变换器和dc-dc变换器的制造方法
【专利摘要】一种变换器和DC-DC变换器。要解决的技术问题之一是在操作模式之间切换时提供电压调节。提供了一种变换器，其包括：模拟环路控制电路，其被配置为用于在脉冲宽度调制操作模式与脉冲频率调制操作模式之间进行选择，并且具有第一输入和第一输出；操作模式控制电路，其具有第一输入和第一输出，所述操作模式控制电路的所述第一输入耦合到所述模拟环路控制电路的所述第一输出；以及输出级，其具有第一输入和第一输出，所述输出级的所述第一输入耦合到所述操作模式控制电路的所述第一输出，并且所述输出级的所述第一输出耦合到所述模拟环路控制电路的所述第一输入。本实用新型有利技术效果之一是实现了在操作模式之间切换时提供电压调节的电路和方法。
【专利说明】变换器和DC-DC变换器
【技术领域】
[0001]本实用新型一般涉及电子设备，且更具体来说，涉及形成半导体设备和结构的方法。
【背景技术】
[0002]功率变换器用于各种电子产品，包括汽车、航空、电信和消费电子产品。功率变换器(诸如，直流-直流(“DC-DC”)开关变换器)已变得广泛用于通常由电池供电的便携式电子产品，诸如，膝上型计算机、个人数字助理、寻呼机、蜂窝式电话等。DC-DC变换器可以包括几个调节模式以使其在负载范围内的效率最大化。例如，可能需要在轻负载状态的脉冲频率调制(PFM)操作模式中和较高负载状态的脉冲宽度调制(PWM)操作模式中操作DC-DC变换器。通常，使这些操作模式最优化以根据最佳负载线瞬变性能和负载线调节性能提供最佳效率。这些系统的缺点是当变换器在PFM操作模式与PWM操作模式之间切换时输出电压的调节被降级。
[0003]因此，具有用于在操作模式之间切换时提供电压调节的电路和方法将是有利的。需要电路和方法实施起来具有成本效益和时间效率。
实用新型内容
[0004]本实用新型所要解决的技术问题之一是在操作模式之间切换时提供电压调节。
[0005]根据本实用新型的一个方面，提供一种变换器，其包括:模拟环路控制电路，其具有第一输入和第一输出；操作模式控制电路，其被配置为用于在脉冲宽度调制操作模式与脉冲频率调制操作模式之间进行选择，并且具有第一输入和第一输出，所述操作模式控制电路的所述第一输入耦合到所述模拟环路控制电路的所述第一输出；以及输出级，其具有第一输入和第一输出，所述输出级的所述第一输入耦合到所述操作模式控制电路的所述第一输出，并且所述输出级的所述第一输出耦合到所述模拟环路控制电路的所述第一输入。
[0006]提供一种变换器，其包括:模拟环路控制电路，其具有第一输入和第一输出；操作模式控制电路，其具有第一输入和第一输出，所述操作模式控制电路的所述第一输入耦合到所述模拟环路控制电路的所述第一输出；以及输出级，其具有第一输入和第一输出，所述输出级的所述第一输入耦合到所述操作模式控制电路的所述第一输出，并且所述输出级的所述第一输出耦合到所述模拟环路控制电路的所述第一输入。
[0007]优选地，所述模拟环路控制电路包括:误差放大器，其具有第一输入、第二输入和输出；以及比较器，其具有第一输入、第二输入和输出，所述第一输入I禹合到所述误差放大器的所述输出，其中所述比较器的所述输出充当所述模拟环路控制电路的所述第一输出；并且其中所述输出级包括具有控制电极、第一载流电极和第二载流电极的晶体管，所述控制电极耦合到所述操作模式控制电路的所述第一输出并且所述第一输入被耦合用于接收输入信号。
[0008]优选地，所述模拟环路控制电路进一步包括第二输入和第二输出；所述操作模式控制电路进一步包括第二输入和第二输出，所述操作模式环路控制电路的所述第二输入耦合到所述模拟环路控制电路的所述第二输出；以及所述输出级进一步包括耦合到所述模拟环路控制电路的第二输出的第二输入。
[0009]优选地，所述模拟环路控制电路包括:误差放大器，其具有第一输入、第二输入和输出；第一比较器，其具有第一输入、第二输入和输出，所述第一输入I禹合到所述误差放大器的所述输出，其中所述第一比较器的所述输出充当所述模拟环路控制电路的所述第一输出；以及第二比较器，其具有第一输入、第二输入和输出，所述第二比较器的所述第二输入耦合到所述第一比较器的所述第二输入，其中所述第二比较器的所述输出充当所述模拟环路控制电路的所述第二输出。
[0010]优选地，所述变换器进一步包括耦合在所述第一比较器与所述第二比较器的所述第一输入之间的操作模式控制网络。
[0011 ] 优选地，所述模拟环路控制电路进一步包括参考信号发生器，所述参考信号发生器具有连接到所述第一比较器和所述第二比较器的所述第二输入的输出。
[0012]优选地，所述模拟环路控制电路包括:误差放大器，其具有第一输入、第二输入和输出；以及比较器，其具有第一输入、第二输入和输出，所述第一输入I禹合到所述误差放大器的所述输出，其中所述比较器的所述输出充当所述模拟环路控制电路的所述第一输出。
[0013]优选地，所述模拟环路控制电路进一步包括参考信号发生器，所述参考信号发生器具有连接到所述比较器的所述第二输入的输出。
[0014]优选地，所述模拟环路控制电路进一步包括耦合在所述误差放大器的所述第一输入与所述输出之间的第一阻抗结构，以及耦合到所述误差放大器的所述第一输入的第二阻抗结构。
[0015]优选地，所述第一阻抗结构包括:第一电容器，其具有第一端子和第二端子，所述第一端子耦合到所述误差放大器的所述第一输入，并且所述第二端子耦合到所述误差放大器的所述输出；第二电容器，其具有耦合到所述误差放大器的所述输出的第一输入；以及第一电阻器，其具有耦合到所述第二电容器的所述第二端子的第一端子和耦合到所述误差放大器的所述第一输入的第二端子。
[0016]优选地，所述第二阻抗结构包括:第一电阻器，其具有第一端子和第二端子，所述第一端子耦合到所述误差放大器的所述第一输入；第二电阻器，其具有第一端子和第二端子，所述第一端子耦合到所述第一电阻器的所述第二端子；以及第一电容器，其具有耦合到所述第一电阻器的所述第一端子的第一端子和耦合到所述第二电阻器的所述第二端子的
