CN107659148A - 一种有源箝位斜坡恢复电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于模拟集成电路技术领域，涉及一种基于动态箝位技术的斜坡恢复电路，该电路能够根据斜坡补偿电流的大小，动态抬升误差放大器的箝位电压，使开关电源在不同占空比下均保持恒定的带载能力。

Description

一种有源箝位斜坡恢复电路

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术开关电源领域，涉及一种基于动态箝位技术的斜坡恢复电路，该电路能够根据斜坡补偿电流的大小，动态抬升误差放大器的箝位电压，使开关电源在不同占空比下均保持恒定的带载能力。

背景技术

开关电源常见的控制模式有电压模式和电流模式。电压模式因动态响应速度慢、补偿网络复杂而不常用。电流模式则具有动态响应速度快、具有瞬时峰值限流功能、补偿网络简单等优点而受到青睐。电流模式又分为平均电流模式和峰值电流模式。因峰值电流模式相对于平均电流模式电路结构简单，而常采用峰值电流模式。

采用峰值电流模式时，占空比大于50％时有可能发生次谐波振荡，为保证系统的环路稳定性，必须加入斜坡补偿电路。但是，引入斜坡补偿后，会给系统带来以下缺点：

(1)斜坡补偿电路减小了峰值电流的大小，导致平均电感电流偏低，使最大负载电流减小，出现系统随占空比增大带载能力下降的问题。

(2)加入斜坡补偿电路有可能过补偿现象，使电流环变为电压环。

(3)斜坡补偿电路使系统的瞬态响应速度变慢。

针对以上问题，为保证采用峰值电流模式的BUCK芯片在任何占空比下均保持恒定的带载能力，电路中需要加入斜坡恢复电路。

另外，为了防止芯片中流过的负载电流过大，通常给BUCK芯片设置一个能承受最大负载电流的安全工作区，这通常用有源箝位电路来实现。

但是，对于采用峰值电流模式的BUCK芯片，由于占空比大于50％时引入了斜坡补偿电流，在箝位值不变的情况下，峰值电感电流会因斜坡补偿电流的加入而降低，导致最大负载电流随占空比增大而减小，即芯片的带载能力随占空比增大而降低。

为解决这一问题，保证芯片在任何占空比下均保持恒定的带载能力，本文在有源箝位电路的基础上，采用一种新技术既保证芯片能工作在安全电流工作区，又能保证带载能力不随占空比变化。

同时该电路又不会影响芯片的正常工作情况，正常工作时不会带来额外的精度偏差。

发明内容

本发明的目的是提供一种带载能力不随占空比变化的电路。

本发明的另一个目的是提供一种能根据占空比自适应调节误差放大器有源箝位值的电路。

本发明的另一个目的是提供一种具有固定限流功能的电路

本发明的技术方案是一种带载能力不随占空比变化的有源箝位斜坡恢复电路，其特征在于，包含一个电压比较器，用于决定何时打开箝位电路，以进行箝位；一个箝位管，用于对误差放大器进行箝位；一个斜坡电流叠加电路，用于将斜坡补偿信息叠加到箝位电路之上；一个静态偏置电路，为箝位值提供合适的静态偏置点。有源箝位斜坡恢复电路作用在误差放大器的输出端，斜坡补偿减掉了多少电压，则事先将误差放大器的输出电压先抬高多少，以此抵消斜坡补偿对带载能力的影响。

本发明通过在误差放大器输出端处设置一个阈值电压比较器控制箝位管的开启关断。阈值电压比较器的正输入端误差放大器的输出ITH，负输入端接动态箝位源。当箝位管关断时，阈值电压比较器对芯片不产生任何影响；当箝位管导通时，误差放大器输出端与阈值电压比较器及箝位电路形成一个负反馈环路，负反馈强制使阈值电压比较器的正负端电压相等，即强制使误差放大器的输出电压与斜坡补偿电压有关，从而将斜坡补偿量叠加到误差放大器的输出电压上，以动态提升箝位值的大小。通过实时监测误差放大器的输出电压来决定是否打开箝位管，以决定是否进行箝位；通过镜像斜坡补偿电流的大小，以设置箝位值的大小。

当负载电流没有达到BUCK的极限电流带载能力时：无论占空比有多大，此时误差放大器的输出电压均比较小，没有达到箝位电路的开启阈值，不足以打开箝位管，有源箝位斜坡恢复电路不起作用，即不进行箝位。这样设计的目的是，防止有源箝位斜坡恢复电路在负载电流达到极限带载电流之前影响BUCK的正常工作。

当负载电流达到BUCK的极限电流带载能力时：此时误差放大器的输出电压比较高，达到箝位电路的开启阈值，打开箝位管，将误差放大器的输出电压箝位在一个与斜坡补偿信息相关的电压上，并根据占空比(斜坡补偿量)的大小动态调整箝位电压的大小，即：占空比较小时，斜坡补偿量较小，此时箝位值较低；占空比较大时，斜坡补偿量斜坡补偿量较大，此时箝位值相应地抬高。

