本發(fā)明涉及電子電路技術(shù)，具體的說是一種導(dǎo)通時(shí)間受跨導(dǎo)放大器信號(hào)控制(variableontime，vot)的buck變換器。

背景技術(shù)：

降壓變換器buck是開關(guān)電源中的一個(gè)常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)直流電壓到直流電壓的電平轉(zhuǎn)換。其中，恒定導(dǎo)通時(shí)間控制(constantontime，cot)的降壓變換器由于其較快的瞬態(tài)響應(yīng)速度和較高的輕載效率，被廣泛應(yīng)用到各類電源系統(tǒng)中。

恒定導(dǎo)通時(shí)間的降壓變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其控制原理如下：當(dāng)輸出電壓vout較基準(zhǔn)電壓vref偏高時(shí)，誤差放大器ea輸出電壓信號(hào)vc降低，第一比較器icomp比較電感電流采樣信號(hào)和誤差放大器ea輸出電壓信號(hào)vc，當(dāng)電感電流下降到由vc所決定的第一限時(shí)，第一比較器icomp輸出邏輯電平信號(hào)使降壓變換器的上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷，從而使電感電流增大，輸出電壓上升。其中，上管的導(dǎo)通時(shí)間由定時(shí)電容cth決定，當(dāng)定時(shí)電容cth的鋸齒波信號(hào)vsaw達(dá)到固定門限電壓vth時(shí)，第二比較器tcomp輸出邏輯電平，使降壓變換器的上管關(guān)斷，下管導(dǎo)通。

現(xiàn)有的恒定導(dǎo)通時(shí)間的降壓變換器在為動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)工作頻率的負(fù)載系統(tǒng)供電時(shí)，由于基準(zhǔn)電壓vref動(dòng)態(tài)變化，故此類降壓變換器需要能夠達(dá)到快速動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)dvs響應(yīng)的性能指標(biāo)。而恒定導(dǎo)通時(shí)間的降壓變換器在進(jìn)行環(huán)路控制時(shí)，上管在進(jìn)行恒定時(shí)間的導(dǎo)通之后，總會(huì)強(qiáng)制下管導(dǎo)通一個(gè)較小的時(shí)間(即上管的最小關(guān)斷時(shí)間)，才能進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期，上述信號(hào)波形如圖2所示。故此類降壓變換器存在占空比的限制，其輸出電壓vout過沖和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)dvs響應(yīng)有待優(yōu)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的，就是針對(duì)上述傳統(tǒng)的恒定導(dǎo)通時(shí)間的降壓變換器在瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)占空比受限制的問題，提出一種導(dǎo)通時(shí)間受控的降壓變換器結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種導(dǎo)通時(shí)間受控的降壓變換器，包括上功率管mt、下功率管mb、驅(qū)動(dòng)電路、電感l(wèi)、輸出電容cout、d觸發(fā)器、電流源ic、定時(shí)電容cth、開關(guān)電路、第一比較器icomp和第二比較器tcomp，

上功率管mt的漏極連接輸入電壓vin，其源極接下功率管mb的漏極并通過電感l(wèi)和輸出電容cout的串聯(lián)結(jié)構(gòu)后接地，其串聯(lián)點(diǎn)作為所述降壓變換器的輸出端；下功率管mb的源極接地；開關(guān)電路與定時(shí)電容cth并聯(lián)，其并聯(lián)結(jié)構(gòu)一端接電流源ic，另一端接地；開關(guān)電路的控制端連接所述d觸發(fā)器的qn輸出端；

所述降壓變換器還包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以及電感電流采樣網(wǎng)絡(luò)，所述電感電流采樣網(wǎng)絡(luò)包括第二電阻rd、第三電阻rsc和第三電容cd，第二電阻rd和第三電容cd串聯(lián)，其串聯(lián)點(diǎn)連接所述第一比較器icomp的第一輸入端，第二電阻rd的另一端接上功率管mt的源極，第三電容cd的另一端接所述降壓變換器的輸出端；

