CN1988350A - 一种前馈脉宽调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种前馈脉宽调制器，包括一个环路中的转换器外围电路、输出电压采样电路、误差放大器、斜波产生器、脉宽调制比较器、反相器和开关管。转换器外围电路将输入电压转换成输出电压，输出电压采样电路根据输出电压产生反馈信号，误差放大器将其与参考电压进行比较，产生误差信号，斜波产生器根据误差信号、输入电压、输出电压和时钟信号产生斜波信号，脉宽调制比较器将斜波信号和阈值电压进行比较，产生脉冲信号；经过反相器反相形成新脉冲信号，开关管根据该脉冲信号控制开关管的导通和截止时间，以控制转换器外围电路产生的输出电压的大小。本发明不需要输入电压采样电路，简化电路设计，同时也增强了环路对输入电压的抗噪能力，而且环路对输出电压的动态响应速度也大为提高。

Description

一种前馈脉宽调制器
技术领域
本发明属于直流-直流开关电源领域，具体涉及-种前馈脉宽调制器。
背景技术
在连续电流模式下，当没有控制环路时，采用脉宽调制的直流-直流转换器的输出电压几乎和输出电流(或者是负载大小)没有关系，而与输入电压存在一定的正比例关系。在这种情况下，输出电压很难稳定。通常是采用一个电压模式脉宽调制器(增加一个负反馈控制环路)来稳定输出电压，使其不受负载或者线性变化的影响。
然而采用电压模式脉宽调制的直流-直流转换器由于控制环路结构上的原因，当输入电压在大信号下发生变化时，输出电压的变化信号要经过误差放大器及其补偿电路的延时后，才能传到脉宽调制比较器，这样就会导致控制环路的动态响应速度变慢。前馈脉宽调制器则可以很好的解决这个问题，它在斜波产生器中加入了输入电压前馈电路，输入电压在大信号下的变化信号可以直接由斜波产生器传到脉宽调制比较器，因而输入电压的变化信号不会因误差放大器及其补偿电路而产生延时滞后。
现有的前馈脉宽调制器一般需要采样输入电压，这样不仅会增加电路设计的复杂度，还会导致产生的斜波信号易受到输入电压噪声的干扰。同时，输出电压在大信号下发生变化时，变化信号只能通过误差放大器及其补偿电路传到脉宽调制比较器，这样就使得环路对输出电压变化的动态响应的速度也不够快。
发明内容
本发明的目的在于提供一种前馈脉宽调制器，该调制器有效地改善了直流-直流转换器的动态性能，同时能很好地稳定输出电压。
本发明提供的一种前馈脉宽调制器，其特征在于：它包括一个环路中的转换器外围电路、输出电压采样电路、误差放大器、斜波产生器、脉宽调制比较器、反相器和开关管；其中，转换器外围电路将输入电压Vin转换成输出电压Vout，并送至输出电压采样电路；输出电压采样电路根据输出电压Vout产生反馈信号VF，并传送给误差放大器；误差放大器用于将反馈信号VF和参考电压Vref进行比较，并产生放大的误差信号ER，并传送给斜波产生器；斜波产生器根据误差信号ER、输入电压Vin、输出电压Vout和时钟信号CLK产生斜波信号VR，并将斜波信号VR传送给脉宽调制比较器；脉宽调制比较器用于将斜波信号VR和阈值电压VT进行比较，产生脉冲信号VP，并传送给反相器；反相器将脉冲信号VP反相，产生新的脉冲信号VG，并传送给开关管；开关管根据脉冲信号VG控制开关管的导通与截止时间，以控制转换器外围电路产生的输出电压Vout的大小。
本发明调制器用以提高DC-DC转换器环路动态响应速度，在大信号下输入电压的变化信号或者是输出电压的变化信号，能够及时的通过斜波产生器传到脉宽比较器。与现有前馈脉宽调制器相比，它不需要输入电压采样电路，简化电路设计，同时也增强了环路对输入电压的抗噪能力，而且环路对输出电压的动态响应速度也大为提高。
