CN110460222B - 一种适用于参考电压跟踪电源调制器的pwm调制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成电路设计技术领域，具体为一种适用于参考电压跟踪电源调制器的PWM调制电路。电源调制器为Buck‑Boost电源调制器，由基于终点预测的误差放大器、线性PWM调制电路、驱动电路和功率级组成；线性PWM调制电路由一个稳定幅度双锯齿波发生器、一个可变幅度锯齿波发生器、两个二选一多路选择器MUX和一对比较器组成。本发明大大简化了Boost模式下终点预测模块的理论复杂度，使其电路实现成为可能，同时也实现了Buck模式、Boost模式之间平滑和快速的参考电压跟踪，有助于电源调制器在宽输入、宽输出的场景下进行快速参考电压跟踪，可以应用于诸多具有需要高速电源的设备中。

Description

一种适用于参考电压跟踪电源调制器的PWM调制电路
技术领域
本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及的是一种适用于参考电压跟踪电源调制器的PWM调制电路。
背景技术
长期以来，人民日益增长的对美好生活的向往促使了移动通信技术的发展。随着通信速度的不断提高，对电源的参考电压跟踪速度要求也越来越高。如应用于RFPA的平均功率跟踪电源调制器，其实质是一个具有快速参考电压跟踪功能的Buck-Boost转换器，对于5G NR架构来说，每个数据slot之间留给电源调制器切换电压的时间为5us，在不增加片外无源器件的前提下，实现如此快速的参考电压跟踪速度成为一个挑战。
实现快速的参考电压跟踪，需要加快控制环路的响应速度，即提高环路带宽，但是对于开关电源来说，提高环路带宽也意味着开关频率的提高，这将大大降低电源调制器的效率。为了在不提升稳态工作频率的情况下加快参考电压跟踪速度，需要在电压切换的过程中引入额外的控制电路。基于终点预测的Buck转换器，利用参考电压变化的同时，将误差电压的终点预测值输入到环路中来实现快速切换，由于参考电压和误差预测电压的突变，会使控制环路在短暂的时间内进入大信号工作模式，大大提高了响应速度，当输出电压和参考电压接近时，再重新回到小信号工作模式，来保证输出电压平滑切换并进入稳态工作。通过以上几个过程，基于终点预测的Buck转换器实现了快速的参考电压跟踪。然而，对于Boost转换器而言，其误差电压的预测值和参考电压呈反比关系，导致终点预测模块无法通过简单的线性运算得到预测值，也限制了终点预测技术在Boost转换器中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于参考电压跟踪Buck-Boost电源调制器的PWM调制电路。在Buck模式下，直接通过误差信号和双锯齿波比较产生占空比信号，此时误差电压的预测值与参考电压呈线性关系；在Boost模式下，通过改变调制器结构，维持了误差电压和参考电压的线性关系，从而简化了终点预测模块的设计，加快了跟踪参考电压的速度。本发明的技术方案具体介绍如下。
本发明提供的一种适用于参考电压跟踪电源调制器的PWM调制电路，所述电源调制器为Buck-Boost电源调制器，由四部分组成，分别是基于终点预测的误差放大器、线性PWM调制电路、驱动电路、功率级；基于终点预测的误差放大器由PID补偿器和终点预测模块组成；驱动电路由反相器链组成；功率级由功率管PMOS、功率管NMOS和滤波电感L、滤波电容C组成；线性PWM调制电路由一个稳定幅度双锯齿波发生器、一个可变幅度锯齿波发生器、两个二选一多路选择器MUX1、MUX2、以及比较器1和比较器2组成，用于产生功率开关的占空比信号并维持误差电压预测值Vea_pre和参考电压Vref之间的线性关系；所述线性PWM调制器在Boost模式下，利用误差电压Vea作为Boost锯齿波的底端，用偏置电压VH_BOOST作为