CN201708696U - 一种适用于输出电源电压连续变化的Buck变换器电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电子器件技术领域，具体为一种适用于输出电源电压连续变化的Buck变换器的电路。该电路输入端为一个双差分输入单端输出放大器接成的单位增益反馈放大器。通过该放大器取出反馈电压和参考电压的差值送给后级的补偿器网络，与一般的DC-DC Buck变换器中将参考电压直接加在补偿器网络的正输入端相比，去除了由于补偿器正输入端到输出的前馈通路引入的误差量，使Buck变换器的输出能够准确跟随信号幅度，产生一个连续时间的与信号成比例的电压，供给信号放大、功率输出的电源。

Description

一种适用于输出电源电压连续变化的Buck变换器电路

技术领域

本实用新型属于电子器件技术领域，具体涉及一种电源输出能跟随输入参考电压连续变化的Buck(非隔离的降压开关电源)变换器电路的设计。

背景技术

为提高电子产品的效率，在电源的一些应用中需要产生能跟随信号连续变化的电源。比如在将电源管理和音频功率放大器集成在一起的丨类放大器中，音频功放的电源就是以音频频率变化的信号。一般的DC-DC Buck变换器电路中参考电压直接输入到补偿器的正端，当参考电压以一定频率变化时，补偿器正输入端到输出端的前馈通路会使转换器的输出相对输入参考电压有一定误差量，而不能准确的跟随参考电压。

本实用新型提出的适用于输出电源电压连续变化的Buck变换器的电路在参考电压输入端加单位增益反馈放大器。通过该放大器取出反馈电压和参考电压的差值送给后级的补偿器网络，去除了补偿器正输入端到其输出的前馈通路，使Buck变换器的输出能够准确跟随变化的信号，适应电源电压连续变化的Buck变换器的设计需要。

发明内容

本实用新型的目的在于针对需要电源电压连续可变的应用需要，提出一种适用于输出电源电压连续变化的Buck变换器的电路。

本实用新型提出的Buck变换器的电路，包括单位增益反馈放大器，补偿器，比较器，驱动电路，功率开关，片外滤波电感L和电容C；所述的单位增益反馈放大器由一个双差分输入单端输出放大器接成，该双差分输入单输出放大器的两组差分输入端分别为in1+，in1-和in2+，in2-，将输入端in2+和in2-通过电阻R相连，并且将所述放大器输出反馈到输入端in2-端形成单位增益反馈，输入端in2+端接共模电平Vcm，输入端in1+和in1-分别接反馈电压Vfb和输入参考电压Vref。所述放大器的输出接到补偿器的负端，补偿器的正端接共模电平Vcm。补偿器的输出接到比较器的负端，比较器的正端接三角波时钟，比较器产生的脉冲宽度调制信号接到驱动电路。驱动电路产生的驱动信号控制功率管MP，MN的栅极，MP管的源端接输入电压Vg，MN管的源端接地，MP，MN管的漏端接在一起与电感L一端相连，电感L另一端与电容C相连产生输出电压Vo，电容C另一端接地，Vo给外部负载供电。反馈电阻网络Rf1，Rf2的一端分别接Vo和地，另一端相互连接产生反馈电压Vfb。

本实用新型提出的Buck变换器的电路，输入端为一个双差分输入单端输出放大器接成的单位增益反馈放大器。通过该放大器取出反馈电压和参考电压的差值送给后级的补偿器网络，与一般的DC-DC Buck变换器中将参考电压直接加在补偿器网络的正输入端相比，去除了由于补偿器正输入端到其输出的前馈通路引入的超前零点，使Buck变换器的输出能够准确跟随输入的参考电压，产生连续变化的电源电压。

