專利名稱：用于脈沖寬度調(diào)制的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種電源，更具體地，本發(fā)明涉及脈沖寬度
調(diào)制電路。
背景技術(shù)：
許多開關(guān)電源使用脈沖寬度調(diào)制來調(diào)節(jié)輸出。脈沖寬度調(diào)制 器接收與輸出值有關(guān)的控制信號。然后，脈沖寬度調(diào)制器根據(jù)控制信號 的值設(shè)定開關(guān)的導(dǎo)通時間作為切換周期的一部分。該切換周期部分，即 導(dǎo)通時間為開關(guān)的占空比。響應(yīng)于控制信號變化的占空比的變化是脈沖寬度調(diào)制器增益 的量度。調(diào)制器的增益應(yīng)該好好控制，因為該增益對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動 態(tài)響應(yīng)有很大的影響。傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制器使用電壓比較器以比較控制電壓和來 自振蕩器的三角波或鋸齒波電壓。比較器的輸出作為脈沖寬度調(diào)制信 號。在控制信號是電流而不是電壓的應(yīng)用中，電阻將電流轉(zhuǎn)換成電壓以 用于比較器的輸入。電阻值通常應(yīng)該好好控制，這是因為電阻值正比于 調(diào)制器的增益。當(dāng)傳統(tǒng)技術(shù)用于集成電路時出現(xiàn)了問題，這是因為提供 具有不隨制造工藝變化和溫度變化的精確值的集成電阻是很貴的。


參考以下附圖描述本發(fā)明的非限制性和非窮舉的實施方式， 其中，貫穿所有視圖，除非特別說明，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件。圖1為通常解釋根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的實例占空比控制電路的方 框圖。圖2為通常解釋根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的實例占空比控制電路的脈 沖寬度調(diào)制器電路的響應(yīng)曲線圖。圖3為通常解釋根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的產(chǎn)生圖2中響應(yīng)曲線的實 例占空比控制電路的示意圖。
圖4為通常解釋圖3的占空比控制電路中信號的定時關(guān)系圖。 [OOIO]圖5為通常解釋根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的占空比控制電路的示意禾口圖6為通常解釋根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的另一占空比控制電路的示 意圖。圖7為通常解釋根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的圖6的占空比控制電路中 信號的定時關(guān)系圖。
具體實施例方式提供一種響應(yīng)于電流的脈沖寬度調(diào)制信號的方法和裝置。為 了詳細(xì)全面地理解本發(fā)明，在下面的描述中給出許多具體的細(xì)節(jié)。然而， 很顯然，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，不需要使用具體細(xì)節(jié)以實施本 發(fā)明。在其它的例子中，為了避免混淆本發(fā)明，對于公知的材料或方法 沒有詳細(xì)描述。貫穿本說明書的有關(guān)"一個實施方式"或"一實施方式"表 示，結(jié)合實施方式描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或性能包含在本發(fā)明的至少一 個實施方式中。因此，在本說明書不同位置出現(xiàn)的短語"在一個實施方 式中"或者"在一實施方式中"不必都涉及同一個實施方式。進(jìn)一步地， 在一個或者更多的實施方式中，特定特征、結(jié)構(gòu)或性能可以以任何適當(dāng) 的組合形式和/或子組合形式組合。另外，這里提供圖示的目的是給本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員理解而用，并非是按照準(zhǔn)確的比例繪制的。