CN113992161B - 一种降低纹波的动态电流供应电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低纹波的动态电流供应电路及方法，其中，线性功率放大单元包括同相输入端、反向输入端和输出端；离散化采集单元包括正端、负端和采样输出端，正端连接电容C1靠近线性功率放大单元输出端的一端，负端连接电容C1远离线性功率放大单元输出端的另一端，第一功率MOS管包括连接电源的第一源极、连接采样输出端的第一栅极及第一漏极，第二功率MOS管包括接地的第二源极、连接采样输出端的第二栅极及连接第一漏极的第二漏极，恒流源包括功率管和电压源，电压源和功率管的源极连接电感L1，电压源连接功率管Mp的栅极，电感L2一端连接Mp的漏极，另一端连接电容C1远离线性功率放大单元的另一端。

Description

一种降低纹波的动态电流供应电路及方法
技术领域
本发明涉及动态电流供应电路技术领域，尤其涉及一种降低纹波的动态电流供应电路及方法。
背景技术
现有技术中降压式变换电源(buck电源)的输出都有较大的输出电容，用于滤除输出电压纹波；由于动态电流供应电路的输出对GND没有输出电容，所以为了减小DC电流纹波，通过增大电感值来降低电感电流纹波，从而降低DC电流纹波，但这样会增大***体积，减缓负载切换时的响应速度。因此，在电感值固定的情况下，如何降低DC电流纹波，且对其他性能影响较弱，甚至不影响其他性能，成为本领域技术人员迫切解决的问题。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种降低纹波的动态电流供应电路及方法，降低动态电流供应电路纹波。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一种降低纹波的动态电流供应电路包括，
线性功率放大单元，其包括同相输入端、反向输入端和输出端，所述同相输入端输入射频检波信号；
电容C1，其电容C1两端分别连接反向输入端、输出端；
降压式变换电路，其包括，
离散化采集单元，其包括正端、负端和采样输出端，所述正端连接所述电容C1靠近线性功率放大单元输出端的一端，所述负端连接所述电容C1远离线性功率放大单元的另一端，
第一功率MOS管M1，其包括连接电源的第一源极、连接所述采样输出端的第一栅极以及第一漏极，
第二功率MOS管M2，其包括接地的第二源极、连接所述采样输出端的第二栅极以及连接所述第一漏极的第二漏极，
电感L1，其连接所述第一漏极；
降低纹波单元，其包括，
恒流源，其包括功率管Mp和电压源V3，电压源V3和功率管Mp的源极连接所述电感L1，电压源V3连接所述功率管Mp的栅极，
电容C2，其一端连接所述电感L1，另一端接地，
电感L2，其一端连接所述Mp的漏极，另一端连接所述电容C1远离线性功率放大单元的另一端；
负载RL，其一端连接所述电感L2，另一端接地。
所述的一种降低纹波的动态电流供应电路中，所述功率管Mp包括PMOS。
所述的一种降低纹波的动态电流供应电路中，离散化采集单元包括滞回比较器。
所述的一种降低纹波的动态电流供应电路中，负载RL包括负载电阻。
所述的一种降低纹波的动态电流供应电路中，所述负载RL包括功率放大器。
所述的一种降低纹波的动态电流供应电路中，所述线性功率放大单元包括功率放大射频检波信号的功率放大器。
一种基于降低纹波的动态电流供应电路的方法，包括如下步骤，
射频检波信号流入线性功率放大单元，经过线性功率放大单元将射频检波信号进行功率放大变为电压信号V1，以便能够向负载RL提供交流电压和交流电流；
离散化采集单元检测电容C1两端的电压信号，当电压信号V1大于电容C1另一侧的电压信号V2+h，其中，h为滞回量，离散化采集单元输出为高电平，打开第一功率MOS管M1，关闭第二功率MOS管M2，电感L1电流开始充电，Vbuck电位开始增大，电压源V3增大，流过功率管MP的电流增大，使电压信号V2电位开始增大，
当电压信号V1与滞回量h之和小于电压信号V2时，离散化采集单元输出为低电平，关闭第一功率MOS管M1，打开第二功率MOS管M2，电感L1电流开始放电，Vbuck电位开始减小，电压源V3减小，流过功率管MP的电流减小，使电压信号V2电位开始下降，如此循环工作，电压信号V1等于电压信号V2时，降低动态电流供应电路纹波。
