CN101951149B - 一种适用于固定关断时间控制升压变换器的频率控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体为一种适用于固定关断时间控制模式升压直流-直流变换器开关频率控制的电路。该电路由关断时间计时器和频率锁定电路组成，这种结构克服了传统固定关断时间控制模式下工作频率随工作状态变化的缺点，将工作频率精确固定在参考频率上，降低了电磁干扰(EMI)。本发明电路结构简单，功能可靠，具有良好的应用前景。本发明也可用于其它类型的直流-直流变换器(如降压型)和固定导通时间控制模式中。

Description

一种适用于固定关断时间控制升压变换器的频率控制电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种适用于固定关断时间控制模式升压直流-直流变换器开关频率控制的电路。

背景技术

直流-直流变换器(DC-DC Converter)广泛应用于各种电子系统中，特别是基于电感型的直流-直流变换器，由于其效率高、输出电流能力大的优点，应用最广。根据变换器输入电压与输出电压的关系可以分为降压型(BUCK)、升压型(BOOST)和升降压型(BUCK-BOOST)。

为了获得较高精度的输出电压，需要对直流-直流变换器进行闭环控制。一般的控制方法有电压模式控制、电流控制模式控制和迟滞控制。其中前两种控制是一种近似线性的控制方法，而迟滞控制是一种非线性控制模式。每种控制模式各有优缺点，也各有适合的应用场合。

固定关断时间控制模式也是直流-直流变换器控制方式的一种，它具有响应速度快、补偿网络简单且不需要斜率补偿电路的优点，但是它有一个很大的缺点——开关频率不固定，使得电磁干扰(EMI)问题更加严重，大大制约了它的应用。在一些设计实例中，为了解决这一问题，锁相环(PLL)技术被引入到控制电路中，但是也增加了电路设计的复杂性和芯片面积。本发明的目的在于设计一种新型的频率控制电路，使系统开关频率固定的同时，尽量减少电路设计的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种适用于固定关断时间控制模式升压直流-直流变换器的频率控制电路，使系统的开关频率保持恒定，降低电磁干扰(EMI)问题，从而使固定关断时间控制模式可以得到更广泛的应用。

该频率控制电路由关断时间计时器和频率锁定电路两部分组成。其中关断时间计时器由放大器、比较器、电阻电容等构成，其具体连接关系为：电阻R₁的左端与输出电压V_out相连，右端与电阻R₂的上端相连并连接到放大器A1的正输入端，电阻R₂的下端与VSS相连。放大器A1的输出端与MOS管M3的栅端相连，其负输入端与MOS管M3的源端及电阻R_T的上端相连，电阻R_T的下端接VSS。MOS管M3的漏端与MOS管M1、M2的栅端及M1的漏端相连，MOS管M1、M2的源端均与VDD相连。MOS管M2的漏端与MOS管M4的源端相连，MOS管M4、M5的漏端相连并连接电容C_T的上端和比较器COM的正输入端，MOS管M5的源端和电容C_T的下端均与VSS相连，MOS管M4、M5的栅端均连接到关断时间开启信号。电阻R₃的上端与输入电压V_in相连，电阻R₃的下端与电阻R₄的上端相连并连接到四输入放大器A2的inp2输入端，电阻R₄的下端与VSS相连。四输入放大器A2的inn2输入端与其输出端相连并连接到比较器COM的负输入端。它是根据升压直流-直流变换器特点产生的一个与输入电压成正比输出电压成反比的关断时间，使得在工作状态变化的情况下，工作频率只会在小范围内变化。当关断时间开始信号到达后，输出电压V_out经电阻R₁和R₂分压后转化成电流信号对电容C_T充电，同时输入电压V_in经电阻R₃和R₄分压后经过单位增益放大产生阈值电压信号。当电容C_T上的电压达到阈值电压时，比较器触发，关断时间结束。

