CN115001274A - 输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度控制buck转换器 - Google Patents

Abstract

一种输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度调制Buck转换器，其特征在于，包括第一开关管、第二开关管、功率电感、第一反馈电阻、第二反馈电阻、带隙基准模块、误差放大器、第一跨导放大器、第二跨导放大器、斜坡控制开关管、斜坡电容、比较器、振荡器、D触发器和驱动模块。本发明解决了传统的固定斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器瞬态响应速度慢以及线性调整率和负载调整率受限的问题。

Description

输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度控制BUCK转 换器

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度控制Buck转换器。

背景技术

在传统的固定斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器中，如图1所示，输出反馈电压V_FB与参考电压V_REF分别连接至误差放大器的负输入和正输入端，误差放大器输出误差放大信号V_C与固定的斜坡信号V_RAMP比较生成V_CoMP控制信号，每当时钟信号到来，脉宽调制信号输出高电平控制电感充电，并同时控制斜坡电容开始充电；当斜坡电压V_RAMP上升至V_C时，比较器的输出翻转为高电平控制电感放电，当下一个时钟信号到来时进入下一个充放电周期，从而控制Buck转换器。

传统的电压型脉冲宽度控制的Buck转换器由于工作频率固定，适合多相变换器的设计，而且内部斜坡对外部开关噪声和尖峰具有较强的鲁棒性。因此，电压型脉冲宽度控制的Buck转换器已成为一些高速DC-DC转换器的首选。但是，传统的固定斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器存在以下问题：(1)误差放大器采用大电容进行频率补偿，导致瞬态响应恶化。(2)采用固定斜坡，占空比只能通过V_C调节，所以V_C变化范围大从而导致V_OUT在不同输入输出情况下变化大，即线性调整率和负载调整率高。

发明内容

针对上述传统的固定斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器存在的瞬态响应速度受限以及线性调整率和负载调整率有限的问题，本发明提出了一种输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度调制Buck转换器，输入电压V_IN经过跨导放大器GM₁形成包含输入电压信息的斜坡充电电流，误差放大器EA的输出电压V_C经过跨导放大器GM₂形成包含输出信息的斜坡放电电流，斜坡斜率随输入输出变化而自适应调节以加速瞬态响应；同时自适应斜坡的稳态平衡和系统的稳态平衡共同形成了误差放大器输出电压V_C的负反馈调节环路，使得在各种输入输出条件下系统达到稳态后V_C几乎恒定，从而在各种输入输出条件下系统达到稳态后输出电压V_OUT的值变化更小，即改善了瞬态响应速度以及线性调整率和负载调整率。

本发明采用以下技术方案：

一种输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度调制Buck转换器，其特点在于，包括第一开关管、第二开关管、功率电感、第一反馈电阻、第二反馈电阻、带隙基准模块、误差放大器、第一跨导放大器、第二跨导放大器、斜坡控制开关管、斜坡电容、比较器、振荡器、D触发器和驱动模块；

所述第一开关管的一端连接所述Buck转换器的输入信号，另一端连接第二开关管的一端和功率电感的一端，所述第二开关管的另一端接地；

所述功率电感的另一端输出所述Buck转换器的输出信号并经串联的第一反馈电阻和第二反馈电阻后接地；

所述第一反馈电阻和第二反馈电阻的串联点连接所述误差放大器的负输入端，该误差放大器的正输入端连接带隙基准模块的参考电压输出端；

所述误差放大器的输出端接所述比较器的负输入端，该比较器的正输入端接斜坡电容的一端、斜坡控制开关管的一端和第二跨导放大器的输出端；

所述斜坡电容的另一端接地，斜坡控制开关管的另一端接第一跨导放大器的输出端；

所述第一跨导放大器的正向输入端接Buck转换器的输入信号，该第一跨导放大器的负向输入端接地，所述第二跨导放大器的正向输入端接所述误差放大器的输出信号，该第二跨导放大器的负向输入端接地；

所述比较器的输出端接所述D触发器的复位输入端，该D触发器的数据输入端接电源电压，该D触发器的时钟输入端接所述振荡器输出的时钟信号，D触发器的Q输出端输出占空比信号；

所述驱动模块根据所述占空比信号产生第一开关管和第二开关管的控制信号。

优选的，所述第一开关管和第二开关管为NMOS管，所述第一开关管的栅极和第二开关管的栅极分别连接所述驱动模块输出端，接收控制信号，所述第一开关管的漏极连接Buck转换器的输入信号，源极连接所述第二开关管的漏级，所述第二开关管的源极接地。

