CN110266281A - 应用于boost电流型电流运算的带隙跨导放大器 - Google Patents

应用于boost电流型电流运算的带隙跨导放大器 Download PDF

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Abstract

应用于BOOST电流型电流运算的带隙跨导放大器，属于电源管理技术领域，本发明包括放大单元、脉宽调制单元、电流采样单元、储能电感和输出单元，放大单元的输出端接脉宽调制单元的负性输入端，其特征在于，放大单元的输入端和输出单元的反馈端连接，所述放大单元包括：第一PMOS管，第二PMOS管，第一三极管，第二三极管，第三三极管，第四三极管，第五三极管。本发明极大简化脉宽调制单元的结构；将频率补偿结构设计为密勒补偿，减小了片内电容的面积，降低了成本。

Description

应用于BOOST电流型电流运算的带隙跨导放大器
技术领域
本发明属于电源管理技术领域，具体的说涉及一种应用于BOOST电流型电流运算的带隙跨导放大器。
背景技术
一般的电力要经过转换才能达到使用的标准，这一转换过程就需要电源芯片来实现转换电压值以及稳定输出电压的作用。出于绿色节能的目的，对电源变换器的效率要求越来越高，而开关电源正是高效率变换器的最佳选择。开关变换器的本质是从输出端采集电压或电流信号与内部产生的带隙基准电压作比较，产生功率开关管的栅极控制方波，达到升高或降低输出电压以及提供较大负载电流的功能。典型的电流模式BOOST型变换器如图1所示，具体包括：电感L、肖特基二级管D1、功率开关管MNX、采样电阻RS、电容C、负载电阻RLOAD、反馈电阻RFF和RFB、带隙基准单元Bandgap、电流采样单元Ai、误差放大器AV以及脉宽调制器PWM。基本工作原理为：反馈电阻将输出电压反馈给AV，该电压与带隙基准电压Vref比较产生控制电压VC；当功率开关管导通时，电感电流全部流过功率管MNX和一个很小的采样电阻RS,电流采样单元通过采样电阻RS上的压降对电感电流进行采样，产生的采样电压VS和斜坡电压VRAMP之和与控制电压VC在PWM单元作比较产生控制方波控制功率管栅极电压，由此形成环路。由于Vref连接在RFF和RFB之间，所以输出电压为
VOUT＝Vref(1+RFF/RFB)
实际DC-DC电路设计中，需要带隙基准单元Bandgap产生带隙电压Vref，这意味着电路需要更多的面积，需要更多的中压或高压器件。同时，由于传统的DC-DC电路中使用电压-电压的误差放大器，PWM模块还需要一个高精度比较器。最后，DC-DC电路还需要采用大电容的补偿网络，维持电压环的稳定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够解决开关电源在提供稳定输出电压和负载电流时遇到的问题，简化脉宽调制器PWM结构并且减小了片内补偿电容的大小的带隙跨导放大器。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，
应用于BOOST电流型电流运算的带隙跨导放大器，包括放大单元、脉宽调制单元、电流采样单元、储能电感和输出单元，放大单元的输出端接脉宽调制单元的负性输入端，其特征在于，放大单元的输入端和输出单元的反馈端连接，所述放大单元包括：
第一PMOS管MP1，其源极接输入电压VDD，栅极和漏极接第一电流源I1的输入端，第一电流源I1的输出端接地；
第二PMOS管MP2，其源极接输入电压VDD，栅极接第一PMOS管MP1的栅极，漏极作为放大单元的输出端IC；
第一三极管Q1，其发射极接输入电压VDD，基极和集电极接第三三极管的集电极；
第二三极管Q2，其发射极接输入电压VDD，基极接第一三极管的基极，集电极接参考点；
第三三极管Q3，其发射极通过第二电阻R2和第三电阻R3接地，基极通过第一电阻R1接输入端FB，
第四三极管Q4，其发射极通过第三电阻Q3接地，基极接输入端FB；
第五三极管Q5，其发射极接输入电压，基极接参考点，集电极接第一电流源I1的输入端，其基极和集电极之间串联有第一电容C1和第四电阻R4。
所述第一三极管、第二三极管、第五三极管为PNP管，所述第三三极管、第四三极管为NPN管。
本发明的有益效果为，与现有的DC-DC的误差放大器和脉宽调制单元相比，将误差放大器设计为集成带隙基准结构的跨导放大器，在保持精度的前提下省略了带隙基准单元；将电压的比较转变为电流的比较，极大简化脉宽调制单元的结构；将频率补偿结构设计为密勒补偿，减小了片内电容的面积，降低了成本。
附图说明
图1是传统电流模式BOOST型转换器的电路结构图；
图2是本发明中的电路框架图；
图3是本发明中的带隙跨导放大单元电路结构图；
图4是本发明中的脉宽调制单元电路结构图。
具体实施方式
参见图2、3、4。
本发明提供了一种应用于BOOST电流型电流运算的带隙跨导放大器，包括带隙跨导放大单元OTA、电流采样单元Ai、脉宽调制单元PWM、储能电感L、功率开关管MNY、采样电阻RS、肖特基二级管D1、反馈电阻RFF和RFB、储能电容C以及负载电阻RLOAD；所述带隙跨导放大单元的输入端接RFF和RFB的连接点，输出端接脉宽调制单元的输入端；电流采样单元的输入端接采样电阻RS两端，输出端与斜坡电流IRAMP相加后接脉宽调制单元的输入端；脉宽调制单元PWM的输出端接功率管MNY的栅极；电感L一端接VIN，一端接功率管的漏极；采样电阻RS一端接功率管的源极，另一端接地；肖特基二级管的正端接MNY的漏端，负端接RFF与RFB的串联结构与电容C和负载电阻RLOAD的并联。
所述带隙跨导放大单元用于产生带隙电压Vref，与反馈电阻RFF和RFB分压产生的反馈电压做比较，输出控制电流IC；脉宽调制单元将IC-IRMAP与IS进行比较产生功率管控制方波。
