CN113922793B - 一种可编程电流限的脉宽调制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于模拟集成电路中的开关电源芯片技术,特别涉及一种可编程电流限的脉宽调制电路,包括误差放大器输出和斜坡补偿信号采集电路、电流采样电路、脉宽调制器主电路,其中误差放大器输出的信号经过误差放大器输出和斜坡补偿信号采集电路进行电压转电流并对获取的电流信号进行补偿;补偿后的电流信号经过电流采样电流进行采样获取采样信号;采用信号输入脉宽调制器主电路进行脉宽调制;本发明的可编程电流限的脉宽调制电路通过精确采样功率管电流以及用电流方式叠加误差放大器信号和斜坡补偿信号,提高响应速度;提升脉宽调制电路的响应速度、开关电源芯片的工作速度;引入可编程电流限可以将此脉宽调制器电路应用于各种负载的开关电源芯片中。
Description
技术领域
本发明属于模拟集成电路中的开关电源芯片技术,特别涉及一种可编程电流限的脉宽调制电路。
背景技术
在开关电源领域,脉宽调制电路作用是将误差放大器的输出电平、斜坡补偿电平和电流采样信号输出叠加,产生用于控制功率管开关的信号。常规的脉宽调制电路工作框图如图1所示,主要包括PWM比较器,限流比较器Comp2,两输入与非门和死区时间控制缓冲器。脉宽调制电路的精度和延时直接决定占空比信号的精度,所以为了提升脉宽调制电路的速度,一般采用多级高速比较器实现,但是多级比较器结构相对复杂,增加设计难度;传统的电流采样电路一般有三种实现方式,1、在电流通路中引入电阻采样,此种方式实现简单,但是会引入较大的功耗,降低效率;2、利用功率管导通电阻采样,此种方法虽不会引入功率损耗,但是该方式精度低且开关切换时会产生噪声;3、积分采样电路,此种方式精度高、损耗低,但是设计难度大。
发明内容
为了提升开关电源芯片的响应速度,同时不使用运算放大器即可实现开关电流限的编程调节,提升应用范围,本发明提出一种可编程电流限的脉宽调制电路包括误差放大器输出和斜坡补偿信号采集电路、电流采样电路、脉宽调制器主电路,其中误差放大器输出的信号经过误差放大器输出和斜坡补偿信号采集电路进行电压转电流并对获取的电流信号进行补偿;补偿后的电流信号经过电流采样电流进行采样获取采样信号;采用信号输入脉宽调制器主电路进行脉宽调制。
进一步的,误差放大器输出和斜坡补偿信号采集电路包括第一P型三极管、第二P型三极管、第三P型三极管、第四P型三极管、第一N型三极管、第二N型三极管、第三N型三极管、第四N型三极管、第五N型三极管、第六N型三极管、第七N型三极管、第一电流源、第二电流源以及第一电阻,其中:
第一P型三极管的源极与第一电流源和第二P型三极管的源极连接,栅极与误差放大器输出连接,漏极与第一N型三极管的漏极和栅极以及第二N型三极管的栅极连接;
第二P型三极管的栅极与第四N型三极管的源极以及第一电阻的正端连接,漏极与第二N型三极管的漏极和第四N型三极管的栅极连接;
第一N型三极管的栅极与第二N型三极管的栅极连接,源极与地连接;
第二N型三极管的漏极与第二P型三极管的漏极和第四N型三极管的栅极连接,第二N型三极管的源极与地连接;
第三P型三极管的源极与电源连接,第三P型三极管的栅极和漏极均与第四P型三极管的栅极和第四N型三极管的漏极连接;
第四P型三极管的源极与电源连接,漏极与第五N型三极管的源极与斜坡补偿输出、第六N型三极管的漏极和栅极以及第七N型三极管的栅极连接,且第四N型三极管的漏极作为误差放大器输出和斜坡补偿信号采集电路的输出与脉宽调制器主电路连接;
第一电阻的负端与第三N型三极管栅极和漏极连接;
第三N型三极管的源极与地连接;
第五N型三极管的漏极与电源连接,栅极与第二电流源和第七N型三极管的漏极连接;
第六N型三极管的源极与地连接;
第七N型三极管的源极与地连接。
进一步的,误差放大器输出的电压信号转换为电流信号的过程包括:
其中,IEA_OUT为转换得到的电流信号;VEA_OUT为误差放大器输出的电压信号;R1为第一电阻的阻值;RMN3为第三N型三极管的阻值。
进一步的,对转换后得到的电流信号进行斜坡补偿得到的电流信号,即采集信号,表示为:
IDSMN6=IDSMP4+IDSMN5-ISLOPE;
其中,IDSMN6为采集信号;IDSMP4为转换得到的电流信号经镜像后得到的电流;IDSMN5为第五N型三极管的源极电流;ISLOPE为斜坡补偿电流。
进一步的,电流采样电路包括第十二N型三极管、第十三N型三极管、第十四N型三极管、第十五N型三极管、第十六N型三极管、第十七N型三极管、第十八N型三极管、第十九N型三极管、第二十N型三极管、第三电流源、第四电流源、第五电流源以及电感,其中:
第十二N型三极管的漏极与电源连接,栅极与DRIVER信号和第十三N型三极管的栅极连接,源极与电感正端和SW端连接;
第十三N型三极管的漏极与电源连接,源极与第十四N型三极管的漏极、第十五N型三极管的栅极和漏极、第十六N型三极管的源极连接;
第十四N型三极管的与偏置电压源连接,源极与脉宽调制器主电路连接;
第十五N型三极管的源极与SW连接,通过调节偏置电压源值实现对开关电流限的编程可调;
第十六N型三极管的栅极和漏极连接后与第十七N型三极管的栅极和漏极、第三电流源以及第十八N型三极管的栅极连接;
第十七N型三极管的源极与SW连接;
第十八N型三极管的漏极与第十九N型三极管的栅极、第二十N型三极管的栅极和第四电流源连接,源极与SW连接;
第十九N型三极管的漏极与第二十N型三极管的源极连接,源极与SW连接;
第二十N型三极管的漏极与第五电流源连接。
进一步的,电流采样电路输出的采样电流表示为:
其中,(W/L)MN13表示第十三N型三极管的栅宽W与栅长L的比值,(W/L)MN12表示第十二N型三极管的栅宽W与栅长L的比值,IL为电感电流。
进一步的,脉宽调制器主电路包括第八N型三极管,以及N个N型三极管和N个电阻,误差放大器输出和斜坡补偿信号采集电路作为输入与第八N型三极管的栅极连接,第八N型三极管的源极接地,第八N型三极管的漏极分别与N个N型三极管的源极连接;N个N型三极管的漏极分别与N个电阻中的一个电阻的负端连接,N个电阻的正端合并作为与电流采样电路的连接端,SPI信号与N个N型三极管的栅极连接,通过控制SPI信号控制N个电阻的阻值
本发明的可编程电流限的脉宽调制电路通过精确采样功率管电流以及用电流方式叠加误差放大器信号和斜坡补偿信号,提高响应速度;无运放式结构可以进一步提升脉宽调制电路的响应速度,提升开关电源芯片的工作速度;引入的可编程电流限可以将此脉宽调制器电路应用于各种负载的开关电源芯片中。
附图说明
图1为现有技术常规的脉宽调制电路工作框图;
图2为本发明一种可编程电流限的脉宽调制电路整体结构示意图;
图3为本发明一种可编程电流限的脉宽调制电路的一种具体实施方式;
图4为误差放大器输出和斜坡补偿信号采集电路工作原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种可编程电流限的脉宽调制电路,包括误差放大器输出和斜坡补偿信号采集电路、电流采样电路、脉宽调制器主电路,其中误差放大器输出的信号经过误差放大器输出和斜坡补偿信号采集电路进行电压转电流并对获取的电流信号进行补偿;补偿后的电流信号经过电流采样电流进行采样获取采样信号;采用信号输入脉宽调制器主电路进行脉宽调制。
实施例1
在本实施例中提出一种可编程电流限的脉宽调制电路的具体实现方式,该电路包括4个P型三极管MP1~MP4、20个N型三极管MN1~MN20以及4个R1~R4,其中:
MP1源极与电流源IB1和MP2源极连接、栅极与误差放大器输出EA_OUT连接、漏极与MN1的漏/栅极和MN2栅极连接;
MP2源极与电流源IB1和MP1源极连接、栅极与MN1源极和R1正端连接、漏极与MN2漏极和MN4栅极连接;
