CN108418398B - Dc-dc升压转换器的电感采样模块、电路及环路控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种DC‑DC升压转换器的电感采样模块、电路及环路控制系统。DC‑DC升压转换器的电感采样模块中设置沟道尺寸的比例关系为m:n:1的场效应管M3、场效应管M4和场效应管M5。场效应管M3和场效应管M4交替工作在电感放电状态和充电状态，使场效应管M5漏极到源极的采样电流I_CS在电感放电状态和充电状态的采样比例不同。因此在电感从充电状态切换为放电状态时采样电流I_CS中产生一个固定的差值ΔI，即迟滞电流窗口。基于此，在不引入额外功耗电路的情况下，使产生的采样电流I_CS中带有迟滞电流窗口，降低了电感采样模块的功耗，使它更适于在小型便携式电子产品中部署。

Description

DC-DC升压转换器的电感采样模块、电路及环路控制系统

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别是涉及DC-DC升压转换器的电感采样模块、电路及环路控制系统。

背景技术

DC-DC升压转换器是一种将较低的直流输入电压信号转化为较高的直流输出电压信号的器件，它的环路控制系统按照控制类型可以分为：电压控制模式和电流控制模式。

迟滞电流模控制方式属于电流控制模式的一种，因其带载能力不高，一般用于小型便携式电子产品中。迟滞电流模控制方式的环路控制系统根据DC-DC升压转换器的电感的采样电流和DC-DC升压转换器的输出电压，产生环路控制信号，该环路控制信号用来控制电感的充放电周期，从而控制DC-DC升压转换器的输出电压值。

电感采样电路是采用迟滞电流模控制方式的环路控制系统的重要组成部分。当DC-DC升压转换器工作时，DC-DC升压转换器的电感交替工作在充电状态和放电状态，电感采样电路对电感的输出电流进行采样，将电感的输出电流进行一定的处理，使电感从充电状态切换为放电状态后采样电路产生的采样电流中带有一个固定的差值ΔI，这个差值也称为迟滞电流窗口。迟滞电流窗口的大小能够影响电感电流的波纹大小和DC-DC升压转换器输出电压的波纹大小。

电感采样电路中最关键的模块是采样模块。现有的采样模块中为了产生迟滞电流窗口，通常的做法是引入一个能够产生迟滞电流窗口的外部功耗电路。当电感从充电状态切换为放电状态时，将外部功耗电路输出的迟滞电流窗口加入到采样电流中，待电感由放电状态切换回充电状态时，不再将外部功耗电路产生的迟滞电流窗口加入采样电流，以此进行循环，产生迟滞电流模控制方式所需要的采样电流。现有技术中为产生迟滞电流窗口而在电路中引入了额外的功耗电路，增加了采样模块的功耗。

发明内容

基于此，有必要针对必须引入额外功耗电路才能形成迟滞电流窗口的问题，提供一种DC-DC升压转换器的电感采样模块、电路及环路控制系统。

一方面，本发明实施例提供一种DC-DC升压转换器的电感采样模块，包括：场效应管M3、场效应管M4、场效应管M5、第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路、第四开关电路以及采样转换电阻RCS；

第一开关电路的第一端连接第一采样输入电流，第一开关电路的第二端连接第一环路控制信号，第一开关电路的第三端连接场效应管M3的漏极；场效应管M3的栅极连接开启电压，场效应管M3的源极连接第二开关电路的第一端；第二开关电路的第二端连接第一环路控制信号，第二开关电路的第三端接地；

第三开关电路的第一端连接DC-DC升压转换器的电压输出端，第三开关电路的第二端连接第二环路控制信号，第三开关电路的第三端连接场效应管M4的漏极；场效应管M4的栅极连接场效应管M3的栅极，场效应管M4的源极分别连接第四开关电路的第一端、第二采样输入电流；第四开关电路的第二端连接第一环路控制信号，第四开关电路的第三端连接第二开关电路的第三端；

采样转换电阻RCS一端连接第三开关电路的第一端，另一端为采样电压输出端，且采样电压输出端连接场效应管M5的漏极；场效应管M5的栅极连接场效应管M4的栅极，场效应管M5的源极分别连接场效应管M4的源极、第四开关电路的第一端；

场效应管M3、场效应管M4和场效应管M5的沟道尺寸的比例关系为m：n：1，且m≠n+1；当DC-DC升压转换器的电感放电时，第一环路控制信号和第二环路控制信号控制第一开关电路、第二开关电路和第四开关电路导通，第三开关电路关断；当电感充电时，第一环路控制信号和第二环路控制信号控制第三开关电路导通，第一开关电路、第二开关电路和第四开关电路关断。

在其中一个实施例中，还包括限流电路；

限流电路的输入端连接场效应管M5的漏极，限流电路的控制端连接场效应管M5的源极，限流电路的输出端连接第四开关电路的第三端。

在其中一个实施例中，限流电路包括场效应管M10；

场效应管M10的漏极连接场效应管M5的漏极，场效应管M10的栅极连接场效应管M5的源极，场效应管M10的源极连接第四开关电路的第三端。

在其中一个实施例中，限流电路包括三极管；

三极管的集电极连接述场效应管M5的漏极，三极管的基极连接场效应管M5的源极，三极管的发射极连接第四开关电路的第三端。

另一方面，本发明实施例还提供一种DC-DC升压转换器的电感采样电路，包括：第一采样输入模块、第二采样输入模块、第五开关电路、运算放大模块、以及上述的DC-DC升压转换器的电感采样模块；

第一采样输入模块的输入端连接DC-DC升压转换器的电感的输出端，第一采样输入模块的第一输出端分别连接运算放大模块的第一正向输入端、DC-DC升压转换器的电压输出端；第一采样输入模块的第二输出端分别连接运算放大模块的第一负向输入端、第一开关电路的第一端；第一采样输入模块的控制端连接第一环路控制信号，第一环路控制信号用于控制第一采样输入模块，在电感放电时，对电感的输出电流进行采样输入；

