CN113241949B - 一种可pwm调压的buck-boost电源系统 - Google Patents

一种可pwm调压的buck-boost电源系统 Download PDF

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    • H02M3/1582—Buck-boost converters

Abstract

本发明提供一种可PWM调压的BUCK‑BOOST电源系统，通过PWM电平转换模块及控制信号生成模块的第一部分对PWM信号进行电平转换，通过控制信号生成模块的第二部分在电源芯片无法正常工作时进行强制开机，解决PWM信号的参考电位与电源芯片的参考电位不同的问题，通过输出电压调节模块获得用以调整系统输出端的端口的端口信号，端口的平均电压与PWM信号的占空比有关，与第一接地PGND电压及第二接地SGND电压均无关，解决两个参考地时的设计难度大、复杂性高的问题，解决小占空比时，BUCK‑BOOST电源系统的片与片之间一致性不好的问题，增加竞争力。

Description

一种可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统
技术领域
本发明涉及DC-DC开关电源领域，特别涉及一种可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统。
背景技术
BUCK-BOOST结构是一种常见的电源拓扑结构，其主要的特性是输出电压与输入电压极性相反，即输入电压为正电压时，输出电压则为负电压（即低于0V）。BUCK-BOOST结构的参考地接于输出为负电压的输出电压端（也就是小于0V一端），而非接于系统的地上。
如果需要PWM调压或调光，而PWM信号的参考地是系统的地，这就造成二者的地并非同一个，而输出电压端与系统的地之间的电压差较大，这就造成PWM调压电路在设计时较为麻烦，如果设计不当，有可能存在小占空比时的电压或电流的一致性不好的问题，从而增加了使用者的设计难度，也增加了设计出错的可能性，使得其在竞争中处于不利的地位。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统，可以降低设计复杂程度和设计难度，使得其很方便的集成在拓扑电源芯片中，提高了设计效率，还在小占空比时，系统输出电压或电流具有良好的一致性，从而提高竞争力。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种拓扑电源系统，所述可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统具有系统输出端V0和系统输入端Vin，所述可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统的参考地为第一接地PGND，所述可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统的电源芯片的参考地为第二接地SGND，所述电源芯片包括PWM调压电路，所述PWM调压电路包括PWM电平转换模块、控制信号生成模块和输出电压调节模块，
所述PWM电平转换模块用于接收PWM信号并对所述PWM信号进行电平转化，以获得其输出端V1的输出信号；
所述控制信号生成模块包括第一部分、第二部分和第三部分，所述第一部分用于接收所述输出端V1的输出信号，并对所述输出端V1的输出信号进行电平转化及限幅处理，以获得其输出端V2的输出信号；所述第二部分用于在所述电源芯片无法正常工作时进行强制开机，并获得其输出端V4的输出信号；所述第三部分用于根据所述输出端V2的输出信号以及所述输出端V4的输出信号获得其输出端V5的输出信号；
所述输出电压调节模块根据所述输出端V5的输出信号获得端口V6的端口信号，所述端口V6的端口信号用以调整所述系统输出端V0的输出电流或输出电压；以及
其中，所述端口V6的平均电压与所述PWM信号的占空比有关，与所述第一接地PGND电压以及所述第二接地SGND电压均无关。
可选的，所述PWM电平转换模块用于对所述PWM信号的电压进行增幅处理，所述PWM电平转换模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、三极管Q1、NMOS管M1和第一稳压管DZ1，所述第一电阻R1的一端接收所述PWM信号，所述第一电阻R1的另一端连接所述三极管Q1的基极，所述三极管Q1的集电极、第一稳压管DZ1的N极、第三电阻R3的一端和第二电阻R2的一端均连接所述NMOS管M1的栅极；所述三极管Q1的发射极、所述第一稳压管DZ1的P极、所述第三电阻R3的另一端以及所述NMOS管M1的源极均连接所述第一接地PGND，所述第四电阻R4的一端以及所述NMOS管M1的漏极均连接所述输出端V1，所述第二电阻R2的另一端和所述第四电阻R4的另一端均连接所述系统输入端Vin；
当所述PWM信号为高电平时，所述三极管Q1导通，所述NMOS管M1不导通，所述输出端V1的输出电压为高电平；
当所述PWM信号为低电平时，所述三极管Q1关断，所述NMOS管M1导通，所述输出端V1的输出电压为低电平；以及
其中，所述第一电阻R1用于对所述三极管Q1的基极进行限流，所述三极管Q1用于电路的打开或关闭，所述第一稳压管DZ1用于钳位所述NMOS管M1的Vgs电压，所述第二电阻R2和第三电阻R3的作用为所述NMOS管M1提供工作点，用以使得所述控制信号生成模块能够正常输出。
