CN114967829A - 一种用于斜坡补偿的电压电流转换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于模拟电路电源管理技术领域，具体涉及一种用于斜坡补偿的电压电流转换电路。本发明对振荡器电路自然产生的锯齿波电压信号，从PMOS管的栅极输入，源极输出，再通过紧凑的电流输入型运放结构使两条支路上PMOS管的源极电位相同，再通过另一条支路的栅漏短接的PMOS管，将锯齿波电压信号转移至两个PMOS管的漏极，通过电阻将锯齿波电压信号转成电流信号，再通过电流镜镜像电路使其与采样得到的电感电流信号进行叠加。本发明在斜坡补偿电路中未使用传统的运放结构，而使用简单的电流输入型运放结构实现锯齿波电压转换为电流，在集成电路设计中具有低面积和低成本优势。

Description

一种用于斜坡补偿的电压电流转换电路
技术领域
本发明属于模拟电路电源管理技术领域，具体涉及一种用于斜坡补偿的电压电流转换电路。
背景技术
电源管理芯片是为电子系统转换能量的心脏，它能够处理粗糙的电能，将它转换成更精细的能量提供给后续模块。日益增多的电气电子设备和复杂的使用场景对电源管理芯片提出了更加严苛的标准并且带来旺盛的市场需求。DC-DC开关变换器具有高效率、高驱动能力、输出电压灵活可调等优点，是一种广泛应用的电源管理方案。DC-DC变换器现广泛应用于航空航天、汽车电子、工业电子、移动终端、智能家居等领域。DC-DC变换器根据其输出电压范围可以分为降压变换器、升压变换器和降压升压变换器。
在降压变换器中，通过反馈环路来调节占空比使输出电压维持在设计值附近，当反馈网络检测到输出电压低于设计值时，控制电路会提高占空比，将更多的能量传递给输出端来提高输出电压值；反之，控制电路会降低占空比，减少传递到输出端的能量，降低输出电压值。借助反馈环路，降压变换器能够对输入电压改变和输出电流改变等情况进行自行调节，使得输出电压始终保持在设计值附近。定频控制即脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)，是开关变换器的控制方法中的一类，它主要包括电压模式(Voltage-mode)控制与电流模式(Current-mode)控制。峰值电流模控制是一种典型的电流模控制方式，它具有快速瞬态响应、补偿方案简单、带宽高等优点而被广泛应用。它能够通过采样网络得到变换器中的电感电流信息，并将电流信息转换成电压信息与运放输出端电压进行比较，输出比较结果产生占空比信号。但由于大占空比下的次谐波振荡以及电感平均电流波动等现象，需要在采样得到的电感电流上叠加斜坡补偿来避免上述现象产生。斜坡补偿方式通过电流进行叠加，这需要对斜坡补偿信号进行电压到电流信息的转换。
发明内容
本发明的目的是针对峰值电流模中，为了避免次谐波震荡现象而引入斜坡补偿方案需要电压转电流(V-I)来实现斜坡补偿电流与采样得到的电感电流进行叠加的需求。通过振荡器电路自然产生的锯齿波电压信号，使用紧凑的电流输入型的运放电路对电压信息粗略变换，使其最终叠加在电阻上产生锯齿波电流，再通过电流镜将该电流与采样得到的电感电流进行叠加。该方案使用简单的电路结构完成了锯齿波电压对电流转换，是一种低成本的方案。
本发明的技术方案是：对振荡器电路自然产生的锯齿波电压信号，从PMOS管的栅极输入，源极输出，再通过紧凑的电流输入型运放结构使两条支路上PMOS管的源极电位相同，再通过另一条支路的栅漏短接的PMOS管，将锯齿波电压信号转移至两个PMOS管的漏极，通过电阻将锯齿波电压信号转成电流信号，再通过电流镜镜像电路使其与采样得到的电感电流信号进行叠加。
具体所述电压转电流电路包括：PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4、MP5，NPN三极管NPN1、NPN2，电阻R1，电容C1。具体连接关系为：MP1、MP2、MP3源极和C1上极板连接电源电压VCCINT，MP1栅极连接电流偏置信号Vbias，NPN1基极集电极短接且与MP1漏极、MP2漏极和NPN2基极相连，MP3栅漏短接且与C1下极板、NPN2集电极和斜坡补偿电流偏置信号Vramp_I相连，NPN1射极与MP4源极相连，MP4栅极接锯齿波电压信号Vramp，MP5栅漏短接且与MP4漏极和R1上端相连，MP5源极与NPN2射极相连，R2下端接地电位。
具体所述电流信息叠加电路包括：PMOS管MP6、MP7、MP8、MP9、MP10，NMOS管MN1、MN2，电阻R1、R2。具体连接关系为：MP6、MP7、MP8源极连接电源电压VCCINT，MP6栅极接斜坡补偿电流偏置信号，MP6漏极和MP9源极相连，MP7栅漏短接且与MP10源极相连，MP8栅极连接电流偏置信号Vbias，MN2栅漏短接且与MP8漏极相连，MP9漏极接R3上端且输出斜坡补偿信号和电感电流信号的叠加信号Vsum，MP10栅漏短接且与MP9栅极和MN1漏极相连，R3下端与R2上端和电感电流信号VCS相连，R2下端、MN1源极、MN2源极接地电位。
本发明的优点是：在斜坡补偿电路中未使用传统的运放结构，而使用简单的电流输入型运放结构实现锯齿波电压转换为电流，在集成电路设计中具有低面积和低成本优势。
附图说明
图1本发明提出的一种用于斜坡补偿的V-I电路的具体电路图。
图2本发明提出的斜坡补偿电流与感应电感电流叠加电路的具体电路图。
注：名字以MP开头的晶体管为PMOS(P-Metal-Oxide-Semiconductor)管；名字以MN开头的晶体管为NMOS(N-Metal-Oxide-Semiconductor)管；名字以R开头的器件为电阻；名字以C开头的器件为电容。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述；
本发明提出的一种用于斜坡补偿的电压电流转换电路的具体电路图，如图1所示。由振荡器电路产生的斜坡补偿电压信号Vramp，通过MP4管栅极，经过PMOS管源跟随特性，抬升了VSGP压降，到达NPN1管射极。NPN1、NPN2、MP2、MP3和C1构成射极输入型运放结构，上方MP2和MP3构成电流镜使得两条支路电流相等，NPN1管采用基极集电极短接使得NPN1管和NPN2管具有相同的基极电位，电容C1的作用是对环路进行补偿，保证环路相位裕度充足，避免电路发生振荡。经过电流输入型运放的作用使得NPN2管射极电压和NPN1管射极电压相同，再通过二极管连接形式的MP5管将抬升VSGP压降的斜坡补偿电压信号再下降VSGP压降，使得MP5管漏极处电压值即V1点处与斜坡补偿电压信号Vrmap电压值相同且跟随变化。R1将V1点处与斜坡补偿相同变化的电压信号转变成电流，通过最上方MP3管的电流镜镜像给下一级电路使斜坡补偿与采样电感电流进行叠加。其中MP1管起到启动作用，防止自偏置电路在开始时电流为0，导致电路开始工作时很慢，因此需要加入一个固定电流来确保电路能够快速启动，该电流较于V转I电路产生的电流较小，基本不会影响电路的正常工作状态。
本发明提出的斜坡补偿电流与感应电感电流叠加电路的具体电路图，如图2所示。MP8接偏置电压引入偏置电流，通过下方MN2管将该偏置电流镜像给MN1管所在支路，MP7管采用栅漏短接，目的是使MP10管源极电位相较于VCCINT电源电压低一个VSGP的压降，注意到MP9管和MP10管构成电流镜，该方法可以让MP9管的源极电位接近MP10管的源极电位，并且MP6管的漏极电位更接近前一级电路中MP3管的漏极电位，使得MP6管镜像电压电流转换电路中的电流更加准确。镜像得来的电压电流转换电流，再电阻R3上变为斜坡补偿电压，该电压能够与采样电感电流得到的VCS电压信号进行叠加，叠加后的信号Vsum能够用于峰值电流模DCDC变换器环路中与运放输出信号进行比较产生占空比信号。
本发明的关键点在于通过振荡器电路自然产生的锯齿波电压信号，使用紧凑的电流输入型的运放电路对电压信息粗略变换，再通过PMOS管的栅源电压对电压信息进行抬升与下降，使斜坡补偿电压信息最终叠加在电阻上产生锯齿波电流，再通过电流镜将该电流与采样得到的电感电流进行叠加。该方案使用简单的电路结构完成了锯齿波电压对电流转换，是一种低成本的方案。

