CN116345887A - 基于电流脉宽转换电路的高频dc/dc变换器及其控制方法 - Google Patents

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CN116345887A CN202310412976.9A CN202310412976A CN116345887A CN 116345887 A CN116345887 A CN 116345887A CN 202310412976 A CN202310412976 A CN 202310412976A CN 116345887 A CN116345887 A CN 116345887A
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Abstract

本发明涉及一种基于电流脉宽转换电路的高频DC/DC变换器，包括功率转换电路、电压采样与比较电路、电压电流转换电路、电流脉宽转换电路1、顺序脉冲产生电路、电流脉宽转换电路2和脉冲相加电路；所述脉冲相加电路、功率转换电路、电压采样与比较电路、电压电流转换电路依次连接；所述电流脉宽转换电路1与脉冲相加电路、顺序脉冲产生电路、电压电流转换电路分别连接；所述电流脉宽转换电路2与脉冲相加电路、顺序脉冲产生电路、电压电流转换电路分别连接。本发明同时实现了较低的系统功耗，较大的输出电压范围和良好的稳定性。

Description

基于电流脉宽转换电路的高频DC/DC变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及DC/DC变换器领域，具体涉及一种基于电流脉宽转换电路的高频DC/DC变换器及其控制方法。
背景技术
DC/DC变换器的高频化是移动便携式电子设备电源的发展趋势，高频化变换器可以缩小外围元器件。常规设计使用高速比较器来实现高频化，造成变换器功耗急剧上升转换效率的大幅度降低。有些设计使用电压延迟线替代高速比较器从而降低了功耗，但由于电压延迟线结构引入了严重的非线性问题，降低了变换器输出电压范围以避免造成变换器工作不稳定。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于电流脉宽转换电路的高频DC/DC变换器及其控制方法，旨在解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于电流脉宽转换电路的高频DC/DC变换器，包括功率转换电路、电压采样与比较电路、电压电流转换电路、电流脉宽转换电路1、顺序脉冲产生电路、电流脉宽转换电路2和脉冲相加电路；所述脉冲相加电路、功率转换电路、电压采样与比较电路、电压电流转换电路依次连接；所述电流脉宽转换电路1与脉冲相加电路、顺序脉冲产生电路、电压电流转换电路分别连接；所述电流脉宽转换电路2与脉冲相加电路、顺序脉冲产生电路、电压电流转换电路分别连接。
进一步的，所述功率转换电路的输入为信号VIN和CKT，输出为信号VOUT，功率转换电路根据输入信号CKT的脉宽占空比将输入信号VIN转换为对应的输出信号VOUT；
电压采样与比较电路的输入为功率转换电路输出信号VOUT和输入基准信号VREF，电压采样与比较电路将输入信号VOUT和VREF之间的差值进行放大，其输出为信号VEA；
电压电流转换电路的输入为信号VEA，其输出为信号IEA1和IEA2，电压电流转换电路的工作方法为：电压电流转换电路将输入信号VEA转换为一一对应的输出电流信号IEA1和IEA2；
顺序脉冲产生电路的输入为信号CLK，其输出为信号CKL1、CKT1、CKR1、CKL2、CKT2和CKR2。
进一步的，所述顺序脉冲产生电路的控制方法，具体为：在输入信号CLK的作用下，以两个时钟周期为一个循环交替产生顺序脉冲信号，具体操作如下：
（1）将CLK第一个周期的低电平脉冲反相后复制到CKL1上；将CLK的高电平脉冲直接复制到CKT1上；当CLK第一个周期的下降沿到来时，在CKR2产生一脉冲信号，脉冲信号持续长度等于CLK第一周期的持续长度；
