CN112072918B - 一种检测输出电压的补偿控制电路及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测输出电压的补偿控制电路及其实现方法,适用于DC‑DC转换器,不仅改进了传统的补偿电路,还增加了输出电压检测电路和逻辑控制电路,补偿电路通过将输出电压进行区间范围划分,在DC‑DC转换器的输出电压发生较大变化时,输出电压检测电路检测输出电压的占空比信息,将方波信号转换为与DC‑DC转换器的输出电压成一定比例关系的直流电压信号,并输入至逻辑控制电路,逻辑控制电路判断DC‑DC转换器的输出电压所处的电压区间,输出控制信号至补偿电路,通过改变接入补偿电路的电阻值或电容值大小,来实现在不同输出电压下动态调整补偿的目的,保证在不同输出电压下系统环路均具有良好的稳定性以及负载瞬态响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域,具体涉及一种用于DC-DC转换器的补偿电路,特别是涉及一种检测输出电压进行补偿控制的电路及其实现方法。
背景技术
随着电力电子技术及半导体技术的快速发展,开关电源芯片,尤其是DC-DC转换器芯片在各类电子设备中得到了广泛的应用。DC-DC转换器芯片通过负反馈环路来精确调节输出电压。在设计负反馈环路时,需要对环路进行补偿以保证其稳定性。同时,合适的补偿参数,可以使DC-DC转换器的负载瞬态响应速度得到提高。现有的环路补偿方法,一般在芯片内部或者通过特定的芯片引脚在芯片外部设计补偿电路,这种补偿方法的缺点是补偿参数一旦确定便不能修改,而对于输出电压变化比较大的DC-DC转换器应用,采用同一组固定的补偿参数,可能无法保证不同输出电压下其环路的稳定性,也无法达到负载瞬态响应速度的最优化。因此,需要针对不同输出电压设计不同的环路补偿。
图1是传统的峰值电流模BUCK型DC-DC的环路控制框图,由误差放大器EA、控制级、功率级、电流采样、斜坡补偿、传统补偿电路、电感L、电阻分压电路RT和RB、前馈电阻CFB、输出电容COUT、负载电阻RL组成。其中传统补偿电路设计在运算放大器的输出端与地之间,完成对DC-DC环路稳定性的补偿。在此结构中,通过设置电阻分压电路RT与RB的比例,可实现不同的电压输出。在输出电压变化比较大的不同应用中,RT与RB的比例值也将发生较大变化,由此会带来环路增益、带宽与零极点的变化。由于此时补偿电路的参数是固定不变的,针对上述环路的补偿,在满足一种输出电压的应用时可能无法兼顾另一种输出电压,由此可能带来环路稳定性问题,负载瞬态响应速度也无法达到最优。
发明内容
本发明提供一种适用于DC-DC转换器的检测输出电压的补偿控制电路及其实现方法,在DC-DC转换器的输出电压发生较大变化时,通过检测输出电压值动态改变补偿电路的参数,保证在不同输出电压下系统环路均具有良好的稳定性以及负载瞬态响应速度。
为了解决上述问题,本发明提出的检测输出电压的补偿方法技术方案如下:
一种输出电压检测的补偿控制方法,适用于DC-DC转换器,包括如下步骤,
检测电压,检测输出电压,将输出电压转换为按区间长度划分的方波信号,并将方波信号转换为直流电压信号,直流电压信号与输出电压成比例关系;
逻辑控制,通过逻辑控制电路判断输出电压所处的区间,并输出判断结果信号至补偿电路,作为控制信号进行补偿参数的调整;
补偿控制,接收控制信号,并通过控制信号进行补偿量的增、减控制,并输出补偿参数来实现不同输出电压下的环路补偿信号。
对应地,本发明提出的检测输出电压的补偿控制电路技术方案如下:
一种检测输出电压的补偿控住电路,包括依次串联连接的误差放大器、控制级电路和功率级电路,其特征在于:还包括补偿电路、输出电压检测电路和逻辑控制电路,
输出电压检测电路,用于按区间长度将输出电压转换为方波信号,并将方波信号转换为直流电压信号,直流电压信号与输出电压成比例关系;
