CN112737327A - 一种dc-dc变换器及其控制电路 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种DC‑DC变换器及其控制电路，控制电路包括电流采样电路、误差放大器、比较器、驱动电路以及调节电路，调节电路用于在系统没有变化时根据输入电压和输出电压之间的电压差产生一个调节信号，提前调节电流检测信号和误差放大信号，以便在输入电压发生变化时误差放大器的输出信号可以快速恢复，提高电路的瞬态响应速度，减小输出电压的波动，提高电路的稳定性。

Description

一种DC-DC变换器及其控制电路
技术领域
本发明涉及电子技术领域，更具体地，涉及一种DC-DC变换器及其控制电路。
背景技术
在便携式电脑、移动电话、个人数字助理以及其他便携或非便携电子设备中都可能用到一个或多个DC-DC变换器。DC-DC变换器为将输入电压转换为固定输出电压的电压转换器。电流模式的DC-DC变换器通过对输出电压进行采样，再与相应的基准电压进行误差处理，得到误差放大信号，将误差放大信号与电感电流的电流采样信号进行比较，得到比较结果并与时钟信号一起由于产生控制主开关管的驱动信号，从而稳定输出电压。
对于现有技术的DC-DC变换器，当电源电压发生变化时，电流采样信号也会发生变化，为了达到稳定状态，误差放大器的输出也会产生相应的变化量，但是由于误差放大器的输出变化需要一定时间，因此在这段时间内输出电压将产生一定的过冲，输出电压过冲可能会导致负载电路无法正常工作，严重影响电路的稳定性。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种DC-DC变换器及其控制电路，在输入电压发生变化时误差放大器的输出信号可以快速恢复，提高电路的瞬态响应速度。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种DC-DC变换器的控制电路，所述DC-DC变换器包括彼此连接的主开关管、同步开关管、电感以及输出电容，其中，所述控制电路包括：电流采样电路，用于检测流经所述主开关管的电流以获得电流检测信号；误差放大器，用于根据所述DC-DC变换器的输出电压与一基准电压得到一误差放大信号；比较器，用于将所述电流检测信号和所述误差放大信号进行比较，以获得一比较信号；驱动电路，用于根据所述比较信号和一时钟信号生成一驱动信号，所述驱动信号用于控制所述主开关管和所述同步开关管的导通和关断；以及调节电路，用于根据输入电压和所述输出电压之间的电压差生成一调节信号，以调节所述电流检测信号。
优选地，所述调节电路用于将所述输入电压和所述输出电压之间的电压差转换成电流信号，并根据该电流信号调节所述电流检测信号。
优选地，所述调节电路包括第一至第八晶体管以及电流源，第一晶体管和第七晶体管依次串联连接于所述输入电压和地之间的第一支路，第二晶体管和第五晶体管依次串联连接于所述输入电压和所述电流源的第一端之间的第二支路，第三晶体管和第六晶体管依次串联连接于所述输入电压和所述电流源的第二端之间的第三支路，第四晶体管和第八晶体管依次串联连接于所述输入电压和地之间的第四支路，所述电流源的第二端接地，其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管之间构成电流镜，所述第三晶体管和所述第四晶体管之间构成电流镜，所述第七晶体管和所述第八晶体管之间构成电流镜，所述第五晶体管的控制端用于接收所述输入电压，所述第六晶体管的控制端用于接收所述输出电压，所述第一晶体管和所述第七晶体管的中间节点用于输出所述调节信号。
优选地，当所述输入电压小于所述输出电压时，所述调节电路产生一个电流漏，以减小所述电流检测信号，当所述输入电压大于所述输出电压时，所述调节电路产生一个电流源，以增大所述电流检测信号。
优选地，所述误差放大器用于对所述基准电压和所述输出电压的反馈信号进行误差放大，以得到所述误差放大信号。
优选地，所述驱动电路根据所述比较信号和所述时钟信号产生脉冲宽度调制信号。
优选地，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管分别选自P型的金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第五晶体管、所述第六晶体管、所述第七晶体管和所述第八晶体管分别选自N型的金属氧化物半导体场效应晶体管。
