CN114938139B - 一种基于双路径开关电流积分器的纹波控制Buck变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成电路领域与开关电源技术领域，具体来说是涉及一种基于双路径开关电流积分器的纹波控制Buck变换器。本发明基于纹波注入技术，采样基准电压和反馈电压之间的偏差电压，引入开关电流积分器对其放大并消除直流分量后叠加到反馈电压上，提高输出电压的精度。同时引入一条快速通路，将偏差电压直接叠加至基准上而不经过开关电流积分器，减小输出电压的下冲和过冲，并提升Buck变换器的瞬态响应速度。以全频率范围内环路稳定性作为设计基本准则，本文中设计的Buck变换器的输出电压精度和瞬态响应速度得到了有效的提升。

Description

一种基于双路径开关电流积分器的纹波控制Buck变换器
技术领域
本发明属于集成电路领域与开关电源技术领域，具体来说是涉及一种基于双路径开关电流积分器的纹波控制Buck变换器。
背景技术
基于纹波的恒定导通时间(Ripple-Based Constant On-Time，RB-COT)控制方式，需要输出电容的等效串联电阻(ESR)足够大来提供足够的电流信息，以此避免出现次谐波振荡。通常情况下，输出电容与输出电容的ESR的乘积要大于导通时间的一半。较大的ESR会使得重负载下的效率降低，同时增加输出电压的纹波。为了提高效率以及减低输出电压纹波，商业电源管理产品通常更倾向于使用ESR低、寿命长的陶瓷电容。因此，为了使RB-COT控制模式能在使用低ESR输出电容时避免出现次谐波振荡，正常工作，国内外的研究团队提出了多种方法。
一种方法是采样电感电流叠加到反馈电压上，如图1所示，该种方法能够有效避免输出电容太小带来的次谐波振荡问题，但是会使输出阻抗的稳态值不为零而是等效采样电阻Ri，从而使输出电压随着负载电流的变化而变化，而且当输出端电压与目标值有偏差时，反馈电压与基准电压之间也会存在偏差，这降低了输出电压的精度；并且，在负载阶跃时，电感电流和输出电压的变化趋势相反，这将增大输出电压的下冲和过冲，减缓瞬态响应速度。
发明内容
针对上述输出电压精度和瞬态响应速度的问题，本发明提出了一种双路径开关电流积分器纹波控制Buck变换器。将基准电压和反馈电压之间的偏差电压提取出来，并引入开关电流积分器对其进行放大处理。放大后的偏差电压叠加到基准电压之上作为环路比较器的控制端，有效提高了输出电压的精度。同时引入一条快速通路，将偏差电压直接叠加至基准上而不经过开关电流积分器，有效地减小输出电压的下冲和过冲，并使得Buck变换器的瞬态响应速度得到提升。
本发明的技术方案为：
一种双路径开关电流积分器纹波控制Buck变换器，包括COT控制主环路和精度与瞬态提升电路。
所述COT控制主环路包括第一开关管、第二开关管、功率电感、采样电阻、输出电容、第一反馈电阻、第二反馈电阻、驱动模块、Ton计时模块、环路比较器和第一加法器。
第一开关管的栅极连接到驱动模块的输出端，其漏极连接所述Buck变换器的输入电压源，其源极连接第二开关管的漏极并连接到功率电感的一端；
功率电感的另一端连接所述Buck变换器的输出端；
第二开关管的源极连接功率地；
输出电容连接到所述Buck变换器的功率地和输出端之间；
第一反馈电阻与第二反馈电阻串联并连接到所述Buck变换器的功率地和输出端之间，其串联节点连接到第一加法器的一个正输入端；
采样电阻采样电感电流并连接到第一加法器的一个正输入端；
环路比较器的负输入端连接至第一加法器的输出，其正输入端连接所述精度与瞬态提升电路中第三加法器的输出端，其输出端连接到Ton计时模块的输入端；
Ton计时模块的输出端连接到驱动模块的输入端。
所述精度与瞬态提升电路包括第二加法器、第一增益单元、第三加法器和开关电流积分器。
第二加法器的正输入端连接到基准电压源并连接到第三加法器的一个正输入端，其负输入端连接至上述第一反馈电阻与第二反馈电阻的串联节点；
