CN107508465B - 恒定导通时间型升压稳压器 - Google Patents

恒定导通时间型升压稳压器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种恒定导通时间型升压稳压器，其包括：输出电路；用于采样输出电压得到反馈电压的电压反馈电路；用于采样输出电压得到反馈补偿电压的电压反馈补偿电路；用于采样输出电路中的电感的电流产生纹波电压的纹波产生电路；用所述反馈电压加上所述纹波电压，再减去所述反馈补偿电压得到反馈总信号的加减电路；基于所述反馈总信号得到触发使能信号的输出电压控制回路；基于所述触发使能信号得到导通触发信号的自适应导通时间触发电路；用于基于所述导通触发信号得到准固定导通时间的自适应导通时间产生电路及锁频电路；驱动输出电路，根据准固定导通时间产生驱动信号，以驱动输出电路。从而解决了负载端需使用大寄生电阻的电解电容问题。

Description

恒定导通时间型升压稳压器
【技术领域】
本发明涉及电压调节领域，特别涉及恒定导通时间型升压稳压器。
【背景技术】
升压(Boost)稳压器被广泛应用于各种消费类手持设备与便携式电子产品中，可将单节普通电池(镍镉、镍氢或干电池等)电压转换为系统所需的更高电压。目前该类Boost稳压器大多数采用电流模式控制方式。虽然电流模式技术比较成熟，但是其需要进行斜率补偿，补偿电路设计不佳，不仅影响系统的稳定性还将影响系统的工作效率。近年来，恒定导通时间COT架构的Boost稳压器逐渐被广泛采用。
图1为传统的COT型BOOST稳压器的结构框图。如图1所示的，所述BOOST稳压器包括BOOST输出电路110、电压反馈电路120、误差比较器COM、固定导通时间电路130和驱动电路140。在反馈电压Vfb低于参考电压Vref时，误差比较器输出的比较信号Vcom由低电平转为高电平时触发固定导通时间电路130工作，BOOST在固定导通时间Ton内对电感充电，随后电感放电，直到反馈电压Vfb再次低于参考电压Vruf时，进入下一个工作周期。
然而，传统的COT型BOOST稳压器在负载瞬态变化时，频率变化范围较大，需求使用大ESR(寄生电阻)的负载电容(如电解电容)。这些缺点使得该COT架构的Boost稳压器很难在各种消费类手持设备与便携式电子产品中广泛推广。
【发明内容】
本发明提出一种新颖的COT型BOOST稳压器，可以解决频率变化范围大，需求大寄生电阻的负载电容的问题。
为了解决上述问题，本发明提供一种升压稳压器，其包括：输出电路，用于将输入电压转换成输出电压，其包括第一功率晶体管、第二功率晶体管和电感；电压反馈电路，用于采样所述输出电压得到反馈电压；电压反馈补偿电路，用于采样所述输出电压得到反馈补偿电压；纹波产生电路，用于采样输出电路中的电感的电流产生纹波电压；加减电路，用所述反馈电压加上所述纹波电压，再减去所述反馈补偿电压得到反馈总信号；输出电压控制回路，其基于所述反馈总信号得到触发使能信号；自适应导通时间触发电路，其基于所述触发使能信号得到导通触发信号；自适应导通时间产生电路及锁频电路，用于基于所述导通触发信号得到准固定导通时间；驱动输出电路，其根据准固定导通时间产生第一驱动信号和第二驱动信号，第一驱动信号和第二驱动信号分别驱动第一功率晶体管和第二功率晶体管交替导通和截止。
优选的，所述电感连接于输入端和中间节点SW之间，第一功率晶体管的源极与中间节点SW相连，漏极作为输出端，第二功率晶体管的漏极与中间节点SW相连，其源极接地，第一功率晶体管的栅极接收第一驱动信号，第二功率晶体管的栅极接收第二驱动信号。
优选的，所述输出电压控制回路包括电压比较器和电感谷底电流检测控制电路，所述电压比较器比较第一参考电压和所述反馈总信号，当反馈总信号低于第一参考电压时产生有效的第一触发使能信号，所述电感谷底电流检测控制电路检测到电感电流低于预定阈值时产生有效的第二触发使能信号，所述自适应导通时间触发电路在第一触发使能信号有效和/或第二触发使能信号有效时得到有效的导通触发信号。
