具有环路控制的电压转换器的制作方法

1.本说明大体来说涉及集成电路，且更特定来说，涉及一种具有环路控制的电压转换器系统。


背景技术：

2.dc-dc电压转换器可用于将输入dc电压转换为所要输出dc电压以驱动负载。dc-dc转换器可包含：反馈环路，其基于反馈电压及参考电压而在每一切换循环中确定开关的接通或关断时间，借此调节所述dc-dc转换器的输出电压。在常规自适应接通时间或关断时间模式dc-dc转换器中，基于所述反馈电压而调节控制所述开关的脉宽调制(pwm)信号，且基于所述dc-dc转换器的输入及输出电压而确定所述接通时间或关断时间。


技术实现要素：

3.一种电压转换器系统包含经配置以响应于第一控制信号而在第一状态与第二状态之间切换的开关。定时器电路系统经配置以基于所述电压转换器系统的输入及输出电压而产生表示所述第一状态的持续时间的定时信号。控制逻辑耦合到所述开关及所述定时器电路系统，且经配置以基于第二控制信号而产生所述第一控制信号。所述第二控制信号是基于反馈电压及参考电压。定时器控制电路系统耦合到所述控制逻辑及所述定时器电路系统，且经配置以：检测所述第一控制信号与所述第二控制信号之间的相位差；且将所述定时器电路系统调整为基于所述相位差而改变所述持续时间。
附图说明
4.图1是根据本说明的实施方案的dc-dc转换器系统的示意性框图。
5.图2是图1的dc-dc转换器系统的定时器电路系统及定时器控制电路系统的示意性电路图。
6.图3a、3b、3c及3d是图1的dc-dc转换器的模拟波形的图式。
7.图4是自适应接通时间降压dc-dc转换器系统的示意性框图。
8.图5是图4的dc-dc转换器的波形的说明性图式。
9.图6a及6b是图4的dc-dc转换器的模拟波形的图式。
10.图7是根据本说明的实施方案的操作dc-dc转换器系统的方法的流程图。
具体实施方式
11.本说明涉及具有环路控制的dc-dc转换器系统。
12.图1是本说明的实施方案中的dc-dc转换器系统100的示意性框图。更特定来说，图1展示用以在目标电压电平下将输入电压vin转换为输出电压vout的降压dc-dc转换器系统。
13.系统100包含：(a)第一开关102，其耦合于切换端子sw与电压端子(例如经配置以
接收系统100的输入电压vin的输入端子1001)之间；及(b)第二开关104，其耦合于切换端子sw与电压供应端子(例如接地端子gnd)之间，借此允许电流在第一开关102处于第一状态(例如接通状态)且第二开关104处于第二状态(例如关断状态)时从输入端子1001流动到切换端子sw，且允许电流在第二开关104接通时从切换端子sw流动到所述接地端子。还分别称作高侧开关及低侧开关的第一开关102及第二开关104可为晶体管(例如金属氧化物半导体场效应晶体管mosfet)，所述晶体管分别受栅极驱动信号hsd_on及lsd_on控制以在所述第一状态与所述第二状态中交替地操作。系统100还包含：输出电感器106，其耦合于切换端子sw与输出电压端子1002之间；及输出电容器108，其耦合于输出电压端子1002与接地端子gnd之间。
14.在一个实例中，系统100包含定时器电路系统110，定时器电路系统110经配置以接收系统100的输入电压vin及输出电压vout，且经配置以基于系统100的输入电压vin及输出电压vout以及目标切换频率fsw_target而确定第一开关102的第一状态的第一持续时间ton。定时器电路系统110经配置以在所述第一持续时间到期时产生定时信号。在一个实例中，所述定时信号为单发信号one_shot。定时信号one_shot经配置以使第一开关102从所述第一状态切换到所述第二状态。在一个实例中，定时器电路系统110包含定时电容器(未展示)，且通过基于输入电压vin及输出电压vout而将所述定时电容器充电来确定第一持续时间ton。根据以下方程式提供第一开关102的接通状态的第一持续时间ton：
[0015][0016]
其中tsw_target为系统100的目标切换循环tsw_target＝1/fsw_target，且fsw_target为系统100的目标切换频率。第一持续时间ton与系统100的实际切换循环之间的比率界定系统100的切换工作循环。基于所述切换工作循环及输入电压vin而产生输出电压vout。
[0017]
