CN204721209U - 一种防止电感电流倒灌的dc-dc转换器芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种防止电感电流倒灌的DC-DC转换器芯片。一种防止电感电流倒灌的DC-DC转换器芯片包括使能控制电路、带隙基准电路、振荡器电路、误差放大器、PWM比较器、控制逻辑、死区时间控制、斜率补偿电路、电流采样放大器电路、突发模式控制电路、过压检测和零电流比较器。利用本实用新型提供的一种防止电感电流倒灌的DC-DC转换器芯片能够防止电感电流倒灌，能够稳定直流输出电压，效率高达92％以上。

Description

一种防止电感电流倒灌的DC-DC转换器芯片

技术领域

本实用新型涉及集成电路技术，尤其涉及到一种防止电感电流倒灌的DC-DC转换器芯片。

背景技术

为了得到稳定的输出电压，设计了一种防止电感电流倒灌的DC-DC转换器芯片。

发明内容

本实用新型旨在提供一种防止电感电流倒灌的DC-DC转换器芯片。

一种防止电感电流倒灌的DC-DC转换器芯片，包括使能控制电路、带隙基准电路、振荡器电路、误差放大器、PWM比较器、控制逻辑、死区时间控制、斜率补偿电路、电流采样放大器电路、突发模式控制电路、过压检测和零电流比较器：

所述使能控制电路的输入端接使能端EN，输出端控制所述控制逻辑；当使能端EN接高电平，电路正常工作；当EN接地，电路处于关闭状态，电路不工作；

所述带隙基准电路用来产生芯片内部的带隙基准电压；提供0.85V、0.8V、0.3V基准电压，作为其他电路的参考电压，这些电压的精确度直接影响DC-DC输出的电压精度；

所述振荡器电路提供内部时钟频率1.5MHz，并作为内部同步时钟。同时产生出锯齿波，提供给PWM比较器和为斜坡补偿电路提供斜坡信号；振荡频率可以通过反馈电压VFB调节，进行频率移位；当VFB电压低于0.3时，振荡频率下降到固定频率1.5MHz的1/7，即为210KHz，以保证电感电流有足够的时间进行衰减，防止不稳定现象出现；当VFB电压上升到0.3V以上时，振荡频率将逐渐上升到1.5MHz；

所述误差放大器将输出反馈电压VFB与比较基准电压0.8V的差值进行放大及反馈，保证稳态时的稳压精度；

所述PWM比较器是把误差放大器输出的电压误差信号与电感电流采样信号和斜坡补偿信号相加得到的电压进行比较，输出相应的脉宽调制信号，从而控制功率管的占空比，达到调节输出电压的目的；

所述控制逻辑实现系统的逻辑控制功能，对控制功率管工作状态的各模块逻辑信号进行处理，产生功率管控制信号至驱动模块；

所述死区时间控制是为了防止功率管和同步管同时导通而被损坏；

所述斜率补偿电路的功能是利用振荡器模块产生的斜坡信号对电流反馈回路的电流检测信号进行补偿；斜率补偿的目的是消除电流模DC-DC转换器中当占空比大于50％时出现的开环不稳定、亚谐波振荡等缺点；

所述电流采样放大器电路是通过采样管M2间接对功率管M1进行采样并对功率管M1的导通状态进行控制；

所述突发模式控制电路是当负载较轻时，为了提高转换效率；电路在睡眠状态时，静态电流很小；而在轻负载条件下，电路保持在睡眠状态下的时间相对较长，这样就大大降低了芯片的功耗，提高了转换效率；每次突发事件在轻负载下可持续几个周期，根据负载轻的程度，持续的周期不同；是否进入突发事件，是根据误差放大器的输出电压是否达到突发门限以上，使突发比较器翻转；

所述过压检测是为了防止输出电压有过大的过冲；当输出电压高于设定的阈值时，反馈电压VFB高于0.85V时，过压保护电路会迅速关断功率管M1，防止继续对负载提供电流；

所述零电流比较器用来在电感续流阶段检测电感电流是否下降为零；当同步管电流下降接近零时，零电流比较器输出高电平，关闭同步管，防止电感中电流倒灌。

当输出与地短路时，此时护反馈电压VFB为零，振荡器频率立即下降到标称值的1/7，即为210KHz。该频率可以保证电感电流有更多的时间衰减，从而防止系统失控不稳定。

