CN111049373B - 一种电流型三态降压开关电源控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电流型三态降压开关电源控制系统及方法。所述方法包括：在电压源回路上设置第一上功率管和对应的第一下功率管，在第一上功率管和第一下功率管之间设置第二上功率管和对应的第二下功率管；设置峰值电流模式和谷值电流模式的工作状态；在峰值电流模式下，在第一上升沿到来时第一上功率管开启，在第二上升沿到来时第二上功率管开启；在谷值电流模式下，在第一上升沿到来时第一下功率管开启，在第二上升沿到来时第二下功率管开启；采用PWM信号控制功率管的导通时间。上述方法实现了一种三态降压开关电源的电流控制方法，瞬态响应更快，能获得更小器件电应力和更小的电感尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，特别是一种电流型三态降压开关电源控制系统及方法。
背景技术
由于高功率密度电源的应用需求，三态降压(3-level BUCK)开关电源相对于传统BUCK拓扑，相同输入输出范围和功率应用条件下具有更小的器件电应力和更小的电感尺寸等优势，开始得到更多的关注和研究。
如图1所示为3-level BUCK的拓扑结构，相对于传统结构增加了功率管T2,功率管B2，和电容C2，为了获得最小器件电应力和最小的电感尺寸，需要让C2上的电压保持为输入电压的二分之一。
通过3-level BUCK的理论研究可知采用电压型脉冲宽度模式(PWM)控制，控制方式非常简单，但也有自身的两个难以克服的缺点：一是瞬态响应难以提高，二是需要较复杂的环路控制以保持C2上的电压恒定为输入电压的二分之一。而采用电流型脉冲宽度模式控制则C2上的电压能够自动保持恒定而不需要额外的环路控制，另外瞬态响应相对于电压模也更快。由于电流模3-level BUCK的无法像传统BUCK那样工作在纯峰值电流模(PCM)或谷值电流模(VCM)，随着占空比的变化需要在PCM和VCM之间进行切换，所以控制较为复杂，目前相关的报道和研究比较少见。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种电流型三态降压开关电源控制系统及方法。
本发明采用的技术方案如下：一种电流型三态降压开关电源控制系统，包括设置在电压源回路上的第一上功率管和对应的第一下功率管，还包括设置在第一上功率管和第一下功率管之间的第二上功率管和对应的第二下功率管、模式选择器、逻辑控制模块；
所述模式选择器用于选择峰值电流模式或谷值电流模式的工作状态；
所述逻辑控制模块用于控制峰值电流模式和谷值电流模式下功率管的开启和关闭；在峰值电流模式下，在第一上升沿到来时第一上功率管开启，在第二上升沿到来时第二上功率管开启；在谷值电流模式下，在第一上升沿到来时第一下功率管开启，在第二上升沿到来时第二下功率管开启；所述第一上功率管、第二上功率管、第一下功率管、第二下功率管的导通时间通过PWM信号控制；其中，在同一时刻下第一上功率管和第一下功率管开启和关闭的状态不同，第二上功率管和第二下功率管开启和关闭的状态不同。
进一步的，所述电流型三态降压开关电源控制系统还还包括比较器，所述比较器用于产生PWM信号，所述PWM信号还用于控制模式选择器的工作状态，如果PWM信号为高则下一个周期为峰值电流模式控制；如果PWM信号为低则下一个周期为谷值电流模式控制。进一步的，所述电流型三态降压开关电源控制系统还包括振荡器，所述振荡器用于产生第一上升沿和第二上升沿对应的时钟信号，所述第一上升沿和第二上升沿对应的时钟信号具有180°相移。
进一步的，峰值电流模式下，在第一上升沿到来时开启第一上功率管，同时关闭对应的第一下功率管，当PWM信号变化输出低电平时,关闭第一上功率管，同时开启第一下功率管；在第二上升沿到来时开启对应的第二上功率管,同时关闭对应的第二下功率管，当PWM信号变化输出低电平时,关闭第二上功率管，同时开启第二下功率管；
谷值电流模式下，在第一上升沿到来时开启第一下功率管,同时关闭对应的第一上功率管，当PWM信号变化输出高电平时,关闭第一下功率管,同时开启第一上功率管；在第二升沿到来时开启第二下功率管,同时关闭对应的第二上功率管，当PWM信号变化输出高电平时,关闭第二下功率管,同时开启第二上功率管。