（2）将CLK第二个周期的低电平脉冲反相后复制到CKL2上，将CLK的高电平脉冲直接复制到CK,2上；当CLK第二个周期的下降沿到来时，在CKR1产生一脉冲信号，脉冲信号持续长度等于CLK第二周期的持续长度。
进一步的，所述电流脉宽转换电路1和电流脉宽转换电路2的控制方法，具体为：
设电流脉宽转换电路1的输入为信号CKL1、CKT1、CKR1、IREF、IEA1，输出为信号CK1，电流脉宽转换电路2的输入为信号CKL2、CKT2、CKR2、IREF、IEA2，输出为信号CK2，具体操作如下：
当CKL1处于高电平时，将电流脉宽转换电路1进行复位；复位完成后，当存储信号CKT1为高电平时，电流脉宽转换电路1将保存输入信号IREF和IEA1的差值；存储完成后，当转换信号CKR1为高电平时，电流脉宽转换电路1将输入信号IREF和IEA1的差值转换为输出信号CK1的脉冲宽度，当输入信号IREF和IEA1的差值越大，则输出信号CK1的脉宽越宽，反之输出信号CK1的脉宽则越窄；输出信号CK1的脉冲宽度同输入信号IREF和IEA1的差值呈线性关系。
电流脉宽转换电路2的原理同电流脉宽转换电路1，将输入信号IREF和IEA2的差值转化为输出信号CK2的脉冲宽度；输出信号CK2的脉冲宽度同输入信号IREF和IEA2的差值呈线性关系。
在顺序脉冲产生电路的控制下，电流脉宽转换电路1和电流脉宽转换电路2交替进行工作，以两个周期为一个循环，将电流差值线性转换为一一对应的脉冲宽度，在循环中的第一个周期，电流脉宽转换电路1储存输入信号IREF和IEA1的差值，电流脉宽转换电路2则将前一个循环存储的电流差值转化为脉冲信号CK2的脉宽；在循环中的第二个周期，电流脉宽转换电路1将前一个周期存储的电流差值信号转换为脉冲信号CK1的脉宽，电流脉宽转换电路2存储输入信号IREF和IEA2的差值。电流脉宽转换电路1和电流脉宽转换电路2在顺序脉冲信号的作用下，将电流信号IEA1、IEA2转换为脉冲信号CK1、CK2。
一种基于电流脉宽转换电路的高频DC/DC变换器的控制方法，包括如下步骤：
功率级电路输出信号VOUT大于电压采样与比较电路的另一路输入信号VREF，电压采样与比较电路将输入信号VREF和VOUT的差值放大，VOUT大于VREF导致电压采样与比较电路的输出信号VEA下降，则电压电流转换电路1和电压电流转换电路2的输出信号IEA1和IEA2下降，同时顺序时钟信号发生电路在输入信号CLK的作用下产生复位信号CKL1、存储信号CKT1、转换信号CKR1、复位信号CKL2、存储信号CKT2、转换信号CKR2；
以两个周期为一个循环，第一个周期内在复位信号CKL1、存储信号CKT1、转换信号CKR1的作用下，电流脉宽转换电路1将输入信号IREF和IEA1的差值转换为输出信号CK1的脉冲宽度，输入信号IEA1减小，IREF和IEA1的差值增大导致输出信号CK1的脉冲宽度增加；第二个周期内在复位信号CKL2、存储信号CKT2、转换信号CKR2的作用下，电流脉宽转换电路2将输入信号IREF和IEA2的差值转换为输出信号CK2的脉冲宽度，输入信号IEA2下降，导致输出信号CK2的脉冲宽度增加；
脉冲相加电路将输入信号CK1和输出信号CK2进行逻辑或操作得到输出信号CKT，脉冲相加电路的输出信号CKT的脉冲宽度增加，CKT经由驱动电路输入至功率转换电路，CKT脉冲宽度增加，导致功率转换电路输出信号VOUT降低，经过反馈环路的调整，最终高频DC/DC变换器趋于稳定；
若功率级电路输出信号VOUT小于电压采样与比较电路的另一路输入信号VREF，VEA增大则电压电流转换电路的输出信号IEA1和IEA2增大，导致电流脉宽转换电路1和电流脉宽转换电路2输出信号CK1和CK2的脉宽减小，导致功率转换电路输出信号VOUT增大，经过反馈环路的调整，最终高频DC/DC变换器趋于稳定。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明以电流脉宽转换电路及其控制电路取代当前高频DC/DC变换器中的高速比较器+斜坡电压产生器或者电压延迟线，同时实现了较低的系统功耗，较大的输出电压范围和良好的稳定性。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明一实施例中顺序脉冲产生电路控制示意图；
