电压模式开关模式转换器中的补偿的制作方法

电压模式开关模式转换器中的补偿


背景技术：

1.下降(step-down)转换器(例如，降压(buck)转换器)是接收输入电压并提供减小的(或下降的)电压的功率转换器。下降转换器可以使用许多不同的架构。在具有电压模式架构的下降转换器中，补偿网络提供从转换器的输出到转换器的输入的反馈控制环路以帮助稳定转换器。如果转换器响应于每个有限输入而产生有限输出，则该转换器是稳定的。不稳定的系统可以包括开关波形中的抖动、输出电压的振荡、晶体管的过热等等。补偿网络为转换器提供稳定性，但是过补偿可能导致低带宽和缓慢的瞬态响应。补偿网络也可以用于增加输出的频率范围。


技术实现要素：

2.根据本说明书的至少一个示例，一种系统包括第一场效应晶体管(fet)，其具有适于耦合到参考电压源的第一fet栅极、耦合到第一电流源的第一fet源极，以及耦合到第二电流源的第一fet漏极。该系统包括第二fet，其具有耦合到第一fet漏极的第二fet栅极、耦合到第一电流源的第二fet漏极，以及耦合到第一电阻器的第二fet源极。该系统还包括第三fet，其具有适于耦合到电压转换器的反馈环路的第三fet栅极、耦合到第三电流源的第三fet源极，以及耦合到第四电流源的第三fet漏极。该系统包括第四fet，其具有耦合到第三fet漏极的第四fet栅极、耦合到第三电流源的第四fet漏极，以及耦合到第二电阻器的第四fet源极。
3.根据本说明书中的至少一个示例，一种系统包括第一fet，其具有适于耦合到参考电压源的第一fet栅极、耦合到第一电流源的第一fet源极，以及耦合到第二电流源的第一fet漏极。该系统还包括第二fet，其具有耦合到第一fet漏极的第二fet栅极、耦合到第一电流源的第二fet漏极，以及耦合到第一电阻器的第二fet源极，其中第一电流源、第二电流源和参考电压源被配置为将第一fet和第二fet偏置在超级源极跟随器配置中。该系统还包括第三fet，其具有耦合到第三电流源的第三fet源极、耦合到第四电流源的第三fet漏极，以及适于耦合到电压转换器的反馈环路的第三fet栅极，该第三fet栅极被配置为接收来自反馈环路的电压。该系统还包括第四fet，其具有耦合到第三fet漏极的第四fet栅极、耦合到第三电流源的第四fet漏极，以及耦合到第二电阻器的第四fet源极，其中第三fet和第四fet被配置为由第三电流源、第四电流源和来自反馈环路的电压偏置在超级源极跟随器配置中。在系统中，耦合在第二fet源极和第四fet源极之间的电压被配置为通过增加电压转换器的相位裕度和增益裕度来补偿电压转换器。
4.根据本说明书的至少一个示例，一种系统包括第一fet，其以超级源极跟随器配置耦合到第二fet，第一fet具有耦合到参考电压源的第一fet栅极。该系统包括第三fet，其以超级源极跟随器配置耦合到第四fet，第三fet具有耦合到电压转换器的反馈环路的第三fet栅极。该系统还包括耦合在第二fet的第二fet源极与第四fet的第四fet源极之间的电压输出。该系统还包括比较器，其具有比较器输出，以及第一比较器输入和第二比较器输入，第一比较器输入耦合到电压输出，第二比较器输入耦合到锯齿波电压源，并且比较器输
出耦合到电压转换器，电压转换器具有耦合到反馈环路的输出端子。
附图说明
5.图1是根据各种示例的环路补偿电路示意图。
6.图2是根据各种示例的相位提升和增益提升的曲线图形。
7.图3是根据各种示例的系统的示意图。
具体实施方式
8.开关电压调节器使用开关技术来从输入电压提供编程的输出电压。一种类型的开关调节器是下降电压转换器(也称为降压转换器)，其将所施加的直流(dc)输入电压转换为较低的直流输出电压。开关调节器使用反馈控制环路来确保在变化的负载条件下维持编程的电压和电流输出。工程师可以通过测量开关调节器跨频率范围的频率响应来测量反馈控制环路的性能。频率响应指示开关调节器在限定操作条件下跨频率范围(例如，在脉宽调制过程期间直流电压被接通和关断的频率)将如何反应(由电压调节器的传递函数确定)。频率响应是开关调节器的动态模型，其表明跨开关频率范围，输入电压、负载和占空比的变化如何影响输出电压。频率响应是影响开关调节器的反应时间、精度和稳定性的动态可调谐参数。
