CN104539145B - 一种Boost型DC‑DC转换器同步功率管限流电路 - Google Patents
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Abstract
本发明针对现有Boost电路中启动时浪涌电流对主开关管Q2、同步功率管Q1以及对输出端设备的存在损坏的风险,提出一种Boost型DC‑DC转换器同步功率管限流电路,该电路能够实现对同步功率管Q1电流的限制的功能,本发明的整个电路结构简洁、精度高、响应快速,能提高系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电子电路技术领域,涉及模拟集成电路,特别是一种Boost型DC-DC转换器同步功率管限流电路。
背景技术
随着半导体技术的快速发展和应用领域的不断扩展,Boost电路将低直流电压转换成高直流电压,实现直流电压的升压,因此Boost电路普遍应用到日常生活中。Boost电路一般由控制电路、开关管、储能元件电感、电容组成。其升压过程是由一个电感的能量传递过程。充电时,电感吸收能量,放电时电感放出能量。
典型的同步型Boost DC-DC转换器的系统结构如图1所示。该电路采用一个电压负反馈环路,通过脉冲宽度调制方法(PWM)实现控制。其中Q2为主开关管,Q1为同步功率管。其工作原理为:输出电压VOUT经采样电阻RSNS1和RSNS2分压得到VFB后与参考电压VR相比较,其差值经误差放大器EA放大后经过补偿网络后,作为脉冲宽度调制器PWM比较器的同相输入端,通过与PWM比较器反相输入端的斜波信号进行比较,用比较后所得信号经过逻辑控制电路来控制同步功率管Q1和主开关管Q2的开启与关断。当输出电压VOUT下降时,由采样电阻RSNS1和RSNS2分压所得反馈电压信号会下降,则通过误差放大器放大后的电压会增加,使得主开关管Q2的导通时间增加,输出电压上升;反之亦然。电压控制模式通过这种负反馈的方式来维持输出的恒定。但是,该Boost电路由于在启动阶段输入直接通过同步功率管Q1给输出充电,同步功率管Q1要面临很大的浪涌电流,而且如果在同步功率管Q1电流较大时开启主开关管Q2,则存在损坏功率管的风险。
发明内容
本发明的目的在于,针对上述Boost电路中启动时浪涌电流对主开关管Q2、同步功率管Q1以及对输出端设备的存在损坏的风险,提出一种Boost型DC-DC转换器同步功率管限流电路,该电路能够实现对同步功率管Q1电流的限制的功能,本发明的整个电路结构简洁、精度高、响应快速,能提高系统的可靠性。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案予以解决:
一种Boost型DC-DC转换器同步功率管限流电路,包括如下单元:
电流与电压检测单元,用于检测同步功率管Q1的输出电压VOUT与输入电压VIN之间的压差,并将检测结果欠压控制信号VUVLO输送至限流单元和逻辑控制电路里;并采用负反馈稳住同步功率管Q1的输出电压VOUT,将采样电阻采出的同步功率管Q1镜像管的电流ISENSE转换为电压值即电流采样信号VIS,并将电流采样信号VIS输送至限流单元;
限流单元,用于控制同步功率管Q1的电流值,并将接收到的电流采样信号VIS与外部参考电压VREF比较,最后将比较结果栅极控制信号VGATE直接连接同步功率管Q1的栅极,将电流控制在合适范围。
同步功率管Q1:用于接收限流单元的栅极控制信号VGATE,并给电流与电压检测单元提供输出电压VOUT、开关节点电压VSW和衬底电压VBODY;
输入的直流电源并联第一电容C1后得到输入电压VIN,第一电感L1串联在第一电容C1与同步功率管Q1之间,欠压控制信号VUVLO连接到限流单元和逻辑控制电路的欠压控制端;限流单元的输出栅极控制信号VGATE连接到同步功率管Q1的栅极;同步功率管Q1源极与地之间连接主开关管Q2,漏极连接第二电容C2,并连接到输出电压VOUT;输出电压VOUT经采样电阻RSNS1和RSNS2分压后连接误差放大器EA的反相端,误差放大器EA同相端连接基准信号VR,其输出连接到补偿网络;脉冲宽度调制器PWM的同相端连接补偿网络,其反相端连接斜坡信号,输出端连接到逻辑控制电路PWM控制端;逻辑控制电路时钟信号端输入时钟信号,其驱动控制端连接控制死区控制的驱动器的输入端,死区控制的驱动器输出端连接到同步功率管Q1的栅极和主开关管Q2的栅极。
进一步的,所述电流与电压检测单元,包括反相器101、反相器102、功率镜像PMOS管M101、PMOS管M102、PMOS管M104、PMOS管M107、PMOS管M109、PMOS管M111、PMOS管M112、PMOS管M113、NMOS管M103、NMOS管M105、NMOS管M106、NMOS管M108、NMOS管M110、第一电阻R1、第二电阻R2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1和电流源IS1;其中:
所述电流源IS1的输入端接入内部电源VDD,其输出端连接NMOS管M106的漏极和栅极,NMOS管M106的源极与地相连;NMOS管M103、NMOS管M105、NMOS管M106、NMOS管M108、NMOS管M110构成一排电流镜,它们的栅极与NMOS管M106的栅极相连,它们的源极与地相连;
所述功率镜像PMOS管M101,其与同步功率管Q1构成比例镜像,其源极与开关节点电压VSW相连,其栅极与栅极控制信号VGATE相连,其衬底与衬底电压VBODY相连,其漏极分别与PMOS管M102和PMOS管M111的源极相连,并且功率镜像PMOS管M101的源极连接第一二极管D1正极,第一二极管D1负极连接其衬底,功率镜像PMOS管M101的漏极连接第二二极管D2的正极,第二二极管D2的负极连接其衬底;