第二采样输入模块的第一输入端分别连接电感的输出端、第五开关电路的第三端，第二采样输入模块的第二输入端分别连接运算放大模块的第二负向输入端、场效应管M4的源极，第二采样输入模块的接地端接地；第二采样输入模块的控制端连接第二环路控制信号，第二环路控制信号用于控制第二采样输入模块，在电感充电时，对电感的输出电流进行采样输入；

第五开关电路的第一端分别连接运算放大模块的第二正向输入端、第二开关电路的第一端；第五开关电路的第二端连接第二环路控制信号；第二环路控制信号控制第五开关电路在电感充电时导通，在电感放电时关断；

运算放大模块的第一正向输入端和第一负向输入端在电感放电时工作，使运算放大模块输出开启电压至场效应管M3的栅极；运算放大模块的第二正向输入端和第二负向输入端在电感充电时工作，使运算放大模块输出开启电压至场效应管M3的栅极。

在其中一个实施例中，第一采样输入模块包括：场效应管M1和场效应管M1_CS；

场效应管M1的漏极连接电感的输出端，场效应管M1的栅极连接第一环路控制信号，场效应管M1的源极分别连接运算放大模块的第一正向输入端、DC-DC升压转换器的电压输出端；

场效应管M1_CS的漏极连接场效应管M1的漏极，场效应管M1_CS的栅极连接第一环路控制信号，场效应管M1_CS的源极分别连接运算放大模块的第一负向输入端、第一开关电路的第一端。

在其中一个实施例中，第二采样输入模块包括：场效应管M2和场效应管M2_CS；

场效应管M2的漏极分别连接电感的输出端、第五开关电路的第三端，场效应管M2的栅极连接第二环路控制信号，场效应管M2的源极接地；

场效应管M2_CS的漏极分别连接运算放大模块的第二负向输入端、场效应管M4的源极，场效应管M2_CS的栅极连接第二环路控制信号，场效应管M2_CS的源极连接场效应管M2的源极。

在其中一个实施例中，运算放大模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、第六开关电路以及第七开关电路；

第一运算放大器的正向输入端分别连接场效应管M1的源极、DC-DC升压转换器的电压输出端，第一运算放大器的负向输入端分别连接场效应管M1_CS的源极、第一开关电路的第一端，第一运算放大器的输出端连接第六开关电路的第一端；第六开关电路的第二端连接第一环路控制信号，第一环路控制信号控制第六开关线路在电感放电时导通，第六开关电路的第三端连接场效应管M3的栅极；

第二运算放大器的正向输入端分别连接第五开关电路的第一端、第二开关电路的第一端，第二运算放大器的负向输入端分别连接场效应管M2_CS的漏极、场效应管M4的源极，第二运算放大器的输出端连接第七开关电路的第一端；第七开关电路的第二端连接第二环路控制信号，第二环路控制信号控制第七开关电路在电感充电时导通，第七开关电路的第三端连接第六开关电路的第三端。

在其中一个实施例中，还包括滤波电路；

滤波电路的一端连接运算放大模块的输出端，另一端接地。

再一方面，本发明实施例提供一种DC-DC升压转换器环路控制系统，包括：电阻R1、电阻R2、误差放大器、比较器、逻辑控制单元以及上述的DC-DC升压转换器的电感采样电路；

DC-DC升压转换器的电感采样电路分别连接DC-DC升压转换器的电感的输出端、DC-DC升压转换器的电压输出端、比较器的正向输入端；

电阻R1的一端连接DC-DC升压转换器的电压输出端，电阻R1的另一端分别连接电阻R2的一端、误差放大器的负向输入端；电阻R2的另一端接地；误差放大器的正向输入端连接参考电压，误差放大器的输出端连接比较器的负向输入端；

比较器的输出端连接逻辑控制单元的输入端；逻辑控制单元的第一输出端输出第一环路控信号到DC-DC升压转换器的电感采样电路，逻辑控制单元的第二输出端输出第二环路控信号到DC-DC升压转换器的电感采样电路。

上述DC-DC升压转换器的电感采样模块，当DC-DC升压转换器的电感在充电状态时，场效应管M3不工作，场效应管M4和场效应管M5工作，场效应管M4漏极到源极的电流与场效应管M5漏极到源极的电流，即采样电流成比例n:1。当电感在放电状态时，场效应管M4不工作，场效应管M3和场效应管M5工作，场效应管M3漏极到源极的电流与采样电流成比例m:1。由于在电感充电状态和放电状态时的采样比例不同，使电感由充电状态切换为放电状态时采样电流中产生一个固定的差值ΔI，即迟滞电流窗口。基于此，在不引入额外功耗电路的情况下，使产生的采样电流中带有迟滞电流窗口，降低了电感采样模块的功耗。

上述DC-DC升压转换器的电感采样电路中的电感采样模块，基于第一采样输入模块在电感放电阶段产生的第一采样输入电流、第二采样输入模块在电感充电阶段产生的第二采样输入电流、运算放大模块产生的开启电压，产生符合迟滞电流模控制方式的采样电流。基于上述的DC-DC升压转换器的电感采样模块，在不引入额外功耗的条件下，产生带有固定的迟滞电流窗口的采样电流I_CS，使电感采样电路的功耗更低，更适于在小型便携式电子产品中部署。

上述DC-DC升压转换器环路控制系统中采用上述的DC-DC升压转换器的电感采样电路产生采样电流并输出相应的采样电压至后级的比较器，降低了环路控制系统的总功耗，使环路控制系统能更好的应用于小型便携式产品中。

