電源電路和遲滯降壓變換器的制造方法
【專利摘要】提供一種電源電路和遲滯降壓變換器。一種使用電感器來(lái)變換DC電源的電源單元包括：反饋電路，用于對(duì)從電感器的第一端輸出的輸出電壓進(jìn)行分壓以將輸出電壓變換為第一反饋電壓；微分器，用于對(duì)第一反饋電壓進(jìn)行微分以將第一反饋電壓變換為第二反饋電壓；遲滯比較器，用于將第二反饋電壓的電平與參考電壓帶進(jìn)行比較以輸出比較信號(hào)；開(kāi)關(guān)，用于響應(yīng)于比較信號(hào)來(lái)執(zhí)行將利用輸入電壓對(duì)電感器的第二端進(jìn)行上拉或者將電感器的第二端進(jìn)行下拉中的至少一個(gè)。
【專利說(shuō)明】電源電路和遲滯降壓變換器
[0001]本申請(qǐng)要求于2012年9月27日提交的第10-2012-0108082號(hào)韓國(guó)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用包含于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]在此的本發(fā)明構(gòu)思涉及半導(dǎo)體裝置，更具體地講，本發(fā)明構(gòu)思涉及一種具有高速響應(yīng)特性的電源電路和遲滯降壓變換器(hysteresis buck converter)。
【背景技術(shù)】
[0003]電源電路是用于驅(qū)動(dòng)各種電子裝置的基本裝置。隨著移動(dòng)裝置的使用的增加，對(duì)高效率的DC-DC變換器的需求也增加。具體地講，移動(dòng)裝置需要一種使電阻分量的干擾最小化的DC-DC變換器。在使用利用電阻器的壓降方法的情況下，功耗必然增加。因此，通常將使用電感器的降壓變換器用作DC-DC變換器，其中，降壓變換器可易于在使功耗最小化的同時(shí)獲得目標(biāo)電平的電壓。
[0004]降壓變換器是用于將高的直流電壓變換為較低直流電壓的電源電路。使用與電阻器相比功耗相對(duì)低的電感器的降壓變換器可提供高的能量效率。
[0005]使用遲滯比較器控制上拉/下拉開(kāi)關(guān)的遲滯降壓變換器使用特定帶的參考電壓Vref。遲滯降壓變換器具有高速瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。
[0006]在遲滯降壓變換器中，上拉/下拉開(kāi)關(guān)的切換頻率相對(duì)低。由于低的切換頻率，因此遲滯降壓變換器易受流過(guò)電感器的大的電流紋波的影響。由于電流紋波，因此相對(duì)大量的噪聲被施加到負(fù)載。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一方面，提供一種使用電感器來(lái)變換DC電源的電源單元，所述電源單元可包括:反饋電路，用于對(duì)從電感器的第一端輸出的輸出電壓進(jìn)行分壓以將輸出電壓變換為第一反饋電壓；微分器，用于對(duì)第一反饋電壓進(jìn)行微分以將第一反饋電壓變換為第二反饋電壓；遲滯比較器，用于將第二反饋電壓的電平與參考電壓帶進(jìn)行比較以輸出比較信號(hào)；開(kāi)關(guān)，用于響應(yīng)于比較信號(hào)來(lái)執(zhí)行將利用輸入電壓對(duì)電感器的第二端進(jìn)行上拉或者將電感器的第二端進(jìn)行下拉中的至少一個(gè)。
[0008]在一些實(shí)施例中，微分器控制延遲使得第二反饋電壓的相位與流過(guò)電感器的電流的相位同步。
[0009]在一些實(shí)施例中，第二反饋電壓的波形被配置為恢復(fù)流過(guò)電感器的電流的波形。
[0010]在一些實(shí)施例中，微分器包括:運(yùn)算放大器，用于通過(guò)非反相端接收第一反饋電壓；電容器，用于連接在運(yùn)算放大器的反相端與地之間；電阻器，用于連接在運(yùn)算放大器的輸出端與運(yùn)算放大器的反相端之間。在一些實(shí)施例中，電容器和電阻器中的至少一個(gè)是可變的。
[0011 ] 在一些實(shí)施例中，通過(guò)控制電容器和電阻器中的至少一個(gè)來(lái)控制開(kāi)關(guān)的上拉或下拉周期。
[0012]在一些實(shí)施例中，反饋電路包括用于對(duì)輸出電壓進(jìn)行分壓的第一反饋電阻器和第二反饋電阻器，其中，第一反饋電阻器是可變的。
[0013]在一些實(shí)施例中，參考電壓帶對(duì)應(yīng)于第二反饋電壓的線性部分。
[0014]在一些實(shí)施例中，參考電壓帶對(duì)應(yīng)于第二反饋電壓的最小值和最大值之間的帶隙。
[0015]根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一方面，提供一種遲滯降壓變換器。所述遲滯降壓變換器可包括:反饋電路，用于對(duì)從電感器的第一端輸出的輸出電壓進(jìn)行分壓以將輸出電壓變換為反饋電壓；遲滯比較器，用于將反饋電壓的電平與參考電壓帶進(jìn)行比較以輸出比較信號(hào)；開(kāi)關(guān)，用于參照比較信號(hào)以將輸入電壓上拉或?qū)⑤斎腚妷合吕诫姼衅鞯牡诙?；自適應(yīng)遲滯窗控制器，用于自適應(yīng)地控制遲滯窗，使得參考電壓帶與輸入電壓成正比并與輸出電壓成反比。
[0016]在一些實(shí)施例中，自適應(yīng)遲滯窗控制器包括:遲滯電流發(fā)生器，用于生成與輸入電壓成正比并與輸出電壓成反比的遲滯電流；遲滯電壓發(fā)生器，用于參照遲滯電流來(lái)設(shè)置參考電壓帶。在一些實(shí)施例中，遲滯電流發(fā)生器包括其電阻值與包括在反饋電路中的反饋電阻器對(duì)應(yīng)的可變電阻器，其中，可變電阻器與輸出電壓的電平成正比。在一些實(shí)施例中，遲滯電流發(fā)生器生成其電平與輸入電壓成正比并與輸出電壓成反比的遲滯電流。