所述PMOS管M102与PMOS管M104构成反相器,其中PMOS管M102的栅、漏极均与PMOS管M104栅极、NMOS管M103漏极相连;PMOS管M104的源极与输出电压VOUT相连并与PMOS管M107的源极相连,其漏极与PMOS管M111的栅极和NMOS管M105的漏极相连;PMOS管M111的漏极与第二电阻R2和电流采样信号VIS相连,第二电阻R2与地相连;
所述PMOS管M107与PMOS管M109构成反相器,其中PMOS管M109的栅、漏极均与PMOS管M107的栅极、NMOS管M110漏极相连,PMOS管M109的源极与第一电阻R1相连,第一电阻R1的另一端与输入电压VIN相连;PMOS管M107的漏极与NMOS管M108的漏极和反相器101的输入端相连;
所述反相器101的输出端分别与反相器102的输入端、PMOS管M112栅极和欠压控制信号VUVLO相连;反相器102的输出端与PMOS管M113的栅极相连;PMOS管M112、M113的漏极分别与输出电压VOUT和输入电压VIN相连,PMOS管M112、M113的源极和衬底均与第一电容C1和内部电源VDD相连,第一电容C1接地。
进一步的,所述限流单元,包括反相器201、电流源IS2、PMOS管M201、PMOS管M203、PMOS管M205、PMOS管M207、PMOS管M209、NMOS管M202、NMOS管M204、NMOS管M206、NMOS管M208和NMOS管M210;其中:
所述电流源IS2,其输入端接内部电源VDD,其输出端接在PMOS管M203和M205的源极上;
所述PMOS管M201、M209的源极接内部电源VDD,PMOS管M201的栅、漏极均与PMOS管M209栅极和NMOS管M202的漏极相连;PMOS管M209的漏极分别与NMOS管M210的漏极、栅极控制信号VGATE相连;
所述PMOS管M203的栅极与外部参考电压VREF相连,其漏极分别与NMOS管M204的漏、栅极和NMOS管M202的栅极相连;所述PMOS管M205的栅极与电流采样信号VIS相连,其漏极分别与NMOS管M206的漏、栅极和NMOS管M210的栅极相连;NMOS管M202、NMOS管M204、NMOS管M206和NMOS管M210的源极都与地相连;
所述PMOS管M207的漏极与PMOS管M209的栅极相连,其栅极与欠压控制信号VUVLO相连,其源极与内部电源VDD相连;NMOS管M208的漏极与NMOS管M210的栅极相连,其栅极与反相器201的输出端相连;反相器201的输入端与欠压控制信号VUVLO相连,NMOS管M208的源极与地相连。
进一步的,所述限流单元,包括反相器201、电流源IS1、PMOS管M201、PMOS管M202、PMOS管M203、PMOS管M204、PMOS管M207、PMOS管M208、PMOS管M211、NMOS管M205、NMOS管M206、NMOS管M209、NMOS管M210和NMOS管M212;其中:
所述电流源IS1的输入端接内部电源VDD,其输出端接在PMOS管M201和M202的源极上;
所述PMOS管M201的栅极与电流采样信号VIS相连,其漏极分别与NMOS管M206的漏极和NMOS管M205的源极相连;PMOS管M202的栅极与外部参考电压VREF相连,其漏极分别与NMOS管M210的漏极和NMOS管M209的源极相连;
所述PMOS管M203、M207的源极接内部电源VDD,PMOS管M203和M207的栅极均与PMOS管M204的漏极和NMOS管M205的漏极相连,其中PMOS管M203的漏极与PMOS管M204的源极相连,PMOS管M207的漏极与PMOS管M208的源极连接;
所述PMOS管M204和M208的栅极均与输入电压VB1相连,PMOS管M204的漏极与NMOS管M205的漏极相连,PMOS管M208的漏极与NMOS管M209的漏极和栅极控制信号VGATE相连;
所述NMOS管M205和M209的栅极均与输入电压VB2相连,NMOS管M205的源极与NMOS管M206的漏极相连,NMOS管M209的源极与NMOS管M210的漏极相连;
所述NMOS管M206和M210的栅极均与输入电压VB3相连,它们的源极均与地相连;
所述PMOS管M211的漏极分别与PMOS管M204和PMOS管M208的栅极相连,其源极与内部电源VDD相连,其栅极与欠压控制信号VUVLO相连;
所述NMOS管M212的漏极分别与NMOS管M205和NMOS管M209的栅极相连,其源极与地相连,其栅极与反相器201的输出端相连;反相器201输入端与欠压控制信号VUVLO相连。
进一步的,所述电流与电压检测单元,包括反相器101、反相器102、电流源IS1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、功率镜像PMOS管M115、PMOS管M101、PMOS管M103、PMOS管M105、PMOS管M111、PMOS管M113、PMOS管M116、PMOS管M117、PMOS管M118、NMOS管M102、NMOS管M104、NMOS管M106、NMOS管M107、NMOS管M108、NMOS管M109、NMOS管M110、NMOS管M112和NMOS管M114;其中:
所述电流源IS1的输入端接内部电源VDD,其输出端接在NMOS管M107的漏极和栅极上;
所述NMOS管M102、M104、M106、M107和M110构成一排电流镜,且它们的源极都接地,其中NMOS管M102、M104、M106和M110的栅极都连接在NMOS管M107的栅极上;
所述NMOS管M110的漏极接在组成差分对的NMOS管M108和M109的源极上;其中NMOS管M108的漏极接在PMOS管M113的源极上;NMOS管M109的漏极接在PMOS管M111的源极上;NMOS管M112的漏极分别接在NMOS管M112和NMOS管M114的栅极上,同时与PMOS管M111漏极连接;NMOS管M114的漏极接在PMOS管M113的漏极和PMOS管M116的栅极上;其中PMOS管M111和PMOS管M113的栅极与输入电压VB1相连;NMOS管M112和NMOS管M114的源极接地;
