具有回路控制的电压转换器的制作方法

具有回路控制的电压转换器
1.相关申请案的交叉引用
2.本技术案要求2020年5月15日申请的第63/025,594号美国临时专利申请案的优先权，其以引入的方式并入本文中。
技术领域
3.此描述大体上涉及集成电路，且更明确地说，涉及具有回路控制的电压转换器系统。


背景技术：

4.电压转换器可用于将输入dc电压转换成所要输出dc电压以驱动负载。电压转换器可包含反馈回路，所述反馈回路基于反馈电压和参考电压确定开关在每一切换循环中的接通或断开时间，由此调节电压转换器的输出电压。在常规电流模式电压转换器中，基于反馈电压和参考电压调节控制开关的脉冲宽度调制(pwm)信号。


技术实现要素：

5.一种电压转换器系统包含开关，所述开关经配置以在第一状态和第二状态中操作。补偿电路系统经配置以：当所述开关具有所述第二状态时，提供特定参考电压作为参考电压；且当所述开关具有所述第一状态时，提供经补偿参考电压作为所述参考电压。控制电路系统经配置以基于所述参考电压和基于所述电压转换器系统的输出电压产生的反馈电压而使所述开关在所述第一状态与所述第二状态之间切换。
附图说明
6.图1是根据此描述的适合用于电压转换器系统中的集成电路封装的等角透视图。
7.图2是根据此描述的实施方案的图1的电压转换器系统的框图。
8.图3是图2的电压转换器系统的补偿电路系统的示意性电路图。
9.图4是图2的电压转换器系统的波形的时序图。
10.图5是不具有参考电压补偿的电压转换器系统的框图。
11.图6是在不同条件下操作的图5的电压转换器系统的负载调节率的曲线图。
12.图7是与图5的电压转换器系统相比的图2的电压转换器系统的负载调节率的曲线图。
13.图8是图2的电压转换器和图5的电压转换器系统的模拟波形的时序图。
具体实施方式
14.此描述涉及具有回路控制的电压转换器系统。
15.图1是根据此描述的适合用于电压转换器系统中的集成电路封装100的等角透视图。集成电路封装100包含用于将高侧晶体管(未展示)和低侧晶体管(未展示)耦合到电压
转换器系统的输出电路(未展示)的输出电感器(未展示)的切换端子102。高侧晶体管和低侧晶体管串联耦合在集成电路封装100的电压输入端子104与电压供应端子106(例如接地端子gnd)之间，且在切换端子102处接合。电压输入端子104经配置以接收电压转换器系统的输入电压vin。输出电路可耦合到切换端子102以用于基于切换端子102处的切换信号vsw产生电压转换器系统的输出电压vout。电压转换器系统还包含反馈端子108，所述反馈端子经配置以基于输出电压vout接收反馈电压vfb。电压转换器系统包含回路控制电路系统。在操作期间，回路控制电路系统产生开关控制信号以接通和断开高侧晶体管和低侧晶体管，以便在切换端子102处产生切换信号vsw。在一个实例中，基于切换信号vsw产生的纹波电压提供于反馈端子108处。开关控制信号是基于参考电压vref与反馈电压vfb之间的差而产生。集成电路封装100还包含经配置以接收启用信号en的启用端子112，以及经调适以耦合到升压电容器cb以供应高侧晶体管的升压端子114。
16.随着电力处理技术的发展，小尺寸封装的电流密度正在增大。小尺寸封装优选地具有较少输入/输出(i/o)端子。为了减少i/o端子的数目，将内部模拟接地端子agnd和电力接地pgnd组合为集成电路封装100的接地端子gnd 106。然而，小尺寸封装和不良的pcb布线引入寄生电阻110，例如集成电路封装100的接地端子gnd 106的引脚中所示的寄生电阻，这引起不良的负载调节率，尤其是在具有相对较高的输出电流和相对较低的参考电压的电压转换器系统中。
17.图2是此描述的实施方案中的电压转换器系统200的框图。电压转换器系统200经配置以将输入电压vin转换成目标电压电平下的输出电压vout。
