CN104917383A - 一种直流稳压电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流稳压电源，所述电源Vin的正负极之间依次串联有电感L、续流二极管D、负载电阻R1～R4和负载电阻R0，所述电源Vin的负极还接地；所述脉冲宽度调制式控制器的Q端与开关管M的栅极连接，detecte1检测端与负载电阻R3的后端连接，detecte2检测端与开关管M的源级连接后与负载电阻R4的后端连接；开关管M的漏极与电感L的后端连接；本发明的转换器具有很高的转换效率、低工作电压、欠电流与过电流检测和节电模式控制等特性；通过带隙基准电压源对转换器内部工作点提供偏置，大大地提高了系统的稳定性，提高了抗电源电压波动，温度的变化以及噪声引起的干扰的抑制。

Description

一种直流稳压电源

技术领域

本发明涉及电学领域，具体涉及一种直流稳压电源。

背景技术

直流稳压电源也叫DC-DC转换器、开关电源或开关调整器。直流稳压电源作为电源系统的一个分支，广泛应用于通信、计算机、家用电器等领域中。稳压电源分为线性稳压源和开关稳压源两大类。线性稳压源的主要特点是调整管工作在线性放大状态，具有稳定度高、可靠性好、成本较低等优点，缺点是转换效率低，功耗大、体积大，限制了线性稳压电源的应用。开关电源被称为高效节能电源，近年来，随着电子器件、电磁材料、电压变换技术的快速发展，开关电源技术得到了相当大的突破，已经可以逐渐替代线性稳压电源，成为稳压电源的主流产品。开关电源转换效率较低，内部关键元器件工作在高频开关状态，系统的稳定性差，抗电源电压波动能力低，且不具备欠电流与过电流检测及控制能力。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种直流稳压电源。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供的一种直流稳压电源，包括电源Vin、电感L、续流二极管D、滤波电容C、负载电阻R0～R4、脉冲宽度调制式控制器和开关管M；所述电源Vin的正负极之间依次串联有电感L、续流二极管D、负载电阻R1～R4和负载电阻R0，所述电源Vin的负极还接地；所述脉冲宽度调制式控制器的Q端与开关管M的栅极连接，detecte1检测端与负载电阻R3的后端连接，detecte2检测端与开关管M的源级连接后与负载电阻R4的后端连接；开关管M的漏极与电感L的后端连接；所述滤波电容C与负载电阻R1～R4并联；所述负载电阻R1和负载电阻R2之间、负载电阻R2和负载电阻R3之间分别设置有电压输出端Vout1、Vout2。

所述脉冲宽度调制式控制器包括误差运算放大器A、主比较器C1、欠流比较器C2、过流比较器C3、逆变器inv1、锯齿波发生器U1、同或门XNOR1～XNOR2、与门AND1～AND3、或门OR1～OR2、RS触发器U2、驱动电路drive和软启动电路soft-start，误差运算放大器A、主比较器C1、欠流比较器C2、过流比较器C3和锯齿波发生器U1的使能端en均与使能信号端enable连接；误差运算放大器A的正输入端与标准电压V_ref1端连接，负输入端与detecte1检测端连接，输出端与主比较器C1的负输入端连接；主比较器C1的正输入端与锯齿波发生器U1的信号输出端连接，输出端通过逆变器inv1与与门的一个输入端连接；主比较器C1的输出端还与与门AND2的一个输入端连接；锯齿波发生器U1的1脚和2脚分别与V_In1端和V_In2端连接。

欠流比较器C2的正输入端、过流比较器C3的负输入端均与detecte2检测端连接，欠流比较器C2的负输入端与标准电压V_ref2端连接，过流比较器C3的正输入端悬空；欠流比较器C2的输出端分别与同或门XNOR1的B端、同或门XNOR2的B端和或门OR2的一个输入端连接，过流比较器C3的输出端分别与同或门XNOR1的A端、同或门XNOR2的A端和或门OR1的一个输入端连接。

同或门XNOR1的输出端与与门AND1的另一输入端连接，同或门XNOR2的输出端与与门AND2的另一输入端连接；与门AND1的输出端与或门OR1的另一个输入端连接，与门AND2的输出端与或门OR2的另一个输入端连接，或门OR1和或门OR2的输出端分别与RS触发器U2的S端和R端连接，RS触发器U2的输出端与与门AND3的一个输入端连接；与门AND3的另一输入端通过软启动电路soft-start与使能信号enable端连接，输出端通过驱动电路drive与脉冲宽度调制式控制器的输出端Q连接。