逻辑控制电路,用于判断输出电压所处的区间,并输出判断结果信号至补偿电路,作为控制信号进行补偿参数的调整;
补偿电路,用于接收控制信号,并通过控制信号进行补偿量的增、减控制,并输出补偿参数来实现不同输出电压下的环路补偿信号;
输出电压检测电路与逻辑控制电路串联连接后,并联在功率级电路的输出端与补偿电路的控制端;
输出电压检测电路、逻辑控制电路和补偿电路依次串联连接后,并联在功率级电路的输出端与控制级电路的输入端COMP,其中,
作为输出电压检测电路的一种具体实施方式,输出电压检测电路包括若干个依次串联的分压滤波单元,各分压滤波单元均包括第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容,第一电阻的一端为分压滤波单元的输入端,第一电阻的另一端连接第一电容的一端、第二电阻的一端以及下一分压滤波单元的输入端,第一电容的另一端接地,第二电阻的另一端连接第二电容的一端并作为分压滤波单元的输出端,第二电容的另一端接地。
作为逻辑控制电路的一种具体实施方式,逻辑控制电路包括若干个比较器,各比较器的同相输入端连接对应输出电压检测电路各分压滤波单元的输出端,各比较器的反相输入端与参考电压VREF相连,各比较器的输出端输出控制信号。
作为补偿电路的一种具体实施方式,补偿电路包括若干个补偿单元以及第一主电容、第二主电容和第一主电阻,各补偿单元均包括第一反相器、第二反相器、传输门和支路电阻,各补偿单元的第一反相器的输入端为补偿单元的输入端,连接逻辑控制电路各比较器的输出端,第一反相器的输出端与第二反相器的输入端及传输门的同相控制端相连,第二反相器的输出端与传输门的反相控制端相连,传输门的输入端与支路电阻的一端相连,传输门的输出端与支路电阻的另一端以及下一补偿单元的传输门的输入端相连;第二主电容的一端连接在第一补偿单元传输门的输入端、控制级电路的输入端COMP以及支路电阻的连接处,第二主电容的另一端接地,最后一个补偿单元输出端依次连接第一主电阻、第一主电容和地。
作为补偿电路的另一种具体实施方式,补偿电路包括若干个补偿单元以及第一主电容、第二主电容和第一主电阻,各补偿单元均包括第一反相器、第二反相器、传输门和支路电容,各补偿单元的第一反相器的输入端为补偿单元的输入端,连接逻辑控制电路各比较器的输出端,第一反相器的输出端与第二反相器的输入端和传输门的反相控制端相连,第二反相器的输出端与传输门的同相控制端相连,传输门的输出端与支路电容一端相连,支路电容的另一端接地;第一主电容的一端与控制级电路的输入端COMP及第一主电阻的一端相连,第一主电容的另一端接地,第一主电阻的另一端与第二主电容的一端、各补偿单元传输门的相连,第二主电容的另一端接地。
本发明的设计思路为:不仅改进了传统的补偿电路,还增加了输出电压检测电路和逻辑控制电路,如图2所示,补偿电路采用区间判断法,输出电压检测电路检测功率级电路的输出信号SW,通过设置一定的分压比例关系K,并对其进行占空比检测,输出与DC-DC转换器的输出电压VOUT成不同比例系数关系的电压。例如,当对输出信号SW进行比例关系为K的分压时,经过占空比检测后输出的电压信号为VSW×K×D,其中D为当前DC-DC转换器的占空比,即由于DC-DC转换器在上功率管导通时,其导通压降非常小,在近似计算的情况下,VSW≈VIN,因此,经过占空比检测后输出的电压信号,即输出电压检测电路的输出信号为输出电压检测电路输出的与VOUT成不同比例关系的电压组成了不同的输出电压判断区间,输出至逻辑控制电路。逻辑控制电路判断当前的输出电压所在的区间,并输出对应的补偿控制信号。补偿控制信号输入至补偿电路,通过调整补偿电路中的补偿参数来实现不同输出电压下进行不同环路补偿的目的。
