CN103023324B - 一种具有高负载调整率的快速瞬态响应dc-dc开关变换器 - Google Patents

Abstract

一种具有高负载调整率的快速瞬态响应DC-DC开关变换器，设有电流检测电路、斜坡补偿电路、脉宽调制器、含有功率管、输出电感、滤波电容以及负载的BUCK拓扑电路、误差放大器以及电压检测器，误差放大器和电压检测器采样BUCK拓扑电路的输出电压V_OUT并分别与参考电压V_REF比较，误差放大器及电压检测器的输出信号叠加输入到脉宽调制器，电流检测电路检测BUCK拓扑电路中的电感电流，斜坡补偿电路产生的周期性斜坡信号与电流检测电路的输出端信号叠加输入到脉宽调制器的输入端，脉宽调制器的输出端控制BUCK拓扑电路中的功率管栅信号。

Description

一种具有高负载调整率的快速瞬态响应DC-DC开关变换器

技术领域

本发明涉及开关电源变换器中的中负载瞬态响应和负载调整率，尤其涉及一种具有高负载调整率的快速瞬态响应DC-DC开关变换器，它能够提高开关变换器输出电压的瞬态响应速度，并且能够减小输出电压的稳态差幅度从而提高负载调整率。

背景技术

现今，大量智能终端和手持设备的应用对开关变换器的负载电流突变和输出快速瞬态响应提出了越来越高的要求。为了节省能量从而延长电池使用寿命，微处理器经常需要在不同的工作状态如“睡眠模式”、“正常工作”等等之间快速切换，这就要求供电电源的输出具有快速瞬态响应的能力以满足负载突变需求。传统的开关变换器线性控制网络虽然技术实现控制方式简单，但瞬态响应很难满足现今的负载突变要求，所以必须要增加瞬态响应速度提升装置。

发明内容

本发明提供一种具有高负载调整率的快速瞬态响应DC-DC开关变换器，采用无大电容补偿的低增益误差放大器，提高了瞬态响应速度。与此同时，低增益结构会造成负载调整率较差，为保证瞬态响应速度，在开关变换器结构中增加负载调整率提高装置，提高了输出电压的精度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种具有高负载调整率的快速瞬态响应DC-DC开关变换器，其特征在于：当开关变换器的负载发生突变时，采用无大电容补偿的低增益差分输入、差分输出DIDO误差放大器并在其输出端叠加随负载改变的直流电平，经过脉宽调制器快速调节输出电压并提高负载调整率；设有电流检测电路、斜坡补偿电路、脉宽调制器、BUCK拓扑电路、误差放大器以及电压检测器，误差放大器和电压检测器采样BUCK拓扑电路的输出电压V_OUT并分别与参考电压V_REF比较，误差放大器及电压检测器的输出信号叠加输入到脉宽调制器，电流检测电路检测BUCK拓扑电路中的电感电流，斜坡补偿电路产生的周期性斜坡信号与电流检测电路的输出端信号叠加输入到脉宽调制器的输入端，脉宽调制器的输出端控制BUCK拓扑电路中的功率管栅信号，其中：电流检测电路、斜坡补偿电路、BUCK拓扑电路采用常规电路；

误差放大器包括两级差分输入、输出电路，第一级差分输入、输出电路包括差分输入PMOS对管M₁、M₂、PMOS管电流源M₉以及负载R₁、R₂；第二级差分输入、输出电路包括差分输入PMOS对管M₃、M₄、PMOS管电流源M₁₀以及负载R₃、R₄；PMOS管电流源M₉和M₁₀的栅极均连接偏置电压V_BAS1，M₉源极接电源VDD，M₉漏极与差分对管M₁和M₂的源极连接在一起，M₁栅极连接BUCK拓扑电路的输出V_OUT，M₁漏极与负载R₁的一端以及第二级差分输入M₃管的栅极连接在一起，M₂栅极连接参考电压V_REF，M₂漏极与负载R₂的一端以及第二级差分输入M₄管的栅极连接在一起；M₁₀源极连接电源电压VDD，M₁₀漏极与输入差分对管M₃及M₄的源极连接在一起，M₃管漏极接负载R₃的一端，此端作为误差放大器输出负端V_EA-，M₄管漏极连接负载R₄的一端，此端作为误差放大器输出正端V_EA+，负载R₁、R₂、R₃及R₄的另外一端均接地；