附图说明

图1为一实施例中DC-DC升压转换器的电感采样模块结构示意图；

图2为图一实施例中关键信号的波形示意图；

图3为另一实施例中DC-DC升压转换器的电感采样模块的电路示意图；

图4为另一实施例中DC-DC升压转换器的电感采样模块的结构示意图；

图5为一实施例中DC-DC升压转换器的电感采样电路的结构示意图；

图6为另一实施例中DC-DC升压转换器的电感采样电路的结构示意图；

图7为另一实施例中DC-DC升压转换器的电感采样电路的电路示意图；

图8为一实施例中DC-DC升压转换器环路控制系统结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明实施例提供一种DC-DC升压转换器的电感采样模块，如图1所示，该模块包括：场效应管M3、场效应管M4、场效应管M5、第一开关电路151、第二开关电路152、第三开关电路153、第四开关电路154以及采样转换电阻RCS。

第一开关电路151的第一端连接第一采样输入电流I_CS1，第一开关电路151的第二端连接第一环路控制信号DH，第一开关电路151的第三端连接场效应管M3的漏极；场效应管M3的栅极连接开启电压V_O，场效应管M3的源极连接第二开关电路152的第一端；第二开关电路152的第二端连接第一环路控制信号DH，第二开关电路152的第三端接地。

第三开关电路153的第一端连接DC-DC升压转换器的电压输出端VOUT，第三开关电路153的第二端连接第二环路控制信号DL，第三开关电路153的第三端连接场效应管M4的漏极；场效应管M4的栅极连接场效应管M3的栅极，场效应管M4的源极分别连接第四开关电路154的第一端、第二采样输入电流I_CS2；第四开关电路154的第二端连接第一环路控制信号DH，第四开关电路154的第三端连接第二开关电路152的第三端。

采样转换电阻RCS一端连接第三开关电路153的第一端，另一端为采样电压输出端VCS，且采样电压输出端VCS连接场效应管M5的漏极；场效应管M5的栅极连接场效应管M4的栅极，场效应管M5的源极分别连接场效应管M4的源极、第四开关电路154的第一端。

场效应管M3、场效应管M4和场效应管M5的沟道尺寸的比例关系为m：n：1，且m≠n+1；当DC-DC升压转换器的电感放电时，第一环路控制信号DH和第二环路控制信号DL控制第一开关电路151、第二开关电路152和第四开关电路154导通，第三开关电路153关断；当电感充电时，第一环路控制信号DH和第二环路控制信号DL控制第三开关电路153导通，第一开关电路151、第二开关电路152和第四开关电路154关断。

其中，第一采样输入电流I_CS1与电感放电时的电流成正比，第一采样输入电流I_CS1在电感充电时为零。第二采样输入电流I_CS2与电感充电时的电流成正比，第二采样输入电流I_CS2在电感放电时为零。在电感的工作状态切换时，第一采样输入电流I_CS1与第二采样输入电流I_CS2相等。场效应管M5的漏极到源极的电流为采样电流I_CS，采样电压输出端VCS输出的是采样电压信号V_CS。场效应管M3、场效应管M4和场效应管M5均为N沟道场效应管。

场效应管的沟道尺寸成比例也就是说，两个场效应管的沟道长度相同，沟道宽度成比例；或者是说，两个场效应管的沟道宽度相同，沟道长度成比例。在本实施例中，可以理解为，场效应管M3、场效应管M4和场效应管M5的沟道长度相同，沟道宽度成比例关系m：n：1；或者理解为，场效应管M3、场效应管M4和场效应管M5的沟道宽度相同，沟道长度成比例关系m：n：1。

需要说明的是，对于沟道尺寸成比例的两个场效应管，如果它们漏极、栅极、源极三端的电压对应相等，且它们都工作在线性区，则流过它们的电流比例与它们的沟道尺寸所成的比例相同。

因此对上述DC-DC升压转换器的电感采样模块做如下分析：

在电感的放电阶段，第一环路控制信号DH和第二环路控制信号DL控制第一开关电路151、第二开关电路152和第四开关电路154导通，第三开关电路153关断，场效应管M4不工作，场效应管M3和场效应管M5工作。控制场效应管M3和场效应管M5三端电压相等且工作在线性区，场效应管M3的漏极到源极的电流I_{1_CS}，与场效应管M5的漏极到源极的电流即采样电流I_CS，成正比m:1。此时，第一采样输入电流I_CS1通过第一开关电路151流入场效应管M3的漏极，第一采样输入电流I_CS1与电流I_{1_CS}相等。因此有：

I_CS1＝I_{1_CS}＝m×I_CS (1)

在电感的充电阶段，第一环路控制信号DH和第二环路控制信号DL控制第一开关电路151、第二开关电路152和第四开关电路154关断，第三开关电路153导通，因此场效应管M3不工作，场效应管M4和场效应管M5工作。控制场效应管M4和场效应管M5三端电压相等且工作在线性区，场效应管M4的漏极到源极的电流I_{2_CS}，与场效应管M5的漏极到源极的电流即采样电流I_CS，成正比n:1。场效应管M4的源极与场效应管M5的源极连接，使电流I_{2_CS}与采样电流I_CS相加后，接入第二采样输入电流I_CS2，从而电流I_{2_CS}与采样电流I_CS的和等于第二采样输入电流I_CS2。

I_{2_CS}＝n×I_CS (2)

I_CS2＝I_{2_CS}+I_CS (3)

因此，在电感放电阶段，采样电流I_CS和第一采样输入电流I_CS1的关系可表示为式(4)。

在电感充电阶段，采样电流I_CS和第二采样输入电流I_CS2的关系可表示为式(5)。

在电感由充电状态转换为放电状态时，第一采样输入电流I_CS1与第二采样输入电流I_CS2相等，因为m≠n+1，迟滞电流I_CS中会出现电流差值ΔI，也就是迟滞电流窗口。这时的迟滞电流窗口可以由式(6)表达。