图3是本发明一实施例中电流脉宽转换电路1和电流脉宽转换电路2控制示意图；
图4是本发明一实施例中脉冲相加电路控制示意图；
图5为本发明的实施例1结构示意图；
图6-图7为本发明的实施例1的控制示意图；
图中，（1）-反馈控制电路、（2）-功率转换电路、（3）-电压采样与比较电路、（1.1）-电压电流转换电路、（1.2）-电流脉宽转换电路1、（1.3）-顺序脉冲产生电路、（1.4）-电流脉宽转换电路2、（1.5）-脉冲相加电路。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种基于电流脉宽转换电路的高频DC/DC变换器，包括功率转换电路、电压采样与比较电路、电压电流转换电路、电流脉宽转换电路1、顺序脉冲产生电路、电流脉宽转换电路2和脉冲相加电路；所述脉冲相加电路、功率转换电路、电压采样与比较电路、电压电流转换电路依次连接；所述电流脉宽转换电路1与脉冲相加电路、顺序脉冲产生电路、电压电流转换电路分别连接；所述电流脉宽转换电路2与脉冲相加电路、顺序脉冲产生电路、电压电流转换电路分别连接。
在本实施例中，功率转换电路的输入为信号VIN和CKT，输出为信号VOUT，功率转换电路根据输入信号CKT的脉宽占空比将输入信号VIN转换为对应的输出信号VOUT；
电压采样与比较电路的输入为功率转换电路输出信号VOUT和输入基准信号VREF，电压采样与比较电路将输入信号VOUT和VREF之间的差值进行放大，其输出为信号VEA；
电压电流转换电路的输入为信号VEA，其输出为信号IEA1和IEA2，电压电流转换电路的工作方法为：电压电流转换电路将输入信号VEA转换为一一对应的输出电流信号IEA1和IEA2；
顺序脉冲产生电路的输入为信号CLK，其输出为信号CKL1、CKT1、CKR1、CKL2、CKT2和CKR2。
在本实施例中，顺序脉冲产生电路的控制方法，具体为：在输入信号CLK的作用下，以两个时钟周期为一个循环交替产生顺序脉冲信号，具体操作如下：
（1）将CLK第一个周期的低电平脉冲反相后复制到CKL1上；将CLK的高电平脉冲直接复制到CKT1上；当CLK第一个周期的下降沿到来时，在CKR2产生一脉冲信号，脉冲信号持续长度等于CLK第一周期的持续长度；
（2）将CLK第二个周期的低电平脉冲反相后复制到CKL2上，将CLK的高电平脉冲直接复制到CK,2上；当CLK第二个周期的下降沿到来时，在CKR1产生一脉冲信号，脉冲信号持续长度等于CLK第二周期的持续长度。
在本实施例中，参考图3，电流脉宽转换电路1的输入为信号CKL1、CKT1、CKR1、IREF、IEA1，输出为信号CK1，电流脉宽转换电路2的输入为信号CKL2、CKT2、CKR2、IREF、IEA2，输出为信号CK2，具体操作如下：
当CKL1处于高电平时，将电流脉宽转换电路1进行复位；复位完成后，当存储信号CKT1为高电平时，电流脉宽转换电路1将保存输入信号IREF和IEA1的差值；存储完成后，当转换信号CKR1为高电平时，电流脉宽转换电路1将输入信号IREF和IEA1的差值转换为输出信号CK1的脉冲宽度，当输入信号IREF和IEA1的差值越大，则输出信号CK1的脉宽越宽，反之输出信号CK1的脉宽则越窄；
电流脉宽转换电路2的原理同电流脉宽转换电路1，将输入信号IREF和IEA2的差值转化为输出信号CK2的脉冲宽度；
在顺序脉冲产生电路的控制下，电流脉宽转换电路1和电流脉宽转换电路2交替进行工作，以两个周期为一个循环，在循环中的第一个周期，电流脉宽转换电路1储存输入信号IREF和IEA1的差值，电流脉宽转换电路2则将前一个循环存储的电流差值转化为脉冲信号CK2的脉宽；在循环中的第二个周期，电流脉宽转换电路1将前一个周期存储的电流差值信号转换为脉冲信号CK1的脉宽，电流脉宽转换电路2存储输入信号IREF和IEA2的差值。电流脉宽转换电路1和电流脉宽转换电路2在顺序脉冲信号的作用下，将电流信号IEA1、IEA2转换为脉冲信号CK1、CK2。
