CN112865530A - 一种具有快速动态响应的Buck变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有快速动态响应的Buck变换器，一种具有快速动态响应的Buck变换器，包括功率级电路、反馈电路和控制环路；所述反馈电路用于采样变换器的输出电压值并送入控制环路进行处理；控制环路根据采样的输出电压值大小产生相应占空比的脉冲信号；所述功率级电路根据控制环路输出的脉冲信号产生输出电压。本发明在传统COT基础上增加了补偿模块，并同时对Ton模块做了一定的改进，提升了Buck变换器的工作性能。

Description

一种具有快速动态响应的Buck变换器
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，具体为一种具有快速动态响应的Buck变换器电路。
背景技术
物联网(IOT)的发展对电源管理单元提出了更高的性能。由于使用了小容量电池，因此电源芯片的轻载效率对IOT器件显得尤其重要。因为恒定导通时间(Constant onTime,COT)控制具有快速瞬态响应和瞬态电压变化小的优点，在轻载或者空载情况下可自动减少工作频率，提高了轻载效率。所以COT控制模式可以很好的满足IOT器件的需求。
但是，恒定导通时间控制在负载突变时仍然有一些限制。当负载上升时，电感器电流的增加受到恒定导通时间(Ton)和***最小关断时间的限制，最终会产生输出下冲。另一方面，在负载下降的情况下，如果在Ton的初始发生负载变化，电感器电流将一直增加直到固定导通时间结束，因此在输出端产生过冲。这都会使得转换器的响应速度降低。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种具有快速动态响应的Buck变换器电路。
实现本发明目的的技术方案为：一种具有快速动态响应的Buck变换器，包括功率级电路、反馈电路和控制环路；所述反馈电路用于采样变换器的输出电压值并送入控制环路进行处理；控制环路根据采样的输出电压值大小产生相应占空比的脉冲信号；所述功率级电路根据控制环路输出的脉冲信号产生输出电压。
优选地，所述功率级电路包括第一开关S1、第二开关S2、功率电感L、输出电容Co、输出电容的寄生电阻Resr、负载电阻RL、第一NMOS管MZ，所述第一开关S1的一端连接输入电压，另一端连接第二开关S2的一端、第一NMOS管MZ的漏级和功率电感的一端，所述第二开关S2的另一端接地；所述第一NMOS管MZ的源级与所述功率电感L的另一端相连，所述功率电感L的另一端作为输出端，并通过负载电阻RL接地，所述输出电容的寄生电阻Resr一端连接到输出端，另一端通过输出电容Co接地。
优选地，所述反馈电路包括第一分压电阻RFB1、第二分压电阻RFB2，所述第一电阻RFB1的一端连接功率级电路的输出端，另一端与第二电阻RFB2的一端相连，并输出采样电压Vfb；所述第二电阻RFB2的另一端接地。
优选地，所述控制环路包括过零比较模块ZCD、电流检测模块Ri、基准电压Vref、逻辑模块LOGIC、驱动模块Driver、第一比较器CMP1、第一误差放大器EA1、导通时间产生模块、补偿模块，所述过零比较模块ZCD用于检测电感是否过零并向逻辑模块LOGIC输出控制信号Vzcd，所述第一误差放大器EA1用于根据采样电压Vfb与基准电压Vref的差值输出误差电压Vc进入第一比较器CMP1，同时输出误差电流Ic进入导通时间产生模块，所述第一比较器CMP1用于将电流检测模块Ri的输出信号与误差电压Vc相比较并向逻辑模块LOGIC输出控制信号Vcmp，所述补偿模块用于产生补偿电压Vsum，所述导通时间产生模块用于根据补偿电压Vsum与误差电流Ic的大小产生导通时间Vton，所述逻辑模块LOGIC用于综合控制信号Vton、Vcmp与Vzcd并输出控制信号D，所述控制信号D通过驱动模块Driver连接到第一开关S1与第二开关S2。
优选地，所述导通时间产生模块包括第二比较器CMP2、第一电容C1、第三开关S3、加法器、电流源Ivin，所述加法器的输入端分别与电流源Ivin与误差放大器的输出端相连接，所述加法器的输出端通过第一电容C1与第三开关管S3接地，所述第二比较器CMP2的输入端分别与第一电容C1和第三误差放大器EA3的输出端相连，所述第二比较器CMP2输出端连接到逻辑模块LOGIC。
