CN109617393A - 一种前馈通路模块及集成升压型转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种前馈通路模块及集成升压型转换器，包括电容(C1)、电流充电模块、输入电压偏置模块和比较器，所述电容(C1)的一端分别连接于所述电流充电模块、所述输入电压偏置模块和所述比较器，另一端连接于接地端(GND)。本发明所提供的前馈通路模块可以根据电流充电模块和输入电压偏置模块为电容充电和提供偏置电压，再通过比较器直接调节占空比。该前馈通路模块根据升压型转换器的输入电压变化而调整占空比，使得升压型转换器的输出电压不会随着升压型转换器的输入电压的变化而产生剧烈变化，并使得升压型转换器能快速的响应输入电压的变化，从而保证升压型转换器的正常工作。

Description

一种前馈通路模块及集成升压型转换器
技术领域
本发明涉及模拟集成电路技术领域，具体涉及一种前馈通路模块及集成升压型转换器。
背景技术
如今以无线体域网(Wireless Body Area Network,简称WBAN)、能量获取技术为代表的低压低功耗的应用受到了越来越多的关注。能量获取技术可以从环境中收集能量，由于从无线节点网络获取的能量可能很少，所得到的电压可能是一个很低的值(可能是几百毫伏)，需要一个升压型转换器将这个电压升压至一个合适的值。
能量获取技术所得到的电压不是一个恒定的值，其所得到的电压与环境相关，意味着应用能量获取技术的升压型转换器的输入电压会不断变化。通常来说，升压型转换器的占空比与输入电压是相关的，当输入电压变化时，升压型转换器的占空比需要随之变化，从而使得升压型转换器能够正常工作。
但是，传统的升压型转换器的占空比是由误差放大器调节的，这个误差放大器调节速度很慢，导致其调节速度无法跟上输入电压的变化，导致当输入电压变化时输出电压会发生剧烈变化，使得升压型转换器无法正常工作。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种前馈通路模块及集成升压型转换器。
本发明的一个实施例提供了一种前馈通路模块，包括电容、电流充电模块、输入电压偏置模块和比较器，所述电容的一端分别连接于所述电流充电模块、所述输入电压偏置模块和所述比较器，另一端连接于接地端，其中，
所述电流充电模块用于为所述电容充电；
所述输入电压偏置模块用于为所述电容提供偏置电压；
所述比较器用于根据所述电容的偏置电压调节占空比。
在本发明的一个实施例中，还包括第一反相器和第二反相器，所述第一反相器连接于所述电流充电模块，所述第二反相器连接于所述电流充电模块和所述输入电压偏置模块。
在本发明的一个实施例中，所述电流充电模块包括恒定电流源、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管，其中，
所述恒定电流源的一端连接于电源端，另一端分别连接于所述第一开关管的源极和所述第二开关管的漏极，所述恒定电流源的另一端还分别连接于所述第三开关管的源极和所述第四开关管的漏极连；
所述第一开关管的漏极和所述第二开关管的源极连接形成的节点连接于所述电容的一端，所述电容的另一端连接于接地端，所述第二开关管的栅极连接于所述第一反相器的输入端，所述第一反相器的输出端连接于所述第一开关管的栅极；
所述第三开关管的漏极连接于所述第四开关管的源极，所述第三开关管的栅极连接于所述第二反相器的输入端，所述第二反相器的输出端连接于所述第四开关管的栅极；
所述第五开关管的漏极分别连接于所述第三开关管的漏极和所述第四开关管的源极，所述第五开关管的源极连接于接地端，所述第二反相器的输出端还连接于所述第五开关管的栅极。
在本发明的一个实施例中，所述第一开关管和所述第三开关管是PMOS 管，所述第二开关管、所述第四开关管和所述第五开关管是NMOS管。
在本发明的一个实施例中，输入电压偏置模块包括第一电阻、第二电阻、缓冲器、第六开关管和第七开关管，其中，
所述第一电阻和所述第二电阻连接形成的节点连接于所述缓冲器的输入端，所述缓冲器的输出端分别连接于所述第六开关管的源极和所述第七开关管的漏极分别，所述第六开关管的漏极和所述第七开关管的源极连接形成的节点分别连接于所述第一开关管的漏极、所述第二开关管的源极、所述电容和所述比较器的负输入端，所述第六开关管的栅极连接于所述第二反相器的输入端，所述第七开关管的栅极连接于所述第二反相器的输出端。
在本发明的一个实施例中，所述第六开关管是PMOS管，所述第七开关管是NMOS管。