MN1栅/漏极与MN2栅极和MP1漏极连接、源极与地连接;
MN2漏极与MP2漏极和MN4栅极和R1正端连接、MN2栅极与MN1栅/漏和MP1漏极连接、MN2源极与地连接;
MP3源极与电源VREF连接、MP3栅/漏极与MP4栅极和MN4漏极连接;
MP4源极与电源连接、栅极与MP3栅/漏和MN4漏极连接、漏极与MN5源极和斜坡补偿输出Slope Compensation和MN6漏/栅极和MN7栅极和MN8栅极连接;
MN4源极与MP2栅极和R1正极连接、栅极与MP2漏极和MN2漏极连接、漏极与MP3漏/栅极连接和MP4栅极连接;R1正端与MP2栅极和MN4源极连接、R2负端与MN3栅/漏极连接;
MN3栅/漏与R1负极连接、MN3源极与地连接;
MN5漏极与电源VREF连接、栅极与电流源IB2和MN7漏极连接、源极与MP4漏极和斜坡补偿输出Slope Compensation和MN6漏/栅极和MN7栅极和MN8栅极连接;
MN6栅/漏与MP4漏极和斜坡补偿输出Slope Compensation和MN5源极和MN7栅极和MN8栅极连接、MN6源极与地连接;MN7漏极与电流源IB2和MN5栅极连接、栅极与MP4漏极和斜坡补偿输出Slope Compensation和MN5源极和MN6栅/漏极和MN8栅极连接、源极与地连接;
MN8漏极与MN9源极和MN10源极和MN11源极连接、MN8栅极与MP4漏极和斜坡补偿输出Slope Compensation和MN5源极和MN6栅/漏极和MN7栅极连接、MN8与地连接;MN9栅极与MN10栅极和MN11栅极和SPI信号连接、源极与MN10源极和MN11源极和MN8漏极栅极连接、漏极与R2负端连接;
MN10栅极与MN9栅极和MN11栅极和SPI信号连接、源极与MN9源极和MN11源极和MN8漏极栅极连接、漏极与R3负端连接;
MN11栅极与MN9栅极和MN10栅极和SPI信号连接、源极与MN9源极和MN10源极和MN8漏极栅极连接、漏极与R4负端连接;
R2正端与R3正端和R4正端和MN14源极连接、负端与MN9漏极连接;
R3正端与R2正端和R4正端和MN14源极连接、负端与MN10漏极连接;
R4正端与R2正端和R3正端和MN14源极连接、负端与MN11漏极连接;
MN12漏极与电源VIN连接、栅极与DRIVER信号和MN13栅极连接、源极与电感正端和SW端连接;
MN13漏极与电源连接、栅极与DRIVER信号和MN12栅极连接、源极与MN14漏极和MN15栅/漏极和MN16源极连接;
MN14漏极与MN13源极和MN15栅/漏极和MN16源极连接、栅极与偏置电压源VB1连接、源极与R2正端连接;
MN15栅/漏极与MN13源极和MN14漏极和MN16源极连接、源极与SW连接;
MN16栅/漏极与MN17栅/漏极和MN18栅极和电流源IB3连接、源极与MN13源极和MN14漏极和MN15栅/漏极连接;
MN17栅/漏极与MN16栅/漏极和电流源IB3连接、源极与SW连接;
MN18漏极与MN19栅极和MN20栅极和电流源IB4连接、栅极与MN16栅/漏极和MN17栅/漏极和电流源IB3连接、源极与SW连接;MN19漏极与MN20源极连接、栅极与MN18漏极和MN20栅极和电流源IB4连接、源极与SW连接;
MN20漏极与电流源IB5连接、栅极与MN18漏极和MN19栅极和电流源IB4连接、源极与MN19漏极连接。
其中MN13镜像功率管MN12的电流,完成对采样电流的复制,并转换为电流,实现电流采样;误差放大器输出通过电压-电流转换器MP1、MP2将误差放大器输出电压转换为电流信号,并与斜坡补偿信号相叠加,最终通过电流镜像的方式将误差放大器和斜坡补偿信号相叠加,随后电流采样信号、误差放大器信号和斜坡补偿信号进行电阻分压,决定脉宽调制比较器的翻转电平,完成脉宽调制过程;SPI信号可以控制电压R2、R3、R4的阻值,从而调整脉宽调制比较器的翻转电平,实现开关电流限的编程可调;偏置电压VB1由内部LDO产生,同样可以通过调整VB1的值实现对开关电流限的编程可调。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上,对附图2中给出电路以及误差放大器输出和斜坡补偿信号采集电路、电流采样电路、脉宽调制器主电路三个电路原理进行进一步说明。
