CN104485819B - 一种升压电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种升压电路，包括：偏置电压模块、主升压模块、驱动控制模块、电压反馈模块、电流反馈模块、限制环路以及振荡电路。利用本发明的升压电路，提供了一种新型的升压调制结构，并在此基础上实现两个输出电压，且开关脉冲周期和频率都随着输入输出电压以及负载情况自动调整，没有环路稳定性问题，效率更高。

Description

一种升压电路

技术领域

本发明属于集成电路设计领域，特别涉及一种升压电路。

背景技术

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率(占空比)，维持稳定输出电压的一种电源。它可分为AC/DC和DC/DC两大类，一般由脉冲宽度调制(PWM)或脉冲频率调制(PFM)控制IC和功率半导体器件(一般为MOSFET)构成。如图1为PWM调制方式和PFM调制方式的控制电路图。

其中，模块2000为脉冲宽度调制PWM方式的控制电路图，其特点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。其输出波形为，随着L10幅度的变化，L11的脉冲宽度相应变化，因为L8的三角波周期固定，所以最终L11的开关周期是固定的。该结构的缺点是受功率开关管最小导通时间的限制，对输出电压不能作宽范围调节；另外输出端一般要接预负载，以防止空载时输出电压升高。

模块3000为脉冲频率调制PFM方式的控制电路图。因为3001振荡器的输出时固定脉冲宽度的，所以L13的脉冲宽度是固定的。输出电压L15通过电阻58和电阻59的分压反馈来调节脉冲到达L13的频率，通过改变开关频率来调节占空比。

发明内容

本发明在现有的脉冲宽度调制电路以及脉冲频率调制电路的基础上，提供一种升压电路，开关脉冲周期和频率都随着输入输出电压以及负载情况自动调整，没有环路稳定性问题，效率更高。

本发明提供一种升压电路，包括：

偏置电压模块，所述偏置电压模块具有电压输入节点L1以及电压输出节点IRCAP，所述电压输入节点L1连接到直流电源(1)，所述电压输出节点IRCAP通过第一电容(32)接地；

主升压模块，其由第一功率开关管(10)和串联连接的电感(6)、第一二极管(7)、第二电容(8)构成，所述电感(6)与所述第一二极管(7)之间的节点LX通过第一功率开关管(10)接地，所述电感(6)连接到所述电压输入节点L1，所述第一二极管(7)与所述第二电容(8)之间的节点为电压输出节点VBST，所述电压输出节点VBST通过第二电容(8)接地；

连接在所述电压输出节点IRCAP和所述电压输出节点VBST之间的第二功率开关管(9)，以及连接到第二功率开关管(9)的栅极的用于对所述第二功率开关管(9)进行驱动控制的驱动控制模块，所述电压输出节点IRCAP通过第二功率开关管(9)对所述电压输出节点VBST充电；

电压反馈模块，其包括连接到所述电压输出节点IRCAP的第一支路和连接到所述电压输出节点VBST的第二支路，所述第一支路导通时所述电压输出节点IRCAP输出驱动电压，所述第二支路导通时所述电压输出节点VBST输出驱动电压；

电流反馈模块，其连接到所述第一功率开关管(10)，并配置为获得与所述第一功率开关管(10)上的电流成比例的电压；

限制环路，其构造为限制第一功率开关管(10)的最小关断时间，所述限制环路由顺次连接的MINSHOT模块、第一与非门(25)、第二与非门(26)、第一或非门(27)、第一至第三反相器(29，30，31)、以及第一功率开关管(10)的栅驱动模块(700)构成，所述栅驱动模块(700)的输出端与所述MINSHOT模块的输入端连接，所述第三反相器(31)的输出端与所述第一与非门(25)的输入端相连接。