根据本发明实施例的第二方面，提供了一种DC-DC变换器，包括彼此连接的主开关管、同步开关管、电感以及输出电容；以及上述的控制电路。
优选地，在每个开关周期，所述主开关管和所述同步开关管交替导通和关断。
本发明实施例的DC-DC变换器及其控制电路具有以下有益效果。
控制电路包括电流采样电路、误差放大器、比较器、驱动电路以及调节电路，电流采样电路用于检测流经主开关管的电流以获得电流检测信号，误差放大器用于根据DC-DC变换器的输出电压与一基准电压得到一误差放大信号，比较器用于将电流检测信号和误差放大信号进行比较，以获得一比较信号，驱动电路用于根据所述比较信号和一时钟信号生成一驱动信号，控制主开关管和所述同步开关管的导通和关断，调节电路用于在系统没有变化时根据输入电压和输出电压之间的电压差产生一个调节信号，提前调节电流检测信号和误差放大信号，以便在输入电压发生变化时误差放大器的输出信号可以快速恢复，提高电路的瞬态响应速度，减小输出电压的波动，提高电路的稳定性。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出根据本发明第一实施例的电子设备的结构示意图；
图2示出根据本发明第二实施例的DC-DC变换器的电路示意图；
图3示出图2中的模式切换电路的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
在本申请中，开关管是工作开关模式以提供电流路径的晶体管，包括选自双极晶体管或场效应晶体管的一种。开关管的第一端和第二端分别是电流路径上的高电位端和低电位端，控制端用于接收驱动信号以控制开关管的导通和关断。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1示出根据本发明第一实施例的电子设备的结构示意图。如图1所示，电子设备100包括电源101、DC-DC变换器102、以及负载103。该电子设备100可以是笔记本电脑、移动电话、个人数据助理等多种设备。电源101可以是锂离子电池等多种电源，用于向DC-DC变换器102提供一输入电压Vin。DC-DC变换器102将输入电压Vin转换为固定的输出电压Vout并提供给负载103。为了方便说明，在图1中仅示出一个DC-DC变换器和负载，但是可以理解的是，实际上电子设备100可以有多个DC-DC变换器和多个负载。
图2示出根据本发明第二实施例的DC-DC变换器的电路示意图。如图2所示，DC-DC变换器102包括集成在同一集成电路芯片中的功率级电路和控制电路200。控制电路200包括误差放大器201、比较器202、驱动电路203、电流采样电路204以及调节电路205。功率级电路包括电感L1、主开关管Mn、同步开关管Mp、和输出电容Cout等分立元件。
DC-DC变换器102用于为负载103提供直流输出电压Vout。参照图2，功率级电路的电感L1和主开关管Mn串联连接在直流输入电压Vin和地之间，同步开关管Mp的第一端连接至电感L1和主开关管Mn之间的节点，第二端连接至直流输出电压Vout端，输出电容Cout连接在同步开关管Mp的第二端和地之间。控制电路200用于控制主开关管Mn和同步开关管Mp的导通和关断。主开关管Mn例如采用N型MOSFET，同步开关管Mp例如采用P型MOSFET，在每个开关周期中，主开关管Mn和同步开关管Mp交替导通和关断，使得电感L1交替储存电能和供给电能。DC-DC变换器102开始工作时，主开关管Mn导通，同步开关管Mp关断，电感L1开始储存电能，然后主开关M1关断，同步开关管Mp导通，电感L1开始向输出电容Cout供给电能，使得直流输出电压Vout逐渐升高。
在本发明其他实施例中，主开关管Mn和同步开关管Mp也可以是其他种类的晶体管，例如NPN达林顿管、NPN型双极性晶体管、PNP型双极性晶体管等。
误差放大器201用于将输出电压Vout与一基准电压REF进行比较，并获得二者之间的误差放大信号Vc。在一种实施例中，误差放大器201的反相输入端用于接收一表征输出电压Vout的反馈信号。反馈信号的电压的大小可以等于输出电压Vout，也可以小于输出电压Vout。例如可以通过串联的电阻R1和电阻R2构成的分压网络作为反馈电阻网络来得到所述反馈信号。误差放大器的正相输入端用于接收一基准电压REF。该基准电压REF可以有多种来源，例如通过带隙基准电路实现。
电流采样电路204通过检测流过主开关管Mn的电流得到电流检测信号Vs。