所述主比较器A包括开关管M1～M13和逆变器inv2，开关管M5、M6、M8和M10的源级均与电源Vdd端连接，开关管M5和M6的栅极均与偏置电流Bias端连接；开关管M5的漏极分别与开关管M1和M2的源级连接；开光M1和M2的栅极分别与电源Vin+和Vin-连接，开关管M1的漏极分别与开关管M12的漏极、开关管M3的漏极和栅极连接，开关管M3的栅极还与开关管M4的栅极连接。

开关管M4的漏极分别与开关管M2的漏极、开关管M7的栅极连接；开关管M7的漏极、开关管M6的漏极、开关管M8的栅极和开关管M9的栅极相连；开关管M9的漏极、开关管M8的漏极、开关管M10的栅极和开关管M11的栅极相连；开关管M10的漏极分别与开关管M11和M13的漏极连接后与电压输出端Vout3连接；使能信号enable与逆变器inv2的信号输入端连接，逆变器inv2的信号输出端分别与开关管M12和M13的栅极连接；开关管M12、M3、M4、M7、M9、M11和M13的源级均接地。

所述欠流比较器C2包括开关管M14～M17和运算放大器B，开关管M16和M17的源级均与电源Vdd端连接，栅极均与偏置电流Bias端连接，开关管M16的漏极分别与开关管M14的源级和运算放大器B的正输入端连接，开关管M17的漏极分别与开关管M15的源级和运算放大器B的负输入端连接；运算放大器B的输出端与欠流比较器C2的输出端Vout4连接；开关管M14的栅极与电源Vin+端连接，漏极与开关管M15的漏极连接，开关管M15的栅极接地。

本发明的有益效果在于：提供了一种高转换效率、低输出纹波的直流稳压电源，该转换器具有很高的转换效率、低工作电压、欠电流与过电流检测和节电模式控制等特性；通过带隙基准电压源对转换器内部工作点提供偏置，大大地提高了系统的稳定性，提高了抗电源电压波动，温度的变化以及噪声引起的干扰的抑制；并采用0.25μm的CMOS工艺，其转换效率可达到90％以上，在输入电压为2.5V的条件下，输出电压为标准的3.3V和5V。

附图说明

图1是本发明的电路图；

图2是图1中脉冲宽度调制式控制器的电路图；

图3是图2中主比较器的电路图；

图4是图2中欠流比较器的电路图；

图5是图3中主比较器的灵敏度分析仿真图；

图6是图4中欠电流比较器的灵敏度分析仿真图；

图7是图1的仿真结果图。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1～图7所示的一种直流稳压电源，包括电源Vin、电感L、续流二极管D、滤波电容C、负载电阻R0～R4、脉冲宽度调制式控制器和开关管M；所述电源Vin的正负极之间依次串联有电感L、续流二极管D、负载电阻R1～R4和负载电阻R0，所述电源Vin的负极还接地；所述脉冲宽度调制式控制器的Q端与开关管M的栅极连接，detecte1检测端与负载电阻R3的后端连接，detecte2检测端与开关管M的源级连接后与负载电阻R4的后端连接；开关管M的漏极与电感L的后端连接；所述滤波电容C与负载电阻R1～R4并联；所述负载电阻R1和负载电阻R2之间、负载电阻R2和负载电阻R3之间分别设置有电压输出端Vout1、Vout2。开关管M的控制脉冲是由脉冲宽度调制式控制器(PWM)提供。开关管M4受输入脉冲控制导通或截止。当开关管M导通时，电源向电感L储能，电感电流增加，其感应电动势为左正右负。由于开关管M导通电阻接近于零，滤波电容C上的电压为上正下负，则续流二极管D处于反向截止状态，滤波电容C上的电压通过负载电阻放电；当开关管M截止，电感电流减少，电感L上的感应电动势为左负右正，此时二极管处于正向导通，电源电压和电感L电压相加向滤波电容C充电。因此，在一个脉冲周期，经滤波电容C滤波后的输出电压平均值将高于输入电压。

在电感L电流连续的条件下，设定开关管M的控制脉冲周期为T，开关管M导通时间为0～T1；开关管M截止时间为T1～T，且电感L上的电流变化在开关管M导通和截止时间相等(ΔI)，则电路工作按图1中开关管M导通和截止分为两种情况：

