一種用于cot控制模式開關調(diào)整器的定時器電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電子【技術領域】，具體的說涉及一種應用于COT控制模式DC-DC變換器的導通時間可調(diào)高精度定時器電路。本發(fā)明的路包括依次連接的比例電流產(chǎn)生單元、高精度頻率調(diào)節(jié)單元、電流運算單元和計數(shù)器單元。本發(fā)明的有益效果為，可以很好的實現(xiàn)導通時間與輸入電壓成反比，與輸出電壓成正比；開關頻率由電阻和電容確定，保持開關頻率恒定，并抵消電阻的工藝和溫漂影響造成的阻值變化；恒定的開關頻率克服了傳統(tǒng)COT控制電路開關轉(zhuǎn)換隨輸出電壓變化，EMI不集中的缺點；在不同的應用環(huán)境下，恒定導通時間的大小具有可調(diào)性。本發(fā)明尤其適用于定時器電路。
【專利說明】-種用于COT控制模式開關調(diào)整器的定時器電路

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及電子【技術領域】，具體的說涉及一種應用于C0T控制模式DC-DC變換器 的導通時間可調(diào)商精度定時器電路。

【背景技術】
[0002] 遲滯模式由于其對負載動態(tài)響應快，結(jié)構簡單，不需要環(huán)路補償?shù)葍?yōu)點得到了廣 泛的應用。但是遲滯模式開關電源的開關頻率由輸入電壓、輸出電壓、等效輸出電阻ESR、電 感、輸出電容等值決定，只要其中任何一個因素變化，開關頻率都會受到影響，對系統(tǒng)產(chǎn)生 諸多不利影響。恒定導通時間控制模式（C0T)是一種派生于遲滯控制模式的控制電路，其 每個周期導通時間保持恒定，通過調(diào)節(jié)關斷時間實現(xiàn)對輸入信號的調(diào)整。相較于固定關斷 時間控制模式在輕載下的開關頻率增加，導致開關損耗的增加，及系統(tǒng)效率的降低；恒定導 通時間控制模式，在輕載下會自動降低系統(tǒng)的開關頻率，從而降低系統(tǒng)開關損耗，提升系統(tǒng) 效率。因此恒定導通時間控制模式受到了極大的關注，被廣泛應用于各種電子設備中。
[0003] 目前的C0T控制電路計時器一般將導通時間設計為固定時間或者與輸入電壓成 反比的時間，如圖1所示，VB為圖中NM0S晶體管的柵端電壓，I vin為電流源且電流大小與輸 入電壓VIN成正比，C為電容，VKEF為基準電壓，V TCN為比較器的輸出電壓。當MN0S柵極電 SVB為低電平時，計時器電路開始計時，電流大小與輸入電壓VIN成正比的充電電流Ivin對 電容C進行充電，當電容上的充電電壓達到基準電壓V KEF時，比較器翻轉(zhuǎn)，計時結(jié)束，VB跳為 高電平，電容放電，直到下個周期開始再次對電容充電。但是該電路結(jié)構存在幾個缺點：（1) 目前充電電流在實現(xiàn)與V in成正比的過程中大多存在近似，影響了導通時間的精度；（2)由 于負載電流的變化，輸出電壓會有相應的變化，此時開關頻率會受輸出電壓波動，從而導致 系統(tǒng)EMI難于處理；（3)由于器件的片上集成，電容和電阻的值會受到工藝偏差和溫漂特性 的影響而減弱計時器的計時精度，特別是在導通時間要求較小的情況下，比較器的傳輸延 時影響程度較大，會引入較大的誤差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的，就是針對上述C0T控制模式下開關頻率受輸入電壓、輸出電壓和 負載電流的影響，造成EMI分散，精度和線性度不夠高的問題，提出了一種用于C0T控制模 式開關調(diào)整器的定時器電路。
