CN113691133A - 一种带有高精度低纹波轻载工作模式的buck-boost - Google Patents
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Abstract
本发明属于模拟电路技术领域,具体的说是涉及一种带有高精度低纹波轻载工作模式的BUCK‑BOOST。本发明的方案,用单脉冲模式取代间歇工作模式,在轻载模式下,功率级每次只工作一个周期,可以降低电压纹波;利用Vc信号去调制单脉冲模式的间隔时间,负载越轻,间隔时间越长。目的是功率级的工作频率随负载线性降低,只有在很轻载的时候才会进入音频。同时因为每次只工作一个周期,传递的能量小,该音频噪声也会远远低于图3所示方案的噪声。系统用Vc的平均值去调制间隔时间,可以保证VOUT的电压精度不随VIN,VOUT和负载变化。
Description
技术领域
本发明属于模拟电路技术领域,具体的说是涉及一种带有高精度低纹波轻载工作模式的 BUCK-BOOST。
背景技术
BUCK-BOOST是电感式开关升降压DCDC电压稳压器的简称。其基本原理如图1所示。MOS开关ABCD和电感组成了功率级电路。控制电路让ABCD按着一定的时序交替工作,在保持输出电压VOUT恒定的同时,利用储能原件电感将能量由输入VIN搬移的输出VOUT。
在VIN>>VOUT时,开关D一直导通C一直关断,开关AB交替导通关断。系统工作在简单的降压模式(BUCK模式)。在VIN<<VOUT时,开关A一直导通B一直关断,开关CD 交替导通关断。系统工作在简单的升压模式(BOOST模式)。当VIN接近VOUT时,需要开关ABCD按照特定的时序交替导通,系统工作在升降压模式(BUCK-BOOST模式)来保持 VOUT的恒定。
为了提高轻载时的效率,DCDC一般会都设计自动轻载模式。当负载很重时系统工作在连续导通(CCM)模式,当负载低到一定程度后,系统会自动进入轻载模式。在CCM模式时,DCDC保持工作频率不变,通过调整功率开关的占空比实现VOUT的稳压,电感电流随着负载线性变化。在轻载模式时,每个开关周期内的电感电流不再降低,功率级电路通过间歇式工作来保持VOUT的稳压。
近几年,BUCK-BOOST在电池供电的应用中得到了广泛的应用,很多厂家都在研发更可靠简单的CCM控制结构,同时BUCK-BOOST的轻载模式也变成了一个重要的功能。
2019年,美国德州仪器半导体公司推出了新一代的BUCK-BOOST。其系统框图如图2所示。该器件采用了固定off time,峰值电流模控制方式。外部电压环产生控制信号Vc,决定了电感电流的峰值。在电感充电阶段,电路通过开关A采样电感中的电流。当电感电流达到Vc所设定的电流时,充电阶段结束电路进入预设的off time时序。比较器COMP2检测开关D导通时的电压降,当发现电感电流在放电阶段放到0时,产生ZCD信号来关断功率开关管,使电感电流不能过负。
在轻载状况下,该器件工作在突发模式。功率级连续动作几个周期,再停止几个周期。在停止工作期间没有开关损耗,同时关掉内部的一些模块以降低静态损耗。其工作原理是用一个迟滞比较器对Vc进行检测,当Vc高于设定电压时功率级工作,当Vc低于设定电压时功率级停止工作。理想情况下设定电压的迟滞决定了VOUT端的电压纹波。相关的波形如图 3所示。
该方案的优点是电路比较简单。缺点是1>Vc节点有RC补偿用于保证环路的稳定性,当VOUT变化时,Vc信号存在比较长的延时。导致VOUT电压纹波变大。2>间歇模式的频率很低,一旦进入该轻载模式,系统就会因为电感和电容的振动而引起音频噪声。3>VOUT 的充放电斜率随VIN,VOUT和负载电流变化,因为Vc延时的存在,VOUT的DC值也会随着VIN,VOUT和负载电流变化。
发明内容
