CN117748954A - 一种三角波纵向可调的Buck调控电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种三角波纵向可调的Buck调控电路，包括Buck电路、反馈电路及开关控制电路，所述Buck电路包括P型功率开关管和N型功率开关管，所述P型功率开关管的栅极接PWM发生器的输出端、源极接电源输入Vin的正极、漏极接第一电感的一端和N型功率开关管的漏极，所述第一电感的另一端同时接第一电容的一端、第一电阻的一端、第三电阻的一端及输出端Vout，所述第一电容的另一端同时接电源输入Vin的负极、N型功率开关管的源极和地；本电路的设计PWM发生器由于均在二分之一电源电压附近做比较，其精度很高，相同频宽内，其线性程度更好，功耗更低。

Description

一种三角波纵向可调的Buck调控电路

技术领域

本申请涉及双向直流变换技术领域，特别涉及一种三角波纵向可调的Buck调控电路。

背景技术

Buck型DC-DC转换器作为开关电源的一种，它是将高的输入电压转化为低的输出电压的直流变化器，通常工作在一定的时钟频率下，每个时钟周期经逻辑电路来控制功率管的开启和关断，再利用芯片外围电感电容元器件的储能特性不停的充放电，最终将高输入直流电压转变为地输出的稳定电压。

但在现有技术中的普通Buck电路及普通的带反馈的Buck电路在重载等极限条件下，其对于PWM比较器的带宽以及精度依赖性较大，这就会使得功率损耗加大，而PWM比较器电压的比较工作在Vdd/2处时其跨导以及比较精度在此时都是最优的时候。

有鉴于此，目前亟需一种三角波纵向可调的Buck调控电路，设计了一种新的电路结构方式来使得PWM比较器的电压输入工作状态一直处于Vdd/2之间的比较工作。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请提出一种三角波纵向可调的Buck调控电路，解决了现有技术中普通buck电路重载时的PWM比较器工作处于极限情况，其比较精度以及带宽会有明显损耗，需要维持高精度以及低延迟的比较就需要加大电流，这样一来电路的功率损耗也随之增加问题。

本申请为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种三角波纵向可调的Buck调控电路，包括Buck电路、反馈电路及开关控制电路，其中：

所述Buck电路包括P型功率开关管和N型功率开关管，所述P型功率开关管的栅极接PWM发生器的输出端、源极接电源输入Vin的正极、漏极接第一电感的一端和N型功率开关管的漏极，所述第一电感的另一端同时接第一电容的一端、第一电阻的一端、第三电阻的一端及输出端Vout，所述第一电容的另一端同时接电源输入Vin的负极、N型功率开关管的源极和地；所述N型功率开关管的栅极接PWM发生器的输出端；

所述第一电阻的另一端通过第二电阻接地，且第一电阻和第二电阻的公共端接反馈电路；

所述第三电阻的另一端通过第四电阻接地，且第三电阻和第四电阻的公共端接开关控制电路；

所述反馈电路通过控制三角波发生器的三角波纵向位移来改变其输出端的脉宽大小，反馈电路的输出端接PWM发生器的正极输入端，PWM发生器的负极输入端接二分之一电源电压；

所述开关控制电路控制所述反馈电路中开关的闭合或断开。

作为一种可选的技术方案，所述开关控制电路控制所述反馈电路中开关的闭合或断开的具体过程为：

所述开关控制电路包括第一比较器，所述第一比较器的的正极输入端接第三电阻和第四电阻的公共端、负极输入端接二分之一电源电压；

当第三电阻和第四电阻的公共端的输出电压大于二分之一电源电压时，第一比较器的输出端控制所述反馈电路中的全部开关S1闭合，全部开关S2断开；

当第三电阻和第四电阻的公共端的输出电压小于二分之一电源电压时，第一比较器的输出端控制所述反馈电路中的全部开关S2闭合，全部开关S1断开。

作为一种可选的技术方案，所述反馈电路包括第二比较器和第三比较器，所述第二比较器的正极输入端接第一电阻和第二电阻的公共端或参考电压；

当第二比较器的正极输入端接第一电阻和第二电阻的公共端时，负极输入端接参考电压；

当第二比较器的正极输入端接参考电压时，负极输入端接第一电阻和第二电阻的公共端；

所述第二比较器的输出端接所述第三比较器的正极输入端，所述第三比较器的负极输入端接二分之一电源电压，所述第三比较器的输出端通过第一运放电路连接三角波发生器的第一输入端、通过第二运放电路连接三角波发生器的第二输入端、通过第二电容接地；

