CN105356734A - 一种基于COT控制含纹波补偿的Buck电路电源管理芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于COT控制含纹波补偿的Buck电路电源管理芯片，其设有电源输入脚、输出电压脚、接地脚、使能脚、过流检测脚、反馈脚和开关SW脚。芯片内部有基准电路模块、过流保护模块、零电流开关模块、控制逻辑与软启动模块、恒定导通时间产生模块、比较器模块、纹波补偿模块、驱动模块和两个片内开关管。本发明电源管理芯片能够在片内将纹波叠加在参考电压端，与将纹波加反馈电压采样端的传统做法相比，减少了传统COT控制的片外RC无源补偿网络；且片内的纹波补偿模块采用伪电感电流斜坡的有源补偿方式，在采用较小电阻和电容的同时能保证所用补偿波形不会造成累积误差。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于COT控制含纹波补偿的Buck电路电源管理芯片。
背景技术
电源管理类芯片是对系统中各个模组进行用电管理的芯片，一些电源管理芯片会被用于开关电源电路。开关电源电路从广义上定义为，凡用半导体功率器件作为开关，将电源形态转变成为另一形态，转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节的电路。开关电源电路一般包含控制芯片和外围电路。开关电源电路常见的拓扑结构有：降压斩波(Buck)、升压斩波(Boost)、反激式、正激式、半桥和全桥。其中Buck电路的控制方式包含有：迟滞控制、恒定导通时间(COT)控制、电压型PWM控制和电流型PWM控制等。
采用COT控制的Buck电路，其传统做法电路如图1所示，片内包含有：基准电路模块、比较器模块、恒定导通时间模块、控制逻辑与软启动模块、驱动模块及两个片内功率开关管Mp、Mn。片外外围电路有：电感L，输出分压采样电阻R1、R2，输出电容CL及其等效电阻RC。由于输出电容常采用陶瓷电容，其等效电阻RC很小，易使系统不稳定。经常要在片外加入RC无源补偿网络R3、C1、C2，将其并联在电感L两端，采样电感电流纹波，叠加到采样反馈电压上，以使系统稳定。
Buck电路有断续导通模式(DCM)和连续导通模式(CCM)两种工作状态。DCM下电感电流IL断续，每周期归零；DCM下电感电流IL连续，不会归零。传统的Buck电路作用在DCM下的对应波形如图2所示：当GD为高电平，功率开关管Mp开通，Mn开通，电感电流由零上升，同时电感电压也上升；当GD为低电平，功率开关管Mn开通，Mp开通，电感电流下降，同时电感电压也下降，最终实现输入到输出、直流到直流的降压变换。
但是，传统的COT控制的Buck电路，在电感L两端直接并联电阻R3和电容、C1、C2的RC无源补偿方式会需要较大的电容和电阻。而若直接在片内产生一个与电感电流成比例的三角波做补偿纹波，由于工艺的影响，不能保证每个周期都归零，很容易产生积分误差。同时，传统Buck电路作用在DCM下，在电感电流IL下降并过零的时候，没能及时关断下边管Mn，使电感电流IL出现反向电流，大大增加了系统损耗，且欠缺防止电感电流IL过大的过流保护功能，系统工作安全性低。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于COT控制含纹波补偿的Buck电路电源管理芯片，能够避免外接较大电容电阻，降低系统每周期的积分误差。
一种基于COT控制含纹波补偿的Buck电路电源管理芯片，包括：
功率开关管Mp和Mn；其中，功率开关管Mp的源端接Buck电路的输入电压VIN，漏端与功率开关管Mn的漏端相连，功率开关管Mn的源端接地；
基准电路模块，其根据输入电压VIN为高电平时，为片内提供参考电压VBG；
过流保护模块，其检测Buck电路的负载电流，并根据负载电流生成过流保护信号；
零电流开关模块，其在Buck电路片外电感续流阶段采集功率开关管Mp的漏端电压VSW，并根据漏端电压VSW生成零电流开关信号；