进一步的，所述电流型三态降压开关电源控制系统还包括电流采样模块和电压误差放大器，所述电压误差放大器的正向输入端和负向输入端分别连接开关电源的输出电压采样信号和内部基准电压信号，所述电流采样模块根据所述模式选择器选择的输出选择叠加相应的斜坡补偿得到电流采样信号，所述电压误差放大器的输出端和电流采样信号分别连接比较器的正向输入端和负向输入端，所述比较器的输出端输出PWM信号。
进一步的，所述第一上功率管、第一下功率管、第二上功率管、第二下功率管均设置了驱动模块。
本发明还公开了一种电流型三态降压开关电源控制方法，包括：
在电压源回路上设置第一上功率管和对应的第一下功率管，在第一上功率管和第一下功率管之间设置第二上功率管和对应的第二下功率管；
设置峰值电流模式和谷值电流模式的工作状态；
在峰值电流模式下，在第一上升沿到来时第一上功率管开启，，在第二上升沿到来时第二上功率管开启；在谷值电流模式下，在第一上升沿到来时第一下功率管开启，在第二上升沿到来时第二下功率管开启；所述第一上功率管、第二上功率管、第一下功率管、第二下功率管的导通时间通过PWM信号控制；其中，在同一时刻下第一上功率管和第一下功率管开启和关闭的状态不同，第二上功率管和第二下功率管开启和关闭的状态不同。
进一步的，所述电流型三态降压开关电源控制方法还包括：采用PWM信号控制模式选择器的工作状态，如果PWM信号为高则下一个周期为峰值电流模式控制；如果PWM信号为低则下一个周期为谷值电流模式控制。
进一步的，所述第一上升沿和第二上升沿对应的时钟信号具有180°相移。
进一步的，峰值电流模式下，在第一上升沿到来时开启第一上功率管，同时关闭对应的第一下功率管，当PWM信号变化输出低电平时,关闭第一上功率管，同时开启第一下功率管；在第二上升沿到来时开启对应的第二上功率管,同时关闭对应的第二下功率管，当PWM信号变化输出低电平时,关闭第二上功率管，同时开启第二下功率管；
谷值电流模式下，在第一上升沿到来时开启第一下功率管,同时关闭对应的第一上功率管，当PWM信号变化输出高电平时,关闭第一下功率管,同时开启第一上功率管；在第二升沿到来时开启第二下功率管,同时关闭对应的第二上功率管，当PWM信号变化输出高电平时,关闭第二下功率管,同时开启第二上功率管。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明技术方案使本发明的三态降压在峰值电流模式PCM和谷值电流模式VCM之间切换，并且本发明的控制逻辑采用电流型脉冲宽度模式稳定了加入的上下功率管的电压状态，使控制方法瞬态响应更快；使相同输入输出范围和功率应用条件下获得更小器件电应力和更小的电感尺寸。
附图说明
图1为三态降压开关电源控制系统的一种拓扑结构。
图2为本发明电流型三态降压开关电源控制系统的其中一种实施方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
一种电流型三态降压开关电源控制系统，包括设置在电压源回路上的第一上功率管T1和对应的第一下功率管B1，还包括设置在第一上功率管T1和第一下功率管B1之间的第二上功率管T2和对应的第二下功率管B2、模式选择器(modeswitch)4、逻辑控制模块5；
所述模式选择器4用于选择峰值电流模式PCM或谷值电流模式VCM的工作状态；所述模式选择可以采用现有技术实现；
所述逻辑控制模块5用于控制峰值电流模式PCM和谷值电流模式VCM下功率管的开启和关闭；具体控制逻辑为：峰值电流模式PCM下，在第一上升沿到来时第一上功率管T1开启，在第二上升沿到来时第二上功率管T2开启；谷值电流模式VCM下，在第一上升沿到来时第一下功率管B1开启，在第二上升沿到来时第二下功率管B2开启；所述第一上功率管T1、第二上功率管T2、第一下功率管B1、第二下功率管B2的导通时间通过PWM信号控制，功率管的开启和关闭状态由PWM信号决定；其中，在同一时刻下第一上功率管T1和第一下功率管B1开启和关闭的状态不同，第二上功率管T2和第二下功率管B2开启和关闭的状态不同。