本发明针对上述问题,提出一种带有高精度低纹波轻载工作模式的BUCK-BOOST,上述传统方法,主要问题在于,通过监测Vc的实时电压值让功率级工作在间歇模式,由于环路的响应时间慢,VOUT会存在较大的电压纹波,VOUT的DC值也会随着VIN,VOUT和负载变化。并且一旦进入轻载模式,系统就存在音频噪声。
针对上述问题,本发明的技术方案是:
一种带有高精度低纹波轻载工作模式的BUCK-BOOST,其特征在于,所述BUCK-BOOST包括MOS开关A、MOS开关B、MOS开关C、MOS开关D、电感、差分放大器、第一比较器、第二比较器、定时器、V/I变换电路、钳位电路、延时电路,输入电压信号VIN经过MOS开关A、电感和MOS开关D后输出,MOS开关A与电感的连接点通过MOS开关B后接地,电感与MOS 开关D的连接点通过MOS开关C后接地;差分放大器的同相输入端接基准电压VREF,差分放大器的反相输入端接输出端采样的反馈电压VFB,差分放大器的输出经过V/I变换电路后分别输入钳位电路和延时电路,若V/I变换电路输入钳位电路的电流值小于钳位电路设定的电流值时,钳位电路输出设定的电流值到第一比较器的反相输入端,否则钳位电路输出V/I变换电路输入到钳位电路的电流值到第一比较器的反相输入端,第一比较器的同相输入端接电感电流采样信号,第一比较器输出PWM控制信号;所述延时电路输出的延迟时间随着输入电流的减小而增加,延迟结束后产生第三脉冲信号T3;定时器通过监测VIN和VOUT电压,产生第一脉冲信号T1和第二脉冲信号T2;第二比较器的同相输入端接MOS开关D的源极,第二比较器的反向输入端接MOS开关D的漏极,即第二比较器用于检测MOS开关D导通时的电压压降,第二比较器输出ZCD信号来关断功率开关管,使电感电流不会过负;通过第一脉冲信号T1、第二脉冲信号T2、第三脉冲信号T3、PWM控制信号和ZCD信号控制BUCK-BOOST,具体为:
当VIN>>VOUT时,工作在BUCK模式,此时第一脉冲信号T1不参与系统控制;在重载情况下,PWM为高时电感充电,PWM为低时电感放电,当PWM由高变低时,第二脉冲信号T2变低;当定时器计时结束后第二脉冲信号T2由低变高时,PWM和第三脉冲信号T3 变高,第三脉冲信号T3在下一次第二脉冲信号T2变高之前已经变低,同时ZCD信号一直为低;在轻载情况下,PWM为高时电感充电,PWM为低时电感放电,当电感电流过零时ZCD 变高,电感停止放电;第三脉冲信号T3的高电平延迟时间大于由第二脉冲信号T2决定的开关周期,开关动作由第三脉冲信号T3触发,当第三脉冲信号T3由高变低时,PWM变高,同时第三脉冲信号T3被置高开始下一次延时计时;
当VIN<<VOUT时,工作在BOOST模式,此时第二脉冲信号T2不参系统控制;在重载情况下,PWM信号为高时电感充电,PWM为低时电感放电;当PWM由高变低时,第一脉冲信号T1变低;当定时器计时结束后第一脉冲信号T1由低变高时,PWM和第三脉冲信号 T3变高,第三脉冲信号T3在下一次第一脉冲信号T1变高之前已经变低,同时ZCD一直为低;轻载情况下,PWM信号为高时电感充电,PWM为低时电感放电;当电感电流过零时ZCD 变高,电感停止放电;第三脉冲信号T3的高电平延迟时间大于由第一脉冲信号T1决定的开关周期,开关动作由第三脉冲信号T3触发,当第三脉冲信号T3由高变低时,PWM变高,同时第三脉冲信号T3被置高开始下一次延时计时;