[0017]在一些實(shí)施例中，遲滯電壓發(fā)生器根據(jù)遲滯電流而生成第一參考電壓和第二參考電壓以形成參考電壓帶。
[0018]根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一方面，提供一種遲滯降壓變換器。所述遲滯降壓變換器可包括:電感器，具有第一端和第二端；反饋電路，用于將來(lái)自電感器的第一端的輸出電壓變換為第一反饋電壓；微分器，用于將第一反饋電壓變換為第二反饋電壓；遲滯比較器，用于將第二反饋電壓的電平與參考電壓帶進(jìn)行比較并且輸出比較信號(hào)。微分器控制延遲以使得第二反饋電壓的相位與流過(guò)電感器的電流的相位同步。
[0019]在一些實(shí)施例中，遲滯降壓變換器還包括:開(kāi)關(guān)，其中，開(kāi)關(guān)包括上拉開(kāi)關(guān)和下拉開(kāi)關(guān)，其中，上拉開(kāi)關(guān)和下拉開(kāi)關(guān)響應(yīng)于比較信號(hào)來(lái)控制電感器的第二端的輸入電壓。在一些實(shí)施例中，當(dāng)上拉開(kāi)關(guān)被激活時(shí)，電源電壓被施加到電感器的第二端，當(dāng)下拉開(kāi)關(guān)被激活時(shí)，電感器的第二端接地。
[0020]在一些實(shí)施例中，微分器可包括:運(yùn)算放大器，用于通過(guò)非反相端接收第一反饋電壓；電容器，用于連接在運(yùn)算放大器的反相端與地之間；電阻器，用于連接在運(yùn)算放大器的輸出端與運(yùn)算放大器的反相端之間。在一些實(shí)施例中，電容器和電阻器中的至少一個(gè)是可變的。
[0021]在一些實(shí)施例中，反饋電路包括用于驅(qū)動(dòng)輸出電壓的第一反饋電阻器和第二反饋電阻器，其中，第一反饋電阻器是可變的。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]從對(duì)附圖中示出的本發(fā)明構(gòu)思的實(shí)施例的更具體的描述中，本發(fā)明構(gòu)思的前述及其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得清楚，其中，類似的附圖標(biāo)號(hào)在不同的示圖中指示相同的部件。附圖不必成比例，反而將重點(diǎn)放在示出本發(fā)明構(gòu)思的原理上。[0023]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的遲滯降壓變換器的電路和框圖。
[0024]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的圖1的遲滯比較器的功能的波形圖。
[0025]圖3是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的圖1的微分器的電路圖。
[0026]圖4是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的反饋電壓的波形的波形圖。
[0027]圖5A和圖5B是分別示出不包括微分器的遲滯降壓變換器的輸出和包括微分器的遲滯降壓變換器的輸出的波形圖。
[0028]圖6是示出本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的遲滯降壓變換器的效率的曲線圖。
[0029]圖7是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的遲滯降壓變換器的電路和框圖。
[0030]圖8是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的圖7的自適應(yīng)遲滯窗控制器的框圖。
[0031]圖9是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的圖8的遲滯電流發(fā)生器的電路圖。
[0032]圖10是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的圖8的遲滯電壓發(fā)生器的示例實(shí)施例的電路圖。
[0033]圖11是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的圖8的遲滯電壓發(fā)生器的另一示例實(shí)施例的電路圖。
[0034]圖12A和圖12B是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些示例實(shí)施例的切換頻率的改變的曲線圖。
[0035]圖13是示出根據(jù)本`發(fā)明構(gòu)思的一些示例實(shí)施例的存儲(chǔ)器控制器的框圖。
[0036]圖14是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些示例實(shí)施例的移動(dòng)裝置的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]以下將參照示出示例實(shí)施例的附圖更充分地描述各種實(shí)施例。然而，這些發(fā)明構(gòu)思可以以許多不同的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不應(yīng)被解釋為限于這里闡述的實(shí)施例。
