CN109412397B - 一种脉冲宽度调制电流模式开关电源二次斜波补偿电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲宽度调制电流模式开关电源二次斜波补偿电路，包括：谐波产生电路，用于通过参考电压产生谐波信号Vramp和时钟信号CLK，以及：二次斜波补偿电路，用于根据所述的谐波信号Vramp和时钟信号CLK产生输入电流Islope，该输入电流Islope与外部电流Isense同时流入电阻Rsense，产生电压Vsense，以消除谐波震荡。本发明利用MOS管在导通时的漏源电流与栅源电压的关系，设计的斜波补偿电路可以根据开关的占空比产生一个与占空比成二次方的斜波补偿电流，从而实现斜波补偿目的。该技术可以提高DC‑DC转换器的负载能力，同时在电路实现上具有简单轻便的特点，可以降低补偿电路自身的功耗和所需的芯片面积。

Description

一种脉冲宽度调制电流模式开关电源二次斜波补偿电路

技术领域

本发明涉及电源管理技术领域，具体涉及一种脉冲宽度调制电流模式开关电源二次斜波补偿电路。

背景技术

通常，开关电源转换器通过一定的调制方式控制其功率开关来实现稳压和功率转换，而脉冲宽度调制(PWM)方式由于其在大功率下转换效率高，输出纹波小等特点被广泛采用，但由于系统在占空比大于50％时出现的次谐波振荡，所以必须引入斜波补偿来稳定系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种脉冲宽度调制电流模式开关电源二次斜波补偿电路，利用MOS管在导通时的漏源电流与栅源电压的关系，根据开关的占空比产生一个与占空比成二次方的斜波补偿电流，从而实现斜波补偿目的。该电路在开关电源转换器的脉冲宽度大于50％时消除谐波振荡的同时，可以降低由于补偿技术引起的负载能力下降问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种脉冲宽度调制电流模式开关电源二次斜波补偿电路，包括：

谐波产生电路，用于通过参考电压产生谐波信号Vramp和时钟信号CLK，以及：

二次斜波补偿电路，用于根据所述的谐波信号Vramp和时钟信号CLK产生输入电流Islope，该输入电流Islope与外部电流Isense同时流入电阻Rsense，产生电压Vsense，以消除谐波震荡。

进一步地，所述的谐波产生电路，包括：

电流源Ib、第一电流镜、电容C、比较器CMP1、比较器CMP2、RS触发器、NMOS管M3以及输入电压Vin，其中：

第一电流镜由PMOS管M1、PMOS管M2的栅极连接构成，M1、M2的源极以及RS触发器均连接输入电压Vin，M1的漏极与电流源Ib连接后，连接至所述电容C的下极板，电容C的下极板接地；M2的漏极与电容板C的上极板连接，M3的漏极连接电容C的上极板，M3的源极接地；

所述的比较器CMP1的正输入端连接所述的参考电压，CMP1的负输入端分别与电容C的上极板、比较器CMP2的正输入端连接，比较器CMP2的负输入端接地；CMP1的输出端、CMP2的输出端分别连接所述RS触发器的S端、R端，RS触发器的输出端连接M3的栅极，RS触发器的输出端信号为所述的时钟信号CLK；所述的电容C上的电压即所述的谐波信号Vramp。

进一步地，所述的二次斜波补偿电路，包括：

运算放大器OP_Amp、反相器、电阻R1、电阻R2、控制开关S1、控制开关S2、NMOS管MN、输入电压Vin、第二电流镜以及电阻Rsense，其中：

所述运算放大器OP_Amp的正输入端连接所述的谐波信号Vramp，电阻R1、电阻R2串联后，一端连接在运算放大器OP_Amp的输出端上，另一端接地，运算放大器OP_Amp的负输入端连接在R1、R2之间；OP_Amp的输出端通过所述的控制开关S1连接在NMOS管MN的栅极上，MN的源极接地，控制开关S2的一端连接MN的栅极，另一端接地；