优选的，还包括：

前沿消隐模块(400)，其输入端连接至所述第一或非门(27)的输出端；

第三与门(24)，其输入端连接至所述前沿消隐模块(400)的输出端和所述电流反馈模块的输出端，其输出端连接到所述第二与非门(26)。

优选的，还包括：

MAXSHOT模块，其输入端连接到所述第一反相器(29)的输入端，其输出端连接到所述第二与非门(26)的输入端；

第二或非门(28)，其输入端连接到所述第一或非门(27)的输出端和所述电压反馈模块的输出端，其输出端连接到所述第一或非门(27)的输入端，

其中，所述MAXSHOT模块、第二与非门(26)、第一或非门(27)、和第一反相器(29)构成用于限制第一功率开关管(10)的最大导通时间的振荡环路。

具体的，所述第二功率开关管(9)的驱动控制模块包括：

驱动模块，其包括相互串联的第三功率开关管(55)、第一和第二分压电阻(53，54)，以及连接在第二功率开关管(9)的栅极和源极之间的第二二极管(52)；和

控制模块，其输入端接收与所述电压输出节点IRCAP的电压相关的电压，其输出端与所述驱动模块相连接。

具体的，所述控制模块包括：

第三至第五分压电阻(13，14，15)，其接收所述电压输出节点IRCAP的电压并进行分压；

第一比较器(102)，其负输入端连接到所述第五分压电阻(15)，其正输入端输入预定电压，且其输出端连接到所述第三功率开关管(55)；

串联连接的第四反相器(17)和开关(18)，所述第四反相器(17)的输入端连接到所述第一比较器(102)的输出端，所述开关(18)连接到所述第三分压电阻(13)。

具体的，所述电压反馈单元还包括第二比较器(201)，由第一电阻(19)和第一开关(20)串联成所述第一支路，以及由第二电阻(21)、第二开关(22)串联成所述第二支路，所述第一支路和第二支路的连接点通过第三电阻(23)接地并且输入至所述第二比较器(201)的负输入端，所述第二比较器(201)的正输入端输入预定电压。

具体的，所述电流反馈模块包括第三比较器(301)和共栅串联的第四和第五功率开关管(11，12)，所述第四功率开关管(11)的漏极连接到所述节点LX且其源极连接至所述第三比较器(301)的负输入端，所述第三比较器(301)的输出端为所述电流反馈模块的输出端。

具体的，所述前沿消隐模块(400)由顺次连接的第五反相器(45)、共栅串联的两个功率开关管(46，48)、接地电容(49)、第六反相器(50)以及第三与非门(51)构成，所述第三与非门(51)的输入端连接到第五反相器(45)的输出端和第六反相器(50)的输出端，其输出端为所述前沿消隐模块(400)的输出端。

具体的，所述MINSHOT模块包括：

第四比较器(601)，其输出端为所述MINSHOT模块的输出端，其正输入端连接到预定电压；

电流镜电路，所述电流镜电路的输出端通过电容接地，所述电流镜电路的输出端与所述第四比较器(601)的负输入端相连接，第四比较器(601)的输出端与所述第一与非门(25)的输入端相连接，所述电流镜电路的输入端与第一功率开关管(10)的栅极相连接。

利用本发明的升压电路，提供了一种新型的BOOST调制结构，并在此基础上实现两个输出电压，且开关脉冲周期和频率都随着输入输出电压以及负载情况自动调整，没有环路稳定性问题，效率更高。

附图说明

图1是现有技术中电压模式PWM/PFM控制电路图；

图2是本发明的升压电路的结构图；

图3为驱动模块的电路图；

图4为前沿消隐模块的时序关系图；

图5为前沿消隐模块的电路图；

图6为MINSHOT模块的电路图；

图7为MAXSHOT模块的电路图；

图8为本实施例的上电控制时序图。

具体实施方式

以下，结合附图对本发明的升压电路以及工作原理进行说明。

图2是本发明的升压电路的结构图。本实施方式中采用BOOST开关电源拓扑结构实现升压。采用不连续工作模式(DCM)，电压/电流反馈。

偏置电压模块具有电压输入节点L1和电压输出节点IRCAP，电压输入节点L1连接3V的直流电压源1，电压输出模块IRCAP通过第一电容32接地。本实施方式中，电压输入节点L1和电压输出节点IRCAP之间顺次连接有滤波电路和开关5，滤波电路由电感3和电容4构成。