进一步的，所述第一部分包括第一二极管D1、第二二极管D2、第五电阻R5、第二稳压管DZ2和第一电压比较器COMP1，所述第一二极管D1的正极接收经增幅后的所述PWM电平转换模块的输出端V1的输出信号，所述第一二极管D1的负极连接所述第二二极管D2的正极，所述第二二极管D2的负极连接所述第五电阻R5的一端，所述第二二极管D2的负极还连接所述第一电压比较器COMP1的同相输入端，所述第一电压比较器COMP1的反相输入端连接所述第一接地PGND，所述第一电压比较器COMP1的输出端V2连接所述第二稳压管DZ2的N极，所述第一电压比较器COMP1的电源端连接系统输入端Vin，所述第一电压比较器COMP1的接地端、所述第五电阻R5的另一端以及所述第二稳压管DZ2的P极均连接所述第二接地SGND，当所述输出端V1的输出电压为高电平时，经所述第一二极管D1和第二二极管D2降压后的电压依然高于所述第一电压比较器COMP1的反相输入端的输入电压，此时，所述第一电压比较器COMP1的输出端V2的输出电压为高电平；以及
当所述输出端V1的输出电压为低电平时，经所述第一二极管D1和第二二极管D2降压后的电压低于所述第一电压比较器COMP1的反相输入端的输入电压，此时，所述第一电压比较器COMP1的输出端V2的输出电压为低电平。
可选的，所述第二部分包括第一电流源IS1、第一电容C1和第二电压比较器COMP2，所述第一电流源IS1的一端连接第一电容C1的一端，所述第一电流源IS1的一端还连接第二电压比较器COMP2的反相输入端V3，所述第二电压比较器COMP2的同相输入端接收基准电压源VREF提供的基准电压VREF，所述第一电流源IS1的另一端以及所述第二电压比较器COMP2的电源端均连接供电电压源VDD，所述第二电压比较器COMP2的输出端V4与第三部分连接，第一电容C1的另一端连接第二接地端引脚SGND1；当所述可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统开始启动时，所述第一电容C1的电压为0，所述反相输入端V3的输入电压低于所述输入电压VREF，所述第二电压比较器COMP2的输出端V4的输出电压为高电平，此时，所述第一电流源IS1开始为第一电容C1充电；以及
在所述可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统启动之后，所述反相输入端V3的输入电压逐渐上升，且输入电压的取值在逐渐超过所述输入电压VREF时，所述第二电压比较器COMP2的输出端V4开始输出低电平。
进一步的，所述反相输入端V3的输入电压满足以下公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，i表示第一电流源IS1提供的恒定电流；t为第一电容C1的充电时间，c为电容C1的电容值。
可选的，所述第三部分包括或门OR1，所述或门OR1具有两个输入端，其中一个输入端接收第一电压比较器COMP1的输出端V2的输出信号，另一个输入端接收第二电压比较器COMP2的输出端V4的输出信号；当输出端V2和输出端V4中任一个为高电平时，所述或门OR1的输出端V5输出电压为高电平。
进一步的，所述输出电压调节模块包括反相器NOT1、NMOS管M2、NMOS管M3、第六电阻R6、第二电容C2、跨导放大器OTA1和频率补偿模块，所述反相器NOT1的输入端、NMOS管M2的栅极均连接所述或门OR1的输出端V5，所述反相器NOT1的输出端连接NMOS管M3的栅极，所述NMOS管M2的源极接收内部基准电压源VREF的输入信号，所述NMOS管M2的漏极和所述NMOS管M3的漏极均连接所述第六电阻R6的一端，所述第六电阻R6的另一端和所述第二电容C2的一端均连接所述跨导放大器OTA1的同相输入端V6，所述跨导放大器OTA1的反相输入端连接所述电源芯片的反馈引脚FB，所述第二电容C2的另一端、频率补偿模块的一端和所述NMOS管M3的源极均连接所述第一接地PGND，所述频率补偿模块的另一端连接所述跨导放大器OTA1的输出端V7，用以对所述输出端V7的输出信号进行频率补偿；
当所述输出端V5的输出电压为高电平时，所述NMOS管M2导通，所述NMOS管M3关断，此时，所述内部基准电压源VREF通过所述第六电阻R6向所述第二电容C2充电；以及
当所述输出端V5的输出电压为低电平时，所述NMOS管M2关断，所述NMOS管M3导通，此时，所述第二电容C2通过所述第六电阻R6放电。
进一步的，所述跨导放大器OTA1的同相输入端V6的平均输入电压V6满足以下公式：
V6=VREF*DUTY；
其中，DUTY为PWM信号的占空比，VREF为所述内部基准电压源VREF提供的基准电压。
可选的，所述电源芯片1包括多个引脚，其分别为PWM滤波电容引脚CFLT、第一接地端引脚PGND1、第二接地端引脚SGND1、PWM信号引脚PWM、芯片输入引脚Vin1、开关输出引脚SW和反馈引脚FB；
所述可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统还包括第一接地PGND、第二接地SGND、第二电容C2、第三电容C3、第一滤波电容C4、第二滤波电容COUT、输入电容CIN、第一分压电阻RT、第二分压电阻RB、功率电感L1、续流二极管D3，所述芯片输入引脚Vin1、第三电容C3的一端、输入电容CIN的正极均连接所述系统输入端Vin，所述PWM信号引脚PWM接收所述PWM信号，所述第一接地端引脚PGND1和输入电容CIN的负极均连接所述第一接地PGND，所述PWM滤波电容引脚CFLT连接第二电容C2的一端，所述第二电容C2的另一端、第三电容C3的另一端、第二接地端引脚SGND1和系统输出端V0均连接第二接地SGND，所述功率电感L1的一端和续流二极管D3的负极均连接所述开关输出引脚SW，所述第一分压电阻RT的一端和第二分压电阻RB的一端均连接所述反馈引脚FB，所述第二分压电阻RB的另一端、第二滤波电容COUT的正极、续流二极管D3的正极和第一滤波电容C4的一端均连接所述系统输出端V0；所述第一分压电阻RT的另一端、功率电感L1的另一端、第二滤波电容COUT的负极和第一滤波电容C4的另一端均连接所述第一接地PGND；以及
