CN108390562A - 一种用于dc/dc的开关频率校正电路 - Google Patents

一种用于dc/dc的开关频率校正电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于DC/DC的开关频率校正电路，其特征在于，所述开关频率校正电路由振荡器OSC、数字锁相环电路、分频器和逻辑模块组成，其中所述数字锁相环电路由鉴频鉴相器PFD、电荷泵CP、运算跨导放大器OTA、导通时间计时器On_Timer模块相连组成，旨在解决Buck型DC/DC在ACOT控制模式下EMI特性较差的问题。本发明通过引入锁相环检测实际开关频率与参考频率的误差，实时地校正开关频率，实现了恒定开关频率，显著改善了ACOT变换器的EMI性能，具有较好的应用前景。

Description

一种用于DC/DC的开关频率校正电路
技术领域
本发明属于电学领域，具体涉及一种用于DC/DC的开关频率校正电路。
背景技术
近年来，开关型功率变换器被广泛应用于消费类电子产品、工业、汽车电子等领域。当其应用场景是为高性能处理器供电时，整个系统呈现出工作电压越来越低，集成度越来越高，体积越来越小，瞬态转换越来越频繁的趋势。恒定开关频率的DC/DC变换器极具理论与商业价值。
开关型功率变换器通过功率开关将一部分输入能量截取并存储在电感中，然后借由电感将能量连续地释放给负载，达到功率变换的目的。其基本拓扑分为降压型(Buck)、升压型(Boost)和升降压型(Buck-Boost)。其中Buck型DC/DC用途最为广泛。
设开关周期为T，若电感电流在每个开关周期内从一个非零值开始上升，又下降到此值后周而复始，即TON+TOFF＝T，则称变换器工作在连续导通模式(ContinuousConduction Mode,CCM)；若电感电流在每个开关周期内从零开始上升，又下降到零后保持一段时间，即TON+TOFF<T，则称变换器工作在断续导通模式(Discontinuous ConductionMode,DCM)。
在DCM模式下，电感电流从零开始线性上升，TON时间后，功率开关关断，电感电流线性下降，TOFF时间后，电感电流下降至零，此时功率开关和续流二极管均关断，故SW节点为高阻，极易受到扰动，因此会在电感的作用下震荡一段时间THZ直到开关周期结束功率开关重新打开，在THZ时间段内，负载电流由输出电容单独供给。如前所述，对于Buck变换器，电感电流的平均值等于负载电流，进一步可知变换器工作模式与负载电流的关系，即当ILOAD>ΔIL/2时，变换器工作在CCM模式，当ILOAD<ΔIL/2时，变换器工作在DCM模式。
早期传统的变换器依据反馈变量的不同可以分为电压模控制和电流模控制，而电流模控制中峰值电流模控制应用最为广泛，恒定导通时间控制是近年来由纹波控制衍生而来的一种大信号控制方法，其控制环路十分简单，不需要误差放大器，因此瞬态响应速度极快，十分适合作为高速处理器的供电方案，然而虽然COT控制拥有环路简单、瞬态响应速度极快和轻载效率高等优势，原始的COT控制因其CCM模式下开关频率的不可控而很难获得商用。为了使COT控制在CCM模式下的开关频率相对恒定，学者们对COT控制中的TON进行了改进，从而得到了ACOT控制模式，即自适应恒定导通时间控制。
Buck型DC/DC的电压模控制及峰值电流模控制具有稳定性好，输出精度高，EMI特性好等优点，然而电压模控制响应速度较慢，轻载效率较低；峰值电流模控制轻载效率较低，环路较为复杂。COT及ACOT控制模式具有响应速度极快，轻载效率较高，环路较为简单等优点，然而稳定性较差，EMI特性较差。