本发明在电压模式PWM调制器的基础上，对斜波产生器进行改进。改进后的斜波产生器可以周期性的监测输入电压和输出电压的变化。
附图说明
图1为本发明一种前馈脉宽调制器的示意图；
图2为图1中斜波产生器具体实现电路的示意图。
图3为输入电压在大信号下发生变化时本发明前馈脉宽调制器输出波形图；
图4为输入电压不变，输出电压在大信号下发生变化时本发明前馈脉宽调制器输出波形图；
具体实施方式
如图1所示，本发明前馈脉宽调制器包括一个环路中的转换器外围电路1、输出电压采样电路2、误差放大器3、斜波产生器4、脉宽调制比较器5、反相器6和开关管7。
转换器外围电路1将输入电压Vin转换成输出电压Vout，并送至输出电压采样电路2。这里，转换器外围电路1可以是Boost型或者是Buck型，也可以是其它直流-直流转换器。
输出电压采样电路2根据输出电压Vout产生一个反馈信号VF，并传送给误差放大器3。这里，输出电压采样电路2是利用分压电阻来实现，反馈信号VF即是输出电压Vout的分压信号。
误差放大器3把反馈信号VF和参考电压Vref进行比较，产生一个放大的误差信号ER，并传送给斜波产生器4。这里，误差放大器3采用用高增益的运算放大器来实现。只要反馈信号VF和参考电压Vref之间有一点点的差值，误差放大器3就会把这个差值放大很多倍输出，即为误差信号ER。
斜波产生器4根据误差信号ER、输入电压Vin、输出电压Vout和时钟信号CLK产生一个斜波信号VR。斜波信号VR传送给脉宽调制比较器5。时钟信号CLK控制着斜波信号VR的周期，误差信号ER、输入电压Vin和输出电压Vout控制着斜波信号VR的波形。在小信号下，输入电压和输出电压的直流工作点是不变的，此时斜波产生器4根据误差信号ER产生一个斜波信号VR。误差信号ER变化，斜波信号VR的波形也发生变化。在大信号下，输入电压Vin或者是输出电压Vout的直流工作点在发生变化，由于环路中误差信号ER的传输延时，在它还没有来得及改变斜波信号VR波形的时候，输入电压Vin或者是输出电压Vout就已经改变斜波信号VR的波形了，因而在这种情况下，斜波信号的波形是由输入电压Vin或者是输出电压Vout决定的。
脉宽调制比较器5将斜波信号VR和一个阈值电压VT进行比较，产生一个脉冲信号VP，并传送给反相器6。阈值电压VT是一个可设定的电压值，根据环路的需要可以选择不同的电压值。
反相器6将脉冲信号VP反相，产生一个新的脉冲信号VG，并传送给开关管7。
开关管7根据脉冲信号VG控制着开关管7的导通与截止时间(即占空比的大小)，从而控制着转换器外围电路1产生的输出电压Vout的大小。
如果输入电压在一定范围内发生变化，反相脉冲信号的脉宽也随之变化，从而保持输出电压的稳定；如果输出电压发生大的变化，反相脉冲信号的脉宽也随之变化，从而使得输出电压朝着相反的方向变化，稳定输出电压。
如图2所示，斜波产生器4包括输入电压Vin前馈电路4a、输出电压Vout的前馈电路4b和限幅单元4c。
