CN112532056A - 一种基于压控延时线的dc-dc电源补偿控制电路 - Google Patents

一种基于压控延时线的dc-dc电源补偿控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于压控延时线的DC‑DC电源补偿控制电路,分为补偿电路与延时线两部分,压控输出点连接延时线控制端,压控输出点为反馈电压经过补偿电路后的输出位置,延时线的外部接口包括外部时钟信号输入端、延时信号输出端、控制端,延时线的输入端接时钟信号,通过延时线完成将电压控制转换为时间控制的功能。同时,本发明以传统的Type III型电路补偿网络作为压控部分,输出控制电压,控制延时线延时大小,确保延时线输出与外部时钟相位差满足控制要求,即占空比满足当前状态要求,使得实现宽输出电压范围的前提下,而不影响稳定性;与传统控制模式相比,本发明电路结构简单、效率高、瞬态响应快等优点。

Description

一种基于压控延时线的DC-DC电源补偿控制电路
技术领域
本发明属于集成电路设计技术领域,具体设计一种基于压控延时线的DC-DC电源补偿控制电路。
背景技术
DC/DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器,DC/DC转换器分为三类:升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器以及升降压型DC/DC转换器。根据需求可采用三类控制,PWM控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声;PFM控制型在小负载时具有耗电小的特点;PWM/PFM转换型小负载时实行PFM控制,且在重负载时自动转换到PWM控制。
DC-DC转换器在供电设备中无处不在,它们被用来为模拟、数字和无线电频率集成电路产生供电电压,广泛应用于手机、MP3、数码相机、便携式媒体播放器等产品中。便携式设备小型化和增加电池寿命的需求不断增长,同时增加了更多的功能,这导致了在不降低功率效率的情况下满足功率密度要求的指数增长;除了高的效率,转换器还必须能够在大范围的负载电流和输入/输出电压下工作。
一般的DC-DC转换器包括功率级、输入电源、分压网络、补偿控制、驱动电路,采用脉宽调制的方式去控制驱动电路,补偿方式常采用模拟控制、数字控制,模拟控制方式包括经典的Type I型、Type II型、Type III型补偿电路、模拟运放、比较器,数字控制方式组成包括ADC(模数转换器)、PID(比例-积分-微分)控制电路、DPWM(数字脉宽调制)模块。通过控制驱动电路通断时间,控制占空比实现电压稳定输出,这里在输出PWM波的时候多采用比较器完成补偿输出电压与锯齿波信号的比较,如图1所示的传统电压控制模式Buck结构。
现阶段对于高频率DC-DC转换器设计几个问题:首先,当开关周期减少到几十纳秒或更短,可能导致基于斜坡比较器的PWM控制器失效,需要额外的措施来满足高频率的要求;其次,较大的比较器延迟会限制占空比范围,这不仅会影响瞬态响应,还会限制输入/输出工作电压范围。假设需要60分贝的直流增益来精确调节1兆赫的带宽,误差放大器的GBW(增益带宽积)需要高达10千兆赫,假设误差放大器的所需带宽必须比环路带宽高10倍,这种高误差放大GBW只能通过消耗大功率来实现。对于数字电路,数字补偿器输出被馈送到DPWM块,DPWM块执行数字到时间(D-T)转换并生成所需的占空比;由于ADC和DPWM引入的量化误差,变换器的行为是非线性的,其稳态是有界的极限环,表现为输出电压纹波。降低纹波需要高精度的ADC和DPWM,这两种方法都消耗大量的功率,增加了设计的复杂性。
传统方案采用锯齿波与控制电压经过比较器比较的方式产生驱动信号,如图1所示,当输出信号扰动时,传统方案的反馈信号通过补偿器模块路径产生控制信号与参考信号进行比较,得到PWM信号,由于比较器存在固有延时,在非常高的开关频率情况下电压转换范围会受到严重的限制。
发明内容