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[0017]根据本实用新型的另一方面，提供一种DC-DC变换器，包括:驱动选择在脉冲宽度调制操作模式与脉冲频率调制操作模式之间操作的控制电路的单个调节环路，所述单个调节环路包括响应于在所述脉冲宽度调制操作模式与所述脉冲频率调制操作模式之间选择而保持其偏压的补偿环路。
[0018]优选地，所述单个调节环路包括:误差放大器，其具有第一输入、第二输入和输出；第一阻抗结构，其具有耦合到所述误差放大器的所述第一输入的第一端子和耦合到所述误差放大器的所述输出的第二端子；以及第二阻抗结构，其具有耦合到所述误差放大器的所述第一输入的第一端子。[0019]优选地，所述单个调节环路包括:第一比较器，其具有反相输入、非反相输入和输出，所述非反相输入耦合到所述误差放大器的所述输出；第二比较器，其具有反相输入、非反相输入和输出，所述第二比较器的所述反相输入耦合到所述第一比较器的所述反相输入；以及跳闸网络，其具有耦合到所述第一比较器的所述非反相输入的第一端子和耦合到所述第二比较器的所述非反相输入的第二端子。
[0020]优选地，所述DC-DC变换器进一步包括具有多个输入和多个输出的操作模式控制电路，所述操作模式控制电路的第一输入耦合到所述第一比较器的所述输出，并且所述操作模式控制电路的第二输入耦合到所述第二比较器的所述输出。
[0021]本实用新型能够用于电子设备。本实用新型的有利技术效果之一是实现了在操作模式之间切换时提供电压调节的电路和方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]在阅读下列详细描述和附图后，将更好地理解本实用新型，其中相似的参考字符指定相似的元件并且其中:
[0023]图1为根据本实用新型的实施方案的变换器电路的一部分的示意图；
[0024]图2为根据本实用新型的另一实施方案的变换器电路的一部分的示意图；
[0025]图3为适合用于图1中所示的变换器电路的反馈元件的示意图；
[0026]图4为适合用于图1中所示的变换器电路的反馈元件的示意图；
[0027]图5为适合用于图1中所示的变换器电路的时序图；
[0028]图6为适合用于图1中所示的变换器电路的时序图；
[0029]图7为适合用于图1中所示的变换器电路的时序图；
[0030]图8为根据本实用新型的另一实施方案的变换器电路的一部分的示意图；以及
[0031]图9为根据本实用新型的另一实施方案的变换器电路的一部分的示意图。
【具体实施方式】
[0032]为了图解的简单和清晰起见，图中的元件未必按比例绘制，并且不同图中的相同参考字符指示相同的元件。另外，为了描述的简单起见而省略众所周知的步骤和元件的描述和细节。本文所用的载流电极意为通过设备(诸如，MOS晶体管的源极或漏极，或双极晶体管的发射极或集电极，或二极管的阴极或阳极)载运电流的设备的元件，并且控制电极意为通过设备(例如，MOS晶体管的栅极或双极晶体管的基极)控制电流的设备的元件。尽管在本文中将设备解释为某些η通道或P通道设备，或某些η型或P型掺杂区域，但是本领域普通技术人员将了解根据本实用新型的实施方案，互补设备也是可能的。本领域技术人员将了解，在本文使用的期间、同时和时候的词并非是意为在启动动作后立即发生动作的精确的术语，而是意为可能在初始动作启动的反应之间会有某一小的但合理的延迟(例如，传播延迟)。词“近似地”、“大约”或“实质上”的使用意为具有预期非常接近规定的值或位置的参数的元素值。然而，如本领域中众所周知，总是存在防止值或位置被精确叙述的小方差。在本领域中已经确证，根据精确描述的理想的目标，高达约百分之十(10% )(以及对于半导体掺杂浓度而言高达百分之二十(20% ))的方差被认为是合理方差。
[0033]应注意，逻辑零电压电平('，)也称为逻辑低电压或逻辑低电压电平，并且逻辑零电压的电压电平为电源电压和这个类型的逻辑系列的函数。例如，在互补金属氧化物半导体(CMOS)逻辑系列中，逻辑零电压可以是百分之三十的电源电压电平。在5伏特晶体管-晶体管逻辑(TTL)系统中，逻辑零电压电平可以是约0.8伏特，而对于5伏特CMOS系统而言，逻辑零电压电平可以是约1.5伏特。逻辑I电压电平(Vh)也称为逻辑高电压电平、逻辑高电压或逻辑I电压，并且如同逻辑零电压电平，逻辑高电压电平也可以是电源和这个类型的逻辑系列的函数。例如，在CMOS系统中，逻辑I电压可以是约百分之七十的电源电压电平。在5伏特TTL系统中，逻辑I电压可以是约2.4伏特，而对于5伏特CMOS系统而言，逻辑I电压可以是约3.5伏特。
[0034]一般来说，本实用新型提供一种变换器和一种用于在多个操作模式中操作变换器的方法，其中变换器保持偏压以在多个操作模式中操作。根据实施方案，变换器包括通过控制电路连接到输出级的模拟环路控制电路，控制电路配置变换器电路以在脉冲宽度调制(PWM)操作模式或脉冲频率调制(PFM)操作模式中操作。
[0035]根据另一实施方案，变换器包括单个调节环路，其驱动选择在脉冲宽度调制操作模式与脉冲频率调制操作模式之间操作的控制电路，其中控制电路响应于在脉冲宽度调制操作模式和脉冲频率调制操作模式中操作而保持偏压条件。
[0036]根据另一实施方案，提供一种用于操作变换器的方法。比较误差信号与参考信号以生成比较信号。响应于比较信号，变换器可以在脉冲宽度调制操作模式与脉冲频率调制操作模式之间被转换，其中变换器保持偏压以在脉冲宽度调制操作模式和脉冲频率调制操作模式中操作，这是因为使用单个补偿环路(即，单环调节)完成两个操作模式的调节。由于变换器在处于这些操作模式中时保持偏压，故变换器能够响应于操作模式变化，例如，在从PWM操作模式变化为PFM操作模式或从PFM操作模式变化为PWM操作模式时，而在操作模式之间切换或转换，而不使变换器的性能降级。
