CN102868297A - 一种固定截止时间pfm模式开关电源控制器 - Google Patents
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Abstract
一种固定截止时间PFM模式的开关电源控制器,属于功率集成电路技术领域,主要涉及BOOST开关电源的应用领域。该开关电源控制器包括误差放大器(107)、频率补偿网络(106)、比较器(104)、固定截止时间PFM控制模块(101)、最高频率限制模块(102)、功率开关管驱动电路(103)、电流采样模块(105)及功率开关(108)。该PFM调制控制器架构实现方式简单,不仅可工作于断续电流模式,也可以工作于连续电流模式;而且该控制器在实际应用中具有外部储能元件体积小,轻载时纹波电压小,重载时开关损耗低、效率高等优点。
Description
技术领域
本发明属于功率集成电路技术领域,涉及BOOST开关电源的应用,具体涉及一种固定截止时间的PFM模式的开关电源控制器,尤其适用于体积小、供电电压低、效率要求高的便携式移动设备的应用。
背景技术
目前,DC/DC功率变换器的调制方式主要有恒频变宽(CFVW)的脉冲宽度调制PWM、恒宽变频(CWVF)的脉冲频率调制PFM以及PWM和PFM的混合调制。PWM调制由于控制方式简单,是目前最常用的一种调制方式,但当工作在电流连续模式(CCM)下,在宽范围的占空比变化时,将导致次谐波不稳定问题,需要斜率补偿,电路结构将变得复杂。恒宽变频的PFM在一个周期内导通时间固定,其在轻载时效率高,但此时纹波电压最大,且不能工作于电流连续模式,由于断续模式下流过电感的电流波动较大,对电感的体积提出了更高的要求。PWM和PFM的混合调制模式由于控制方式复杂,应用较少。另外,以上几种调制方式工作在重载情况,功率开关器件工作在最高开关频率,开关损耗大、效率低。
发明内容
本发明提出了一种固定截止时间PFM模式开关电源控制器。该PFM模式开关电源控制器实现方式简单,可在电流断续和连续两种模式下工作,而且工作于电流连续模式时不需要加斜坡补偿,该控制器在实际应用中具有外部储能元件体积小,轻载时纹波电压小,重载时开关损耗低、效率高等特点。
本发明技术方案是:
一种固定截止时间PFM模式的开关电源控制器10,如图1所示,包括误差放大器107、频率补偿网络106、比较器104、固定截止时间PFM控制模块101、最高频率限制模块102、功率开关管驱动电路103、电流采样模块105及功率开关管108。
所述误差放大器107将负载电压采样信号与基准电压Vref进行比较,将负载电压采样信号与基准电压Vref的差值放大产生误差电压信号并输入到频率补偿网络106。
所述频率补偿网络106对误差放大器107产生的误差电压信号进行高频噪声滤除,以产生稳定的直流误差电压信号,并将此直流误差电压信号输入到比较器104的正输入端。
所述电流采样模块105对流过功率器件108的电流进行采样,并将电流采样信号输入到比较器104的负输入端。具体采样方式可以是电阻采样、互感线圈采样或霍尔传感器采样;具体采样点可以是功率器件108的高电位端,也可以是功率器件108的低电位端(图1只给出了低电位端采样的示意)
所述比较器104为电流比较器或电压比较器;当比较器104为电流比较器时,负责将频率补偿网络106输入的直流误差电压信号转换成直流误差电流信号,并与电流采样模块105输入的电流采样信号进行比较和输出高低电平的比较结果;当比较器104为电压比较器时,负责将电流采样模块105输入的电流采样信号转换成电压采样信号,并与频率补偿网络106输入的直流误差电压信号进行比较和输出高低电平的比较结果。
所述固定截止时间PFM控制模块101由脉宽控制模块一1001、SR锁存器1002和两个反向器1003、1004组成。比较器104输出的比较结果经第一反相器1004反相后分别接脉宽控制模块一1001的输入端和SR锁存器1002的R(置0)端,脉宽控制模块一1001的输出端接SR锁存器1002的S(置1)端,SR锁存器1002的Q端接第二反相器1003的输入端,第二反相器1003的输出端输出所述固定截止时间PFM控制模块101的输出信号。所述固定截止时间PFM控制模块101的作用是当输入端(即比较器104的输出端或第一反相器1004的输入端)检测到比较器104输出下降沿时,产生一固定时间的负脉冲,而在比较器104输出高电平期间,始终输出高电平。
所述最高频率限制模块102用于限制功率器件108的最小导通时间,由脉宽控制模块二1005和或门1006组成。其中所述脉宽控制模块二1005接在第二反相器1003的输出端和或门1006的一个输入端之间,或门1006的另一个输入端接第二反相器1003的输出端;或门1006的输出端输出最高频率限制模块102的输出信号。
