具有自适应补偿的开关转换器

本申请要求于2020年1月17日提交的意大利专利申请102020000000844的优先权，其内容在法律允许的最大范围内通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及开关转换器领域，并且具体地涉及一种用于将直流输入电压转换成不同于输入电压的直流输出电压的DC-DC开关转换器。更具体地，本发明涉及一种能够针对宽范围的输入电压值以足够的增益和稳定性进行操作的基于时间的DC-DC开关转换器。

背景技术

DC-DC开关转换器可以用于任何电子系统中，包括电源(诸如电池)和一个或多个电子/机电部件，每一个以各自电压操作：在这样的电子系统中，DC-DC开关转换器可以被配置为根据由电源提供的(单个)输入电压生成多个受控输出电压。

这允许节省空间，因为避免了在电子系统内使用多个电源来对其不同部件供电。

最近，已经开发了基于时间的DC-DC开关转换器，其中基于时间的控制元件被用来代替宽带宽误差放大器、模拟或数字脉冲宽度调制器以及高分辨率模数转换器(ADC)。

2015年4月的《IEEE Journal of Solid-State Circuits》的第50卷第4期(通过引用并入)中S.J.Kim等人的“High Frequency Buck Converter Design Using Time-BasedControl Techniques”中公开了基于时间的DC-DC开关转换器。

这样的基于时间的DC-DC开关转换器包括PID(“比例积分微分”)控制器(即，被配置为连续计算误差值作为期望设定值与测量过程变量之间的差值并且基于比例、积分和微分项应用校正的控制回路机构)，其中积分作用由电流控制的环形振荡器电路实现，并且比例和微分作用由加载有受控相移电路的差分跨导(differential transconductor)电路实现。

已知的基于时间的DC-DC开关转换器对于现代技术要求、尤其是对于期望输入电压具有宽范围值的应用是不令人满意的。实际上，在输入电压的宽范围值的情况下，必须设计PID控制器以确保在最坏情况下(即，当输入电压取高值时)的稳定性。然而，这样的设计标准确定了在输入电压的低值下的低带宽。

换言之，在已知的基于时间的DC-DC开关转换器中，用输入电压的低值下的有限带宽换取输入电压的高值下的足够相位裕度。

在本领域中，需要解决上述问题，并且提供一种在输入电压的高值和低值条件下均能够确保足够的增益和相位裕度/稳定性的实现自适应补偿的开关转换器。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种用于将直流输入电压转换成直流输出电压的开关转换器。该开关转换器包括：信号发生器电路，用于根据第一振荡电压与第二振荡电压之间的相移提供脉冲宽度调制电压；电压转换电路，用于根据输入电压和上述脉冲宽度调制电压提供输出电压；包括输入级和输出级的跨导器电路，该输入级用于根据参考电压与取决于输出电压的工作电压之间的差值并且根据与跨导器电路相关联的跨导值提供输入参考电流，该输出级用于基于上述输入参考电流提供输出参考电流；以及相移电路，用于根据输出参考电流对振荡参考电压施加相移以获取上述第一振荡电压和第二振荡电压。

该开关转换器还包括：调节电路，用于根据输入电压调节跨导值，跨导值的调节导致输入参考电流的变化；以及补偿电路，用于补偿由输入参考电流的上述变化引起的输出参考电流的变化。

根据一个实施例，作为前述实施例中任一项的附加或替代，上述调节电路包括偏置电路，用于利用取决于输入电压的偏置电流对输入级进行偏置。输入参考电流包括上述偏置电流。上述补偿电路包括：用于将输入参考电流镜像到输出级的镜像电路；以及另外的偏置电路，用于利用取决于输入电压的另外的偏置电流对输出级进行偏置，该另外的偏置电流补偿偏置电流。

根据一个实施例，作为前述实施例中任一项的附加或替代，偏置电流与输入电压成反比。

根据一个实施例，作为前述实施例中任一项的附加或替代，输入参考电流包括每个包括上述偏置电流的相应部分的第一输入参考电流和第二输入参考电流。另外的偏置电流包括分别与第一输入参考电流和第二输入参考电流中包括的上述偏置电流的部分相对应的第一另外的偏置电流和第二另外的偏置电流。

根据一个实施例，作为前述实施例中任一项的附加或替代，输入级包括基于晶体管的差分输入级。第一输入参考电流和第二输入参考电流每个包括上述偏置电流的一半。

根据一个实施例，作为前述实施例中任一项的附加或替代，镜像电路包括：用于镜像第一输入参考电流的第一基于晶体管的电流镜和用于镜像第二输入参考电流的第二基于晶体管的电流镜。第一基于晶体管的电流镜和第二基于晶体管的电流镜耦合到输入级。

根据一个实施例，作为前述实施例中任一项的附加或替代，开关转换器还包括另外的跨导器电路，该另外的跨导器电路被配置为根据参考电压与工作电压之间的上述差值并且根据与另外的跨导器电路相关联的跨导值提供另外的输出参考电流。开关转换器还包括用于根据另外的输出参考电流生成上述振荡参考电压的参考电压生成电路。开关转换器是基于时间的开关转换器。跨导器电路、电压生成电路和相移电路确定基于时间的开关转换器的比例积分微分控制器。

