CN206506437U - 一种电流模控制dcdc升压变化器 - Google Patents

Abstract

一种电流模控制DCDC升压变化器，采用集成电路器件制成，DCDC升压变化器的控制电路包括控制单元、电感电流保持单元、以及输出电压比较单元；当电感电流保持单元检测到电感电流I_L逐渐减小至0并且输出电压比较单元检测到输出电压V_O降低至V_ref时，主开关SW1导通从开关SW2断开使得I_L逐渐回升；当I_L上升到参考电流I_ref时，主开关SW1断开，从开关SW2导通，以上工作过程周而复始不断持续，将输出电压V_O稳定在参考电压V_ref附近。本实用新型有效的简化了系统结构，降低了系统集成难度；针对负载电流的变化，系统可迅速做出相应，有效减小了输出电压V_O在负载电流变化时的纹波大小。

Description

一种电流模控制DCDC升压变化器

技术领域

本实用新型属于模拟集成电路中的开关电源技术领域，尤其涉及一种电流模控制DCDC升压变化器及其脉冲频率调制方法。

背景技术

DC-DC是英语直流变直流的缩写，DCDC升压变化器包括一个将直流低电压变换为直流高电压的电路、以及相应的控制电路。该电路一般采用电流模脉冲宽度调制方式进行DCDC升压。

请参考图1A所示为传统电流模脉冲宽度调制方式：一个固定频率的振荡器(oscillator)产生一个时钟信号CLK，CLK信号在每个开关周期中控制使主开关SW1导通，使从开关SW2断开。同时，误差放大器EA将输出电压V_O与参考电压V_ref之间的误差进行放大后产生误差信号V_C；另一方面系统检测电感电流I_L，并叠加上一个斜坡电流I_slope后，流到电阻Rs上产生电压Vs，Vs与V_C信号进行比较，当其大于V_C时，脉冲宽度调制比较器(PWMcomparator)将输出PWM信号将主开关SW1断开，将从开关SW2导通。当下一个CLK信号到来时，重复以上过程。因此，系统通过调节VC的大小来控制电感电流的大小，以使得输出电压V_O基本等于参考电压V_ref。

开关SW1的导通时间与CLK信号周期的比值称作占空比D，D＝T_on,sw1/T_CLK。理想情况下，系统在稳态连续导通模式时，输出电压Vo＝V_bat/(1-D)。由于DCDC升压变化器的占空比D小于1，所以Vo＞V_bat，达到升压目的。

传统的电流模控制方式中，为了使系统稳定工作，需要在误差放大器的输出端连接一个较大的电容Cc、电阻Rz、和电容Cp进行补偿，大电容不仅难于集成，而且使得V_C信号针对负载电流变化时的反应速度变慢，导致当负载电流变化时，输出电压V_O将产生较大的纹波。如图1B所示,当t₁时刻负载电流I_load突然变大时，由于电容Cc的延迟作用，导致V_C将会延迟(delay)时间作出反应，在此段延迟时间内由于电感电流平均值将小于负载电流I_load，因此输出电压V_O将降低，产生低于参考电压V_ref的较大的纹波ΔV_O。反之，当负载电流突然变小时，输出电压V_O将产生高于参考电压V_ref的较大的纹波。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种集成度高、输出电压稳定的DCDC升压变化器及其脉冲频率调制控制方法。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种电流模控制DCDC升压变化器，所述DCDC升压变化器包括一个DCDC升压电路及与其相连接的控制电路；所述升压电路包括直流电源、电感、负载、主开关SW1、以及从开关SW2；所述控制电路包括控制单元、电感电流保持单元、以及输出电压比较单元；其中：

所述控制单元接收所述电感电流保持单元和所述输出电压比较单元发来的信号，并向DCDC升压变化器主开关SW1和从开关SW2发出导通或断开的控制信号，以保证DCDC升压变化器的正常工作；

所述电感电流保持单元，控制每个工作周期中主开关SW1的导通时间以便将所述电感电流I_L保持在0～I_ref的之间，其中I_ref为参考电流；同时还在检测到I_L已减小至0时，向所述控制单元发出信号使得从开关SW2断开，防止电感电流反向从负载流向电源从而造成电荷损失；

