CN113708608B - 一种便于实现升压转换器超低静态电流的控制器 - Google Patents

一种便于实现升压转换器超低静态电流的控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种便于实现升压转换器超低静态电流的控制器，其中，控制器包括：比较器、自适应定时器、直通控制驱动器、纹波注入模块、反馈网络和参考电压，所述比较器的正输入端耦接参考电压，该参考电压提供对温度、输入电压Vin、输出电压VOUT和负载电流不敏感的参考电压信号VREF，所述比较器的负输入端耦接纹波注入模块，且纹波注入模块包括纹波发生器和电感电流仿真器，所述比较器输出信号Vtrigger，且所述纹波注入模块输出信号Vcontrol，所述比较器的输出端耦接自适应定时器，本发明通过控制器采用恒定导通时间架构控制升压转换器重载时保持恒定的开关频率，轻载时有着超低的静态功耗。

Description

一种便于实现升压转换器超低静态电流的控制器
技术领域
本发明涉及一种电源技术领域，具体为一种便于实现升压转换器超低静态电流的控制器。
背景技术
在转换器中，为了得到精准稳定的输出电压，有很多不同的方法来控制升压转换器。目前常用的升压转换器控制设计方案包括：采用固定开关频率(PWM)的电流模式或电压模式控制环路、采用可变开关频率(PFM)的电压模式控制环路以及采用上述固定和可变开关频率混合设计控制环路，在负载电流大(重载)的时候使用固定开关频率，在负载电流小(轻载)的时候自动切换到可变开关频率；
对于采用固定开关频率的方案，升压转换器内的控制电路无法满足足够的静态电流来确保速度和带宽；对于采用可变开关频率的方案，会增大输出电压纹波，降低效率，而且增加了频域噪声；对于采用开关频率混合设计的方案，会引入更多的电路模块，又由于在不同模式下使用不同的电路设计，在对于从PWM模式到PFM模式的无缝过渡，很难实现超低静态电流；
例如，在专利US10340796B2中，在升压转换器中额外增加的ADC和电流估算器等电路模块都需要额外增加消耗静态电流的电路；对于专利CN201110076368.2中的降压设计及类似的降压设计：低静态电流同步整流降压DC-DC转换器的设计，用恒定导通时间(COT)架构控制降压转换器，该架构在降压转换器中可以实现低静态电流的效果，但是该架构不能直接应用于升压转换器，实现低静态电流的效果。
现有技术已经不能满足现阶段人们的需求，基于现状，急需对现有升压转换器实现超低静态电流效果的技术进行改革。
发明内容
本发明的目的在于提供一种便于实现升压转换器超低静态电流的控制器，以解决上述背景技术中提出的问题。
一方面本发明提供了一种控制器，包括：比较器、自适应定时器、直通控制驱动器、纹波注入模块、反馈网络和参考电压；
所述比较器的正输入端耦接参考电压，该参考电压提供对温度、输入电压Vin、输出电压VOUT和负载电流不敏感的参考电压信号VREF，且该参考电压信号VREF加载于比较器的正输入端，且比较器输出信号Vtrigger；
优选的，所述比较器的负输入端耦接纹波注入模块，且纹波注入模块包括纹波发生器和电感电流仿真器，所述纹波注入模块输出信号Vcontrol。
优选的，所述比较器的输出端耦接自适应定时器，自适应定时器对Vtrigger的上升沿作出反应，在信号Vtrigger变高后，定时器将产生一个基于输入电压Vin和输出电压VOUT电压的脉冲OnTime。
所述自适应定时器的输出端耦接直通控制驱动器，自适应定时器通过脉冲OnTime的高低电平控制直通控制驱动器对功率器件MOS管M1和MOS管M2上的电感电流调节；