Claims (1)

1.一种用于斜坡补偿的电压电流转换电路，其特征在于，包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8、第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一NPN三极管NPN1、第二NPN三极管NPN2、电容；其中，第一PMOS管MP1的源极、第二PMOS管MP2的源极、第三PMOS管MP3的源极和电容的上极板连接电源电压，第一PMOS管MP1的栅极连接电流偏置信号Vbias，第一NPN三极管NPN1的基极和集电极短接且与第一PMOS管MP1的漏极、第二PMOS管MP2的漏极和第二NPN三极管NPN2的基极相连，第三PMOS管MP3的栅极和漏极短接且与电容下极板、第二NPN三极管NPN2的集电极和斜坡补偿电流偏置信号相连，第一NPN三极管NPN1的发射极与第四PMOS管MP4的源极相连，第四PMOS管MP4的栅极接锯齿波电压信号Vramp，第五PMOS管MP5的栅极和漏极短接且与第四PMOS管MP4的漏极和第一电阻R1的一端相连；第五PMOS管MP5的源极与第二NPN三极管NPN2的发射极相连，第一电阻R1的另一端接地电位；第六PMOS管MP6的源极、第七PMOS管MP7的源极、第八PMOS管MP8的源极连接电源电压，第六PMOS管MP6的栅极接斜坡补偿电流偏置信号，第六PMOS管MP6的漏极和第九PMOS管MP9的源极相连，第七PMOS管MP7的栅极和漏极短接且与第十PMOS管MP10的源极相连，第八PMOS管MP8的栅极连接电流偏置信号Vbias，第二NMOS管MN2的栅极和漏极短接且与第八PMOS管MP8的漏极相连，第九PMOS管MP9的漏极接第三电阻R3的一端且连接点输出斜坡补偿信号和电感电流信号的叠加信号，第十PMOS管MP10的栅极和漏极短接且与第九PMOS管MP9的栅极和第一NMOS管MN1的漏极相连，第三电阻R3的另一端与第二电阻R2的一端、电感电流信号相连，第二电阻R2的另一端、第一NMOS管MN1的源极、第二NMOS管MN2的源极接地电位。
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