CN204258633U - 带线损补偿的dc-dc转换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带线损补偿的DC-DC转换器，包括控制电路和滤波电路、反馈电路、线损补偿电路；输入电压经过控制电路和滤波电路后产生芯片端输出电压，经过线损电阻后产生负载端输出电压为负载端供电；芯片端输出电压经过反馈电阻和补偿电阻反馈给控制电路；线损补偿电路通过检测控制电路中的误差放大器输出端的电压得到负载电流，从补偿电阻的反馈端口抽取同负载电流成比例的补偿电流，对负载端输出电压的线损压降进行补偿。本实用新型可以实现线性的线损补偿，补偿电压可与损耗电压完全一致，使输出电压不随负载电流变化，保持恒定；补偿值可由外接电阻灵活设定，可应用于不同线损电阻的系统。

Description

带线损补偿的DC-DC转换器

技术领域

本实用新型涉及电压转换器中输出电压的线损补偿技术，尤其是一种带线损补偿功能的DC-DC转换器。

背景技术

如图1所示，电压转换器的输出电压是通过控制环路使反馈电压FB与内部基准电压V_REF相等实现，DC-DC芯片的输出电压为：

$V_{\mathrm{OUT}1}=V_{\mathrm{REF}}(1+\frac{R_{F1}}{R_{F2}})---\left(1\right)$

但是，电压转换器在对外部负载进行供电时，DC-DC芯片的输出端到负载端存在由接口电阻、导线寄生电阻等形成的线损电阻R_P，该电阻上产生电压损耗，导致负载端的输出电压为：

$V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{REF}}(1+\frac{R_{F1}}{R_{F2}})-I_O{R}_P---\left(2\right)$

最终，负载端的输出电压比芯片输出端电压低，在大电流供电时，该效应更加严重，往往使负载端的输出电压低至超出可接受的范围，因此需要对该损耗电压进行补偿。

实用新型内容

本实用新型旨在解决现有技术存在的不足，提供一种能够保持负载端输出电压不随负载电流变化，即负载端输出电压能够保持恒定的带线损补偿的DC-DC转换器。

本实用新型的技术方案如下：

一种带线损补偿的DC-DC转换器，包括控制电路和滤波电路、反馈电路、线损补偿电路；输入电压经过所述控制电路和滤波电路后产生芯片端输出电压，所述芯片端输出电压经过线损电阻后产生负载端输出电压，所述负载端输出电压为负载端供电；同时所述芯片端输出电压经过反馈电路的反馈电阻和线损补偿电路的补偿电阻反馈给控制电路；所述线损补偿电路通过检测控制电路中的误差放大器输出端的电压得到负载电流，并从所述补偿电阻的反馈端口抽取一个同所述负载电流成比例的补偿电流，补偿给控制电路，对负载端输出电压的线损压降进行补偿。

其进一步的技术方案为：

所述线损补偿电路包括运算放大器，运算放大器的同向输入端连接误差放大器的输出端电压，运算放大器的反向输入端与第一NMOS管的源极相连，运算放大器的输出端与第一NMOS管的栅极相连；

第一PMOS管和第二PMOS管的栅极相连，第二NMOS管和第三NMOS管的栅极相连，第四NMOS管和第五NMOS管的栅极相连；第一PMOS管的栅极和漏极相连，第二NMOS管的栅极和漏极相连，第四NMOS管的栅极和漏极相连；第一NMOS管、第一PMOS管的漏极相连，第三NMOS管、第四NMOS管、第二PMOS管的漏极相连；

第一PMOS管、第二PMOS管的源极接电源电压；第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管的源极接地；第一NMOS管的源极连接第二电阻后接地；

