CN113507213B - 一种针对宽输入应用的升压电源芯片的电流模控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电源管理技术领域，具体涉及一种针对宽输入应用的升压电源芯片的电流模控制方法。本发明重新设计升压电源的电流模控制环路，在原有的时间产生模块中另增加一路对电路极限响应时间预估的一个时间延展模块来拓展宽输入范围下的升压应用范围。本发明的有益效果为：1)本发明提出的可以支持宽输入范围下的新的升压电源控制方法，即通过在原始时间设计中加入极限时间预测而时间延展的方法实现宽输入范围的支持；2)具有普遍性，可同时适用于现有的峰值电流模恒定关闭时间控制和现有的谷值电流模恒定开启时间控制。

Description

一种针对宽输入应用的升压电源芯片的电流模控制方法
技术领域
本发明属于电源管理技术领域，具体涉及一种针对宽输入应用的升压电源芯片的电流模控制方法。
背景技术
开关电源因为其高效和宽调节范围的特征在电源领域被广泛使用。其中升压开关电源(Boost结构)可以使输出电压高于输入电压。而在升压开关电源环路补偿的方法上，电流模的控制方法因为其简单的补偿环路设计，已经越来越被广泛应用。而电流模的控制方法中，峰值电流模恒定关闭时间控制(Peak-CMODE COToff(constant Toff)Control)和谷值电流模恒定开启时间控制(Valley-CMODE COTon(constant Ton)Control)最为常用。在这两种方法中，由于控制环路中一些控制电路和驱动电路响应时间限制，使得在某些极端情况下，即在输入暂态跌落很低或者输入因为输出负载撤出而暂态上升接近输出时，升压开关电源无法稳定环路调节而导致输出电压或者电感电流的失控。
现有技术对于宽输入应用的升压电源芯片的实现方法有：
1.放弃电流模控制方法，转而采用电压模控制方法，即不用进行电流信息的采样，只采集输出电压来实现更宽范围的占空比调节能力，如图1。而电压模的缺点为开关电源自身是一个双级点系统，单纯的电压模控制需要环路进行Type III型补偿，即创造两个零点去抵消外部电感和输出电容的双极点。而Type III型补偿只能针对固定范围的电感和电容，对外部电感和电容取值范围要求很严格。同时Type III型补偿在环路控制的硬件实现上较为复杂。可以在图中看出电流模需要两套补偿网络来创造Type III型补偿。(相比下，电流模只需要Type II型补偿，即只需要一套补偿网络，只需创造一个零点且适用更宽的外部电感和电容取值。)
2.在原始电流模的结构上进行改变：在峰值电流模恒定关闭时间控制中同时加入谷值电流控制，或者在谷值电流模恒定开启时间控制中同时加入峰值电流控制，如图2和图3。即在峰值电流模恒定关闭时间控制中，当输入因为输出负载撤出而暂态上升接近输出而需要支持极小占空比的情况下控制转而采用谷值电流控制。同理，在谷值电流模恒定开启时间控制中，当输入暂态跌落很低而需要支持极大占空比的情况下控制转而采用峰值电流控制。这两种方法各自均需要增加一套电流采样电路，不仅硬件开销增加，还增加了系统控制逻辑的复杂度，如图2和图3中左侧增加的电流采样模块和控制逻辑模块。另外因为同时有峰值和谷值两种电流采样，必然存在两套电流采样电路间的失调，即offset，即图2中两套电流采样的相互间误差，图3同理。为了保证在正常输入输出占空比下的频率稳定，需要对两套采样电路进行失调校准，又增加了开销。
发明内容