9.可以通过将环路补偿电路合并到开关电压调节器中来调谐频率响应。环路补偿有助于创建在宽频率范围内稳定但不会过度补偿到导致动态响应不佳的程度的开关调节器。类似地，适当的环路补偿可以增加开关调节器在其上稳定的频率范围。环路补偿通常使用三种方法之一：恒定接通时间控制、电流模式控制，或电压模式控制。
10.恒定接通时间控制向输出提供固定周期的能量突发(bursts)。突发的重复率是变化的，以保持输出电压恒定。在电流模式控制中，电感器中的电流被检测并用于反馈环路以及电压反馈环路。在电压模式控制中，输出电压通过反馈环路返回，并且然后执行补偿。
11.对于使用反馈环路的环路补偿电路，相位裕度(margin)和增益裕度是用于识别反馈环路的有效性的参数。增益(以分贝(db)为单位)和相位(以度为单位)都可以相对于频率的对数标度进行绘制。如果环路在相位穿过零度的频率处具有单位增益(例如0db)，则反馈环路不稳定。因此，增益裕度是相位穿过零度的频率处的增益值。增益裕度以分贝为单位进行测量。在一个示例中，如果在相位穿过零度的频率处增益为20db，则增益裕度为20db。因此，在该频率处，反馈环路在系统将变得不稳定的水平之上具有20db的“额外”增益。
12.相位裕度是-180度与增益穿过0db的频率处的相位之间的差值。0db增益意味着输出信号与输入信号具有相同的幅度。增益穿过0db的频率是交叉频率fc。例如，如果交叉频率fc为25khz，并且交叉频率fc处的相位为-120
°
，则相位增益为-120
°‑
(-180
°
)或者为60度。足够的相位裕度防止振荡。正相位裕度是确保电路正常操作的“安全裕度”。开关调节器通常设计有远远超过0度的相位裕度。45度或更大的相位裕度通常是系统的设计目标。
13.然而，各种因素可以减小相位裕度。例如，电压模式控制转换器表现出良好的噪声裕度和低阻抗输出。在一个常规方法中，固定频率电压模式控制转换器使用钽输出滤波电容器。钽电容器的电阻损耗统称为等效串联电阻(esr)。这种固有的esr为系统提供了电压模式控制转换器的补偿“零点(zero)”。“零点”的概念与电压模式控制转换器的传递函数有
关。电压模式控制转换器的传递函数描述了输入电压中的变化或干扰如何导致输出电压中的干扰。当在s平面(实数和虚数的平面)中绘制时，传递函数的“零点”对应于其中传递函数的分子为零(例如，在该复数频率处增益等于零)的复数频率的值。同样，传递函数的“极点”对应于其中传递函数的分母为零(例如，在该复数频率处增益为无穷大)的复数频率的值。极点和零点的值确定电压模式控制转换器是否稳定以及它的性能如何。因此，钽电容器提供的固有esr为系统提供了零点，这使系统稳定。
14.随着电压模式控制转换器中电阻的增加，相位裕度也会增加。然而，随着电容器变得更有效率，电容器的esr减小。因此，电容器中较低的电阻也减小了相位裕度。
15.因为更有效的电容器导致减小的相位裕度，在另一个常规方法中，采用有源增益电路以在反馈环路中引入“零点”，并且因此增加相位裕度。有源增益电路提供足够的相位提升以增加频率范围，但也增加静态电流。因此，频率范围的增加幅度受到静态电流的限制。
16.本文描述的示例涉及用于电压转换器的电压模式控制系统，并且提供了一种环路补偿电路，与常规方法相比，该环路补偿电路对于给定静态电流在增益裕度和相位裕度提升方面产生更大的增加。在另一个示例中，与常规方法相比，可以减小静态电流。在又一示例中，可以实现增益裕度和相位裕度提升的更大增加以及静态电流的减小。本文的示例中描述的环路补偿电路提供了对开关调节器的补偿，而没有静态电流的有害增加。下面的示例使用作为电压转换器的开关调节器，尽管在其他示例中可以实施其他类型的开关调节器。