所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接外部控制信號(hào)din，其輸出端連接所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的第一輸入端并通過第三電阻rsc后連接所述第一比較器icomp的第一輸入端，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器根據(jù)外部控制信號(hào)din動(dòng)態(tài)的產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓vref；所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的第二輸入端連接所述降壓變換器的輸出端，其輸出端連接所述第一比較器icomp的第二輸入端和所述第二比較器tcomp的第一輸入端；所述第二比較器tcomp的第二輸入端連接定時(shí)電容cth與電流源ic的連接點(diǎn)，其輸出端連接所述d觸發(fā)器的清零端；

所述d觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)輸入端連接所述第一比較器icomp的輸出端，其d輸入端連接邏輯高電平，其q輸出端連接所述驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端；所述驅(qū)動(dòng)模塊的第一輸出端連接所述上功率管mt的柵極，其第二輸出端連接所述下功率管mb的柵極。

具體的，所述開關(guān)電路包括mos管，所述mos管的柵極作為所述開關(guān)電路的控制端，其源極和漏極分別連接所述電流源ic和地。

具體的，所述驅(qū)動(dòng)模塊的第一輸出端和第二輸出端輸出信號(hào)反相。

具體的，所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)包括第一電阻r1、第一電容c1、第二電容c2和跨導(dǎo)放大器，所述跨導(dǎo)放大器的正向輸入端作為所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的第一輸入端，其負(fù)向輸入端作為所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的第二輸入端，其輸出端作為所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸出端；第一電阻r1和第一電容c1串聯(lián)，第一電阻r1的另一端接跨導(dǎo)放大器的輸出端，第一電容c1的另一端接地，第二電容c2接在跨導(dǎo)放大器的輸出端和地之間。

本發(fā)明的工作原理為：

電感電流信號(hào)經(jīng)過由第二電阻rd、第三電容cd和第三電阻rsc組成的電感電流采樣網(wǎng)絡(luò)得到第三電容cd上的電壓vcd，與數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓vref疊加為斜坡信號(hào)vramp，斜坡信號(hào)vramp與跨導(dǎo)放大器gm的輸出電壓信號(hào)vc通過第一比較器icomp進(jìn)行比較，當(dāng)vramp下降到由vc所決定的第一時(shí)，第一比較器icomp輸出邏輯電平信號(hào)通過d觸發(fā)器使上功率管mt導(dǎo)通，下功率管mb關(guān)斷，從而使電感電流增大，輸出電壓上升。其中，上功率管mt的導(dǎo)通時(shí)間由定時(shí)電容cth和跨導(dǎo)放大器gm輸出電壓信號(hào)vc共同決定，當(dāng)定時(shí)電容cth的鋸齒波信號(hào)vsaw達(dá)到跨導(dǎo)放大器gm輸出電壓信號(hào)vc時(shí)，第二比較器tcomp輸出邏輯電平，使降壓變換器的上功率管mt關(guān)斷，下功率管mb導(dǎo)通。

d觸發(fā)器通過驅(qū)動(dòng)模塊控制上功率管mt和下功率管mb的導(dǎo)通和關(guān)斷，以保證上功率管mt和下功率管mb以正確的邏輯交替導(dǎo)通，具體為：當(dāng)d觸發(fā)器的輸出q＝1時(shí)，使上功率管mt導(dǎo)通，下功率管mb關(guān)斷；當(dāng)q＝0時(shí)，上功率管mt關(guān)斷，下功率管mb導(dǎo)通。

d觸發(fā)器控制定時(shí)電容cth的充放電過程：d觸發(fā)器的qn輸出端輸出低電平時(shí)，開關(guān)電路斷開，充電電容cth充電；qn輸出端輸出高電平時(shí)，開關(guān)電路閉合，充電電容cth快速放電。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明采用跨導(dǎo)放大器的輸出信號(hào)vc動(dòng)態(tài)控制降壓變換器上功率管mt的導(dǎo)通時(shí)間，突破了傳統(tǒng)降壓變換器的占空比限制；同時(shí)本發(fā)明對(duì)采樣電感電流交流信號(hào)與基準(zhǔn)電壓vref進(jìn)行疊加得到斜坡信號(hào)vramp，斜坡信號(hào)vramp和跨導(dǎo)放大器gm的輸出信號(hào)vc進(jìn)入第一比較器icomp進(jìn)行比較，從而保證了降壓變換器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的頻率穩(wěn)定性；本發(fā)明還通過設(shè)置數(shù)模轉(zhuǎn)換器，滿足了負(fù)載系統(tǒng)即時(shí)調(diào)節(jié)供電電壓的需求；與恒定導(dǎo)通時(shí)間的降壓變換器相比，本發(fā)明可以達(dá)到更小的瞬態(tài)響應(yīng)過沖和更快的瞬態(tài)響應(yīng)速度，適用于fpga、cpu等對(duì)電源有較高的瞬態(tài)要求的應(yīng)用場合。