[0038]將理解，當(dāng)元件或?qū)颖环Q為“在”另一元件或?qū)印吧稀?、“連接到”或“結(jié)合到”另一元件或?qū)訒r(shí)，所述元件或?qū)涌芍苯印霸凇彼隽硪辉驅(qū)印吧稀薄ⅰ斑B接到”或“結(jié)合到”所述另一元件或?qū)?，或者可存在中間元件或?qū)印Ｏ啾戎?，?dāng)元件或?qū)颖环Q為“直接在”另一元件或?qū)印吧稀?、“直接連接到”或“直接結(jié)合到”另一元件或?qū)訒r(shí)，不存在中間元件或?qū)印ｎ愃频臉?biāo)號(hào)始終表示相同的元件。如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)“和/或”包括相關(guān)列出的項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè)項(xiàng)的任意組合和所有組合。
[0039]將理解，雖然術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”、“第三”等在這里可被用于描述各種元件、組件、區(qū)域、層和/或部分，但是這些元件、組件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)當(dāng)被這些術(shù)語(yǔ)所限制。這些術(shù)語(yǔ)僅用于將一個(gè)元件、組件、區(qū)域、層或部分與另一元件、組件、區(qū)域、層或部分進(jìn)行區(qū)分。因此，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的教導(dǎo)的情況下，下面論述的第一元件、組件、區(qū)域、層或部分可被稱為第二元件、組件、區(qū)域、層或部分。
[0040]為便于描述，為描述如附圖中所示出的一個(gè)元件或特征與另一元件或特征的關(guān)系，這里可使用空間相關(guān)術(shù)語(yǔ)(諸如“在……下面”、“在……下方”、、“在……之下”、“在……之上”、“上面”等)。將理解，空間相關(guān)術(shù)語(yǔ)不僅意圖包含附圖中描繪的方位，還意圖包含裝置在使用或操作中的不同方位。例如，如果附圖中的裝置被倒置，則被描述為在其它元件或特征“下方”或“下面”的元件或特征將隨后被定位于在所述其它元件或特征“之上”。因此，示例性術(shù)語(yǔ)“在…下方”可包含上面和下面的方位兩者。可將裝置以其他方式定位(旋轉(zhuǎn)90度或處于其它方位)，并相應(yīng)地解釋這里使用的空間相關(guān)描述符。
[0041 ] 這里使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述特定示例性實(shí)施例的目的，而不意圖限制本發(fā)明構(gòu)思。如這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式。還將理解，當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“包括”和/或“包含”表示存在所陳述的特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件，但是不排除存在或添加一個(gè)或多個(gè)其它特征、整體、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組合。
[0042]這里，參照代表性示圖來(lái)描述示例性實(shí)施例，其中，所述代表性示圖是理想化的示例性實(shí)施例(和中間結(jié)構(gòu))的示意圖。這樣，將預(yù)料到由例如制造技術(shù)和/或公差引起的示圖的形狀的變化。因此，示例性實(shí)施例不應(yīng)被解釋為限于這里示出的區(qū)域的特定形狀，而將包括由例如制造引起的形狀的偏差。例如，作為矩形示出的注入?yún)^(qū)域通常將具有圓形的或曲線的特征和/或在邊緣處的注入濃度的梯度，而不是從注入?yún)^(qū)域到非注入?yún)^(qū)域的二態(tài)變化。同樣地，由注入形成的埋入?yún)^(qū)域可導(dǎo)致在埋入?yún)^(qū)域與發(fā)生注入的表面之間的區(qū)域中的一些注入。因此，在附圖中示出的區(qū)域?qū)嶋H上是示意性的，所述區(qū)域的形狀未意圖示出裝置的區(qū)域的實(shí)際形狀，且未意圖限制本發(fā)明構(gòu)思的范圍。
[0043]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的遲滯降壓變換器100的電路和框圖。參照?qǐng)D1，遲滯降壓變換器100包括電感器L、輸出電容器Co、電阻器Resk、Rfbl和Rfb2、遲滯比較器110、控制器120、開(kāi)關(guān)130、零電流檢測(cè)器140以及微分器150。
[0044]遲滯比較器110具有輸入端IN以及參考電壓端HYS_H、HYS_L。遲滯比較器110分別將提供給輸入端IN的反饋電壓vfb’ (t)與提供給參考電壓端HYS_H、HYS_L的參考電壓VH、VL進(jìn)行比較。在反饋電壓vfb’ (t)的電平高于第二參考電壓VH的實(shí)施例中，遲滯比較器110可輸出邏輯“高”的比較信號(hào)Comp。在邏輯“高”被輸出時(shí)，如果反饋電壓vfb’ (t)的電平低于第一參考電壓VL，則遲滯比較器110將比較信號(hào)Comp轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛暗汀薄＿t滯比較器110的驅(qū)動(dòng)方法可被設(shè)置為以與上述輸出方法相反的方式進(jìn)行操作。