主升压模块由第一功率开关管10以及串联连接的电感6、第一二极管7、第二电容8构成，具体链接方式为，电感6与第一二极管7之间的节点为节点LX，节点LX通过第一功率开关管10接地。主升压模块中，电感6与电压输入节点L1相连接，第一二极管7额第二电容8之间的节点为电压输出节点VBST，电压输出节点VBST通过第二电容8接地。

在电压输出节点IRCAP和电压输出节点VBST之间的是第二功率开关管开关9以及连接在第二功率开关管9的栅极的驱动控制模块100，该驱动控制模块用于对第二功率开关管9开关9进行驱动控制。从而实现了电压输出节点IRCAP通过第二功率开关管9对电压输出节点VBST进行充电。

正常工作时，电压输出节点VBST节点会通过第二功率开关管9对电压输出节点IRCAP点进行充电，当电压输出节点IRCAP电压超过一定电压如4.4V时，第二功率开关管9的栅极变为高电平，从而将第二功率开关管9关断。当电压输出节点IRCAP电压因为负载的消耗电压下降到一定电压如4V时，第二功率开关管9的栅极电压变为低电平，从而将第二功率开关管9导通对电压输出节点IRCAP进行充电。

具体的，结合图3对驱动控制模块100进行详细的说明。

驱动控制模块100包括驱动模块101和控制模块，驱动过模块101具有相互串联的第三功率开关管55、第一分压电阻53和第二分压电阻54，还具有连接在第二功率开关管9的栅极和源极之间的第二二极管52。第二二极管52为寄生二极管。

当电压输出节点IRCAP的电压高于电压输出节点VBST的电压时，作为寄生二极管的第二二极管52导通。当电压输出节点IRCAP的电压低于电压输出节点VBST的电压时，需要驱动模块101来决定是否有电流从电压输出节点VBST流向电压输出节IRCAP。具体为，当第三功率开关管55关断时，第二功率开关管9的栅极电压等于电压输出节点VBST的电压，所以此时第二功率开关管9的栅极和源极电压VGS＝0V，第二功率开关管9关断；当第三功率开关管55导通时，第二功率开关管9的栅极节点电压等于第一份压电阻53和第二分压电阻54的分压，可以设置第一分压电阻53的阻值远大于第二分压电阻54的阻值，因此VSG9＝VBST-VK2>VTH9，从而第二功率开关管9导通。

控制模块包括相互串联的第三分压电阻13、第四分压电阻14以及第五分压电阻15，第三分压电阻的一端接受电压输出节点IRCAP的电压，并通过第三分压电阻13、第四分压电阻14以及第五分压电阻15进行分压。第一比较器102的负输入端连接到第四分压电阻15与第五分压电阻15之间，正相输入端输入预定电压，本实施例中为0.4V，输出端则连接至第三功率开关管55中。第四反相器17的输入端与第一比较器102的输入端相连接，开关18与第四反相器17相串联，另一端连接到第三分压电阻13。第三电阻13、第四反相器17以及开关18是用于为比较器102引入迟滞。

下面继续结合图2对电压反馈模块200以及电流反馈模块300进行说明。

电压反馈模块200具有第二比较器201和两条支路，第一支路连接到电压输出节点IRCAP，第二支路连接到电压输出节点VBST。其中第一支路由第一电阻19和第一开关20串联而成，第二支路由第二电阻21、第二开关22串联而成，第一支路和第二支路的连接点通过第三电阻23接地，且输入至第二比较器201的负输入端，第二比较器201的正输入端输入预定电压，本实施方式中为0.4V。