在正常工作情况下，振荡器触发RS触发器，使得功率管M1在每个周期均导通，输入电源通过功率管M1向外部电感输出电流，同时，采样管和采样电阻对电感电流进行采样，采样电压与电流比较器的电感峰值电流门限电压进行比较，一旦达到该门限电压，输出信号将RS触发器器复位，从而关断功率管。输出电压反馈信号VFB与基准电压0.8V的差值，经误差放大器放大得到的误差电压信号决定电感峰值电流门限。当芯片负载增加时，则会导致反馈电压VFB低于基准电压0.8V，从而使得误差放大器输出电压和峰值电流门限电压升高，直到平均电感电流与新的负载电流匹配；反之亦然，此时如果负载过轻，误差放大器的输出达到突发模块的门限电压，就会进入突发模式。在功率管关断时，同步管导通进行续流，直到零电流比较器检测到电感电流反向或进入下一个周期，其间有死区时间为了防止毁坏性的导通电流产生。

功率管电流的变化将通过电流比较器反映到功率管控制信号占空比的变化；而负载变化量将引起反馈电压VFB的变化，反馈电压的变化将通过误差放大器引起功率管峰值电流门限电平的变化，最终通过电流比较器反映为功率管控制信号占空比的变化。总之，在这个反馈控制系统中输入电压变化、负载变化和其它任何变化都将反映到功率管控制信号占空比的变化，从而控制功率管的导通和截止时间以达到稳压的目的。通过仿真和流片，该芯片的效率最高到92％以上，具有较好的负载阶跃瞬态响应。

附图说明

图1为本实用新型的一种防止电感电流倒灌的DC-DC转换器芯片的内部电路图。

图2为利用本实用新型的DC-DC转换器芯片的输入电压2.7～5.5V时，输出电压为3.3V的应用电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型内容进一步说明。

一种防止电感电流倒灌的DC-DC转换器芯片，如图1所示，包括使能控制电路、带隙基准电路、振荡器电路、误差放大器、PWM比较器、控制逻辑、死区时间控制、斜率补偿电路、电流采样放大器电路、突发模式控制电路、零电流比较器和过压检测：

所述使能控制电路的输入端接使能端EN，输出端控制所述控制逻辑；当使能端EN接高电平，电路正常工作；当EN接地，电路处于关闭状态，电路不工作；

所述带隙基准电路用来产生芯片内部的带隙基准电压；提供0.85V、0.8V、0.3V基准电压，作为其他电路的参考电压，这些电压的精确度直接影响DC-DC输出的电压精度；

所述振荡器电路提供内部时钟频率1.5MHz，并作为内部同步时钟。同时产生出锯齿波，提供给PWM比较器和为斜坡补偿电路提供斜坡信号；振荡频率可以通过反馈电压VFB调节，进行频率移位；当VFB电压低于0.3时，振荡频率下降到固定频率1.5MHz的1/7，即为210KHz，以保证电感电流有足够的时间进行衰减，防止不稳定现象出现；当VFB电压上升到0.3V以上时，振荡频率将逐渐上升到1.5MHz；

所述误差放大器将输出反馈电压VFB与比较基准电压0.8V的差值进行放大及反馈，保证稳态时的稳压精度；

所述PWM比较器是把误差放大器输出的电压误差信号与电感电流采样信号和斜坡补偿信号相加得到的电压进行比较，输出相应的脉宽调制信号，从而控制功率管的占空比，达到调节输出电压的目的；

所述控制逻辑实现系统的逻辑控制功能，对控制功率管工作状态的各模块逻辑信号进行处理，产生功率管控制信号至驱动模块；

所述死区时间控制是为了防止功率管和同步管同时导通而被损坏；

所述斜率补偿电路的功能是利用振荡器模块产生的斜坡信号对电流反馈回路的电流检测信号进行补偿；斜率补偿的目的是消除电流模DC-DC转换器中当占空比大于50％时出现的开环不稳定、亚谐波振荡等缺点；

所述电流采样放大器电路是通过采样管M2间接对功率管M1进行采样并对功率管M1的导通状态进行控制；

所述突发模式控制电路是当负载较轻时，为了提高转换效率；电路在睡眠状态时，静态电流很小；而在轻负载条件下，电路保持在睡眠状态下的时间相对较长，这样就大大降低了芯片的功耗，提高了转换效率；每次突发事件在轻负载下可持续几个周期，根据负载轻的程度，持续的周期不同；是否进入突发事件，是根据误差放大器的输出电压是否达到突发门限以上，使突发比较器翻转；

所述过压检测是为了防止输出电压有过大的过冲；当输出电压高于设定的阈值时，反馈电压VFB高于0.85V时，过压保护电路会迅速关断功率管M1，防止继续对负载提供电流；

所述零电流比较器用来在电感续流阶段检测电感电流是否下降为零；当同步管电流下降接近零时，零电流比较器输出高电平，关闭同步管，防止电感中电流倒灌。

当输出与地短路时，此时护反馈电压VFB为零，振荡器频率立即下降到标称值的1/7，即为210KHz。该频率可以保证电感电流有更多的时间衰减，从而防止系统失控不稳定。