在本发明的一个实施例中，所述比较器为PWM比较器。
本发明的一个实施例还提供一种集成升压型转换器，包括由上述任一项实施例所述的前馈通路模块，用于调节占空比。
在本发明的一个实施例中，还包括：
功率级模块，用于产生反馈电压；
误差放大器，连接于所述功率级模块和所述前馈通路模块，用于根据基准电压和所述反馈电压产生输出电压，并将所述输出电压传输至所述前馈通路模块；
逻辑与驱动模块，连接于所述前馈通路模块，用于为前馈通路模块提供控制信号NDRIVE和控制信号PDRIVE。
在本发明的一个实施例中，所述占空比的计算公式为：
其中，D为占空比，K1和K2为常数，VC为所述误差放大器的输出电压，VIN为所述升压型转换器的输入电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明所提供的前馈通路模块可以根据电流充电模块和输入电压偏置模块为电容充电和提供偏置电压，再通过比较器直接调节占空比。该前馈通路模块根据升压型转换器的输入电压变化而调整占空比，使得升压型转换器的输出电压不会随着升压型转换器的输入电压的变化而产生剧烈变化，并使得升压型转换器能快速的响应输入电压的变化，从而保证升压型转换器的正常工作。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种前馈通路模块的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种前馈通路模块的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种升压型转换器的电路结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种功率级模块的电路结构示意图；
图5为本发明实施例的前馈通路模块在升压型转换器的输入电压为 0.6V的仿真图；
图6为本发明实施例的前馈通路模块在升压型转换器的输入电压为 1.2V的仿真图；。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
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或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种前馈通路模块的结构示意图。本发明实施例提供的一种前馈通路模块，该前馈通路模块包括：
电容C1、电流充电模块、输入电压偏置模块和比较器，所述电容C1的一端分别连接于所述电流充电模块、所述输入电压偏置模块和所述比较器，另一端连接于接地端GND，其中，
所述电流充电模块用于为所述电容C1充电；
所述输入电压偏置模块用于为所述电容C1提供偏置电压；
所述比较器用于根据所述电容C1的偏置电压调节占空比。
本实施例所提供的前馈通路模块可以根据电流充电模块和输入电压偏置模块为电容充电和提供偏置电压，再通过比较器直接调节占空比。该前馈通路模块根据升压型转换器的输入电压变化而调整占空比，使得升压型转换器的输出电压不会随着升压型转换器的输入电压的变化而产生剧烈变化，并使得升压型转换器能快速的响应输入电压的变化，从而保证升压型转换器的正常工作。
在一个具体实施例中，前馈通路模块还包括第一反相器INV1和第二反相器INV2，所述第一反相器INV1连接于所述电流充电模块，所述第二反相器INV2连接于所述电流充电模块和所述输入电压偏置模块。
具体地，电流充电模块包括恒定电流源ICON、第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3、第四开关管M4和第五开关管M5，其中，
恒定电流源ICON的一端连接于电源端VDD，另一端分别连接于第一开关管M1的源极和第二开关管M2的漏极，恒定电流源ICON的另一端还分别连接于第三开关管M3的源极和第四开关管M4的漏极；
第一开关管M1的漏极连接于第二开关管M2的源极，第一开关管M1 的漏极和第二开关管M2的源极连接形成的节点连接于电容C1，第一开关管M1的漏极和第二开关管M2的源极连接形成的节点分别连接于电容C1、第六开关管M6的漏极、第七开关管M7的源极和比较器的负输入端，第二开关管M2的栅极连接于第一反相器INV1的输入端，第一反相器INV1的输出端连接于第一开关管M1的栅极；
