專利名稱：開關(guān)穩(wěn)壓器反饋環(huán)路中的模擬乘法器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
開關(guān)穩(wěn)壓器，像所有的反饋系統(tǒng)，必須適當?shù)摹把a償”來確定反饋回路不會振蕩。在開關(guān)穩(wěn)壓器中補償是特別困難的，因為電感器和電阻(在LC濾波器網(wǎng)絡)通常用來轉(zhuǎn)換開關(guān)波形，得到穩(wěn)定的直流輸出電壓，從而在反饋回路的前置部分引起大的相移。此外，環(huán)路的“增益”通常是直流輸入電壓的函數(shù)。當輸入電壓在很大的范圍內(nèi)變化時，將導致不穩(wěn)定問題或低回路響應。開關(guān)穩(wěn)壓器的另一個問題是在輸入電壓或負載電流突然變化時響應速度慢。穩(wěn)壓器具有高直流增益，這使它能夠在輸入電壓和負載電流具有大的變化時保持良好的穩(wěn)壓輸出，但如果這些變化迅速，將會有較大的瞬態(tài)輸出電壓的變化，而反饋回路試圖糾正輸出誤差。整體的慢響應速度是由上述提到的LC濾波器網(wǎng)絡的響應時間和AC環(huán)路增益需要小于Odb (單位)的十分之一或更小的開關(guān)頻率的要求決定的。IOOkhz的開關(guān)頻率將需要IOkhz或以下的單位增益頻率。線性穩(wěn)壓器，于此相反，在幾百千赫到幾兆赫的范圍內(nèi)，可以具有單位增益頻率。它們對線路的波動或負載條件迅速作出響應。然而，線性穩(wěn)壓器將不會起到開關(guān)穩(wěn)壓器的作用。
背景技術(shù)：
為了實現(xiàn)更好的時間與輸入波動的響應，現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)穩(wěn)壓器電路中所使用的被稱為“前饋”校正。這些電路的原理是把輸出校正信號加到回路的前置部分。這個信號與輸入電壓成比例，在輸出電壓端引起一個相等的偏移，這也可以由穩(wěn)壓器輸入電壓改變而引起。此校正信號具有響應速度快，因為它沒有直通整體穩(wěn)壓環(huán)路慢“反饋”的一部分。一種完成這個反饋功能的方法是使振蕩器的振幅是輸入電壓的函數(shù)。由于這會導致頻率與輸入電壓成反比例變化，振蕩器的充電電流也需要一個輸入電壓函數(shù)來保持穩(wěn)定的開關(guān)頻率。其它各種方案也被設計插入一個前饋信號。然而，這些前饋信號也有缺點。這些現(xiàn)有方案遇到的問題包括不精確的補償，小范圍的可允許輸入電壓，以及開關(guān)頻率和抖動。鑒于上述情況，在開關(guān)穩(wěn)壓器電路中提供一個反饋輸出糾正，以此允許精確的補償和大的可允許的輸入電壓范圍，在開關(guān)頻率中不會引起抖動，這是可取的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是在開關(guān)穩(wěn)壓器電路中提供一種前饋方法，這種方法是精確的并且不限制輸入電壓或影響開關(guān)頻率。這和本發(fā)明的其它目的都是由一個開關(guān)調(diào)節(jié)器電路完成的，該電路采使用了插入在誤差放大器和穩(wěn)壓器占空比調(diào)節(jié)器之間的模擬乘法器電路。本發(fā)明的技術(shù)解決方案乘法器的輸出(Vm)的廣義公式是Vm = X*Y/Z，其中X，Y和Z是乘法器三個輸入“端口”。為了在開關(guān)穩(wěn)壓器降壓模式中實現(xiàn)正確的前置功能，X和Y端口分別連接到誤差放大器的輸出和一個穩(wěn)定的基準信號源(電壓或電流)，z端口連接到穩(wěn)壓器的輸入電壓端。模擬乘法器消除了差分放大器在穩(wěn)壓輸入電壓改變時輸出電壓改變的可能性，以及使輸入電壓環(huán)路“增益”獨立。對比文獻，發(fā)明專利開關(guān)式穩(wěn)壓器，申請?zhí)?00610164198. 2 ；發(fā)明專利開關(guān)穩(wěn)壓器，申請?zhí)?01110334671. 8。