本发明针对上述问题，重新设计升压电源的电流模控制环路，在原有的时间产生模块中另增加一路对电路极限响应时间预估的一个时间延展模块来拓展宽输入范围下的升压应用范围。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种针对宽输入应用的升压电源芯片的电流模控制方法，包括电感、第一开关管Q1、第二开关管Q2、电流采样模块、误差放大器、恒定时间控制模块和开关电源PWM控制器；输入电压VIN通过电感后接第一开关管Q1一端和第二开关管Q2一端的连接点，第二开关管Q2的另一端产生输出电压VOUT，第一开关管Q1的另一端接地；开关电源PWM控制器的输入为电流采样模块、误差放大器和恒定时间控制模块，开关电源PWM控制器的输出控制第一开关管Q1和第二开关管Q2的开启和关闭；其特征在于，所述控制方法包括：
若所述电流采样模块为峰值电流采样模块，进入步骤S1，若所述电流采样模块为谷值电流采样模块，进入步骤S2：
S1、将电感电流上升周期所需固定时间的最小值定义为Min_Ton，设置Toff时间延展模块，Toff时间延展模块包括第一比较器、第一电容和第一开关，第一比较器的同相输入端接输入电压VIN或与输入电压VIN成正比的电压值VIN*K，第一比较器的反相输入端接第一电容的一端和第一开关的一端，第一电容的另一端和第一开关的另一端接地，第一开关的控制信号与第一开关管Q1的控制信号相同，第一电容的一端接输出电流为(VOUT-VIN)/R的电流源的输出端，当第一电容电压等于输入电压VIN或与输入电压VIN成正比的电压值VIN*K时，Toff时间延展模块输出结束信号Toff2，结束信号Toff2时间为VIN*R*C1/(VOUT-VIN)或VIN*R*C1*K/(VOUT-VIN)，C1为第一电容值的电容值；所述恒定时间控制模块为恒定关闭时间控制模块，输出信号Toff1，将Toff1和Toff2进行与运算后作为最终Toff结束信号输入到开关电源PWM控制器用于产生控制信号；所述R和C1的取值满足R*C1或者R*C1*K大于Min_Ton，使得VIN和VOUT在任意取值的情况下，电路不会因为Toff的限制而使得电感电流上升周期所需固定时间Ton被推到Min_Ton的工作极限，即Ton始终大于Min_Ton；
S2、将电感电流下降周期所需固定时间的最小值定义为Min_Toff，设置Ton时间延展模块，Ton时间延展模块包括第二比较器、第二电容和第二开关，第二比较器的反相输入端接输入电压VIN或与输入电压VIN成正比的电压值VIN*K，第二比较器的同相输入端接第二电容的一端和第二开关的一端，第二电容的另一端和第二开关的另一端接输出电压VOUT或与输出电压VOUT成正比的电压值VOUT*K，第二开关的控制信号与第二开关管Q2的控制信号相同，电容的一端接输出电流为VIN/R的电流源的输入端，当电容电压等于输入电压VIN或与输入电压VIN成正比的电压值VIN*K时，Ton时间延展模块输出开启信号Ton1，开启信号Ton1时间为(VOUT-VIN)*R*C2/VIN或(VOUT-VIN)*R*C2*K/VIN，C2为第二电容的电容值；所述恒定时间控制模块为恒定开启时间控制模块，输出信号Ton2，将Ton1和Ton2进行与运算后作为最终Ton信号输入到开关电源PWM控制器用于产生控制信号；所述R和C2的取值满足R*C2或者R*C2*K大于Min_Toff，使得VIN和VOUT在任意取值的情况下，电路不会因为电感电流下降周期所需固定时间Toff的限制而使得Toff被推到Min_Toff的工作极限，即Toff始终大于Min_Toff。
本发明的有益效果为：1)本发明提出的可以支持宽输入范围下的新的升压电源控制方法，即通过在原始时间设计中加入极限时间预测而时间延展的方法实现宽输入范围的支持；2)具有普遍性，可同时适用于现有的峰值电流模恒定关闭时间控制和现有的谷值电流模恒定开启时间控制。
附图说明
图1采用电压模控制方法的升压电源结构图；
