固定开路时间控制器与使用其的降压变换器器件的制作方法

本发明涉及一种降压变换器，尤指一种用于降压变换器器件的固定开路时间(constanton-time)控制器。

背景技术：

固定开路时间控制器可以被用在降压变换器器件中，无论何时当调节器输出电压降至低于参考电压，固定开路时间控制器可以使用调节器输出电压涟波来起始一段开路时间。开路时间可以通过电路对其他条件反应(像是调节器输入电压的水平)来终止(产生开路时间脉冲)。在开路时间脉冲其间，能量会经由电子开关器件直接从调节器输入电压供给至调节器输出电压。相似地，当开路时间脉冲已经被终止时，被存储在能量存储电感的能量会被供给至调节器输出电压。

具有固定开路时间控制器的降压变换器器件通常包含有电路，其以调节器输入电压与调节器输出电压的一个函数来调整开路时间脉冲的间期，因此在工作周期(dutycycle)改变时仍可得到几乎固定的频率。所述调节器的输出电压涟波在很大的程度上是通过在能量存储电感中流经输出电容的等效串联电阻(equivalentseriesresistance,esr)的涟波电流所决定。在一些应用中，积层陶瓷电容(multilayerceramiccapacitor)具有较小esr，以至于来自能量存储电感的电压涟波也较小。这会对固定开路时间控制器造成两个问题，稳定性与对噪声的噪声易感性。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种用于降压变换器器件的固定开路时间控制器，以延展固定开路时间控制器的噪声容限(noisemargin)。

本发明的另一目的在于提供一种用于降压变换器器件的固定开路时间控制器，以最小化所述固定开路时间控制器对噪声的噪声易感性(susceptibility)，以至于信号的抖动可以大幅地减少。

本发明的另一目的在于提供一种包含降压变换器固定开路时间控制器的降压变换器器件，其电性连接于所述降压变换器，以至于解决稳定性与对噪声的噪声易感性的问题。

为了至少达成上述目的之一，本发明提供一种固定开路时间控制器，包含分压器，电流涟波萃取器，单发开路定时器，比较器以及正反器。分压器根据调节器输出电压来产生回授电压。电流涟波萃取器感测降压变换器的能量存储电感中的电流，其流经输出电容的等效串联电阻，并据以产生不具有直流分量的萃取涟波电流。单发开路定时器根据降压变换器输入电压与调节器输出电压来输出固定开路时间控制信号。调变电路根据参考电压信号，回授电压以及萃取涟波电流来输出调变信号。正反器根据所述调变信号与固定开路时间控制信号来产生控制信号至降压变换器。降压变换器的断路时间根据调变信号所决定。

为了至少达成上述目的之一，本发明提供一种降压变换器器件，包含降压变换器与固定开路时间控制器，其电性连接于降压变换器。

在本发明的一实施例中，正反器为置位复位(reset-set，rs)正反器，rs正反器的置位端电性连接于比较器与单发开路定时器以接收比较结果信号与固定开路时间控制信号的反相信号，并且rs正反器的复位端电性连接于单发开路定时器以接收固定开路时间控制信号。

在本发明的一实施例中，单发开路定时器包含电容，电流源与电压比较器。电流源经由电容电性连接于地，用于产生正比于调节器输入电压的电流，以至于横跨电容形成第一电压。电压比较器电性连接于电容与电流源的连接端，用于比较调节器输出电压与第电压以输出固定开路时间控制信号。

在本发明的一实施例中，固定开路时间控制器还进一步包含斜坡产生器。斜坡产生器电性连接于调变电路以产生斜坡电压信号。调变电路根据回授电压，参考电压信号，斜坡电压信号与萃取涟波电流来输出调变信号。

在本发明的一实施例中，所述电流涟波萃取器包含电流感测放大器，抽样保持电路与减法器。电流感测放大器感测降压变换器的能量存储电感中的电流，其流经输出电容的等效串联电阻以获得感测到的电流。抽样保持电路电性连接于电流感测放大器，用于抽样并且保持感测到的电流的直流分量。减法器电性连接于电流感测放大器以及抽样保持电路，用于从感测到的电流减去所保持的直流分量以产生萃取涟波电流。

