斜坡補償電路及功率變換裝置的製作方法
2023-06-01 17:15:06 1
本實用新型屬於集成電路技術領域，更具體地，涉及一種斜坡補償電路及功率變換裝置。
背景技術：
採用電流模式控制的DC-DC開關電源，在傳統電壓模式控制的基礎上，增加了電流採樣的環路，使得DC-DC系統的動態特性顯著增強。電流模式控制根據不同的反饋環路設計，分為峰值電流模式控制和谷值電流模式控制。但是無論在工作佔空比大於50％的峰值電流模式還是在工作佔空比小於50％時谷值電流模式下，DC-DC系統均會出現亞諧波震蕩。因此需要在電流採樣的環路中增加斜坡補償電路來實現電流環路良好的穩定性。
圖1示出了根據現有技術的功率變換裝置的結構圖。如圖1所示，所述功率變換裝置，包括功率變換電路10、電流採樣電路20、斜坡補償電路30、控制電路40以及負載電路50。其中，所述功率變換電路10包括輸入電壓端Vin、輸出電壓端Vout、第一功率開關管M1和第二功率開關管M2以及電感L，電感L和第一功率開關管M1串聯連接在輸入電壓端Vin和輸出電壓端Vout之間；第二功率開關管M2連接在電感L和第一功率開關管M1之間的節點與接地端GND之間。所述電流採樣電路20從所述功率變換電路10獲取採樣電流信號Is，並通過斜坡補償電路30對該採樣電流信號Is進行補償得到補償後的採樣電壓信號Vramp；所述控制電路40根據所述補償後的採樣電壓信號Vc生成PWM信號(脈衝寬度調製信號)以控制功率變換電路10中第一功率開關管M1和第二功率開關管M2的導通與關斷。圖2示出了根據現有技術的斜坡補償電路的原理圖。如圖2所示，所述斜坡補償電路30包括壓流轉換模塊31和斜坡補償模塊32，可以應用於電流採樣的環路使用谷值電流模式控制的功率變換裝置。其中，所述壓流轉換模塊31包括第一放大器A1、第一電晶體Q1、第一電阻R1、第二電晶體Q2和第三電晶體Q3。其中，第一放大器A1、第一電晶體Q1和第一電阻R1形成壓流轉換單元311，並通過鏡像單元312將第一電流信號鏡像到斜坡補償模塊32。其中，第一放大器A1的第一輸入端輸入K*Vin，第二輸入端通過第一電阻R1與接地端GND連接，輸出端與第一電晶體Q1的控制極連接；第一電晶體Q1的第一極通過第一電阻R1與接地端GND連接，第二極與第二電晶體Q2的控制極、第二極以及第三電晶體Q3的控制極連接；第二電晶體Q2和第三電晶體Q3的第一極與第一電壓Vdd連接，第三電晶體的第二極輸出第一電流信號。斜坡補償模塊32包括電容C、開關S1、第二放大器A2、第四電晶體Q4以及第二電阻R2以及第三電阻R3。其中，第一電流信號通過對電容C的充放電形成斜坡補償電壓Vc，第二放大器A2、第四電晶體Q4以及第二電阻R2形成壓流轉換單元將斜坡補償電壓Vc轉換成斜坡補償電流信號Ic，然後該斜坡補償電流信號Ic與採樣電流信號Is進行疊加，並通過第三電阻R3形成補償後的採樣電壓信號Vc。其中，開關S1在每個開關周期的非採樣時刻必須閉合，復位電容C兩端的電壓值。對谷值電流模式的升壓電路而言，採樣時刻是第一功率開關管M1導通時刻，因此當第二功率開關管M2導通時，開關S1閉合。其中，第二放大器A2的第一輸入端輸入K*Vin，第二輸入端通過第一電阻R1與接地端GND連接，輸出端與第四電晶體Q4的控制極連接；第四電晶體Q4的第一極通過第一電阻R1與接地端GND連接，第二極輸出斜坡補償電流信號Ic，並與採樣電流信號Is進行疊加，第三電阻R3連接在補償後的採樣電壓信號Vramp端和接地端GND之間。
該斜坡補償電路30使用了兩個放大器，佔有面積大、功耗大；且為了達到合適的斜坡補償效果，第二電阻R2上極有可能會產生較大的斜坡補償電流，影響功率變換裝置的效率。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於提供一種斜坡補償電路以及功率變換裝置。