(1)开关管M导通期间，此时续流二极管D截止，电感L中的电流上升，其电路的表达式为：

$V_{\mathrm{in}}L\·\frac{I_2{I}_1}{T_1}L\·\frac{I}{T_1}---\left(1\right)$

(2)开关管M截止期间，由于电感L上的电流不能突变，则续流二极管D导通，其电路的表达式为：

$V_{\mathrm{out}}{V}_{\mathrm{in}}L\·\frac{I}{T_2}---\left(2\right)$

则： $I\frac{V_{\mathrm{in}}\·T_1}{L}\frac{\left(V_{\mathrm{out}}{V}_{\mathrm{in}}\right)\·T_2}{L}---\left(3\right)$

当设控制脉冲的占空比为k，开关管M导通时间为T₁k·T；MOS管截止时间为T₂(1k)·T。将T₁、T₂带入(3)式得：

$V_{\mathrm{out}}\frac{V_{\mathrm{in}}}{1K}---\left(4\right)$

从上式可以看出，由于k小于1，则该DC-DC转换器是升压型转换器，转换器的输出电压大于输入电压。

所述脉冲宽度调制式控制器包括误差运算放大器A、主比较器C1、欠流比较器C2、过流比较器C3、逆变器inv1、锯齿波发生器U1、同或门XNOR1～XNOR2、与门AND1～AND3、或门OR1～OR2、RS触发器U2、驱动电路drive和软启动电路soft-start，误差运算放大器A、主比较器C1、欠流比较器C2、过流比较器C3和锯齿波发生器U1的使能端en均与使能信号端enable连接；误差运算放大器A的正输入端与标准电压V_ref1端连接，负输入端与detecte1检测端连接，输出端与主比较器C1的负输入端连接；主比较器C1的正输入端与锯齿波发生器U1的信号输出端连接，输出端通过逆变器inv1与与门的一个输入端连接；主比较器C1的输出端还与与门AND2的一个输入端连接；锯齿波发生器U1的1脚和2脚分别与V_In1端和V_In2端连接。detecte1检测端和detecte2检测端分别是PWM-Controller脉冲宽度调制式控制器的检测端。V_In1端和V_In2端均是电压信号端，分别是图1中电压输出端Vout1和Vout2输送送过去的电压信号。

欠流比较器C2的正输入端、过流比较器C3的负输入端均与detecte2检测端连接，欠流比较器C2的负输入端与标准电压V_ref2端连接，过流比较器C3的正输入端悬空；欠流比较器C2的输出端分别与同或门XNOR1的B端、同或门XNOR2的B端和或门OR2的一个输入端连接，过流比较器C3的输出端分别与同或门XNOR1的A端、同或门XNOR2的A端和或门OR1的一个输入端连接。

同或门XNOR1的输出端与与门AND1的另一输入端连接，同或门XNOR2的输出端与与门AND2的另一输入端连接；与门AND1的输出端与或门OR1的另一个输入端连接，与门AND2的输出端与或门OR2的另一个输入端连接，或门OR1和或门OR2的输出端分别与RS触发器U2的S端和R端连接，RS触发器U2的输出端与与门AND3的一个输入端连接；与门AND3的另一输入端通过软启动电路soft-start与使能信号enable端连接，输出端通过驱动电路drive与脉冲宽度调制式控制器的输出端Q连接。

当使能信号enable端的信号为“0”时，芯片处于节电状态；当使能信号enable端的信号为“1”时，芯片处于正常工作状态。detect1检测端检测到的电压信号，经误差运算放大器A与2.5V标准电压V_ref1比较后产生误差信号，该误差信号接到主比较器C1的负输入端，主比较器C1的正输入端接锯齿波发生器U1的输出端连接。主比较器C1在锯齿波信号和误差信号的共同作用下产生一个输出占空比随误差电压信号变化的脉冲。当detect 2检测端检测到的电压信号在10mV到500mV之间时，欠电流比较器C2和过电流比较器C3的输出均为“0”，经同或门XNOR1和XNOR2后输出均为“1”，该信号分别作为与门AND1和AND2的输入信号，则与门AND1和AND2的输出仅仅决定于主比较器C1的输出信号；同时欠电流比较器C2和过电流比较器C3的低电平信号输出作为或门的输入，或门OR1和OR2的输出也仅仅取决于主比较器C1的输出信号.当detect 1检测端检测到的电压信号低于2.5V，主比较器C1输出占空比较大的脉冲信号一路送到RS触发器U2的R输入端，另一路信号经反相器反相后送到RS触发器U2的S输入端，所以RS触发器U2的输出经电流驱动后使主电路的电流上升。反之，当detect1检测端检测到的电压信号高于2.5V，主电路的电流下降。改变控制脉冲信号占空比能够调节主电路的电流，当主电路检测端detect 2检测到的电压信号低于10mV，欠电流比较器C2和过电流比较器C3输出分别为“1”和“0”，同或门输出为“0”，该低电平输出将两个与门屏蔽，RS触发器U2的S端都被置“1”，R端被置“0”，所以输出Q为“1”，使主回路电流迅速上升，从而确保电路工作在连续工作状态(CCM)。同样，主电路检测端detect 2检测到的电压信号高于500mV，过电流比较器C3输出为“1”，欠电流比较器C2输出为“0”，主比较器C1被屏蔽，RS触发器U2的S端都被置为“0”，同时R端被置为“1”，输出Q置为“0”，使主回路电流迅速下降，从而有效地防止了功率开关管过电流而毁坏。