系统100还包含环路控制电路系统112，环路控制电路系统112经配置以基于与输出电压vout成比例的反馈电压vfb及特定参考电压vref而产生环路控制信号loopraw。在一个实例中，环路控制电路系统112包含比较器113，比较器113经配置以：接收反馈电压vfb及特定参考电压vref；且产生环路控制信号loopraw。环路控制信号loopraw经配置以使第一开关102在第一状态与第二状态之间切换，例如从所述第二状态切换到所述第一状态。定时信号one_shot与环路控制信号loopraw之间的相位差界定第一开关102的所述第二状态的目标第二持续时间。环路控制电路系统112基于反馈电压vfb而确定第一开关102的所述第二状态的目标第二持续时间toff_target。规定根据以下方程式提供目标第二持续时间toff_target：
[0018]
toff_target＝tsw_target
–
ton
ꢀꢀꢀ
(2)
[0019]
系统100还包含：控制逻辑114，其耦合到定时器电路系统110及环路控制电路系统112以分别接收定时信号one_shot及环路控制信号loopraw；及驱动器单元115，其耦合于控制逻辑114与第一开关102及第二开关104之间。控制逻辑114经配置以基于定时信号one_shot及环路控制信号loopraw而产生控制信号s
on
及s
off
。控制信号s
on
经配置以将栅极驱动信号hsd_on断言且将栅极驱动信号lsd_on解除断言。控制信号s
off
经配置以将栅极驱动信号hsd_on解除断言且将栅极驱动信号lsd_on断言。控制逻辑114包含经配置以对第一开关
102的第二状态的最小持续时间toff_min进行定时的最小时间控制单元117。基于dc-dc转换器系统100的各种因素(例如电感器电流il感测的消隐时间及由环路控制电路系统112、控制逻辑114及/或驱动器单元115导致的延迟)而配置最小持续时间toff_min。在一个实例中，控制逻辑114经配置以响应于定时信号one_shot而将控制信号s
off
断言以关断第一开关102，且在将环路控制信号loopraw断言且第一开关102的第二状态的最小持续时间toff_min到期时将控制信号s
on
断言以接通第一开关102。因此，当最小持续时间toff_min大于由环路控制电路系统112确定的目标第二持续时间toff_target时，基于最小持续时间toff_min而将控制信号s
on
断言。因此，最小持续时间toff_min决定了所述第一开关的实际第二持续时间toff。当控制信号s
on
落后于环路控制信号loopraw时，第一开关102的第二状态的实际持续时间toff大于目标第二持续时间toff_target。第一开关102的第一状态的第一持续时间ton晚于由环路控制信号loopraw确定的时间而到达，此导致dc-dc转换器系统100的切换工作循环的减少。因此，通过接通第一开关102而产生的能量将不足以使输出电压vout维持在目标电压电平。
[0020]
在一个实例中，系统100进一步包含耦合到定时器电路系统110、环路控制电路系统112及控制逻辑114的定时器控制电路系统116。定时器控制电路系统116经配置以：(a)检测控制信号s
on
与环路控制信号loopraw之间的相位差，且(b)响应于检测到控制信号s
on
落后于环路控制信号loopraw而使第一持续时间ton改变(例如延长)与所述相位差成比例的额外持续时间以确保dc-dc转换器系统100的切换工作循环足够大以使输出电压vout维持在特定电压电平。因此，在转换器系统100中，当最小持续时间toff_min决定了第一开关102的第二状态的实际持续时间toff时：(a)转换器系统100的实际第二持续时间toff基于最小持续时间toff_min而为固定的，(b)第一持续时间ton与相位差成比例地延长，且(c)dc-dc转换器系统100的切换频率fsw平滑地降低。
[0021]
在一个实例中，定时器控制电路系统116包含相位检测器118，相位检测器118经配置以：接收控制信号s
on
及环路控制信号loopraw；检测控制信号s
on
与环路控制信号loopraw之间的相位差；且产生具有与所述相位差成比例的持续时间的充电信号sc。定时器控制电路系统116还包含电荷泵电路系统120，电荷泵电路系统120耦合到相位检测器118且经配置以产生与充电信号sc的宽度成比例的第二电流is。在一个实例中，电荷泵电路系统120经配置而以第二电流is将定时器电路系统110的电容器放电以延长第一持续时间ton。
