专利名称：一种具有预处理功能的开关变换器电路及其方法
技术领域：
本发明的实施例涉及一种PWM (脉冲宽度调制)模式控制的开关变换器电路，尤其涉及具有预处理功能的开关变换器电路。本发明的实施例还涉及实现预处理控制的方法。
背景技术：
开关变换器电路因为具有较小的体积和较高的工作效率而取得了非常广泛的应用。典型的开关变换器电路通常采用PWM模式控制。传统的PWM模式将反映输出电压的反馈电压与一个基准值共同输入到误差放大器中，得到一个误差放大信号，而PWM控制信号就是基于该误差放大信号的值而产生的。图1为现有的PWM控制环路100的电路框图。从图中可以看出，PWM控制环路100 包括输出级101，用以接收输入电压Vin，并在PWM驱动信号的控制下将输入电压Vin转换成输出电压Vot提供给负载；反馈电路102，与输出电压Vott耦接，输出反馈信号；误差放大器103，耦接至反馈电路102，接收反馈电压，并放大反馈电压和基准电压Vkef的差值，得到一个误差放大信号Vqip ；PWM控制器104，接收误差放大信号Vqip和从输出级采样的电流感应信号，并基于这两个信号产生PWM控制信号；驱动器105，耦接至PWM控制器104，接收PWM 控制信号，以输出PWM驱动信号给输出级101。图1中的PWM控制环路100，其PWM控制器基于误差放大信号VeMP的值来产生PWM 控制信号。当负载突变的时候，输出电压Vot也会有一个突然的上升或下降。由于误差放大器的压摆率的限制，误差放大信号无法快速地跟随输出电压的变化，PWM控制信号不能及时地根据负载的变化而变化，因此瞬态特性比较差。
发明内容
本发明的目的是解决现有的PWM模式开关变换器电路中的瞬态特性差的问题，从而提出了一种具有预测功能的PWM模式的开关变换器。依据本发明一实施例提出的一种具有预测功能的开关变换器电路，包括输出级， 接收输入电压，在PWM驱动信号的控制下将输入电压转换成输出电压提供给负载；反馈电路，与输出电压耦接，输出反馈信号；误差放大器，耦接至反馈电路，接收反馈电压，基于反馈电压和基准电压的比较，输出一个误差放大信号；PWM控制器，耦接至误差放大器，接收误差放大信号，基于该误差放大信号，产生PWM控制信号；其特征在于，还包括PWM信号调整器，耦接至PWM信号发生器和误差放大器，基于PWM控制信号和误差放大信号，产生PWM 脉冲信号；驱动器，耦接至PWM信号调整器，接收PWM脉冲信号，输出PWM驱动信号给输出级。依据本发明一实施例，所述PWM信号调整器包括负载正跳变检测单元，耦接至误差放大器，接收误差放大信号，当误差放大信号的上升速率大于第一预设值时，负载正跳变检测单元输出第一脉冲信号；负载负跳变检测单元，耦接至误差放大器，接收误差放大信号，当误差放大信号的下降速率大于第二预设值时，负载负跳变检测单元输出第二脉冲信号；逻辑或单元，耦接至负载正跳变检测单元和PWM控制器，接收第一脉冲信号和PWM控制信号，并基于第一脉冲信号和PWM控制信号，输出正跳变PWM检测信号；逻辑与单元，耦接至逻辑或单元和负载负跳变检测单元，接收正跳变PWM检测信号和第二脉冲信号，并基于正跳变PWM检测信号和第二脉冲信号，输出PWM脉冲信号。依据本发明一实施例，所述PWM信号调整器包括负载正跳变检测单元，耦接至误差放大器，接收误差放大信号，当误差放大信号的上升速率大于第一预设值时，负载正跳变检测单元输出第一脉冲信号；负载负跳变检测单元，耦接至误差放大器，接收误差放大信号，当误差放大信号的下降速率大于第二预设值时，负载负跳变检测单元输出第二脉冲信号；逻辑与单元，耦接至负载负跳变检测单元和PWM控制器，接收第二脉冲信号和PWM控制信号，并基于第二脉冲信号和PWM控制信号，输出负跳变PWM检测信号；逻辑或单元，耦接至负载正跳变检测单元和逻辑与单元，接收第一脉冲信号和负跳变PWM检测信号，并基于第一脉冲信号和负跳变PWM检测信号，输出PWM脉冲信号。依据本发明一实施例，所述PWM信号调整器包括负载正跳变检测单元，耦接至误差放大器，接收误差放大信号，当误差放大信号的上升速率大于第一预设值时，负载正跳变检测单元输出第一脉冲信号；逻辑或单元，耦接至负载正跳变检测单元和PWM控制器，以接收第一脉冲信号和PWM控制信号，并基于第一脉冲信号和PWM控制信号，输出PWM脉冲信号。