附图说明

图1为典型的Buck拓扑开关电源系统框图。

图2为本发明的斜坡恢复有源箝位电路的原理框图。

图3为依据本发明原则的实例电路图

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行详细描述。

如图1所示，斜坡补偿电路用于典型的峰值电流模式Buck拓扑开关电源中，每个周期开始时，时钟信号将锁存器输出置位为高，当锁存器输出为高时，开关管M3打开，整流管D1反向偏置不导通，电流从输入端VIN通过电感传输到输出端Vout，电感电流以恒定的斜率逐渐增大，误差放大器输出电压ITH转化成的电流与斜坡补偿电路产生的斜坡电流作差，得到经过斜坡补偿之后的信号VC并送到PWM比较器端，与电感电流的采样信号进行比较，当比较器检测到电感电流大于误差放大器输出端Vc电压时，比较器输出为高复位锁存器，使得开关管关断截止。当开关管关断截止时，电感电流通过整流管D1续流。误差放大器用于检测并放大输出电压和基准电压的误差。

图2所示为发明的斜坡恢复有源箝位电路的原理框图。I1、I2均为斜坡补偿电路产生的电流，分别用于对误差放大器和斜坡恢复有源箝位电路进行叠加；VDD1为直流电压源，用于为斜坡箝位电路提供合适地静态偏置点；电阻R1用于产生与斜坡补偿有关的动态箝位电压，这可以通过让斜坡电流I1流过电阻R1产生压降来实现；比较器A1用于实现对误差放大器输出电压ITH的检测，以决定是否对误差放大器输出端进行箝位。M2、R2、M4、R3构成采样电路，用于实现对ITH电压的采样，以保证A点电压在运放A1的共模范围之内，同时，采样电路与运放A1、M1管形成负反馈结构，保证达到极限负载电流时将ITH箝位在一个与斜坡补偿有关的电压上。

当负载电流较小时，没有达到BUCK的最大负载电流，A点电压低于B点电压，比较器A1输出低电位，M1管断开，斜坡恢复有源箝位电路不起作用。误差放大器输出电压ITH不受箝位电路影响。

随着负载电流的逐渐增大，ITH值逐渐升高，当达到BUCK的最大带载能力时，此时A点电压也随之升高到高于B点电位，比较器A1导通，M1管子打开，此时A1、M1、M2、R2、M4、R3构成一个单位增益负反馈结构的三级运放，通过负反馈的箝位作用强制A点电压与B点相等。由于B点电位与斜坡补偿有关，即：与占空比有关，占空比越大，则B点电位越高，相应地，A点的箝位电压也越高。

电路中设置M2、M4两管完全相同，R2、R3完全相同，忽略沟道长度调制效应，则M2、M4两管的栅源电压差相等，且R2、R3上的压降也相等。

V_ITH＝V_GS(M2)+V_R2+V_GS(M4)+V_R3

＝2·(V_GS(M4)+V_R3) (1)

＝2·V_A

由(1)式可知，发生箝位时ITH点的电压为箝位电压的两倍，而箝位电压VB与斜坡补偿电流的大小成正比。

由于在斜坡叠加部分，ITH电压转化成的电流还要与斜坡电流进行作差，因此，只要保证箝位值中所含的斜坡补偿成分与斜坡电流叠加电路中的斜坡补偿成分完全抵消，即可保证整个BUCK电路的最大负载电流与斜坡补偿无关，而斜坡补偿有关(随占空比增大而增大)，因此，通过本设计能保证BUCK的最大负载能力不随占空比变化。

图3为依据本发明原则的第一个实例电路图，M11、M12、M13、M14、M16构成图2中的比较器A1；为与前面的图2保持一致，仍用M2、R2、M4、R3构成采样电路；动态箝位电路由Idc、Islope及R1构成，其中Idc用于对箝位值提供静态偏置点，Islope用于保证箝位电压随占空比的变化而动态变化；M9、M17、M18、M19、M20、M5、M6、M7、M8为常见的OTA结构的误差放大器。图3的工作原理如下：

当负载电流增大到最大带载电流时，由于此时VFB较低，导致误差放大器的输出电压ITH较高，从而A点电压高于B点电位，比较器A1的输出D为高，打开M1管，使A1、M1、M2、R2、M4、R3形成一个三级结构的单位增益负反馈的运放，将A点电压强制箝位为与B点相等。由于B点电压随占空比增大而增大，因此，由式子(1)的分析可知，箝位电路起作用时ITH电压也随占空比增大而增大；再通过斜坡叠加电路中减去相等的斜坡补偿量，即可达到BUCK的带载能力不随占空比变化的目。

Claims (1)

1.一种斜坡恢复有源箝位电路，其特征在于，误差放大器、误差放大器输出采样电路、阈值比较器、斜坡箝位电路；

所述误差放大器的输出和误差放大器输出采样电路的输入相连接，所述阈值比较器的正输入端与误差放大器输出采样电路连接，负端与斜坡箝位电路的输出连接，所述阈值比较器的输出与误差放大器输出采样电路的输入相连接；

所述斜坡箝位电路由与斜坡补偿相关的电流叠加在电阻上而产生，通过动态调整箝位电压的大小而动态改变最大负载电流时误差放大器的输出电压，达到如下目的：BUCK的最大带载能力不随占空比变化而变化。