圖1是一個開關(guān)調(diào)節(jié)模擬乘法器和單片集成振蕩器電路，包括一個單片集成電路開關(guān)穩(wěn)壓器的設備，結(jié)合了模擬倍頻器的前饋方法和本發(fā)明的一個示例性實施的比較器組件的框圖。圖2是圖1開關(guān)穩(wěn)壓單片集成電路中的模擬乘法器與比較器的典型實現(xiàn)方式的電路圖。
具體實施例方式參照圖1，在以一種正降壓模式工作的開關(guān)穩(wěn)壓器電路102中展示了一個單片集成電路的穩(wěn)壓器的移動設備，開關(guān)穩(wěn)壓器設備100與分立元件相連接。例如，雖在圖1中未畫出，設備100優(yōu)先地包括了一個或多個終端以及執(zhí)行各種功能的電路，諸如頻率補償，電流限制，軟啟動操作和關(guān)閉。另外，裝置100中包含的各種電路的功能可以被交替使用的分立元件所實現(xiàn)(例如，一個額外的開關(guān)或差分放大器可以被使用)。在圖1，設備100的四個終端被示出，包括輸入電源的終端(Vin)，一個開關(guān)輸出的終端(vsw)，反饋端(FB)和接地端子(GND)。終端Vin提供了輸入電壓的連接點，并用于將電力提供給裝置100的內(nèi)部電路。終端Vsw是裝置100的輸出端子。它提供了裝置100中開關(guān)104和外部組件之間的結(jié)點，配置用來使轉(zhuǎn)換的脈沖電流流過開關(guān)104到一個穩(wěn)定的輸出電壓Vwt，作為開關(guān)穩(wěn)壓器拓撲結(jié)構(gòu)。端子FB作為一個輸入，用于反饋電壓，端子GND提供用于把設備100的額外電路連接到額外接地的點。在穩(wěn)壓器電路102中，裝置100通過的端子Vsw，F(xiàn)B和GND連接到外部電阻Rl和R2，電容Cl，二極管Dl和電感LI。如前所述，調(diào)節(jié)器電路102被放置在典型正降壓模式穩(wěn)壓器中來實現(xiàn)。降壓型穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定的輸出電壓Vwt，這低于端子Vin的電壓。穩(wěn)壓電路102的工作原理如下。開關(guān)104，其特征在于，包括一個由NPN晶體管驅(qū)動的達林頓飽和PNP晶體管，頻率打開和關(guān)閉由振蕩器電路106設置。一個開關(guān)周期是由工作周期控制邏輯電路109的R/S鎖存器電路108中的振蕩器設置。為了這個目的，振蕩器106提供一個脈沖波形106a到置位輸入端S。開關(guān)104的開關(guān)頻率等于波形106a的脈沖頻率。除了設置R/S鎖存器108，每個脈沖也鎖定開關(guān)104提供給逆變器109和“與”門110持續(xù)的脈沖時間。如果需要的話，這可以限定開關(guān)的斷開時間。開關(guān)104被傳統(tǒng)的比較器電路112斷開。比較器電路112，以及占空比控制邏輯電路109，包括占空比調(diào)制電路111中的移動設備100。比較電路112重設鎖存器108，只需非反相輸入端⑴的電壓超過由反相輸入端㈠的電壓所設置的閾值電壓。比較器112的非反相輸入端被連接到振蕩器電路106的第二輸出端,它為第二輸出口提供了一個與鋸齒波形106b同步的脈沖波形106a。波形106b峰-峰幅度Vp。連接到乘法器電路114的輸出端(OUT)的比較器112的反相輸入端，它為比較器提供了一個閾值信號Vm。開關(guān)“接通”時間到“關(guān)”時間(占空比)的比例由比較器112反相輸入端的電壓Vm決定。ivm是在靠近振蕩器輸出波形106b的最低點的電壓等級時，占空比(DC)接近零，當Vm接近波形106b的高電壓時，占空比接近1.0(100% )。