所述带隙跨导放大单元包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一电流源I1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4以及第一电容C1；所述第一三极管Q1的发射极接输入电压VDD，基极与集电极互连；第三三极管Q3的发射极依次连接第二电阻R2和第三电阻R3后接地，基极通过第一电阻R1接跨导放大单元输入端FB，集电极接第一三极管Q1的集电极；第二三极管Q2的发射极接输入电压VDD，基极接第一三极管Q1的基极，集电极接第四三极管Q4的集电极；第四三极管Q4的基极接跨导放大单元输入端FB，发射极接第二电阻R2和第三电阻R3的连接点；第五三极管Q5的发射极接输入电压VDD，基极接第二三极管Q2的集电极，基极还通过第一电容C1和第四电阻R4与集电极互连，集电极接第一PMOS管MP1的漏极；第一PMOS管MP1的源极接输入电压VDD，栅极与漏极互连；第一电流源I1一端接第一PMOS管MP1的漏极，另一端接地；第二PMOS管MP2源极接VDD，栅极接第一PMOS管MP1的栅极，漏极接带隙跨导放大单元的输出端IC。
所述脉宽调制单元包括第三PMOS管MP3、第一NMOS管MN1、第二电流源I2、第三电流源I3、第四电流源I4以及第一反向器INV1；所述第二电流源I2一端接地，另一端接脉宽调制单元输入端IC；第三电流源I3一端接地，另一端接脉宽调制单元输入端IC；第三PMOS管MP3源极接脉宽调制单元输入端IC，漏极接地，栅极接第一NMOS管MN1的漏极；第一NMOS管MN1源极接地，栅极接脉宽调制单元输入端IC，漏极接第一反向器INV1的输入端；第四电流源I4一端接VDD，另一端接第一NMOS管MN1的漏极。第一反向器输出端接脉宽调制单元输出端NGATE。
实施例：
一种应用于BOOST电流型电流运算的带隙跨导放大器，包括带隙跨导放大单元(Bandgap Operational Transconductance Amplifier)以及脉宽调制单元(Pulse WidthModulation)；带隙跨导放大单元将自身产生的带隙电压Vref与反馈电压VFB比较产生控制电流IC；脉宽调制单元将控制电压IC与IS+IRAMP进行比较，产生功率开关管MNY的栅极控制方波。再通过环路负反馈以及反馈电阻RFF和RFB的分压作用，将输出电压箝位在VOUT＝Vref(1+RFF/RFB)处。
带隙跨导放大单元是本发明核心所在，如图3所示，带隙跨导放大器包括第一PMOS管MP1，第一电流源I1、三极管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5，电阻R1、R2、R3、R4以及第一电容C1。其中三极管Q3的基极通过基极补偿电阻R1和三极管Q4的基极一同连接到输出电压的反馈端FB，同时也是带隙电压的输出端，第一三极管Q1的发射极经过电阻R2、R3接到地，第四三极管Q4的发射极接电阻R2、R3的连接点，构成了基本带隙基准结构；三极管Q1、Q2的基极相连，发射极都接输入电压VDD，第一三极管Q1的基极与集电极互连再接第三三级管Q3的集电极，第二三极管Q2的集电极接三级管Q4的集电极，构成基本电流镜结构，第二三级管Q2的集电极作为第一级放大单元的输出；第五三级管Q5的基极接第一级输出(称为参考点)，发射极接VDD。第一电流源I1一端接地，另一端接第五三级管Q5的集电极；第一PMOS管MP1源极接VDD，栅极与漏极互连再接第五三级管Q5的集电极，第二PMOS管MP2源极接VDD，栅极接第一PMOS管MP1的栅极，漏极接带隙跨导放大单元输出端IC，两个PMOS管MP1、MP2构成基本电流镜结构，NMOS管MN1、第五三极管Q5和PMOS管MP1、MP2构成跨导放大器的输出级。第一电容C1和第四电阻R4作为密勒电容和调零电阻跨接在第五三级管Q5的基极和集电极，以较小的电容补偿环路频率响应。
带隙跨导放大单元内部产生带隙电压Vref，由电阻R2、R3以及三极管Q3、Q4的比例可得Vref为：
带隙电压Vref可以通过调整电阻R2、R3的比例来达到-55℃-125℃温度范围内最小温漂系数。为了减小三极管Q3、Q4的基极电流对输出电压VOUT的影响，三极管Q3的基极连接基极补偿电阻R1。带隙基准电压通过反馈电阻RFF和RFB将输出电压VOUT箝位，VOUT的电压为：
本发明应用于电流模式的BOOST型开关电源，环路的频率响应需要一个靠近原点的极点来补偿相位裕度，密勒电容C1的作用是产生一个极点
[其中Rout1是第一级的输出阻抗，AV2是第二级的放大倍数。对于同样的极点位置，密勒电容能将电容大小缩小AV2倍。
密勒电容也会产生一个右半平面零点，调零电阻可以将该右半平面零点移到左半平面
其中gm5是三极管Q5的跨导，调零电阻R4能有效改善频率响应。
带隙跨导放大单元通过负反馈环路将反馈电压箝位到带隙电压Vref处，负反馈过程为：当输出电压升高时，反馈电压VFB升高，控制电流IC减小，此时功率管栅极控制信号占空比减小，输出电压下降，构成负反馈。
脉宽调制单元包括电流源I2、I3、I4、NMOS管MN1、PMOS管MP3以及反向器INV1。电流源I2一端接地，另一端接脉宽调制单元输入端IC；电流源I3一端接地，另一端接脉宽调制单元输入端IC；，电流源I2、I3和输入端IC构成电流比较器；PMOS管MP3漏极接地，源极接脉宽调制单元输入端IC，栅极接NMOS管MN1的漏极，当控制电流IC比IS+IRAMP小时NMOS管MN4的栅极为低电位；当控制电流IC比IS+IRAMP大时，由于PMOS管MP4的存在，NMOS管MN4栅极电压不需要跳变至VDD而是比MN4阈值电压稍高的电压，这一结构有利于提高电流比较速度；NMOS管MN1栅极接脉宽调制单元输入端IC，源极接地，电流源I4一端接VDD，另一端接NMOS管MN1的漏端，电流源I4和NMOS管MN1构成了脉宽调制单元输出级；反向器INV1输入端接NMOS管MN1的漏极，输出端接功率管栅极NGATE，反向器INV1起到整形波形的作用。
脉宽调制单元采用电流比较的方法，简化了采用电压比较器的传统脉宽调制单元结构。功率开关管MNY在时钟开始时打开，由于一周期内输出电压的变化很小，近似认为控制电流IC不变，此时功率开关管MNY上电流线性增加，采样电流IS也随之增加；直到采样电流与斜坡电流的和IS+IRAMP大于控制电流IC，此时脉宽调制单元输出信号NGATE关断功率开关管MNY，直到下个周期的开始。
图2所示电路，仅为本发明的一个优选实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此。任何本领域人员根据本发明构思范围内进行的，包括对电路局部构造的变更，或其他非实质性的替换、修改等，均属于本发明专利的保护范围。