误差放大器输出和斜坡补偿信号采集电路工作原理如图3所示,误差放大器信号经过电压转电流比较器后的信号为:
其中,IEA_OUT为转换得到的电流信号;VEA_OUT为误差放大器输出的电压信号;R1为第一电阻的阻值;RMN3为第三N型三极管的阻值。
该电流经镜像后与MN5的源极电流叠加,减去斜坡补偿电流,等到最终的采集信号为:
IDSMN6=IDSMP4+IDSMN5-ISLOPE (2)
其中,IDSMN6为采集信号;IDSMP4为转换得到的电流信号经镜像后得到的电流;IDSMN5为第五N型三极管的源极电流;ISLOPE为斜坡补偿电流。
电流采样电路由采样管MN13、功率管组成,相较于传统的电流采样电路,未采用电阻采样的方式,直接用电流镜像方式采样,采样精度更高,采样电流ISENSE的值为:
其中,(W/L)MN13表示MN13的栅宽W与栅长L的比值,(W/L)MN12表示MN12的栅宽W与栅长L的比值,IL为电感电流。
脉宽调制电路的工作原理包括:
当DRIVER信号为低时,MN12管关断,此时SW端电压为-Vschottky,MN13管关断,B点电压下拉到0,C点电压约为VGSMN17-Vschottky,MN16、MN17管关断,D端电压为VGSMN20+VDSMN19-Vschottky,PWM_OUT输出为低;
当DRIVER信号为高时,MN12管开启,此时SW端电压逐渐下降,MN13管开启,B点电压为VIN-VDSMN13,C端电压随着斜坡电流的作用逐渐增加,而SW端电压逐渐下降,当C端电压与SW端电压压差大于MN18开启阈值之后,MN18管开启,此时D点电压为VSW+VDSMN18,MN19、MN20管关断,PWM_OUT输出为高,完成一个周期的脉宽调制。
偏置电压源VB1的值直接决定斜坡电流的幅度与电流采样电路的比值,从而决定脉宽调制器的翻转阈值,通过对VB1的数字编程控制,从而实现开关电流限的编程可调,当VB1电压调高时,电流限上升,当VB1电压调低时,电流限上升。从而可以进一步提升本电路的应用范围。
以上所举实施例,对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明,所应理解的是,以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种可编程电流限的脉宽调制电路,其特征在于,包括误差放大器输出和斜坡补偿信号采集电路、电流采样电路、脉宽调制器主电路,其中误差放大器输出的信号经过误差放大器输出和斜坡补偿信号采集电路进行电压转电流并对获取的电流信号进行补偿;补偿后的电流信号经过电流采样电流进行采样获取采样信号;采样信号输入脉宽调制器主电路进行脉宽调制;
误差放大器输出和斜坡补偿信号采集电路包括第一P型三极管、第二P型三极管、第三P型三极管、第四P型三极管、第一N型三极管、第二N型三极管、第三N型三极管、第四N型三极管、第五N型三极管、第六N型三极管、第七N型三极管、第一电流源、第二电流源以及第一电阻,其中:
第一P型三极管的源极与第一电流源和第二P型三极管的源极连接,栅极与误差放大器输出连接,漏极与第一N型三极管的漏极和栅极以及第二N型三极管的栅极连接;
第二P型三极管的栅极与第四N型三极管的源极以及第一电阻的正端连接,漏极与第二N型三极管的漏极和第四N型三极管的栅极连接;
第一N型三极管的栅极与第二N型三极管的栅极连接,源极与地连接;
