CN104682683B - 一种电压模pwm型同步升压dc‑dc转换器的限流电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压模PWM型同步升压DC‑DC转换器的限流电路，是在现有电压模PWM型同步升压DC‑DC转换器的基础上增设可调限流电路，包括限流电阻RS、限流比较器ILIMITCOMP、电流采样NMOS管VTS、电流采样电阻RH、恒流源IR、控制开关K和设置于PWM比较器与控制逻辑电路Control Logic之间的限流逻辑单元R。通过限流比较器ILIMITCOMP、限流逻辑单元R工作状态的变化，控制转换器中功率管栅极的关断，通过调节外置限流电阻RS的大小实现转换器中功率管限流值的设定。

Description

一种电压模PWM型同步升压DC-DC转换器的限流电路

技术领域

本发明涉及电压模升压电路，尤其是一种电压模PWM型同步升压DC-DC转换器的限流电路。

背景技术

PWM型控制方式在DC-DC转换器中使用普遍，具有以下优点：电压调整率高，线性度好，输出纹波小，适用于电流或电压控制模式。电压模PWM型DC-DC升压转换器只有一个电压反馈闭环，采用PWM调制法，具有较好的抗噪声裕量，单一反馈电压环设计、调试比较容易，对输出负载变化有较好的响应调节。但是由于单一的反馈电压设计，没有电流反馈，对大电流负载限制有限。

传统电压模PWM型同步升压DC-DC转换器如图1所示，外围元器件由电感L、输出电容C_OUT、反馈电阻R1，R2、前馈电容C_FB、及负载RL组成，芯片内部包括基准电压Vref产生电路、误差放大器EAMP、PWM COMP电路、控制逻辑电路Control Logic、同步驱动电路Driver、功率开关管VT及同步整流管SP。电压型PWM模式同步升压转换器工作原理主要是：输出电压VO经过分压电阻采样后输入到误差放大器EAMP的输入端，EAMP的另一输入端为基准电压电路提供的基准电压Vref，两者之差被放大后作为PWM比较器的一输入端，并与控制器内部的振荡器产生的锯齿波电压进行比较，PWM比较器的输作为控制信号控制功率开关管及同步整流管的导通，以改变占空比，从而控制输出电压VO。

从上述分析可知，此种反馈控制只响应输出负载电压的变化。如果当负载电流或输入电压发生变化时，必须等到负载电压发生了相应变化后，电压型PWM反馈控制才能起作用。同时，因为DC-DC变换器的电流流经电感将使滤波电容上的电压信号对电流信号产生90度的相位延迟，这种延迟通常为一个或多个开关周期。

发明内容

为解决传统电压型PWM同步升压DC-DC转换器的限流问题，本发明提供一种电压模PWM型同步升压DC-DC转换器的限流电路，能够实现逐周期检测功率管电流，实现过流保护功率管的作用。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种电压模PWM型同步升压DC-DC转换器的限流电路，电压模PWM型同步升压DC-DC转换器包括芯片内部电路和外围器件，外围器件包括电感L、输出电容C_OUT、反馈分压电阻R1和R2、前馈电容C_FB以及负载RL，芯片内部电路包括基准电压Vref产生电路、误差放大器EAMP、PWM比较器、控制逻辑电路ControlLogic、同步驱动电路Sync Driver、功率开关管VT、同步整流管SP以及振荡器OSC；转换器输出电压VO经过反馈分压电阻R1、R2采样后连接误差放大器EAMP的反相输入端，误差放大器EAMP的同相输入端连接带隙电路提供的基准电压Vref1，误差放大器EAMP的输出Ve连接PWM比较器的反相输入端，PWM比较器的同相输入端连接振荡器OSC输出的三角波信号，PWM比较器的输出经过控制逻辑电路Control Logic和同步驱动电路Sync Driver后，控制功率开关管VT及同步整流管SP的导通，以改变占空比，从而控制转换器的输出电压VO；