锯齿波的顶端，用偏置电压VL_BOOST作为截波电压来获得Boost模式下的占空比信号；稳定幅度双锯齿波发生器的四个边界输出VH_BUCK、VL_BUCK、VH_BOOST、VL_BOOST均为偏置电压，一个输出Ramp_buck以VH_BUCK、VL_BUCK为上下边界，连接到比较器1的负端，另一输出Ramp_mix以VH_BOOST、VL_BOOST为上下边界，连接到二选一多路选择器MUX1的0数据端；VH_BOOST的值略大于VL_BUCK，因此Ramp_buck和Ramp_mix之间存在微小的交叠，该交叠区提供了一个Buck、Boost过渡的混合工作模式，即Mixed模式，从而保证了Buck、Boost模式之间的平滑切换；可变幅度锯齿波发生器的上边界输入H端为偏置电压VH_BOOST，下边界输入L端为误差电压Vea，其输出连接到二选一多路选择器MUX1的1数据端，在Buck/Mixed/Boost模式下上述三个锯齿波在电路中同时存在，但在不同模式下接入环路的锯齿波数目不同，在Buck模式下，只有Ramp_buck接入环路，与误差信号Vea比较，产生Buck的占空比信号Duty_buck，另外两路锯齿波仍存在并等待模式转换的时候接入环路；在过渡的Mixed模式下，Ramp_buck和Ramp_mix会同时接入环路，产生Buck的占空比信号Duty_buck和Boost的占空比信号Duty_boost，另外一路锯齿波仍存在并等待模式转换的时候接入环路；在Boost模式下，只有Ramp_boost会接入环路，和误差信号Vea比较产生Boost的占空比信号Duty_boost，另外两路锯齿波仍存在并等待模式转换的时候接入环路；误差信号Vea分别连接到可变幅度锯齿波发生器的下边界L端、二选一多路选择器MUX2的0数据端和比较器1的正输入端；偏置电压VL_BOOST连接到稳定幅度双锯齿波发生器的边界电压端和MUX2的1数据端；两个MUX的数据选择信号由电源调制器是否工作的Boost模式的数字信号Mode_bst决定，选择出信号后，MUX1的输出连接到比较器2的负输入端，MUX2的输出连接到比较器2的正输入端；通过这样的连接，比较器1和比较器2的输出就分别对应为Buck的占空比信号Duty_buck和Boost的占空比信号Duty_boos；当输出电压Vout小于电池输入电压VIN的0.9倍时，电源调制器工作在Buck模式，此时Mode_bst为0，MUX1选通的信号为Ramp_mix，MUX2选通的信号为Vea，于是比较器1正负两端的输入信号分别为误差信号Vea和锯齿波Ramp_buck，其输出的占空比信号Duty_buck经过死区时间发生器及驱动后作用于功率管P1、N1；当输出电压Vout大于电池输入电压VIN的0.9倍、小于VIN的1.03倍时，电源调制器工作在Mixed模式，此时Mode_bst仍为0，MUX1选通的信号为Ramp_mix，MUX2选通的信号为Vea，于是比较器1正负两端的输入信号分别为误差信号Vea和锯齿波Ramp_buck，其输出的占空比信号Duty_buck经过死区时间发生器及驱动后作用于功率管P1、N1；比较器2正负两端的输入信号分别为Ramp_mix和Vea，其输出的占空比信号Duty_boost经过死区时间发生器及驱动后作用于功率管P2、N2；Duty_buck和Duty_boost不会在同一时钟周期同时存在，从每个时钟上升沿开始，如果误差信号Vea首先触碰到Ramp_buck，则本周期只产生Buck的占空比信号Duty_buck，Duty_boost将被屏蔽掉；如果误差信号Vea首先触碰到Ramp_mix，则本周期只产生Boost的占空比信号Duty_boost，Duty_buck将被屏蔽掉；当输出电压Vout大于电池输入电压VIN的1.03倍时，电源调制器工作在Boost模式，即Mode_bst为1，此时MUX1选通的信号为Ramp_boost，MUX2选通的信号为VL_BOOST，于是比较器2正负两端的输入信号分别变为偏置电压VL_BOOST和锯齿波Ramp_boost，其输出的占空比信号Duty_boost通过死去时间发生器及驱动后作用于功率管P2、N2；由此，平滑快速的模式切换得以实现。