所述的反相器的输入为时钟信号CLK，时钟信号CLK同时控制所述的控制开关S1，反相器的输出控制所述的控制开关S2；

所述的第二电流镜由PMOS管M11、PMOS管M22的栅极连接构成，M11、M22的源极以及运算放大器OP_Amp均连接输入电压Vin，M11的漏极连接MN的漏极，M22的漏极的输出为所述的输入电流Islope，Islope与外部电流Isense共同流入所述的电阻Rsense，产生电压Vsense。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

1.本发明产生的斜波补偿电流与开关的占空比成平方关系，在满足斜波补偿所需斜率的同时，补偿电流的绝对值更低，因此产生的开关电源转换器的电流能力降低幅度更低，同时降低了整体功耗。

2.该本发明提出的电路结构可以提高DC-DC转换器的负载能力，同时在电路实现上具有简单轻便的特点，可以降低补偿电路自身的功耗和所需的芯片面积。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为谐波产生电路的结构示意图；

图3为二次斜波补偿电路的结构示意图；

图4为CLK信号在高电平状态时和Vramp信号的关系示意图；

图5为二次斜波补偿电路在CLK信号高电平状态时的结构示意图；

图6为CLK信号在低电平状态时和Vramp信号的关系示意图；

图7为二次斜波补偿电路在CLK信号低电平状态时的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种脉冲宽度调制电流模式开关电源二次斜波补偿电路，包括：

谐波产生电路，用于通过参考电压产生谐波信号Vramp和时钟信号CLK；该谐波产生电路的输入为0.9Vref的参考电压，输出即为所述的Vramp和CLK；Vramp和CLK同时作为输入信号连接至二次谐波补偿电路的输入端；

二次斜波补偿电路，用于根据所述的谐波信号Vramp和时钟信号CLK产生输入电流Islope，该输入电流Islope与外部电流Isense同时流入电阻Rsense，产生电压Vsense，以消除谐波震荡；本实施例中所述的电阻Rsense＝50-100K ohm。

如图2所示，本发明具体公开了一种谐波产生电路，该谐波产生电路包括电流源Ib、第一电流镜、电容C、比较器CMP1、比较器CMP2、RS触发器、NMOS管M3以及输入电压Vin，其中：

由PMOS管M1、PMOS管M2的栅极连接构成所述的第一电流镜，M1、M2的源极以及RS触发器均连接输入电压Vin，电流源Ib与M1的漏极连接作为其偏置电流，然后连接至电容C的下极板；M2的漏极与电容板C的上极板连接，为电容板C充电，电容C的下极板接地；M3的漏极连接电容C的上极板，M3的源极接地；电容C上的电压Vramp与0.9Vref和地比较，并受Ib和M3控制，而CMP1和CMP2的输出电平由Vramp控制。

所述的比较器CMP1的正输入端连接所述的参考电压0.9Vref，CMP1的负输入端分别与电容C的上极板、比较器CMP2的正输入端连接，比较器CMP2的负输入端接地；CMP1的输出端、CMP2的输出端分别连接所述RS触发器的S端、R端，RS触发器的输出端Q信号为所述的时钟信号CLK；RS的输出信号Q由CMP1和CMP2的输出信号控制；RS触发器的输出端连接M3的栅极，M3的工作状态由Q控制。本实施例中，C＝2pF。

如图3所示，本发明进一步提供了一种二次斜波补偿电路，包括：运算放大器OP_Amp、反相器、电阻R1、电阻R2、控制开关S1、控制开关S2、NMOS管MN、输入电压Vin、第二电流镜以及电阻Rsense，其中：

所述运算放大器OP_Amp的正输入端连接所述的谐波信号Vramp，电阻R1、电阻R2串联后，一端连接在运算放大器OP_Amp的输出端上，另一端接地，运算放大器OP_Amp的负输入端连接在R1、R2之间，共同构成比例放大器。本实施例中，R1＝100K ohm，R2＝400k ohm。OP_Amp的输出端通过所述的控制开关S1连接在NMOS管MN的栅极上，MN的源极接地，控制开关S2的一端连接MN的栅极，另一端接地；S1控制运算放大器OP_Amp的输出Vg和MN的栅极的连接状态。