传统的COT控制本质上是一种PFM调制，COT变换器的开关频率会随输入电压和输出电压变化，产生大量的电磁干扰，现代ACOT控制的导通时间TON正比于Vout反比于Vin，使得开关频率在理论上恒定，大大减小了COT控制的电磁干扰问题。但实际应用中，ACOT变换器的开关频率也难以在工况变化时保持恒定，主要是由于功率开关的导通电阻RON和电感的直流寄生电阻RDC会产生静态误差，以及控制环路中的各类延时会产生动态误差。
在应用于对瞬态响应速度要求较为苛刻的芯片中，ACOT控制模式是为首选，然而其EMI特性较差等问题也亟待解决。
发明内容
为了克服Buck型DC/DC在ACOT控制模式下开关频率不稳定、EM I特性较差的问题，本发明提出一种开关频率校正电路，采用以下技术方案实现：
一种用于DC/DC的开关频率校正电路，由振荡器OSC、数字锁相环电路、分频器和逻辑模块连接组成。
所述数字锁相环电路由鉴频鉴相器PFD模块、电荷泵CP模块、运算跨导放大器OTA模块和导通时间计时器On_Timer模块依次相连组成，其中所述振荡器OSC产生参考频率fref，并将参考频率信号传递至鉴频鉴相器PFD模块。
所述振荡器由电流源、大电容、NMOS管及比较器组成，所述电流源与大电容连接，大电容与NMOS管相连，所述NMOS管与比较器相连。
所述鉴频鉴相器PFD由一个与非门和一个或非门构成；所述导通时间计时器On_Timer产生的频率信号fhs经分频器分频之后，经鉴频鉴相器PFD与参考频率信号fref比较，输出信号传递至电荷泵CP中。
所述电荷泵CP由电流源、N沟道MOS管及P沟道MOS管构成，将电流信号转换为电压信号；所述运算跨导放大器将电荷泵CP的输出信号与参考电压VREF1转换为电流信号；所述导通时间计时器On_Timer根据运算跨导放大器输出的电流信号产生上管导通的激励信号，由逻辑模块转换为频率信号，并经过分频器分频后输入鉴频鉴相器PFD中。
进一步方案为：
所述导通时间计时器On_Timer产生频率信号fhs，所述频率信号fhs经逻辑模块和分频器后，与振荡器OSC产生的参考频率fref共同输入鉴频鉴相器PFD，所述鉴频鉴相器PFD的两路输出分别与电荷泵CP中NMOS管的栅极和PMOS管的栅极相连，NMOS管源极和PMOS管源极分别与电流源相连接，NMOS管源极和PMOS管的漏极相连并作为输出，该输出点与电阻相连接，电阻与运算跨导放大器OTA相连接。
进一步方案为：
所述导通时间计时器On_Timer产生的频率信号fhs经分频器，分频后的信号与振荡器OSC产生的参考频率fref共同输入至鉴频鉴相器PFD，经鉴频鉴相器PFD比较之后产生占空比信号，由电荷泵CP将占空比信号转换成电压信号，由运算跨导放大器OTA转换为电流信号，导通时间计时器On_Timer根据电流信号对电容充电，当电容输出电压时触发比较器输出信号，从而产生与输入电压成反比且与输出电压成正比的导通时间TON。
有益效果：
(1)本发明的频率校正电路由鉴频鉴相器PFD、电荷泵CP、运算跨导放大器OTA等模块组成，与DC/DC电路的导通时间计时器On_Timer相连，由振荡器OSC产生参考频率，构成一个锁相环，实现频率校正的功能。
(2)通过引入锁相环检测实际开关频率与参考频率的误差，实时地校正开关频率，实现了恒定开关频率，显著改善了ACOT变换器的EMI性能，具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的频率校正电路的结构框图；
图2为Buck型DC/DC自适应恒定导通时间控制原理图；
图3为本发明的频率校正电路的电路图；
图4为输入电压为5.0V时VSW的波形；
图5为输入电压为2.6V时VSW的波形；
图6为输入电压为5.5V时VSW的波形；
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，下面对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