穩(wěn)壓器電路102的輸出電壓由輸入電壓和占空比決定，如下=Vtjut = (DC) (Vin)。端子Vsw的波形在Vin和零之間切換。在開關(guān)104關(guān)閉時，它大約等于Vin，在開關(guān)104打開時，它大致為零。電感LI和電容Cl把此矩形開關(guān)波形過濾成一個相對平滑的直流輸出電壓波形。為了保持一個恒定的直流輸出電壓Vwt，在設備100中的差分放大器電路116檢測到一個與規(guī)定的輸出電壓成比例的電壓，它被應用到由電阻Rl和R2組成的電阻分壓器網(wǎng)絡的端子FB上。差分放大器116將該比例的反饋電壓與一個穩(wěn)定的參考電壓Vl比較。輸出電壓的任何誤差將由差分放大器116放大，并通過乘法器114調(diào)整開關(guān)104的占空比饋送到比較器112。差分放大器116是一個具有高增益的常規(guī)的放大器電路。這種高增益的結(jié)果是，調(diào)節(jié)器的輸出將由VI，Rl和R2確定為一個精確值。設備100中網(wǎng)絡a和b是傳統(tǒng)的電阻器和電容器組合而成的，用來降低差分放大器的增益，在更高的頻率中，以確保一個穩(wěn)定的反饋回路。反饋環(huán)路調(diào)節(jié)電路102的數(shù)學分析表明，比較器112的反相輸入端的電壓等于Vm = 是斜坡振蕩器輸出波形106b的峰-峰電壓。如果Vin從一個低電壓值(Vl)到一個高電壓值(\)，Vffl該變量必須等于。在不需要乘法器電路114的情況下，差分放大器116將調(diào)整Vm到所需的值，以保持一個恒定的輸出，但是，因為差分放大器在高頻時被網(wǎng)絡a和b “減緩”，這糾正行動需要相當長的時間。在這段時間內(nèi)，調(diào)節(jié)器輸出的偏量可以從相對大的量到一個預定值。當穩(wěn)壓器輸入電壓改變時，乘法器114的功能是消除差分放大器的輸出來改變電壓。乘法器(Vm)的輸出與相等，由于所需的相等，然后一個簡單的代數(shù)的操縱表明。需要注意的是，現(xiàn)在所需的VJi立于輸入電壓Vin。輸入電壓的變化由乘法器114轉(zhuǎn)換成值Vm，可以保持一個恒定的輸出電壓值vm。這個乘法器前饋技術(shù)的速度和準確性超過任何輸入電壓范圍。這不影響開關(guān)頻率。該乘法器執(zhí)行第二功能，它使環(huán)路“增益”獨立于輸入電壓。Vtjut與\，Vffl和Vin關(guān)系為。
dV V.Vffl到Vtjut的“增益”通過區(qū)別Vm來表達這表明，在沒有乘法器的傳統(tǒng)電路中，環(huán)路增益直接正比于輸入電壓。頻率補償網(wǎng)必須設計以確保在最高電壓時Vin的環(huán)路穩(wěn)定性，并因此被“過度設計”為低電壓。這使得環(huán)路很慢，加劇了在低輸入電壓的瞬態(tài)響應問題。添加乘法器弓I入一個增益項，可以取消Vm到Vrat增益變化，在下面一系列方程中表dV V
dv· =Vp
開關(guān)穩(wěn)壓電路的其他拓撲結(jié)構(gòu)使用模擬乘法器前饋技術(shù)可以容易地實現(xiàn)。它可能需要在其他拓撲結(jié)構(gòu)中使用不同的輸入到乘法器。例如，這是優(yōu)先選擇的，在一個正到負轉(zhuǎn)換器(或者負到正的轉(zhuǎn)換器)中，在“Z”的乘法器的輸入等于vin+vwt，，而不是vin。這是很容易完成的一個求和網(wǎng)絡。作為本技術(shù)領(lǐng)域中的一項技術(shù)，在所有的開關(guān)穩(wěn)壓器的瞬態(tài)和閉環(huán)增益的問題中，本發(fā)明的乘法器技術(shù)提供了一種通用的解決方案。圖2示意出模擬乘法器在雙極集成電路器件中的一個優(yōu)先電路。乘法器114在圖2中，作為單象限(所有的輸入和輸出都是正)電流基乘法器電路。