CN109212350A - 一种用于降压型电压转换器的瞬态跳变检测电路 - Google Patents

一种用于降压型电压转换器的瞬态跳变检测电路 Download PDF

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Abstract

一种用于降压型电压转换器的瞬态跳变检测电路，属于基本电子电路领域。包括滤波模块、微分模块和比较模块，滤波模块的输入端连接降压型电压转换器的输出电压，其输出端连接微分模块的输入端；微分模块将滤波后的降压型电压转换器的输出电压的电压变化信息以差分电压的形式输出；比较模块包括输出极性相反的第一比较器和第二比较器，第一比较器和第二比较器的输入信号均为微分模块输出的差分电压；根据第一比较器和第二比较器的输出信号可以判断降压型电压转换器的输出电压的情况。本发明能够快速检测出降压型电压转换器负载跳变，不会影响降压型电压转换器现有环路的稳定性、工作频率或零极点分布，也不需要添加额外管脚，适用范围广。

Description

一种用于降压型电压转换器的瞬态跳变检测电路
技术领域
本发明属于基本电子电路领域，具体涉及一种用于降压型电压转换器的瞬态跳变检测电路的设计。
背景技术
在降压型电压转换器(BUCK)的系统设计中，为了调整BUCK输出电压，除了迟滞模式的电压变换器，系统一般通过调整占空比的方式间接调整BUCK输出电压的大小，一般情况下为了系统稳定，占空比不能过于快速地变化。然而针对负载跳变引起的BUCK输出电压波动，本质上是由于系统的输出电流不能很好地跟随负载电流的变化而变化。
现有系统针对降压型电压转换器的瞬态跳变，为了加快系统输出电流调整的速度，一般会在环路中引入零点加快环路响应，然而这依然不能使系统瞬间进入最快响应的状态，即系统进入100％占空比或0％占空比；某些系统为了进一步提高系统截止频率，会提高系统的工作频率，减少功率级的滤波电感电容，这些都会加大开关损耗，不利于大功率应用；也有些方式是降低环路增益从而提高极点的位置最终拓展截止频率，但是这会导致线性调整率和负载调整率变差。上述方法都只能单一地优化系统，而且需要有所取舍，否则会带来系统稳定性风险，不能很好地提高系统优值；且没有具体针对系统的瞬态跳变进行检测，并根据检测结果针对性地进行调整。
发明内容
针对上述传统降压型电压转换器在负载切换或负载跳变时不能实时检测及适应瞬态跳变的问题，本发明提出一种用于降压型电压转换器的瞬态跳变检测电路，可以在不影响降压型电压转换器的环路特性和稳定性的基础上，通过检测输出电压发生异动的时刻，检测负载电流变化的时刻，从而可以在负载电流发生跳变后的最短时间内令降压型电压转换器以最大占空比或最小占空比进行环路调整，使得降压型电压转换器输出电流能以最大速度跟随输出电流，同时自适应地根据检测的瞬态跳变的时间控制瞬态增强响应的时间。
本发明的技术方案是：
一种用于降压型电压转换器的瞬态跳变检测电路，包括滤波模块、微分模块和比较模块，
所述滤波模块的输入端连接所述降压型电压转换器的输出电压VO，其输出端连接所述微分模块的输入端；所述微分模块将滤波后的所述降压型电压转换器的输出电压VO的电压变化信息以差分电压的形式输出；所述比较模块包括输出极性相反的第一比较器和第二比较器，所述第一比较器和第二比较器的输入信号均为所述微分模块输出的差分电压；
当所述降压型电压转换器的输出电压VO增大时，所述微分模块的差分电压为正，所述第一比较器输出高电平，所述第二比较器输出低电平；当所述降压型电压转换器的输出电压VO减小时，所述微分模块的差分电压为负，所述第一比较器输出低电平，所述第二比较器输出高电平；当所述降压型电压转换器的输出电压VO不变时，所述微分模块的差分电压为零，所述第一比较器和第二比较器均输出低电平。
具体的，所述瞬态跳变检测电路还包括一次性激活/锁定模块，所述一次性激活/锁定模块的输入端连接所述第一比较器和第二比较器的输出信号，其输出端输出使能信号，所述使能信号在所述第一比较器和第二比较器的输出信号均持续为低电平达到设定时间后翻高，并在第一比较器或第二比较器输出高电平再翻低时翻转为低。
具体的，所述一次性激活/锁定模块包括延时单元、第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第四反相器INV4、第三NMOS管MN3、或门OR1、第一与非门NAND1和第二与非门NAND2，
