CN115498878A - 一种dc-dc转换器 - Google Patents

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Abstract

一种DC‑DC转换器，其特征在于：所述DC‑DC转换器工作于COT模式下；并且，所述DC‑DC转换器中包括最小关断时间控制单元，所述最小关断时间控制单元生成的最小关断时间可调，其基于所述DC‑DC转换器的占空比实现调节。本发明只对COT控制模式下最小关断时间单元进行了改进，根据占空比的大小调节最小关断时间，防止破坏反馈电压的原始控制逻辑，使得DC‑DC转换器的频率保持稳定。

Description

一种DC-DC转换器
技术领域
本发明涉及集成电路领域，更具体地，涉及一种DC-DC转换器。
背景技术
DC-DC(Direct Current-Direct Current，直流-直流)转换器作为一种能够转变输入电压并有效输出固定电压的电压转换器在集成电路中被广泛应用。目前，大量的DC-DC转换器采用恒定导通时间(Constant on-time，COT)控制模式来对DC-DC转换器的功率管开关状态进行控制。
现有技术中，通常需要在这类DC-DC转换器中设置一个最小关断时间电路，以防止每个周期中电感电流信号下降的时段内由于各类干扰或噪声而导致信号上升而提前开启高端功率管，从而导致DC-DC转换器的频率过快。
现有技术中通常将最小关断时间设置为常量，然而这存在一定的问题，由于DC-DC转换器所接入的后级负载的用电情况是不能够完全确定的，后级负载的状态也可能随时发生变化，这使得DC-DC转换器的实际工作占空比会在0至1的范围内存在较大的变化。
当占空比取值较小时，为了确保最小关断时间的设置不会影响DC-DC转换器电压的稳定，需要将最小关断时间设计的较小。然而，当占空比较大时，DC-DC转换器在每个周期内的关断时间较长，取值过小的最小关断时间并不足以约束正在下降的电感电流不会因噪声或干扰而发生充分的升高，并导致DC-DC转换器提前进入下一个周期，这将导致DC-DC转换器的抗噪声性能较差，频率异常升高的问题的发生。
针对这种问题，本发明中提出了一种新的DC-DC转换器。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种DC-DC转换器，根据占空比的大小来动态调节最小关断时间，从而防止DC-DC转换器的功率异常升高。
本发明采用如下的技术方案。
一种DC-DC转换器，工作于COT模式下；并且，DC-DC转换器中包括最小关断时间控制单元，最小关断时间控制单元生成的最小关断时间可调，其基于DC-DC转换器的占空比实现调节。
优选的，DC-DC转换器包括反馈单元、导通时间控制单元、最小关断时间控制单元、逻辑模块、功率管、电感、电容；其中，反馈单元，用于接收输出电压在分压电阻作用下生成的反馈电压Vfb，并与参考电压进行比较以生成第一控制信号OUT1；导通时间控制单元，用于接收DC-DC转换器的输入电压与输出电压，并生成导通时间控制信号OUT2；最小关断时间控制单元，用于接收DC-DC转换器的输入电压与输出电压、导通时间控制信号OUT2，并生成最小关断时间控制信号OUT3；逻辑单元基于第一控制信号OUT1、导通时间控制信号OUT2、最小关断时间控制信号OUT3的控制导通或关断功率管，以在电感和电容的作用下实现输出电压的稳定。
优选的，最小关断时间控制单元包括第一接收单元、第二接收单元、电流镜、参考电压生成单元、计时电压生成单元和第一比较器；其中，第一接收单元和第二接收单元分别与镜像单元连接，用于将输入电压和输出电压分别转换为第一电流和第二电流；参考电压生成单元，与电流镜连接，实现对于第一电流和第二电流之差电流的接收，并基于差电流生成参考电压；计时电压生成单元，与电流镜连接，实现对第一电流的接收，并根据计时电容的充放电速度实现计时电压的生成；第一比较器，分别与参考电压生成单元和计时电压生成单元连接并比较参考电压与计时电压的大小，以生成最小关断时间控制信号。
优选的，第一接收单元与所述第二接收单元结构相同，均包括运放、电阻和NMOS管；其中，运放的正相输入端作为信号接收端，负相输入端分别与电阻的一端、NMOS管的源极连接，输出端与NMOS管的栅极连接；电阻的另一端接地，NMOS管的漏极作为信号发送端。