输入电压Vin前馈电路4a由PMOS管P1、电阻R1、电容C1、NMOS管N8和N9组成。PMOS管P1的漏极接输入电压Vin，源极接电阻R1的上端和电容C1的上极板，栅极接时钟信号CLK。电容C1的上极板接PMOS管P1的源极，下极板接地。电阻R1的上端接PMOS管P1的源极，下端接NMOS管N8的漏极。NMOS管N8的源极接NMOS管N9的漏极，NMOS管N9的漏极接地，同时NMOS管N8的栅极接误差放大器的输出信号ER，NMOS管N9的栅极接时钟信号CLK的反相信号NCLK。斜波产生信号VR从NMOS管N8的漏端输出，输入到脉宽调制比较器5的同相端。脉宽调制比较器5把同相输入信号VR(斜波信号)和反相端输信号VT进行比较，产生一个脉冲信号VP。在输入电压Vin前馈电路4a中，PMOS管P1和NMOS管N9起到一个开关的作用，分别在时钟信号CLK为低和时钟信号CLK的反相信号NCLK为高(即两则可同时等效为时钟信号CLK为低)时导通。电容C1、电阻R1和NMOS管N8则构成一个RC电路。
输出电压Vout前馈电路4b包括低压共源共栅电流镜和电容C2，低压共源共栅电流镜由PMOS管P2、PMOS管P3、NMOS管N4、NMOS管N5、NMOS管N6、NMOS管N7和恒流源I1组成。恒流源I1的正端接输出电压Vout，负端接NMOS管N4的漏极，NMOS管N4的源极接NMOS管N5的漏极，NMOS管N5的漏极接地，同时NMOS管N5的栅极接NMOS管N4的漏极，NMOS管N4的栅极接一个偏置电压Vb2。PMOS管P2的漏极接输出电压Vout，栅极接时钟信号CLK的反相信号NCLK，源极接PMOS管P3的漏极。PMOS管P3的漏极接NMOS管N6的漏极，NMOS管N6的源极接NMOS管N7的漏极，NMOS管N7的漏极接地，同时PMOS管P3的栅极接一个偏置电压Vb1，NMOS管N6的栅极接NMOS管N4的栅极，NMOS管N7的栅极接NMOS管N5的栅极。在这个低压共源共栅电流镜中，PMOS管P2相当于一个开关，即在时钟信号CLK为低电平的时候，PMOS管P2、PMOS管P3、NMOS管N6和NMOS管N7组成的支路才会起作用。适当选取偏置电压Vb1和Vb2的大小，就可以把恒流源I1的电流镜像到由PMOS管P3、NMOS管N6和NMOS管N7组成的支路上，调整恒流源I1电流的大小，就可以改变PMOS管P3、NMOS管N6和NMOS管N7组成的支路上电流的大小。电容C2的右端接PMOS管P3和NMOS管N6的漏极，左端接输入电压Vin前馈电路4a中NMOS管N8的源极。
限幅单元4c由PMOS管P10组成。PMOS管P10的栅极接地，源极接NMOS管N8的漏极，漏极接NMOS管N7的漏极和NMOS管N6的源极。在限幅单元4c中，由于PMOS管P10的栅极接地，当它源极电压下降到Vth(PMOS的阈值电压)时，PMOS管P10截止。因此它在这里相当于一个箝位二极管，限制斜波信号VR(PMOS管P10的源极电压)下降到Vth以下。
本斜波产生器的具体实现电路工作原理详细叙述如下。
在小信号下，输入电压和输出电压的直流工作点都是保持不变的。当时钟信号CLK为低电平时，PMOS管P1、PMOS管P2和NMOS管N9导通，输出电压Vout通过PMOS管P2、PMOS管P3、NMOS管N6、NMOS管N7组成的支路对电容C2充电。输入电压Vin通过PMOS管P1、电阻R1、NMOS管N8和NMOS管N9组成的通路对电容C1充电。在这段时间内电容C1和电容C2的充电速度非常快，时间几乎可以忽略不计，斜波信号VR很快上升到一个幅值并稳定。因为在这段时间内，输出电压不变，所以每个周期恒流源I1通过电容C2对4a中NMOS管N49漏极电位的影响相同。当CLK为高电平时，PMOS管P1、PMOS管P2和 NMOS管N9截止，电容C1经过电阻R1、PMOS管P10和NMOS管N7组成的支路和电容C2、NMOS管N6和NMOS管N7组成的支路同时对地放电，斜波信号VR开始下降，直到斜波信号VR的幅值等于Vth。