优选的，所述带隙基准模块，提供与所述Buck转换器的输出信号成比例的电压信号；所述振荡，提供所述Buck转换器系统工作频率下的时钟信号。

优选的，，所述第一跨导放大器的跨导值GM₁与所述第二跨导放大器的跨导值GM₂满足以下条件：

GM₁·V_OUT＝GM₂·V_C

式中，V_C为误差放大器输出电压值，V_OUT为所述Buck转换器的输出电压。

所述第一跨导放大器根据所述Buck转换器输入信号和地之间的电压，形成包含输入电压信息的斜坡电容充电电流；

所述第二跨导放大器根据所述误差放大器输出电压，形成包含输出电压信息的斜坡电容放电电流；

所述斜坡电容将包含所述Buck转换器输出电压信息的电流、包含Buck转换器输入电压信息的电流以及占空比信号联结起来，生成一个包含输出电压信息、输入电压信息和占空比信号信息的斜坡电压；

所述斜坡电容的斜坡斜率随输入输出电变化而自适应调节以加速瞬态响应。与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出一种输入输出共同调制的自适应斜坡脉冲宽度调制方案，自适应斜坡的斜率由Buck转换器的输入电压V_IN和误差放大器EA的输出电压V_C共同进行调制，前者形成包含输入电压V_IN信息的电流对斜坡电容充电，后者形成包含输出电压V_OUT信息的电流对斜坡电容放电，使得斜坡在各种输入输出情况下的斜坡斜率随之变化，以此加速线性和负载瞬态响应，有效的提升瞬态响应速度；输入输出共同调制的自适应斜坡的稳态平衡和系统的稳态平衡共同形成了误差放大器输出电压V_C的负反馈调节环路，使得误差放大器输出电压V_C在各种输入输出条件下稳定后几乎不变，由于V_C是Buck转换器输出电压V_OUT经过反向放大后的信号，因此在不同的输入和负载下变化更小，即有效的改善了线性调整率和负载调整率；综上所述，本发明解决了传统的固定斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器瞬态响应速度慢以及线性调整率和负载调整率受限的问题。

附图说明

图1为传统固定斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器电路示意图。

图2为本发明提出的输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器的电路示意图。

图3为本发明提出的输入输出共同调制的自适应斜坡产生电路示意图。

图4为本发明提出的输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器瞬态响应加速原理示意图。

图5为传统固定斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器负载电流阶跃的瞬态响应对比示意图。

图6为本发明提出的输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器负载电流阶跃的瞬态响应对比示意图

图7为本发明提出的输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度控制的

Buck转换器在不同输入电压和输出负载下的输出误差示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术进行详细描述。

本发明提出一种输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器，如图2所示，包括第一开关管M₁、第二开关管M₂、功率电感L、第一反馈电阻R_FB1、第二反馈电阻R_FB2、带隙基准模块BG、误差放大器EA、第一跨导放大器GM₁、第二跨导放大器GM₂、斜坡控制开关管M_s、斜坡电容C_RAMP、比较器COMP、振荡器OSC、D触发器DFF和驱动模块Driver；RL是Buck转换器的负载电阻，C₀是Buck转换器的输出电容、R_C0是电容C₀的ESR电阻(等效串联电阻)。

其中带隙基准模块BG用于提供参考电压信号，带隙基准模块BG输出参考电压值可以为Buck变换器输出电压值的五分之一或其他比例；同时带隙基准模块BG为其他模块提供镜像电流。振荡器OSC用于提供Buck转换器控制系统所需的工作频率时钟信号。第一跨导放大器的跨导值是一个固定值，第二跨导放大器的跨导值也是是一个固定值，两者通过Buck转换器的输入电压V_IN、占空比信号D、和误差放大器输出电压V_C共同决定，由平衡状态下斜坡电容的电荷守恒：

Q₁＝Q₂；

Q₁为单个周期内斜坡电容增加的电荷量，Q₂为单个周期内斜坡电容减少的电荷量，GM₁为第一跨导放大器的跨导值，GM₂为第二跨导放大器的跨导值，V_IN为Buck转换器的输入电压值，D为D触发器产生占空比信号的值，V_C为误差放大器输出电压值，C_RAMP为斜坡电容的电容值，由上述三式推导得：