其中，所述第二电容C2是所述电源芯片的外置元器件。
进一步的，所述系统输出端V0的输出电压V0满足以下公式：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，rt为第一分压电阻RT的阻值，rb为第二分压电阻RB的阻值，DUTY为PWM信号的占空比，VREF为所述内部基准电压源VREF提供的基准电压。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统，通过PWM电平转换模块以及控制信号生成模块的第一部分对PWM信号进行电平转换，同时通过控制信号生成模块的第二部分用于在所述电源芯片无法正常工作时进行强制开机，可以解决PWM信号的参考电位与电源芯片的参考电位不同的问题，并通过输出电压调节模块获得用以调整所述系统输出端V0的输出电流或输出电压的端口V6的端口信号，其中，所述端口V6的平均电压与所述PWM信号的占空比有关，与所述第一接地PGND电压以及所述第二接地SGND电压均无关，从而使得电源系统即使存在两个参考地时的设计难度大、复杂性高的问题，还解决了在小占空比时，可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统的片与片之间一致性不好的问题，使得其在激烈的视场竞争中处于有利的地位。
附图说明
图1为本发明一实施例的一种可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统的电路示意图；
图2为本发明一实施例的电源芯片的电路示意图；
图3为本发明一实施例的PWM调压电路的电路示意图；
图4为本发明一实施例的PWM信号及PWM电平转换模块的输出端V1处信号的波形图；
图5为本发明一实施例的或门OR1的输出端V5的波形图与内部基准电压源VREF提供的电压与跨导放大器OTA1的同相输入端V6的电压的示意图。
附图标记说明：
1-电源芯片；
100-PWM调压电路；10-PWM电平转换模块；20-控制信号生成模块；21-第一部分；22-第二部分；23-第三部分；30-输出电压调节模块；
200-芯片电路。
具体实施方式
以下将对本发明的一种可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统作进一步的详细描述。下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本实施例提供了一种可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统，图1为本实施例的一种可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统的电路示意图。如图1所示，所述可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统具有系统输入端Vin和系统输出端V0。所述可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统包括电源芯片1和外围电路。所述系统输入端Vin用于接收可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统的输入信号，且该系统输入电压信号的取值为正值，所述系统输出端V0用于输出可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统的输出信号，所述系统输出端V0的电压与所述输入端Vin的电压极性相反，且取值为负值。
所述电源芯片1包括多个引脚，其分别为PWM滤波电容引脚CFLT、第一接地端引脚PGND1、第二接地端引脚SGND1、PWM信号引脚PWM、芯片输入引脚Vin1、开关输出引脚SW和反馈引脚FB。
所述外围电路包括第一接地PGND、第二接地SGND、第二电容C2、第三电容C3、第一滤波电容C4、第二滤波电容COUT、输入电容CIN、第一分压电阻RT、第二分压电阻RB、功率电感L1、续流二极管D3。
其中，所述输入电容CIN和第二滤波电容COUT均为有极性电容，所述第三电容C3为电源芯片1的滤波电容，所述第一滤波电容C4和第二滤波电容COUT共同用于对系统输出端V0进行电压信号滤波，所述第一分压电阻RT和第二分压电阻RB用以设置系统输出端V0所输出的电压，所述第二电容C2为所述电源芯片1的内部信号滤波电容，所述功率电感L1用于能量存储及滤波，所述续流二极管D3用于向所述功率电感L1续流。所述第一接地PGND为可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统的参考地，其为可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统提供参考信号；所述第二接地SGND为所述电源芯片1的参考地，其为电源芯片1提供参考信号。
所述芯片输入引脚Vin1、第三电容C3的一端、输入电容CIN的正极均连接系统输入端Vin，以接收通过系统输入端Vin的输入信号。所述PWM信号引脚PWM接收PWM信号，以调节电源芯片的输出电压或电流，所述PWM信号的参考地为第一接地PGND；所述第一接地端引脚PGND1和输入电容CIN的负极均连接第一接地PGND；所述PWM滤波电容引脚CFLT连接第二电容C2的一端，所述第二电容C2的另一端、第三电容C3的另一端、第二接地端引脚SGND1和系统输出端V0连接第二接地SGND；所述功率电感L1的一端和续流二极管D3的负极均连接所述开关输出引脚SW；所述第一分压电阻RT的一端和第二分压电阻RB的一端均连接所述反馈引脚FB；所述第二分压电阻RB的另一端、第二滤波电容COUT的正极、续流二极管D3的正极和第一滤波电容C4的一端均连接系统输出端V0；所述第一分压电阻RT的另一端、功率电感L1的另一端、第二滤波电容COUT的负极和第一滤波电容C4的另一端均连接所述第一接地PGND。其中，所述第二电容C2的所述电源芯片1的外置元器件。