[0022]
图2是定时器电路系统200及定时器控制电路系统202(例如图1的dc-dc转换器系统100的定时器电路系统110及定时器控制电路系统116)的实例性示意性电路图。
[0023]
定时器电路系统200包含第一比较器204，第一比较器204具有：第一输入端子(例如非反相输入端子)，其经配置以接收与输出电压vout成比例的电压k
·
vout；第二输入端子(例如反相输入端子)；及输出端子，其经配置以产生定时信号one_shot。定时器电路系统200还包含：(a)第一电阻器rs 206，其耦合于切换端子sw与第一比较器204的反相输入端子之间；及(b)第一电容器cs 208，其具有耦合到第一比较器204的反相输入端子的第一端子及耦合到电压供应器(例如接地端子)的第二端子。定时器电路系统200进一步包含控制开关210，控制开关210与第一电容器cs 208并联耦合，且配置为在第一开关102处于第二状态中时短接第一电容器cs 208。在一个实例中，当第一开关102处于第一状态(例如接通状态)中时，充电电流i0(通过切换端子sw及第一电阻器rs 206从输入端子1001提供)将第一电容
器cs 208充电。第一比较器204在第一电容器cs 208的第一端子处的电压增加到电压k
·
vout时产生定时信号。定时信号one_shot的断言致使控制逻辑114将控制信号s
off
断言以关断第一开关102且接通控制开关210以将第一电容器cs 208的第一端子放电到接地。由第一比较器204产生的定时信号one_shot为单发信号。根据以下方程式提供第一开关102的接通状态的第一持续时间ton：
[0024][0025]
其中k
·
rs
·
cs基于系统100的目标切换循环tsw_target＝1/fsw_target而配置，其中fsw_target为系统100的目标切换频率。
[0026]
定时器控制电路系统202包含相位检测器212，例如图1的dc-dc转换器系统100的相位检测器118。在一个实例中，相位检测器212为d触发器，所述d触发器具有：数据输入端子，其经配置以从环路控制电路系统112接收环路控制信号loopraw；及时钟输入端子，其经配置以从控制逻辑114接收控制信号s
on
。相位检测器212确定环路控制信号loopraw与控制信号s
on
之间的相位差，且产生具有与所述相位差成比例的持续时间(宽度)的充电信号sc。相位检测器212还可包含响应于环路控制信号loopraw的断言而产生充电信号sc的第一边缘(例如上升边缘)且响应于控制信号s
on
的断言而产生充电信号sc的第二边缘(例如下降边缘)的其它逻辑。
[0027]
定时器控制电路系统202包含电荷泵电路系统214，例如图1的dc-dc转换器系统100的电荷泵电路系统120。电荷泵电路系统214包含提供第一电流ic的第一电流源216、耦合到第一电流源ic 216的充电开关218及具有耦合到充电开关218的第一端子及耦合到电压供应器(例如接地端子gnd)的第二端子的第二电容器cpd 220。充电开关218由充电信号sc控制以在基于由相位检测器212检测到的相位差的持续时间内将第一电流源ic 216耦合到第二电容器cpd 220。在一个实例中，充电信号sc为脉冲信号，所述脉冲信号具有与环路控制信号loopraw和控制信号s
on
之间的相位差成比例的宽度。在一个实例中，充电开关218经配置以在从充电信号sc的第一边缘到第二边缘的周期期间接通。电荷泵电路系统214还包含耦合于第二电容器cpd 220的第一端子与第一比较器204的反相输入端子之间的放大器(例如跨导放大器)222。跨导放大器222经配置以：提供与跨越第二电容器cpd 220的电压vpd成比例的第二电流源is。由第二电流源提供的第二电流is：(a)抵消由第一电容器208接收的充电电流i0；且(b)延迟第一控制信号的改变。在一个实例中，第二电流is将第一电容器cs 208放电，借此使第一持续时间ton成比例地延长。因此，在转换器系统100中，当最小持续时间toff_min决定了第一开关102的第二状态的实际持续时间toff时：转换器系统100的实际第二持续时间toff基于最小持续时间toff_min而为固定的；第一持续时间ton与相位差成比例地延长；且dc-dc转换器系统100的切换频率fsw平滑地降低。
