CN102136799B - 一种带有自校准输出的电流模式变换器 - Google Patents

一种带有自校准输出的电流模式变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有自校准输出的电流模式变换器。本发明针对现有技术误差放大器增益降低，不能满足负载调整率要求的问题而提出的。具体包括控制逻辑单元、误差放大器、驱动和死区控制单元、第一上拉电阻、第二上拉电阻、PWM比较器和输出单元，还包括数字校准控制单元，所述数字校准控制单元包括了第一比较器、第二比较器、校准模块和电流镜模块。本发明通过数字校准控制单元控制流过连接在误差放大器上的第二上拉电阻的电流变化，进而以步进方式改变误差电压的大小，使输出电压在较宽的负载范围内仍然能够保持较小的波动，提高了系统的负载调整率。

Description

一种带有自校准输出的电流模式变换器
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及一种应用于功率集成电路中的功率变换器的设计。
背景技术
集成功率变换器在各种电子产品中得到了广泛应用，是功率集成电路的重要组成部分。功率变换器中的降压型开关功率变换器在便携设备中起到了变换电池电压到较低供电电压的作用，其可分为电压模式和电流模式控制。电流模式控制降压型开关功率变换器采用双环控制，将开关变换器的电感电流和电容电压作为两个控制变量分别进行控制，可以精确地控制电感电流。
传统的降压型电流模式控制开关功率变换器的典型结构如图1所示，包括反馈网络，控制逻辑单元、误差放大器(EA，Error Amplifier)、PWM(脉冲宽度调制器)比较器、驱动单元和输出单元。图1中，误差放大器EA差分输入端正端和负端分别连接输出电压Vout和参考电压Vref，EA根据输出电压Vout和参考电压Vref向PWM比较器comp给出误差电压V1和V2。PWM比较器Comp0的另一输入端连接锯齿波信号。在电流控制模式中，锯齿波信号是通过采样电感电流来得到的。PWM比较器根据误差放大器输出电压V2调整输出脉冲的占空比。控制逻辑单元然后根据PWM比较器Comp0输出的脉冲，脉冲信号通过驱动单元驱动输出单元的一对晶体管(MP和MN)对输入电压VIN进行功率变换，产生输出电压Vout。图1是典型的模拟控制功率变换器电路，晶体管MP和MN以及电感L、电容C和负载电阻R构成降压型开关功率变换器电路。传统电流模式变换器中的误差放大器需要较高的增益来提高环路增益以满足负载调整率的要求，但在纳米工艺下高增益误差放大器的设计非常困难，且在负载范围较宽时，很难保证负载调整率的指标。这样输出电压会出现较大的波动。因此，需要一种数字辅助的方式提高功率变换器的环路增益来改进系统的负载调整率，使输出电压在较宽的负载范围内仍然能够保持较小的波动。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是针对现有电流模式变换器中误差放大器增益较低，不能满足负载调整率要求的问题，提出了一种带有自校准输出的电流模式变换器。
本发明采用如下技术方案：
一种带有自校准输出的电流模式变换器，包括控制逻辑单元、误差放大器、驱动和死区控制单元、第一上拉电阻、第二上拉电阻、PWM比较器和输出单元，所述误差放大器的两个输入端分别接输出单元的输出电压和参考电压，误差放大器输出端为差分误差电压，误差放大器的正输出端与第一上拉电阻相连接，误差放大器的负输出端与第二上拉电阻相连接，所述PWM比较器输入接误差放大器的输出，根据所述误差电压调整PWM比较器输出脉冲的占空比，所述控制逻辑单元的输入端接PWM比较器的输出端，并根据PWM比较器输出的脉冲，通过驱动和死区控制单元以及输出单元对输入电压进行功率变换，产生输出电压；其特征在于：还包括数字校准控制单元，所述数字控制单元输入端连接输出单元的输出电压，输出端连接误差放大器的负输出端；当所述输出单元的输出电压超过设定范围时，所述数字校准控制单元以步进方式改变所述误差电压的大小，使所述输出单元的输出电压保持在所述设定范围内。
进一步的，所述数字校准控制单元包括了第一比较器、第二比较器、校准模块和电流镜模块；所述第一比较器和第二比较器正输入端连接输出单元的输出电压，第一比较器和第二比较器负输入端连接参考电压，第一比较器和第二比较器输出端连接校准模块的输入端，所述校准模块输出的控制码用于控制电流镜模块，决定电流镜模块中的电流镜开启的数量，控制流过连接在误差放大器上的第二上拉电阻的电流变化，从而以步进方式改变所述误差电压的大小。
进一步的，所述输出单元包括第一NMOS管和第一PMOS管，所述第一PMOS管和第一NMOS管的栅极与驱动和死区控制单元输出端相连接，其漏极连接在一起作为输出端，所述第一NMOS管源极接地，所述第一PMOS管源极接输入电压。