附图说明

图1为本实用新型中的Buck变换器的整体结构框图。

图2为单位增益反馈双差分输入单输出放大器

图3为双差分输入单输出放大器的电路图。

图4为补偿器网络。

图5为无输入放大器时Buck变换器的整体结构框图。

图6为无输入放大器时Buck变换器小信号框图。

图7为有输入放大器时Buck变换器小信号框图。

具体实施方式

以下结合附图及实例对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，一种适用于输出电源电压连续变化的Buck变换器电路，包括单位增益反馈放大器，补偿器，比较器，驱动电路，功率开关，片外滤波电感和电容。双差分输入单输出放大器的两组差分输入端分别为in1+，in1-和in2+，in2-，将输入端in2+和in2-通过电阻R相连，并且将放大器输出反馈到输入端in2-端形成单位增益反馈，输入端in2+端接共模电平Vcm，输入端in1+和in1-分别接反馈电压Vfb和输入参考电压Vref。放大器的输出接到补偿器的负端，补偿器的正端接共模电平Vcm。补偿器的输出接到比较器的负端，比较器的正端接三角波时钟，比较器产生的脉冲宽度调制信号接到驱动电路。驱动电路产生的驱动信号控制功率管MP，MN的栅极，MP管的源端接输入电压Vg，MN管的源端接地，MP，MN管的漏端接在一起与电感L一端相连，电感L另一端与电容C相连产生输出电压Vo，电容C另一端接地，Vo给外部负载供电。反馈电阻网络Rf1，Rf2的一端分别接Vo和地，另一端相互连接产生反馈电压Vfb。

如图2所示，为本实用新型中输入端单位增益放大器的反馈电路图，双差分输入单输出放大器的两组差分输入端分别为in1+，in1-和in2+，in2-，将输入端in2+和in2-通过电阻R相连，并且将放大器输出反馈到输入端in2-端形成单位反馈，in2+端接共模电平Vcm，放大器输出可以表示为

V₁＝(V_fb-V_ref)+V_cm

这样就能取出反馈电压和参考电压的误差量送入到补偿器中。

如图3所示，为实用新型中双差分输入单端输出放大器电路图。功率管M1，M2，M3，M4管的栅极分别为四个输入端in1-，in1+，in2-，in2+。电流源I1一端接到电源Vdd，另一端接功率管M5管的漏端，功率管M5管的栅极与漏极接在一起并与功率管M6，M7，M8的栅极相连形成电流镜，功率管M5，M6，M7，M8管的源端接到地。功率管M1，M2管的源端与功率管M6管的漏端相连，功率管M3，M4管的源端与功率管M7管的漏端相连，功率管M1，M3管的漏端接在一起与功率管M9管的漏端相连，功率管M9管的栅和漏接在一起并与功率管M10管的栅极相连形成电流镜，功率管M10管的漏端与功率管M2，M4管的漏端相连，功率管M9，M10的源端接到电源Vdd。功率管M11管的栅极接到功率管M10管的漏端，源极接Vdd，漏极与M8管漏端相连，补偿电容C接在功率管M11管的栅极和漏极间，功率管M11管的漏端即为输出。

如图4所示，为本实用新型中补偿器网络，电容C1的一端与电阻R1的一端相连并接反馈信号Vfb，电容C1的另一端接到电阻R2的一端。电阻R1，R2的另一端与放大器的负端相连，电容C2的一端与电阻R3的一端相连并接到放大器的负端，电容C2和电阻R3的另一端分别接到电容C3的两端，电容C2与C3相连的端点接放大器的输出端。输入参考电压接放大器的正端。

令 $Z_1=R1//(R2+\frac{1}{\mathrm{sC}1}),$ $Z_2=\frac{1}{\mathrm{sC}2}//(R3+\frac{1}{\mathrm{sC}3})$

则 $V_2=\frac{Z_2}{Z_1}(\mathrm{Vref}-\mathrm{Vfb})+\mathrm{Vref}$

若如图5所示，无输入放大器，参考电压Vref直接接到补偿器正端，反馈电压Vfb接补偿器负端，其余电路连接关系同图1，则等效的Buck变换器小信号框图如图6所示。

其中，H₁为参考电压和反馈电压的误差量到补偿器输出端的小信号传递函数，H₂为参考电压到补偿器输出端的小信号传递函数，H₃为从比较器负输入端到反馈信号Vfb的小信号传递函数。

H₁＝Z₂/Z₁

H₂＝1

H₃为比较器，驱动电路，功率级，滤波器和反馈电阻网络的传递函数之积。

分别为输入参考电压，反馈电压，输出电压的小信号量。

推导闭环时反馈电压与参考电压的关系：

$H_3[({\hat{v}}_{\mathrm{ref}}-{\hat{v}}_{\mathrm{fb}})H_1+H_2{\hat{v}}_{\mathrm{ref}}]={\hat{v}}_{\mathrm{fb}}$

整理得：

${\hat{v}}_{\mathrm{fb}}=\frac{H_1{H}_3+H_2{H}_3}{1+H_1{H}_3}{\hat{v}}_{\mathrm{ref}}$