当需要从电压输出节点IRCAP输出具有一定驱动能力的电压时，需要第一开关20高电平，从而第一开关20导通，此时，第二开关22保持低电平，从而第二开关22断开，此时，第一电阻19和第三电阻23分压引入电压反馈；当需要从VBST节点输出具有一定驱动能力的电压时，需要第二开关22为高电平，从而第二开关22导通，此时，第一开关20保持低电平，从而第一开关20断开，此时，第二电阻21和第三电阻23分压引入电压反馈。电流反馈模块300连接到第一功率开关管10并配置为获得与第一功率开关管10上的电流成比例的电压。

电流反馈模块300由共栅串联的两个功率开关管，即第四功率开关管11、第五功率开关管12，以及第三比较器301构成，第四功率开关管11的漏极连接至节点LX，源极连接至第三比较器301的负输入端。

限制环路，用于限制第一功率开关管10的最小关断时间，由顺次连接的MINSHOT模块600，第一与非门25，第二与非门26，第一或非门27，第一反相器29，第二反相器30，第三反相器31以及连接在第一功率开关管10的栅极的栅驱动模块700构成。栅驱动模块700的输出端与MINSHOT模块600的输入端相连接，第三反相器31的输出端与第一与非门25的输入端相连接。

该限制环路用于限制第一功率开关管10的最小关断时间。在第一功率开关管10每次关断之后都保证能够保持关断状态一段时间，以保证处于稳定工作状态的升压电路能够工作在不连续工作模式。当第一功率开关管10关断，节点L3变为低电平以后，都会被第一与非门25、第二与非门26组成的RS锁存器将状态锁存，直到节点L4跳变为低电平，从而节点L5跳变为高电平，则环路重新打开开始工作。

其中，结合图6对MINSHOT模块600进行说明。第四比较器601的输出端为MINSHOT模块600的输出端，正输入端连接预定电压(例如为0.4V)，负输入端连接一电流镜电路，具备两个电流镜，电阻33、电阻36、PNP管34、PNP管37形成电流镜，产生一个与漏电流35相关的电流IC37，IC37与I39相加，经过由功率开关管38、42、40、41构成的电流镜像，给电容43充电。

开始节点L6电压小于0.4V，故节点L4为高电平，因为此时L3节点为低电平，故L5节点为低电平，将第二与非门26锁住。直到电容43上的电压升至超过0.4V，第四比较器601的输出至节点L4则翻转为低电平，从而节点L5翻转为高电平，第二与非门26打开，从而节点L3重新跳转为高电平，进入一个新的充电周期。最终该环路实现了对一个充电周期中第一功率开关10的最小关断时间，并且最小关断时间随着(VBST-VDD)的变化而即时调整。

另外，本实施例中还设置了即前沿消隐模块400，用于在第一功率开关管10导通的瞬间，电流反馈模块300的输出信号。前沿消隐模块400的输入端与第一或非门27的输出端相连接，第三与门24的输入端与前沿消隐模块400的输出端与电流反馈模块300的输出端相连接，第三与门24的输出端与第二与非门26的输入端相连接。从而所以在第一功率开关管10栅驱动的上升沿，节点LEB保持一段时间低电平(如200nS)。图4为前沿消隐模块的时序关系图，反映了节点L3、节点L7处以及节点LEB处的时序关系。

前沿消隐模块400可以通过图5所示电路图实现，在节点L7与节点LEB之间依次连接有第五反相器45、共栅串联的功率开关管46和功率开关管48、接地电容49、第六反相器50以及第三与非门51，第三与非门51的的输入端连接到第五反相器45的输出端和第六反相器50的输出端，其输出端为前沿消隐模块400的输出端。

另外，本实施例还包括振荡环路，振荡环路由MAXSHOT模块500、第二与非门26、第一或非门27和第一反相器29构成，用于限制第一开关管10的最大导通时间，其中MAXSHOT模块500，其输入端连接到第一反相器29的输入端，输出端连接到第二与非门26的输入端，另外还包括第二或非门28，其输入端连接到第一或非门27的输出端和电压反馈模块200的输出端，输出端连接到第一或非门27的输入端。