具体的，所述误差放大器为非闭环的跨导放大器。
具体的，所述校准模块为计数器。
本发明的有益效果：本发明通过数字校准控制单元控制流过连接在误差放大器上的第二上拉电阻的电流变化，进而以步进方式改变误差电压的大小，使输出电压在较宽的负载范围内仍然能够保持较小的波动，提高了系统的负载调整率。
附图说明
图1为现有的电流模式功率变换器电路结构示意图。
图2为本发明的带有自校准输出的电流模式变换器结构示意图。
图3为本发明实施例的校准模块的状态转换图。
图4为本发明实施例的数字校准控制单元对负载调整率的调节效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例，详细描述本发明的技术方案。
本发明对传统模拟环路开关变换器进行了数字自调节，对工艺的依赖性减少，可移植性强，并且自调节原理简单，很好结合了数字电路和模拟电路的优势。
本发明的带有自校准输出的电流模式变换器如图2所示，包括控制逻辑单元、误差放大器EA、驱动和死区控制单元、第一上拉电阻R1、第二上拉电阻R2、PWM比较器Comp0和输出单元，所述误差放大器EA的两个输入端分别接输出单元的输出电压Vout和参考电压Vref，误差放大器EA输出端为差分误差电压，误差放大器EA的正输出端与第一上拉电阻R1相连接，误差放大器的负输出端与第二上拉电阻R1相连接，所述PWM比较器Comp0输入接误差放大器EA的输出，根据所述误差电压调整PWM比较器Comp0输出脉冲的占空比，所述控制逻辑单元的输入端接PWM比较器Comp0的输出端，并根据PWM比较器输出的脉冲，通过驱动和死区控制单元以及输出单元对输入电压VIN进行功率变换，产生输出电压Vout；其特征在于：还包括数字校准控制单元，所述数字控制单元输入端连接输出单元的输出电压，输出端连接误差放大器EA的负输出端；当所述输出单元的输出电压Vout超过设定范围时，所述数字校准控制单元以步进方式改变所述误差电压的大小，使所述输出单元的输出电压Vout保持在所述设定范围内。
这里，数字校准控制单元包括了第一比较器Comp1、第二比较器Comp2、校准模块和电流镜模块；所述第一比较器Comp1和第二比较器Comp2正输入端连接输出单元的输出电压，第一比较器Comp1和第二比较器Comp2负输入端连接参考电压Vref，第一比较器Comp1和第二比较器Comp2输出端连接校准模块的输入端，所述校准模块输出的控制码用于控制电流镜模块，决定电流镜模块中的电流镜开启的数量，控制流过连接在误差放大器上的第二上拉电阻R2的电流变化，从而以步进方式改变所述误差电压的大小。这里，校准模块可以为计数器。
这里输出单元包括第一NMOS管MN和第一PMOS管MP，第一PMOS管MP和第一NMOS管MN的栅极与驱动和死区控制单元输出端相连接，其漏极连接在一起作为输出端，所述第一NMOS管MN源极接地，所述第一PMOS管源极MP接输入电压VIN。
这里，误差放大器EA为非闭环的跨导放大器。
具体的，第一比较器Comp1用于检测输出电压的相对于设定值的正方向上的偏差，所述第二比较器Comp2用于检测相对于设定值的负方向上的偏差；如果在设定的时间内输出电压均为正偏差则减少电流镜开启的数量，如果在设定的时间内输出电压均为负偏差则增加电流镜开启的数量。在本实施例中，有3排电流镜。校正模块输出端与3排电流镜连接，根据第一比较器Comp1和第二比较器Comp2输出的信号Comp_H和Comp_L控制电流镜开启的数量，使流过连接在误差电压V2上的上拉电阻R2的电流变化，进而以步进方式改变误差电压V2的大小。PWM比较器Comp0根据误差电压V2调整输出脉冲的占空比，输出脉冲宽度调制波(PWM)，并将该PWM输入控制逻辑单元。控制逻辑单元根据PWM比较器Comp0输出的脉冲，通过驱动单元驱动第一PMOS管MP和第一NMOS管MN，对输入电压Vin进行功率变换，产生输出符合需要的输出电压Vout。