所述脉宽控制模块二1005和脉宽控制模块一1001的工作机理和具体电路相同,当检测到上升沿信号后将产生导通时间固定的脉冲信号输出。具体电路结构如图4所示,由一个D触发器402、两个PMOS管404和405、两个NMOS管407和409、一个电流源408、一个电容409、一个反相器411和一个电感412构成。D触发器402的时钟信号输入端作为整个脉宽控制模块二1005或脉宽控制模块一1001的输入端,D触发器402的Q端作为整个脉宽控制模块二1005或脉宽控制模块一1001的输出端;D触发器402的Q端接第一PMOS管404和第一NMOS管407的栅极,第一PMOS管404和第一NMOS管407的漏极互连并接第二PMOS管405和第二NMOS管410的栅极,第二PMOS管405和第二NMOS管410的漏极互连并接反相器411的输入端,反相器411的输出端接D触发器402的R端;D触发器402的D端、S端,以及两个PMOS管的源极接电源VDD;第一NMOS管407的源极通过电流源408接地,第二NMOS管410的源极接地,第一NMOS管407的漏极通过电容409接地,D触发器402的时钟信号输入端通过电感412接地。所述D触发器402为上升沿触发器,时钟信号输入端检测到上升信号后Q输出端输出高电平,该高电平持续时间由电容409通过电流源408以固定电流放电所需时间决定。当电容409的电压下降到由第二PMOS管405和第二NMOS管410组成的反相器的翻转电压后,D触发器402复位端R有效,Q输出端回到低电平。
所述功率开关管驱动电路103对最高频率限制模块102输出的逻辑信号的波形进行整形后作为功率器件108的栅极控制信号,用于控制功率器件108的导通与关断。
所述功率器件108可以是功率三极管也可以是功率场效应管,其高电位端通过电感103接电源Vcc或顺序通过电流采样模块105、电感103后接电源Vcc,其低电位端通过电流采样模块105接地或直接接地。
本发明的有益效果是:
1)电路结构简单,可工作于电流断续和连续两种模式。
2)工作于连续模式时,无需斜率补偿。
3)重载时功率开关损耗低、效率高。
4)轻载时开关频率升高,输出纹波小。
5)适用于基于BCD工艺和BiCMOS的功率集成芯片。
6)适用于体积小、供电电压低、效率要求高的便携式移动设备。
附图说明
图1是本发明提供的固定截止时间PFM模式开关电源控制器架构以及在LED恒流驱动领域的一种应用电路图。
图2是图1中电流采样模块105的一种实现方式。
图3是图1中电流比较器104的一种实现方式。
图4是图1中脉宽控制模块1001、1005的具体实现方式。
图5是本发明提供的固定截止时间的PFM调制控制架构在恒压输出的另一种应用电路图。
图6是图1中补偿网络106的一种实现方式。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案更加清楚,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明做进一步详细说明。
图1是本发明一种固定截止时间PFM调制控制架构以及在LED恒流驱动方面的一种应用电路图。其中固定截止时间的PFM模式的开关电源控制器10包括误差放大器107、频率补偿网络106、比较器104、固定截止时间PFM控制模块101、最高频率限制模块102、功率开关管驱动电路103、电流采样模块105及功率开关管108。具体电路连接关系如前所述。
该开关电源控制器具体应用于LED恒流驱动时,电感113一端接至电源Vcc,电感113另一端连接功率开关管108的高电位端(功率MOS管的漏极或功率三极管的集电极)及续流二极管112阳极,续流二极管阴极连接至电容111及LED负载的阳极,电容111的另一端接地,LED负载的阴极接采样电阻109的一端,采样电阻109的另一端接地,误差放大器107的同向输入端接基准电压Vref,误差放大器107反向输入端接LED负载电压采样点201,误差放大器107的输出端经过频率补偿网络106到比较器104的正输入端与电流采样模块105的输出电流相比较,比较器的输出先后经过固定截止时间PFM控制模块101、最高频率限制模块102完成了固定截止时间的PFM调制及最高频率限制,最后通过功率开关管驱动电路103到功率开关器件108的栅极控制端。
电路正常工作时,由于误差放大器107两个输入端电压近似相等,采样电阻109和Vref确定了流过LED的电流值