[0028]
在一个实例中，根据以下方程式提供第一电流源ic、第二电容器cpd 220的电容及跨导放大器222的增益：
[0029][0030]
其中i0为穿过第一电阻器rs 206以将第一电容器cs 208充电的原充电电流，α为用于调整第一持续时间ton以确保平滑改变的目标步进(例如，α＝0.03％)，gain为跨导放
大器222的增益，且t
pd
可最大限度地经设定为第一开关102的第二状态的最小持续时间toff_min。
[0031]
在一个实例中，电荷泵电路系统214进一步包含耦合到第二电容器cpd 220的第一端子的第一箝位电路系统224。在一个优选实例中，第一箝位电路系统224包含第一二极管226，第一二极管226具有耦合到第二电容器cpd 220的第一端子的阴极端子及耦合到接地端子的阳极端子，使得第二电容器cpd 220的第一端子处的电压由第一二极管226箝位到第一特定电压以上以阻止第二电流信号is将第一电容器208充电。在优选实例中，定时器控制电路系统202包含与第二电容器cpd 220并联耦合的第二电阻器228。当最小持续时间toff_min决定了第一开关102的第二状态的实际持续时间toff时，第二电阻器228经配置以提供较缓慢放电路径以将第二电容器cpd 220较缓慢地放电从而使dc-dc转换器系统100保持在稳定状态中。
[0032]
在另一优选实例中，电荷泵电路系统214还包含具有第二二极管230(具有耦合到第二电容器cpd 220的第一端子的阳极端子及耦合到电压供应器的阴极端子)的第二箝位电路系统229，使得将第二电容器cpd 220的第一端子处的电压箝位到第二特定电压以下(基于第二二极管230的电压供应及阈值电压)以基于所述第二特定电压而将第二电流信号is箝位到最大值以下，以便将dc-dc转换器系统100的切换频率fsw限制在特定最小值以上。
[0033]
图3a是在输入电压vin转变状态期间图1的dc-dc转换器系统100的模拟波形的图式300，其中目标输出电压vout_target设定为5v，目标切换频率fsw_target经设定处于约600khz，且最小关断时间toff_min经设定处于190ns。dc-dc转换器系统100的输入电压vin 302从相对地高于目标输出电压vout_target的电压电平减小到稍微高于目标输出电压vout_target的电压。图3b是在输入电压vin相对地高于目标输出电压vout_target时在第一周期p1期间图3a的模拟波形的部分放大图式320。图3c是在输入电压vin稍微高于目标输出电压vout_target时在第二周期p2期间图3a的模拟波形的部分放大图式340。
[0034]
如图3a中所展示，参考图1，随着输入电压vin的降低，最小持续时间toff_min开始决定第一开关102的第二状态的实际持续时间toff，且控制信号s
on
与环路控制信号loopraw之间的相位差增加。如上文所描述，检测到相位差且将所述相位差转换为充电信号sc以将第二电容器cpd 220充电。跨越第二电容器cpd 220的电压vpd 304随着相位差增加而成比例地增加。将电压vpd 304转换为第二电流信号is以在第一开关102处于第一状态中时将第一电容器208放电，以延长第一开关102的第一状态的第一持续时间ton。当实际第二持续时间toff基于最小持续时间toff_min而固定时，延长切换循环tsw。增加系统100的切换工作循环以使输出电压vout维持在目标输出电压vout_target。
[0035]
如图3b中所展示，当输入电压vin为大约5.8v(其相对地高于目标输出电压vout_target)时：第一开关102的第二状态的目标第二持续时间toff(由环路控制电路系统112确定)大于最小持续时间toff_min；且与环路控制信号loopraw的断言基本上同时地将第一控制信号s
on
断言。在时间t1处，响应于环路控制信号loopraw 326的断言且与环路控制信号loopraw 326的断言基本上同时地将控制信号s
on 324断言。充电信号328由于控制逻辑114的延迟而为基本上周期性脉冲信号。输出电压vout 330保持基本上大约5v，且第二电容器cpd 220的第一端子处的电压vpd 332保持在0v，因为不存在充电到第二电容器cpd 220的电流。第一持续时间ton为大约1.632μs。
[0036]