或门OR1的第一输入端连接所述第一比较器的输出端，其第二输入端连接所述第二比较器的输出端，其输出端连接第一与非门NAND1的第一输入端、第四反相器INV4的输入端和延时单元的复位端；
第一反相器INV1的输入端连接延时单元的输出端，其输出端连接第二反相器的输入端；
第三NMOS管MN3的栅极连接第四反相器INV4的输出端，其源极接地，其漏极连接的第二反相器INV2的使能端；
第三反相器INV3的输入端连接第二反相器INV2的输出端，其输出端连接第二与非门NAND2的第一输入端；
第二与非门NAND2的第二输入端连接第一与非门NAND1的输出端，其输出端连接第一与非门NAND1的第二输入端并输出所述使能信号。
具体的，所述滤波模块包括第一电容C1、第二电容C2、第一NMOS管MR、第二NMOS管Mbias、第一电阻RP、第二电阻RZ和运算放大器，
第一电容C1一端作为所述滤波模块的输入端连接所述降压型电压转换器的输出电压VO，另一端连接运算放大器的正向输入端和第一NMOS管MR的漏极；
第二NMOS管Mbias的栅漏短接并连接第一NMOS管MR的栅极和源极以及偏置电流Ibias，其源极接地；
第一电阻RP和第二电阻RZ串联，其串联点作为所述滤波模块的输出端，第一电阻RP的另一端连接运算放大器的负向输入端和输出端，第二电阻RZ的另一端通过第二电容C2后接地。
本发明的有益效果为：本发明不会影响降压型电压转换器现有环路的稳定性、工作频率或者零极点分布，也不需要在芯片外部添加额外的管脚，就能够极快地检测负载跳变，测量系统响应负载跳变的时间；同时本发明对降压型电压转换器的工作模式没有要求，适用范围广；通过本发明的电路可以实现降压型电压转换器的负载电流大幅度跳变后依然有较小的可接受的输出电压的波形尖峰。
附图说明
图1是本发明提出的一种用于降压型电压转换器的瞬态跳变检测电路的拓扑结构图。
图2本发明中滤波模块的一种实现电路结构图。
图3本发明的工作波形图。
图4本发明中一次性激活/锁定模块的一种实现电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
本发明提出的一种用于降压型电压转换器的瞬态跳变检测电路包括滤波模块、微分模块和比较模块，滤波模块的输入端连接降压型电压转换器的输出电压VO，其输出端连接微分模块的输入端；降压型电压转换器的输出电压VO通过滤波模块实现带通滤波，令1/10～1/2开关频率上的降压型电压转换器的输出电压VO的变化信息可以被响应，等效地拓展环路带宽，低频上重新建立直流工作点，同时在高频上过滤减少开关频率上的纹波电压。
如图2所示给出了滤波模块的一种电路实现形式，包括第一电容C1、第二电容C2、第一NMOS管MR、第二NMOS管Mbias、第一电阻RP、第二电阻RZ和运算放大器，第一电容C1一端作为滤波模块的输入端连接降压型电压转换器的输出电压VO，另一端连接运算放大器的正向输入端和第一NMOS管MR的漏极；第二NMOS管Mbias的栅漏短接并连接第一NMOS管MR的栅极和源极以及偏置电流Ibias，其源极接地；第一电阻RP和第二电阻RZ串联，其串联点作为滤波模块的输出端，第一电阻RP的另一端连接运算放大器的负向输入端和输出端，第二电阻RZ的另一端通过第二电容C2后接地。
第一NMOS管MR栅源衬短接可以等效为大电阻，和第一电容C1组成零点形成高通电路，偏置电流Ibias流过第二NMOS管Mbias确定高通滤波点的直流电压，此处相当于实现电平位移部分，将降压型电压转换器的输出电压VO位移到一个固定电压，如1.5V，可以使本发明适应宽范围的降压型电压转换器的输出电压VO；随后经过运算放大器Amp钳位后再通过第一电阻RP、第二电阻RZ和第二电容C2组成的先零点后极点滤波电路获得带通滤波输出，零极点分配位置应该低于环路工作频率，但略高于环路截止频率，一方面保证开关频率的电压纹波能够被抑制得足够小不会导致后级电路误操作，同时保证电路在低频附近没有相移保证电路响应速度。
微分模块将滤波后的降压型电压转换器的输出电压VO转化为输出电压VO的变化值dVO/dt，并以差分电压的形式输出。比较模块包括输出极性相反且具有不同失配电压的第一比较器和第二比较器，第一比较器和第二比较器的输入信号均为微分模块输出的差分电压，根据第一比较器和第二比较器的输出信号可以判断降压型电压转换器的输出电压VO的具体情况，当降压型电压转换器的输出电压VO增大时，微分模块的差分电压为正，第一比较器输出高电平，第二比较器输出低电平；当降压型电压转换器的输出电压VO减小时，微分模块的差分电压为负，第一比较器输出低电平，第二比较器输出高电平；当降压型电压转换器的输出电压VO不变时，微分模块的差分电压为零，第一比较器和第二比较器均输出低电平。
如图1所示，本发明提出的一种用于降压型电压转换器的瞬态跳变检测电路还包括一次性激活/锁定模块，一次性激活/锁定模块用于判断瞬态增强信号是否可以介入BUCK环路操作，如果输出稳定一段时间后一次性激活电路将会使能此功能，在BUCK输出电压VO出现大幅变化的时候介入BUCK环路，在一次性激活后将会锁定这个功能防止短时间内将本发明提出的瞬态跳变检测电路反复激发导致BUCK系统不稳定。
一次性激活/锁定模块的输入端连接第一比较器和第二比较器的输出信号，其输出端输出使能信号，使能信号在第一比较器和第二比较器的输出信号均持续为低电平达到设定时间后翻高，并在第一比较器或第二比较器输出高电平再翻低时翻转为低。如图4所示给出了一次性激活/锁定模块的一种电路实现形式，包括延时单元、第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第四反相器INV4、第三NMOS管MN3、或门OR1、第一与非门NAND1和第二与非门NAND2，或门OR1的第一输入端连接第一比较器的输出端，其第二输入端连接第二比较器的输出端，其输出端连接第一与非门NAND1的第一输入端、第四反相器INV4的输入端和延时单元的复位端；第一反相器INV1的输入端连接延时单元的输出端，其输出端连接第二反相器的输入端；第三NMOS管MN3的栅极连接第四反相器INV4的输出端，其源极接地，其漏极连接的第二反相器INV2的使能端；第三反相器INV3的输入端连接第二反相器INV2的输出端，其输出端连接第二与非门NAND2的第一输入端；第二与非门NAND2的第二输入端连接第一与非门NAND1的输出端，其输出端连接第一与非门NAND1的第二输入端并输出使能信号resp_EN。
一次性激活/锁定模块可以防止瞬态本发明的瞬态跳变检测电路被多次触发，降压型电压转换器的输出电压VO因为负载跳变而引起的尖峰会有恢复的过程，这一段时间将不会再次触发瞬态跳变检测电路导致BUCK系统紊乱，具体实现逻辑是当第一比较器的输出信号tran_H和第二比较器的输出信号tran_L同时为低也就是比较模块的输出码为“00”一段时间后使能信号resp_EN翻高允许瞬态跳变检测电路触发，这一端时间可以由延时单元设定的延时时间确定；当第一比较器的输出信号tran_H和第二比较器的输出信号tran_L其中一个翻高也就是输出码为“10”或“01”再恢复为“00”后使能信号resp_EN将会翻低锁定，即输出电压VO发生瞬态跳变增大或减小后，经过瞬态增强使得输出电压VO停止增大或减小后使能信号resp_EN翻低锁定瞬态跳变检测电路，保证此后的一段时间内tran_H或tran_L的高电平都不会被系统接收响应，而且还会重置锁定的延时时间，除非tran_H和tran_L一直保持低电平一段时间才会解除锁定，从而实现一次性激活/锁定功能。
结合图3可以了解本发明的工作状态，微分模块是单输入差分输出的微分器，比较模块包括两个方向相反的比较器，降压型电压转换器的输出电压VO上升时微分模块输出的差分电压为正，比较模块的两个输出码为“10”，即第一比较器输出高电平，第二比较器输出低电平，降压型电压转换器的输出电压VO下降时微分模块输出的差分电压为负，比较模块的两个输出码为“01”，即第一比较器输出低电平，第二比较器输出高电平，同理降压型电压转换器的输出电压VO保持稳定时微分模块输出的差分电压为零，比较模块的两个输出码为“00”，即第一比较器和第二比较器均输出低电平。当微分模块的差分输出超过一定阈值以后比较模块通过或逻辑产生瞬态检测信号，代表系统检测到负载电流发生快速的改变，造成了输出电压VO跳变，此时可以通过调整降压型电压转换器使得其瞬间进入最大/最小占空比从而调整输出电流，微分模块的差分电压降到零的时候输出恢复为低，代表BUCK系统的输出电流等于现有负载电流值，输出电压VO开始接近稳定点，瞬态响应增强退出调整，如图3所示，在t1～t2时刻，降压型电压转换器的输出电压VO发生瞬态跳变，第一比较器输出高电平，第二比较器输出低电平，此时可以调整降压型电压转换器使得其瞬间进入最大/最小占空比从而调整输出电流，当降压型电压转换器的输出电压VO不再上升时，此时先经历一个短暂的输出电压VO不变的过程，即第一比较器和第二比较器均输出低电平，随后输出电压VO开始减小，第一比较器输出低电平，第二比较器输出高电平，使能信号resp_EN翻低，直到一次性激活/锁定模块控制使能信号resp_EN下次翻高，图3中t1～t2的时间内为本实施例中检测到的瞬态跳变时间，此时间内降压型电压转换器可以自适应的进行瞬态增强。
