CN113014251B - 一种用于dc-dc开关电源的频率可调振荡器控制电路 - Google Patents

一种用于dc-dc开关电源的频率可调振荡器控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于DC‑DC开关电源的频率可调振荡器控制电路，包括电压‑电流比较器模块、精确电流产生模块、数字控制模块和主电流产生模块；所述数字控制模块用于转换控制信号，控制精确电流产生模块；所述精确电流产生模块用于产生不同大小的电流，为电压‑电流比较器模块提供电流源；所述电压‑电流比较器模块用于控制电压经过比较后转换为上拉或下拉电流，调节输出电流的大小；所述主电流产生模块用于产生中心频率的电流，通过拉入和拉出精确电流调节产生所需充放电电流。能够提高开关电源芯片工作频率的调节范围，通过简单的改变控制信号控制振荡器产生9种不同的频率信号，适用范围广、使用简单、电路面积小。

Description

一种用于DC-DC开关电源的频率可调振荡器控制电路
技术领域
本发明属于DC-DC变换器领域，具体属于一种用于DC-DC开关电源的频率可调振荡器控制电路。
背景技术
在DC-DC开关电源的脉宽调制线路中，振荡器电路是最为关键的组成部分，其根据电源应用需求给整个开关电源提供开关频率，控制功率管的开关从而实现需要的能量传输，不同开关频率会影响电源的效率、环路稳定、噪声等重要参数。振荡器控制电路作为振荡器电路中的一个重要部分，可以控制振荡器根据要求产生稳定的频率信号，从而确保电路的工作，而其中最重要的就是对于频率大小的控制。随着开关电源技术集成度的不断提高，人们希望在开关电源的有着更丰富的频率需求，希望其可在不同工作环境下应用不同的开关频率，这就需要振荡器控制电路可以调节振荡器产生多种不同的稳定频率，供客户根据情况随时调节。
由于目前开关电源芯片的高集成度趋势，将DC-DC开关电源整个集成于芯片中，振荡器控制电路也应该满足芯片高集成度的需求，在保证可以输出多种稳定频率的条件下尽量缩小面积。
传统的DC-DC开关电源中振荡器频率调节电路通过改变调频电阻的大小改变电路的导通电流，即可完成对开关频率的调节。调频电阻为外接电阻，在修改频率时要在外部手动更换电阻，调节精度低，电阻面积大，调节困难，不满足电源芯片高集成度的要求。
另外一种集成于开关电源芯片内的振荡器频率调节电路与传统振荡器频率调节电路相比，使用了一个V-I比较器，通过比较控制电压与参考电压的大小控制输出电流比中心电流值增加或减小，传输三种不同的电流信号给振荡器，从而得到三种不同的频率，但最终控制振荡器产生的开关频率只有三种，不能满足更多的频率需求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于DC-DC开关电源的频率可调振荡器控制电路，能够提高开关电源芯片工作频率的调节范围，通过简单的改变控制信号控制振荡器产生9种不同的频率信号，适用范围广、使用简单、电路面积小。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于DC-DC开关电源的频率可调振荡器控制电路，包括电压-电流比较器模块、精确电流产生模块、数字控制模块和主电流产生模块；
所述数字控制模块用于转换控制信号，控制精确电流产生模块；
所述精确电流产生模块用于产生不同大小的电流，为电压-电流比较器模块提供电流源；
所述电压-电流比较器模块用于控制电压经过比较后转换为上拉或下拉电流，调节输出电流的大小；
所述主电流产生模块用于产生中心频率的电流，通过拉入和拉出精确电流调节产生所需充放电电流。
优选的，所述电压-电流比较器包括第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2；
所述第一PMOS管P1的栅极连接控制电压信号ctrl1，第一PMOS管P1的漏极连接第一NMOS管N1的漏极，所述第二PMOS管P2的栅极连接参考电压Vref，第二PMOS管P2的漏极连接第二NMOS管N2的漏极产生模块源；所述第一PMOS管P1和第二PMOS管P2的源极连接精确电流产生模块；
所述第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的源极均接地，第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的栅极相接，并连接在第一NMOS管N1的漏极。