图2是电流采样模块105的一种实现方式。包括一个运算放大器1008、一个功率MOS管1007和一个功率三极管1009;其中功率MOS管1007的栅极接功率开关管108的栅极,功率MOS管1007的源极接地,功率MOS管1007的漏极接运算放大器1008的负输入端和功率三极管1009的集电极,运算放大器1008的正输入端接功率开关管108的高电位端,运算放大器1008的输出端接功率三极管1009的基极,功率三极管1009的发射极作为电流采样模块105的输出端接比较器104的负输入端。运算放大器1008的两个输入端电压“虚短”,即功率开关管108和功率MOS管1007的漏极电压相同,而且它们的栅极(或基极)短接,于是功率开关管108和功率MOS管1007的所有电极上电压都相同,流过功率开关108的电流以m:1的比例精确地镜像到了电流比较器104的负输入端。
图3是图1中比较器104的一种实现方式,该比较器104为电流比较器,具体包括四个PMOS管1043、1044、1047和1048,两个NMOS管1045和1046,一个三级管1041和一个电阻1042;三级管1041的集电极通过电阻1042接地,三极管1041的发射极接第一PMOS管1043的漏极,第一PMOS管1043和第二PMOS管1044的栅极互连并接第一PMOS管1043的漏极,第二PMOS管1044与第一NMOS管1045的漏极互连,第一NMOS管1045和第二NMOS管1046的栅极互连并接第二NMOS管1046的漏极,第二NMOS管1046的漏极接第三PMOS管1047的漏极,第三PMOS管1047和第四PMOS管1048的栅极互连并接第四PMOS管1048的漏极,四个PMOS管1043、1044、1047和1048的源极接电源Vdd,两个NMOS管1047和1048的源极接地;三级管1041的基极作为比较器104的正输入端接频率补偿网络106的输出端,第四PMOS管1048的漏极作为比较器104的负输入端接电流采样模块105的输出端,第二PMOS管1044和第一NMOS管1045的漏极互连作为比较器104的输出端接固定截止时间PFM控制模块101的输入端。图中IN+输入端接频率补偿网络106的输出端,三极管1041和电阻1042将误差电压信号转换为误差电流信号,该电流信号被镜像到MOS管1044,IN-输入端接电流采样模块105的输出,该电流被MOS管1045镜像,并与MOS管1044电流比较,如果MOS管1044的电流大于1045的电流则,Vo输出高,反之输出低。在功率开关管108导通期间,比较器反向输入端的电流线性增加,直至大于同向输入端电压后,比较器104的输出从高电平翻转成低电平,用于控制功率开关器件的关断。
图4是图1中所述脉宽控制模块一1001或所述脉宽控制模块二1005的一种实现方式。所述脉宽控制模块二1005和脉宽控制模块一1001的工作机理和具体电路相同,当检测到上升沿信号后将产生导通时间固定的脉冲信号输出。具体电路结构如图4所示,由一个D触发器402、两个PMOS管404和405、两个NMOS管407和409、一个电流源408、一个电容409、一个反相器411和一个电感412构成。D触发器402的时钟信号输入端作为整个脉宽控制模块二1005或脉宽控制模块一1001的输入端,D触发器402的Q端作为整个脉宽控制模块二1005或脉宽控制模块一1001的输出端;D触发器402的Q端接第一PMOS管404和第一NMOS管407的栅极,第一PMOS管404和第一NMOS管407的漏极互连并接第二PMOS管405和第二NMOS管410的栅极,第二PMOS管405和第二NMOS管410的漏极互连并接反相器411的输入端,反相器411的输出端接D触发器402的R端;D触发器402的D端、S端,以及两个PMOS管的源极接电源VDD;第一NMOS管407的源极通过电流源408接地,第二NMOS管410的源极接地,第一NMOS管407的漏极通过电容409接地,D触发器402的时钟信号输入端通过电感412接地。所述D触发器402为上升沿触发器,时钟信号输入端检测到上升信号后Q输出端输出高电平,该高电平持续时间由电容409通过电流源408以固定电流放电所需时间决定。当电容409的电压下降到由第二PMOS管405和第二NMOS管410组成的反相器的翻转电压后,D触发器402复位端R有效,Q输出端回到低电平。所用的D触发器402为上升沿触发器。当输入端401检测到上升信号后输出端406输出高电平,该高电平持续时间由电容409通过电流源408以固定电流放电所需时间决定。当电容409的电压下降到由PMOS管405和NMOS管410组成的反相器的翻转电压后,触发器402复位端R有效,输出端406回到低电平。
