CN1753292A - 电流模式pwm直流－直流变换器芯片内的锯齿波发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种锯齿波发生装置，集成在电流模式PWM直流－直流变换器芯片(1、2)内，其特征在于，包括依次串联的输入端连接控制该变换器芯片内部直流－直流变换开关电路的时钟信号CLK的低通滤波器(3)、电压－电流变换器(4)，并联在一起的受控开关和电容Cr以及电气地。这种装置，集成在芯片(1、2)内，芯片由一种可直接获得的VIN或VOUT供电，通过该装置内的低通滤波器获取D*VIN或D*VOUT，从而根据D、VIN和VOUT的关系获取装置所需所有反馈信息输出补偿锯齿波；这样该装置无须增加芯片引线脚即可获取另一种不能直接获得的VOUT或VIN，降低芯片生成和安装成本，并提高了芯片整体工作稳定度。

Description

电流模式PWM直流-直流变换器芯片内的锯齿波发生装置

技术领域

本发明涉及开关电源技术，特别涉及电流模式PWM直流-直流变换器内的用于自适应补偿锯齿波的发生方法及其装置。

背景技术

脉宽调制Pulse Width Modulation，简称PWM，在开关型直流-直流变换器中主要采用PWM技术，其应用十分广泛。PWM控制分为电流模式和电压模式两类方式。电流模式具有稳定性好、补偿简单等优点，在PWM电源中得到了广泛的应用。

该类型升压和降压直流-直流变换器，具体如图1和图2所示，当控制开关电路的CLK信号的占空比D＞50％时，电流模式直流-直流变换器可能不能稳定工作，锯齿波发生器用来产生作补偿的锯齿波以便系统能稳定工作。为了让系统稳定工作，锯齿波的等效输出电流斜率必须满足式[1]要求：

$\left|\mathrm{\&alpha;}\right|=|-\frac{m_2-m_a}{m_1+m_a}|<1---\left[1\right]$

式[1]中，m_a为锯齿波的等效输出电流斜率、m₁为电流IIN在开关导通期间的斜率、m₂为电流IOUT在开关关断期间的斜率。对不同的直流-直流变换器，m₁和m₂的值如表一所示：

m_a通常选择：

m_a＝0.5m₂     -----------  [2]

以保证|α|小于1，如式[3]所示：

$\left|\mathrm{\&alpha;}\right|=|-\frac{m_2-0.5m_2}{m_1+0.5m_2}|=\frac{0.5m_2}{m_1+m_2}---\left[3\right]$

由表一可见，m₁和m₂值由VIN、VOUT和L的值确定。然而，VIN和VOUT通常具有不确定的值，这就给补偿带来极大的困难，从而造成系统的不稳定性。

为了使VIN和VOUT变化时，系统能稳定工作，m_a需要随VIN和VOUT的变化而变化，即自适应补偿。

以升压变换器为例，采用以上表一和式[2]描述原理的自适应补偿需要知道VIN和VOUT的变化，通过检测VIN和VOUT的变化来改变锯齿波的等效输出电流斜率m_a以达到自适应补偿。

以降压变换器为例，采用以上表一和式[2]描述原理的自适应补偿需要知道VOUT的变化，通过检测VOUT的变化来改变锯齿波的等效输出电流斜率m_a以达到自适应补偿。

然而，如图1，在升压直流-直流变换器芯片1中，VOUT可直接获得，VIN是通过电感接入芯片1中的，因此不能直接获得或者需要另外增加芯片1的引线脚才能直接获得；如图2，在降压直流-直流变换器芯片2中，VIN可直接获得，VOUT是通过电感从芯片2中引出的，因此不能直接获得或者需要另外增加芯片2的引线脚才能直接获得。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，如何提供一种集成在电流模式PWM直流-直流变换器芯片内的锯齿波发生装置，无须另外增加变换器芯片的引线脚即可提供满足要求的自适应补偿锯齿波。

