CN114285251A - 一种用于提升开关电源带载能力的电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提升开关电源带载能力的电路，在电流环中使用该结构，对电流采样模块输出的采样电流减去一个与斜坡补偿电压相关的直流电流的方法，去消除在PWM比较器翻转时的斜坡补偿量进而提升带载能力。本发明提出的电路通过采样模块将电感电流信息按比例采集成采样电流，再通过电阻转换为采样电压，通过电流减法电路将采样电流减去一个与斜坡补偿电压相关的直流电流从而降低采样电压，斜坡补偿电压随着占空比的增大而增大，因此，减去的直流电流也在随着占空比的变大而变大。最终通过电阻产生的采样电压值比传统结构下的更低，因此当误差放大器输出电压到达钳位电压后的电感电流峰值比传统结构下更高，从而获得更高的带载能力。

Description

一种用于提升开关电源带载能力的电路

技术领域

本发明属于模拟集成电路开关电源技术领域，涉及一种用于提升开关电源带载能力的电路。

背景技术

开关电源的控制模式主要为电压控制模式与电流控制模式，其调制模式主要有脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)、以及脉冲跨周期调制(PSM)。由于峰值电流模PWM模式下具有快速的动态响应、补偿网络简单、对电磁兼容的影响较弱、带载能力强等特点。因此近些年在开关电源设计中获得了广泛采用。但是在PWM峰值电流模控制模式中，当系统工作的占空比大于50％时，电感电流收到扰动后会产生次谐波震荡，引起电流内环的不稳定。针对这个问题，采用在电感电流采样电流转换成的采样电压上叠加一个斜坡电压来解决电流内环的不稳定问题，但是，叠加的斜坡电压即斜坡补偿技术会带来系统带载能力降低的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种用于提升开关电源带载能力的电路，旨在解决现有技术中叠加的斜坡电压即斜坡补偿技术会带来系统带载能力降低的缺陷性技术问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明提出的一种用于提升开关电源带载能力的电路，包括斜坡电压产生电路、电压采样电路、V-I转换电路和电流减法电路；

所述斜坡电压产生电路与所述电压采样电路相连，所述电压采样电路与所述V-I转换电路相连，所述V-I转换电路与所述电流减法电路相连；所述斜坡电压产生电路产生与斜坡补偿电压相同的斜坡电压，在每个周期末对斜坡电压进行刷新重置前，通过所述电压采样电路对斜坡补偿电压进行采样和保持，并将斜坡补偿电压的最终电压值作为下一周期产生直流电流的电压，再通过V-I转换电路将斜坡补偿电压转换为直流电流，根据电流采样模块采样出来的采样电流，通过所述电流减法电路将采样电流减去直流电流。

优选地，所述斜坡电压产生电路包括第一电流源Iref1、第二电流源Iref2、MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3及电容C1；第一电流源Iref1的输出接MOS管M2的源端，MOS管M2的漏端接MOS管M3的栅极、MOS管M1的漏端以及电容C1的一端，MOS管M2的栅极接主开关管的栅极信号，MOS管M1的源端接地，MOS管M1的栅极接开关电源控制系统的时钟信号，周期性对电容C1的两端压差进行刷新，MOS管M3的漏端接地，MOS管M3的源端接采样开关S1和第二电流源Iref2，第二电流源Iref2控制M3的V_{gs_M3}恒定。

优选地，所述电压采样电路包括开关S1和电容C2，开关S1的一端连接MOS管M3的源端，开关S1的另一端连接电容C2的一端以及V-I转换电路中MOS管M4的栅极，电容C2的另一端接地，开关S1导通后，电容C2上的电压与MOS管M3的源端电压相等，开关S1关断后，电容C2上电压保持为MOS管M3的源端电压。