附圖說明

圖1是恒定導(dǎo)通時(shí)間的降壓變換器示意圖

圖2是恒定導(dǎo)通時(shí)間的降壓變換器在瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)的信號(hào)波形示意圖；

圖3是本發(fā)明提出的一種導(dǎo)通時(shí)間受控的降壓變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明提出的一種導(dǎo)通時(shí)間繼受控的降壓變換器的工作原理示意圖；

圖5是本發(fā)明提出的一種導(dǎo)通時(shí)間受控的降壓變換器和恒定導(dǎo)通時(shí)間的降壓變換器負(fù)載階躍示意圖；

圖6是本發(fā)明提出的一種恒定導(dǎo)通時(shí)間的降壓變換器和恒定導(dǎo)通時(shí)間的降壓變換器dvs響應(yīng)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案：

如圖3所示是本發(fā)明提出的一種導(dǎo)通時(shí)間受控的降壓變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，包括上功率管mt、下功率管mb、驅(qū)動(dòng)電路、電感l(wèi)、輸出電容cout、d觸發(fā)器、電流源ic、定時(shí)電容cth、開關(guān)電路、第一比較器icomp和第二比較器tcomp，上功率管mt的漏極連接輸入電壓vin，其源極接下功率管mb的漏極并通過電感l(wèi)和輸出電容cout的串聯(lián)結(jié)構(gòu)后接地，其串聯(lián)點(diǎn)作為所述降壓變換器的輸出端；下功率管mb的源極接地；開關(guān)電路與定時(shí)電容cth并聯(lián)，其并聯(lián)結(jié)構(gòu)一端接電流源ic，另一端接地；開關(guān)電路的控制端連接所述d觸發(fā)器的qn輸出端；所述降壓變換器還包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以及電感電流采樣網(wǎng)絡(luò)，所述電感電流采樣網(wǎng)絡(luò)包括第二電阻rd、第三電阻rsc和第三電容cd，第二電阻rd和第三電容cd串聯(lián)，其串聯(lián)點(diǎn)連接所述第一比較器icomp的第一輸入端，第二電阻rd的另一端接上功率管mt的源極，第三電容cd的另一端接所述降壓變換器的輸出端；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接外部控制信號(hào)din，其輸出端連接所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的第一輸入端并通過第三電阻rsc后連接所述第一比較器icomp的第一輸入端，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器根據(jù)外部控制信號(hào)din動(dòng)態(tài)的產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓vref；所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的第二輸入端連接所述降壓變換器的輸出端，其輸出端連接所述第一比較器icomp的第二輸入端和所述第二比較器tcomp的第一輸入端；所述第二比較器tcomp的第二輸入端連接定時(shí)電容cth與電流源ic的連接點(diǎn)，其輸出端連接所述d觸發(fā)器的清零端；所述d觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)輸入端連接所述第一比較器icomp的輸出端，其d輸入端連接邏輯高電平，其q輸出端連接所述驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端；所述驅(qū)動(dòng)模塊的第一輸出端連接所述上功率管mt的柵極，其第二輸出端連接所述下功率管mb的柵極。rc是輸出電容cout的等效串聯(lián)電阻，rl是等效的負(fù)載電阻。

本實(shí)施例中，開關(guān)電路為mos管，所述mos管的柵極作為開關(guān)電路的控制端，其源極和漏極分別連接電流源ic和地；驅(qū)動(dòng)模塊的第一輸出端和第二輸出端的輸出信號(hào)反相。