首先，说明解决问题关键：在直流-直流变换器稳定工作时，VIN、VOUT与D(开关电路的导通占空比)之同具有一个固定的关系，如表二所示：

本发明上述技术问题这样解决，提供一种锯齿波发生装置，集成在电流模式PWM直流-直流变换器芯片内，其特征在于，包括：

低通滤波器，输入端连接控制该变换器芯片内部直流-直流变换开关电路的时钟信号CLK；

电压-电流变换器，输入端与所述低通滤波器的输出端连接；

并联的受控开关和电容Cr，一头接地，另一头连接所述电压-电流变换器的输出端，所述受控开关按一定时间频率闭合/断开。

按照本发明提供的锯齿波发生装置，所述变换器芯片是升压芯片，该升压芯片的电源由其输出电压VOUT提供。这样时钟信号CLK的高电平为VOUT，通过低通滤波器可获得D^*VOUT，根据表二即获取了VOUT-VIN的值，获得锯齿波发生装置所需反馈信息。

按照本发明提供的锯齿波发生装置，所述变换器芯片是降压芯片，该升压芯片的电源由其输入电压VIN提供。这样时钟信号CLK的高电平为VIN，通过低通滤波器可获得D*VIN，根据表二即获取了VOUT的值，获得锯齿波发生装置所需反馈信息。

按照本发明提供的锯齿波发生装置，直接供电方式最为简单，也可采取其他方式来保证CLK的高电平获得相应值。

连接时钟信号CLK的低通滤波器为本发明特有部分：

按照本发明提供的锯齿波发生装置，所述低通滤波器是一阶或一阶以上RC无源低通滤波器。

按照本发明提供的锯齿波发生装置，所述低通滤波器是一阶或一阶以上有源低通滤波器。该方案成本最低。

按照本发明提供的锯齿波发生装置，所述有源低通滤波器包括但不限制为RC或C有源低通滤波器。

以下电路部分为本发明与现有锯齿波发生装置基本共同或类似部分，完成基本相同或类似作用：

按照本发明提供的锯齿波发生装置，所述电压-电流变换器包括但不限制为受控镜像电流源。

按照本发明提供的锯齿波发生装置，所述受控镜像电流源的输入端设有电压倍数为一的放大器。增加电流输出量，使受控端的输入电压不会随负载大小而改变。

按照本发明提供的锯齿波发生装置，所述受控开关的控制端连接所述变换器芯片内部直流-直流变换开关电路的时钟信号CLK。

按照本发明提供的锯齿波发生装置，所述受控开关的控制端连接所述变换器芯片内部振荡器的输出端。

本发明提供的锯齿波发生装置，集成在电流模式PWM直流-直流变换器芯片内，该芯片由一种可直接获得的VIN或VOUT供电，通过集成在该装置内的低通滤波器获取D*VIN或D*VOUT，从而根据表二描述的D、VIN和VOUT的关系获取装置所需所有反馈信息输出补偿锯齿波；这样该装置无须增加芯片引线脚获取另一种不能直接获得的VOUT或VIN，降低芯片生成和安装成本，并提高了整体工作稳定度。

附图说明

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。

图1是电流模式直流-直流升压变换器的电路原理示意图

图2是电流模式直流-直流降压变换器的电路原理示意图。

图3是图1中本发明提供的用于升压自适应补偿的锯齿波发生装置的电路原理示意图。

图4是图2中本发明提供的用于降压自适应补偿的锯齿波发生装置的电路原理示意图。

图5是可替代图3或图4中一阶RC低通滤波器的多阶RC低通滤波器电路原理示意图。

图6是可替代图3或图4中一阶RC低通滤波器的有源RC低通滤波器电路原理示意图。

图7是可替代图3或图4中电流-电压变换器的另一种图1中电流-电压变换器电路原理示意图。

具体实施方式

本发明对直流-直流变换器的核心贡献在于补偿用的锯齿波发生装置仅使用可直接获取的VIN或VOUT，首先，根据表二说明其工作原理：

见表二，只需能够测出D的值和VIN、VOUT中的其中一个值而变换器芯片都可直接获得一种电压，因此VIN、VOUT中的另一个不可直接获得的值即可通过表二中的关系求出，从而无须增加引线脚即可获得自适应补偿所需要的所有反馈信号。