图3给出了一种输出电压检测电路的实现方法,该实现方法中输出信号SW输入至区间检测电路,区间检测电路将输出信号SW划分为不同的电压区间方波信号。区间检测电路产生的电压区间方波信号输入至占空比检测电路,占空比检测电路可将输入的方波信号转换为直流信号,该直流信号与DC-DC的输出电压VOUT成一定的比例关系。不同的电压区间方波信号经过占空比检测电路,产生不同的与VOUT成一定比例关系的直流电压信号,从而实现对输出电压的区间划分目的。
与现有技术相比,本发明所达到的有益效果为:当输出电压变化较大时,环路补偿也随之动态调整,在不同输出电压下均能保证环路稳定性及良好的负载瞬态响应速度。
附图说明
图1是传统的峰值电流模BUCK型DC-DC环路控制框图;
图2是本发明的一种用于DC-DC转换器的补偿电路;
图3是本发明补偿电路中的输出电压检测电路;
图4是本发明高压峰值电流模BUCK型DC-DC转换器的环路控制框图;
图5是本发明输出电压检测电路的电路原理图;
图6是本发明逻辑控制电路的电路原理图;
图7是本发明第一实施例补偿电路的电路原理图;
图8是本发明第二实施例补偿电路的电路原理图;
图9是采用非隔离的高压峰值电流模BUCK型DC-DC转换器进行LED驱动的应用。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
第一实施例
图4为本发明高压峰值电流模BUCK型DC-DC转换器的环路控制框图,高压输出的峰值电流模BUCK型DC-DC转换器,由于在不同应用下输出电压变化范围非常大,需要同时兼顾低输出电压与高输出电压下的环路补偿,采用本发明检测输出电压动态调整补偿参数的方法,可以很好地解决此问题。
如图4所示,输出电压检测电路检测DC-DC转换器的输出信号SW,产生与VOUT电压成比例关系的直流电压信号,并通过逻辑控制电路判断输出电压所处的区间,输出补偿控制信号,补偿控制信号输入至补偿电路,调整补偿电路的补偿参数来实现不同输出电压下进行不同环路补偿的目的。
图5为本发明输出电压检测电路的原理图,输出电压检测电路,包括电阻R1、R2、R3、…RN,RA1、RA2、…RAN-1,电容CA1、CA2、…CAN-1,CB1、CB2、…CBN-1;电阻R1的一端连接信号SW,电阻R1的另一端连接电阻R2、电容CA1及电阻RA1;电容CA1的另一端接地;电阻RA1的另一端连接电容CB1,并输出信号VC1;电容CB1的另一端接地;电阻R2的另一端连接电阻R3、电容CA2及电阻RA2;电容CA2的另一端接地;电阻RA2的另一端连接电容CB2,并输出信号VC2;电容CB2的另一端接地;电阻R3的另一端连接电阻RN、电容CAN-1及电阻RAN-1;电容CAN-1的另一端接地;电阻RAN-1的另一端连接电容CBN-1,并输出信号VCN-1;电容CBN-1的另一端接地。
输出信号SW经过N个电阻R1、R2…RN进行电压区间检测后,分别得到方波电压信号V1、V2…VN-1,其中,电压信号V1经电容CA1、电阻RA1、电容CB1组成的的占空比检测电路后,输出与VOUT电压成K1比例系数关系的直流电压信号VC1,即VC1=K1×VOUT。与上述相同,方波电压信号V2…VN-1经对应的占空比检测电路后分别输出相应的直流电压信号VC2…VCN-1,其中VC2=K2×VOUT,…,VCN-1=KN-1×VOUT。上述VC1、VC2…VCN-1共N-1个直流电压信号输出至逻辑控制电路,分别与逻辑控制电路中的参考电压VREF进行比较,判断VOUT所处的区间范围。
图6为逻辑控制电路的原理图,逻辑控制电路,包括第一比较器,第二比较器,…第N-1比较器,第一比较器的同相输入端与信号VC1相连,第一比较器的反相输入端与信号VREF相连,第一比较器的输出端输出信号S1;第二比较器的同相输入端与信号VC2相连,第二比较器的反相输入端与信号VREF相连,第二比较器的输出端输出信号S2;第N-1比较器的同相输入端与信号VCN-1相连,第N-1比较器的反相输入端与信号VREF相连,第N-1比较器的输出端输出信号SN-1。
直流电压信号VC1、VC2…VCN-1作为输入,分别接入N-1个比较器的同相输入端,N-1个比较器的反相输入端均连接参考电压VREF。当VC1>VREF时,第一比较器输出信号S1为高电平,同上,当VCN-1>VREF时,第N-1比较器输出信号SN-1为高电平。则上述N-1个比较器的比较阈值可将VOUT电压检测划分为N个区间,分别为…,当时,S1…SN-1均为低电平;当时,S1为高电平,S2…SN-1均为低电平;当时,S1和S2为高电平,S3…SN-1均为低电平;以此类推,当时,S1…SN-2均为高电平,SN-1为低电平;当时,S1…SN-1均为高电平。
上述区间检测输出的电压信号S1…SN-1输出至补偿电路,作为控制信号进行补偿参数的调整。
图7为补偿电路的电路原理图,补偿电路由电阻RC1,RC2,…RCN-1,R1,电容C1,C2,传输门T1,T2,…TN-1,反相器IA_1,IB_1,IA_2,IB_2,…IA_N-1,IB_N-1组成。反相器IA_1的输入端连接信号S1,反相器IA_1的输出端与反相器IB_1的输入端及传输门T1的同相控制端相连;反相器IB_1的输出端与传输门T1的反相控制端相连;传输门T1的输入端与信号COMP、电阻RC1及电容C2相连,传输门T1的输出端与传输门T2的输入端、电阻RC1的另一端及电阻RC2相连;反相器IA_2的输入端连接信号S2,反相器IA_2的输出端与反相器IB_2的输入端及传输门T2的同相控制端相连;反相器IB_2的输出端与传输门T2的反相控制端相连;传输门T2的输出端与传输门TN-1的输入端、电阻RC2的另一端及电阻RCN-1相连;反相器IA_N-1的输入端连接信号SN-1,反相器IA_N-1的输出端与反相器IB_N-1的输入端及传输门TN-1的同相控制端相连;反相器IB_N-1的输出端与传输门TN-1的反相控制端相连;传输门TN-1的输出端与电阻RCN-1的另一端及电阻R1相连;电阻R1的另一端与电容C1相连;电容C1的另一端接地;电容C2的另一端接地。当时,S1…SN-1均为低电平,传输门T1,T2,…TN-1均导通,电阻RC1,RC2,…RCN-1均被短路,接入补偿电路的有效电阻为R1,与电容C1一起组成RC零点补偿;当时,S1为高电平,S2…SN-1均为低电平,传输门T1关断,T2,…TN-1均导通,电阻RC1接入补偿电路,RC2,…RCN-1均被短路,电阻RC1与R1串联,与电容C1一起组成RC零点补偿;以此类推,当时,S1…SN-1均为高电平,传输门T1,T2,…TN-1均关断,电阻RC1,RC2,…RCN-1均接入补偿电路,与R1串联,和电容C1一起组成RC零点补偿。
通过上述补偿电路的控制可见,当DC-DC转换器的输出电压由低变高时,接入补偿电路的补偿电阻值也随之变大,由补偿RC产生的零点会逐渐向低频处移动,由此可以抵消由于输出电压变高造成的输出极点向低频处移动的影响,达到动态补偿的目的。
图9是采用非隔离的高压峰值电流模BUCK型DC-DC转换器进行LED驱动的应用。与图4相比,通过将输出电压调节电阻RT采用LED替代。在实际应用中,改变串联在VOUT与电容CFB之间的LED数目将改变VOUT的输出电压。当LED数目变化较大时,VOUT的电压值也变化较大。与前述原理相同,输出电压的大幅变化将影响环路的稳定性及瞬态响应速度。采用本发明的补偿方法可有效解决此问题。补偿电路的检测与调节原理与前述相同,不再赘述。
第二实施例
与第一实施例相比,本实施例的不同之处在于:补偿电路采用另一种实施方式,如图8所示,补偿电路由电阻R1,电容C0,CC,C1,C2,…CN-1,传输门T1,T2,…TN-1,反相器IA_1,IB_1,IA_2,IB_2,…IA_N-1,IB_N-1组成。电容CC的一端与信号COMP及电阻R1相连;电容CC的另一端接地;电阻R1的另一端与电容C0、传输门T1的输入端、传输门T2的输入端及传输门TN-1的输入端相连;电容C0的另一端接地;反相器IA_1的输入端连接信号S1,反相器IA_1的输出端与反相器IB_1的输入端及传输门T1的反相控制端相连;反相器IB_1的输出端与传输门T1的同相控制端相连;传输门T1的输出端与电容C1相连;电容C1的另一端接地;反相器IA_2的输入端连接信号S2,反相器IA_2的输出端与反相器IB_2的输入端及传输门T2的反相控制端相连;反相器IB_2的输出端与传输门T2的同相控制端相连;传输门T2的输出端与电容C2相连;电容C2的另一端接地;反相器IA_N-1的输入端连接信号SN-1,反相器IA_N-1的输出端与反相器IB_N-1的输入端及传输门TN-1的反相控制端相连;反相器IB_N-1的输出端与传输门TN-1的同相控制端相连;传输门TN-1的输出端与电容CN-1相连;电容CN-1的另一端接地。
当时,S1…SN-1均为低电平,传输门T1,T2,…TN-1均关断,电容C0接入补偿电路,与电阻R1一起组成RC零点补偿;当时,S1为高电平,S2…SN-1均为低电平,传输门T1导通,T2,…TN-1均关断,电容C1接入补偿电路,与电容C0并联,和电阻R1一起组成RC零点补偿;当时,S1…SN-1均为高电平,传输门T1,T2,…TN-1均导通,电容C1,C2,…CN-1均接入补偿电路,与电容C0并联,和电阻R1一起组成RC零点补偿。
与第一实施例原理相同,当DC-DC转换器的输出电压由低变高时,接入补偿电路的补偿电容值也随之变大,由补偿RC产生的零点会逐渐向低频处移动,由此可以抵消由于输出电压变高造成的输出极点向低频处移动的影响,达到动态补偿的目的。
以上仅是本发明的优选实施方式,应当指出的是,上述优选实施方式不应视为对本发明的限制,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明的精神和范围内,还可以做出若干等同替换、改进和润饰,这些等同替换、改进和润饰也应视为本发明的保护范围,这里不再用实施例赘述,本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (5)
1.一种检测输出电压的补偿控制方法,适用于DC-DC转换器,包括如下步骤,
检测电压,通过输出电压检测电路检测输出电压,将输出电压转换为按区间长度划分的方波信号,并将方波信号转换为直流电压信号,直流电压信号与输出电压成比例关系,其中,输出电压检测电路包括若干个依次连接的分压滤波单元,各分压滤波单元均包括第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容,第一电阻的一端为分压滤波单元的输入端,第一电阻的另一端连接第一电容的一端、第二电阻的一端以及下一分压滤波单元的输入端,第一电容的另一端接地,第二电阻的另一端连接第二电容的一端并作为分压滤波单元的输出端,第二电容的另一端接地,其中,第二电阻、第一电容和第二电容组成占空比检测电路,若干个分压滤波单元中的第一电阻将输出电压转换为按区间划分的方波信号,占空比检测电路将相应的方波信号转换为相应的直流电压信号,所述直流电压信号由分压滤波单元的输出端输出;
逻辑控制,通过逻辑控制电路判断输出电压所处的区间,并输出判断结果信号至补偿电路,作为控制信号进行补偿参数的调整,其中,逻辑控制电路包括若干个比较器,各比较器的同相输入端连接对应输出电压检测电路各分压滤波单元的输出端,用于接收直流电压信号,各比较器的反相输入端与参考电压VREF相连,各比较器的输出端输出控制信号;
补偿控制,接收控制信号,并通过控制信号进行补偿量的增、减控制,并输出补偿参数来实现不同输出电压下的环路补偿信号。
2.一种检测输出电压的补偿控制电路,其特征在于:包括依次串联连接的输出电压检测电路、逻辑控制电路和补偿电路;
输出电压检测电路,包括若干个依次连接的分压滤波单元,各分压滤波单元均包括第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容,第一电阻的一端为分压滤波单元的输入端,第一电阻的另一端连接第一电容的一端、第二电阻的一端以及下一分压滤波单元的输入端,第一电容的另一端接地,第二电阻的另一端连接第二电容的一端并作为分压滤波单元的输出端,第二电容的另一端接地,其中,第二电阻、第一电容和第二电容组成占空比检测电路,若干个分压滤波单元中的第一电阻用于按区间长度将输出电压转换为方波信号,占空比检测电路将相应的方波信号转换为相应的直流电压信号并由分压滤波单元的输出端输出,直流电压信号与输出电压成比例关系;
逻辑控制电路,包括若干个比较器,各比较器的同相输入端连接对应输出电压检测电路各分压滤波单元的输出端,用于接收直流电压信号,各比较器的反相输入端与参考电压VREF相连,各比较器的输出端输出控制信号,用于判断输出电压所处的区间,并输出判断结果信号至补偿电路,作为控制信号进行补偿参数的调整;
补偿电路,用于接收控制信号,并通过控制信号进行补偿量的增、减控制,并输出补偿参数来实现不同输出电压下的环路补偿信号。
3.一种检测输出电压的补偿控制电路,包括依次串联连接的误差放大器、控制级电路和功率级电路,其特征在于:还包括补偿电路、输出电压检测电路和逻辑控制电路,
输出电压检测电路、逻辑控制电路和补偿电路依次串联连接后,并联在功率级电路的输出端与控制级电路的输入端,其中,
输出电压检测电路,包括若干个依次串联的分压滤波单元,各分压滤波单元均包括第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容,第一电阻的一端为分压滤波单元的输入端,第一电阻的另一端连接第一电容的一端、第二电阻的一端以及下一分压滤波单元的输入端,第一电容的另一端接地,第二电阻的另一端连接第二电容的一端并作为分压滤波单元的输出端,第二电容的另一端接地;
所述逻辑控制电路包括若干个比较器,各比较器的同相输入端连接对应输出电压检测电路各分压滤波单元的输出端,各比较器的反相输入端与参考电压VREF相连,各比较器的输出端输出控制信号。
4.根据权利要求3所述的检测输出电压的补偿控制电路,其特征在于:所述补偿电路包括若干个补偿单元以及第一主电容、第二主电容和第一主电阻,各补偿单元均包括第一反相器、第二反相器、传输门和支路电阻,各补偿单元的第一反相器的输入端为补偿单元的输入端,连接逻辑控制电路各比较器的输出端,第一反相器的输出端与第二反相器的输入端及传输门的同相控制端相连,第二反相器的输出端与传输门的反相控制端相连,传输门的输入端与支路电阻的一端相连,传输门的输出端与支路电阻的另一端以及下一补偿单元的传输门的输入端相连;第二主电容的一端连接在第一补偿单元传输门的输入端、控制级电路的输入端COMP以及支路电阻的连接处,第二主电容的另一端接地,最后一个补偿单元输出端依次连接第一主电阻、第一主电容和地。
5.根据权利要求3所述的检测输出电压的补偿控制电路,其特征在于:所述补偿电路包括若干个补偿单元以及第一主电容、第二主电容和第一主电阻,各补偿单元均包括第一反相器、第二反相器、传输门和支路电容,各补偿单元的第一反相器的输入端为补偿单元的输入端,连接逻辑控制电路各比较器的输出端,第一反相器的输出端与第二反相器的输入端和传输门的反相控制端相连,第二反相器的输出端与传输门的同相控制端相连,传输门的输出端与支路电容一端相连,支路电容的另一端接地;第一主电容的一端与控制级电路的输入端COMP及第一主电阻的一端相连,第一主电容的另一端接地,第一主电阻的另一端与第二主电容的一端、各补偿单元传输门的相连,第二主电容的另一端接地。
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