优选地，所述补偿模块包括第二误差放大器EA2、第三误差放大器EA3、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4，所述第二误差放大器EA2的输出端VEA通过第二电容C2和第三电阻R3与第四电阻R4的一端相连，同时通过通过第二电容C2和第三电阻R3连接到第三误差放大器EA3的同相输入端，所述第三误差放大器EA3的反相输入端与第一电阻R1的一端相连，所述第三误差放大器EA3的输出端通过第二电阻R2连接到第一电阻R1的一端，所述第一电阻R1的另一端接地。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：当负载突变时，本发明可自适应改变功率管导通时间，使得***的负载响应速度更快，同时减少了负载突变时输出电压的过冲或下冲。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明负载电流上升的瞬态响应示意图。
图3为本发明负载电流下降的瞬态响应示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种具有快速动态响应的Buck变换器，包括功率级电路、反馈电路和控制环路；所述反馈电路用于采样变换器的输出电压值并送入控制环路进行处理；控制环路根据采样的输出电压值大小产生相应占空比的脉冲信号；所述功率级电路根据控制环路输出的脉冲信号产生输出电压。
进一步的实施例中，所述功率级电路包括第一开关S1、第二开关S2、功率电感L、输出电容Co、输出电容的寄生电阻Resr、负载电阻RL、第一NMOS管MZ，所述第一开关S1的一端连接输入电压，另一端连接第二开关S2的一端、第一NMOS管MZ的漏级和功率电感的一端，所述第二开关S2的另一端接地；所述第一NMOS管MZ的源级与所述功率电感L的另一端相连，所述功率电感L的另一端作为输出端，并通过负载电阻RL接地，所述输出电容的寄生电阻Resr一端连接到输出端，另一端通过输出电容Co接地。
进一步的实施例中，所述反馈电路包括第一分压电阻RFB1、第二分压电阻RFB2，所述第一电阻RFB1的一端连接功率级电路的输出端，另一端与第二电阻RFB2的一端相连，并输出采样电压Vfb；所述第二电阻RFB2的另一端接地。
进一步的实施例中，所述控制环路包括过零比较模块ZCD、电流检测模块Ri、基准电压Vref、逻辑模块LOGIC、驱动模块Driver、第一比较器CMP1、第一误差放大器EA1、导通时间产生模块、补偿模块，所述过零比较模块ZCD用于检测电感是否过零并向逻辑模块LOGIC输出控制信号Vzcd，所述第一误差放大器EA1用于根据采样电压Vfb与基准电压Vref的差值输出误差电压Vc进入第一比较器CMP1，同时输出误差电流Ic进入导通时间产生模块，所述第一比较器CMP1用于将电流检测模块Ri的输出信号与误差电压Vc相比较并向逻辑模块LOGIC输出控制信号Vcmp，所述补偿模块用于产生补偿电压Vsum，所述导通时间产生模块用于根据补偿电压Vsum与误差电流Ic的大小产生导通时间Vton，所述逻辑模块LOGIC用于综合控制信号Vton、Vcmp与Vzcd并输出控制信号D，所述控制信号D通过驱动模块Driver连接到第一开关S1与第二开关S2。
进一步的实施例中，所述导通时间产生模块包括第二比较器CMP2、第一电容C1、第三开关S3、加法器、电流源Ivin，所述加法器的输入端分别与电流源Ivin与误差放大器的输出端相连接，所述加法器的输出端通过第一电容C1与第三开关管S3接地，所述第二比较器CMP2的输入端分别与第一电容C1和第三误差放大器EA3的输出端相连，所述第二比较器CMP2输出端连接到逻辑模块LOGIC。
进一步的实施例中，所述补偿模块包括第二误差放大器EA2、第三误差放大器EA3、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4，所述第二误差放大器EA2的输出端VEA通过第二电容C2和第三电阻R3与第四电阻R4的一端相连，同时通过通过第二电容C2和第三电阻R3连接到第三误差放大器EA3的同相输入端，所述第三误差放大器EA3的反相输入端与第一电阻R1的一端相连，所述第三误差放大器EA3的输出端通过第二电阻R2连接到第一电阻R1的一端，所述第一电阻R1的另一端接地