[0037]图1为根据本实用新型的实施方案的DC-DC变换器10的电路示意图。在图1中示出DC-DC变换器10，其包括通过操作模式控制电路14耦合到输出级16的模拟环路控制电路12。电路12可以称为调节环路或模拟控制环路电路，并且操作模式控制电路14可以称为PWM / PFM控制电路、模式控制电路或操作模式控制网络。通过举例而言，模拟环路控制电路12可以包括参考信号发生器20、比较器26、比较器28、比较器29、比较器34和比较器36、误差放大器38、反馈网络40、PFM控制网络41，并且可以具有输入22和输入24以及输出31、输出33、输出35和输出37。误差放大器38和反馈网络40充当补偿环路48。PFM控制网络41可以称为跳闸网络、PFM报警网络或快速PFM跳闸网络。更具体来说，比较器34和比较器36各自具有反相输入和非反相输入，其中其反相输入被连接在一起并且连接到参考信号发生器20的输出。比较器34和比较器36的反相输入被耦合用于从参考信号发生器20接收参考信号VEASS。误差放大器38具有反相输入、非反相输入和输出并且被配置成负反馈配置。根据实施方案，反馈网络40连接在误差放大器38的反相输入与输出之间，其中误差放大器和反馈网络40称为补偿环路48。误差放大器38的非反相输入可以连接到或替代地充当输入24并且可以被耦合用于接收参考电压VKFF1。通过举例而言，反馈网络40包括阻抗结构42，其具有连接到误差放大器38的反相输入的端子和被耦合用于在节点22处接收反馈电压Vfb的端子。反馈网络40进一步包括阻抗结构44，其具有连接到误差放大器38的反相输入的端子和连接到误差放大器38的输出的端子，误差放大器38的输出连接到比较器34的非反相输入。应注意，与误差放大器38合作的阻抗结构42和阻抗结构44形成DC / DC变换器48的单个补偿环路。
[0038]PFM控制网络41可以包括连接到比较器34的非反相输入的端子和连接到比较器36的非反相输入的端子。因此，PFM控制网络41可以连接在比较器34与比较器36的非反相输入之间。通过举例而言，PFM控制网络41包括电阻器43和电流源45，其中电阻器43具有连接到比较器34的非反相输入的端子和连接到比较器36的非反相输入的端子，并且电流源45具有通常连接到比较器36的非反相输入和电阻器43的端子的端子以形成节点47，其中电阻器43的端子连接到比较器36的非反相输入。PFM控制网络41在节点47处生成信号Veai,信号Veai是误差放大器输出信号Vea的线性函数。将输出信号Veai传输到比较器36的非反相输入。信号Vea可以称为误差信号，并且信号Veai可以称为调整的误差信号。PFM控制网络41的配置不是本实用新型的限制。例如，PFM控制网络41可以包括线性函数发生器，其生成为输入信号Vea的线性函数的输出信号VFU;A。将输出信号Vfu5a传输到比较器36的非反相输入。
[0039]比较器34的输出可以连接到或替代地充当输出31，并且比较器36的输出可以连接到或替代地充当模拟环路控制电路12的输出33。因此，使用单个补偿或调节环路生成误差信号Vea、调整的误差信号VEA1，以及比较信号V31和比较信号V33。
[0040]比较器26具有连接到误差放大器38的输出的反相输入、被耦合用于接收周期信号Vpek和输出的非反相输入，这个输出耦合到或替代地充当模拟环路控制电路12的输出35。比较器28具有被耦合用于接收参考信号Vtqn的反相输入、连接到比较器26的非反相输入和被耦合用于接收周期信号Vpek和输出的非反相输入，这个输出耦合到或替代地充当模拟环路控制电路12的输出37。
[0041]PWM / PFM控制电路14具有输入51、输入53、输入55、输入57和输入59以及输出54和输出56。根据实施方案，输入51、输入53、输入55和输入57分别连接到模拟环路控制电路12的输出31、输出33、输出35和输出37。参照图2进一步描述PWM / PFM控制电路14的实施方案。
[0042]输出级16包括晶体管50和晶体管52,每个晶体管具有控制电极,例如,栅极和一对载流电极(例如，源极和漏极)。通过举例而言，晶体管50为P通道场效应晶体管，并且晶体管52为η通道场效应晶体管。晶体管50的栅极通过驱动器60连接到输出54，并且晶体管50的源极被耦合用于接收输入电压VIN。晶体管52的栅极通过驱动器62连接到输出56、晶体管52的漏极连接到晶体管50的漏极，并且晶体管52的源极被耦合用于接收工作电位Vss的源极。通过举例而言，工作电位Vss为接地电位。通常连接的载流电极(即，晶体管50和晶体管52的漏极)形成节点64。驱动器60和驱动器62可以称为驱动电路或驱动器电路。
[0043]零交叉检测器29连接在PWM / PFM控制电路14的节点64与输入59之间。通过举例而言，零交叉检测器29包括比较器，其具有被耦合用于接收例如工作电位Vss的源极的反相输入、连接到节点64的非反相输入，以及连接到输入59的输出。
[0044]电感器68具有连接到节点64的端子和在节点71处连接到负载70的端子并且可以传导电流168。通过举例而言，负载70为电阻器74，其具有连接到电感器68的端子和被耦合用于接收工作电位Vss的源极的端子。电容器72耦合在节点71与工作电位Vss的源极之间。电感器68和电容器72形成DC / DC变换器10的外部滤波器。
[0045]节点71通过电阻器76和电阻器78连接到输入22。更具体来说，电阻器76具有连接到节点71的端子和连接到输入22的端子，并且电阻器78具有连接到输入22的端子和被耦合用于接收工作电位Vss的源极的端子。应注意，电阻器76和电阻器78为可以用于外部反馈配置的任选的电路元件。然而，可以使用其它反馈网络，或替代地可以不存在电阻器76和电阻器78并且节点71可以直接连接到输入22。