优选的，所述精确电流产生模块包括电流镜模块和控制模块；
所述电流镜模块包括电流源Is1、第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第五PMOS管P5、第六PMOS管P6和第七PMOS管P7；
所述控制模块包括第五NMOS管N5、第六NMOS管N6、第七NMOS管N7、第八NMOS管N8，
所述电流源Is1连接第三NMOS管N3的漏极，第三NMOS管N3的漏极连接第三NMOS管N3的栅极，第三NMOS管N3的栅极连接第四NMOS管N4的栅极；
所述第三NMOS管N3和第四NMOS管N4的源极均接地；
所述第四NMOS管N4的漏极连接第三PMOS管P3的漏极，第三PMOS管P3的漏极连接第三PMOS管P3的栅极、第四PMOS管P4的栅极、第五PMOS管P5的栅极、第六PMOS管P6的栅极和第七PMOS管P7的栅极；
所述第三PMOS管P3的源极、第四PMOS管P4的源极、第五PMOS管P5的源极、第六PMOS管P6的源极和第七PMOS管P7的源极均连接直流电源Vcc；
所述第四PMOS管P4的漏极连接第五NMOS管N5的漏极，第五PMOS管P5的漏极连接第六NMOS管N6的漏极，第六PMOS管P6的漏极连接第七NMOS管N7的漏极，第七PMOS管P7的漏极连接第八NMOS管N8的漏极；
所述第五NMOS管N5的源极、第六NMOS管N6的源极、第七NMOS管N7的源极和第八NMOS管N8的源极均连接电压-电流比较器模块的输入端；
所述第五NMOS管N5的栅极、第六NMOS管N6的栅极、第七NMOS管N7的栅极和第八NMOS管N8的栅极均连接数字控制模块。
进一步的，所述控制模块中四路不同比例的电流镜相电路与主镜像管宽长比的比值分别为1:1、1:2、2:1、4:1。
优选的，所述数字控制模块包括三线-八线译码器，所述三线-八线译码器的输入分别为控制信号ctrl2、ctrl3、ctrl2+ctrl3；三线-八线译码器的输出y0、y3、y5、y7分别连接第八NMOS管N8的栅极、第七NMOS管N7的栅极、第六NMOS管N6的栅极和第五NMOS管N5的栅极。
优选的，所述主电流产生模块包括电流源Is2和第九NMOS管P9；
所述电流源Is2连接第九NMOS管P9的栅极，第九NMOS管P9的栅极连接第九NMOS管P9的漏极，第九NMOS管P9的漏极连接第二NMOS管N2的漏极；所述第九NMOS管P9的源极接地。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种用于DC-DC开关电源的频率可调振荡器控制电路，通过数字控制模块转换开关信号，分别传给精确电流产生模块，控制电路产生需要频率，精确电流产生模块通过电流镜不同比例产生不同大小电流，调节输出时钟频率，电压-电流比较器模块控制电流拉入或拉出，调节输出频率，主电流产生模块产生中心频率的电流，通过拉入和拉出精确电流调节产生最终振荡器所需充放电电流。本发明的控制电路在不同控制信号下可以输出不同工作频率信号。与传统通过电阻改变频率的振荡器控制电路相比减小了操作的复杂程度，并相比外置电阻减小了变换器面积；与其他频率可调振荡器控制电路相比能提供更多不同的工作频率。
附图说明
图1是本发明实施例中的振荡器控制电路图；
图2是本发明实施例中振荡器控制电路的电压-电流比较器电路图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例
如图1所示，本发明提出了一种用于DC-DC开关电源的频率可调振荡器控制电路，包括电压-电流比较器模块、精确电流产生模块、数字控制模块和主电流产生模块。
电压-电流比较器包括第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2。
第一PMOS管P1的栅极连接控制电压信号ctrl1，第一PMOS管P1的漏极连接第一NMOS管N1的漏极，所述第二PMOS管P2的栅极连接参考电压Vref，第二PMOS管P2的漏极连接第二NMOS管N2的漏极产生模块源；所述第一PMOS管P1和第二PMOS管P2的源极连接精确电流产生模块；第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的源极均接地，第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的栅极相接，并连接在第一NMOS管N1的漏极。