鉴于上述,本发明提出了一种基于压控延时线的DC-DC电源补偿控制电路,在不需要复杂的补偿器情况下,实现高效转换、瞬态响应快、高带宽,高占空比范围。
一种基于压控延时线的DC-DC电源补偿控制电路,适用于DC-DC变换器(如Boost、Buck电路等),该补偿控制电路包括:
电压补偿模块,用于采集DC-DC变换器的输出电压并对其进行补偿,输出补偿电压信号;
压控延时线,用于接收给定的时钟信号CLK并对其延迟输出,且延迟时间量受补偿电压信号所控制,从而将电压域信号转换成为时间域信号;
RS触发器,其S端接时钟信号CLK,R端接延迟后的时钟信号CLK_Delay,Q端产生PWM信号用以控制DC-DC变换器中的开关管。
进一步地,所述DC-DC变换器中的开关管包括上下两管,上管为PMOS管,下管为NMOS管,PWM信号为低电平,上管开通,下管关断;PWM信号为高电平,上管关断,下管开通。
进一步地,所述时钟信号CLK和CLK_Delay之间存在有相位差,该相位差的范围在0~2π之间。
进一步地,当时钟信号CLK上升沿到来时,通过RS触发器S端将输出置为高电平,在时钟信号CLK_Delay上升沿到来时,通过RS触发器R端进行复位,等到CLK下一个上升沿的到来再次进行置位,至此实现一个时钟周期内的占空比。
进一步地,所述电压补偿模块采用Type III型电路补偿网络,能够确保延时线输出与外部时钟相位差满足控制要求,使得实现宽输出电压范围的前提下,而不影响稳定性。
进一步地,所述电压补偿模块采用分离式PID控制电路结构,压控延时线由三个延时线串联组成,PID控制电路结构中的比例项部分、积分项部分、微分项部分分别独立控制对应的延时线;通过延时前后的两个时钟信号上升沿分别控制RS触发器的S端与R端,实现PWM波,完成一种基于压控延时线的PID高速时间控制方案。
本发明将延迟前后的两个时钟作为产生PWM波控制量,采用RS触发器作为PWM产生的设备,这里相当于逻辑控制电路,使用时间作为处理变量,消除了对误差放大器、比较器、高分辨率ADC和数字脉冲宽度调制器的需求。
本发明补偿控制电路分为补偿电路与延时线两部分,压控输出点连接延时线控制端,压控输出点为反馈电压经过补偿电路后的输出位置,延时线的外部接口包括外部时钟信号输入端、延时信号输出端、控制端,延时线的输入端接时钟信号,通过延时线完成将电压控制转换为时间控制的功能。同时,本发明以传统的Type III型电路补偿网络作为压控部分,输出控制电压,控制延时线延时大小,确保延时线输出与外部时钟相位差满足控制要求,即占空比满足当前状态要求,使得实现宽输出电压范围的前提下,而不影响稳定性;与传统控制模式相比,本发明电路结构简单、效率高、瞬态响应快等优点。
本发明补偿控制电路将DC-DC变换器功率级输出电压作为反馈信号,反馈信号经过补偿模块输出补偿电压,以此作为压控延时线的控制信号,外部时钟和压控延时线的输出端分别连接RS触发器的S端和R端,控制电路的输出作为驱动电路的PWM波,从而控制DC-DC变换器中的开关管,形成一个闭环控制系统。
在传统的控制模式中,由于比较器的固有延时导致很难实现高频宽输出范围;不同于传统模式,本发明将电压控制通过压控延时线使电压信号转化为时间控制信号,由逻辑控制电路完成延迟后的时钟信号与参考信号进行相位比较,取代传统电压比较输出PWM的控制方式,使用逻辑控制电路取代比较器,消除了比较器的固有延时,实现宽电压输出范围,可以更好的应用于高速DC-DC转换器中。
本发明DC-DC电源补偿控制电路中没有使用任何比较器,而是采用补偿器与SR触发器作为逻辑控制器,无量化误差,在稳态下表现为线性系统,并获得与模拟电压Type III型控制方式降压变换器相似的小纹波电压。同时,本发明控制电路还节省了一个专门用于实现占空比的PWM结构,PWM波由提出的基于时间的处理结构产生,即延时线、时钟信号、RS触发器三者的组成的结构。此外,本发明控制电路不需要任何大电容、高BW误差放大器、高速比较器或ADC,该控制方案具有低功耗和面积小的特点。
附图说明
图1为传统电压控制模式的DC-DC转换器结构示意图。
图2为基于延时线高速时间控制模式的Buck电路结构示意图。
图3为基于延时线高速时间Type III型控制模式的DC-DC转换器结构示意图。