本實(shí)施例中所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)包括第一電阻r1、第一電容c1、第二電容c2和跨導(dǎo)放大器，所述跨導(dǎo)放大器的正向輸入端作為所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的第一輸入端，其負(fù)向輸入端作為所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的第二輸入端，其輸出端作為所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸出端；第一電阻r1和第一電容c1串聯(lián)，第一電阻r1的另一端接跨導(dǎo)放大器的輸出端，第一電容c1的另一端接地，第二電容c2接在跨導(dǎo)放大器的輸出端和地之間。

本實(shí)施例的基本信號(hào)波形如圖4所示，電感電流信號(hào)經(jīng)過由第二電阻rd、第三電容cd和第三電阻rsc組成的電感電流采樣網(wǎng)絡(luò)得到第三電容cd上的電壓vcd，與數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓vref疊加為斜坡信號(hào)vramp，斜坡信號(hào)vramp與跨導(dǎo)放大器gm的輸出電壓信號(hào)vc通過第一比較器icomp進(jìn)行比較，當(dāng)vramp下降到由vc所決定的第一時(shí)，第一比較器icomp輸出邏輯電平信號(hào)通過d觸發(fā)器使上功率管mt導(dǎo)通，下功率管mb關(guān)斷，從而使電感電流增大，輸出電壓上升。其中，上功率管mt的導(dǎo)通時(shí)間由定時(shí)電容cth和跨導(dǎo)放大器gm輸出電壓信號(hào)vc共同決定，當(dāng)定時(shí)電容cth的鋸齒波信號(hào)vsaw達(dá)到跨導(dǎo)放大器gm輸出電壓信號(hào)vc時(shí)，第二比較器tcomp輸出邏輯電平，使降壓變換器的上功率管mt關(guān)斷，下功率管mb導(dǎo)通。

電感電流信號(hào)由第二電阻rd、第三電容cd采樣，設(shè)電感的直流dc等效電阻(dcr)為rind，il為電感電流，則第三電容cd上的電壓的s域表達(dá)式如式1所示：

其中rind為電感l(wèi)的等效直流電阻，從上式可以看出，當(dāng)l/rind與rdcd相等時(shí)，第三電容cd上的電壓代表了電感電流il，同時(shí)第三電容cd電壓vcd通過由第三電阻rsc耦合到基準(zhǔn)電壓vref上。

系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，由于斜坡信號(hào)vramp均值為基準(zhǔn)電壓vref，故跨導(dǎo)放大器gm的輸出信號(hào)vc約等于基準(zhǔn)電壓vref。上功率管mt受控的導(dǎo)通時(shí)間ton,vot由充電電流源ic，定時(shí)電容cth和跨導(dǎo)放大器gm輸出電壓信號(hào)vc共同決定，其表達(dá)式如式2所示：

從式2可以看出，本實(shí)施例的降壓變換器，其開關(guān)頻率在穩(wěn)態(tài)的時(shí)候保持恒定。

控制環(huán)路的小信號(hào)傳輸函數(shù)如式3所示：

其中，rl表示降壓變換器的負(fù)載電阻，rc表示輸出電容的等效串聯(lián)電阻，cout表示輸出電容，ri表示電流采樣的等效電阻。ω1＝π/ton，q1＝2/π表示傳輸函數(shù)雙極點(diǎn)的諧振位置和品質(zhì)因數(shù)。另外，雙極點(diǎn)位置總是大于二分之一開關(guān)頻率，且不會(huì)移動(dòng)到右半平面，故本實(shí)施例的降壓變換器不存在次諧波振蕩的問題。

本實(shí)施例的降壓變換器，其控制環(huán)路存在一個(gè)位置為1/rlcout的低頻極點(diǎn)，若輸出電容cout采用陶瓷電容等esr較小的電容時(shí)，環(huán)路的零點(diǎn)將移向高頻，不影響環(huán)路穩(wěn)定性。本實(shí)施例采用ii型補(bǔ)償策略，由第一電阻r1、第一電容c1、第二電容c2和跨導(dǎo)放大器gm組成環(huán)路的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，最終的環(huán)路小信號(hào)模型如式4所示：

