CN105450022A - 差分pwm调制器及基于该调制器的电流模dcdc转换器 - Google Patents

差分pwm调制器及基于该调制器的电流模dcdc转换器 Download PDF

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Abstract

差分PWM调制器及基于该调制器的电流模DCDC转换器，为了解决传统单端调制器不适用于利用片外电阻检测输出电流的电流模DCDC转换器的问题。本发明的差分PWM调制器包括：单端控制电压与共模电压的差模电压经过增益级A1放大，反馈电流的差分电压经过增益级A2放大，经增益级A1和增益级A2放大后的输入比较器进行比较，产生PWM调制输出，第一反馈电压CS与第二反馈电压VOUT的差值为反馈电流的差分电压。本发明基于该调制器的电流模DCDC转换器的检测电阻RS设置在输出路径中，利用电阻RS上的差分电压实现峰值或谷值电流模PWM调制。本发明的差分PWM调制器适用于电池充电器等需要片外电阻检测输出电流的应用。

Description

差分PWM调制器及基于该调制器的电流模DCDC转换器
技术领域
本发明涉及一种PWM调制器，及基于该调制器的电流模DCDC转换器。
背景技术
PWM控制器芯片结合分立MOSFET开关构成的DCDC转换器，具有电流能力强、可靠性高等优点。但由于没有电流反馈路径，该类DCDC多采用电压模控制，即仅反馈DCDC输出电压，如图1，其缺点是负载调整率差于电流模，以及电压模控制所需的更复杂的补偿网络。
也可以在下管MN源端加电阻RS，如图2，来引入电流反馈，从而实现电流限制或电流模控制。但它仅检测了PWM周期中一个相位的电流，不能精确反应输出电流的大小。
电池充电器等应用中，输出电压即电池电压，则输出电流即充电电流，为了精准控制充电电流，必须在输出路径中加入检测电阻RS，如图3。为了实现电流模控制，若与图2一样额外在MN源端加检测电阻，则会恶化转换效率。
若采用传统的单端调制器，如图4，比较器CMP比较的是单端控制电压VCTRL和斜坡电压VRAMP，并不适用于图3的应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统单端调制器不适用于利用片外电阻检测输出电流的电流模DCDC转换器的问题，本发明提供一种差分PWM调制器及基于该调制器的电流模DCDC转换器。
本发明的差分PWM调制器，所述调制器包括：
差动放大器，用于输入参考电压VREF和反馈电压VOUT，获得单端控制电压VCTRL；
增益级A1，用于将单端控制电压VCTRL和共模电压VCOM的差分电压VCTRL–VCOM放大，获得差分信号VA1；
增益级A2，用于将反馈电流的差分电压放大，获得差分信号VA2；
比较器，用于将差分信号VA1和差分信号VA2比较后产生PWM调制输出。
所述共模电压VCOM，还用于斜坡补偿。
所述共模电压VCOM的产生电路包括NMOS管MS1、NMOS管MS2、电容CCOM和电流源Icom；
NMOS管MS1的源极与NMOS管MS2的漏极连接，NMOS管MS1的栅极和漏极同时接电流源和电容CCOM的一端，电容CCOM的另一端与NMOS管MS2的源极连接；NMOS管MS2的栅极连接方波信号d；
NMOS管MS1的的漏极与所述电容CCOM的一端之间的电压为共模电压VCOM。
所述增益级A1包括NMOS管MA1、NMOS管MA2、电阻R1、电阻R2和电流源IA1；
NMOS管MA1的栅极输入控制电压VCTRL，NMOS管MA2的栅极输入共模电压VCOM；
NMOS管MA1的源极和NMOS管MA2的源极同时接电流源IA1；
NMOS管MA1的漏极与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与NMOS管MA2的漏极连接；
NMOS管MA2的漏极输出和NMOS管MA1的漏极输出输入至比较器进行比较。
所述增益级A2包括NMOS晶体管MB1、NMOS晶体管MB2和电流源IA2；
NMOS管MB1的栅极输入第一反馈电压CS，NMOS管MB2的栅极输入第二反馈电压VOUT；所述第一反馈电压CS与所述第二反馈电压VOUT的差值为反馈电流的差分电压；
NMOS管MB1的源极和NMOS管MB2的源极同时接电流源IA2；
NMOS管MB2的漏极输出和NMOS管MB1的漏极输出输入至比较器进行比较。
还提供一种基于所述的差分PWM调制器的电流模DCDC转换器，所述电流模DCDC转换器的检测电阻RS设置在输出路径中，利用电阻RS上的差分电压实现峰值或谷值电流模PWM调制，所述电阻RS上的差分电压即为所述反馈电流的差分电压。