图4为基于延时线高速时间PID控制的DC-DC转换器结构示意图。
图5为基于延时线高速时间PID控制DC-DC转换器的一种典型实现结构示意图。
图6为基于延时线高速时间控制DC-DC转换器的逻辑控制时序示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明,下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明基于压控延时线的DC-DC电源补偿方案,系统中包括DC-DC电源拓扑电路、驱动电路、补偿器、压控延时线以及逻辑控制电路,如图2所示,DC-DC转换器的功率级输出电压通过分压网络产生反馈电压,反馈电压经过补偿网络输出控制电压,在此作为压控延时线的控制信号,外部时钟和压控延时线的输出端分别连接RS触发器的S端和R端,RS触发器的输出作为驱动电路的PWM波,从而控制DC-DC拓扑电路中的开关管,形成一个闭环控制系统。
本发明DC-DC电源补偿方案利用压控延时线控制外部时钟CLK产生一个与之有相位差的CLK_Delay时钟信号,并且相位差的范围在0~2π之间,进而将以上两个时钟作为产生PWM波控制量,采用驱动触发器作为PWM产生的设备,这里使用了RS触发器。本发明使用时间作为处理变量,免除了对宽带放大器、PWM块、高分辨率ADC和数字脉冲宽度调制器的需求;当CLK上升沿到来时,触发器被置位为高电平,在CLK_Delay上升沿到来时触发器进行复位,等到CLK下一时钟上升沿的到来再次进行置位,至此实现一个时钟周期内的占空比Duty,使用RS触发器产生PWM波,简单准确,达到高效转换和高占空比范围的要求。
为保证瞬态响应要求,本发明可以采用传统的Type III型电路补偿网络作为压控部分,如图3所示,输出控制电压,控制延时线延时大小,确保延时线输出与外部时钟相位差满足控制要求,使得实现宽输出电压范围的前提下,而不影响稳定性;与传统控制相比,该结构简单、效率高、瞬态响应快等优点。
如图4所示,本发明还可以将传统Type III型PID补偿网络转化一种分离式PID,分别控制独立的延时线,三个延时线串联传输CLK信号,得到CLK_Delay,再通过CLK_Delay和参考时钟信号上升沿控制RS触发器的R端与S端,实现PWM波。图5展现了分离式PID的一种实现方式,采用三个跨导放大器与其对应的RC网络控制三个独立的延时线,形成分离的PID补偿项,三个延时线串联成总延时线,实现对CLK_Delay时钟的相位控制,通过RS触发器CLK_Delay信号与参考时钟进行相位比较,得到响应占空比,如图6所示。
传统方案采用锯齿波与控制电压经过比较器比较的方式产生驱动信号,如图1所示,当输出信号扰动时,传统方案的反馈信号通过补偿器模块路径产生控制信号Vc与参考信号进行比较,得到PWM信号,由于比较器存在固有延时,在非常高的开关频率情况下电压转换范围会受到严重的限制。
本实施方式如图2所示,为基于延时线高速时间控制模式Buck结构,输出电压经过补偿网络输出控制电压,作为压控延时线的控制信号,外部参考时钟和压控延时线的输出端分别连接RS触发器的S端和R端,逻辑控制电路的输出作为驱动电路的PWM波,从而控制DC-DC拓扑电路中的开关管,形成一个闭环控制系统。本实施方式利用压控延时线控制外部时钟CLK产生一个与之有相位差的CLK_Delay时钟信号,并且相位差的范围在0~2π之间,将以上两个时钟作为产生PWM波控制量,采用触发器作为PWM产生的设备。
为保证瞬态响应要求,本实施方式采用一种基于延时线高速时间Type III型控制模式的DC-DC转换器,包括:开关电源模块、补偿模块、压控延时线模块、RS触发器模块,如图3所示,Type III型电路补偿网络输出控制电压,控制延时线延时大小,确保延时线输出与外部时钟相位差满足控制要求,即占空比Duty满足当前状态要求。