[0046]输出信号Vqut出现在节点71处。
[0047]图2为根据本实用新型的实施方案的PWM / PFM控制电路14的电路示意图。在图2中示出计数器102、驱动器120、时钟138、触发器140和触发器146、逻辑门152、逻辑门154和逻辑门156，以及反相器160。通过举例而言，计数器102包括触发器112、触发器114和触发器116并且具有输入104、输入106和输入108以及输出110。触发器112具有通常连接到触发器114和触发器116的时钟输入的数据输入，触发器114和触发器116通常连接的输入耦合到或替代地充当计数器102的输入104。触发器114的数据输入连接到或替代地充当计数器102的输入106。输入106被耦合用于接收工作电位(例如，Vdd)的源极。触发器112具有耦合到或替代地充当计数器102的输入108的时钟输入，以及连接到触发器114和触发器116的有源低复位输入的数据输出。触发器116具有连接到触发器114的数据输出的数据输入，以及耦合到或替代地充当计数器102的输出110的数据输出。
[0048]逻辑门152为或门，其具有连接到时钟138的输出的输入和连接到计数器102的输入104的输入以形成连接到或充当PWM / PFM控制电路14的输入51的通常连接的输入。
[0049]逻辑门154为或门，其具有连接到计数器102的输出110的输入和连接到计数器102的输入108的输入以形成连接到PWM / PFM控制电路14的输入53的通常连接的输入。
[0050]触发器140具有连接到或门152的输出的时钟输入、复位输入以及数据输出。逻辑门156为或门，其具有连接到或替代地充当PWM / PFM控制电路14的输入55的输入，以及连接到或替代地充当PWM / PFM控制电路14的输入57的输入。应注意，逻辑门152、逻辑门154和逻辑门156不限于或门。例如，这些逻辑门可以是与非门等或其它逻辑配置。
[0051]触发器146具有连接到或门154的输出的时钟输入、通常连接到计数器102的输入108、反相器160的输入和PWM / PFM控制电路14的输入59的复位输入，以及连接到时钟138的允许输入的数据输出。
[0052]驱动器120具有连接到触发器140的数据输出的输入122，以及通过反相器160连接到PWM / PFM控制电路14的输入59的输入124。通过举例而言，驱动器120包括反相器126、反相器128、反相器130、反相器132、反相器134和反相器136以及逻辑门131和逻辑门133，逻辑门131为双输入与门，并且逻辑门133为三输入与非门。逻辑门131和逻辑门133的输入的数量不是本实用新型的限制。与门131具有连接到反相器126的输入和触发器140的输出的输入以形成连接到或替代地充当驱动器120的输入122的通常连接的输入。与门131也具有通过反相器134和反相器136连接到与非门133的输出的输入，以及连接到反相器128的输入的输出。与非门133具有连接到反相器126的输出的输入、连接到反相器160的输出的输入、通过反相器130和反相器132连接到反相器128的输出的输入，以及连接到反相器134的输入的输出。应注意，反相器128的输出连接到反相器130的输入并且连接到或替代地充当PWM / PFM控制电路14的输出54，并且反相器134的输出连接到反相器136的输入并且连接到或替代地充当PWM / PFM控制电路14的输出56。输出信号Voth出现在输出54处并且输出信号Vam出现在输出56处。
[0053]变换器10取决于负载状态而在多个模式中操作。例如，响应于弱电流负戴，变换器10在PFM模式中操作，并且响应于较高电流负戴，变换器10在PWM模式中操作。变换器10包括PWM操作模式和PFM操作模式的单个环路，因此响应于从PFM操作模式变化为PWM操作模式而向调节环路加偏压以在PWM操作模式中操作。更具体来说，参考信号发生器20生成被传输到比较器34和比较器36的反相输入的参考信号Veass，其参考比较器34和比较器36到电压VEASS。参考信号Veass可以是误差放大器38的输出电压Vea的稳态值或DC值的图像。输出电压Vea由调节环路置位以调整晶体管50和晶体管52的开关工作周期，从而在图1中所示的节点71处提供所需的DC输出电压VOTT。参考信号Veass的绝对值可以是输出电压votjt、输入电压Vra和斜坡补偿电压的函数。应注意，误差放大器38的输出电压Vea被输入到比较器34的反相输入中并且因此与参考信号Veass比较以在模拟环路控制电路12的输出31处生成比较信号V31。
[0054]图3为适合用作图1和图2的阻抗结构44的电路的示意图。阻抗结构44可以包括与串联连接的电阻器164和电容器166并联连接的电容器162。
[0055]图4为适合用作图1的阻抗结构42的电路的示意图。阻抗结构42可以包括与串联连接的电阻器170和电容器174并联连接的电阻器168，以及具有连接到电容器174和电阻器168的通常连接的端子的端子的电阻器172。应注意，分别在图3和图4中所示的阻抗结构44和阻抗结构42的配置不是本实用新型的限制。例如，可以省略电阻器172或可以存在更少或更多数量的电路元件。