即，在反饋電壓vfb’ (t)的電平高于第二參考電壓VH的實(shí)施例中，遲滯比較器110可輸出邏輯“低”的比較信號(hào)Comp。在邏輯“低”被輸出時(shí)，如果反饋電壓vfb’ (t)的電平低于第一參考電壓VL，則遲滯比較器110將比較信號(hào)Comp轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛案摺薄?br> [0045]控制器120參照從遲滯比較器110輸出的比較信號(hào)Comp和零電流檢測(cè)器140的輸出來(lái)控制開(kāi)關(guān)130?？刂破?20根據(jù)從遲滯比較器110提供的比較信號(hào)Comp來(lái)輸出第一開(kāi)關(guān)信號(hào)SI和第二開(kāi)關(guān)信號(hào)S2。第一開(kāi)關(guān)信號(hào)SI和第二開(kāi)關(guān)信號(hào)S2控制開(kāi)關(guān)130。第一開(kāi)關(guān)信號(hào)SI驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)130的上拉開(kāi)關(guān)(PUS)，第二開(kāi)關(guān)信號(hào)S2驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)130的下拉開(kāi)關(guān)(PDS)0控制器120可被構(gòu)造為在比較信號(hào)Comp的邏輯“高”的部分使上拉開(kāi)關(guān)(PUS)導(dǎo)通且使下拉開(kāi)關(guān)(PDS)截止?？刂破?20可被構(gòu)造為在比較信號(hào)Comp的邏輯“低”的部分使上拉開(kāi)關(guān)(PUS)截止且使下拉開(kāi)關(guān)(PDS)導(dǎo)通。
[0046]開(kāi)關(guān)130響應(yīng)于開(kāi)關(guān)信號(hào)S1、S2將電壓施加到電感器L。開(kāi)關(guān)130接收電源電壓VDD0如果第一開(kāi)關(guān)信號(hào)SI有效，則上拉開(kāi)關(guān)(PUS)被導(dǎo)通并且電源電壓VDD被施加到電感器L和輸出電容器Co。有效串聯(lián)電阻器Resk是通過(guò)連接電容器Co引起的電阻分量。如果有效串聯(lián)電阻Resk增加，則電路的壓降和功耗增力口。優(yōu)選地，有效串聯(lián)電阻Resk的值保持盡可能小。如果第二開(kāi)關(guān)信號(hào)S2有效，則下拉開(kāi)關(guān)(PDS)被導(dǎo)通，并且電感器L的一端接地。因此，如果第二開(kāi)關(guān)信號(hào)S2有效，則流過(guò)電感器L的前向電流減小。[0047]輸出電容器Co執(zhí)行低通濾波器的功能。反饋電阻器Rfbl、Rfb2對(duì)輸出電壓Vo (t)進(jìn)行分壓以將適當(dāng)電平的電壓提供給微分器150。反饋電阻器Rfbl可以是可變的。
[0048]零電流檢測(cè)器140檢測(cè)電感器電流ijt)變?yōu)?的時(shí)間。根據(jù)上拉操作和下拉操作，流過(guò)電感器L的電流可增大或減小。然而，在直流偏置狀態(tài)下，電感器電流iJt)必須增大或減小。如果電感器電流ijt)由于過(guò)度下拉操作而變?yōu)?，則降壓變換器100不能作為電源而工作。因此，零電流檢測(cè)器140檢測(cè)電感器電流ijt)是否變?yōu)?，并將檢測(cè)的內(nèi)容傳送到控制器120。隨后，控制器120生成用于增大上拉部分的開(kāi)關(guān)信號(hào)。
[0049]微分器150對(duì)反饋電壓vfb (t)執(zhí)行微分操作，以將微分操作結(jié)果vfb’ (t)傳送到遲滯比較器110的輸入端IN。微分器150可包括電阻器Rd和電容器Cd。反饋電壓vfb(t)的相位在通過(guò)微分器150時(shí)被微分器150的電容器CM偏移90°。由于相移,提供給遲滯比較器110的反饋電壓vfb’ (t)可具有與電感器電流ijt)近似相同的相位的波形。
[0050]包括在微分器150中的電阻器Rd和電容器Cd可以是可變的。即，微分后的反饋電壓vfb’ (t)的電平或相位可通過(guò)可變電阻器和/或可變電容器來(lái)控制。如果控制電阻器Rd的電阻值或電容器Cd的電容值，則遲滯降壓變換器100的切換頻率可被設(shè)置為最優(yōu)頻率。
[0051]根據(jù)遲滯降壓變換器100，由輸出電容器Co延遲的相位可通過(guò)微分器150來(lái)補(bǔ)償。相位與電感器電流ijt)相同的反饋電壓vfb’ (t)可被提供給遲滯比較器110。根據(jù)這種操作，遲滯比較器110的參考電壓的帶可被擴(kuò)展。遲滯比較器110可在不增大作為功耗的主要原因的電阻器的電阻值的情況下增大切換頻率fsw。
[0052]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的圖1的遲滯比較器110的功能的波形圖。參照?qǐng)D2，遲滯比較器110基于針對(duì)反饋電壓vfb’ (t)的兩個(gè)閾值電壓VL、VH而工作。
[0053]首先，假設(shè)提供給遲滯比較器110的輸入端IN的反饋電壓vfb’ (t)具有一直增大到時(shí)間t3并在時(shí)間t3之后減小的三角波形。假設(shè)從遲滯比較器110輸出的比較信號(hào)Comp的初始狀態(tài)是邏輯“低”。