纹波补偿模块，其产生两路电流IC1和IC2，其中电流IC1的大小正比于Buck电路的输出电压Vo，电流IC2的大小正比于输入电压VIN与输出电压Vo的电压差；进而根据电流IC1和IC2对所述的参考电压VBG进行纹波补偿，得到基准电压VREF；
比较器，其反向输入端接收所述的基准电压VREF，正向输入端接收输出电压Vo经电阻分压后的反馈电压信号VFB，从而产生比较信号；
恒定导通时间产生模块，其根据所述的比较信号生成导通时间信号；
控制逻辑与软启动模块，其根据所述的过流保护信号、零电流开关信号和导通时间信号，通过控制逻辑生成驱动信号用以对纹波补偿模块中的开关以及功率开关管Mp和Mn进行开关控制；
驱动模块，其对所述的驱动信号进行功率放大后直接对纹波补偿模块中的开关以及功率开关管Mp和Mn进行开关控制。
进一步地，当所述的负载电流大于预设的电流阈值时，过流保护模块生成的过流保护信号才为高电平触发，其他时间均为低电平。
进一步地，当所述的漏端电压VSW产生正向跳变时，零电流开关模块生成的零电流开关信号才为高电平触发，其他时间均为低电平。
进一步地，当所述的比较信号为低电平时，恒定导通时间产生模块生成的导通时间信号才为高电平触发且该高电平的脉宽恒定，其他时间均为低电平。
进一步地，对于功率开关管Mp和Mn，控制逻辑与软启动模块生成驱动信号GD1和GD2对其进行控制；当导通时间信号为高电平时，驱动信号GD1为高电平；当导通时间信号为低电平时，驱动信号GD1为低电平；当零电流开关信号或过流保护信号为高电平时，驱动信号GD2触发为一个高电平脉冲；具体控制逻辑为：当驱动信号GD1为高电平时，功率开关管Mp导通，功率开关管Mn关断；当驱动信号GD1为低电平时，功率开关管Mn导通，功率开关管Mp关断；当驱动信号GD2触发为一个高电平脉冲，功率开关管Mp和Mn均关断，直到驱动信号GD1的电平再一次由低变高后，功率开关管Mp导通，功率开关管Mn关断，重复上述逻辑。
进一步地，所述的纹波补偿模块包括电流产生电路和纹波补偿电路。
所述的电流产生电路包括两个NMOS管Q1～Q2、两个PMOS管Q3～Q4、两个运算放大器A1～A2以及两个电阻R1～R2；其中，电阻R1的一端接输入电压VIN，电阻R1的另一端与运算放大器A1的正向输入端和NMOS管Q1的漏端相连，运算放大器A1的反向输入端接输出电压Vo，运算放大器A1的输出端与NMOS管Q1的栅端和NMOS管Q2的栅端相连，NMOS管Q1的源端和NMOS管Q2的源端均接地，NMOS管Q2的漏端产生电流IC2；PMOS管Q3的源端和PMOS管Q4的源端共接输入电压VIN，PMOS管Q3的漏端与电阻R2的一端和运算放大器A2的正向输入端相连，运算放大器A2的反向输入端接输出电压Vo，运算放大器A2的输出端与PMOS管Q3的栅端和PMOS管Q4的栅端相连，PMOS管Q4的漏端产生电流IC1。
所述的纹波补偿电路包括五个开关S1～S5、四个电流源I1～I4和一个电容C；其中，电流源I1的输入端接电源电压VDD，电流源I1的输出端与开关S1的一端、电容C的一端、开关S5的一端、开关S4的一端以及电流源I4的输入端相连并接参考电压VBG，开关S1的另一端与开关S2的一端和电流源I2的输入端相连，电流源I2的输出端和电流源I4的输出端均接地，开关S2的另一端与电容C的另一端、开关S5的另一端以及开关S3的一端相连并产生基准电压VREF，开关S3的另一端与开关S4的另一端和电流源I3的输出端相连，电流源I3的输入端接电源电压VDD；电流源I1和I2的幅值为电流IC2的大小，电流源I3和I4的幅值为电流IC1的大小。
进一步地，对于纹波补偿模块中的开关，控制逻辑与软启动模块生成驱动信号GD1对其进行控制；当导通时间信号为高电平时，驱动信号GD1为高电平；当导通时间信号为低电平时，驱动信号GD1为低电平；具体控制逻辑为：当驱动信号GD1为低电平时，纹波补偿电路中的开关S1和S3导通，开关S2、S4和S5关断；当驱动信号GD1为高电平时，开始阶段使开关S5导通，开关S1～S4关断，该阶段经过一定时间后，使开关S2和S4导通，开关S1、S3和S5关断。
本发明电源管理芯片的有益技术效果如下：