下面将结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
一种用于DC-DC的开关频率校正电路，主要由振荡器、鉴频鉴相器、电荷泵及运算跨导放大器等模块与DC-DC电路的导通时间计时器组成一个锁相环，实现开关频率是实时调整，振荡器由电流源、大电容、NMOS管及比较器构成，电流源给电容充电直至电压与参考电压VREF2相等，开关管导通，比较器输出一个窄脉冲，电容瞬间放电，此后电流源继续给电容充电，产生需要的参考频率信号fref并传递给鉴频鉴相器，鉴频鉴相器由一个与非门及或非门构成；导通时间计时器On_Timer产生的频率信号fhs经分频器分频之后，经鉴频鉴相器与参考频率信号fref比较，输出信号传递至电荷泵中，电荷泵由电流源、N沟道MOS管及P沟道MOS管构成，将电流信号转换为电压信号；运算跨导放大器将电荷泵的输出信号与参考电压VREF1转换为电流信号；导通时间计时器根据运算跨导放大器输出的电流信号产生上管导通的激励信号，由逻辑模块转换为频率信号，并经过分频器分频后输入鉴频鉴相器中，形成反馈回路，其中参考电压VREF1和VREF2由带隙基准模块产生；导通时间计时器用与Vin成正比的电流Ichg对电容充电，当电容上的电压到达mVout时触发比较器输出信号，以此方式产生与Vin成反比且与Vout成正比的TON，保证变换器初始开关频率接近目标频率。
如图3所示，频率校正电路包括一电荷泵CP，一8分频器，一导通时间计时器On_Timer，一跨导运算放大器，一鉴频鉴相器PFD及一逻辑模块。
其中，电荷泵CP由电流源il1，il2，场效应管M1，M2，电容C1构成；电流源il1与NMOS管M1的源极相连，电流源il2与PMOS管M2的源极相连，两管漏极相连并构成输出。鉴频鉴相器PFD由一与非门及一或非门构成，参考频率fref信号及产生的开关频率fhs信号与非之后和M1管的栅极相连，或非之后和M2管的栅极相连。振荡器由电流源il3，场效应管M3，大电容C2及一比较器构成。振荡器参考电压VREF2和跨导运算放大器的参考电压VREF1由一带隙基准模块产生。
如图2所示的Buck型DC/DC自适应恒定导通时间控制原理图，在每个开关周期的起始时刻，由导通时间计时器On_Timer产生一个恒定的导通时间TON，在TON时间内，变换器打开HS，关闭LS，电感电流线性上升，输出电压也同步上升；当TON计时时间到，On_Timer产生一个窄脉冲使RS触发器复位，此时变换器关闭HS，打开LS，电感电流线性下降，输出电压也同步下降。当输出电压下降到使VFB低于Vref时，PWM比较器输出高电平使RS触发器置位，On_Timer再次计时。
传统电路设计时，TON通常由一个与Vin成正比的恒流源Ichg对电容Con充电产生，当电容上的斜坡电压到达mVout时，比较器翻转，产生Vshot信号关断HS同时Vctl信号对电容上的电荷进行泄放，以此方式达到TON正比于Vout且反比于Vin的目的。然而从TON计时结束到HS真正关断，控制环路中存在的比较器延时、驱动延时和开关延时都会对实际的TON产生影响，导致TON无法真正做到正比于Vout且反比于Vin。
在本发明所述的用于DC/DC的开关频率校正电路，On_Timer产生的计时信号经逻辑模块转换为频率信号之后，经8分频器分频送入鉴频鉴相器PFD，鉴频鉴相器PFD输出参考频率与输出频率的差值信号，与非门输出0时M1管导通，或非门输出1时M2管导通，电荷泵CP将占空比信号转换为电压信号，由运算跨导放大器转换为电流信号，导通时间计时器On_Timer根据运算跨导放大器输出的电流信号产生上管导通的激励信号，由逻辑模块转换为频率信号，并经过分频器分频后输入鉴频鉴相器PFD中，形成反馈回路，实现开关频率的动态调节。