所述NMOS管M109和M108构成差分对,它们的漏极分别通过第三电阻R3和第四电阻R4接在开关节点电压VSW上,而它们的栅极则分别接到输出电压VOUT和功率镜像PMOS管M115的漏极上;
所述PMOS管M101的源极与第一电阻R1相连,第一电阻R1另一端与开关节点电压VSW相连,PMOS管M101的栅极和漏极均与NMOS管M102的漏极和输入电压VB1相连;
所述功率镜像PMOS管M115,其与同步功率管Q1构成比例镜像,其源极与开关节点电压VSW相连,其栅极与栅极控制信号VGATE相连,其衬底与衬底电压VBODY相连,其漏极与PMOS管M116源极相连,并且功率镜像PMOS管M115的源级连接第一二极管D1正极,第一二极管D1负极连接其衬底,其漏极连接第二二极管D2正极,第二二极管D2负极连接其衬底;其中PMOS管M116的漏极分别与第五电阻R5和电流采样信号VIS相连;第五电阻R5的另一端与地相连;
所述PMOS管M103的栅极和漏极都与PMOS管M105的栅极相连;PMOS管M103的源极与第二电阻R2相连,其漏极与NMOS管M104的漏极相连;第二电阻R2另一端与输入电压VIN相连;PMOS管M105的源极与输出电压VOUT相连,其漏极分别与NMOS管M106的漏极和反相器102的输入端相连;
所述反相器102输入端与NMOS管M106的漏极相连,其输出端分别与PMOS管M118的栅极、反相器101输入端和欠压控制信号VUVLO相连;反相器101的输出端与PMOS管M117的栅极相连;PMOS管M118的漏极与输出电压VOUT相连,其衬底和源极均与PMOS管M117的衬底和源极相连,并连接到内部电源VDD上;第一电容C1的一端连接内部电源VDD,另一端接地;PMOS管M117的漏极与输入电压VIN相连。
传统方案当电路启动时,此时主开关管Q2导通,同步功率管Q1关闭,电感L1开始储存电能;当同步功率管Q1源极电压到达输出值时,主开关管Q2关闭,同步功率管Q1导通,而此时电感L1上储存了很大的电流要通过同步功率管Q1,容易会造成同步功率管Q1损坏;而且当主开关管Q2导通,同步功率管Q1关闭,电感L1电流通过主开关管Q2,同样会造成主开关管Q2损坏。
传统电路另一个问题是电感电流会通过同步功率管Q1的衬底而串通,同步功率管Q1的衬底接在其漏极上,此时形成一个二极管,当同步功率管Q1源极电压高于漏极时,电感电流会通过这个形成的二极管到达输出端,对输出端产生影响。
本发明在电路启动时,主开关管Q2关闭,同步功率管Q1导通,增加电流与电压检测单元,通过同步功率管Q1的镜像管以及第二电阻将同步功率管Q1的电流转换成为电压值即电流采样信号VIS,并将电流采样信号VIS传递给电流限制单元,使其与设定的阈值电压进行比较,将比较结果控制同步功率管Q1的栅极电压,从而限制同步功率管Q1的充电电流,使同步功率管Q1缓慢进行充电,当同步功率管Q1的漏极电压比输入电压低200mV时,开启主开关管Q2导通,此时电流限制单元关闭,电路开始正常工作,这样防止电感L1会储存过大的电流对主开关管Q2和同步功率管Q1造成损坏。
本发明在同步功率管Q1的衬底增加了两个反接的二极管,防止了电感电流直接通过衬底导致的电流串通。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
1、本发明通过采样同步功率管Q1镜像管电流并将其转成电压值即电流采样信号VIS与外部参考电压进行比较从而限制同步功率管Q1的充电电流,当同步功率管Q1的漏极快要达到输入电压时,电路开始正常的升压工作,与传统的电压控制模式相比,能够有效保护同步功率管Q1和主开关管Q2。
2、本发明在同步功率管Q1源、漏极与衬底之间增加二极管,防止了电感电流直接通过衬底导致的电流串通。
附图说明
图1是传统的Boost电路的系统框图。
图2是本发明的Boost型DC-DC转换器同步功率管限流电路的结构框图。
图3是本发明实施例1中的电流与电压检测单元的原理图。
图4是本发明实施例1中的限流电路单元的原理图。
图5是本发明实施例2中的限流电路单元的原理图。
图6是本发明实施例3中的电流与电压检测单元的原理图。
附图中:1-电流与电压检测单元,2-限流电路单元。
以下结合附图及其实施例对本发明作进一步描述。
具体实施方式
实施例1:
参照图2,本发明的Boost型DC-DC转换器同步功率管限流电路,包括电流与电压检测单元1和限流单元2。
所述电压与电流检测单元1设有四个输入端b、c、e、f和三个输出端a、d、g;所述限流单元2设有三个输入端h、i、k和一个输出端j;其中电压与电流检测单元1的第一输入端b连接输入电压VIN;第二输入端c、第三输入端f和第四输入端e分别连接同步功率管Q1的源极、栅极和漏极即开关节点电压VSW、栅极控制信号VGATE和输出电压VOUT;其中第一输出端a输出欠压控制信号VUVLO给逻辑控制电路的欠压控制端和限流单元2第五输入端h;第二输出端d连接同步功率管Q1的衬底即衬底电位衬底电压VBODY;第三输出端g连接限流单元2的第六输入端i即电流采样信号VIS;限流单元2的第七输入端k连接外部参考电压VREF;其中第四输出端j连接同步功率管Q1的栅极;
输入的直流电源并联第一电容C1后得到输入电压VIN,第一电感L1串联在第一电容C1与同步功率管Q1之间,欠压控制信号VUVLO连接到限流单元2和逻辑控制电路;限流单元2的输出栅极控制信号VGATE连接到同步功率管Q1的栅极;同步功率管Q1源极与地之间连接主开关管Q2,漏极连接第二电容C2,并连接到输出电压VOUT输出;输出电压VOUT经采样电阻RSNS1和RSNS2分压连接误差放大器EA反相端,而误差放大器EA同相端连接基准信号VR,其输出连接到补偿网络;脉冲宽度调制器PWM的同相端连接补偿网络,其反相端连接斜坡信号,输出连接到逻辑控制电路PWM控制端;逻辑控制电路时钟信号端输入时钟信号,其驱动控制端连接控制死区控制的驱动器的输入端,死区控制的驱动器输出端连接到同步功率管Q1的栅极和主开关管Q2的栅极。