第一增益单元的输入端连接第二加法器的输出端，其输出端连接第三加法器的一个输入端，其增益为K2。
开关电流积分器的输入端连接第二加法器的输出端，其输出端连接到第三加法器的一个输入端。
具体的，开关电流积分器包括第二增益单元、第一采样保持单元、第三增益单元、第四加法器、第二采样保持单元和第四增益单元。
第二增益单元的输入端连接第一采样保持单元的输入端并连接到开关电流积分器的输入端，其输出端连接第四加法器的一个输入端，其增益系数为2k；
第一采样保持单元的输出端连接第三增益单元的输入端；
第三增益单元的输出端连接到第四加法器的一个输入端，其增益系数为2k；
第二采样保持单元的输入端连接第四加法器的输出端并连接到第四增益单元的输入端，其输出端连接到第四加法器的一个输入端；
第四增益单元的输入端连接第四加法器的输出端，其输出端连接开关电流积分器的输出端，其增益系数为K1。
所述精度与瞬态提升电路的实施例包括第一积分单元、第二积分单元、第十一PMOS管、第十二PMOS管、第十三PMOS管、第十四PMOS管、第十五PMOS管、第十六PMOS管、第十七PMOS管、第十八PMOS管、第十五NMOS管、第十六NMOS管、第十七NMOS管、第十八NMOS管。
具体的，第一积分单元电路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第九PMOS管、第十PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管、第十NMOS管、第十一NMOS管、第十二NMOS管、第十三NMOS管、第十四NMOS管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第一传输门、第二传输门、第三传输门和第四传输门。
第一PMOS管的源极接第二PMOS管的漏极，其漏极接第二PMOS管的栅极并连接到第一积分单元电路的一个输入端IP，其栅极连接到偏置电压源Vbias1、第三PMOS管的栅极、第五PMOS管的栅极、第七PMOS管的栅极和第九PMOS管的栅极；
第二PMOS管的源极连接电源INTVCC，其栅极接第四PMOS管的栅极、第五电容的一端和第二传输门的一端；第五电容的另一端连接电源INTVCC；第二传输门的另一端接第六电容的一端和第六PMOS管的栅极；第六电容的另一端连接电源INTVCC；
第三PMOS管的源极接第四PMOS管的漏极，其漏极连接第五PMOS管的漏极、第七PMOS管的漏极、第五NMOS管的漏极、第七NMOS管的漏极、第九NMOS管的漏极、第十NMOS管的栅极、第十四NMOS管的栅极、第三电容的一端和第四传输门的一端；第三电容的另一端接地；第四传输门的另一端连接第十二NMOS管的栅极和第四电容的一端；第四电容的另一端接地；
第四PMOS管的源极连接电源INTVCC；
第五PMOS管的源极接第六PMOS管的漏极；
第六PMOS管的源极连接电源INTVCC；
第七PMOS管的源极接第八PMOS管的漏极；
第八PMOS管的源极连接电源INTVCC，其栅极接第七电容的一端和第三传输门的一端；第七电容的另一端连接电源INTVCC；第三传输门的另一端连接第九PMOS管的源极、第十PMOS管的栅极、第十PMOS管的漏极和第八电容的一端；第八电容的另一端连接电源INTVCC；
第九PMOS管的漏极连接第十一NMOS管的漏极；
第十PMOS管的源极连接电源INTVCC；
第一NMOS管的源极连接第二NMOS管的漏极和第二NMOS管的栅极，其栅极连接其漏极并连接到偏置电流源Ibias、第三NMOS管的栅极、第五NMOS管的栅极、第七NMOS管的栅极、第九NMOS管的栅极、第十一NMOS管的栅极、十三NMOS管的栅极和偏置电压源Vbias2；
第二NMOS管的源极接地；