本发明中，当电源调制器工作在Buck模式时，线性PWM调制器的输入接法保证了误差电压预测值和参考电压之间的线性关系。当电源调制器进入Boost模式时，Mode_bst＝1，产生Duty_boost的比较器的两个输入得到切换，一个输入端由Ramp_mix切换到Ramp_boost，一个输入端由Vea切换到VL_BOOST。这样的切换保持了在Boost模式下，终点预测模块所产生的预测值Vea_pre与参考电压Vref之间的线性关系，从而使终点预测技术成功应用到了Buck-Boost电源调制器，加快了调制器在各工作模式下的参考电压跟踪速度。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明大大简化了Boost模式下终点预测模块的理论复杂度，使其电路实现成为可能，同时也实现了Buck模式、Boost模式之间平滑和快速的参考电压跟踪，有助于电源调制器在宽输入、宽输出的场景下进行快速参考电压跟踪，可以应用于诸多具有需要高速电源的设备(例如手机、平板电脑、智能可穿戴设备等)中。
附图说明
图1是采用线性PWM调制的Buck-Boost电源调制器架构图。
图2是本发明设计的线性PWM调制电路。
图3是采用线性PWM调制的Buck-Boost电源调制器在不同模式之间进行参考电压跟踪的瞬态仿真结果。
具体实施方式
以下根据附图及设计实例对本发明进行详细说明。
本发明涉及的是一种适用于参考电压跟踪电源调制器的PWM调制电路。该电路的应用结构如图1所示。该结构电源调制器为Buck-Boost电源调制器，由四部分组成，分别是基于终点预测的误差放大器、线性PWM调制电路、驱动电路和功率级组成。其中功率级由功率管PMOS、功率管NMOS和滤波电容(C)、滤波电感(L)组成；驱动电路由反相器链组成；线性PWM调制电路由线性PWM调制器和双模双锯齿波发生器组成；基于终点预测的误差放大器由终点预测模块和PID补偿器组成。输出电压Vout通过采样电阻R1、R2采样后将采样电压送入PID补偿器，同时也将终点预测模块产生的误差电压预测值Vea_pre送入补偿器，进行PID运算之后，将误差电压Vea送入到线性PWM调制器中，双模双锯齿波发生器在不同工作模式下把不同的双锯齿波送入线性PWM调制器，经线性PWM调制器调制后，误差电压Vea转换成了两路占空比信号Duty_buck，Duty_boost，其中Duty_buck经过死区时间发生器及驱动后控制功率管P1、N1的导通和关断，Duty_boost经过死区时间发生器及驱动后控制功率管P2、N2的导通和关断。在参考电压跟踪时，参考电压Vref会发生突变，这时终点预测模块预测到的终点误差电压Vea_pre也会随之突变，补偿器的输入电压突变将使补偿器进入大信号工作状态，响应速度大大提高，同时会驱使误差电压Vea向误差电压终点预测值Vea_pre靠拢，从而使输出电压快速切换到参考电压所要求的值，实现快速的参考电压跟踪。
图2为线性PWM调制电路详细的结构图。线性PWM调制电路由一个稳定幅度双锯齿波发生器、一个可变幅度锯齿波发生器、两个二选一多路选择器MUX和一对比较器组成，用于产生功率开关的占空比信号并维持误差电压预测值Vea_pre和参考电压Vref之间的线性关系。