GM₁·V_IN·D＝GM₂·V_C；

由B_uck转换器的系统公式可知

V_IN·D＝V_OUT；

V_OUT为Buck转换器的输出电压，所以综上有：

GM₁·V_OUT＝GM₂·V_C

所以当设定系统中V_OUT和V_C的值后，GM₁和GM₂的比例也得到确定。

如图2所示，第一开关管M₁的一端连接Buck转换器的输入信号V_IN，另一端连接第二开关管M₂的一端和功率电感L的一端；第二开关管M₂的另一端接地；功率电感L的另一端输出Buck转换器的输出信号V_OUT并通过第一反馈电阻R_FB1和第二反馈电阻R_FB2的串联结构接地；第一反馈电阻R_FB1和第二反馈电阻R_FB2的连接点连接至误差放大器EA的负输入端，误差放大器EA的正向输入端连接带隙基准模块BG的参考电压输出端V_REF；比较器COMP的负向输入端连接至误差放大器EA的输出端，比较器COMP的正向输入端连接斜坡电容C_RAMP的一端、斜坡控制开关M_S的一端和第二跨导放大器GM₂的输出端；斜坡电容C_RAMP的另一端接地，斜坡控制开关M_S另一端接第一跨导放大器GM₁的输出端；第一跨导放大器GM₁的正向输入端接Buck转换器输入信号V_IN，第二跨导放大器GM₂的正向输入端接误差放大器EA的输出信号V_C；比较器COMP的输出接D触发器的复位输入端，D触发器的数据输入端接电源电压，D触发器的时间输入端接振荡器OSC输出的时钟信号CLK，D触发器的Q输出端输出占空比信号D；驱动模块Driver根据占空比信号产生第一开关管M₁和第二开关管M₂的控制信号；第一开关管M₁和第二开关管M₂为NMOS管，第一开关管M₁和第二开关管M₂的栅极连接驱动模块Driver输出的控制信号第一开关管M₁的漏极连接Buck转换器的输入信号V_IN，其源极连接第二开关管M₂的漏级，第二开关管M₂的源极接地。

输入输出共同调制的自适应斜坡发生器的具体产生电路如图3所示，误差放大器的输出电压V_C经过一个Buffer后通过电阻R₁转换成电流，然后将该电流镜像对斜坡电容C_RAMP放电。该电路中，误差放大器的输出电压V_C的跨导为1/R₁。图3中的右侧电路用于实现Buck转换器输入信号V_IN的跨导转换。通路1和通路2具有相同的电流偏置，而节点A和B为共栅放大器的两个输入端，所以A和B处的电压相等。且电阻R₃和电阻R₄阻值相等，因此，通过电阻R₃和电阻R₄的电流相等，根据基尔霍夫电流定律可以得到I₁＝I₂。电阻R₂的阻值被设置为一个远大于电阻R₄和晶体管M₃导通电阻之和的值，所以Buck转换器的输入信号的等效跨导约为1/R₂。较大的R₂电阻值也有利于I₂的降低，从而提高功率效率。此外，为了进一步减少功耗，通路3和通路4均由占空比信号D控制，在每个周期内占空比信号为低时关断电流以节省能耗。

本发明的工作过程和工作原理如下：

第一分压电阻R_FB1和第二分压电阻R_FB2对输出电压V_OUT进行分压得到反馈电压V_FB，误差放大器EA将反馈电压V_FB与带隙基准模块BG提供的参考电压V_REF求差，并放大后产生误差放大信号V_C。

将与输出电压负相关的误差放大信号和地电压做差，得到包含输出信息的电流。第一跨导放大器GM₁根据Buck转换器输入信号和地之间的电压形成包含输入电压信息的电流I_CH。本发明通过将与输入电压成比例的电压信号与地电压作差，得到包含输入电压信息的电流。

每个时钟周期内，误差放大器输出电压V_C经过跨导放大器GM₂产生的电流I_DCH在整个周期内对斜坡电容C_RAMP放电；Buck转换器输入信号V_IN经过跨导放大器GM₁产生的电流I_CH在占空比信号D为高电平时对斜坡电容C_RAMP放电；在平衡状态下，一个周期内斜坡电容的充放电平衡。本发明通过斜坡电容将包含Buck转换器输出电压信息的电流、包含Buck转换器输入电压信息的电流以及占空比信号联结起来，生成一个包含输出电压信息、输入电压信息和占空比信号信息的斜坡电压。

