CN110048592A - 一种应用于dc-dc电源管理芯片的快速瞬态响应电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应用于DC‑DC电源管理芯片的快速瞬态响应电路，在稳态时，快速瞬态响应检测电路处于休眠状态，当COMPA检测到输出电压有较大的跌落，即输出电压有大负载阶跃时，快速瞬态响应检测电路被激活，开始对V_COMP节点充电，即该电路加快误差放大器EA的摆率；负载阶跃越大，PM2的充电能力越强，V_COMP节点的电压冲的越高，开关占空比将增大，即PM3打开的时间增长，电源将在PM3打开时对输出充电，即电流将从电源经由PM3流至SW，为输长时间补充能量。
Description
技术领域
本发明涉及电源管理领域，尤其是一种应用于电源管理芯片的响应电路。
背景技术
直流转直流转换芯片(DC-DC converter chip)具有高集成、高驱动、高效率等优点，DC-DC转换器芯片是电源管理芯片中一个非常重要的功能模块，随着便携式电子产品的广泛应用，对DC-DC的性能也提出了更高的要求：更高集成度、更高效、更好的瞬态响应等等。
DC-DC转换器芯片的瞬态响应包含负载瞬态响应和线性瞬态响应，其负载瞬态响应是指输出电流突然变化是引起的输出电压的瞬态变化量，线性瞬态响应是指当输入电压突然变化时引起的输出电压的变化情况。对于应用DC-DC较多的便携式产品，一般输入电压的变化相对较小，而负载变化的情况却较为普遍。所以DC-DC负载瞬态响应的研究收到越来越多的重视。
电流模式的DC-DC转换器有一个较大的片外滤波电容，在负载跳变时可以降低输出电压的波动，但是，这并不意味着电流模式的DC-DC转换器就有天然良好的负载瞬态响应。事实上，影响负载瞬态响应的主要原因为：1)开关频率的限制，即带宽环路带宽的限制；2)在低功耗设计要求的前提下，误差放大器的输出端大的补偿电容限制的误差放大器的摆率。此外，电流模式DC-DC转换器本质上是非线性系统，所以使用的快速瞬态响应技术与通用的线性系统是有一定的差异性。
基于上述现有技术的缺点，对电流模式的DC-DC转换器芯片的快速瞬态响应电路进行优化和创新是目前的迫切需求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种应用于DC-DC电源管理芯片的快速瞬态响应的电路，该电路具有低功耗，瞬态响应快，稳定性好的优势。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种应用于DC-DC电源管理芯片的快速瞬态响应的电路，包括误差放大器EA、快速瞬态相应检测电路、电感电流采样电路、采样电阻Rs、脉冲调制比较器、波形发生器、RS锁存器、死区时间控制器、驱动级电路、P型功率管PM3和N型功率管NM3；
所述误差放大器EA将检测反馈电压VFB和芯片内部基准电压VREF的差值并放大，输出电压V_COMP；
所述快速瞬态相应检测电路由比较器COMPA和P型MOS管PM1组成，COMPA检测VFB和VREF的差值并放大，输出V_SP并连接P型MOS管PM1的栅极；在检测到VFB下降至VREF的97.5％时，P型MOS管PM1将对误差放大器的输出V_COMP节点进行快速充电；
所述电感电流采样电路将检测电阻Rs上的压降，即检测电感电流，输出控制电压V_IS，控制电压V_IS连接NM1的栅极，电感电流增加时，控制电压V_IS将增加；
所述波形发生器产生两列波，分别为一列锯齿V_SLOPE波和一列方波CLK，锯齿波V_SLOPE控制NM2的栅极，方波CLK控制RS锁存器的S端；
所述PWM调制比较器电路，两个负输入端分别接V_IS和V_SLOPE，正输入端接V_COMP电压，V_IS连接NM1的栅极，V_COMP连接P型MOS管PM2，V_SLOPE连接NM2的栅极；当V_COMP大于V_IS与V_SLOPE电压之和时，输出信号V_PWM为高电平，当V_COMP小于V_IS、V_SLOPE电压之和时，输出信号V_PWM为低电平，即产生V_PWM调制脉冲；
所述RS锁存器的输出信号V_RS在CLK下降沿到来时被置位，V_PWM上升沿到来时被复位；
所述V_RS经死区时间控制器，产生两列互不交叠的互补控制信号V_HIGH和V_LOW；控制逻辑信号V_HIGH将经过驱动级电路增强驱动，输出DRV_HIGH信号至P型功率管PM3的栅极，控制逻辑信号V_LOW将经过驱动级电路增强驱动，输出DRV_LOW信号至N型功率管的NM3的栅极。
本发明的有益效果在于PWM比较器采用快速响应的电流比较器，在稳态时，快速瞬态响应检测电路处于休眠状态，当COMPA检测到输出电压有较大的跌落，即输出电压有大负载阶跃时，快速瞬态响应检测电路被激活，开始对V_COMP节点充电，即该电路加快误差放大器EA的摆率；负载阶跃越大，PM2的充电能力越强，V_COMP节点的电压冲的越高，开关占空比将增大，即PM3打开的时间增长，电源将在PM3打开时对输出充电，即电流将从电源经由PM3流至SW，为输长时间补充能量。