其中稳定幅度双锯齿波发生器的四个边界输出VH_BUCK、VL_BUCK、VH_BOOST、VL_BOOST均为偏置电压，一个输出Ramp_buck以VH_BUCK、VL_BUCK为上下边界，连接到比较器1的负端；另一输出Ramp_mix以VH_BOOST、VL_BOOST为上下边界，连接到二选一多路选择器MUX1的0数据端；VH_BOOST的值略大于VL_BUCK，因此Ramp_buck和Ramp_mix之间存在微小的交叠，该交叠区提供了一个Buck、Boost过渡的混合工作模式(Mixed模式)，从而保证了Buck、Boost模式之间的平滑切换。可变幅度锯齿波发生器的上边界输入H端为偏置电压VH_BOOST，下边界输入L端为误差电压Vea，其输出连接到二选一多路选择器MUX1的1数据端。误差信号Vea分别连接到可变幅度锯齿波发生器的下边界L端、二选一多路选择器MUX2的0数据端和比较器1的正输入端；偏置电压VL_BOOST连接到稳定幅度双锯齿波发生器的边界电压端和MUX2的1数据端；两个MUX的数据选择信号由电源调制器是否工作的Boost模式的数字信号Mode_bst决定，选择出信号后，MUX1的输出连接到比较器2的负输入端，MUX2的输出连接到比较器2的正输入端。通过这样的连接，比较器1和比较器2的输出就分别对应为Buck的占空比信号Duty_buck和Boost的占空比信号Duty_boost。当输出电压Vout小于电池输入电压VIN的0.9倍时，电源调制器工作在Buck模式，此时Mode_bst为0，MUX1选通的信号为Ramp_mix，MUX2选通的信号为Vea，于是比较器1正负两端的输入信号分别为误差信号Vea和锯齿波Ramp_buck，其输出的占空比信号Duty_buck经过死区时间发生器及驱动后作用于功率管P1、N1；当输出电压Vout大于电池输入电压VIN的0.9倍、小于VIN的1.03倍时，电源调制器工作在Mixed模式，此时Mode_bst仍为0，MUX1选通的信号为Ramp_mix，MUX2选通的信号为Vea，于是比较器1正负两端的输入信号分别为误差信号Vea和锯齿波Ramp_buck，其输出的占空比信号Duty_buck经过死区时间发生器及驱动后作用于功率管P1、N1；比较器2正负两端的输入信号分别为Ramp_mix和Vea，其输出的占空比信号Duty_boost经过死区时间发生器及驱动后作用于功率管P2、N2。Duty_buck和Duty_boost不会在同一时钟周期同时存在，从每个时钟上升沿开始，如果误差信号Vea首先触碰到Ramp_buck，则本周期只产生Buck的占空比信号Duty_buck，Duty_boost将被屏蔽掉；如果误差信号Vea首先触碰到Ramp_mix，则本周期只产生Boost的占空比信号Duty_boost，Duty_buck将被屏蔽掉。当输出电压Vout大于电池输入电压VIN的1.03倍时，电源调制器工作在Boost模式，即Mode_bst为1，此时MUX1选通的信号为Ramp_boost，MUX2选通的信号为VL_BOOST，于是比较器2正负两端的输入信号分别变为偏置电压VL_BOOST和锯齿波Ramp_boost，其输出的占空比信号Duty_boost通过死去时间发生器及驱动后作用于功率管P2、N2。通过理论分析，可知在Buck模式下经线性PWM调制器调制的误差信号其预测值为：
Figure BDA0002144861330000051
在Boost模式下经线性PWM调制器调制的误差信号其预测值为：
Figure BDA0002144861330000052
其中b是输出电压的采样比，即R2/(R1+R2),R1、R2为采样电阻的阻值。故经线性PWM调制电路调制后，误差电压预测值(Vea_pre)在不同模式下始终和参考电压(Vref)保持线性关系，从而降低了搭建误差电压终点预测电路的难度，成功将终点预测技术应用到了Buck-Boost电源调制器，提高了电源调制器的参考电压跟踪速度。