所述直通控制驱动器通过输入信号ISEN产生LowPower信号，且所述直通控制驱动器具有三路输出端；
优选的，直通控制驱动器的第一路输出端且作为控制器的一个输出端输出信号HGATE耦接MOS管M2的栅极，直通控制驱动器的第二路输出端且作为控制器的另一输出端输出信号LGATE耦接MOS管M1的栅极，直通控制驱动器的第三路输出端输出信号Rcontrol耦接纹波注入模块，输出的信号Rcontrol用于产生纹波电压；
所述反馈网络输出反馈电压FB耦接纹波注入模块；
优选的，反馈网络将输出电压VOUT依照所需比例降压为反馈电压FB，并反馈给纹波注入模块，反馈环路使得反馈电压信号FB非常接近参考电压信号VREF；
另一方面，本发明提供了另一技术方案，一种升压转换器，包括：控制器、MOS管M1、MOS管M2、电感L1、输入电容CIN和输出电容COUT；
所述控制器输出信号LGate和信号HGate分别耦接到M1的栅极端和M2的栅极端，所述电感L1的一端耦接输入电容CIN并加载有输入电压VIN，另一端耦接到MOS管M1和MOS管M2的漏极，所述MOS管M2的源极耦接输出电容COUT并加载有输出电压VOUT，电感电流在转换器内流经过程为：由于电感电流是连续的，它的电流会流向MOS管M1或MOS管M2，流经MOS管M1的电流将流向输入电容CIN的接地端，并且通过输入电容CIN将能量再返回到输入电压VIN，流经MOS管M2的电流将流向输出电容COUT并将功率能量传输到输出电压VOUT。
所述升压转换器还包括：上管电流计、下管电流计、芯片偏置电路和故障检测器；
所述上管电流计耦接MOS管M2的漏极，并输出ISEN信号的高低电平用来检测流过M2的电流量，在所述MOS管M2的漏极、MOS管M2的漏极以及电感L1的耦接点处具有一比较点SW，当电流从输出电压VOUT流向SW时，上管电流计输出ISEN信号为高电平；当电流从SW流向输出电压VOUT时，上管电流计输出ISEN信号为低电平；
所述下管电流计耦接MOS管M1的漏极，用来检测流过M1的电流量；
所述芯片偏置电路具有一使能信号EN，使能转换器内的电路，并为电路产生参考电流和参考电压，当输入电压VIN和使能信号EN都有效时，控制器将输出电压VOUT调节到所需的电压。
所述故障检测器用于检测转换器的电路中发生的任何异常和故障情况，包括欠压检测、过温检测和过流保护等。
有益效果：
本发明便于实现升压转换器的超低静态电流，具有良好的效率，在重载和轻载条件下均有良好的效率，良好的输出纹波，良好的瞬态响应和超低的静态电流；
当功率器件MOS管M1和MOS管M2输出重载时，LowPower信号为低电平，控制器处于PWM模式，Rcontrol信号将连续切换，纹波注入模块在反馈电压FB附近连续产生缓慢的纹波电压，当纹波注入模块启用后，所述比较器、自适应定时器和功率器件MOS管M1和MOS管M2将连续切换；
当功率器件MOS管M1和MOS管M2输出轻载时，LowPower信号连续几次为高电平后，控制器将进入PFM模式，Rcontrol信号不会切换，所述比较器输出仅在反馈电压FB低于参考电压信号VREF时变高，在信号Vtrigger变高后，将会产生OnTime脉冲，然后触发功率器件MOS管M1和MOS管M2切换；当ISEN信号指示输出小电流并且反馈电压FB高于参考电压信号VREF时，直通控制驱动器会让功率器件MOS管M1和MOS管M2处于高阻状态，升压控制器将处于空闲状态，消耗非常低的静态电流。
附图说明
图1为本发明控制器的电路结构示意图；
图2为本发明升压转换器结构示意图；
图3为本发明的升压转换器进入PFM模式时图；
图4为本发明的升压转换器退出PFM模式时图；
