CN111934653B - 一种电压模式pwm调制前馈电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电压模式PWM调制前馈电路，包括：锯齿波发生器，用于根据输入电压、反馈电压及基准电压产生锯齿波电压，其中反馈电压为输出电压的电阻分压；VCOM参考电压产生器，用于根据与输出电压相关的功率管漏极电压及基准电流产生VCOM参考电压，其中基准电流为基于所述基准电压产生的固定值电流；PWM比较器，其一输入端连接于所述锯齿波发生器的输出端，其另一输入端连接于所述VCOM参考电压产生器的输出端，用于对所述锯齿波电压及所述VCOM参考电压进行比较，产生一脉冲控制信号来调节PWM信号的占空比。通过本发明提供的一种电压模式PWM调制前馈电路，解决了现有电压模式PWM调制方式存在响应速度慢的问题。

Description

一种电压模式PWM调制前馈电路
技术领域
本发明涉及DC-DC降压领域，特别是涉及一种电压模式PWM调制前馈电路。
背景技术
电源是现代通信、航空航天、生物技术、计算机等高科技领域内电子设备的动力支撑，它被誉为电子设备的心脏，没有安全良好的动力，质量和可靠性就无从谈起；因此，电源产业正成为电子制造业的焦点，它应用新技术、立足高起点迅猛向前发展。
一般情况下，电源要经过转换才能合乎电子系统使用的需要。现有DC-DC降压芯片中，大多是采用电流模式PWM调制方式实现，因为电压模式PWM调制方式中电压或负载的任何变化都必须先作为一个输出变化来检测，然后再由反馈环路来校正，这样就会减慢系统的响应速度，使系统无法对输入的改变作出及时响应。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电压模式PWM调制前馈电路，用于解决现有电压模式PWM调制方式存在响应速度慢的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电压模式PWM调制前馈电路，所述电压模式PWM调制前馈电路包括：
锯齿波发生器，用于根据输入电压、反馈电压及基准电压产生锯齿波电压，其中所述反馈电压为输出电压的电阻分压；
VCOM参考电压产生器，用于根据与输出电压相关的功率管漏极电压及基准电流产生VCOM参考电压，其中所述基准电流为基于所述基准电压产生的固定值电流；
PWM比较器，其一输入端连接于所述锯齿波发生器的输出端，其另一输入端连接于所述VCOM参考电压产生器的输出端，用于对所述锯齿波电压及所述VCOM参考电压进行比较，产生一脉冲控制信号来调节PWM信号的占空比。
可选地，所述锯齿波发生器包括：
电压-电流转换模块，用于将所述输入电压转换为相应的偏置电流；
误差电流产生模块，用于对所述反馈电压及所述基准电压进行误差放大以产生误差电流；
锯齿波产生模块，连接于所述电压-电流转换模块的输出端及所述误差电流产生模块的输出端，用于根据所述偏置电流及所述误差电流之和产生所述锯齿波电压。
可选地，所述电压-电流转换模块包括：第一电阻、第二电阻、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第一三极管、第二三极管、第三三极管及第四三极管；其中，所述第一PMOS管的源极端接入所述输入电压，所述第一PMOS管的栅极端接入栅极控制信号，所述第一PMOS管的漏极端连接于所述第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接于所述第一三极管的集电极，所述第一三极管的基极连接于其集电极及所述第二三极管的基极，所述第一三极管的发射极连接于所述第三三极管的集电极，所述第二三极管的集电极连接于所述第二PMOS管的漏极端，所述第二三极管的发射极连接于所述第四三极管的集电极，所述第三三极管的基极连接于所述第四三极管的基极、所述第四三极管的集电极及所述第二电阻的一端，所述第三三极管的发射极接地，所述第二电阻的另一端接地，所述第四三极管的发射极接地，所述第二PMOS管的源极端及所述第三PMOS管的源极端均接入电源电压，所述第二PMOS管的栅极端连接于其漏极端及所述第三PMOS管的栅极端，所述第三PMOS管的漏极端作为所述电压-电流转换模块的输出端。
