CN112117899A - 一种电流模式控制的boost转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电流模式控制的BOOST转换器，所述转换器包括控制IC以及***电路，所述IC***电路包括：VIN为***的输入电压；VOUT为***的输出电压；L1为电感；D1为续流二极管；C0为输出滤波电容；N1功率开关管；C1为IC的VCC脚外挂电容；R1为一电阻，连接IC的RT管脚，用于控制***工作频率；R2、C2、C3为IC的FB脚和COMP脚补偿网络，对***的稳定性起到决定作用；R3为电流采样电阻；R4、R5构成输出电压的采样网络，其比例决定了输出电压的高低。该方案提出的电流模式BOOST转换器，具有宽的输入电压，易于降低输出纹波，消除了次谐波振荡，环路稳定性便于调节。

Description

一种电流模式控制的BOOST转换器
技术领域
本发明涉及一种转换器具体涉及一种电流模式控制的BOOST转换器，属于电源管理技术领域。
背景技术
BOOST升压电路是一种开关直流升压电路，可以使输出电压比输入电压高。广泛应用于直流电机传动、单相功率因数校正(PFC)电路及其他交直流电源中。然而BOOST升压***在设计上往往存在输出纹波大、输入范围窄、大占空比工作易产生次谐波振荡、环路控制难的问题。因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种电流模式控制的BOOST转换器，该技术方案为电流模式控制的BOOST转换器，针对现有技术中存在的缺陷，能够较好的解决或改善。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种电流模式控制的BOOST转换器，所述转换器包括控制IC以及***电路。
作为本发明的一种改进，所述***电路包括：VIN为***的输入电压；VOUT为***的输出电压；L1为电感；D1为续流二极管；C0为输出滤波电容；N1功率开关管；C1为IC的VCC脚外挂电容；R1为一电阻，连接IC的RT管脚，用于控制***工作频率；R2、C2、C3为IC的FB脚和COMP脚补偿网络，对***的稳定性起到决定作用；R3为电流采样电阻；R4、R5构成输出电压的采样网络，其比例决定了输出电压的高低，R4、R5网络是直接采样输出电压，采样精准。采样到的信号FB送至运放的负输入端，运放处在整个控制环路中，两个输入端电压相等，即VFB＝1.25V，因此R4、R5的电压比例决定了输出电压VOUT的高低。
作为本发明的一种改进，所述IC电路包括：Regulator模块，OSC为振荡器模块，Slope为斜坡补偿模块，MaxDuty为最大占空比模块，AMP为一运放，比较器CMP1，比较器CMP2以及Logic模块，其中VIN脚通过Regulator产生VCC电压；VCC通过Reference模块产生各基准电压；OSC的输入端为RT，输出端分两路，一路输出至RS触发器的S端，另一路输出分别送至Slope和MaxDuty，AMP的正输入端为1.25V基准，负输入端为FB脚，输出端为COMP脚，COMP通过电阻R6连接5V内部电源，COMP端经过1.25V降压后，连接电阻R7，电阻R7的另一端连接电阻R8和比较器CMP1的负输入端，电阻R8另一端接地，比较器CMP1的正输入端连接Slope的输出，比较器CMP1输出至Logic模块，比较器CMP2的正输入端为0.5V基准电压，CMP2的负输入端连接Slope的输出，同时Slope的输出连接电阻R9，电阻R9的另一端接CS脚，比较器CMP2输出至Logic模块，MaxDuty输出至Logic模块，Logic的输出送至RS触发器的R端，RS触发器的输出送至Driver模块，Driver的输出为OUT脚。