优选地，所述V-I转换电路包括MOS管M4、MOS管M5、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8、MOS管M9、MOS管M10以及电阻R1，MOS管M4的栅极接电压采样电路的采样信号，MOS管M4的漏端接MOS管M6的漏端以及其栅极和MOS管M7的栅极，MOS管M6和MOS管M7的源端接电源电压，MOS管M7的漏端接MOS管M5的漏端以及MOS管M9的栅极，MOS管M9的源端接MOS管M5的栅极以及电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地，MOS管M9的漏端接MOS管M10的漏端和栅极以及MOS管M11的栅极，MOS管M10和MOS管M11的源端均接电源电压，MOS管M4和MOS管M5的源端接MOS管M8的漏端，MOS管M8的源端接地，栅极接偏置电压控制M8的电流大小，V-I转换电路最终转换的电流为I₁。

优选地，V-I转换电路最终转换的电流I₁的表达式如公式(1)所示：

其中，V₁为MOS管M5的栅极电压。

优选地，所述电流减法电路包括MOS管M11、MOS管M12、MOS管M13、MOS管M14、MOS管M15、MOS管M16、MOS管M0、电阻R2、电阻R0和一个第三电流源Iref3，第三电流源Iref3的输出连接MOS管M12的漏端和栅极以及MOS管M13的栅极，MOS管M12的源端接MOS管M14的漏端和栅极以及MOS管M15的栅极，MOS管M14和MOS管M15的源端接地，MOS管M15的漏端接MOS管M13的源端，MOS管M13的漏端接电阻R2的一端，电阻R2另一端接MOS管M11的漏端和MOS管M16的漏端以及栅极和MOS管M0的栅极，MOS管M16和MOS管M0的源端均接地，MOS管M0的漏端接电阻R0和电流采样模块的输出。

优选地，电流I₁包含V_{gs_M3}所增大的电流，增大的电流大小如公式(2)所示：

电流减法电路输出电流的表达式为：I′_dc＝I₁-I。

优选地，斜坡补偿电压随占空比的增大而增大。

优选地，流经电阻R0的电流转换为采样电压的电流为I′_sense＝I_sense-I′_dc，PWM比较器的翻转条件为：V_C＝(I_sense-I′_dc+I_slope+I_dc)R，即V_C＝(I_sense+I_dc)R，此时斜坡补偿不再对电感峰值电流产生影响。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出的一种用于提升开关电源带载能力的电路，随着补偿电压的上升，在电流采样模块采样出的电感电流减去一个与PWM比较器翻转时的斜坡补偿电压相关的直流电流，从而降低采样电压，使得在误差放大器输出最高值时的电感峰值电流上升，从而消除斜坡补偿对带载能力的影响。通过设置电流减法电路，使电感电流采样模块采样出来的采样电流减去一个随占空比增大而增大的直流电流，进而减小其采样电压，从而消除斜坡补偿对带载能力的影响，增大开关电源的带载能力。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为现有技术的误差放大器与本发明电路关系示意图。

图2为现有技术的斜坡补偿对带载能力影响示意图。

图3为本结构实现的具体电路图。

图4为本发明用于提升开关电源带载能力的方案结构图。

图5为本发明所减去的直流电流与占空比、时间变化之间的关系。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

传统电路中斜坡补偿对带载能力的影响在于：如图1所示，系统工作的一个周期内，输出电压经反馈网络后与基准电压比较后，经过误差放大器对其交流小信号进行放大，输出电压为V_c。采样电路采样出来电感电流信息经过采样电阻后转化为电压信号V_sense和斜坡补偿电压V_slope和保证PWM比较器正常工作的直流电压V_dc相叠加，V_c与三者相叠加的信号在PWM比较，当V_slope+V_sense+V_dc＝V_c时，PWM比较器输出信号翻转，通过SR触发器及驱动电路控制主开关管的关断，通过时钟信号控制SR触发器及驱动电路控制开关管的打开，以此来调整输出电压。

