CN112398336B - 一种用于dcdc变换器的快慢环切换电路 - Google Patents

一种用于dcdc变换器的快慢环切换电路 Download PDF

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Abstract

一种用于DCDC变换器的快慢环切换电路，通过满足响应速度要求的快环电路和满足稳定性要求的慢环电路的组合及其切换，既能够实现输出恒压模式下的快速动态响应，又能够满足输入限流保护模式下的稳定性要求，从而有利于提高DCDC变换器的综合性能。

Description

一种用于DCDC变换器的快慢环切换电路
技术领域
本发明涉及峰值限流控制模式下的DCDC变换器技术，特别是一种用于DCDC变换器的快慢环切换电路，通过满足响应速度要求的快环电路和满足稳定性要求的慢环电路的组合及其切换，既能够实现输出恒压模式下的快速动态响应，又能够满足输入限流保护模式下的稳定性要求，从而有利于提高DCDC变换器的综合性能。
背景技术
采用峰值限流控制模式的DCDC变换器，包括两个状态，即通常的输出恒压状态，和需要启动保护机制的输入限流状态，输出恒压状态涉及输出恒压环路，输入限流状态涉及输入限流环路。在不同工作状态(输入限流或输出恒压)下，DCDC变换器很难兼顾稳定性和响应速度。输入限流环路和输出恒压环路的传输函数不同，对响应速度和稳定性的要求也不同。在输出恒压模式下，需要快速动态响应，系统存在一个次极点与一个右半平面零点，所以需要额外增加一个零点来补偿这个次极点。当输入限流环路工作时，更多的是保护功能，需要稳定。环路的次极点被推向高频，类似单极点系统。本发明人认为，如果采用两个误差放大器EA输出切换的方式来调节DCDC变换器，使DCDC变换器在不同的工作状态下切换到相应的环路并始终保持环路稳定，当输入电流没有到达阈值，系统处于输出恒压状态时，切换到快环以提升响应速度，当输入电流到达阈值，系统处于输入限流保护状态时，切换到慢环以满足稳定性要求，则有利于使DCDC变换器兼顾稳定性和响应速度。有鉴于此，本发明人完成了本发明。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种用于DCDC变换器的快慢环切换电路，通过满足响应速度要求的快环电路和满足稳定性要求的慢环电路的组合及其切换，既能够实现输出恒压模式下的快速动态响应，又能够满足输入限流保护模式下的稳定性要求，从而有利于提高DCDC变换器的综合性能。
本发明技术方案如下：
一种用于DCDC变换器的快慢环切换电路，其特征在于，包括第一误差放大器和第二误差放大器，所述第一误差放大器的负输入端为系统输出电压反馈信号接入端，所述第一误差放大器的正输入端为第一参考电压接入端，所述第二误差放大器的正输入端为第二参考电压接入端，所述第二误差放大器的负输入端为输入电流电压信号端，所述第一误差放大器的输出端一路通过第一开关连接双环输出电压端，另一路连接比较器的正输入端，所述第二误差放大器的输出端一路通过第二开关连接所述双环输出电压端，另一路连接所述比较器的负输入端，所述比较器的输出端分别连接所述第二开关的控制端，第三开关的控制端和反相器的输入端，所述反相器的输出端连接所述第一开关的控制端，所述双环输出电压端通过依次串联的环路补偿电阻和环路补偿电容连接接地端，所述双环输出电压端通过第三电容连接接地端，所述环路补偿电阻和环路补偿电容之间的中间节点通过所述第三开关连接所述双环输出电压端。
所述双环输出电压端连接峰值限流控制电路的输入端。
所述输入电流电压信号端连接输入电流采样电路的输出端。
所述峰值限流控制电路的第一控制端连接第一NMOS管的栅极，所述第一NMOS管的漏极连接系统输出电压端，所述系统输出电压端通过负载电容连接接地端。
所述峰值限流控制电路的第二控制端连接第二NMOS管的栅极，所述第二NMOS管的漏极连接所述第一NMOS管的源极，所述第二NMOS管的源极连接接地端。
所述第二NMOS管的漏极和所述第一NMOS管的源极均连接电感的一端，所述电感的另一端一路通过第二电容连接接地端，另一路连接第三NMOS管的源极，所述第三NMOS管的漏极连接输入电压端。
所述输入电流采样电路的第一输入端连接所述第三NMOS管的漏极，所述输入电流采样电路的第二输入端连接所述第三NMOS管的源极。
当输入电流采样电路采集到的输入电流小于预设阈值，所述系统输出电压端为输出恒压状态，则所述第一开关保持闭合状态，而第二开关和第三开关均处于断开状态，快环电路开启，此时所述环路补偿电阻的接入等效于增加一个零点以提高环路带宽和增加响应速度。