其中，MAXSHOT模块可以通过如图7所示电路实现。通过控制NMOS管82来控制是否对电容80进行充电；当NMOS管82导通时，电容80放电；当NMOS管82关断时，电容80充电。MOS管70、MOS管71、MOS管72、MOS管75、MOS管76、MOS管77组成施密特触发器检测节点L16电压的变化。

该振荡环路的振荡周期可以限制第一功率开关管10的最大开启时间。如果升压电路因为意外原因导致功率开关管10长时间开启，则振荡环路导致逻辑翻转从而将第一功率开关管10关断。即该模块为保护模块，用于限制功率管的最大开启时间。如果意外情况使得其他模块不能够正常工作，此时借用此模块作为升压的启动模块。例如当VDD很低时，在启动阶段电压输出节点IRCAP同样很低，第一功率开关管10的栅驱动电压为IRCAP，此时的功率管导通电阻很高，因此导通电流很小，达不到过流保护的阈值，升压电路会一直工作在功率管导通状态，为避免这种情况，MAXSHOT模块在一个周期的时间后强制将功率管关断，从而完成一次充电过程。

本发明的升压电路因为boost需要一定的启动时间，电源上电过程进行特别的设计。如图8所示，使能信号放开以后先给一定的时间预充电，使得IRCAP电压预充至VDD；然后再进行一个41.6ms的3.6V模式的充电过程，将IRCAP电压充至3.6V。此后可以进行其他需要加大驱动能力的工作。

因此，本发明提供了一种新型的升压调制结构，并在此基础上实现两个输出电压，且开关脉冲周期和频率都随着输入输出电压以及负载情况自动调整，没有环路稳定性问题，效率更高。另外，本发明内容不限于实施例中所记载的内容，在不脱离权利要求的范围内可以有多种变形。

Claims (7)

1.一种升压电路，其特征在于，包括：

偏置电压模块，所述偏置电压模块具有电压输入节点L1以及电压输出节点IRCAP，所述电压输入节点L1连接到直流电源(1)，所述电压输出节点IRCAP通过第一电容(32)接地；

主升压模块，其由第一功率开关管(10)和串联连接的电感(6)、第一二极管(7)、第二电容(8)构成，所述电感(6)与所述第一二极管(7)之间的节点LX通过第一功率开关管(10)接地，所述电感(6)连接到所述电压输入节点L1，所述第一二极管(7)与所述第二电容(8)之间的节点为电压输出节点VBST，所述电压输出节点VBST通过第二电容(8)接地；

连接在所述电压输出节点IRCAP和所述电压输出节点VBST之间的第二功率开关管(9)，以及连接到第二功率开关管(9)的栅极的用于对所述第二功率开关管(9)进行驱动控制的驱动控制模块，所述电压输出节点IRCAP通过第二功率开关管(9)对所述电压输出节点VBST充电；

电压反馈模块，其包括连接到所述电压输出节点IRCAP的第一支路和连接到所述电压输出节点VBST的第二支路，所述第一支路导通时所述电压输出节点IRCAP输出驱动电压，所述第二支路导通时所述电压输出节点VBST输出驱动电压；

MINSHOT模块，所述MINSHOT模块包括第四比较器(601)和电流镜电路，所述第四比较器(601)的输出端为所述MINSHOT模块的输出端，其正输入端连接到预定电压，所述电流镜电路的输出端与所述第四比较器(601)的负输入端相连接，所述第四比较器(601)的输出端与第一与非门(25)的输入端相连接，所述电流镜电路的输出端连接第六功率开关管(44)的漏极，所述第六功率开关管(44)的源极接地，栅极与第一功率开关管(10)的栅极相连接；