根据一个实施例，作为前述实施例中任一项的附加或替代，开关转换器是降压转换器。

本发明的另一方面涉及一种包括这样的开关转换器的电子系统。

本发明的另一方面涉及一种用于将直流输入电压转换成直流输出电压的方法。该方法包括：根据第一振荡电压与第二振荡电压之间的相移提供脉冲宽度调制电压；根据输入电压和上述脉冲宽度调制电压提供输出电压；根据参考电压与取决于输出电压的工作电压之间的差值并且根据与跨导器电路相关联的跨导值在跨导器电路的输入级提供输入参考电流；基于上述输入参考电流在跨导器电路的输出级提供输出参考电流；以及根据输出参考电流对振荡参考电压进行相移以获取上述第一振荡电压和第二振荡电压。

该方法还包括：根据输入电压调节跨导值，跨导值的调节导致输入参考电流的变化；以及补偿由输入参考电流的上述变化引起的输出参考电流的变化。

附图说明

通过以下对一些示例性和非限制性实施例的描述，本发明的这些和其他特征和优点将变得很清楚。为了更好地理解，应当参考附图阅读以下描述，在附图中：

图1示出了可以应用实施例的基于时间的开关转换器的框图；

图2示出了图1的开关转换器的一部分的已知电路实现；以及

图3示出了根据一个实施例的图1的开关转换器的一部分的电路实现。

具体实施方式

参考附图，图1示出了可以应用实施例的基于时间的开关转换器(或开关调节器)100的框图。

根据一个实施例，开关转换器100是DC-DC开关转换器，即，被配置为将直流(DC)输入电压V

根据一个实施例，输出电压V

在不失一般性的情况下，开关转换器100可以用于包括电源(诸如电池)和每一个以各自的电压操作的一个或多个电子/机电部件的任何电子系统中：在这样的电子系统中，开关转换器100(或多个开关转换器100)可以被配置为根据由电源提供的单个输入电压生成多个受控输出电压(从而节省空间，因为避免了在电子系统内使用多个电源来对其不同部件供电)。这样的电子系统的示例包括台式计算机、服务器、膝上型计算机、媒体播放器(诸如MP3播放器)、电器、子笔记本/上网本、平板计算机、智能电话、蜂窝电话、网络设备、个人数字助理(PDA)、玩具、控制器、数字信号处理器、游戏机、设备控制器、便携式计算设备和/或便携式电子设备。

根据一个实施例，开关转换器100是基于时间的开关转换器，即，其中使用基于时间的控制技术代替宽带宽误差放大器、模拟或数字脉冲宽度调制器或高分辨率模数转换器(ADC)的开关转换器。

根据一个实施例，开关转换器100包括用于接收输入电压V

根据一个实施例，开关转换器100包括用于检测第一振荡电压V

根据一个实施例，相位检测器电路105可以基于包括一个或多个RS锁存器(或触发器)的逻辑电路。

根据一个实施例，开关转换器100包括用于接收输入电压V

根据一个实施例，开关电路110包括功率级电路，例如CMOS功率级电路。

根据一个实施例，功率级电路包括高压侧开关元件(例如，PMOS晶体管)110

在所考虑的示例性实施例中，高压侧PMOS晶体管110

在所考虑的示例性实施例中，低压侧NMOS晶体管110

根据一个实施例，开关电路110包括用于驱动功率级电路的驱动级电路。

在所考虑的示例性实施例中，驱动级电路包括高压侧驱动电路110

根据一个实施例，开关电路110包括电耦合到高压侧PMOS晶体管110

根据一个实施例，滤波电路包括LC滤波电路。

根据一个实施例，滤波电路包括：电感器元件110

因此，在所考虑的实施例中，高压侧PMOS晶体管110

根据一个实施例，开关转换器100包括一个或多个(在所讨论的示例中为三个)跨导器电路115

根据一个实施例，每个跨导器电路115

根据一个实施例，每个跨导器电路115

如下面在讨论跨导器电路的已知实现和根据一个实施例的跨导器电路的实现时将进一步地讨论的，每个跨导器电路是被配置为将参考电压V

在下文中，第一参考电流和第二参考电流将由相同的附图标记表示(指示模块中的第一参考电流和第二参考电流相等)，其中与第二参考电流相关联的负号(“-”)除外(参考以针对第一参考电流和第二参考电流在图中所示的(相同)方向，指示的是第一参考电流和第二参考电流的实际方向彼此相对)。