当主开关管Q2导通,直流电源流向第一电感L1,同步功率管Q1防止第二电容C2对地放电,第一电感L1上的电流以一定的比率线性增加,随着第一电感L1电流增加,第一电感L1里储存了一些能量;当主开关管Q2关断时,由于第一电感L1的电流保持特性,流经第一电感L1的电流不会马上变为零,而是缓慢的由充电完毕时的值变为零,而原来的电路已断开,于是第一电感L1开始给第二电容C2充电,第二电容C2两端电压输出电压VOUT升高,此时电压输出电压VOUT已经高于输入电压VIN了。
参照图3,本实施例的电流与电压检测单元1,包括反相器101、反相器102、功率镜像PMOS管M101、PMOS管M102、PMOS管M104、PMOS管M107、PMOS管M109、PMOS管M111、PMOS管M112、PMOS管M113、NMOS管M103、NMOS管M105、NMOS管M106、NMOS管M108、NMOS管M110、第一电阻R1、第二电阻R2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1和电流源IS1;其中:
所述电流源IS1,其输入端接入内部电源VDD,其输出端连接NMOS管M106的漏极和栅极,NMOS管M106的源极与地相连;NMOS管M103、NMOS管M105、NMOS管M106、NMOS管M108、NMOS管M110构成一排电流镜,它们的栅极与NMOS管M106的栅极相连,它们的源极与地相连;
所述功率镜像PMOS管M101,其与同步功率管Q1构成比例镜像,其源极与开关节点电压VSW相连,其栅极与栅极控制信号VGATE相连,其衬底与衬底电压VBODY相连,其漏极分别与PMOS管M102和PMOS管M111的源极相连,并且功率镜像PMOS管M101的源极连接第一二极管D1正极,第一二极管D1负极连接其衬底,功率镜像PMOS管M101的漏极连接第二二极管D2的正极,第二二极管D2的负极连接其衬底;
第一二极管D1和第二二极管D2的作用是防止电流直接通过衬底将源漏极串通;其中功率镜像PMOS管M101的电流ISENSE与同步功率管Q1和功率镜像PMOS管M101的尺寸有关:
此时,将电流ISENSE转换通过R2转换成电压值即电流采样信号VIS:
VIS=ISENSE×R2 (2)
所述PMOS管M102与PMOS管M104构成反相器,其中PMOS管M102的栅、漏极均与PMOS管M104栅极、NMOS管M103漏极相连;PMOS管M104的源极与输出电压VOUT相连并与PMOS管M107的源极相连,其漏极与PMOS管M111的栅极、NMOS管M105漏极相连;PMOS管M111的漏极与第二电阻R2和电流采样信号VIS相连,第二电阻R2与地相连;
所述PMOS管M107与PMOS管M109构成反相器,其中PMOS管M109的栅、漏极均与PMOS管M107的栅极、NMOS管M110漏极相连,PMOS管M109的源极与第一电阻R1相连,第一电阻R1的另一端与输入电压VIN相连;PMOS管M107的漏极与NMOS管M108的漏极和反相器101的输入端相连;
所述反相器101的输出端分别与反相器102的输入端、PMOS管M112栅极和欠压控制信号VUVLO相连;反相器102的输出端与PMOS管M113的栅极相连;PMOS管M112、M113的漏极分别与输出电压VOUT和输入电压VIN相连,PMOS管M112、M113的源极和衬底均与第一电容C1和内部电源VDD相连,第一电容C1接地。其中欠压控制信号VUVLO与基准电流IS1有关:
VUVLO=IS1×R1 (3)
反相器101、102的作用是选择电压源VDD,当输出电压VOUT高于输入电压VIN时,选择输出电压VOUT为内部电源VDD,此时欠压控制信号VUVLO为低;反之选择输入电压VIN为电压源VDD,此时欠压控制信号VUVLO为高;PMOS管M112、M113的源极和衬底相连,作用是防止VDD选定后电流通过衬底反窜到另一个选择端,从而确保输入电压VIN和输出电压VOUT不会串通。
参考图4,本实施例的限流单元2,包括反相器201、电流源IS2、PMOS管M201、PMOS管M203、PMOS管M205、PMOS管M207、PMOS管M209、NMOS管M202、NMOS管M204、NMOS管M206、NMOS管M208和NMOS管M210;其中:
所述电流源IS2,其输入端接内部电源VDD,其输出端接在PMOS管M203和M205的源极上;
所述PMOS管M201、M209的源极接内部电源VDD,PMOS管M201的栅、漏极均与PMOS管M209栅极和NMOS管M202的漏极相连;PMOS管M209的漏极与NMOS管M210的漏极、栅极控制信号VGATE相连;
所述PMOS管M203的栅极与外部参考电压VREF相连,其漏极分别与NMOS管M204的漏、栅极和NMOS管M202的栅极相连;所述PMOS管M205的栅极与电流采样信号VIS相连,其漏极分别与NMOS管M206的漏、栅极和NMOS管M210的栅极相连;NMOS管M202、NMOS管M204、NMOS管M206、NMOS管M210的源极都与地相连;其中外部参考电压VREF和电流采样信号VIS的应满足如下关系:
VREF=VIS (4)
所述PMOS管M207的漏极与PMOS管M209的栅极相连,其栅极与欠压控制信号VUVLO相连,其源极与内部电源VDD相连;NMOS管M208的漏极与NMOS管M210的栅极相连,其栅极与反相器201的输出端相连;反相器201的输入端与欠压控制信号VUVLO相连,NMOS管M208的源极与地相连。