在本发明的一实施例中，调变电路包含放大器，电容，加法器以及调变器。放大器接收参考电压信号与回授电压以产生调节过的参考电压信号。电容的两端分别电性连接于放大器与地。加法器电性连接于放大器，用于从与萃取涟波电流相关联的第一电压信号减去调节过的参考电压信号以产生第二电压信号。调变器电性连接于加法器，用于根据第二电压信号与回授电压来产生调变信号。

在本发明的一实施例中，调变电路包含加法器以及调变器。加法器电性连接于放大器，用于从与萃取涟波电流相关联的第一电压信号减去参考电压信号以产生第二电压信号。调变器电性连接于加法器，用于根据第二电压信号以及回授电压来产生调变信号。

在本发明的一实施例中，分压器包含电性串联连接的多个电阻。

综上所述，本发明提供一种固定开路时间控制器，其用于加强降压变换器器件的噪声容限。此外，信号抖动在一些实施例中可以获得改善，因此所提供的固定开路时间控制器可以有更进一步改善的稳定性与噪声容限。

附图说明

本申请的特征点将于附图中以特定参照标示使其突出，其中；

图1为本发明降压变换器器件的一实施例的电路图；

图2a为本发明单发开路定时器的一实施例的电路图；

图2b为本发明单发开路定时器又一实施例的电路图；

图3为本发明电流涟波萃取器的一实施例的电路图；

图4a为本发明调变电路的一实施例的电路图；

图4b为本发明调变电路又一实施例的电路图；

图5为本发明降压变换器器件的一实施例的信号波形图。

【附图标记列表】

11固定开路时间控制器

111电流涟波萃取器

112分压器

113调变电路

114单发开路定时器

115rs正反器

116斜坡产生器

12降压变换器

121预驱动器

21磁滞比较器

22电流源

23电压比较器

31电流感测放大器

32抽样保持电路

33减法器

41放大器

42加法器

43调变器

c1、c2、ct_on电容

co输出电容

fb回授电压

gnd地

isw电流

lx能量存储电感

m1、m2晶体管

rco输出电阻

r1、rfbh、rfbl电阻

rload输出负载

vc电压

vcot电压信号

vdd供应电压

vin输入电压

vref、vref’参考电压信号

vrefx比较电压信号

vout输出电压

vsw电压

ton开路时间控制信号

具体实施方式

为了使审查委员更容易了解本发明的目的、功效与技术特征，本发明的实施例的详细说明与附图一并提供。

本发明的一实施例提供一种降压变换器器件，其包含固定开路时间控制器以及降压变换器，其电性连接于所述降压变换器，其中所述固定开路时间控制器的电流涟波萃取器感测流动于能量存储电感中的电流，其流经输出电容的等效串联电阻(也就是感测所述降压变换器的一低边(lowside)电流)，以移除感测到的电流中的直流电流分量，以产生萃取涟波电流，并且根据所述萃取涟波电流来产生涟波电压信号至所述固定开路时间控制器的比较器，以展延所述固定开路时间控制器的噪声容限(noisemargin)。

进一步说，在本发明的另一实施例中，斜坡产生器在所述固定开路时间控制器中被提供斜坡电压信号至所述固定开路时间控制器的比较器，并且因此最小化所述固定开路时间控制器对噪声的噪声易感性(susceptibility)，以及大幅减少信号的抖动。简言之，所提供的所述降压变换器器件的固定开路时间控制器可以解决稳定性与对噪声的噪声易感性的问题。

参考图1，图1为本发明降压变换器器件的一实施例的电路图。降压变换器器件1包含固定开路时间控制器11以及降压变换器12，降压变换器12电性连接于固定开路时间控制器11。降压变换器12由固定开路时间控制器11所控制来打开或关闭。当降压变换器12打开时，降压变换器11经由电子开关器件(晶体管m1与m2所构成)传递调节器输入电压vin的能量至调节器输出电压vout。当降压变换器12关闭时，在能量存储电感lx中存储的能量被供给至调节器输出电压vout。