依据本发明一实施例，所述PWM信号调整器包括负载负跳变检测单元，耦接至误差放大器，接收误差放大信号，当误差放大信号的下降速率大于第二预设值时，负载负跳变检测单元输出第二脉冲信号；逻辑与单元，耦接至负载负跳变检测单元和PWM控制器，接收第二脉冲信号和PWM控制信号，并基于第二脉冲信号和PWM控制信号，输出PWM脉冲信号。依据本发明一实施例提出的一种开关变换器电路的控制方法，包括监测反映负载跳变的误差放大信号的转换速率；当负载发生正跳变时，产生第一脉冲来延长输出级的开通时间，使输出电压快速增加，改善瞬态特性；当负载发生负跳变时，产生第二脉冲来延长输出级的关断时间，使输出电压快速减小，改善瞬态特性。根据本发明的上述实施例的开关变换器及开关变换器电路的控制方法改善了现有技术中PWM模式开关变换器的瞬态特性。
图1为现有的P丽控制环路100的电路框图2A为根据本发明一实施例的PWM控制模式的开关变换器200的电路框图； 图2B为根据本发明另一实施例的PWM控制模式的开关变换器200-1的电路框图； 图2C为根据本发明又一实施例的PWM控制模式的开关变换器200-2的电路框图； 图2D为根据本发明又一实施例的PWM控制模式的开关变换器200-3的电路框图； 图3为根据本发明一实施例的负载正跳变检测单元206的电路图； 图4为根据本发明另一实施例的负载正跳变检测单元206’的电路图； 图5为根据本发明又一实施例的负载正跳变检测单元206’，的电路图； 图6为根据本发明一实施例的负载负跳变检测单元207的电路图； 图7为根据本发明另一实施例的负载负跳变检测单元207’的电路图；图8为根据本发明又一实施例的负载负跳变检测单元207’，的电路图； 图9为根据本发明一实施例的开关变换器电路的控制方法的流程图300。
具体实施例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“连接到”或“耦接到”另一元件时，它可以是直接连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“直接连接到”或“直接耦接到”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2A为根据本发明一实施例的PWM模式控制的开关变换器200的电路框图。开关变换器200包括输出级201，接收输入电压Vin，在PWM驱动信号的控制下将输入电压Vin 转换成输出电压Vot提供给负载；反馈电路202，与输出电压耦接，输出反馈信号；误差放大器203，耦接至反馈电路202，接收反馈电压，并基于反馈电压和一基准电压Vkef，输出误差放大信号Vcmp ；PWM控制器204，耦接至误差放大器203，接收误差放大信号VCMP，并基于该误差放大信号VeMP，产生PWM控制信号；PWM信号调整器210，耦接至PWM控制器204和误差放大器203，以接收PWM控制信号和误差放大信号Vqip,并基于PWM控制信号和误差放大信号 Vcmp,产生PWM脉冲信号；驱动器205，耦接至PWM信号调整器210，接收PWM脉冲信号，并基于PWM脉冲信号输出PWM驱动信号给输出级201。在一个实施例中，当开关变换器200的负载跳变时，输出电压突变，反馈电压也随之变化，误差放大信号以一定的转换速率跟随变化。也就是说，当误差放大信号的转换速率大于一定的预设值时，意味着负载发生了跳变，PWM信号调整器210输出PWM脉冲信号，快速响应负载的变化，使开关变换器获得较好的瞬态特性。在一个实施例中，PWM信号调整器210包括负载正跳变检测单元206，耦接至误差放大器203，接收误差放大信号Vqip,当误差放大信号Vw的上升速率大于第一预设值时， 负载正跳变检测单元206输出第一脉冲信号；负载负跳变检测单元207，耦接至误差放大器 203，接收误差放大信号Vqip,当误差放大信号Vqip的下降速率大于第二预设值时，负载正跳变检测单元207输出第二脉冲信号。也就是说当负载发生正跳变时，负载正跳变检测单元 206将产生第一脉冲。第一脉冲将会被叠加到PWM控制信号上，从而使得PWM驱动信号的占空比增加，使输出级的开通时间变长，进而使输出电压增大，获得较好的瞬态特性；当负载发生负跳变时，负载负跳变检测单元207将产生第二脉冲。