CN104009637A

CN104009637A - 一种buck-boost开关电压调整器

Info

Publication number: CN104009637A
Application number: CN201410252975.3A
Authority: CN
Inventors: 白文利; 郑鲲鲲; 王飞
Original assignee: Ao Teyi Nanjing Electronic Science And Technology Co Ltd
Current assignee: Ao Teyi Nanjing Electronic Science And Technology Co Ltd
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2034-06-10
Also published as: CN104009637B

Abstract

本发明公开了一种BUCK-BOOST开关电压调整器，它包括电压基准电路、时钟电路、内部供电电路、电流采样电路、逻辑控制电路、驱动电路和功率级电路，电压基准电路、时钟电路、内部供电电路、电流采样电路的信号输出端分别与逻辑控制电路的信号输入端连接；所述逻辑控制电路包括误差放大器、电压电平转换器、比较器、RS触发器、D触发器、与门、与非门和反相器，逻辑控制电路的信号输出端连接驱动电路信号输入端，驱动电路信号输出端连接功率级电路信号输入端。本发明能使BUCK-BOOST单片电压调整器根据不同的输入、输出电压自动识别工作区域。

Description

一种BUCK-BOOST开关电压调整器

技术领域

本发明涉及模拟集成电路领域，具体涉及一种BUCK-BOOST开关电压调整器。

背景技术

汽车电子应用领域中，汽车收音机，CD等娱乐系统需要一个稳定的开关电源电压（如8V）。一般情况下汽车蓄电池电压为14V高于8V(此时仅降压电压调整器即可满足需求)，但是当汽车在start-stop或者cranking时汽车蓄电池电压会降低至3～6V（此时系统需要升压电压调整器），因此为了满足上述需求，应用电路中需要同时集成BUCK和BOOST电压调制器芯片，但是这种应用具有外围元器件多、成本较高等不足。为了进一步满足上述应用且降低成本，BUCK-BOOST电压调整器及一种被称为SEPIC的电压调整器得到了较为广泛的应用，但是后者比之与前者仍然需要较多的外围器件。目前，基于市场上单片BUCK-BOOST调制器控制原理可以被分成2种类型。一种是，输出电压固定，检测输入电压并与输出电压做比较，然后决定BUCK-BOOST工作区域。另一种是，同时检测输入与输出电压，并将两电压做比较后，决定BUCK-BOOST工作区域。但是这两种类型的实现方法都有各自的缺点，前者输出电压不能编程，后者需要额外的电压检测电路，比较器等电路，需要更大的芯片面积且控制原理复杂。

发明内容

本发明的目的是提出一种自动识别工作模式的BUCK-BOOST开关电压调整器，其可以根据输入电压范围的变化自动调整芯片工作在降压，升压和升-降压模式，从而实现稳定的输出电压，这种应用具有较少的外围元件、控制简单、芯片面积小等优点。

本发明采取的技术方案是：一种BUCK-BOOST开关电压调整器，它包括电压基准电路、时钟电路、内部供电电路、电流采样电路、逻辑控制电路、驱动电路和功率级电路，所述电压基准电路、时钟电路、内部供电电路、电流采样电路的信号输出端分别与逻辑控制电路的信号输入端连接；所述逻辑控制电路包括误差放大器、电压电平转换器、比较器、RS触发器、D触发器、与门、与非门和反相器，逻辑控制电路的信号输出端连接驱动电路信号输入端，驱动电路信号输出端连接功率级电路信号输入端。