其特征在于：设置可调限流电路，该可调限流电路包括限流电阻RS、限流比较器ILIMITCOMP、电流采样NMOS管VTS、电流采样电阻RH、恒流源IR、控制开关K和设置于PWM比较器与控制逻辑电路Control Logic之间的限流逻辑单元R；电流采样NMOS管VTS的栅极和漏极分别连接功率开关管VT的栅极和漏极，电流采样NMOS管VTS的源极连接限流比较器ILIMITCOMP的反向端和电流采样电阻RH的一端，电流采样电阻RH的另一端接地，限流比较器ILIMITCOMP的同相端连接恒流源IR的输出端和限流电阻RS的一端，限流电阻RS的另一端接地，恒流源IR的输入端连接转换器的输出电压VO，限流比较器ILIMITCOMP的输出和PWM比较器的输出同时连接至限流逻辑单元R，限流逻辑单元R的输出连接至控制逻辑电路Control Logic，控制逻辑电路Control Logic的输出经过同步驱动电路Sync Driver控制功率开关管VT的栅极NG，限流比较器ILIMITCOMP的输出还通过控制开关K接地，控制开关K的控制端连接功率开关管VT的栅极NG，NG为低电位时控制开关K闭合，NG为高电位时控制开关K断开；

所述限流逻辑单元R包括PMOS管P1、P2、P3，NMOS管N1、N2、N3，反向器I1、I3，与非门逻辑I2；限流比较器ILIMITCOMP的输出LI连接PMOS管P2的栅极和NMOS管N2的栅极，PWM比较器的输出PWMOUT连接PMOS管P3的栅极和NMOS管N1的栅极，PMOS管P3的源极和PMOS管P1的源极连接作为芯片供电电源的转换器的输出电压VO，PMOS管P1的漏极连接PMOS管P2的源极，PMOS管P2的漏极与PMOS管P3的漏极、NMOS管N1的漏极、反向器I1的输入端以及与非门逻辑I2的一个输入端连接在一起，NMOS管N1的源极连接NMOS管N2的漏极和NMOS管N3的漏极，NMOS管N2的源极和NMOS管N3的源极接地，NMOS管N3的栅极与反向器I1的输出端和PMOS管P1的栅极连接在一起，与非门逻辑I2的另一个输入端连接PWM比较器的输出PWMOUT，与非门逻辑I2的输出连接反向器I3的输入端，反向器I3的输出即为限流逻辑单元R的输出LN，连接至控制逻辑电路Control Logic的输入端。

本发明具有如下优点及有益效果：能够实现逐周期检测功率管VT的电流及快速限制功率管VT电流过大的作用，可以通过调节外置限流电阻RS的大小实现限流值的设定。

附图说明

图1是现有技术同步升压转换器；

图2是本发明带有外置电阻可调限流的同步升压转换器；

图3是图2中的限流逻辑单元R；

图4是图3实现逻辑功能方波图。

具体实施方式

如图1，现有技术电压模PWM型同步升压DC-DC转换器包括芯片内部电路和外围器件，外围器件包括电感L、输出电容C_OUT、反馈分压电阻R1和R2、前馈电容C_FB以及负载RL，芯片内部电路包括基准电压Vref产生电路、误差放大器EAMP、PWM比较器、控制逻辑电路ControlLogic、同步驱动电路Sync Driver、功率开关管VT、同步整流管SP以及振荡器OSC；转换器输出电压VO经过反馈分压电阻R1、R2采样后连接误差放大器EAMP的反相输入端，误差放大器EAMP的同相输入端连接带隙电路提供的基准电压Vref1，误差放大器EAMP的输出Ve连接PWM比较器的反相输入端，PWM比较器的同相输入端连接振荡器OSC输出的三角波信号，PWM比较器的输出经过控制逻辑电路Control Logic和同步驱动电路Sync Driver后，控制功率开关管VT及同步整流管SP的导通，以改变占空比，从而控制转换器的输出电压VO。