第二脉冲将会被叠加到PWM控制信号上，从而使得PWM驱动信号的占空比减小，使输出级的关闭时间变长，进而使输出电压减小，获得较好的瞬态特性。在一个实施例中，PWM信号调整器210还包括逻辑或单元208，耦接到负载正跳变检测单元206和PWM控制器204，接收第一脉冲信号和PWM控制信号，并基于第一脉冲信号和PWM控制信号，输出正跳变PWM检测信号；逻辑与单元209，耦接到逻辑或单元208和负载负跳变检测单元，接收正跳变PWM检测信号和第二脉冲信号，并基于正跳变PWM检测信号和第二脉冲信号，输出PWM脉冲信号。图2B为根据本发明另一实施例的P丽控制模式的开关变换器200-1的电路框图。在图2B中，PWM信号调整器210-1包括负载正跳变检测单元206，耦接至误差放大器 203，接收误差放大信号Vqip,当误差放大信号Vqip的上升速率大于第一预设值时，负载正跳变检测单元206输出第一脉冲信号；负载负跳变检测单元207，耦接至误差放大器203，接收误差放大信号Vw,当误差放大信号Vw的下降速率大于第二预设值时，负载正跳变检测单元207输出第二脉冲信号；逻辑与单元209，耦接到负载负跳变检测单元207和PWM控制器 204，接收第二脉冲和PWM控制信号，并基于第二脉冲和PWM控制信号，输出负跳变PWM检测信号；逻辑或单元208，耦接到逻辑与单元209和负载正跳变检测单元，接收负跳变PWM检测信号和第一脉冲信号，并基于负跳变PWM检测信号和第一脉冲信号，输出PWM脉冲信号。图2C为根据本发明又一实施例的开关变换器200-2的框图。如图2C所示，PWM信号调整器210-2中包括负载正跳变检测单元206，耦接至误差放大器203，接收误差放大信号，当误差放大信号的上升速率大于第一预设值时，负载正跳变检测单元206输出第一脉冲信号；逻辑或单元208，耦接至负载正跳变检测单元206和PWM控制器204，接收第一脉冲信号和PWM控制信号，并基于第一脉冲信号和PWM控制信号，输出PWM脉冲信号。也就是说当负载发生正跳变时，负载正跳变检测单元206将产生第一脉冲。第一脉冲将会被逻辑或单元208叠加到PWM控制信号上，从而使得PWM驱动信号的占空比增加，使输出级的开通时间变长，进而使输出电压增大，获得较好的瞬态特性。图2D为根据本发明又一实施例的开关变换器200-3的框图。如图2D所示，PWM信号调整器210-3中包括负载负跳变检测单元207，耦接至误差放大器203，接收误差放大信号，当误差放大信号的上升速率大于第一预设值时，负载负跳变检测单元207输出第一脉冲信号；逻辑与单元209，耦接至负载负跳变检测单元207和PWM控制器204，以接收第二脉冲信号和PWM控制信号，并基于第二脉冲信号和PWM控制信号，输出PWM脉冲信号。也就是说当负载发生负跳变时，负载负跳变检测单元207将产生第二脉冲。第二脉冲将会被逻辑与单元209叠加到PWM控制信号上，从而使得P丽驱动信号的占空比减小，使输出级的开通时间变短，进而使输出电压减小，系统获得较好的瞬态特性。图3示出了根据本发明一实施例的负载正跳变检测单元206的电路图。该负载正跳变检测单元206的电路适用于图2A，图2B，图2C中的PWM信号调整器。图3中的负载正跳变检测单元206包括比较器61、第一偏置电路63和工作在一定频率下的采样保持电路 62，其中采样保持电路62耦接在误差放大器203的输出端和比较器61的第一输入端(反相输入端)之间，接收误差放大信号V。MP，并基于误差放大信号V。MP，提供采样保持信号到比较器61的第一输入端；第一偏置电路63，耦接在误差放大器203的输出端和比较器61的第二输入端(同相输入端)之间，接收误差放大信号Vw,提供一个电压值低于误差放大信号Vcmp的第一偏置信号到比较器61的第二输入端；所述比较器根据采样保持信号和第一偏置信号输出所述第一脉冲信号。在一个实施例中，第一预设值是第一偏置电路的偏置电压和采样保持电路的频率的乘积。在一个实施例中，第一偏置电路63包括电压源。电压源的正端耦接到误差放大器 203的输出端，电压源的负端耦接到比较器61的第二输入端。因此比较器61的第二输入端的电压将比误差放大信号V。MP低。