优选的，电流镜包括第一镜像PMOS管、第二镜像PMOS管和第三镜像PMOS管；其中，第一镜像PMOS管、第二镜像PMOS管和第三镜像PMOS管的源极均接入电源电压，栅极相互连接并与第一接收单元的信号发送端连接；第一镜像PMOS管的漏极也接入第一接收单元的信号发送端，第二镜像PMOS管的漏极接入第二接收单元的信号发送端，并与参考电压生成单元连接，第三镜像PMOS管的漏极与计时电压生成单元和第二比较器分别连接。
优选的，参考电压生成单元包括偏置管和分压电阻；其中，偏置管的源极与第二镜像PMOS管的漏极连接，栅极接入偏置电压，漏极经过分压电阻后接地；其中，分压电阻生成参考电压，并输入至第二比较器的负相输入端。
优选的，计时电压生成单元包括计时电容、开关管、反相器；其中，开关管的源漏极与计时电容的上下极板并联，并接入至第三镜像PMOS管的漏极、第二比较器的正相位输入端与低电平之间；导通时间控制信号OUT2经过反相器后输入至开关管的栅极。
优选的，当第一控制信号OUT1切换至高电平状态时，逻辑模块控制高端功率管导通，导通时间控制单元开始计时；当第二控制信号OUT2切换至高电平状态时，逻辑模块控制高端功率管关断，最小关断时间控制单元开始计时；在最小关断时间控制单元计时过程中，最小关断时间控制信号OUT3始终处于低电平状态，以保证高端功率管始终关断。
优选的，最小关断时间随DC-DC转换器的实际关断时间的变化而变化；其中，Tmin＝k·Toff，
Figure BDA0003847692260000031
R1为分压电阻的电阻值，C1为计时电容的电容值，T为DC-DC转换器中功率管的切换周期。
优选的，最小关断时间为Tmin＝(1-D)·R1·C1，其中D为DC-DC转换器的占空比。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中的一种DC-DC转换器，能够根据占空比的大小来动态调节最小关断时间，从而防止DC-DC转换器的功率异常升高。本发明方法简单，只对COT控制模式下最小关断时间单元进行了改进，使得最小关断时间的取值不再为常量，而是能够根据占空比的大小来进行调节，使得在占空比较大时，自动降低最小关断时间，防止破坏反馈电压的原始控制逻辑，而在占空比较小时，自动延长最小关断时间，防止噪声或干扰等的影响使得DC-DC转换器的频率不够稳定。
附图说明
图1为现有技术中一种DC-DC转换器中COT控制电路的电路结构示意图；
图2为现有技术中一种DC-DC转换器在占空比较大时电感电流一周期内的信号时序图；
图3为现有技术中一种DC-DC转换器在占空比较小时电感电流一周期内的信号时序图；
图4为本发明中一种DC-DC转换器中最小关断时间控制单元的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
图1为现有技术中一种DC-DC转换器中COT(恒定导通时间，Constant on-time)控制电路的电路结构示意图。如图1所示，本发明中的DC-DC转换器也采用相同的电路结构，而只是在最小关断时间控制单元中进行了修改。
具体来说，本发明中的一种DC-DC转换器，DC-DC转换器工作于COT模式下；并且，DC-DC转换器中包括最小关断时间控制单元，最小关断时间控制单元生成的最小关断时间可调，其基于DC-DC转换器的占空比实现调节。
优选的，DC-DC转换器包括反馈单元、导通时间控制单元、最小关断时间控制单元、逻辑模块、功率管、电感、电容；其中，反馈单元，用于接收输出电压在分压电阻作用下生成的反馈电压Vfb，并与参考电压进行比较以生成第一控制信号OUT1；导通时间控制单元，用于接收DC-DC转换器的输入电压与输出电压，并生成导通时间控制信号OUT2；最小关断时间控制单元，用于接收DC-DC转换器的输入电压与输出电压、导通时间控制信号OUT2，并生成最小关断时间控制信号OUT3；逻辑单元基于第一控制信号OUT1、导通时间控制信号OUT2、最小关断时间控制信号OUT3的控制导通或关断功率管，以在电感和电容的作用下实现输出电压的稳定。