Regulator为电源供电模块，通过高压电源VIN产生了IC内部的中压电源VCC，中压电源VCC主要用于产生IC内部的电压5V电源，以及为驱动模块提供电源；Reference模块产生内部低压5V电源及1.25V、0.5V的基准电压；OSC为振荡器模块，由RT脚的外挂电阻方便调节振荡器频率，振荡器模块产生时钟信号以及锯齿波信号，时钟信号送至RS触发器，用于控制每个周期的导通，锯齿波信号分别送至斜坡补偿模块Slope及最大占空比模块MaxDuty；Slope为斜坡补偿模块，将锯齿波的电压信号转换为锯齿波的电流，该锯齿波电流流过电阻R9产生一斜坡电压，并叠加在CS管脚上；MaxDuty为最大占空比模块，由于IC内集成了斜坡补偿功能，最大占空比通常可以设置在80％以上，如若CMP1和CMP2都不翻转的情况下，由MaxDuty模块控制开关周期的强制关断；AMP为一运放，正输入端接1.25V基准电压，负输入端接FB脚，输出端接COMP脚，该运放配合外部的C2、R2、C3补偿网络，用于检测输出电压，并调节***稳定性；运放的输出经过1.25V降压，再由R7、R8分压后，送至比较器CMP1的负输入端，比较器CMP1的正输入端接CS脚叠加斜坡补偿后的电压；CMP2比较器功能为过流保护，当CS脚检测电流过大，且叠加斜坡补偿后的电压超过0.5V，则CMP2翻转，并控制输出关断；Logic模块主要处理三路分别来自MaxDuty、CMP1、CMP2的信号，决定由那一路信号控制输出关断；RS触发器为逻辑上控制输出导通或关断；Driver为驱动模块。利用这些巧妙设计的模块，巧妙组合，能够实现BOOST转换器的电流模式控制，且能够避免次谐波振荡。
作为本发明的一种改进，所述Regulator为电源供电模块包括可以达到很宽的输入电压范围，VIN、VCC为IC的两个管脚，R1为限流电阻，典型值1M以上，D1为钳位二极管，N1为高压增强型NMOS，C1为VCC外挂电容，中压电源VCC可表示为：VCC＝VD1-VGS，VCC如需要增大，D1的钳位二极管可以串联增加。该结构较为灵活，VCC不会受VIN电压的影响，VIN可以接入较宽的电压范围，但需保证工艺中N1器件能够承受该电压。
作为本发明的一种改进，专门设计斜坡补偿功能，在CS脚上叠加一斜坡电压，随着导通时间的增加，叠加的电压也将增加。斜坡补偿模块(Slope)的输入信号为来自振荡器OSC产生锯齿波信号，输出信号为斜坡电流Islope，P3、P4和N1、N2强制了两路的对称性，则N1、N2的Vgs相等，由于N1、N2的共Gate，所有N1、N2的Source电压相等，对于P1、P2，同样由于对称性，Vsg相等，P1、P2的Source电压相等，则P1、P2的Gate电压相等，由于P2的Gate电压等于电阻R1电压，则P1的Gate电压等于电阻R1电压；所以电流镜两条支路的电流均等于
Figure BDA0002640745870000031
P5的输出电流可以根据电流镜比例设计，产生正比于Vslope的电流Islope，该模块产生的斜坡电压Islope*R9，该电压叠加于CS脚上。电流模式控制，当占空比超过50％，容易产生次谐波振荡，且占空比越大，越容易产生次谐波振荡。因此，希望导通时间越大时，补偿量越大，故采用斜坡的方式最佳。通常的斜坡补偿方法有两种，一种是在比较器的正输入端(CS)叠加一定的补偿量，一种是在比较器的负输入端(COMP间接反映)减少一定的补偿量，本文采用第一种方法。
相对于现有技术，本发明具有如下优点，该技术方案提出的电流模式BOOST转换器，具有宽的输入电压，易于降低输出纹波，环路稳定性便于调节。利用这些巧妙设计的模块，巧妙组合，能够实现BOOST转换器的电流模式控制，且能够避免次谐波振荡。
附图说明
图1为电流模式控制的BOOST转换器示意图；
图2为Regulator模块的结构示意；
图3为OSC模块的结构示意图；
图4为斜坡补偿模块(Slope)的结构示意图。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