[0056]图5为图不流过电感器68的电流I68、误差放大器38的输出电压Vea、参考信号Veass以及比较器输出电压V31的时序图180。PWM / PFM控制电路14控制在PFM模式中的调节，其中响应于输出电压Vea变得大于参考信号Veass而启动PFM脉冲。在时间V电感器电流I68从零电流电平增加，PMOS晶体管50接通并且NMOS晶体管52断开，并且电压V54和电压V56处于逻辑低电压电平\。参考电压Veass处于实质上恒定的电压电平，并且电压Vea增加但实质上等于电压Veass。响应于电压Vea在时间V变得大于参考电压Veass,比较器34在输出31生成逻辑高电压，S卩，电压V31转变为出现在PWM / PFM控制电路14的输入51处的逻辑高电压电平。应注意，名称h+用于指示接近于但大于时间h的时间。电压Vea在时间h与时间t2之间仍大于参考电压Veass，但在这个时间间隔期间减少。在时间t2，误差放大器输出电压Vea处于实质上与参考电压Veass相同的电压电平并且继续减少，并且在比较器34的输出处的电压V31从逻辑高电压电平转变为逻辑低电压电平。
[0057]在时间t3，电感器电流I68达到正峰值电流电平I68p并且响应于晶体管50断开以及晶体管52接通而开始减少。响应于晶体管50断开以及晶体管52接通，电压V54和电压V56转变为逻辑高电压电平VH。在时间t4，响应于零交叉检测电路系统和电流钳位电路系统耦合到节点64，电感器电流Im被固定在零电流电平。因此，零交叉检测器29断开晶体管52以防止电感器电流I68变负。响应于晶体管52断开，电压V56转变为逻辑低电压电平'并且电压V54保持在逻辑高电压电平VH。[0058]在时间t5，电感器电流I68从零电流电平增加，参考电压Veass处于实质上恒定的电压电平，并且电压Vea增加但实质上等于电压VEASS。响应于电压Vea在时间t5+变得大于参考电压Veass，比较器34在输出31处生成逻辑高电压，即，电压V31转变为出现在PWM / PFM控制电路14的输入50处的逻辑高电压电平。响应于比较信号V31,由PWM / PFM控制电路14生成的控制信号V54从逻辑高电压电平Vh转变为逻辑低电压电平类似于名称h+，名称t5+用于指示接近于但大于时间〖5的时间。电压Vea在时间t6减少。在时间t7，电感器电流I68达到正峰值电流电平I68p并且响应于晶体管50断开以及晶体管52接通而开始减少。响应于晶体管50断开以及晶体管52接通，电压V54和电压V56转变为逻辑高电压电平VH。应注意，电压V31的正沿启动PFM猝发，并且可以在Tw时段期间或之后出现负沿。因此，响应于通过比较误差信号Vea与参考信号Veass生成的比较信号V31而启动PFM猝发，其中误差信号Vea大于参考信号VEASS。响应于电压Vea变得低于电压Veass而出现负沿。
[0059]在时间t8，响应于零电流检测电路系统和电流钳位电路系统耦合到节点64，电感器电流I68被固定在零电流电平。零交叉检测器29断开晶体管52以防止电感器电流I68变负。响应于晶体管52断开，电压V56转变为逻辑低电压电平 '，而电压V54保持在逻辑高电压电平VH。
[0060]在时间t9，参考电压Veass处于实质上恒定的电压电平，电压Vea增加但实质上等于电压VEASS，并且电流I68从零电流电平增加。响应于电压Vea在时间t9+变得大于参考电压Veass,比较器34在输出31处生成逻辑高电压，即，电压V31转变为出现在PWM / PFM控制电路14的输入51处的逻辑高电压电平。响应于比较信号V31,由PWM / PFM控制电路14生成的控制信号V54从逻辑高电压电平Vh转变为逻辑低电压电平类似于名称V和名称t5+，名称t9+用于指示接近于但大于时间t9的时间。
[0061]在时间t1(l，电感器电流I68达到正峰值电流电平I68p并且响应于晶体管50断开以及晶体管52接通而开始减少。因此，输出信号V54和输出信号V56转变为逻辑高电压电平VH。应注意在时间t1(l,误差放大器输出电压Vea仍大于参考电压VEASS。
·[0062]在时间tn，电感器电流I68达到充当拐点的零电流电平，并且响应于晶体管50接通以及晶体管52断开而开始增加。因此，输出信号V54和输出信号V56转变为逻辑低电压电平 '。应注意,误差放大器输出电压Vea仍大于参考电压VEASS。
[0063]在时间t12、时间t14和时间t16，电感器电流I68达到充当拐点的正峰值电流电平I68p,并且响应于晶体管50断开以及晶体管52接通而开始减少。因此，输出信号V54和输出信号V56转变为逻辑高电压电平vH。应注意在时间t12、时间t14和时间t16,误差放大器输出电压Vea仍大于参考电压VeassO
[0064]在时间t13和时间t15,电感器电流I68达到充当拐点的零电流电平，并且响应于晶体管50接通以及晶体管52断开而开始增加。因此，输出信号V54和输出信号V56转变为逻辑低电压电平误差放大器输出电压Vea仍大于参考电压VEASS。应注意，PFM猝发已变得连续并且PFM电路生成其最大输出电流。在计数几个连续的PFM猝发后，PWM / PFM电路14进入PWM操作模式。
[0065]应注意，变换器10包括参考一个参考电压Veass的两个PFM比较器34和36，参考电压vMSS为在PWM操作模式中操作的误差放大器的稳态或DC输出电压。将电压Vea和电压Veass输入到控制PFM调节的比较器34。每当电压Vea变得高于电压Veass时，变换器10生成PFM脉冲。因此，每当电压Vea变得高于电压Veass时，比较器34通过启动PFM猝发而确保在PFM操作模式中的DC电压调节。在PWM操作模式中，调节环路置位电压Veass的值以置位提供所需的输出电压Vtot的开关频率工作周期。因此，变换器10的单个调节环路12包括补偿环路并且驱动控制电路14，其中控制电路14选择在脉冲宽度调制操作模式与脉冲频率调制操作模式之间操作，并且其中响应于在脉冲宽度调制操作模式与脉冲频率调制操作模式之间选择而保持补偿环路的偏压。
[0066]另外，响应于变换器10不能输送所需的电流负戴，调节环路12控制从PFM操作模式切换到PWM操作模式。比较器36监测调整的误差电压，其可能低于由误差放大器38输出的误差电压或与这个误差电压成比例，并且响应于检测到负载变化太快以及比较器34连续的高输出电平太长的情况而确保变换器10从PFM操作模式变化为PWM操作模式。因此，在输出电压Votit下降太多之前，比较器36使变换器10切换为PWM操作模式。