所述电流模DCDC转换器包括差分PWM调制器、logic控制器、两个缓冲器、非门、NMOS管MN、PMOS管MP、电感L、电解电容COUT和电阻RS；
差分PWM调制器的输出输入至logic控制器，所述logic控制器输出方波信号d，所述方波信号d通过第一缓冲器并经过非门输入至PMOS管MP的栅极，所述方波信号d通过第二缓冲器输入至NMOS管MN的栅极，所述PMOS管MP的漏极与NMOS管MN的漏极同时与电感L的一端连接，所述电感L的另一端与电阻RS的一端连接，所述电阻RS的另一端与电解电容COUT的正极连接，所述电解电容COUT的负极与NMOS管MN的源极同时接电源地；所述PMOS管MP的源极接电源的正极VIN。
本发明的有益效果在于，本发明的差分PWM调制器适用于电池充电器等需要片外电阻检测输出电流的应用，可以复用这个电阻即作输出电流控制，又作电流纹波检测用于PWM调制；共模电压VCOM的产生电路极其简单，同时实现了共模电压产生和斜坡补偿功能。本发明增益级A1和增益级A2的存在，便于独立调整各路输入差分信号的增益，从而调节PWM调制器的总增益，使得稳定性设计更加容易。VCTRL–VCOM差模信号作为控制电压，大大增加了动态范围，允许在更低的工作电压下支持更宽的电流范围。
附图说明
图1为电压模DCDC转换器的原理示意图；
图2为采用单端电流反馈的电流模DCDC转换器的原理示意图；
图3为具体实施方式中所述的电流模DCDC转换器的原理示意图；
图4为传统单端调制器的原理示意图；
图5为具体实施方式中所述的差分PWM调制器的原理示意图；
图6为图5中增益级A1、增益级A2和比较器的具体实现电路；
图7为具体实施方式中共模电压VCOM的产生电路；
图8为具体实施方式中方波信号d的波形图；
图9为具体实施方式中共模电压VCOM的波形图。
具体实施方式
本实施方式具体为一种电流模DCDC转换器，如图3所示，包括差分PWM调制器、logic控制器、两个缓冲器、非门、NMOS管MN、PMOS管MP、电感L、电解电容COUT和电阻RS；
差分PWM调制器的输出输入至logic控制器，logic控制器输出方波信号d，方波信号d通过第一缓冲器并经过非门输入至PMOS管MP的栅极，方波信号d通过第二缓冲器输入至NMOS管MN的栅极，PMOS管MP的漏极与NMOS管MN的漏极同时与电感L的一端连接，电感L的另一端与电阻RS的一端连接，电阻RS的另一端与电解电容COUT的正极连接，电解电容COUT的负极与NMOS管MN的源极同时接电源地；PMOS管MP的源极接电源的正极VIN。
其中，差分PWM调制器、logic控制器和两个缓冲器构成PWM控制器，精准控制充电电流，输出固定电压。
本实施方式需要利用电阻RS上的差分电压来实现峰值或谷值电流模PWM调制，所以采用如图5所示的差分PWM调制器，包括：
差动放大器，用于输入参考电压VREF和反馈电压VOUT，获得单端控制电压VCTRL；
增益级A1，用于将单端控制电压VCTRL和共模电压VCOM的差分电压VCTRL–VCOM放大，获得差分信号VA1；
增益级A2，用于将反馈电流的差分电压放大，获得差分信号VA2；
比较器CMP，用于将差分信号VA1和差分信号VA2比较后产生PWM调制输出。
增益级A1、增益级A2和比较器CMP的具体实现电路如图6所示，增益级A1包括NMOS管MA1、NMOS管MA2、电阻R1、电阻R2和电流源IA1；
NMOS管MA1的栅极输入控制电压VCTRL，NMOS管MA2的栅极输入共模电压VCOM；
NMOS管MA1的源极和NMOS管MA2的源极同时接电流源IA1；
NMOS管MA1的漏极与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与NMOS管MA2的漏极连接；
NMOS管MA2的漏极输出和NMOS管MA1的漏极输出输入至比较器CMP进行比较。
图6中，增益级A2包括NMOS晶体管MB1、NMOS晶体管MB2和电流源IA2；
NMOS管MB1的栅极输入第一反馈电压CS，NMOS管MB2的栅极输入第二反馈电压VOUT；第一反馈电压CS与第二反馈电压VOUT的差值为反馈电流的差分电压；
NMOS管MB1的源极和NMOS管MB2的源极同时接电流源IA2；
NMOS管MB2的漏极输出和NMOS管MB1的漏极输出输入至比较器CMP进行比较。
图6中，反应电流模DCDC转换器输出电流的差分电压CS–VOUT经过增益级A2放大，反应控制电压的差分电压VCTRL–VCOM经过增益级A1放大，得到反应四路信号的差分信号VP2–VN2，经比较器CMP比较后产生PWM调制输出。