本发明使用电流检测模块Ri对电感电流进行采样，输出的电压信号包含了电感电流iL信息，输出信号为电压量(电感电流iL*等效采样电阻Ri)；第一误差放大器EA1不仅可以输出误差电压VC，还可以输出误差电流IC，并且误差电流IC在电路稳态时近似为0。第一比较器CMP1将电流检测模块的输出电压iL*Ri与第一误差放大器的输出电压VC进行比较，在最小关断时间模块的作用下输出控制信号Vcmp。图中的第一NMOS管Mz用作防振铃开关，以避免在节点SW处发生大的振铃和开关噪声，其控制信号由过零比较模块ZCD产生。
在图1所示的补偿模块中，误差放大器EA2将Vfb与Vref的差值放大，输出电压VEA；第二电容C2将VEA中的直流信号滤掉，只保留交流信息VEA,ac，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第三误差放大器EA3构成加法器，将交流信息VEA,ac与反馈模块输出的反馈电压Vfb进行求和，最终输出求和电压Vsum。
在图1所示的Ton产生器中，电流源中的电流Ivin与输入电压成正比，第一电容C1的充电电流是Ivin与IC之和。第二比较器CMP2将第一电容C1的电压值Vramp与求和电压Vsum进行比较，输出控制信号Vton。若第一电容C1的电压Vramp与求和电压Vsum相等时，第二比较器CMP2的输出翻转，经过逻辑电路产生控制信号，同时第一电容C1的电荷将会通过开关泄放到地，使得第一电容C1的电压Vramp等于0，等待下一个周期的开始。
逻辑模块LOGIC通过综合第一比较器的输出信号Vcmp，第二比较器的输出信号Vton，过零比较模块的输出信号Vzcd等信号，最终通过驱动模块产生第一开关S1与第二开关S2的控制信号，使得转换器稳定输出所设定的电压值。
为了提高瞬态响应速度，本发明加入了具有双输出的误差放大器EA1与加法器模块。第一误差放大器EA1的输出电流IC与参考电压Vref和反馈电压Vfb之间的电压差成正比，即
IC＝gm(Vref-Vfb)
其中gm为误差放大器的跨导。
加法器的输出电流Ion可以表示为
Ion＝Ivin-IC
如果第二比较器的参考电压V为固定值，那么我们可得导通时间为
Figure BDA0002894478350000051
但在一般的COT结构中，比较器的参考电压V在负载突变时并不是固定值，而是会产生过冲或者下冲，这影响了***的瞬态响应速度。因此，论文提出了图1所示的补偿电路。
假设第三误差放大器EA3的正向输入端电压为up，根据加法器的叠加原理，可得到下式
Figure BDA0002894478350000052
根据同向求和运算电路的原理，可得输出电压：
Figure BDA0002894478350000061
因为Vfb近似为常量，上式可进一步简化为
Figure BDA0002894478350000062
因为VEA包含高频交流分量，则上式可进一步简化为
Figure BDA0002894478350000063
最终可得到
Figure BDA0002894478350000064
当电路处于稳态时，IC约为零，VEA,ac也约为零，则上式可表示为
Figure BDA0002894478350000065
从式1可以看出，当电路处于稳态时，转换器工作在伪恒频状态下。
如图2所示，当负载电流瞬间增加时，Buck变换器的输出电压产生下冲，则参考电压Vref与反馈电压Vfb之间的电压差增加，第二误差放大器EA2的输出电压VEA产生过冲，则第三误差放大器的输出电压Vsum随之增加。调节第二电容C2、第三电阻R3、第四电阻R4的具体参数可以调节补偿量的大小。同时，输出电压产生下冲时，第一误差放大器EA1输出的误差电流IEA不再为0，而是产生一个正向导通电流。这使得为第一电容C1充电的电流变小，导通时间变长。如图所示，当负载升高时，第一电容上的锯齿波信号Vramp的斜率降低，第二比较器CMP2的翻转阈值Vsum升高，这使得导通时间Ton变得更长。
如图3所示，当负载电流发生下阶跃时，Buck变换器的输出电压产生上冲，则参考电压Vref与反馈电压Vfb之间的电压差反向增加，最终第三误差放大器的输出电压Vsum减小。同时，EA1输出反向导通的电流，电容C的充电电流变大，导通时间变短。控制误差放大器的跨导值gm可以有效地控制Ton在瞬态响应时的调节能力。如图所示，当负载下降时，第一电容上的锯齿波信号Vramp的斜率增大，同时，第二比较器CMP2的翻转阈值Vsum降低，这使得导通时间Ton变短。可以看出当负载下降时，本发明所提出的AOT控制及时减小了导通时间Ton，从而抑制了输出电压过冲，并且减小了响应时间。当占空比较大时，AOT控制的优势更加明显。
综上，本发明在传统COT基础上增加了补偿模块，并同时对Ton模块做了一定的改进，提升了Buck变换器的工作性能。当负载突变时，***可以自适应改变第一电容C1的充电电流大小，同时，补偿电路可以改变第二比较器的翻转电压，最终可产生自适应的导通时间，加快负载变化时的响应速度且减小了输出电压Vout的下冲或上冲。

Claims (6)

1.一种具有快速动态响应的Buck变换器，其特征在于，包括功率级电路、反馈电路和控制环路；所述反馈电路用于采样变换器的输出电压值并送入控制环路进行处理；控制环路根据采样的输出电压值大小产生相应占空比的脉冲信号；所述功率级电路根据控制环路输出的脉冲信号产生输出电压。
2.根据权利要求1所述的具有快速动态响应的Buck变换器，其特征在于，所述功率级电路包括第一开关S1、第二开关S2、功率电感L、输出电容Co、输出电容的寄生电阻Resr、负载电阻RL、第一NMOS管MZ，所述第一开关S1的一端连接输入电压，另一端连接第二开关S2的一端、第一NMOS管MZ的漏级和功率电感的一端，所述第二开关S2的另一端接地；所述第一NMOS管MZ的源级与所述功率电感L的另一端相连，所述功率电感L的另一端作为输出端，并通过负载电阻RL接地，所述输出电容的寄生电阻Resr一端连接到输出端，另一端通过输出电容Co接地。
3.根据权利要求1所述的具有快速动态响应的Buck变换器，其特征在于，所述反馈电路包括第一分压电阻RFB1、第二分压电阻RFB2，所述第一电阻RFB1的一端连接功率级电路的输出端，另一端与第二电阻RFB2的一端相连，并输出采样电压Vfb；所述第二电阻RFB2的另一端接地。
4.根据权利要求1所述的具有快速动态响应的Buck变换器，其特征在于，所述控制环路包括过零比较模块ZCD、电流检测模块Ri、基准电压Vref、逻辑模块LOGIC、驱动模块Driver、第一比较器CMP1、第一误差放大器EA1、导通时间产生模块、补偿模块，所述过零比较模块ZCD用于检测电感是否过零并向逻辑模块LOGIC输出控制信号Vzcd，所述第一误差放大器EA1用于根据采样电压Vfb与基准电压Vref的差值输出误差电压Vc进入第一比较器CMP1，同时输出误差电流Ic进入导通时间产生模块，所述第一比较器CMP1用于将电流检测模块Ri的输出信号与误差电压Vc相比较并向逻辑模块LOGIC输出控制信号Vcmp，所述补偿模块用于产生补偿电压Vsum，所述导通时间产生模块用于根据补偿电压Vsum与误差电流Ic的大小产生导通时间Vton，所述逻辑模块LOGIC用于综合控制信号Vton、Vcmp与Vzcd并输出控制信号D，所述控制信号D通过驱动模块Driver连接到第一开关S1与第二开关S2。
5.根据权利要求4所述的具有快速动态响应的Buck变换器，其特征在于，所述导通时间产生模块包括第二比较器CMP2、第一电容C1、第三开关S3、加法器、电流源Ivin，所述加法器的输入端分别与电流源Ivin与误差放大器的输出端相连接，所述加法器的输出端通过第一电容C1与第三开关管S3接地，所述第二比较器CMP2的输入端分别与第一电容C1和第三误差放大器EA3的输出端相连，所述第二比较器CMP2输出端连接到逻辑模块LOGIC。
6.根据权利要求4所述的具有快速动态响应的Buck变换器，其特征在于，所述补偿模块包括第二误差放大器EA2、第三误差放大器EA3、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4，所述第二误差放大器EA2的输出端VEA通过第二电容C2和第三电阻R3与第四电阻R4的一端相连，同时通过通过第二电容C2和第三电阻R3连接到第三误差放大器EA3的同相输入端，所述第三误差放大器EA3的反相输入端与第一电阻R1的一端相连，所述第三误差放大器EA3的输出端通过第二电阻R2连接到第一电阻R1的一端，所述第一电阻R1的另一端接地。
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