当VIN接近VOUT时,工作在BUCK-BOOST模式;VIN低于VOUT时:在重载情况下, PWM信号为高时电感充电,PWM为低时电感放电;当PWM由高变低时,第一脉冲信号T1 变低,,电感两端的放电电压为VOUT-VIN;当定时器计时结束后第一脉冲信号T1由低变高时,第二脉冲信号T2变低电感开始第二阶段放电,电感两端的放电电压为VOUT;当定时器计时结束后第二脉冲信号T2由低变高时,PWM和第三脉冲信号T3变高;第三脉冲信号T3 在下一次第二脉冲信号T2变高之前已经变低,同时ZCD一直为低;在轻载情况下,PWM 信号为高时电感充电,PWM为低时电感放电;当电感电流过零时ZCD变高,电感停止放电;第三脉冲信号T3的高电平延迟时间大于由第一脉冲信号T1和第二脉冲信号T2决定的开关周期,开关动作由第三脉冲信号T3触发,当延时结束第三脉冲信号T3由高变低时,PWM 变高,同时第三脉冲信号T3被置高开始下一次延时计时,当PWM变低后,由第一脉冲信号 T1和第二脉冲信号T2控制电感的放电时序;VIN高于VOUT时:与VIN低于VOUT时的控制时序完全相同。
本发明的方案,用单脉冲模式取代间歇工作模式,在轻载模式下,功率级每次只工作一个周期,可以降低电压纹波;利用Vc信号去调制单脉冲模式的间隔时间,负载越轻,间隔时间越长。目的是功率级的工作频率随负载线性降低,只有在很轻载的时候才会进入音频。同时因为每次只工作一个周期,传递的能量小,该音频噪声也会远远低于图3所示方案的噪声。
本发明的有益效果是:因为不需要通过Vc检测VOUT的实时电压纹波,系统只是用Vc 的平均值去调制间隔时间,所以可以保证VOUT的电压精度不随VIN,VOUT和负载变化。
附图说明
图1为BUCK-BOOST简化框图;
图2为现有方案的系统简化框图;
图3为现有方案的轻载模式;
图4为本发明的带自动轻载模式的BUCK-BOOST系统框图;
图5为BUCK模式时的时序关系图,包括重载时CCM模式和轻载时单脉冲模式;
图6为BOOST模式时的时序关系图,包括重载时CCM模式和轻载时单脉冲模式;
图7为BUCK-BOOST模式时的时序关系图(VIN略低于VOUT),包括重载时CCM模式和轻载时单脉冲模式;
图8为BUCK-BOOST模式时的时序关系图(VIN略高于VOUT),包括重载时CCM模式和轻载时单脉冲模式。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
本发明的系统框图如图4所示。内部参考电压VREF和VOUT电压反馈信号通过差分放大后产生电压控制信号Vc,Vc经V/I变换产生电流控制信号IC和IPFM。IC信号通路上有一个钳位电路,当V/I变换的输出电流大于该钳位电路设定的值时,IC等于V/I变换的输出电流。当V/I变换的输出电流小于该钳位电路设定的值时,IC等于该设定值。比较器COMP1 对电感电流采样信号ISNS和IC进行比较,产生脉冲宽度调制信号PWM。TPFM是一个电流控制延时电路,延迟时间随着IPFM的减小而增加,延时结束后产生信号脉冲T3。Timer 电路通过监测VIN和VOUT电压,产生T1和T2信号,决定BUCK-BOOST的关断时间。比较器COMP2检测开关D导通时的电压降,当发现电感电流在放电阶段放到0时,产生ZCD 信号来关断功率开关管,使电感电流不会过负。
在重载情况下,Vc电压比较高所以IPFM和IC都比较大。TPFM产生的间隔时间小于由 T1,T2设定的开关周期。IPWM,T1和T2共同控制开关ABCD,实现VOUT的稳压。系统工作在CCM模式。
当负载很低时,随着Vc电压降低IC被钳位在最小电流值,每个开关周期的电感电流不再减小。IPFM随着Vc的下降而继续减小,TPFM产生的间隔时间会逐渐增大。当间隔时间大于由T1,T2设定的开关周期后,开关的起始动作由T3信号接手。系统自动进入单脉冲轻载模式。
如图5所示,当VIN>>VOUT时,DCDC工作在BUCK模式,此时T1不参系统控制。在重载情况下的时序如图所示,PWM信号为高时电感充电,PWM为低时电感放电。当PWM 由高变低时,T2变低;当Timer计时结束后T2由低变高时,PWM和T3变高。因为电感电流比较大,T3在下一次T2变高之前已经变低,同时ZCD一直为低。