图5为目前市场的降压转换器电路结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1，一方面，本发明提供可选实施例一种控制器，应用于升压转换器中，实现升压转换器的低静态电流的效果，所述控制器包括：比较器、自适应定时器、直通控制驱动器、纹波注入模块、反馈网络和参考电压；
所述比较器的正输入端耦接参考电压，该参考电压提供对温度、输入电压Vin、输出电压VOUT和负载电流不敏感的参考电压信号VREF，且该参考电压信号VREF加载于比较器的正输入端，且比较器输出信号Vtrigger，所述比较器的负输入端耦接纹波注入模块，且纹波注入模块包括纹波发生器和电感电流仿真器，所述纹波注入模块输出信号Vcontrol，当信号Vcontrol低于参考电压信号VREF，比较器输出信号Vtrigger将变高，当信号Vcontrol高于参考电压信号VREF，则所述比较器输出信号Vtrigger会变低，在比较器判断信号Vcontrol与参考电压信号VREF的高低过程中，控制器始终保持超低静态电流运行。
所述比较器的输出端耦接自适应定时器，自适应定时器对Vtrigger的上升沿作出反应，在信号Vtrigger变高后，定时器将产生一个基于输入电压Vin和输出电压VOUT电压的脉冲OnTime，为了实现固定频率，自适应定时器的脉冲OnTime需要基于不同的输入电压Vin和输出电压VOUT进行调整，自适应定时器的脉冲OnTime与输入电压Vin和输出电压VOUT的关系为：
Figure BDA0003235267960000051
所述自适应定时器仅在比较器输出信号Vtrigger变高和脉冲OnTime变低时才打开。
所述自适应定时器的输出端耦接直通控制驱动器，自适应定时器通过脉冲OnTime的高低电平控制直通控制驱动器对功率器件MOS管M1和MOS管M2的电感电流调节，当OnTime为高电平时，所述直通控制驱动器将控制功率器件MOS管M1和MOS管M2以增加电感电流，当OnTime为低电平时，且所述直通控制驱动器将控制功率器件MOS管M1和MOS管M2以释放电感电流；
所述直通控制驱动器通过输入信号ISEN产生LowPower信号，且所述直通控制驱动器具有三路输出端，其中第一路输出端且作为控制器的一个输出端输出信号HGATE耦接MOS管M2的栅极，第二路输出端且作为控制器的另一输出端输出信号LGATE耦接MOS管M1的栅极，第三路输出端输出信号Rcontrol耦接纹波注入模块，输出的信号Rcontrol用于产生纹波电压，由于LowPower信号由ISEN信号产成，当功率器件MOS管M1和MOS管M2输出低电流时，ISEN表示低电平电流，LowPower信号变高，升压转换器将运行在PFM模式，直通控制驱动器消耗5nA甚至更少的超低的静态电流。
所述反馈网络输出反馈电压FB耦接纹波注入模块，反馈网络将输出电压VOUT依照所需比例降压为反馈电压FB反馈给纹波注入模块，反馈环路使得反馈电压信号FB非常接近参考电压信号VREF，纹波注入模块在反馈电压FB附近产生纹波电压，其中，当Rcontrol为高电平时，纹波电压缓慢上升，当Rcontrol为低电平时，纹波电压会缓慢下降，纹波电压被添加到反馈电压FB的节点电压上，纹波注入模块消耗5nA甚至更少的超低的静态电流。
进一步的，控制器在自适应恒定导通时间控制升压转换器在重载和轻载条件之间无缝转换过程为：
当功率器件MOS管M1和MOS管M2输出重载时，LowPower信号为低电平，控制器处于PWM模式，Rcontrol信号将连续切换，纹波注入模块在反馈电压FB附近连续产生缓慢的纹波电压，当纹波注入模块启用后，所述比较器、自适应定时器和功率器件MOS管M1和MOS管M2将连续切换。