实施例2:
本实施例的电流与电压检测单元1与实施例1中的相同。
参照图5,本实施例的限流单元2,包括反相器201、电流源IS1、PMOS管M201、PMOS管M202、PMOS管M203、PMOS管M204、PMOS管M207、PMOS管M208、PMOS管M211、NMOS管M205、NMOS管M206、NMOS管M209、NMOS管M210和NMOS管M212;其中:
所述电流源IS1,其输入端接内部电源VDD,其输出端接在PMOS管M201和M202的源极上;
所述PMOS管M201的栅极与电流采样信号VIS相连,其漏极分别与NMOS管M206的漏极和NMOS管M205的源极相连;PMOS管M202的栅极与外部参考电压VREF相连,其漏极分别与NMOS管M210的漏极和NMOS管M209的源极相连;
所述PMOS管M203、M207的源极接内部电源VDD,PMOS管M203、M207栅极均与PMOS管M204的漏极和NMOS管M205的漏极相连,其中PMOS管M203的漏极与PMOS管M204的源极相连,PMOS管M207的漏极与PMOS管M208的源极连接;
所述PMOS管M204、M208的栅极均与输入电压VB1相连,PMOS管M204的漏极与NMOS管M205的漏极相连,PMOS管M208的漏极与NMOS管M209的漏极和栅极控制信号VGATE相连;
所述NMOS管M205、M209的栅极与输入电压VB2相连,NMOS管M205的源极与NMOS管M206的漏极相连,NMOS管M209的源极与NMOS管M210的漏极相连;
所述NMOS管M206、M210的栅极与输入电压VB3相连,它们的源极与地相连;
所述PMOS管M211的漏极分别与PMOS管M204和PMOS管M208的栅极相连,其源极与内部电源VDD相连,其栅极与欠压控制信号VUVLO相连;
所述NMOS管M212的漏极分别与NMOS管M205和NMOS管M209的栅极相连,其源极与地相连,其栅极与反相器201的输出端相连;反相器201输入端与欠压控制信号VUVLO相连。
实施例3:
本实施例的限流单元2与实施例1中的相同。
参考图6,本实施例的电流与电压检测单元1,包括反相器101、反相器102、电流源IS1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、功率镜像PMOS管M115、PMOS管M101、PMOS管M103、PMOS管M105、PMOS管M111、PMOS管M113、PMOS管M116、PMOS管M117、PMOS管M118、NMOS管M102、NMOS管M104、NMOS管M106、NMOS管M107、NMOS管M108、NMOS管M109、NMOS管M110、NMOS管M112和NMOS管M114。其中:
所述电流源IS1,其输入端接内部电源VDD,其输出端接在NMOS管M107的漏极和栅极上;
所述NMOS管M102、M104、M106、M107和M110构成一排电流镜,且它们的源极都接地,其中NMOS管M102、M104、M106和M110的栅极都连接在NMOS管M107的栅极上;
所述NMOS管M110的漏极接在组成差分对的NMOS管M108、M109的源极上;其中NMOS管M108的漏极接在PMOS管M113的源极上;NMOS管M109的漏极接在PMOS管M111的源极上;NMOS管M112的漏极接在NMOS管M112和NMOS管M114的栅极上,同时与PMOS管M111漏极连接;NMOS管M114的漏极接在PMOS管M113的漏极和PMOS管M116的栅极上;其中PMOS管M111和PMOS管M113的栅极与输入电压VB1相连;NMOS管M112和NMOS管M114的源极接地;
所述NMOS管M109和M108构成差分对,它们的漏极分别通过第三电阻R3和第四电阻R4接在开关节点电压VSW上,而它们的栅极则分别接到输出电压VOUT和功率镜像PMOS管M115的漏极上;
所述PMOS管M101的源极与第一电阻R1相连,第一电阻R1另一端与开关节点电压VSW相连,PMOS管M101的栅极和漏极均与NMOS管M102的漏极和输入电压VB1相连;其作用是提高NMOS管M106和M108的匹配性。其中NMOS管M102的上流过电流ID2与电流源IS1以及NMOS管尺寸关系:
所述第一电阻R1、第三电阻R3、第四电阻R4之间的关系:
R1=2R3=2R4 (6)
所述功率镜像PMOS管M115,其与同步功率管Q1构成比例镜像,其源极与开关节点电压VSW相连,其栅极与栅极控制信号VGATE相连,其衬底与衬底电压VBODY相连,其漏极与PMOS管M116源极相连,并且功率镜像PMOS管M115的源级连接第一二极管D1正极,第一二极管D1负极连接其衬底,其漏极连接第二二极管D2正极,第二二极管D2负极连接其衬底;其中PMOS管M116的漏极与第五电阻R5和电流采样信号VIS相连;第五电阻R5的另一端与地相连;
所述PMOS管M103的栅极和漏极都与PMOS管M105的栅极相连;PMOS管M103的源极与第二电阻R2相连,其漏极与NMOS管M104的漏极相连;第二电阻R2另一端与输入电压VIN相连;PMOS管M105的源极与输出电压VOUT相连,其漏极分别与NMOS管M106的漏极和反相器102的输入端相连;
所述反相器102输入端与NMOS管M106的漏极相连,其输出端与PMOS管M118的栅极、反相器101输入端和欠压控制信号VUVLO相连;反相器101的输出端与PMOS管M117的栅极相连;PMOS管M118的漏极与输出电压VOUT相连,其衬底和源极与PMOS管M117的衬底和源极相连,并连接到内部电源VDD上;第一电容C1的一端连接内部电源VDD,另一端接地;PMOS管M117的漏极与输入电压VIN相连。