由于输入电压Vin也不变，斜波信号VR的下降斜率由误差信号ER决定。当误差信号ER变大时，斜波信号VR的下降斜率变平坦，脉宽调制比较器5的输出脉冲信号VP维持低电平时间的变长，占空比变大；当误差信号ER变小时，斜波信号VR的下降斜率变陡峭，脉宽调制比较器5的输出脉冲信号VP维持低电平时间的变短，占空比变小。于是，通过误差信号ER就可以改变脉宽调制比较器5的输出脉冲信号VP的维持低电平时间的长短，从而调整环路占空比。故在小信号下，误差信号ER即可稳定输出电压。
在大信号下，当输入电压Vin变大时，此时由于环路延时，误差信号ER还没有改变。CLK为低电平时，PMOS管P1、PMOS管P2和NMOS管N9导通，输出电压Vout通过PMOS管P2、PMOS管P3、NMOS管N6、NMOS管N7组成的支路对电容C2充电。输入电压Vin通过PMOS管P1、电阻R1、NMOS管N8和NMOS管N9组成的通路对电容C1充电。在这段时间内电容C2和电容C1的充电速度非常快，时间几乎可以忽略不计，斜波信号VR很快上升到一个幅值并稳定(比小信号下的幅值大)。当CLK为高电平时，PMOS管P1、PMOS管P2和NMOS管N9截止，电容C1经过电阻R1、PMOS管P10和NMOS管N7组成的支路和电容C2、NMOS管N6和NMOS管N7组成的支路同时对地放电，斜波信号VR开始下降，直到斜波信号VR的幅值等于Vth。由于输入电压Vin变大，斜波信号VR的下降斜率变陡峭，脉宽调制比较器5的输出脉冲信号VP维持低电平时间的变小，占空比变小，输出电压不变；若输入电压Vin变小，斜波信号VR的下降斜率越变平坦，脉宽调制比较器5的输出脉冲信号VP维持低电平时间的变大，占空比变大，输出电压也不变。
当输出电压Vout变大时，此时由于环路延时，误差信号ER还没有改变。CLK为低电平时，PMOS管P1、PMOS管P2和NMOS管N9导通，输出电压Vout通过PMOS管P2、PMOS管P3、NMOS管N6、NMOS管N7组成的支路对电容C2充电。输入电压Vin通过PMOS管P1、电阻R1、NMOS管N8和NMOS管N9组成的通路对电容C1充电。在这段时间内电容C2和电容C1的充电速度非常快，时间几乎可以忽略不计，斜波信号VR很快上升到一个幅值并稳定。当CLK为高电平时，PMOS管P1、PMOS管P2和NMOS管N9截止，电容C1经过电阻R1、PMOS管P10和NMOS管N7组成的支路和电容C2、NMOS管N6和NMOS管N7组成的支路同时对地放电，斜波信号VR开始下降，直到斜波信号VR的幅值等于Vth。由于输出电压Vout变大，电容C2的存在使得NMOS管N8的源极电位上升，斜波信号VR的下降斜率变陡峭，脉宽调制比较器5的输出脉冲信号VP维持低电平时间的变小，占空比变小，输出电压下降；若输出电压Vout变小，斜波信号VR的下降斜率变平坦，脉宽调制比较器5的输出脉冲信号VP维持低电平时间的变大，占空比变大，输出电压上升，因而可以及时调整输出电压Vout。
下面结合图3和图4详细说明大信号下本发明前馈脉宽调制器的工作过程。
如图3所示，在输入电压在大信号下发生变化时，波形8表示正在发生变化的输入电压Vin。输入电压Vin在第一段8a保持一个较高的电压值，第二段8b开始减少，第三段8c保持一个较低的电压值，比如输入电压Vin从5V下降到2V。简言之，输入电压Vin发生一个较大的变化。
CLK表示时钟信号的波形，是一个周期性的脉冲信号。VT表示阈值电压的波形，是一个相对恒定不变的量。
