專利名稱：維持可變頻率調(diào)制器的線性增益的系統(tǒng)和方法
維持可變頻率調(diào)制器的線性增益的系統(tǒng)和方法
相關(guān)申請的交叉引用本申請要求提交時間為2011年11月21日的美國臨時申請序列號61/562，028，的權(quán)益，上述申請整體結(jié)合在此做為參考并用于針對所有意圖和目的。
附圖的簡要描述通過下文的文字描述和附圖將更加容易理解本發(fā)明的所有好處、特征以及優(yōu)點(diǎn):

圖1是電子設(shè)備的簡化框圖，該電子設(shè)備配備有帶有調(diào)節(jié)器的電源系統(tǒng)，該調(diào)節(jié)器進(jìn)一步包括一根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例而實(shí)現(xiàn)的調(diào)制器；圖2是調(diào)節(jié)器的簡化示意框圖，包括圖1中的調(diào)制器的簡化框圖，該調(diào)制器包括根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例而實(shí)現(xiàn)的線性控制器；圖3是調(diào)制器的示意框圖，包括根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例而實(shí)現(xiàn)的線性控制器，其中該調(diào)制器被配置為一個可變頻率雙邊緣占空比控制器，其可被用作為圖1和圖2中的調(diào)制器；圖4是繪制出了圖3中的調(diào)制器的信號的時序圖，示出了示例性操作；圖5是調(diào)制器的示意框圖，包括有圖3中的線性控制器，其中該調(diào)制器被配置為可變頻率的雙邊緣占空比控制器，其可被用作為圖1和圖2中的調(diào)制器；圖6是調(diào)制器的示意框圖，包括有根據(jù)一個實(shí)施例而實(shí)現(xiàn)的線性控制器，其中該調(diào)制器被配置為可變頻率雙邊緣占空比控制器，其可被用作為圖1和圖2中的調(diào)制器；以及圖7是調(diào)制器的示意框圖，包括有根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例而實(shí)現(xiàn)的線性控制器，其中該調(diào)制器被配置為可變頻率峰值電流模式控制器，其可被用作為圖1和圖2中的調(diào)制器。
詳細(xì)描述下文的描述使得本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員能夠做出和使用本發(fā)明，一如在特定場合及其要求的背景下提供的那樣。然而，對優(yōu)選實(shí)施例的各種修改對于本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員而言是輕而易舉的，并且在此所定義的一般原則可以應(yīng)用到其他實(shí)施例中。因此，本發(fā)明不限于此處所示和所述的特定實(shí)施例，而是應(yīng)被賦予與在此所公開的原理和新穎特征相一致的最寬范圍?？勺冾l率脈沖寬度調(diào)制器非常普及，因?yàn)橄啾扔诠潭l率脈沖寬度調(diào)制器，可變頻率脈沖寬度調(diào)制器可以提供快速的動態(tài)響應(yīng)和高控制的環(huán)路帶寬。然而，可變頻率操作會導(dǎo)致普通運(yùn)行條件下的非線性調(diào)制器增益。非線性調(diào)制器增益會帶來若干調(diào)節(jié)器設(shè)計挑戰(zhàn)，諸如:大過沖，從小負(fù)載到大負(fù)載步進(jìn)的不一致動態(tài)響應(yīng)、高頻重復(fù)負(fù)載瞬變期間的不一致動態(tài)響應(yīng)、非線性AC (交流電)的響應(yīng)，等等。傳統(tǒng)的可變頻率調(diào)制器的增益隨著開關(guān)頻率的增加而增加，這會導(dǎo)致對于較大負(fù)載步進(jìn)的大電壓“回響”。相比于較小的負(fù)載步進(jìn)，對于較大負(fù)載步進(jìn)的回響會同比例增高。該調(diào)制器將在中等負(fù)載步進(jìn)時飽和。傳統(tǒng)的解決這些問題的嘗試包括:施加取決于相位重疊或不重疊的固定倍數(shù)的斜坡轉(zhuǎn)換速率。然而，在許多調(diào)節(jié)器中，這些傳統(tǒng)的方法往往使問題變得更加糟糕。一些瞬態(tài)周期導(dǎo)致了顯著相位重疊，而在其他周期中沒有相位重疊。這導(dǎo)致在很寬的范圍內(nèi)將會發(fā)生動態(tài)響應(yīng)和非線性行為。例如，在一個雙斜坡系統(tǒng)中，已經(jīng)確定在高頻重復(fù)負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)期間，基于相位重疊而調(diào)節(jié)上升斜坡信號可能導(dǎo)致嚴(yán)重的非線性行為，且相位重疊量是不一致的且隨著負(fù)載周期的不同而不同。如本文所述的可變頻率調(diào)制器包括線性控制器，該線性控制器響應(yīng)于開關(guān)頻率的變化而對增益進(jìn)行補(bǔ)償以保持增益線性度。在這種方式中，此處所描述的調(diào)節(jié)器設(shè)計挑戰(zhàn)就被消除了，或者被最小化了。圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例而實(shí)現(xiàn)的電子設(shè)備100的簡化框圖，電子設(shè)備100配置有電源系統(tǒng)101，電源系統(tǒng)101具有調(diào)節(jié)器102，調(diào)節(jié)器102進(jìn)一步包括調(diào)制器103。電源系統(tǒng)101提供一個或者多個供電電壓，該供電電壓為電子設(shè)備100的其它系統(tǒng)設(shè)備供電。