每当振荡器OSC产生的窄脉宽时钟来临，D触发器的Q输出端置为高电平即占空比信号D为高，经过驱动模块Driver后控制第一开关管M₁导通、第二开关管M₂关闭，此时功率电感L充电电感电流增加，从而输出电压升高误差放大器输出电压V_C减小，与此同时斜坡电容C_RAMP充电电流大于放电电流，斜坡电压V_RAMP升高；当斜坡电压V_RAMP到达V_C时，比较器COMP输出电压V_COMP翻转为高电平即D触发器复位输入端为高电平，占空比信号D变为低电平经过驱动模块Driver后控制第一开关管关闭、第二开关管导通。当下一个时钟周期来临时，重复上述工作过程。

根据稳态下斜坡电容C_RAMP的电荷守恒有：

GM₁·V_IN·D＝GM₂·V_C

根据Buck转换器的系统转换公式有：

V_IN·D＝V_OUT

其中，第一跨导放大器的跨导值GM₁和第二跨导放大器的跨导值GM₂几乎为常数，因此，当占空比信号与Buck转换器输入信号的乘积D·V_IN稳态保持在输出电压V_OUT时，误差放大器的输出电压V_C几乎是常数。若某一时刻负载发生变化引起输出电压增大，那么稳态下占空比信号与Buck转换器输入信号的乘积D·V_IN也会增加，因此误差放大器的输出电压V_C必然增加。然而从系统环路来看，输出电压V_OUT是误差放大器EA的负输入端，当输出电压V_OUT增加时，误差放大器的输出V_C必然减小。由以上分析可知系统中形成了V_C的负反馈调节环路，因此误差放大器的输出电压V_C在系统稳定后的变化很小，故而输出电压V_OUT的变化更小，即本方案的自适应斜坡Buck电路具有良好的线性调整率和负载调整率。

本发明的输入输出共同调制的自适应斜坡的工作原理如图4所示。假设某一时刻负载由轻变重，可以观察到由于负载电流突然增加输出电压V_OUT突然下降，因而误差放大器EA的输出V_C将会增加，同时导致斜坡电容电压V_RAMP下降速度加快、上升速度减缓，故而电感充电时间增加、放电时间减少。如图4(a)所示，由于误差放大器输出电压V_C与斜坡电容电压V_RAMP斜率共同的变化，可以快速获得较大的占空比信号D，从而使输出电压V_OUT快速回升。同理，如图4(b)所示如果输出负载由重变轻，负载电流突然减少引起输出电压V_OUT突然增大，因而误差放大器的输出V_C将会减小，同时导致斜坡电容电压V_RAMP下降速度减缓、上升速度增加，故而可以快速获得较小的占空比信号D，使电感充电时间减少、放电时间延长，从而使输出电压V_OUT快速回落。

本发明的输入输出共同调制的自适应斜坡也可以抑制Buck转换器输入电压信号V_IN对输出电压V_OUT的影响。如图4(c)所示，当Buck转换器输入电压信号V_IN突降时，斜坡电容C_RAMP的充电电流I_CH减小导致斜坡电压V_RAMP上升斜率变小从而获取更大的占空比信号D来抵制输出电压V_OUT的下降；同理，图4(d)给出了Buck转换器输入电压V_IN骤升的情况，当Buck转换器输入电压V_IN骤升时，斜坡电容C_RAMP的充电电流I_CH增大导致斜坡电压V_RAMP的上升斜率变大从而获取更小的占空比信号D，以防止V_OUT的增加。综上所述，由于自适应斜坡的存在，环路中从V_C到脉宽控制信号D的响应更快、增益更高，Buck转换器的负载瞬态响应得到改善。

本实例的电路级仿真采用的是CSMC 0.25μm BCD工艺，并使用Cadence公司Spectre在ADE(模拟集成电路设计自动化仿真软件)环境下仿真得到。本发明的输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度调制Buck转换器与传统的固定斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器的负载瞬态响应仿真结果比较如图5和图6所示。

图5显示了传统的固定斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器的负载瞬态响应。以电路工作在1MHz开关频率下，Buck转换器输入电压信号为12V输出电压5V情况下为例，当固定斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器负载电流在1A和1.7A之间阶跃，输出电压过冲和欠压量分别为92.3mV和91.1mV，恢复时间分别为123μs和100μs。

