CN106787710A - 一种具有宽负载电流特性的boost变换器 - Google Patents

Abstract

本发属于电子电路技术领域，特别涉及一种具有宽负载电流特性的BOOST变换器。本发明的结构在保证传统方式采样简单的条件下，对PWM比较器结构进行了调整，采用电压转电流再转电压的结构，使系统在更大的负载电流动态范围内能保证PWM比较器的正常翻转，同时改善了传统的方式由于比较电压与功率管Rds_on相关带来的温度和工艺的影响。

Description

一种具有宽负载电流特性的BOOST变换器

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，特别涉及一种具有宽负载电流特性的BOOST变换器。

背景技术

由于峰值电流模的BOOST功率管在开启时，功率管的Rds_on上压降可以直接反应电感电流信息，所以传统的峰值电流模BOOST直接采样功率管开启时Rds_on上压降进行放大，然后送到PWM比较器跟误差放大器的输出电压进行比较，产生PWM信号。但是由于误差放大器的输出电压有摆幅限制，功率管的Rds_on又很小，传统的直接比较方式对电感电流的动态范围有严格限制，也就使能提供的输出电流的动态范围受到限制。本发明在保留原来采样方式简单的前提下，通过改变PWM比较器的结构，使系统能提供较大范围的输出电流。同时，该结构还能改善功率管Rds_on的温度和工艺漂移对采样带来的影响。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种电压转电流再转电压的PWM比较器结构，使系统能保证较大的输出电流范围，同时改善传统方式温度和工艺漂移对采样精度的影响。

本发明的技术方案是：一种具有宽负载电流特性的BOOST变换器，包括电感、功率管、电压采样电路、误差放大器、PWM比较器和RS触发器；所述功率管的漏极通过电感与输入电压连接，功率管的栅极接RS触发器的Q输出端，功率管的源极接地；误差放大器的反相输入端接电压采样电路的输出端，误差放大器的同相输入端接基准电压；PWM比较器的同相输入端接功率管的漏极，PWM比较器的反相输入端接误差放大器的输出端；RS触发器的R输入端接PWM比较器的输出端，RS触发器的S输入端接外部时钟信号；

其特征在于，所述PWM比较器由第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、放大器、比较器、电流源和电阻构成；其中，放大器的同相输入端接误差放大器的输出端，放大器的输出端接第一NMOS管的栅极，放大器的反相输入端、第一NMOS管的源极和电流源的连接点通过电子后接地；第一NMOS管的漏极接第一PMOS管的漏极，第一PMOS管的源极接电源，其栅极和漏极互连；第二PMOS管的源极接电源，其栅极接第一PMOS管的漏极；比较器的反相输入端接第二PMOS管的漏极，比较器的同相输入端接功率管的漏极；第二NMOS管的漏极接第二PMOS管的漏极，第二NMOS管的栅极接电源，其源极接地；比较器的输出端输出PWM信号。

本发明的有益效果为，与传统的结构比较，本发明大了电感电流的动态范围，从而增大了输出电流的动态范围。同时改善了温度和工艺漂移对比较点的影响。

附图说明

图1为传统的采样Rds_on上压降进行放大直接与误差放大器输出电压进行比较的系统框图；

图2为传统方式的动态范围示意图；

图3为本发明应用的系统框图；

图4为本发明的PWM比较器的结构图；

图5为本发明的动态范围调整示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1所示是采样功率管Rds_on上压降，即Vsense，放大A倍之后直接与误差放大器的输出电压EA_OUT比较，产生PWM信号的方式。对于误差放大器的输出电压而言，受误差放大器结构的限制，输出电压会有最小值、最大值和输出摆幅的限制。对于输出电流变化范围很大的情况，例如轻载很轻的情况，Rds_on上压降很小，为了保证轻载情况能触碰到误差放大器输出电压的最低点，需要将A做的比较大，但是这样重载情况下，比较点可能会超出误差放大器输出电压的上限，从而限制了输出电流的范围。如图3所示为本发明的系统框图，在保证了传统方式采样简单的情况下，通过改变PWM比较器的结构使系统能工作在更大的输出电流范围。