通过调节m:n的比例关系，就能够调节迟滞电流窗口的大小。

采样电流I_CS经过采样转换电阻RCS转换为采样电压V_CS，输出到下一级电路，采样电压V_CS可表示为：

V_CS＝V_OUT-I_CS×R_CS (7)

其中，R_CS为采样转换电阻RCS的阻值。

当DC-DC升压装换器稳定时，电感充电过程中电流的变化量与放电过程是一样的，因此由式(6)能够得出迟滞电流窗口ΔI与电感的输出电流I_L的波动差值I_HYS成正比例关系。

图2为本实施例中一些关键信号的波形示意图。图中I_L为电感的输出电流。可以看到，当电感放电时，I_L越来越小，电流I_{1_CS}与电感的输出电流I_L基本成正比，电流I_{2_CS}为零。当电感充电时，I_L越来越大，电流I_{2_CS}与电感的输出电流I_L基本成正比，电流I_{1_CS}为零。采样电流I_CS在电感充电时和放电时的采样比例不同，在电感由充电状态切换为放电状态时，采样电流I_CS的值有一个跳变的差值ΔI，这个ΔI就是迟滞电流窗口。

在本实施例的DC-DC升压转换器的电感采样模块中，场效应管M3和场效应管M4交替工作在电感放电阶段和充电阶段，使采样电流I_CS在电感放电状态和充电状态的采样比例不同。在电感由充电状态切换为放电状态时采样电流I_CS中会产生一个固定的差值ΔI，即迟滞电流窗口。基于此，在不引入额外功耗电路的情况下，使产生的采样电流I_CS中带有迟滞电流窗口ΔI，降低了电感采样模块功耗。

在某些实施例中，开关电路可以采用场效应管、三极管等具有开关特性的三端元器件。例如，参照图3所示，第一开关电路151包括N沟道场效应管M6，第二开关电路152包括N沟道场效应管M7，第三开关电路153包括N沟道场效应管M8，第四开关电路154包括N沟道场效应管M9。

在某些实施例中，第一环路控制信号DH和第二环路控制信号DL采用一对反向不交叠的电压信号，变换在高电平状态和低电平状态。参见图2中所示，第一环路控制信号DH为高电平时，第二环路控制信号DL为低电平，这时电感为放电状态；第一环路控制信号DH为低电平时，第二环路控制信号DL为高电平，这时电感为充电状态。

在其中一个实施例中，如图3所示，DC-DC升压转换器的电感采样模块包括：场效应管M3、场效应管M4、场效应管M5、场效应管M6、场效应管M7、场效应管M8、场效应管M9、场效应管M12、场效应管M13以及电阻RCS’。其中，场效应管M12和场效应管M13为P沟道场效应管，其余的场效应管均为N沟道场效应管。

场效应管M6的漏极连接第一采样输入电流I_CS1，场效应管M6的栅极连接第一环路控制信号DH，场效应管M6的源极连接场效应管M3的漏极；场效应管M3的栅极连接开启电压V_O，场效应管M3的源极连接场效应管M7的漏极；场效应管M7的栅极连接第一环路控制信号DH，场效应管M7的源极接地。

场效应管M8的漏极连接DC-DC升压转换器的电压输出端VOUT，场效应管M8的栅极连接第二环路控制信号DL，场效应管M8的源极连接场效应管M4的漏极；场效应管M4的栅极连接场效应管M3的栅极，场效应管M4的源极分别连接场效应管M9的漏极、第二采样输入电流I_CS2；场效应管M9的栅极连接第一环路控制信号DH，场效应管M9的源极连接场效应管M7的源极。

场效应管M12的源极连接场效应管M8的漏极，场效应管M12的漏极分别连接场效应管M12的栅极、场效应管M5的漏极、场效应管M13的栅极；场效应管M5的栅极连接场效应管M4的栅极，场效应管M5的源极连接场效应管M4的源极，场效应管M5的漏极到源极的电流为采样电流I_CS；场效应管M13的源极连接场效应管M12的源极，场效应管M13的漏极为采样电压输出端VCS，采样电压输出端VCS连接电阻RCS’的一端，电阻RCS’的另一端连接场效应管M9的源极。

参见图3，本实施例的DC-DC升压转换器的电感采样模块输出的采样电压V_CS可以表示为：

V_CS＝I_CS×R_CS' (8)

其中，R_CS’为电阻RCS’的阻值。本实施例的迟滞电流窗口产生原理与上述实施例相同，此处不再赘述。

在其中一个实施例中，DC-DC升压转换器的电感采样模块还包括限流电路155。限流电路155的输入端连接场效应管M5的漏极，限流电路155的控制端连接场效应管M5的源极，限流电路155的输出端连接第四开关电路154的第三端。

具体的，当第一环路控制信号DH和第二环路控制信号DL采用一对反向不交叠电压信号时，在电感从放电状态向充电状态切换的过程中，存在一个死区时间，在这个死区时间第一环路控制信号DH和第二环路控制信号DL同时为低电平。这时，电感上的电能没有释放的通路，会造成电感的输出端SW电压很高。在电感从放电状态切换到充电状态时，第二环路控制信号DL从低电平变为高电平，由于电感输出端电压很高，会使场效应管M4和场效应管M5进入线性区，这时若不加以限制，采样电流I_CS会出现大的尖峰，造成DC-DC升压转换器输出电压的纹波增大。加入限流电路155，能够限制采样电路出现大的尖峰，使DC-DC升压转换器的电感采样模块产生的采样电流I_CS更稳定。

在其中一个实施例中，如图4所示，限流电路155包括场效应管M10。场效应管M10的漏极连接场效应管M5的漏极，场效应管M10的栅极连接场效应管M5的源极，场效应管M10的源极连接第四开关电路154的第三端。

