CN208141252U

CN208141252U - 一种应用于dc-dc转换器芯片的快速瞬态响应电路

Info

Publication number: CN208141252U
Application number: CN201820762472.4U
Authority: CN
Inventors: 曾衍瀚; 廖锦锐; 倪佳文; 何伟宝; 杨敬慈
Original assignee: Guangzhou University
Current assignee: Guangzhou University
Priority date: 2018-05-21
Filing date: 2018-05-21
Publication date: 2018-11-23
Anticipated expiration: 2028-05-21

Abstract

本实用新型涉及一种应用于电流模式buck型DC‑DC转换器芯片的快速瞬态响应电路，该电路包括：误差放大器、限幅电路、多路选择器以及瞬态检测电路，其中，所述误差放大器与外部反馈输入连接，所述误差放大器将外部反馈进行放大，并输出稳压信号；所述限幅电路与所述误差放大器连接，所述限幅电路上限电压为VH，下限电压为VL，限幅电路把所述误差放大器的输出稳压信号限定在VL和VH之间；所述多路选择器与所述限幅电路连接，所述多路选择器把所述误差放大器的输出稳压信号设定为VH或者VL；所述瞬态检测电路与所述误差放大器连接，所述瞬态检测电路检测所述误差放大器的内部节点，判断负载电流是否有瞬态突变。该电路具有功耗低、稳定性好、瞬态响应好等优点。

Description

一种应用于DC-DC转换器芯片的快速瞬态响应电路

技术领域

本实用新型涉及电源管理领域，尤其涉及一种应用于DC-DC转换器芯片的快速瞬态响应电路。

背景技术

直流-直流转换器芯片(DC-DC converter chip)具有高集成、大驱动电流和高效率等优点。DC-DC转换器芯片是电源管理芯片中一个非常重要的模块。随着便携式电子产品设备的广泛应用，对DC-DC的性能也提出了新的要求：更高的集成度、更高的效率、更好的瞬态响应和更大的输出电流。

DC-DC转换器芯片的瞬态响应包含负载瞬态响应和线性瞬态响应，其负载瞬态响应指当输出电流突变时引起输出电压的变化情况，线性瞬态响应是指当输入电压突变时引起输出电压的变化情况。对于应用DC-DC较多的便携式产中，一般输入电压突变的情况很小，而负载电流突变的情况很普通，所以对DC-DC转换器的负载瞬态响应的研究越来越受到重视。

电流模式的DC-DC转换器有一个较大的片外滤波电容，在负载跳变的时候可以起到“蓄水池”的作用，降低输出电压的波动，但是，这并不意味着电流模式DC-DC转换器就天然具有良好的瞬态响应。事实上，以下两个原因导致了电流模式DC-DC转换器有限的瞬态响应性能：1)电压环路的单位增益带宽通常要小于1/5的开关频率，DC-DC转换器的开关频率并不高，普遍在2MHz以下，低带宽限制了瞬态的响应速度；2)运放输出端的PI零点补偿需要一个大的电容，在低功耗设计约束下，该电容限制了运放的摆率。此外，电流模式DC-DC转换器本质上是非线性系统，所以适用的快速瞬态技术与通用的线性系统是有差异的。

基于上述现有技术的缺点，对电流模式buck型DC-DC转换器芯片的快速瞬态响应电路进行改进和创新是目前的迫切需要。

发明内容

本实用新型针对现有技术中存在的问题，提供一种应用于DC-DC转换器芯片的快速瞬态响应电路，该电路具有功耗低、稳定性好、瞬态响应好等优点。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案如下：

一种应用于电流模式buck型DC-DC转换器芯片的快速瞬态响应电路，所述电路包括：误差放大器、限幅电路、多路选择器以及瞬态检测电路，其中，

所述误差放大器与外部反馈输入连接，所述误差放大器将外部反馈进行放大，并输出稳压信号；

所述限幅电路与所述误差放大器连接，所述限幅电路上限电压为VH，下限电压为VL，限幅电路把所述误差放大器的输出稳压信号限定在VL和VH之间；

所述多路选择器与所述限幅电路连接，所述多路选择器把所述误差放大器的输出稳压信号设定为VH或者VL；

所述瞬态检测电路与所述误差放大器连接，所述瞬态检测电路检测所述误差放大器的内部节点，判断负载电流是否有瞬态突变。

进一步地，所述误差放大器包括:差分放大部分、软启动部分以及电容倍增器，其中，

所述差分放大部分包括MOS管M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18，反馈电压V_fb连接M11的栅极，基准电压V_ref连接M12的栅极，M11的源极连接M12的漏极，M11的漏极连接M13的漏极和栅极以及连接M16的栅极，M13和M16的源极接地，M12的源极同时与所述软启动部分的MC12的源极，M12的漏极同时与所述软启动部分的MC12连接，M14的漏极与M12的漏极连接，M14的源极接地，M14的栅极引出V_N节点，M15的源极与电压V_DD连接，M15的栅极引出V_P节点，M15的栅极与M17的栅极连接，M15的漏极与M16的漏极连接，M17的源极与电压V_DD连接，M17的漏极与M18的漏极连接，M18的栅极与M14的栅极连接，M18的源极接地；