17.在一个示例中，用于电压转换器的环路补偿电路包括第一fet，其以超级源极跟随器配置耦合到第二fet。环路补偿电路还包括第三fet，其以超级源极跟随器配置耦合到第四fet。第一fet的栅极被配置为接收参考信号，并且第三fet的栅极被配置为通过反馈环路接收电压转换器的输出电压。四个电流源偏置环路补偿电路中的四个fet。如下所述，增加第二fet和第四fet的栅极到源极电压增加了这些fet的漏极电流。漏极电流的增加减小了第二fet和第四fet的漏极端子处的阻抗。相位提升受该阻抗限制，因此，减小的阻抗允许更高的相位提升。减小的阻抗还允许较低的静态电流，同时仍然为电压转换器提供足够的补偿。在一些示例中，可以在包括环路补偿电路的电压模式控制转换器中实现增加的相位提升和较低的静态电流的组合。本文描述的环路补偿电路示例可以为给定应用提供适当的相位提升、增益提升、静态电流和/或频率范围。
18.环路补偿电路的示例被描述为补偿将电压从输入下降到输出的电压转换器(例如，降压转换器)。然而，所描述的环路补偿技术对于任何其他合适类型的电压转换器是有用的，诸如升压调节器、降压-升压调节器等。在一个示例中，环路补偿电路中使用的晶体管被实施为fet，并且更具体地，被实施为金属氧化物半导体fet(mosfet)，但是任何其他合适的固态晶体管器件也可以是有用的。
19.图1是根据一个示例的环路补偿电路100的示意图。环路补偿电路100包括耦合到第一fet 104的栅极的参考电压端子102。在一个示例中，第一fet 104是p沟道mosfet。第一fet 104的源极耦合到节点106，而第一fet 104的漏极耦合到节点108。节点106还耦合到第一电流源110。第一电流源110还耦合到电压源112。第一fet 104的漏极耦合到节点108，该节点耦合到第二电流源114。第二电流源114还耦合到地116。
20.环路补偿电路100还包括第二fet 118，其栅极耦合到节点108。在一个示例中，第二fet 118是n沟道mosfet。第二fet 118的漏极耦合到节点106，并且第二fet 118的源极耦合到节点120。节点120耦合到电阻器122，并且电阻器122耦合到地116。第二fet 118以超级源极跟随器配置耦合到第一fet104。在超级源极跟随器配置中，第一fet的源极耦合到第二fet的漏极。而且，第二fet的栅极耦合到第一fet的漏极。随着第一fet的漏极电流增加，第二fet的栅极到源极电压增加。增加第二fet的栅极到源极电压增加了第二fet的漏极电流，这减小了第二fet的阻抗。相位提升被该阻抗阻碍，因此减小该阻抗允许实现更高的相位提升。
21.环路补偿电路100还包括耦合在节点106和节点126之间的电阻器124，以及也耦合在节点106和节点126之间的电容器128。反馈端子130耦合到第三fet132的栅极。在一个示例中，第三fet 132包括p沟道mosfet。第三fet的漏极耦合到节点134。第三fet 132的源极耦合到节点126，节点126耦合到第三电流源136。第三电流源136还耦合到电压源112。
22.环路补偿电路100还包括第四fet 138，其栅极耦合到节点134。在一个示例中，第四fet 138是n沟道mosfet。第四fet 138的漏极耦合到节点126，并且第四fet 138的源极耦合到节点140。节点140耦合到电阻器142，并且电阻器142耦合到地116。第四电流源144耦合到节点134。第四电流源144还耦合到地116。
23.如同上述的第一fet 104和第二fet 118一样，第四fet 138以超级源极跟随器配置耦合到第三fet 132。第三fet 132和第四fet 138类似地在超级源极跟随器配置中操作，其中第三fet 132的漏极电流的增加增加了第四fet 138中的漏极电流，从而减小了第四fet 138的阻抗。减小该阻抗允许环路补偿电路100实现更高的相位提升。