${\hat{v}}_o=\frac{R_{f1}+R_{f2}}{R_{f2}}{\hat{v}}_{\mathrm{fb}}=\frac{R_{f1}+R_{f2}}{R_{f2}}\frac{H_1{H}_3+H_2{H}_3}{1+H_1{H}_3}{\hat{v}}_{\mathrm{ref}}$

由于H₂H₃项的影响，即使环路增益H₁H₃＞＞1，

也与

存在一定误差。

本实用新型中加入输入放大器时Buck变换器小信号框图如图7所示，由于在补偿器前加了一个双差分输入单输出的单位反馈放大器取出

和

的差值再送入补偿器的负端，去除了补偿器正端到其输出的前馈通路传递函数H₂的影响，可以得到：

${\hat{v}}_{\mathrm{fb}}=\frac{H_1{H}_3}{1+H_1{H}_3}{\hat{v}}_{\mathrm{ref}}$

${\hat{v}}_o=\frac{R_{f1}+R_{f2}}{R_{f2}}{\hat{v}}_{\mathrm{fb}}=\frac{R_{f1}+R_{f2}}{R_{f2}}\frac{H_1{H}_3}{1+H_1{H}_3}{\hat{v}}_{\mathrm{ref}}$

当环路增益H₁H₃＞＞1，

使Buck变换器的输出能够准确跟随放大一定比例的变化的信号，适应输出电源电压连续变化的Buck变换器的设计需要。

Claims (3)

1.一种适用于输出电源电压连续变化的Buck变换器电路，其特征在于包括单位增益反馈放大器，补偿器，比较器，驱动电路，功率开关，片外滤波电感L和电容C；所述的单位增益反馈放大器由一个双差分输入单端输出放大器接成，该双差分输入单输出放大器的两组差分输入端分别为in1+，in1-和in2+，in2-，输入端in2+和in2-通过电阻R相连，并且将所述放大器输出反馈到输入端in2-形成单位增益反馈，输入端in2+接共模电平Vcm，输入端in1+和in1-分别接反馈电压Vfb和输入参考电压Vref；所述放大器的输出接到补偿器的负端，补偿器的正端接共模电平Vcm；补偿器的输出接到比较器的负端，比较器的正端接三角波时钟，比较器产生的脉冲宽度调制信号接到驱动电路；驱动电路产生的驱动信号控制功率管MP和功率管MN的栅极，功率管MP的源端接输入电压Vg，功率管MN管的源端接地，功率管MP和功率管MN的漏端接在一起与电感L一端相连；电感L另一端与电容C相连产生输出电压Vo，电容C另一端接地，Vo给外部负载供电；反馈电阻网络Rf1，Rf2的一端分别接Vo和地，另一端相互连接产生反馈电压Vfb。

2.根据权利要求1所述的输出电源电压连续变化的Buck变换器电路，其特征在于：所述双差分输入单端输出放大器电路中，功率管M1，M2，M3，M4管的栅极分别为四个输入端in1-，in1+，in2-，in2+；电流源I1一端接到电源Vdd，另一端接功率管M5管的漏端，功率管M5管的栅极与漏极接在一起并与功率管M6，M7，M8的栅极相连形成电流镜，功率管M5，M6，M7，M8管的源端接到地；功率管M1，M2管的源端与功率管M6管的漏端相连，功率管M3，M4管的源端与功率管M7管的漏端相连，功率管M1，M3管的漏端接在一起与功率管M9管的漏端相连，功率管M9管的栅和漏接在一起并与功率管M10管的栅极相连形成电流镜；功率管M10管的漏端与功率管M2，M4管的漏端相连，功率管M9，M10的源端接到电源Vdd；功率管M11管的栅极接到功率管M10管的漏端，源极接Vdd，漏极与M8管漏端相连，补偿电容C接在功率管M11管的栅极和漏极间，功率管M11管的漏端即为输出。

3.根据权利要求1所述的输出电源电压连续变化的Buck变换器电路，其特征在于：所述补偿器中，电容C1的一端与电阻R1的一端相连并接反馈信号Vfb，电容C1的另一端接到电阻R2的一端；电阻R1，R2的另一端与放大器的负端相连，电容C2的一端与电阻R3的一端相连并接到放大器的负端，电容C2的另一端和电阻R3的另一端分别接到电容C3的两端，电容C2与C3相连的端点接放大器的输出端；输入参考电压接放大器的正端。

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