[0054]提供給遲滯比較器110的輸入端IN的反饋電壓vfb’ (t)逐漸增大。反饋電壓vfb’ (t)的電平在時(shí)間tl變得高于第一參考電壓VL。在從遲滯比較器110輸出的電流比較信號(hào)Comp的狀態(tài)是邏輯“低”的情況下，直到反饋電壓vfb’ (t)高于第二參考電壓VH時(shí)比較信號(hào)Comp才翻轉(zhuǎn)。因此，即使反饋電壓vfb’ (t)的電平高于第一參考電壓VL，如果反饋電壓vfb’ (t)的電平低于第二參考電壓VH，則遲滯比較器110的輸出仍可保持邏輯“低”。
[0055]在時(shí)間t2，反饋電壓vfb’ (t)的電平變得高于第二參考電壓VH。此時(shí)，遲滯比較器110可將比較信號(hào)Comp的電平轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛案摺?。反饋電壓vfb’ (t)的電平必須高于第二參考電壓VH，以便使比較信號(hào)Comp從邏輯“低”轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛案摺薄?br> [0056]反饋電壓vfb’ (t)的電平從時(shí)間t3開(kāi)始減小。此時(shí)，遲滯比較器110可將比較信號(hào)Comp的電平保持在邏輯“高”。在時(shí)間t4，反饋電壓vfb’ (t)的電平開(kāi)始減小至第二參考電壓VH以下。然而，遲滯比較器110將比較信號(hào)Comp的電平保持在邏輯“高”。在電流比較信號(hào)Comp是邏輯“高”狀態(tài)的情況下，只有在反饋電壓vfb’ (t)的電平變得低于第一參考電壓VL時(shí)，遲滯比較器110才將比較信號(hào)Comp的電平轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛暗汀?。即，?dāng)反饋電壓vfb’ (t)的電平變得低于第一參考電壓VL時(shí)，在時(shí)間t5，遲滯比較器110將比較信號(hào)Comp的電平轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫛暗汀?。[0057]在遲滯比較器110中，當(dāng)在輸入端IN接收的輸入信號(hào)的電平增大時(shí)，第一參考電壓VH變?yōu)殚撝惦妷?，而?dāng)輸入信號(hào)的電平減小時(shí)，第二參考電壓VL變?yōu)殚撝惦妷骸?br> [0058]圖3是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的圖1的微分器的示例實(shí)施例的電路圖。參照?qǐng)D3，微分器150可包括運(yùn)算放大器151。
[0059]反饋電壓vfb (t)被輸入到運(yùn)算放大器151的非反相輸入端(+ )。電阻器Rd連接在反相輸入端(_)與輸出端之間，電容器Cd連接在反相輸入端(-)與地之間?？墒褂锰摰馗拍顏?lái)實(shí)現(xiàn)微分器150,其中，非反相輸入端(+ )與反相的輸入端(_)之間的電壓差為O,并且流入微分器150的電流為O。根據(jù)使用虛地概念的實(shí)施方式,微分器150的輸入和輸出的傳遞函數(shù)可由以下數(shù)學(xué)公式I表示。
[0060][數(shù)學(xué)公式I]
[0061]H』)二 I 十口 RdCd
[0062]就傳遞函數(shù)而言，交流(AC)增益可由于電阻器Rd和電容器Cd而增大。微分器150的輸出信號(hào)相對(duì)于微分器150的輸入信號(hào)相移約90°。
[0063]包括在微分器150中的電阻器Rd和電容器Cd可以是可變的。微分后的反饋電壓vfb’ (t)的電平或相位可由電阻器Rd的電阻值或電容器Cd的電容值來(lái)控制。即，通過(guò)控制微分器150的電阻器Rd的電阻值或電容器Cd的電容值，遲滯降壓變換器100的切換頻率fsw可被控制 。如果電阻器Rd的電阻值或電容器Cd的電容量被最優(yōu)地控制，則可增大遲滯降壓變換器100的切換頻率fsw且可提供穩(wěn)定輸出電壓to (t)。
[0064]微分器150不限于上述運(yùn)算放大器151。輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的增益和相位被設(shè)置為對(duì)應(yīng)于微分器150的特性的任何電路均可替代微分器150。
[0065]圖4是示出圖1的示例實(shí)施例的遲滯降壓變換器100的操作的波形圖。參照?qǐng)D4，不出電感器電流ijt)、輸出電壓vo (t)、微分器150的反饋電壓vfb (t)和輸出電壓vfb’ (t)。基于這樣的假設(shè)示出每個(gè)波形:構(gòu)成遲滯降壓變換器100的元件無(wú)信號(hào)延遲并具有無(wú)窮大增益。
[0066]在圖4的波形圖(I)中，示出電感器電流idt)的波形。以周期為(Atl+At2)的三角波形狀來(lái)提供電感器電流ijt)的波形。電感器電流ijt)對(duì)應(yīng)于根據(jù)開(kāi)關(guān)130的上拉/下拉操作而存儲(chǔ)在電感器L中的能量。流過(guò)電感器L的電感器電流ijt)的交流電平對(duì)應(yīng)于基于平均電流(1)的最大點(diǎn)(1+ Δ Il)和最小點(diǎn)(1- Δ IL)D如果上拉開(kāi)關(guān)PUS被導(dǎo)通，則電感器電流ijt)從最小點(diǎn)(1-AIJ增大到最大點(diǎn)(Ιο+ΛΙΛ此后，如果下拉開(kāi)關(guān)PDS被導(dǎo)通，則電感器電流iL (t)從最大點(diǎn)(1+ Δ Il)減小到最小點(diǎn)(1- Δ IL)。電感器電流ijt)的波形的增大部分(Atl)和波形的減小部分(At2)可根據(jù)遲滯降壓變換器100的特性而被不同地控制。電感器電流ijt)的波形的上拉部分的斜率(ml)和波形的下拉部分的斜率(-m2)可被開(kāi)關(guān)信號(hào)S1、S2不同地控制。