固定开路时间控制器11接收调节器输出电压vout，并且感测能量存储电感lx中流经输出电容的等效串联电阻(也就是输出电容co的电阻rco的阻抗)的电流isw。电流isw也是降压变换器12的低边电流。固定开路时间控制器11根据调节器输出电压vout来产生回授电压fb，并且根据感测到的电流来产生萃取涟波电流。固定开路时间控制器11可以根据回授电压fb与萃取涟波电流来决定降压变换器12的断路时间(也就是降压变换器12关闭的间期)，并且根据调节器输入电压vin与调节器输出电压vout来决定降压变换器12的开路时间(也就是降压变换器12打开的间期)。因为萃取涟波电流不具有电流isw的直流分量，电流isw的直流分量不会在固定开路时间控制器11中被放大，以至于固定开路时间控制器11的噪声容限可以被展延，并且固定开路时间控制器11可以精准地控制降压变换器12的断路时间。

更进一步说，为了考虑噪声所造成的信号抖动，固定开路时间控制器11进一步产生斜坡电压信号，并且不仅根据回授电压fb与萃取涟波电流，还有斜坡电压信号来决定降压变换器12的断路时间。因为加入斜坡电压信号的考虑，固定开路时间控制器11对噪声的易感性得以降低，并且噪声造成的信号抖动得以减少。

降压变换器12的说明将详述如下。降压变换器12包含预驱动器(pre-driver)121(或逻辑电路)，晶体管m1，m2，能量存储电感lx，输出电容co以及输出电阻rco。输出负载rload可以电性连接于调节器输出电压vout。输出电容co以串联连接的方式电性连接于输出电阻rco，其中输出电阻rco经由输出电容co电性连接于地。

调节器输出电压vout电性连接输出电阻rco与能量存储电感lx。晶体管m1与m2(例如，pmos晶体管)组成电子开关器件。晶体管m1与m2的栅极电性连接于预驱动器121，晶体管m1的源极电性连接于调节器输入电压vin，晶体管m1的漏极电性连接于能量存储电感lx与晶体管m2的源极，并且晶体管m2的漏极电性连接于地。晶体管m1与m2漏极也电性连接于固定开路时间控制器11，以至于固定开路时间控制器11可以感测电流isw。

预驱动器121接收来自固定开路时间控制器11的控制信号。预驱动器121根据控制信号来输出栅极控制信号至晶体管m1与m2的栅极。当晶体管m1导通时(同时间，晶体管m2关闭)，降压变换器12被打开，以至于调节器输入电压vin的能量被传递至调节器输出电压vout(也就是电流isw会增加)；以及当晶体管m2导通时(同时间，晶体管m1关闭)，降压变换器11被关闭，以至于能量存储电感lx中存储的能量被供给至调节器输出电压vout(也就是电流isw会减少)。

继续参考图1，固定开路时间控制器11的说明将下述如下。固定开路时间控制器11包含电流涟波萃取器111，分压器112，调变电路113，单发开路定时器114，置位复位(reset-set，rs)正反器115以及斜坡产生器116。电流涟波萃取器111电性连接于晶体管m2的漏极，并且进一步电性连接于调变电路113。分压器112电性连接于调节器输出电压vout与调变电路113。斜坡产生器116电性连接于调变电路113。调变电路113电性连接于参考电压信号vref与rs正反器115。rs正反器115电性连接于预驱动器121与单发开路定时器114。

电流涟波萃取器111感测能量存储电感lx中流经输出电容的等效串联电阻(也就是降压变换器12的低边电流)的电流isw以产生感测到的电流，并且移除感测到的电流的直流分量以产生萃取涟波电流。接着，电流涟波萃取器111根据萃取涟波电流来产生涟波电压信号至调变电路113。

斜坡产生器116产生斜坡电压信号至调变电路113，并且斜坡电压信号与涟波电压信号结合形成电压信号vcot。如上所述，斜坡电压信号减少噪声造成的信号抖动，故若是信号抖动不影响结果(也就是当电压信号vcot是涟波电压信号)本发明是可以不需要有斜坡产生器116。