可以理解的是，本发明中的电路结构与现有技术中通用的DC-DC转换器的结构类似，都包括逻辑单元、高端功率管Mp0、低端功率管Mn0、电感电流L、输出电容Cout。另外，本发明中COT模式下，功率管的导通和关断可以基于反馈电压Vfb和第一比较器COMP来实现。反馈电压Vfb是输出电压在电阻R1和R2之间的分压，而反馈电压Vfb与参考电压Vref进行比较后，生成第一控制信号OUT1，该控制信号OUT1能够实现对逻辑模块的控制，并在Vfb较小时，导通Mp0，关断Mn0，在Vfb较大时进行相反的操作。
优选的，当第一控制信号OUT1切换至高电平状态时，逻辑模块控制高端功率管导通，导通时间控制单元开始计时；当第二控制信号OUT2切换至高电平状态时，逻辑模块控制高端功率管关断，最小关断时间控制单元开始计时；在最小关断时间控制单元计时过程中，最小关断时间控制信号OUT3始终处于低电平状态，以保证高端功率管始终关断。
本发明中，另外的逻辑还包括导通时间控制信号OUT2，本发明中可以采用现有技术中各种的导通时间控制单元的电路结构来实现该单元，该单元可以对导通时间进行计时。具体的，当OUT1翻转为高电平时，该单元开始计时，在计时过程中，OUT2信号始终保持在低电平状态下，而当计时结束，OUT2会翻转为高电平，从而将高端功率管Mp0关断，Mn0导通。
当OUT2翻转为高电平时，会提示最小关断时间控制单元开始工作，该电路开始计时，并在计时结束前都约束逻辑模块不会开启高端功率管Mp0。在该单元计时结束后，如果第一比较器COMP输出信号发生了翻转，则可以实现下一个周期的重新开启，使得电路中的功率管循环往复开启和关断。
图2为现有技术中一种DC-DC转换器在占空比较大时电感电流一周期内的信号时序图。如图2所示，需要说明的是，当DC-DC转换器的占空比较大时，为了确保后级负载能够接收到足够的电能，本发明应当确保DC-DC转换器的最小关断时间小于图2中的Toff。
图3为现有技术中一种DC-DC转换器在占空比较小时电感电流一周期内的信号时序图。如图3所示，当DC-DC转换器的占空比较小时，高端功率管在相对较短的时间内导通，并在相对较长的时间内关断。此时，如果电路采用相同的最小关断时间，也就是图3中的t1，则最小关断时间对Toff的约束则过短。当电感电流受到各种噪声的干扰时，很有可能出现电感电流突然升高或突然降低的情况，一旦电感电流快速降低时，就有可能导致第一比较器发生翻转，从而使得在最小关断时间结束后，电路无法继续正常的关断操作，并提前进入到下一个周期中。
图4为本发明中一种DC-DC转换器中最小关断时间控制单元的电路结构示意图。如图4所示，优选的，最小关断时间控制单元包括第一接收单元、第二接收单元、电流镜、参考电压生成单元、计时电压生成单元和第二比较器；其中，第一接收单元和第二接收单元分别与镜像单元连接，用于将输入电压和输出电压分别转换为第一电流和第二电流；参考电压生成单元，与电流镜连接，实现对于第一电流和第二电流之差电流的接收，并基于差电流生成参考电压；计时电压生成单元，与电流镜连接，实现对第一电流的接收，并根据计时电容的充放电速度实现计时电压的生成；第二比较器，分别与参考电压生成单元和计时电压生成单元连接并比较参考电压与计时电压的大小，以生成最小关断时间控制信号。
可以理解的是，在本发明中，通过改进了最小关断时间控制单元，可以使得最小关断时间发生变化，从而更加准确的生成输出电压。
本发明中的最小关断时间控制单元的主要思路是分别将输入电压Vin和输出电压Vout转换为相应的电流，对该电流求差后，通过电阻实现一个差电流的参考电压。而输入电压Vin转换的相应电流经过电容C1后对电容实现缓慢的充放电过程，并基于电容的缓慢充放电过程实现计时。当电容上极板上的电压缓慢升高到参考电压时，第二比较器的输出会发生翻转，从而使得最小关断时间控制单元完成计时。
优选的，第一接收单元与第二接收单元结构相同，均包括运放、电阻和NMOS管；其中，运放的正相输入端作为信号接收端，负相输入端分别与电阻的一端、NMOS管的源极连接，输出端与NMOS管的栅极连接；电阻的另一端接地，NMOS管的漏极作为信号发送端。
可以理解的是，当NMOS管处于导通状态时，忽略NMOS管的自身电阻，运放处于负反馈状态下，接收单元的输出电流为信号接收端的电压与电阻的比。由此，可知第一接收单元的输出电流为Vin/R0，第二接收单元的输出电流为Vout/R0。