本发明在电路启动时,主开关管Q2关闭,同步功率管Q1导通,增加电流与电压检测单元1,通过同步功率管Q1的镜像管以及第二电阻将同步功率管Q1的电流转换成为电压值即电流采样信号VIS,并将电流采样信号VIS传递给电流限制单元2,使其与外部参考电压进行比较,将比较结果控制同步功率管Q1的栅极电压,从而限制同步功率管Q1的充电电流,使同步功率管Q1缓慢进行充电,当同步功率管Q1的漏极电压比输入电压低200mV时,开启主开关管Q2导通,此时电流限制单元2关闭,电路开始正常工作,这样防止电感L1会储存过大的电流对主开关管Q2和同步功率管Q1造成损坏。
以上仅是本发明的三个最佳实例,不构成对本发明的任何限制,显然在本发明的构思下,可以对其电路进行不同的变更与改进,但这些均在本发明的保护之列。
Claims (6)
1.一种Boost型DC-DC转换器同步功率管限流电路,其特征在于:除了电压负反馈环路外还包括如下单元:
电流与电压检测单元(1),用于检测同步功率管Q1的输出电压VOUT与输入电压VIN之间的压差,并将检测结果欠压控制信号VUVLO输送至限流单元(2)和逻辑控制电路里;并采用负反馈稳住同步功率管Q1的输出电压VOUT,将采样电阻采出的同步功率管Q1镜像管的电流ISENSE转换为电压值即电流采样信号VIS,并将电流采样信号VIS输送至限流单元(2);
限流单元(2),用于控制同步功率管Q1的电流值,并将接收到的电流采样信号VIS与外部参考电压VREF比较,最后将比较结果栅极控制信号VGATE直接连接同步功率管Q1的栅极,将电流控制在合适范围;
同步功率管Q1:用于接收限流单元(2)的栅极控制信号VGATE,并给电流与电压检测单元(1)提供输出电压VOUT、开关节点电压VSW和衬底电压VBODY;
输入的直流电源并联第一电容C1后得到输入电压VIN,第一电感L1串联在第一电容C1与同步功率管Q1之间,欠压控制信号VUVLO连接到限流单元(2)和逻辑控制电路的欠压控制端;限流单元(2)的输出栅极控制信号VGATE连接到同步功率管Q1的栅极;同步功率管Q1源极与地之间连接主开关管Q2,漏极连接第二电容C2,并连接到输出电压VOUT;输出电压VOUT经采样电阻RSNS1和RSNS2分压后连接误差放大器EA的反相端,误差放大器EA同相端连接基准信号VR,其输出连接到补偿网络;脉冲宽度调制器PWM的同相端连接补偿网络,其反相端连接斜坡信号,输出端连接到逻辑控制电路PWM控制端;逻辑控制电路时钟信号端输入时钟信号,其驱动控制端连接控制死区控制的驱动器的输入端,死区控制的驱动器输出端连接到同步功率管Q1的栅极和主开关管Q2的栅极,所述电流与电压检测单元(1),包括反相器101、反相器102、功率镜像PMOS管M101、PMOS管M102、PMOS管M104、PMOS管M107、PMOS管M109、PMOS管M111、PMOS管M112、PMOS管M113、NMOS管M103、NMOS管M105、NMOS管M106、NMOS管M108、NMOS管M110、第一电阻R1、第二电阻R2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1和电流源IS1;其中:
所述电流源IS1的输入端接入内部电源VDD,其输出端连接NMOS管M106的漏极和栅极,NMOS管M106的源极与地相连;NMOS管M103、NMOS管M105、NMOS管M106、NMOS管M108、NMOS管M110构成一排电流镜,它们的栅极与NMOS管M106的栅极相连,它们的源极与地相连;
所述功率镜像PMOS管M101,其与同步功率管Q1构成比例镜像,其源极与开关节点电压VSW相连,其栅极与栅极控制信号VGATE相连,其衬底与衬底电压VBODY相连,其漏极分别与PMOS管M102和PMOS管M111的源极相连,并且功率镜像PMOS管M101的源极连接第一二极管D1正极,第一二极管D1负极连接其衬底,功率镜像PMOS管M101的漏极连接第二二极管D2的正极,第二二极管D2的负极连接其衬底;
所述PMOS管M102与PMOS管M104构成反相器,其中PMOS管M102的栅、漏极均与PMOS管M104栅极、NMOS管M103漏极相连;PMOS管M104的源极与输出电压VOUT相连并与PMOS管M107的源极相连,其漏极与PMOS管M111的栅极和NMOS管M105的漏极相连;PMOS管M111的漏极与第二电阻R2和电流采样信号VIS相连,第二电阻R2与地相连;
所述PMOS管M107与PMOS管M109构成反相器,其中PMOS管M109的栅、漏极均与PMOS管M107的栅极、NMOS管M110漏极相连,PMOS管M109的源极与第一电阻R1相连,第一电阻R1的另一端与输入电压VIN相连;PMOS管M107的漏极与NMOS管M108的漏极和反相器101的输入端相连;
所述反相器101的输出端分别与反相器102的输入端、PMOS管M112栅极和欠压控制信号VUVLO相连;反相器102的输出端与PMOS管M113的栅极相连;PMOS管M112、M113的漏极分别与输出电压VOUT和输入电压VIN相连,PMOS管M112、M113的源极和衬底均与第一电容C1和内部电源VDD相连,第一电容C1接地。
2.根据权利要求1所述的一种Boost型DC-DC转换器同步功率管限流电路,其特征在于:所述限流单元,包括反相器201、电流源IS2、PMOS管M201、PMOS管M203、PMOS管M205、PMOS管M207、PMOS管M209、NMOS管M202、NMOS管M204、NMOS管M206、NMOS管M208和NMOS管M210;其中:
所述电流源IS2,其输入端接内部电源VDD,其输出端接在PMOS管M203和M205的源极上;
所述PMOS管M201、M209的源极接内部电源VDD,PMOS管M201的栅、漏极均与PMOS管M209栅极和NMOS管M202的漏极相连;PMOS管M209的漏极分别与NMOS管M210的漏极、栅极控制信号VGATE相连;