优选的，自适应导通时间产生电路及锁频电路，用于基于有效的导通触发信号得到产生与输入电压成负相关，与输出电压成正相关的准恒定导通时间，锁频单元通过时刻反馈系统的工作频率进行调整以保证系统工作的平均开关频率在一个较恒定的范围内，在准恒定导通时间内，第一驱动信号驱动第一功率晶体管截止，第二驱动信号驱动第二功率晶体管导通，输入电压对所述电感充电，在准恒定导通时间外，第一驱动信号驱动第一功率晶体管导通，第二驱动信号驱动第二功率晶体管截止，对所述电感放电。
优选的，所述电压反馈电路包括串联于输出端和地之间的第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1和第二电阻之间的节点的电压为所述反馈电压，所述电压反馈补偿电路包括误差放大器、钳位电路、串联于误差放大器的输出端和地之间的第三电阻R3和电容C1，所述误差放大器用于对第二参考电压和所述反馈电压进行误差放大得到误差放大电压，所述钳位电路用于钳位所述误差放大电压的上限，第二参考电压小于第一参考电压。
优选的，所述纹波产生电路包括第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、第三场效应晶体管、第四场效应晶体管、纹波采样电阻Rvr和电流镜控制电路，第一场效应晶体管连接于中间节点SW和节点A之间，第二场效应晶体管连接于中间节点SW和节点B之间，第三场效应晶体管连接于节点A和节点B之间，第四场效应晶体管连接于节点A和纹波输出端之间，纹波采样电阻Rvr连接于纹波输出端和接地端之间；电流镜控制电路包括与节点A相连的第一输出端和与节点B相连的第二输出端，第一场效应晶体管、第三场效应晶体管、第四场效应晶体管均由第一驱动信号控制，第二场效应晶体管的栅极接地，在第一功率晶体管导通时，第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、第三场效应晶体管和第四场效应晶体管导通。
与现有技术相比，本发明中BOOST稳压器，解决了负载端需使用大寄生电阻的电解电容问题，现可以使用体积较小的ESR小的陶瓷电容，更易适合各种消费类手持设备与便携式电子产品；反馈电压补偿电路优化了系统的负载调整率。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为传统的COT型BOOST稳压器的结构框图；
图2为本发明中的COT型BOOST稳压器在一个实施例中的结构框图；
图3为图2中的BOOST稳压器的纹波产生电路的电路图；
图4为图2中的BOOST稳压器在负载稳定工作时的信号时序图；
图5为图2中的BOOST稳压器在负载阶跃变化时的信号时序图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
图2为本发明中的COT型BOOST稳压器200在一个实施例中的结构框图。所述BOOST稳压器200包括输出电路210、电压反馈电路220、电压反馈补偿电路230、纹波产生电路240、加减电路245、输出电压控制回路250、自适应导通时间触发电路260、自适应导通时间产生电路及锁频电路270和驱动输出电路280。
所述输出电路210用于将输入电压Vin转换成输出电压Vout，其包括第一功率晶体管P0、第二功率晶体管N1和电感L1。所述电感L1连接于输入电压Vin和中间节点SW之间，第一功率晶体管P0的源极与中间节点SW相连，漏极作为输出端，第二功率晶体管N1的漏极与中间节点SW相连，其源极接地，第一功率晶体管P0的栅极接收第一驱动信号CTRL_DIO，第二功率晶体管N1的栅极接收第二驱动信号CTRL_SW。在输出端Vout和地之间还可以连接有输出电容Cout和负载Rload。