如图2所示，在V_c保持不变的情况下，随着V_slope的升高，将会带来V_sense的下降，进而带来电感峰值电流的下降，由于输出电流大小即带载能力受电感峰值电流影响，因此传统电路中由于斜坡补偿的存在会降低系统的输出电流能力，降低系统的带载能力。

本发明提出的一种用于提升开关电源带载能力的电路，能够消除斜坡补偿对带载能力影响从而提升DC-DC转换器带载能力，如图3和图4所示，为本发明提出的一种提升开关电源带载能力的电路的具体电路图，包括斜坡电压产生电路、电压采样电路、V-I转换电路和电流减法电路。

斜坡电压产生电路第一电流源Iref1，第二电流源Iref2，MOS管M1，MOS管M2、MOS管M3以及电容C1组成。第一电流源Iref1的输出接MOS管M2的源端，MOS管M2的漏端接MOS管M3的栅极、MOS管M1的漏端以及电容C1的一端，MOS管M2的栅极接主开关管的栅极信号，从而控制电容C1的充电时间，MOS管M1的源端接地，MOS管M1的栅极接开关电源控制系统的时钟信号，周期性对电容C1的两端压差进行刷新，MOS管M3的漏端接地，MOS管M3的源端接采样开关S1和第二电流源Iref2，第二电流源Iref2控制M3的V_{gs_M3}恒定。

电压采样电路由开关S1和电容C2组成，开关S1一端连接MOS管M3的源端另一端连接电容C2的一端以及V-I转换电路中MOS管M4的栅极，电容C2的另一端接地，开关S1导通后，电容C2上的电压与MOS管M3的源端电压相等，开关S1关断后，电容C2上电压保持为MOS管M3的源端电压。

V-I转换电路由MOS管M4、MOS管M5、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8、MOS管M9、MOS管M10，以及电阻R1组成，MOS管M4的栅极接电压采样电路的采样信号，MOS管M4的漏端接MOS管M6的漏端以及其栅极和MOS管M7的栅极，MOS管M6、MOS管M7的源端接电源电压，MOS管M7的漏端接MOS管M5的漏端以及MOS管M9的栅极，MOS管M9的源端接MOS管M5的栅极以及电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地，MOS管M9的漏端接MOS管M10的漏端和栅极以及MOS管M11的栅极，MOS管M10和MOS管M11的源端均接电源电压，MOS管M4和MOS管M5的源端接MOS管M8的漏端，MOS管M8的源端接地，栅极接偏置电压控制M8的电流大小，V-I转换电路最终转换的电流为I₁，V-I转换电路最终转换的电流为MOS管M5的栅极电压除以电阻R1的阻值产生，具体的，V-I转换电路最终转换的电流I₁的表达式：

其中，V₁为MOS管M5的栅极电压。

电流减法电路包括MOS管M11、MOS管M12、MOS管M13、MOS管M14、MOS管M15、MOS管M16、MOS管M0、电阻R0、电阻R2和一个第三电流源Iref3，第三电流源Iref3的输出连接MOS管M12的漏端和栅极以及MOS管M13的栅极，MOS管M12的源端接MOS管M14的漏端和栅极以及MOS管M15的栅极，MOS管M14和MOS管M15的源端接地，MOS管M15的漏端接MOS管M13的源端，MOS管M13的漏端接电阻R2的一端，电阻R2另一端接MOS管M11的漏端和MOS管M16的漏端以及栅极和MOS管M0的栅极，MOS管M16和MOS管M0的源端接地，MOS管M0的漏端接电阻R0和电流采样模块的输出，其最终减去的电流为MOS管M11漏端流出的电流减去第三电流源Iref3产生的电流。电流I₁包含V_{gs_M3}所增大的电流所增大的直流电流，增大的直流电流大小如

电流减法电路输出电流的表达式为：I′_dc＝I₁-I。流经电阻R0的电流转换为采样电压的电流为I′_sense＝I_sense-I′_dc，PWM比较器的翻转条件为：V_C＝(I_sense-I′_dc+I_slope+I_dc)R，即V_C＝(I_sense+I_dc)R，此时斜坡补偿不再对电感峰值电流产生影响。