在圖示的實(shí)施例中，電子設(shè)備100包括處理器107和外圍系統(tǒng)109，兩者耦合以從電源系統(tǒng)101經(jīng)由總線105接收供電電壓，縱向105包括電力和/或信號導(dǎo)體的任何組合。在圖示的實(shí)施例中，外圍系統(tǒng)109可包括系統(tǒng)存儲器111的任何組合(例如，包括RAM和ROM類型的器件和存儲控制器等等的任意組合)以及輸入/輸出(I/O)系統(tǒng)113，輸入/輸出(I/O)系統(tǒng)113可包括系統(tǒng)控制器等等，諸如:圖形控制器、中斷控制器、鍵盤和鼠標(biāo)控制器、系統(tǒng)存儲設(shè)備控制器(例如，用于硬盤驅(qū)動器的控制器等等)，等等。所示的系統(tǒng)僅僅是示范性的，因?yàn)樵S多處理器系統(tǒng)和支持設(shè)備可以被集成到處理器芯片上，一如本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解到的。電子設(shè)備100可以是任何類型的計算機(jī)或計算設(shè)備，諸如:計算機(jī)系統(tǒng)(例如，筆記本計算機(jī)、臺式計算機(jī)、上網(wǎng)本計算機(jī)，等等)，媒體面板設(shè)備(例如，蘋果公司的iPad、Amazon, com公司的Kindle,等等),通信設(shè)備(例如,蜂窩電話、智能電話，等等)，以及其他類型的電子設(shè)備(例如，媒體播放器、記錄裝置，等等)。電源系統(tǒng)101可以被配置成包括電池(可充電的或不可充電的)和/或可以被配置為使用交流電(AC)適配器或相似物來工作。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例而實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)器102的簡化的示意框圖，調(diào)節(jié)器102包括調(diào)制器103的簡化框圖，調(diào)制器103包括線性控制器211。一對電子開關(guān)QU (上方的開關(guān))和QL (下方的開關(guān))的電流端子(例如，漏極和源極)被串連在輸入電壓VIN和公共參考電壓COMM(例如，接地端或任何其它合適的正或負(fù)參考電壓電平)之間。值得注意的是COMM 一般表示一個或更多參考節(jié)點(diǎn)，包括一個或多個接地電平或節(jié)點(diǎn)，諸如信號接地、電源接地、機(jī)殼接地，等等，或任何其他合適的參考電壓電平。開關(guān)QU和QL在居間相節(jié)點(diǎn)201上耦合在一起，居間相節(jié)點(diǎn)201提供相電壓PH，并且輸出電感LO —端耦合到節(jié)點(diǎn)201且另一端耦合到輸出節(jié)點(diǎn)203，輸出節(jié)點(diǎn)203提供輸出電壓V0UT。輸出電容器CO和負(fù)載205被耦合在輸出節(jié)點(diǎn)203和COMM之間。第一阻抗ZFB耦合在VOUT和誤差放大器(EA) 207的負(fù)(一)輸入之間，且第二阻抗ZC耦合在誤差信號放大器207的倒相輸入和輸出之間?；鶞?zhǔn)電壓VREF被提供在誤差放大器207的正輸入上，誤差放大器207在其輸出上產(chǎn)生補(bǔ)償電壓VC0MP，補(bǔ)償電壓VCOMP被提供給調(diào)制器103的輸入。ZFB和ZC共同形成補(bǔ)償電路，該補(bǔ)償電路例如包括電阻器和電容器等等，一如本技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)人員都可以理解的。示出了電流傳感器208，感測通過輸出電感LO的電感電流IL，并提供電感電流信號或指示給下垂控制器202 (droopcontroller).雖然示出了電流傳感器，但實(shí)際的電流傳感器并不是必要的，因?yàn)殡姼衅麟娏鱅L可被感測、模擬或以其他方式來合成以測量或估計IL。下垂控制器202提供下降電流ID到誤差信號放大器207的負(fù)輸入上的節(jié)點(diǎn)。電壓下降是響應(yīng)于輸出負(fù)載的電平而對輸出電壓VOUT的有意調(diào)整，一如本技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)人員都可以理解的。調(diào)制器103發(fā)出脈沖控制信號PMW (脈沖寬度調(diào)制)到驅(qū)動模塊209的輸入，驅(qū)動模塊209根據(jù)基于PWM信號的PWM控制來驅(qū)動開關(guān)QU和QL的控制輸入(例如，柵極端子)。傳統(tǒng)的調(diào)制器可具有非線性調(diào)制器增益，這正像前面所描述的那樣，會帶來若干調(diào)節(jié)器器設(shè)計方面的挑戰(zhàn)。線性控制器211如本文中進(jìn)一步描述的對調(diào)制器103的增益進(jìn)行線性化，以最小化或消除由非線性增益引起的設(shè)計挑戰(zhàn)。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例而實(shí)現(xiàn)的調(diào)制器300的示意框圖，調(diào)制器300包括線性控制器311，其中調(diào)制器300可被用作為調(diào)制器103。在本實(shí)施例中，調(diào)制器300被配置為可變頻率雙沿占空比控制器。誤差放大器207提供VCOMP，VCOMP被提供給下降斜坡比較器301的正輸入，下降斜坡比較器301在其負(fù)輸入上接收到下降斜坡信號DRAMP。下降斜坡比較器301的輸出通過單觸發(fā)脈沖裝置305被提供到置位一復(fù)位(SR)鎖存器309的置位輸入。VCOMP也被提供給上升斜坡比較器303的負(fù)輸入，上升斜坡比較器303在其正輸入上接收上升斜坡信號URAMP。上升斜坡比較器303的輸出通過另一個單觸發(fā)脈沖設(shè)備307被提供到SR鎖存器309的復(fù)位輸入。SR鎖存器309的Q輸出提供PWM信號，并且反相Q輸出端G提供反相的PWM信號FWSI。PWM被反饋到上升斜坡發(fā)生器319的輸入上,上升斜坡發(fā)生器319在輸出上提供URAMP信號。VCOMP通過高通濾波器(HPF)被提供給帶有增益K的增益設(shè)備315的輸入，增益設(shè)備315的輸出提供下降斜坡擺動信號DSR給下降斜坡發(fā)生器317的斜坡調(diào)節(jié)輸入。下降斜坡發(fā)生器317的輸出提供DRAMP信號。DSR被進(jìn)一步提供給線性控制器311的輸入，線性控制器311的輸出提供上升斜坡擺動信號USR給上升斜坡發(fā)生器319的斜坡調(diào)節(jié)輸入。