在一个实施例中，采样保持电路62包括电容和开关，其中开关耦接在采样保持电路62的输入端和输出端之间，电容耦接在采样保持电路62的输出端和地之间。在一个实施例中，开关由时钟信号所控制。在图3中，假设开关变换电路200工作在稳态下，误差放大信号的值为V。Mro，则比较器的第一输入端的电压是V。Mro，第二输入端的电压为Vqipci - Vbias，其中Vbias是第一偏置电路63的偏置电压值。因此比较器61的输出为低电平。负载正跳变检测单元206不产生作用，即输入到驱动器的PWM脉冲信号就是PWM控制器输出的PWM控制信号，整个电路就是一个普通的PWM模式控制的电路。当负载突然发生正跳变时，比较器61的第一输入端的电压值由于采样保持电路的作用而维持在V。Mro，而比较器61的第二输入端的电压值将会快速地跟随误差放大信号的变化而变化，它的值将会是
权利要求
1.一种具有预处理功能的开关变换器电路，包括输出级，接收输入电压，在PWM驱动信号的控制下将输入电压转换成输出电压提供给负载；反馈电路，与输出电压耦接，输出反馈信号；误差放大器，耦接至反馈电路，接收反馈电压，并基于反馈电压和基准电压，输出误差放大信号；PWM控制器，耦接至误差放大器，接收误差放大信号，并基于误差放大信号，产生PWM控制信号；PWM信号调整器，耦接至PWM控制器和误差放大器，以接收PWM控制信号和误差放大信号，并基于PWM控制信号和误差放大信号，产生PWM脉冲信号；驱动器，耦接至PWM信号调整器，接收PWM脉冲信号，输出PWM驱动信号给输出级。
2.如权利要求1所述的具有预处理功能的开关变换器电路，其特征在于，所述PWM信号调整器包括负载正跳变检测单元，耦接至误差放大器，接收误差放大信号，当误差放大信号的上升速率大于第一预设值时，负载正跳变检测单元输出第一脉冲信号；负载负跳变检测单元，耦接至误差放大器，接收误差放大信号，当误差放大信号的下降速率大于第二预设值时，负载负跳变检测单元输出第二脉冲信号。
3.如权利要求2所述的具有预处理功能的开关变换器电路，其特征在于，所述PWM信号调整器还包括逻辑或单元，耦接至负载正跳变检测单元和PWM控制器，接收第一脉冲信号和PWM控制信号，并基于第一脉冲信号和PWM控制信号，输出正跳变PWM检测信号；逻辑与单元，耦接至逻辑或单元和负载负跳变检测单元，接收正跳变PWM检测信号和第二脉冲信号，并基于正跳变PWM检测信号和第二脉冲信号，输出PWM脉冲信号。
4.如权利要求2所述的具有预处理功能的开关变换器电路，其特征在于，所述PWM信号调整器还包括逻辑与单元，耦接至负载负跳变检测单元和PWM控制器，接收第二脉冲信号和PWM控制信号，并基于第二脉冲信号和PWM控制信号，输出负跳变PWM检测信号；逻辑或单元，耦接至负载正跳变检测单元和逻辑与单元，接收第一脉冲信号和负跳变 PWM检测信号，并基于第一脉冲信号和负跳变PWM检测信号，输出PWM脉冲信号。
5.如权利要求1所述的具有预处理功能的开关变换器电路，其特征在于，所述PWM信号调整器包括负载正跳变检测单元，耦接至误差放大器，接收误差放大信号，当误差放大信号的上升速率大于第一预设值时，负载正跳变检测单元输出第一脉冲信号；逻辑或单元，耦接至负载正跳变检测单元和PWM控制器，以接收第一脉冲信号和PWM控制信号，并基于第一脉冲信号和PWM控制信号，输出PWM脉冲信号。
6.如权利要求1所述的具有预处理功能的开关变换器电路，其特征在于，所述PWM信号调整器包括负载负跳变检测单元，耦接至误差放大器，接收误差放大信号，当误差放大信号的下降速率大于第二预设值时，负载负跳变检测单元输出第二脉冲信号；逻辑与单元，耦接至负载负跳变检测单元和PWM控制器，接收第二脉冲信号和PWM控制信号，并基于第二脉冲信号和PWM控制信号，输出PWM脉冲信号。
7.如权利要求2所述的具有预处理功能的开关变换器电路，其特征在于，所述负载正跳变检测单元包括比较器、第一偏置电路和工作在一定频率下的采样保持电路，其中采样保持电路耦接在误差放大器的输出端和比较器的第一输入端之间，接收误差放大信号，并基于误差放大信号，提供采样保持信号到比较器的第一输入端；第一偏置电路，耦接在误差放大器的输出端和比较器的第二输入端之间，接收误差放大信号，提供一个电压值低于误差放大信号的第一偏置信号到比较器的第二输入端； 所述比较器根据采样保持信号和第一偏置信号输出所述第一脉冲信号； 其中第一预设值是第一偏置电路的偏置电压和采样保持电路的频率的乘积。