所述主比较器A包括开关管M1～M13和逆变器inv2，开关管M5、M6、M8和M10的源级均与电源Vdd端连接，开关管M5和M6的栅极均与偏置电流Bias端连接；开关管M5的漏极分别与开关管M1和M2的源级连接；开光M1和M2的栅极分别与电源Vin+和Vin-连接，开关管M1的漏极分别与开关管M12的漏极、开关管M3的漏极和栅极连接，开关管M3的栅极还与开关管M4的栅极连接。开关管M4的漏极分别与开关管M2的漏极、开关管M7的栅极连接；开关管M7的漏极、开关管M6的漏极、开关管M8的栅极和开关管M9的栅极相连；开关管M9的漏极、开关管M8的漏极、开关管M10的栅极和开关管M11的栅极相连；开关管M10的漏极分别与开关管M11和M13的漏极连接后与电压输出端Vout3连接；使能信号enable与逆变器inv2的信号输入端连接，逆变器inv2的信号输出端分别与开关管M12和M13的栅极连接；开关管M12、M3、M4、M7、M9、M11和M13的源级均接地。

控制单元的关键模块是主比较器C1，主比较器C1分为模拟部分和数字部分。模拟部分为两级差分放大电路：第一级运放为差分放大器，第二级为共源放大器。第一级运放将锯齿波发生器的输出信号和误差运算放大器的输出信号进行比较，产生的输出信号经共源放大器放大作为模拟/数字转换电路的输入信号。数字部分是两级标准CMOS反相器，其功能是将比较结果的模拟信号转换为数字信号，并提高其电流驱动能力。从仿真图中可以看出，输入直流电压从2.495V到2.505V，其输出曲线从低电平到高电平的两个转折点分别为2.499V和2.501V，所以主比较器的灵敏度近似于1mV，满足了控制器的要求。

所述欠流比较器C2包括开关管M14～M17和运算放大器B，开关管M16和M17的源级均与电源Vdd端连接，栅极均与偏置电流Bias端连接，开关管M16的漏极分别与开关管M14的源级和运算放大器B的正输入端连接，开关管M17的漏极分别与开关管M15的源级和运算放大器B的负输入端连接；运算放大器B的输出端与欠流比较器C2的输出端Vout4连接；开关管M14的栅极与电源Vin+端连接，漏极与开关管M15的漏极连接，开关管M15的栅极接地。

欠电流比较器C2要检测低于10mV的电压，则欠电流比较器C2的输入电压灵敏度要小于1mV。为了增加比较器的灵敏度，本发明在主比较器C1电路的输入级增加了电压提升电路。所述的电压提升电路由M14～M17四个开关管组成。将图4中所示的A点的比较器阈值电压调到10mV，则V_in+在主回路检测点detect 2处得到的非常微弱的检测电压经M1放大后与10mV电压比较，因此提高了欠电流比较器C2的灵敏度。

如图6所示，是欠电流比较器的灵敏度仿真图。从图中可以看出，电源V_in+的输入电压从9.5mV到10.5mV，其输出曲线从低电平到高电平的两个转折点分别为9.95mV和10.05mV，所以主比较器C1的灵敏度近似于0.05mV，满足了系统的需要。

如图7所示，DC-DC转换器的仿真结果图。所述的仿真条件是：电源电压5V；2.5V的输入电压在时间1ms时加入，电路工作于连续模式。从仿真结果可以得到：输出电压分别为3.3V和5V；过冲电压为0.5V～0.8V；纹波电压小于30mV；输出稳定时间大约为1.2ms。该转换器具有很高的转换效率、低工作电压、欠电流与过电流检测和节电模式控制等特性；通过带隙基准电压源对转换器内部工作点提供偏置，大大地提高了系统的稳定性，提高了抗电源电压波动，温度的变化以及噪声引起的干扰的抑制；并采用0.25μm的CMOS工艺，其转换效率可达到90％以上。

Claims (4)