所述三角波发生器的输出端接PWM发生器的正极输入端。

作为一种可选的技术方案，所述第二比较器的正极输入端通过第一S2开关接第一电阻和第二电阻的公共端、通过第二S1开关接参考电压，负极输入端通过第一S1开关接第一电阻和第二电阻的公共端、通过第二S2开关接参考电压。

作为一种可选的技术方案，所述第一运放电路的第一输出端电压与第二输出端电压分别为：

式中，V_1L为第一运放电路的第一输出端电压，V_2L为第一运放电路的第二输出端电压，Vdd/2为二分之一电源电压，V₀₃为第三比较器输出端的电压，X为设置的三角波幅值电压。

作为一种可选的技术方案，所述第二运放电路的第一输出端电压与第二输出端电压分别为：

式中，V_1H为第二运放电路的第一输出端电压，V_2H为第二运放电路的第二输出端电压，Vdd/2为二分之一电源电压，V₀₃为第三比较器输出端的电压，X为设置的三角波幅值电压。

作为一种可选的技术方案，所述第一运放电路的第一输出端或第二输出端接所述三角波发生器的第一输入端；

当第一运放电路的第一输出端接所述三角波发生器的第一输入端时，所述第二运放电路的第一输出端接所述三角波发生器的第二输入端；

当第一运放电路的第二输出端接所述三角波发生器的第一输入端时，所述第二运放电路的第二输出端接所述三角波发生器的第二输入端。

作为一种可选的技术方案，所述第三比较器的输出端通过第一运放电路连接三角波发生器的第一输入端的具体过程为：

所述第一运放电路的第一输出端通过第三S1开关接所述三角波发生器的第一输入端，所述第一运放电路的第二输出端通过第三S2开关接所述三角波发生器的第一输入端。

作为一种可选的技术方案，所述第三比较器的输出端通过第二运放电路连接三角波发生器的第二输入端的具体过程为：

所述第二运放电路的第一输出端通过第四S1开关接所述三角波发生器的第二输入端，所述第二运放电路的第二输出端通过第四S2开关接所述三角波发生器的第二输入端。

本申请的有益效果包括：

通过控制三角波的限制高电压以及限制低电压能够对三角波进行纵向移动，从而去控制PWM脉宽信号的占空比不同，本电路的设计PWM发生器由于均在二分之一电源电压附近做比较，其精度很高，相同频宽内，其线性程度更好，功耗更低。

本申请的其他有益效果或优势将在具体实施方式中结合具体结构进行详细描述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。此外，应当理解，本说明书附图中的各个部件的比例关系不代表实际选材设计时的比例关系，其仅仅为结构或者位置的示意图，其中：

图1为现有技术中带二极管的普通Buck电路结构示意图；

图2为现有技术中不带二极管的普通Buck电路结构示意图；

图3为现有技术中带反馈电路的Buck电路结构示意图；

图4为本申请的三角波纵向可调的Buck调控电路结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，所使用的术语，例如“顶部”和“底部”，指的是本申请在使用状态下靠近上方的部分为顶部，靠近下方的部分为底部；所使用的术语，例如“第一”和“第二”，仅是为了区分表述，而不是指示或暗示其具有重要性或顺序性的区别；所使用的术语，如“内”、“外”，指的是具体轮廓的内和外。上述术语的使用仅是为了便于清楚且简单地表述本申请的技术方案，不能理解为对本申请的限制。

实施例：

本方案至少公开了一种三角波纵向可调的Buck调控电路，包括Buck电路、反馈电路及开关控制电路，其中：所述Buck电路包括P型功率开关管和N型功率开关管，所述P型功率开关管的栅极接PWM发生器的输出端、源极接电源输入Vin的正极、漏极接第一电感的一端和N型功率开关管的漏极，所述第一电感的另一端同时接第一电容的一端、第一电阻的一端、第三电阻的一端及输出端Vout，所述第一电容的另一端同时接电源输入Vin的负极、N型功率开关管的源极和地；所述N型功率开关管的栅极接PWM发生器的输出端；

所述第一电阻的另一端通过第二电阻接地，且第一电阻和第二电阻的公共端接反馈电路；所述第三电阻的另一端通过第四电阻接地，且第三电阻和第四电阻的公共端接开关控制电路；所述反馈电路通过控制三角波发生器的三角波纵向位移来改变其输出端的脉宽大小，反馈电路的输出端接PWM发生器的正极输入端，PWM发生器的负极输入端接二分之一电源电压；所述开关控制电路控制所述反馈电路中开关的闭合或断开。