(1)本发明中的纹波补偿模块会在片内产生两路电流，电流分别正比于开关电源电路的输入输出电压差(VIN-Vo)和输出电压(Vo)，给一电容充放电，所产生的三角波叠加到参考电压VREF上，从而实现纹波补偿。电流可以通过电流镜方式比例减少，因而不需要采用较大电阻和电容。同时在波形中加入适当强制归零时间，保证每个周期三角波都能回到零点。可以提高系统的抗噪能力。在采用较小电阻和电容的同时能保证所用补偿波形不会造成累积误差。
(2)本发明中的电源管理芯片具备过流保护和零电流关断功能，提高了系统工作稳定性，降低了系统开关损耗。
附图说明
图1为传统采用COT控制的Buck电路结构示意图。
图2为传统采用COT控制的Buck电路在DCM下的工作波形示意图。
图3为本发明Buck电路电源管理芯片及其外围电路的结构示意图。
图4为本发明纹波补偿模块中电流产生电路的结构示意图。
图5为本发明纹波补偿模块中纹波补偿电路的结构示意图。
图6为采用本发明纹波补偿的Buck电路在DCM下的工作波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图3所示，本发明电源管理芯片用于大电流buck电路场合，其设有电源输入脚(VIN)、输出电压脚(VO)、接地脚(GND)、使能脚(EN)、过流检测脚(RS)、反馈脚(VFB)和开关SW脚(VSW)。芯片内部有基准电路模块、过流保护模块、零电流开关模块、控制逻辑与软启动模块、恒定导通时间产生模块，比较器模块、纹波补偿模块、驱动模块和两个片内开关管Mp和Mn。
电源输入脚(VIN)，接入芯片内各个模块，产生芯片内各个模块正常工作的电源电位。接地脚(GND)，接入芯片内各个模块，产生芯片内各个模块正常工作的参考地电位。使能脚(EN)，接入基准电路模块，通过使能基准模块，产生芯片内各个模块工作所需基准电压、基准电流，以及片内输入基准电平(VBG)。过流检测脚(RS)，接入过流保护模块，过流保护模块产生过流保护信号输入到控制逻辑与软启动模块。开关SW脚(VSW)，接在功率开关管Mp、Mn之间，采样功率开关管间电平，同时将开关管间电平输入零电流开关模块，零电流开关模块输出接在控制逻辑与软启动模块。输出电压脚(VO)，接入芯片内纹波补偿模块，同时接入纹波补偿模块的还有片内输入基准电平(VBG)、VIN以及控制逻辑与软启动模块输出信号(GD1和GD2)。纹波补偿模块产生经过纹波补偿的基准电压(VREF)，接入比较器模块的负端。反馈脚(VFB)，接入比较器模块的正端，比较器模块输出接入恒定导通时间产生模块，恒定导通时间产生模块产生固定的导通时间信号，输入到控制逻辑与软启动模块。控制逻辑与软启动模块，产生输出信号(GD1和GD2)，输入到驱动模块，产生驱动信号驱动两个片内开关管Mp、Mn。
作为该芯片的典型应用，如图3所示，外接电源电压经由电源输入脚(VIN)，接入芯片内各个模块，产生芯片内各个模块正常工作的电源电位。外接地电位经由接地脚(GND)，接入芯片内各个模块，产生芯片内各个模块正常工作的参考地电位。使能脚(EN)外接电源电压，片内接入基准电路模块，通过使能基准模块，产生芯片内各个模块工作所需基准电压、基准电流，以及片内输入基准电平(VBG)。
过流检测脚(RS)外接电阻RS到地，接入过流保护模块。当电流过大时，过流保护模块产生过流保护信号输入到控制逻辑与软启动模块，强制使功率开关管上边管Mp关断、下边管Mn开通。
开关SW脚(VSW)，接在功率开关管Mp、Mn之间，采样功率开关管间电平，同时将开关管间电平输入零电流开关模块，零电流开关模块输出接在控制逻辑与软启动模块，实现功率开关管下边管Mn的零电流关断，减少开关损耗。