精确电流产生模块包括电流镜模块和控制模块；电流镜模块包括电流源Is1、第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第五PMOS管P5、第六PMOS管P6和第七PMOS管P7；控制模块包括第五NMOS管N5、第六NMOS管N6、第七NMOS管N7、第八NMOS管N8。
电流源Is1连接第三NMOS管N3的漏极，第三NMOS管N3的漏极连接第三NMOS管N3的栅极，第三NMOS管N3的栅极连接第四NMOS管N4的栅极产生镜像。第三NMOS管N3和第四NMOS管N4的源极均接地。
第四NMOS管N4的漏极连接第三PMOS管P3的漏极，第三PMOS管P3的漏极连接第三PMOS管P3的栅极、第四PMOS管P4的栅极、第五PMOS管P5的栅极、第六PMOS管P6的栅极和第七PMOS管P7的栅极。
第三PMOS管P3的源极、第四PMOS管P4的源极、第五PMOS管P5的源极、第六PMOS管P6的源极和第七PMOS管P7的源极均连接直流电源Vcc。
第四PMOS管P4的漏极连接第五NMOS管N5的漏极，第五PMOS管P5的漏极连接第六NMOS管N6的漏极，第六PMOS管P6的漏极连接第七NMOS管N7的漏极，第七PMOS管P7的漏极连接第八NMOS管N8的漏极。
第五NMOS管N5的源极、第六NMOS管N6的源极、第七NMOS管N7的源极和第八NMOS管N8的源极均连接电压-电流比较器模块的输入端，给电压-电流比较器模块提供电流。第五NMOS管N5的栅极、第六NMOS管N6的栅极、第七NMOS管N7的栅极和第八NMOS管N8的栅极均连接数字控制模块。
数字控制模块包括三线-八线译码器，所述三线-八线译码器的输入分别为控制信号ctrl2、ctrl3、ctrl2+ctrl3；三线-八线译码器的输出y0、y3、y5、y7分别连接第八NMOS管N8的栅极、第七NMOS管N7的栅极、第六NMOS管N6的栅极和第五NMOS管N5的栅极。
主电流产生模块包括电流源Is2和第九NMOS管P9；电流源Is2连接第九NMOS管P9的栅极，第九NMOS管P9的栅极连接第九NMOS管P9的漏极，第九NMOS管P9的漏极连接第二NMOS管N2的漏极；所述第九NMOS管P9的源极接地。
电流源Is2也是由电流源Is1镜像得到的：Is1＝1.75·I0，Is2＝5·I0，第九NMOS管P9的栅极和漏极相连并接入第二NMOS管N2的漏极，并输出给振荡器产生振荡信号。振荡器控制线路通过给振荡器输出不同大小的电流对电容充电得到不同频率的振荡信号，在控制信号ctrl1与参考电压Vref相等时，输出电流为主电流即5·I0，此时振荡器产生的频率为中心频率。
如图2所示。本发明中的电压-电流比较器模块控制振荡器频率大小的电压信号Vcrtl会直接控制运放上的电流方向拉入或拉出，改变输出电流Ictrl的大小，Ictrl接出传递给振荡器中的充放电电容，就可调节振荡器翻转速度，达到调节输出频率的目的。
本发明中的精确电流产生模块，包括四路不同比例的镜像电流电路。此电路直接控制电流Ic的大小，即直接控制最终开关频率的大小，实现方式是通过电流镜不同比例产生不同大小电流，再通过下方控制管控制四路其中一路的开通，从而调节拉入或拉出电流的大小，达到调节输出时钟频率的目的。在用于具体电路时可根据频率需要调节镜像电流支路的比例。
本发明中的数字控制模块，简单由一个3线-8线译码器构成。其外接两个控制信号ctrl1、ctrl2，通过3线-8线译码器即可将两个信号转为4种不同的开关信号，分别传给精确电流产生部分的控制管，控制电路产生需要频率。
本发明中的主电流产生模块，由一个电流源组成。此电路保证了振荡器控制电路的中心电流，即产生中心频率的电流，通过拉入和拉出精确电流调节产生最终所需充放电电流。
在此振荡器控制电路中从外部接入三个控制信号：ctrl1、ctrl2、ctrl3，当这三个控制信号接入不同的组合时，振荡器控制电路产生不同的电流，从而控制振荡器产生不同的频率。
ctrl1信号输入比较器中与参考电压Vref比较，当ctrl1＝Vref时，第一PMOS管P1、第一NMOS管N1支路1与第二PMOS管P2、第二NMOS管N2支路2上流过的电流相等，并且流过第二PMOS管P2上的电流I1全部流进第二NMOS管N2流进地中，此时比较器输出的电流为零，只有主电流产生电路输出一个Is2(五倍I0)给振荡器，产生中心频率f0。
Figure BDA0002967935840000071