根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的各種電路實例中，提供響應(yīng)于電流的脈沖 寬度調(diào)制信號。實例方法包括有利于在集成電路中應(yīng)用的特征。尤其是， 根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的實例電路可以在控制開關(guān)電源的集成電路中使用。在本發(fā)明的一方面中，可以基本上不依賴于電阻值而將控制 電流轉(zhuǎn)換成脈沖寬度調(diào)制信號。可替代地，根據(jù)各種實例，該方法在振 蕩周期內(nèi)，使用與控制電流成比例的電流以對電容器充電已知的時間。 然后，以己知的電流使得該電容器放電。根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，電容器上 的電壓從其初始值到參考電壓的時間決定了作為振蕩器周期一部分的占 空比。這樣，實例電路的本質(zhì)使得占空比與電容器的值無關(guān)，或者
與例如參考電壓的值無關(guān)，或者例如與比較器的延遲無關(guān)，或者例如與 另一電路元件的值諸如電阻值無關(guān)。當(dāng)應(yīng)用于集成電路時，易于微調(diào)電 流以獲得需要的參數(shù)精度。本發(fā)明實例的另一方面包括在保持固定調(diào)制 器增益的同時，允許在固定導(dǎo)通時間、固定斷開時間和固定頻率模式之 間改變調(diào)制模式。舉例說明，圖1為通常解釋根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的一個實例占 空比電路的方框圖。如圖所示，占空比控制電路100包括脈沖寬度調(diào)制 器電路110和振蕩器150。如圖1中所示，占空比控制電路100的一個 實例包含于集成電路中，耦合該集成電路，以控制電源102。脈沖寬度 調(diào)制器電路110從振蕩器150接收定時信號U。S(: 140，以產(chǎn)生脈沖寬度 調(diào)制信號130，即圖1中實例的電壓VPWM。定時信號U。s。 140可以是電 壓，也可以是電流。在本實例中，定時信號U。s。 140是周期性的，其周 期為T，。定時信號U^在周期T。^的系數(shù)k為低值，在周期T。^的剩 余系數(shù)為高值。脈沖寬度調(diào)制信號130在周期T。sc的系數(shù)D為高值， 這里D為占空比。脈沖寬度調(diào)制器電路llO還接收控制電流Ic 120。在 一個實例中，控制電流Icl20調(diào)節(jié)占空比D。圖2為通常解釋根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的脈沖寬度調(diào)制器電路的希 望的響應(yīng)曲線。曲線200表示占空比D怎樣響應(yīng)控制電流Ic而變化。在 本實例中，占空比D在控制電流小于Ie時為最大值DB，且在控制電流 大于L時為最小值D^當(dāng)控制電流為值^，其在L和Ie之間時，占空 比為值Dx，其在DA和De之間。在控制電流I八和^之間，脈沖寬度調(diào) 制器的增益為斜率-m。在圖2的實例中，脈沖寬度調(diào)制器增益m具有
倒數(shù)安培數(shù)的單位。圖3為根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的占空比控制電路300的一個實例的 示意圖，該電路產(chǎn)生類似曲線200的響應(yīng)。如圖所示，電路300接收控 制電流Ie 120。電流源305從控制電流Ic 120中減去電流IB。在電流反 射鏡352的輸入端，晶體管310接收控制電流Ie 120和來自于控制電流 305的電流Ij3之間的差。電流反射鏡352的晶體管310和315具有h M的各自比率的強(qiáng)度，以使得鏡像電流325為輸入電流與比例系數(shù)M 的乘積。