24.在操作中，环路补偿电路100为电压模式控制转换器提供环路补偿。电流源110、114、136和144为电路提供电流。在一个示例操作中，第一电流源110和第三电流源136各自提供2ib安培的偏置电流，而第二电流源114和第四电流源144各自提供ib安培的偏置电流。在这种配置下，大约ib安培的电流流经电阻器122和电阻器142。可以提供给ib任何适当的值。为正确操作，第一电流源110应提供比第二电流源114更大的电流，并且第三电流源136应提供比第四电流源144更大的电流。在该示例中，第一电流源110和第三电流源136各自提供第二电流源114和第四电流源144的电流的两倍，但是在其他示例中其他比率是有用的。而且，在该示例中，第一电流源110和第三电流源136提供大约相同的电流量，但是在其他示例中这些量可以变化。同样，在该示例中，第二电流源114和第四电流源144提供大约相同的电流量，但是在其他示例中这些量可以变化。
25.耦合到第一fet 104的栅极的参考电压端子102被配置为接收参考电压。从参考电压端子102接收的参考电压的值由电路设计者选择。在示例中，由参考电压端子102接收的参考电压等于电压转换器的编程的输出电压。由参考电压端子102接收的参考电压被环路补偿电路100用来确定电压转换器的编程的输出电压和电压转换器的实际输出电压之间的差，以便使用环路补偿电路100校正输出电压。环路补偿电路100为其提供补偿的电压转换器(图1中未示出)的实际输出电压端子经由耦合到反馈端子130的反馈环路耦合到第三fet 132的栅极。如果由参考电压端子102接收的参考电压不同于反馈端子130上的电压转换器的输出电压，则可以在节点120和140之间测量电压差v
o 146。电压差v
o 146是在参考电压端子102处接收的参考电压和电压转换器的输出电压之间的差的度量。电压差v
o 146由作为
反馈环路的一部分附加电路系统(图1中未示出)用来调节电压转换器并稳定其输出电压。因此，反馈环路和环路补偿电路100补偿电压转换器以将电压转换器的输出电压维持在编程的值。
26.电阻器124和电容器128的值确定电路的零点频率f0。零点是传递函数的分子的根。在该示例中，f0＝1/(2πrc)，其中r是电阻器124的值，并且c是电容器128的值。可以选择电阻器124和电容器128的值以实现特定f0。此外，电阻器124与电阻器122和142的电阻值的比率确定环路补偿电路100的直流增益。在该示例中，如果电阻器122和142的电阻相等，则增益等于r
122
/(r
124
/2)，其中r
122
是电阻器122的值，并且r
124
是电阻器124的值。因此可以选择这些电阻器122、124和142的值来为环路补偿电路100提供特定直流增益。
27.图2是根据各种示例的相位提升和增益提升的曲线图形200。曲线图形200是由环路补偿电路100提供的相位提升和增益提升的一个示例。曲线图形200的上半部是相位提升的曲线图形。相位提升是相对于偏置电流绘制的相位裕度(以度为单位测量)的增加。曲线图形200的下半部分是增益提升的曲线图形。增益提升是相对于偏置电流绘制的增益(以db为单位测量)的增加。
28.常规方法的相位提升在曲线202中示出。曲线204和点206示出在一个示例中由环路补偿电路100提供的相位提升。利用曲线202的常规方法，在点208处示出65度的相位提升。如点208所示，常规环路补偿电路使用大约4.5微安的偏置电流来实现65度相位提升。在环路补偿电路100中，利用大约450纳安(nanoamps)的偏置电流实现65度相位提升(在曲线204的点206处示出)，该偏置电流是常规方法中使用的偏置电流的约1/10。因此，环路补偿电路100可以充分地增加电压转换器的相位裕度，同时减小用于提供补偿的电流。
