CN111555619B - 自适应脉冲序列控制的PCCM Buck变换器 - Google Patents

自适应脉冲序列控制的PCCM Buck变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自适应脉冲序列控制的PCCM Buck变换器，包括：主电路、自适应脉冲生成电路和脉冲选择电路；其中，所述自适应脉冲生成电路包括：电压转电流电路和脉冲生成电路；所述电压转电流电路包括：第三电压比较器、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管以及第四PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一电阻。本发明通过上述连接方式，实现自适应脉冲宽度的控制信号，使得控制信号的脉冲宽度随着输出电压的变化而变化，从而扩大电路输出电压范围，使电路在大输出电压时保持PCCM状态。此外，该电路根据不用的输出电压改变控制信号的脉冲宽度，以减小电压纹波。

Description

自适应脉冲序列控制的PCCM Buck变换器
技术领域
本申请涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种自适应脉冲序列控制的PCCM Buck变换器。
背景技术
脉宽调制(PWM)已被广泛应用于过去几年中对开关DC-DC转换器的控制。但是，对于传统的PWM转换器，很难同时实现系统稳定性和快速响应。为了缓解这个问题，新的控制方案被提出。脉冲序列(PT)是一种用于开关的新控制技术DC-DC转换器，可实现输出电压通过生成由两个占空比不同的控制脉冲。脉冲列与传统PWM相比，该技术具有多个优势控制技术，例如设计的简单性和实施，以及出色的瞬态性能。此外，脉冲序列控制开关DC-DC转换器能以固定的开关频率工作并方便地实现软开关。传统的PT控制使用固定的脉冲来控制电路，在高输出电压时，有输入功率不足的缺陷。
变换器工作在连续导通模式(CCM)时能减小电流纹波，从而降低开关噪声。另外，CCM对于大电流应用更有利，因为它可以比运行在电流不连续传导模式(DCM)模式转换器提供更多的电流。然而，DCM转换器通常具有比CCM转换器快得多的瞬态响应和环路增益。结合CCM和DCM的优势，伪连续导通模式(PCCM)具有更好的瞬态响应的同时，有更好的带载能力。
发明内容
本申请实施例所要解决的技术问题在于，提供一种能随输出电压变化改变控制信号脉冲宽度的自适应脉冲序列控制的PCCM Buck变换器。
为解决上述问题，本申请实施例提供一种自适应脉冲序列控制的PCCM Buck变换器，包括：主电路、自适应脉冲生成电路和脉冲选择电路；其中，所述自适应脉冲生成电路包括：电压转电流电路和脉冲生成电路；
所述电压转电流电路包括：第三电压比较器、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管以及第四PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一电阻；
所述第三电压比较器的输出与所述第一NMOS管的栅极连接，所述第三电压比较器的正向输入端接入第一基准电压，所述第三电压比较器的反向输入端与第一NMOS管的源极以及第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端接地；
所述第一PMOS管和所述第二PMOS管以电流镜结构连接，所述第一PMOS管的栅极与所述第二PMOS管的栅极以及所述第一NMOS管的漏极连接；
所述第二NMOS管与所述第三NMOS管以电流镜结构连接，所处第二NMOS管的栅极与所述第三NMOS管的栅极连接；
所述第三PMOS管和所述第四PMOS管以电流镜结构连接，所述第三PMOS管的栅极与所述第三PMOS管的漏极、第四PMOS管的栅极、第二PMOS管的漏极、第三NMOS管的漏极连接；
所述第四PMOS管的漏极连接到所述电压转电流电路的电流输出端；
所述脉冲生成电路包括：第一RS触发器、第二RS触发器、第四电压比较器、第五电压比较器、第五PMOS管、第六PMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第二电容以及第三电容；