从以上描述可以看出，所述第二接地SGND与系统输出端V0同电位，也就是说，所述第二接地SGND的电平与系统输出端V0的电平相同。所述系统输入端Vin输入的电压取值为正值，而所述可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统的系统输入端Vin和系统输出端V0的电压极性相反，因此，系统输出端V0的电压取值为负值，电平取值例如为V0，其中V0为负值。而所述第一接地PGND作为可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统的系统接地端，其电平取值为0V，这就使得所述第一接地PGND与所述第二接地SGND之间存在压差，且压差为|V0|，也就是说，由于所述系统输出端V0的电位较第一接地PGND的电位低，这就使得所述第一接地PGND的电位较第二接地SGND的电位高，且相较于第二接地SGND的电位，所述第一接地PGND的相对电位为|V0|。
因此，若以第二接地SGND作为电源芯片的参考地，那么，所述可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统中的其他电位相当于提升了|V0|。此时，相较于第二接地SGND，第一接地PGND的电位为|V0|，系统输入端Vin的电位为Vin+|V0|，其中，Vin为系统输入端Vin的输入电压，且Vin为正值，PWM信号的参考地为第一接地PGND，为了将电源芯片1中除PWM信号（外部输入信号）以外的信号的参考地转换为第二接地SGND，本实施例提出了以下结构的电源芯片1。
图2为本发明一实施例的电源芯片的电路示意图。如图2所示，所述电源芯片1包括PWM调压电路100和芯片电路200。
所述芯片电路200包括功率管、功率管驱动模块、稳压源及基准电压源、内部PWM信号生成模块和锯齿形波生成模块，所述锯齿形波生成模块用于生成锯齿形波；所述内部PWM信号生成模块接收并比较所述PWM调压电路100的跨导放大器OTA1的输出信号以及所述锯齿形波生成模块发出的矩齿形波，以生成PWM1信号，并将所述PWM1信号发送给功率管驱动模块；所述功率管驱动模块根据所述PWM1信号生成功率管驱动信号，并将功率管驱动信号发送给功率管；所述功率管连接所述系统输入端Vin以从系统输入端Vin取电，还与所述开关输出引脚SW连接，所述功率管根据所述功率管驱动信号确定功率管导通的占空比，以调节系统输出端V0的输出电压或输出电流。所述稳压源及基准电压源连接所述系统输入端Vin，以从系统输入端Vin取电，所述稳压源及基准电压源还连接所述PWM调压电路100，以稳定生成芯片内部供电源VDD以及内部基准电压源VREF，从而向PWM调压电路100供电；所述芯片内部供电电压VDD以及内部基准电压源VREF的参考地均为第二接地SGND。
图3为本实施例的PWM调压电路的电路示意图。如图3所示，所述PWM调压电路100包括PWM电平转换模块10、控制信号生成模块20和输出电压调节模块30。
所述PWM电平转换模块10接收所述系统输入端Vin提供的输入信号。同时请参阅图1-2，所述PWM电平转换模块10包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、三极管Q1、NMOS管M1和第一稳压管DZ1。
所述第一电阻R1的一端接收PWM信号，所述第一电阻R1的另一端连接所述三极管Q1的基极，所述三极管Q1的集电极、第一稳压管DZ1的N极、第三电阻R3的一端和第二电阻R2的一端均连接NMOS管M1的栅极；所述三极管Q1的发射极、所述第一稳压管DZ1的P极、所述第三电阻R3的另一端以及所述NMOS管M1的源极均连接所述第一接地PGND；所述第四电阻R4的一端以及所述NMOS管M1的漏极均连接PWM电平转换模块10的输出端V1，所述第二电阻R2的另一端和所述第四电阻R4的另一端均连接所述系统输入端Vin。
所述第一电阻R1用于对三极管Q1的基极进行限流，以防止所述PWM信号输入端输入的PWM信号损伤到了三极管Q1。所述三极管Q1作为开关管，其用于电路打开或关闭。所述第一稳压管DZ1可以钳位NMOS管M1的Vgs电压，以防止Vgs电压过高导致NMOS管M1损坏。所述第二电阻R2和第三电阻R3的作用为NMOS管M1提供合适的工作点，使得在没有PWM信号时所述NMOS管M1也可以导通，从而使控制信号生成模块20可以正常输出。
如图4所示，同时请参阅图3，所述PWM信号输入端输入的PWM信号为矩形方波，且当所述PWM信号输入端输入电压为高电平时，所述三极管Q1导通，此时，由于NMOS管M1的Vgs电压小于NMOS管M1的开启电压，故NMOS管M1不导通，所述输出端V1输出电压为高电平，且所述输出端V1输出电压的取值为Vin+|V0|；当所述PWM信号输入端输入电压为低电平时，所述三极管Q1关断，此时，由于NMOS管M1的Vgs电压大于NMOS管M1的开启电压，故NMOS管M1导通，所述输出端V1输出电压为低电平，且所述输出端V1输出电压的取值为|V0|。
根据以上的描述可以看出，所述PWM信号输入端输入电压与所述输出端V1输出电压同时为高电压或低电压，所述PWM电平转换模块10可以将PWM信号进行电平转换（即对PWM信号进行幅值放大），以方便控制信号生成模块20处理。
所述控制信号生成模块20接收了所述PWM电平转换模块的输出端V1提供的输出信号，并向输出电压调节模块30提供处理后的输出信号。
所述控制信号生成模块20包括第一部分21、第二部分22和第三部分23。所述第一部分21包括第一二极管D1、第二二极管D2、第五电阻R5、第二稳压管DZ2和第一电压比较器COMP1。