[0067]在圖4的波形圖(II)中，示出根據(jù)電感器電流ijt)的輸出電壓vo(t)的波形。在通過(guò)開(kāi)關(guān)130將能量積累在電感器L中的波形的部分，輸出電壓vo(t)變得低于偏移電壓Vo。在電感器電流ijt)增大的波形的部分(0-T2)中，跨過(guò)有效串聯(lián)電阻器Resk和輸出電容器Co而出現(xiàn)的電壓減小，隨后增大，但是保持低于偏移電壓Vo。在電感器L中的能量被放電的波形的部分，輸出電壓vo(t)增大到偏移電壓Vo以上。即，在電感器電流ijt)減小的波形的部分(T2-T4)中，跨過(guò)有效串聯(lián)電阻器Resk與輸出電容器Co而出現(xiàn)的電壓增大到偏移電壓Vo以上，隨后減小。
[0068]在圖4的波形圖(III)中，示出反饋電壓vfb(t)。反饋電壓vfb⑴是對(duì)輸出電壓vo(t)進(jìn)行分壓而產(chǎn)生的電壓。即，輸出電壓vo(t)的電平跨過(guò)反饋電阻器Rfbl而下降以變?yōu)榉答侂妷簐fb (t)。反饋電壓vfb(t)的波形與輸出電壓vo(t)相同，并且反饋電壓vfb (t)的電平小于輸出電壓Vo (t)的電平。
[0069]反饋電壓vfb(t)不足以實(shí)時(shí)反映電感器電流ijt)的變化。在電感器電流idt)增大的波形的部分(0-T2)，可發(fā)生反饋電壓vfb(t)的電平的增大和減小。由于反饋電壓vfb (t)的電壓電平相對(duì)低，因此遲滯窗(A HYS’)相對(duì)窄。因此，遲滯比較器110的區(qū)分能力由于窄的遲滯窗(AHYS’)而下降。
[0070]在圖4的波形圖(IV)中，示出作為將反饋電壓vfb(t)微分的電壓的反饋電壓Vfb’ (t)的波形。參照微分后的反饋電壓vfb’(t)，反饋電壓vfb’ (t)的電平從時(shí)間0至?xí)r間T2線性增大，并從時(shí)間T2至?xí)r間T4線性減小。根據(jù)反饋電壓vfb’(t)，遲滯比較器110的輸入可具有分段線性。因此，由反饋電壓vfb (t)的非線性造成的遲滯窗(AHYS)的限制可被解決。
[0071]微分后的反饋電壓vfb’ (t)的波形實(shí)時(shí)反映電感器電流ijt)的增大和減小。在微分后的反饋電壓vfb’ (t)被提供給遲滯比較器110的情況下，遲滯比較器110可以以高速更準(zhǔn)確地工作。
[0072]根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一方面，電感器電流ijt)和微分后的反饋電壓vfb’ (t)具有相同的相位。下拉/上拉操作可被相位與電感器電流ijt)相同的反饋電壓vfb’ (t)所控制。即，可相對(duì)于電感器電流ijt)無(wú)延遲地執(zhí)行快速開(kāi)關(guān)?？焖匍_(kāi)關(guān)控制意味著遲滯降壓變換器100的切換頻率fsw的增大。切換頻率fsw的增大意味著遲滯降壓變換器100可用作具有高的變換效率的穩(wěn)定電源，并可生成具有減小的紋波的輸出電壓。
[0073]圖5A和圖5B是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的本發(fā)明構(gòu)思的特性的波形。圖5A示出當(dāng)反饋電壓vfb(t)被直接輸入到遲滯比較器110時(shí)的電感器電流ijt)和輸出電壓vo(t)的波形。圖5B示出當(dāng)通過(guò)微分器150的反饋電壓vfb’ (t)被輸入到遲滯比較器110時(shí)的電感器電流i Jt)和輸出電壓Vo⑴的波形。
[0074]參考圖5A，假設(shè)負(fù)載電流是500mA，示出不使用微分器150的遲滯比較器110的電感器電流ijt)和輸出電壓vo(t)的波形。參照電感器電流ijt)，由未被微分的反饋電壓發(fā)生開(kāi)關(guān)。在這種情況下，上拉/下拉操作被相對(duì)小的切換頻率fsw所控制。
[0075]參照?qǐng)D5A的電感器電流k (t)，通過(guò)切換，最小電流與最大電流之間的電平差約為720mA。電平差對(duì)應(yīng)于電感器電流ijt)的紋波的振幅。具有三角波形的電感器電流ijt)的周期約為4.54 ii S，這對(duì)應(yīng)于約220kHZ的切換頻率fsw。
[0076]就圖5A的輸出電壓vo (t)而言，輸出電壓VO (t)在與電感器電流i Jt)的相位不同的同時(shí)進(jìn)行變化。然而，輸出電壓vo(t)具有與電感器電流ijt)相同的周期。輸出電壓V0(t)包括大約88mV的紋波。這對(duì)于穩(wěn)定電源是不充足的值。
[0077]參照?qǐng)D5B，示出使用微分器150來(lái)提供500mA的負(fù)載電流的遲滯降壓變換器100的電感器電流和輸出電壓。參照電感器電流k(t)，由微分后的反饋電壓vfb’ (t)發(fā)生切換。在這種情況下，上拉/下拉被相對(duì)高的切換頻率所控制。
[0078]參照?qǐng)D5B中的電感器電流ijt)的波形，通過(guò)切換的最小電流與最大電流之間的電平差約為147mA。即，與不使用微分器150的情況相比，電感器電流ijt)的紋波極大地減小。具有三角波形的電感器電流ijt)的周期為0.97 μ s,這對(duì)應(yīng)于約1.024MHz的切換頻率fsw。