频率锁定电路主要由鉴频鉴相器、四输入放大器和电阻构成，其具体连接关系为：比较器COM输出端与反向器输入端相连，反相器输出端接鉴频鉴相器的A输入端，参考频率接鉴频鉴相器的B输入端，电阻R₅的左端与鉴频鉴相器的QA输出端相连，其右端与电阻R₆的上端相连并连接到四输入放大器A2的inp输入端，电阻R₆的下端接VSS。电阻R₇的左端与鉴频鉴相器的QB输出端相连，其右端与电阻R₈的上端相连并连接四输入放大器A2的inn输入端，电阻R₈的下端接VSS。它将关断时间结束信号与参考频率进行鉴频鉴相，鉴频鉴相器的输出信号经电阻分压后送向四输入放大器A2的一组正负端，动态调节关断时间计时器的阈值电压，使得关断时间处于负反馈环路中，从而保证开关频率锁定在参考频率上。

本发明提出的频率控制电路没有通过设计复杂的PLL电路来锁定频率，同时又克服了一些文献中采用的随输入输出电压自适应关断时间控制方法中开关频率不固定的缺点，电路结构简单，功能可靠，具有良好的应用前景。

本发明提出的频率控制电路不仅可以用于升压型直流-直流变换器，也可用于其它类型的直流-直流变换器，如降压型。而且它还可以用于固定导通时间模式控制下的直流-直流变换器。

本发明提出的频率控制电路采用CSMC 0.5um BCD工艺条件设计，参考频率为1MHz。利用电路仿真软件模拟结果表明：输入电压为4~6V，输出电压范围为5.5V~30V时，工作频率保持恒定。

附图说明

图1.频率控制电路的电路图。

图2.输入电压为5V，输出电压范围为5.5V~30V时，阈值电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

如图1所示，本发明中提到的频率控制电路关断时间计时器和频率锁定电路组成。关断时间计时器电路是由放大器、比较器、电阻电容等构成。在电感电流连续模式下(CCM，continuous current mode)，

$T_{\mathrm{off}}=T_s*\frac{V_{\mathrm{in}}}{V_{\mathrm{out}}};$

其中T_s为系统的开关频率，V_in为输入电压，V_out为输出电压，T_off为固定关断时间。若T_off被设计成与输入电压成正比，输出电压成反比，K₁、K₂为其比例系数，则在理想情况下：

$T_s=T_{\mathrm{off}}\×\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{K_1{V}_{\mathrm{in}}}{K_2{V}_{\mathrm{out}}}\×\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{K_1}{K_2}\∝\mathrm{cont}.$

开关频率在CCM情况下将保持稳定，但是受到负载跳变、工艺偏差、温度等因素影响，开关频率仍然会有所波动。

当关断时间开始信号到达后，输出电压V_out经电阻R₁和R₂分压后转化成电流信号对电容C_T充电，同时输入电压V_in经电阻R₃和R₄分压后经过单位增益放大产生阈值电压信号。当电容C_T上的电压达到阈值电压时，比较器COM触发。关断时间结束。关断时间可表示为：

$T_{\mathrm{off}}=\frac{\frac{R_4}{R_3+R_4}{V}_{\mathrm{in}}{C}_T}{\frac{R_2}{R_1+R_2}{V}_{\mathrm{out}}/R_T}.$

从而开关频率可表示为：

$T_s=T_{\mathrm{off}}\×\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{\frac{R_4}{R_3+R_4}{V}_{\mathrm{in}}{C}_T}{\frac{R_2}{R_1+R_2}{V}_{\mathrm{out}}/R_T}\×\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{\frac{R_4}{R_3+R_4}}{\frac{R_2}{R_1+R_2}}{C}_T{R}_T$