在圖3的實例中，振蕩器150提供控制開關(guān)S, 378的定時信 號340。當(dāng)定時信號340為低值時，開關(guān)S, 378閉合以用電流充電電容 器Cd 376，該電流為來自電流源345的電流I,和通過整流器354的電流 的電流之和。當(dāng)來自電流源335的電流和鏡像電流325之間的差為正時， 通過整流器354的電流為該差。當(dāng)鏡像電流325大于來自電流源335的 電流時，通過整流器354的電流為零。在一個實例中，整流器354包括 二極管。通過比較器360比較電容器CD 376上的電壓VD 356和參考電 壓Vj^372。當(dāng)電壓VD 356大于參考電壓Vj^ 372時，比較器360的輸 出370為高值。當(dāng)電壓VD 356小于參考電壓VREF 372時，比較器360 的輸出370為低值。如在解釋的實例中所示，耦合延遲電路366，以用于延遲來自 振蕩器150的信號的上升沿。在本實例中，包含延遲電路366，以用于 補(bǔ)償比較器360的非理想響應(yīng)，其在一個實例中可以為響應(yīng)于比較器360 的延遲。來自延遲電路366的延遲定時信號358和比較器360的輸出370 作為與門362的輸入被接收。與門362的輸出374控制開關(guān)S2 384。與 門362的輸出也是脈沖寬度調(diào)制信號330。當(dāng)與門362的輸出374為高 值時，開關(guān)S2閉合以用電流源382對電容器CD376放電。圖4解釋了圖3占空比控制電路實例中三個信號的實例定時 關(guān)系。在本實例中，圖4示出了被脈沖寬度調(diào)制器電路接收的來自振蕩 器150的定時信號340，電容器CD 376上的電壓VD 356的實例圖，以及 由電路300產(chǎn)生的實例脈沖寬度調(diào)制信號330。當(dāng)圖3中的實例電路300 工作時，電壓VD 356從值Vj^上升到值VpB，同時在定時信號340的周 期T。^的系數(shù)k時間內(nèi)，對電容器CD 376充電?？梢赃x擇系數(shù)k以設(shè) 定基本上確保來自脈沖寬度調(diào)制器的最大占空比的限度，這是因為在與 周期T。w的系數(shù)k基本上相同的持續(xù)時間內(nèi)脈沖寬度調(diào)制器的輸出或信 號330必須為低值。電容器CD 376以來自電流源345的電流、和整流器354中 的電流之和充電。當(dāng)控制電流Ic 120足夠大以使得整流器354中的電流 為零時，電容器CD將以電流I，充電。因此，在一個實例中，選擇電流I, 的值以確保在來自振蕩器150的定時信號340的每一個周期內(nèi)，脈沖寬 度調(diào)制器信號330為高值，持續(xù)最短時間。在來自振蕩器150的定時信號340上升為高值后，電容器CD 376上的電壓V。 356在來自延遲電路366的延遲TDEIAY內(nèi)保持V^值。 在來自延遲電路366的延返Tdel虹之后，電流源382以參考電流I。的系 數(shù)Q使得電容器CD 376放電。如解釋的實例中所能看到的那樣，當(dāng)電容器(^376由電壓VFB 至電壓Vj^放電時，脈沖寬度調(diào)制器信號330為高值。在本實例中，參 考電流I。的系數(shù)Q為乘數(shù)，該乘數(shù)小于備選量乘數(shù)P、系數(shù)k以及電流 Ii值中任何一個可以被選擇的量，當(dāng)作對來自電容器CD 376的放電電流 的調(diào)整，以充分減少放電電流，從而基本上確保由來自振蕩器150的定 時信號340決定的最大占空比。在振蕩器的頻率為集成電路的微調(diào)參數(shù) 的實例中，允許振蕩器150決定定時關(guān)系是所需要的。因此，在該實例 中，占空比D為振蕩器150的周期T。sc的系數(shù)，該系數(shù)或者與電容器CD 376從V^值放電至Vj^值的持續(xù)時間相應(yīng)，或者與定時信號340的高 電平的持續(xù)時間相應(yīng)，無論哪一個較小。
在IA<Ie<IB時，脈沖寬度調(diào)制器或者PWM增益的斜率m和占空 比D由以下公式確定
附
<formula>formula see original document page 8</formula> 其中，1。為偏置電流，其可以考慮功率損耗或集成電路其它設(shè)計標(biāo)
準(zhǔn)來進(jìn)行選擇。在一個實例中，選擇電流、345以決定在可能需要的應(yīng) 用中脈沖寬度調(diào)制器信號330為高值的最小持續(xù)時間。系數(shù)k決定最大 占空比。在一個實例中，選擇圖3中電流源335的系數(shù)P為 <formula>formula see original document page 8</formula>因此，占空比D與電容器CD 376的值或者例如參考電壓或者 例如另一電路元件諸如電阻值無關(guān)。盡管PWM增益的斜率m和占空比 D與電容器CD 376的值無關(guān)，但在不同的實例中對電容器CD 376的值