所述第一二极管D1的正极接收PWM电平转换模块10的输出端V1增幅后的输出信号，所述第一二极管D1的负极连接所述第二二极管D2的正极，所述第二二极管D2的负极连接所述第五电阻R5的一端，还连接所述第一电压比较器COMP1的同相输入端；所述第一电压比较器COMP1的反相输入端连接所述第一接地PGND，所述第一电压比较器COMP1的输出端V2连接所述第二稳压管DZ2的N极，所述第一电压比较器COMP1的电源端连接系统输入端Vin，所述第一电压比较器COMP1的接地端、所述第五电阻R5的另一端以及所述第二稳压管DZ2的P极均通过第二接地端引脚SGND1连接所述第二接地SGND。
所述第一二极管D1和第二二极管D2对输出端V1的输出电压进行了降压，且降压均为Vd，这就使得所述第一二极管D1和第二二极管D2对所述输出端V1的输出信号总降压值为2Vd。这样，当所述输出端V1的输出电压为高电平（即电压取值为Vin+|V0|）时，经所述第一二极管D1和第二二极管D2降压后的电压依然高于所述第一电压比较器COMP1的反相输入端的输入电压（即电压取值为|V0|），此时，第一电压比较器COMP1的输出端V2的输出电压为高电平；当所述输出端V1的输出电压为低电平（即电压取值为|V0|）时，经所述第一二极管D1和第二二极管D2降压后的电压低于所述第一电压比较器COMP1的反相输入端的输入电压（即电压取值为|V0|），此时，所述第一电压比较器COMP1的输出端V2的输出电压为低电平。
由于第一电压比较器COMP1的同相输入端的输入电压较高，第一电压比较器COMP1的电源端连接了所述系统输入端Vin，其电压的取值为Vin+|V0|，此时，所述第一电压比较器COMP1的电源端的输入电压较高，第一电压比较器COMP1需要使用第二稳压管DZ2进行限幅，使得输出端V2的输出信号适合第三部分23接收。
由以上描述可以看出，所述第一部分21再次转换PWM信号的电压，对输出端V1的输出信号进行电平转换及限幅，使得当输出端V2的输出电压为高电平时，输出端V2的输出电压的具体取值为经过第二稳压管DZ2的稳压值；当输出端V2的输出电压为低电平时，输出端V2的输出电压的具体取值为0V的PWM信号。可知，所述输出端V2的输出信号、输出端V1的输出信号及PWM信号均同相。
所述第二部分22包括第一电流源IS1、第一电容C1和第二电压比较器COMP2，所述第一电流源IS1的一端连接第一电容C1的一端，还连接第二电压比较器COMP2的反相输入端V3；所述第二电压比较器COMP2的同相输入端接收基准电压源VREF提供的基准电压VREF，所述第一电流源IS1的另一端以及所述第二电压比较器COMP2的电源端均连接供电电压源VDD，所述第二电压比较器COMP2的输出端与第三部分23连接，第一电容C1的另一端连接第二接地端引脚SGND1。
该部分的具体原理如下：当可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统刚开始启动时，由于第一电容C1的电压为0，使得反相输入端V3的输入电压低于同相输入端的输入电压VREF，所述第二电压比较器COMP2的输出端V4的输出电压为高电平，此时，所述第一电流源IS1开始为第一电容C1充电。
反相输入端V3的输入电压满足以下公式：
Figure 512890DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，i表示第一电流源IS1提供的恒定电流；t为第一电容C1的充电时间，c为电容C1的电容值。由于不需要延时非常长的时间，因此第一电容C1的电容值c取值较小，使得所述PWM调压电路100可以很容易的集成至电源芯片中，同时，由于第一电容C1的电容值c取值较小，也不需要增加放电回路就可以在断电后短时间内放掉第一电容C1中的电荷（通常为毫秒级即可自行放电完毕），使得下次工作时第一电容C1的电压还是从0开始上升。在本实施例中，所述第一电流源IS1提供的恒定电流的典型值为1μA。
在可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统启动之后，在经过一定时间后，反相输入端V3的输入电压逐渐上升，且取值逐渐超过同相输入端的输入电压VREF时，所述第二电压比较器COMP2的输出端V4开始输出低电平。
由以上描述可以看出，第二部分22使用第一电容C1进行计时，并在第一电容C1的电压小于同相输入端的输入电压VREF时，所述第二电压比较器COMP2的输出端V4一直输出高电平，以防止可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统启动时电路无法正常工作。
由于可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统在刚开启时，所述第一接地PGND的电压初始值为0V，当所述输出端V1的输出电压为低电平时，所述输出端V1的输出电压也约为0V，根本无法经第一二极管D1和第二二极管D2进行降压，故所述第一电压比较器COMP1的同相输入端经过第五电阻R5通过第二接地端引脚SGND1接到第二接地SGND，然而由于第一电压比较器COMP1的两个输入端的失调电压、输入偏置电流等因素，使得第一电压比较器COMP1存在输出不确定的风险，从而导致可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统无法启动的问题。所述第二部分22使得第二电压比较器COMP2的反相输入端V3的输入电压在达到同相输入端的输入电压VREF之前，可以忽视第一电压比较器COMP1的输出端V2的输出信号进行强制开机，从而解决了可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统无法启动的问题。