上述方案中，所述逻辑控制电路由误差放大器、电压电平转换器、第一比较器、第二比较器、第一RS触发器、第二RS触发器、D触发器、与门、与非门和第一反相器U1、第二反相器U2、第三反相器U3组成。所述误差放大器的同相输入端和反相输入端分别连接电压基准电路输出端和功率级电路输出电压反馈端，误差放大器信号输出端连接第一比较器同相输入端和电压电平转换器信号输入端；第一比较器的信号输出端连接第一反相器U1的信号输入端，第一反相器U1的信号输出端连接第一RS触发器的R输入端，第一RS触发器的Q输出端连接第二反相器U2的信号输入端；电压电平转换器的信号输出端连接第二比较器的同相输入端，第二比较器的信号输出端连接与非门的第一信号输入端，与非门信号输出端连接第二RS触发器的R输入端，第二RS触发器的Q输出端连接第三反相器U3的信号输入端；所述D触发器的数据输入端连接第一RS触发器的Q输出端，D触发器的数据输出端连接与非门的第二信号输入端和与门的第一信号输入端；与非门的第二信号输入端和与门的第一信号输入端相互连接，与门的信号输出端连接第二RS触发器的S输入端；第一比较器、第二比较器的反相输入端连接电流采样电路的输出端；D触发器的控制信号输入端、第一RS触发器的S输入端和与门的第二信号输入端连接时钟电路的信号输出端。

所述驱动电路由驱动模块U4、驱动模块U5、驱动模块U6、驱动模块U7组成。所述驱动模块U4的信号输入端连接第一RS触发器的Q输出端，驱动模块U5的信号输入端连接第二反相器U2的信号输出端，驱动模块U6的信号输入端连接第二RS触发器的Q输出端，驱动模块U7的信号输入端连接第三反相器U3的信号输出端；驱动模块U4、驱动模块U5、驱动模块U6和驱动模块U7的信号输出端分别连接NMOS管M1、NMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4的栅极。

所述功率级电路包括NMOS管M1、NMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4、电感L、电容C。所述NMOS管M1的栅极连接驱动模块U4的信号输出端，漏极接电源，源极连接NMOS管M2的漏极和电感L的一端；NMOS管M2的栅极连接驱动模块U5信号输出端，源极接地；电感L的另一端连接NMOS管M3的漏极和NMOS管M4的源极；NMOS管M3的栅极连接驱动模块U6的信号输出端，源极接地；NMOS管M4的栅极连接驱动模块U7的信号输出端，漏极作为电压调整器输出端与电容C的一端连接，电容C另一端接地。

本发明的有益效果是该电路可以根据输入电压范围的变化使芯片自动调整其工作在降压，升压和升-降压模式，从而实现稳定的输出电压，这种应用具有较少的外围元件、控制简单、芯片面积小等优点。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明的BUCK-BOOST逻辑控制电路。

图3是本发明的BUCK-BOOST调整器功率级及其驱动电路。

图4是本发明的控制器工作在降压模式下的电路信号图。

图5是本发明的控制器工作在升-降压模式下的电路信号图。

图6是本发明的控制器工作在升压模式下的电路信号图。

图7是本发明的功率级电路NMOS管的导通顺序示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、一种自动识别工作模式的BUCK-BOOST开关电压调整器，该芯片它包括电压基准电路、时钟电路、内部供电电路、电流采样电路、逻辑控制电路、驱动电路和功率级电路，电压基准电路、时钟电路、内部供电电路、电流采样电路的信号输出端分别与逻辑控制电路的信号输入端连接；其特征在于：所述逻辑控制电路包括误差放大器、电压电平转换器、比较器、RS触发器、D触发器、与门、与非门和反相器，逻辑控制电路的信号输出端连接驱动电路信号输入端，驱动电路信号输出端连接功率级电路信号输入端。