/>
当ctrl1大于Vref时，1支路上的电流小于2支路上的电流，即I1的一部分流入第二NMOS管N2形成I2，另一部分输出给下一级电路，此时比较器输出电流为I1减去I2，经过主电流产生电路后输入给振荡器的电流为主电流5·I0加上比较器输出的电流。当ctrl1达到电源电压VCC时，1支路关断没有电流，则I2接近于0，此时控制电路输出给振荡器的电流为：
IC＝5·I0+I1； (2)
此时振荡器产生的频率变化为：
Figure BDA0002967935840000072
当ctrl1小于Vref时，1支路上的电流大于2支路上的电流，则I2大于I1，不但需要第二PMOS管P2上的电流I1全部流入第二NMOS管N2，还需从输出端抽走一部分电流以满足第二NMOS管N2的电流达到I2，则支路2输出的电流值为I2减去I1。当ctrl1小至0时，2支路关断没有电流，则I1接近于0，此时控制电路输出给振荡器的电流为：
IC＝5·I0-I2； (4)
此时振荡器产生的频率变化为：
Figure BDA0002967935840000081
I1、I2都是由精确电流产生电路产生的由I0镜像来的电流，调节管子宽长比比例可以使支路1的电流等于支路2的电流。从上述分析可以看出，通过ctrl1控制信号可以控制主电流增或减电流，而具体I1、I2的电流值是通过精确电流产生电路产生的，这样，就可以输出多种不同的电流，控制振荡器产生多种频率信号。
精确电流产生模块中的控制模块由四路不同比例的电流镜相电路组成，四路不同比例的电流镜相电路与主镜像管宽长比的比值分别是：1:1；1:2；2:1；4:1。由此得到的比较器电流源Is的值分别为电流源Is1的倍数：1.75·I0；3.5·I0；0.875·I0；0.438·I0。配合ctrl1的控制，这四条支路依次开启可以输出给振荡器的电流Ic分别为：
IC51＝5·I0+1.75·I0＝6.75·I0； (6)
IC52＝5·I0-1.75·I0＝3.25·I0； (7)
IC61＝5·I0+3.5·I0＝8.5·I0； (8)
IC62＝5·I0-3.5·I0＝1.5·I0； (9)
IC71＝5·I0+0.875·I0＝5.875·I0； (10)
IC72＝5·I0-0.875·I0＝4.125·I0； (11)
IC81＝5·I0+0.438·I0＝5.438·I0； (12)
IC82＝5·I0-0.438·I0＝4.562·I0； (13)
根据频率的计算公式1；可以得到不同电流下振荡器产生信号的频率值与中心频率值的关系：
Figure BDA0002967935840000091
由此可以得到四条支路控制振荡器产生信号的频率分别为：
f51＝1.35·f0； (15)
f51＝0.65·f0； (16)
f61＝1.7·f0； (17)
f62＝1.2·f0； (18)
f71＝1.18·f0； (19)
f72＝0.8·f0； (20)
f81＝1.1·f0； (21)
f82＝0.9·f0； (22)
在每一条电流产生支路的下方都接一NMOS管，用来控制这四条之路的开启和关断。而这些控制管的栅极由数字控制电路来进行控制。数字控制电路由一个三线-八线译码器组成，这个三线-八线译码器的输入A1、A2、A3分别是外接控制信号ctrl2、ctrl3及ctrl2与ctrl3的和。
通过输入不同的ctrl2、ctrl3信号的组合，三线-八线译码器可以得到4组输出信号值，这四组信号值传递给电流产生支路控制管的栅极，就可得到不同的输出电流，完成几种不同频率信号的切换。下方表1列出了不同组合的ctrl2、ctrl3对应三线-八线译码器的不同输出。
表1三线-八线译码器真值表
Figure BDA0002967935840000092
Figure BDA0002967935840000101
将三线-八线译码器上的输出Y0、Y3、Y5、Y7分别接在第八NMOS管N8的栅极、第七NMOS管N7的栅极、第六NMOS管N6的栅极和第五NMOS管N5的栅极，控制不同支路开通，最终控制振荡器产生不同频率信号。
最终，不同ctrl1、ctrl2、ctrl3信号对应的不同振荡器频率对应如下表所示。
表2控制信号与频率对照表
ctrl1 ctrl2 ctrl3 frequency
1 0 0 1.1·f0
0 0 0 0.9·f0
1 0 1 1.18·f0
0 0 1 0.8·f0
1 1 0 1.7·f0
0 1 0 1.2·f0
1 1 1 1.35·f0