第三NMOS管的源极接第四NMOS管的漏极，其漏极连接第一积分单元电路的一个输入端IN并连接第四NMOS管的栅极、第六NMOS管的栅极、第一电容的一端和第一传输门的一端；第一电容的另一端接地；第一传输门的另一端连接第八NMOS管的栅极和第二电容的一端；第二电容的另一端接地；
第四NMOS管的源极接地；
第五NMOS管的源极接第六NMOS管的漏极；
第六NMOS管的源极接地；
第七NMOS管的源极接第八NMOS管的漏极；
第八NMOS管的源极接地；
第九NMOS管的源极接第十NMOS管的漏极；
第十NMOS管的源极接地；
第十一NMOS管的源极接第十二NMOS管的漏极；
第十二NMOS管的源极接地；
第十三NMOS管的源极接第十四NMOS管的漏极，其漏极连接到第一积分单元电路的输出端IO；
第十四NMOS管的源极接地。
第二积分单元内部电路与第一积分单元内部电路相同；
第十一PMOS管的源极接第十二PMOS管的漏极，其漏极接第一积分单元的输出端、第十二PMOS管的栅极和第十四PMOS管的栅极，其栅极连接偏置电压源Vbias1、第十三PMOS管的栅极、第十六PMOS管的栅极、第十八PMOS管的栅极；
第十二PMOS管的源极连接电源INTVCC；
第十三PMOS管的源极接第十四PMOS管的漏极，其漏极接第二积分单元的输出端并连接到第十八PMOS管的漏极、第十七NMOS管的漏极和精度与瞬态提升电路的输出端；
第十四PMOS管的源极连接电源INTVCC；
第十五PMOS管的源极连接电源INTVCC，其漏极接第十六PMOS管的源极，其栅极接第十七PMOS管的栅极、第十六PMOS管的漏极和输入端IDP。
第十七PMOS管的源极连接电源INTVCC，其漏极接第十八PMOS管的源极；
第十五NMOS管的源极接第十六NMOS管的漏极，其栅极接第十七NMOS管的栅极并连接到偏置电压源Vbias2，其漏极接第十六NMOS管的栅极、第十八NMOS管的栅极并连接到输入端IDN。
第十六NMOS管的源极接地；
第十七NMOS管的源极接第十八NMOS管的漏极；
第十八NMOS管的源极接地。
本发明的有益效果为：本发明采用开关电流积分器，将提取出的基准电压和反馈电压之间的偏差电压放大，放大后的偏差电压叠加到基准电压之上作为环路比较器的控制端，有效提高了输出电压的精度。同时引入一条快速通路，将偏差电压直接叠加至基准上而不经过开关电流积分器，有效的减小了输出电压的下冲和过冲，提升Buck变换器的瞬态响应速度。
附图说明
图1传统电感电流纹波注入RB-COT模式DC-DC Buck变换器框图。
图2为本发明提出的一种基于双路径开关电流积分器的纹波控制Buck变换器。
图3为本发明中精度与瞬态提升电路在实施例中的具体电路图。
图4为本发明中开关电流积分单元在实施例中的具体电路图。
图5为本发明提出的Buck变换器在1.0MHz开关频率下，负载阶跃时输出电压、反馈电压和电感电流的仿真波形对比图。
图6为图5中负载上阶跃时输出电压和电感电流的仿真波形的放大图。
图7为图5中负载下阶跃时输出电压和电感电流的仿真波形的放大图。
具体实施方式
下面结合附图和仿真实例对本发明的技术方案进行详细的描述：
附图2为本发明所提出的一种基于双路径开关电流积分器的纹波控制Buck变换器的电路框图，本发明提出的Buck变换器包括COT控制主环路和精度与瞬态提升电路。COT控制主环路包括第一开关管M1、第二开关管M2、功率电感L、采样电阻Ri、输出电容CO、第一反馈电阻R1、第二反馈电阻R2、驱动模块Driver、Ton计时模块、环路比较器COMP和第一加法器。电阻RL是Buck变换器的负载电阻，CO是Buck变换器的输出电容，RCO是CO的等效串联电阻。
开关管M1和M2连接在电源和功率地之间，其连接处通过功率电感L连接到Buck变换器的输出端Vout。输出电容CO和其等效串联电阻RCO接在功率地和Buck输出端之间。第一反馈电阻R1与第二反馈电阻R2串联，其串联节点得到与Vout成正比的电压信息VFB。采样电阻Ri采样电感电流，并通过第一加法器与电压信息VFB相叠加。环路比较器COMP的负输入端接第一加法器的输出，其正输入端接精度与瞬态提升电路的输出。环路比较器COMP通过比较其正负输入端电压得到导通时间控制信号，进而控制Ton计时模块产生导通时间Ton。驱动模块Driver前接Ton计时模块，输出控制开关管M1和M2导通的栅极信号。