可选地，所述电压-电流转换模块还包括：第一电容，并联于所述第二PMOS管及所述第三PMOS管的栅源之间。
可选地，所述第一三极管、所述第二三极管、所述第三三极管及所述第四三极管为具有相同参数的NPN型三极管，所述第二PMOS管及所述第三PMOS管的宽长比相同。
可选地，所述误差电流产生模块包括：误差放大器；其中，所述误差放大器的同相输入端接入所述反馈电压，所述误差放大器的反相输入端接入所述基准电压，所述误差放大器的输出端作为所述误差电流产生模块的输出端。
可选地，所述锯齿波产生模块包括：第三电阻、第二电容、反相器、第一NMOS管及第二NMOS管；其中，所述第三电阻的一端连接于所述电压-电流转换模块的输出端及所述误差电流产生模块的输出端，所述第三电阻的另一端连接于所述第二电容的一端及所述第一NMOS管的漏极端，所述第二电容的另一端接地，所述反相器的输入端接入时钟信号，所述反相器的输出端连接于所述第一NMOS管的栅极端及所述第二NMOS管的栅极端，所述第一NMOS管的源极端接地，所述第二NMOS管的漏极端作为所述锯齿波产生模块的输出端，所述第二NMOS管的源极端接地。
可选地，所述VCOM参考电压产生器包括：第四电阻、第五电阻、第六电阻、第三电容及基准电流源；其中，所述第四电阻的一端接入与输出电压相关的功率管漏极电压，所述第四电阻的另一端连接于所述第五电阻的一端及所述第六电阻的一端，所述第五电阻的另一端接地，所述第六电阻的另一端连接于所述第三电容的一端及所述基准电流源，同时作为所述VCOM参考电压产生器的输出端，所述第三电容的另一端接地。
可选地，所述PWM比较器为高速PWM比较器。
如上所述，本发明的一种电压模式PWM调制前馈电路，基于锯齿波发生器、VCOM参考电压产生器及PWM比较器的电路结构设计，通过将反馈电压和基准电压之间的误差电流与输入电压对应电流叠加产生锯齿波电压，以此实现利用输入电压前馈使锯齿波电压的斜率与输入电压相关，从而实现PWM信号针对输入电压变化的瞬时响应以得到合理的占空比；同时通过与输出电压相关的功率管漏极电压和基准电流共同产生VCOM参考电压，以将输出电压的变化引入至VCOM参考电压中，从而调整系统上电初期PWM信号的占空比，是PWM信号在系统上电初期仍具有一个合理的占空比。
附图说明
图1显示为本发明所述电压模式PWM调制前馈电路的电路框图。
图2显示为本发明所述锯齿波发生器的电路图。
图3显示为本发明所述锯齿波发生器中输入电压与锯齿波电压的关系图。
图4显示为本发明所述锯齿波发生器中误差电流与锯齿波电压的关系图。
图5显示为本发明所述VCOM参考电压产生器的电路图。
图6显示为本发明所述电压模式PWM调制前馈电路中锯齿波电压、VCOM参考电压及PWM信号的关系图。
元件标号说明：100锯齿波发生器，101电压-电流转换模块，102误差电流产生模块，103锯齿波产生模块，200 VCOM参考电压产生器，300 PWM比较器。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
如图1所示，本实施例提供一种电压模式PWM调制前馈电路，所述电压模式PWM调制前馈电路包括：
锯齿波发生器100，用于根据输入电压VIN、反馈电压FB及基准电压Vref产生锯齿波电压V_Sawtooth，其中所述反馈电压FB为输出电压Vout的电阻分压；
VCOM参考电压产生器200，用于根据与输出电压Vout相关的功率管漏极电压SW及基准电流Iref产生VCOM参考电压，其中所述基准电流Iref为基于所述基准电压Vref产生的固定值电流；
PWM比较器300，其一输入端连接于所述锯齿波发生器100的输出端，其另一输入端连接于所述VCOM参考电压产生器200的输出端，用于对所述锯齿波电压V_Sawtooth及所述VCOM参考电压VCOM进行比较，产生一脉冲控制信号来调节PWM信号的占空比，从而产生与输入电压VIN及输出电压Vout相关且可快速响应的PWM信号。