具体而言，在电感从放电状态切换到充电状态时，第二环路控制信号DL从低电平变为高电平，使场效应管M4和场效应管M5进入线性区，场效应管M4源极和场效应管M5的源极也被抬至比较高的电位，这时场效应管M10导通。因为第四开关电路154的第三端连接第二开关电路152的第三端并且接地，场效应管M4源极和场效应管M5源极的高电压通过场效应管M10接地，这样就限制了采样电流I_CS中尖峰的产生。

在其中一个实施例中，限流电路155包括三极管。三极管的集电极连接述场效应管M5的漏极，三极管的基极连接场效应管M5的源极，三极管的发射极连接第四开关电路154的第三端。当三极管的基极电压超过一定幅值时，三极管导通，基于同样的原理，能够限制采样电流I_CS中尖峰的产生。

如图5所示，本发明实施例还提供一种DC-DC升压转换器的电感采样电路10，电路包括：第一采样输入模块110、第二采样输入模块120、第五开关电路130、运算放大模块140、以及上述实施例中的DC-DC升压转换器的电感采样模块。

第一采样输入模块110的输入端连接DC-DC升压转换器的电感的输出端SW，第一采样输入模块110的第一输出端分别连接运算放大模块140的第一正向输入端、DC-DC升压转换器的电压输出端VOUT；第一采样输入模块110的第二输出端分别连接运算放大模块140的第一负向输入端、第一开关电路151的第一端；第一采样输入模块110的控制端连接第一环路控制信号，第一环路控制信号DH用于控制第一采样输入模块110，在电感放电时，对电感的输出电流I_L进行采样输入。

第二采样输入模块120的第一输入端分别连接电感的输出端SW、第五开关电路130的第三端，第二采样输入模块120的第二输入端分别连接运算放大模块140的第二负向输入端、场效应管M4的源极，第二采样输入模块120的接地端接地；第二采样输入模块120的控制端连接第二环路控制信号DL，第二环路控制信号DL用于控制第二采样输入模块120，在电感充电时，对电感的输出电流I_L进行采样输入。

第五开关电路130的第一端分别连接运算放大模块140的第二正向输入端、第二开关电路152的第一端；第五开关电路130的第二端连接第二环路控制信号DL；第二环路控制信号DL控制第五开关电路130在电感充电时导通，在电感放电时关断。

运算放大模块140的第一正向输入端和第一负向输入端在电感放电时工作，使运算放大模块140输出开启电压V_O至场效应管M3的栅极；运算放大模块140的第二正向输入端和第二负向输入端在电感充电时工作，使运算放大模块140输出开启电压V_O至场效应管M3的栅极。

具体的，当电感处于放电状态，第一环路控制信号DH控制第一采样输入模块110工作，第二环路控制信号DL控制第二采样输入模块120不工作。运算放大模块140根据第一正向输入端和第一负向输入端的信号输出开启电压V_O到场效应管M3的栅极、场效应管M4的栅极以及场效应管M5的栅极。电感采样模块基于第一采样输入电流I_CS1和开启电压V_O产生电感放电阶段的采样电流I_CS，输出采样电压V_CS。

当电感处于充电状态，第一环路控制信号DH控制第一采样输入模块110不工作，第二环路控制信号DL控制第二采样输入模块120工作。运算放大模块140根据第二正向输入端和第二负向输入端的信号输出开启电压V_O到场效应管M3的栅极、场效应管M4的栅极以及场效应管M5的栅极。电感采样模块中的场效应管M4和场效应管M5工作，场效应管M4的漏极到源极的电流和场效应管M5的漏极到源极的电流相加后，接入第二采样输入模块120产生的第二采样输入电流I_CS2。第二采样输入电流I_CS2反向控制电流I_{2_CS}和采样电流I_CS之和的大小，从而产生电感充电阶段的采样电流I_CS，输出采样电压V_CS。

本实施例提供的DC-DC升压转换器的电感采样电路10中，电感采样模块基于第一采样输入模块110在电感放电阶段产生的第一采样输入电流I_CS1、第二采样输入模块120在电感充电阶段产生的第二采样输入电流I_CS2、运算放大模块140产生的开启电压V_O，产生符合迟滞电流模控制方式的采样电流I_CS。基于此，在不引入额外功耗得条件下，产生带有固定的迟滞电流窗口ΔI的采样电流I_CS，使电感采样电路的功耗更低，更适于在小型便携式电子产品中部署。

在其中一个实施例中，如图5所示，第五开关电路130包括场效应管M11。场效应管M11的漏极分别连接运算放大模块140的第二正向输入端、第二开关电路152的第一端；场效应管M11的栅极连接第二环路控制信号DL；场效应管M11的源极分别连接场效应管M2的漏极、电感的输出端SW。

在其中一个实施例中，如图6所示，第一采样输入模块110包括：场效应管M1和场效应管M1_CS。

场效应管M1的漏极连接电感的输出端SW，场效应管M1的栅极连接第一环路控制信号DH，场效应管M1的源极分别连接运算放大模块140的第一正向输入端、DC-DC升压转换器的电压输出端VOUT。场效应管M1_CS的漏极连接场效应管M1的漏极，场效应管M1_CS的栅极连接第一环路控制信号DH，场效应管M1_CS的源极分别连接运算放大模块140的第一负向输入端、第一开关电路151的第一端。

在其中一个实施例中，如图6所示，第二采样输入模块120包括：场效应管M2和场效应管M2_CS。

场效应管M2的漏极分别连接电感的输出端SW、第五开关电路130的第三端，场效应管M2的栅极连接第二环路控制信号DL，场效应管M2的源极接地。场效应管M2_CS的漏极分别连接运算放大模块的第二负向输入端、场效应管M4的源极，场效应管M2_CS的栅极连接第二环路控制信号DL，场效应管M2_CS的源极连接场效应管M2的源极。