电压检测器包括缓冲器、RC低通滤波网络和两级差分输入、输出电路，第一级差分输入、输出电路包括差分输入PMOS对管M₅、M₆、PMOS管电流源M₁₁以及负载R₅、R₆；第二级差分输入、输出电路包括差分输入NMOS对管M_7、M₈、NMOS管电流源M₁₂以及负载R₇、R₈；BUCK拓扑电路的输出V_OUT连接缓冲器的输入端，缓冲器的输出端连接到RC低通滤波网络中电阻R₉的一端，电阻R₉的另一端通过电容C接地，电阻R₉和电容C相连的一端连接到第一级PMOS差分输入对管中M₅的栅极，M₆的栅极接参考电压V_REF，M₅及M₆的源极互连并与PMOS管M₁₁漏极相连，M₁₁栅极接偏置电压V_BIAS2，M₁₁源极接电源电压VDD，M₅漏极与负载R₅的一端以及第二级差分输入NMOS对管中M₇的栅极连接在一起，M₆漏极与负载R₆的一端以及第二级差分输入NMOS对管中M₈的栅极连接在一起，负载R₅、R₆的另一端均接地，M₁₂栅极接偏置电压V_BIAS3，M₁₂源极接地，M₇及M₈的源极与M₁₂漏极连接在一起；PMOS管M₁₃和M₁₄为受控电流源，M₇漏极作为电压检测器的一个输出端与负载R₇的一端以及PMOS管M₁₃的栅极连接在一起，M₈漏极作为电压检测器的另一个输出端与负载R₈的一端以及PMOS管M₁₄的栅极连接在一起，负载R₇、R₈的另一端均接电源电压VDD，M₁₃与M₁₄的源极互连并接电源电压VDD，M₁₃及M₁₄的漏端分别接到误差放大器的输出正端V_EA+及输出负端V_EA-；

脉宽调制器包括：由电流检测电路输出电压V_sense控制的两个PMOS管电流源M₁₆、M₁₅、由斜坡补偿电路输出电压V_compensation控制的两个PMOS管电流源M₂₂、M₂₁、两个PMOS管恒流源M₁₉、M₂₀、电阻R₁₀、R₁₁以及比较器；PMOS管M₁₇、M₁₈的栅极为输入端，分别接误差放大器输出正端V_EA+及输出负端V_EA-，M₁₇、M₁₈漏极互连并接地，M₁₉及M₂₀的栅极互连并连接偏置电压V_BIAS4，M₁₉漏极与M₁₇源极以及电阻R₁₀的一端连接，电阻R₁₀的另一端与M₁₅、M₂₁的漏极以及比较器的反相输入端连接，M₁₈源极与电阻R₁₁的一端以及M₁₆、M₂₂的漏极连接，电阻R₁₁的另一端与M₂₀的漏极以及比较器的同相输入端连接，M₂₁栅极、M₂₂栅极与斜坡补偿电路输出电压V_compensation连接，M₁₅栅极、M₁₆栅极与电流检测电路输出电压V_sense连接，M₁₅、M₁₆、M₁₉、M₂₀、M₂₁及M₂₂的源极均连接电源电压VDD，比较器的输出端即为脉宽调制器的输出端V_control，连接到BUCK拓扑电路中的功率管M_P和M_N的栅极。