VR表示斜波产生器4输出信号的波形。由波形图可以看出，当时钟信号CLK由高电平跳变到低电平的时候，斜波信号VR以很快的速度上升，然后维持一端时间；当时钟信号CLK由低电平跳变到高电平的时候，斜波信号VR开始下降，直到低电平。下一个周期的时钟信号CLK让斜波信号VR重复上个周期的过程。故斜波信号VR的下降斜率是可以改变的。
VP表示脉宽比较器5输出脉冲信号的波形。当时钟信号CLK跳变成高电平之后，斜波信号VR由高电平开始下降，当它等于阈值电压VT时，脉冲信号VP跳变成低电平，直到下个周期的时钟信号CLK对它进行复位。因此，脉冲信号VP的周期是由时钟信号CLK决定的，而维持低电平的时间则是由斜波信号VR的下降斜率决定的。
VG表示反相器6输出脉冲信号的波形。它与脉冲信号VP反相，周期由时钟信号CLK决定的，而脉宽等于脉冲信号VP低电平的维持时间。
Vout表示输出电压的波形。
在第一段8a输入电压Vin保持不变，此时斜波信号VR的下降斜率也保持不变，因而脉冲信号VG的脉宽也保持不变；在第二段82输入电压Vin逐渐变小，此时斜波信号VR的下降斜率逐渐变平坦，同时幅值也逐渐变小，因而脉冲信号VG的脉宽逐渐变大；在第三段83输入电压Vin保持不变，但是幅值比第一段8a小，此时斜波信号VR的下降斜率和幅值保持不变(比第一段8a的小)，因而脉冲信号VG的脉宽也保持不变(比第一段8a的大)。
通过上述分析，脉冲信号VG的脉宽与输入电压Vin是反方向变化的，即环路的占空比与输入电压Vin是反方向变化的。一般来说，占空比可以用Vout/Vin的比例来衡量，若输入电压Vin变小，而占空比变大的，那么Vout就可以保持不变。因此，输出电压Vout就不会受到输入电压Vin变化的影响。
如图4所示，在输入电压不变、输出电压在大信号下发生变化时，波形9表示正在发生变化的输出电压Vout。输出电压Vout在第一段9a保持不变，第二段9b突然减小，第三段9c又逐渐增加，最后又恢复为第一段9a的幅值。
CLK表示时钟信号的波形，是一个周期性的脉冲信号。VT表示阈值电压的波形，是一个相对恒定不变的量。
VR表示斜波产生器4输出信号的波形。由波形图可以看出，当时钟信号CLK由高电平跳变到低电平的时候，斜波信号VR以很快的速度上升，然后维持一端时间；当时钟信号CLK由低电平跳变到高电平的时候，斜波信号VR开始下降，直到低电平。下一个周期的时钟信号CLK让斜波信号VR重复上个周期的过程。故斜波信号VR的下降斜率是可以改变的。
VP表示脉宽比较器输出脉冲信号的波形。当时钟信号CLK跳变成高电平之后，斜波信号VR由高电平开始下降，当它等于阈值电压VT时，脉冲信号VP跳变成低电平，直到下个周期的时钟信号CLK对它进行复位。因此，脉冲信号VP的周期是由时钟信号CLK决定的，而维持低电平的时间则是由斜波信号VR的下降斜率决定的。
VG表示反相器6输出脉冲信号的波形。它与脉冲信号VP反相，周期由时钟信号CLK决定的，而脉宽等于脉冲信号VP低电平的维持时间。
Vout表示输出电压的波形。
在第一段9a，输出电压Vout保持不变，此时斜波信号VR的下降斜率也保持不变，因而脉冲信号VG的脉宽也保持不变；一般来说，输出电压Vout变小，误差信号ER会变大，ER的变大会使斜波信号VR的下降斜率变平坦，但是误差信号ER的变化要经过采样电路、EA及其补偿电路，才能反映到斜波信号VR上，这样就会增加环路的动态响应时间。如果结合输出电压Vout直接改变斜波信号VR的下降斜率和负反馈环路改变斜波信号VR的下降斜率这两条途径，则可以大大减少环路动态响应时间，更好的稳定环路。在第二段9b，输出电压Vout变小，在误差信号ER之前它直接改变斜波信号VR的下降斜率，使得脉冲信号VG的脉宽变大，占空比变大，于是出现了第三段9c输出电压Vout上升的趋势。最后输出电压Vout恢复到第一段9a的幅值，保持不变。