0 1 1 0.65·f0
Vref - - f0
本发明提出的振荡器控制线路可通过简单的改变控制信号控制振荡器产生9种不同的频率信号，并可通过调节精确电流产生电路中管子尺寸比例得到所需频率，适用范围广、使用简单、电路面积小，解决了提出的技术问题，达到了很好的发明效果。

Claims (3)

1.一种用于DC-DC开关电源的频率可调振荡器控制电路，其特征在于，包括电压-电流比较器模块、精确电流产生模块、数字控制模块和主电流产生模块；
所述数字控制模块用于转换控制信号，控制精确电流产生模块；
所述精确电流产生模块用于产生不同大小的电流，为电压-电流比较器模块提供电流源；
所述电压-电流比较器模块用于控制电压经过比较后转换为上拉或下拉电流，调节输出电流的大小；
所述主电流产生模块用于产生中心频率的电流，通过拉入和拉出精确电流调节产生所需充放电电流；
所述电压-电流比较器包括第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2；
所述第一PMOS管P1的栅极连接控制电压信号ctrl1，第一PMOS管P1的漏极连接第一NMOS管N1的漏极，所述第二PMOS管P2的栅极连接参考电压Vref，第二PMOS管P2的漏极连接第二NMOS管N2的漏极产生模块源；所述第一PMOS管P1和第二PMOS管P2的源极连接精确电流产生模块；
所述第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的源极均接地，第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的栅极相接，并连接在第一NMOS管N1的漏极；
所述精确电流产生模块包括电流镜模块和控制模块；
所述电流镜模块包括电流源Is1、第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第五PMOS管P5、第六PMOS管P6和第七PMOS管P7；
所述控制模块包括第五NMOS管N5、第六NMOS管N6、第七NMOS管N7、第八NMOS管N8，
所述电流源Is1连接第三NMOS管N3的漏极，第三NMOS管N3的漏极连接第三NMOS管N3的栅极，第三NMOS管N3的栅极连接第四NMOS管N4的栅极；
所述第三NMOS管N3和第四NMOS管N4的源极均接地；
所述第四NMOS管N4的漏极连接第三PMOS管P3的漏极，第三PMOS管P3的漏极连接第三PMOS管P3的栅极、第四PMOS管P4的栅极、第五PMOS管P5的栅极、第六PMOS管P6的栅极和第七PMOS管P7的栅极；
所述第三PMOS管P3的源极、第四PMOS管P4的源极、第五PMOS管P5的源极、第六PMOS管P6的源极和第七PMOS管P7的源极均连接直流电源Vcc；
所述第四PMOS管P4的漏极连接第五NMOS管N5的漏极，第五PMOS管P5的漏极连接第六NMOS管N6的漏极，第六PMOS管P6的漏极连接第七NMOS管N7的漏极，第七PMOS管P7的漏极连接第八NMOS管N8的漏极；
所述第五NMOS管N5的源极、第六NMOS管N6的源极、第七NMOS管N7的源极和第八NMOS管N8的源极均连接电压-电流比较器模块的输入端；
所述第五NMOS管N5的栅极、第六NMOS管N6的栅极、第七NMOS管N7的栅极和第八NMOS管N8的栅极均连接数字控制模块；
所述主电流产生模块包括电流源Is2和第九NMOS管P9；
所述电流源Is2连接第九NMOS管P9的栅极，第九NMOS管P9的栅极连接第九NMOS管P9的漏极，第九NMOS管P9的漏极连接第二NMOS管N2的漏极；所述第九NMOS管P9的源极接地。
2.根据权利要求1所述的一种用于DC-DC开关电源的频率可调振荡器控制电路，其特征在于，所述控制模块中四路不同比例的电流镜相电路与主镜像管宽长比的比值分别为1:1、1:2、2:1、4:1。
3.根据权利要求1所述的一种用于DC-DC开关电源的频率可调振荡器控制电路，其特征在于，所述数字控制模块包括三线-八线译码器，所述三线-八线译码器的输入分别为控制信号ctrl2、ctrl3、ctrl2+ctrl3；三线-八线译码器的输出y0、y3、y5、y7分别连接第八NMOS管N8的栅极、第七NMOS管N7的栅极、第六NMOS管N6的栅极和第五NMOS管N5的栅极。
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