分压器112包含电阻rfbh与rfbl，其中电阻rfbh电性连接于调节器输出电压vout，调变电路113以及电阻rfbl，且电阻rfbl电性连接于地。分压器112根据调节器输出电压vout来产生横跨电阻rfbl的回授电压fb，并且回授电压fb由调变电路113接收。

调变电路113根据电压信号vcot与回授电压fb的加成结果以及参考电压信号vref来产生调变信号，并且输出调变信号至rs正反器115的置位端。例如，当电压信号vcot与回授电压fb的加成结果小于参考电压信号vref(或自参考电压信号vref产生的参考调节过的电压信号)时，rs正反器115输出逻辑水平高的控制信号至预驱动器121，并且由预驱动器121产生的栅极控制信号导通晶体管m1，并且关闭晶体管m2。也就是说，当电压信号vcot与回授电压fb的加成结果小于参考电压信号vref(或自参考电压信号vref产生的参考调节过的电压信号)时，降压变换器的断路时间可以被终止。

单发开路定时器114接收调节器输入电压vin与调节器输出电压vout，并且根据调节器输入电压vin与调节器输出电压vout来产生开路时间控制信号ton(如图2a与2b中所示)以及开路时间控制信号ton的反相信号。开路时间控制信号ton与开路时间控制信号ton的反相信号分别输入至rs正反器115的复位端与置位端。

当开路时间控制信号ton逻辑水平低时，rs正反器115输出逻辑水平高的控制信号至预驱动器121，并且由预驱动器121所产生的栅极控制信号导通晶体管m2，并且关闭晶体管m1。也就是说，当开路时间控制信号ton的加成结果在逻辑水平低时，降压变换器的开路时间被终止。于是，固定开路时间控制器11可以控制降压变换器12的开路时间以及断路时间。

值得注意的是，图1中固定开路时间控制器11的实施方式并非限制本发明。可达成固定开路时间控制器11的功能的其它实施方式也可由本领域技术人员在参考本发明后所得。例如，在另一实施例中，rs正反器15可以由别种正反器所取代。

参考图1与图2a，图2a为本发明单发开路定时器的一实施例的电路图。值得注意的是，图2a显示了图1单发开路定时器114的一实施例的电路图，本发明不以此为限。单发开路定时器114包含磁滞比较器21，电阻r1与电容c1。电阻r1于晶体管m1的漏极与晶体管m2的源极电性连接于电压vsw(也就是位于能量存储电感lx的一端的电压)，并进一步经由电容c1电性连接于地。磁滞比较器21的正输入端与负输入端正输入端与负输入端分别电性连接于调节器输出电压vout以及电容c1与电阻r1的连接点。

磁滞比较器21比较横跨电容c1的电压与调节器输出电压vout以输出磁滞比较结果信号作为开路时间控制信号ton。电压vsw根据调节器输入电压vin变动，横跨电容c1的电压根据电压vsw所产生，并且开路时间控制信号ton根据电压vsw与调节器输出电压vout所决定。也就说，降压变换器12的开路时间根据调节器输入电压vin与调节器输出电压vout所决定。

参考图1与图2b，图2b为本发明单发开路定时器又一实施例的电路图。值得注意的是图2b显示了图1中单发开路定时器114的又一实施例的电路图，本发明不以此为限。单发开路定时器114包含电流源22，电压比较器23以及电容ct_on。电流源22经由电容ct_on电性连接供应电压vdd与地。电压比较器23的正输入端与负输入端分别电性连接于电流源22与电容ct_on的连接点以及调节器输出电压vout。

电流源22来根据调节器输入电压vin产生流经电容ct_on的电流，其中电流正比于调节器输入电压vin。电流流经电容ct_on形成横跨电容ct_on的电压vc，并且电压比较器23比较电压vc与调节器输出电压vout以产生比较结果信号作为开路时间控制信号ton。于是，降压变换器12的开路时间根据调节器输入电压vin与调节器输出电压vout所决定。