所述输出电压比较单元，比较输出电压V_O与参考电压V_ref的大小，并将比较信号输出给所述控制单元；

上述三个单元协同工作，在一个工作周期的开始，主开关SW1断开从开关SW2导通，当所述电感电流保持单元检测到I_L逐渐减小至0并且所述输出电压比较单元检测到输出电压V_O降低至V_ref时，主开关SW1导通从开关SW2断开使得I_L逐渐回升；当所述电感电流保持单元检测到I_L上升到I_ref时，主开关SW1断开，从开关SW2导通，以上工作过程周而复始不断持续，将输出电压V_O稳定在参考电压V_ref附近。

在一个实施例中，所述输出电压比较单元至少包括一个输出电压比较器，用于比较输出电压V_O与参考电压V_ref的大小。

在一个实施例中，所述输出电压比较单元还包括一个误差放大器和一个补偿电容，以使得V_O精确等于V_ref。

在一个实施例中，所述电感电流保持单元包括一个电感电流比较器和一个电感电流过零比较器，所述电感电流比较器比较电感电流I_L与参考电流I_ref的大小，并将比较信号输出给所述控制单元；所述电感电流过零比较器一旦检测到电感电流I_L已减小至0，则向所述控制单元发出信号使得从开关SW2断开，以防止电感电流反向从V_O流向V_BAT从而造成电荷损失。

在一个实施例中，所述电感电流保持单元包括一个带有两个开关SW3和SW4的电流比较器，其中SW3与0电流相连接，SW4与参考电流I_ref相连接，通过SW3和SW4的通或断比较电感电流I_L与参考电流I_ref的大小并将比较信号输出给所述控制单元、以及检测电感电流I_L下降至0时，向所述控制单元发出信号使得从开关SW2断开，以防止电感电流反向从V_O流向V_BAT从而造成电荷损失。

在一个实施例中，所述电感电流保持单元包括一个固定导通时间计时器和一个电感电流过零比较器，所述固定导通时间计时器控制每个工作周期中主开关SW1的导通时间，以便保持所述电感电流；所述电感电流过零比较器一旦在检测到I_L已减小至0时，向所述控制单元发出信号使得从开关SW2断开，防止电感电流反向从负载流向电源从而造成电荷损失。

其中主开关SW1的导通时间T_on,sw1与参考电流I_ref之间有如下关系：I_ref＝V_bat*T_on,sw1/L

其中I_ref为参考电流，V_bat为输入电压，T_on,sw1为主开关SW1的导通时间，L为电感值；

参考电流I_ref与流过负载的电流I_load的关系需满足：

I_ref>2*I_load*V_o/V_bat；

系统的工作频率为：

本实用新型的控制电路的各单元均采用集成电路制作。

本实用新型的DCDC升压变化器采用集成电路器件制成，相比于传统的控制模式，有效的简化了系统结构，降低了系统集成难度；针对负载电流的变化，系统可迅速做出相应，有效减小了输出电压V_O在负载电流变化时的纹波大小。

附图说明

图1A所示为传统DCDC升压变化器及其电流模脉冲宽度调制方法。

图1B所示为图1A的DCDC升压变化器的电流模脉冲宽度调制方式工作波形图。

图2A为本实用新型DCDC升压变化器的实施例1的电路图。

图2B所示为图2A的DCDC升压变化器的电流模脉冲宽度调制方式工作波形图。

图3为本实用新型DCDC升压变化器的实施例2的电路图。

图4为本实用新型DCDC升压变化器的实施例3的电路图。

图5为本实用新型DCDC升压变化器的实施例4的电路图。

图6为本实用新型DCDC升压变化器的电流模脉冲宽度调制方式与传统模式仿真结果对比图。

图7为本实用新型DCDC升压变化器中的峰值电流比较器的一个实施例的电路图。

图8为本实用新型DCDC升压变化器中的电流过零比较器的一个实施例的电路图。

图9为本实用新型DCDC升压变化器中的输出电压比较器的一个实施例的电路图。

具体实施方式

以下结合附图并以具体实施方式为例，对本实用新型进行详细说明。但是，本领域技术人员应该知晓的是，本实用新型不限于所列出的具体实施方式，只要符合本实用新型的精神，都应该包括于本实用新型的保护范围内。