8.如权利要求2所述的具有预处理功能的开关变换器电路，其特征在于，所述负载正跳变检测单元包括第一偏置电路、比较器和工作在一定频率下的采样保持电路，其中第一偏置电路和采样保持电路串联连接在误差放大器的输出端和比较器的第一输入端之间，第一偏置电路接收误差放大信号，提供一个电压值高于误差放大信号的第一偏置信号到采样保持电路，比较器的第一输入端接收采样保持电路输出的采样保持信号； 比较器的第二输入端耦接到误差放大器的输出端，接收误差放大信号； 所述比较器根据采样保持信号和第一偏置信号输出所述第一脉冲信号其中第一预设值等于第一偏置电路的偏置电压和采样保持电路的频率的乘积。
9.如权利要求2所述的具有预处理功能的开关变换器电路，其特征在于，所述负载负跳变检测单元包括第二偏置电路、比较器和工作在一定频率下的采样保持电路，其中采样保持电路，耦接在误差放大器的输出端和比较器的第一输入端之间，接收误差放大信号，基于误差放大信号，提供采样保持信号到比较器的第一输入端；第二偏置电路，耦接在误差放大器的输出端和比较器的第二输入端之间，接收误差放大信号，提供一个电压值高于误差放大信号的第二偏置信号到比较器的第二输入端； 所述比较器根据采样保持信号和第二偏置信号输出所述第二脉冲信号； 其中第二预设值是第二偏置电路的偏置电压和采样保持电路的频率的乘积。
10.如权利要求2所述的具有预处理功能的开关变换器电路，其特征在于所述负载负跳变检测单元包括第二偏置电路、比较器和工作在一定频率下的采样保持电路，其中第二偏置电路和采样保持电路串联连接在误差放大器的输出端和比较器的第一输入端之间，第二偏置电路接收误差放大信号，提供一个电压值低于误差放大信号的第二偏置信号到采样保持电路，比较器的第一输入端接收采样保持电路输出的采样保持信号； 比较器的第二输入端耦接到误差放大器的输出端，接收误差放大信号； 所述比较器根据采样保持信号和第二偏置信号输出所述第二脉冲信号其中第二预设值等于第二偏置电路的偏置电压和采样保持电路的频率的乘积。
11.一种开关变换器电路的控制方法，包括 监测反映负载跳变的误差放大信号的转换速率；当负载发生正跳变时，产生第一脉冲来延长输出级的开通时间，使输出电压快速增加， 改善瞬态特性；当负载发生负跳变时，产生第二脉冲来延长输出级的关断时间，使输出电压快速减小，改善瞬态特性。
12.如权利要求11所述的开关变换器电路的控制方法，其特征在于，产生第一脉冲包括通过采样保持电路采样误差放大信号，得到采样保持信号； 通过偏置电路得到一个比误差放大信号小的第一偏置电压； 将采样保持信号与第一偏置电压相比较。
13.如权利要求11所述的开关变换器电路的控制方法，其特征在于，产生第一脉冲包括通过偏置电路得到一个比误差放大信号大的第一偏置电压； 通过采样保持电路采样第一偏置电压，得到采样保持信号； 将采样保持信号与误差放大信号相比较。
14.如权利要求11所述的开关变换器电路的控制方法，其特征在于，产生第二脉冲包括通过采样保持电路采样误差放大信号，得到采样保持信号； 通过偏置电路得到一个比误差放大信号大的第二偏置电压； 将采样保持信号与第二偏置电压相比较。
15.如权利要求11所述的开关变换器电路的控制方法，其特征在于，产生第二脉冲包括通过偏置电路得到一个比误差放大信号小的第二偏置电压； 通过采样保持电路采样第二偏置电压，将到采样保持信号； 将采样保持信号与误差放大信号相比较。
全文摘要
本发明公开了一种带有预处理功能的开关变换器的装置和方法。在其中一个实施例中，所述开关变换器将反映输出电压的反馈信号和基准电压相比较，产生一个误差放大信号。基于该误差放大信号，PWM控制器输出PWM控制信号。基于该误差放大信号的转换速率，PWM信号调整器输出PWM脉冲信号。PWM控制信号和PWM脉冲信号共同控制输出级中的开关管，从而可以在开关变换器的负载发生跳变的时候得到较好的瞬态特性。
文档编号H02M1/00GK102447377SQ20121000763
公开日2012年5月9日 申请日期2012年1月11日 优先权日2011年1月28日
发明者张加欣, 盛洪刚 申请人:成都芯源系统有限公司