在本实施例中，脉冲相加电路的输入为信号CK1和CK2，输出为信号CKT，脉冲相加电路的工作原理如图4所示，脉冲相加电路将电流脉宽转换电路1和电流脉宽转换电路2的输出信号CK1、CK2进行逻辑或操作，得到输出信号CKT。
实施例1：
在本实施例中，参考图5，若图5中所示的功率转换电路输出信号VOUT大于电压采样与比较电路的另一路输入信号VREF，电压采样与比较电路将输入信号VREF和VOUT的差值放大，VOUT大于VREF导致电压采样与比较电路的输出信号VEA下降，则电压电流转换电路1和电压电流转换电路2的输出信号IEA1和IEA2下降，同时顺序时钟信号发生电路在输入信号CLK的作用下产生复位信号CKL1、存储信号CKT1、转换信号CKR1、复位信号CKL2、存储信号CKT2、转换信号CKR2；
以两个周期为一个循环，第一个周期内在复位信号CKL1、存储信号CKT1、转换信号CKR1的作用下，电流脉宽转换电路1将输入信号IREF和IEA1的差值转换为输出信号CK1的脉冲宽度，输入信号IEA1减小，IREF和IEA1的差值增大导致输出信号CK1的脉冲宽度增加；第二个周期内在复位信号CKL2、存储信号CKT2、转换信号CKR2的作用下，电流脉宽转换电路2将输入信号IREF和IEA2的差值转换为输出信号CK2的脉冲宽度，输入信号IEA2下降，导致输出信号CK2的脉冲宽度增加；
脉冲相加电路将输入信号CK1和输出信号CK2进行逻辑或操作得到输出信号CKT，脉冲相加电路的输出信号CKT的脉冲宽度增加，CKT经由驱动电路输入至功率转换电路，CKT脉冲宽度增加，导致功率转换电路输出信号VOUT降低，经过反馈环路的调整，最终高频DC/DC变换器趋于稳定；
若功率级电路输出信号VOUT小于电压采样与比较电路的另一路输入信号VREF，VEA增大则电压电流转换电路的输出信号IEA1和IEA2增大，导致电流脉宽转换电路1和电流脉宽转换电路2输出信号CK1和CK2的脉宽减小，导致功率转换电路输出信号VOUT增大，经过反馈环路的调整，最终高频DC/DC变换器趋于稳定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种基于电流脉宽转换电路的高频DC/DC变换器，其特征在于，包括功率转换电路、电压采样与比较电路、电压电流转换电路、电流脉宽转换电路1、顺序脉冲产生电路、电流脉宽转换电路2和脉冲相加电路；所述脉冲相加电路、功率转换电路、电压采样与比较电路、电压电流转换电路依次连接；所述电流脉宽转换电路1与脉冲相加电路、顺序脉冲产生电路、电压电流转换电路分别连接；所述电流脉宽转换电路2与脉冲相加电路、顺序脉冲产生电路、电压电流转换电路分别连接。
2.根据权利要求1所述的基于电流脉宽转换电路的高频DC/DC变换器，其特征在于，所述功率转换电路的输入为信号VIN和CKT，输出为信号VOUT，功率转换电路根据输入信号CKT的脉宽占空比将输入信号VIN转换为对应的输出信号VOUT；
电压采样与比较电路的输入为功率转换电路输出信号VOUT和输入基准信号VREF，电压采样与比较电路将输入信号VOUT和VREF之间的差值进行放大，其输出为信号VEA；
电压电流转换电路的输入为信号VEA，其输出为信号IEA1和IEA2，电压电流转换电路的工作方法为：电压电流转换电路将输入信号VEA转换为一一对应的输出电流信号IEA1和IEA2；
脉冲相加电路的输入为信号CK1和CK2，输出为信号CKT，脉冲相加电路将电流脉宽转换电路1和电流脉宽转换电路2的输出信号CK1、CK2进行逻辑或操作，得到输出信号CKT。
3.根据权利要求2所述的基于电流脉宽转换电路的高频DC/DC变换器，其特征在于，所述顺序脉冲产生电路的输入为信号CLK，其输出为信号CKL1、CKT1、CKR1、CKL2、CKT2和CKR2，其控制方法为：在输入信号CLK的作用下，以两个时钟周期为一个循环交替产生顺序脉冲信号，具体操作如下：
将CLK第一个周期的低电平脉冲反相后复制到CKL1上；将CLK的高电平脉冲直接复制到CKT1上；当CLK第一个周期的下降沿到来时，在CKR2产生一脉冲信号，脉冲信号持续长度等于CLK第一周期的持续长度；