所述软启动部分包括MOS管MC12、电容C10和MOS管MB13，MC12的源极与差分放大部分的M11以及M12的源极连接，MC12的漏极与差分放大部分的M12、M14的漏极连接，C10与MC12的栅极连接，MB13的源极与电压V_DD连接，MB13的漏极与C10连接，C10接地；

所述电容倍增器包括MOS管M19、M100,MOS管MB15、MB16以及电容Cm1，M19的漏极连接MB15的漏极，M19的栅极连接M100的栅极，M19的源极接地，M100的漏极连接MB16的漏极，M100的源极接地，MB15的源极与电压V_DD连接，MB16的源极与电压V_DD连接，电容Cm1连接MB14和M19的漏极，以及电容Cm1连接M19和M100的栅极。

进一步地，所述限幅电路包括第一和第二运算放大器，其中第一运算放大器包括MOS管M21、M22、M23、M24、M25，第二运算放大器包括MOS管M26、M27、M28、M29、M210、M211，所述MOS管M21的栅极接上限电压VH，所述MOS管M27的栅极接下限电压VL，M21的源极连接M22的源极，M21的漏极连接M23的漏极，M22的漏极连接M24的漏极，M23的栅极连接M24的栅极，M23的源极接地，M24的源极接地，M25的栅极连接M22、M24的的漏极，M25的源极连接M22的栅极，M25的漏极接地，M26的栅极连接M22的栅极，M26的源极连接M27的源极，M26的漏极连接M28的漏极，M27的漏极连接M29的漏极，M28的栅极连接M29的栅极，M28的源极接地，M29的源极接地，M210的栅极连接M27、M29的漏极，M210的漏极连接M211的栅极，M210的源极接地，M211的源极接地。

进一步地，所述瞬态检测电路与所述误差放大器中的V_P节点以及V_N节点连接，所述瞬态检测电路利用所述误差放大器内部节点V_P和V_N电压来判断负载电流是否有瞬态突变。

与现有技术相比，本实用新型提供的电路具有功耗低、稳定性好、瞬态响应好等优点。

附图说明

图1为本实用新型的电流模式buck型DC-DC转换器的结构示意图；

图2为现有技术的电流模式buck型DC-DC转换器的结构示意图；

图3为本实用新型的误差放大器电路图；

图4为本实用新型的误差放大器输出限幅电路图；

图5为本实用新型的瞬态检测和多路选择器电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1所示，为本实用新型一种应用于电流模式buck型DC-DC转换器芯片的快速瞬态响应电路的一种实施例，该快速瞬态响应电路包括：

误差放大器、限幅电路、多路选择器以及瞬态检测电路，其中，

在本实施例中，所述误差放大器包括:差分放大部分、软启动部分以及电容倍增器，其中，

在本实施例中，所述限幅电路包括第一和第二运算放大器，其中第一运算放大器包括MOS管M21、M22、M23、M24、M25，第二运算放大器包括MOS管M26、M27、M28、M29、M210、M211，所述MOS管M21的栅极接上限电压VH，所述MOS管M27的栅极接下限电压VL，M21的源极连接M22的源极，M21的漏极连接M23的漏极，M22的漏极连接M24的漏极，M23的栅极连接M24的栅极，M23的源极接地，M24的源极接地，M25的栅极连接M22、M24的的漏极，M25的源极连接M22的栅极，M25的漏极接地，M26的栅极连接M22的栅极，M26的源极连接M27的源极，M26的漏极连接M28的漏极，M27的漏极连接M29的漏极，M28的栅极连接M29的栅极，M28的源极接地，M29的源极接地，M210的栅极连接M27、M29的漏极，M210的漏极连接M211的栅极，M210的源极接地，M211的源极接地。

在本实施例中，所述瞬态检测电路与所述误差放大器中的V_P节点以及V_N节点连接，所述瞬态检测电路利用所述误差放大器内部节点V_P和V_N电压来判断负载电流是否有瞬态突变。