比较器202用于将误差放大信号Vc与该电流检测信号Vs进行比较，以获得一比较信号。
驱动电路203根据所述比较信号和一时钟信号产生用于控制主开关管Mn和同步开关管Mp的驱动信号TG。驱动信号TG例如为具有一定占空比的脉宽调制信号，通过调节驱动信号TG的占空比，可以将输出电压Vout维持在恒定值。
由于DC-DC变换器102中反馈回路的存在，因此误差放大器201在进入或退出时会存在一定的响应时间，因此当输入电压Vin发生变化时，误差放大信号Vc的波动较大，电路的瞬态响应较差。
举例说明，当输入电压Vin增大时，为了稳定输出电压Vout，需要将电流检测信号Vs和误差放大信号Vc稳定在一个较低的电压值。而由于误差放大器201的输出变化需要时间，因此在误差放大器201对输出变化响应的这段时间内，输出电容Cout的平均电流大于负载电流，因此输出电压Vout也会增大，输出电压Vout的增加量为：
ΔV＝ΔI×Δt/Cout
其中，ΔI表示输出电容Cout的平均电流与负载电流之间的电流差，Δt表示误差放大器201的响应时间，Cout表示输出电容的参数。
同样的，当输入电压Vin减小时，为了稳定输出电压Vout，需要将电流检测信号Vs和误差放大信号Vc稳定在一个较高的电压值。而由于误差放大器201的输出变化需要时间，因此在误差放大器201对输出变化响应的这段时间内，输出电容Cout的平均电流小于负载电流，因此输出电压Vout也会减小，输出电压Vout的减小量也为：
ΔV＝ΔI×Δt/Cout
其中，ΔI表示输出电容Cout的平均电流与负载电流之间的电流差，Δt表示误差放大器201的响应时间，Cout表示输出电容的参数。
本实施例的调节电路205用于在系统没有变化时根据输入电压Vin和输出电压Vout之间的电压差产生一个调节信号Ia，提前调节电流检测信号Vs和误差放大信号Vc，以便在输入电压Vin发生变化时误差放大器的输出信号可以快速恢复，减小输出电压的波动，提高电路的稳定性。
图3示出图2中调节电路205的电路示意图。作为一个非限制性的例子，调节电路205包括晶体管M1-M8以及电流源211，晶体管M1至M4分别选自P型的MOSFET，晶体管M5至M8分别选自N型的MOSFET。晶体管M1和晶体管M7依次串联连接在输入电压Vin和地之间的第一支路。晶体管M2和晶体管M5依次串联连接在输入电压Vin和电流源211的第一端之间的第二支路，电流源211的第二端接地。晶体管M3和晶体管M6依次串联连接在输入电压Vin和电流源211的第一端之间的第三支路。晶体管M4和晶体管M8依次串联连接在输入电压Vin和地之间的第四支路。晶体管M1和晶体管M2的控制端彼此连接，且都连接至晶体管M2的第二端，彼此之间构成镜像晶体管。晶体管M3和晶体管M4的控制端彼此连接，且都连接至晶体管M4的第二端，彼此之间构成镜像晶体管。晶体管M7和晶体管M8的控制端彼此连接，且都连接至晶体管M8的第一端，彼此之间构成镜像晶体管。晶体管M5的控制端用于接收所述输入电压Vin，晶体管M6的控制端用于接收所述输出电压Vout，晶体管M1和晶体管M7的中间节点用于提供所述调节信号Ia。
在本实施例中，调节电路205用于将输入电压Vin和输出电压Vout之间的差值转换成电流信号，并根据该电流信号调节电流采样电路204输出的电流检测信号Vs。
下面详细说明本发明实施例的控制电路的工作原理。
在图3中，I11表示流经晶体管M5支路的电流，电流I21表示流经晶体管M6支路的电流，I12表示电流I11的镜像电流，I22表示电流I12的镜像电流。
当输入电压Vin小于输出电压Vout时，流经晶体管M5的电流I11小于流经晶体管M6的电流I21，因此镜像电流I12小于镜像电流I22，调节电路205产生一个电流漏，通过调节信号Ia提前减小电流检测信号Vs的电压值。这样当输入电压Vin增大时，误差放大信号Vc需要减小的电压量也相继减小，因此误差放大信号Vc可以很快地稳定到一个较低的电压值上，减小响应时间Δt。
当输入电压Vin大于输出电压Vout时，流经晶体管M5的电流I11大于流经晶体管M6的电流I21，因此镜像电流I12大于镜像电流I22，调节电路205产生一个电流源，通过调节信号Ia提前增大电流检测信号Vs的电压值。这样当输入电压Vin减小时，误差放大信号Vc需要增大的电压量也相继减小，因此误差放大信号Vc可以很快地稳定到一个较高的电压值上，减小响应时间Δt，提高了电路的瞬态响应的速度。