在上述技术方案中，本发明提供的一种降低纹波的动态电流供应电路及方法。传统动态电流供应电路中，因为开关部分产生的电流一定存在纹波，导致动态电流供应电路纹波较大，且采用LC或LCLC等无源器件来滤除纹波，滤除纹波效果较差；本发明具有以下有益效果：本发明通过降低DC电流纹波的电路，采用有源器件来滤波，在电感值固定的情况下有效降低负载DC电流纹波，在开关电源的电感L1和负载RL之间加入电路，实现其输入电流纹波较大，但输出电流纹波较小，保证电感值固定，不增大电感值，也能降低负载DC电流纹波与DC电压纹波，最终达到降低动态电流供应电路纹波的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例的降低纹波的动态电流供应电路的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的降低纹波的动态电流供应电路的结构示意图；
图3是本发明一个实施例的降低纹波的动态电流供应电路的滞回比较器的结构示意图；
图4是传统动态电流供应电路中DC电压纹波示意图；
图5是本发明降低DC电压纹波的效果图；
图6是本发明和现有技术的负载DC电流的频谱仿真图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图1至图6，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
如图1所示，一种降低纹波的动态电流供应电路，包括：
降低纹波单元、线性功率放大单元、离散化采集单元与开关电源，所述线性功率放大单元输入射频检波信号，所述线性功率放大单元耦合连接于降低纹波单元，所述降低纹波单元一端依次经开关电源、离散化采集单元进行连接，所述离散化采集单元一端同时连接功率线性放大单元与降低纹波单元；所述线性功率放大单元与降低纹波单元之间耦合连接有负载；
所述线性功率放大单元，用于对射频检波信号进行设定倍数的功率放大，以给所述负载提供交流电压；此外，所述线性功率放大单元还具有移相以及滤除高频干扰信号的功能。
所述降低纹波单元，用于降低流入到负载的直流电流纹波；
所述离散化采集单元，用于采集线性功率放大单元和负载上的输出电压来产生一定占空比的方波；
所述开关电源，将方波滤波处理成直流电压和直流电流。
就该实施例而言，本发明的关键构思就在于：降低纹波单元，用于实现输入电流纹波较大，但输出电流纹波较小的目的，以达到降低动态电流供应电路纹波的效果。
在一个实施例中，如图2所示，本发明提供了一种降低纹波的动态电流供应电路，包括线性功率放大单元、离散化采集单元、开关电源、负载RL、电容C1和降低纹波单元；其中，开关电源包括第一功率MOS管M1和第二功率MOS管M2、电感L1；降低纹波单元包括恒流源、L2、C2；恒流源包括功率管Mp和电压源V3。
具体的，在一个实施例中，一种降低纹波的动态电流供应电路包括，
线性功率放大单元，其包括同相输入端和输出端，所述同相输入端输入射频检波信号，所述射频检波信号可以是包络信号；所述线性功率放大单元用于对射频检波信号进行设定倍数的功率放大，以给所述负载提供交流电压；
电容C1，其连接所述输出端，
离散化采集单元，其包括正端、负端和采样输出端，所述正端连接所述电容C1靠近线性功率放大单元的一端，所述负端连接所述电容C1远离线性功率放大单元的另一端，
所述开关电源包括：
第一功率MOS管M1，其包括连接电源的第一源极、连接所述采样输出端的第一栅极以及第一漏极，
第二功率MOS管M2，其包括接地的第二源极、连接所述采样输出端的第二栅极以及连接所述第一漏极的第二漏极，
电感L1，其连接所述第一漏极；
降低纹波单元，其包括，
恒流源，其包括功率管Mp和电压源V3，电压源V3和功率管Mp的源极连接所述电感L1，电压源V3连接所述功率管Mp的栅极，
电容C2，其一端连接所述电感L1，另一端接地，
电感L2，其一端连接所述Mp的漏极，另一端连接所述电容C1远离线性功率放大单元的另一端；
负载RL，其一端连接所述电感L2，另一端接地。
就上述实施例而言，
L2的作用：防止AC电流流过功率管Mp而干扰恒流源的工作；
C2的作用：通过C2的滤波，使L1靠近恒流源一侧的电压(Vbuck)纹波较小，保证恒流源的Mp工作在饱和区，提供恒定电流，纹波较小；
RL是负载电阻，在典型应用中是功率放大器(PA)；
