CN109494990A - 一种采用频率可变和跨导可变的Boost DC-DC提高负载瞬态响应速度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用负反馈频率和跨导可变的Boost DC‑DC提高瞬态响应的方法，该瞬态响应控制方案主要包括：负反馈动态电流产生电路、频率动态可变振荡器电路、可变跨导误差放大器电路、瞬态过压检测电路、电流倒灌检测电路、电流倒灌计数电路、分段驱动电路等。自负反馈动态电流产生电路产生动态电流，频率动态可变振荡器电路产生振荡器信号OSC。本发明的动态电流随电源电压、输出电压和负载电流动态地变化，在负反馈环路的作用下确保开关频率动态变化，误差放大器的跨导动态变化，并且通过瞬态过压检测，动态使能电流倒灌电路，使得输出电压能够快速响应恢复至调整值，提高了芯片的瞬态响应速度。

Description

一种采用频率可变和跨导可变的Boost DC-DC提高负载瞬态 响应速度的方法

技术领域

本发明涉及DC-DC 负载瞬态响应，具体涉及一种应用于Boost DC-DC的快速响应的电源管理芯片。

背景技术

近年来，手机、平板等便携式电子产品及互联网设备的大量普及，越来越多的电子产品都有快速响应的需求，电子产品的处理器的速度要求越来越高，实现负载瞬态快速响应是迫切的电源需求。随着半导体技术的迅猛发展，电源管理类总片成为了所有电子设备中不可或缺组成部分，世界范围内对于电源类芯片的需求量也越来越大。近年来，待机功耗低，频率高，效率高、带载能力强、瞬态响应速度快的DC-DC芯片成为了电源管理类芯片发展的目标。

传统的Boost DC-DC架构，通过提高Boost DC-DC的带宽，从而提高Boost DC-DC的响应速度，但由于Boost DC-DC右半平面的影响，Boost DC-DC的带宽最大只能做到右半平面零点的一半，并且系统稳定性补偿网络了芯片设计的难度，提高了外围电路设计的复杂程度。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种基于负反馈频率可变和跨导可变的提高瞬态响应速度的方法，该方法通过检测输出电压随负载及电源的动态变化，采用频率可变瞬态响应技术、跨导可变技术及倒灌电流检测技术，使得输出动态响应速度提高，响应速度可根据实际的应用需求自适应地去调整，满足不同的应用需求。

本发明涉及的负反馈频率可变的Boost DC-DC输出瞬态快速响应技术，通过以下步骤实现:

通过检测输出电压的反馈电压的动态变化，产生瞬态可变电流：

(1)

瞬态动态电流ΔI作通过电流镜像作用于振荡器模块，在负载瞬态响应过程中,

(2)

误差放大器EA的瞬态可变跨导为，

(3)

瞬态过压检测比较，当发生负载瞬态变化时，如果V _FB 电压超过基准V _REF 的115%，迟滞量为15%,

(4)

(5)

电流检测电路通过检测电流在采样电阻上的电压与输出电压的差值通过跨导放大来确定采样电流I _SENSE ，I _SENSE 通过电阻R _V 上产生,

(6)

倒灌电流计数电路，通过输出V _OUT 的反馈电压V _FB 来使能计数器，计数器的时钟周期可选择T, 2T, 4T, 8T;

倒灌计数周期结束后，输出倒灌电流的检测门限置为0，从而保证轻载高效;

通过采样负载电流与斜坡电流叠加与误差放大器的输出信号比较产生PWM信号，OSC和PWM信号通过死区控制逻辑，交替控制功率管的开关;

在一个周期时间T内，恒定电流在电容上充电产生锯齿波电压，锯齿波电压在电阻上产生斜坡电流I _SLOPE ，该电流与采样电流叠加产生V _Σ 信号,

(7)

可变跨导Boost DC-DC的环路传输函数为：

(8)

驱动DRVN和DRVP采用功率管和驱动电路分段逐次开启逐次关断模式，可以降低地弹噪声、降低EMI、功率开关的上冲和下冲。

附图说明

图1为本发明的采用负反馈频率和跨导可变的Boost DC-DC框图。

图2为本发明的负反馈动态电流产生电路图。

图3为本发明的频率可变振荡器电路图。

图4为本发明的跨导可变误差放大器电路图。

图5为本发明的瞬态过压检测电路图。

图6为本发明提出的自校准倒灌电流检测电路。

图7为本发明的倒灌电流计数电路。

图8为本发明的分段驱动电路。

图9为本发明的负反馈频率可变和跨导可变的瞬态响应示意图。

具体实施方式

以下参照说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

参考图1，本发明提供了采用负反馈频率可变的Boost DC-DC提高负载瞬态响应速度的方法，其中包括：负反馈动态电流产生电路（1）；频率动态可变振荡器电路（2）；可变跨导误差放大器电路（3）；瞬态过压检测电路（4）；电流倒灌检测电路（5）；电流倒灌计数电路（6）；分段驱动电路(7)。

参考图2，本发明提供的负反馈动态电流产生电路，当输出电压瞬态变化时，反馈电压的变化为ΔV _FB ，电容C ₁ 和C ₂ 为高通滤波电容，C ₁ 、M ₄ 和C ₂ 、M ₇ 分别构成高通滤波器，ΔI为瞬态高频电流，

(9)

通过电流镜像和叠加运算电路产生的动态电流ΔI ₁ _ _EA 和ΔI _{2_EA} 作用于可变跨导误差放大器，ΔI ₃ _ _OSC 和ΔI _{4_OSC} 作用于可变频率振荡器。

(1)参考图3，本发明提供的频率可变振荡器电路，负反馈产生的动态电流，C ₃ 为振荡器的电容，充电充电电流为I _CH ，

(10)