当输入电流采样电路采集到的输入电流达到或超过预设阈值，所述系统为输入限流状态，则所述第一开关切换成断开状态，而第二开关和第三开关均处于闭合状态，慢环电路开启，此时系统带宽等于gm/Cc，其中gm为所述第二误差放大器的跨导值，Cc为所述环路补偿电容的电容值，所述环路补偿电阻被所述第三开关短路，通过降低系统带宽满足输入限流保护模式下的稳定性要求。
本发明技术效果如下：本发明一种用于DCDC变换器的快慢环切换电路，通过采用两个误差放大器EA输出切换的方式来调节DCDC变换器，使DCDC变换器在不同的工作状态下切换到相应的环路并始终保持环路稳定。当输入电流没有到达阈值，系统处于输出恒压状态时，切换到快环以提升响应速度，当输入电流达到阈值，系统处于限流保护状态时，切换到慢环以满足稳定性的要求。因此可以同时兼顾或满足快环对响应速度的要求，以及慢环对稳定性的要求，以便与DCDC变换器中输入限流环路和输出恒压环路的不同传输函数对响应速度和稳定性的不同要求相适应。
附图说明
图1是实施本发明一种用于DCDC变换器的快慢环切换电路结构示意图。
图2是图1中输入电流Iin与系统输出电压VSYS、快环开关S1、慢环开关S2的关系示意图。
图3是图1中系统输出电压VSYS、系统输入限流与双环输出电压eao、快环输出电压eaf、慢环输出电压eas关系图。
附图标记列示如下：VBUS-输入电压或输入电压端；VSYS-系统输出电压或系统输出电压端；GND-接地端；M1-第一NMOS管；M2-第二NMOS管；M3-第三NMOS管；L-电感；C1-第一电容(负载电容)；C2-第二电容；C3-第三电容；Cc-环路补偿电容；R-环路补偿电阻；Iin-输入电流；Viin-输入电流电压信号；Viin_ref-第二参考电压；Vsys_ref-第一参考电压；Vsys_fb-系统输出电压反馈信号；EA1-第一误差放大器(快环误差放大器)；EA2-第二误差放大器(慢环误差放大器)；Comp-比较器；NOTgate-反相器；S1-第一开关或快环开关；S2-第二开关或慢环开关；S3-第三开关；eao-双环输出电压或双环输出电压端；eaf-快环输出电压；eas-慢环输出电压。
具体实施方式
下面结合附图(图1-图3)对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种用于DCDC变换器的快慢环切换电路结构示意图。图2是图1中输入电流Iin与系统输出电压VSYS、快环开关S1、慢环开关S2的关系示意图。图3是图1中系统输出电压VSYS、系统输入限流与双环输出电压eao、快环输出电压eaf、慢环输出电压eas关系图。如图1至图3所示，一种用于DCDC变换器的快慢环切换电路，包括第一误差放大器EA1和第二误差放大器EA2，所述第一误差放大器EA1的负输入端(-)为系统输出电压反馈信号Vsys_fb接入端，所述第一误差放大器EA1的正输入端(+)为第一参考电压接入端Vsys_ref，所述第二误差放大器EA2的正输入端(+)为第二参考电压接入端Viin_ref，所述第二误差放大器EA2的负输入端(-)为输入电流电压信号端Viin(从输入电流采样信号转变而来的电压信号)，所述第一误差放大器EA1的输出端一路通过第一开关S1连接双环输出电压端eao，另一路连接比较器Comp的正输入端(+)，所述第二误差放大器EA2的输出端一路通过第二开关S2连接所述双环输出电压端eao，另一路连接所述比较器Comp的负输入端(-)，所述比较器Comp的输出端分别连接所述第二开关S2的控制端，第三开关S3的控制端和反相器NOTgate的输入端，所述反相器NOTgate的输出端连接所述第一开关S1的控制端，所述双环输出电压端eao通过依次串联的环路补偿电阻R和环路补偿电容Cc连接接地端GND，所述双环输出电压端eao通过第三电容C3连接接地端GND，所述环路补偿电阻R和环路补偿电容Cc之间的中间节点通过所述第三开关S3连接所述双环输出电压端eao。
所述双环输出电压端eao连接峰值限流控制电路的输入端。所述输入电流电压信号端Viin连接输入电流采样电路的输出端。所述峰值限流控制电路的第一控制端连接第一NMOS管M1的栅极，所述第一NMOS管M1的漏极连接系统输出电压端VSYS，所述系统输出电压端VSYS通过负载电容C1连接接地端GND。所述峰值限流控制电路的第二控制端连接第二NMOS管M2的栅极，所述第二NMOS管M2的漏极连接所述第一NMOS管M1的源极，所述第二NMOS管M2的源极连接接地端GND。所述第二NMOS管M2的漏极和所述第一NMOS管M1的源极均连接电感L的一端，所述电感L的另一端一路通过第二电容C2连接接地端GND，另一路连接第三NMOS管M3的源极，所述第三NMOS管M3的漏极连接输入电压端VBUS。所述输入电流采样电路的第一输入端连接所述第三NMOS管M3的漏极，所述输入电流采样电路的第二输入端连接所述第三NMOS管M3的源极。