下面，分别对升压变换器(一)和降压变换器(二)内部用于自适应补偿的锯齿波发生器说明其原理和具体实施电路：

(一)升压变换器：VOUT通常用来给变换器芯片供电，而VIN则不连接到变换器芯片。因此，VOUT为已知，VIN未知，我们将通过检测VOUT和D来求出VIN。

将表一中升压变换器的m₂值代入式[2]中，并根据表二中VIN、VOUT与D的固定关系，获得式[4]：

$m_a=0.5m_{2=}0.5(-\frac{\mathrm{VIN}-\mathrm{VOUT}}{L})=\frac{\mathrm{VOUT}-\mathrm{VIN}}{2L}=\frac{D\&CenterDot;\mathrm{VOUT}}{2L}---[4]$

根据上述表二描述的原理，其锯齿波发生器具体实现电路如图3所示，此时VOUT设置为给变换器芯片1供电，时钟CLK通过低通滤波器3后，由于时钟的高电平为VOUT，因此，滤波器的输出将是时钟占空比与VOUT的乘积，即D*VOUT；再通过电压-电流转换器4给电容Cr充电，由于电压-电流转换器4输入端的比较器的+和-端输入电压相等，则电阻Rr上的电流为D*VOUT/Rr，该电流镜像后给电容Cr充电，电容Cr输出电压变化为：

$\mathrm{\&Delta;Vramp}=\frac{D\&CenterDot;\mathrm{VOUT}}{\mathrm{Rr}\&CenterDot;\mathrm{Cr}}\mathrm{\&Delta;t}$

即该输出电压的变化斜率m_a’为式[5]：

${m_a}^{\&prime;}=\frac{\mathrm{\&Delta;Vramp}}{\mathrm{\&Delta;t}}=\frac{D\&CenterDot;\mathrm{VOUT}}{\mathrm{Rr}\&CenterDot;\mathrm{Cr}}---\left[5^{\&prime;}\right]$

其等效输出电流的变化斜率为：

$m_a=\frac{{m_a}^{\&prime;}}{A\&CenterDot;\mathrm{Rs}}=\frac{D\&CenterDot;\mathrm{VOUT}}{A\&CenterDot;\mathrm{Rs}\&CenterDot;\mathrm{Rr}\&CenterDot;\mathrm{Cr}}---\left[5\right]$

其中Rr和Cr的值取式[6]：

A·Rs·Rr·Cr＝2L -------------  [6]该锯齿波发生器等效输出电流的变化斜率满足式[4]的要求。

其中，低通滤波器3为集成电路单元，为一阶RC无源低通滤波器；电压-电流转换器4为镜像电流源电路加输入放大器，该镜像电流源电路采用2个场效应管；本发明主要部分在低通滤波器3，它实现无须增加引线脚即可获得自适应补偿所需要的所有反馈信号。另外，控制电容Cr充放电的信号本实施例中采用CLK信号，也不排除如图1中采用振荡器输出的信号。

(二)降压变换器：对降压变换器，VIN通常用来给变换器芯片供电，而VOUT则不连接到变换器芯片。因此，VIN为已知，VOUT为未知，我们将通过检测VIN和D来求出VOUT。

将表一中降压变换器的m₂值代入式[2]中，并根据表二中VIN、VOUT与D的固定关系，获得式[7]：

$m_a=0.5m_2=0.5\left(\frac{\mathrm{VOUT}}{L}\right)=\frac{\mathrm{VOUT}}{2L}=\frac{D\&CenterDot;\mathrm{VIN}}{2L}---\left[7\right]$

根据上述表二描述的原理，其锯齿波发生器具体实现电路如图4所示，此时VIN设置为给变换器芯片1供电，时钟CLK通过低通滤波器3后，由于时钟的高电平为VIN，因此，滤波器的输出将是时钟占空比与VIN的乘积，即D*VIN；再通过电压-电流转换器4给电容Cr充电，由于电压-电流转换器4输入端的比较器的+和-端输入电压相等，则电阻Rr上的电流为D*VIN/Rr，该电流镜像后给电容Cr充电，电容Cr输出电压变化为：