当功率器件MOS管M1和MOS管M2输出轻载时，LowPower信号连续几次为高电平后，控制器将进入PFM模式，Rcontrol信号不会切换，所述波纹注入模块将停止产生波纹，此时，Vcontorl处的电压与反馈电压FB的电压相同，所述比较器输出仅在反馈电压FB低于参考电压信号VREF时变高，在信号Vtrigger变高后，将会产生OnTime脉冲，然后触发功率器件MOS管M1和MOS管M2切换；当ISEN信号指示输出小电流并且反馈电压FB高于参考电压信号VREF时，直通控制驱动器会让功率器件MOS管M1和MOS管M2处于高阻状态，升压控制器将处于空闲状态，消耗非常低的静态电流。
参考图2，另一方面，本发明提供了另一可选实施例，一种升压转换器，采用自适应恒定导通时间架构实现PWM模式与PFM模式的切换，实现超低静态电流的效果；
所述升压转换器包括控制器、MOS管M1、MOS管M2、电感L1、输入电容CIN和输出电容COUT；
所述控制器输出信号LGate和信号HGate分别耦接到M1的栅极端和M2的栅极端，所述电感L1的一端耦接输入电容CIN并加载有输入电压VIN，另一端耦接到MOS管M1和MOS管M2的漏极，所述MOS管M2的源极耦接输出电容COUT并加载有输出电压VOUT，电感电流在转换器内流经过程为：由于电感电流是连续的，它的电流会流向MOS管M1或MOS管M2，流经MOS管M1的电流将流向输入电容CIN的接地端，并且通过输入电容CIN将能量再返回到输入电压VIN，流经MOS管M2的电流将流向输出电容COUT并将功率能量传输到输出电压VOUT。
所述升压转换器还包括：上管电流计、下管电流计、芯片偏置电路和故障检测器；
所述上管电流计耦接MOS管M2的漏极，并输出ISEN信号的高低电平用来检测流过M2的电流量，在所述MOS管M2的漏极、MOS管M2的漏极以及电感L1的耦接点处具有一比较点SW，当电流从输出电压VOUT流向SW时，上管电流计输出ISEN信号为高电平；当电流从SW流向输出电压VOUT时，上管电流计输出ISEN信号为低电平；
所述下管电流计耦接MOS管M1的漏极，用来检测流过M1的电流量；
所述芯片偏置电路具有一使能信号EN，使能转换器内的电路，并为电路产生参考电流和参考电压，当输入电压VIN和使能信号EN都有效时，控制器将输出电压VOUT调节到所需的电压。例如：VIN为3.3V，VREF为1V，FB到VOUT的反馈网络比例为1:5，则VOUT为5V，FB将调节为1V。
所述故障检测器用于检测转换器的电路中发生的任何异常和故障情况，包括欠压检测、过温检测和过流保护等。
参考图5，图5是采用自适应恒定导通时间架构在降压变换器中实现PWM模式与PFM模式的切换，但是该技术方案仅可以用于降压转换器(Buck)，但不能用于升压转换器(Boost)，因为在降压转换器(Buck)中，SW为高时，电感电流上升；SW为低时，电感电流下降；因为SW与电感电流同步，所以SW可以直接产生纹波电压，并可以直接注入到FB。
在升压转换器(Boost)中，SW为高时，电感电流下降；SW为低时，电感电流上升；因为SW与电感电流异步，所以SW不可以直接产生纹波电压，因此本发明的纹波注入模块不但包括纹波发生器而且还设有电感电流仿真器来设计纹波注入，电感电流仿真器采集SW和Rcontrol信号并产生仿真纹波电压，当SW为低时，纹波电压上升；当SW为高时，纹波电压下降；当SW为高阻抗时，就没有纹波电压，而且纹波电压上升和下降的速度能够根据VIN和VOUT来自动调节；