精度与瞬态提升电路由第二加法器、第一增益单元、第三加法器和开关电流积分器构成。第二加法器将VFB与Vref的差值电压转换为差分电流x[n]。开关电流积分器对x[n]进行滤波处理之后，输出积分电流到第三加法器的一个输入端。基准电压Vref与积分电流在第三加法器中叠加处理，以此来消除采样电阻Ri采样得到的电感电流纹波的直流值，最终提升输出电压的精度。第一增益单元(快速通路)直接对x[n]进行放大处理并输出电流信号到第三加法器的一个输入端，以此提升Buck变换器的瞬态响应速度。
开关电流积分器包括第二增益单元、第一采样保持单元、第三增益单元、第四加法器、第二采样保持单元和第四增益单元。第二增益单元与第三增益单元的增益系数均为2k。当前周期输出电压信息转化的电流信息x[n]经过第一采样保持单元得到上一周期电流信息x[n-1]，第四加法器的输出端为当前周期的输出结果y[n]，y[n]经过第二采样保持单元得到上一周期的输出结果为y[n-1]。x[n]与x[n-1]的和乘以增益系数2k后与y[n-1]叠加，得到的y[n]的表达式如下：
y[n]＝y[n-1]+2k·x[n]+2k·x[n-1] (1)
下面结合本实施例的工作原理来进一步描述本发明的技术方案：
附图3为精度与瞬态提升电路的实施例电路图。采用两个积分单元抵消直流分量，第一积分单元Inte1和第二积分单元Inte2对差分电流信号x[n]进行积分处理，第十一PMOS管MP11、第十二PMOS管MP12与第十三PMOS管MP13、第十四PMOS管MP14构成电流镜，将Inte1输出电流镜像后与Inte2输出电流取差，输出电流信号Iinte。瞬态增强电路通过第十七PMOS管MP17、第十八PMOS管MP18和第十七NMOS管MN17、第十八NMOS管MN18直接对差分电流信号x[n]镜像放大，取差后与电流信号Iinte叠加，输出电流信号ICO。
附图4为积分单元的实施例电路图。第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2都成二级管连接形式并提供偏置电流。第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2和第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2分别构成差分电流x[n]的输入端，第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4和第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6分别对差分电流镜像放大，之后取差得到信号k·x[n]。同样，第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4和第五NMOS管MN5、第六NMOS管MN6分别对差分电流镜像放大，但分别经过第二传输门TG2、第六电容C6和第一传输门、第二电容C2采样保持，取差后得到信号k·x[n-1]。第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8提供电流偏置，第九NMOS管MN9、第十NMOS管MN10将电流信号叠加后得到信号y[n]。第三传输门TG3、第八电容C8和第四传输门TG4、第四电容C4采样保持信号y[n]，通过第九PMOS管MP9和第十PMOS管MP10镜像成信号y[n-1]。最终电流k·x[n-1]、k·x[n]和y[n-1]在MN9的漏端叠加得到y[n]，并通过MN9、MN10和MN13、MN14构成的电流镜镜像到下一级。在每个第一开关管M1导通周期开启之前，传输门TG1、TG2、TG3和TG4导通一段较短时间。