18.系统200包含：(a)第一开关202，其具有：耦合到电压输入端子2002的第一端子(例如漏极端子)，所述第一端子接收系统200的输入电压vin；第二端子(例如源极端子)，其耦合到切换端子sw 2004；以及控制端子(例如栅极端子)；以及(b)第二开关204，其具有：第一端子(例如漏极端子)，其耦合到切换端子2004；第二端子(例如源极端子)，其耦合到电压供应端子(例如电力接地端子pgnd)；以及控制端子(例如栅极端子)。因此，所述系统：(a)当第一开关202具有第一状态(例如，接通状态)且第二开关204具有第二状态(例如，断开状态)时，允许电流从电压输入端子2002流动到切换端子2004；以及(b)当第一开关202断开且第二开关204接通时，允许电流从电力接地端子pgnd流动到切换端子2004。还分别称为高侧开关和低侧开关的第一开关202和第二开关204可为晶体管，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，其分别由经由第一栅极驱动器206和第二栅极驱动器208提供到第一开关202和第二开关204的栅极端子的栅极驱动信号hsd_on和lsd_on控制，以使第一开关202和第二开关204在第一状态和第二状态中交替地操作。系统200还包含：(a)耦合在切换端子2004与电压输出端子2006之间的输出电感器210，所述输出电感器210具有电感lo；以及(b)耦合在输出电压端子2006与接地端子gnd之间的输出电容器212，所述输出电容器212具有电容co。
19.系统200包含具有耦合在输出端子2006与接地端子gnd之间的分压器的反馈电路系统214，所述分压器具有耦合到系统200的反馈端子2008的分压器输出2142。反馈电路系统214经配置以产生与输出电压vout成比例的反馈电压vfb。
20.系统200还包含电压源216，所述电压源经配置以基于带隙电压产生特定参考电压vfef0。在一个实例中，特定参考电压为基于系统200的输出电压vout的目标电压电平而确
定的系统200的理想参考电压。带隙电压是参考系统200的内部模拟接地端子agnd而产生。
21.系统200包含控制电路系统217，所述控制电路系统经配置以基于反馈电压vfb和参考电压vref而控制第一开关202和第二开关204。控制电路系统217包含放大器218，所述放大器具有耦合到电压源216的第一放大器输入2182(例如，非反相输入)、耦合到反馈端子2008的第二放大器输入2184(例如，反相输入)以及放大器输出2186。放大器218经配置以基于参考电压vref与反馈电压vfb之间的差在放大器输出2186处产生放大器输出信号comp1。控制电路系统217还包含耦合到放大器输出2186的回路控制和逻辑电路系统220，且经配置以产生栅极驱动信号hsd_on和lsd_on。在一个实例中，回路控制和逻辑电路系统220基于放大器输出信号comp1产生栅极驱动信号hsd_on和lsd_on。在另一实例中，基于放大器输出信号comp1与纹波电压(未展示)的组合产生栅极驱动信号hsd_on和lsd_on，所述纹波电压是基于切换端子2004处的切换信号vsw而产生。在一个实例中，纹波电压可由回路控制和逻辑电路系统220产生且与放大器输出信号comp1组合。在另一实例中，纹波电压可由回路控制和逻辑电路系统220产生且与反馈电压vfb组合，且反馈电压vfb与纹波电压的组合与参考电压vref组合以产生放大器输出信号comp1。在一个实例中，控制电路系统217包含耦合在反馈端子2008与第二放大器输入2184之间的反馈电阻器r
fb 222，以及耦合在第二放大器输入2184与放大器输出2186之间的反馈电容器c
fb 224。放大器输出信号comp1为参考电压vref与反馈电压vfb之间的差的积分值。
22.由于引脚计数限制，将电力接地pgnd和内部模拟接地agnd组合为电压转换器系统200的接地端子gnd的接地引脚。接地引脚寄生电阻器226位于电力接地pgnd与接地端子gnd之间，接地引脚寄生电阻器226具有电阻rpar。当第二开关204接通时，流过第二开关204的负载电流il引起跨越接地引脚寄生电阻器226的电压降，由此参考接地端子gnd向下拉动特定参考电压vref0，这影响调节的精确性。举例来说，当负载电流il正增大时，如果减小的参考电压vref0'用作参考电压，那么输出电压vout将由于基于由电压源216产生的减小的参考电压vref0'执行的调节而减小。
23.为了补偿特定参考电压vref0与减小的参考电压vref0'之间的差，系统200包含耦合在电压源216与第一放大器输入2182之间的补偿电路系统228。补偿电路系统228经配置以：(a)当第二开关204断开时，将特定参考电压vref0作为参考电压vref提供到放大器218；以及(b)当第二开关204接通时，补偿减小的参考电压vref0'，且将经补偿电压作为参考电压vref提供到放大器218。