線性控制器311包括濾波器，其中電阻RF耦合在DSR和USR之間，且電容CF耦合在USR和COMM之間。RF被示出為可變電`阻器，并且在一個實(shí)施例中濾波器時間常數(shù)可以是可變的。在另一個實(shí)施例中，RF被調(diào)節(jié)或以其他方式被編程以將RF與CF濾波器的濾波時間常數(shù)設(shè)置為所希望的穩(wěn)態(tài)開關(guān)周期TS。TS值在控制器芯片上通常都是可獲得的。在調(diào)制器300的一般運(yùn)轉(zhuǎn)中，DRAMP信號重置為高于VCOMP信號，并且斜坡下降。當(dāng)DRAMP信號下降到VCOMP信號的電平，比較器301就將其輸出斷言為高，并且脈沖裝置305輸出一脈沖以設(shè)置SR鎖存器309把PWM拉高。當(dāng)PWM變高，就變低，在URAMP信號上發(fā)起一向上斜坡。當(dāng)URAMP信號上升到VCOMP信號的電平，比較器303就將其輸出斷言為高，并且脈沖裝置307輸出一脈沖以重置SR鎖存器309，把PWM拉低回落。DSR信號在瞬逝事件中被用于加快(瞬間插入)或減慢(瞬間釋放)DRAMP信號的轉(zhuǎn)換速率。當(dāng)VCOMP響應(yīng)于瞬態(tài)插入事件而上升時，DSR將被調(diào)節(jié)，且下降斜坡發(fā)生器317增加DRAMP信號的轉(zhuǎn)換速率，以加快調(diào)制器300的響應(yīng)，從而能夠更迅速地對瞬態(tài)插入事件進(jìn)行響應(yīng)。在傳統(tǒng)的調(diào)制器中，這樣的可變響應(yīng)也改變調(diào)制器的增益。在傳統(tǒng)的控制器中的調(diào)制器增益(G)成比例于穩(wěn)態(tài)切換周期TS除以操作期間實(shí)際切換周期TP，即G C TS/TP。這種非線性帶來了前述的調(diào)節(jié)器設(shè)計挑戰(zhàn)。線性控制器311對DSR的變化進(jìn)行響應(yīng)并相應(yīng)地調(diào)節(jié)USR。DSR和實(shí)際切換時間TP相關(guān)，或以其他方式成比例于切換時間TP。USR響應(yīng)于DSR而調(diào)節(jié)URAMP信號的轉(zhuǎn)換速率，并由此對瞬態(tài)事件進(jìn)行響應(yīng)。特別是，基于DRAMP的轉(zhuǎn)換速率的變化，對URAMP的轉(zhuǎn)換速率進(jìn)行調(diào)節(jié)以抵消增益的增加，使得調(diào)制器增益在穩(wěn)態(tài)期間和瞬態(tài)事件期間保持恒定。這種線性度做出了補(bǔ)償以克服傳統(tǒng)可變頻率調(diào)制器的設(shè)計挑戰(zhàn)。圖4是繪制出PWM、DRAMP、VCOMP和URAMP相對于時間的時序圖，描繪在調(diào)制器300的操作，調(diào)制器300包括線性控制器311。DRAMP從高電壓電平VTOP斜坡下降，當(dāng)DRAMP和VCOMP相交時，PWM變高，且URAMP從低電壓電平VBOT開始斜坡上升。當(dāng)URAMP和VCOMP相交時，PWM被復(fù)位為低。當(dāng)DRAMP放電至VBOT時，它被重置為高回到VT0P，以這種方式重復(fù)進(jìn)行操作。響應(yīng)于瞬態(tài)插入事件，VCOMP迅速增加，使DSR增加DRAMP的轉(zhuǎn)換速率，DRAMP的轉(zhuǎn)換速率迅速下降。因而，和穩(wěn)態(tài)條件相比，DRAMP在循環(huán)中更快速地與VCOMP相交，使得URAMP更早地使PWM回到高位。實(shí)際切換時間TP相對于穩(wěn)態(tài)切換時間TS而減少。線性控制器311檢測到DSR的增加，并相應(yīng)地改變USR以調(diào)節(jié)URAMP的轉(zhuǎn)換速率，由此URAMP更快地上升，更快地與VCOMP相交，以在這個循環(huán)中更早地終止PWM脈沖。在這種方式中，響應(yīng)于DRAMP轉(zhuǎn)換速率的變化而調(diào)節(jié)URAMP的轉(zhuǎn)換速率，從而調(diào)制器增益在瞬態(tài)插入事件期間保持相對恒定。VCOMP在瞬態(tài)事件后回落下來，且調(diào)制器300恢復(fù)到其穩(wěn)態(tài)切換時間TS。圖5是根據(jù)本發(fā)明中的一個實(shí)施例而實(shí)現(xiàn)的調(diào)制器500的示意框圖，調(diào)制器500包括線性控制器511，其中調(diào)制器500可以被用作調(diào)制器103。在本實(shí)施例中，調(diào)制器500是更復(fù)雜的可變頻率雙沿占空比控制器，類似于調(diào)制器300，其中相似的部件具有相同的參考標(biāo)號。誤差放大器207、比較器301和303脈沖設(shè)備305和307、SR鎖存器309、HPF 313、以及增益設(shè)備315都被包括在內(nèi)且被耦合及配置為以大體類似的方式運(yùn)行。也提供了 DRAMP發(fā)生器317和URAMP發(fā)生器319的額外細(xì)節(jié)。