如图2所示为输入电压2.7～5.5V时，输出电压为3.3V的应用电路图。

在正常工作情况下，振荡器触发RS触发器，使得功率管M1在每个周期均导通，输入电源通过功率管M1向外部电感输出电流，同时，采样管和采样电阻对电感电流进行采样，采样电压与电流比较器的电感峰值电流门限电压进行比较，一旦达到该门限电压，输出信号将RS触发器器复位，从而关断功率管。输出电压反馈信号VFB与基准电压0.8V的差值，经误差放大器放大得到的误差电压信号决定电感峰值电流门限。当芯片负载增加时，则会导致反馈电压VFB低于基准电压0.8V，从而使得误差放大器输出电压和峰值电流门限电压升高，直到平均电感电流与新的负载电流匹配；反之亦然，此时如果负载过轻，误差放大器的输出达到突发模块的门限电压，就会进入突发模式。在功率管关断时，同步管导通进行续流，直到零电流比较器检测到电感电流反向或进入下一个周期，其间有死区时间为了防止毁坏性的导通电流产生。

功率管电流的变化将通过电流比较器反映到功率管控制信号占空比的变化；而负载变化量将引起反馈电压VFB的变化，反馈电压的变化将通过误差放大器引起功率管峰值电流门限电平的变化，最终通过电流比较器反映为功率管控制信号占空比的变化。总之，在这个反馈控制系统中输入电压变化、负载变化和其它任何变化都将反映到功率管控制信号占空比的变化，从而控制功率管的导通和截止时间以达到稳压的目的。通过仿真和流片，该芯片的效率最高到92％以上，具有较好的负载阶跃瞬态响应。

Claims (1)

1.一种防止电感电流倒灌的DC-DC转换器芯片，其特征在于，包括使能控制电路、带隙基准电路、振荡器电路、误差放大器、PWM比较器、控制逻辑、死区时间控制、斜率补偿电路、电流采样放大器电路、突发模式控制电路、过压检测和零电流比较器：

所述使能控制电路的输入端接使能端EN，输出端控制所述控制逻辑；当使能端EN接高电平，电路正常工作；当EN接地，电路处于关闭状态，电路不工作；

所述带隙基准电路用来产生芯片内部的带隙基准电压；提供0.85V、0.8V、0.3V基准电压，作为其他电路的参考电压，这些电压的精确度直接影响DC-DC输出的电压精度；

所述振荡器电路提供内部时钟频率1.5MHz，并作为内部同步时钟。同时产生出锯齿波，提供给PWM比较器和为斜坡补偿电路提供斜坡信号；振荡频率可以通过反馈电压VFB调节，进行频率移位；当VFB电压低于0.3时，振荡频率下降到固定频率1.5MHz的1/7，即为210KHz，以保证电感电流有足够的时间进行衰减，防止不稳定现象出现；当VFB电压上升到0.3V以上时，振荡频率将逐渐上升到1.5MHz；

所述误差放大器将输出反馈电压VFB与比较基准电压0.8V的差值进行放大及反馈，保证稳态时的稳压精度；

所述PWM比较器是把误差放大器输出的电压误差信号与电感电流采样信号和斜坡补偿信号相加得到的电压进行比较，输出相应的脉宽调制信号，从而控制功率管的占空比，达到调节输出电压的目的；

所述控制逻辑实现系统的逻辑控制功能，对控制功率管工作状态的各模块逻辑信号进行处理，产生功率管控制信号至驱动模块；

所述死区时间控制是为了防止功率管和同步管同时导通而被损坏；

所述斜率补偿电路的功能是利用振荡器模块产生的斜坡信号对电流反馈回路的电流检测信号进行补偿；斜率补偿的目的是消除电流模DC-DC转换器中当占空比大于50％时出现的开环不稳定、亚谐波振荡等缺点；

所述电流采样放大器电路是通过采样管M2间接对功率管M1进行采样并对功率管M1的导通状态进行控制；

所述突发模式控制电路是当负载较轻时，为了提高转换效率；电路在睡眠状态时，静态电流很小；而在轻负载条件下，电路保持在睡眠状态下的时间相对较长，这样就大大降低了芯片的功耗，提高了转换效率；每次突发事件在轻负载下可持续几个周期，根据负载轻的程度，持续的周期不同；是否进入突发事件，是根据误差放大器的输出电压是否达到突发门限以上，使突发比较器翻转；

所述过压检测是为了防止输出电压有过大的过冲；当输出电压高于设定的阈值时，反馈电压VFB高于0.85V时，过压保护电路会迅速关断功率管M1，防止继续对负载提供电流；

所述零电流比较器用来在电感续流阶段检测电感电流是否下降为零；当同步管电流下降接近零时，零电流比较器输出高电平，关闭同步管，防止电感中电流倒灌。