24.图3展示例如图2的电压转换器系统200的补偿电路系统228的补偿电路系统300的实例示意性电路图。补偿电路系统300包含感测电路系统302，所述感测电路系统耦合到切换端子(例如，转换器系统200的切换端子2004)，且经配置以在第二开关204接通时产生与流过第二开关204的电流il成比例的感测信号。
25.感测电路系统302包含串联耦合到切换端子2004的感测晶体管304的集合，例如m个感测晶体管304_1到304_m(m为大于0的整数)。感测晶体管304_i的集合中的每一感测电晶体(其中i为大于或等于1且小于或等于m的整数)包含第一端子(例如漏极端子)、第二端子(例如源极端子)和控制端子(例如栅极端子)。感测晶体管304的集合包含漏极端子耦合到切换端子sw的第一感测晶体管304_1，以及最末感测晶体管304_m。感测晶体管304的集合的栅极端子耦合到第二开关204的栅极端子。在一个实例中，感测晶体管304的集合可为金
属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。感测晶体管304的集合经配置以在最末感测晶体管304_m的源极端子处产生所感测电压v_sns。
26.感测电路系统302包含比较器306，所述比较器具有：第一比较器输入3062(例如反相输入)，其耦合到最末感测晶体管304_m的源极端子；以及第二比较器输入3064(例如非反相输入)，其耦合到第二开关204的源极端子；以及比较器输出3066，其经配置以提供比较器输出信号comp。在一个实例中，比较器306是迟滞比较器，以在所感测电压v_sns在目标范围内时避免比较器输出信号comp切换，以便改进比较器输出信号comp的稳定性。
27.感测电路系统302包含递增/递减计数器308，其具有：数据输入3082，其经配置以接收比较器输出信号comp；控制输入3084，其经配置以接收第二开关204的栅极驱动信号lsd_on；以及计数器输出3086。递增/递减计数器308经配置以在计数器输出3086处产生计数值q<n
‑
1:0>作为所感测信号，其中n为大于0的整数。计数值q<n
‑
1:0>是基于所感测电压v_sns与电力接地pgnd处的电压之间的差而产生。在一个实例中，当第二开关204接通时(例如，当断言栅极驱动信号lsd_on时)，递增/递减计数器308：(a)当电力接地pgnd处的电压高于所感测电压v_sns时，基于时钟信号clk正计数；以及(b)当电力接地pgnd处的电压低于所感测电压v_sns时，基于时钟信号clk倒计数。递增/递减计数器308经配置以响应于第二开关204从接通状态切换到断开状态(例如响应于栅极驱动信号lsd_on的下降边缘)而锁存计数值q<n
‑
1:0>。时钟信号clk可在递增/递减计数器308内部产生，或可由外部振荡器提供。
28.感测电路系统302包含可变电流源310，其耦合在计数器输出3086与感测晶体管304的集合之间，且经配置以基于计数值q<n
‑
1:0>将所感测电流i_sns提供到感测晶体管304的集合。在一个实例中，可变电流源310为电流数/模转换器(dac)，所述电流数/模转换器经配置以：(a)将计数值q<n
‑
1:0>转换成所感测电流i_sns；以及(b)将所感测电流i_sns注入到感测晶体管304的集合。在一个实例中，电流dac包含并联电流路径312的集合。每一电流路径312_j(其中j为大于或等于0且小于n的整数)包含电流源314_j及经配置以将电流源314_j耦合到感测晶体管304的集合的电流控制开关sj316_j。电流控制开关316_j由计数值q<n
‑
1:0>的对应位(例如来自msb的第j位)控制，因此所感测电流i_sns与计数值q<n
‑
1:0>成比例。在操作中，通过递增/递减计数器308调整所感测电流i_sns，直到所感测电压v_sns基本上等于电力接地pgnd处的电压为止。当递增/递减计数器308变得稳定时，计数值q<n
‑
1:0>表示电力接地pgnd处的电压的绝对值。
29.补偿电路系统300包含耦合到感测电路系统302的参考电压产生电路系统318。参考电压产生电路系统318包含多路复用器320，所述多路复用器具有经配置以接收特定二进制信号的第一多路复用器输入3202、耦合到计数器输出3086且经配置以接收计数值q<n
‑
1:0>的第二多路复用器输入3204、耦合到回路控制和逻辑电路系统220且经配置以接收栅极驱动信号lsd_on的选择输入3206，以及经配置以在多路复用器输出3208处提供多路复用器输出信号p<n