在其中一个实施例中，还包括滤波电路。滤波电路的一端连接运算放大模块140的输出端，另一端接地。

优选的，如图6所示，滤波电路包括电容C1，电容C1一端连接运算放大模块140的输出端，另一端接地。

在不添加滤波电路的实施例中，因为第一采样输入模块110和第二采样输入模块120共用一个运算放大模块140，在第一采样输入模块110和第二采样输入模块120进行切换时，运算放大模块140的输出电流会出现尖峰，也就是过冲现象。表现在图2中，则可以看到场效应管M3和场效应管M4切换工作时，电流I_{2_CS}的波形出现尖峰。

在运算放大模块140输出端添加滤波电路可以滤除电流尖峰，使电路更稳定。图2中的采样电流Ics波形示意图，是添加了电容C1之后的DC-DC升压转换器的电感采样电路10所产生的，可以看到采样电流I_CS非常平滑，没有出现过冲现象。

在其中一个实施例中，如图7所示，运算放大模块140包括第一运算放大器141、第二运算放大器142、第六开关电路143以及第七开关电路144。

第一运算放大器141的正向输入端分别连接场效应管M1的源极、DC-DC升压转换器的电压输出端VOUT，第一运算放大器141的负向输入端分别连接场效应管M1_CS的源极、第一开关电路151的第一端，第一运算放大器141的输出端连接第六开关电路143的第一端；第六开关电路143的第二端连接第一环路控制信号DH，第一环路控制信号DH控制第六开关电路143在电感放电时导通，第六开关电路143的第三端连接场效应管M3的栅极。

第二运算放大器142的正向输入端分别连接第五开关电路130的第一端、第二开关电路152的第一端，第二运算放大器142的负向输入端分别连接场效应管M2_CS的漏极、场效应管M4的源极，第二运算放大器142的输出端连接第七开关电路144的第一端；第七开关电路144的第二端连接第二环路控制信号DL，第二环路控制信号DL控制第七开关电路144在电感充电时导通，第七开关电路144的第三端连接第六开关电路143的第三端。

具体的，第一运算放大器141在电感放电时工作，为场效应管M3的栅极、场效应管M4的栅极以及场效应管M5的栅极提供开启电压V_O。第二运算放大器142在电感充电时工作，为场效应管M3的栅极、场效应管M4的栅极以及场效应管M5的栅极提供开启电压V_O。

DC-DC升压转换器的电感采样电路10的一个具体实施例的电路如图7所示。

当电感工作在放电阶段，第一环路控制信号DH为高电平，第二环路控制信号DL为低电平，场效应管M1和场效应管M1_CS导通，场效应管M2和场效应管M2_CS关断，场效应管M6、场效应管M7以及场效应管M9导通，场效应管M8关断。第六开关电路143导通，第七开关电路144关断。当电路达到稳定时，第一运算放大器141会使其正向输入端的电压与负向输入端的电压相等，因此DC-DC升压转换器的输出电压V_OUT和节点HSCS的电压V_HSCS相等。此时场效应管M1和场效应管M1_CS处于深度线性区，可以等效为导通电阻，场效应管M1等效为阻值为R₁的电阻，场效应管M1_CS等效为阻值为R_{1_CS}的电阻。场效应管M1的漏极到源极的电流为I₁，场效应管M1_CS的漏极到源极的电流为第一采样输入电流I_CS1。因此，可以得到式(9)。

因此，可知第一采样输入电流I_CS1与电感输出端SW流入的电感的输出电流I_L成正比例关系。由式(4)可以推出，采样电流I_CS和电感的输出电流I_L也成正比。

当电感工作在充电阶段，第一环路控制信号DH为低电平，第二环路控制信号DL为高电平，场效应管M1和场效应管M1_CS关断，场效应管M2和场效应管M2_CS导通，场效应管M6、场效应管M7以及场效应管M9关断，场效应管M8导通。第六开关电路143关断，第七开关电路144导通。当电路达到稳定时，第二运算放大器142会使其正向输入端的电压与负向输入端的电压相等，因此节点LSCS的电压V_LSCS和场效应管M11的漏极电压相等。此时场效应管M2和场效应管M2_CS处于深度线性区，可以等效为导通电阻，场效应管M2等效为阻值为R₂的电阻，场效应管M2_CS等效为阻值为R_{2_CS}的电阻。场效应管M2的漏极到源极的电流为I₂，场效应管M2_CS的漏极到源极的电流为第二采样输入电流I_CS2。因此，第二采样输入电流I_CS2和电流I₂的关系如式(11)。由此，可知第二采样输入电流I_CS2与电感的输出电流I_L成正比。

电流I_{2_CS}和采样电流I_CS相加后经节点LSCS接入场效应管M2_CS的漏极，第二采样输入电流I_CS2等于电流I_{2_CS}和采样电流I_CS之和。由式(5)可以推出，采样电流I_CS和电感的输出电流I_L也成正比。

在电感由充电状态切换为放电状态时，第一采样输入电流I_CS1与第二采样输入电流I_CS2相等，m≠n+1，迟滞电流窗口ΔI可表示为式(13)。

由上式可以推得，迟滞电流窗口ΔI与电感的输出电流I_L的波动差值I_HYS成正比关系。

如图8所示，本发明实施例还提供一种DC-DC升压转换器环路控制系统，包括：电阻R1、电阻R2、误差放大器20、比较器30、逻辑控制单元40以及上述实施例中的DC-DC升压转换器的电感采样电路10。

DC-DC升压转换器的电感采样电路10分别连接DC-DC升压转换器的电感的输出端SW、DC-DC升压转换器的电压输出端VOUT、比较器30的正向输入端。电阻R1的一端连接DC-DC升压转换器的电压输出端VOUT，电阻R1的另一端分别连接电阻R2的一端、误差放大器20的负向输入端；电阻R2的另一端接地；误差放大器20的正向输入端连接参考电压V_REF，误差放大器20的输出端连接比较器30的负向输入端。比较器30的输出端连接逻辑控制单元40的输入端；逻辑控制单元40的第一输出端输出第一环路控信号DH到DC-DC升压转换器的电感采样电路10，逻辑控制单元40的第二输出端输出第二环路控信号DL到DC-DC升压转换器的电感采样电路10。