输出电压脚(VO)，接入芯片内纹波补偿模块，同时接入纹波补偿模块的还有片内输入基准电平(VBG)、VIN以及控制逻辑与软启动模块输出信号(GD1和GD2)。纹波补偿模块包含有电流产生电路，用于产生两路电流，电流分别正比于开关电源电路的输入输出电压差和输出电压；纹波补偿电路，产生补偿纹波，叠加到参考电压上。如图4所示，本实施方式电流产生电路包括NMOS管Q1、Q2，PMOS管Q3、Q4，电阻R1、R2，以及运算放大器A1、A2。NMOS管Q1、Q2源端接参考地，NMOS管Q1的漏端经由电阻R1接到开关电源电路的电源电位(VIN)。运算放大器A1的负相输入端接到开关电源电路输出电位(VO)，运算放大器A1正相输入端接到NMOS管Q1的漏端，运算放大器A1的输出分别接到NMOS管Q1、Q2的栅端。PMOS管Q3、Q4源端接开关电源电路的电源电位，PMOS管Q3的漏端经由电阻R2接到参考地。运算放大器A2的负相输入端接到开关电源电路输出电位(VO)，运算放大器A2正相输入端接到PMOS管Q3的漏端，运算放大器A2的输出分别接到PMOS管Q3、Q4的栅端。通过A1、A2运放钳位电路，使Q1、Q3漏极电位钳为VO，则Q1、Q3漏源电流分别等于(VIN-VO)/R1、VO/R2。通过电流镜像，使Q2、Q4漏源电流分别为(VIN-VO)/R1、VO/R2，流入纹波补偿模块。
纹波补偿模块包含有纹波补偿电路，纹波补偿电路产生补偿纹波，叠加到参考电压上。如图5所示，本实施方式纹波补偿电路包括电流源I1、I2、I3、I4，开关S1、S2、S3、S4和S5，电容C。电容C的两端分别接输入基准电平(VBG)和输出基准电平(VREF)。开关S1两端分别接在电流源I1、I2的输出端，开关S2的两端分别接在电流源I2的输出端和输出基准电平(VREF)，开关S3的两端分别接在电流源I3的输出端和输出基准电平(VREF)，开关S4两端分别接在电流源I3、I4的输出端，开关S5两端分别接在电容C的两端，电流源I1、I4的输出端同时接在输入基准电平(VBG)。
图6为本实施方式纹波补偿模块产生补偿纹波与电感电流、开关信号关系图：当控制逻辑与软启动模块输出信号(GD1)为低，为φL阶段，开关S1和S3开通，其他开关关断，电流源I3、I4流过电容C，电容C充电，使VREF电平以正比于VO的速率上升，补偿功率管下边管Mn开通时的纹波。当控制逻辑与软启动模块输出信号(GD1)为高，开始为φ0阶段，开关S5开通，其他开关关断，使VREF电平强拉为VBG，适当的强制归零时间，保证每个周期三角波都能回到零点，可以提高系统的抗噪能力；然后为φH阶段，开关S2和S4开通，其他开关关断，电流源I1、I2流过电容C，电容C放电，使VREF电平以正比于(VIN-VO)的速率下降，补偿功率管下边管Mn关断时的纹波。纹波补偿模块产生经过纹波补偿的基准电压(VREF)，接入比较器模块的负端。
开关电源电路输出电平经电阻分压后，经反馈脚(VFB)，接入比较器模块的正端，比较器模块输出接入恒定导通时间产生模块，恒定导通时间产生模块产生固定的导通时间信号，输入到控制逻辑与软启动模块。
控制逻辑与软启动模块，产生输出信号(GD1和GD2)，输入到驱动模块，产生驱动信号驱动两个片内开关管Mp、Mn。实现电能的转换与传输。
上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于COT控制含纹波补偿的Buck电路电源管理芯片，其特征在于，包括：
功率开关管Mp和Mn；其中，功率开关管Mp的源端接Buck电路的输入电压VIN，漏端与功率开关管Mn的漏端相连，功率开关管Mn的源端接地；
基准电路模块，其根据输入电压VIN为高电平时，为片内提供参考电压VBG；
过流保护模块，其检测Buck电路的负载电流，并根据负载电流生成过流保护信号；
零电流开关模块，其在Buck电路片外电感续流阶段采集功率开关管Mp的漏端电压VSW，并根据漏端电压VSW生成零电流开关信号；
纹波补偿模块，其产生两路电流IC1和IC2，其中电流IC1的大小正比于Buck电路的输出电压Vo，电流IC2的大小正比于输入电压VIN与输出电压Vo的电压差；进而根据电流IC1和IC2对所述的参考电压VBG进行纹波补偿，得到基准电压VREF；
比较器，其反向输入端接收所述的基准电压VREF，正向输入端接收输出电压Vo经电阻分压后的反馈电压信号VFB，从而产生比较信号；
恒定导通时间产生模块，其根据所述的比较信号生成导通时间信号；
控制逻辑与软启动模块，其根据所述的过流保护信号、零电流开关信号和导通时间信号，通过控制逻辑生成驱动信号用以对纹波补偿模块中的开关以及功率开关管Mp和Mn进行开关控制；