第一NMOS管的漏极连接直流电流I_DC2；第二NMOS管的漏极连接直流电流I_slop2；第五NMOS管的漏极连接第三电阻后连接所述补偿电阻的反馈端口。

以及，其进一步的技术方案为：

所述直流电流I_slop2与所述控制电路产生的斜坡补偿电流I_slop相等；

所述直流电流I_DC2与所述控制电路产生的固定直流电流I_DC之比为：I_DC：I_DC2＝n：1；

所述第二电阻与所述控制电路中连接在斜坡补偿电流I_slop输出端的下拉的第一电阻的电阻类型相同，且第一电阻和第二电阻的阻值之比为：R1：R2＝1：n；

所述第二NMOS管和第三NMOS管的宽长比之比为：(W/L)₂：(W/L)₃＝n：1；

所述第四NMOS管和第五NMOS管的宽长比之比为：(W/L)₄：(W/L)₅＝1：m。

本实用新型的有益技术效果是：

一、本实用新型可以实现线性的线损补偿，补偿电压可与损耗电压完全一致，使输出电压不随负载电流变化，保持恒定。

二、本实用新型的补偿值可由外接电阻灵活设定，可应用于不同线损电阻的系统。

三、本实用新型的电流采样由芯片内部实现，芯片无需增加额外的PIN脚，降低芯片复杂度，节省成本。

本实用新型的优点将在下面具体实施方式部分的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

图1是现有电压转换器的系统框图。

图2是本实用新型的框图。

图3是本实用新型的线损补偿模块的具体电路图。

图4是本实用新型的补偿电流与负载电流关系曲线。

图5是现有电压转换器与本实用新型的输出电压曲线比较。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

图2示出了本实用新型的框图。如图2所示，本实用新型带线损补偿的DC-DC转换器包括：控制和滤波电路、反馈电路、线损补偿电路，其中线损补偿电路为本实用新型核心。控制和滤波电路包括控制电路和滤波电路两部分。控制电路包括传统峰值电流模式DC-DC的主要模块：基准模块(REF)、振荡器与斜坡补偿模块(OSC&Slope Comp)、电流检测模块(CS)、误差放大器(EA)、PWM比较器(PWM)、逻辑电路模块(Logic)以及功率管(MH、ML)；滤波电路包括电感L和电容C1。反馈电路包括电阻R_F1、R_F2。线损补偿电路包括线损补偿模块(G_m)和电阻R_C。

输入电压V_IN输入上述控制和滤波电路，产生电压V_OUT1。电压V_OUT1经电阻R_F1、R_F2、R_C分压后，产生电压FB输入给控制电路。电压V_OUT1经线损电阻R_P后的输出电压为V_OUT。线损补偿模块G_m的输入端接误差放大器EA的输出端V_C，线损补偿模块G_m的输出端接电压FB。线损补偿模块G_m可根据V_C的值从FB端口抽取不同值的电流I_C，从而对输出电压的线损压降进行补偿，保持负载端的输出电压V_OUT恒定。

图2中，电阻R_F1、R_F2、R_C构成的电阻网络，与线损补偿模块G_m共同构成补偿结构。

FB_X点的电压为：

FB_X＝FB+I_CR_C

                          (3)

＝REF+I_CR_C

则V_OUT1点的电压为：

$V_{\mathrm{OUT}1}={\mathrm{FB}}_X+(\frac{{\mathrm{FB}}_X}{R_{F2}}+I_C)R_{F1}---\left(4\right)$

将式(3)带入式(4)，得：

$V_{\mathrm{OUT}1}=\mathrm{REF}\frac{R_{F1}+R_{F2}}{R_{F2}}+I_C(\frac{R_{F1}}{R_{F2}}{R}_{F1}+R_C)---\left(5\right)$

式(5)中，第一项为无线损补偿时的芯片端输出电压，第二项为补偿产生的电压。

在控制电路中，由时钟边沿开启功率管MH，功率管MH开启后，电感L的电流线性上升，电流检测与斜坡补偿共同形成的电压V_RAMP逐渐升高，电压V_RAMP升高到V_C时，PWM比较器翻转，其输出信号使功率管MH关断，功率管ML导通。V_RAMP的电压表达式为：

V_RAMP＝I_DC+I_SLOP1R₁+I_SenseR₁

                                      (6)

＝I_DC+I_SLOP1R₁+I_LR_SG_CSR₁

其中，I_DC为一固定直流量，I_L表示电感电流，R_S为电流检测电阻，G_CS表示电流检测放大器的跨导。在电流模式的DC-DC中，在一个开关周期内，V_C的值与V_RAMP的峰值基本相等。因此，可以认为：

V_C＝V_RAMP

                                (7)

＝I_DC+I_SLOP1R₁+I_LR_SG_CSR₁

图3示出了本实用新型的线损补偿模块的一种具体实施例电路图。如图3所示，电压V_C输入线损补偿模块中，该线损补偿模块的输入信号同时还有与上述I_DC成比例的直流量I_DC2，I_DC：I_DC2＝n：1，与斜坡补偿电流I_slop相等的电流I_slop2，该两项用于抵消上述电压V_C中斜坡补偿电流与直流电流相关的项，使最终输出的补偿电流I_C与电感电流I_L完全成线性关系。

图3中的电阻R2与图2中的电阻R1采用相同类型的电阻，其阻值关系为R1：R2＝1：n。图3中功率管MN2与功率管MN3的宽长比之比为：(W/L)₂：(W/L)₃＝n：1，功率管MN4与功率管MN5的宽长比之比为：(W/L)₄：(W/L)₅＝1：m。功率管MN3和功率管MN4构成电流减法器。则最终输出的补偿电流为：