进一步的，升压转换器的具体工作原理为：当升压转换器在稳定工作时，输出电压VOUT给转换器负载供电，电流(ILOAD)不断流过负载，存储在输出电容COUT中的电荷将不断减少，VOUT电压也随之下降，由于反馈信号FB和VOUT是成比例的，它会随着VOUT和Vcontrol下降而降低，当FB低于VREF电压时，比较器的输出信号Vtrigger会变高，且在Vtrigger变高后，自适应定时器产生导通脉冲OnTime，MOS管M1导通，电感L1开始存储能量，并在导通脉冲OnTime结束后，MOS管M2导通，电感L1的能量转移到输出电容COUT，同时VOUT电压也开始上升。
为了实现超低静态电流的效果，所述直通控制驱动器产生的LowPower信号分别加载到上管电流计、下管电流计、芯片偏置电路和故障检测器上，LowPower信号用于根据转换器的功率需求，选择性的将上管电流计、下管电流计、芯片偏置电路和故障检测器设为超低功率模式，降低电路的静态电流，以实现超低静态电流的效果。
参考图3所示，在重载条件下，即MOS管M2电流从SW流向VOUT，并且上管电流计ISEN的输出将始终为低电平；在轻载条件下，当ILOAD电流较低时，即MOS管M2电流从VOUT流向SW，当出现此负电流时，ISEN信号使得控制器知晓其处于轻载状态；在几个ISEN信号脉冲后，控制器知晓转换器处于低功率状态，开始运行在PFM模式；
参考图4，当MOS管M2电流没有从VOUT流向SW时，若信号ISEN没有变高，控制器将会退出PFM模式，进入PWM模式，实现PFM模式与PWM模式的切换的同时实现了超低静态电流的效果。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种升压转换器，其特征在于，包括：MOS管M1、MOS管M2、电感L1、输入电容CIN、输出电容COUT、上管电流计、下管电流计、芯片偏置电路、故障检测器以及控制器；
所述控制器输出信号 LGate 和信号HGate 分别耦接到MOS管 M1 的栅极端和 MOS管M2 的栅极端；
所述电感L1的一端耦接输入电容CIN并加载有输入电压VIN，另一端耦接到MOS管M1和MOS管M2的漏极；
所述MOS管M2的源极耦接输出电容COUT并加载有输出电压VOUT；
所述上管电流计耦接MOS管M2的漏极，并通过输出ISEN信号的高、低电平来检测流过M2的电流量；
所述下管电流计耦接MOS管M1的漏极，用来检测流过MOS管M1的电流量；
所述芯片偏置电路具有一使能信号EN，为电路产生参考电流和参考电压；
所述控制器包括：比较器、自适应定时器、直通控制驱动器、纹波注入模块、反馈网络和参考电压；
所述比较器的正输入端耦接参考电压，该参考电压提供对温度、输入电压Vin、输出电压VOUT和负载电流不敏感的参考电压信号VREF；
所述比较器的负输入端耦接纹波注入模块，且纹波注入模块包括：纹波发生器和电感电流仿真器；
所述比较器输出信号Vtrigger，且所述纹波注入模块输出信号Vcontrol；
所述比较器的输出端耦接自适应定时器，在信号Vtrigger变高后，定时器将产生一个基于输入电压Vin和输出电压VOUT电压的脉冲OnTime；
所述自适应定时器的输出端耦接直通控制驱动器，且所述直通控制驱动器具有三路输出端，其中，第一路输出端且作为控制器的一个输出端输出信号HGATE耦接到MOS管M2的栅极，第二路输出端且作为控制器的另一输出端输出信号LGATE耦接到MOS管M1的栅极，第三路输出端输出纹波电压控制信号 Rcontrol耦接到纹波注入模块，且该输出的信号Rcontrol用于产生纹波电压；
所述反馈网络输出反馈电压FB耦接到纹波注入模块，且所述反馈网络将输出电压VOUT降压为反馈电压FB反馈给纹波注入模块；