[0079]就圖5B的輸出電壓vo(t)而言，輸出電壓在與電感器電流ijt)的相位相同的同時(shí)進(jìn)行變化。輸出電壓V0(t)具有與電感器電流ijt)相同的周期(約0.97ys)。輸出電壓vo(t)包括約5mV的紋波。這對(duì)于穩(wěn)定電源是充足的值。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例，如圖5B所示，在遲滯降壓變換器100中，與不使用微分器150的實(shí)施例相比，切換頻率fsw可至少增大四倍，電感器電流ijt)的紋波可至少減小五分之一。如圖5B所示，與不使用微分器150的實(shí)施例相比，遲滯降壓變換器100的輸出電壓vo(t)的紋波可減小到小于6%。
[0080]根據(jù)使用微分器150提供反饋電壓的本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例，遲滯降壓變換器100的切換頻率fsw可極大地增大。本發(fā)明構(gòu)思的遲滯降壓變換器100可由于切換頻率的增大而用作穩(wěn)定電源。
[0081]圖6是示出本發(fā)明構(gòu)思的遲滯降壓變換器100的效率的曲線圖。參照?qǐng)D6，曲線圖示出在分別使用微分器150和不使用微分器150時(shí)的遲滯降壓變換器100相對(duì)于負(fù)載電流的變換效率。
[0082]通過(guò)曲線C2示出使用微分器150的遲滯降壓變換器200的效率。通過(guò)曲線Cl示出不使用微分器150的降壓變換器的效率。就不使用微分器150的遲滯降壓變換器100的效率曲線Cl而言，不管負(fù)載電流的狀況如何，變換效率總是小于95%。就使用微分器150的遲滯降壓變換器100的效率曲線C2而言，變換效率在負(fù)載電流為IOOmA之前大于95%。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的遲滯降壓變換器100，與不使用微分器150的實(shí)施例相比，即使負(fù)載增大，遲滯降壓變換器100也可使效率提高約1.3%?3.4%。
[0083]圖7是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的遲滯降壓變換器200的電路和框圖。參照?qǐng)D7，遲滯降壓變換器200包括電感器L、輸出電容器Co、電阻器Resk、Rfbl和Rfb2、遲滯比較器210、控制器220、開(kāi)關(guān)230、零電流檢測(cè)器240和自適應(yīng)遲滯窗控制器250。電阻器Rfbl可以是可變的。
[0084]遲滯比較器210、控制器220、開(kāi)關(guān)230和零電流檢測(cè)器240與關(guān)于圖1描述的遲滯比較器110、控制器120、開(kāi)關(guān)130和零電流檢測(cè)器140相同。因此，省略對(duì)遲滯比較器210、控制器220、開(kāi)關(guān)230和零電流檢測(cè)器240的描述。
[0085]自適應(yīng)遲滯窗控制器250可根據(jù)輸入電壓VDD或輸出電壓No⑴自適應(yīng)地控制遲滯比較器210的參考電壓Vref。自適應(yīng)遲滯窗控制器250生成遲滯窗(Λ HYS=VH-VL)，其中，遲滯窗與輸入電壓VDD成正比并與輸出電壓Vo (t)成反比。
[0086]切換頻率fsw的變化可因與輸入電壓VDD成正比并與輸出電壓Vo (t)成反比的遲滯窗(AHYS)所減小。因此，噪聲譜可因切換頻率fsw的穩(wěn)定所減小。在負(fù)載中流過(guò)的噪聲被容易地切斷。由于開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)電損耗可因切換頻率fsw的穩(wěn)定所最優(yōu)化，因此可實(shí)現(xiàn)有效率的降壓變換器200。
[0087]圖8是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例實(shí)施例的圖7的自適應(yīng)遲滯窗控制器250的框圖。參照?qǐng)D8，遲滯窗控制器250包括遲滯電流發(fā)生器252和遲滯電壓發(fā)生器254。
[0088]圖9是示出圖8的遲滯電流發(fā)生器252的電路圖。參照?qǐng)D8和圖9，遲滯窗控制器250接收參考電壓Vref并輸出第一參考電壓VH和第二參考電壓VL。遲滯電流發(fā)生器252被提供作為電源的輸入電壓VDD。遲滯電流發(fā)生器252包括控制電阻器Rctrl，其中，控制電阻器Rctrl對(duì)應(yīng)于圖7的可變反饋電阻器Rfbl和反饋電阻器Rfb2的和。遲滯電流發(fā)生器252使用作為源的輸入電壓VDD來(lái)生成與控制電阻器Rctrl成反比的遲滯電流IHYS。使用生成的遲滯電流Ihys，遲滯電流發(fā)生器252生成第一參考電流(Iah)和第二參考電流(IAJ。
[0089]遲滯電壓發(fā)生器254接收參考電壓Vref和電源電壓VDD，并使用從遲滯電流發(fā)生器252提供的第一參考電流(Iah)和第二參考電流來(lái)生成第一參考電壓VH和第二參考電壓VL。第一參考電壓VH和第二參考電壓VL之間的電平差對(duì)應(yīng)于在遲滯比較器210中輸入的遲滯窗。
[0090]參照?qǐng)D9，遲滯電流發(fā)生器252可包括使用運(yùn)算放大器251的電流源電路。
[0091 ] 遲滯電流發(fā)生器252生成與輸入電壓VDD成正比并與輸出電壓Vo⑴成反比的遲滯電流IhyS。遲滯電流發(fā)生器252參照遲滯電流Ihys來(lái)生成第一參考電流(Iah)和第二參考電流U。
[0092]輸入電壓VDD被串聯(lián)電阻器Rl、R2所分壓。在節(jié)點(diǎn)nl的電壓(跨過(guò)電阻器Rl而出現(xiàn)的電壓)被輸入到運(yùn)算放大器251的非反相輸入端(+ )。運(yùn)算放大器251的輸出端連接到NMOS晶體管NI的柵極?？邕^(guò)控制電阻器Rctrl而出現(xiàn)的控制電壓Vctrl由以下數(shù)學(xué)公式2表示。