其中g(shù)m為跨導(dǎo)放大器gm的跨導(dǎo)值，ro為跨導(dǎo)放大器gm的輸出阻抗。合理選擇補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)元件，使系統(tǒng)的穿越頻率小于十分之一的開關(guān)頻率，且穿越頻率處的相位裕度大于60度，則可使本實(shí)施例的降壓變換器穩(wěn)定運(yùn)行。

另外，本實(shí)施例的降壓變換器包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac，滿足負(fù)載系統(tǒng)即時(shí)調(diào)節(jié)供電電壓的需求。

恒定導(dǎo)通時(shí)間(cot)的降壓變換器和本實(shí)施例(vot)的降壓變換器的負(fù)載階躍圖如圖5所示，實(shí)驗(yàn)條件為：開關(guān)頻率1mhz，電感1μh，輸出電容47μf，輸入電壓12v，輸出電壓1.2v，占空比10％，最小關(guān)斷時(shí)間30ns。在恒定導(dǎo)通時(shí)間模式下，由于上功率管mt導(dǎo)通時(shí)間固定，故經(jīng)歷了多個(gè)周期之后，降壓變換器才進(jìn)入另一個(gè)穩(wěn)態(tài)。另外在負(fù)載階躍過程中，由于最小關(guān)斷時(shí)間的存在，使得變換器占空比存在極限，限制了響應(yīng)速度。當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間較小時(shí)，占空比限制更為明顯。本實(shí)施例的降壓變換器具有優(yōu)勢(shì)，當(dāng)負(fù)載電流iload向上階躍時(shí)，輸出電壓vout下降，這使得跨導(dǎo)放大器gm的輸出電壓信號(hào)vc上升。由于上功率管mt導(dǎo)通時(shí)間由vc和vsaw的交點(diǎn)控制，故上功率管mt導(dǎo)通時(shí)間以及等效的占空比也隨之上升，這使得瞬態(tài)響應(yīng)速度顯著提升，輸出電壓下沖得到了明顯的抑制。當(dāng)負(fù)載電流iload向下階躍時(shí)，輸出電壓vout上升，這使得跨導(dǎo)放大器gm的輸出電壓信號(hào)vc下降。由于上功率管mt導(dǎo)通時(shí)間由vc和vsaw的交點(diǎn)控制，故上功率管mt導(dǎo)通時(shí)間以及等效的占空比也隨之下降，這使得瞬態(tài)響應(yīng)速度顯著提升，輸出電壓上沖得到了明顯的抑制。本實(shí)施例的降壓變換器相比于以往的恒定導(dǎo)通時(shí)間降壓變換器，在負(fù)載階躍的情況下，能以更快的速度完成從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過度到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)的過程。

恒定導(dǎo)通時(shí)間(cot)的降壓變換器和本實(shí)施例(vot)的降壓變換器的dvs響應(yīng)如圖6所示，實(shí)驗(yàn)條件為：開關(guān)頻率1mhz，電感1μh，輸出電容47μf，輸入電壓12v，輸出電壓1.2v，占空比10％，最小關(guān)斷時(shí)間30ns。在負(fù)載系統(tǒng)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac調(diào)節(jié)增大基準(zhǔn)電壓vref之后，跨導(dǎo)放大器gm輸出電壓信號(hào)vc變化使上功率管mt導(dǎo)通時(shí)間達(dá)到較大值，故等效的占空比也變大，其輸出電壓跟隨基準(zhǔn)電壓vref的速度得到了較大的提升。而傳統(tǒng)的恒定導(dǎo)通時(shí)間的降壓變換器(cot)由于上功率管導(dǎo)通時(shí)間固定，故需要經(jīng)過更多開關(guān)周期才能達(dá)到跟隨的效果。本實(shí)施例的降壓變換器相比于以往的恒定導(dǎo)通時(shí)間降壓變換器，在負(fù)載系統(tǒng)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓vref后，能以更快的速度完成從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過度到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)的過程，即更快的dvs響應(yīng)速度。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。