恒流源，用于降低流入负载的DC电流，此时电感L1电流纹波不变，但由于降低纹波单元，流出恒流源流入负载的DC电流纹波减小，动态电流供应电路纹波减小。
优选的，功率管Mp为PMOS；
优选的，离散化采集单元，实施为滞回比较器，如图3所示；
优选的，线性功率放大单元包括同相输入端、反向输入端和输出端，所述反向输入端、输出端分别连接电容C1两端，滞回比较器包括正端、负端和输出端，C1靠近线性功率放大单元输出端的一端连接正端，C1的另一端连接负端，滞回比较器的输出端连接M1与M2的栅极，M1的源极连接电源，M1的漏极连接M2的漏极，M2的源极接地，M1的漏极连接L1的一端，L1的另一端与V3、Mp的源极及C2的一端连接，C2的另一端接地，V3的另一端与Mp的栅极连接，Mp的漏极与L2的一端连接，L2的另一端与C1的另一端、RL的一端连接，RL的另一端接地。
由于动态电流供应电路输出是免除电容的，即没有电容，所以开关电源提供的DC电流纹波大小与Vout DC电压纹波相关，ΔVout＝ΔIL1*RL，其中，ΔVout指负载两端输出电压纹波，单位：V，ΔIL1指电感L1电流纹波，单位：A；RL为负载电阻；
其中，
Figure BDA0003323176890000071
Ton表示开关打开时间；Vin表示开关电源的输入电压，即M1的电源电压；Vout表示负载RL两端电压。
那么，在保证电感值固定时，本发明不增大电感值也能降低DC电流纹波，所以，本发明的关键构思就在于：开关电源的电感L和负载RL之间加入了一种电路，正是在这种构思下，实现了输入电流纹波较大，但输出电流纹波较小，最终达到降低动态电流供应电路纹波的效果。
所述的一种降低纹波的动态电流供应电路的优选实施例中，所述功率管Mp包括PMOS。
所述的一种降低纹波的动态电流供应电路的优选实施例中，离散化采集单元包括滞回比较器。
所述的一种降低纹波的动态电流供应电路的优选实施例中，负载RL包括负载电阻。
所述的一种降低纹波的动态电流供应电路的优选实施例中，所述负载RL包括功率放大器。
所述的一种降低纹波的动态电流供应电路的优选实施例中，所述线性功率放大单元包括功率放大射频检波信号的功率放大器。
在一个实施例中，一种基于所述动态电流供应电路中降低纹波的的方法包括以下步骤，
射频检波信号流入线性功率放大单元，经过线性功率放大单元将射频检波信号进行功率放大变为电压信号V1，以便能够向负载RL提供交流电压和交流电流；
离散化采集单元检测电容C1两端的电压信号，当电压信号V1大于电容C1另一侧的电压信号V2+h，其中，h为滞回量，离散化采集单元输出为高电平，打开第一功率MOS管M1，关闭第二功率MOS管M2，电感L1电流开始充电，Vbuck电位开始增大，电压源V3增大，流过功率管MP的电流增大，使电压信号V2电位开始增大，
当电压信号V1与滞回量h之和小于电压信号V2时，离散化采集单元输出为低电平，关闭第一功率MOS管M1，打开第二功率MOS管M2，电感L1电流开始放电，Vbuck电位开始减小，电压源V3减小，流过功率管MP的电流减小，使电压信号V2电位开始下降，如此循环工作，电压信号V1等于电压信号V2，***正常开关动作，降低了电源纹波。
在一个实施例中，电路工作时，射频检波信号流入线性功率放大单元，经过线性功率放大单元将射频检波信号进行功率放大，变为信号V1，以便能够向负载RL提供交流电压和交流电流；
滞回比较器采用滞回控制，滞回比较器检测C1两端的电压信号，当V1＞V2+h(其中V1指C1靠近线性功率放大单元一侧的电压，V2指C1另一侧的电压，h为比较器滞回量)，滞回比较器输出为高电平，打开功率管M1，关闭M2，电感L1电流开始充电，Vbuck电位开始增大，V3增大，流过MP的电流Imp增大，使V2电位开始增大。
当V1+h＜V2滞回比较器输出为低电平，关闭功率管M1，打开功率管M2，电感L1电流开始放电，Vbuck电位开始减小，V3减小，流过MP的电流减小，使V2电位开始下降。如此循环工作，在保证V1＝V2时，通过降低纹波单元的作用，开关电源能够为负载提供DC电流，且电流纹波为△IL2；在没有加入降低纹波单元时，开关电源为负载提供的DC电流纹波为△IL1，此时为△IL2，△IL2＜＜△IL1，例如小于10倍以上，降低了负载DC电流纹波，降低了动态电流供应电路纹波。其中，整个工作过程中V3使恒流源的MP管始终工作在饱和区。