本实施方式中共模电压VCOM的产生电路如图7所示，具体包括：NMOS管MS1、NMOS管MS2、电容CCOM和电流源Icom；
NMOS管MS1的源极与NMOS管MS2的漏极连接，NMOS管MS1的栅极和漏极同时接电流源Icom和电容CCOM的一端，电容CCOM的另一端与NMOS管MS2的源极连接；NMOS管MS2的栅极连接方波信号d；
NMOS管MS1的的漏极与所述电容CCOM的一端之间的电压为共模电压VCOM。
本实施方式中，电流源连接NMOS管的栅极是为其提供偏置电流；
其中，方波信号d的波形图如图8所示，该方波信号与图3中的方波信号d相同；
共模电压VCOM的波形如图9，一方面它为控制电压VCTRL提供一个参考电压，另一方面，通过方波信号d和电容CCOM的配合实现斜坡补偿，确保峰值或谷值电流模DCDC的稳定工作。
本实施例中，各不同的实施例均可以分开或组合使用。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.差分PWM调制器，其特征在于，所述调制器包括：
差动放大器，用于输入参考电压VREF和反馈电压VOUT，获得单端控制电压VCTRL；
增益级A1，用于将单端控制电压VCTRL和共模电压VCOM的差分电压VCTRL–VCOM放大，获得差分信号VA1；
增益级A2，用于将反馈电流的差分电压放大，获得差分信号VA2；
比较器，用于将差分信号VA1和差分信号VA2比较后产生PWM调制输出。
2.根据权利要求1所述的差分PWM调制器，其特征在于，所述共模电压VCOM，还用于斜坡补偿。
3.根据权利要求2所述的差分PWM调制器，其特征在于，所述共模电压VCOM的产生电路包括NMOS管MS1、NMOS管MS2、电容CCOM和电流源Icom；
NMOS管MS1的源极与NMOS管MS2的漏极连接，NMOS管MS1的栅极和漏极同时接电流源Icom和电容CCOM的一端，电容CCOM的另一端与NMOS管MS2的源极连接；NMOS管MS2的栅极连接方波信号d；
NMOS管MS1的的漏极与所述电容CCOM的一端之间的电压为共模电压VCOM。
4.根据权利要求1或3所述的差分PWM调制器，其特征在于，所述增益级A1包括NMOS管MA1、NMOS管MA2、电阻R1、电阻R2和电流源IA1；
NMOS管MA1的栅极输入控制电压VCTRL，NMOS管MA2的栅极输入共模电压VCOM；
NMOS管MA1的源极和NMOS管MA2的源极同时接电流源IA1；
NMOS管MA1的漏极与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与NMOS管MA2的漏极连接；
NMOS管MA2的漏极输出和NMOS管MA1的漏极输出输入至比较器进行比较。
5.根据权利要求4所述的差分PWM调制器，其特征在于，所述增益级A2包括NMOS晶体管MB1、NMOS晶体管MB2和电流源IA2；
NMOS管MB1的栅极输入第一反馈电压CS，NMOS管MB2的栅极输入第二反馈电压VOUT；所述第一反馈电压CS与所述第二反馈电压VOUT的差值为反馈电流的差分电压；
NMOS管MB1的源极和NMOS管MB2的源极同时接电流源IA2；
NMOS管MB2的漏极输出和NMOS管MB1的漏极输出输入至比较器进行比较。
6.基于权利要求1或5所述的差分PWM调制器的电流模DCDC转换器，其特征在于，所述电流模DCDC转换器的检测电阻RS设置在输出路径中，利用电阻RS上的差分电压实现峰值或谷值电流模PWM调制，所述电阻RS上的差分电压即为所述反馈电流的差分电压。
7.根据权利要求6所述的基于差分PWM调制器的电流模DCDC转换器，其特征在于，所述电流模DCDC转换器包括差分PWM调制器、logic控制器、两个缓冲器、非门、NMOS管MN、PMOS管MP、电感L、电解电容COUT和电阻RS；
差分PWM调制器的输出输入至logic控制器，所述logic控制器输出方波信号d，所述方波信号d通过第一缓冲器并经过非门输入至PMOS管MP的栅极，所述方波信号d通过第二缓冲器输入至NMOS管MN的栅极，所述PMOS管MP的漏极与NMOS管MN的漏极同时与电感L的一端连接，所述电感L的另一端与电阻RS的一端连接，所述电阻RS的另一端与电解电容COUT的正极连接，所述电解电容COUT的负极与NMOS管MN的源极同时接电源地；所述PMOS管MP的源极接电源的正极VIN。
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