[0093][數(shù)學(xué)公式2]
【權(quán)利要求】
1.一種使用電感器來(lái)變換DC電源的電源單元，包括: 反饋電路，用于對(duì)從電感器的第一端輸出的輸出電壓進(jìn)行分壓以將輸出電壓變換為第一反饋電壓； 微分器，用于對(duì)第一反饋電壓進(jìn)行微分以將第一反饋電壓變換為第二反饋電壓； 遲滯比較器，用于將第二反饋電壓的電平與參考電壓帶進(jìn)行比較以輸出比較信號(hào)；開(kāi)關(guān)，用于響應(yīng)于比較信號(hào)來(lái)執(zhí)行將利用輸入電壓對(duì)電感器的第二端進(jìn)行上拉或者將電感器的第二端進(jìn)行下拉中的至少一個(gè)。
2.如權(quán)利要求 1所述的電源單元，其中，微分器控制延遲使得第二反饋電壓的相位與流過(guò)電感器的電流的相位同步。
3.如權(quán)利要求2所述的電源單元，其中，第二反饋電壓的波形被配置為恢復(fù)流過(guò)電感器的電流的波形。
4.如權(quán)利要求1所述的電源單元，其中，微分器包括: 運(yùn)算放大器，用于通過(guò)非反相端接收第一反饋電壓； 電容器，用于連接在運(yùn)算放大器的反相端與地之間； 電阻器，用于連接在運(yùn)算放大器的輸出端與運(yùn)算放大器的反相端之間。
5.如權(quán)利要求4所述的電源單元，其中，電容器和電阻器中的至少一個(gè)是可變的。
6.如權(quán)利要求5所述的電源單元，其中，通過(guò)控制電容器和電阻器中的至少一個(gè)來(lái)控制開(kāi)關(guān)的上拉或下拉周期。
7.如權(quán)利要求1所述的電源單元，其中，反饋電路包括用于對(duì)輸出電壓進(jìn)行分壓的第一反饋電阻器和第二反饋電阻器，其中，第一反饋電阻器是可變的。
8.如權(quán)利要求1所述的電源單元，其中，參考電壓帶對(duì)應(yīng)于第二反饋電壓的線性部分。
9.如權(quán)利要求8所述的電源單元，其中，參考電壓帶對(duì)應(yīng)于第二反饋電壓的最小值和最大值之間的帶隙。
10.一種遲滯降壓變換器，包括: 反饋電路，用于對(duì)從電感器的第一端輸出的輸出電壓進(jìn)行分壓以將輸出電壓變換為反饋電壓； 遲滯比較器，用于將反饋電壓的電平與參考電壓帶進(jìn)行比較以輸出比較信號(hào)； 開(kāi)關(guān)，用于響應(yīng)于比較信號(hào)來(lái)執(zhí)行將利用輸入電壓對(duì)電感器的第二端進(jìn)行上拉或者將電感器的第二端進(jìn)行下拉中的至少一個(gè)； 自適應(yīng)遲滯窗控制器，用于自適應(yīng)地控制遲滯窗，使得參考電壓帶與輸入電壓成正比并與輸出電壓成反比。
11.如權(quán)利要求10所述的遲滯降壓變換器，其中，自適應(yīng)遲滯窗控制器包括: 遲滯電流發(fā)生器，用于生成與輸入電壓成正比并與輸出電壓成反比的遲滯電流； 遲滯電壓發(fā)生器，用于參照遲滯電流來(lái)設(shè)置參考電壓帶。
12.如權(quán)利要求11所述的遲滯降壓變換器，其中，遲滯電流發(fā)生器包括具有與包括在反饋電路中的反饋電阻器對(duì)應(yīng)的電阻值的可變電阻器，其中，可變電阻器與輸出電壓的電平成正比。
13.如權(quán)利要求12所述的遲滯降壓變換器，其中，遲滯電流發(fā)生器生成具有與輸入電壓成正比并與輸出電壓成反比的電平的遲滯電流。
14.如權(quán)利要求11所述的遲滯降壓變換器，其中，遲滯電壓發(fā)生器根據(jù)遲滯電流而生成第一參考電壓和第二參考電壓以形成參考電壓帶。
15.一種遲滯降壓變換器，包括: 電感器，具有第一端和第二端； 反饋電路，用于將來(lái)自電感器的第一端的輸出電壓變換為第一反饋電壓； 微分器，用于將第一反饋電壓變換為第二反饋電壓； 遲滯比較器，用于將第二反饋電壓的電平與參考電壓帶進(jìn)行比較并且輸出比較信號(hào)； 其中，微分器控制延遲以使得第二反饋電壓的相位與流過(guò)電感器的電流的相位同步。
16.如權(quán)利要求15所述的遲滯降壓變換器，還包括:開(kāi)關(guān)，其中，開(kāi)關(guān)包括上拉開(kāi)關(guān)和下拉開(kāi)關(guān)，其中，上拉開(kāi)關(guān)和下拉開(kāi)關(guān)響應(yīng)于比較信號(hào)來(lái)控制電感器的第二端的輸入電壓。
17.如權(quán)利要求16所述的遲滯降壓變換器，其中，當(dāng)上拉開(kāi)關(guān)被激活時(shí)，電源電壓被施加到電感器的第二端，當(dāng)下拉開(kāi)關(guān)被激活時(shí)，電感器的第二端接地。
18.如權(quán)利要求15所述的遲滯降壓變換器，其中，微分器包括: 運(yùn)算放大器，用于通過(guò)非反相端接收第一反饋電壓； 電容器，用于連接在運(yùn)算放大器的反相端與地之間； 電阻器，用于連接在 運(yùn)算放大器的輸出端與運(yùn)算放大器的反相端之間。
19.如權(quán)利要求18所述的遲滯降壓變換器，其中，電容器和電阻器中的至少一個(gè)是可變的。
20.如權(quán)利要求15所述的遲滯降壓變換器，其中，反饋電路包括用于驅(qū)動(dòng)輸出電壓的第一反饋電阻器和第二反饋電阻器，其中，第一反饋電阻器是可變的。
【文檔編號(hào)】H02M3/157GK103701322SQ201310445499
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月27日
【發(fā)明者】金光鎬, 許棟勛 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社