附图说明
图1为本发明控制电路实施例的方框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种应用于DC-DC电源管理芯片的快速瞬态响应的电路，包括误差放大器EA、快速瞬态相应检测电路、电感电流采样电路COMP_IS、采样电阻Rs、脉冲调制比较器PWM_COMP、波形发生器Waveform Generator、RS锁存器、死区时间控制器Dead Timecontroller、驱动级电路Buffer、P型功率管PM3和N型功率管NM3；
所述误差放大器EA将检测反馈电压VFB和芯片内部基准电压VREF的差值并放大，输出电压V_COMP；
所述快速瞬态相应检测电路由比较器COMPA和P型MOS管PM1组成，COMPA检测VFB和VREF的差值并放大，输出V_SP并连接P型MOS管PM1的栅极；在检测到VFB下降至VREF的97.5％时，P型MOS管PM1将对误差放大器的输出V_COMP节点进行快速充电；
所述电感电流采样电路将检测电阻Rs上的压降，即检测电感电流，输出控制电压V_IS，控制电压V_IS连接NM1的栅极，电感电流增加时，控制电压V_IS将增加；
所述波形发生器Waveform Generator产生两列波，分别为一列锯齿V_SLOPE波和一列方波CLK；锯齿波V_SLOPE控制NM2的栅极，方波CLK控制RS锁存器的S端；
所述PWM调制比较器电路，两个负输入端分别接V_IS和V_SLOPE，正输入端接V_COMP电压，V_IS连接NM1的栅极，V_COMP连接P型MOS管PM2，V_SLOPE连接NM2的栅极；当V_COMP大于V_IS与V_SLOPE电压之和时，输出信号V_PWM为高电平，当V_COMP小于V_IS、V_SLOPE电压之和时，输出信号V_PWM为低电平，即产生V_PWM调制脉冲；
所述RS锁存器的输出信号V_RS在CLK下降沿到来时被置位，V_PWM上升沿到来时被复位；
所述V_RS经死区时间控制器Dead Time controller，产生两列互不交叠的互补控制信号V_HIGH和V_LOW；控制逻辑信号V_HIGH将经过Buffer增强驱动，输出DRV_HIGH信号至P型功率管PM3的栅极，控制逻辑信号V_LOW将经过Buffer增强驱动，输出DRV_LOW信号至N型功率管的NM3的栅极。
本发明在开关电源负载阶跃时能够快速响应，能够及时补充输出电容的能量，提高开关电源的瞬态响应性能。
图1所述误差放大器EA将检测VFB和VREF的差值并放大，输出V_COMP电压；
图1所述快速瞬态相应检测电路由COMPA和PM1组成，COMPA检测VFB和VREF的差值并放大，输出V_SP控制PM1的栅极；在检测到VFB低于正常值的百分之二点五，即有较大的跌落时，PM1将对V_COMP节点进行快速充电，增加EA电路的输出摆率；
图1所述电感电流采样电路COMP_IS将检测电阻Rs上的压降，即检测电感电流，输出NM1的栅极控制电压V_IS，电感电流增加时，控制电压V_IS将增加；
图1所述波形发生器Waveform Generator将产生一列锯齿波和一列方波，锯齿波V_SLOPE将控制NM2的栅极，方波CLK将控制RS锁存器的S端；
图1所述脉冲调制比较器PWM_COMP由NM1、NM2、PM2和COMP2组成，两个负输入端分别接V_IS和V_SLOPE，正输入端接V_COMP电压，V_IS连接NM1的栅极，V_COMP连接P型MOS管PM2，V_SLOPE连接NM2的栅极；当V_COMP大于V_IS与V_SLOPE电压之和时，输出信号V_PWM为高电平，当V_COMP小于V_IS、V_SLOPE电压之和时，输出信号V_PWM为低电平，即产生V_PWM调制脉冲；
图1所述RS锁存器的输出信号V_RS在CLK上升沿时被置位，V_PWM上升沿时被复位；
图1所述V_RS经死区时间控制器Dead Time controller进行互不交叠运算后产生控制PM3和NM3的控制逻辑信号V_HIGH和V_LOW，控制逻辑信号经Buffer控制PM3和NM3交替导通；
峰值电流模式控制的开关电源DC-DC，在时钟下降沿到来时打开功率管PM3，电流将从输入端流值输出SW，在PWM信号上升沿到来时将关闭上管，且经过一定的死区时间后打开下管。V_SLOPE为斜波电压，将随时间以固定的斜率线性增加，即在一个开关周期内，PM3开的时间越长，V_SLOPE将越大；在PM3打开时，电源流入SW的电流将持续增加，V_IS也将持续增加，因此NM1的电流下拉能力增强；若V_COMP电压越高，PM2流出的电流将越大；因此在小的负载电流的情况下，需要更大的斜波电压V_SLOPE来弥补V_IS的减小量，即PM3打开的时间将会增长。