当电容C ₃ 充电时，电容上的V _C3 (t)电压达到V _R2 时，电容开始放电，放电电流为I _DCH ，

(11)

(12)

(13)

(2)参考图3，电容C ₃ 的充电时间为T _CH , 电容C ₃ 的放电时间为T _DCH, 周期为T,频率为F _REQ ,

(14)

(15)

参考图4，本发明提供的可变跨导误差放大器电路，其采用OTA结构，并对误差放大器的输出V _COMP 进行了电平移位产生V _COMPLS , R _C 和C _C 为误差放大器输出端的补偿网络，误差放大器的可变跨导为g _mEA ,

(16)

参考图5，本发明提供的瞬态过压检测电路，当V _FB >V _REF5 >V _REF6 时，当瞬态过压检测比较器的V _OV 为高电平，当V _FB < V _REF6 < V _REF5 时，过压检测比较器的V _OV 为低电平，比较器的迟滞为V _HYS ,

(17)

参考图6, 本发明提供的含有自校准的倒灌电流检测电路, 该倒灌电流检测电路的检测电压为V _S , 检测的基准值为V _X ，

(18)

当V _S 电压达到V _X 时，比较器的输出V _INVERSE 为高电平，图1中的功率管M ₂ 和采样管M ₃ 关断。电阻R ₅ 的阻值在输出电压动态响应的过程中可动态调节，使得输出电压快速稳定。在正常工作过程中，调节R ₅ 的值可在轻负载条件下防止电流倒灌，实现轻载高效率。

参考图7，本发明提供的倒灌电流计数电路，当图5中的瞬态过压检测电路输出V _OV 为高电平时，图7计数电路开始分频计数，分频计数电路的输出为INV_EN，当INV_EN为低电平时，调节图6中的R ₅ ，允许电流倒灌；当INV_EN为高电平时，调节电阻R ₅ ，防止电流倒灌。在负载瞬态响应过程当中，当输出过冲时，允许电流倒灌，加快输出的恢复，其他情况下，电流过零关断。共同决定时钟CLK的周期为T,2T,4T,8T。

参考图8，本发明提供的分段开关电路，图1中的功率管M ₁ 和M ₂ 分为N组，可以根据电路性能需要来确定分组数和比例，N=1,2,3,……，通过非门进行驱动和分段延时控制，功率开关的寄生电容为C _M11 ,C _M12 ,C _M13 ,C _M14 ,C _M15 ……C _M1N 和C _M21 ,C _M22 ,C _M23 ,C _M24 ,C _M25 ..….C _M2N 。功率管M ₁ 的寄生电容为C _M1 , 导通电组为R _ONM1 。功率管M ₂ 的寄生电容为C _M2 , 导通电组为R _ONM2 ,

(19)

(20)

参考图9, 本发明提供的负反馈频率可变Boost DC-DC瞬态响应示意图，当负载电流从轻载变成重载时，输出变化-ΔV _OUT ，输出电压变化-ΔV _FB ,，频率增加ΔF _REQ ,加快输出恢复；当负载电流从重载变成轻载时，输出变化+ΔV _OUT ，输出电压变化+ΔV _FB ,，频率降低ΔF _REQ , 电感电流倒灌使得输出电压快速恢复。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，对于本领域的技术人员来说，在了解了本发明原理后，在此基础上进行形式和细节的改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种采用频率可变和跨导可变的Boost DC-DC芯片的提高瞬态响应的方法，其包括：负反馈动态电流产生电路（1）；频率动态可变振荡器电路（2）；可变跨导误差放大器电路（3）；瞬态过压检测电路（4）；电流倒灌检测电路（5）；电流倒灌计数电路（6）；分段驱动电路(7)。

2.根据权利要求1所述的采用负反馈频率可变和跨导可变的Boost DC-DC芯片中提高负载瞬态响应的解决方法，其特征在于所述解决方案将通过负反馈动态电流产生电路（1）根据反馈电压的变化产生瞬态电流。

3.根据权利要求1所述的采用负反馈频率可变和跨导可变的Boost DC-DC芯片的提高瞬态响应的解决方法，其特征在于，所态可变振荡器电路（2）的频率会随着负载瞬态阶跃变化，动态增加或者降低开关频率，使得Boost DC-DC的开关频率随负载瞬态阶跃变化，从而加快输出的瞬态响应速度。

4.根据权利要求1要求的可变跨导误差放大器电路(3),其偏置电流由两部分组成：固定偏置电流和反馈可变电流偏置。

5.根据权利要求1所述的采用负反馈频率可变的Boost DC-DC芯片的提高瞬态响应的解决方法，其特征在于，所述瞬态过压检测电路（4）是检测反馈电压，瞬态过压检测的输出去控制倒灌电流。

6.根据权利要求1所述的采用负反馈频率可变和跨导可变的Boost DC-DC芯片的提高瞬态响应的解决方法，其特征在于，所述倒灌电流检测电路（5）通过检测同步Boost DC-DC的续流PMOS管上的电压差来控制倒灌电流的大小。

7.根据权利要求2所述的反馈电压动态电流产生电路和权利要求3所描述频率可变振荡器电路，使得芯片功率开关管的工作频率动态地变化，负载电流从轻载变成重载时，芯片开关频率增大，当负载电流从大负载变为轻负载时，开关频率降低。

8.根据权利要求1所述的采用负反馈频率可变和跨导可变的Boost DC-DC芯片的提高瞬态响应的解决方法，其特征在于，所述电流倒灌检测计数电路（6），包括计数使能，分频计时等功能。

9.根据权利要求1所述的采用负反馈频率可变的Boost DC-DC芯片的提高瞬态响应的解决方法，其特征在于所述的分段驱动电路(7), 可有效降低EMI和功率开关的噪声。