图3为采用线性脉冲宽度调制的Buck-Boost电源调制器在不同模式之间进行参考电压跟踪的瞬态仿真结果。图中所示的电压波形即为输出电压跟踪参考电压的跟踪过程，可以看到输出电压可以实现任意模式(Buck模式，过渡的mixed模式以及Boost模式)之间的快速参考电压跟踪，最长跟踪时间为5.4us(5V-0.5V)，基本能够满足在5G NR架构下，对线性PA每个数据slot进行平均功率跟踪的需求。

Claims (2)

1.一种适用于参考电压跟踪电源调制器的PWM调制电路，其特征在于，所述电源调制器为Buck-Boost电源调制器,由四部分组成，分别是基于终点预测的误差放大器、线性PWM调制电路、驱动电路、功率级；基于终点预测的误差放大器由PID补偿器和终点预测模块组成，其中终点预测模块以参考电压Vref为输入，并输出误差电压预测值Vea_pre到PID补偿器，PID补偿器以参考电压Vref、误差电压预测值Vea_pre、输出电压Vout采样值为输入，并输出误差电压Vea到线性PWM调制电路；线性PWM调制电路由一个稳定幅度双锯齿波发生器、一个可变幅度锯齿波发生器、两个二选一多路选择器MUX1、MUX2、以及比较器1和比较器2组成，以误差电压Vea、偏置电压VH_BUCK、VL_BUCK、VH_BOOST、VL_BOOST为输入，并输出占空比信号Duty_buck、Duty_boost到驱动电路；驱动电路由死区时间发生器和反相器链组成，以占空比信号Duty_buck、Duty_boost为输入，并输出驱动信号SN1、SN2、SP1、SP2到功率级；功率级由功率管PMOS、功率管NMOS和滤波电感L、滤波电容C组成，以电源电压VIN、驱动信号SN1、SN2、SP1、SP2为输入，并输出电压Vout；所述线性PWM调制电路用于产生功率开关的占空比信号并维持误差电压预测值Vea_pre和参考电压Vref之间的线性关系，在Buck模式下，用偏置电压VH_BUCK作为锯齿波的顶端，用偏置电压VL_BUCK作为锯齿波的底端，用误差电压Vea作为截波电压获得占空比信号；在Boost模式下，利用误差电压Vea作为Boost锯齿波的底端，用偏置电压VH_BOOST作为锯齿波的顶端，用偏置电压VL_BOOST作为截波电压来获得Boost模式下的占空比信号；稳定幅度双锯齿波发生器的四个边界输出VH_BUCK、VL_BUCK、VH_BOOST、VL_BOOST均为偏置电压，一个输出Ramp_buck以VH_BUCK、VL_BUCK为上下边界，连接到比较器1的负端，另一输出Ramp_mix以VH_BOOST、VL_BOOST为上下边界，连接到二选一多路选择器MUX1的0数据端；VH_BOOST的值略大于VL_BUCK，因此Ramp_buck和Ramp_mix之间存在微小的交叠，该交叠区提供了一个Buck、Boost过渡的混合工作模式，即Mixed模式，从而保证了Buck、Boost模式之间的平滑切换；可变幅度锯齿波发生器的上边界输入H端为偏置电压VH_BOOST，下边界输入L端为误差电压Vea，其输出连接到二选一多路选择器MUX1的1数据端，在Buck/Mixed/Boost模式下上述三个锯齿波在电路中同时存在，但在不同模式下接入环路的锯齿波数目不同，在Buck模式下，只有Ramp_buck接入环路，与误差信号Vea比较，产生Buck的占空比信号Duty_buck，另外两路锯齿波仍存在并等待模式转换的时候接入环路；在过渡的Mixed模式下，Ramp_buck和Ramp_mix会同时接入环路，产生Buck的占空比信号Duty_buck和Boost的占空比信号Duty_boost，另外一路锯齿波仍存在并等待模式转换的时候接入环路；在Boost模式下，只有Ramp_boost会接入环路，和误差信号Vea比较产生Boost的占空比信号Duty_boost，另外两路锯齿波仍存在并等待模式转换的时候接入环路；误差信号Vea分别连接到可变幅度锯齿波发生器的下边界L端、二选一多路选择器MUX2的0数据端和比较器1的正输入端；偏置电压VL_BOOST连接到稳定幅度双锯齿波发生器的边界电压端和MUX2的1数据端；两个MUX的数据选择信号由电源调制器是否工作的Boost模式的数字信号Mode_bst决定，选择出信号后，MUX1的输出连接到比较器2的负输入端，MUX2的输出连接到比较器2的正输入端；