本发明的优点及显著效果：

（1）采用低直流增益的误差放大器结构，避免了大电容补偿并能够保证系统稳定性，提高的开关变换器的瞬态响应速度。

（2）采用简单的电压直流偏差的检测结构，补偿了输出电压的直流偏差，增加负载调整率提高输出电压精度。

（3）差分输入差分输出的误差放大器输出端的差值表现出与输入电源电压无关，可以得到很好的线性调整率。

（4）采用简单的RC滤波电路，消除电压检测模块输入端的输出电压纹波信号，提高电路的抗干扰能力。

（5）在PWM比较器输入端采用电流叠加的信号处理方式，省去了传统的电压转电流电路，简单可靠。

附图说明

图1为BUCK型DC-DC开关变换器的系统框架图，包括常见BUCK拓扑、误差放大器、电压检测器、斜坡补偿电路、电流检测电路和脉宽调节器；

图2为本发明中采用的低增益误差放大器和电压检测器的具体实现电路图；

图3为常规BUCK拓扑结构；

图4为本发明中采用的低增益误差放大器与高增益带补偿的误差放大器的频率特性曲线；

图5为输出负载影响输出电压稳态值的示意图和电压检测器输出调节误差放大器输出示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种提高瞬态响应速度同时改善负载调整率的开关变换器框图如图1所示。误差放大器104和电压检测器105采样BUCK拓扑电路106的输出电压V_OUT，分别与参考电压V_REF比较，误差放大器104和电压检测器105输出端叠加输入到脉宽调制器103端。电流检测电路101检测BUCK拓扑电路106中电感电流，斜坡补偿电路102产生周期性斜坡信号，与电流检测电路101输出端信号叠加，输入到脉宽调制器103的输入端。脉宽调制器103输出端控制BUCK拓扑电路106的功率管栅信号，从而达到控制的目的。电流检测电路101、斜坡补偿电路102以及BUCK拓扑电路106均可采用已知的常规电路，电流检测电路101可采用电流镜镜像技术按比例复制功率管M_P的电流，实现对功率管M_P的电流检测；斜坡补偿电路102可采用一次线性补偿，补偿网络主要由电流源、电容和开关管构成，由功率管M_P的栅极控制信号控制开关管的关断；BUCK拓扑由电感电容网络和功率管构成，可采用图3电路，包括：栅极驱动电路301、功率PMOS管M_P和功率NMOS管M_N，电感L，输出电容C_o和负载电阻R_o。脉宽调制器的输出电压V_control经过栅极驱动电路输出，接M_P、M_N的栅极。M_P管源端极接VDD，M_N管源端接GND，M_P管和M_N管的漏端相连并其与电感L相连。电感L的另一端接电容C_o和负载电阻R_o，这一端作为输出电压V_OUT端。电容C_o和负载电阻R_o的另一端共同接GND。

图2为误差放大器104、电压检测器105和脉宽调制器103的具体电路。误差放大器104采用低增益DIDO误差放大器，由两级差分输入差分输出201和202构成。201是第一级，M₁、M₂是差分输入PMOS对管，M₉为PMOS管电流源，R_1、R₂为第一级负载（负载形式不限于普通电阻，可以采用MOS管做电阻）。202为误差放大器104的第二级。M₁₀为PMOS管电流源，M₃、M₄为第二级输入差分PMOS对管，R_3、R₄为第二级负载。电路连接关系如下：电流源M₉和M₁₀的栅极接相同的偏置电压V_BIAS1，M₉源极接电源VDD，漏极与输入差分对管M₁和M₂的源极相连。M₁栅极接V_OUT信号，漏极接负载电阻R₁并且输出接第二级差分输入M₃管的栅极。M₂栅极接V_REF信号，漏极接负载电阻R₂并且输出接第二级差分输入M₄管的栅极。R₁、R₂另外一端共同接地。第二级的电流源M₁₀源极接电源电压VDD，漏极接输入差分对管M_3、M₄的源极，M₃管漏端接负载R₃并且作为输出端V_EA-，M₄管漏端接负载R₄并且作为输出端V_EA+。R₃、R₄的另外一端共同接地。

电压检测器105由输入缓冲器204、RC低通滤波网络203和两级差分输入差分输出结构205和206构成。连接关系如下：BUCK输出端的V_OUT输入到缓冲器204，缓冲器204输出端输入到RC低通滤波网络203中。低通滤波网络由R₉和C构成。R₉一端与缓冲器204的输出端相连，另一端接电容C。电容C的另一端接地。电阻R₉和电容C相连的一端输出到第一级差分输入差分输出205中的PMOS差分输入对管之一的M₅的栅极，M₆的栅极接V_REF。M₅、M₆的源极相连，与PMOS管M₁₁漏极相连。M₁₁用作电流源，栅极接偏置电压V_BIAS2，源极接电源电压VDD。M₅漏极接负载电阻R₅，M₆漏极接负载电阻R₆（R₅、R₆的电阻形式不限于普通电阻，也可采用MOS管）。R₅、R₆的另一端接地信号。M₅的漏极接第二级206的差分输入端NMOS管M₇的栅极，M₆漏极接第二级206的差分输入端NMOS管M₈的栅极。NMOS管M₁₂用作电流源，栅极接偏置电压V_BIAS3，源极接地信号。M₇、M₈源极与M₁₂漏极相连，M₇漏极与负载R₇相连，M₈漏极与负载R₈相连，R₇、R₈的另一端接电源电压。M_7、M₈的漏极就是电压检测器的两个输出。PMOS管M₁₃、M₁₄为栅极受控的电流源，M₇漏端输出接M₁₃栅极，M₈漏端输出接M₁₄栅极，M₁₃、M₁₄源极相连接电源电压VDD，漏端分别接到误差放大器104的输出端V_EA+和V_EA-。

脉宽调制器103中，PMOS管M₁₇、M₁₈的栅极为脉宽调制器的输入端，分别接误差放大器104的输出端V_EA+和V_EA-，M₁₇、M₁₈漏端相连并接到地端。PMOS管M₁₉、M₂₀为恒流源，栅极接V_BIAS4偏置电压，M₁₉源端接电源电压VDD，漏端接M₁₇源极。M₂₀源端连接电源电压VDD，漏端端接电阻R₁₁一端，R₁₁另一端接M₁₈源极。PMOS管M₁₅、M₁₆栅极接电流检测电路输出电压V_sense，PMOS管M₂₁、M₂₂栅极接斜坡补偿电路输出电压V_compensation，M₁₆漏极与M₂₂漏极相连并接到M₁₈源极，M₁₆、M₂₂源极接电源电压VDD。M₁₅漏端与M₂₁漏端相连并接到R₁₀端，R₁₀另一端接M₁₇管的源极。M₁₅、M₂₁源极接到电源电压VDD，M_15、M₂₁漏极同时接到比较器207的反相输入端V_n，比较器207的同相输入端V_p接恒流源M₂₀的漏端，比较器207的输出端即为脉宽调制器的输出端V_control。

本发明的工作原理：首先，为了保证当负载发生突变时，误差放大器能够快速调节输出端电压，调节脉宽调制器（PulseWide Modulation，PWM）输出，控制电感充放电时间，从而能够快速调节输出电压，误差放大器不能采用带大电容补偿的结构，另外为确保系统稳定性，误差放大器只能采用低增益的结构，本发明采用低增益差分输入差分输出（Differential In Differential Out，DIDO）误差放大器。低增益误差放大器具有高摆率，误差放大器的输出建立时间更短的优点，可以提高环路瞬态响应速度，另外从频率角度看，如图3所示，低增益误差放大器的-3dB带宽更宽，小信号响应速度更高。另一方面，DIDO结构具有结构上的优势，DIDO误差放大器的差分输出端的差值与输入的电源电压无关，可以得到更好的线性调整率。低增益DIDO结构存在负载调整率差的问题，这个问题可以从两个角度考虑：从小信号角度，当负载电流增加，环路增益减小，从而对输出电压的下降无法灵敏得检测出来；从环路控制角度，假设增益变化很小，当负载电流增加，电流检测的输出电压V_sense增加，导致占空比减小，由于误差放大器增益较小，无法产生足够的误差输出信号来调节占空比，这也导致了输出电压偏差。为解决低增益误差放大器带来的输出稳态误差或称负载调整率变差的问题，本发明中还提出了采用一种电压检测器检测输出电压的直流变化。将输出电压经过低通滤波器滤掉纹波电压，然后与参考电压比较放大差值，将放大得到的直流信号叠加到误差放大器的输出端，经过PWM调制器调节输出电压，从而提高负载调整率但是又没有影响环路的小信号特性。本发明的目的是避免了采用大电容补偿的误差放大器并保证系统稳定性，提高瞬态响应速度，同时采用电压检测放大器改善负载调整率。

本发明的工作过程：误差放大器104放大输出端电压V_OUT和V_REF之差，电压检测器105用作调节误差放大器104输出端的直流电平。当负载电流突然上升，导致电流检测输出端V_sense端抬高，脉宽调制器调节使得输出电压降低，占空比减小。电压检测放大器实时检测输出电压，当输出电压下降时，电压检测器105输出端控制电流源，从而可以控制在误差放大器输出端叠加上直流电平。当输出电压下降时，电压检测器输出端正负级电平差距变大，使得叠加到误差放大器上的正反相电平差变大。V_e为误差放大器输出端电平差，V_EA+和V_EA-分别为电压，三者间关系为

V_e=V_EA+-V_EA-                                          （1）

另外，可以写出脉宽调制器103中比较器的同相输入和反相输入端的电平V_p和V_n。得到V_p-V_n与V_e的关系，从式（4）中看到，V_e的变化可以调节比较器输入端的电压，从而快速调节占空比，改变开关变换器输出电压。

$V_p=(I_{\mathrm{sense}}+I_{\mathrm{compasation}})R_{10}+V_{\mathrm{EA}+}+\sqrt{(I_{\mathrm{sense}}+I_{\mathrm{compensation}}+I_{\mathrm{cons}\tan t})/K}+V_{\mathrm{TH}}---\left(2\right)$

$V_n=I_{\mathrm{cons}\tan t}{R}_{11}+V_{\mathrm{EA}-}+\sqrt{(I_{\mathrm{sense}}+I_{\mathrm{compensation}}+I_{\mathrm{cons}\tan t})/K}+V_{\mathrm{TH}})---\left(3\right)$

V_p-V_n=(I_sense+I_compation)R₁₀-I_constantR₁₁+V_EA+-V_EA-           （4）

如图5所示，+ΔV使得V_e抬高，从而保证占空比恒定，调节输出电压使其达到精确的设定值。当负载电流突然下降，导致电流检测输出端V_sense端下降，环路调节使得输出电压升高，占空比增加。当输出电压增加时，电压检测器105输出端正反相电平差距减小，使得叠加到误差放大器104上的直流电平减小。如图5中所示，-ΔV使得V_e降低，从而恒定占空比，调节输出电压使其达到精确的设定值。

本发明不局限于上述实施方式，凡是通过在误差放大器输出端通过叠加随负载改变的直流电平的方式来提高负载调整率的方法，均应落在本发明保护范围之内。

Claims (1)

1.一种具有高负载调整率的快速瞬态响应DC-DC开关变换器，其特征在于：当开关变换器的负载发生突变时，采用无大电容补偿的低增益差分输入、差分输出DIDO误差放大器并在其输出端叠加随负载改变的直流电平，经过脉宽调制器快速调节输出电压并提高负载调整率；设有电流检测电路、斜坡补偿电路、脉宽调制器、BUCK拓扑电路、误差放大器以及电压检测器，误差放大器和电压检测器采样BUCK拓扑电路的输出电压V_OUT并分别与参考电压V_REF比较，误差放大器及电压检测器的输出信号叠加输入到脉宽调制器，电流检测电路检测BUCK拓扑电路中的电感电流，斜坡补偿电路产生的周期性斜坡信号与电流检测电路的输出端信号叠加输入到脉宽调制器的输入端，脉宽调制器的输出端控制BUCK拓扑电路中的功率管栅信号，其中：电流检测电路、斜坡补偿电路、BUCK拓扑电路为常规电路；

误差放大器包括两级差分输入、输出电路，第一级差分输入、输出电路包括差分输入PMOS对管M₁、M₂、PMOS管电流源M₉以及负载R₁、R₂；第二级差分输入、输出电路包括差分输入PMOS对管M₃、M₄、PMOS管电流源M₁₀以及负载R₃、R₄；PMOS管电流源M₉和M₁₀的栅极均连接偏置电压V_BIAS1，M₉源极接电源VDD，M₉漏极与差分对管M₁和M₂的源极连接在一起，M₁栅极连接BUCK拓扑电路的输出V_OUT，M₁漏极与负载R₁的一端以及第二级差分输入M₃管的栅极连接在一起，M₂栅极连接参考电压V_REF，M₂漏极与负载R₂的一端以及第二级差分输入M₄管的栅极连接在一起；M₁₀源极连接电源电压VDD，M₁₀漏极与输入差分对管M₃及M₄的源极连接在一起，M₃管漏极接负载R₃的一端，此端作为误差放大器输出负端V_EA-，M₄管漏极连接负载R₄的一端，此端作为误差放大器输出正端V_EA+，负载R₁、R₂、R₃及R₄的另外一端均接地；

电压检测器包括缓冲器、RC低通滤波网络和两级差分输入、输出电路，第一级差分输入、输出电路包括差分输入PMOS对管M₅、M₆、PMOS管电流源M₁₁以及负载R₅、R₆；第二级差分输入、输出电路包括差分输入NMOS对管M₇、M₈、NMOS管电流源M₁₂以及负载R₇、R₈；BUCK拓扑电路的输出V_OUT连接缓冲器的输入端，缓冲器的输出端连接到RC低通滤波网络中电阻R₉的一端，电阻R₉的另一端通过电容C接地，电阻R₉和电容C相连的一端连接到第一级PMOS差分输入对管中M₅的栅极，M₆的栅极接参考电压V_REF，M₅及M₆的源极互连并与PMOS管M₁₁漏极相连，M₁₁栅极接偏置电压V_BIAS2，M₁₁源极接电源电压VDD，M₅漏极与负载R₅的一端以及第二级差分输入NMOS对管中M₇的栅极连接在一起，M₆漏极与负载R₆的一端以及第二级差分输入NMOS对管中M₈的栅极连接在一起，负载R₅、R₆的另一端均接地，M₁₂栅极接偏置电压V_BIAS3，M₁₂源极接地，M₇及M₈的源极与M₁₂漏极连接在一起；PMOS管M₁₃和M₁₄为受控电流源，M₇漏极作为电压检测器的一个输出端与负载R₇的一端以及PMOS管M₁₃的栅极连接在一起，M₈漏极作为电压检测器的另一个输出端与负载R₈的一端以及PMOS管M₁₄的栅极连接在一起，负载R₇、R₈的另一端均接电源电压VDD，M₁₃与M₁₄的源极互连并接电源电压VDD，M₁₃及M₁₄的漏端分别接到误差放大器的输出正端V_EA+及输出负端V_EA-；

脉宽调制器包括：由电流检测电路输出电压V_sense控制的两个PMOS管电流源M₁₆、M₁₅、由斜坡补偿电路输出电压V_compensation控制的两个PMOS管电流源M₂₂、M₂₁、两个PMOS管恒流源M₁₉、M₂₀、电阻R₁₀、R₁₁以及比较器；PMOS管M₁₇、M₁₈的栅极为输入端，分别接误差放大器输出正端V_EA+及输出负端V_EA-，M₁₇、M₁₈漏极互连并接地，M₁₉及M₂₀的栅极互连并连接偏置电压V_BIAS4，M₁₉漏极与M₁₇源极以及电阻R₁₀的一端连接在一起，电阻R₁₀的另一端与M₁₅、M₂₁的漏极以及比较器的反相输入端连接在一起，M₁₈源极与电阻R₁₁的一端以及M₁₆、M₂₂的漏极连接在一起，电阻R₁₁的另一端与M₂₀的漏极以及比较器的同相输入端连接在一起，M₂₁栅极、M₂₂栅极与斜坡补偿电路输出电压V_compensation连接在一起，M₁₅栅极、M₁₆栅极与电流检测电路输出电压V_sense连接在一起，M₁₅、M₁₆、M₁₉、M₂₀、M₂₁及M₂₂的源极均连接电源电压VDD，比较器的输出端即为脉宽调制器的输出端，连接到BUCK拓扑电路中的功率管栅极。