CN106505835B - 电压钳位电路以及dc-dc变换器 - Google Patents

电压钳位电路以及dc-dc变换器 Download PDF

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Abstract

公开了一种电压钳位电路，包括镜像电流单元、参考电流源、电压钳位单元，其中，所述镜像电流单元包括第一至第三端口，其中，第一端口与第一电压连接，第二端口与参考电流源连接，第三端口与电压钳位单元连接；所述镜像电流单元根据第一电压以及参考电流源产生镜像电流信号；电压钳位单元根据所述镜像电流信号以及第一电压输出第二电压。本发明还提供一种DC‑DC变换器，采用开环电压钳位电路输出钳位电压作为反馈电路的使能信号使反馈电路正常工作，进而调节DC‑DC变换器的输出电压。由于该电压钳位电路不需要使用增益较大的放大器，减少芯片面积的同时降低了功耗。

Description

电压钳位电路以及DC-DC变换器
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，更具体地，涉及一种电压钳位电路以及DC-DC变换器。
背景技术
DC-DC(直流-直流)变换器是一种将固定电压直流电转换为可变电压直流电的变压电路，其目前广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域。
在现有的DC-DC变换器中，包括升压(Boost)电路和降压(Buck)电路。具体地，以DC-DC Boost电路为例，如图1所示，所述DC-DC变换器包括直流输入端in、直流输出端out以及升压电路100、PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制电路200和反馈电路300。其中，所述升压电路100包括输入电容Cin、电感L、第一场效应晶体管Q1、第二场效应晶体管Q2，其中，所述输入电容Cin连接在直流输入端in和接地端GND之间，所述电感L和所述第一场效应晶体管Q1连接在直流输入端in和直流输出端out之间；所述第二场效应晶体管Q2连接在所述电感L与所述第一场效应晶体管Q1之间的节点a和接地端GND之间。其中，所述第一场效应晶体管Q1的栅极与PWM控制电路200连接，源极与直流输出端out连接，漏极与节点a连接；所述第二场效应晶体管Q2的栅极与PWM控制电路200连接，源极与接地端GND连接，漏极与节点a连接。所述反馈电路300与直流输出端out连接，产生反馈电压VFB，并发送至所述PWM控制电路200。所述PWM控制电路200根据反馈电路300的反馈电压VFB以及参考电压Vref产生PWM信号，所述PWM信号控制第一场效应晶体管Q1和第二场效应晶体管Q2的工作状态，进而调整直流输出端out的输出电压Vout。
如图2所示，所述反馈电路300包括多个电阻R1～R8，串联连接在直流输出端out和接地端GND之间，还包括多个开关S1～S6，分别并联连接在部分电阻R2～R7两端。所述反馈电路300还包括开关控制单元301，用于控制开关S1～S6的关断，其中，所述开关控制单元301包括使能端En和电源端Vdd，其中，所述使能端EN的电压VEN需满足一定的条件才能使反馈电路300的开关控制单元301工作，例如VEN＞V0。
因此，所述DC-DC Boost电路还包括电压钳位电路400，如图3所示，连接在所述直流输出端out和反馈电路300之间，用于根据直流输出端out的输出电压Vout产生使能电压VEN提供给所述反馈电路300的开关控制单元301。
现有的电压钳位电路400为闭环电压钳位电路，通过设置电阻Rtrim和电阻R1的阻值比输出使能电压VEN，其中，VEN＝Vref/R1*Rtrim。由于该电路为闭环电路，为了实现准确的闭环增益，需要增益较大的放大器OP。另外闭环电路的补偿电阻Rcomp和电容Ccomp变化范围大，增加了电路的设计难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电压钳位电路以及DC-DC变换器。
根据本发明的一方面，提供一种电压钳位电路，包括镜像电流单元、参考电流源、电压钳位单元，其中，所述镜像电流单元包括第一至第三端口，其中，第一端口与第一电压连接，第二端口与参考电流源连接，第三端口与电压钳位单元连接；所述镜像电流单元根据第一电压以及参考电流源产生镜像电流信号；电压钳位单元根据所述镜像电流信号以及第一电压输出第二电压。
优选地，所述镜像电流单元包括第一晶体管和第二晶体管，其中，第一晶体管的第一极和第二晶体管的第一极均通过第一端口与第一电压连接；第一晶体管的控制极和第二晶体管的控制极均通过第二端口与所述参考电流源连接；第一晶体管的第二极通过第二端口与所述参考电流源连接；第二晶体管的第二极通过第三端口与所述电压钳位单元连接。
优选地，所述第一晶体管和所述第二晶体管为三极管或场效应晶体管。
优选地，所述电压钳位单元包括电阻、电容、负载电阻、负载电容以及第三晶体管，其中，所述电阻和所述电容并联连接在所述镜像电流单元的第三端口和接地端之间；所述第三晶体管的控制极与所述镜像电流单元的第三端口连接，第一极与第二电压连接，第二极与第一电压连接；所述负载电阻和所述负载电容并联连接在第二电压和接地端之间。
优选地，所述第一极为发射极或源极，第二极为集电极或漏极。
根据本发明的另一方面，提供一种DC-DC变换器，包括DC-DC变换电路、PWM控制电路、反馈电路和电压钳位电路，所述DC-DC变换电路连接在信号输入端和信号输出端之间；所述电压钳位电路与所述反馈电路连接，用于根据输出电压生成钳位电压；所述反馈电路与所述PWM控制电路连接，用于根据所述钳位电压以及输出电压生成反馈电压；所述PWM控制电路与所述DC-DC变换电路连接，用于根据所述反馈电压以及参考电压生成PWM控制信号并发送至所述DC-DC变换电路；所述DC-DC变换电路根据所述PWM控制信号将输入电压转换成输出电压。
优选地，所述反馈电路包括：N个电阻，串联连接在输出电压和接地端之间，其中，N为大于2的正整数；多个开关，分别与N个电阻中的部分电阻并联；开关控制单元，用于根据所述钳位电压以及输出电压控制多个开关的闭合或关断。
优选地，所述电压钳位电路包括镜像电流单元、参考电流源和电压钳位单元，其中，所述镜像电流单元包括第一至第三端口，其中，第一端口与第一电压连接，第二端口与参考电流源连接，第三端口与电压钳位单元连接；所述镜像电流单元根据第一电压以及参考电流源产生镜像电流信号；电压钳位单元根据所述镜像电流信号以及第一电压输出第二电压。
优选地，所述镜像电流单元包括第一晶体管和第二晶体管，其中，第一晶体管的第一极和第二晶体管的第一极均通过第一端口与第一电压连接；第一晶体管的控制极和第二晶体管的控制极均通过第二端口与所述参考电流源连接；第一晶体管的第二极通过第二端口与所述参考电流源连接；第二晶体管的第二极通过第三端口与所述电压钳位单元连接。
优选地，所述第一晶体管和所述第二晶体管为三极管或场效应晶体管。
优选地，所述电压钳位单元包括电阻、电容、负载电阻、负载电容以及第三晶体管，其中，所述电阻和所述电容并联连接在所述镜像电流单元的第三端口和接地端之间；所述第三晶体管的控制极与所述镜像电流单元的第三端口连接，第一极与第二电压连接，第二极与第一电压连接；所述负载电阻和所述负载电容并联连接在第二电压和接地端之间。
优选地，所述第一极为发射极或源极，第二极为集电极或漏极。
本发明提供的电压钳位电路及DC-DC变换器，采用开环电压钳位电路输出钳位电压作为反馈电路的使能信号使反馈电路正常工作，进而调节DC-DC变换器的输出电压。由于该电压钳位电路不需要使用增益较大的放大器，减少芯片面积的同时降低了功耗。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据现有技术的DC-DC变换器的示意性结构图；
图2示出了根据现有技术的反馈电路的电路原理图；
图3示出了根据现有技术的电压钳位电路的电路原理图；
图4示出了根据本发明实施例提供的电压钳位电路的电路原理图；
图5示出根据本发明实施例的DC-DC变换器的电路原理图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图4示出了根据本发明实施例提供的电压钳位电路的示意性结构图。如图4所示，所述电压钳位电路400包括镜像电流单元410、参考电流源Iref、电压钳位单元420。
其中，所述镜像电流单元410包括第一至第三端口(P1-P3)，第一端口P1与第一电压V1连接，第二端口P2与参考电流源Iref连接，第三端口P3与电压钳位单元420连接；所述镜像电流单元410根据第一电压V1以及参考电流源Iref产生镜像电流信号。
在本实施例中，所述镜像电流单元410包括第一晶体管H1和第二晶体管H2。其中，第一晶体管H1的第一极和第二晶体管H2的第一极均通过第一端口P1与第一电压V1连接；第一晶体管H1的控制极和第二晶体管H2的控制极均通过第二端口P2与所述参考电流源Iref连接；第一晶体管H1的第二极通过第二端口P2与所述参考电流源Iref连接；第二晶体管H2的第二极通过第三端口P3与所述电压钳位单元420连接。
其中，所述第一晶体管H1和所述第二晶体管H2为P型的三极管或场效应晶体管，第一极为三极管的发射极或者场效应晶体管的源极，第二极为三极管的集电极或者场效应晶体管的漏极，控制极为三极管的基极或者场效应晶体管的栅极。
所述镜像电流单元410根据第一电压V1以及参考电流源Iref提供给晶体管的控制极的电压打开第一晶体管H1和第二晶体管H2，进而将参考电流源的参考电流镜像到第三端口P3，从第三端口P3输出镜像电流信号，其中，所述镜像电流信号的电流与参考电流源的电流一样。
电压钳位单元420根据所述镜像电流信号以及第一电压V1输出第二电压V2。
在本实施例中，所述电压钳位单元420包括电阻R、电容C、负载电阻Rload、负载电容Cload以及第三晶体管H3。其中，所述电阻R和所述电容C并联连接在所述镜像电流单元410的第三端口P3和接地端GND之间。所述第三晶体管H3的控制极与所述镜像电流单元410的第三端口P3连接，第一极与第二电压V2连接，第二极与第一电压V1连接。所述负载电阻Rload和所述负载电容Cload并联连接在第二电压V2和接地端GND之间。
其中，所述第三晶体管H3为N型的三极管或场效应晶体管，第一极为三极管的发射极或者场效应晶体管的源极，第二极为三极管的集电极或者场效应晶体管的漏极，控制极为三极管的基极或者场效应晶体管的栅极。
在本实施例中，第三晶体管H3的控制极处的电压为VG＝Iref*R，第一极处的电压为VS＝Iref*R-VGS，即电压钳位单元的输出电压为V2＝VS＝Iref*R-VGS。
本发明提供的电压钳位电路，采用开环形式的电路稳定电压。该电路不需要使用增益大的放大器，减少芯片面积的同时降低了功耗。
图5示出了根据本发明实施例提供的DC-DC变换器的电路原理图。如图5所示，所述DC-DC变换器包括DC-DC变换电路100、PWM控制电路200、反馈电路300和电压钳位电路400。
其中，所述DC-DC变换电路100连接在信号输入端in和信号输出端out之间。
在本实施例中，DC-DC变换电路100可以为升压电路也可以为降压电路。该具体实施例中以升压电路为例进行了描述。
所述DC-DC变换电路100包括输入电容Cin、电感L、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2以及输出电容Cout。
其中，所述电感L和第一晶体管Q1串联连接在信号输入端in和信号输出端out之间；所述输入电容Cin连接在信号输入端in和接地端GND之间；所述第二场效应晶体管Q2连接在所述电感L与所述第一场效应晶体管Q1之间的节点a和接地端GND之间。其中，所述第一场效应晶体管Q1的栅极与PWM控制电路200连接，源极与直流输出端out连接，漏极与节点a连接；所述第二场效应晶体管Q2的栅极与PWM控制电路200连接，源极与接地端GND连接，漏极与节点a连接。
所述电压钳位电路400与所述反馈电路300连接，用于根据输出电压生成钳位电压。
在本实施例中，所述电压钳位电路400包括镜像电流单元410、参考电流源Iref、电压钳位单元420。
其中，所述镜像电流单元410包括第一至第三端口(P1-P3)，第一端口P1与第一电压V1连接，第二端口P2与参考电流源Iref连接，第三端口P3与电压钳位单元420连接；所述镜像电流单元410根据第一电压V1以及参考电流源Iref产生镜像电流信号。其中，第一电压V1与信号输出端out的电压连接。
在本实施例中，所述镜像电流单元410包括第一晶体管H1和第二晶体管H2。其中，第一晶体管H1的第一极和第二晶体管H2的第一极均通过第一端口P1与第一电压V1连接；第一晶体管H1的控制极和第二晶体管H2的控制极均通过第二端口P2与所述参考电流源Iref连接；第一晶体管H1的第二极通过第二端口P2与所述参考电流源Iref连接；第二晶体管H2的第二极通过第三端口P3与所述电压钳位单元420连接。
其中，所述第一晶体管H1和所述第二晶体管H2为P型的三极管或场效应晶体管，第一极为三极管的发射极或者场效应晶体管的源极，第二极为三极管的集电极或者场效应晶体管的漏极，控制极为三极管的基极或者场效应晶体管的栅极。
所述镜像电流单元410根据第一电压V1以及参考电流源Iref提供给晶体管的控制极的电压打开第一晶体管H1和第二晶体管H2，进而将参考电流源的参考电流镜像到第三端口P3，从第三端口P3输出镜像电流信号，其中，所述镜像电流信号的电流与参考电流源的电流一样。
电压钳位单元420根据所述镜像电流信号以及第一电压V1输出第二电压V2。
在本实施例中，所述电压钳位单元420包括电阻R、电容C、负载电阻Rload、负载电容Cload以及第三晶体管H3。其中，所述电阻R和所述电容C并联连接在所述镜像电流单元410的第三端口P3和接地端GND之间。所述第三晶体管H3的控制极与所述镜像电流单元410的第三端口P3连接，第一极与第二电压V2连接，第二极与第一电压V1连接。所述负载电阻Rload和所述负载电容Cload并联连接在第二电压V2和接地端GND之间。
其中，所述第三晶体管H3为N型的三极管或场效应晶体管，第一极为三极管的发射极或者场效应晶体管的源极，第二极为三极管的集电极或者场效应晶体管的漏极，控制极为三极管的基极或者场效应晶体管的栅极。
在本实施例中，第三晶体管H3的控制极处的电压为VG＝Iref*R，第一极处的电压为VS＝Iref*R-VGS，即电压钳位单元的输出电压为V2＝VS＝Iref*R-VGS。
所述反馈电路300与所述PWM控制电路200连接，用于根据所述钳位电压以及输出电压生成反馈电压。
在本实施例中，所述述反馈电路300包括N个电阻、多个开关和开关控制单元。其中，N个电阻串联连接在输出电压和接地端之间，其中，N为大于2的正整数；多个开关分别与N个电阻中的部分电阻并联；开关控制单元301用于根据所述钳位电压以及输出电压控制多个开关的闭合或关断。所述开关控制单元301包括使能端En和电源端Vdd，其中，所述使能端EN的电压VEN与所述电压钳位电路400的输出端连接。其中，VEN＝V2＝Iref*R-VGS。
具体地，如图2所示，所述反馈电路300包括多个电阻R1～R8，串联连接在直流输出端out和接地端GND之间，还包括多个开关S1～S6，分别并联连接在部分电阻R2～R7两端。所述反馈电路300还包括开关控制单元301，用于控制开关S1～S6的关断，其中，所述开关控制单元301包括使能端En和电源端Vdd，其中，所述使能端EN的电压VEN与所述电压钳位电路400的输出端连接，该钳位电压作为使能端EN的电压使所述反馈电路正常工作。
所述PWM控制电路200与所述DC-DC变换电路100连接，用于根据所述反馈电压以及参考电压生成PWM控制信号并发送至所述DC-DC变换电路100。
在本实施例中，所述PWM控制电路200根据反馈电路300的反馈电压VFB以及参考电压Vref产生PWM信号，所述PWM信号控制第一场效应晶体管Q1和第二场效应晶体管Q2的工作状态，进而调整直流输出端out的输出电压Vout。
所述DC-DC变换电路100根据所述PWM控制信号将输入电压转换成输出电压。
本发明提供的DC-DC变换器，采用开环形式的电压钳位电路输出钳位电压作为反馈电路的使能信号使反馈电路正常工作，进而调节DC-DC变换器的输出电压。由于该电压钳位电路不需要使用增益大的放大器，减少芯片面积的同时降低了功耗。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种DC-DC变换器，包括DC-DC变换电路、PWM控制电路、反馈电路和电压钳位电路，
所述DC-DC变换电路连接在信号输入端和信号输出端之间；
所述电压钳位电路与所述反馈电路连接，用于根据输出电压生成钳位电压；
所述反馈电路与所述PWM控制电路连接，用于根据所述钳位电压以及输出电压生成反馈电压；
所述PWM控制电路与所述DC-DC变换电路连接，用于根据所述反馈电压以及参考电压生成PWM控制信号并发送至所述DC-DC变换电路；
所述DC-DC变换电路根据所述PWM控制信号将输入电压转换成输出电压；
其中，所述电压钳位电路为开环电路，输出的钳位电压作为所述反馈电路的使能信号；
所述电压钳位电路包括镜像电流单元、参考电流源和电压钳位单元，
其中，所述镜像电流单元包括第一至第三端口，其中，第一端口与输出电压连接，第二端口与参考电流源连接，第三端口与电压钳位单元连接；
所述镜像电流单元根据输出电压以及参考电流源产生镜像电流信号；
电压钳位单元根据所述镜像电流信号以及输出电压输出钳位电压。
2.根据权利要求1所述的DC-DC变换器，其中，所述反馈电路包括：
N个电阻，串联连接在输出电压和接地端之间，其中，N为大于2的正整数；
多个开关，分别与N个电阻中的部分电阻并联；
开关控制单元，用于根据所述钳位电压以及输出电压控制多个开关的闭合或关断。
3.根据权利要求1所述的DC-DC变换器，其中，所述镜像电流单元包括第一晶体管和第二晶体管，
其中，第一晶体管的第一极和第二晶体管的第一极均通过第一端口与输出电压连接；
第一晶体管的控制极和第二晶体管的控制极均通过第二端口与所述参考电流源连接；
第一晶体管的第二极通过第二端口与所述参考电流源连接；
第二晶体管的第二极通过第三端口与所述电压钳位单元连接。
4.根据权利要求3所述的DC-DC变换器，其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管为三极管或场效应晶体管。
5.根据权利要求4所述的DC-DC变换器，其中，所述电压钳位单元包括电阻、电容、负载电阻、负载电容以及第三晶体管，
其中，所述电阻和所述电容并联连接在所述镜像电流单元的第三端口和接地端之间；
所述第三晶体管的控制极与所述镜像电流单元的第三端口连接，第一极与钳位电压连接，第二极与输出电压连接；
所述负载电阻和所述负载电容并联连接在钳位电压和接地端之间。
6.根据权利要求5所述的DC-DC变换器，其中，所述第一极为发射极或源极，第二极为集电极或漏极。
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