所述第三部分23包括或门OR1，或门OR1具有两个输入端，其中一个输入端接收第一电压比较器COMP1的输出端V2的输出信号，另一个输入端接收所述第二电压比较器COMP2的输出端V4的输出信号，当输出端V2和输出端V4中任一个为高电平时，或门OR1的输出端V5输出电压为高电平。
根据以上描述可以看出，在可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统刚上电时，虽然输出端V2的输出信号存在输出不确定的问题，需要将输出端V2的输出信号屏蔽掉，但是输出端V4可以使可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统强制开机。在第一接地PGND的取值大于0后，输出端V2的输出信号正常，此时可以输出正常的PWM信号，输出端V4经过一段时间后输出电平为0，或门OR1的输出端V5的输出电压只受输出端V2的输出电压控制。
所述输出电压调节模块30接收或门OR1的输出端V5的输出信号，并对所述输出端V5提供的输出信号进行处理后通过反馈引脚FB发出。所述输出电压调节模块30包括反相器NOT1、NMOS管M2、NMOS管M3、第六电阻R6、第二电容C2、跨导放大器OTA1和频率补偿模块。
所述反相器NOT1的输入端、NMOS管M2的栅极均连接或门OR1的输出端V5，用以接收或门OR1的输出端V5提供的输出信号；所述反相器NOT1的输出端连接NMOS管M3的栅极，所述NMOS管M2的源极接收内部基准电压源VREF的输入信号，所述NMOS管M2的漏极和所述NMOS管M3的漏极均连接所述第六电阻R6的一端，所述第六电阻R6的另一端和所述第二电容C2的一端均连接跨导放大器OTA1的同相输入端V6，所述跨导放大器OTA1的反相输入端连接反馈引脚FB，以从反馈引脚FB得到反馈引脚电压VFB；所述第二电容C2的另一端、频率补偿模块的一端和所述NMOS管M3的源极均连接第一接地PGND；所述频率补偿模块的另一端连接跨导放大器OTA1的输出端V7，以对跨导放大器OTA1的输出端V7的输出信号进行频率补偿，使得跨导放大器OTA1的输出端V7的输出电压、输出电流更加的稳定，且不易产生震荡。
从以上描述可以看出，当或门OR1的输出端V5的输出电压为高电平时，所述NMOS管M2导通，所述NMOS管M3关断，此时，所述内部基准电压源VREF通过第六电阻R6向第二电容C2充电；当或门OR1的输出端V5的输出电压为低电平时，所述NMOS管M2关断，所述NMOS管M3导通，此时，第二电容C2通过第六电阻R6放电。可知，所述或门OR1的输出端V5的输出信号的占空比与PWM信号的占空比相同。其中，所述第六电阻R6和第二电容C2组成的滤波电路的时间常数需要远大于PWM信号的频率，这样才能使得跨导放大器OTA1的同相输入端V6的输入信号比较平滑。
其中，跨导放大器OTA1的同相输入端V6输入的平均电压V6可以表示为：
V6=VREF*DUTY；
其中，DUTY为PWM信号的占空比，VREF为所述内部基准电压源VREF提供的基准电压。
当可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统稳定工作时，第二电容C2的取值较大，如图5所示，以R6=100K，C2=0.1uF进行设置，所述内部基准电压源VREF的基准电压为1.25V，或门OR1的输出端V5的输出信号的占空比为0.75，可以得到跨导放大器OTA1的同相输入端V6的平均输入电压V6约为0.94V。由于第二电容C2的电容容量较大，使得第二电容C2需要置于电源芯片外，而为了达到更稳定的电压V6，可以通过增加第二电容C2的电容容量或者增加PWM信号的占空比的频率。跨导放大器OTA1的同相输入端V6的平均输入电压V6仅与所述内部基准电压源VREF提供的基准电压VREF以及PWM信号的占空比DUTY相关，不会引入其他电压（即与第一接地PGND和第二接地SGND等参考地的电压无关）。同时在占空比的取值大或者小时，BUCK-BOOST电源的片间一致性都很好，其解决了在小占空比时可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统的输出电压或输出电流一致性不好的问题。
所述输出端V7的输出信号用以调整所述功率管的导通占空比，进而调整系统输出端V0的输出电流或输出电压，最终使跨导放大器OTA1的同相输入端V6的输入电压与反馈引脚电压VFB的电压基本相同。因此，调整跨导放大器OTA1的同相输入端V6的输入电压就可以调整可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统的系统输出端V0的输出电流或输出电压。
所述系统输出端V0的输出电压V0满足以下公式：
Figure 757927DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，rt为第一分压电阻RT的阻值，rb为第二分压电阻RB的阻值，DUTY为PWM信号的占空比，VREF为所述内部基准电压源VREF提供的基准电压。
由以上公式可以看出，输出电压V0仅与一个电压量VREF相关，并不存在其他电压的影响，使得可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统的系统输出端V0的输出电压V0即使存在两个参考地，也不会受到影响。而所述PWM调压电路100的电路简单、可靠，且可以很方便的集成在电源芯片的内部，其仅需要少量的外围电路，就可以实现PWM调电压或调电流，减低了使用者的设计难度，提高了设计的效率，同时还解决了在小占空比时，芯片间的片间差异，使得其在激烈的视场竞争中处于有利的地位。