电流反馈模块，其连接到所述第一功率开关管(10)，并配置为获得与所述第一功率开关管(10)上的电流成比例的电压；限制环路，其构造为限制第一功率开关管(10)的最小关断时间，所述限制环路由顺次连接的所述MINSHOT模块、第一与非门(25)、第二与非门(26)、第一或非门(27)、第一至第三反相器(29，30，31)、以及第一功率开关管(10)的栅驱动模块(700)构成，所述栅驱动模块(700)的输出端与所述MINSHOT模块的输入端连接，所述第三反相器(31)的输出端与所述第一与非门(25)的第一输入端相连接，所述MINSHOT模块的输入端与第四功率开关管(11)的栅极相连接，输出端与第一与非门(25)的第二输入端相连接，第一与非门(25)的输出端与第二与非门(26)的输入端相连接，第二与非门(26)的输出端至第一与非门(25)之间顺次连接第一或非门(27)、第一至第三反相器(29，30，31)，同时，该第一与非门(25)的输入端与栅驱动模块(700)的输入端相连接；

还包括：

前沿消隐模块(400)，其输入端连接至所述第一或非门(27)的输出端；

第三与门(24)，所述第三与门(24)的两个输入端分别连接至所述前沿消隐模块(400)的输出端和所述电流反馈模块的输出端，其输出端连接到所述第二与非门(26)。

2.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，还包括：

MAXSHOT模块，所述MAXSHOT模块由NMOS管(82)、第三电容(80)和第一至第六MOS管(70，71，72，75，76，77)构成，所述MAXSHOT模块能够通过控制所述NMOS管来控制对所述第三电容进行充电，所述第一至第六MOS管用于组成施密特触发器检测节点电压的变化；

所述MAXSHOT模块的输入端连接到所述第一反相器(29)的输出端，其输出端连接到所述第二与非门(26)的输入端；

第二或非门(28)，其输入端连接到所述第一或非门(27)的输出端和所述电压反馈模块的输出端，其输出端连接到所述第一或非门(27)的输入端，

其中，所述MAXSHOT模块、第二与非门(26)、第一或非门(27)、和第一反相器(29)构成用于限制第一功率开关管(10)的最大导通时间的振荡环路。

3.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，所述第二功率开关管(9)的驱动控制模块包括：

驱动模块，其包括相互串联的第三功率开关管(55)、第一和第二分压电阻(53，54)，以及连接在第二功率开关管(9)的栅极和源极之间的第二二极管(52)；和

控制模块，其输入端接收与所述电压输出节点IRCAP的电压相关的电压，其输出端与所述驱动模块相连接。

4.根据权利要求3所述的升压电路，其特征在于，所述控制模块包括：

第三至第五分压电阻(13，14，15)，其接收所述电压输出节点IRCAP的电压并进行分压；

第一比较器(102)，其负输入端连接到所述第五分压电阻(15)和所述第四分压电阻(l4)的连接节点，其正输入端输入预定电压，且其输出端连接到所述第三功率开关管(55)；

串联连接的第四反相器(17)和开关(18)，所述第四反相器(17)的输入端连接到所述第一比较器(102)的输出端，所述开关(18)连接到所述第三分压电阻(13)的两端，且所述开关(18)的控制端连接所述第四反相器(17)的输出端。

5.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，所述电压反馈模块还包括第二比较器(201)，由第一电阻(19)和第一开关(20)串联成所述第一支路，以及由第二电阻(21)、第二开关(22)串联成所述第二支路，所述第一支路和第二支路的连接点通过第三电阻(23)接地并且输入至所述第二比较器(201)的负输入端，所述第二比较器(201)的正输入端输入预定电压。

6.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，所述电流反馈模块包括第三比较器(301)和共栅串联的第四和第五功率开关管(11，12)，所述第四功率开关管(11)的漏极连接到所述节点LX且其源极连接至所述第三比较器(301)的负输入端，所述第三比较器(301)的输出端为所述电流反馈模块的输出端。

7.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，所述前沿消隐模块(400)由顺次连接的第五反相器(45)、共栅串联的两个功率开关管(46，48)、接地电容(49)、第六反相器(50)以及第三与非门(51)构成，所述第三与非门(51)的输入端连接到第五反相器(45)的输入端和第六反相器(50)的输出端，其输出端为所述前沿消隐模块(400)的输出端。