当输入电流采样电路采集到的输入电流Iin小于预设阈值，所述系统输出电压端VSYS为输出恒压状态(如图3左侧，或图3的左侧和右侧)，则所述第一开关S1保持闭合状态，而第二开关S2和第三开关S3均处于断开状态，快环电路开启，此时所述环路补偿电阻R的接入等效于增加一个零点以提高环路带宽和增加响应速度。当输入电流采样电路采集到的输入电流Iin达到或超过预设阈值，所述系统为输入限流状态(如图2右侧，或图3的中部，即两条竖直虚线之间)，则所述第一开关S1被切换成断开状态，而第二开关S2和第三开关S3均处于或均被切换成闭合状态，慢环电路开启，此时系统带宽等于gm/Cc，其中gm为所述第二误差放大器EA2的跨导值，Cc为所述环路补偿电容的电容值，所述环路补偿电阻R被所述第三开关S3短路，通过降低系统带宽满足输入限流保护模式下的稳定性要求。
比较器选择快慢环中误差放大器输出较低者输出到补偿网络，控制整个环路。当输入电流大于限定值后，慢环开关S2闭合，快环开关S1断开，因为慢环的误差放大器EA2的跨导gm较小，且稳定的单极点系统带宽等于gm/Cc，所以带宽压低。当负载电流较小，输入电流小于阈值，系统进入输出恒压，快环开启。快环开关S1闭合，慢环开关S2打开。补偿环路的电阻接入等效于增加了一个零点，提高了环路带宽，增加了响应速度。
在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，例如，采用其他振荡器调节电路实现方式等，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于DCDC变换器的快慢环切换电路，其特征在于，包括第一误差放大器和第二误差放大器，所述第一误差放大器的负输入端为系统输出电压反馈信号接入端，所述第一误差放大器的正输入端为第一参考电压接入端，所述第二误差放大器的正输入端为第二参考电压接入端，所述第二误差放大器的负输入端为输入电流电压信号端，所述第一误差放大器的输出端一路通过第一开关连接双环输出电压端，另一路连接比较器的正输入端，所述第二误差放大器的输出端一路通过第二开关连接所述双环输出电压端，另一路连接所述比较器的负输入端，所述比较器的输出端分别连接所述第二开关的控制端，第三开关的控制端和反相器的输入端，所述反相器的输出端连接所述第一开关的控制端，所述双环输出电压端通过依次串联的环路补偿电阻和环路补偿电容连接接地端，所述双环输出电压端通过第三电容连接接地端，所述环路补偿电阻和环路补偿电容之间的中间节点通过所述第三开关连接所述双环输出电压端。
2.根据权利要求1所述的用于DCDC变换器的快慢环切换电路，其特征在于，所述双环输出电压端连接峰值限流控制电路的输入端。
3.根据权利要求1所述的用于DCDC变换器的快慢环切换电路，其特征在于，所述输入电流电压信号端连接输入电流采样电路的输出端。
4.根据权利要求2所述的用于DCDC变换器的快慢环切换电路，其特征在于，所述峰值限流控制电路的第一控制端连接第一NMOS管的栅极，所述第一NMOS管的漏极连接系统输出电压端，所述系统输出电压端通过负载电容连接接地端。
5.根据权利要求4所述的用于DCDC变换器的快慢环切换电路，其特征在于，所述峰值限流控制电路的第二控制端连接第二NMOS管的栅极，所述第二NMOS管的漏极连接所述第一NMOS管的源极，所述第二NMOS管的源极连接接地端。
6.根据权利要求5所述的用于DCDC变换器的快慢环切换电路，其特征在于，所述第二NMOS管的漏极和所述第一NMOS管的源极均连接电感的一端，所述电感的另一端一路通过第二电容连接接地端，另一路连接第三NMOS管的源极，所述第三NMOS管的漏极连接输入电压端。
7.根据权利要求6所述的用于DCDC变换器的快慢环切换电路，其特征在于，所述输入电流采样电路的第一输入端连接所述第三NMOS管的漏极，所述输入电流采样电路的第二输入端连接所述第三NMOS管的源极。
8.根据权利要求3所述的用于DCDC变换器的快慢环切换电路，其特征在于，当输入电流采样电路采集到的输入电流小于预设阈值，系统输出电压端为输出恒压状态，则所述第一开关保持闭合状态，而第二开关和第三开关均处于断开状态，快环电路开启，此时所述环路补偿电阻的接入等效于增加一个零点以提高环路带宽和增加响应速度。
9.根据权利要求3所述的用于DCDC变换器的快慢环切换电路，其特征在于，当输入电流采样电路采集到的输入电流达到或超过预设阈值，系统为输入限流状态，则所述第一开关切换成断开状态，而第二开关和第三开关均处于闭合状态，慢环电路开启，此时系统带宽等于gm/Cc，其中gm为所述第二误差放大器的跨导值，Cc为所述环路补偿电容的电容值，所述环路补偿电阻被所述第三开关短路，通过降低系统带宽满足输入限流保护模式下的稳定性要求。
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