图6显示了本发明提出的输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器的负载瞬态响应。同样以电路工作在1MHz开关频率下，Buck转换器输入电压信号为12V输出电压5V情况下为例，当本发明提出的自适应斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器负载电流在1A和1.7A之间阶跃，可以发现，输出电压过冲和欠压量分别降至32mV和35mV，恢复时间分别从123μs降至8μs和100μs降至8.3μs，降幅显著。由此可以看到本发明的输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器的负载瞬态响应速度得到有效提升。

图7显示了本发明提出的输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器的负载调整误差和线性调整误差，可以看到本发明的自适应斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器在负载电流变化范围为10mA～2A时，负载调节误差小于0.04％；输入电压变化范围为6V～65V时，线性调节误差小于0.014％。通过换算得到本发明提出的自适应斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器的线性调整率和负载调整率分别为12.4V/V和1.04mV/A。由此可以看到本发明提出的输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度控制的Buck转换器具有低线性调整率和低负载调整率的优势。

本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度调制Buck转换器，其特征在于，包括第一开关管、第二开关管、功率电感、第一反馈电阻、第二反馈电阻、带隙基准模块、误差放大器、第一跨导放大器、第二跨导放大器、斜坡控制开关管、斜坡电容、比较器、振荡器、D触发器和驱动模块；

所述第一开关管的一端连接所述Buck转换器的输入信号，另一端连接第二开关管的一端和功率电感的一端，所述第二开关管的另一端接地；

所述功率电感的另一端输出所述Buck转换器的输出信号并经串联的第一反馈电阻和第二反馈电阻后接地；

所述第一反馈电阻和第二反馈电阻的串联点连接所述误差放大器的负输入端，该误差放大器的正输入端连接带隙基准模块的参考电压输出端；

所述误差放大器的输出端接所述比较器的负输入端，该比较器的正输入端接斜坡电容的一端、斜坡控制开关管的一端和第二跨导放大器的输出端；

所述斜坡电容的另一端接地，斜坡控制开关管的另一端接第一跨导放大器的输出端；

所述第一跨导放大器的正向输入端接Buck转换器的输入信号，该第一跨导放大器的负向输入端接地，所述第二跨导放大器的正向输入端接所述误差放大器的输出信号，该第二跨导放大器的负向输入端接地；

所述比较器的输出端接所述D触发器的复位输入端，该D触发器的数据输入端接电源电压，该D触发器的时钟输入端接所述振荡器输出的时钟信号，D触发器的Q输出端输出占空比信号；

所述驱动模块根据所述占空比信号产生第一开关管和第二开关管的控制信号。

2.根据权利要求1所述的输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度调制Buck转换器，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管为NMOS管，所述第一开关管的栅极和第二开关管的栅极分别连接所述驱动模块输出端，接收控制信号，所述第一开关管的漏极连接Buck转换器的输入信号，源极连接所述第二开关管的漏级，所述第二开关管的源极接地。

3.根据权利要求1所述的输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度调制Buck转换器，其特征在于，所述带隙基准模块，提供与所述Buck转换器的输出信号成比例的电压信号；所述振荡，提供所述Buck转换器系统工作频率下的时钟信号。

4.根据权利要求1所述的输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度调制Buck转换器，其特征在于，所述第一跨导放大器的跨导值GM₁与所述第二跨导放大器的跨导值GM₂满足以下条件：

GM₁·V_OUT＝GM₂·V_C

式中，V_C为误差放大器输出电压值，V_OUT为所述Buck转换器的输出电压。

5.根据权利要求4所述的输入输出共同调制的自适应斜坡电压型脉冲宽度调制Buck转换器，其特征在于，

所述第一跨导放大器根据所述Buck转换器输入信号和地之间的电压，形成包含输入电压信息的斜坡电容充电电流；

所述第二跨导放大器根据所述误差放大器输出电压，形成包含输出电压信息的斜坡电容放电电流；

所述斜坡电容将包含所述Buck转换器输出电压信息的电流、包含Buck转换器输入电压信息的电流以及占空比信号联结起来，生成一个包含输出电压信息、输入电压信息和占空比信号信息的斜坡电压；

所述斜坡电容的斜坡斜率随输入输出电变化而自适应调节以加速瞬态响应。

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