实施例1：参见图1，本发明提供的一种电流模式控制的BOOST转换器，如图1所示，整个***包含控制IC以及***电路。IC***器件：VIN为***的输入电压；VOUT为***的输出电压；L1为电感；D1为续流二极管；C0为输出滤波电容；N1功率开关管；C1为IC的VCC脚外挂电容；R1为一电阻，连接IC的RT管脚，用于控制***工作频率；R2、C2、C3为IC的FB脚和COMP脚补偿网络，对***的稳定性起到决定作用；R3为电流采样电阻；R4、R5构成输出电压的采样网络，其比例决定了输出电压的高低。IC内部主要示意了几个核心模块：Regulator模块，OSC为振荡器模块，Slope为斜坡补偿模块，MaxDuty为最大占空比模块，AMP为一运放，比较器CMP1，比较器CMP2以及Logic模块，其中VIN脚通过Regulator产生VCC电压；VCC通过Reference模块产生各基准电压；OSC的输入端为RT，输出端分两路，一路输出至RS触发器的S端，另一路输出分别送至Slope和MaxDuty，AMP的正输入端为1.25V基准，负输入端为FB脚，输出端为COMP脚，COMP通过电阻R6连接5V内部电源，COMP端经过1.25V降压后，连接电阻R7，电阻R7的另一端连接电阻R8和比较器CMP1的负输入端，电阻R8另一端接地，比较器CMP1的正输入端连接Slope的输出，比较器CMP1输出至Logic模块，比较器CMP2的正输入端为0.5V基准电压，CMP2的负输入端连接Slope的输出，同时Slope的输出连接电阻R9，电阻R9的另一端接CS脚，比较器CMP2输出至Logic模块，MaxDuty输出至Logic模块，Logic的输出送至RS触发器的R端，RS触发器的输出送至Driver模块，Driver的输出为OUT脚。Regulator为电源供电模块，通过高压电源VIN产生了IC内部的中压电源VCC，中压电源VCC主要用于产生IC内部的电压5V电源，以及为驱动模块提供电源；Reference模块产生内部低压5V电源及1.25V、0.5V的基准电压；OSC为振荡器模块，由RT脚的外挂电阻方便调节振荡器频率，振荡器模块产生时钟信号以及锯齿波信号，时钟信号送至RS触发器，用于控制每个周期的导通，锯齿波信号分别送至斜坡补偿模块Slope及最大占空比模块MaxDuty；Slope为斜坡补偿模块，将锯齿波的电压信号转换为锯齿波的电流，该锯齿波电流流过电阻R9产生一斜坡电压，并叠加在CS管脚上；MaxDuty为最大占空比模块，由于IC内集成了斜坡补偿功能，最大占空比通常可以设置在80％以上，如若CMP1和CMP2都不翻转的情况下，由MaxDuty模块控制开关周期的强制关断；AMP为一运放，正输入端接1.25V基准电压，负输入端接FB脚，输出端接COMP脚，该运放配合外部的C2、R2、C3补偿网络，用于检测输出电压，并调节***稳定性；运放的输出经过1.25V降压，再由R7、R8分压后，送至比较器CMP1的负输入端，比较器CMP1的正输入端接CS脚叠加斜坡补偿后的电压；CMP2比较器功能为过流保护，当CS脚检测电流过大，且叠加斜坡补偿后的电压超过0.5V，则CMP2翻转，并控制输出关断；Logic模块主要处理三路分别来自MaxDuty、CMP1、CMP2的信号，决定由那一路信号控制输出关断；RS触发器为逻辑上控制输出导通或关断；Driver为驱动模块。
工作过程：参照图1—图4，***刚启动时：输入脚VIN通过Regulator对VCC供电，IC开始工作，产生5V低压电源及其他偏置，内部低压电源5V通过电阻R6对COMP脚外部电容C2进行充电，COMP电压升高，某时刻COMP电压超过1.25V后，电阻R8上开始产生电压，需要说明的是，当COMP电压低于1.25V时，R8电压为0V，CMP1输出保持为高电平，此时输出一直关断，即使每个振荡器周期都有信号控制IC导通，但导通时间也为0，即输出一直关断。当R8上有电压后，振荡器OSC控制IC导通后，CS电压上升，叠加斜坡补偿后电压超过R8的电压，输出关断。