Claims (1)

1.应用于BOOST电流型电流运算的带隙跨导放大器，包括放大单元、脉宽调制单元、电流采样单元、储能电感和输出单元，放大单元的输出端接脉宽调制单元的负性输入端，其特征在于，放大单元的输入端和输出单元的反馈端连接，所述放大单元包括：
第一PMOS管(MP1)，其源极接输入电压VDD，栅极和漏极接第一电流源(I1)的输入端，第一电流源I1的输出端接地；
第二PMOS管(MP2)，其源极接输入电压VDD，栅极接第一PMOS管(MP1)的栅极，漏极作为放大单元的输出端(IC)；
第一三极管(Q1)，其发射极接输入电压VDD，基极和集电极接第三三极管的集电极；
第二三极管(Q2)，其发射极接输入电压VDD，基极接第一三极管的基极，集电极接参考点；
第三三极管(Q3)，其发射极通过第二电阻(R2)和第三电阻(R3)接地，基极通过第一电阻(R1)接输入端(FB)，
第四三极管(Q4)，其发射极通过第三电阻(Q3)接地，基极接输入端(FB)；
第五三极管(Q5)，其发射极接输入电压，基极接参考点，集电极接第一电流源(I1)的输入端，其基极和集电极之间串联有第一电容(C1)和第四电阻(R4)。
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