所述电压反馈电路220用于采样所述输出电压Vout得到反馈电压Vfb。在一个实施例中，所述电压反馈电路包括串联于输出端和地之间的第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1和第二电阻之间的节点的电压为所述反馈电压Vfb。
所述电压反馈补偿电路230用于采样所述输出电压Vout得到反馈补偿电压Vcompensate。在一个实施例中，所述电压反馈补偿电路230包括误差放大器EA、钳位电路、串联于误差放大器EA的输出端和地之间的第三电阻R3和电容C1，所述误差放大器EA用于对第二参考电压Vref_a和所述反馈电压Vfb进行误差放大得到误差放大电压，所述钳位电路用于钳位所述误差放大电压的上限。
所述纹波产生电路240用于采样输出电路210中的电感L1的电流产生纹波电压Vripple。加减电路245用所述反馈电压Vfb加上所述纹波电压Vripple，再减去所述反馈补偿电压Vcompensate得到反馈总信号Vsum，具体关系可以表达为：Vsum＝Vfb+Vripple-Vcompensate。
所述输出电压控制回路250基于所述反馈总信号Vsum得到触发使能信号EN_TRG。在一个实施例中，所述输出电压控制回路250包括电压比较器COM和电感谷底电流检测控制电路。所述电压比较器COM比较第一参考电压Vref和所述反馈总信号Vsum，当反馈总信号Vsum低于第一参考电压Vref时产生有效的第一触发使能信号EN_TRGA，否则，产生无效的第一触发使能信号EN_TRGA。所述电感谷底电流检测控制电路检测到电感电流低于预定阈值时产生有效的第二触发使能信号EN_TRGB，否则，产生无效的第二触发使能信号EN_TRGB。
自适应导通时间触发电路260基于所述触发使能信号得到导通触发信号CON_TRG。具体的，所述自适应导通时间触发电路260在第一触发使能信号EN_TRGA有效和/或第二触发使能信号EN_TRGB有效时得到有效的导通触发信号CON_TRG。
自适应导通时间产生电路及锁频电路270，用于基于有效的导通触发信号CON_TRG得到产生与输入电压Vin成负相关，与输出电压Vout成正相关的准恒定导通时间QTon，其内的锁频单元通过时刻反馈系统的工作频率进行调整以保证系统工作的平均开关频率在一个较恒定的范围内。
驱动输出电路280其根据准固定导通时间QTon产生第一驱动信号CTRL_DIO和第二驱动信号CTRL_SW，第一驱动信号CTRL_DIO和第二驱动信号CTRL_SW分别驱动第一功率晶体管P0和第二功率晶体管N1交替导通和截止。
在准恒定导通时间QTon内，第一驱动信号CTRL_DIO驱动第一功率晶体管P0截止，第二驱动信号CTRL_SW驱动第二功率晶体管N1导通，输入电压Vin对所述电感L1充电。在准恒定导通时间QTon外，第一驱动信号CTRL_DIO驱动第一功率晶体管P0导通，第二驱动信号CTRL_SW驱动第二功率晶体管N1截止，所述电感L1对负载Rload放电。
如图4所示的，当反馈总信号Vsum高于第一参考电压Vref时，准恒定导通时间QTon为低电平，第二驱动信号CTRL_SW为低电平，驱动第二功率晶体管N1截止，第一驱动信号CTRL_DIO为高电平，驱动第一功率晶体管P0导通，此时电感L1对负载放电。当到反馈总信号Vsum低于第一参考电压Vref时，第一触发使能信号EN_TRGA变为有效，触发自适应导通时间触发电路260产生有效的导通触发信号CON_TRG，启动一个准恒定导通时间QTon。在准恒定导通时间QTon内，对电感L1进行充电，在准恒定导通时间QTon结束后，又开始对电感L1开始放电，再当其反馈总信号Vsum低于第一参考电压Vref时，再次触发下一个QTon，在输出电压控制回路的控制下，系统完成稳压，并给负载Rload提供所需的负载电流。