和類型進(jìn)行選擇，以滿足應(yīng)用環(huán)境的要求。參數(shù)Q、 M、和1?？梢韵鄳?yīng)調(diào)整。在一個實例中，相應(yīng)于頻率為132kHz的振蕩器，T。^為 7.58^s，至于其它參數(shù)為k=0.2， P=4, Q=0.975, 1『10^A, Ii二610nA， M=11.21X10-3,和圖3中上升沿延遲電路366的延遲時間TDElay為 150ns。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的占空比控制電路500的實例， 其中控制邏輯530接收來自振蕩器150的定時信號340、比較器360的 輸出370以及來自系統(tǒng)的其它信號510，以用于既控制振蕩器150，又 控制開關(guān)S, 378和S2 384的切換，該切換實現(xiàn)了對電容器CD 376的充 電和放電。在本實例中，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，控制邏輯530因此能夠提 供響應(yīng)于來自外部系統(tǒng)的系統(tǒng)輸入510的脈沖寬度調(diào)制器信號330以用 于既改變它的頻率又改變它的占空比。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的占空比控制電路600的實例電 路，該電路包括附加開關(guān)Sj 625和SK 615，兩開關(guān)各自具有電流源620 和605，其分別具有電流Ij和IK，以響應(yīng)于控制邏輯530而切換，從而 充電和放電電容器CD 376。在一個實例中，控制邏輯530引起信號610 和630以分別切換開關(guān)SK 615和Sj 625?？刂七壿?30的輸出520根據(jù) 比較器360的輸出370的輸出狀態(tài)改變振蕩器150的頻率。圖7通常解釋一個使用開關(guān)SK 615和Sl 625以改變電容器CD 376的充電和放電實例。線段710表示當(dāng)幵關(guān)SK615閉合時,電壓VD635 上升持續(xù)時間TK。線段720表示當(dāng)所有開關(guān)打開時，電壓VD 635保持 在電壓V^p和V^之間的某一個值不變而持續(xù)時間TH。線段730表示 當(dāng)開關(guān)S, 625關(guān)閉時，電壓VD 635下降持續(xù)時間Tj。控制邏輯530響 應(yīng)于比較器360的輸出，以使得振蕩器150的輸出340在時間TK、 TH、 和Tj內(nèi)保持高值，從而，振蕩器150的周期從第一值T。^上升為第二 值T。^。這樣，脈沖寬度調(diào)制器可以包含多個開關(guān)和電流源以響應(yīng)于多 個輸入510來使得電容器充電和放電，如電容器CD 376。附加開關(guān)和電 流源可以調(diào)制脈沖寬度調(diào)制器信號330的響應(yīng)，以用于依賴系統(tǒng)需要控 制電流Ic;120。以上對本發(fā)明解釋性實例的描述，包括摘要中描述的內(nèi)容， 并不意味著是詳盡的或者是局限于所公開的具體形式。雖然此處描述的 該發(fā)明具體實施方式
和實例的目的在于解釋，但各種不背離本發(fā)明寬泛 精神和范圍的等同變形方式都是可能的。實際上，應(yīng)正確評價為解釋之 目的而提供的具體的電壓、電流、頻率、功率范圍值、時間等參數(shù)，以 及在根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的其它實施方式和實例中使用的其它值。根據(jù)以上詳細(xì)的描述，可以對本發(fā)明的實例進(jìn)行各種變形。 在以下權(quán)利要求中所使用的術(shù)語不應(yīng)當(dāng)被解釋為將本發(fā)明局限于在說明 書和權(quán)利要求書中公開的具體實施方式
。相反，該范圍是完全由下面的 權(quán)利要求書所確定，它可以根據(jù)權(quán)利要求描述所確定的原則來理解。相 應(yīng)地，本說明書和附圖應(yīng)視為解釋性的，而非限制性的。
權(quán)利要求