一种应用于DC-DC电源管理芯片的快速瞬态响应电路，PWM比较器采用快速响应的电流比较器，在稳态时，快速瞬态响应检测电路处于休眠状态，当COMPA比较器检测到输出电压有较大的跌落，即输出电压有大负载阶跃时，快速瞬态响应检测电路被激活，开始对V_COMP节点充电，即该电路加快误差放大器输出电压的摆率；在负载阶跃时，电感电流不能突变，因此电流采样电路COMP_IS的输出电压V_IS也不会突然增加，二负载阶跃越大，PM2的充电能力越强，V_COMP节点的电压冲的越高，因此将需要更多的斜波补偿电压来抵消V_IS的见销量，即PM3打开的时间增长。电源将在PM3打开时以(VIN-Vout)/L的斜率对输出充电，即电流将从电源经由PM3流至SW，当输入电压VIN固定，输出电压越低，PM3充电的斜率越大，在负载阶跃时(即在大占空比下)为输出长时间补充能量，因此该电路进一步提升了电流模DC-DC变换器的瞬态响应性能。
Claims (1)
1.一种应用于DC-DC电源管理芯片的快速瞬态响应电路，包括误差放大器EA、快速瞬态相应检测电路、电感电流采样电路、采样电阻Rs、脉冲调制比较器、波形发生器、RS锁存器、死区时间控制器、驱动级电路、P型功率管PM3和N型功率管NM3，其特征在于：
所述误差放大器EA将检测反馈电压VFB和芯片内部基准电压VREF的差值并放大，输出电压V_COMP；
所述快速瞬态相应检测电路由比较器COMPA和P型MOS管PM1组成，COMPA检测VFB和VREF的差值并放大，输出V_SP并连接P型MOS管PM1的栅极；在检测到VFB下降至VREF的97.5％时，P型MOS管PM1将对误差放大器的输出V_COMP节点进行快速充电；
所述电感电流采样电路将检测采样电阻Rs上的压降，即检测电感电流，输出控制电压V_IS，控制电压V_IS连接NM1的栅极，电感电流增加时，控制电压V_IS将增加；
所述波形发生器产生两列波，分别为一列锯齿V_SLOPE波和一列方波CLK，锯齿波V_SLOPE控制NM2的栅极，方波CLK控制RS锁存器的S端；
所述脉冲调制比较器电路，两个负输入端分别接V_IS和V_SLOPE，正输入端接V_COMP电压，V_IS连接NM1的栅极，V_COMP连接P型MOS管PM2，V_SLOPE连接NM2的栅极；当V_COMP大于V_IS与V_SLOPE电压之和时，输出信号V_PWM为高电平，当V_COMP小于V_IS、V_SLOPE电压之和时，输出信号V_PWM为低电平，即产生V_PWM调制脉冲；
所述RS锁存器的输出信号V_RS在CLK下降沿到来时被置位，V_PWM上升沿到来时被复位；
所述V_RS经死区时间控制器，产生两列互不交叠的互补控制信号V_HIGH和V_LOW；控制逻辑信号V_HIGH将经过驱动级电路增强驱动，输出DRV_HIGH信号至P型功率管PM3的栅极，控制逻辑信号V_LOW将经过驱动级电路增强驱动，输出DRV_LOW信号至N型功率管的NM3的栅极。
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Address after: B201, zero one square, Xi'an Software Park, 72 Keji 2nd Road, high tech Zone, Xi'an City, Shaanxi Province, 710000 Applicant after: Tuoer Microelectronics Co.,Ltd. Address before: B201, zero one square, Xi'an Software Park, 72 Keji 2nd Road, high tech Zone, Xi'an City, Shaanxi Province, 710000 Applicant before: Xi'an Tuoer Microelectronics Co.,Ltd. Address after: B201, zero one square, Xi'an Software Park, 72 Keji 2nd Road, high tech Zone, Xi'an City, Shaanxi Province, 710000 Applicant after: Xi'an Tuoer Microelectronics Co.,Ltd. Address before: B201, zero one square, Xi'an Software Park, 72 Keji 2nd Road, high tech Zone, Xi'an City, Shaanxi Province, 710000 Applicant before: XI'AN TUOER MICROELECTRONICS Co.,Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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