1.一种直流稳压电源，包括电源Vin、电感L、续流二极管D、滤波电容C、负载电阻R0～R4、脉冲宽度调制式控制器和开关管M，其特征在于：所述电源Vin的正负极之间依次串联有电感L、续流二极管D、负载电阻R1～R4和负载电阻R0，所述电源Vin的负极还接地；所述脉冲宽度调制式控制器的Q端与开关管M的栅极连接，detecte1检测端与负载电阻R3的后端连接，detecte2检测端与开关管M的源级连接后与负载电阻R4的后端连接；

开关管M的漏极与电感L的后端连接；所述滤波电容C与负载电阻R1～R4并联；所述负载电阻R1和负载电阻R2之间、负载电阻R2和负载电阻R3之间分别设置有电压输出端Vout1、Vout2。

2.如权利要求1所述的直流稳压电源，其特征在于：所述脉冲宽度调制式控制器包括误差运算放大器A、主比较器C1、欠流比较器C2、过流比较器C3、逆变器inv1、锯齿波发生器U1、同或门XNOR1～XNOR2、与门AND1～AND3、或门OR1～OR2、RS触发器U2、驱动电路drive和软启动电路soft-start，误差运算放大器A、主比较器C1、欠流比较器C2、过流比较器C3和锯齿波发生器U1的使能端en均与使能信号端enable连接；误差运算放大器A的正输入端与标准电压V_ref1端连接，负输入端与detecte1检测端连接，输出端与主比较器C1的负输入端连接；主比较器C1的正输入端与锯齿波发生器U1的信号输出端连接，输出端通过逆变器inv1与与门的一个输入端连接；主比较器C1的输出端还与与门AND2的一个输入端连接；

锯齿波发生器U1的1脚和2脚分别与V_In1端和V_In2端连接；

欠流比较器C2的正输入端、过流比较器C3的负输入端均与detecte2检测端连接，欠流比较器C2的负输入端与标准电压V_ref2端连接，过流比较器C3的正输入端悬空；欠流比较器C2的输出端分别与同或门XNOR1的B端、同或门XNOR2的B端和或门OR2的一个输入端连接，过流比较器C3的输出端分别与同或门XNOR1的A端、同或门XNOR2的A端和或门OR1的一个输入端连接；

同或门XNOR1的输出端与与门AND1的另一输入端连接，同或门XNOR2的输出端与与门AND2的另一输入端连接；与门AND1的输出端与或门OR1的另一个输入端连接，与门AND2的输出端与或门OR2的另一个输入端连接，或门OR1和或门OR2的输出端分别与RS触发器U2的S端和R端连接，RS触发器U2的输出端与与门AND3的一个输入端连接；

与门AND3的另一输入端通过软启动电路soft-start与使能信号enable端连接，输出端通过驱动电路drive与脉冲宽度调制式控制器的输出端Q连接。

3.如权利要求2所述的直流稳压电源，其特征在于：所述主比较器A包括开关管M1～M13和逆变器inv2，开关管M5、M6、M8和M10的源级均与电源Vdd端连接，开关管M5和M6的栅极均与偏置电流Bias端连接；开关管M5的漏极分别与开关管M1和M2的源级连接；开光M1和M2的栅极分别与电源Vin+和Vin-连接，开关管M1的漏极分别与开关管M12的漏极、开关管M3的漏极和栅极连接，开关管M3的栅极还与开关管M4的栅极连接；

开关管M4的漏极分别与开关管M2的漏极、开关管M7的栅极连接；开关管M7的漏极、开关管M6的漏极、开关管M8的栅极和开关管M9的栅极相连；开关管M9的漏极、开关管M8的漏极、开关管M10的栅极和开关管M11的栅极相连；开关管M10的漏极分别与开关管M11和M13的漏极连接后与电压输出端Vout3连接；

使能信号enable与逆变器inv2的信号输入端连接，逆变器inv2的信号输出端分别与开关管M12和M13的栅极连接；

开关管M12、M3、M4、M7、M9、M11和M13的源级均接地。

4.如权利要求2所述的直流稳压电源，其特征在于：所述欠流比较器C2包括开关管M14～M17和运算放大器B，开关管M16和M17的源级均与电源Vdd端连接，栅极均与偏置电流Bias端连接，开关管M16的漏极分别与开关管M14的源级和运算放大器B的正输入端连接，开关管M17的漏极分别与开关管M15的源级和运算放大器B的负输入端连接；运算放大器B的输出端与欠流比较器C2的输出端Vout4连接；

开关管M14的栅极与电源Vin+端连接，漏极与开关管M15的漏极连接，开关管M15的栅极接地。