[0067]图6为图不相对于时间的流过电感器68的电流I68、误差放大器38的输出电压Vea以及参考信号Veass的时序图182。图6图示变换器10在模式变化时间t。之前在PFM操作模式中操作并且在模式变化时间t。之后在PWM操作模式中操作。应注意，在PFM操作模式和PWM操作模式中，输出电压Vea在参考电压Veass周围振荡并且电感器电流I68在PWM操作模式期间比PFM操作模式流动更长时段。应进一步注意，在PWM调节期间将电压Veass预定作为平均Vea值。因此，以与在PFM操作模式和PWM操作模式中类似的电平向由阻抗结构42和阻抗结构44以及误差放大器38组成的补偿环路加偏压。这改善了 PFM到PWM模式的转变，这是因为补偿环路已经在其PWM稳态值周围被加偏压。PWM操作模式中的纹波电流低于PFM操作模式中的纹波电流。
[0068]图7为图不相对于时间的输出电压Vqut、误差放大器38的输出电压Vea、参考信号Veass以及由比较器36输出的控制电压V33的时序图184。从时间h到时间t1; DC-DC变换器10在PFM模式中操作。在这种模式中，输出电压Vqut和参考电压Veass处于实质上恒定的电平。在时间h之前，负载变化的速率增加，从而使输出电压Vtot减少并且使电压Vea和电压Veai增加。在时间t1;电压Vea实质上等于电压Veass并且增加，并且在时间t2，电压Veai实质上等于电压Veass并且增加。响应于足够快以致于连续的高比较信号电平V31太长不能检测的负载变化，电压Veai增加到大于参考电压Veass的电平。响应于电压Veai大于参考电压Veass,比较器36输出逻辑高电压比较信号，并且在输出电压Vqut减少到使DC-DC变换器10的性能降级的电平之前，PWM / PFM控制电路14配置DC / DC变换器10进入PWM操作模式。
[0069]图8为根据本实用新型的另一实施方案的DC-DC变换器190的电路示意图。DC-DC变换器190包括通过操作模式控制电路14耦合到输出级16的模拟环路控制电路192。已参照图1描述操作模式控制电路14和输出级16。模拟环路控制电路192与模拟环路控制电路12的相似之处在于其包括已参照图1至图4描述的误差放大器38、反馈网络40、参考信号发生器20，以及比较器34、比较器26和比较器28。误差放大器38和反馈网络40形成补偿环路48。模拟环路控制电路192与控制电路12的不同之处在于模拟环路控制电路192中不存在比较器36和PFM控制网络41。
[0070]图9为根据本实用新型的另一实施方案的DC-DC变换器200的电路示意图。在图9中示出DC-DC变换器200，其包括通过操作模式控制电路204耦合到输出级205的模拟环路控制电路202。模拟环路控制电路202可以称为调节环路，并且操作模式控制电路204可以称为PWM / PFM控制电路、模式控制电路或操作模式控制网络。通过举例而言，模拟环路控制电路202可以包括用于生成参考电压Vkefi的参考电压发生器216、用于生成参考电压Veass的参考电压发生器218、比较器34、误差放大器38、反馈网络40，并且可以具有输出信号V31出现所在的输入22和输出31。误差放大器38和反馈网络40形成补偿环路48。比较器34具有反相输入和非反相输入,其中反相输入被稱合用于从参考信号发生器218接收参考电压信号VEASS。误差放大器38具有反相输入、非反相输入和输出并且被配置成负反馈配置。根据实施方案，反馈网络40连接在误差放大器38的反相输入与输出之间。误差放大器38的非反相输入可以被稱合用于从参考信号发生器216接收参考电压VKEF1。已参照图1描述误差放大器38、反馈网络40、电阻器76和电阻器78。
[0071]PWM / PFM控制电路204具有输入206和输出208。根据实施方案，输入206连接到模拟控制环路202的输出31。
[0072]输出级205包括连接到二极管214的晶体管212。晶体管212具有控制电极，例如，栅极和一对载流电极(例如，源极和漏极)。通过举例而言，晶体管212为P通道场效应晶体管。晶体管50的源极被耦合用于接收输入电压Vin，栅极连接到输出208，并且漏极在节点210处连接到二极管214的阴极。晶体管50不限于P通道场效应晶体管。二极管214的阳极被耦合用于接收工作电位Vss的源极。通过举例而言，工作电位Vss为接地电位。
[0073]电感器68具有连接到节点210的端子和连接到节点71的端子，节点71连接到反馈配置中的反馈网络40。已参照图1描述输出级70和电容器72。
[0074]到目前为止，应了解已提供一种适合于在PWM操作模式和PFM操作模式中操作的变换器和一种用于操作变换器的方法。根据实施方案，变换器为具有单个调节环路的用于在PWM模式和PFM模式中操作的多模式变换器，其中单个调节环路保持变换器的偏压以用于在不同的模式中操作而不使其操作降级，即，向变换器加偏压以使得变换器在PWM操作模式和PFM操作模式期间适合于PWM操作。变换器(例如，变换器10和变换器190)能够在PWM操作模式和PFM操作模式中操作并且称为多模式变换器。
[0075]根据本实用新型的一个方面，提供一种变换器，其包括:模拟环路控制电路，其具有第一输入和第一输出；操作模式控制电路，其具有第一输入和第一输出，所述操作模式控制电路的所述第一输入耦合到所述模拟环路控制电路的所述第一输出；以及输出级，其具有第一输入和第一输出，所述输出级的所述第一输入耦合到所述操作模式控制电路的所述第一输出，并且所述输出级的所述第一输出耦合到所述模拟环路控制电路的所述第一输入。