所述直通控制驱动器产生的LowPower信号分别加载到上管电流计、下管电流计、芯片偏置电路和故障检测器上，该LowPower信号用于根据转换器的功率，选择性的将上管电流计、下管电流计、芯片偏置电路和故障检测器设为超低功率模式，降低电路的静态电流，实现超低静态电流。
2.根据权利要求1所述的一种升压转换器，其特征在于：所述比较器在判断信号Vcontrol与参考电压信号VREF的高、低过程中，所述控制器始终保持超低静态电流运行；且，
当信号Vcontrol低于参考电压信号VREF时，所述比较器输出信号Vtrigger将变高，当信号Vcontrol高于参考电压信号VREF，则所述比较器输出信号Vtrigger会变低。
3.根据权利要求1所述的一种升压转换器，其特征在于：所述自适应定时器的脉冲OnTime 能够基于不同的输入电压Vin和输出电压VOUT进行调整；且，
所述自适应定时器的脉冲OnTime与输入电压Vin和输出电压VOUT的关系为：
Figure 73849DEST_PATH_IMAGE002
；其中，f为脉冲频率；
所述自适应定时器仅在比较器输出信号Vtrigger变高和脉冲OnTime 变低时才打开，用于维持超低静态功耗。
4.根据权利要求1所述的一种升压转换器，其特征在于：所述自适应定时器通过脉冲OnTime的高、低电平能够控制直通控制驱动器对功率器件MOS管M1和MOS管M2的电感电流调节；其中，
当 OnTime 为高电平时，所述直通控制驱动器将控制功率器件MOS管M1和MOS管M2以增加电感电流；
当OnTime为低电平时，且所述直通控制驱动器将控制功率器件MOS管M1和MOS管M2以释放电感电流。
5.根据权利要求1所述的一种升压转换器，其特征在于：所述直通控制驱动器通过输入信号ISEN产生LowPower信号；其中，
当功率器件MOS管M1和MOS管M2输出低电流时，上管电流计输出ISEN信号为低电平，LowPower信号变高。
6.根据权利要求1所述的一种升压转换器，其特征在于：所述纹波注入模块在反馈电压FB 附近产生纹波电压，且纹波电压被添加到反馈电压FB的节点电压上；且，
当纹波电压控制信号Rcontrol为高电平时，纹波电压缓慢上升，当纹波电压控制信号Rcontrol为低电平时，纹波电压会缓慢下降。
7.根据权利要求1所述的一种升压转换器，其特征在于：电感电流会流向所述MOS管M1或MOS管M2；其中，
流经MOS管M1的电流将流向输入电容CIN的接地端，并且通过输入电容CIN将能量再返回到输入电压VIN；
流经MOS管M2的电流将流向输出电容COUT并将功率能量传输到输出电压VOUT。
8.根据权利要求1所述的一种升压转换器，其特征在于：在所述MOS管M2的漏极、MOS管M1的漏极以及电感L1的耦接点处具有一电压比较点SW；其中，
当输出电压VOUT高于电压比较点SW处的电压时，电流从输出电压VOUT流向电压比较点SW，上管电流计输出ISEN信号为高电平；
当输出电压VOUT低于电压比较点SW处的电压时，电流从 电压比较点SW流向输出电压VOUT，上管电流计输出ISEN信号为低电平。
9.根据权利要求8所述的一种升压转换器，其特征在于：电感电流仿真器采集所述电压比较点SW处的电压信号和纹波电压控制信号Rcontrol信号并产生仿真纹波电压；电压比较点SW处的电压信号和纹波电压控制信号Rcontrol信号作比较，其中，
当电压比较点SW电压低时，纹波电压上升；当电压比较点SW电压高时，纹波电压下降；当电压比较点SW为高阻抗时，就没有纹波电压，而且纹波电压上升和下降的速度能够根据输入电压VIN和输出电压VOUT来自动调节。
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