$\mathrm{\&Delta;Vramp}=\frac{D\&CenterDot;\mathrm{VIN}}{\mathrm{Rr}\&CenterDot;\mathrm{Cr}}\mathrm{\&Delta;t}$

即该输出电压的变化斜率m_a’为式[8’]：

${m_a}^{\&prime;}=\frac{\mathrm{\&Delta;Vramp}}{\mathrm{\&Delta;t}}=\frac{D\&CenterDot;\mathrm{VIN}}{\mathrm{Rr}\&CenterDot;\mathrm{Cr}}---\left[8^{\&prime;}\right]$

其等效输出电流的变化斜率为：

${m_a}^{\&prime;}=\frac{{m_a}^{\&prime;}}{A\&CenterDot;\mathrm{Rs}}=\frac{D\&CenterDot;\mathrm{VIN}}{A\&CenterDot;\mathrm{Rs}\&CenterDot;\mathrm{Rr}\&CenterDot;\mathrm{Cr}}---\left[8\right]$

其中Rr和Cr的值取式[9]：

A·Rs·Rr·Cr＝2L  ---------  [9]该锯齿波发生器输出电压的变化斜率满足式[7]的要求。

其中，低通滤波器3为集成电路单元，为一阶RC无源低通滤波器；电压-电流转换器4为镜像电流源电路加输入放大器，该镜像电流源电路采用2个场效应管；本发明的主要部分在低通滤波器3，它实现无须增加引线脚即可获得自适应补偿所需要的所有反馈信号。另外，控制电容Cr充放电的信号本实施例中采用CLK信号，也不排除如图2中采用振荡器输出的信号。

在本技术领域普通技术人员理解范围内，本发明锯齿波发生器可作诸多变形，其中：

如图5，低通滤波器3采用多阶RC无源低通滤波器。

如图6，低通滤波器3采用有源RC低通滤波器，这种方式实现简单，成本更低。有源RC低通滤波器可为一阶或多阶，也可为有源C低通滤波器。

如图7，电压-电流转换器4中的镜像电流源电路部分采用3个个场效应管。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1、一种锯齿波发生装置，集成在电流模式PWM直流-直流变换器芯片(1、2)内，其特征在于，包括：

低通滤波器(3)，输入端连接控制该变换器芯片内部直流-直流变换开关电路的时钟信号CLK；

电压-电流变换器(4)，输入端与所述低通滤波器的输出端连接；

并联的受控开关和电容Cr，一头接地，另一头连接所述电压-电流变换器的输出端，所述受控开关按一定时间频率闭合/断开。

2、根据权利要求1所述锯齿波发生装置，其特征在于，所述变换器芯片是升压芯片(1)，该升压芯片的电源由其输出电压VOUT提供。

3、根据权利要求1所述锯齿波发生装置，其特征在于，所述变换器芯片是降压芯片(2)，该升压芯片的电源由其输入电压VIN提供。

4、根据权利要求1所述锯齿波发生装置，其特征在于，所述低通滤波器(3)是一阶或一阶以上RC无源低通滤波器。

5、根据权利要求1所述锯齿波发生装置，其特征在于，所述低通滤波器(3)是一阶或一阶以上有源低通滤波器。

6、根据权利要求5所述锯齿波发生装置，其特征在于，所述有源低通滤波器(3)是RC或C有源低通滤波器。

7、根据权利要求1所述锯齿波发生装置，其特征在于，所述电压-电流变换器(4)是受控镜像电流源。

8、根据权利要求7所述锯齿波发生装置，其特征在于，所述受控镜像电流源的输入端设有电压倍数为一的放大器。

9、根据权利要求1所述锯齿波发生装置，其特征在于，所述受控开关的控制端连接所述变换器芯片内部直流-直流变换开关电路的时钟信号CLK。

10、根据权利要求1所述锯齿波发生装置，其特征在于，所述受控开关的控制端连接所述变换器芯片内部振荡器的输出端。

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