如图4所示，为传统动态电流供应电路中DC电压纹波示意图，图中包括电感电流纹波与DC电压纹波，图5是本发明降低DC电压纹波的效果图，包括电感电流纹波与DC电压纹波，本发明与现有技术相比，在电感电流纹波相同的情况下，本发明的DC电压纹波明显小于现有技术。
图6中，横坐标表示频率，单位：MHz；纵坐标中IL1表示现有技术中负载DC电流的频谱，单位为dB；IL2表示本发明负载DC电流的频谱，单位为dB；从图中可以看出，现有技术负载DC电流在开关频率处的频谱为-10dB，本发明负载DC电流在开关频率处的频谱为-70dB；本发明相较于现有技术，负载DC电流在开关频率处的频谱降低了60dB，明显降低了负载DC电流纹波，与DC电压纹波，最终达到降低动态电流供应电路纹波的效果。
传统动态电流供应电路中，因为开关部分产生的电流一定存在纹波，导致动态电流供应电路纹波较大，且采用LC或LCLC等无源器件来滤除纹波，滤除纹波效果较差；本发明通过降低DC电流纹波的电路，采用有源器件来滤波，在电感值固定的情况下有效降低负载DC电流纹波，在开关电源的电感L1和负载RL之间加入电路，实现其输入电流纹波较大，但输出电流纹波较小，保证电感值固定，不增大电感值，也能降低负载DC电流纹波与DC电压纹波，最终达到降低动态电流供应电路纹波的效果。
最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (7)

1.一种降低纹波的动态电流供应电路，其特征在于，其包括，
线性功率放大单元，其包括同相输入端、反向输入端和输出端，所述同相输入端输入射频检波信号；
电容C1，其电容C1两端分别连接反向输入端、输出端；
降压式变换电路，其包括，
离散化采集单元，其包括正端、负端和采样输出端，所述正端连接所述电容C1靠近线性功率放大单元输出端的一端，所述负端连接所述电容C1远离线性功率放大单元的另一端，
第一功率MOS管M1，其包括连接电源的第一源极、连接所述采样输出端的第一栅极以及第一漏极，
第二功率MOS管M2，其包括接地的第二源极、连接所述采样输出端的第二栅极以及连接所述第一漏极的第二漏极，
电感L1，其连接所述第一漏极；
降低纹波单元，其包括，
恒流源，其包括功率管Mp和电压源V3，电压源V3和功率管Mp的源极连接所述电感L1，电压源V3连接所述功率管Mp的栅极，
电容C2，其一端连接所述电感L1，另一端接地，
电感L2，其一端连接所述功率管Mp的漏极，另一端连接所述电容C1远离线性功率放大单元的另一端；
负载RL，其一端连接所述电感L2，另一端接地。
2.根据权利要求1述的一种降低纹波的动态电流供应电路，其特征在于，所述功率管Mp包括PMOS。
3.根据权利要求1所述的一种降低纹波的动态电流供应电路，其特征在于，离散化采集单元包括滞回比较器。
4.根据权利要求1所述的一种降低纹波的动态电流供应电路，其特征在于，负载RL包括负载电阻。
5.根据权利要求4所述的一种降低纹波的动态电流供应电路，其特征在于，所述负载RL包括功率放大器。
6.根据权利要求1所述的一种降低纹波的动态电流供应电路，其特征在于，所述线性功率放大单元包括功率放大射频检波信号的功率放大器。
7.一种基于权利要求1-6中任一项所述降低纹波的动态电流供应电路的方法，其特征在于，其包括以下步骤，
射频检波信号流入线性功率放大单元，经过线性功率放大单元将射频检波信号进行功率放大变为电压信号V1，以便能够向负载RL提供交流电压和交流电流；
离散化采集单元检测电容C1两端的电压信号，当电压信号V1大于电容C1另一侧的电压信号V2+h，其中，h为滞回量，离散化采集单元输出为高电平，打开第一功率MOS管M1，关闭第二功率MOS管M2，电感L1电流开始充电，电感L1靠近恒流源一侧的电压Vbuck电位开始增大，电压源V3增大，流过功率管MP的电流增大，使电压信号V2电位开始增大，
当电压信号V1与滞回量h之和小于电压信号V2时，离散化采集单元输出为低电平，关闭第一功率MOS管M1，打开第二功率MOS管M2，电感L1电流开始放电，电感L1靠近恒流源一侧的电压Vbuck电位开始减小，电压源V3减小，流过功率管MP的电流减小，使电压信号V2电位开始下降，如此循环工作，电压信号V1等于电压信号V2时，降低动态电流供应电路纹波。
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