1、一種電路，包括電容器，用于在第一持續(xù)時間內(nèi)將第一電流轉(zhuǎn)換為電容器上的第一電壓，并且在第二持續(xù)時間內(nèi)從該電容器釋放第二電流以將第一電壓改變?yōu)榈诙妷?；和比較器，耦合到該電容器的輸出端，用于在第二持續(xù)時間內(nèi)比較該電容器上的電壓和參考電壓，以響應(yīng)于輸入電流改變周期輸出信號的脈沖寬度。
2、 權(quán)利要求l的電路，其中該周期輸出信號的脈沖寬度基本上與該電容器的值無關(guān)。
3、 權(quán)利要求l的電路，其中該周期輸出信號的脈沖寬度基本上與該 參考電壓值無關(guān)。
4、 權(quán)利要求1的電路，其中該周期輸出信號的脈沖寬度基本上與響 應(yīng)于該比較器的延遲無關(guān)。
5、 權(quán)利要求l的電路，其中該周期輸出信號的脈沖寬度基本上與電 阻值無關(guān)。
6、 權(quán)利要求l的電路，其中在第二持續(xù)時間內(nèi)，當(dāng)電容器上的電壓 達(dá)到參考電壓時，電容器上的電壓變化將終止。
7、 權(quán)利要求l的電路，進(jìn)一步包括耦合的振蕩器，以產(chǎn)生定時信號， 其中周期輸出信號的周期為從振蕩器接收的定時信號的周期。
8、 權(quán)利要求7的電路，其中從振蕩器接收的定時信號決定輸出信號 的最大導(dǎo)通時間。
9、 權(quán)利要求l的電路，進(jìn)一步包括耦合的振蕩器和控制邏輯，用于 接收來自該振蕩器的定時信號，以響應(yīng)于系統(tǒng)輸入來改變該電路的頻率 和占空比。
10、 權(quán)利要求9的電路，其中進(jìn)一步耦合控制邏輯，用于接收來自 該比較器的輸出和系統(tǒng)輸入，以控制電路中的振蕩器和開關(guān)的切換，從 而實現(xiàn)對該電容器充電和放電。
11、 權(quán)利要求9的電路，其中該控制邏輯包括耦合到振蕩器輸出端的延遲電路，該延遲電路的輸出耦合到與門，并且該控制邏輯與比較器 的輸出端耦合以輸出脈沖寬度調(diào)制信號。
12、 權(quán)利要求1的電路，其中該第一電流包括來自于電流源的電流 和與控制電流成比例的電流。
13、 權(quán)利要求12的電路，進(jìn)一步包括電流反射鏡，用于產(chǎn)生與控制 電流成比例的電流。
14、 權(quán)利要求l的電路，其中該電路包含于集成電路中。
15、 權(quán)利要求14的電路，其中耦合該集成電路以控制電源。
16、 一種方法，包括在第一持續(xù)時間內(nèi)將第一 電流轉(zhuǎn)換成電容器上的第一 電壓； 在第二持續(xù)時間內(nèi)將該電容器上的電壓由第一電壓轉(zhuǎn)換成第二電壓；禾n在第二持續(xù)時間內(nèi)將該電容器上的電壓和參考電壓進(jìn)行比較，以調(diào) 制周期輸出信號的脈沖寬度。
17、 權(quán)利要求16的方法，進(jìn)一步包括在第二持續(xù)時間內(nèi)，當(dāng)該電容 器上的電壓達(dá)到該參考電壓時，終止改變電容器上的電壓。
18、 權(quán)利要求16的方法，進(jìn)一步包括接收來自振蕩器的定時信號，以決定該周期輸出信號的周期和該周期輸出信號的最大脈沖寬度。
19、 權(quán)利要求16的方法，進(jìn)一步包括切換與相應(yīng)的多個電流源中的 每個電流源耦合的多個開關(guān)中的每個開關(guān)，以對該電容器充電和放電， 從而調(diào)制周期輸出信號的脈沖寬度。
全文摘要
公開了一種提供響應(yīng)于電流的脈沖寬度調(diào)制信號的裝置和方法。根據(jù)本發(fā)明的一些方面，一種電路，包括電容器，用于在第一持續(xù)時間內(nèi)將第一電流轉(zhuǎn)換成電容器上的第一電壓，以及用于在第二持續(xù)時間內(nèi)從電容器釋放第二電流，以將第一電壓改變?yōu)榈诙妷?。還包括比較器，其與該電容器的輸出端耦合，以在第二持續(xù)時間內(nèi)將電容器上的電壓和參考電壓進(jìn)行比較，從而響應(yīng)于輸入電流來改變周期輸出信號的脈沖寬度。
文檔編號H02M1/08GK101183824SQ20071019291
公開日2008年5月21日 申請日期2007年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月4日
發(fā)明者Z·-J·王 申請人:電力集成公司