接着，参考图1与图3，图3为本发明电流涟波萃取器的一实施例的电路图。值得注意的是，图3显示了图1中电流涟波萃取器111的一实施例的电路图，本发明不以此为限。电流涟波萃取器111包含电流感测放大器31，抽样保持电路32以及减法器33。电流感测放大器31的输入端电性连接于晶体管m1的漏极与能量存储电感lx，以接收降压变换器12的低边电流(也就是电流isw)，且电流感测放大器31的另一输入端电性连接于地。电流感测放大器31的输出端电性连接于减法器33与抽样保持电路32。减法器33电性连接于抽样保持电路32与比较器113。

电流感测放大器31感测电流isw。感测到的电流由电流感测放大器31所产生并且送至减法器33与抽样保持电路32。感测到的电流的直流分量可以由抽样保持电路32取样并且保持。减法器33可以自感测到的电流减去所保持的直流分量(也就是之前感测到的电流的直流分量)以产生萃取涟波电流，且萃取涟波电流输出涟波电压信号。减法器33可进一步将来自斜坡产生器116的斜坡电压信号加入涟波电压信号，以于调变电路113的输入端形成电压信号vcot。

接着，参考图1与图4a，图4a为本发明调变电路的一实施例的电路图。值得注意的是图4a显示了图1中调变电路113的一实施例的电路图，且本发明不以此为限。调变电路113包含放大器41，电容c2，加法器42以及调变器43。放大器41的输出端电性连接于电容c2的一端。放大器41的两输入端分别电性连接于回授电压fb与参考电压信号vref。电容c2的另一端电性连接于地。调变器43的两输入端分别电性连接于回授电压fb与加法器42的输出端，且调变器43的输出端电性连接于rs正反器115。加法器42的两输入端分别电性连接于电压信号vcot与放大器41的输出端。

根据回授电压fb与参考电压信号vref，放大器41产生调节过的参考电压信号vref’。加法器42自调节过的参考电压信号vref’减去电压信号vcot以产生电压信号vrefx。接着，调变器43根据电压信号vrefx与回授电压fb来产生调变信号。

值得注意的是放大器41调节参考电压信号vref，因此，正确性并不会受到噪声容限的影响。然而，本发明不以此为限。参考图4b，图4b为本发明调变电路又一实施例的电路图。在本实施例中，不包含图4a中的放大器41与电容c2。因此，图4b中的加法器42相加参考电压信号vref与电压信号vcot以产生电压信号vrefx，且调变器43根据电压信号vrefx与回授电压fb来产生调变信号。

接着，参考图1，图4a与图5，图5为本发明降压变换器器件的一实施例的信号波形图。当降压变换器12打开时，电流isw增加，当降压变换器12关闭时，电流isw减少。当降压变换器12关闭时，电压vsw为正值且降低，当降压变换器12关闭时，电压vsw为负值并增加。

感测到的电流有直流分量，且因此感测到的电流的直流分量可以根据取样/保持触发被取样并且保持。涟波电流萃取器111可以自目前感测到的电流减去所保持的感测到的电流的直流分量，以产生萃取涟波电流。萃取涟波电流与参考电压信号vref可以产生上述比较电压信号vrefx。回授电压fb与比较电压信号vrefx可以决定降压变换器12的断路时间。特别是，当回授电压fb小于比较电压信号vrefx时，降压变换器12的断路时间会被终止。

总结来说，本发明提供一种固定开路时间控制器，其用于降压变换器器件中，并且提供固定开路时间控制器，其可通过能量存储电感中流经输出电容的esr的感测电流获得萃取涟波电流，其中萃取涟波电流与回授电压可以被决定降压变换器的断路时间。因为萃取涟波电流不具有直流分量，所述固定开路时间控制器可以有加强过的噪声容限。进一步说，信号波动也可通过使用斜坡电压信号来补偿萃取涟波电流的斜率来获得改善，并且因此所述的固定开路时间控制器具有改良的稳定性与抗噪性。

虽然本发明是以特定实施例来进行说明，但本领域技术人员可在不背离本发明的精神与不超出申请权利要求书所界定的范畴中作出修改与变化。