本发明采用对采样电流减去一个直流电流来降低采样电流转换成的采样电压的方式来提高开关电源的带载能力，其具体步骤为：

步骤一：通过恒定电流源Iref1给电容C1充电，产生斜坡电压，MOS管M2的栅极信号为主开关管控制信号，通过M2管的导通和截至控制电容C1上的最终电压，使其与占空比呈线性关系，MOS管M1栅极接开关电源系统的时钟信号，对电容C1在每个周期结束前进行刷新，由于直接产生的斜坡电压值较小，无法满足V-I转换电路的共模输入范围因此通过源跟随器M3使其增大一个V_{gs_M3}。

步骤二：在每个周期对电容C1刷新前，通过开关S1闭合，对斜坡电压的最终电压值V₁进行采样并通过开关S1打开在电容C2上对所采样的电压进行保持。

步骤三：通过由MOS管M4～M10组成的V-I转换电路使该电压转换成电流I1，其大小等于

步骤四：由于源跟随器M3使斜坡补偿电压上升了一个V_{gs_M3}，因此所产生的电流I1也包含了由于V_{gs_M3}所增大的电流，增大的电流大小为：

因此需要通过M12～M15所构成的电流减法电路减去这部分电流，此时流过MOS管M16的电流为本发明所需的直流电流，

步骤五：MOS管M16产生的电流通过电流镜镜像到MOS管M0，由于流过M0的电流由采样电流I_sense提供，因此流过电阻R0转换为采样电压的电流为I_sense-I′_dc，此时PWM比较器的翻转条件是V_C＝(I_sense-I′_dc+I_slope+I_dc)R，即V_C＝(I_sense+I_dc)R，此时斜坡补偿不在对电感峰值电流产生影响，即消除了斜坡补偿对电感电流的影响，提高了带载能力。

本发明用于一种消除斜坡补偿对带载能力影响从而提升DC-DC转换器带载能力的技术，MOS管M0栅极接控制信号，该信号控制MOS管M0的电流大小如图5所示，使电感电流采样模块采样出来的采样电流减去如图5所示的一个随占空比增大而不断增大的直流电流，进而减小其采样电压，从而消除斜坡补偿对带载能力的影响，从而增大带载能力。

本发明对于提升开关电源带载能力的影响在于：随着补偿电压的升高，采样电流减去的直流电流也在逐渐增大。在误差放大器的输出电压V_c不变的情况下，随着斜坡补偿电压V_slope的升高，采样电压V_sense会随之下降，但是由于将采样电流减去了一个直流电流I′_dc，因此，实际的电感电流峰值为(I′_dc+I_sense)k，其中k为电感电流采样模块的采样比例，即电感峰值电流与传统电路相比较上升了I′_dc×k的大小，而这，也是斜坡补偿电流对带载能力影响的大小，由于采样模块采样对电感电流的采样系数不变，因此电感电流峰值会相应升高，从而消除由于系统引入斜坡补偿带来的带载能力降低的问题。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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 (9)

1.一种用于提升开关电源带载能力的电路，其特征在于，包括斜坡电压产生电路、电压采样电路、V-I转换电路和电流减法电路；

所述斜坡电压产生电路与所述电压采样电路相连，所述电压采样电路与所述V-I转换电路相连，所述V-I转换电路与所述电流减法电路相连；所述斜坡电压产生电路产生与斜坡补偿电压相同的斜坡电压，在每个周期末对斜坡电压进行刷新重置前，通过所述电压采样电路对斜坡补偿电压进行采样和保持，并将斜坡补偿电压的最终电压值作为下一周期产生直流电流的电压，再通过V-I转换电路将斜坡补偿电压转换为直流电流，根据电流采样模块采样出来的采样电流，通过所述电流减法电路将采样电流减去直流电流。