另一种实施方式在基于延时线高速时间Type III型控制模式的基础上,实现PID分离式控制,如图4所示,开关电源模块包括开关功率管及其驱动器、电感、电容、比例项电压控制块、积分项电压控制块、微分项电压控制块、压控延时线和RS触发器;比例项控制部分、积分项控制部分和微分项控制部分独立控制压控延时线,三部分压控延时线通过串联,实现对输入时钟相位延迟控制的叠加,再通过RS触发器与参考时钟进行相位比较,得到PWM信号。图5为PID分离式控制的一种典型实现方式,其采用跨导放大器形成控制信号作用于延迟线,这里比例项是参考电压Vref与反馈电压经过差分跨导Gmp输出控制延时线,积分项也是参考电压Vref与反馈电压经过差分跨导Gmi输出控制延时线,另在跨导Gmi输出点附加一个电容用于电流积分,微分项由参考电压Vref与反馈电压经过差分跨导Gmd输出控制延时线,三个延时线串联成总延时线,实现对CLK_Delay时钟的相位控制。
本发明采用RS触发器作为逻辑控制部分电路来取代比较器,解决比较器延时问题,实现较宽的占空比输入范围,可以很好的应用于高速DC-DC转换器中。
本发明补偿控制方案还可以用于其他DC-DC变换器如Boost、Buck-Boost等,其主要由DC-DC电源拓扑电路、驱动电路、补偿器、压控延时线以及逻辑控制电路。该基于压控延时线实现高速时间控制的方案,相对现有技术,控制方式具有低功耗和面积小的特点,可以较好的适用于高频宽输出应用场合,该方案可以很好的集成到转换器芯片内部,降低外围器件面积,提高了系统整体性能,节省成本。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明,熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于压控延时线的DC-DC电源补偿控制电路,适用于DC-DC变换器,其特征在于,该补偿控制电路包括:
电压补偿模块,用于采集DC-DC变换器的输出电压并对其进行补偿,输出补偿电压信号;
压控延时线,用于接收给定的时钟信号CLK并对其延迟输出,且延迟时间量受补偿电压信号所控制,从而将电压域信号转换成为时间域信号;
RS触发器,其S端接时钟信号CLK,R端接延迟后的时钟信号CLK_Delay,Q端产生PWM信号用以控制DC-DC变换器中的开关管。
2.根据权利要求1所述的DC-DC电源补偿控制电路,其特征在于:所述DC-DC变换器中的开关管包括上下两管,上管为PMOS管,下管为NMOS管,PWM信号为低电平,上管开通,下管关断;PWM信号为高电平,上管关断,下管开通。
3.根据权利要求1所述的DC-DC电源补偿控制电路,其特征在于:所述时钟信号CLK和CLK_Delay之间存在有相位差,该相位差的范围在0~2π之间。
4.根据权利要求1所述的DC-DC电源补偿控制电路,其特征在于:当时钟信号CLK上升沿到来时,通过RS触发器S端将输出置为高电平,在时钟信号CLK_Delay上升沿到来时,通过RS触发器R端进行复位,等到CLK下一个上升沿的到来再次进行置位,至此实现一个时钟周期内的占空比。
5.根据权利要求1所述的DC-DC电源补偿控制电路,其特征在于:所述电压补偿模块采用Type III型电路补偿网络。
6.根据权利要求1所述的DC-DC电源补偿控制电路,其特征在于:所述电压补偿模块采用分离式PID控制电路结构,压控延时线由三个延时线串联组成,PID控制电路结构中的比例项部分、积分项部分、微分项部分分别独立控制对应的延时线。
7.根据权利要求1所述的DC-DC电源补偿控制电路,其特征在于:该控制电路将延迟前后的两个时钟作为产生PWM波控制量,采用RS触发器作为PWM产生的设备,使用时间作为处理变量,消除了对误差放大器、比较器、高分辨率ADC和数字脉冲宽度调制器的需求。
8.根据权利要求1所述的DC-DC电源补偿控制电路,其特征在于:该控制电路将DC-DC变换器功率级输出电压作为反馈信号,反馈信号经过补偿模块输出补偿电压,以此作为压控延时线的控制信号,外部时钟和压控延时线的输出端分别连接RS触发器的S端和R端,控制电路的输出作为驱动电路的PWM波,从而控制DC-DC变换器中的开关管,形成一个闭环控制系统。
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