$\begin{array}{c}{I}_C=(\frac{V_C}{R_2}-I_{\mathrm{DC}2}-\frac{I_{\mathrm{SLOP}2}}{n})*m\\ =(\frac{I_{\mathrm{DC}}+I_{\mathrm{SLOP}1}{R}_1+I_L{R}_S{G}_{\mathrm{GS}}{R}_1}{n{R}_1}-\frac{I_{\mathrm{DC}}}{n}-\frac{I_{\mathrm{SLOP}2}}{n})*m\\ =I_L{R}_S{G}_{\mathrm{CS}}*m\end{array}---\left(8\right)$

可见，该补偿电流I_C与电感电流I_L成线性关系。由于电感电流与负载电流近似相当，则补偿电流I_C也与负载电流I_Load成线性关系，如图4所示。

结合式(5)和式(8)，补偿产生的电压为：

$V_X=I_L{R}_S{G}_{\mathrm{CS}}*m*(\frac{R_{F1}}{R_{F2}}{R}_{F1}+R_C)---\left(9\right)$

若希望保持输出端V_OUT恒定，则上述补偿电压V_X需要与电阻R_P上的压降I_O*R_P相等。

$V_X=I_L{R}_S{G}_{\mathrm{CS}}*m*(\frac{R_{F1}}{R_{F2}}{R}_{F1}+R_C)=I_O{R}_P---\left(9\right)$

选用较大的电感，可忽略电感电流纹波的影响，取近似I_L＝I_O。

则由式(9)可得：

$R_C=\frac{R_P}{m{I}_L{R}_S{G}_{\mathrm{CS}}}-\frac{R_{F1}}{R_{F2}}{R}_{F1}---\left(10\right)$

根据不同应用中的电阻R_P、R_F1、R_F2，根据式(10)选取补偿电阻R_C，则可以完全补偿线损电阻R_P上的压降，使输出端电压V_OUT在不同负载电流下均能够保持恒定。

现有DC-DC转换器与本实用新型带有补偿功能的DC-DC转换器的芯片端与负载端的输出电压如图5所示。其中图(a)为现有DC-DC转换器的芯片输出端电压V_OUT1与负载端电压V_OUT；图(b)为本实用新型带有补偿功能的DC-DC转换器的芯片输出端电压V_OUT1与负载端电压V_OUT。对比图(a)和图(b)可见，本实用新型可以使负载端电压V_OUT保持恒定，消除线损的影响。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种带线损补偿的DC-DC转换器，其特征在于，包括控制电路和滤波电路、反馈电路、线损补偿电路；输入电压经过所述控制电路和滤波电路后产生芯片端输出电压，所述芯片端输出电压经过线损电阻后产生负载端输出电压，所述负载端输出电压为负载端供电；同时所述芯片端输出电压经过反馈电路的反馈电阻和线损补偿电路的补偿电阻反馈给控制电路；所述线损补偿电路通过检测控制电路中的误差放大器输出端的电压得到负载电流，并从所述补偿电阻的反馈端口抽取一个同所述负载电流成比例的补偿电流，补偿给控制电路，对负载端输出电压的线损压降进行补偿。

2.根据权利要求1所述带线损补偿的DC-DC转换器，其特征在于，所述线损补偿电路包括运算放大器，运算放大器的同向输入端连接误差放大器的输出端电压，运算放大器的反向输入端与第一NMOS管的源极相连，运算放大器的输出端与第一NMOS管的栅极相连；

第一PMOS管和第二PMOS管的栅极相连，第二NMOS管和第三NMOS管的栅极相连，第四NMOS管和第五NMOS管的栅极相连；第一PMOS管的栅极和漏极相连，第二NMOS管的栅极和漏极相连，第四NMOS管的栅极和漏极相连；第一NMOS管、第一PMOS管的漏极相连，第三NMOS管、第四NMOS管、第二PMOS管的漏极相连；

第一PMOS管、第二PMOS管的源极接电源电压；第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管的源极接地；第一NMOS管的源极连接第二电阻后接地；

第一NMOS管的漏极连接直流电流I_DC2；第二NMOS管的漏极连接直流电流I_slop2；第五NMOS管的漏极连接第三电阻后连接所述补偿电阻的反馈端口。

3.根据权利要求2所述带线损补偿的DC-DC转换器，其特征在于，所述直流电流I_slop2与所述控制电路产生的斜坡补偿电流I_slop相等；所述直流电流I_DC2与所述控制电路产生的固定直流电流I_DC之比为：I_DC：I_DC2＝n：1；所述第二电阻与所述控制电路中连接在斜坡补偿电流I_slop输出端的下拉的第一电阻的电阻类型相同，且第一电阻和第二电阻的阻值之比为：R1：R2＝1：n；所述第二NMOS管和第三NMOS管的宽长比之比为：(W/L)₂：(W/L)₃＝n：1；所述第四NMOS管和第五NMOS管的宽长比之比为：(W/L)₄：(W/L)₅＝1：m。