优选的，电流镜包括第一镜像PMOS管、第二镜像PMOS管和第三镜像PMOS管；其中，第一镜像PMOS管、第二镜像PMOS管和第三镜像PMOS管的源极均接入电源电压，栅极相互连接并与第一接收单元的信号发送端连接；第一镜像PMOS管的漏极也接入第一接收单元的信号发送端，第二镜像PMOS管的漏极接入第二接收单元的信号发送端，并与参考电压生成单元连接，第三镜像PMOS管的漏极与计时电压生成单元和第二比较器分别连接。
可以理解的是，在电流镜中，第二镜像PMOS管输出的电流应当为Vin/R0-Vout/R0，而第三镜像PMOS管的输出电流仍为Vin/R0。
优选的，参考电压生成单元包括偏置管和分压电阻；其中，偏置管的源极与第二镜像PMOS管的漏极连接，栅极接入偏置电压，漏极经过分压电阻后接地；其中，分压电阻生成参考电压，并输入至第二比较器的负相输入端。
在偏置管的作用下，Mp4管的栅极电压受到偏置电压Vb的控制，从而使得第二镜像PMOS管的输出电流顺利的被输入至电阻R1中，从而R1上端的电压将保持相对的恒定，为(Vin-Vout)·R1/R0。在这种情况下，比较器的负相输入端电压也为(Vin-Vout)·R1/R0。
优选的，计时电压生成单元包括计时电容、开关管、反相器；其中，开关管的源漏极与计时电容的上下极板并联，并接入至第三镜像PMOS管的漏极、第二比较器的正相位输入端与低电平之间；导通时间控制信号OUT2经过反相器后输入至开关管的栅极。
可以理解的是，在本发明中，计时电压生成单元受到OUT2信号的控制，当OUT2信号为高电平时，Mns0管会被关断，此时，C1进入到充电状态下。C1充电的时长与V4电压的关系为
Figure BDA0003847692260000071
在该公式中t1为OUT2切换至高电平起电容充电的时长，C1为电容值，I1的大小为Vin/R0。
当第二比较器的正相输入端电压和负相输入端电压大小相等时，输出信号OUT3发生翻转。
优选的，最小关断时间随DC-DC转换器的实际关断时间的变化而变化；其中，Tmin＝k·Toff，
Figure BDA0003847692260000072
R1为分压电阻的电阻值，C1为计时电容的电容值，T为DC-DC转换器中功率管的切换周期。
在本发明中，最小关断时间与电路中高端功率管在每个周期内的实际关断时间Toff之间始终存在一个比例系数，这使得合理的设计R1和C1的取值，能够确保Tmin始终小于Toff一定程度，从而防止最小关断时间不会影响Toff的正常逻辑。
优选的，最小关断时间为Tmin＝(1-D)·R1·C1，其中D为DC-DC转换器的占空比。
本发明中，最小关断时间，实际上是随着占空比的增大而逐渐减小的，从而确保了无论占空比的取值为多少，都能够合理的控制最小关断时间，从而使得最小关断时间即不会影响Vfb的正常逻辑，又能够在充分程度上降低噪声信号所导致的控制信号异常翻转。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中的一种DC-DC转换器，能够根据占空比的大小来动态调节最小关断时间，从而防止DC-DC转换器的功率异常升高。本发明方法简单，只对COT控制模式下最小关断时间单元进行了改进，使得最小关断时间的取值不再为常量，而是能够根据占空比的大小来进行调节，使得在占空比较大时，自动降低最小关断时间，防止破坏反馈电压的原始控制逻辑，而在占空比较小时，自动延长最小关断时间，防止噪声或干扰等的影响使得DC-DC转换器的频率不够稳定。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种DC-DC转换器，其特征在于：
所述DC-DC转换器工作于COT模式下；并且，
所述DC-DC转换器中包括最小关断时间控制单元，所述最小关断时间控制单元生成的最小关断时间可调，其基于所述DC-DC转换器的占空比实现调节。
2.根据权利要求1中所述的一种DC-DC转换器，其特征在于：
所述DC-DC转换器包括反馈单元、导通时间控制单元、最小关断时间控制单元、逻辑模块、功率管、电感、电容；其中，
所述反馈单元，用于接收输出电压在分压电阻作用下生成的反馈电压Vfb，并与参考电压进行比较以生成第一控制信号OUT1；