进一步地，本方案中的Buck电路是在现有技术中不带二极管的普通Buck电路上的一个改进，现有技术中不带二极管的普通Buck电路由带二极管的普通Buck电路演变而成，为了便于本方案的理解，先对两种现有的两种传统电路做解释：

带二极管的普通Buck电路，如图1现有技术中带二极管的普通Buck电路结构示意图所示；

在此电路中，Buck型DC-DC转换器的主要回路由电源输入Vin，P型功率管M1，续流二极管D，电感L，电容C和电阻RL组成，Vout表示输出电压信号；

当逻辑信号VC控制P型功率管M1导通时，续流二极管D此时为反向截至状态，电感L和电容C此时为充电状态，输出Vout电压上升；

当逻辑信号VC控制P型功率管M1关断时，因电感L电流不能突变，所以其电流方向不变，电感L此时作为电路中的电源继续给电容C以及电阻RL供电，整个环路（由续流二极管D，电感L，电容C，电阻RL构成的）形成，续流二极管D导通，电感L电流以固定斜率下降。因为续流二极管D正向压降较大（一般0.7V），在续流二极管D导通的时候其导通电流流过续流二极管D会导致不能将电压1：1传输过去，会导致0.7V的电压的能量损耗，所以也可将续流二极管D换成N型功率管M2，更换以后如图2现有技术中不带二极管的普通Buck电路结构示意图所示。

图1及图2中的逻辑信号VC均为外部给的一个PWM脉宽信号。

可以理解的是：本文记载的所述反馈电路包括第一运放电路和第二运放电路，与图3现有技术中带反馈电路的Buck电路结构示意图中记载的电路完全不同；

同样地，为了便于理解，现对图3所示的现有技术中带反馈电路的Buck电路结构示意图简单解释：

此电路中：电路相较于图2多了环路控制部分：误差放大器，第一反馈电阻RFB1，第二反馈电阻RFB2，以及PWM比较器；PWM比较器的输出端作为外部输入的逻辑信号VC控制电路中的P型功率管M1和N型功率管M2；

当时候，误差放大器输出Vo为高电平，经过PWM发生器输出Vpulse信号为低电平，进入VC占空比控制电路会让M1导通，M2关闭，VIN对电感充电使得Vout电压抬升；

当时候，误差放大器输出Vo为低电平，经过PWM发生器输出Vpulse信号为高电平，进入VC占空比控制电路会让M2导通，M1关闭，电感电流会慢慢降低，输出Vout电压会慢慢降低。

图4为本申请的三角波纵向可调的Buck调控电路结构示意图，结合此电路本方案的基本原理如下：通过控制三角波发生器的三角波纵向位移来改变其输出脉宽大小从而去控制Buck电路的驱动脉冲，从而控制充放电的大小；

主要是通过控制三角波纵向移动来控制PWM脉宽信号的占空比从而去精确控制Buck输出的充放电，电路的参数性能对比如表1所示：

表1

本电路包括了四种不同的工作模式：

第一种工作模式：

当第三电阻R3与第四电阻R4的公共端输出电压V₃₄大于电源电压Vdd/2、且第一电阻和第二电阻的输出电压V₁₂小于参考电压Vref时，第一比较器的输出端控制所述反馈电路中的全部开关S1闭合，全部开关S2断开；

所述第一S1开关与第二S1开关处于闭合状态，所述第二比较器的正极输入端接参考电压Vref，负极输入端接第一电阻和第二电阻的公共端输出电压V₁₂；

因V₁₂＜Vref，所以第二比较器输出端的电压V₀₂为高电平，所述第二比较器的输出端接所述第三比较器的正极输入端，所述第三比较器的负极输入端接电源电压Vdd/2；

可以得到第三比较器的输出端电压V₀₃升高，再结合第三S1开关与第四S1开关处于闭合状态，可以由下列公式推导出通过三角波发生器的两个输入端控制三角波向电源电压vdd方向移动，其整体趋势占空比正向电压端会增大，Buck电路的输出端口充电时间多于放电时间，使得Buck电路的输出端Vout电压增大，具体公式为：

其中X为设置的三角波幅值电压，其大小优选1/4电源电压，可在实际操作过程中下上浮动10%。

第二种工作模式：

当第三电阻R3与第四电阻R4的公共端输出电压V₃₄大于电源电压Vdd/2、且第一电阻和第二电阻的输出电压V₁₂大于参考电压Vref时，第一比较器的输出端控制所述反馈电路中的全部开关S1闭合，全部开关S2断开；

