專利名稱：一種適用于寬轉換比升壓變換器的自適應電流檢測電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于集成電路技術領域，具體涉及一種寬轉換比升壓直流-直流變換器。
背景技術：
直流-直流變換器(DC-DC Converter)廣泛應用于各種電子系統(tǒng)中，特別是基 于電感型的直流-直流變換器，由于其效率高、輸出電流能力大的優(yōu)點，應用最廣。根據 變換器輸入電壓與輸出電壓的關系可以分為降壓型(BUCK)、升壓型(BOOST)和升降壓型 (BUCK-BOOST)。其中升壓型變換器用于提升電源電壓對各種需要較高壓供電的電路模塊進 行供電。例如在一些手持設備的顯示屏中，4個串聯(lián)的LED背光燈大概需要12伏的電壓， 而一般電池的輸出電壓只有2. 7V飛.5V。這就需要升壓型變換器對電池電壓進行提升后給 LED串供電。且在同一個應用系統(tǒng)中，可能有不同的電壓需要，一個寬轉換比的變換器將會 減少系統(tǒng)的復雜性。BOOST型變換器主要由功率級和控制級構成。功率級主要由輸入濾波電容、功率電 感、功率開關管、續(xù)流二極管和輸出濾波電容組成?？刂萍壷饕裳a償網絡、PWM調制器等 構成反饋系統(tǒng)，使得輸出電壓保持恒定。BOOST型變換器在其功率級的傳輸函數(shù)中包含兩個極點和一個右半平面的零點， 使得在傳統(tǒng)的電壓控制模式和電流控制模式下，補償網絡比BUCK型復雜，并且難以在一個 寬的轉換比下保持系統(tǒng)穩(wěn)定和良好的瞬態(tài)響應。一般產品都是采用在不同的轉換比下通過 片外選擇不同的補償網絡的方法來實現(xiàn)，使得補償網絡無法在片內集成，增加了片外原件 的數(shù)量，提高了成本。另外在BOOST電路中，由于其輸出電流不連續(xù)，使得遲滯控制無法直 接被采用。因而改進現(xiàn)有的控制方法，采用新的控制技術來設計BOOST型變換器，具有較強 的學術價值和良好的應用潛力。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是在于提出一種新的適用于寬轉換比升壓直流-直流變換器的自 適應電流檢測電路，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和良好的瞬態(tài)響應的同時，不需要片外補償網絡，降 低系統(tǒng)的成本，減少片外原件的數(shù)量，以符合便攜化的要求。本發(fā)明提出的適用于寬轉換比升壓直流_直流變換器的自適應電流檢測電路，是 基于固定關斷時間控制模式，根據輸出電壓的不同，自適應地改變電感電流的采樣增益，從 而使得系統(tǒng)在一個寬轉換比的工作范圍內具有良好的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應，并且不需要片外 選擇補償網絡。實現(xiàn)該技術的電路包括單周期雙采樣電路1 ；基準電平產生電路2 ；增益 自適應電路3。其中單周期雙采樣電路1用于產生兩個采樣信號電感電流信號與輸出電 壓信號；這兩個信號提供給增益自適應電路3 ；基準電平產生電路2產生一個基準電平，提 供給增益自適應電路3 ；增益自適應電路3利用單周期雙采樣電路1和基準電平產生電路2 提供的信號，產生所需的與輸出電壓自適應的電感電流采樣信號。所述的單周期雙采樣電路1如附圖1所示，其具體連接關系為VLX與電阻R3的左端及采樣開關1的左端相連，電阻R3的右端與采樣開關2的左端及電阻R4的上端相連，電 阻R4的下端與MOS管M3的漏端相連，MOS管M3的柵端和源端分別與M3的漏端和地相連。 采樣開關2的右端與電容C2的上端相連，電容C2的下端與地相連。采樣開關1的右端與電 阻Rl的左端相連，電阻R1的右端與電阻R2的上端及電容C1的上端相連，電阻R2的下端和 電容C1的下端均與地相連。單周期雙采樣電路1的輸出為電感電流采樣信號與輸出電壓 采樣信號。它在在功率管開啟時功率管的漏端電壓為電感電流乘以其導通電阻，采樣此電 壓作為電感電流采樣信號即第一采樣信號；在功率管關閉時，功率管漏端電壓為輸出電壓 加上二極管的壓降，將此信號經過處理后采樣保持作為輸出電壓信號即第二采樣信號?；鶞孰娖疆a生電路2如附圖2所示，其具體連接關系為放大器Al的正輸入端接 片上直流電平，其輸出端與MOS管M5的柵端相連，其負輸入端與MOS管M5的源端及電阻R5 的上端相連，R5的下端接地。MOS管M5的漏端與MOS管M6、M7的柵端及M6的漏端相連， MOS管M6、M7的源端均與VDD相連。