综上所述，本发明提供的一种可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统，通过PWM调压电路对PWM信号进行电平转换，同时，通过控制信号生成模块的第二部分在系统开机时执行强制开机，以解决转换后可能存在的系统不启动的问题，并在这些问题解决后，使用处理过的PWM信号，使跨导放大器的同相端电压V6与等于VREF*DUTY，以通过改变跨导放大器的同相端电压V6来改变系统输出端V0的输出电压或输出电流，从而使得电源系统即使存在两个参考地时的设计难度大、复杂性高的问题，还解决了在小占空比时，可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统的片间一致性不好的问题，使得其在激烈的视场竞争中处于有利的地位。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语 “第一”、“第二”等的描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统，所述BUCK-BOOST电源系统具有系统输出端V0和系统输入端Vin，所述BUCK-BOOST电源系统的参考地为第一接地PGND，所述BUCK-BOOST电源系统的电源芯片的参考地为第二接地SGND，所述电源芯片包括PWM调压电路，其特征在于，所述PWM调压电路包括PWM电平转换模块、控制信号生成模块和输出电压调节模块，
所述PWM电平转换模块用于接收PWM信号并对所述PWM信号进行电平转化，以获得其输出端V1的输出信号；
所述控制信号生成模块包括第一部分、第二部分和第三部分，所述第一部分用于接收所述输出端V1的输出信号，并对所述输出端V1的输出信号进行电平转化及限幅处理，以获得其输出端V2的输出信号；所述第二部分用于在所述电源芯片无法正常工作时进行强制开机，并获得其输出端V4的输出信号；所述第三部分用于根据所述输出端V2的输出信号以及所述输出端V4的输出信号获得其输出端V5的输出信号；
所述输出电压调节模块根据所述输出端V5的输出信号获得端口V6的端口信号，所述端口V6的端口信号用以调整所述系统输出端V0的输出电流或输出电压；以及
其中，所述端口V6的平均电压与所述PWM信号的占空比有关，与所述第一接地PGND电压以及所述第二接地SGND电压均无关。
2.如权利要求1所述的可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统，其特征在于，所述PWM电平转换模块用于对所述PWM信号的电压进行增幅处理；
所述PWM电平转换模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、三极管Q1、NMOS管M1和第一稳压管DZ1，所述第一电阻R1的一端接收所述PWM信号，所述第一电阻R1的另一端连接所述三极管Q1的基极，所述三极管Q1的集电极、第一稳压管DZ1的N极、第三电阻R3的一端和第二电阻R2的一端均连接所述NMOS管M1的栅极；所述三极管Q1的发射极、所述第一稳压管DZ1的P极、所述第三电阻R3的另一端以及所述NMOS管M1的源极均连接所述第一接地PGND，所述第四电阻R4的一端以及所述NMOS管M1的漏极均连接所述输出端V1，所述第二电阻R2的另一端和所述第四电阻R4的另一端均连接所述系统输入端Vin；
当所述PWM信号为高电平时，所述三极管Q1导通，所述NMOS管M1不导通，所述输出端V1的输出电压为高电平；
当所述PWM信号为低电平时，所述三极管Q1关断，所述NMOS管M1导通，所述输出端V1的输出电压为低电平；以及
其中，所述第一电阻R1用于对所述三极管Q1的基极进行限流，所述三极管Q1用于电路的打开或关闭，所述第一稳压管DZ1用于钳位所述NMOS管M1的Vgs电压，所述第二电阻R2和第三电阻R3的作用为所述NMOS管M1提供工作点，用以使得所述控制信号生成模块能够正常输出。
3.如权利要求1所述的可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统，其特征在于，所述第一部分包括第一二极管D1、第二二极管D2、第五电阻R5、第二稳压管DZ2和第一电压比较器COMP1，所述第一二极管D1的正极接收经增幅后的所述PWM电平转换模块的输出端V1的输出信号，所述第一二极管D1的负极连接所述第二二极管D2的正极，所述第二二极管D2的负极连接所述第五电阻R5的一端，所述第二二极管D2的负极还连接所述第一电压比较器COMP1的同相输入端，所述第一电压比较器COMP1的反相输入端连接所述第一接地PGND，所述第一电压比较器COMP1的输出端V2连接所述第二稳压管DZ2的N极，所述第一电压比较器COMP1的电源端连接系统输入端Vin，所述第一电压比较器COMP1的接地端、所述第五电阻R5的另一端以及所述第二稳压管DZ2的P极均连接所述第二接地SGND；
当所述输出端V1的输出电压为高电平时，经所述第一二极管D1和第二二极管D2降压后的电压依然高于所述第一电压比较器COMP1的反相输入端的输入电压，此时，所述第一电压比较器COMP1的输出端V2的输出电压为高电平；以及
当所述输出端V1的输出电压为低电平时，经所述第一二极管D1和第二二极管D2降压后的电压低于所述第一电压比较器COMP1的反相输入端的输入电压，此时，所述第一电压比较器COMP1的输出端V2的输出电压为低电平。
4.如权利要求1所述的可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统，其特征在于，所述第二部分包括第一电流源IS1、第一电容C1和第二电压比较器COMP2，所述第一电流源IS1的一端连接第一电容C1的一端，所述第一电流源IS1的一端还连接第二电压比较器COMP2的反相输入端V3，所述第二电压比较器COMP2的同相输入端接收内部基准电压源VREF提供的基准电压VREF，所述第一电流源IS1的另一端以及所述第二电压比较器COMP2的电源端均连接供电电压源VDD，所述第二电压比较器COMP2的输出端V4与第三部分连接，第一电容C1的另一端连接第二接地端引脚SGND1；