[0005] 本發(fā)明的技術方案是，一種用于C0T控制模式開關調(diào)整器的定時器電路，其特征 在于，包括依次連接的比例電流產(chǎn)生單元、高精度頻率調(diào)節(jié)單元、電流運算單元和計數(shù)器單 元；其中，所述比例電流產(chǎn)生單元由PM0S管MP1，三極管Q1、Q2,電阻R1構成；其中，MP1的 源極接電源VDD，其柵極和漏極互連，其柵極接MP2的柵極，其漏極接Q1的集電極；Q1的基 極接固定偏置電壓VB，Q1發(fā)射極通過R1接地VSS ;MP2的源極接電源VDD，其漏極接Q2的 集電極；Q2的發(fā)射極接地VSS ;
[0006] 所述高精度頻率調(diào)節(jié)單元由NM0S管麗1、MN9、麗10,第一電流源IR構成；其中， MN9的源極接Q2的基極，其柵極接MP2的漏極，其漏極接麗10的柵極；第一電流源IR的正 極接電源VDD，其負極接麗10的漏極；MN10的源極接麗1的漏極；MN1的漏極和柵極互連， 其源極接地VSS ;
[0007] 所述電流運算單元由 PM0S 管 MP3、MP4, NM0S 管 MN2、MN3、MN4,三極管 Q3、Q4、Q5、 Q6,第二電流源IREF，電阻R3構成；其中，MP3的源極接電源VDD，其柵極接MP2的柵極，其 漏極接麗3的柵極、MN4的柵極和Q5的集電極；麗3的漏極接電源VDD，其源極接Q3和Q4 的集電極；Q3的發(fā)射極接Q5的基極和麗2的漏極，其基極接Q4的基極；Q5的發(fā)射極接地 VSS ;麗2的柵極接麗1的柵極，其源極接地VSS ;Q4的發(fā)射極接第二電流源IREF的正極；第 二電流源IREF的負極接地VSS ;MN4的漏極接電源VDD，其源極通過R3接地VSS ;MN4的源 極與R3的連接點接Q3的基極與Q4的基極的連接點；MP4的源極接電源VDD，其柵極與漏極 互連，其漏極接Q6的集電極；Q6的基極接Q4的發(fā)射極與第二電流源IREF正極的連接點， 其發(fā)射極接地VSS ;
[0008] 所述計數(shù)器單元由 PM0S 管 MP5、MP6、MP7、MP8、MP9，NM0S 管 MN5、MN6、MN7、MN8，電 阻R2,電容C1，第一開關S1，第二開關S2,第三開關S3,第四開關S4,第三電流源IRSS，第四 電流源IRSS2構成；其中，MP5的源極接電源VDD，其柵極接MP4的柵極，其漏極通過第一開 關S1接地VSS ;MP4的漏極與第一開關S1的連接點依次通過R2、C1接地VSS ;MP6的源極 接電源VDD，其柵極與漏極互連，其柵極接MP7的柵極，其漏極接麗5的漏極；麗5的柵極接 MN6的柵極，其源極接地VSS ;第三電流源IRSS的正極接電源VDD，其負極接MP8的源極與 MP9源極的連接點；MP8的柵極接MP5的漏極，其漏極接MN6的漏極和麗5的柵極與MN6柵 極的連接點；MN6的源極接地VSS ;MP9的柵極通過第二開關S2接VREF (VREF為基準電壓）、 通過第三開關S3接(其中V0UT為輸出電壓，β為小于1的常數(shù)），其漏極接MN7的漏 極和麗7的柵極與ΜΝ8柵極的連接點；麗7源極接地VSS ;ΜΝ8的漏極接ΜΡ7的漏極，其源極 接地VSS ;ΜΡ7的源極接電源VDD ;第四電流源IRSS2的正極通過第四開關S4,其負極接ΜΡ8 的源極與ΜΡ9源極的連接點；ΜΡ7的漏極與ΜΝ8的漏極的連接點為定時器電路的輸出端。
[0009] 本發(fā)明的有益效果為，可以很好的實現(xiàn)導通時間與輸入電壓成反比，與輸出電壓 成正比；開關頻率由電阻和電容確定，保持開關頻率恒定，并抵消電阻的工藝和溫漂影響造 成的阻值變化；恒定的開關頻率克服了傳統(tǒng)C0T控制電路開關轉(zhuǎn)換隨輸出電壓變化，ΕΜΙ不 集中的缺點；在不同的應用環(huán)境下，恒定導通時間的大小具有可調(diào)性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1是C0T控制模式的開關調(diào)整器定時模塊電路結(jié)構示意圖；
[0011] 圖2是本發(fā)明的C0T控制模式的開關調(diào)整器定時模塊電路結(jié)構示意圖。

【具體實施方式】