2.根据权利要求1所述的用于提升开关电源带载能力的电路，其特征在于，所述斜坡电压产生电路包括第一电流源Iref1、第二电流源Iref2、MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3及电容C1；第一电流源Iref1的输出接MOS管M2的源端，MOS管M2的漏端接MOS管M3的栅极、MOS管M1的漏端以及电容C1的一端，MOS管M2的栅极接主开关管的栅极信号，MOS管M1的源端接地，MOS管M1的栅极接开关电源控制系统的时钟信号，周期性对电容C1的两端压差进行刷新，MOS管M3的漏端接地，MOS管M3的源端接采样开关S1和第二电流源Iref2，第二电流源Iref2控制M3的V_{gs_M3}恒定。

3.根据权利要求2所述的用于提升开关电源带载能力的电路，其特征在于，所述电压采样电路包括开关S1和电容C2，开关S1的一端连接MOS管M3的源端，开关S1的另一端连接电容C2的一端以及V-I转换电路中MOS管M4的栅极，电容C2的另一端接地，开关S1导通后，电容C2上的电压与MOS管M3的源端电压相等，开关S1关断后，电容C2上电压保持为MOS管M3的源端电压。

4.根据权利要求3所述的用于提升开关电源带载能力的电路，其特征在于，所述V-I转换电路包括MOS管M4、MOS管M5、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8、MOS管M9、MOS管M10以及电阻R1，MOS管M4的栅极接电压采样电路的采样信号，MOS管M4的漏端接MOS管M6的漏端以及其栅极和MOS管M7的栅极，MOS管M6和MOS管M7的源端接电源电压，MOS管M7的漏端接MOS管M5的漏端以及MOS管M9的栅极，MOS管M9的源端接MOS管M5的栅极以及电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地，MOS管M9的漏端接MOS管M10的漏端和栅极以及MOS管M11的栅极，MOS管M10和MOS管M11的源端均接电源电压，MOS管M4和MOS管M5的源端接MOS管M8的漏端，MOS管M8的源端接地，栅极接偏置电压控制M8的电流大小，V-I转换电路最终转换的电流为I₁。

5.根据权利要求4所述的用于提升开关电源带载能力的电路，其特征在于，V-I转换电路最终转换的电流I₁的表达式如公式(1)所示：

其中，V₁为MOS管M5的栅极电压。

6.根据权利要求4所述的用于提升开关电源带载能力的电路，其特征在于，所述电流减法电路包括MOS管M11、MOS管M12、MOS管M13、MOS管M14、MOS管M15、MOS管M16、MOS管M0、电阻R2、电阻R0和一个第三电流源Iref3，第三电流源Iref3的输出连接MOS管M12的漏端和栅极以及MOS管M13的栅极，MOS管M12的源端接MOS管M14的漏端和栅极以及MOS管M15的栅极，MOS管M14和MOS管M15的源端接地，MOS管M15的漏端接MOS管M13的源端，MOS管M13的漏端接电阻R2的一端，电阻R2另一端接MOS管M11的漏端和MOS管M16的漏端以及栅极和MOS管M0的栅极，MOS管M16和MOS管M0的源端均接地，MOS管M0的漏端接电阻R0和电流采样模块的输出。

7.根据权利要求6所述的用于提升开关电源带载能力的电路，其特征在于，电流I₁包含V_{gs_M3}所增大的电流，增大的电流大小如公式(2)所示：

电流减法电路输出电流的表达式为：I′_dc＝I₁-I。

8.根据权利要求6所述的用于提升开关电源带载能力的电路，其特征在于，斜坡补偿电压随占空比的增大而增大。

9.根据权利要求8所述的用于提升开关电源带载能力的电路，其特征在于，流经电阻R0的电流转换为采样电压的电流为I′_sense＝I_sense-I′_dc，PWM比较器的翻转条件为：

即V_C＝(I_sense+I_dc)R，此时斜坡补偿不再对电感峰值电流产生影响。

Images