所述第一RS触发器的R输入端、所述第二RS触发器的R输入端接入周期脉冲信号，所述第一RS触发器的S输入端与所述第四电压比较器的输出端连接，所述第二RS触发器的R输入端与所述第五电压比较器的输出端连接；
所述第一RS触发器的原输出端与所述第五PMOS管的栅极以及所述第四NMOS管的栅极连接，所述第一RS触发器的非输出端连接到所述自适应脉冲生成电路的第一输出端，所述第二RS触发器的原输出端与所述第六PMOS管的栅极以及所述第五NMOS管的栅极连接，所述第二RS触发器的非输出端连接到所述自适应脉冲生成电路的第二输出端；
所述第五PMOS管的源极接入所述电压转电流电路的电流输出端，所述第五PMOS管的漏极与所述第四NMOS管的漏极、所述第二电容的一端以及所述第四电压比较器的反向输入端连接，所述第四NMOS管的源极以及所述第二电容的另一端接地；
所述第六PMOS管的源极与电流源连接，第六PMOS管的漏极与所述第五NMOS管的漏极、所述第三电容的一端以及所述第五电压比较器的反向输入端连接，所述第五NMOS管的源极所述第三电容的另一端接地；
所述第四电压比较器以及所述第五电压比较器的正向输入端接入第二基准电压；
所述主电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、电感和第一电容；其中，所述第一开关管为PMOS管，所述第二开关管和所述第三开关管为NMOS管；
所述第一开关管的源级接入所述主电路的第一电压输入端，所述第一开关管的漏级与所述第二开关管的漏级和所述电感的一端连接，所述第二开关管的源级接地，所述第三开关管的源级与所述第一开关管的漏级连接，所述第三开关管的漏级与所述第一电容的一端、电感的另一端连接，所述第一电容的另一端与所述第二开关管的源级连接；
所述PCCM Buck变换器还包括：电流检测电路和逻辑控制电路；所述电流检测电路的输出端耦合至所述第二电压比较器的反向输入端，所述第二电压比较器的正向输入端接入代表续流值的第三基准电压，所述第二电压比较器的输出端耦合至所述逻辑控制电路的第二输入端；所述逻辑控制电路的输出端耦合至所述第二开关管和所述第三开关管。
进一步地，所述脉冲选择电路包括触发器、第一与门电路、第二与门电路和或门电路；
所述触发器的输入端接入所述第一电压比较器的输出端，所述触发器的原输出端接入所述第一与门电路的第一输入端，所述触发器的非输出端接入第二与门电路的第一输入端，所述第一与门电路的第二输入端接入自适应脉冲生成电路的第一输出端，所述第二与门电路的第二输入端接入自适应脉冲生成电路的第二输出端，所述第一与门电路和所述第二与门电路的输出端分别接入所述或门电路第一输入端与第二输入端，所述或门电路的输出端耦合至所述第一开关管以及所述逻辑控制电路的第一输入端。
进一步地，还包括：第一电压比较器和第二电压比较器；所述主电路的输出端耦合至所述第一电压比较器的反向输入端，所述第一电压比较器的正向输入端接入第一基准电压；
所述第一电压比较器的输出端耦合至所述脉冲选择电路的第一输入端，所述自适应脉冲生成电路的第一和第二输出端分别耦合至脉冲选择电路的第二和第三输入端，所述脉冲选择电路的输出端耦合至所述第一开关管，以及所述逻辑控制电路的第一输入端。
进一步地，还包括：电荷控制电路，用于提供续流值。
进一步地，所述触发器包括D类触发器。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：
本申请实施例提供一种自适应脉冲序列控制的PCCM Buck变换器，包括：主电路、自适应脉冲生成电路和脉冲选择电路；其中，所述自适应脉冲生成电路包括：电压转电流电路和脉冲生成电路；所述电压转电流电路包括：第三电压比较器、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管以及第四PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一电阻；实现自适应脉冲宽度的控制信号，使得控制信号的脉冲宽度随着输出电压的变化而变化，从而扩大电路输出电压范围，使电路在大输出电压时保持PCCM状态。此外，该电路根据不用的输出电压改变控制信号的脉冲宽度，以减小电压纹波。