[0012] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行描述
[0013] 如圖2所示，為本發(fā)明的C0T控制模式的開關調(diào)整器定時模塊電路結(jié)構示意圖，該 電路包括依次連接的比例電流產(chǎn)生單元、高精度頻率調(diào)節(jié)單元、電流運算單元和計數(shù)器單 元；其中，所述比例電流產(chǎn)生單元由PM0S管MP1，三極管Q1、Q2,電阻R1構成；其中，MP1的 源極接電源VDD，其柵極和漏極互連，其柵極接MP2的柵極，其漏極接Q1的集電極；Q1的基 極接VB(VB為固定偏置電壓以保證Q1的正常工作），其發(fā)射極通過R1接地VSS ;MP2的源 極接電源VDD，其漏極接Q2的集電極；Q2的發(fā)射極接地VSS ;
[0014] 所述高精度頻率調(diào)節(jié)單元由NM0S管麗1、MN9、麗10,第一電流源IR構成；其中， MN9的源極接Q2的基極，其柵極接MP2的漏極，其漏極接麗10的柵極；第一電流源IR的正 極接電源VDD，其負極接麗10的漏極；MN10的源極接麗1的漏極；MN1的漏極和柵極互連， 其源極接地VSS ;
[0015] 所述電流運算單元由 PM0S 管 MP3、MP4, NM0S 管 MN2、MN3、MN4,三極管 Q3、Q4、Q5、 Q6,第二電流源IREF，電阻R3構成；其中，MP3的源極接電源VDD，其柵極接MP2的柵極，其 漏極接麗3的柵極、MN4的柵極和Q5的集電極；麗3的漏極接電源VDD，其源極接Q3和Q4 的集電極；Q3的發(fā)射極接Q5的基極和麗2的漏極，其基極接Q4的基極；Q5的發(fā)射極接地 VSS ;麗2的柵極接麗1的柵極，其源極接地VSS ;Q4的發(fā)射極接第二電流源IREF的正極；第 二電流源IREF的負極接地VSS ;MN4的漏極接電源VDD，其源極通過R3接地VSS ;MN4的源 極與R3的連接點接Q3的基極與Q4的基極的連接點；MP4的源極接電源VDD，其柵極與漏極 互連，其漏極接Q6的集電極；Q6的基極接Q4的發(fā)射極與第二電流源IREF正極的連接點， 其發(fā)射極接地VSS ;
[0016] 所述計數(shù)器單元由 PM0S 管 MP5、MP6、MP7、MP8、MP9，NM0S 管 MN5、MN6、MN7、MN8，電 阻R2,電容C1，第一開關S1，第二開關S2,第三開關S3,第四開關S4,第三電流源IRSS，第四 電流源IRSS2構成；其中，MP5的源極接電源VDD，其柵極接MP4的柵極，其漏極通過第一開 關S1接地VSS ;MP4的漏極與第一開關S1的連接點依次通過R2、C1接地VSS ;MP6的源極 接電源VDD，其柵極與漏極互連，其柵極接MP7的柵極，其漏極接麗5的漏極；麗5的柵極接 MN6的柵極，其源極接地VSS ;第三電流源IRSS的正極接電源VDD，其負極接MP8的源極與 MP9源極的連接點；MP8的柵極接MP5的漏極，其漏極接MN6的漏極和MN5的柵極與MN6柵 極的連接點；MN6的源極接地VSS ;MP9的柵極通過第二開關S2接VREF (VREF為基準電壓）、 通過第三開關S3接(其中V0UT為輸出電壓，β為小于1的常數(shù)），其漏極接MN7的漏 極和麗7的柵極與ΜΝ8柵極的連接點；麗7源極接地VSS ;ΜΝ8的漏極接ΜΡ7的漏極，其源極 接地VSS ;ΜΡ7的源極接電源VDD ;第四電流源IRSS2的正極通過第四開關S4,其負極接ΜΡ8 的源極與ΜΡ9源極的連接點；ΜΡ7的漏極與ΜΝ8的漏極的連接點為定時器電路的輸出端。 [0017] 本發(fā)明的工作原理為：
[0018] (1)充電電流產(chǎn)生過程
[0019] 如圖2所示，在比例電流產(chǎn)生單元中，輸入電壓aVin，其中α為常數(shù)，在電阻R1 上產(chǎn)生的電流為
[0020] Λ ⑴ Κν
[0021] 假設ΜΡ1，ΜΡ2和MP3為1:1鏡像結(jié)構，則三極管Q2, Q5的電流為 (xV.