本实用新型的DCDC升压变化器采用集成电路器件制成，具体实施方式如下：

实施例1

如图2A所示为本实用新型DCDC升压变化器的实施例1的电路图。其中DCDC升压变化器包括一个DCDC升压电路及其控制电路。

与一般的DCDC升压电路大体结构相同，本实用新型的升压电路主要部件有：直流电源电压为V_BAT，负载端输出电压为V_O，主开关是SW1、从开关是SW2、L为电感、RL为负载电阻。

虚线框内是本实用新型DCDC升压变化器的控制电路，包括控制单元210、电感电流保持单元220、以及输出电压比较单元230共三个单元。各单元功能及结构如下：

控制单元210，接收电感电流保持单元220和输出电压比较单元230发来的信号，负责向DCDC升压变化器主开关SW1和从开关SW2发出导通或断开的控制信号，以保证DCDC升压变化器的正常工作。

电感电流保持单元220，负责控制每个工作周期中SW1的导通时间以便将电感电流I_L保持在0～Iref之间。

本实施例中电感电流保持单元220包括一个电感电流过零比较器(ZCDcomparator)221和一个电感电流比较器(Peak Current Comparator)222。电感电流过零比较器221负责检测电感电流I_L是否为0，若检测到电感电流I_L已减小至0时，则向控制单元210发出信号使得从开关SW2断开，防止电感电流反向从V_O流向V_BAT从而造成电荷损失。电感电流比较器222负责比较电感电流I_L与参考电流I_ref的大小，当I_L过低时将主开关SW1导通，当I_L上升至I_ref时，向控制单元210发出信号使得开关SW1断开，SW2导通，以便将电感电流I_L保持在一定数值以上。

输出电压比较单元230，负责比较输出电压V_O与参考电压V_ref的大小，并将比较信号输出给控制单元210。

包括一个输出电压比较器(V_O comparator)231，用于比较输出电压V_O与参考电压V_ref的大小。

上述三个单元协同工作，在一个工作周期的开始，主开关SW1断开从开关SW2导通，而当所述电感电流保持单元220检测到电感电流I_L逐渐减小至0、并且输出电压比较单元230检测到输出电压V_O降低至V_ref时，主开关SW1导通从开关SW2断开使得I_L逐渐回升；这时输入电压V_BAT加在电感上，电感电流I_L逐渐上升，当电感电流保持单元检测到230检测到电感电流I_L上升到I_ref时，主开关SW1断开，从开关SW2导通。

在此过程中，遇到电感电流I_L已减小至0(或接近0)时，则从开关SW2断开，防止电感电流反向从V_O端流向V_BAT端从而造成电荷损失。

以上工作过程周而复始不断持续，将输出电压V_O稳定在参考电压V_ref附近。

其中主开关SW1的导通时间T_on,sw1与参考电流I_ref之间有如下关系：I_ref＝V_bat*T_on,sw1/L

其中I_ref＝为参考电流，V_bat为输入电压，T_on,sw1为主开关SW1的导通时间，L为电感值。

为了使得系统有足够的驱动负载的能力，要求参考电流I_ref与流过负载RL的电流I_load的关系需满足：

I_ref>2*I_load*V_o/V_bat；

系统的工作频率为：

在一个优选实施例中，上述公式中的各参数如下：V_BAT＝0.9V,V_O＝1.4V,I_load＝10mA,I_ref＝100mA,L＝2.2uH,f＝454.5kHz

图2B所示为本实施例DCDC升压变化器的电流模脉冲宽度调制方式工作波形图。当负载电流I_load在t1时刻突然变大时，输出电压比较器231会立即检测到输出电压的变化，当输出电压V_O小于参考电压V_ref时，将输出高电平，通过控制单元210产生控制信号使SW1导通，从而加快SW1，SW2的开关频率，使得电感电流I_L的平均值跟随负载电流I_load变化。因此输出电压V_O不会产生较大的纹波电压。