‑
1:0>的多路复用器输出3208。所述特定二进制信号为n位二进制信号。多路复用器输出信号p<n
‑
1:0>经配置以当第二开关204断开时为特定二进制信号，且当第二开关204接通时为计数值q<n
‑
1:0>。
30.参考电压产生电路系统318包含电压dac 322，所述电压dac具有：电压dac输入3222，其耦合到多路复用器输出3208；以及电压dac输出3224，其经配置以将参考电压vref提供到图2的系统200的放大器218。电压dac 322包含解码器324，所述解码器经配置以将多
路复用器输出信号p<n
‑
1:0>转换为2
n
位独热码信号。电压dac 322还包含电阻器梯326，所述电阻器梯具有：第一电阻器326_0，其耦合在电压源216与内部模拟接地端子agnd之间；以及电压控制开关328的集合。每一电压控制开关328_k(其中k为大于或等于0且小于2
n
的整数)包含：(a)第一端子，其耦合到电阻器梯326的两个邻近电阻器326_k和326_(k+1)之间的对应分接头；以及(b)耦合到电压dac输出3224的第二端子，其通过由解码器324输出的2
n
位独热码信号的对应位(例如来自lsb的第k位)控制，因此电压dac 322经配置以基于多路复用器输出信号p<n
‑
1:0>在电压dac输出3224处产生参考电压vref。在一个实例中，特定二进制数经配置以转换成独热码信号以接通电压控制开关328的集合的第一电压控制开关328_0且断开其它电压控制开关。因此，当第二开关204断开时，电压dac 322将特定参考电压vref0作为参考电压vref输出到放大器218。当第二开关204接通时，电压dac 322输出与计数值q<n
‑
1:0>成比例的经补偿参考电压作为参考电压vref。在一个实例中，补偿电路系统300包含耦合在电压dac输出3224与第一放大器输入2182之间的低通滤波器330。低通滤波器330包含耦合在电压dac输出3224与第一放大器输入2182之间的电阻器rf 332以及耦合在第一放大器输入2182与内部模拟接地端子agnd之间的电容器cf 334。
31.图4是参考图3的图2的电压转换器系统200的波形的时序图。从t0到t1，接通第一开关202，且断开第二开关204，因此切换端子2004处的电压vsw 402切换到输入电压vin，且经过输出电感器210的电感器电流404斜升。由电压源216产生的特定参考电压vref0 406保持在理想参考电压，例如参考接地端子gnd的600mv。vref_comp 408表示电压dac 322的输出与特定参考电压vref0 406之间的电压差。从t0到t1，不将电压补偿到特定参考电压vref0 406。因此，提供到放大器218的参考电压vref 610是理想参考电压600mv。
32.从t1到t2，第一开关202断开，且第二开关204接通，因此切换端子2004处的电压vsw 402切换到电力接地pgnd，且电感器电流404减小。由电压源216产生的特定参考电压vref0 406参考接地端子gnd而减小，例如减小到585mv，这是因为跨越位于接地端子gnd与电力接地端子pgnd之间的接地引脚寄生电阻器226的电压降。15mv电压降由感测电路系统302感测，且由计数值q<n
‑
1:0>表示。基于从计数值q<n
‑
1:0>转换的独热码信号选择第二电压控制开关sw1 328_1到最末电压控制开关sw(2
n
‑
1)328_(2
n
‑
1)当中的对应电压控制开关328_k，这引起vref_comp 408的增大，例如15mv。因此，提供到放大器218的参考电压vref 610保持在理想参考电压600mv处。当第二开关204接通时，根据等式(1)提供vref_comp 408：
[0033][0034]
其中r
ds_on
为第二开关204的漏极
‑
源极导通电阻，且r
par
为接地引脚寄生电阻器226的电阻。
[0035]
图5是不具有参考电压补偿的电压转换器系统500的框图。除了由电压源516产生的特定参考电压vref0被提供到放大器518作为参考电压vref而不管第二开关204的状态如何以外，电压转换器系统500大体上类似于电压转换器系统200。
[0036]
反馈电压vfb是相对于接地端子gnd(pcb接地)，但参考电压vref是相对于内部模拟接地agnd而产生，内部模拟接地与电力接地端子pgnd共享。当电感器电流il流过第二开关204时，跨越接地引脚寄生电阻器526的电压降致使参考电压vref下降，因此参考电压