附图说明
图1是本申请的实施例一提供的自适应脉冲序列控制的PCCM Buck变换器的结构示意图；
图2是本申请的实施例一提供的电压转电流电路的简化电路图；
图3是本申请的实施例一提供的脉冲生成电路的简化电路图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
脉宽调制(PWM)已被广泛应用于过去几年中对开关DC-DC转换器的控制。但是，对于传统的PWM转换器，很难同时实现系统稳定性和快速响应。为了缓解这个问题，新的控制方案被提出。脉冲序列(PT)是一种用于开关的新控制技术DC-DC转换器，可实现输出电压通过生成由两个占空比不同的控制脉冲。脉冲列与传统PWM相比，该技术具有多个优势控制技术，例如设计的简单性和实施，以及出色的瞬态性能。此外，脉冲序列控制开关DC-DC转换器能以固定的开关频率工作并方便地实现软开关。
变换器工作在连续导通模式(CCM)时能减小电流纹波，从而降低开关噪声。另外，CCM对于大电流应用更有利，因为它可以比运行在电流不连续传导模式(DCM)模式转换器提供更多的电流。然而，DCM转换器通常具有比CCM转换器快得多的瞬态响应和环路增益。结合CCM和DCM的优势，伪连续导通模式(PCCM)具有更好的瞬态响应的同时，有更好的带载能力。
传统的PT控制使用固定的脉冲来控制电路，在高输出电压时，有输入功率不足的缺陷。且使用固定的脉冲作为控制信号，在低输出电压时，输出电压纹波较大。
请参阅图1，本发明某一实施例提供的一种自适应脉冲序列控制的PCCM Buck变换器，包括：主电路、电流检测电路、第一电压比较器COMP、第二电压比较器COMP、自适应脉冲生成电路、脉冲选择电路和逻辑控制电路。
主电路1包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、电感L和第一电容C1。
第一开关管S1的源级接入主电路1的第一电压输入端，即接入外部电源的正端，第一开关管S1的漏级与第二开关管S2的漏级和电感L的一端连接，第二开关管S2的源级接地，即接入外部电源的负端，第三开关管S3的源级与第一开关管S1的漏级连接，第三开关管S3的漏级与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端与第二开关管S2的源级连接。其中，第一开关管S1为PMOS管，第二开关管S2和第三开关管S3为NMOS管。
主电路的输出端耦合至第一电压比较器COMP1的反向输入端，以向第一电压比较器COMP1的反向输入端输出电压Vo，电压比较器COMP1的正向输入端接入第一基准电压Vref1。
第一电压比较器COMP1的输出端耦合至脉冲选择电路的第一输入端，使其输出信号作为脉冲选择电路的输入信号，自适应脉冲生成电路的第一输出端和第二输出端分别耦合至脉冲选择电路的第二输入端和第三输入端，使其输出脉冲信号VPH和VPL作为脉冲选择电路的输入信号，脉冲选择电路的输出端耦合至第一开关管S1，以及逻辑控制电路的第一输入端。
电流检测电路进行主电路的电流检测。电流检测电路的电压输出端耦合至第二电压比较器COMP的反向输入端，以向第二电压比较器COMP2的反向输入端输出电流检测电压Vsen，第二电压比较器COMP2的正向输入端接入续流电压值Vdc，第二电压比较器COMP2的输出端耦合至逻辑控制电路的第二输入端。
逻辑控制电路的输出端耦合至第二开关管S2和第三开关管S3，使其两路输出信号分别作为开关管S2和S3的控制信号。
自适应脉冲生成电路用于提供脉冲信号。当第一基准电压值Vref1变化时，通过电压转电流电路以及电流减法器产生与第一基准电压趋势相反的基准电流。基准电流作为斜坡生成电路的电流源，将控制脉冲信号的占空比，从而使脉冲宽度随输出电压而变化，实现自适应脉冲控制。