所述PMOS管M203的栅极与外部参考电压VREF相连,其漏极分别与NMOS管M204的漏、栅极和NMOS管M202的栅极相连;所述PMOS管M205的栅极与电流采样信号VIS相连,其漏极分别与NMOS管M206的漏、栅极和NMOS管M210的栅极相连;NMOS管M202、NMOS管M204、NMOS管M206和NMOS管M210的源极都与地相连;
所述PMOS管M207的漏极与PMOS管M209的栅极相连,其栅极与欠压控制信号VUVLO相连,其源极与内部电源VDD相连;NMOS管M208的漏极与NMOS管M210的栅极相连,其栅极与反相器201的输出端相连;反相器201的输入端与欠压控制信号VUVLO相连,NMOS管M208的源极与地相连。
3.根据权利要求1所述的一种Boost型DC-DC转换器同步功率管限流电路,其特征在于:所述限流单元,包括反相器201、电流源IS1、PMOS管M201、PMOS管M202、PMOS管M203、PMOS管M204、PMOS管M207、PMOS管M208、PMOS管M211、NMOS管M205、NMOS管M206、NMOS管M209、NMOS管M210和NMOS管M212;其中:
所述电流源IS1的输入端接内部电源VDD,其输出端接在PMOS管M201和M202的源极上;
所述PMOS管M201的栅极与电流采样信号VIS相连,其漏极分别与NMOS管M206的漏极和NMOS管M205的源极相连;PMOS管M202的栅极与外部参考电压VREF相连,其漏极分别与NMOS管M210的漏极和NMOS管M209的源极相连;
所述PMOS管M203、M207的源极接内部电源VDD,PMOS管M203和M207的栅极均与PMOS管M204的漏极和NMOS管M205的漏极相连,其中PMOS管M203的漏极与PMOS管M204的源极相连,PMOS管M207的漏极与PMOS管M208的源极连接;
所述PMOS管M204和M208的栅极均与输入电压VB1相连,PMOS管M204的漏极与NMOS管M205的漏极相连,PMOS管M208的漏极与NMOS管M209的漏极和栅极控制信号VGATE相连;
所述NMOS管M205和M209的栅极均与输入电压VB2相连,NMOS管M205的源极与NMOS管M206的漏极相连,NMOS管M209的源极与NMOS管M210的漏极相连;
所述NMOS管M206和M210的栅极均与输入电压VB3相连,它们的源极均与地相连;
所述PMOS管M211的漏极分别与PMOS管M204和PMOS管M208的栅极相连,其源极与内部电源VDD相连,其栅极与欠压控制信号VUVLO相连;
所述NMOS管M212的漏极分别与NMOS管M205和NMOS管M209的栅极相连,其源极与地相连,其栅极与反相器201的输出端相连;反相器201输入端与欠压控制信号VUVLO相连。
4.一种Boost型DC-DC转换器同步功率管限流电路,其特征在于:除了电压负反馈环路外还包括如下单元:
电流与电压检测单元(1),用于检测同步功率管Q1的输出电压VOUT与输入电压VIN之间的压差,并将检测结果欠压控制信号VUVLO输送至限流单元(2)和逻辑控制电路里;并采用负反馈稳住同步功率管Q1的输出电压VOUT,将采样电阻采出的同步功率管Q1镜像管的电流ISENSE转换为电压值即电流采样信号VIS,并将电流采样信号VIS输送至限流单元(2);
限流单元(2),用于控制同步功率管Q1的电流值,并将接收到的电流采样信号VIS与外部参考电压VREF比较,最后将比较结果栅极控制信号VGATE直接连接同步功率管Q1的栅极,将电流控制在合适范围;
同步功率管Q1:用于接收限流单元(2)的栅极控制信号VGATE,并给电流与电压检测单元(1)提供输出电压VOUT、开关节点电压VSW和衬底电压VBODY;
输入的直流电源并联第一电容C1后得到输入电压VIN,第一电感L1串联在第一电容C1与同步功率管Q1之间,欠压控制信号VUVLO连接到限流单元(2)和逻辑控制电路的欠压控制端;限流单元(2)的输出栅极控制信号VGATE连接到同步功率管Q1的栅极;同步功率管Q1源极与地之间连接主开关管Q2,漏极连接第二电容C2,并连接到输出电压VOUT;输出电压VOUT经采样电阻RSNS1和RSNS2分压后连接误差放大器EA的反相端,误差放大器EA同相端连接基准信号VR,其输出连接到补偿网络;脉冲宽度调制器PWM的同相端连接补偿网络,其反相端连接斜坡信号,输出端连接到逻辑控制电路PWM控制端;逻辑控制电路时钟信号端输入时钟信号,其驱动控制端连接控制死区控制的驱动器的输入端,死区控制的驱动器输出端连接到同步功率管Q1的栅极和主开关管Q2的栅极,所述电流与电压检测单元,包括反相器101、反相器102、电流源IS1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、功率镜像PMOS管M115、PMOS管M101、PMOS管M103、PMOS管M105、PMOS管M111、PMOS管M113、PMOS管M116、PMOS管M117、PMOS管M118、NMOS管M102、NMOS管M104、NMOS管M106、NMOS管M107、NMOS管M108、NMOS管M109、NMOS管M110、NMOS管M112和NMOS管M114;其中:
所述电流源IS1的输入端接内部电源VDD,其输出端接在NMOS管M107的漏极和栅极上;
所述NMOS管M102、M104、M106、M107和M110构成一排电流镜,且它们的源极都接地,其中NMOS管M102、M104、M106和M110的栅极都连接在NMOS管M107的栅极上;