如图2所示的在上述实施例的其中一种功率管布置形式，电压源回路上依次设置第一上功率管T1、第二上功率管T2、第二下功率管B2、第一下功率管B1，第二上功率管T2、第二下功率管B2组成的支路与第二电容C2并联，此时第二电容C2上的电压保持为电压源回路上输入电压的二分之一；和电压型脉冲宽度模式控制比较，上述系统的控制逻辑的瞬态响应更快。
作为其中一个实施例，所述电流型三态降压开关电源控制系统还包括PWM比较器(PWM)1，所述PWM比较器1用于产生PWM信号，所述PWM信号用于控制模式选择器4：如果PWM信号为高则下一个周期为峰值电流模式(PCM)控制；如果PWM信号为低则下一个周期为谷值电流模(VCM)控制。
另外，在峰值电流模式PCM时，PWM信号用于调节第一上功率管T1和第二上功率管T2的导通时间，例如第一上功率管T1的导通时间结束表示第一上功率管T1即将关闭，同时第一下功率管B1开启，这样使第一上功率管T1和对应的第一下功率管B1轮流开启一次；在谷值电流模式时，PWM信号用于调节第一下功率管B1和第二下功率管B2的导通时间，例如第一下功率管B1的导通时间结束表示第一下功率管B1即将关闭，同时第一上功率管T1开启，这样使第一下功率管B1和对应的第一上功率管T1轮流开启一次。
作为其中一个实施例，所述电流型三态降压开关电源控制系统还包括振荡器，所述振荡器用于产生第一上升沿的时钟信号clk和第二上升沿的时钟信号clk_n，所述时钟信号clk和时钟信号clk_n具有180°相移,时钟信号clk的第一上升沿到来时，控制第一上功率管T1的开启，时钟信号clk_n的第二上升沿到来时，控制第二上功率管T2的开启。这里第一上功率管T1和第二上功率管T2始终是180°相移开启。
作为其中一个实施例，峰值电流模式PCM下，在第一上升沿到来时开启第一上功率管T1，同时关闭对应的第一下功率管B1，当PWM信号为低电平时,关闭第一上功率管T1，同时开启第一下功率管B1；在第二上升沿到来时开启对应的第二上功率管T2,同时关闭对应的第二下功率管B2，当PWM信号输出低电平时,关闭第二上功率管T2，同时开启第二下功率管B2；
谷值电流模式VCM下，在第一上升沿到来时开启第一下功率管B1,同时关闭对应的第一上功率管T1，当PWM信号输出高电平时,关闭第一下功率管B1,同时开启第一上功率管T1；在第二升沿到来时开启第二下功率管B2,同时关闭对应的第二上功率管T2，当PWM信号输出高电平时，关闭第二下功率管B2,同时开启第二上功率管T2。
作为其中一个实施例，所述电流型三态降压开关电源控制系统还包括电流采样模块(currentsense)7和电压误差放大器(ea)1，如图2所示的布置形式，电压源回路上依次设置第一上功率管T1、第二上功率管T2、第二下功率管B2、第一下功率管B1，所述第二上功率管T2、第二下功率管B2之间的输出信号经过第一电感L1整流后作为电压输出端vout，所述电压输出端连接第一电阻R1和第二电阻R2，所述第一电阻R1和第二电阻R2的支路并联电容Co，第一下功率管B1和第二电阻均接地，所述第一电阻R1和第二电阻R2之间引出输出电压采样信号，所述电压误差放大器1的正向输入端和负向输入端分别连接开关电源的所述输出电压采样信号和内部基准电压信号vref，所述电流采样模块7根据所述模式选择器4选择的输出选择叠加相应的斜坡补偿得到电流采样信号(模式选择器4选择峰值电流模式PCM工作状态时，叠加PCM斜坡补偿8；模式选择器4选择谷值电流模式VCM工作状态时，叠加VCM斜坡补偿9)，电流采样模块7的采样信号源来自电压输出端vout，所述电压误差放大器1的输出端和电流采样信号分别连接比较器2的正向输入端和负向输入端，比较器2比较误差放大器的输出和电流采样信号,输出端输出PWM信号：一方面，产生的PWM信号输入到模式选择器4，如果PWM信号为高则下一个周期为峰值电流模式PCM控制；如果PWM信号为低则下一个周期为谷值电流模VCM控制；另一方面，在峰值电流模式PCM控制时产生用于分别调节第一上功率管T1和第二上功率管T2导通时间的PWM信号；在谷值电流模VCM控制时产生用于分别调节第一下功率管B1和第二下功率管B2导通时间的PWM信号。
作为其中一个实施例，为了提供足够大的驱动电流以迅速开启和关断上、下功率管，所述第一上功率管T1设置了驱动模块6(driver_T1)6，第一下功率管B1设置了驱动模块6(driver_B1)，第二上功率管T2设置了驱动模块6(driver_T2)，第二下功率管B2设置了驱动模块6(driver_B2)。
一种电流型三态降压开关电源控制方法，包括：
在电压源回路上设置第一上功率管T1和对应的第一下功率管B1，在第一上功率管T1和对应的第一下功率管B1之间设置第二上功率管T2和对应的第二下功率管B2；
设置峰值电流模式PCM和谷值电流模式VCM的工作状态；
峰值电流模式PCM下，在第一上升沿到来时第一上功率管T1开启，在第二上升沿到来时第二上功率管T2开启；谷值电流模式VCM下，在第一上升沿到来时第一下功率管B1开启，在第二上升沿到来时控制第二下功率管B2开启；所述第一上功率管T1、第二上功率管T2、第一下功率管B1、第二下功率管B2的导通时间通过PWM信号控制，功率管的开启和关闭状态由PWM信号决定；其中，在同一时刻下第一上功率管T1和第一下功率管B1开启和关闭的状态不同，第二上功率管T2和第二下功率管B2开启和关闭的状态不同。本实施例的控制方法使本发明的三态降压在峰值电流模式PCM和谷值电流模式VCM之间切换，并采用电流下脉冲宽度模式控制第二上功率管T2和对应的第二下功率管B2支路上的电压恒定为输入电压的二分之一，较电压型脉冲宽度模式控制的瞬态响应更快。
作为其中一个实施例，所述电流型三态降压开关电源控制方法还包括：设置PWM信号，一方面，产生的PWM信号用于选择工作状态，如果PWM信号为高则下一个周期为峰值电流模式PCM控制，如果PWM信号为低则下一个周期为谷值电流模VCM控制；另一方面，所述PWM信号用于控制功率管的导通时间；在峰值电流模式PCM时，PWM信号用于调节第一上功率管T1和第二上功率管T2的导通时间，例如第一上功率管T1的导通时间结束表示第一上功率管T1即将关闭，同时第一下功率管B1开启，这样使第一上功率管T1和对应的第一下功率管B1轮流开启一次；在谷值电流模式时，PWM信号用于调节第一下功率管B1和第二下功率管B2的导通时间，例如第一下功率管B1的导通时间结束表示第一下功率管B1即将关闭，同时第一上功率管T1开启，这样使第一下功率管B1和对应的第一上功率管T1轮流开启一次。
作为其中一个实施例，所述第一上升沿对应的时钟信号clk和第二上升沿对应的时钟信号clk_n具有180°相移，时钟信号clk的第一上升沿到时来，控制第一上功率管T1开启，时钟信号clk_n的第二上升沿到来时，控制第二上功率管T2开启。这里使第一上功率管T1和第二上功率管T2始终是180°相移开启。
作为其中一个实施例，峰值电流模式PCM下，在第一上升沿到来时开启第一上功率管T1，同时关闭对应的第一下功率管B1，当PWM信号为低电平时,关闭第一上功率管T1，同时开启第一下功率管B1；在第二上升沿到来时，开启对应的第二上功率管T2,同时关闭对应的第二下功率管B2，当PWM信号输出低电平时,关闭第二上功率管T2，同时开启第二下功率管B2；
谷值电流模式VCM下，在第一上升沿到来时，开启第一下功率管B1,同时关闭对应的第一上功率管T1，当PWM信号输出高电平时,关闭第一下功率管B1,同时开启第一上功率管T1；在第二升沿到来时，开启第二下功率管B2,同时关闭对应的第二上功率管T2，当PWM信号输出高电平时，关闭第二下功率管B2,同时开启第二上功率管T2。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种电流型三态降压开关电源控制系统，包括设置在电压源回路上的第一上功率管和对应的第一下功率管，其特征在于，还包括设置在第一上功率管和第一下功率管之间的第二上功率管和对应的第二下功率管、模式选择器、逻辑控制模块；
所述模式选择器用于选择峰值电流模式或谷值电流模式的工作状态；
所述逻辑控制模块用于控制峰值电流模式和谷值电流模式下功率管的开启和关闭；峰值电流模式下，在第一上升沿到来时第一上功率管开启，在第二上升沿到来时第二上功率管开启；谷值电流模式下，在第一上升沿到来时第一下功率管开启，在第二上升沿到来时第二下功率管开启；所述第一上功率管、第二上功率管、第一下功率管、第二下功率管的导通时间通过PWM信号控制；其中，在同一时刻第一上功率管和第一下功率管开启和关闭的状态不同，在同一时刻第二上功率管和第二下功率管开启和关闭的状态不同；
所述电流型三态降压开关电源控制系统还包括比较器，所述比较器用于产生PWM信号，所述PWM信号还用于控制模式选择器的工作状态，如果PWM信号为高则下一个周期为峰值电流模式控制；如果PWM信号为低则下一个周期为谷值电流模式控制。
2.如权利要求1所述的电流型三态降压开关电源控制系统，其特征在于，还包括振荡器，所述振荡器用于产生第一上升沿和第二上升沿的时钟信号，所述第一上升沿和第二上升沿的时钟信号具有180°相移。
3.如权利要求2所述的电流型三态降压开关电源控制系统，其特征在于，峰值电流模式下，在第一上升沿到来时开启第一上功率管，同时关闭对应的第一下功率管，当PWM信号变化输出低电平时,关闭第一上功率管，同时开启第一下功率管；在第二上升沿到来时开启对应的第二上功率管,同时关闭对应的第二下功率管，当PWM信号变化输出低电平时,关闭第二上功率管，同时开启第二下功率管；
谷值电流模式下，在第一上升沿到来时开启第一下功率管,同时关闭对应的第一上功率管，当PWM信号变化输出高电平时,关闭第一下功率管,同时开启第一上功率管；在第二升沿到来时开启第二下功率管,同时关闭对应的第二上功率管，当PWM信号变化输出高电平时,关闭第二下功率管,同时开启第二上功率管。
4.如权利要求1所述的电流型三态降压开关电源控制系统，其特征在于，还包括电流采样模块和电压误差放大器，所述电压误差放大器的正向输入端和负向输入端分别连接开关电源的输出电压采样信号和内部基准电压信号，所述电流采样模块根据所述模式选择器选择的输出选择叠加相应的斜坡补偿得到电流采样信号，所述电压误差放大器的输出端和电流采样信号分别连接比较器的正向输入端和负向输入端，所述比较器的输出端输出PWM信号。
5.如权利要求1所述的电流型三态降压开关电源控制系统，其特征在于，所述第一上功率管、第一下功率管、第二上功率管、第二下功率管均设置了驱动模块。
6.一种电流型三态降压开关电源控制方法，其特征在于，包括：
在电压源回路上设置第一上功率管和对应的第一下功率管，在第一上功率管和第一下功率管之间设置第二上功率管和对应的第二下功率管；
设置峰值电流模式和谷值电流模式的工作状态；
峰值电流模式下，在第一上升沿到来时第一上功率管开启，在第二上升沿到来时第二上功率管开启；谷值电流模式下，在第一上升沿到来时第一下功率管开启，在第二上升沿到来时第二下功率管开启；所述第一上功率管、第二上功率管、第一下功率管、第二下功率管的导通时间通过PWM信号控制；其中，在同一时刻下第一上功率管和第一下功率管开启和关闭的状态不同，第二上功率管和第二下功率管开启和关闭的状态不同；
所述电流型三态降压开关电源控制方法还包括：采用PWM信号控制模式选择器的工作状态，如果PWM信号为高则下一个周期为峰值电流模式控制；如果PWM信号为低则下一个周期为谷值电流模式控制。
7.如权利要求6所述的电流型三态降压开关电源控制方法，其特征在于，所述第一上升沿和第二上升沿的时钟信号具有180°相移。
8.如权利要求7所述的电流型三态降压开关电源控制方法，其特征在于，峰值电流模式下，在第一上升沿到来时开启第一上功率管，同时关闭对应的第一下功率管，当PWM信号变化输出低电平时,关闭第一上功率管，同时开启第一下功率管；在第二上升沿到来时开启对应的第二上功率管,同时关闭对应的第二下功率管，当PWM信号变化输出低电平时,关闭第二上功率管，同时开启第二下功率管；
谷值电流模式下，在第一上升沿到来时开启第一下功率管,同时关闭对应的第一上功率管，当PWM信号变化输出高电平时,关闭第一下功率管,同时开启第一上功率管；在第二升沿到来时开启第二下功率管,同时关闭对应的第二上功率管，当PWM信号变化输出高电平时,关闭第二下功率管,同时开启第二上功率管。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
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| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20201222 Effective date of abandoning: 20211029 |
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