其他常規(guī)設計的基于電流或電壓的(一般在圖1中顯示出)模擬乘法器電路可能在乘法器114中實現(xiàn)。晶體管Ql作為乘法器核心通過Q4運作。“X”輸入到乘法器Va(差分放大器116的輸出端)，其產(chǎn)生的電流通過Va/Rl中的電阻Rl。為了電路2操作中的討論，三極管基極電流和基極-發(fā)射極電壓降被忽略?！癥”輸入是一個基準電流II。電流源202傳遞電流Il到鏡像電流Q5/Q6，通過三極管Q2的電流等于II?！癦”輸入是Vin(從終端設備100傳到Vin端)。Vin通過電阻器R2和鏡像電流Q7/Q8被饋送使三極管Q3的電流等于Vin/R2。乘法器114的輸出是三極管中的電流Q4。電流被計算為。振蕩器的電壓波形106b被饋送到輸入電阻R3，可以傳導電流到三極管Q4和Q10。從這個信號中減去三極管Q4的電流，以設置三極管QlO的基極電壓。三極管QlO包括比較器112。三極管QlO集電極電壓輸出近似方波的占空比(DC)約等于。電流源204為三極管Q2和Q3提供一個基極電流12。偏置電壓從應用在端子Vin的輸入電壓應用到整體乘法器電路。三極管Qll作為電流放大器隔離來自三極管Ql的偏置電流。這樣已經(jīng)描述了用在開關(guān)穩(wěn)壓器電路中的模擬乘法器前饋技術(shù)。對本領(lǐng)域技術(shù)有理解的人可以認識到本發(fā)明可用與本文所述不同的方案實現(xiàn)，本文所述方案是說明性的而不具有限制性，本發(fā)明僅受到以上所描述的權(quán)力要求限制。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)穩(wěn)壓器反饋環(huán)路中的模擬乘法器，即開關(guān)穩(wěn)壓器反饋回路的集成電路，開 關(guān)穩(wěn)壓器電路包括一個與驅(qū)動開關(guān)穩(wěn)壓器電路輸入電壓源相連的輸入端，一個電流轉(zhuǎn)換裝 置，一個用來控制電流轉(zhuǎn)換裝置1和截止開關(guān)頻率的振蕩器裝置，并且還包括反饋回路中 的差分放大器裝置，集成電路包括用來提供一個信號控制電流轉(zhuǎn)換裝置斷開開關(guān)占空比 的模擬乘法裝置，該信號具有一個立即變化的幅度與來自差分放大端的差分信號幅度除以 開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器電路輸入電壓幅度成比例。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)穩(wěn)壓器反饋環(huán)路中的模擬乘法器，其特征是所述的模 擬乘法器裝置包括一個用參考值乘以差分信號以及用輸入電壓除以參考值和差分信號的 乘積的電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)穩(wěn)壓器反饋環(huán)路中的模擬乘法器，其特征是所述的參 考值包括一個由模擬乘法器電路進行傳輸?shù)膮⒖茧娏鞯姆取?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的開關(guān)穩(wěn)壓器反饋環(huán)路中的模擬乘法器，其特征是所述的開 關(guān)穩(wěn)壓器電路包括一個由基極耦合在振蕩器端口的三極管和模擬乘法電路組成的比較器 電路，比較器電路的三極管，振蕩器端口和模擬乘法器電路耦合到一個公共電路結(jié)點。