線性控制器511與線性控制器311相類似，但包括了另外的附加組件用于連接上升斜坡控制器。DSR被提供給+1加法器501的輸入，+1加法器501將信號DSR+1輸出到乘法器503的輸入。乘法器503在另一輸入上接收到下降斜坡電流ID，并將修改后的下降斜坡電流IDM輸出到電流宿505的控制輸入，電流宿505耦合在COMM和下降斜坡節(jié)點(diǎn)506之間，下降斜坡節(jié)點(diǎn)506產(chǎn)生DRAMP信號。下降斜坡電容器⑶耦合在節(jié)點(diǎn)506和COMM之間，節(jié)點(diǎn)506耦合到比較器507的負(fù)極輸入，比較器507在正極輸入上接收VB0T。比較器507的輸出通過脈沖設(shè)備509耦合到下降斜坡開關(guān)DSW的控制輸入。DSW耦合在VTOP和節(jié)點(diǎn)506之間。線性控制器511包括RF、CF、+1加法器512和組合器513。USR被提供給+1加法器512的輸入，+1加法器512將信號USR+1輸出到乘法器513的輸入。乘法器513在另一輸入上接收到上升斜坡電流IU，并將修改過的上升斜坡電流IUM輸出到電流源515的控制輸入，電流源515以源電壓VDD為基準(zhǔn)。電流源515將電流供給上升斜坡節(jié)點(diǎn)516，上升斜坡節(jié)點(diǎn)516產(chǎn)生URAMP信號。上升斜坡電容器⑶被耦合在節(jié)點(diǎn)516和VBOT之間。被提供給上升斜坡開關(guān)USW的控制輸入，上升斜坡開關(guān)USW被耦合在節(jié)點(diǎn)516和VBOT之間。調(diào)制器500的操作基本上是和圖4的時序圖中所示的調(diào)制器300的描述相一致的。在穩(wěn)態(tài)操作中，VCOMP是穩(wěn)定的且DSR趨近于零。+1加法器501提供值I給乘法器503，因此ID基本上未作修改地作為IDM到達(dá)電流宿505的控制輸入。電流宿505用電流IUD(穩(wěn)定狀態(tài)期間的ID)連續(xù)對電容⑶進(jìn)行放電，以產(chǎn)生DRAMP的信號，直到它降到VB0T，此時比較器507將其輸出斷言為高，使得脈沖裝置509立刻關(guān)閉開關(guān)DSW。當(dāng)DSW被關(guān)閉時，電容CD被快速充電至VT0P，比較器507的輸出回到低位，并且開關(guān)DSW打開。然后隨著電容⑶被電流宿505放電，DRAMP再次斜坡下降，以這種方式重復(fù)操作。在穩(wěn)態(tài)操作的過程中，+1加法器511提供值I到乘法器513，使得IU基本上未作修改地作為IUM到達(dá)電流源515的控制輸入。當(dāng)為低時，電流源515用電流IUM(穩(wěn)定狀態(tài)期間的IU)對電容⑶進(jìn)行充電，以產(chǎn)生URAMP信號，直到它升至VC0MP。當(dāng)URAMP達(dá)到VCOMP時，比較器303將其輸出斷言為高，以重置PWM為低，并斷言PWM力高。當(dāng)被斷言為高時，USff被關(guān)閉，對電容⑶進(jìn)行放電，使得URAMP下降到VBOT。URAMP停留在VB0T，直到下一次被斷言為低，此時電容器CU被再次充電以使URAMP斜坡上升。在穩(wěn)定狀態(tài)期間操作以這種方式重復(fù)。響應(yīng)于瞬態(tài)負(fù)載，VCOMP增加，引起DSR增加，由此DSR+1增加而大于I。IDM被增加而大于ID，使DRAMP的轉(zhuǎn)換速率增加，由此如前面圖4所描述的那樣會迅速下落。當(dāng)DSR被增加，USR被增加相應(yīng)的量，由此USR+1上升而大于I。IUM被增加而大于IU，使URAMP的轉(zhuǎn)換速率增加。響應(yīng)于DRAMP的轉(zhuǎn)換速率的改變，URAMP的轉(zhuǎn)換速率被改變適當(dāng)?shù)牧?，以在瞬間負(fù)載期間維持調(diào)制器500的增益。圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例而實(shí)現(xiàn)的調(diào)制器600的示意框圖，包括了線性控制器611。其中調(diào)制器600也可以被用作為調(diào)制器103。在本實(shí)施例中，調(diào)制器600是更復(fù)雜的可變頻率雙沿占空比控制器，類似于調(diào)制器500，其中相似的部件具有相同的參考標(biāo)號。在這個例子中，基本上所有的元件都是相同的，除了線性控制器311和+1加法器511被線性控制器611所取代，線性控制器611包括穩(wěn)態(tài)頻率設(shè)定網(wǎng)絡(luò)601、除法器603、乘法器513以及定時器605。穩(wěn)態(tài)頻率設(shè)定網(wǎng)絡(luò)601將TS輸出到除法器603的一個輸入，除法器603在另一輸入上接收TP并在乘法器513的一個輸入上提供TS/TP (代替輸入USR+1)。因此，TS/TP值被用來修改URAMP的轉(zhuǎn)換速率。定時器605測量PWM的時間，用于確定實(shí)際切換時間TP (使用斜坡或計數(shù)器等等)，其中TP被提供給除法器603。TS可以被編程，并且該值通常在控制器芯片中是可容易獲得的。調(diào)制器600的運(yùn)行基本上和如上在圖4中所描述的調(diào)制器300和500相類似。負(fù)載插入瞬態(tài)導(dǎo)致TP減少，以至于TS/TP值增加，以增加URAMP的轉(zhuǎn)換速率。URAMP的轉(zhuǎn)換速率被調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)牧浚栽谒查g負(fù)載過程中維持調(diào)制器600的增益。圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例而實(shí)現(xiàn)的調(diào)制器700的示意框圖，調(diào)制器700包括線性控制器711，其中調(diào)制器700可被用作調(diào)制器103。在本實(shí)施例中，調(diào)制器700是更復(fù)雜的可變頻率峰值電流模式控制器。VCOMP被提供到窗口網(wǎng)絡(luò)，窗口網(wǎng)絡(luò)包括以VDD為基準(zhǔn)參考的電流源701，并且提供窗電流IW到窗口電阻器RW+的一端，窗口電阻器RW+產(chǎn)生較高的或正的窗口電壓VW+。RW+的另一端被耦合到VCOMP和另一個窗口電阻RW-的一端。RW-的另一端產(chǎn)生較低的或負(fù)的窗電壓VW-，并且被耦合到電流宿703的一端。電流宿703的另一端被耦合到C0MM。在這種方式下，通過對應(yīng)的窗口電壓，Vff+單獨(dú)保持在VCOMP上方，VW-單獨(dú)保持在VCOMP下方。RW+和RW-具有對于VCOMP附近的對稱窗口電壓的相同電阻值。主網(wǎng)絡(luò)包括電流宿705，電流宿705從主節(jié)點(diǎn)706吸收電流GM.VREF,主節(jié)點(diǎn)706產(chǎn)生主斜坡電壓VM。電流宿705由跨導(dǎo)放大器來實(shí)現(xiàn)，該跨導(dǎo)放大器具有一輸入接收VREF，并具有跨導(dǎo)增益“GM”。主電容CM被耦合在節(jié)點(diǎn)706和COMM之間，節(jié)點(diǎn)706被連接到比較器707的負(fù)輸入，比較器707在其正輸入上接收VM-。比較器707的輸出(用CLK所示)通過脈沖設(shè)備709被提供到開關(guān)MSW的控制輸入以及被提供到SR鎖存器710的置位輸入。VW+被提供給開關(guān)MSW的一個切換端子，開關(guān)MSW的另一個切換端子被連接到節(jié)點(diǎn)706。在操作中，當(dāng)MSW被打開時，電流宿705以與GM.VREF成比例的速度使電容CM放電。當(dāng)VM下降低于較低窗口電壓VW-時，比較器707將其輸出斷言為高，使得SR鎖存器710將PWM斷言為高，開關(guān)MSW被關(guān)閉以重置VM為高至較高窗口電壓VW+。從屬網(wǎng)絡(luò)包括電流宿713，電流宿713吸收來自于從屬節(jié)點(diǎn)714的電流GM -VREF,從屬節(jié)點(diǎn)714產(chǎn)生從屬斜坡電壓VS。電流宿713也可以由帶有跨導(dǎo)增益GM的跨導(dǎo)放大器來實(shí)現(xiàn)。從屬電容器CS被耦合在節(jié)點(diǎn)714和COMM之間，節(jié)點(diǎn)714被連接到加法器715的一個輸入，加法器715在另一個輸入上接收電壓VSADJ。加法器715的輸出被連接到比較器717的正極輸入，比較器717在其負(fù)輸入上接收VW+。比較器717的輸出被提供給SR鎖存器710的重置輸入。以VDD為參考基準(zhǔn)的電流源716供給電流GM.VIN到開關(guān)SSWl的一個切換端子，開關(guān)SSWl的另一個切換端子耦合到節(jié)點(diǎn)714。電流源716也可以被實(shí)現(xiàn)為帶有跨導(dǎo)增益GM的跨導(dǎo)放大器。PWM被提供給開關(guān)SSWl的控制輸入。在穩(wěn)態(tài)期間的從屬網(wǎng)絡(luò)的操作中，VSADJ是低位或零，且在SSWl被打開時，電流宿713以與GM.VREF成比例的速率使電容CS放電。當(dāng)PWM被斷言為高時，開關(guān)SSWl閉合，從而電流源716將與GM.VIN成比例的電流供給到節(jié)點(diǎn)714以對電容CS進(jìn)行充電。值得注意的是，VREF表示輸出電壓VOUT的電壓電平，且VIN比VOUT大，所以當(dāng)開關(guān)SSWl閉合時，電壓VS以與速率GM.(VIN-VREF)成比例地斜坡向上。當(dāng)VS (或者加法器715的輸出)上升到VW+以上時，比較器717將其輸出斷言為高，以重置SR鎖存器710并把PWM拉回到低。線性控制器711包括擺動檢測器719，擺動檢測器719的輸入接收VCOMP且輸出被提供給具有增益K的增益設(shè)備721，增益設(shè)備721的輸出被提供給另外一個具有增益(GM*VREF)/CM的增益塊723，其中“CM”表示主電容器CM的電容量。增益塊723的輸出被提供給RF和CF濾波器，RF和CF濾波器大體上以前面提到的相似方式來配置以產(chǎn)生USR提供給乘法器725的輸入。值GM.VIN被提供給乘法器725的另一個輸入，乘法器725的輸出被提供給以VDD為參考基準(zhǔn)的電流源727的控制輸入。電流源727將電流供給到節(jié)點(diǎn)718，節(jié)點(diǎn)718產(chǎn)生VSADJ電壓。電容器CS2耦合在節(jié)點(diǎn)718和COMM之間。開關(guān)SSW2具有耦合在節(jié)點(diǎn)718和COMM之間的切換端子，并具有控制輸入端接收^L VSADJ如前面所述的一樣被提供給加法器715的輸入。在線性控制器711的操作中，在穩(wěn)態(tài)期間，當(dāng)VCOMP沒有改變的時候，擺動檢測器719的輸出是零或接近零，所以VSADJ也趨向于零。當(dāng)VCOMP響應(yīng)于負(fù)載瞬變而變化時，VW+和VW-將與VCOMP —致地向上或向下移動，這會改變操作頻率，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)706上的VM會在這兩個電壓電平間來回切換。例如，當(dāng)VCOMP增加時，VM更快地下降到VW-(與穩(wěn)態(tài)相比)，并復(fù)位回到VW+，所以總體頻率增加。同樣地，在VCOMP減小時，VM需要稍長的時間達(dá)到VW-，所以頻率降低。擺動檢測器719檢測VCOMP的變化速率，并且塊719、721和723以及RF和CF濾波器產(chǎn)生USR信號。當(dāng) ^ 為低且開關(guān)SSW2被打開時，USR與GM-VIN相乘以控制電流源727的電流電平，從而對電容器CS2充電。當(dāng)PWM變低，F(xiàn)胃變高時，開關(guān)SSW2關(guān)閉，電容器CS2被放電，VSADJ變?yōu)榱?。VSADJ電壓被加到VS上以在一個相對恒定的電平上維持調(diào)制器700的增益。在這種情況下，由于實(shí)際切換頻率和VCOMP的擺動速率成比例，VCOMP可以被用來導(dǎo)出信號VSADJ，以對調(diào)制器的斜坡信號進(jìn)行修改從而線性化調(diào)制器的增益。