具体而言，DC-DC升压转换器的电感采样电路10受第一环路控制信号DH和第二环路控制信号DL的控制，对电感的输出端SW信号进行采样，输出采样电压V_CS至比较器30的正向输入端；DC-DC升压转换器的输出电压V_OUT经电阻R1和电阻R2分压，采用串联的电阻R1和电阻R₂之间的电压为反馈电压V_FB，并将反馈电压V_FB传输至误差放大器20的负向输入端；反馈电压V_FB与接在误差放大器20正向输入端的参考电压V_REF经误差放大器20进行差值放大，输出误差放大电压V_C至比较器30的负向输入端；采样电压V_CS和误差放大电压V_C在比较器30进行比较，产生逻辑信号COMP并输出至逻辑控制单元40；逻辑信号COMP经逻辑控制单元40处理，产生并输出第一环路控制信号DH和第二环路控制信号DL至DC-DC升压转换器的电感采样电路10。第一环路控制信号DH和第二环路控制信号DL是一对反向不交叠的电压信号，变换在高电平状态和低电平状态。

其中，采样电压V_CS跟随电感的工作状态变化，当电感充电时，采样电压V_CS随着采样电流I_CS的增大而持续减小，直到采样电压V_CS小于误差放大电压V_C时，逻辑信号COMP变为低电平，逻辑控制单元40的两个输出信号变换，第一环路控制信号DH为高电平，第二环路控制信号DL为低电平，同时电感由充电状态转换为放电状态。在电感从充电转换为放电的转换时刻，DC-DC升压转换器的电感采样电路10产生的采样电流I_CS中叠加迟滞电流窗口ΔI，其输出的采样电压V_CS上相应的减少一个ΔV。电感转为放电状态后，采样电压V_CS从V_C-ΔV开始随采样电流I_CS的减小而持续增大，当采样电压V_CS增大到大于误差放大电压V_C时，逻辑信号COMP变为高电平，逻辑控制单元40的两个输出信号变换，第一环路控制信号DH为低电平，第二环路控制信号DL为高电平，同时电感由放电状态转换为充电状态。在电感从放电转换为充电的转换时刻，迟滞电流窗口ΔI会从采样电流ICS中去掉，相应的采样电压V_CS会增加一个ΔV。电感转换为充电状态后，采样电压V_CS从V_C+ΔV开始随采样电流增大而减小，之后循环往复进行上述过程。

当环路控制系统稳定时，误差放大电压V_C趋于固定值，采样电压V_CS由于采样流I_CS中的迟滞电流窗口ΔI，相应的产生变化量ΔV，使采样电压V_CS在误差放大电压V_C上下区间变化，使得比较器30翻转，信号COMP在高低电平状态变化，从而使逻辑控制单元40输出的第一环路控制信号DH和第二环路控制信号DL相互变换电平状态，使电感变换充放电状态。本实施例提供的DC-C升压转换器环路控制系统中，运用了功耗更低的电感采样电路，从而系统的功耗也有所降低，使本系统更适于在小型便携式电子产品中部署。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种DC-DC升压转换器的电感采样模块，其特征在于，包括：场效应管M3、场效应管M4、场效应管M5、第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路、第四开关电路以及采样转换电阻RCS；

所述第一开关电路的第一端连接第一采样输入电流，所述第一开关电路的第二端连接第一环路控制信号，所述第一开关电路的第三端连接所述场效应管M3的漏极；所述场效应管M3的栅极连接开启电压，所述场效应管M3的源极连接所述第二开关电路的第一端；所述第二开关电路的第二端连接所述第一环路控制信号，所述第二开关电路的第三端接地；

所述第三开关电路的第一端连接所述DC-DC升压转换器的电压输出端，所述第三开关电路的第二端连接第二环路控制信号，所述第三开关电路的第三端连接所述场效应管M4的漏极；所述场效应管M4的栅极连接所述场效应管M3的栅极，所述场效应管M4的源极分别连接第四开关电路的第一端、第二采样输入电流；所述第四开关电路的第二端连接所述第一环路控制信号，所述第四开关电路的第三端连接所述第二开关电路的第三端；

所述采样转换电阻RCS一端连接所述第三开关电路的第一端，另一端为采样电压输出端，且所述采样电压输出端连接所述场效应管M5的漏极；所述场效应管M5的栅极连接所述场效应管M4的栅极，所述场效应管M5的源极分别连接所述场效应管M4的源极、所述第四开关电路的第一端；

所述场效应管M3、所述场效应管M4和所述场效应管M5的沟道尺寸的比例关系为m：n：1，且m≠n+1；当DC-DC升压转换器的电感放电时，所述第一环路控制信号和所述第二环路控制信号控制所述第一开关电路、所述第二开关电路和所述第四开关电路导通，所述第三开关电路关断；当所述电感充电时，所述第一环路控制信号和所述第二环路控制信号控制所述第三开关电路导通，所述第一开关电路、所述第二开关电路和所述第四开关电路关断。

2.根据权利要求1所述的DC-DC升压转换器的电感采样模块，其特征在于，还包括限流电路；

所述限流电路的输入端连接所述场效应管M5的漏极，所述限流电路的控制端连接所述场效应管M5的源极，所述限流电路的输出端连接所述第四开关电路的第三端。

3.根据权利要求2所述的DC-DC升压转换器的电感采样模块，其特征在于，所述限流电路包括场效应管M10；

所述场效应管M10的漏极连接所述场效应管M5的漏极，所述场效应管M10的栅极连接所述场效应管M5的源极，所述场效应管M10的源极连接所述第四开关电路的第三端。

4.根据权利要求2所述的DC-DC升压转换器的电感采样模块，其特征在于，所述限流电路包括三极管；

所述三极管的集电极连接所述述场效应管M5的漏极，所述三极管的基极连接所述场效应管M5的源极，所述三极管的发射极连接所述第四开关电路的第三端。

5.一种DC-DC升压转换器的电感采样电路，其特征在于，包括：第一采样输入模块、第二采样输入模块、第五开关电路、运算放大模块、以及如权利要求1至4任意一项的所述DC-DC升压转换器的电感采样模块；