作为示例，如图2所示，所述锯齿波发生器100包括：
电压-电流转换模块101，用于将所述输入电压VIN转换为相应的偏置电流Iin；
误差电流产生模块102，用于对所述反馈电压FB及所述基准电压Vref进行误差放大以产生误差电流I_GM；
锯齿波产生模块103，连接于所述电压-电流转换模块101的输出端及所述误差电流产生模块102的输出端，用于根据所述偏置电流Iin及所述误差电流I_GM之和产生所述锯齿波电压V_Sawtooth。
具体的，如图2所示，所述电压-电流转换模块101包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3及第四三极管Q4；其中，所述第一PMOS管MP1的源极端接入所述输入电压VIN，所述第一PMOS管MP1的栅极端接入栅极控制信号VG，所述第一PMOS管MP1的漏极端连接于所述第一电阻R1的一端，所述第一电阻R1的另一端连接于所述第一三极管Q1的集电极，所述第一三极管Q1的基极连接于其集电极及所述第二三极管Q2的基极，所述第一三极管Q1的发射极连接于所述第三三极管Q3的集电极，所述第二三极管Q2的集电极连接于所述第二PMOS管MP2的漏极端，所述第二三极管Q2的发射极连接于所述第四三极管Q4的集电极，所述第三三极管Q3的基极连接于所述第四三极管Q4的基极、所述第四三极管Q4的集电极及所述第二电阻R2的一端，所述第三三极管Q3的发射极接地，所述第二电阻R2的另一端接地，所述第四三极管Q4的发射极接地，所述第二PMOS管MP2的源极端及所述第三PMOS管MP3的源极端均接入电源电压，所述第二PMOS管MP2的栅极端连接于其漏极端及所述第三PMOS管MP3的栅极端，所述第三PMOS管MP3的漏极端作为所述电压-电流转换模块101的输出端。可选地，所述第一PMOS管MP1为高压器件，所述第一三极管Q1、所述第二三极管Q2、所述第三三极管Q3及所述第四三极管Q4为具有相同参数的NPN型三极管，所述第二PMOS管MP2及所述第三PMOS管MP3的宽长比相同。本示例中，所述第一PMOS管MP1在所述栅极控制信号VG的控制下处于常通状态；所述第一三极管Q1、所述第二三极管Q2、所述第三三极管Q3及所述第四三极管Q4构成一改进的威尔逊电流镜结构（该结构具有大的输出阻抗，故其恒流特性得到了极大提高），以将输入电压VIN转换为对应电流；所述第二PMOS管MP2及所述第三PMOS管MP3构成电流镜结构，并对输入电压VIN转换的对应电流进行电流镜像以产生偏置电流Iin；其中，偏置电流Iin满足如下关系式：Iin=(VIN-2VBE)/R1+VBE/R2。
具体的，如图2所示，所述电压-电流转换模块101还包括：第一电容C1，并联于所述第二PMOS管MP2及所述第三PMOS管MP3的栅源之间，用于对所述第二PMOS管MP2及所述第三PMOS管MP3的栅极电压进行过压吸收和延迟，避免该栅极电压因输入电压VIN上电后产生尖峰值。
具体的，如图2所示，所述误差电流产生模块102包括：误差放大器GM；其中，所述误差放大器GM的同相输入端接入所述反馈电压FB，所述误差放大器GM的反相输入端接入所述基准电压Vref，所述误差放大器GM的输出端作为所述误差电流产生模块102的输出端。本示例中，所述误差放大器GM对所述反馈电压FB及所述基准电压Vref进行误差放大以产生所述误差电流I_GM。
具体的，如图2所示，所述锯齿波产生模块103包括：第三电阻R3、第二电容C2、反相器INV、第一NMOS管MN1及第二NMOS管MN2；其中，所述第三电阻R3的一端连接于所述电压-电流转换模块101的输出端及所述误差电流产生模块102的输出端，所述第三电阻R3的另一端连接于所述第二电容C2的一端及所述第一NMOS管MN1的漏极端，所述第二电容C2的另一端接地，所述反相器INV的输入端接入时钟信号clk，所述反相器INV的输出端连接于所述第一NMOS管MN1的栅极端及所述第二NMOS管MN2的栅极端，所述第一NMOS管MN1的源极端接地，所述第二NMOS管MN2的漏极端作为所述锯齿波产生模块103的输出端，所述第二NMOS管MN2的源极端接地。