如图4、图5、图6所示，输入电压为5.0V时，开关处的频率为2.063MHz；输入电压为2.6V时，开关处的频率为2.024MHz；输入电压为5.5V时，开关处的频率为2.058MHz；开关频率误差偏移小于2％。实时地校正开关频率，实现了恒定开关频率，显著改善了ACOT变换器的EMI性能，具有较好的应用前景。
虽然在上文中已经参考了一些实施例对本发明进行描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效无替换其中的技术点，尤其是，只要不存在技术冲突，本发明所纰漏的各种实施例中的各项特征均可通过任一方式结合起来使用，在本发明中未对这些组合的情况进行穷举行的描述仅仅是处于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而且包括落入权利要求。

Claims (7)

1.一种用于DC/DC的开关频率校正电路，其特征在于，所述开关频率校正电路由振荡器OSC、数字锁相环电路、分频器和逻辑模块连接组成。
2.根据权利要求1所述的用于DC/DC的开关频率校正电路，其特征在于，所述数字锁相环电路由鉴频鉴相器PFD模块、电荷泵CP模块、运算跨导放大器OTA模块和导通时间计时器On_Timer模块依次相连组成，其中所述振荡器OSC产生参考频率fref，并将参考频率信号传递至鉴频鉴相器PFD模块。
3.根据权利要求2所述的用于DC/DC的开关频率校正电路，其特征在于，所述振荡器由电流源、大电容、NMOS管及比较器组成，所述电流源与大电容连接，大电容与NMOS管相连，所述NMOS管与比较器相连。
4.根据权利要求2所述的用于DC/DC的开关频率校正电路，其特征在于，所述鉴频鉴相器PFD由一个与非门和一个或非门构成；所述导通时间计时器On_Timer产生的频率信号fhs经分频器分频之后，经鉴频鉴相器PFD与参考频率信号fref比较，输出信号传递至电荷泵CP中。
5.根据权利要求2所述的用于DC/DC的开关频率校正电路，其特征在于，所述电荷泵CP由电流源、N沟道MOS管及P沟道MOS管构成，将电流信号转换为电压信号；所述运算跨导放大器将电荷泵CP的输出信号与参考电压VREF1转换为电流信号；所述导通时间计时器On_Timer根据运算跨导放大器输出的电流信号产生上管导通的激励信号，由逻辑模块转换为频率信号，并经过分频器分频后输入鉴频鉴相器PFD中。
6.根据权利要求2所述的用于DC/DC的开关频率校正电路，其特征在于，所述导通时间计时器On_Timer产生频率信号fhs，所述频率信号fhs经逻辑模块和分频器后，与振荡器OSC产生的参考频率fref共同输入鉴频鉴相器PFD，所述鉴频鉴相器PFD的两路输出分别与电荷泵CP中NMOS管的栅极和PMOS管的栅极相连，NMOS管源极和PMOS管源极分别与电流源相连接，NMOS管源极和PMOS管的漏极相连并作为输出，该输出点与电阻相连接，电阻与运算跨导放大器OTA相连接。
7.根据权利要求2所述的用于DC/DC的开关频率校正电路，其特征在于,所述导通时间计时器On_Timer产生的频率信号fhs经分频器，分频后的信号与振荡器OSC产生的参考频率fref共同输入至鉴频鉴相器PFD，经鉴频鉴相器PFD比较之后产生占空比信号，由电荷泵CP将占空比信号转换成电压信号，由运算跨导放大器OTA转换为电流信号，导通时间计时器On_Timer根据电流信号对电容充电，当电容输出电压时触发比较器输出信号，从而产生与输入电压成反比且与输出电压成正比的导通时间TON。
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