综上所述，本发明实施例的DC-DC变换器及其控制电路中，控制电路包括电流采样电路、误差放大器、比较器、驱动电路以及调节电路，电流采样电路用于检测流经主开关管的电流以获得电流检测信号，误差放大器用于根据DC-DC变换器的输出电压与一基准电压得到一误差放大信号，比较器用于将电流检测信号和误差放大信号进行比较，以获得一比较信号，驱动电路用于根据所述比较信号和一时钟信号生成一驱动信号，控制主开关管和所述同步开关管的导通和关断，调节电路用于在系统没有变化时根据输入电压和输出电压之间的电压差产生一个调节信号，提前调节电流检测信号和误差放大信号，以便在输入电压发生变化时误差放大器的输出信号可以快速恢复，提高电路的瞬态响应速度，减小输出电压的波动，提高电路的稳定性。
依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种DC-DC变换器的控制电路，所述DC-DC变换器包括彼此连接的主开关管、同步开关管、电感以及输出电容，其中，所述控制电路包括：
电流采样电路，用于检测流经所述主开关管的电流以获得电流检测信号；
误差放大器，用于根据所述DC-DC变换器的输出电压与一基准电压得到一误差放大信号；
比较器，用于将所述电流检测信号和所述误差放大信号进行比较，以获得一比较信号；
驱动电路，用于根据所述比较信号和一时钟信号生成一驱动信号，所述驱动信号用于控制所述主开关管和所述同步开关管的导通和关断；以及
调节电路，用于根据输入电压和所述输出电压之间的电压差生成一调节信号，以调节所述电流检测信号。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述调节电路用于将所述输入电压和所述输出电压之间的电压差转换成电流信号，并根据该电流信号调节所述电流检测信号。
3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述调节电路包括第一至第八晶体管以及电流源，
第一晶体管和第七晶体管依次串联连接于所述输入电压和地之间的第一支路，
第二晶体管和第五晶体管依次串联连接于所述输入电压和所述电流源的第一端之间的第二支路，
第三晶体管和第六晶体管依次串联连接于所述输入电压和所述电流源的第二端之间的第三支路，
第四晶体管和第八晶体管依次串联连接于所述输入电压和地之间的第四支路，
所述电流源的第二端接地，
其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管之间构成电流镜，所述第三晶体管和所述第四晶体管之间构成电流镜，所述第七晶体管和所述第八晶体管之间构成电流镜，
所述第五晶体管的控制端用于接收所述输入电压，所述第六晶体管的控制端用于接收所述输出电压，
所述第一晶体管和所述第七晶体管的中间节点用于输出所述调节信号。
4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，当所述输入电压小于所述输出电压时，所述调节电路产生一个电流漏，以减小所述电流检测信号，
当所述输入电压大于所述输出电压时，所述调节电路产生一个电流源，以增大所述电流检测信号。
5.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述误差放大器用于对所述基准电压和所述输出电压的反馈信号进行误差放大，以得到所述误差放大信号。
6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述驱动电路根据所述比较信号和所述时钟信号产生脉冲宽度调制信号。
7.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管分别选自P型的金属氧化物半导体场效应晶体管，
所述第五晶体管、所述第六晶体管、所述第七晶体管和所述第八晶体管分别选自N型的金属氧化物半导体场效应晶体管。
8.一种DC-DC变换器，其特征在于，包括：
彼此连接的主开关管、同步开关管、电感以及输出电容；以及
权利要求1-7任一项所述的控制电路。
9.根据权利要求8所述的DC-DC变换器，其特征在于，在每个开关周期，所述主开关管和所述同步开关管交替导通和关断。
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Application publication date: 20210430

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