本示例中，通过所述时钟信号clk控制所述第一NMOS管MN1及所述第二NMOS管MN2导通或关断，并在所述第一NMOS管MN1及所述第二NMOS管MN2处于关断状态时，基于所述偏置电流Iin及所述误差电流I_GM之和对所述第二电容C2进行充电，在所述第一NMOS管MN1及所述第二NMOS管MN2处于导通状态时对所述第二电容C2进行放电，以此产生与输入电压VIN及误差电流I_GM相关的锯齿波电压V_Sawtooth，使得该锯齿波电压V_Sawtooth的斜率随着输入电压VIN的升高而变大（具体请参阅图3），同时随着误差电流I_GM的升高而变大（具体请参阅图4）。
作为示例，如图5所示，所述VCOM参考电压产生器200包括：第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第三电容C3及基准电流源Iref；其中，所述第四电阻R4的一端接入与输出电压Vout相关的功率管漏极电压SW，所述第四电阻R4的另一端连接于所述第五电阻R5的一端及所述第六电阻R6的一端，所述第五电阻R5的另一端接地，所述第六电阻R6的另一端连接于所述第三电容C3的一端及所述基准电流源Iref，同时作为所述VCOM参考电压产生器200的输出端，所述第三电容C3的另一端接地。本示例中，利用所述第四电阻R4及所述第五电阻R5对功率管漏极电压SW进行分压，并通过所述第六电阻R6及所述第三电容C3构成的RC滤波结构对该分压进行低通滤波处理以产生相对稳定的电压值，之后在该电压值的基础上引入基准电流Iref所对应的电压以产生VCOM参考电压；其中，VCOM参考电压满足如下公式：VCOM=SW*[R5/( R4+R5)]+Iref*(R6+R4/R5)。本示例通过与输出电压Vout相关的功率管漏极电压SW和基准电流Iref共同产生VCOM参考电压，主要是防止系统上电初期，在输出电压Vout很小时，锯齿波电压的上升斜率比较低，此时如果VCOM参考电压为功率管漏极电压SW的分压值，PWM信号就会有接近100%占空比的情况发生；而本示例正是通过引入基准电流Iref来抬升系统上电初期的VCOM参考电压值，以此避免PWM信号出现占空比过大的情况，实现在系统上电初期PWM信号仍可具有合理占空比。
作为示例，所述PWM比较器为高速PWM比较器。本示例中，所述高速PWM比较器是指在其工作电压（如5V工作电压）下提供小于100ns响应时间的PWM比较器。
图6为本实施例所述电压模式PWM调制前馈电路在工作时，锯齿波电压、VCOM参考电压及PWM信号的关系图；从图6中可以看出，PWM信号的占空比跟随锯齿波电压V_Sawtooth及VCOM参考电压VCOM的变化而进行瞬时响应调整。
综上所述，本发明的一种电压模式PWM调制前馈电路，基于锯齿波发生器、VCOM参考电压产生器及PWM比较器的电路结构设计，通过将反馈电压和基准电压之间的误差电流与输入电压对应电流叠加产生锯齿波电压，以此实现利用输入电压前馈使锯齿波电压的斜率与输入电压相关，从而实现PWM信号针对输入电压变化的瞬时响应以得到合理的占空比；同时通过与输出电压相关的功率管漏极电压和基准电流共同产生VCOM参考电压，以将输出电压的变化引入至VCOM参考电压中，从而调整系统上电初期PWM信号的占空比，是PWM信号在系统上电初期仍具有一个合理的占空比。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种电压模式PWM调制前馈电路，其特征在于，所述电压模式PWM调制前馈电路包括：
锯齿波发生器，用于根据输入电压、反馈电压及基准电压产生锯齿波电压，其中所述反馈电压为输出电压的电阻分压；
VCOM参考电压产生器，用于根据功率管漏极电压及基准电流产生VCOM参考电压，其中，功率管源极电压为所述输入电压且通过所述功率管漏极电压对电感进行充放电以得到所述输出电压，所述基准电流为基于所述基准电压产生的固定值电流；