如图2所示，本发明是在图1的基础上增设外置电阻可调限流电路，可调限流电路的供电电源由输出电压VO提供，包括外置限流电阻RS、限流比较器ILIMITCOMP、电流采样NMOS管VTS、电流采样电阻RH、恒流源IR、控制开关K和设置于PWM比较器与控制逻辑电路Control Logic之间的限流逻辑单元R。电流采样NMOS管VTS的栅极和漏极分别连接功率开关管VT的栅极和漏极(能量转换端点LX)，电流采样NMOS管VTS的源极连接限流比较器ILIMITCOMP的反向端和电流采样电阻RH(高阻)的一端，电流采样电阻RH的另一端接地，限流比较器ILIMITCOMP的同相端连接恒流源IR的输出端和限流电阻RS的一端，限流电阻RS的另一端接地，恒流源IR的输入端连接转换器的输出电压VO，限流比较器ILIMITCOMP的输出和PWM比较器的输出同时连接至限流逻辑单元R，限流逻辑单元R的输出连接至控制逻辑电路Control Logic，控制逻辑电路Control Logic的输出经过同步驱动电路Sync Driver控制功率开关管VT的栅极NG，限流比较器ILIMITCOMP的输出还通过控制开关K接地，控制开关K的控制端连接功率开关管VT的栅极NG。NG为低电位时控制开关K闭合，限流比较器ILIMITCOMP的输出与地电位连接，限流比较器输出为低，输入至逻辑单元R不起作用。NG为高电位时控制开关K断开，限流比较器ILIMITCOMP的输出与地电位断开，限流比较器的输出输入至逻辑单元R。当功率管VT开启时，其栅极电压NG控制采样NMOS管VTS同时开启，且控制开关与地断开，由于采样NMOS管VTS导通时导通电阻远远小于采样电阻RH的阻值，LX端电压在此支路上等效分压后采样NMOS管VTS的源端A点与LX电位几乎相同，LX端电位在NMOS功率管VTS开启时又和功率管NMOS管VT的导通电阻与流过电流乘积相等，此时A点电位可以用公式1表示，B端电压等于恒电流与外置电阻RS乘积，可以用公式2表示。当A端电位等于或高于B端电位时，限流比较器ILIMITCOMP输出翻转，限流逻辑单元R输出翻转，最终控制功率管VT栅极NG关断，直至下个周期重新NG开启，其限流值可以用公式3表示。通过调节外置限流电阻RS调整功率管VT的限流峰值，需要注意的是限流值还与功率管VT的导通电阻有关，但一般选定固定型号的NMOS管，其导通电阻值一定。

公式表达：

V_A＝V_LX＝R_VTon×I_VT------(1)

V_B＝I_R×R_RS------(2)

公式中V_A为限流比较器A端电压，V_LX能量转换端点LX端电压，R_VTON为功率管VT的导通电阻，I_VT为功率管导通时流经VT的电流，V_B为限流比较器B端的电压，I_R为恒流源模块IR的输出电流值，R_RS为外置可调限流电阻阻值，I_VTLIMIT为设定的功率管VT的电流最大限流值。

如图3所示，限流逻辑单元R包括PMOS管P1、P2、P3，NMOS管N1、N2、N3，反向器I1、I3，与非门逻辑I2；限流比较器ILIMITCOMP的输出LI连接PMOS管P2的栅极和NMOS管N2的栅极，PWM比较器的输出PWMOUT连接PMOS管P3的栅极和NMOS管N1的栅极，PMOS管P3的源极和PMOS管P1的源极连接作为芯片供电电源的转换器的输出电压VO，PMOS管P1的漏极连接PMOS管P2的源极，PMOS管P2的漏极与PMOS管P3的漏极、NMOS管N1的漏极、反向器I1的输入端以及与非门逻辑I2的一个输入端连接在一起，NMOS管N1的源极连接NMOS管N2的漏极和NMOS管N3的漏极，NMOS管N2的源极和NMOS管N3的源极接地，NMOS管N3的栅极与反向器I1的输出端和PMOS管P1的栅极连接在一起，与非门逻辑I2的另一个输入端连接PWM比较器的输出PWMOUT，与非门逻辑I2的输出连接反向器I3的输入端，反向器I3的输出即为限流逻辑单元R的输出LN，连接至控制逻辑电路Control Logic的输入端。

如下表为其工作状态，“0”状态代表电压为低，“1”状态代表电压为高，其中用PWMOUT代表PWM比较器输出的逻辑状态，LI代表限流比较器的输出逻辑状态，YN代表限流逻辑单元输出Y点的现态逻辑状态，YN+1代表限流逻辑单元输出Y点的次态逻辑状态，LN代表限流逻辑单元输出LN点的逻辑状态，NG代表功率管VT的栅极电压逻辑状态。

其工作状态表如下：

PWMOUT	LI	YN	YN+1	LN	NG
						0	0	0	1	0	0
0	0	1	1	0	0
						0	1	0	1	0	0
0	1	1	1	0	0
						1	0	0	0	0	0
1	0	1	1	1	1
						1	1	0	0	0	0
1	1	1	0	0	0