图2为加入宽输入范围谷值电流控制的峰值电流模恒定关闭时间控制方法的升压电源结构图；
图3为加入宽输入范围峰值电流控制的谷值电流模恒定开启时间控制方法的升压电源结构图；
图4为基本的升压电源电路(Boost Converter)功率级结构；
图5为本发明提出的适用于宽输入范围，带极限Ton时间预测的Toff时间延展方法的峰值电流模恒定开启时间控制方式；
图6为本发明提出的适用于宽输入范围，带极限Toff时间预测的Ton时间延展方法的谷值电流模恒定开启时间控制方式；
图7为极限Ton时间预测的Toff时间延展模块的一种芯片可集成的实现方法示意图；
图8为极限Toff时间预测的Ton时间延展模块的一种芯片可集成的实现方法示意图；
图9为极限Ton时间预测的Toff时间延展模块的另一种芯片可集成的实现方法示意图；
图10为极限Toff时间预测的Ton时间延展模块的另一种芯片可集成的实现方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明技术方案进行详细描述：
图4是基本的升压电源电路(Boost Converter)和电感电流波形，Q1和Q2为两个功率开关管，L为输入串联的电感，C为输出并联的稳压电容。Q1和Q2交替非重叠的开关，Q1开启时电感电流上升，Q2开启时电感电流下降。环路控制和PWM产生电路通过控制Q1和Q2的开启关断的占空比实现使输出电压达到预先设定值。而Q1开启时，电感电流上升速率为VIN/L，Q2开启时，电感电流下降速率为(VOUT-VIN)/L。如图2和图3下半部分则为更加详细的电流模的环路控制和PWM产生电路设计方法。电流模指的是将Q1或者Q2或者电感的电流信息进行采样并直接同输出电压一样反馈到环路控制中而产生PWM控制信号的一种控制方法。
电流信息用于控制电感电流的上升周期称为峰值电流模Peak CMODE，如图2，在峰值电流模中，下降周期一般会采用恒定时间控制，即固定一段时间或者利用VIN，VOUT或者SW的电压信息计算一个自适应时间Adaptive Timer(后者的好处为实现较为精准的恒定开关电源频率)。但因为图2中峰值电流采样和开关电源PWM控制器存在较大的延时，电感电流的上升周期存在一个固定的最小时间，即Min-Ton。当输入因为输出负载撤出而暂态上升接近输出而需要支持极小占空比的时候，电感上升被Min-Ton限制而不能减小，而电感下降因为原先恒定时间或者自适应时间的设计固定，导致电感电流在一个周期以内无法回到原点，即无法伏秒平衡。这样几个周期后电感电流必然提升而失控，也会使得输出电压失控。
同理，电流信息用于控制电感电流的下降周期称为谷值电流模Valley CMODE，如图3，在谷值电流模中，上升周期一般会采用恒定时间控制，即固定一段时间或者利用VIN，VOUT或者SW的电压信息计算一个自适应时间Adaptive Timer(后者的好处为实现较为精准的恒定开关电源频率)。但因为图3中谷值电流采样和开关电源PWM控制器存在较大的延时，电感电流的上升周期存在一个固定的最小时间，即Min-Toff。当输入暂态跌落很低而需要支持极大占空比的时候，电感下降被Min-Toff限制而不能增加，而电感上升因为原先恒定时间或者自适应时间的设计固定，导致电感电流在一个周期以内无法回到原点，即无法伏秒平衡。这样几个周期后电感电流必然变负而失控，也会使得输出电压失控。
本发明的通过增加一个时间延展模块，与原始的恒定时间控制(固定一段时间或者利用VIN，VOUT或者SW的电压信息计算一个自适应时间Adaptive Timer)进行“与“逻辑计算，就可以克服以上提到的在极限情况下，当发生输入很深跌落或者输入接近输出时，控制器依然可以正常工作，电感电流依然可控且输出电压等于预设值。图5和图6为本发明提出的适用于宽输入范围的带极限Ton时间预测的Toff时间延展方法的峰值电流模恒定开启时间控制方式，和适用于宽输入范围的带极限Toff时间预测的Ton时间延展方法的谷值电流模恒定开启时间控制方式。