所述导通时间控制单元，用于接收所述DC-DC转换器的输入电压与输出电压，并生成导通时间控制信号OUT2；
所述最小关断时间控制单元，用于接收所述DC-DC转换器的输入电压与输出电压、所述导通时间控制信号OUT2，并生成最小关断时间控制信号OUT3；
所述逻辑单元基于所述第一控制信号OUT1、导通时间控制信号OUT2、最小关断时间控制信号OUT3的控制导通或关断功率管，以在电感和电容的作用下实现输出电压的稳定。
3.根据权利要求2中所述的一种DC-DC转换器，其特征在于：
所述最小关断时间控制单元包括第一接收单元、第二接收单元、电流镜、参考电压生成单元、计时电压生成单元和第一比较器；其中，
所述第一接收单元和第二接收单元分别与镜像单元连接，用于将输入电压和输出电压分别转换为第一电流和第二电流；
所述参考电压生成单元，与电流镜连接，实现对于第一电流和第二电流之差电流的接收，并基于所述差电流生成参考电压；
所述计时电压生成单元，与电流镜连接，实现对第一电流的接收，并根据计时电容的充放电速度实现计时电压的生成；
所述第一比较器，分别与所述参考电压生成单元和所述计时电压生成单元连接并比较参考电压与计时电压的大小，以生成最小关断时间控制信号。
4.根据权利要求3中所述的一种DC-DC转换器，其特征在于：
所述第一接收单元与所述第二接收单元结构相同，均包括运放、电阻和NMOS管；其中，
所述运放的正相输入端作为信号接收端，负相输入端分别与电阻的一端、NMOS管的源极连接，输出端与所述NMOS管的栅极连接；
所述电阻的另一端接地，NMOS管的漏极作为信号发送端。
5.根据权利要求4中所述的一种DC-DC转换器，其特征在于：
所述电流镜包括第一镜像PMOS管、第二镜像PMOS管和第三镜像PMOS管；其中，
所述第一镜像PMOS管、第二镜像PMOS管和第三镜像PMOS管的源极均接入电源电压，栅极相互连接并与所述第一接收单元的所述信号发送端连接；
所述第一镜像PMOS管的漏极也接入所述第一接收单元的所述信号发送端，所述第二镜像PMOS管的漏极接入所述第二接收单元的所述信号发送端，并与所述参考电压生成单元连接，所述第三镜像PMOS管的漏极与所述计时电压生成单元和第二比较器分别连接。
6.根据权利要求5中所述的一种DC-DC转换器，其特征在于：
所述参考电压生成单元包括偏置管和分压电阻；其中，
所述偏置管的源极与所述第二镜像PMOS管的漏极连接，栅极接入偏置电压，漏极经过分压电阻后接地；
其中，所述分压电阻生成参考电压，并输入至所述第二比较器的负相输入端。
7.根据权利要求6中所述的一种DC-DC转换器，其特征在于：
所述计时电压生成单元包括计时电容、开关管、反相器；
其中，所述开关管的源漏极与所述计时电容的上下极板并联，并接入至所述第三镜像PMOS管的漏极、所述第二比较器的正相位输入端与低电平之间；
所述导通时间控制信号OUT2经过反相器后输入至所述开关管的栅极。
8.根据权利要求7中所述的一种DC-DC转换器，其特征在于：
当所述第一控制信号OUT1切换至高电平状态时，所述逻辑模块控制高端功率管导通，所述导通时间控制单元开始计时；
当所述第二控制信号OUT2切换至高电平状态时，所述逻辑模块控制高端功率管关断，所述最小关断时间控制单元开始计时；
在所述最小关断时间控制单元计时过程中，所述最小关断时间控制信号OUT3始终处于低电平状态，以保证高端功率管始终关断。
9.根据权利要求8中所述的一种DC-DC转换器，其特征在于：
所述最小关断时间随所述DC-DC转换器的实际关断时间的变化而变化；
其中，Tmin＝k·Toff，
Figure FDA0003847692250000031
R1为分压电阻的电阻值，C1为计时电容的电容值，T为所述DC-DC转换器中功率管的切换周期。
10.根据权利要求9中所述的一种DC-DC转换器，其特征在于：
所述最小关断时间为Tmin＝(1-D)·R1·C1，其中D为所述DC-DC转换器的占空比。
CN202211122395.3A 2022-09-15 2022-09-15 一种dc-dc转换器 Pending CN115498878A (zh)

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