在本实施例中，第一电压比较器COMP1会在任意一个开关周期开始时刻，将主电路的输出电压经过分压后形成的电压值Vo与第一基准电压值Vref1进行比较。当主电路经过分压后的输出电压低于第一基准电压时，脉冲选择电路会输出高占空比脉冲信号VPH作为第一开关管S1的驱动信号，否则，脉冲选择电路会输出低占空比脉冲信号VPL，即作为第一开关管的驱动信号。此时，第一开关管S1导通，第二开关管S2和第三开关管S3关断，电感电流上升。当脉冲VPH或VPL结束后，第二开关管S2导通，第一开关管S1和第三开关管S3管关断，该阶段电感电流下降，此时电流检测电路输出端的电流检测电压Vsen通过第二电压比较器COMP2，与电荷控制电路的输出电压Vdc输出相比较。当Vsen达到续流值时，第三开关管S3导通，第一开关管S1和第二开关管S2关断，进入续流阶段，该阶段电感电流不变。
PT控制的PCCM Buck变换器在高或低控制脉冲下的输入功率为：
可以看出，高或低控制脉冲的占空比越大，输入功率越大。当输出功率增大时，由于传统的PT控制方案使用固定占空比的脉冲，将会导致输出电压无法到达指定值。因此，自适应脉冲生成电路的设计逻辑为：输出电压增大时，控制脉冲的占空比也要相应的增大。
所述自适应脉冲生成电路包括电压转电流电路和脉冲生成电路。
请参阅图2，本发明某一实施例提供的一种电压转电流电路，包括电压比较器COMP3、电阻R、PMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5和NMOS管M1、NMOS管M6以及NMOS管M7。电压比较器的COMP3通过NMOS管M1接成反馈，将使COMP3的同向输入端以及反向输入端电压相等，有Vref2＝VA。VA经过电阻R后，会产生电流。产生的电流经过M3、M4和M6的构成电流减法器后，会在输出端产生与第一基准电压趋势相反的电流。
请参阅图3，本发明某一实施例提供的一种脉冲生成电路，包括RS触发器RS1、RS触发器RS2、电压比较器COMP4、电压比较器COMP5、电容C2、电容C3、PMOS管Mr1、PMOS管Mr3、NMOS管Mr2以及NMOS管Mr4。其中Mr1、Mr2和C2构成斜坡生成电路，通过RS1的原输出端控制Mr1和Mr2的导通截止，进而控制电容C2的充放电，从而生成斜坡。C2充电时，由电压转电流电路的输出端提供电流。从而实现高控制脉冲的占空比随出处的变化而变化。
在本实施例中，脉冲选择电路包括D类触发器、第一与门电路AND1、第二与门电路AND2和或门电路OR。
触发器D的输入端接入第一电压比较器COMP1的输出端，即将第一电压比较器COMP1作为数据选择器的输入端接入D触发器。触发器D的高电平输出端Q接入第一与门电路AND1的输入端，触发器D的低电平输出端Q’接入第二与门电路AND2的输入端，第一与门电路AND1和第二与门电路AND2的输出端接入或门电路OR，或门电路OR的输出端耦合至第一开关管S1以及逻辑控制电路5的第一输入端。当输出电压Vo低于第一基准电压Vref1时，D触发器Q端输出高电平；否则Q’端输出低电平。通过让自适应脉冲选择信号生成的两个脉冲信号接一个与门，使得当条件满足输出对应脉冲信号。
以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种自适应脉冲序列控制的PCCM Buck变换器，其特征在于，包括：主电路、自适应脉冲生成电路和脉冲选择电路；其中，所述自适应脉冲生成电路包括：电压转电流电路和脉冲生成电路；
所述电压转电流电路包括：第三电压比较器、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管以及第四PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一电阻；
所述第三电压比较器的输出与所述第一NMOS管的栅极连接，所述第三电压比较器的正向输入端接入第一基准电压，所述第三电压比较器的反向输入端与第一NMOS管的源极以及第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端接地；
所述第一PMOS管和所述第二PMOS管以电流镜结构连接，所述第一PMOS管的栅极与所述第二PMOS管的栅极以及所述第一NMOS管的漏极连接；
所述第二NMOS管与所述第三NMOS管以电流镜结构连接，所处第二NMOS管的栅极与所述第三NMOS管的栅极连接；
所述第三PMOS管和所述第四PMOS管以电流镜结构连接，所述第三PMOS管的栅极与所述第三PMOS管的漏极、第四PMOS管的栅极、第二PMOS管的漏极、第三NMOS管的漏极连接；