[0076]在一种实施方式中，所述模拟环路控制电路包括:误差放大器，其具有第一输入、第二输入和输出；以及比较器，其具有第一输入、第二输入和输出，所述第一输入I禹合到所述误差放大器的所述输出，其中所述比较器的所述输出充当所述模拟环路控制电路的所述第一输出；并且其中所述输出级包括具有控制电极、第一载流电极和第二载流电极的晶体管，所述控制电极耦合到所述操作模式控制电路的所述第一输出并且所述第一输入被耦合用于接收输入信号。
[0077]在一种实施方式中，所述模拟环路控制电路进一步包括第二输入和第二输出；所述操作模式控制电路进一步包括第二输入和第二输出，所述操作模式环路控制电路的所述第二输入耦合到所述模拟环路控制电路的所述第二输出；以及所述输出级进一步包括耦合到所述模拟环路控制电路的第二输出的第二输入。
[0078]在一种实施方式中，所述模拟环路控制电路包括:误差放大器，其具有第一输入、第二输入和输出；第一比较器，其具有第一输入、第二输入和输出，所述第一输入I禹合到所述误差放大器的所述输出，其中所述第一比较器的所述输出充当所述模拟环路控制电路的所述第一输出；以及第二比较器，其具有第一输入、第二输入和输出，所述第二比较器的所述第二输入耦合到所述第一比较器的所述第二输入，其中所述第二比较器的所述输出充当所述模拟环路控制电路的所述第二输出。
[0079]在一种实施方式中，所述变换器进一步包括耦合在所述第一比较器与所述第二比较器的所述第一输入之间的操作模式控制网络。
[0080]在一种实施方式中，所述模拟环路控制电路进一步包括参考信号发生器，所述参考信号发生器具有连接到所述第一比较器和所述第二比较器的所述第二输入的输出。
[0081]在一种实施方式中，所述模拟环路控制电路包括:误差放大器，其具有第一输入、第二输入和输出；以及比较器，其具有第一输入、第二输入和输出，所述第一输入I禹合到所述误差放大器的所述输出，其中所述比较器的所述输出充当所述模拟环路控制电路的所述第一输出。
[0082]在一种实施方式中，所述模拟环路控制电路进一步包括参考信号发生器，所述参考信号发生器具有连接到所述比较器的所述第二输入的输出。
[0083]在一种实施方式中，所述模拟环路控制电路进一步包括耦合在所述误差放大器的所述第一输入与所述输出之间的第一阻抗结构，以及耦合到所述误差放大器的所述第一输入的第二阻抗结构。
[0084]在一种实施方式中，所述第一阻抗结构包括:第一电容器，其具有第一端子和第二端子，所述第一端子耦合到所述误差放大器的所述第一输入，并且所述第二端子耦合到所述误差放大器的所述输出；第二电容器，其具有耦合到所述误差放大器的所述输出的第一输入；以及第一电阻器，其具有耦合到所述第二电容器的所述第二端子的第一端子和耦合到所述误差放大器的所述第一输入的第二端子。
[0085]在一种实施方式中，所述第二阻抗结构包括:第一电阻器，其具有第一端子和第二端子，所述第一端子耦合到所述误差放大器的所述第一输入；第二电阻器，其具有第一端子和第二端子，所述第一端子耦合到所述第一电阻器的所述第二端子；以及第一电容器，其具有耦合到所述第一电阻器的所述第一端子的第一端子和耦合到所述第二电阻器的所述第二端子的第二端子。
[0086]根据本实用新型的另一方面，提供一种DC-DC变换器，包括:驱动选择在脉冲宽度调制操作模式与脉冲频率调制操作模式之间操作的控制电路的单个调节环路，所述单个调节环路包括响应于在所述脉冲宽度调制操作模式与所述脉冲频率调制操作模式之间选择而保持其偏压的补偿环路。
[0087]在一种实施方式中，所述单个调节环路包括:误差放大器，其具有第一输入、第二输入和输出；第一阻抗结构，其具有稱合到所述误差放大器的所述第一输入的第一端子和耦合到所述误差放大器的所述输出的第二端子；以及第二阻抗结构，其具有耦合到所述误差放大器的所述第一输入的第一端子。[0088]在一种实施方式中，所述单个调节环路包括:第一比较器，其具有反相输入、非反相输入和输出，所述非反相输入耦合到所述误差放大器的所述输出；第二比较器，其具有反相输入、非反相输入和输出，所述第二比较器的所述反相输入耦合到所述第一比较器的所述反相输入；以及跳闸网络，其具有耦合到所述第一比较器的所述非反相输入的第一端子和耦合到所述第二比较器的所述非反相输入的第二端子。
[0089]在一种实施方式中，所述DC-DC变换器进一步包括具有多个输入和多个输出的操作模式控制电路，所述操作模式控制电路的第一输入耦合到所述第一比较器的所述输出，并且所述操作模式控制电路的第二输入耦合到所述第二比较器的所述输出。
[0090]根据本实用新型的另一方面，提供一种用于操作多模式变换器的方法，其包括:t匕较误差信号与参考信号以生成第一比较信号；以及响应于所述第一比较信号而从第一操作模式转换为第二操作模式，其中所述多模式变换器保持偏压以用于在所述第一操作模式和所述第二操作模式中操作。
[0091]在一种实施方式中，所述方法进一步包括:比较调整的误差信号与所述参考信号以生成第二比较信号；以及响应于所述第二比较信号而从所述第一操作模式转换为所述第二操作模式。
[0092]在一种实施方式中，所述方法使用单个调节环路生成所述误差信号、所述调整的误差信号、所述第一比较信号和所述第二比较信号。
[0093]在一种实施方式中，从所述第一操作模式转换为所述第二操作模式包括从脉冲频率调制模式转换为脉冲宽度调制模式。
[0094]在一种实施方式中，所述方法进一步包括向所述多模式变换器加偏压以在脉冲频率操作模式和脉冲宽度调制操作模式期间进行脉冲宽度调制操作。
[0095]尽管本文已公开具体实施方案，但是不旨在将本实用新型限于公开的实施方案。本领域技术人员将认识到，在不脱离本实用新型的精神的情况下可以进行修改和变化。旨在本实用新型涵盖属于附加权利要求书的范围的所有此类修改和变化。
【权利要求】