第三开关管M3的源极连接于第四开关管M4的漏极，第三开关管M3 的漏极连接于第四开关管M4的源极，第三开关管M3的栅极连接于第二反相器INV2的输入端，第二反相器INV2的输出端连接于第四开关管M4的栅极；
第五开关管M5的漏极分别连接于第三开关管M3的漏极和第四开关管M4的源极，第五开关管M5的源极连接于接地端GND，第二反相器 INV2的输出端还连接于第五开关管M5的栅极。
第一开关管M1的栅极的控制信号为控制信号ND_INV，第二开关管M2 的栅极的控制信号为控制信号NDRIVE，第三开关管M3的栅极的控制信号为控制信号PDRIVE，第四开关管M4的栅极的控制信号为控制信号PD_INV，第五开关管M5的栅极的控制信号为控制信号PD_INV。
其中，第二开关管M2的控制信号和第三开关管的控制信号均为非交叠时钟信号，用于避免开关管同时导通导致的电荷泄露。
优选地，第一开关管M1和第三开关管M3是PMOS管，第二开关管 M2、第四开关管M4和第五开关管M5是NMOS管。
具体地，输入电压偏置模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、缓冲器 BUFFER1、第六开关管M6和第七开关管M7，其中，
第一电阻R1的一端连接于升压型转换器的输入端VIN，第一电阻R1 的另一端和第二电阻R2的一端连接形成的节点连接于缓冲器BUFFER1的输入端，第二电阻R2的另一端连接于接地端GND，缓冲器BUFFER1的输出端分别连接于第六开关管M6的源极和第七开关管M7的漏极，第六开关管M6的漏极连接于第七开关管M7的源极，第六开关管M6的漏极和第七开关管M7的源极连接形成的节点分别连接于第一开关管M1的漏极、第二开关管M2的源极、电容C1和比较器的负输入端，第六开关管M6的栅极连接于第二反相器INV2的输入端，第七开关管M7的栅极连接于第二反相器INV2的输出端。
第六开关管M6的栅极的控制信号为控制信号PDRIVE，第七开关管M7 的栅极的控制信号为控制信号PD_INV。
其中，第六开关管M6的控制信号为非交叠时钟信号，用于避免开关管同时导通导致的电荷泄露，其中，非交叠时钟信号包括控制信号PDRIVE和控制信号NDRIVE。
优选地，第六开关管M6是PMOS管，第七开关管M7是NMOS管。
具体地，比较器的正输入端连接于误差放大器的输出电压VC，比较器的输出端输出的信号为CLK(时钟信号)。
优选地，比较器为PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)比较器。
请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种升压型转换器的电路结构示意图。本发明实施例还提供一种集成升压型转换器，包括：
功率级模块，用于产生反馈电压VFB；
误差放大器EA，连接于功率级模块，用于根据基准电压VREF和反馈电压VFB产生输出电压VC，并将输出电压VC传输至前馈通路模块；
前馈通路模块，连接于误差放大器EA，用于根据输出电压VC调节占空比；
逻辑与驱动模块，连接于所述前馈通路模块，用于为前馈通路模块提供控制信号NDRIVE和控制信号PDRIVE。
本实施例的升压型转换器设计有前馈通路模块，当升压型转换器的输入电压变化时，前馈通路模块可以直接调节占空比至接近理想值，再通过误差放大器小幅度调节，使得升压型转换器的输出电压不会随着输入电压的变化剧烈变化，从而使得升压型转换器能快速的响应输入电压的变化。
请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种功率级模块的电路结构示意图。进一步地，功率级模块包括第三电阻RLOAD、第四电阻RFB1、第五电阻RFB2、第八开关管M8、第九开关管M9、负载电容CLOAD和电感L，其中，
第四电阻RFB1和第五电阻RFB2串接形成的一端、第三电阻RLOAD的一端与加载电容CLOAD的一端连接形成的节点连接于第九开关管M9的漏极，第四电阻RFB1和第五电阻RFB2串接形成的另一端、第三电阻RLOAD的另一端、负载电容CLOAD的另一端与第八电容M8的源极连接形成的节点连接于升压型转换器的输入电压的负极，第九开关管M9的源极和第八开关管M8的漏极连接形成的节点连接于电感L的一端，电感L的另一端连接于升压型转换器的输入电压VIN的正极，第八电容M8的栅极连接于第一反相器 INV1的输入端NDRIVE，第九电容M9的栅极连接于第二反相器INV2的输入端PDRIVE。