PWM比较器，其一输入端连接于所述锯齿波发生器的输出端，其另一输入端连接于所述VCOM参考电压产生器的输出端，用于对所述锯齿波电压及所述VCOM参考电压进行比较，产生一脉冲控制信号来调节PWM信号的占空比，以此通过逻辑控制器对所述功率管的栅极进行控制；
其中，所述锯齿波发生器包括：
电压-电流转换模块，用于将所述输入电压转换为相应的偏置电流；
误差电流产生模块，用于对所述反馈电压及所述基准电压进行误差放大以产生误差电流；
锯齿波产生模块，连接于所述电压-电流转换模块的输出端及所述误差电流产生模块的输出端，用于根据所述偏置电流及所述误差电流之和产生所述锯齿波电压；
所述VCOM参考电压产生器包括：第四电阻、第五电阻、第六电阻、第三电容及基准电流源；其中，所述第四电阻的一端接入功率管漏极电压，所述第四电阻的另一端连接于所述第五电阻的一端及所述第六电阻的一端，所述第五电阻的另一端接地，所述第六电阻的另一端连接于所述第三电容的一端及所述基准电流源，同时作为所述VCOM参考电压产生器的输出端，所述第三电容的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的电压模式PWM调制前馈电路，其特征在于，所述电压-电流转换模块包括：第一电阻、第二电阻、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第一三极管、第二三极管、第三三极管及第四三极管；其中，所述第一PMOS管的源极端接入所述输入电压，所述第一PMOS管的栅极端接入栅极控制信号，所述第一PMOS管的漏极端连接于所述第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接于所述第一三极管的集电极，所述第一三极管的基极连接于其集电极及所述第二三极管的基极，所述第一三极管的发射极连接于所述第三三极管的集电极，所述第二三极管的集电极连接于所述第二PMOS管的漏极端，所述第二三极管的发射极连接于所述第四三极管的集电极，所述第三三极管的基极连接于所述第四三极管的基极、所述第四三极管的集电极及所述第二电阻的一端，所述第三三极管的发射极接地，所述第二电阻的另一端接地，所述第四三极管的发射极接地，所述第二PMOS管的源极端及所述第三PMOS管的源极端均接入电源电压，所述第二PMOS管的栅极端连接于其漏极端及所述第三PMOS管的栅极端，所述第三PMOS管的漏极端作为所述电压-电流转换模块的输出端。
3.根据权利要求2所述的电压模式PWM调制前馈电路，其特征在于，所述电压-电流转换模块还包括：第一电容，并联于所述第二PMOS管及所述第三PMOS管的栅源之间。
4.根据权利要求2所述的电压模式PWM调制前馈电路，其特征在于，所述第一三极管、所述第二三极管、所述第三三极管及所述第四三极管为具有相同参数的NPN型三极管，所述第二PMOS管及所述第三PMOS管的宽长比相同。
5.根据权利要求1所述的电压模式PWM调制前馈电路，其特征在于，所述误差电流产生模块包括：误差放大器；其中，所述误差放大器的同相输入端接入所述反馈电压，所述误差放大器的反相输入端接入所述基准电压，所述误差放大器的输出端作为所述误差电流产生模块的输出端。
6.根据权利要求1所述的电压模式PWM调制前馈电路，其特征在于，所述锯齿波产生模块包括：第三电阻、第二电容、反相器、第一NMOS管及第二NMOS管；其中，所述第三电阻的一端连接于所述电压-电流转换模块的输出端及所述误差电流产生模块的输出端，所述第三电阻的另一端连接于所述第二电容的一端及所述第一NMOS管的漏极端，所述第二电容的另一端接地，所述反相器的输入端接入时钟信号，所述反相器的输出端连接于所述第一NMOS管的栅极端及所述第二NMOS管的栅极端，所述第一NMOS管的源极端接地，所述第二NMOS管的漏极端作为所述锯齿波产生模块的输出端，所述第二NMOS管的源极端接地。
7.根据权利要求1所述的电压模式PWM调制前馈电路，其特征在于，所述PWM比较器为高速PWM比较器。
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