***稳定工作后：当功率开关管N1导通时，也即振荡器OSC产生时钟控制导通，电感输入信号VIN对电感L1充电，电感右侧电压由于N1导通而接近0V，对于续流二极管D1，右边电压高，左边电压低，D1不通，电感L1的电流等于电流采样电阻R3的电流，因此CS电压逐渐升高，某时刻CS电压叠加斜坡补偿后超过CMP1负输入端电压，则CMP1翻转，控制IC关断，即N1关断。N1关断后，电感L1极性反向，开始通过D1对输出放电，直至下一个振荡器周期再次控制功率管N1导通。
基于上面分析，N1导通时间的大小直接受R8电压的控制，R8电压越高，导通时间越长，占空比越大，往输出传输的能量越多。对于该***，若输出电压VOUT降低，则FB电压变低，运放AMP会控制COMP电压升高，从而R8的电压升高，占空比升高，并控制输出电压VOUT升高；同理，若输出电压VOUT上升，FB电压升高，运放AMP控制COMP电压降低，R8电压降低，占空比降低，并控制输出电压VOUT降低。因此，该***能够很好地实现输出电压的恒压控制，且控制方便。输出电压的目标值可以通过调节R4、R5比例来设计。
该***对IC的高压供电模块(Regulator)专门设计，可以达到很宽的输入电压范围，Regulator模块的结构示意如图2，VIN、VCC为IC的两个管脚，R1为限流电阻，典型值1M以上，D1为钳位二极管，N1为高压增强型NMOS，C1为VCC外挂电容。中压电源VCC可表示为：VCC＝VD1-VGS，VCC如需要增大，D1的钳位二极管可以串联增加。该结构较为灵活，VCC不会受VIN电压的影响，VIN可以接入较宽的电压范围，但需保证工艺中N1器件能够承受该电压。
OSC模块决定了***的工作频率，仅需通过改变RT脚外挂电阻R1的阻值便能方便调节，OSC模块的结构示意如图3，一个简单的负反馈结构使得RT脚电压固定为1.25V，因此RT脚外挂电阻决定了电流镜的电流，上面的PMOS电流比例为1：1：1，下面的NMOS电流镜比例为1：N，则后面对电容的充放电电流比例为1：N，在电容上产生的斜坡上升慢，下降快，此斜坡送至后续的Slope模块。图示的后半部分为振荡器电路的典型结构，用于控制对电容充放电的开关器件。OSC的频率容易调节，在环路补偿调节好的情况下，可以将***工作频率设置高，一来可以降低输出纹波，二来可以提升转换效率。
本发明针对电流模式***在大占空比条件下易发生次谐波振荡的风险，专门设计斜坡补偿功能，在CS脚上叠加一斜坡电压，随着导通时间的增加，叠加的电压也将增加。斜坡补偿模块(Slope)的结构示意如图4，模块的输入信号为来自振荡器OSC产生锯齿波信号，输出信号为斜坡电流Islope。P3、P4和N1、N2强制了两路的对称性，则N1、N2的Vgs相等，由于N1、N2的共Gate，所有N1、N2的Source电压相等。对于P1、P2，同样由于对称性，Vsg相等，P1、P2的Source电压相等，则P1、P2的Gate电压相等，由于P2的Gate电压等于电阻R1电压，则P1的Gate电压等于电阻R1电压。所以电流镜两条支路的电流均等于
Figure BDA0002640745870000051
P5的输出电流可以根据电流镜比例设计，产生正比于Vslope的电流Islope.结合图1，该模块产生的斜坡电压Islope*R9，该电压叠加于CS脚上。
本发明提出的电流模式BOOST转换器，具有宽的输入电压，易于降低输出纹波，消除了次谐波振荡，环路稳定性便于调节。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (6)

1.一种电流模式控制的BOOST转换器，其特征在于，所述转换器包括控制IC以及***电路。
2.根据权利要求1所述的电流模式控制的BOOST转换器，其特征在于，所述***电路包括：VIN为***的输入电压；VOUT为***的输出电压；L1为电感；D1为续流二极管；C0为输出滤波电容；N1功率开关管；C1为IC的VCC脚外挂电容；R1为一电阻，连接IC的RT管脚，用于控制***工作频率；R2、C2、C3为IC的FB脚和COMP脚补偿网络，对***的稳定性起到决定作用；R3为电流采样电阻；R4、R5构成输出电压的采样网络，其比例决定了输出电压的高低。