将CLK第二个周期的低电平脉冲反相后复制到CKL2上，将CLK的高电平脉冲直接复制到CK,2上；当CLK第二个周期的下降沿到来时，在CKR1产生一脉冲信号，脉冲信号持续长度等于CLK第二周期的持续长度。
4.根据权利要求2所述的基于电流脉宽转换电路的高频DC/DC变换器，其特征在于，所述电流脉宽转换电路1和电流脉宽转换电路2在顺序时钟的作用下能将电流差值信号转换为线性对应的脉冲信号，所述电流脉宽转换电路1和电流脉宽转换电路2的控制方法，具体为：
设电流脉宽转换电路1的输入为信号CKL1、CKT1、CKR1、IREF、IEA1，输出为信号CK1，电流脉宽转换电路2的输入为信号CKL2、CKT2、CKR2、IREF、IEA2，输出为信号CK2，具体操作如下：
当CKL1处于高电平时，将电流脉宽转换电路1进行复位；复位完成后，当存储信号CKT1为高电平时，电流脉宽转换电路1将保存输入信号IREF和IEA1的差值；存储完成后，当转换信号CKR1为高电平时，电流脉宽转换电路1将输入信号IREF和IEA1的差值转换为输出信号CK1的脉冲宽度，当输入信号IREF和IEA1的差值越大，则输出信号CK1的脉宽越宽，反之输出信号CK1的脉宽则越窄，CK1的脉冲宽度同输入信号IREF和IEA1的差值呈线性关系；
电流脉宽转换电路2的原理同电流脉宽转换电路1，将输入信号IREF和IEA2的差值转化为输出信号CK2的脉冲宽度，CK2的脉冲宽度同输入信号IREF和IEA2的差值呈线性关系；
在顺序脉冲产生电路的控制下，电流脉宽转换电路1和电流脉宽转换电路2交替进行工作，以两个周期为一个循环，在循环中的第一个周期，电流脉宽转换电路1储存输入信号IREF和IEA1的差值，电流脉宽转换电路2则将前一个循环存储的电流差值转化为脉冲信号CK2的脉宽；在循环中的第二个周期，电流脉宽转换电路1将前一个周期存储的电流差值信号转换为脉冲信号CK1的脉宽，电流脉宽转换电路2存储输入信号IREF和IEA2的差值；
电流脉宽转换电路1和电流脉宽转换电路2在顺序脉冲信号的作用下，将电流信号IEA1、IEA2转换为脉冲信号CK1、CK2。
5.一种用于权利要求1-4任一所述基于电流脉宽转换电路的高频DC/DC变换器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
功率级电路输出信号VOUT大于电压采样与比较电路的另一路输入信号VREF，电压采样与比较电路将输入信号VREF和VOUT的差值放大，VOUT大于VREF导致电压采样与比较电路的输出信号VEA下降，则电压电流转换电路1和电压电流转换电路2的输出信号IEA1和IEA2下降，同时顺序时钟信号发生电路在输入信号CLK的作用下产生复位信号CKL1、存储信号CKT1、转换信号CKR1、复位信号CKL2、存储信号CKT2、转换信号CKR2；
以两个周期为一个循环，第一个周期内在复位信号CKL1、存储信号CKT1、转换信号CKR1的作用下，电流脉宽转换电路1将输入信号IREF和IEA1的差值转换为输出信号CK1的脉冲宽度，输入信号IEA1减小，IREF和IEA1的差值增大导致输出信号CK1的脉冲宽度增加；第二个周期内在复位信号CKL2、存储信号CKT2、转换信号CKR2的作用下，电流脉宽转换电路2将输入信号IREF和IEA2的差值转换为输出信号CK2的脉冲宽度，输入信号IEA2下降，导致输出信号CK2的脉冲宽度增加；
脉冲相加电路将输入信号CK1和输出信号CK2进行逻辑或操作得到输出信号CKT，脉冲相加电路的输出信号CKT的脉冲宽度增加，CKT经由驱动电路输入至功率转换电路，CKT脉冲宽度增加，导致功率转换电路输出信号VOUT降低，经过反馈环路的调整，最终高频DC/DC变换器趋于稳定；
若功率级电路输出信号VOUT小于电压采样与比较电路的另一路输入信号VREF，VEA增大则电压电流转换电路的输出信号IEA1和IEA2增大，导致电流脉宽转换电路1和电流脉宽转换电路2输出信号CK1和CK2的脉宽减小，导致功率转换电路输出信号VOUT增大，经过反馈环路的调整，最终高频DC/DC变换器趋于稳定。
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