如图1所示，可知比较点为：EA_OUT＝A·I_peak·R_{ds_on}，

如图2所示对于误差放大器，输出电压的最大值和最小值分别为EA_max和EA_min，为了保证系统在整个输出范围内，比较点都在误差放大器的输出摆幅以内，需要：

A·I_{peak_min}·R_{ds_on}≥EA_min且A·I_{peak_max}·R_{ds_on}≤EA_max

所以电感电流的动态范围：

由于Rds_on很小，为了保证在轻载时也能采样放大之后的电压也能在误差放大器的输出电压范围内，A的值一般会比较大，这样就导致了电感电流峰值的最大值不能太大。如果电感电流峰值太大，如图2所示，采样的电感电流峰值最大值的电压经过放大之后，会超过误差放大器的输出范围的上限。这样就限制了电感电流峰值的范围，从而限制了输出电流能达到的范围。

如图3所示为本发明的系统框图，从该结构可以看出本发明保留了传统方式采样简单的优点。

如图4所示，误差放大器的输出电压EA_OUT经过运放箝位到V1：

V1＝EA_OUT

通过电阻RV-I转化为电流：

与直流电流IB做差之后，经过镜像得到电流I1，镜像比为K：

电流I2与线性区的MOS管的导通电阻Ron相乘得到电压Vc:

所以，最后的比较点为：

等效为：

从上式中可以得到，最后的比较点与功率管的Rds_on无关，这样消除了图1所示结构中Vsense对温度的敏感性，同时线性区的MOS管与功率管做了匹配，采用相同的沟道长度，改善了工艺偏差带来的影响。

如图5所示，对于误差放大器，输出电压的最大值和最小值分别为EA_max和EA_min(这由误差放大器的结构决定),输出摆幅为：EA_range＝EA_max-EA_min，

令：

需要保证电感电流峰值的范围经过转换之后的范围不超过误差放大器的输出摆幅，即：

EA_range>V_H-V_L

对于宽输出电流范围(变化范围十倍以上)的情况，电感电流峰值的变化范围也很大，由图5可以得到，电感电流峰值的变化范围很大，这种情况用图1所示结构是不可能实现的。在本发明中，对电感电流的最大值和最小值同时进行减小，压缩电感电流变化范围，使调整后的变化范围Match-range和误差放大器的输出摆幅满足之前的分析。在这种情况下，调整之后变化范围的上下限分别小于误差放大器的输出范围的上下限电压，即存在电压偏移offset1和offset2：

同时本发明结构中引入了直流电流IB，会使电感电流峰值范围转换后的范围整体有一个向上的平移，即引入了一个平移电压：V_shift＝I_B·R_V-I，在保证压缩后的电压偏移满足offset1<offset2的情况下(需要选取合适的来满足之一条件)，只需要取offset 1<Vshift<offset2即可满足所有负载情况下PWM比较器两端电压都能正常触碰，保证PWM比较器的正常翻转。

比较图2和图5可以明显的发现，本发明有效的增大了电感电流峰值的变化范围，从而有效的增大了负载电流的动态范围。

由此可见，本发明的结构在保证传统方式采样简单的条件下，对PWM比较器结构进行了调整，采用电压转电流再转电压的结构，使系统在更大的负载电流动态范围内能保证PWM比较器的正常翻转，同时改善了传统的方式由于比较电压与功率管Rds_on相关带来的温度和工艺的影响。

Claims (1)

1.一种具有宽负载电流特性的BOOST变换器，包括电感、功率管、电压采样电路、误差放大器、PWM比较器和RS触发器；所述功率管的漏极通过电感与输入电压连接，功率管的栅极接RS触发器的Q输出端，功率管的源极接地；误差放大器的反相输入端接电压采样电路的输出端，误差放大器的同相输入端接基准电压；PWM比较器的同相输入端接功率管的漏极，PWM比较器的反相输入端接误差放大器的输出端；RS触发器的R输入端接PWM比较器的输出端，RS触发器的S输入端接外部时钟信号；

其特征在于，所述PWM比较器由第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、放大器、比较器、电流源和电阻构成；其中，放大器的同相输入端接误差放大器的输出端，放大器的输出端接第一NMOS管的栅极，放大器的反相输入端、第一NMOS管的源极和电流源的连接点通过电子后接地；第一NMOS管的漏极接第一PMOS管的漏极，第一PMOS管的源极接电源，其栅极和漏极互连；第二PMOS管的源极接电源，其栅极接第一PMOS管的漏极；比较器的反相输入端接第二PMOS管的漏极，比较器的同相输入端接功率管的漏极；第二NMOS管的漏极接第二PMOS管的漏极，第二NMOS管的栅极接电源，其源极接地；比较器的输出端输出PWM信号。