如图3c中所展示，当输入电压vin 342减少到相对地更接近目标输出电压vout_target的约5.6v时，在环路控制信号loopraw的断言之后将第一控制信号s
on
断言，因为第一开关102的第二状态的目标第二持续时间toff_target(由环路控制电路系统112确定)小于最小持续时间toff_min。因此最小持续时间toff_min决定了第一开关102的第二状态的实际第二持续时间toff。在时间t3处：将环路控制信号loopraw 346断言，且由于最小关断时间控制而稍后在时间t4处将控制信号s
on 344断言，从而相对于环路控制信号loopraw 346具有相位差δt。响应于相位差δt，充电信号sc 348在一时间周期内被断言，这使得第一电流源ic能够将第二电容器cpd充电，且借此增加电压vpd 352。如上文所描述，将电压vpd 352转换为第二电流源is以在第一开关102处于接通状态时将第一电容器cs 208放电，借此延长第一开关102的第一持续时间ton。如图3c中所展示，第一持续时间ton延长到约2.334μs，因此输出电压vout 350保持基本上大约5v。切换循环tsw延长到约2.524μs，因此切换频率fsw降低到约400khz。
[0037]
图3d是在输入电压vin稳定状态中的图1的dc-dc转换器系统100的模拟波形的图式360，其中输入电压vin经设定为5.5v，目标输出电压vout_target＝5v，目标切换频率fsw_target为约600khz，且最小关断时间toff_min为190ns。在稳定状态中，通过延长如参考图1所描述的第一开关102的第一持续时间ton，使输出电压vout 368基本上维持在目标输出电压5v，且切换频率fsw减小到292khz。与环路控制信号loopraw 364的断言基本上同时地将控制信号s
on 362断言，且充电信号sc 366由于控制逻辑114的延迟而再次为基本上周期性脉冲信号，此致使电压vpd 370增加。电压vpd 370接着通过由第二电阻器228提供的放电路径减小。
[0038]
图4是自适应接通时间降压dc-dc转换器系统400的示意性框图。系统400基本上类似于图1的系统100，除了系统400不包含系统100的定时器控制电路系统116。控制逻辑414经配置以：(a)基于定时信号one_shot(其是由定时器电路系统410基于系统400的输入电压vin及输出电压vout以及目标切换频率fsw_target而产生)而关断第一开关402，且(b)基于第一开关的关断状态的最小持续时间及环路控制信号loopraw而接通第一开关402。环路控制信号loopraw是由环路控制电路系统412基于与输出电压vout成比例的反馈电压和特定参考电压vref之间的差而产生。
[0039]
图5是图4的dc-dc转换器400的波形的说明性图式500。切换端子sw处的电压vsw 502在第一开关402的第一持续时间ton期间切换到输入电压vin。穿过电感器406的电感器电流il 504及反馈电压vfb 506斜升。在时间t1处，定时器电路系统410到期，此致使第一开关402关断。切换端子sw处的电压vsw 502在第一开关402的第二持续时间toff期间切换到接地gnd。穿过电感器406的电感器电流il 504及反馈电压vfb 506斜降。在时间t2处，反馈电压vfb 506下降到特定参考电压vref 508。当输入电压vin足够高于目标输出电压vout_target时，第二持续时间toff大于第一开关402的第二状态的最小持续时间toff_min，且再次在时间t2处接通第一开关402。
[0040]
图6a是当输入电压vin相对地高于目标输出电压vout时图4的dc-dc转换器的模拟波形的图式600，其中第一开关102的第二状态的第二持续时间toff(由环路控制电路系统412确定)大于最小持续时间toff_min。在图6a中，输入电压vin处于12v，目标输出电压经设定为5v，目标切换频率fsw_target为约600khz，且最小关断时间toff_min为190ns。在时间
t1处，响应于环路控制信号loopraw 602的断言且与环路控制信号loopraw 602的断言基本上同时地将控制信号s
on 606断言。输出电压vout 604保持基本上大约5v。
[0041]