具体其中的极限Ton/Toff时间预测的时间延展模块工作原理如下：
对于适用于宽输入范围的带极限Ton时间预测的Toff时间延展方法的峰值电流模恒定开启时间控制方式，因为峰值电流采样和开关电源PWM控制器的延时相对固定，一般为电流采样的屏蔽时间blank time和逻辑及驱动延迟，这两者可以通过设计和仿真获得。再利用VIN信息，就可以知道电感最小的上升量，即为VIN/L*Min_Ton。如果希望仍能电感电流可控，即伏秒平衡。需要设计的最小关闭时间，即Toff时间，为VIN/L*Min_Ton/(VOUT-VIN)*L，简化后为VIN*Min_Ton/(VOUT-VIN)。所以图7即为图5中极限Ton时间预测的Toff时间延展模块的一种芯片可集成的实现方法示意图。工作原理如下，当Q1关闭时，图7中的SW1开关关闭，用一路芯片内部产生的(VOUT-VIN)/R的电流去给电容C充电，当电容充到等于VIN电压，输出这个时间延展模块结束信号Toff_end2，和原始的Toff模块的结束信号进行逻辑“与“操作作为最终Toff结束信号。时间延展模块产生的Toff时间即为：VIN*R*C/(VOUT-VIN)，只需让R*C的时常数比拟并略大于电路极限时间Min-Ton，即可达到想要的效果。最终：当VIN和VOUT差距很大时，Toff_end2信号早于Toff_end1到来，Toff_end由原始Tofftimer决定；当VIN上升接近VOUT时，Toff_end2信号会逐渐增加，延迟超过Toff_end1，即最终Toff_end由Toff时间延展模块决定。从而确保各种VIN和VOUT情况下，电路始终不会因为Toff的限制而使得Ton被推到Min_Ton的工作极限，即确保工作最终稳态下，Ton都大于Min-Ton。图9是另一种实现方式，区别是输入为输入电压VIN成正比的电压值VIN*K。
对于适用于宽输入范围的带极限Toff时间预测的Ton时间延展方法的谷值电流模恒定关断时间控制方式，因为谷值电流采样和开关电源PWM控制器的延时相对固定，一般为电流采样的屏蔽时间blank time和逻辑及驱动延迟，这两者可以通过设计和仿真获得。再利用VOUT和VIN的信息，就可以知道电感最小的下降量，即为(VOUT-VIN)/L*Min_Toff。如果希望仍能电感电流可控，即伏秒平衡。需要设计的最小开启时间，即Ton时间，为(VOUT-VIN)/L*Min_Toff/VIN*L，简化后为(VOUT-VIN)*Min_Ton/VIN。所以图8即为图6中极限Toff时间预测的Ton时间延展模块的一种芯片可集成的实现方法示意图。工作原理如下，当Q2关闭时，图8中的SW1开关关闭，用一路芯片内部产生的VIN/R的电流去给电容C放电，当电容充到等于VIN电压，输出这个时间延展模块结束信号Ton_end2，和原始的Ton模块的结束信号进行逻辑“与“操作作为最终的Ton结束信号。时间延展模块产生的Ton时间即为：(VOUT-VIN)*R*C/VIN，只需让R*C的时常数比拟并略大于电路极限时间Min-Toff，即可达到想要的效果。同时，当VIN接近VOUT时，Ton_end2信号早于Ton_end1到来，最终Ton_end由原始Tontimer决定。当VIN下降而远低于VOUT时，Ton_end2信号会逐渐增加，延迟超过Ton_end1，即最终Ton_end由Ton时间延展模块决定。从而确保各种VIN和VOUT情况下，电路始终不会因为Ton的限制而使得Toff被推到Min_Toff的工作极限，即确保工作最终稳态下，Toff都大于Min-Toff。图10为另一种实现方式，区别是输入为与输出电压VOUT成正比的电压值VOUT*K，以及输入电压VIN成正比的电压值VIN*K。