利用仿真软件对本例的方法进行仿真分析，结果如下。
附图5为本发明提出的Buck变换器在1.0MHz开关频率下，负载阶跃时输出电压、电感电流和负载电流的仿真波形图。仿真条件：输入电压VIN＝12V，输出电压Vout＝1.8V，电感值L＝1.3uH，电容值CO＝100uF(等效串联电阻为0.1mΩ)，开关频率1.0MHz。在1ms处负载电流由1A阶跃变化到3A，在1.5ms处负载由3A阶跃变化到1A。从图5可以看出，该架构有稳定的响应波形。
附图6为本发明提出的Buck变换器在1.0MHz开关频率下，负载上阶跃时输出电压和负载电流的仿真波形图。仿真条件：输入电压VIN＝12V，输出电压Vout＝1.8V，电感值L＝1.3uH，电容值CO＝100uF(等效串联电阻为0.1mΩ)，开关频率1.0MHz。在1ms处负载电流由1A阶跃变化到3A。
附图7为本发明提出的Buck变换器在1.0MHz开关频率下，负载下阶跃时输出电压和负载电流的仿真波形图。仿真条件：输入电压VIN＝12V，输出电压Vout＝1.8V，电感值L＝1.3uH，电容值CO＝100uF(等效串联电阻为0.1mΩ)，开关频率1.0MHz。在1.5ms处负载电流由3A阶跃变化到1A。
从上述具体实施方式可知，本发明提出的一种基于双路径开关电流积分器的纹波控制Buck变换器很好的兼顾了响应速度和稳定性。

Claims (1)

1.一种基于双路径开关电流积分器的纹波控制Buck变换器，其特征在于，包括COT控制主环路和精度与瞬态提升电路；
所述COT控制主环路包括第一开关管、第二开关管、功率电感、采样电阻、输出电容、第一反馈电阻、第二反馈电阻、驱动模块、Ton计时模块、环路比较器和第一加法器；
第一开关管的栅极连接到驱动模块的输出端，其漏极连接Buck变换器的输入电压源，其源极连接第二开关管的漏极和功率电感的一端，功率电感的另一端连接Buck变换器的输出端；
第二开关管的源极连接功率地；
输出电容连接到Buck变换器的功率地和输出端之间；
第一反馈电阻与第二反馈电阻串联并连接到Buck变换器的功率地和输出端之间，其串联节点连接到第一加法器的一个正输入端；
采样电阻采样电感电流并连接到第一加法器的另一个正输入端；
环路比较器的负输入端连接至第一加法器的输出，环路比较器的正输入端连接至精度与瞬态提升电路的输出端，环路比较器的输出端连接到Ton计时模块的输入端；
Ton计时模块的输出端连接到驱动模块的输入端；
所述精度与瞬态提升电路包括第一积分单元、第二积分单元、第十一PMOS管、第十二PMOS管、第十三PMOS管、第十四PMOS管、第十五PMOS管、第十六PMOS管、第十七PMOS管、第十八PMOS管、第十五NMOS管、第十六NMOS管、第十七NMOS管、第十八NMOS管；
第一积分单元电路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、第九PMOS管、第十PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管、第十NMOS管、第十一NMOS管、第十二NMOS管、第十三NMOS管、第十四NMOS管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第一传输门、第二传输门、第三传输门和第四传输门；
第一PMOS管的源极接第二PMOS管的漏极，第一PMOS管的漏极接第二PMOS管的栅极并连接到第一积分单元电路的一个输入端IP，第一PMOS管的栅极连接到第一偏置电压源Vbias1、第三PMOS管的栅极、第五PMOS管的栅极、第七PMOS管的栅极和第九PMOS管的栅极；
第二PMOS管的源极连接电源INTVCC，其栅极接第四PMOS管的栅极、第五电容的一端和第二传输门的一端；第五电容的另一端连接电源INTVCC；第二传输门的另一端接第六电容的一端和第六PMOS管的栅极；第六电容的另一端连接电源INTVCC；