最高频率限制模块由脉宽控制模块二1005和或门1006以图1中最高频率限制模块102中所示的连接组成。其中脉宽控制模块二1005和脉宽控制模块一1001的功能相同,因此也可以用如图4所示的方式实现。脉宽控制模块二1005检测到上升沿后将输出脉宽固定为Ton(min)的脉冲信号,其中Ton(min)的值计算方式与上述Toff的值计算方式相同。输入102的PFM信号及经过1005整形后固定脉宽为Ton(min)的脉冲信号输入到或门1006相或,或门1006的输出信号就是控制功率器件108关断与导通的PFM信号。因此,电路的最高开关频率为:
图5是本发明提供的固定截止时间PFM调制控制器在恒压输出方面的一种具体应用电路图。与用于恒流输出不同的是,该实施例中输出电压用电阻109、115组成分压网络反馈到误差放大器107的反向输入端,达到恒定输出电压的目的。输出电压的值为:
图6是图1中所述频率补偿网络106的一种实现方式,由两个电容C1和C2和一个电阻R1串联构成;其中两个电容C1和C2的连接点接地,电阻R1和电容C2的连接点作为所述频率补偿网络106的输入、输出端分别接误差放大器107的输出端和比较器104的正输入端。所述频率补偿网络用来滤掉高频噪声,同时补偿***环路的相位,防止产生振荡。所述补偿网络的传递函数为:
式中,RO是跨到放大器的输出阻抗,可以看出该补偿网络贡献了一个零点和两个极点。
综上所述,本发明提出的一种固定截止时间PFM模式开关电源控制器架构实现方式简单,可工作于电流断续和连续两种模式,而且工作于电流连续模式时不需要加斜坡补偿,该控制器在实际应用中具有外部储能元件体积小,轻载时纹波电压小,重载时开关损耗低、效率高等特点。
Claims (5)
1.一种固定截止时间PFM模式的开关电源控制器(10),包括误差放大器(107)、频率补偿网络(106)、比较器(104)、固定截止时间PFM控制模块(101)、最高频率限制模块(102)、功率开关管驱动电路(103)、电流采样模块(105)及功率开关管(108);
所述误差放大器(107)将负载电压采样信号与基准电压Vref进行比较,将负载电压采样信号与基准电压Vref的差值放大产生误差电压信号并输入到频率补偿网络(106);
所述频率补偿网络(106)对误差放大器(107)产生的误差电压信号进行高频噪声滤除,以产生稳定的直流误差电压信号,并将此直流误差电压信号输入到比较器(104)的正输入端;
所述电流采样模块(105)对流过功率器件(108)的电流进行采样,并将电流采样信号输入到比较器(104)的负输入端;
所述比较器(104)为电流比较器或电压比较器;当比较器(104)为电流比较器时,负责将频率补偿网络(106)输入的直流误差电压信号转换成直流误差电流信号,并与电流采样模块(105)输入的电流采样信号进行比较和输出高低电平的比较结果;当比较器(104)为电压比较器时,负责将电流采样模块(105)输入的电流采样信号转换成电压采样信号,并与频率补偿网络(106)输入的直流误差电压信号进行比较和输出高低电平的比较结果;
所述固定截止时间PFM控制模块(101)由脉宽控制模块一(1001)、SR锁存器(1002)和两个反向器(1003和1004)组成;比较器(104)输出的比较结果经第一反相器(1004)反相后分别接脉宽控制模块一(1001)的输入端和SR锁存器(1002)的R端,脉宽控制模块一(1001)的输出端接SR锁存器(1002)的S端,SR锁存器(1002)的Q端接第二反相器(1003)的输入端,第二反相器(1003)的输出端输出所述固定截止时间PFM控制模块(101)的输出信号;所述固定截止时间PFM控制模块(101)的作用是当输入端,即比较器(104)的输出端或第一反相器(1004)的输入端检测到比较器(104)输出下降沿时,产生一固定时间的负脉冲,而在比较器(104)输出高电平期间,始终输出高电平;
所述最高频率限制模块(102)用于限制功率器件(108)的最小导通时间,由脉宽控制模块二(1005)和或门(1006)组成;其中所述脉宽控制模块二(1005)接在第二反相器(1003)的输出端和或门(1006)的一个输入端之间,或门(1006)的另一个输入端接第二反相器(1003)的输出端;或门(1006)的输出端输出最高频率限制模块(102)的输出信号;