误差放大器EA将基准电压VREF和反馈电压VFB的差值放大，得到误差放大器的输出电压VC，输出电压VC作为前馈通路模块的一个输入信号，连同升压型转换器的输入电压VIN、逻辑与驱动模块输出的控制信号NDRIVE和控制信号PDRIVE作为前馈通路模块的输入，前馈通路模块产生时钟信号 CLK，时钟信号CLK输入逻辑与驱动模块，并得到控制信号NDRIVE和控制信号PDRIVE，控制信号NDRIVE和控制信号PDRIVE除去作为前馈通路模块的输入外，还作为功率级模块的驱动信号，控制功率管的开关，使得升压型转换器正常工作。
具体的，本实施例的升压型转换器的前馈通路模块的具体工作原理如下：
在升压型转换器中，其理想占空比公式为：
其中，DBOOST为理想占空比，VOUT为升压型转换器的输出电压，通常为一个定值，VIN为升压型转换器的输入电压。
在本实施例中，VOUT为1.8V，则其理想占空比公式为：
本实施例所设计的前馈通路模块的原理为产生一个占空比，当升压型转换器的输入电压改变时，通过前馈通路模块直接改变该占空比，而不需要通过误差放大器的调节。
请参见图2，第一电阻R1和第二电阻R2的功能为分压，则分压后得到的电压为：
本发明实施例的前馈通路模块的工作过程分为偏置阶段和充电阶段。偏置阶段时，控制信号NDRIVE和控制信号PDRIVE均为低电压，控制信号ND_INV和控制信号PD_INV均为高电压。则第一开关管M1和第二开关管M2关闭，则第六开关管M6和第七开关管M7打开，缓冲器BUFFER1将输入电压 VIN经分压后所得到的电压V2偏置在电容C1上，此时节点V1的电压为V2。同时，第三开关管M3、第四开关管M4和第五开关管M5打开，为恒定电流源ICON提供了一个放电路径，避免在恒定电流源ICON、第一开关管M1和第二开关管M2连接形成的节点处产生高电压，这个高电压的产生会影响电流充电阶段电容C1的初始电压。随后，转入电流放电阶段，控制信号 NDRIVE和控制信号PDRIVE均为高电压，控制信号ND_INV和控制信号PD_INV均为低电压。所述第三开关管M3、第四开关管M4、第五开关管M5、第六开关管M6和第七开关管M7关闭，第一开关管M1和第二开关管M2打开，此时，恒定电流源ICON给电容C1充电，当电容C1上的电压被充电到大于误差放大器的输出电压VC后，PWM比较器翻转。则电容C1在充电阶段开始到PWM比较器翻转的时间t1为：
则由前馈通路模块产生的占空比为：
其中，T为升压型转换器的周期，R1为第一电阻R1的电阻，R2为第二电阻R2的电阻，C1为电容C1的电容，ICON恒定电流源ICON的电流。
由于R1、R2、C1、ICON和T都是固定的值，则根据公式(5)可以得到：
其中，
其中，D为升压型转换器的占空比，K1和K2为常数，VC为误差放大器的输出电压，VIN为升压型转换器的输入电压。
根据公式(6)可知，由于K1和K2为常数，VC在短时间内可以当成常数，也就是说公式(6)和公式(2)具有同样的形式。即当升压型转换器的输入电压变化时，升压型转换器的占空比直接由前馈通路模块调节，不需要通过缓慢的误差放大器大幅度调节VC的值，加快了升压型转换器对输入电压变化的响应。
请参见图5，图5为本发明实施例的前馈通路模块在升压型转换器的输入电压为0.6V的仿真图。本实施例中，升压型转换器的周期T为100ns，当升压型转换器的输入电压为0.6V时，由前馈通路模块产生的占空比为：68％，由公式(2)计算得出理想占空比为66.7％，这两个值很相近。
请参见图6，图6为本发明实施例的前馈通路模块在升压型转换器的输入电压为1.2V的仿真图。当升压型转换器的输入电压为1.2V时，由前馈通路模块产生的占空比为：34％，由公式(2)计算得出理想占空比为33.4％，这两个值很相近。
由上述两个实施方式可以看出，本实施例的前馈通路模块所产生的占空比接近于理想占空比，从而使得升压型转换器的输出电压不会随着升压型转换器的输入电压的变化剧烈变化。
本发明实施例使用馈通路模块，使得升压型转换器的占空比由前馈通路模块决定，产生的占空比公式与升压型转换器的理想公式具有同样的形式，由前馈通路模块所产生的占空比接近于理想占空比，从而使得升压型转换器的输出电压不会随着升压型转换器的输入电压的变化剧烈变化。
本发明实施例升压型转换器的占空比由前馈通路模块决定，而不需要通过误差放大器缓慢、大幅度的调节。