当所述可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统开始启动时，所述第一电容C1的电压为0，所述反相输入端V3的输入电压低于所述基准电压VREF，所述第二电压比较器COMP2的输出端V4的输出电压为高电平，此时，所述第一电流源IS1开始为第一电容C1充电；以及
在所述可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统启动之后，所述反相输入端V3的输入电压逐渐上升，且输入电压的取值在逐渐超过所述基准电压VREF时，所述第二电压比较器COMP2的输出端V4开始输出低电平。
5.如权利要求4所述的可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统，其特征在于，所述反相输入端V3的输入电压满足以下公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，i表示第一电流源IS1提供的恒定电流；t为第一电容C1的充电时间，c为电容C1的电容值。
6.如权利要求1所述的可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统，其特征在于，所述第三部分包括或门OR1，所述或门OR1具有两个输入端，其中一个输入端接收第一电压比较器COMP1的输出端V2的输出信号，另一个输入端接收第二电压比较器COMP2的输出端V4的输出信号；当输出端V2和输出端V4中任一个为高电平时，所述或门OR1的输出端V5输出电压为高电平。
7.如权利要求6所述的可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统，其特征在于，所述输出电压调节模块包括反相器NOT1、NMOS管M2、NMOS管M3、第六电阻R6、第二电容C2、跨导放大器OTA1和频率补偿模块，所述反相器NOT1的输入端、NMOS管M2的栅极均连接所述或门OR1的输出端V5，所述反相器NOT1的输出端连接NMOS管M3的栅极，所述NMOS管M2的源极接收内部基准电压源VREF的输入信号，所述NMOS管M2的漏极和所述NMOS管M3的漏极均连接所述第六电阻R6的一端，所述第六电阻R6的另一端和所述第二电容C2的一端均连接所述跨导放大器OTA1的同相输入端V6，所述跨导放大器OTA1的反相输入端连接所述电源芯片的反馈引脚FB，所述第二电容C2的另一端、频率补偿模块的一端和所述NMOS管M3的源极均连接所述第二接地SGND，所述频率补偿模块的另一端连接所述跨导放大器OTA1的输出端V7，用以对所述输出端V7的输出信号进行频率补偿；
当所述输出端V5的输出电压为高电平时，所述NMOS管M2导通，所述NMOS管M3关断，此时，所述内部基准电压源VREF通过所述第六电阻R6向所述第二电容C2充电；以及
当所述输出端V5的输出电压为低电平时，所述NMOS管M2关断，所述NMOS管M3导通，此时，所述第二电容C2通过所述第六电阻R6放电。
8.如权利要求7所述的可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统，其特征在于，所述跨导放大器OTA1的同相输入端V6的平均输入电压V6满足以下公式：
V6=VREF*DUTY；
其中，DUTY为PWM信号的占空比，VREF为所述内部基准电压源VREF提供的基准电压。
9.如权利要求1所述的可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统，其特征在于，所述电源芯片1包括多个引脚，其分别为PWM滤波电容引脚CFLT、第一接地端引脚PGND1、第二接地端引脚SGND1、PWM信号引脚PWM、芯片输入引脚Vin1、开关输出引脚SW和反馈引脚FB，所述可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统还包括第一接地PGND、第二接地SGND、第二电容C2、第三电容C3、第一滤波电容C4、第二滤波电容COUT、输入电容CIN、第一分压电阻RT、第二分压电阻RB、功率电感L1、续流二极管D3；
所述芯片输入引脚Vin1、第三电容C3的一端、输入电容CIN的正极均连接所述系统输入端Vin，所述PWM信号引脚PWM接收所述PWM信号，所述第一接地端引脚PGND1和输入电容CIN的负极均连接所述第一接地PGND，所述PWM滤波电容引脚CFLT连接第二电容C2的一端，所述第二电容C2的另一端、第三电容C3的另一端、第二接地端引脚SGND1和系统输出端V0均连接第二接地SGND，所述功率电感L1的一端和续流二极管D3的负极均连接所述开关输出引脚SW，所述第一分压电阻RT的一端和第二分压电阻RB的一端均连接所述反馈引脚FB，所述第二分压电阻RB的另一端、第二滤波电容COUT的正极、续流二极管D3的正极和第一滤波电容C4的一端均连接所述系统输出端V0；所述第一分压电阻RT的另一端、功率电感L1的另一端、第二滤波电容COUT的负极和第一滤波电容C4的另一端均连接所述第一接地PGND；以及
其中，所述第二电容C2是所述电源芯片的外置元器件。
10.如权利要求9所述的可PWM调压的BUCK-BOOST电源系统，其特征在于，所述系统输出端V0的输出电压V0满足以下公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，rt为第一分压电阻RT的阻值，rb为第二分压电阻RB的阻值，DUTY为PWM信号的占空比，VREF为内部基准电压源VREF提供的基准电压。
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