29.常规方法的增益提升在曲线210中示出。由环路补偿电路100提供的增益提升用曲线212和点214示出。利用常规方法，在点216处示出26db的增益提升。如点216所示，常规环路补偿电路使用大约4.5微安的偏置电流来实现26db的增益提升。相比之下，曲线212是在一个示例中由环路补偿电路100提供的增益提升的曲线图形。如曲线212所示，环路补偿电路100利用大约250纳安的偏置电流提供26db增益提升(在点214处示出)，该偏置电流是常规方法中使用的偏置电流的约1/18。因此，环路补偿电路100可以充分地增加电压转换器的增益裕度，同时减小用于提供环路补偿的偏置电流。
30.图2表明，与常规方法相比，对于给定电流，可以实现相位提升和增益提升的大的增加。在另一示例中，环路补偿电路100可以实现与常规方法中类似的相位提升和增益提升，但是在环路补偿电路100中具有小得多的偏置电流。可替代地，与常规方法相比，相位提升和增益提升两者均可以增加，同时环路补偿电路100中的偏置电流减小。
31.图3是根据示例的系统300的示意图的示例。在一个示例中，系统300包括用于嵌入式处理器的功率管理单元的部件。系统300包括电压转换器302。在该示例中，电压转换器302是电压模式开关模式转换器。在该示例中，电压转换器302也是降压转换器。在其他示例中，电压转换器302可以包括升压转换器、降压-升压转换器或任何其他类型的电压转换器。系统300包括电压转换器302、比较器304(包括比较器输入306、比较器输入308和比较器输出310)、锯齿波电压源312、反馈环路314和输出端子316。系统300还包括参考电压源318，其耦合到图1所示的电压参考端子102，并向电压参考端子102提供参考电压。在操作中，电压转换器302从电压端子v
in 320接收直流输入电压，并在输出端子316处产生直流输出电压。
系统300中的其余部件为电压转换器302提供环路补偿。这些部件稳定电压转换器302的操作，并为电压转换器302提供足够的相位裕度和增益裕度。在该示例中，提供了足够的相位裕度和增益裕度，而没有静态电流的大的增加。
32.在操作中，电压转换器302在输出端子316处产生输出电压。理想地，输出电压与参考电压匹配并且电压转换器302如所设计的那样操作。然而，在现实世界条件下，负载的改变或输入电压的变化可能导致输出电压在一定程度上波动。补偿环路响应输出电压的这种波动并将输出电压调节回设计值。为了实现这种补偿，反馈环路314将输出端子316连接到环路补偿电路100。输出端子316处的电压被提供给反馈端子130，该反馈端子130耦合到第三fet 132(图3中未示出)的栅极，如上关于图1所述。
33.参考电压源318向环路补偿电路100提供参考电压，如上关于图1所述。参考电压被施加到第一fet 104的栅极端子。环路补偿电路100因此在第一fet104的栅极处接收参考电压并在第三fet 132的栅极处接收反馈电压。环路补偿电路100在电压差v
o 146处提供响应于这些电压的差的输出，如上关于图1所述。
34.再次参考图3，电压差v
o 146被提供给比较器304的比较器输入306。比较器304在其每个输入端子处接收输入电压，并在比较器输出处提供电压，该电压指示出哪个输入电压较大。比较器304包括耦合到锯齿波电压源312的第二比较器输入308。锯齿波电压是以一定的速率增加到某一点并且然后迅速下降到其原始电压的电压。锯齿波电压以固定频率重复此上升和下降循环。
35.比较器304在比较器输出310处提供输出信号。然后比较器304的输出信号提供给电压转换器302。比较器304的输出是脉宽调制(pwm)信号，该脉宽调制信号提供给电压转换器302以控制电压转换器302。pwm信号的占空比与电压差v
