CN104167999B - 一种用于开关电源的误差放大器 - Google Patents

Abstract

本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种用于开关电源的误差放大器。本发明的误差放大器在高压嵌位电路中加入了折返式输出欠压保护的电路结构，利用反馈原理，通过模拟方法限制误差放大器的输出范围，从而使系统更加稳定，避免传统结构需要长时间的调整过程，并实现输出短路保护和上电稳定启动的功能。本发明尤其适用于开关电源的误差放大器。

Description

一种用于开关电源的误差放大器

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种用于开关电源的误差放大器。

背景技术

误差放大器是模拟集成电路设计中一种最常用的和最重要的集成电路模块。它主要用于模拟信号量的误差检测与放大，比如在开关电源芯片中，误差放大器用来检测基准电压和反馈采样电压之间的误差并将其放大，产生的误差信号参与后级电路产生PWM波。从电特性来看，误差放大器的要求是趋近理想的增益器件，具有增益高，输入阻抗大，输出阻抗小等特点，同时通常还有宽输入、输出范围的特性，以保证集成误差放大器与信号源、负载或其他集成运放间互联时，便于实现直流电平的配合和缓冲隔离作用。从电路结构来看，误差放大器是一个差动输入，单端输出的直接耦合运算放大器。

为了保证控制系统的稳定工作，通常需要在误差放大器模块中增加相应的嵌位电路，嵌位电路对于系统有三方面作用：首先，保证开关电源电路在启动时能够限制误差放大器的输出，使占空比逐渐加大，以免造成输出占空比过大从而造成开关管流经电流过大，导致损坏；其次，应该限定误差放大器正常工作时的输出在一定范围之内，避免对系统造成危害；再次，为了使系统电路具有输出短路保护的功能，需要在误差放大器模块对输出采样，并在短路的瞬间限制误差放大器的输出，从而限制开关管的占空比，从而达到保护开关和芯片的作用。除了上面提到的因素以外，在最为常用的电流模式控制应用中，误差放大器的输出通常与系统的电流限设置直接相关。对于误差放大器的输出加以限制，可以便捷地实现对系统电流的控制，从而提高系统可靠性。因此为了保证系统电路能够稳定地工作，同时提高系统的可靠性，设计高性能的误差放大器嵌位电路是非常有必要的。

传统的误差放大器限位功能通过比较器实现，通过检测EA输出的电压大小，判断是否超出范围，再结合系统控制整体动作完成。这样无法真正控制EA的输出电压，会导致误差放大器输电压会超出范围。而由于从稳定性角度考虑，EA的输出往往需要一个较大的环路补偿电容，这会导致若采用传统的限位电路，EA的输出如果超出范围，恢复到正常输出电压需要很大的调整时间，这无疑会导致系统的异常工作，且可能是无法恢复的损坏。此外，这种控制方法需要额外设计电流限制电路，避免系统出现电流过大，导致损坏。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述现有误差放大器嵌位电路结构简单、响应速度慢的问题，提出一种适用于开关电源的误差放大器。

本发明的技术方案是，如图2所示，一种用于开关电源的误差放大器，其特征在于，该误差放大器由依次连接的误差放大器电路、高电位嵌位电路和折返式电流限电路；其中，误差放大器电路由PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4，NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5，电容C_L构成；其中，MP4的源极接电源VDD，其栅极接MP2的栅极，其漏极接MN5的漏极；MP4漏极与MN5漏极的连接点接电容C_L的一端后作为误差放大器的输出端；电容C_L的另一端接地GND；MN5的源极接地GND，其栅极接MN4的栅极；MP2的源极接电源VDD，其栅极与漏极互连，其漏极接MN2的漏极；MN2的栅极接误差放大器的正输入端，其源极接MN3的漏极；MP1的源极接电源VDD，其栅极与漏极互连，其栅极接MP3的栅极，其漏极接MN1的漏极；MN1的栅极接误差放大器的负输入端，其源极接MN3的漏极；MN3的栅极接偏置镜像电流，其源极接地GND；MP3的源极接电源VDD，其漏极接MN4的漏极；MN4的栅极和漏极互连，其源极接地GND；