图6b是当输入电压vin相对地接近目标输出电压vout时图4的dc-dc转换器的模拟波形的图式610，其中第一开关402的第二状态的第二持续时间toff(由环路控制电路系统412确定)小于最小持续时间toff_min。在图6b中，输入电压vin减小到5.6v，且目标输出电压仍设定为5v。在时间t1处：(a)将环路控制信号loopraw 612断言，且由于最小关断时间控制而稍后在时间t2处将控制信号s
on 616断言，从而相对于环路控制信号loopraw 612具有相位差δt。因此，第一开关402的实际第二持续时间toff大于目标第二持续时间toff_target(基于环路控制信号loopraw 612而确定)，且随着实际第二持续时间toff的增加，比环路控制信号loopraw 612的断言晚地使第一开关402从第二状态切换到第一状态，第一持续时间ton不足够大而不能提供穿过电感器406的充足能量。系统400的切换工作循环的减小致使输出电压vout 614下降到约4.81v。
[0042]
图7是根据本说明的实施方案的操作dc-dc转换器系统的方法的流程图。
[0043]
在步骤702处开始，参考图1的dc-dc转换器系统100以及图2的定时器电路系统200及定时器控制电路系统202，定时器电路系统110通过在第一开关102接通时用充电电流i0将第一电容器cs 208充电到与输出电压vout成比例的电压k
·
vout来确定第一开关102的第一状态(例如，接通状态)的第一持续时间ton。基于输入电压vin而产生充电电流i0。定时器电路系统110在第一持续时间ton到期时产生定时信号one_shot以使第一开关102从所述第一状态切换到第二状态(例如，关断状态)。当第一开关102关断时将第一电容器cs 208放电到接地。
[0044]
在步骤704处，环路控制电路系统112：(a)基于与输出电压vout成比例的反馈电压vfb且基于特定参考电压vref而确定第一开关102的第二状态的目标第二持续时间toff_target，且(b)产生环路控制信号loopraw以使第一开关102从第二状态切换到第一状态。
[0045]
在步骤706处，控制逻辑114基于环路控制信号loopraw及第一开关102的第二状态的最小持续时间toff_min而产生第一控制信号s
on
。在一个实例中，当将环路控制信号loopraw断言且最小持续时间toff_min到期时将第一控制信号s
on
断言。
[0046]
在步骤708处，定时器控制电路系统202的相位检测器212检测环路控制信号loopraw与第一控制信号s
on
之间的相位差。在一个实例中，相位检测器212产生具有基于所述相位差的持续时间的充电信号sc。
[0047]
在步骤710处，电荷泵电路系统214产生与充电信号sc的持续时间成比例的第二电流is。在一个实例中，电荷泵电路系统214包含：(a)第一电流源ic，其经配置以基于充电信号sc而将第二电容器cpd 220充电以在电容器cpd 220的第一端子处产生电压vpd；及(b)跨导放大器222，其经配置以将电压vpd转换为第二电流is。在一个实例中，将电压vpd箝位在(a)第一特定电压电平以上以阻止第二电流is将第一电容器cs 208充电及(b)第二特定电压电平以下以将dc-dc转换器系统100的切换频率fsw限制在特定最小值以上。
[0048]
在步骤712处，当第一开关接通时将第一电容器cs 208放电第二电流is，使得被充电到第一电容器cs 208的电流减小以延长第一开关102的第一持续时间ton。因此，在转换器系统100中，当最小持续时间toff_min决定了第一开关102的第二状态的实际持续时间toff时，(a)转换器系统100的实际第二持续时间toff基于最小持续时间toff_min而为固定
的，(b)第一持续时间ton与相位差成比例地延长，且(c)dc-dc转换器系统100的切换频率fsw平滑地降低。
[0049]
在说明书中，术语“耦合”可涵盖达成与本说明一致的功能性关系的连接、通信或信号路径。举例来说，如果装置a产生控制装置b执行动作的信号，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，装置a通过介入组件c耦合到装置b(在介入组件c不更改装置a与装置b之间的功能性关系的情况下)使得装置b经由装置a所产生的控制信号受装置a控制。
[0050]
在所描述实例中，修改是可能的，且在权利要求书的范围内，其它实例是可能的。