现有技术的的电流模式buck型DC-DC转换器芯片的整体结构电路图如图2所示，输出电压经过电阻分压后，反馈接入误差放大器的负输入端，与参考电压经过运放的差分放大后得到小信号稳压信号VC，于此同时，感应电路将流过电感的电流成比例地注入感应电阻形成感应电压VS。感应电压和稳压信号进行比较，输出一个占空比与比较结果相关的控制信号，这个控制信号经过死区时间控制和驱动后，去控制PWM开关的电流，该电流经过LC滤波后形成输出电压，实现对输出电压的调节稳压。可以看到，电流将检测到的电感电流信号反馈到占空比调制模块以得到占空比信号d，d控制PWM开关的开启时间，因为PWM开关决定了电感电流，所以这个环路组成了电流内环。另外，斜坡产生电路产生锯齿波信号对电流环路进行斜坡补偿。类似的是，输出电压Vout通过分压后将信号送到误差放大器的负输入端，放大器将Vfb和基准电压的误差电压放大，再将稳压信号VC送到占空比调制模块控制PWM开关，PMW开关导通电流经过RC滤波形成输出电压，从而构成了电压外环，电压环路因为多个极点的存在也可能震荡，需要串联的Rz和Cz形成一个比例积分(ProportionalIntegral，PI)补偿零点以实现环路稳定。电流模式DC-DC转换器有限的单位增益带宽和误差放大器输出端的PI零点补偿需要的大电容限制了其瞬态响应的性能。

本实用新型提出的具有快速瞬态响应的电流模式buck型DC-DC转换器芯片的整体结构电路图如图1所示。作为改进，一个限幅电路接在误差放大器的输出端，限幅电路上限电压为VH，下限电压为VL，通过限幅电路把误差放大器的输出限定在VL和VH之间。同时，利用瞬态检测电路检测误差放大器的内部节点，判断负载电流是否有瞬态突变。如果进入瞬态期间，利用一个多路选择器，把误差放大器的输出电压VC设定为VH或者VL。具体而言，当输出电流有突然下降，输出电压或有瞬态过冲，电压增大，经过瞬态检测电路判断后，多路选择器将VC设定为VL，VC直接减小到最低值，从而快速减小占空比，实现快速瞬态响应；当输出电流有突然上升，输出电压或有瞬态下冲，电压减小，经过瞬态检测电路判断后，多路选择器将VC设定为VH，VH直接增大到最高值，从而快速增大占空比，实现快速瞬态响应。限幅电路的存在可以有效防止电压环路的不稳定。

本实用新型所设计的误差放大器如图3所示。误差放大器主要有三部分组成，差分放大、软启动和电容倍增器。其中M11-M18组成了差分放大电路，Vfb是输出电压经过电阻分压后的反馈电压，接在误差放大器的反相输入端，参考电压Vref接在误差放大器的同相输入端。MB11-MB16组成电流镜为所有电路提供偏置电流。MC12、C10和MB13组成软启动电路，软启动电路在上电的过程中能防止过高的误差放大器输出VC，从而保护电路。M19-M100,MB15-MB16和Cm1组成了电容倍增器，从RZ1和Cm1连接端往Cm1看进去的等效电容为(1+k)Cm1，从而实现电容的放大，这个放大的电容和RZ1组成了一个零点，以补偿输出端的极点。内部节点VP和VN电压用于瞬态检测，将在图5进行描述。

本实用新型所设计的限幅电路如图4所示。限幅电路由两个运算放大器组成，其中M21-M25组成一个运算放大器，M26-M211组成一个运算放大器。对于第一个运放，同相输入端接上限电压VH，反向输入端和运放输出端接在一起，同时连接前述误差放大器的输出端VC，形成单位增益负反馈。当VC大于VH，M5工作在饱和区，环路提供足够的增益，使VC被钳位为VH，当VC小于VH，M25工作在截止区，环路增益有限，VC不会被钳位为VH。对于第二个运放，同相输入端接下限电压VL，反向输入端和运放输出端接在一起，同时连接前述误差放大器的输出端VC，形成单位增益负反馈。当VC小于VL，M211工作在饱和区，环路提供足够的增益，使VC被钳位为VL，当VC大于VH，M211工作在截止区，环路增益有限，VC不会被钳位为VL。基于这样的电路设计，VC会限制在VL和VH之间，实现限幅功能。

本实用新型所设计的瞬态检测电路和多路选择器如图5所示。本实用新型利用前述误差放大器内部节点VP和VN电压来判断负载电流是否有瞬态突变。如果负载电流有瞬态改变，反馈电压Vfb会发生改变，Vfb和Vref之间的差值会改变VP和VN的电压值。而且因为较短的传输路径和不需要驱动VC端的大电容，VP和VN的改变会比VC快很多。所以利用VP和VN可以快速地检测电路是否进入瞬态改变。当负载电流由低瞬态改变为高，输出电压下降，Vfb下降，导致VN和VP电压下降；当负载电流由高瞬态改变为低，输出电压上升，Vfb上升，导致VN和VP电压上升。

如图5所示，当转换器上电，处于软启动时，VS电压会小于Vref，比较器输出低电平，这个低电平会把两个与门置低，所以VE1为高电平，VE2为低电平，此时多路选择器的两个开关MS3和MS4都关闭，误差放大器的输出电压VC由误差放大器决定，而且MS1和MS2两个开关将开启。因为MS1和MS2的开启，额外的电流将通过MS1注入VD，于是VD电压将设置为接近电源电压，即VD为高电平，同理，额外的电流将通过MS2流出VU，于是VU电压将设置为接近地，即VU为低电平。通过这个简单设置，可以使瞬态检测电路和多路选择器上电复位，在无负载瞬态情况下，VC将由误差放大器决定。上电结束后，软启动电压高于Vref，比较器输出高电平，VE1和VE2电压将由VD和VU决定。

如前述，当负载电流由低瞬态改变为高，VN和VP电压下降，PMOS管M2的栅压下降，流过M2的电流会增大，NMOS管M4的栅压下降，流过M4的电流会减小，于是VU的电压增大，VU增大超过反相器的转换阈值，VE1会由高电平转变为低电平，从而关掉MS2，VU会更快速地增大，如同正反馈，最终VE1置低，打开MS3，VC电压会拉高为VH，误差放大器的输出电压达到上限，迅速增大占空比，实现快速瞬态响应，Vout下冲电压恢复。当负载电流由高瞬态改变为低，VN和VP电压上升，PMOS管M1的栅压下降，流过M1的电流会减小，NMOS管M3的栅压增加，流过M3的电流会增大，于是VP的电压减小，VP下降到反相器的转换阈值，VE2会由低电平转变为高电平，从而关掉MS1，VP会更快速地减小，如同正反馈，最终VE2置高，打开MS4，VC电压会拉低为VL，误差放大器的输出电压达到下限，迅速减小占空比，实现快速瞬态响应，Vout过冲电压恢复。因为整个瞬态检测和多路选择器基本都是数字电路，所以静态功耗很低。

本实用新型提供一种应用于电流模式buck型DC-DC转换器芯片的快速瞬态响应电路，通过误差放大器内部节点的电压来判断负载电流是否发生瞬态突变。如负载电流进入瞬态响应阶段，输出电流突然变小时，利用一个多路选择器设置误差放大器的输出电压为一个设定的最低值，这个最低值与斜坡电压进行比较，迅速降低占空比，从而减小瞬态反应的时间和降低瞬态过冲电压。当输出电流突然变大时，利用一个多路选择器设置误差放大器的输出电压为一个设定的最高值，这个最低值与斜坡电压进行比较，迅速增加占空比，从而减小瞬态反应的时间和降低瞬态下冲电压。为了降低瞬态电路对环路稳定性的影响，误差放大器增加了一个限幅电路。本实用新型通过最大限度地改变瞬态时PWM的占空比，从而提高DC-DC转换器芯片的瞬态响应能力。测试结果显示，上述快速瞬态响应电路具有功耗低、稳定性好、瞬态响应好等优点。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种应用于电流模式buck型DC-DC转换器芯片的快速瞬态响应电路，其特征在于，所述电路包括：误差放大器、限幅电路、多路选择器以及瞬态检测电路，其中，

2.根据权利要求1所述的快速瞬态响应电路，其特征在于，所述误差放大器包括:差分放大部分、软启动部分以及电容倍增器，其中，

3.根据权利要求1所述的快速瞬态响应电路，其特征在于，所述限幅电路包括第一和第二运算放大器，其中第一运算放大器包括MOS管M21、M22、M23、M24、M25，第二运算放大器包括MOS管M26、M27、M28、M29、M210、M211，所述MOS管M21的栅极接上限电压VH，所述MOS管M27的栅极接下限电压VL，M21的源极连接M22的源极，M21的漏极连接M23的漏极，M22的漏极连接M24的漏极，M23的栅极连接M24的栅极，M23的源极接地，M24的源极接地，M25的栅极连接M22、M24的漏极，M25的源极连接M22的栅极，M25的漏极接地，M26的栅极连接M22的栅极，M26的源极连接M27的源极，M26的漏极连接M28的漏极，M27的漏极连接M29的漏极，M28的栅极连接M29的栅极，M28的源极接地，M29的源极接地，M210的栅极连接M27、M29的漏极，M210的漏极连接M211的栅极，M210的源极接地，M211的源极接地。

4.根据权利要求2所述的快速瞬态响应电路，其特征在于，所述瞬态检测电路与所述误差放大器中的V_P节点以及V_N节点连接，所述瞬态检测电路利用所述误差放大器内部节点V_P和V_N电压来判断负载电流是否有瞬态突变。