生可以选择其值的基准信号。还配置该电源控制器，以响应该基准电压值的变化，产生前馈信号，而且利用该前馈信号控制输出电流的值。
文档编号H02M3/157GK101345478SQ20081012720
公开日2009年1月14日 申请日期2008年6月24日 优先权日2007年7月12日
发明者P·J·哈里曼 申请人:半导体元件工业有限责任公司