驱动模块，其对所述的驱动信号进行功率放大后直接对纹波补偿模块中的开关以及功率开关管Mp和Mn进行开关控制。
2.根据权利要求1所述的Buck电路电源管理芯片，其特征在于：当所述的负载电流大于预设的电流阈值时，过流保护模块生成的过流保护信号才为高电平触发，其他时间均为低电平。
3.根据权利要求1所述的Buck电路电源管理芯片，其特征在于：当所述的漏端电压VSW产生正向跳变时，零电流开关模块生成的零电流开关信号才为高电平触发，其他时间均为低电平。
4.根据权利要求1所述的Buck电路电源管理芯片，其特征在于：当所述的比较信号为低电平时，恒定导通时间产生模块生成的导通时间信号才为高电平触发且该高电平的脉宽恒定，其他时间均为低电平。
5.根据权利要求1所述的Buck电路电源管理芯片，其特征在于：对于功率开关管Mp和Mn，控制逻辑与软启动模块生成驱动信号GD1和GD2对其进行控制；当导通时间信号为高电平时，驱动信号GD1为高电平；当导通时间信号为低电平时，驱动信号GD1为低电平；当零电流开关信号或过流保护信号为高电平时，驱动信号GD2触发为一个高电平脉冲；具体控制逻辑为：当驱动信号GD1为高电平时，功率开关管Mp导通，功率开关管Mn关断；当驱动信号GD1为低电平时，功率开关管Mn导通，功率开关管Mp关断；当驱动信号GD2触发为一个高电平脉冲，功率开关管Mp和Mn均关断，直到驱动信号GD1的电平再一次由低变高后，功率开关管Mp导通，功率开关管Mn关断，重复上述逻辑。
6.根据权利要求1所述的Buck电路电源管理芯片，其特征在于：所述的纹波补偿模块包括电流产生电路和纹波补偿电路。
7.根据权利要求6所述的Buck电路电源管理芯片，其特征在于：所述的电流产生电路包括两个NMOS管Q1～Q2、两个PMOS管Q3～Q4、两个运算放大器A1～A2以及两个电阻R1～R2；其中，电阻R1的一端接输入电压VIN，电阻R1的另一端与运算放大器A1的正向输入端和NMOS管Q1的漏端相连，运算放大器A1的反向输入端接输出电压Vo，运算放大器A1的输出端与NMOS管Q1的栅端和NMOS管Q2的栅端相连，NMOS管Q1的源端和NMOS管Q2的源端均接地，NMOS管Q2的漏端产生电流IC2；PMOS管Q3的源端和PMOS管Q4的源端共接输入电压VIN，PMOS管Q3的漏端与电阻R2的一端和运算放大器A2的正向输入端相连，运算放大器A2的反向输入端接输出电压Vo，运算放大器A2的输出端与PMOS管Q3的栅端和PMOS管Q4的栅端相连，PMOS管Q4的漏端产生电流IC1。
8.根据权利要求6所述的Buck电路电源管理芯片，其特征在于：所述的纹波补偿电路包括五个开关S1～S5、四个电流源I1～I4和一个电容C；其中，电流源I1的输入端接电源电压VDD，电流源I1的输出端与开关S1的一端、电容C的一端、开关S5的一端、开关S4的一端以及电流源I4的输入端相连并接参考电压VBG，开关S1的另一端与开关S2的一端和电流源I2的输入端相连，电流源I2的输出端和电流源I4的输出端均接地，开关S2的另一端与电容C的另一端、开关S5的另一端以及开关S3的一端相连并产生基准电压VREF，开关S3的另一端与开关S4的另一端和电流源I3的输出端相连，电流源I3的输入端接电源电压VDD；电流源I1和I2的幅值为电流IC2的大小，电流源I3和I4的幅值为电流IC1的大小。
9.根据权利要求8所述的Buck电路电源管理芯片，其特征在于：对于纹波补偿模块中的开关，控制逻辑与软启动模块生成驱动信号GD1对其进行控制；当导通时间信号为高电平时，驱动信号GD1为高电平；当导通时间信号为低电平时，驱动信号GD1为低电平；具体控制逻辑为：当驱动信号GD1为低电平时，纹波补偿电路中的开关S1和S3导通，开关S2、S4和S5关断；当驱动信号GD1为高电平时，开始阶段使开关S5导通，开关S1～S4关断，该阶段经过一定时间后，使开关S2和S4导通，开关S1、S3和S5关断。
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