MOS管M7的漏端與電阻R6的上端相連，電阻R6的下端 與MOS管M4的漏端相連，MOS管M4的柵端和源端分別與M4的漏端和地相連。單周期雙采 樣電路1的輸出為電感電流采樣信號與輸出電壓采樣信號。它在其輸出信號為一個基準電 平。它將在輸出電壓范圍內選擇一個合適的輸出電壓作為基準電壓，并產生以單周期雙采 樣電路(1)對輸出電壓所做處理為歸一化的基準電平。增益自適應電路3如附圖3所示，其具體連接關系為放大器A2的正輸入端接第 一采樣信號，其輸出端與MOS管MlO的柵端相連，其負輸入端與MOS管MlO的源端及MOS管 Ml的漏端相連，MOS管Ml的柵端和源端分別接基準電平和地。MOS管MlO的漏端與MOS管 M8、M9的柵端及M8的漏端相連，MOS管M8、M9的源端均與VDD相連。MOS管M9的漏端與 MOS管M2的漏端相連，MOS管M2的柵端和源端分別接第二采樣信號和地。增益自適應電路 3的輸出信號為與輸出電壓自適應的電感電流采樣信號。它根據單周期雙采樣電路1和基 準電平產生電路2提供的信號，用于產生一個電感電流采樣增益與輸出電壓成反比的電壓 信號。本發(fā)明提出的適用于寬轉換比升壓直流-直流變換器的自適應電流檢測電路，利 用MATLAB進行系統(tǒng)建模，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并采用CSMC 0. 5um B⑶工藝完成電路設 計，開關頻率1MHz，功率電感值為3. 3uH，輸出電壓濾波電容值為22uF。利用電路仿真軟件 模擬結果表明輸入電壓為5V時，輸出電壓范圍可達5.5V、0V。當輸入電壓為5V，輸出電 壓為15V，輸出負載電流從IOOmA到500mA的階躍跳變時，該直流_直流轉換器的響應時間 小于50us，過沖電壓小于0. 05V。本發(fā)明避免了一般升壓變換器通過選擇不同的片外補償網絡來實現(xiàn)不同的轉換 比的方法，從而使補償網絡變得簡單并可以在芯片內部集成，減少了片外原件數(shù)量，符合便 攜化的要求，同時降低了成本，具有良好的應用前景。
圖1.自適應電流檢測技術體系結構圖與功率級示意圖。圖2.單周期雙采樣電路的電路及時序圖。圖3.基準電平產生電路的電路圖。圖4.增益自適應電路的電路圖。
圖5.負載500mA，輸入電壓為5V，輸出電壓為5. 5V、15V和30V時，不采用本發(fā)明 的系統(tǒng)波特圖。圖6.負載500mA，輸入電壓為5V，輸出電壓為5. 5V、15V和30V時，采用本發(fā)明的
系統(tǒng)波特圖。圖7.輸入電壓為5V時，輸出電壓范圍5. 5V 30V中部分輸出電壓波形圖。圖8.輸入電壓為5V，輸出電壓為15V，輸出負載電流從IOOmA到500mA的階躍跳 變時輸出電流輸出電壓變化曲線。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明進行進一步的說明。如圖1所示，本發(fā)明中提到的升壓直流-直流變換器的自適應電流檢測技術結構 框圖，實現(xiàn)該技術的電路包括單周期雙采樣電路1 ；基準電平產生電路2 ；增益自適應電路 3。如圖2所示，圖(2. a)為單周期雙采樣電路圖，圖(2. b)為單周期雙采樣電路圖， 單周期雙采樣電路1用于產生兩個采樣信號電感電流信號與輸出電壓信號，這兩個信號 提供給增益自適應電路3。它根據PWM控制信號產生兩個采樣脈沖，分別對功率管的漏端電 壓信號進行采樣處理。在功率管開啟時功率管的漏端電壓為電感電流乘以其導通電阻，采 樣此電壓作為電感電流采樣信號即第一采樣信號；在功率管關閉時，功率管漏端電壓為輸 出電壓加上二極管的壓降，將此信號經過處理后采樣保持作為輸出電壓信號即第二采樣信 號。其中第一采樣信號、第二采樣信號可分別表示為
權利要求
一種適用于升壓直流 直流變換器的自適應電流檢測電路，其特征在于包括單周期雙采樣電路(1)、基準電平產生電路(2)和增益自適應電路(3)；其中單周期雙采樣電路(1)用于產生兩個采樣信號電感電流信號與輸出電壓信號；這兩個信號提供給增益自適應電路(3)；基準電平產生電路(2)產生一個基準電平，提供給增益自適應電路(3)；增益自適應電路(3)利用單周期雙采樣電路(1)和基準電平產生電路(2)提供的信號，產生所需的與輸出電壓自適應的電感電流采樣信號。