在轻载情况下的时序如图所示,PWM信号为高时电感充电,PWM为低时电感放电。当电感电流过零时ZCD变高,电感停止放电。因为电感电流比较小,T3的高电平延迟时间大于由T2决定的开关周期,开关动作由T3触发。当T3由高变低时,PWM变高,同时T3被置高开始下一次延时计时。
如图6所示,当VIN<<VOUT时,DCDC工作在BOOST模式,此时T2不参系统控制。在重载情况下的时序如图所示,PWM信号为高时电感充电,PWM为低时电感放电。当PWM 由高变低时,T1变低;当Timer计时结束后T1由低变高时,PWM和T3变高。因为电感电流比较大,T3在下一次T1变高之前已经变低,同时ZCD一直为低。
在轻载情况下的时序如图所示,PWM信号为高时电感充电,PWM为低时电感放电。当电感电流过零时ZCD变高,电感停止放电。因为电感电流比较小,T3的高电平延迟时间大于由T1决定的开关周期,开关动作由T3触发。当T3由高变低时,PWM变高,同时T3被置高开始下一次延时计时。
当VIN接近VOUT时,DCDC工作在BUCK-BOOST模式。VIN略低于VOUT时的时序关系如图7所示。在重载情况下的时序如图所示,PWM信号为高时电感充电,PWM为低时电感放电。当PWM由高变低时,T1变低,,电感两端的放电电压为VOUT-VIN;当Timer 计时结束后T1由低变高时,T2变低电感开始第二阶段放电,电感两端的放电电压为VOUT。当Timer计时结束后T2由低变高时,PWM和T3变高。因为电感电流比较大,T3在下一次 T2变高之前已经变低,同时ZCD一直为低。
在轻载情况下的时序如图所示,PWM信号为高时电感充电,PWM为低时电感放电。当电感电流过零时ZCD变高,电感停止放电。因为电感电流比较小,T3的高电平延迟时间大于由T1和T2决定的开关周期,开关动作由T3触发。当延时结束T3由高变低时,PWM变高,同时T3被置高开始下一次延时计时。当PWM变低后,由T1和T2控制电感的放电时序。
VIN略高于VOUT时的BUCK-BOOST模式时序关系如图8所示。该情况的控制时序与VIN略低于VOUT时的时序完全相同。因为VIN略高于VOUT,电感电流会在T1阶段缓慢上升,ZCD只会发生在T2阶段。
Claims (1)
1.一种带有高精度低纹波轻载工作模式的BUCK-BOOST,其特征在于,所述BUCK-BOOST包括MOS开关A、MOS开关B、MOS开关C、MOS开关D、电感、差分放大器、第一比较器、第二比较器、定时器、V/I变换电路、钳位电路、延时电路,输入电压信号VIN经过MOS开关A、电感和MOS开关D后输出,MOS开关A与电感的连接点通过MOS开关B后接地,电感与MOS开关D的连接点通过MOS开关C后接地;差分放大器的同相输入端接基准电压VREF,差分放大器的反相输入端接输出端采样的反馈电压VFB,差分放大器的输出经过V/I变换电路后分别输入钳位电路和延时电路,若V/I变换电路输入钳位电路的电流值小于钳位电路设定的电流值时,钳位电路输出设定的电流值到第一比较器的反相输入端,否则钳位电路输出V/I变换电路输入到钳位电路的电流值到第一比较器的反相输入端,第一比较器的同相输入端接电感电流采样信号,第一比较器输出PWM控制信号;所述延时电路输出的延迟时间随着输入电流的减小而增加,延迟结束后产生第三脉冲信号T3;定时器通过监测VIN和VOUT电压,产生第一脉冲信号T1和第二脉冲信号T2;第二比较器的同相输入端接MOS开关D的源极,第二比较器的反向输入端接MOS开关D的漏极,即第二比较器用于检测MOS开关D导通时的电压压降,第二比较器输出ZCD信号来关断功率开关管,使电感电流不会过负;通过第一脉冲信号T1、第二脉冲信号T2、第三脉冲信号T3、PWM控制信号和ZCD信号控制BUCK-BOOST,具体为:
当VIN>>VOUT时,工作在BUCK模式,此时第一脉冲信号T1不参与系统控制;在重载情况下,PWM为高时电感充电,PWM为低时电感放电,当PWM由高变低时,第二脉冲信号T2变低;当定时器计时结束后第二脉冲信号T2由低变高时,PWM和第三脉冲信号T3变高,第三脉冲信号T3在下一次第二脉冲信号T2变高之前已经变低,同时ZCD信号一直为低;在轻载情况下,PWM为高时电感充电,PWM为低时电感放电,当电感电流过零时ZCD变高,电感停止放电;第三脉冲信号T3的高电平延迟时间大于由第二脉冲信号T2决定的开关周期,开关动作由第三脉冲信号T3触发,当第三脉冲信号T3由高变低时,PWM变高,同时第三脉冲信号T3被置高开始下一次延时计时;
当VIN<<VOUT时,工作在BOOST模式,此时第二脉冲信号T2不参系统控制;在重载情况下,PWM信号为高时电感充电,PWM为低时电感放电;当PWM由高变低时,第一脉冲信号T1变低;当定时器计时结束后第一脉冲信号T1由低变高时,PWM和第三脉冲信号T3变高,第三脉冲信号T3在下一次第一脉冲信号T1变高之前已经变低,同时ZCD一直为低;轻载情况下,PWM信号为高时电感充电,PWM为低时电感放电;当电感电流过零时ZCD变高,电感停止放电;第三脉冲信号T3的高电平延迟时间大于由第一脉冲信号T1决定的开关周期,开关动作由第三脉冲信号T3触发,当第三脉冲信号T3由高变低时,PWM变高,同时第三脉冲信号T3被置高开始下一次延时计时;
当VIN接近VOUT时,工作在BUCK-BOOST模式;VIN低于VOUT时:在重载情况下,PWM信号为高时电感充电,PWM为低时电感放电;当PWM由高变低时,第一脉冲信号T1变低,,电感两端的放电电压为VOUT-VIN;当定时器计时结束后第一脉冲信号T1由低变高时,第二脉冲信号T2变低电感开始第二阶段放电,电感两端的放电电压为VOUT;当定时器计时结束后第二脉冲信号T2由低变高时,PWM和第三脉冲信号T3变高;第三脉冲信号T3在下一次第二脉冲信号T2变高之前已经变低,同时ZCD一直为低;在轻载情况下,PWM信号为高时电感充电,PWM为低时电感放电;当电感电流过零时ZCD变高,电感停止放电;第三脉冲信号T3的高电平延迟时间大于由第一脉冲信号T1和第二脉冲信号T2决定的开关周期,开关动作由第三脉冲信号T3触发,当延时结束第三脉冲信号T3由高变低时,PWM变高,同时第三脉冲信号T3被置高开始下一次延时计时,当PWM变低后,由第一脉冲信号T1和第二脉冲信号T2控制电感的放电时序;VIN高于VOUT时:与VIN低于VOUT时的控制时序完全相同。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
CB02 | Change of applicant information |
Address after: Room 214, 1000 Chenhui Road, Pudong New Area, Shanghai, 200120 Applicant after: Shanghai Nanxin Semiconductor Technology Co.,Ltd. Address before: Room 214, 1000 Chenhui Road, Pudong New Area, Shanghai, 200120 Applicant before: SOUTHCHIP SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY (SHANGHAI) Co.,Ltd. |
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CB02 | Change of applicant information | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |