CN113517809B - 一种快速升压电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种快速升压电路及其控制方法，属于电源管理领域。升压电路及其控制方法中，在电路启动时，通过上电形成振荡回路，在空载情况下，半个周期后可使输出电压Vo高达2倍的输入电压VIN，电感电流IL经过1/4个周期即可达到较大值，因此可快速对输出电容进行充电，使输出电压快速达到设定电压值，该方式逻辑清晰，控制简单便于实现。本设计提供的上电控制方法可使迟滞电流型升压电路在上电自启动过程中无需振荡模块。

Description

一种快速升压电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电源管理技术领域，特别涉及一种快速升压电路及其控制方法。
背景技术
进入21世纪以来，随着科技的高速发展，集成电路作为21世纪最伟大的发明，其应用覆盖人类生活中的方方面面。作为集成电路的重要组成之一，开关电源技术得到了飞速的发展。开关电源转换器由于其具有转换效率高、响应速度快、损耗低、体积小等优势被广泛地应用于各种便携式消费类电子产品、计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备、家用电器和可穿戴智能电子设备中。随着传统电能变换技术向节能变换技术的转变，全球绿色化浪潮对电源产业提出的要求，也是电源产业追求的目标。电源是各种电子设备必不可少的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个***的安全性和可靠性指标。
典型的升压电路，因为上电过程中输入电压是逐渐上升，因此启动过程时，PWM的占空比D的变化过程为：由大变小最终稳定。初始时占空比D接近最大值Dmax(Dmax<1)，Dmax一般为接近1。Dmax使得电感上的储能增多，但由于关断时间非常短，因此电感放能的时间不够。虽然可以通过增大PWM的周期来增大电感放能的时间，但是低频所引起的损失更大，如纹波、电路体积、器件耐压值的增大。如果带载上电，则输出电压上升更加缓慢。因此本发明的主要目的在升压电路启动时，使其输出电压快速达到设定值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种升压电路及其控制方法，以解决背景技术中的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种快速升压电路，包括比较器A1、NMOS管MN1、PMOS管MP1、D触发器D1和D2、电源VIN、电感L1、contrl模块：
所述电源VIN的第一端与电感L1相连接，第二端接地；
所述电感L1的第二端与NMOS管MN1的漏极以及PMOS管MP1的漏极连接；
所述NMOS管MN1的源极与地连接，栅极连接与门G1的输出端；
所述PMOS管MP1的源极连接输出电容Co、负载RL以及电阻R1，栅极连接与门G2的输出端；电阻R1通过电阻R2接地；
所述contrl模块的输入端in1连接电阻R1与R2之间的分压信号FB，输入端in2为电感L1的电感电流IL的感应信号，输出端out0分别与D触发器D1和D2的复位端rst连接，输出端out1与与门G1输入端连接，输出端out2与与门G2输入端连接，输出端out3与D触发器D1的时钟信号CK连接；contrl模块根据输出电压分压信号FB以及电感电流IL感应信号于输出端out1输出占空比信号dn，于输出端out2输出占空比信号dp，并且当电感电流IL为零时于输出端out3输出高脉冲的信号IS；
所述D触发器D1的时钟信号CK与contrl模块的输出端out3连接，数据输入信号D端与地连接，输出端Q与比较器A1的使能端EN连接；当EN为低电平时，比较器A1输出高电平；
所述D触发器D2的时钟信号CK与比较器A1输出端连接，数据输入信号D端与电源VIN连接，输出端Q分别与与门G1，G2的输入端连接；
所述比较器A1反向输入端与电源VIN连接，同向输入端与b倍的输出电压Vo连接，输出端与D触发器D2的时钟信号CK连接；
所述输出电容Co的一端与PMOS管MP1的源极、负载RL以及电阻R1连接，另一端与地连接；所述负载RL的一端与PMOS管MP1的源极、输出电容Co以及电阻R1连接，另一端与地连接；
所述电阻R1的一端与PMOS管MP1的源极、负载RL以及输出电容Co连接，另一端与电阻R2以及contrl模块输入端in1连接。
可选的，所述PMOS管MP1的源极和漏极之间连接有二极管D，所述二极管D为所述PMOS管MP1的寄生二极管。
本发明还提供了一种快速升压电路的控制方法，包括如下步骤：
步骤1、电路上电启动，上电复位，PMOS管MP1与NMOS管MN1都关断，电源VIN与电感L1、二极管D、输出电容Co以及负载RL构成振荡回路；
步骤2、电源VIN上电后，b倍的输出电压b×VO小于电源VIN的电压VIN，比较器A1输出vc为低电平，通过门组合电路得到dn与dp都为低电平，则NMOS管MN1处于关断状态，而PMOS管MP1处于导通状态；
步骤3、当NMOS管MN1处于关断状态，PMOS管MP1处于导通状态，电压VIN与电感L1、MP1、输出电容Co以及负载构成振荡回路；
步骤4、由于输出电容Co的存在，输出电压从零开始上升，上电时，SW为低电平，因此电感L1两端的电压在上电时等于VIN，随着输出电压Vo的增大，电感L1两端的电压减小到零；其中SW为电感L1、NMOS管MN1的漏极、PMOS管MP1的漏极三端的连接点；
步骤5、电感L1两端的电压始终为正电压，因此流经电感L1的电流一直在增大；当电感L1两端的电压为负时，电感L1的电流开始降低，即输出电压大于输入电压，电感电流开始下降；
步骤6、随着输出电压Vo的增加，当b×Vo大于VIN时，比较器A1的输出vc跳变为高电平，D触发器D2出现有效时钟信号，由于D触发器D2的数据输入信号D端为固定高电平，D触发器D2的输出端Q锁存为高电平，电路退出振荡模式，电路进入传统工作模式。
在本发明提供的升压电路及其控制方法中，在电路启动时，通过上电形成振荡回路，在空载情况下，半个周期后可使输出电压Vo高达2倍的输入电压VIN，电感电流IL经过1/4个周期即可达到较大值，因此可快速对输出电容进行充电，使输出电压快速达到设定电压值，该方式逻辑清晰，控制简单便于实现。本设计提供的上电控制方法可使迟滞电流型升压电路在上电自启动过程中无需振荡模块。
附图说明
图1是本发明提供的快速升压电路的结构示意图；
图2是本发明提供的升压电路上电时的工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种升压电路及其控制方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本发明提供了一种快速升压电路，其结构如图1所示，包括比较器A1、NMOS管MN1、PMOS管MP1、D触发器D1和D2、电源VIN、电感L1、contrl模块：所述电源VIN的第一端与电感L1相连接，第二端接地；所述电感L1的第二端与NMOS管MN1的漏极以及PMOS管MP1的漏极连接；所述NMOS管MN1的源极与地连接，栅极连接与门G1的输出端；所述PMOS管MP1的源极连接输出电容Co、负载RL以及电阻R1，栅极连接与门G2的输出端；电阻R1通过电阻R2接地；所述contrl模块的输入端in1连接电阻R1与R2之间的分压信号FB，输入端in2为电感L1的电感电流IL的感应信号，输出端out0分别与D触发器D1和D2的复位端rst连接，输出端out1与与门G1输入端连接，输出端out2与与门G2输入端连接，输出端out3与D触发器D1的时钟信号CK连接；contrl模块根据输出电压分压信号FB以及电感电流IL感应信号于输出端out1输出占空比信号dn，于输出端out2输出占空比信号dp，并且当电感电流IL为零时于输出端out3输出高脉冲的信号IS；所述D触发器D1的时钟信号CK与contrl模块的输出端out3连接，数据输入信号D端与地连接，输出端Q与比较器A1的使能端EN连接；当EN为低电平时，比较器A1输出高电平；所述D触发器D2的时钟信号CK与比较器A1输出端连接，数据输入信号D端与电源VIN连接，输出端Q分别与与门G1，G2的输入端连接；所述比较器A1反向输入端与电源VIN连接，同向输入端与b倍的输出电压Vo连接，输出端与D触发器D2的时钟信号CK连接。
所述输出电容Co的一端与PMOS管MP1的源极、负载RL以及电阻R1连接，另一端与地连接；所述负载RL的一端与PMOS管MP1的源极、输出电容Co以及电阻R1连接，另一端与地连接；所述电阻R1的一端与PMOS管MP1的源极、负载RL以及输出电容Co连接，另一端与电阻R2以及contrl模块输入端in1连接。
所述与门G1的输入端与所述contrl模块的输出端out1连接，另一输入端与D触发器D2的输出端Q连接，输出端与NMOS管MN1的栅极连接；所述与门G2输入端与contrl模块的输出端out2连接，另一输入端与D触发器D2的输出端Q连接，输出端与PMOS管MP1的栅极连接。
所述PMOS管MP1的源极和漏极之间连接有二极管D，所述二极管D为所述PMOS管MP1的寄生二极管。
实施例二
本发明还提供了一种快速升压电路的控制方法，其流程如图2所示，注意文中的正方向为从左到右，从上到下。包括如下步骤：
步骤1、电路上电启动，电路上电复位，PMOS管MP1与NMOS管MN1都关断，电压VIN与电感L1、与二极管D、输出电容Co以及负载构成振荡回路；
步骤2、电源VIN上电后，因为b倍的输出电压b×VO小于输入电压VIN，比较器A1输出vc为低电平，通过门组合电路得到dn与dp都为低电平，则NMOS管MN1处于关断状态，而PMOS管MP1处于导通状态；
步骤3、当NMOS管MN1处于关断状态，PMOS管MP1处于导通状态，电压VIN与电感L1、PMOS管MP1、输出电容Co以及负载构成振荡回路；
步骤4、由于输出电容Co的存在，输出电压从零开始逐渐上升，上电时，SW近似为低电平(MP1为理想模型)，因此电感L1两端的电压在上电时等于电压VIN，随着输出电压Vo的增大，电感L1两端的电压逐渐减小到零；其中SW为电感L1、NMOS管MN1的漏极、PMOS管MP1的漏极三端的连接点；
步骤5、在上述过程中，电感L1两端的电压始终为正电压，因此流经电感L1的电流一直在增大；当电感L1两端的电压为负时，电感L1的电流才开始降低，即输出电压大于输入电压，电感电流开始下降；
步骤6、随着输出电压Vo的增加，当b×Vo大于电压VIN时，比较器A1输出vc跳变为高电平，D触发器D2出现有效时钟信号，由于D触发D2的数据输入信号D端为固定高电平，D触发D2的输出Q锁存为高电平，电路退出振荡模式，此时dp与dn的状态由传统的控制方式决定，电路进入传统工作模式；
步骤7、由于振荡输出电压的最大值不仅与电感电容有关，还与负载密切相关，负载RL变化时可能出现b设计不合理的现象，则导致上电过程中vc不会出现跳变为高电平的情况。为了解决这类问题，进行了以下设计，通过利用传统控制方式中的电流反向检测模块中的产生的IS信号，当电感电流为零时，IS输出一个高脉冲，同时该信号为触发器D1的时钟信号，因此当触发器D1出现有效脉冲信号，其输出端Q1锁存为低，D触发器D1输出信号Q1控制着比较器A1的使能端EN，当EN为低电平时，比较器A1输出vc翻转为高，当vc出现高脉冲时，D触发器D2输出端Q2也为高，同时锁存该状态，电路进入传统工作模式。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (2)

1.一种快速升压电路，其特征在于，包括比较器A1、NMOS管MN1、PMOS管MP1、D触发器D1和D2、电源VIN、电感L1、contrl模块：
所述电源VIN的第一端与电感L1相连接，第二端接地；
所述电感L1的第二端与NMOS管MN1的漏极以及PMOS管MP1的漏极连接；
所述NMOS管MN1的源极与地连接，栅极连接与门G1的输出端；
所述PMOS管MP1的源极连接输出电容Co、负载RL以及电阻R1，栅极连接与门G2的输出端；电阻R1通过电阻R2接地；
所述contrl模块的输入端in1连接电阻R1与R2之间的分压信号FB，输入端in2为电感L1的电感电流IL的感应信号，输出端out0分别与D触发器D1和D2的复位端rst连接，输出端out1与与门G1输入端连接，输出端out2与与门G2输入端连接，输出端out3与D触发器D1的时钟信号CK连接；contrl模块根据输出电压分压信号FB以及电感电流IL感应信号于输出端out1输出占空比信号dn，于输出端out2输出占空比信号dp，并且当电感电流IL为零时于输出端out3输出高脉冲的信号IS；
所述D触发器D1的时钟信号CK与contrl模块的输出端out3连接，数据输入信号D端与地连接，输出端Q与比较器A1的使能端EN连接；当EN为低电平时，比较器A1输出高电平；
所述D触发器D2的时钟信号CK与比较器A1输出端连接，数据输入信号D端与电源VIN连接，输出端Q分别与与门G1，G2的输入端连接；
所述比较器A1反向输入端与电源VIN连接，同向输入端与b倍的输出电压Vo连接，输出端与D触发器D2的时钟信号CK连接；
所述输出电容Co的一端与PMOS管MP1的源极、负载RL以及电阻R1连接，另一端与地连接；所述负载RL的一端与PMOS管MP1的源极、输出电容Co以及电阻R1连接，另一端与地连接；
所述电阻R1的一端与PMOS管MP1的源极、负载RL以及输出电容Co连接，另一端与电阻R2以及contrl模块输入端in1连接；
所述PMOS管MP1的源极和漏极之间连接有二极管D，所述二极管D为所述PMOS管MP1的寄生二极管。
2.一种基于权利要求1所述的快速升压电路的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、电路上电启动，上电复位，PMOS管MP1与NMOS管MN1都关断，电源VIN与电感L1、二极管D、输出电容Co以及负载RL构成振荡回路；
步骤2、电源VIN上电后，b倍的输出电压b×VO小于电源VIN的电压VIN，比较器A1输出vc为低电平，通过门组合电路得到dn与dp都为低电平，则NMOS管MN1处于关断状态，而PMOS管MP1处于导通状态；
步骤3、当NMOS管MN1处于关断状态，PMOS管MP1处于导通状态，电压VIN与电感L1、MP1、输出电容Co以及负载构成振荡回路；
步骤4、由于输出电容Co的存在，输出电压从零开始上升，上电时，SW为低电平，因此电感L1两端的电压在上电时等于VIN，随着输出电压Vo的增大，电感L1两端的电压减小到零；其中SW为电感L1、NMOS管MN1的漏极、PMOS管MP1的漏极三端的连接点；
步骤5、电感L1两端的电压始终为正电压，因此流经电感L1的电流一直在增大；当电感L1两端的电压为负时，电感L1的电流开始降低，即输出电压大于输入电压，电感电流开始下降；
步骤6、随着输出电压Vo的增加，当b×Vo大于VIN时，比较器A1的输出vc跳变为高电平，D触发器D2出现有效时钟信号，由于D触发器D2的数据输入信号D端为固定高电平，D触发器D2的输出端Q锁存为高电平，电路退出振荡模式，电路进入传统工作模式。
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