[0022] IQ2 =I〇5 ⑵ ' κ\
[0023] 在高精度頻率調(diào)節(jié)單元中，電流源Ικ的電流大小為三極管Q2的基極電流I B(Q2)與 麗1管的靜態(tài)電流Idl之和，MN9流過的電流可以忽略不計，其作用在于調(diào)節(jié)兩端的電壓，使 得Q2,麗1都能正常工作，SP IK = IB(Q2)+Idl，由于麗1與麗2為1:1鏡像結(jié)構，即
[0024] Ι?2 = Idl = IE-IB(Q2) = IE_IB(Q5) ⑶
[0025] 在電流運算單元中，我們可以得到式（4)，
[0026] Iq3 = Ib(Q5)+I(12 = Ir ⑷
[0027] 即流過Q3的電流就是電流鏡Ικ，從而避免了三極管基極電流帶來的誤差影響。流 過Q4的電流為I KEF。
[0028] 由Q3, Q4, Q5, Q6的連接關系可以知道，
[0029] VBE(Q5)+VBE(Q3) - VBE(Q4)+VBE(Q6) (5)
[0030] 由e ?可得^=^叫+)，將其代入上述等式我們可以推導出 Λ I" 1 \
[0031] Iq5 ^ 1〇3 - Iq4XIq6，Iq6 - ^ Ir/IrEF ⑶
[0032] IQ6是與VIN、Ικ成正比的電流，假設MP4和MP5也是1:1鏡像關系，所以充電電流 為
[0033] I - IQ6 - IiXIr/Iref - α Vinlli/lREFRl ⑵
[0034] 其中Q3的電流需要考慮Q5基極電流影響，原因在于對寬系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)要求，Ικ 變化范圍較大，Q3的精確鏡像可避免Ικ小電流時引入大誤差的情況；而Q4電流不需要考慮 Q6基極電流的原因在于IKEF的電流遠遠大于Q6的基極電流，可忽略其誤差。由式（7)我們 可以看到，在一定的Ι κ、1_、1^的情況下，充電電流I與vin成正比。
[0035] (2)定時器工作原理
[0036] 在C0T控制方式的DC-DC變換器中，定時器電路在充電時段產(chǎn)生的脈沖信號控制 上管的開啟時間。在本發(fā)明中，當上端管需開啟的信號來臨時，開關S1閉合，電流運算單 元中產(chǎn)生的與輸入電壓成正比的充電電流開始對電容進行充電，當該電容上的電壓上升至 β Vout電壓時比較器翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的邏輯信號Vc控制開關S1斷開，充電結(jié)束并且充電電容進 行放電，該段充電時間為定時器產(chǎn)生的脈沖寬度，即上功率管開啟的導通時間。根據(jù)式（8) 我們可以算出導通時間為式（9)所示，
[0037] It = VC (8) BV I RC
[0038] i = VC// = P υΙ? l<H- ' (9) a、'IN I!i
[0039] 令R = β I^Ri/ci IK，可得到導通時間為式（10)，開關頻率為式（11)，
[0040] t = VC/I = V0UTRC/Vin (10) v V RC I
[0041] / = 士 (11)
[0042] 即導通時間與輸出電壓成正比，與輸入電壓成反比。開關頻率與輸入輸出電壓無 關，只與RC參數(shù)相關，在一定的RC阻值和容值下，開關頻率可以保持不變。其次，通過調(diào)節(jié) Ικ電流源的大小，我們可以對開關頻率進行調(diào)整，從而滿足不同的應用環(huán)境對頻率的不同 要求，拓展本發(fā)明提出電路的適用性。
[0043] (3)軟啟動過程、超前電路以及延時減小電路
[0044] DC-DC變換器在上電過程中，輸出電壓通常從零電位上升，為防止在上電過程中 導通時間一直處于〇,致使系統(tǒng)"鎖定"在"零"狀態(tài)，比較器在軟啟動過程中屏蔽電容電壓 與輸出電壓的比較功能，而是與基準電壓進行比較，當上電完成時，恢復電容電壓與輸出電 壓比較的功能。在圖2中具體描述為：開關S2閉合，比較器的負相輸入端為VKEF，當軟啟動 完成，輸出電壓β = VKEF時，S2斷開，S3閉合，比較器的負相輸入端為β VTOT。