第三PMOS管的源极接第四PMOS管的漏极，第三PMOS管的漏极连接第五PMOS管的漏极、第七PMOS管的漏极、第五NMOS管的漏极、第七NMOS管的漏极、第九NMOS管的漏极、第十NMOS管的栅极、第十四NMOS管的栅极、第三电容的一端和第四传输门的一端；第三电容的另一端接地；第四传输门的另一端连接第十二NMOS管的栅极和第四电容的一端；第四电容的另一端接地；
第四PMOS管的源极连接电源INTVCC；
第五PMOS管的源极接第六PMOS管的漏极；
第六PMOS管的源极连接电源INTVCC；
第七PMOS管的源极接第八PMOS管的漏极；
第八PMOS管的源极连接电源INTVCC，其栅极接第七电容的一端和第三传输门的一端；第七电容的另一端连接电源INTVCC；第三传输门的另一端连接第九PMOS管的源极、第十PMOS管的栅极、第十PMOS管的漏极和第八电容的一端；第八电容的另一端连接电源INTVCC；
第九PMOS管的漏极连接第十一NMOS管的漏极；
第十PMOS管的源极连接电源INTVCC；
第一NMOS管的源极连接第二NMOS管的漏极和第二NMOS管的栅极，第一NMOS管的栅极连接其漏极并连接到偏置电流源Ibias、第三NMOS管的栅极、第五NMOS管的栅极、第七NMOS管的栅极、第九NMOS管的栅极、第十一NMOS管的栅极、十三NMOS管的栅极和第二偏置电压源Vbias2；
第二NMOS管的源极接地；
第三NMOS管的源极接第四NMOS管的漏极，第三NMOS管的漏极连接第一积分单元电路的一个输入端IN并连接第四NMOS管的栅极、第六NMOS管的栅极、第一电容的一端和第一传输门的一端；第一电容的另一端接地；第一传输门的另一端连接第八NMOS管的栅极和第二电容的一端；第二电容的另一端接地；
第四NMOS管的源极接地；
第五NMOS管的源极接第六NMOS管的漏极；
第六NMOS管的源极接地；
第七NMOS管的源极接第八NMOS管的漏极；
第八NMOS管的源极接地；
第九NMOS管的源极接第十NMOS管的漏极；
第十NMOS管的源极接地；
第十一NMOS管的源极接第十二NMOS管的漏极；
第十二NMOS管的源极接地；
第十三NMOS管的源极接第十四NMOS管的漏极，第十三NMOS管的漏极连接到第一积分单元电路的输出端IO；
第十四NMOS管的源极接地；
第二积分单元内部电路与第一积分单元内部电路相同；
第十一PMOS管的源极接第十二PMOS管的漏极，第十一PMOS管的漏极接第一积分单元的输出端、第十二PMOS管的栅极和第十四PMOS管的栅极，第十一PMOS管的栅极连接第一偏置电压源Vbias1、第十三PMOS管的栅极、第十六PMOS管的栅极、第十八PMOS管的栅极；
第十二PMOS管的源极连接电源INTVCC；
第十三PMOS管的源极接第十四PMOS管的漏极，第十三PMOS管的漏极接第二积分单元的输出端并连接到第十八PMOS管的漏极、第十七NMOS管的漏极和精度与瞬态提升电路的输出端；
第十四PMOS管的源极连接电源INTVCC；
第十五PMOS管的源极连接电源INTVCC，其漏极接第十六PMOS管的源极，第十五PMOS管的栅极接第十七PMOS管的栅极、第十六PMOS管的漏极和输入端IDP；
第十七PMOS管的源极连接电源INTVCC，其漏极接第十八PMOS管的源极；
第十五NMOS管的源极接第十六NMOS管的漏极，第十五NMOS管的栅极接第十七NMOS管的栅极并连接到第二偏置电压源Vbias2，第十五NMOS管的漏极接第十六NMOS管的栅极、第十八NMOS管的栅极并连接到输入端IDN；
第十六NMOS管的源极接地；
第十七NMOS管的源极接第十八NMOS管的漏极；
第十八NMOS管的源极接地。
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