所述电压反馈补偿单元230中的第二参考电压Vref_a略小于第一参考电压Vref(比如2-9mV左右)，在负载电流发生阶跃变化时，Vsum比Vfb+Vripple在电感L1放电时提早了dt时间产生了导通触发信号CON_TRG，加快了负载突变时的瞬间工作频率，优化了系统的负载特性。系统大负载电流时反馈总信号Vsum在充电周期仍低于第一参考电压Vref，使得没有有效的第一触发使能信号EN_TRGA，来使得导通触发信号CON_TRG来启动触发所述准固定导通时间QTon，进行下一个电感充电过程，此时电感L1将一直处于放电状态。因此，本发明增加了电感谷底电流检测控制电路，其在检测到电感电流低于预定阈值时产生有效的第二触发使能信号EN_TRGB，从而驱动产生有效的导通触发信号CON_TRG，保证了下一个电感导通充电过程，从而使系统回到正常工作状态，提供稳定输出电压，和满足需要的负载电流。
图3为图2中的BOOST稳压器的纹波产生电路240的电路图。所述纹波产生电路240包括第一场效应晶体管P2、第二场效应晶体管P3、第三场效应晶体管P4、第四场效应晶体管P8、纹波采样电阻Rvr和电流镜控制电路241。
第一场效应晶体管P2连接于中间节点SW和节点A之间，第二场效应晶体管P3连接于中间节点SW和节点B之间，第三场效应晶体管P4连接于节点A和节点B之间，第四场效应晶体管P8连接于节点A和纹波输出端Vripple之间，纹波采样电阻Rvr连接于纹波输出端和接地端之间；电流镜控制电路241包括与节点A相连的第一输出端和与节点B相连的第二输出端。第一场效应晶体管P2、第三场效应晶体管P4、第四场效应晶体管P8均由第一驱动信号控制CTRL_DIO，第二场效应晶体管P3的栅极接地，在第一功率晶体管P0导通时，第一场效应晶体管P2、第二场效应晶体管P3、第三场效应晶体管P4、第四场效应晶体管P8导通，此时采样到电感L1的电流，得到纹波电压Vripple。在第一功率晶体管P0截止时时，第一场效应晶体管P2、第三场效应晶体管P4、第四场效应晶体管P8均截止，此时不采样电感L1的电流。
在图3中，在电感L1的充电周期内，第一驱动信号CTRL_DIO为高电平时，电源Vin对电感L充电，此时，纹波电压电路不对电感电流进行采样。在电感L1的放电周期时，第一驱动信号CTRL_DIO为低电平时，电感L1释放能量对负载放电，此时电感上放电电流的下降斜率为：
其中L为电感L1的电感值；此时，纹波电压电路240对电感L1电流进行采样，若电感电流降到0则停止结束采样。在图4中，晶体管P0、P2和P3均工作在深度线性区，因此他们都满足：
上式中up为PMOS管空穴的迁移率；Cox为单位面积的栅氧化层电容，W、L为PMOS管(P0、P2和P3为PMOS管)的宽和长，Rds为P0、P2和P3的导通电阻。在图4中，在电流镜控制电路下，
VA≈VB
因此，
SW-(Im+Isense)×Rdsp2≈SW-IL×Rdsp0-In×Rdsp3
上式中
SW为节点SW的电压，Rdsp0为PO的导通电阻，Rdsp2为P2的导通电阻，Rdsp3为P3的导通电阻，IL为电感L1的电流，Isense为采样电感L1的电流得到的采样电流，In为电流镜控制电路241的第二输出端的下拉电流，Im为电流镜控制电路241的第一输出端的下拉电流。
图5为图2中的BOOST稳压器在负载阶跃变化时的信号时序图。
可见，纹波电压产生电路240的加入解决了负载端需使用大ESR的电解电容问题，现可以使用体积较小的ESR小的陶瓷电容，更易适合各种消费类手持设备与便携式电子产品。反馈电压补偿电路230可以优化了系统的负载调整率。电感谷底电流检测控制电路，可以在反馈信号与内部参考电压比较后无法触发准固定导通时间电路QTon时提供触发使能信号。
在本发明中，“连接”、相连、“连”、“接”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (5)

1.一种升压稳压器，其特征在于，其包括：
输出电路，用于将输入电压转换成输出电压，其包括第一功率晶体管、第二功率晶体管和电感；
电压反馈电路，用于采样所述输出电压得到反馈电压；