[0045] 電阻R2構成了超前電路，由于比較器比較過程具有一定的延時，通過電阻R2將充 電電容上的電壓抬高Λ V，相當于提前達到比較點，起到減少比較器延時帶來的誤差，提高 精度的作用。
[0046] 本設計中比較器同樣設計了延時減小的功能。充電電容上產(chǎn)生的電壓輸入到比較 器中，比較器對充電電容C1上的電壓以及輸出電壓進行比較。在比較期間，開關S4閉合，t匕 較器的尾電流在原有基礎I KEF上增加一股電流IKEF2來加速比較，降低延時，當比較器翻轉(zhuǎn)， 充電結(jié)束，充電電容開始放電時，開關S4斷開，I KEF2退出以節(jié)省功耗。
【權利要求】
1. 一種用于COT控制模式開關調(diào)整器的定時器電路，其特征在于，包括依次連接的比 例電流產(chǎn)生單元、高精度頻率調(diào)節(jié)單元、電流運算單元和計數(shù)器單元；其中，所述比例電流 產(chǎn)生單元由PM0S管MP1，三極管Q1、Q2,電阻R1構成；其中，MP1的源極接電源VDD，其柵極 和漏極互連，其柵極接MP2的柵極，其漏極接Q1的集電極；Q1的基極接固定偏置電壓VB，其 發(fā)射極通過R1接地VSS ;MP2的源極接電源VDD，其漏極接Q2的集電極；Q2的發(fā)射極接地 VSS ； 所述高精度頻率調(diào)節(jié)單元由NM0S管1^1、1^9、1^10，第一電流源11?構成；其中，1^9的 源極接Q2的基極，其柵極接MP2的漏極，其漏極接麗10的柵極；第一電流源IR的正極接電 源VDD，其負極接麗10的漏極；麗10的源極接麗1的漏極；麗1的漏極和柵極互連，其源極 接地VSS ; 所述電流運算單元由PM0S管MP3、MP4, NM0S管MN2、MN3、MN4,三極管Q3、Q4、Q5、Q6， 第二電流源IREF，電阻R3構成；其中，MP3的源極接電源VDD，其柵極接MP2的柵極，其漏極 接麗3的柵極、MN4的柵極和Q5的集電極；麗3的漏極接電源VDD，其源極接Q3和Q4的集 電極；Q3的發(fā)射極接Q5的基極和麗2的漏極，其基極接Q4的基極；Q5的發(fā)射極接地VSS ; 麗2的柵極接麗1的柵極，其源極接地VSS ;Q4的發(fā)射極接第二電流源IREF的正極；第二電 流源IREF的負極接地VSS ;MN4的漏極接電源VDD，其源極通過R3接地VSS ;MN4的源極與 R3的連接點接Q3的基極與Q4的基極的連接點；MP4的源極接電源VDD，其柵極與漏極互連， 其漏極接Q6的集電極；Q6的基極接Q4的發(fā)射極與第二電流源IREF正極的連接點，其發(fā)射 極接地VSS ; 所述計數(shù)器單元由 PM0S 管 MP5、MP6、MP7、MP8、MP9, NM0S 管 MN5、MN6、MN7、MN8,電阻 R2,電容C1，第一開關S1，第二開關S2,第三開關S3,第四開關S4,第三電流源IRSS，第四電 流源IRSS2構成；其中，MP5的源極接電源VDD，其柵極接MP4的柵極，其漏極通過第一開關 S1接地VSS ;MP4的漏極與第一開關S1的連接點依次通過R2、C1接地VSS ;MP6的源極接電 源VDD，其柵極與漏極互連，其柵極接MP7的柵極，其漏極接麗5的漏極；麗5的柵極接MN6 的柵極，其源極接地VSS ;第三電流源IRSS的正極接電源VDD，其負極接MP8的源極與MP9 源極的連接點；MP8的柵極接MP5的漏極，其漏極接MN6的漏極和麗5的柵極與MN6柵極的 連接點；MN6的源極接地VSS ;MP9的柵極通過第二開關S2接基準電壓VREF、通過第三開關 S3接輸出電壓V0UT，其漏極接麗7的漏極和麗7的柵極與MN8柵極的連接點；麗7源極接地 VSS ;MN8的漏極接MP7的漏極，其源極接地VSS ;MP7的源極接電源VDD ;第四電流源IRSS2 的正極通過第四開關S4,其負極接MP8的源極與MP9源極的連接點；MP7的漏極與MN8的漏 極的連接點為定時器電路的輸出端。
【文檔編號】H02M3/00GK104092368SQ201410320968
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權日:2014年7月7日
【發(fā)明者】周澤坤, 張瑜, 石躍, 趙倬毅, 王卓, 張波 申請人:電子科技大學