1.一种变换器，其特征在于，所述变换器包括: 模拟环路控制电路，其具有第一输入和第一输出； 操作模式控制电路，其被配置为用于在脉冲宽度调制操作模式与脉冲频率调制操作模式之间进行选择，并且具有第一输入和第一输出，所述操作模式控制电路的所述第一输入耦合到所述模拟环路控制电路的所述第一输出；以及 输出级，其具有第一输入和第一输出，所述输出级的所述第一输入耦合到所述操作模式控制电路的所述第一输出，并且所述输出级的所述第一输出耦合到所述模拟环路控制电路的所述第一输入。
2.如权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述模拟环路控制电路包括: 误差放大器，其具有第一 输入、第二输入和输出；以及 比较器，其具有第一输入、第二输入和输出，所述第一输入稱合到所述误差放大器的所述输出，其中所述比较器的所述输出充当所述模拟环路控制电路的所述第一输出；并且其中所述输出级包括具有控制电极、第一载流电极和第二载流电极的晶体管，所述控制电极耦合到所述操作模式控制电路的所述第一输出并且所述第一输入被耦合用于接收输入信号。
3.如权利要求1所述的变换器，其特征在于， 所述模拟环路控制电路进一步包括第二输入和第二输出； 所述操作模式控制电路进一步包括第二输入和第二输出，所述操作模式环路控制电路的所述第二输入耦合到所述模拟环路控制电路的所述第二输出；以及 所述输出级进一步包括耦合到所述模拟环路控制电路的第二输出的第二输入。
4.如权利要求3所述的变换器，其特征在于，所述模拟环路控制电路包括: 误差放大器，其具有第一输入、第二输入和输出； 第一比较器，其具有第一输入、第二输入和输出，所述第一输入稱合到所述误差放大器的所述输出，其中所述第一比较器的所述输出充当所述模拟环路控制电路的所述第一输出；以及 第二比较器，其具有第一输入、第二输入和输出，所述第二比较器的所述第二输入I禹合到所述第一比较器的所述第二输入，其中所述第二比较器的所述输出充当所述模拟环路控制电路的所述第二输出。
5.如权利要求4所述的变换器，其特征在于，所述变换器进一步包括耦合在所述第一比较器与所述第二比较器的所述第一输入之间的操作模式控制网络。
6.如权利要求4所述的变换器，其特征在于，所述模拟环路控制电路进一步包括参考信号发生器，所述参考信号发生器具有连接到所述第一比较器和所述第二比较器的所述第二输入的输出。
7.如权利要求3所述的变换器，其特征在于，所述模拟环路控制电路包括: 误差放大器，其具有第一输入、第二输入和输出；以及 比较器，其具有第一输入、第二输入和输出，所述第一输入稱合到所述误差放大器的所述输出，其中所述比较器的所述输出充当所述模拟环路控制电路的所述第一输出。
8.如权利要求7所述的变换器，其特征在于，所述模拟环路控制电路进一步包括参考信号发生器，所述参考信号发生器具有连接到所述比较器的所述第二输入的输出。
9.如权利要求3所述的变换器，其特征在于，所述模拟环路控制电路进一步包括耦合在所述误差放大器的所述第一输入与所述输出之间的第一阻抗结构，以及耦合到所述误差放大器的所述第一输入的第二阻抗结构。
10.如权利要求9所述的变换器，其特征在于，所述第一阻抗结构包括: 第一电容器，其具有第一端子和第二端子，所述第一端子耦合到所述误差放大器的所述第一输入，并且所述第二端子耦合到所述误差放大器的所述输出； 第二电容器，其具有耦合到所述误差放大器的所述输出的第一输入；以及 第一电阻器，其具有耦合到所述第二电容器的所述第二端子的第一端子和耦合到所述误差放大器的所述第一输入的第二端子。
11.如权利要求9所述的变换器，其特征在于，所述第二阻抗结构包括: 第一电阻器，其具有第一端子和第二端子，所述第一端子耦合到所述误差放大器的所述第一输入； 第二电阻器，其具有第一端子和第二端子，所述第一端子耦合到所述第一电阻器的所述第二端子；以及 第一电容器，其具有耦合到所述第一电阻器的所述第一端子的第一端子和耦合到所述第二电阻器的所述第二端子的第二端子。
12.—种DC-DC变换器，其特征在于，所述DC-DC变换器包括: 驱动用于选择在脉冲宽度调制操作模式与脉冲频率调制操作模式之间操作的操作模式控制电路的单个调节环路，所述单个调节环路包括响应于在所述脉冲宽度调制操作模式与所述脉冲频率调制操作模式之间选择而保持其偏压的补偿环路。
13.如权利要求12所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述单个调节环路包括: 误差放大器，其具有第一输入、第二输入和输出； 第一阻抗结构，其具有耦合到所述误差放大器的所述第一输入的第一端子和耦合到所述误差放大器的所述输出的第二端子；以及 第二阻抗结构，其具有耦合到所述误差放大器的所述第一输入的第一端子。
14.如权利要求12所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述单个调节环路包括: 第一比较器，其具有反相输入、非反相输入和输出，所述非反相输入稱合到所述误差放大器的所述输出； 第二比较器，其具有反相输入、非反相输入和输出，所述第二比较器的所述反相输入耦合到所述第一比较器的所述反相输入；以及 跳闸网络，其具有耦合到所述第一比较器的所述非反相输入的第一端子和耦合到所述第二比较器的所述非反相输入的第二端子。
15. 如权利要求14所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述DC-DC变换器进一步包括具有多个输入和多个输出的操作模式控制电路，所述操作模式控制电路的第一输入耦合到所述第一比较器的所述输出，并且所述操作模式控制电路的第二输入耦合到所述第二比较器的所述输出。
【文档编号】H02M3/04GK203562949SQ201320465481
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年8月1日 优先权日:2012年9月27日
【发明者】O·考塞, H·弗南德斯 申请人:半导体元件工业有限责任公司