本实用新型相比于传统的控制模式，有效的简化了系统结构，降低了系统集成难度；针对负载电流的变化，系统可迅速做出相应，有效减小了输出电压V_O在负载电流变化时的纹波大小。

实施例2

如图3所示为本实用新型DCDC升压变化器的实施例2的电路图。由图2B可见，实施例1的基本结构的DCDC升压变化器的输出电压V_O与参考电压V_ref存在略微偏差(此偏差小于系统稳态时的V_O的纹波)。若要求V_O精确等于V_ref，可在实施例1的基础上做进一步改进，在输出电压比较单元230增加了误差放大器(Error Amplifier2)232与补偿电容Cc。利用误差放大器的高增益以及整个系统的负反馈结构，可以将输出电压Vo设定到精确等于V_ref。电容Cc用来增加变换器负反馈环路的稳定性。本实施例适用于需要V_O精确等于V_ref的场合。

实施例3

图4为本实用新型DCDC升压变化器的实施例3的电路图。

本实施例在实施例1的基础上做了进一步改进，在电感电流保持单元220采用了一个电流比较器223代替实施例1的电感电流比较器222与过零比较器221。该电流比较器223带有两个开关SW3和SW4，其中SW3与0电流相连接，SW4与参考电流I_ref相连接。可通过SW3和SW4的通或断、比较电感电流I_L与参考电流I_ref的大小，或者检测电感电流I_L是否下降至0。

当SW1导通，SW2断开时，控制单元210输出信号使得控制开关SW4导通，SW3断开，电流比较器220比较电感电流I_L与参考电流I_ref的大小，当I_L等于I_ref时，控制SW1断开，SW2导通；当SW1断开，SW2导通时，控制单元210输出控制信号使得开关SW3导通，SW4断开，此时比较器用于检测电感电流是否下降至0，当V_O低于V_ref，并且I_L下降至0时，控制SW1导通，SW2断开。

实施例4

图5为本实用新型DCDC升压变化器的实施例4的电路图。

本实施例在实施例1的基础上做了进一步改进，用一个固定导通时间Constant ontime计时器224替换电感电流比较器222，计时器224用来控制每个工作周期中SW1的导通时间，以便保持电感电流。

SW1的导通时间与如前所述的I_ref之间有如下关系：I_ref＝V_bat*T_on,sw1/L

实施例4中的电感电流过零比较器221的功能仍然是负责检测电感电流I_L是否为0，若检测到电感电流I_L已减小至0时，则向控制单元210发出信号使得从开关SW2断开，防止电感电流反向从V_O流向V_BAT从而造成电荷损失。

本实用新型的控制电路各单元均采用集成电路器件制成，可大大降低组装和维护成本，相比于传统的控制模式，有效的简化了系统结构，针对负载电流的变化，可迅速做出相应，有效减小了输出电压VO在负载电流变化时的纹波大小。

如图6为本实用新型DCDC升压变化器的电流模脉冲宽度调制方式与传统模式仿真结果对比图。图6中可见，负载电流在600us时刻从1mA跳变至10mA，传统模式由于系统反应速度较慢，导致输出电压上产生了约100mV的纹波电压，而本实用新型可以迅速检测到由于负载电流跳变而导致的输出电压变化，进而立即调整开关频率使得电感电流的平均值跟随负载电流跳变，从而使得输出电压并无明显纹波电压产生。

关于本实用新型实施例中采用的峰值电流比较器、电流过零比较器、以及输出电压比较器，可参见图7所示为峰值电流比较器Peak Current Comparator的一种实施例，其采用三级比较器级联结构，是为了优化比较器的增益与速度，其中V_DD为系统的电源电压，GND为接地端，V_B为系统内部偏置电压，I_ref为参考电流输入端，I_L为电感电流输入端，Vo为比较器的输出电压。如图8所示为电流过零比较器ZCD Comparator的一种实施例，其中I_ref为参考电流输入端，比较器的另外一个输入端接地，Vo为比较器的输出电压。如图9所示为输出电压比较器Vo Comparator的一种实施例，其中V_ref为参考电压输入端，Vo为变换器的输出电压，Voc为比较器的输出电压。