所述第一S1开关与第二S1开关处于闭合状态，所述第二比较器的正极输入端接参考电压Vref，负极输入端接第一电阻和第二电阻的公共端输出电压V₁₂；

因V₁₂大于Vref，所以第二比较器输出端的电压V₀₂为低电平，所述第二比较器的输出端接所述第三比较器的正极输入端，所述第三比较器的负极输入端接电源电压Vdd/2；

可以得到第三比较器的输出端电压V₀₃降低，再结合第三S1开关与第四S1开关处于闭合状态，可以由下列公式推导出通过三角波发生器的两个输入端控制三角波向接地GND方向移动，其整体趋势占空比正向电压端会减小，Buck电路的输出端口放电时间多于充电时间，使得Buck电路的输出端Vout电压减小，具体公式与第一种工作模式中的公式相同。

第三种工作模式：

当第三电阻R3与第四电阻R4的公共端输出电压V₃₄小于电源电压Vdd/2、且第一电阻和第二电阻的输出电压V₁₂小于参考电压Vref时，第一比较器的输出端控制所述反馈电路中的全部开关S2闭合，全部开关S1断开；

所述第一S2开关与第二S2开关处于闭合状态，所述第二比较器的正极输入端接第一电阻和第二电阻的公共端输出电压V₁₂，负极输入端接参考电压Vref；

因V₁₂＜Vref，所以第二比较器输出端的电压V₀₂为低电平，所述第二比较器的输出端接所述第三比较器的正极输入端，所述第三比较器的负极输入端接电源电压Vdd/2；

可以得到第三比较器的输出端电压V₀₃降低，再结合第三S2开关与第四S2开关处于闭合状态，可以由下列公式推导出通过三角波发生器的两个输入端控制三角波向电源电压vdd方向移动，其整体趋势占空比正向电压端会增大，Buck电路的输出端口充电时间多于放电时间，使得Buck电路的输出端Vout电压增大，具体公式为：

其中X为设置的三角波幅值电压，其大小优选1/4电源电压，可在实际操作过程中下上浮动10%。

第四种工作模式：

当第三电阻R3与第四电阻R4的公共端输出电压V₃₄小于电源电压Vdd/2、且第一电阻和第二电阻的输出电压V₁₂大于参考电压Vref时，第一比较器的输出端控制所述反馈电路中的全部开关S2闭合，全部开关S1断开；

所述第一S2开关与第二S2开关处于闭合状态，所述第二比较器的正极输入端接第一电阻和第二电阻的公共端输出电压V₁₂，负极输入端接参考电压Vref；

因V₁₂大于Vref，所以第二比较器输出端的电压V₀₂为高电平，所述第二比较器的输出端接所述第三比较器的正极输入端，所述第三比较器的负极输入端接电源电压Vdd/2；

可以得到第三比较器的输出端电压V₀₃升高，再结合第三S2开关与第四S2开关处于闭合状态，可以由下列公式推导出通过三角波发生器的两个输入端控制三角波向接地GND方向移动，其整体趋势占空比正向电压端会减小，Buck电路的输出端口放电时间多于充电时间，使得Buck电路的输出端Vout电压减小，具体公式与第三种工作模式中的公式相同。

因此本方案记载的电路通过控制三角波的上下移动，解决了现有技术中：普通buck电路其PWM比较器输入比较电压一直是变化的，PWM比较器的精度会随着输入电压大小和频率而改变，从而使得比较精度以及延迟变化巨大，克服这一缺点需要损耗更大的功耗，采用了三角波上下移动则将其比较电压控制在了Vdd/2处，其对于比较器来说，其精度以及延迟会明显降低，相较于现有技术来说，其消耗电流更少，精度更高。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种三角波纵向可调的Buck调控电路，其特征在于，包括Buck电路、反馈电路及开关控制电路，其中：

所述Buck电路包括P型功率开关管和N型功率开关管，所述P型功率开关管的栅极接PWM发生器的输出端、源极接电源输入Vin的正极、漏极接第一电感的一端和N型功率开关管的漏极，所述第一电感的另一端同时接第一电容的一端、第一电阻的一端、第三电阻的一端及输出端Vout，所述第一电容的另一端同时接电源输入Vin的负极、N型功率开关管的源极和地；所述N型功率开关管的栅极接PWM发生器的输出端；