值得注意的是，在沒有VSADJ的瞬態(tài)事件期間，表示調(diào)節(jié)器電感電流的VS信號跟蹤在平均電流的上方。在這種通常情況下，由于增益隨著時鐘頻率的增加而增加，占空因數(shù)會過大。當(dāng)如圖所示地VSADJ被產(chǎn)生并應(yīng)用時，VS信號會更準(zhǔn)確地跟蹤平均電流，同時隨著頻率的增加或減少，線性控制器711修正調(diào)制器的增益?？梢源_定的是，常規(guī)的可變頻率調(diào)節(jié)器的AC響應(yīng)(相位裕度和增益)是非線性的，其中增益與TS/TP成比例。因此，隨著頻率的增加或降低，增益也增加或降低適當(dāng)比例的量。如前所述的，這樣的非線性調(diào)制器增益可導(dǎo)致大的過沖、從小負(fù)荷到大負(fù)荷步進(jìn)的不一致動態(tài)響應(yīng)、高頻重復(fù)負(fù)載瞬變期間的不一致動態(tài)響應(yīng)、非線性AC (交流電)的響應(yīng)，等等。大致相似的被修改以包括在此所述的線形控制器的可變頻率調(diào)節(jié)器的AC響應(yīng)允許增益和相位裕度保持基本上未變動的，同時開關(guān)頻率極大地改善了 AC響應(yīng)并消除或以其他方式最小化了先前描述的設(shè)計挑戰(zhàn)。帶有線性控制器的調(diào)制器基于開關(guān)周期而增加控制斜坡轉(zhuǎn)換速率，導(dǎo)致“回響”的大量減少。和一般常規(guī)的配置相比較起來，從小負(fù)載到大負(fù)載步進(jìn)的響應(yīng)更加的一致。調(diào)制器的增益在變頻操作期間保持平坦。線性控制器可以被應(yīng)用到其他可變頻率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)當(dāng)中，例如:峰值電流模式控制、滯環(huán)控制、合成紋波臺歐金額器，等等。雖然對本發(fā)明已經(jīng)進(jìn)行了相當(dāng)詳細(xì)地描述，并引用了某些優(yōu)選的版本，但是其他版本的演化是可能的且可以預(yù)期的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，他們可以很容易地使用所公開的概念和特定的實(shí)施例作為基礎(chǔ)而進(jìn)行設(shè)計或修改其他結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的相同目的，而不脫離如下權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種可變頻率調(diào)制器，包括: 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，被配置為提供一指示輸出負(fù)載情況的補(bǔ)償信號； 第一脈沖控制網(wǎng)絡(luò)，被配置為在脈沖控制信號上發(fā)起脈沖，其中所述第一調(diào)制控制網(wǎng)絡(luò)被配置為基于所述補(bǔ)償信號的變化而調(diào)節(jié)工作頻率； 第二脈沖控制網(wǎng)絡(luò)，被配置為基于預(yù)定定時參數(shù)而中止所述脈沖控制信號上的脈沖；以及 線性控制器，耦合到所述第二調(diào)制控制網(wǎng)絡(luò)，并被配置為通過所述第二調(diào)制網(wǎng)絡(luò)并基于預(yù)定穩(wěn)態(tài)操作頻率和實(shí)際操作頻率而調(diào)節(jié)所述脈沖的終止定時，以將調(diào)制器增益維持為恒定水平。
2.如權(quán)利要求1所述的可變頻率調(diào)制器，其特征在于，還包括: 擺動檢測網(wǎng)絡(luò)，被配置成感測所述補(bǔ)償信號的變化，并提供指示該變化的擺動速率信號；以及 其中所述線性控制器包括: 濾波器網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)所述穩(wěn)態(tài)操作頻率來配 置，其中所述濾波器網(wǎng)絡(luò)接收所述擺動速率信號，并提供指示該擺動速率信號的定時調(diào)節(jié)信號；以及 組合器，被配置為根據(jù)所述預(yù)定定時參數(shù)，將所述定時調(diào)節(jié)信號和由所述第二脈沖控制網(wǎng)絡(luò)生成的定時信號相組合，以提供經(jīng)調(diào)節(jié)的定時信號，用于終止所述脈沖。
3.如權(quán)利要求2所述的可變頻率調(diào)制器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換速率檢測網(wǎng)絡(luò)包括高通濾波器。
4.如權(quán)利要求2所述的可變頻率調(diào)制器，其特征在于，所述濾波器網(wǎng)絡(luò)包括電阻-電容濾波器，所述電阻-電容濾波器基于穩(wěn)態(tài)操作周期來配置。