图3最终实现逻辑功能如图4所示，PWM比较器输出逻辑状态PWMOUT为高电压“1”状态且限流比较器输出LI的逻辑状态为低电压“0”状态时，限流逻辑单元控制输出LN为状态“1”，功率管VT的栅端NG与LN同步为状态“1”，功率管VT处于导通状态。当PWM比较器输出逻辑状态PWMOUT为“1”状态且限流比较器输出LI的逻辑状态由“0”状态翻转到“1”状态时，限流逻辑单元控制输出LN状态为“0”，功率管VT的栅端NG与LN同步为状态“0”，关断功率管VT，实现限流功能，且控制开关K控制限流比较器输出翻转为“0”状态，进入下一周期检测。

Claims (1)

1.一种电压型PWM同步升压DC-DC转换器的限流电路，电压型PWM同步升压DC-DC转换器包括芯片内部电路和外围器件，外围器件包括电感L、输出电容C_OUT、反馈分压电阻R1和R2、前馈电容C_FB以及负载RL，芯片内部电路包括基准电压Vref产生电路、误差放大器EAMP、PWM比较器、控制逻辑电路Control Logic、同步驱动电路Sync Driver、功率开关管VT、同步整流管SP以及振荡器OSC；转换器输出电压VO经过反馈分压电阻R1、R2采样后连接误差放大器EAMP的反相输入端，误差放大器EAMP的同相输入端连接带隙电路提供的基准电压Vref1，误差放大器EAMP的输出Ve连接PWM比较器的反相输入端，PWM比较器的同相输入端连接振荡器OSC输出的三角波信号，PWM比较器的输出经过控制逻辑电路Control Logic和同步驱动电路Sync Driver后，控制功率开关管VT及同步整流管SP的导通，以改变占空比，从而控制转换器的输出电压VO；

其特征在于：设置可调限流电路，该可调限流电路包括限流电阻RS、限流比较器ILIMITCOMP、电流采样NMOS管VTS、电流采样电阻RH、恒流源IR、控制开关K和设置于PWM比较器与控制逻辑电路Control Logic之间的限流逻辑单元R；电流采样NMOS管VTS的栅极和漏极分别连接功率开关管VT的栅极和漏极，电流采样NMOS管VTS的源极连接限流比较器ILIMITCOMP的反相端和电流采样电阻RH的一端，电流采样电阻RH的另一端接地，限流比较器ILIMITCOMP的同相端连接恒流源IR的输出端和限流电阻RS的一端，限流电阻RS的另一端接地，恒流源IR的输入端连接转换器的输出电压VO，限流比较器ILIMITCOMP的输出和PWM比较器的输出同时连接至限流逻辑单元R，限流逻辑单元R的输出连接至控制逻辑电路Control Logic，控制逻辑电路Control Logic的输出经过同步驱动电路Sync Driver控制功率开关管VT的栅极NG，限流比较器ILIMITCOMP的输出还通过控制开关K接地，控制开关K的控制端连接功率开关管VT的栅极NG，NG为低电位时控制开关K闭合，NG为高电位时控制开关K断开；

所述限流逻辑单元R包括PMOS管P1、P2、P3，NMOS管N1、N2、N3，反向器I1、I3，与非门逻辑I2；限流比较器ILIMITCOMP的输出LI连接PMOS管P2的栅极和NMOS管N2的栅极，PWM比较器的输出PWMOUT连接PMOS管P3的栅极和NMOS管N1的栅极，PMOS管P3的源极和PMOS管P1的源极连接作为芯片供电电源的转换器的输出电压VO，PMOS管P1的漏极连接PMOS管P2的源极，PMOS管P2的漏极与PMOS管P3的漏极、NMOS管N1的漏极、反向器I1的输入端以及与非门逻辑I2的一个输入端连接在一起，NMOS管N1的源极连接NMOS管N2的漏极和NMOS管N3的漏极，NMOS管N2的源极和NMOS管N3的源极接地，NMOS管N3的栅极与反向器I1的输出端和PMOS管P1的栅极连接在一起，与非门逻辑I2的另一个输入端连接PWM比较器的输出PWMOUT，与非门逻辑I2的输出连接反向器I3的输入端，反向器I3的输出即为限流逻辑单元R的输出LN，连接至控制逻辑电路Control Logic的输入端。