根据一个实施例，跨导器电路115

根据一个实施例，跨导器电路115

根据一个实施例，跨导器电路115

根据一个实施例，工作电压V

根据一个实施例，开关转换器100包括用于将输出电压V

根据一个实施例，高通滤波器电路120包括：电容器120

因此，在所考虑的实施例中，工作电压V

根据一个实施例，工作电压V

根据一个实施例，开关转换器100包括用于将输出电压V

根据一个实施例，分压器电路125包括：电阻器125

根据一个实施例，开关转换器100包括多个电流控制的环形振荡器电路，被配置为根据一个或多个参考电流提供相应振荡参考信号。

根据一个实施例，开关转换器100包括两个电流控制的环形振荡器电路，即，第一电流控制的环形振荡器电路130

根据未示出的实施例，第一振荡参考电压V

根据一个实施例，开关转换器100包括用于根据第一控制电流I

根据一个实施例，第一控制电流I

根据一个实施例，开关转换器100包括第一电流控制的相移电路135

根据一个实施例，每个电流控制的相移电路135

如上面引用的文章“High Frequency Buck Converter Design Using Time-Based Control Techniques”中公开的，跨导器电路115

现在参考图2，图2示出了开关转换器100的一部分的已知电路实现。特别地，图2示出了跨导器电路115

如图中可见，每个跨导器电路115

特别地，跨导器电路115

更具体地，第一输入晶体管205

根据本文中考虑的示例性非限制性实施例，跨导器电路115

跨导器电路115

更具体地，第一输入晶体管205

根据本文中考虑的示例性的非限制性实施例，跨导器电路115

如图中可见，跨导器电路115

如图中可见，每个跨导器电路115

每个尾部偏置电流源225

因此，根据熟知的原理，第一参考电流I

可以很容易地验证，PID控制器的传递函数H

其中：

-K

-K

_Gm

_Gm

-Gm

-C

_R

应当注意，在输入电压V

现在参考图3，图3示出了根据一个实施例的开关转换器100的一部分的电路实现。特别地，图3示出了根据一个实施例的跨导器电路115

根据一个实施例，跨导器电路115

根据一个实施例，每个跨导器电路115

根据一个实施例，跨导器电路115

根据一个实施例，跨导器电路115

根据一个实施例，第一输入晶体管305

根据一个实施例，开关转换器100包括用于根据输入电压V

根据一个实施例，调节电路包括偏置电路(例如，尾部偏置电流源)315

根据一个实施例，可变偏置电流I

根据一个实施例，可变偏置电流I

在本文考虑的其中尾部偏置电流源315

因此，在该实施例中，第一输入参考电流I

根据一个实施例，尾部偏置电流源315

如图中以概念形式所示，尾部偏置电流源315

根据一个实施例，可变偏置电流I

根据一个实施例，开关转换器100包括补偿电路，用于补偿由于跨导值的调节导致的输入参考电流的变化而引起的输出参考电流的共模电流分量的变化。

根据一个实施例，补偿电路包括镜像电路，用于将跨导器电路115

根据一个实施例，跨导器电路115

根据一个实施例，跨导器电路115

根据一个实施例，第一电流镜和第二电流镜是常规电流镜。

根据一个实施例，跨导器电路115

根据一个实施例，第二电流镜包括处于二极管连接配置的第一晶体管325

根据一个实施例，跨导器电路115

根据一个实施例，第一偏置电流源330

根据一个实施例，跨导器电路115

根据一个实施例，跨导器电路115

根据一个实施例，补偿电路包括另外的偏置电路，用于利用依赖于输入电压V

根据一个实施例，另外的偏置电流被设计为补偿可变偏置电流I

根据一个实施例，补偿偏置电路包括：第一补偿偏置电流源340

根据该实施例，流过跨导器电路115

类似地，根据该实施例，流过跨导器电路115

在任何情况下，在其中第一输入参考电流I

根据一个实施例，第一补偿偏置电流源340

根据一个实施例，第二补偿偏置电流源345

如图中可见，跨导器电路115

根据一个实施例，补偿可变偏置电流源340

如图中以概念形式示出，每个补偿可变偏置电流源340

开关转换器100(特别是跨导器电路115

特别地，由于所提出的跨导器电路115

此外，所提出的跨导器电路115

自然地，为了满足本地和特定要求，本领域技术人员可以将很多逻辑和/或物理修改和变更应用于上述发明。更具体地，尽管已经参考本发明的优选实施例以某种程度的特定性描述了本发明，但是应当理解，形式和细节以及其他实施例的各种省略、替代和改变都是可能的。特别地，甚至可以在没有前面的描述中阐述的具体细节的情况下实践本发明的不同实施例，以提供对本发明的更全面的理解；相反，可能已经省略或简化了公知的特征，以便不使描述受到不必要的细节的困扰。而且，明确地意图是，结合本发明的任何公开的实施例描述的特定元件和/或方法步骤可以结合在任何其他实施例中。

特别地，类似的考虑在开关转换器具有不同的结构或包括等效部件时适用。在任何情况下，其任何部件都可以分为几个元素，或者两个或更多个部件可以组合为单个元素；此外，每个部件可以被复制以支持对应操作的并行执行。还应当注意(除非另有说明)，不同部件之间的任何交互通常不需要是连续的，并且可以是直接的或者通过一个或多个中介而是间接的。

在独立权利要求中阐述了本发明的一个或多个方面，在从属权利要求中指出了本发明的有利特征，在此通过引用将其措辞一字不漏地包含在内(参考本发明的特定方面提供了有利特征，该特征在细节上作必要的变通之后适用于任何其他方面)。