5.如權(quán)利要求1所述的可變頻率調(diào)制器，其特征在于，所述線性控制器包括: 穩(wěn)態(tài)頻率設(shè)置模塊，提供穩(wěn)態(tài)周期值； 定時器網(wǎng)絡(luò)，接收所述脈沖控制信號，并提供實(shí)際操作周期值； 第一組合器，被配置為將所述穩(wěn)態(tài)周期值和所述實(shí)際操作周期值相組合，以提供調(diào)節(jié)值； 第二組合器，被配置為將所述調(diào)節(jié)值和由所述第二脈沖控制網(wǎng)絡(luò)所提供的預(yù)定定時值相組合。
6.如權(quán)利要求1所述的可變頻率調(diào)制器，其特征在于，所述線性控制器包括: 擺動檢測網(wǎng)絡(luò)，被配置為感知所述補(bǔ)償信號的變化，并提供指示該變化的擺動速率信號; 至少一個增益塊，被配置為調(diào)節(jié)所述擺動速率信號的增益； 濾波器網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)所述穩(wěn)態(tài)操作頻率來配置，其中所述濾波器網(wǎng)絡(luò)接收所述擺動速率信號，并提供指示該擺動速率信號的定時調(diào)節(jié)信號； 組合器系統(tǒng)，被配置為根據(jù)所述預(yù)定定時參數(shù)，組合所述定時調(diào)節(jié)信號和由所述第二脈沖控制網(wǎng)絡(luò)所生成的定時信號，從而提供經(jīng)調(diào)節(jié)的定時信號，用于終止所述脈沖。
7.如權(quán)利要求1所述的可變頻率調(diào)制器，其特征在于， 所述第一脈沖控制網(wǎng)被配置為產(chǎn)生第一斜坡信號，并且當(dāng)所述第一斜坡信號與所述補(bǔ)償信號相交時，在所述脈沖控制信號上發(fā)起一脈沖，其中所述第一脈沖控制網(wǎng)絡(luò)被配置為基于所述補(bǔ)償信號的變化而調(diào)節(jié)所述第一斜坡信號的擺動速率； 其中所述第二脈沖控制網(wǎng)絡(luò)被配置為在所述脈沖控制信號上發(fā)起所述脈沖時產(chǎn)生第二斜坡信號，并且當(dāng)所述第二斜坡信號與所述補(bǔ)償信號相交時終止所述脈沖；以及 其中所述線性控制器被配置成為基于所述預(yù)定穩(wěn)態(tài)操作頻率和實(shí)際操作頻率而調(diào)節(jié)所述第二斜坡信號的擺動速率，以將所述調(diào)制器增益維持在恒定水平。
8.如權(quán)利要求1所述的可變頻率調(diào)制器，其特征在于， 所述第一脈沖控制網(wǎng)絡(luò)包括: 窗口網(wǎng)絡(luò)，被配置為產(chǎn)生在所述補(bǔ)償信號上方固定量的較高窗口電平以及在所述補(bǔ)償信號下方固定量的較低窗口電平。
斜坡發(fā)生器，被配置為產(chǎn)生第一斜坡信號，所述第一斜坡信號在所述較高和較低窗口信號之間斜坡移動。
其中所述第二脈沖控制網(wǎng)絡(luò)被配置為產(chǎn)生第二斜坡信號，所述第二斜坡信號在所述脈沖控制信號的脈沖期間以基于輸入電壓和參考電壓的速率而斜坡上升達(dá)到所述較高窗口電平。并且在所述脈沖控制信號的諸個脈沖之間以基于所述參考電壓的速率而斜坡下降；以及 其中所述線性控制器被配置為當(dāng)斜坡下降時，基于所述預(yù)定穩(wěn)態(tài)操作頻率和實(shí)際操作頻率而調(diào)節(jié)所述第二斜坡信號的擺動速率，從而將所述調(diào)制器增益維持在恒定水平。
9.一種操作可變頻率調(diào)制器的方法，包括: 提供指示輸出負(fù)載情況的補(bǔ) 償信號； 基于所訴補(bǔ)償信號的變化，在脈沖控制信號上以一操作頻率而發(fā)起脈沖； 基于預(yù)定定時參數(shù)，終止所述脈沖控制信號上的脈沖；以及 基于預(yù)定穩(wěn)態(tài)操作頻率和實(shí)際操作頻率，調(diào)節(jié)所述脈沖的終止定時，以將調(diào)制器增益維持在恒定水平。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括: 感知所述補(bǔ)償信號的變化，提供表示該變化的擺動速率信號； 基于穩(wěn)態(tài)周期而對所述擺動速率信號進(jìn)行濾波，并提供表示該擺動速率信號的定時調(diào)節(jié)信號；以及 其中所述調(diào)節(jié)定時包括使用所述定時調(diào)節(jié)信號基于所述預(yù)定定時參數(shù)來調(diào)節(jié)所述定時信號。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述濾波包括高通濾波。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述濾波包括使用電阻一電容濾波器進(jìn)行濾波，所述電阻一電容濾波器基于所述穩(wěn)態(tài)周期而被配置。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)定時包括: 提供穩(wěn)態(tài)周期值； 測量所述脈沖控制信號的定時，并提供實(shí)際操作周期值； 將所述穩(wěn)態(tài)周期值和所述實(shí)際操作周期值相組合，并提供對應(yīng)的調(diào)節(jié)值；以及 將所述調(diào)節(jié)值和預(yù)定周期值相組合，以調(diào)節(jié)所述脈沖的終止定時。
14.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)定時包括: 感測所述補(bǔ)償信號的變化，并提供表示該變化的擺動速率信號；調(diào)節(jié)所述擺動速率信號的增益； 基于穩(wěn)態(tài)周期對所述擺動速率信號進(jìn)行濾波，并提供表示該擺動速率信號的定時調(diào)節(jié)信號；以及 組合所述調(diào)節(jié)信號和與預(yù)定定時參數(shù)相關(guān)聯(lián)的定時信號，以提供經(jīng)調(diào)節(jié)的定時信號，用作調(diào)節(jié)所述脈沖的終止定時。