Claims (1)

1.一种针对宽输入应用的升压电源芯片的电流模控制方法，包括电感、第一开关管Q1、第二开关管Q2、电流采样模块、恒定时间控制模块、误差放大器和开关电源PWM控制器；输入电压VIN通过电感后接第一开关管Q1一端和第二开关管Q2一端的连接点，第二开关管Q2的另一端产生输出电压VOUT，第一开关管Q1的另一端接地；开关电源PWM控制器的输入连接电流采样模块、误差放大器和恒定时间控制模块，开关电源PWM控制器的输出控制第一开关管Q1和第二开关管Q2的开启和关闭；其特征在于，所述控制方法包括：
若所述电流采样模块为峰值电流采样模块，进入步骤S1，若所述电流采样模块为谷值电流采样模块，进入步骤S2：
S1、将电感电流上升周期所需固定时间的最小值定义为Min_Ton，设置Toff时间延展模块，Toff时间延展模块包括第一比较器、第一电容和第一开关，第一比较器的同相输入端接输入电压VIN或与输入电压VIN成正比的电压值VIN*K，第一比较器的反相输入端接第一电容的一端和第一开关的一端，第一电容的另一端和第一开关的另一端接地，第一开关的控制信号与第一开关管Q1的控制信号相同，第一电容的一端接输出电流为(VOUT-VIN)/R1的电流源的输出端，当第一电容电压等于输入电压VIN或与输入电压VIN成正比的电压值VIN*K时，Toff时间延展模块输出结束信号Toff2，结束信号Toff2时间为VIN*R1*C1/(VOUT-VIN)或VIN*R1*C1*K/(VOUT-VIN)，C1为第一电容的电容值；所述恒定时间控制模块为恒定关闭时间控制模块，输出信号Toff1，将Toff1和Toff2进行与运算后作为最终Toff结束信号输入到开关电源PWM控制器用于产生控制信号；所述R1和C1的取值满足R1*C1或者R1*C1*K大于Min_Ton，使得VIN和VOUT在任意取值的情况下，电路不会因为Toff的限制而使得电感电流上升周期所需固定时间Ton被推到Min_Ton的工作极限，即Ton始终大于Min_Ton；
S2、将电感电流下降周期所需固定时间的最小值定义为Min_Toff，设置Ton时间延展模块，Ton时间延展模块包括第二比较器、第二电容和第二开关，第二比较器的反相输入端接输入电压VIN或与输入电压VIN成正比的电压值VIN*K，第二比较器的同相输入端接第二电容的一端和第二开关的一端，第二电容的另一端和第二开关的另一端接输出电压VOUT或与输出电压VOUT成正比的电压值VOUT*K，第二开关的控制信号与第二开关管Q2的控制信号相同，第二电容的一端接输出电流为VIN/R2的电流源的输入端，当电容电压等于输入电压VIN或与输入电压VIN成正比的电压值VIN*K时，Ton时间延展模块输出开启信号Ton1，开启信号Ton1时间为(VOUT-VIN)*R2*C2/VIN或(VOUT-VIN)*R2*C2*K/VIN，C2为第二电容的电容值；所述恒定时间控制模块为恒定开启时间控制模块，输出信号Ton2，将Ton1和Ton2进行与运算后作为最终Ton信号输入到开关电源PWM控制器用于产生控制信号；所述R2和C2的取值满足R2*C2或者R2*C2*K大于Min_Toff，使得VIN和VOUT在任意取值的情况下，电路不会因为电感电流下降周期所需固定时间Toff的限制而使得Toff被推到Min_Toff的工作极限，即Toff始终大于Min_Toff。
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