高电位嵌位电路由PMOS管MP5、MP6、MP7、MP8、MP9以及NMOS管MN6、MN7、MN8、MN9、MN13构成；其中，MP5的源极接电源VDD，其栅极接MP2栅极与MP4栅极的连接点，其漏极接MN6的漏极；MN6的栅极和漏极互连，其栅极接MN7的栅极，其源极接地GND；MP9的源极接电源VDD，其栅极接MP6的栅漏极、MP7的漏极和MN8的漏极，其漏极接MP3的漏极与MN4漏极的连接点；MP6的源极接电源VDD，其栅极与漏极互连；MP7的源极接电源VDD，其栅极接MP8的栅极，其漏极接MN8的漏极；MN8的栅极接误差放大器的输出端，其源极接MN7的漏极；MP8的源极接电源VDD，其栅极与漏极互连，其漏极接MN13的漏极；MN13的源极接MN9的漏极；MN9的栅极接外部参考电平V_REFH，其源极接MN7的漏极；MN7的源极接地GND；

折返式电流限电路由PMOS管MP10、MP11、MP12、MP13、MP14、MP15、MP16、MP17、MP18，NMOS管MN10、MN11、MN12，电容C1，电阻R1、R2、R3以及电流源IB构成；其中，MP10的源极接电源VDD，其漏极接MN13的栅极和MP11的漏极；MP10的栅极与MP14的栅极、MP13的栅极、MP15的栅漏极互连；MP11的源极接电源VDD，其栅极接M12的栅极，其漏极通过R3后接地GND；MP12的源极接电源VDD，其栅极与漏极互连，其漏极接MN10的漏极；MN10的栅极通过C1后接地GND，其源极接MP18源极；MP18的栅极和漏极互连，其漏极通过R2接地GND，其栅极接MP16的栅极；MP13的源极接电源VDD；MP13漏极与MN11漏极的连接点接MN10的栅极；MN11的栅极接MN12的栅极，其源极接MP17的源极；MP17的栅极接采样信号VFB，其漏极接地GND；MP14的源极接电源VDD，其漏极接MN12的漏极；MN12的漏极与栅极互连，其源极通过R1后接MP16的源极；MP16的漏极接地GND；MP15的源极接电源VDD，其栅极和漏极互连，其漏极接电流源IB的正极；电流源IB的负极接地GND。

本发明的有益效果为，该误差放大器在高压嵌位电路中加入了折返式输出欠压保护的电路结构，利用反馈原理，通过模拟方法限制误差放大器的输出范围，从而使系统更加稳定，避免传统结构需要长时间的调整过程，并实现输出短路保护和上电稳定启动的功能。

附图说明

图1为传统的误差放大器嵌位电路；

图2为本发明的具有折返式嵌位功能的误差放大器；

图3为本发明折返限电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述

现有的传统误差放大器嵌位结构利用比较器原理，如图1所示，当误差放大器的输出V_OUT大于上限电压V_{REF_H}时，比较器EA_COMP输出高电平，从而使使能保护管MN1打开，将误差放大器输出电压拉到低电位，达到保护后级电路及系统的目的。然而因为误差放大器的输出往往需要驱动较大的系统环路补偿电容，便于系统稳定工作，而补偿电容的存在，导致误差放大器的输出从超出正常输出范围恢复到正常输出需要很长的调整时间，这无疑会对系统造成破坏。此外，传统误差放大器嵌位结构很难实现输出短路保护的功能和稳定启动功能，而往往只能借助于额外电路模块的控制，避免短路或上电启动时带来的不利影响。