本发明实施例使用馈通路模块，加快了升压型转换器对升压型转换器的输入电压变化的响应，降低了当升压型转换器的输入电压变化时，升压型转换器的输出电压产生剧烈变化。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种前馈通路模块，其特征在于，包括电容(C1)、电流充电模块、输入电压偏置模块和比较器，所述电容(C1)的一端分别连接于所述电流充电模块、所述输入电压偏置模块和所述比较器，另一端连接于接地端(GND)，其中，
所述电流充电模块用于为所述电容(C1)充电；
所述输入电压偏置模块用于为所述电容(C1)提供偏置电压；
所述比较器用于根据所述电容(C1)的偏置电压调节占空比。
2.根据权利要求1所述的前馈通路模块，其特征在于，还包括第一反相器(INV1)和第二反相器(INV2)，所述第一反相器(INV1)连接于所述电流充电模块，所述第二反相器(INV2)连接于所述电流充电模块和所述输入电压偏置模块。
3.根据权利要求2所述的前馈通路模块，其特征在于，所述电流充电模块包括恒定电流源(ICON)、第一开关管(M1)、第二开关管(M2)、第三开关管(M3)、第四开关管(M4)和第五开关管(M5)，其中，
所述恒定电流源(ICON)的一端连接于电源端(VDD)，另一端分别连接于所述第一开关管(M1)的源极和所述第二开关管(M2)的漏极，所述恒定电流源(ICON)的另一端还分别连接于所述第三开关管(M3)的源极和所述第四开关管(M4)的漏极；
所述第一开关管(M1)的漏极和所述第二开关管(M2)的源极连接形成的节点连接于所述电容(C1)的一端，所述电容(C1)的另一端连接于接地端(GND)，所述第二开关管(M2)的栅极连接于所述第一反相器(INV1)的输入端，所述第一反相器(INV1)的输出端连接于所述第一开关管(M1)的栅极；
所述第三开关管(M3)的漏极连接于所述第四开关管(M4)的源极，所述第三开关管(M3)的栅极连接于所述第二反相器(INV2)的输入端，所述第二反相器(INV2)的输出端连接于所述第四开关管(M4)的栅极；
所述第五开关管(M5)的漏极分别连接于所述第三开关管(M3)的漏极和所述第四开关管(M4)的源极，所述第五开关管(M5)的源极连接于接地端(GND)，所述第二反相器(INV2)的输出端还连接于所述第五开关管(M5)的栅极。
4.根据权利要求3所述的前馈通路模块，其特征在于，所述第一开关管(M1)和所述第三开关管(M3)是PMOS管，所述第二开关管(M2)、所述第四开关管(M4)和所述第五开关管(M5)是NMOS管。
5.根据权利要求3所述的前馈通路模块，其特征在于，输入电压偏置模块包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、缓冲器(BUFFER1)、第六开关管(M6)和第七开关管(M7)，其中，
所述第一电阻(R1)和所述第二电阻(R2)连接形成的节点连接于所述缓冲器(BUFFER1)的输入端，所述缓冲器(BUFFER1)的输出端分别连接于所述第六开关管(M6)的源极和所述第七开关管(M7)的漏极，所述第六开关管(M6)的漏极和所述第七开关管(M7)的源极连接形成的节点分别连接于所述第一开关管(M1)的漏极、所述第二开关管(M2)的源极、所述电容(C1)和所述比较器的负输入端，所述第六开关管(M6)的栅极连接于所述第二反相器(INV2)的输入端，所述第七开关管(M7)的栅极连接于所述第二反相器(INV2)的输出端。
6.根据权利要求5所述的前馈通路模块，其特征在于，所述第六开关管(M6)是PMOS管，所述第七开关管(M7)是NMOS管。
7.根据权利要求1所述的前馈通路模块，其特征在于，所述比较器为PWM比较器。
8.一种集成升压型转换器，其特征在于，包括由权利要求1至权利要求7任一项所述的前馈通路模块，用于调节占空比。
9.根据权利要求8所述的集成升压型转换器，其特征在于，还包括：
功率级模块，用于产生反馈电压(VFB)；
误差放大器(EA)，连接于所述功率级模块和所述前馈通路模块，用于根据基准电压(VREF)和所述反馈电压(VFB)产生输出电压(VC)，并将所述输出电压(VC)传输至所述前馈通路模块；
逻辑与驱动模块，连接于所述前馈通路模块，用于为所述前馈通路模块提供控制信号NDRIVE和控制信号PDRIVE。
10.根据权利要求9所述的集成升压型转换器，其特征在于，所述占空比的计算公式为：
其中，D为占空比，K1和K2为常数，VC为所述误差放大器的输出电压，VIN为所述升压型转换器的输入电压。
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