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)穩(wěn)壓器反饋環(huán)路中的模擬乘法器，其特征是所述的振 蕩器裝置中的參考信號包括一個耦合到公共電路結(jié)點的斜坡電壓信號，從斜坡電壓信號中 減去模擬乘法電路以設置比較器電路中三極管的基極電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的開關(guān)穩(wěn)壓器反饋環(huán)路中的模擬乘法器，其特征是反饋電路 中的模擬乘法器在開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器電路中使用的一個集成電路，開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器電路具有 一個輸入端，與輸入電壓源相連接，在穩(wěn)壓器輸出端子提供一個穩(wěn)定的輸出電壓，集成電路 包括一個控制端；一個開關(guān)三極管；一個接收來自集成電路輸入電壓的輸入端；一個用來接收開關(guān)電壓穩(wěn)壓器電路的反饋信號，在差分放大器輸出端提供一個差分信 號，該差分信號表明了與參考值相關(guān)的反饋信號的變化；控制裝置的端子與差分放大器輸 出端和開關(guān)三極管相連接，來改變與差分信號相關(guān)的開關(guān)三極管開和關(guān)占空比，控制裝置 包括一個能夠成反比例改變開關(guān)占空比的反饋補償電路，并且可以立即響應開關(guān)穩(wěn)壓電路 輸入電壓的變化，反饋補償電路包括一個用來控制開關(guān)三極管占空比的控制信號，耦合到集成電路差分放大輸出端的第一 輸入端和第二輸入端，模擬乘法器電路在輸出端提供一個控制信號，該控制信號與集成電 路輸入電壓提供的差分放大器輸出端的差分信號成實質(zhì)性的比例。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的開關(guān)穩(wěn)壓器反饋環(huán)路中的模擬乘法器，其特征是所述第一 輸入端包括一個三極管，其基極耦合到差分放大器輸出極，這樣三極管的集電極-發(fā)射極 電路向差分放大器輸出端傳遞與電壓信號成比例的電流；所述第二輸入端包括一個端子， 耦合到集成電路的輸入端，另一端連接到鏡像電流電路的電阻上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)穩(wěn)壓器反饋環(huán)路中的模擬乘法器，其特征是鏡像電流 電路耦合到三極管基極，三極管集電極包括模擬乘法器電路的輸出級。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的開關(guān)穩(wěn)壓器反饋環(huán)路中的模擬乘法器，其特征是一個用來在開關(guān)穩(wěn)壓器電路反饋回路中提供前饋補償?shù)姆椒?，反饋回路包括一個差分放大器裝置， 用來提供一個放大的差分信號以調(diào)節(jié)開關(guān)穩(wěn)壓器的占空比，方法包括如下步驟 用開關(guān)穩(wěn)壓器電路的輸入電壓除以放大器的差分信號來提供一個信號，用于反向地改變開關(guān)的占空比以對開關(guān)穩(wěn)壓器電路的輸入電壓的變化作出瞬時響應，從而使開關(guān)穩(wěn)壓器電路能夠保持基本恒定的輸出電壓，而不需要改變差分放大器裝置輸出的差分信號對開關(guān)穩(wěn)壓器電路輸入電壓的變化作出響應，并由此獲得的反饋環(huán)路是獨立的開關(guān)穩(wěn)壓器電路的輸入電壓。
全文摘要
開關(guān)穩(wěn)壓器反饋環(huán)路中的模擬乘法器，本發(fā)明提供了一種在開關(guān)穩(wěn)壓器反饋環(huán)路中使用的模擬乘法前饋技術(shù)。當穩(wěn)壓器輸入電壓改變時，使用模擬乘法器可以不必再將誤差放大器的輸出連接到穩(wěn)壓電路去改變電壓，并且使得環(huán)路增益與輸入電壓無關(guān)。
文檔編號H02M3/157GK103001492SQ20121056803
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者包興坤 申請人:蘇州硅智源微電子有限公司