针对这个问题，本发明提出利用反馈原理，将误差放大器输出限制在正常工作范围之内，从而加快系统的调整速度，提高系统的稳定性和可靠性。另外，在高电位钳位模块中加入折返限模块，实现短路保护的功能。如图2所示，在上限嵌位电路中，当发生系统输出短路或者系统处于上电启动的状态时，系统输出采样信号V_FB的电压为0或者比正常输出电压小很多，此时由V_FB产生并镜像到MP11的采样电流I_{D_P11}很小，采样电流在电阻R3上产生的压降也很小，因此C点的电压就比较低，将MN9压入线性区，使C点电压成为高压嵌位限，当误差放大器的输出V_OUT高于V_C时，I_{D_N8}大于I_{D_N13}，则I_{D_P7}小于I_{D_N8}，使A电位降低，调整管MP9打开，流过MP9的电流I_{D_P9}从B点流入MN4管，则MN4的电流增大，B点电位升高，即MN5的栅电压升高，流过MN5的电流增大，从而将V_OUT端电位拉低并调整至电压V_C附近，从而使V_OUT在输出短路时被嵌位在低电位以保护系统电路，或者在启动时使误差放大器的输出V_OUT随着V_FB上升逐渐上升，从而实现稳定启动的功能。

随着V_FB电压的逐渐升高，C点电位逐渐线性升高。当C点电位高于信号V_REFH电位时，MN9进入饱和区工作，从而使得误差放大器输出V_OUT的上限电压过渡到V_REFH电位，折返限模块功能被屏蔽。此时当误差放大器输出V_OUT高于上限电压V_REFH时，通过反馈调整将V_OUT端电位拉低并调整至电压V_REFH附近。

下面对本发明的折返限进行具体分析：

1.折返限工作点分析

如图2所示，D点电压可表示为：

V_D＝V_FB+V_SG(P17)+V_GS(N11)-V_GS(N12)-I_B×R₁-V_SG(P16)

∵I_P17＝I_P16＝I_N11＝I_N12＝I_B

∴V_SG(P17)＝V_SG(P16)V_GS(N11)＝V_GS(N12)

∴V_D＝V_FB-I_B×R₁

其中，V_FB为输出采样电压，V_SG(P16),V_SG(P17),V_GS(N11),V_GS(N12)分别为MOS管MP16，MP17，MN11，MN12的栅源间电压。I_P16,I_P17,I_N11,I_N12分别为流过MOS管MP16，MP17，MN11，MN12的电流。

所以，可得：

其中，I_P10,I_P11,I_P12分别为流过MOS管MP10，MP11，MP12的电流。

由上式可得，当V_FB<I_B×R₁时MP11无电流流过，则V_C电压为最小值，即I_B×R₃，电路处于短路保护的状态。当V_FB电压逐渐升高，使得在高电位钳位模块中MN9逐渐从线性区过渡到饱和区工作状态，即V_REFH开始起嵌位作用时，应满足：

V_C-V_GSN13≥V_REFH-V_THN

∴V_C≥V_GSN13+V_REFH-V_THN

即当V_C≥V_GSN13+V_REFH-V_THN时，折返限模块不会影响误差放大器的输出状态。

2.折返限模块环路分析

如图3所示，对折返限模块在E处断环，则可得到折返限反馈环路的开环增益A_OL为：

其中，g_mn10,g_mn11,g_mn12,g_mp16,g_mp17,g_mp18分别为MOS管MN10，MN11，MN12,MP16,MP17,MP18的跨导，r_op13,r_op14,r_on11分别为MOS管MP13，MP14，MN11的等效漏源阻抗。

由图3可得，E点为折返限模块环路中唯一的高阻抗节点，为了保证环路的稳定性，在E点加上补偿电容C1，使得E点成为环路的主极点，主极点p_E为：

其中，R_E为E点的等效阻抗。在应用时应设置合适的C1值，使得折返限模块工作时主极点p_E不会影响误差放大器环路的稳定性。因为折返限环路中其他节点的等效阻抗和寄生电容都很小，所以其他节点处的极点都在较高频处，可以被忽略。