所述NMOS管M110的漏极接在组成差分对的NMOS管M108和M109的源极上;其中NMOS管M108的漏极接在PMOS管M113的源极上;NMOS管M109的漏极接在PMOS管M111的源极上;NMOS管M112的漏极分别接在NMOS管M112和NMOS管M114的栅极上,同时与PMOS管M111漏极连接;NMOS管M114的漏极接在PMOS管M113的漏极和PMOS管M116的栅极上;其中PMOS管M111和PMOS管M113的栅极与输入电压VB1相连;NMOS管M112和NMOS管M114的源极接地;
所述NMOS管M109和M108构成差分对,它们的漏极分别通过第三电阻R3和第四电阻R4接在开关节点电压VSW上,而它们的栅极则分别接到输出电压VOUT和功率镜像PMOS管M115的漏极上;
所述PMOS管M101的源极与第一电阻R1相连,第一电阻R1另一端与开关节点电压VSW相连,PMOS管M101的栅极和漏极均与NMOS管M102的漏极和输入电压VB1相连;
所述功率镜像PMOS管M115,其与同步功率管Q1构成比例镜像,其源极与开关节点电压VSW相连,其栅极与栅极控制信号VGATE相连,其衬底与衬底电压VBODY相连,其漏极与PMOS管M116源极相连,并且功率镜像PMOS管M115的源级连接第一二极管D1正极,第一二极管D1负极连接其衬底,其漏极连接第二二极管D2正极,第二二极管D2负极连接其衬底;其中PMOS管M116的漏极分别与第五电阻R5和电流采样信号VIS相连;第五电阻R5的另一端与地相连;
所述PMOS管M103的栅极和漏极都与PMOS管M105的栅极相连;PMOS管M103的源极与第二电阻R2相连,其漏极与NMOS管M104的漏极相连;第二电阻R2另一端与输入电压VIN相连;PMOS管M105的源极与输出电压VOUT相连,其漏极分别与NMOS管M106的漏极和反相器102的输入端相连;
所述反相器102输入端与NMOS管M106的漏极相连,其输出端分别与PMOS管M118的栅极、反相器101输入端和欠压控制信号VUVLO相连;反相器101的输出端与PMOS管M117的栅极相连;PMOS管M118的漏极与输出电压VOUT相连,其衬底和源极均与PMOS管M117的衬底和源极相连,并连接到内部电源VDD上;第一电容C1的一端连接内部电源VDD,另一端接地;PMOS管M117的漏极与输入电压VIN相连。
5.根据权利要求4所述的一种Boost型DC-DC转换器同步功率管限流电路,其特征在于:所述限流单元,包括反相器201、电流源IS2、PMOS管M201、PMOS管M203、PMOS管M205、PMOS管M207、PMOS管M209、NMOS管M202、NMOS管M204、NMOS管M206、NMOS管M208和NMOS管M210;其中:
所述电流源IS2,其输入端接内部电源VDD,其输出端接在PMOS管M203和M205的源极上;
所述PMOS管M201、M209的源极接内部电源VDD,PMOS管M201的栅、漏极均与PMOS管M209栅极和NMOS管M202的漏极相连;PMOS管M209的漏极分别与NMOS管M210的漏极、栅极控制信号VGATE相连;
所述PMOS管M203的栅极与外部参考电压VREF相连,其漏极分别与NMOS管M204的漏、栅极和NMOS管M202的栅极相连;所述PMOS管M205的栅极与电流采样信号VIS相连,其漏极分别与NMOS管M206的漏、栅极和NMOS管M210的栅极相连;NMOS管M202、NMOS管M204、NMOS管M206和NMOS管M210的源极都与地相连;
所述PMOS管M207的漏极与PMOS管M209的栅极相连,其栅极与欠压控制信号VUVLO相连,其源极与内部电源VDD相连;NMOS管M208的漏极与NMOS管M210的栅极相连,其栅极与反相器201的输出端相连;反相器201的输入端与欠压控制信号VUVLO相连,NMOS管M208的源极与地相连。
6.根据权利要求4所述的一种Boost型DC-DC转换器同步功率管限流电路,其特征在于:所述限流单元,包括反相器201、电流源IS1、PMOS管M201、PMOS管M202、PMOS管M203、PMOS管M204、PMOS管M207、PMOS管M208、PMOS管M211、NMOS管M205、NMOS管M206、NMOS管M209、NMOS管M210和NMOS管M212;其中:
所述电流源IS1的输入端接内部电源VDD,其输出端接在PMOS管M201和M202的源极上;
所述PMOS管M201的栅极与电流采样信号VIS相连,其漏极分别与NMOS管M206的漏极和NMOS管M205的源极相连;PMOS管M202的栅极与外部参考电压VREF相连,其漏极分别与NMOS管M210的漏极和NMOS管M209的源极相连;
所述PMOS管M203、M207的源极接内部电源VDD,PMOS管M203和M207的栅极均与PMOS管M204的漏极和NMOS管M205的漏极相连,其中PMOS管M203的漏极与PMOS管M204的源极相连,PMOS管M207的漏极与PMOS管M208的源极连接;
所述PMOS管M204和M208的栅极均与输入电压VB1相连,PMOS管M204的漏极与NMOS管M205的漏极相连,PMOS管M208的漏极与NMOS管M209的漏极和栅极控制信号VGATE相连;
所述NMOS管M205和M209的栅极均与输入电压VB2相连,NMOS管M205的源极与NMOS管M206的漏极相连,NMOS管M209的源极与NMOS管M210的漏极相连;
所述NMOS管M206和M210的栅极均与输入电压VB3相连,它们的源极均与地相连;
所述PMOS管M211的漏极分别与PMOS管M204和PMOS管M208的栅极相连,其源极与内部电源VDD相连,其栅极与欠压控制信号VUVLO相连;
所述NMOS管M212的漏极分别与NMOS管M205和NMOS管M209的栅极相连,其源极与地相连,其栅极与反相器201的输出端相连;反相器201输入端与欠压控制信号VUVLO相连。
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