应该注意的是上述实施例是示例而非限制本实用新型，比如上述实施例中，电感电流保持单元220和输出电压比较单元230的不同结构可以突破以上实施例的限制进行自由搭配组合，只要能够实现本实用新型的目的，均应在本实用新型保护范围内。

Claims (7)

1.一种电流模控制DCDC升压变化器，采用集成电路器件制成，其特征是：所述DCDC升压变化器包括一个DCDC升压电路及与其相连接的控制电路；所述升压电路包括直流电源、电感、负载、主开关SW1、以及从开关SW2；所述控制电路包括控制单元、电感电流保持单元、以及输出电压比较单元；其中：

所述控制单元接收所述电感电流保持单元和所述输出电压比较单元发来的信号，并向DCDC升压变化器主开关SW1和从开关 SW2发出导通或断开的控制信号，以保证DCDC升压变化器的正常工作；

所述电感电流保持单元，控制每个工作周期中主开关SW1的导通时间以便将所述电感电流I_L保持在0~I_ref的之间，其中I_ref为参考电流；同时还在检测到I_L已减小至0时，向所述控制单元发出信号使得从开关SW2断开，防止电感电流反向从负载流向电源从而造成电荷损失；

所述输出电压比较单元，比较输出电压V_O与参考电压V_ref的大小，并将比较信号输出给所述控制单元;

上述三个单元协同工作，在一个工作周期的开始，所述控制单元分别向主开关SW1和从开关SW2发出断开和导通信号，I_L逐渐减小至0并且输出电压V_O降低至V_ref，所述控制单元再分别向主开关SW1和从开关SW2发出导通和断开信号， I_L逐渐回升到I_ref，所述控制单元再分别向主开关SW1和从开关SW2发出断开和导通信号，以上工作过程周而复始不断持续，将输出电压V_O稳定在参考电压V_ref附近。

2.如权利要求1所述的电流模控制DCDC升压变化器，其特征是：所述输出电压比较单元至少包括一个输出电压比较器，用于比较输出电压V_O与参考电压V_ref的大小。

3.如权利要求2所述的电流模控制DCDC升压变化器，其特征是：所述输出电压比较单元还包括一个误差放大器和一个补偿电容，以使得V_O精确等于V_ref。

4.如权利要求2或3所述的电流模控制DCDC升压变化器，其特征是：所述电感电流保持单元包括一个电感电流比较器和一个电感电流过零比较器，所述电感电流比较器比较电感电流I_L与参考电流I_ref的大小，并将比较信号输出给所述控制单元；所述电感电流过零比较器一旦检测到电感电流I_L已减小至0，则向所述控制单元发出信号使得从开关SW2断开，以防止电感电流反向从V_O流向V_BAT从而造成电荷损失。

5.如权利要求2或3所述的电流模控制DCDC升压变化器，其特征是：所述电感电流保持单元包括一个带有两个开关SW3和SW4的电流比较器 ，其中SW3与0电流相连接，SW4与参考电流I_ref相连接，通过SW3和SW4的通或断比较电感电流I_L与参考电流I_ref的大小并将比较信号输出给所述控制单元、以及检测电感电流I_L下降至0时，向所述控制单元发出信号使得从开关SW2断开，以防止电感电流反向从V_O流向V_BAT从而造成电荷损失。

6.如权利要求2或3所述的电流模控制DCDC升压变化器，其特征是：所述电感电流保持单元包括一个固定导通时间计时器和一个电感电流过零比较器，所述固定导通时间计时器控制每个工作周期中主开关SW1的导通时间，以便保持所述电感电流；所述电感电流过零比较器一旦在检测到I_L已减小至0时，向所述控制单元发出信号使得从开关SW2断开，防止电感电流反向从负载流向电源从而造成电荷损失。

7.如权利要求1所述的电流模控制DCDC升压变化器，其特征是：所述控制电路的各单元均采用集成电路制作。