2.根據權利要求1所述的適用于升壓直流-直流變換器的自適應電流檢測電路，其特 征在于所述的單周期雙采樣電路(1)中，VLX與電阻R3的左端及第一采樣開關的左端相 連，電阻R3的右端與第二采樣開關的左端及電阻R4的上端相連，電阻R4的下端與第三MOS 管(M3)的漏端相連，第三MOS管(M3)的柵端和源端分別與第三MOS管(M3)的漏端和地相 連；第二采樣開關的右端與電容C2的上端相連，電容C2的下端與地相連；第一采樣開關的 右端與電阻Rl的左端相連，電阻R1的右端與電阻R2的上端及電容C1的上端相連，電阻R2 的下端和電容C1的下端均與地相連；在功率管開啟時，功率管的漏端電壓為電感電流乘以其導通電阻，采樣此電壓作為電 感電流采樣信號即第一采樣信號；在功率管關閉時，功率管漏端電壓為輸出電壓加上二極 管的壓降，將此信號經過處理后采樣保持作為輸出電壓采樣信號即第二采樣信號。
3.根據權利要求2所述的適用于升壓直流_直流變換器的自適應電流檢測電路，其特 征在于所述的基準電平產生電路(2)中，第一放大器(Al)的正輸入端接片上直流電平，其 輸出端與第五MOS管M5的柵端相連，其負輸入端與第五MOS管(M5)的源端及電阻R5的上 端相連，電阻R5的下端接地；第五MOS管(M5)的漏端與第六MOS管(M6)、第七MOS管(M7) 的柵端及第六MOS管(M6)的漏端相連，第六MOS管(M6)、第七MOS管(M7)的源端均與VDD 相連；第七MOS管(M7)的漏端與電阻R6的上端相連，電阻R6的下端與第四MOS管(M4)的 漏端相連，第四MOS管(M4)的柵端和源端分別與第四MOS管(M4)的漏端和地相連。
4.根據權利要求3所述的適用于升壓直流_直流變換器的自適應電流檢測電路，其特 征在于所述的增益自適應電路(3)中，第二放大器(A2)的正輸入端接第一采樣信號，其輸 出端與第十MOS管(MlO)的柵端相連，其負輸入端與第十MOS管(MlO)的源端及第一MOS管 (Ml)的漏端相連，第一 MOS管(Ml)的柵端和源端分別接基準電平和地；第十MOS管(MlO) 的漏端與第八MOS管(M8)、第九MOS管(M9)的柵端及第八MOS管(M8)的漏端相連；第八 MOS管(M8)、第九MOS管(M9)的源端均與VDD相連；第九MOS管(M9)的漏端與第二 MOS管 (M2)的漏端相連，第二 MOS管(M2)的柵端和源端分別接第二采樣信號和地。
5.根據權利要求2所述的適用于升壓直流_直流變換器的自適應電流檢測電路，其特 征在于在單周期雙采樣電路(1)中，根據PWM控制信號產生兩個采樣脈沖，分別對功率管 的漏端電壓信號進行采樣處理；其中第一采樣信號、第二采樣信號分別表示為^samplel - 滅 + 及 ^ ^on ,J R^sample! = "Τ~~Kfs M3 ) + Kis M3 記 T~^VLX ^Kis M3R4+R3 v“ 7 “ R4 + 尺3~其中，R^R4為分壓電阻，込為電感電流，Ron為功率管導通電阻，Vvlx為功率管關斷時它 的漏端電壓，Vdsjl3為二極管連接的第三MOS管(M3)的源漏電壓差。
6.根據權利要求3所述的適用于升壓直流_直流變換器的自適應電流檢測電路，其特 征在于在基準電平產生電路(2)中，輸出的是由一個經過合適選擇的輸出電壓Vm根據第 二采樣信號表達式產生的一個基準電平，該基準電平表示為
7.根據權利要求4所述的適用于升壓直流_直流變換器的自適應電流檢測電路，其特 征在于在增益自適應電路(3)中，根據第一采樣信號、第二采樣信號以及基準電平信號產 生出電感電流采樣增益隨輸出電壓自適應的電壓信號。
8.根據權利要求4所述的適用于升壓直流_直流變換器的自適應電流檢測電路，其特 征在于在增益自適應電路(3)中，處于線性區(qū)的第一 MOS管(Ml)和第 二 MOS管(M2)具有 相同的寬長比。
全文摘要
本發(fā)明屬于集成電路技術領域，具體為一種適用于寬轉換比升壓變換器的自適應電流檢測電路。該電路包括單周期雙采樣電路，用于產生兩個采樣信號電感電流信號與輸出電壓信號，并提供給增益自適應電路；基準電平產生電路，用于產生一個基準電平，提供給增益自適應電路；增益自適應電路，利用單周期雙采樣電路和基準電平產生電路提供的信號，產生所需的與輸出電壓自適應的電感電流采樣信號。本發(fā)明避免選擇片外補償網絡來實現(xiàn)不同轉換比的方法，從而使補償網絡變得簡單并可在芯片內部集成，減少了片外原件數(shù)量，符合便攜化的要求，同時降低了成本，具有良好的應用前景。
文檔編號G01R19/00GK101937014SQ20101024636
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月5日 優(yōu)先權日2010年8月5日
發(fā)明者倪金華, 李葉, 洪志良, 程林 申請人:復旦大學