所述第一采样输入模块的输入端连接DC-DC升压转换器的电感的输出端，所述第一采样输入模块的第一输出端分别连接所述运算放大模块的第一正向输入端、所述DC-DC升压转换器的电压输出端；所述第一采样输入模块的第二输出端分别连接所述运算放大模块的第一负向输入端、所述第一开关电路的第一端；所述第一采样输入模块的控制端连接所述第一环路控制信号，所述第一环路控制信号用于控制所述第一采样输入模块，在所述电感放电时，对所述电感的输出电流进行采样输入；

所述第二采样输入模块的第一输入端分别连接所述电感的输出端、所述第五开关电路的第三端，所述第二采样输入模块的第二输入端分别连接所述运算放大模块的第二负向输入端、所述场效应管M4的源极，所述第二采样输入模块的接地端接地；所述第二采样输入模块的控制端连接第二环路控制信号，所述第二环路控制信号用于控制所述第二采样输入模块，在所述电感充电时，对所述电感的输出电流进行采样输入；

所述第五开关电路的第一端分别连接所述运算放大模块的第二正向输入端、所述第二开关电路的第一端；所述第五开关电路的第二端连接所述第二环路控制信号；所述第二环路控制信号控制所述第五开关电路在所述电感充电时导通，在所述电感放电时关断；

所述运算放大模块的第一正向输入端和第一负向输入端在所述电感放电时工作，使所述运算放大模块输出开启电压至所述场效应管M3的栅极；所述运算放大模块的第二正向输入端和第二负向输入端在所述电感充电时工作，使所述运算放大模块输出所述开启电压至所述场效应管M3的栅极。

6.根据权利要求5所述的DC-DC升压转换器的电感采样电路，其特征在于，所述第一采样输入模块包括：场效应管M1和场效应管M1_CS；

所述场效应管M1的漏极连接所述电感的输出端，所述场效应管M1的栅极连接所述第一环路控制信号，所述场效应管M1的源极分别连接所述运算放大模块的第一正向输入端、所述DC-DC升压转换器的电压输出端；

所述场效应管M1_CS的漏极连接所述场效应管M1的漏极，所述场效应管M1_CS的栅极连接所述第一环路控制信号，所述场效应管M1_CS的源极分别连接所述运算放大模块的第一负向输入端、所述第一开关电路的第一端。

7.根据权利要求6所述的DC-DC升压转换器的电感采样电路，其特征在于，所述第二采样输入模块包括：场效应管M2和场效应管M2_CS；

所述场效应管M2的漏极分别连接所述电感的输出端、所述第五开关电路的第三端，所述场效应管M2的栅极连接所述第二环路控制信号，所述场效应管M2的源极接地；

所述场效应管M2_CS的漏极分别连接所述运算放大模块的第二负向输入端、所述场效应管M4的源极，所述场效应管M2_CS的栅极连接所述第二环路控制信号，所述场效应管M2_CS的源极连接所述场效应管M2的源极。

8.根据权利要求7所述的DC-DC升压转换器的电感采样电路，其特征在于，所述运算放大模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、第六开关电路以及第七开关电路；

所述第一运算放大器的正向输入端分别连接所述场效应管M1的源极、所述DC-DC升压转换器的电压输出端，所述第一运算放大器的负向输入端分别连接所述场效应管M1_CS的源极、所述第一开关电路的第一端，所述第一运算放大器的输出端连接所述第六开关电路的第一端；所述第六开关电路的第二端连接所述第一环路控制信号，所述第一环路控制信号控制所述第六开关线路在所述电感放电时导通，所述第六开关电路的第三端连接所述场效应管M3的栅极；

所述第二运算放大器的正向输入端分别连接所述第五开关电路的第一端、所述第二开关电路的第一端，所述第二运算放大器的负向输入端分别连接所述场效应管M2_CS的漏极、所述场效应管M4的源极，所述第二运算放大器的输出端连接所述第七开关电路的第一端；所述第七开关电路的第二端连接所述第二环路控制信号，所述第二环路控制信号控制所述第七开关电路在所述电感充电时导通，所述第七开关电路的第三端连接所述第六开关电路的第三端。

9.根据权利要求5所述的DC-DC升压转换器的电感采样电路，其特征在于，还包括滤波电路；

所述滤波电路的一端连接所述运算放大模块的输出端，另一端接地。

10.一种DC-DC升压转换器环路控制系统，其特征在于，包括：电阻R1、电阻R2、误差放大器、比较器、逻辑控制单元以及如权利要求5至9任意一项所述的DC-DC升压转换器的电感采样电路；

所述DC-DC升压转换器的电感采样电路分别连接DC-DC升压转换器的电感的输出端、DC-DC升压转换器的电压输出端、所述比较器的正向输入端；

所述电阻R1的一端连接所述DC-DC升压转换器的电压输出端，所述电阻R1的另一端分别连接所述电阻R2的一端、所述误差放大器的负向输入端；所述电阻R2的另一端接地；所述误差放大器的正向输入端连接参考电压，所述误差放大器的输出端连接所述比较器的负向输入端；

所述比较器的输出端连接所述逻辑控制单元的输入端；所述逻辑控制单元的第一输出端输出第一环路控信号到所述DC-DC升压转换器的电感采样电路，所述逻辑控制单元的第二输出端输出第二环路控信号到所述DC-DC升压转换器的电感采样电路。