电压反馈补偿电路，用于采样所述输出电压得到反馈补偿电压；
纹波产生电路，用于采样输出电路中的电感的电流产生纹波电压；
加减电路，用所述反馈电压加上所述纹波电压，再减去所述反馈补偿电压得到反馈总信号；
输出电压控制回路，其基于所述反馈总信号得到触发使能信号；
自适应导通时间触发电路，其基于所述触发使能信号得到导通触发信号；
自适应导通时间产生电路及锁频电路，用于基于所述导通触发信号得到准固定导通时间；
驱动输出电路，其根据准固定导通时间产生第一驱动信号和第二驱动信号，第一驱动信号和第二驱动信号分别驱动第一功率晶体管和第二功率晶体管交替导通和截止,
所述输出电压控制回路包括电压比较器和电感谷底电流检测控制电路，所述电压比较器比较第一参考电压和所述反馈总信号，当反馈总信号低于第一参考电压时产生有效的第一触发使能信号，所述电感谷底电流检测控制电路检测到电感电流低于预定阈值时产生有效的第二触发使能信号，所述自适应导通时间触发电路在第一触发使能信号有效和/或第二触发使能信号有效时得到有效的导通触发信号。
2.根据权利要求1所述的升压稳压器，其特征在于，所述电感连接于输入端和中间节点SW之间，第一功率晶体管的源极与中间节点SW相连，漏极作为输出端，第二功率晶体管的漏极与中间节点SW相连，其源极接地，第一功率晶体管的栅极接收第一驱动信号，第二功率晶体管的栅极接收第二驱动信号。
3.根据权利要求1所述的升压稳压器，其特征在于，自适应导通时间产生电路及锁频电路，用于基于有效的导通触发信号得到产生与输入电压成负相关，与输出电压成正相关的准恒定导通时间，锁频单元通过时刻反馈系统的工作频率进行调整以保证系统工作的平均开关频率在一个较恒定的范围内，
在准恒定导通时间内，第一驱动信号驱动第一功率晶体管截止，第二驱动信号驱动第二功率晶体管导通，输入电压对所述电感充电，
在准恒定导通时间外，第一驱动信号驱动第一功率晶体管导通，第二驱动信号驱动第二功率晶体管截止，对所述电感放电。
4.根据权利要求1所述的升压稳压器，其特征在于，所述电压反馈电路包括串联于输出端和地之间的第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1和第二电阻之间的节点的电压为所述反馈电压，
所述电压反馈补偿电路包括误差放大器、钳位电路、串联于误差放大器的输出端和地之间的第三电阻R3和电容C1，所述误差放大器用于对第二参考电压和所述反馈电压进行误差放大得到误差放大电压，所述钳位电路用于钳位所述误差放大电压的上限，第二参考电压小于第一参考电压。
5.根据权利要求1所述的升压稳压器，其特征在于，所述纹波产生电路包括第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、第三场效应晶体管、第四场效应晶体管、纹波采样电阻Rvr和电流镜控制电路，
第一场效应晶体管连接于中间节点SW和节点A之间，
第二场效应晶体管连接于中间节点SW和节点B之间，
第三场效应晶体管连接于节点A和节点B之间，
第四场效应晶体管连接于节点A和纹波输出端之间，
纹波采样电阻Rvr连接于纹波输出端和接地端之间；
电流镜控制电路包括与节点A相连的第一输出端和与节点B相连的第二输出端，
第一场效应晶体管、第三场效应晶体管、第四场效应晶体管均由第一驱动信号控制，第二场效应晶体管的栅极接地，在第一功率晶体管导通时，第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、第三场效应晶体管和第四场效应晶体管导通。
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CN106787726A (zh) * 2017-01-19 2017-05-31 电子科技大学 自适应导通时间控制变换器输出电压失调的动态消除方法

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