这样就可以根据参考频率值来设定上式中相关参数，使的系统的开关频率保证在参考频率附近波动。

频率锁定电路主要由鉴频鉴相器、四输入放大器A2和电阻构成，它将关断时间结束信号与参考频率进行鉴频鉴相，鉴频鉴相器的输出信号经电阻分压后送入四输入放大器A2的一组正负端，动态调节关断时间计时器的阈值电压，使得关断时间处于负反馈环路中，从而保证开关频率锁定在参考频率上。

如图2所示，为输入电压为5V，输出电压范围为5.5V~30V时，部分输出电压情况下阈值电压波形图，可以看出阈值电压保持稳定，且频率均固定在参考频率1MHz上，验证的电路结构的正确性与有效性。

Claims (4)

1.一种适用于固定关断时间控制模式升压直流-直流变换器的频率控制电路，其特征在于：该频率控制电路由关断时间计时器和频率锁定电路组成；其中：关断时间计时器由放大器、比较器、电阻和电容构成，其连接关系为：电阻R₁的左端与输出电压V_out相连，右端与电阻R₂的上端相连并连接到放大器(A1)的正输入端，电阻R₂的下端与VSS相连；放大器(A1)的输出端与第三MOS管(M3)的栅端相连，放大器(A1)的负输入端与第三MOS管(M3)的源端及电阻R_T的上端相连，电阻R_T的下端接VSS；第三MOS管(M3)的漏端与第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)的栅端及第一MOS管(M1)的漏端相连，第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)的源端均与VDD相连；第二MOS管(M2)的漏端与第四MOS管(M4)的源端相连，第四MOS管(M4)、第五MOS管(M5)的漏端相连并连接电容C_T的上端和比较器(COM)的正输入端，第五MOS管(M5)的源端和电容C_T的下端均与VSS相连，第四MOS管(M4)、第五MOS管(M5)的栅端均连接到关断时间开启信号；电阻R₃的上端与输入电压V_in相连，电阻R₃的下端与电阻R₄的上端相连并连接到四输入放大器(A2)的inp2输入端，电阻R₄的下端与VSS相连；四输入放大器(A2)的inn2输入端与其输出端相连并连接到比较器(COM)的负输入端；

频率锁定电路由鉴频鉴相器、比较器、反向器、四输入放大器和电阻构成，其连接关系为：比较器(COM)输出端与反向器输入端相连，反相器输出端接鉴频鉴相器的A输入端，参考频率接鉴频鉴相器的B输入端，电阻R₅的左端与鉴频鉴相器的QA输出端相连，电阻R₅的右端与电阻R₆的上端相连并连接到四输入放大器(A2)的inp输入端，电阻R₆的下端接VSS；电阻R₇的左端与鉴频鉴相器的QB输出端相连，电阻R₇的右端与电阻R₈的上端相连并连接四输入放大器(A2)的inn输入端，电阻R₈的下端接VSS。

2.根据权利要求1所述的适用于固定关断时间控制模式升压直流-直流变换器的频率控制电路，其特征在于：所述关断时间计时器根据升压直流-直流变换器特点产生一个与输入电压成正比、与输出电压成反比的关断时间，使得在工作状态变化的情况下，工作频率在小范围内变化；所述频率锁定电路实时检测并调整开关频率，使其固定在参考频率上。

3.根据权利要求2所述的适用于固定关断时间控制模式升压直流-直流变换器的频率控制电路，其特征在于：在电感电流连续模式下：

其中T_s为系统的开关频率，V_in为输入电压，V_out为输出电压，T_off为固定关断时间；设 T_off被设计成与输入电压成正比，与输出电压成反比，K₁、K₂为其比例系数，则有：

4.根据权利要求3所述的适用于固定关断时间控制模式升压直流-直流变换器的频率控制电路，其特征在于：当关断时间开始信号到达后，输出电压V_out经电阻R₁和R₂分压后转化成电流信号对电容C_T充电，同时输入电压V_in经电阻R₃和R₄分压后经过单位增益放大器产生阈值电压信号；当电容C_T上的电压达到阈值电压时，比较器触发，关断时间结束；关断时间表示为：

Images