o 146成比例，其确定电压转换器302内的开关元件导通的时间的百分比。导通时间的百分比进而确定电压转换器302的输出电压。随着电压差vo146由于反馈环路314上的电压的波动而改变，系统300调整和调节对电压转换器302的输入以稳定输出端子316处的输出电压。例如，如果电压转换器302的输出电压与来自参考电压源318的参考电压相比太高，则比较器304将提供pwm信号，该pwm信号导致电压转换器302的输出端子316处的较低电压。相反，如果电压转换器302的输出电压与来自参考电压源318的参考电压相比太低，则比较器304将提供pwm信号，该pwm信号导致电压转换器302的输出端子316处的较高电压。因此，系统300在操作时连续地调节电压转换器302的输出电压。而且，通过利用包括环路补偿电路100的fet的超级源极跟随器配置，系统300提供了足够的相位裕度和增益裕度，而没有静态电流的大的增加。
36.图3是使用环路补偿电路100来为电压转换器302提供环路补偿的示例系统。其他示例可以在具有不同部件以为电压转换器302提供环路补偿的配置中使用环路补偿电路100。在其他示例中，电压转换器302可以包括降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器，或任何合适类型的电压转换器。
37.如上关于图1和2所述，环路补偿电路100为电压转换器302提供相位提升和增益提升的增加，而没有静态电流的大的增加。在一些示例中实现了如图2所示的结果。例如，可以用大约450纳安的偏置电流来实现65度的相位提升。环路补偿电路的设计者可以设计补偿电路以实现特定相位提升或实现特定静态电流。在一些示例中，与常规方法相比，设计者可以同时获得减小的静态电流和增加的相位提升。在一个示例中，可以选择相位提升以将输
出的频率范围增加到编程的水平。
38.在本说明书中，术语“耦合”可以涵盖实现与本说明书一致的功能关系的连接、通信或信号路径。例如，如果器件/设备a生成信号以控制器件/设备b执行动作，则：(a)在第一示例中，器件a耦合到器件b；或者(b)在第二示例中，如果中间部件c没有实质性改变器件a和器件b之间的功能关系，则器件a通过中间部件c耦合到器件b，使得器件b通过器件a经由器件a生成的控制信号来控制。此外，在本说明书中，“被配置为”执行任务或功能的器件可以在制造时由制造商配置(例如，编程和/或硬连线)以执行该功能，和/或可以在制造之后由用户可配置(或可重新配置)以执行该功能和/或其他附加或替代功能。该配置可以通过器件的固件和/或软件编程、通过器件的硬件部件和互连的构造和/或布局、或其组合来进行。此外，在本说明书中，包括某些部件的电路或器件可以替代为适于耦合到那些部件以形成所描述的电路系统或器件。例如，被描述为包括一个或多个半导体元件(诸如晶体管)、一个或多个无源元件(诸如电阻器、电容器和/或电感器)和/或一个或多个源(诸如电压源和/或电流源)的结构可以替代为在单个物理器件(例如，半导体管芯和/或集成电路(ic)封装件)内仅包括半导体元件，并且可以适于在制造时或制造后(诸如，由终端用户和/或第三方)耦合到至少一些无源元件和/或源以形成所述结构。
39.虽然某些部件在本文中可以被描述为具有特定的工艺技术，但这些部件可以被替换为其他工艺技术的部件。本文描述的电路可重新配置以包括替代部件，以提供与在部件替换之前可用的功能至少部分类似的功能。图示为电阻器的元件，除非另有说明，一般代表串联和/或并联耦合的任何一个或多个元件，以提供图示电阻器所表示的阻抗量。例如，本文作为单个部件图示和描述的电阻器或电容器可以分别替代地是串联或并联耦合在与单个电阻器或电容器相同的两个节点之间的多个电阻器或电容器。此外，在本说明书中使用短语“接地电压电位”包括机壳接地、大地接地、浮置接地、虚拟接地、数字接地、公共接地、和/或可适用于或适用于本说明书的教导的任何其他形式的接地连接。除非另有说明，否则在值之前的“约”、“大约”或“基本上”是指所述值的+/-10％。
40.在权利要求的范围内，可以对所述示例进行修改，并且其他示例也是可能的。