3.根据权利要求2所述的电流模式控制的BOOST转换器，其特征在于，控制IC包括：Regulator模块，OSC为振荡器模块，Reference模块，Slope为斜坡补偿模块，MaxDuty为最大占空比模块，AMP为一运放，比较器CMP1，比较器CMP2以及Logic模块，其中VIN脚通过Regulator产生VCC电压；VCC通过Reference模块产生各基准电压；OSC的输入端为RT，输出端分两路，一路输出至RS触发器的S端，另一路输出分别送至Slope和MaxDuty，AMP的正输入端为1.25V基准，负输入端为FB脚，输出端为COMP脚，COMP通过电阻R6连接5V内部电源，COMP端经过1.25V降压后，连接电阻R7，电阻R7的另一端连接电阻R8和比较器CMP1的负输入端，电阻R8另一端接地，比较器CMP1的正输入端连接Slope的输出，比较器CMP1输出至Logic模块，比较器CMP2的正输入端为0.5V基准电压，CMP2的负输入端连接Slope的输出，同时Slope的输出连接电阻R9，电阻R9的另一端接CS脚，比较器CMP2输出至Logic模块，MaxDuty输出至Logic模块，Logic的输出送至RS触发器的R端，RS触发器的输出送至Driver模块，Driver的输出为OUT脚。
4.根据权利要求3所述的电流模式控制的BOOST转换器，其特征在于，所述Regulator为电源供电模块，通过高压电源VIN产生了IC内部的中压电源VCC，中压电源VCC主要用于产生IC内部的电压5V电源，以及为驱动模块提供电源；Reference模块产生内部低压5V电源及1.25V、0.5V的基准电压；OSC为振荡器模块，由RT脚的外挂电阻方便调节振荡器频率，振荡器模块产生时钟信号以及锯齿波信号，时钟信号送至RS触发器，用于控制每个周期的导通，锯齿波信号分别送至斜坡补偿模块Slope及最大占空比模块MaxDuty；Slope为斜坡补偿模块，将锯齿波的电压信号转换为锯齿波的电流，该锯齿波电流流过电阻R9产生一斜坡电压，并叠加在CS管脚上；MaxDuty为最大占空比模块，由于IC内集成了斜坡补偿功能，最大占空比通常可以设置在80％以上，如若CMP1和CMP2都不翻转的情况下，由MaxDuty模块控制开关周期的强制关断；AMP为一运放，正输入端接1.25V基准电压，负输入端接FB脚，输出端接COMP脚，该运放配合外部的C2、R2、C3补偿网络，用于检测输出电压，并调节***稳定性；运放的输出经过1.25V降压，再由R7、R8分压后，送至比较器CMP1的负输入端，比较器CMP1的正输入端接CS脚叠加斜坡补偿后的电压；CMP2比较器功能为过流保护，当CS脚检测电流过大，且叠加斜坡补偿后的电压超过0.5V，则CMP2翻转，并控制输出关断；Logic模块主要处理三路分别来自MaxDuty、CMP1、CMP2的信号，决定由那一路信号控制输出关断；RS触发器为逻辑上控制输出导通或关断；Driver为驱动模块。
5.根据权利要求4所述的电流模式控制的BOOST转换器，其特征在于，所述Regulator为电源供电模块包括，VIN、VCC为IC的两个管脚，R1为限流电阻，D1为钳位二极管，N1为高压增强型NMOS，C1为VCC外挂电容，中压电源VCC可表示为：VCC＝VD1-VGS，VCC如需要增大，D1的钳位二极管可串联增加。
6.根据权利要求3或4所述的电流模式控制的BOOST转换器，其特征在于，所述斜坡补偿模块(Slope)的输入信号为来自振荡器OSC产生锯齿波信号，输出信号为斜坡电流Islope，P3、P4和N1、N2强制了两路的对称性，则N1、N2的Vgs相等，由于N1、N2的共Gate，所有N1、N2的Source电压相等，对于P1、P2，同样由于对称性，Vsg相等，P1、P2的Source电压相等，则P1、P2的Gate电压相等，由于P2的Gate电压等于电阻R1电压，则P1的Gate电压等于电阻R1电压；所以电流镜两条支路的电流均等于
Figure FDA0002640745860000021
P5的输出电流可以根据电流镜比例设计，产生正比于Vslope的电流Islope.，该模块产生的斜坡电压Islope*R9，该电压叠加于CS脚上。
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CN113791665A (zh) * 2021-09-22 2021-12-14 苏州锴威特半导体股份有限公司 一种功率因数矫正装置及控制芯片
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