通过以上连接，在Buck模式下，误差电压Vea和误差电压预测值Vea_pre的关系为Vea_pre≈Vea，占空比Duty_buck和误差电压预测值Vea_pre的关系为Duty_buck=1-(Vea_pre-VL_BUCK)/(VH_BUCK-VL_BUCK)，Duty_buck和参考电压Vref的关系为Duty_buck=b*Vref/VIN，其中b为输出电压采样比；进而得出Buck模式下误差电压预测值Vea_pre和参考电压Vref的关系为Vea_pre=VH_BUCK- (VH_BUCK-VL_BUCK)*b*Vref/VIN；
在Boost模式下，误差电压和误差电压预测值的关系为Vea_pre≈Vea，占空比Duty_boost和误差电压预测值Vea_pre的关系为Duty_boost=(VL_BOOST-Vea_pre)/(VH_BOOST-Vea_pre)，Duty_boost和参考电压Vref的关系为Duty_boost=1-VIN/(b*Vref)，由以上两式可以得出Boost模式下误差电压预测值Vea_pre和参考电压Vref的关系为Vea_pre= VH_BOOST-(VH_BUCK-VL_BUCK)*b*Vref/VIN；
比较器1和比较器2的输出分别对应为Buck的占空比信号Duty_buck和Boost的占空比信号Duty_boost；当输出电压Vout小于电池输入电压VIN的0.9倍时，电源调制器工作在Buck模式，此时Mode_bst为0，MUX1选通的信号为Ramp_mix，MUX2选通的信号为Vea，于是比较器1正负两端的输入信号分别为误差信号Vea和锯齿波Ramp_buck，其输出的占空比信号Duty_buck经过死区时间发生器及驱动后作用于功率管P1、N1；当输出电压Vout大于电池输入电压VIN的0.9倍、小于VIN的1.03倍时，电源调制器工作在Mixed模式，此时Mode_bst仍为0，MUX1选通的信号为Ramp_mix，MUX2选通的信号为Vea，于是比较器1正负两端的输入信号分别为误差信号Vea和锯齿波Ramp_buck，其输出的占空比信号Duty_buck经过死区时间发生器及驱动后作用于功率管P1、N1；比较器2正负两端的输入信号分别为Ramp_mix和Vea，其输出的占空比信号Duty_boost经过死区时间发生器及驱动后作用于功率管P2、N2；Duty_buck和Duty_boost不会在同一时钟周期同时存在，从每个时钟上升沿开始，如果误差信号Vea首先触碰到Ramp_buck，则本周期只产生Buck的占空比信号Duty_buck，Duty_boost将被屏蔽掉；如果误差信号Vea首先触碰到Ramp_mix，则本周期只产生Boost的占空比信号Duty_boost，Duty_buck将被屏蔽掉；当输出电压Vout大于电池输入电压VIN的1.03倍时，电源调制器工作在Boost模式，即Mode_bst为1，此时MUX1选通的信号为Ramp_boost，MUX2选通的信号为VL_BOOST，于是比较器2正负两端的输入信号分别变为偏置电压VL_BOOST和锯齿波Ramp_boost，其输出的占空比信号Duty_boost通过死去时间发生器及驱动后作用于功率管P2、N2；由此，平滑快速的模式切换得以实现。
2. 根据权利要求1所述的PWM调制电路，其特征在于：当电源调制器进入Boost模式时，Mode_bst = 1，产生Duty_boost的比较器的输入得到切换，由Vea切换到了VL_BOOST。
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