第二N型三极管的漏极与第二P型三极管的漏极和第四N型三极管的栅极连接,第二N型三极管的源极与地连接;
第三P型三极管的源极与电源连接,第三P型三极管的栅极和漏极均与第四P型三极管的栅极和第四N型三极管的漏极连接;
第四P型三极管的源极与电源连接,漏极与第五N型三极管的源极与斜坡补偿输出、第六N型三极管的漏极和栅极以及第七N型三极管的栅极连接,且第四N型三极管的漏极作为误差放大器输出和斜坡补偿信号采集电路的输出与脉宽调制器主电路连接;
第一电阻的负端与第三N型三极管栅极和漏极连接;
第三N型三极管的源极与地连接;
第五N型三极管的漏极与电源连接,栅极与第二电流源和第七N型三极管的漏极连接;
第六N型三极管的源极与地连接;
第七N型三极管的源极与地连接;
电流采样电路包括第十二N型三极管、第十三N型三极管、第十四N型三极管、第十五N型三极管、第十六N型三极管、第十七N型三极管、第十八N型三极管、第十九N型三极管、第二十N型三极管、第三电流源、第四电流源、第五电流源以及电感,其中:
第十二N型三极管的漏极与电源连接,栅极与DRIVER信号和第十三N型三极管的栅极连接,源极与电感正端和SW端连接;
第十三N型三极管的漏极与电源连接,源极与第十四N型三极管的漏极、第十五N型三极管的栅极和漏极、第十六N型三极管的源极连接;
第十四N型三极管的与偏置电压源连接,源极与脉宽调制器主电路连接;
第十五N型三极管的源极与SW连接,通过调节偏置电压源值实现对开关电流限的编程可调;
第十六N型三极管的栅极和漏极连接后与第十七N型三极管的栅极和漏极、第三电流源以及第十八N型三极管的栅极连接;
第十七N型三极管的源极与SW连接;
第十八N型三极管的漏极与第十九N型三极管的栅极、第二十N型三极管的栅极和第四电流源连接,源极与SW连接;
第十九N型三极管的漏极与第二十N型三极管的源极连接,源极与SW连接;
第二十N型三极管的漏极与第五电流源连接;
脉宽调制器主电路包括第八N型三极管,以及N个N型三极管和N个电阻,误差放大器输出和斜坡补偿信号采集电路作为输入与第八N型三极管的栅极连接,第八N型三极管的源极接地,第八N型三极管的漏极分别与N个N型三极管的源极连接;N个N型三极管的漏极分别与N个电阻中的一个电阻的负端连接,N个电阻的正端合并作为与电流采样电路的连接端,SPI信号与N个N型三极管的栅极连接,通过控制SPI信号控制N个电阻的阻值。
2.根据权利要求1所述的一种可编程电流限的脉宽调制电路,其特征在于,误差放大器输出的电压信号转换为电流信号的过程包括:
;
其中,IEA_OUT为转换得到的电流信号;VEA_OUT为误差放大器输出的电压信号;R1为第一电阻的阻值;RMN3为第三N型三极管的阻值。
3.根据权利要求1所述的一种可编程电流限的脉宽调制电路,其特征在于,对转换后得到的电流信号进行斜坡补偿得到的电流信号,即采集信号,表示为:
IDSMN6= IDSMP4+ IDSMN5- ISLOPE;
其中,IDSMN6为采集信号;IDSMP4为转换得到的电流信号经镜像后得到的电流;IDSMN5为第五N型三极管的源极电流;ISLOPE 为斜坡补偿电流。
4.根据权利要求1所述的一种可编程电流限的脉宽调制电路,其特征在于,电流采样电路输出的采样电流表示为:
;
其中,(W/L)MN13表示第十三N型三极管的栅宽W与栅长L的比值,(W/L)MN12表示第十二N型三极管的栅宽W与栅长L的比值,IL为电感电流。
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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 | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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