如图2所示，所述逻辑控制电路由误差放大器（EA）、电压电平转换器（EA_SHIFT）、第一比较器（COMP1）、第二比较器（COMP2）、第一RS触发器、第二RS触发器（本方案中使用的触发器是由两个交叉耦合的或非门组成）、D触发器、与门、与非门和第一反相器U1、第二反相器U2、第三反相器U3组成。其中信号VREF是电压基准信号，VFB是输出信号（图3中VOUT）的反馈信号，信号EA1是误差放大器的输出电压，且将EA1信号经EA_SHIFT处理后得到较低电平EA2，CLK_delay信号由系统时钟信号CLK延时产生，VSENSE是由电流采样模块将电流信号转换为电压信号的输信号，VRST1和VRST2分别是比较器COMP1和COMP2的输出信号，PWM1，PWM2，PWM12及PWM22是逻辑电路的输出信号，同时又是图3所示电路的输入信号。信号PWM1和PWM2经过驱动电路进一步控制功率器件M1、M2、M3、M4的导通与关断。图2中，所述误差放大器的同相输入端和反相输入端分别连接电压基准电路输出端和功率级电路输出电压反馈端，误差放大器信号输出端连接第一比较器同相输入端和电压电平转换器信号输入端；第一比较器的信号输出端连接第一反相器U1的信号输入端，第一反相器U1的信号输出端连接第一RS触发器的R输入端，第一RS触发器的Q输出端连接第二反相器U2的信号输入端；电压电平转换器的信号输出端连接第二比较器的同相输入端，第二比较器的信号输出端连接与非门的第一信号输入端，与非门信号输出端连接第二RS触发器的R输入端，第二RS触发器的Q输出端连接第三反相器U3的信号输入端；所述D触发器的数据输入端连接第一RS触发器的Q输出端，D触发器的数据输出端连接与非门的第二信号输入端和与门的第一信号输入端；与非门的第二信号输入端和与门的第一信号输入端相互连接，与门的信号输出端连接第二RS触发器的S输入端；第一比较器、第二比较器的反相输入端连接电流采样电路的输出端；D触发器的控制信号输入端、第一RS触发器的S输入端和与门的第二信号输入端连接时钟电路的信号输出端。

如图3所示，所述驱动电路由驱动模块U4、驱动模块U5、驱动模块U6、驱动模块U7组成。所述驱动模块U4的信号输入端连接第一RS触发器的Q输出端，驱动模块U5的信号输入端连接第二反相器U2的信号输出端，驱动模块U6的信号输入端连接第二RS触发器的Q输出端，驱动模块U7的信号输入端连接第三反相器U3的信号输出端；驱动模块U4、驱动模块U5、驱动模块U6和驱动模块U7的信号输出端分别连接NMOS管M1、NMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4的栅极。所述功率级电路包括NMOS管M1、NMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4、电感L、电容C。所述NMOS管M1的栅极连接驱动模块U4的信号输出端，漏极接电源，源极连接NMOS管M2的漏极和电感L的一端；NMOS管M2的栅极连接驱动模块U5信号输出端，源极接地；电感L的另一端连接NMOS管M3的漏极和NMOS管M4的源极；NMOS管M3的栅极连接驱动模块U6的信号输出端，源极接地；NMOS管M4的栅极连接驱动模块U7的信号输出端，漏极作为电压调整器输出端与电容C的一端连接，电容C另一端接地。

如图4所示，当输入电压VS大于输出电压VOUT时，电路工作在BUCK（降压）模式。PWM1信号为方波，其占空比由VS和VOUT共同决定，而工作频率取决于系统时钟频率CLK，此时PWM2信号总是为低电平，最终功率管M1和M2交替开关，M3保持关断的同时M4一直导通。

如图5所示，当输入、输出电压比较接近的时，且在一定的电压范围内，电路将在BUCK-BOOST（降压-升压）交替模式下工作。若输出电压为某一固定的值，假设输入初始电压远大于输出电压，电路工作在降压模式。随着输入电压的降低，信号PWM1的占空比将逐步增加，直至100%。此时D触发器输出Q为高电平，信号PWM2由RST2决定，电路将工作于升压模式。下一个时钟周期，如果输出电压反馈信号升高，信号EA1将会降低，进一步导致图2中PWM1信号占空比退出100%，故在此时钟周期电路回到降压工作模式。如上描述，电路将在升压和降压模式之间来回自动切换，直到输入电压明显低于或高于输出电压时，电路才回到升压或者降压工作模式。

如图6所示，当输入电压低于输出电压一定值时，电路工作在BOOST（升压）模式。在升压模式下， EA1信号变的很高，以至于信号VSENSE总是低于EA1，此时比较器COMP1的输出信号保持在高电平，进一步使得信号R1总是低电平，所以PWM1达到100%占空比保持高电平。故D触发器的输出信号Q为高电平，此时PWM2信号由比较器CMOP2的输出信号RST2决定，且为占空比低于100%的矩形波。

如图7所示，基于以上分析，当电路工作在降压模式时，M1和M2交替导通与关断，M3保持关断的同时M4保持导通；当电路工作在升压模式时，M1总是导通M2关断，M3和M4轮流导通与关断；当电路工作在升-降压模式时，功率管导通顺序如图7中虚线所示，依次为1（M1,M3导通，M2,M4关断），2（M1,M4导通，M2,M3关断），3（M2,M4导通，M1,M3关断），4（M1,M4导通，M2,M3关断），并按此顺序循环。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种BUCK-BOOST开关电压调整器，其特征在于：它包括电压基准电路、时钟电路、内部供电电路、电流采样电路、逻辑控制电路、驱动电路和功率级电路，所述电压基准电路、时钟电路、内部供电电路、电流采样电路的信号输出端分别与逻辑控制电路的信号输入端连接；所述逻辑控制电路包括误差放大器、电压电平转换器、比较器、RS触发器、D触发器、与门、与非门和反相器，逻辑控制电路的信号输出端连接驱动电路信号输入端，驱动电路信号输出端连接功率级电路信号输入端。

2.根据权利要求1中所述的一种BUCK-BOOST开关电压调整器，其特征在于：所述逻辑控制电路由误差放大器、电压电平转换器、第一比较器、第二比较器、第一RS触发器、第二RS触发器、D触发器、与门、与非门和第一反相器U1、第二反相器U2、第三反相器U3组成。

3.根据权利要求1或2中所述的一种BUCK-BOOST开关电压调整器，其特征在于：所述误差放大器的同相输入端和反相输入端分别连接电压基准电路输出端和功率级电路输出电压反馈端，误差放大器信号输出端连接第一比较器同相输入端和电压电平转换器信号输入端；第一比较器的信号输出端连接第一反相器U1的信号输入端，第一反相器U1的信号输出端连接第一RS触发器的R输入端，第一RS触发器的Q输出端连接第二反相器U2的信号输入端；

电压电平转换器的信号输出端连接第二比较器的同相输入端，第二比较器的信号输出端连接与非门的第一信号输入端，与非门信号输出端连接第二RS触发器的R输入端，第二RS触发器的Q输出端连接第三反相器U3的信号输入端；

所述D触发器的数据输入端连接第一RS触发器的Q输出端，D触发器的数据输出端连接与非门的第二信号输入端和与门的第一信号输入端；与非门的第二信号输入端和与门的第一信号输入端相互连接，与门的信号输出端连接第二RS触发器的S输入端；第一比较器、第二比较器的反相输入端连接电流采样电路的输出端；D触发器的控制信号输入端、第一RS触发器的S输入端和与门的第二信号输入端连接时钟电路的信号输出端。

4.根据权利要求1中所述的一种BUCK-BOOST开关电压调整器，其特征在于：所述驱动电路由驱动模块U4、驱动模块U5、驱动模块U6、驱动模块U7组成。

5.根据权利要求1或4中所述的一种BUCK-BOOST开关电压调整器，其特征在于：所述驱动模块U4的信号输入端连接第一RS触发器的Q输出端，驱动模块U5的信号输入端连接第二反相器U2的信号输出端，驱动模块U6的信号输入端连接第二RS触发器的Q输出端，驱动模块U7的信号输入端连接第三反相器U3的信号输出端；驱动模块U4、驱动模块U5、驱动模块U6和驱动模块U7的信号输出端分别连接NMOS管M1、NMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4的栅极。

6.根据权利要求1中所述的一种BUCK-BOOST开关电压调整器，其特征在于：所述功率级电路包括NMOS管M1、NMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4、电感L、电容C。

7.根据权利要求1或6中所述的一种BUCK-BOOST开关电压调整器，其特征在于：所述NMOS管M1的栅极连接驱动模块U4的信号输出端，漏极接电源，源极连接NMOS管M2的漏极和电感L的一端；NMOS管M2的栅极连接驱动模块U5信号输出端，源极接地；电感L的另一端连接NMOS管M3的漏极和NMOS管M4的源极；NMOS管M3的栅极连接驱动模块U6的信号输出端，源极接地；NMOS管M4的栅极连接驱动模块U7的信号输出端，漏极作为电压调整器输出端与电容C的一端连接，电容C另一端接地。