综上所述，本发明可以在不影响降压型电压转换器现有环路的稳定性、工作频率或者零极点分布，同时也不需要在芯片外部添加额外的管脚的情况下，就能够极快检测负载跳变，能够测量系统响应负载跳变的时间，并使得降压型电压转换器在此时间内用最大/小占空比来对输出电流进行调整；本发明对降压型电压转换器的工作模式没有要求，适用范围很广；一些实施例中通过一次性激活/锁定模块设定的延时时间可以最终实现负载电流大幅度跳变后依然有较小的可接受的输出电压的波形尖峰。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于降压型电压转换器的瞬态跳变检测电路，其特征在于，包括滤波模块、微分模块和比较模块，
所述滤波模块的输入端连接所述降压型电压转换器的输出电压(VO)，其输出端连接所述微分模块的输入端；所述微分模块将滤波后的所述降压型电压转换器的输出电压(VO)的电压变化信息以差分电压的形式输出；所述比较模块包括输出极性相反的第一比较器和第二比较器，所述第一比较器和第二比较器的输入信号均为所述微分模块输出的差分电压；
当所述降压型电压转换器的输出电压(VO)增大时，所述微分模块的差分电压为正，所述第一比较器输出高电平，所述第二比较器输出低电平；当所述降压型电压转换器的输出电压(VO)减小时，所述微分模块的差分电压为负，所述第一比较器输出低电平，所述第二比较器输出高电平；当所述降压型电压转换器的输出电压(VO)不变时，所述微分模块的差分电压为零，所述第一比较器和第二比较器均输出低电平。
2.根据权利要求1所述的用于降压型电压转换器的瞬态跳变检测电路，其特征在于，所述瞬态跳变检测电路还包括一次性激活/锁定模块，所述一次性激活/锁定模块的输入端连接所述第一比较器和第二比较器的输出信号，其输出端输出使能信号，所述使能信号在所述第一比较器和第二比较器的输出信号均持续为低电平达到设定时间后翻高，并在第一比较器或第二比较器输出高电平再翻低时翻转为低。
3.根据权利要求2所述的用于降压型电压转换器的瞬态跳变检测电路，其特征在于，所述一次性激活/锁定模块包括延时单元、第一反相器(INV1)、第二反相器(INV2)、第三反相器(INV3)、第四反相器(INV4)、第三NMOS管(MN3)、或门(OR1)、第一与非门(NAND1)和第二与非门(NAND2)，
或门(OR1)的第一输入端连接所述第一比较器的输出端，其第二输入端连接所述第二比较器的输出端，其输出端连接第一与非门(NAND1)的第一输入端、第四反相器(INV4)的输入端和延时单元的复位端；
第一反相器(INV1)的输入端连接延时单元的输出端，其输出端连接第二反相器的输入端；
第三NMOS管(MN3)的栅极连接第四反相器(INV4)的输出端，其源极接地，其漏极连接的第二反相器(INV2)的使能端；
第三反相器(INV3)的输入端连接第二反相器(INV2)的输出端，其输出端连接第二与非门(NAND2)的第一输入端；
第二与非门(NAND2)的第二输入端连接第一与非门(NAND1)的输出端，其输出端连接第一与非门(NAND1)的第二输入端并输出所述使能信号。
4.根据权利要求1-3任一项所述的用于降压型电压转换器的瞬态跳变检测电路，其特征在于，所述滤波模块包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第一NMOS管(MR)、第二NMOS管(Mbias)、第一电阻(RP)、第二电阻(RZ)和运算放大器，
第一电容(C1)一端作为所述滤波模块的输入端连接所述降压型电压转换器的输出电压(VO)，另一端连接运算放大器的正向输入端和第一NMOS管(MR)的漏极；
第二NMOS管(Mbias)的栅漏短接并连接第一NMOS管(MR)的栅极和源极以及偏置电流(Ibias)，其源极接地；
第一电阻(RP)和第二电阻(RZ)串联，其串联点作为所述滤波模块的输出端，第一电阻(RP)的另一端连接运算放大器的负向输入端和输出端，第二电阻(RZ)的另一端通过第二电容(C2)后接地。
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