vref的平均值偏移到较低值。
[0037]
转换器系统500的负载调节率是根据等式(2)而提供：
[0038][0039]
其中r
par
为转换器系统500的电力接地端子pgnd与转换器系统500的接地端子gnd之间的接地引脚寄生电阻器526的电阻，d为转换器系统500的占空比，i
out_max
为转换器系统500的最大输出电流，且vref是参考电压。
[0040]
图6是在输入和输出电压的不同条件下操作的图5的电压转换器系统的负载调节率的曲线图，其中接地引脚寄生电阻器526的电阻r
par
为2.5毫欧，且理想参考电压为0.6v。曲线602展示具有为6.5v的输入电压和为5v的输出电压的转换器系统500的负载调节率；曲线604展示具有为12v的输入电压和为5v的输出电压的转换器系统500的负载调节率；曲线606展示具有为12v的输入电压和为3.3v的输出电压的转换器系统500的负载调节率；且曲线608展示具有为12v的输入电压和为0.6v的输出电压的转换器系统500的负载调节率。
[0041]
根据等式(2)，还如图6所示，转换器系统500的负载调节率随着占空比变小、参考电压变低或最大输出电流变大而变得更糟。然而，较低输出电压下的较高输出电流为数字核心供应中的趋势，且基于转换器系统500的输入和输出电压确定占空比。
[0042]
图7是在以下条件下与图5的电压转换器系统500相比的图2的电压转换器系统200的负载调节率的曲线图：接地引脚寄生电阻器226/526的电阻r
par
为2.5毫欧，理想参考电压为0.6v，最大输出电流iout_max为6a，输入电压为12v，输出电压为0.6v，且图2的电压转换器系统200的电流和电压dac的位数为3。如图7中所示，与图5的转换器系统500的负载调节率曲线702相比，图2的转换器系统200的负载调节率曲线704由3位dac划分成8个区段，且当输出电流为6a时，负载调节率从2.4％减小到0.3％。
[0043]
图8是图2的电压转换器系统200和图5的电压转换器系统500在以下模拟条件下的模拟波形的时序图800：vin＝12v；目标vout＝0.6v；理想vref＝0.6v；r
par
＝2.5毫欧；且输出电流iout从0a增大到6a。波形802为图2的电压转换器系统200的输出电压vout_200，且波形804为图5的电压转换器系统500的输出电压vout_500。波形806为提供到图2的电压转换器系统200的放大器218的参考电压vref_200，波形808为提供到图5的电压转换器系统500的放大器518的参考电压vref_500，且参考电压vref_200和vref_500是相对于电力接地pgnd。波形810为图2的电压转换器系统200的电感器电流il_200，且波形812为图5的电压转换器系统500的电感器电流il_500。波形810与波形812在图8中展示为重叠。
[0044]
在时间t0，第二开关204和504接通，这致使电感器电流il_200 810和il_500 812增大且输出电压vout_200 802和vout_500 804下降。响应于第二开关204接通，图2的电压转换器系统200的参考电压vref_200 806基于电力接地端子pgnd处的所感测电压降而参考电力接地pgnd增大。对参考电压vref_200 806的补偿致使图2的电压转换器系统200的输出电压vout_200基本上恢复到目标输出电压600mv。然而，图5的电压转换器系统500的参考电压vref_500 808参考电力接地pgnd保持在0.6v。由于跨越接地引脚寄生电阻器526的15mv电压降，图5的电压转换器系统500的输出电压vout_500 804当第二开关504接通时恢复到且保持在585mv。
[0045]
在此描述中，术语“耦合”可涵盖使得函数关系能够与此描述一致的连接、通信或
信号路径。举例来说，如果装置a向控制装置b产生信号以执行动作，那么：(a)在第一实例中，装置a通过直接连接耦合到装置b；或(b)在第二实例中，如果介入组件c并不更改装置a与装置b之间的功能关系，使得装置b经由装置a产生的控制信号而受装置a控制，那么装置a经由介入组件c耦合到装置b。
[0046]
在权利要求书的范围内，对所描述实例的修改是可能的，且其它实例是可能的。