所述的反相器的输入为时钟信号CLK，时钟信号CLK同时控制所述的控制开关S1，反相器的输出控制所述的控制开关S2；S2控制MN的栅极和地的连接状态。

所述的第二电流镜由PMOS管M11、PMOS管M22的栅极连接构成，M11、M22的源极以及运算放大器OP_Amp均连接输入电压Vin，所述的MN产生的漏极电流为二次电流，MN的漏极与M11的漏极连接，M22复制MN的漏极电流，M22的漏极的输出为所述的输入电流Islope，Islope与外部电流Isense共同流入所述的电阻Rsense，产生电压Vsense。由于Vsense是Isense和Islope叠加所产生的电压，相对于无斜波补偿电流Islope时产的电压更高，因此当Vsense与系统的误差信号比较时，会使占空比小于50％，从而消除谐波振荡。

如图4所示，当CLK处于高电平状态时，则Vramp处于上升沿；如图5所示，在CLK处于高电平时，S1导通，Vg通过S1与MN的栅极连接，MN的漏极电流在其导通时与占空比成平方关系，经电流镜M1和M2复制后，二次斜波补偿电路输出电流Islope。

如图6所示，当CLK处于低电平状态，则Vramp处于下降沿；如图7所示，在CLK处于低电平时，S2导通，MN的栅极连接通过S1与地连接，MN处于截止状态，二次斜波补偿电路输出电流Islope为0。

Claims (1)

1.一种脉冲宽度调制电流模式开关电源二次斜波补偿电路，其特征在于，包括：

谐波产生电路，用于通过参考电压产生谐波信号Vramp和时钟信号CLK，以及：

二次斜波补偿电路，用于根据所述的谐波信号Vramp和时钟信号CLK产生输入电流Islope，该输入电流Islope与外部电流Isense同时流入电阻Rsense，产生电压Vsense，以消除谐波震荡；

所述的谐波产生电路，包括：

电流源Ib、第一电流镜、电容C、比较器CMP1、比较器CMP2、RS触发器、NMOS管M3以及输入电压Vin，其中：

第一电流镜由PMOS管M1、PMOS管M2的栅极连接构成，M1、M2的源极以及RS触发器均连接输入电压Vin，M1的漏极与电流源Ib连接后，连接至所述电容C的下极板，电容C的下极板接地；M2的漏极与电容板C的上极板连接，M3的漏极连接电容C的上极板，M3的源极接地；

所述的比较器CMP1的正输入端连接所述的参考电压，CMP1的负输入端分别与电容C的上极板、比较器CMP2的正输入端连接，比较器CMP2的负输入端接地；CMP1的输出端、CMP2的输出端分别连接所述RS触发器的S端、R端，RS触发器的输出端连接M3的栅极，RS触发器的输出端信号为所述的时钟信号CLK；所述的电容C上的电压即所述的谐波信号Vramp；

所述的二次斜波补偿电路，包括：

运算放大器OP_Amp、反相器、电阻R1、电阻R2、控制开关S1、控制开关S2、NMOS管MN、输入电压Vin、第二电流镜以及电阻Rsense，其中：

所述运算放大器OP_Amp的正输入端连接所述的谐波信号Vramp，电阻R1、电阻R2串联后，一端连接在运算放大器OP_Amp的输出端上，另一端接地，运算放大器OP_Amp的负输入端连接在R1、R2之间；OP_Amp的输出端通过所述的控制开关S1连接在NMOS管MN的栅极上，MN的源极接地，控制开关S2的一端连接MN的栅极，另一端接地；

所述的反相器的输入为时钟信号CLK，时钟信号CLK同时控制所述的控制开关S1，反相器的输出控制所述的控制开关S2；

所述的第二电流镜由PMOS管M11、PMOS管M22的栅极连接构成，M11、M22的源极以及运算放大器OP_Amp均连接输入电压Vin，M11的漏极连接MN的漏极，M22的漏极的输出为所述的输入电流Islope，Islope与外部电流Isense共同流入所述的电阻Rsense，产生电压Vsense。

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