输出电压Vout与参考电压Vref分别接在误差放大器EA负端和正端两个输入端，误差放大器EA采用非闭环的跨导放大器(OTA，Operational Transconductance Amplifier)实现。EA的输出与PWM比较器Comp0的输入相连。第一上拉电阻R1和第二上拉R2的一端接在误差放大器EA的输出，另一端接输入电压VIN。图2中振荡器产生的锯齿波电流SAW，接在第一上拉电阻R1一端，进而使PWM比较器Comp0产生脉冲宽度调制波，振荡器产生的时钟信号Clk接入控制逻辑单元和校正模块，作为功率变换器工作的基础时钟。控制逻辑单元的输入为Clk和PWM，其输出信号与驱动单元相连驱动第一PMOS管MP和第一NMOS管MN，完成功率变换。第一比较器Comp1和第二比较器Comp2分别用于检测输出电压的正偏差(Vref+e％)和负偏差(Vref-e％)，其输出信号分别表记为Comp_H和Comp_L，分别代表了输出电压Vout的相对位置，当输出电压Vout出现正偏差时，Comp_H和Comp_L均为低(＝0)；当输出电压Vout出现负偏差时Comp_H和Comp_L均为高(＝1)。图2中校准模块的输入为Comp_H、Comp_L和Clk，当检测到连续N个周期(本例中N＝8)Comp_H和Comp_L均为高，校准模块的输出端输出信号Trim自动加1，增加电流镜开启的数量，这样可以增大流过第二上拉电阻R2的电流，使误差电压V2降低；当检测到连续N个周期Comp_H和Comp_L均为低，输出信号Trim减1，减少电流镜开启的数量，减小流过第二上拉电阻R2的电流，使误差电压V2升高。校准模块输出端输出信号Trim通过控制开关S0、S1、S2控制量化的电流镜，从而以步进方式改变误差电压V2的大小，然后通过PWM比较器Comp微调输出脉冲的占空比。图2中，第二上拉电阻R2的下端连接电流镜，电流镜开启(电流镜对应的开关S0、S1、S2闭合)数量直接控制流过第二电阻R2的电流，从而使误差电压V2以步进方式变化。
图3是校准模块的状态转换示意图，系统初始化后会保持输出信号Trim，当检测到连续N个周期Comp_H和Comp_L均为高，其输出信号Trim加1；当检测到连续N个周期Comp_H和Comp_L均为低，其输出信号Trim减1。
图4为本实施例带有自校准输出的电流模式变换器的输出电压调节结果，图中示出了变化范围为1％的情况(即e＝1)。在没有采用本发明的技术方案时，在宽负载范围内输出电压波动范围较大，而当采用本发明的数字校正技术后，输出电压波动被稳定在1％以内，且在不同的工艺条件和温度情况下均可以保持不变。
本发明通过数字校准控制单元控制流过连接在误差放大器上的第二上拉电阻R2的电流变化，进而以步进方式改变误差电压的大小，使输出电压在较宽的负载范围内仍然能够保持较小的波动，提高了系统的负载调整率。
本发明在系统的观点上对传统模拟环路开关变换器进行了数字自调节，对工艺的依赖性减少，使该方法的可移植性强，并且自调节原理简单。很好结合了数字电路和模拟电路的优势，非常适用于难以得到高性能模拟电路的纳米级工艺，以及对传统开关变换器进行升级改造。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种带有自校准输出的电流模式变换器，包括控制逻辑单元、误差放大器、驱动和死区控制单元、第一上拉电阻、第二上拉电阻、PWM比较器和输出单元，所述误差放大器的两个输入端分别接输出单元的输出电压和参考电压，误差放大器输出端为差分误差电压，误差放大器的正输出端与第一上拉电阻相连接，误差放大器的负输出端与第二上拉电阻相连接，所述PWM比较器输入接误差放大器的输出，根据所述误差电压调整PWM比较器输出脉冲的占空比，所述控制逻辑单元的输入端接PWM比较器的输出端，并根据PWM比较器输出的脉冲，通过驱动和死区控制单元以及输出单元对输入电压进行功率变换，产生输出电压；其特征在于：还包括数字校准控制单元，所述数字控制单元输入端连接输出单元的输出电压，输出端连接误差放大器的负输出端；当所述输出单元的输出电压超过设定范围时，所述数字校准控制单元以步进方式改变所述误差电压的大小，使所述输出单元的输出电压保持在所述设定范围内。
2.根据权利要求1所述的带有自校准输出的电流模式变换器，其特征在于，所述数字校准控制单元包括了第一比较器、第二比较器、校准模块和电流镜模块；所述第一比较器和第二比较器正输入端连接输出单元的输出电压，第一比较器和第二比较器负输入端连接参考电压，第一比较器和第二比较器输出端连接校准模块的输入端，所述校准模块输出的控制码用于控制电流镜模块，决定电流镜模块中的电流镜开启的数量，控制流过连接在误差放大器上的第二上拉电阻的电流变化，从而以步进方式改变所述误差电压的大小。
3.根据权利要求1所述的带有自校准输出的电流模式变换器，其特征在于，所述输出单元包括第一NMOS管和第一PMOS管，所述第一PMOS管和第一NMOS管的栅极与驱动和死区控制单元输出端相连接，其漏极连接在一起作为输出端，所述第一NMOS管源极接地，所述第一PMOS管源极接输入电压。
4.根据权利要求1所述的带有自校准输出的电流模式变换器，其特征在于，所述误差放大器为非闭环的跨导放大器。
5.根据权利要求2所述的带有自校准输出的电流模式变换器，其特征在于，所述校准模块为计数器。
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