综合以上分析可得，带有折返限模块的误差放大器嵌位电路不但可以保证系统正常工作时误差放大器输出在正常范围之内，还可以确保开关电源电路在输出短路或上电启动等异常状态时不会损坏，提高系统的稳定性。

Claims (1)

1.一种用于开关电源的误差放大器，其特征在于，该误差放大器由依次连接的误差放大器电路、高电位嵌位电路和折返式电流限电路；其中，误差放大器电路由PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4，NMOS管MN1、MN2、MN3、MN4、MN5，电容C_L构成；其中，MP4的源极接电源VDD，其栅极接MP2的栅极，其漏极接MN5的漏极；MP4漏极与MN5漏极的连接点接电容C_L的一端后作为误差放大器的输出端；电容C_L的另一端接地GND；MN5的源极接地GND，其栅极接MN4的栅极；MP2的源极接电源VDD，其栅极与漏极互连，其漏极接MN2的漏极；MN2的栅极接误差放大器的正输入端，其源极接MN3的漏极；MP1的源极接电源VDD，其栅极与漏极互连，其栅极接MP3的栅极，其漏极接MN1的漏极；MN1的栅极接误差放大器的负输入端，其源极接MN3的漏极；MN3的栅极接偏置镜像电流，其源极接地GND；MP3的源极接电源VDD，其漏极接MN4的漏极；MN4的栅极和漏极互连，其源极接地GND；

高电位嵌位电路由PMOS管MP5、MP6、MP7、MP8、MP9以及NMOS管MN6、MN7、MN8、MN9、MN13构成；其中，MP5的源极接电源VDD，其栅极接MP2栅极与MP4栅极的连接点，其漏极接MN6的漏极；MN6的栅极和漏极互连，其栅极接MN7的栅极，其源极接地GND；MP9的源极接电源VDD，其栅极接MP6的栅漏极、MP7的漏极和MN8的漏极，其漏极接MP3的漏极与MN4漏极的连接点；MP6的源极接电源VDD，其栅极与漏极互连；MP7的源极接电源VDD，其栅极接MP8的栅极，其漏极接MN8的漏极；MN8的栅极接误差放大器的输出端，其源极接MN7的漏极；MP8的源极接电源VDD，其栅极与漏极互连，其漏极接MN13的漏极；MN13的源极接MN9的漏极；MN9的栅极接外部参考电平V_REFH，其源极接MN7的漏极；MN7的源极接地GND；

折返式电流限电路由PMOS管MP10、MP11、MP12、MP13、MP14、MP15、MP16、MP17、MP18，NMOS管MN10、MN11、MN12，电容C1，电阻R1、R2、R3以及电流源IB构成；其中，MP10的源极接电源VDD，其漏极接MN13的栅极和MP11的漏极；MP10的栅极与MP14的栅极、MP13的栅极、MP15的栅漏极互连；MP11的源极接电源VDD，其栅极接M12的栅极，其漏极通过R3后接地GND；MP12的源极接电源VDD，其栅极与漏极互连，其漏极接MN10的漏极；MN10的栅极通过C1后接地GND，其源极接MP18的源极；MP18的栅极和漏极互连，其漏极通过R2接地GND，其栅极接MP16的栅极；MP13的源极接电源VDD；MP13漏极与MN11漏极的连接点接MN10的栅极；MN11的栅极接MN12的栅极，其源极接MP17的源极；MP17的栅极接采样信号VFB，其漏极接地GND；MP14的源极接电源VDD，其漏极接MN12的漏极；MN12的漏极与栅极互连，其源极通过R1后接MP16的源极；MP16的漏极接地GND；MP15的源极接电源VDD，其栅极和漏极互连，其漏极接电流源IB的正极；电流源IB的负极接地GND。