所述脉宽控制模块二(1005)和脉宽控制模块一(1001)的工作机理和具体电路相同,当检测到上升沿信号后将产生导通时间固定的脉冲信号输出;具体电路结构由一个D触发器(402)、两个PMOS管(404和405)、两个NMOS管(407和409)、一个电流源(408)、一个电容(409)、一个反相器(411)和一个电感(412)构成;D触发器(402)的时钟信号输入端作为整个脉宽控制模块二(1005)或脉宽控制模块一(1001)的输入端,D触发器(402)的Q端作为整个脉宽控制模块二(1005)或脉宽控制模块一(1001)的输出端;D触发器(402)的Q端接第一PMOS管(404)和第一NMOS管(407)的栅极,第一PMOS管(404)和第一NMOS管(407)的漏极互连并接第二PMOS管(405)和第二NMOS管(410)的栅极,第二PMOS管(405)和第二NMOS管(410)的漏极互连并接反相器(411)的输入端,反相器(411)的输出端接D触发器(402)的R端;D触发器(402)的D端、S端,以及两个PMOS管的源极接电源VDD;第一NMOS管(407)的源极通过电流源(408)接地,第二NMOS管(410)的源极接地,第一NMOS管(407)的漏极通过电容(409)接地,D触发器(402)的时钟信号输入端通过电感(412)接地;所述D触发器(402)为上升沿触发器,时钟信号输入端检测到上升信号后Q输出端输出高电平,该高电平持续时间由电容(409)通过电流源(408)以固定电流放电所需时间决定;当电容(409)的电压下降到由第二PMOS管(405)和第二NMOS管(410)组成的反相器的翻转电压后,D触发器(402)复位端R有效,Q输出端回到低电平;
所述功率开关管驱动电路(103)对最高频率限制模块(102)输出的逻辑信号的波形进行整形后作为功率器件(108)的栅极控制信号,用于控制功率器件(108)的导通与关断;
所述功率器件(108)为功率三极管或功率场效应管,其高电位端通过电感(103)接电源Vcc或顺序通过电流采样模块(105)、电感(103)后接电源Vcc,其低电位端通过电流采样模块(105)接地或直接接地。
2.根据权利要求1所述的固定截止时间PFM模式的开关电源控制器(10),其特征在于,所述电流采样模块(105)的具体采样方式是电阻采样、互感线圈采样或霍尔传感器采样;具体采样点是功率器件108的高电位端或功率器件108的低电位端。
3.根据权利要求1所述的固定截止时间PFM模式的开关电源控制器(10),其特征在于,所述电流采样模块(105)包括一个运算放大器(1008)、一个功率MOS管(1007)和一个功率三极管(1009);其中功率MOS管(1007)的栅极接功率开关管(108)的栅极,功率MOS管(1007)的源极接地,功率MOS管(1007)的漏极接运算放大器(1008)的负输入端和功率三极管(1009)的集电极,运算放大器(1008)的正输入端接功率开关管(108)的高电位端,运算放大器(1008)的输出端接功率三极管(1009)的基极,功率三极管(1009)的发射极作为电流采样模块(105)的输出端接比较器(104)的负输入端。
4.根据权利要求1所述的固定截止时间PFM模式的开关电源控制器(10),其特征在于,所述比较器(104)为电流比较器,具体包括四个PMOS管(1043、1044、1047和1048),两个NMOS管(1045和1046),一个三级管(1041)和一个电阻(1042);三级管(1041)的集电极通过电阻(1042)接地,三极管(1041)的发射极接第一PMOS管(1043)的漏极,第一PMOS管(1043)和第二PMOS管(1044)的栅极互连并接第一PMOS管(1043)的漏极,第二PMOS管(1044)与第一NMOS管(1045)的漏极互连,第一NMOS管(1045)和第二NMOS管(1046)的栅极互连并接第二NMOS管(1046)的漏极,第二NMOS管(1046)的漏极接第三PMOS管(1047)的漏极,第三PMOS管(1047)和第四PMOS管(1048)的栅极互连并接第四PMOS管(1048)的漏极,四个PMOS管(1043、1044、1047和1048)的源极接电源Vdd,两个NMOS管(1047和1048)的源极接地;三级管(1041)的基极作为比较器(104)的正输入端接频率补偿网络(106)的输出端,第四PMOS管(1048)的漏极作为比较器(104)的负输入端接电流采样模块(105)的输出端,第二PMOS管(1044)和第一NMOS管(1045)的漏极互连作为比较器(104)的输出端接固定截止时间PFM控制模块(101)的输入端。
5.根据权利要求1所述的固定截止时间PFM模式的开关电源控制器(10),其特征在于,所述频率补偿网络(106)由两个电容C1和C2和一个电阻R1串联构成;其中两个电容C1和C2的连接点接地,电阻R1和电容C2的连接点作为所述频率补偿网络(106)的输入、输出端分别接误差放大器(107)的输出端和比较器(104)的正输入端。
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