Claims (2)

1、一种前馈脉宽调制器，其特征在于：它包括一个环路中的转换器外围电路(1)、输出电压采样电路(2)、误差放大器(3)、斜波产生器(4)、脉宽调制比较器(5)、反相器(6)和开关管(7)；其中，
转换器外围电路(1)将输入电压Vin转换成输出电压Vout，并送至输出电压采样电路(2)；
输出电压采样电路(2)根据输出电压Vout产生反馈信号VF，并传送给误差放大器(3)；
误差放大器(3)用于将反馈信号VF和参考电压Vref进行比较，并产生放大的误差信号ER，并传送给斜波产生器(4)；
斜波产生器(4)根据误差信号ER、输入电压Vin、输出电压Vout和时钟信号CLK产生斜波信号VR，并将斜波信号VR传送给脉宽调制比较器(5)；
脉宽调制比较器(5)用于将斜波信号VR和阈值电压VT进行比较，产生脉冲信号VP，并传送给反相器(6)；
反相器(6)将脉冲信号VP反相，产生新的脉冲信号VG，并传送给开关管(7)；
开关管(7)根据脉冲信号VG控制开关管(7)的导通与截上时间，以控制转换器外围电路(1)产生的输出电压Vout的大小。
2、根据权利要求1所述的前馈脉宽调制器，其特征在于：斜波产生器(4)包括输入电压Vin前馈电路(4a)、输出电压Vout前馈电路(4b)和限幅单元(4c)；其中，
输入电压Vin前馈电路(4a)由PMOS管P1、电阻R1、电容C1、NMOS管N8和N9组成；PMOS管P1的漏极接输入电压Vin，源极接电阻R1的上端和电容C1的上极板，栅极接时钟信号CLK；电容C1的上极板接PMOS管P1的源极，下极板接地；电阻R1的上端接PMOS管P1的源极，下端接NMOS管N8的漏极；NMOS管N8的源极接NMOS管N9的漏极，NMOS管N9的漏极接地，同时NMOS管N8的栅极接误差放大器的输出信号ER，NMOS管N9的栅极接时钟信号CLK的反相信号NCLK；斜波产生信号VR从NMOS管N8的漏端输出，输入到脉宽调制比较器(5)的同相端；
输出电压Vout前馈电路(4b)包括低压共源共栅电流镜和电容C2，低压共源共栅电流镜由PMOS管P2、PMOS管P3、NMOS管N4、NMOS管N5、NMOS管N6、NMOS管N7和恒流源I1组成；恒流源I1的正端接输出电压Vout，负端接NMOS管N4的漏极，NMOS管N4的源极接NMOS管N5的漏极，NMOS管N5的漏极接地，同时NMOS管N5的栅极接NMOS管N4的漏极，NMOS管N4的栅极接偏置电压Vb2；PMOS管P2的漏极接输出电压Vout，栅极接时钟信号CLK的反相信号NCLK，源极接PMOS管P3的漏极；PMOS管P3的漏极接NMOS管N6的漏极，NMOS管N6的源极接NMOS管N7的漏极，NMOS管N7的漏极接地，同时PMOS管P3的栅极接偏置电压Vb1，NMOS管N6的栅极接NMOS管N4的栅极，NMOS管N7的栅极接NMOS管N5的栅极；电容C2的一端接PMOS管P3和NMOS管N6的漏极，另一端接输入电压Vin前馈电路(4a)中NMOS管N8的源极；
限幅单元(4c)由PMOS管P10组成；PMOS管P10的栅极接地，源极接NMOS管N8的漏极，漏极接NMOS管N7的漏极和NMOS管N6的源极。
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