15.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于， 在所述脈沖控制信號上發(fā)起脈沖包括:生成第一斜坡信號，并當(dāng)所述第一斜坡信號和補(bǔ)償信號相交時，在所述脈沖控制信號上發(fā)起一脈沖； 基于所述補(bǔ)償信號的變化，調(diào)節(jié)所述第一斜坡信號的擺動速率； 其中終止所述脈沖控制信號上的脈沖包括:當(dāng)在所述脈沖控制信號發(fā)起脈沖時，生成第二斜坡信號，當(dāng)所述第二斜坡信號和補(bǔ)償信號相交時終止脈沖；以及 其中調(diào)節(jié)所述脈沖的終止定時包括:基于預(yù)定穩(wěn)態(tài)操作頻率和實(shí)際操作頻率而調(diào)節(jié)所述第二斜坡信號的擺動速率，以將調(diào)制器增益維持在恒定水平。
16.如權(quán)利要求9所述的方法中，其特征在于， 其中在所述脈沖控制信號上發(fā)起脈沖包括:在所述補(bǔ)償信號任意一側(cè)生成窗口范圍，并生成在所述窗口范圍內(nèi)斜坡移動的第一斜坡信號； 其中終止所述脈沖控制信號上的脈沖包括:生成第二斜坡信號，所述第二斜坡信號在控制脈沖信號的脈沖期間，以基于`輸入電壓和參考電壓之差的速率以一個方向向著所述窗口范圍的邊界斜坡移動，并且所述第二斜坡信號以基于參考電壓的速率在相反方向上斜坡移動；以及 其中調(diào)節(jié)所述脈沖的終止定時包括:當(dāng)基于預(yù)定穩(wěn)態(tài)操作頻率和實(shí)際操作頻率在所述相反方向上斜坡移動時，矯正所述第二斜坡信號的擺動速率，從而將調(diào)制器增益維持在恒定水平。
17.—種電子設(shè)備,包括: 開關(guān)電路，響應(yīng)于脈沖控制信號，用于對施加到輸出電感的電壓進(jìn)行切換，以將輸入電壓轉(zhuǎn)換為經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出電壓； 可變頻率調(diào)制器，包括: 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，被配置為提供一指示輸出負(fù)載情況的補(bǔ)償信號； 第一脈沖控制網(wǎng)絡(luò)，被配置為在脈沖控制信號上發(fā)起脈沖，其中所述第一調(diào)制控制網(wǎng)絡(luò)被配置為基于所述補(bǔ)償信號的變化而調(diào)節(jié)工作頻率； 第二脈沖控制網(wǎng)絡(luò)，被配置為基于預(yù)定定時參數(shù)而中止所述脈沖控制信號上的脈沖；以及 線性控制器，耦合到所述第二調(diào)制控制網(wǎng)絡(luò)，并被配置為通過所述第二調(diào)制網(wǎng)絡(luò)并基于預(yù)定穩(wěn)態(tài)操作頻率和實(shí)際操作頻率而調(diào)節(jié)所述脈沖的終止定時，以將調(diào)制器增益維持為恒定水平。
18.如權(quán)利要求17所述的電子設(shè)備，其特征在于，進(jìn)一步包括:處理器和存儲器，這二者都通過所述輸出電壓來獲得電力。
19.如權(quán)利要求17所述的電子設(shè)備，其特征在于，所述可變頻率調(diào)制器進(jìn)一步包括: 擺動檢測網(wǎng)絡(luò)，被配置為感測所述補(bǔ)償信號的變化，并提供指示該變化的擺動速率信號；以及 其中所述線性控制器包括: 濾波器網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)所述穩(wěn)態(tài)操作頻率來配置，其中所述濾波器網(wǎng)絡(luò)接收所述擺動速率信號，并提供指示該擺動速率信號的定時調(diào)節(jié)信號；以及 組合器，被配置為根據(jù)所述預(yù)定定時參數(shù)，將所述定時調(diào)節(jié)信號和由所述第二脈沖控制網(wǎng)絡(luò)生成的定時信號相組合，以提供經(jīng)調(diào)節(jié)的定時信號，用于終止所述脈沖。
20.如權(quán)利要求17所述的電子設(shè)備，其特征在于，所述線性控制器包括: 穩(wěn)態(tài)頻率設(shè)置模塊， 提供穩(wěn)態(tài)周期值； 定時器，接收所述脈沖控制信號，并提供實(shí)際操作周期值； 第一組合器，被配置為將所述穩(wěn)態(tài)周期值和所述實(shí)際操作周期值相組合，以提供調(diào)節(jié)值；以及 第二組合器，被配置為將所述調(diào)節(jié)值和由所述第二脈沖控制網(wǎng)絡(luò)所提供的預(yù)定定時值相組合。
全文摘要
一種可變頻率調(diào)制器，包括補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、第一和第二脈沖控制網(wǎng)絡(luò)和線性控制器。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)被配置為提供表示輸出負(fù)載情況的補(bǔ)償信號。第一脈沖控制網(wǎng)絡(luò)被配置為在脈沖控制信號上發(fā)起脈沖，并且基于所述補(bǔ)償信號的變化而調(diào)節(jié)工作頻率。第二脈沖控制網(wǎng)絡(luò)被配置為基于預(yù)定定時參數(shù)而中止所述脈沖控制信號上的脈沖。線性控制器被配置為基于預(yù)定穩(wěn)態(tài)操作頻率和實(shí)際操作頻率而調(diào)節(jié)所述脈沖的終止定時，以將調(diào)制器增益維持為恒定水平。
文檔編號H02M3/155GK103138577SQ20121037567
公開日2013年6月5日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月21日
發(fā)明者M·J·休斯敦, S·P·勞爾, R·S·A·菲爾布里克 申請人:英特賽爾美國有限公司