所述第一电阻的另一端通过第二电阻接地，且第一电阻和第二电阻的公共端接反馈电路；

所述第三电阻的另一端通过第四电阻接地，且第三电阻和第四电阻的公共端接开关控制电路；

所述反馈电路通过控制三角波发生器的三角波纵向位移来改变其输出端的脉宽大小，反馈电路的输出端接PWM发生器的正极输入端，PWM发生器的负极输入端接二分之一电源电压；

所述开关控制电路控制所述反馈电路中开关的闭合或断开。

2.如权利要求1所述的一种三角波纵向可调的Buck调控电路，其特征在于，所述开关控制电路控制所述反馈电路中开关的闭合或断开的具体过程为：

所述开关控制电路包括第一比较器，所述第一比较器的的正极输入端接第三电阻和第四电阻的公共端、负极输入端接二分之一电源电压；

当第三电阻和第四电阻的公共端的输出电压大于二分之一电源电压时，第一比较器的输出端控制所述反馈电路中的全部开关S1闭合，全部开关S2断开；

当第三电阻和第四电阻的公共端的输出电压小于二分之一电源电压时，第一比较器的输出端控制所述反馈电路中的全部开关S2闭合，全部开关S1断开。

3.如权利要求1所述的一种三角波纵向可调的Buck调控电路，其特征在于，所述反馈电路包括第二比较器和第三比较器，所述第二比较器的正极输入端接第一电阻和第二电阻的公共端或参考电压；

当第二比较器的正极输入端接第一电阻和第二电阻的公共端时，负极输入端接参考电压；

当第二比较器的正极输入端接参考电压时，负极输入端接第一电阻和第二电阻的公共端；

所述第二比较器的输出端接所述第三比较器的正极输入端，所述第三比较器的负极输入端接二分之一电源电压，所述第三比较器的输出端通过第一运放电路连接三角波发生器的第一输入端、通过第二运放电路连接三角波发生器的第二输入端、通过第二电容接地；

所述三角波发生器的输出端接PWM发生器的正极输入端。

4.如权利要求3所述的一种三角波纵向可调的Buck调控电路，其特征在于，所述第二比较器的正极输入端通过第一S2开关接第一电阻和第二电阻的公共端、通过第二S1开关接参考电压，负极输入端通过第一S1开关接第一电阻和第二电阻的公共端、通过第二S2开关接参考电压。

5.如权利要求3所述的一种三角波纵向可调的Buck调控电路，其特征在于，所述第一运放电路的第一输出端电压与第二输出端电压分别为：

式中，V_1L为第一运放电路的第一输出端电压，V_2L为第一运放电路的第二输出端电压，Vdd/2为二分之一电源电压，V₀₃为第三比较器输出端的电压，X为设置的三角波幅值电压。

6.如权利要求5所述的一种三角波纵向可调的Buck调控电路，其特征在于，所述第二运放电路的第一输出端电压与第二输出端电压分别为：

式中，V_1H为第二运放电路的第一输出端电压，V_2H为第二运放电路的第二输出端电压，Vdd/2为二分之一电源电压，V₀₃为第三比较器输出端的电压，X为设置的三角波幅值电压。

7.如权利要求6所述的一种三角波纵向可调的Buck调控电路，其特征在于，所述第一运放电路的第一输出端或第二输出端接所述三角波发生器的第一输入端；

当第一运放电路的第一输出端接所述三角波发生器的第一输入端时，所述第二运放电路的第一输出端接所述三角波发生器的第二输入端；

当第一运放电路的第二输出端接所述三角波发生器的第一输入端时，所述第二运放电路的第二输出端接所述三角波发生器的第二输入端。

8.如权利要求6所述的一种三角波纵向可调的Buck调控电路，其特征在于，所述第三比较器的输出端通过第一运放电路连接三角波发生器的第一输入端的具体过程为：

所述第一运放电路的第一输出端通过第三S1开关接所述三角波发生器的第一输入端，所述第一运放电路的第二输出端通过第三S2开关接所述三角波发生器的第一输入端。

9.如权利要求6所述的一种三角波纵向可调的Buck调控电路，其特征在于，所述第三比较器的输出端通过第二运放电路连接三角波发生器的第二输入端的具体过程为：

所述第二运放电路的第一输出端通过第四S1开关接所述三角波发生器的第二输入端，所述第二运放电路的第二输出端通过第四S2开关接所述三角波发生器的第二输入端。