所述第四PMOS管的漏极连接到所述电压转电流电路的电流输出端；
所述脉冲生成电路包括：第一RS触发器、第二RS触发器、第四电压比较器、第五电压比较器、第五PMOS管、第六PMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第二电容以及第三电容；
所述第一RS触发器的R输入端、所述第二RS触发器的R输入端接入周期脉冲信号，所述第一RS触发器的S输入端与所述第四电压比较器的输出端连接，所述第二RS触发器的R输入端与所述第五电压比较器的输出端连接；
所述第一RS触发器的原输出端与所述第五PMOS管的栅极以及所述第四NMOS管的栅极连接，所述第一RS触发器的非输出端连接到所述自适应脉冲生成电路的第一输出端，所述第二RS触发器的原输出端与所述第六PMOS管的栅极以及所述第五NMOS管的栅极连接，所述第二RS触发器的非输出端连接到所述自适应脉冲生成电路的第二输出端；
所述第五PMOS管的源极接入所述电压转电流电路的电流输出端，所述第五PMOS管的漏极与所述第四NMOS管的漏极、所述第二电容的一端以及所述第四电压比较器的反向输入端连接，所述第四NMOS管的源极以及所述第二电容的另一端接地；
所述第六PMOS管的源极与电流源连接，第六PMOS管的漏极与所述第五NMOS管的漏极、所述第三电容的一端以及所述第五电压比较器的反向输入端连接，所述第五NMOS管的源极所述第三电容的另一端接地；
所述第四电压比较器以及所述第五电压比较器的正向输入端接入第二基准电压；
所述主电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、电感和第一电容；其中，所述第一开关管为PMOS管，所述第二开关管和所述第三开关管为NMOS管；
所述第一开关管的源级接入所述主电路的第一电压输入端，所述第一开关管的漏级与所述第二开关管的漏级和所述电感的一端连接，所述第二开关管的源级接地，所述第三开关管的源级与所述第一开关管的漏级连接，所述第三开关管的漏级与所述第一电容的一端、电感的另一端连接，所述第一电容的另一端与所述第二开关管的源级连接；
所述PCCM Buck变换器还包括：电流检测电路和逻辑控制电路；所述电流检测电路的输出端耦合至所述第二电压比较器的反向输入端，所述第二电压比较器的正向输入端接入代表续流值的第三基准电压，所述第二电压比较器的输出端耦合至所述逻辑控制电路的第二输入端；所述逻辑控制电路的输出端耦合至所述第二开关管和所述第三开关管。
2.如权利要求1所述的一种自适应脉冲序列控制的PCCM Buck变换器，其特征在于，所述脉冲选择电路包括触发器、第一与门电路、第二与门电路和或门电路；
所述触发器的输入端接入所述第一电压比较器的输出端，所述触发器的原输出端接入所述第一与门电路的第一输入端，所述触发器的非输出端接入第二与门电路的第一输入端，所述第一与门电路的第二输入端接入自适应脉冲生成电路的第一输出端，所述第二与门电路的第二输入端接入自适应脉冲生成电路的第二输出端，所述第一与门电路和所述第二与门电路的输出端分别接入所述或门电路第一输入端与第二输入端，所述或门电路的输出端耦合至所述第一开关管以及逻辑控制电路的第一输入端。
3.如权利要求1所述的一种自适应脉冲序列控制的PCCM Buck变换器，其特征在于，还包括：第一电压比较器和第二电压比较器；所述主电路的输出端耦合至所述第一电压比较器的反向输入端，所述第一电压比较器的正向输入端接入第一基准电压；
所述第一电压比较器的输出端耦合至所述脉冲选择电路的第一输入端，所述自适应脉冲生成电路的第一和第二输出端分别耦合至脉冲选择电路的第二和第三输入端，所述脉冲选择电路的输出端耦合至所述第一开关管，以及所述逻辑控制电路的第一输入端。
4.如权利要求1所述的一种自适应脉冲序列控制的PCCM Buck变换器，其特征在于，还包括：电荷控制电路，用于提供续流值。
5.如权利要求1所述的一种自适应脉冲序列控制的PCCM Buck变换器，其特征在于，所述触发器包括D类触发器。
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