根據本實用新型的一方面，提供一種斜坡補償電路，包括：壓流轉換模塊，用於根據輸入電壓生成斜坡補償電流信號；斜坡補償模塊，用於根據所述斜坡補償電流信號產生斜坡補償電壓信號，並根據斜坡補償電壓信號對採樣電流信號進行補償；其中，壓流轉換模塊的輸出端與斜坡補償模塊的輸入輸出端連接，以電壓疊加的方式對採樣電流信號進行補償。
優選地，所述壓流轉換模塊包括壓流轉換單元和第一鏡像單元；其中，所述壓流轉換單元根據輸入電壓生成斜坡補償電流信號，並經過第一鏡像單元將該斜坡補償電流信號輸入到斜坡補償模塊。
優選地，所述壓流轉換單元包括第一放大器、第一電晶體和第一電阻；
其中，第一放大器包括第一輸入端、第二輸入端以及輸出端，第一輸入端用於接收第一電壓信號，第二輸入端通過第一電阻與接地端連接；
第一電晶體的控制極與第一放大器的輸出端連接，第一極通過第一電阻與接地端連接，第二極用於輸出斜坡補償電流信號。
優選地，所述第一鏡像單元包括第二電晶體和第三電晶體，
其中，第二電晶體和第三電晶體的控制極連接，並與第一電晶體的第二極連接；
第二電晶體和第三電晶體的第一極連接，並與第二電壓連接；
第二電晶體的第二極與第一電晶體的第二極連接；
第三電晶體的第二極輸出斜坡補償電流信號；
優選地，斜坡補償模塊包括第二鏡像單元和斜坡補償單元；
所述第二鏡像單元與所述壓流轉換模塊連接，用於將所述斜坡補償電流信號鏡像到所述斜坡補償單元；
所述斜坡補償單元，用於根據所述斜坡補償電流信號產生斜坡補償電壓信號，並根據斜坡補償電壓信號對採樣電流信號進行補償。
優選地，所述第二鏡像單元包括第四電晶體和第五電晶體；
其中，第四電晶體和第五電晶體的控制極連接，並與第三電晶體的第二極連接；
第四電晶體和第五電晶體的第一極連接，並與接地端連接；
第四電晶體的第二極與第三電晶體的第二極相連；
第五電晶體的第二極與斜坡補償單元的輸入輸出端連接。
優選地，所述斜坡補償單元包括電容、開關、第二電阻和第三電阻，
其中，電容、第二電阻和第三電阻串聯連接在斜坡補償單元的輸入輸出端和接地端之間；
開關並聯連接在電容的兩端；
其中，採樣電流信號與第二電阻和第三電阻之間的節點連接。
優選地，所述斜坡補償模塊還包括偏置電流源，與電容和第三電阻之間的節點連接。
根據本實用新型的另一方面，提供一種功率變換裝置，包括功率變換電路、電流採樣電路、上述所述的斜坡補償電路以及控制電路，
其中，所述電流採樣電路從所述功率變換電路獲取採樣電流信號；
所述斜坡補償電路以電壓疊加的方式對所述採樣電流信號進行補償；
所述控制電路根據補償後的採樣電壓信號生成PWM信號，其中，所述PWM信號用於控制控制功率變換電路中功率開關管的導通與關斷。
優選地，所述功率變換電路包括輸入電壓端、輸出電壓端、第一功率開關管、第二功率開關管以及電感，其中，電感和第一功率開關管串聯連接在輸入電壓端和輸出電壓端之間；第二功率開關管連接在電感和第一功率開關管之間的節點與接地端之間。
優選地，所述電流採樣電路包括第三開關管、第四開關管以及放大器；
其中，第三開關管的控制極與控制電路連接，用於接收PWM信號，第一極與電感和第一功率開關管之間的節點連接，第二極與第四開關管的第一極連接；
放大器包括第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，第一輸入端與第一功率開關管的第二極連接，第二輸入端與第三開關管的第二極連接，輸出端與第四開關管的控制極連接；
第四開關管的控制器與放大器的輸出端連接，第一極與第三開關管的第二極連接；第二極輸出採樣電流信號。
優選地，所述功率變換裝置還包括負載電路，
所述負載電路包括負載電容、第一分壓電阻、第二分壓電阻以及負載電阻；
所述負載電容與所述負載電阻並聯連接在輸出電壓端和接地端之間；
所述第一分壓電阻和第二分壓電阻串聯連接在輸出電壓端和接地端之間。
優選地，所述控制電路還與所述第一分壓電阻和第二分壓電阻之間的節點連接，根據分壓信號和斜坡補償後的採樣電壓信號生成PWM信號。
本實用新型實施例提供的斜坡補償電路以及功率變換裝置，通過將斜坡補償電流信號轉換成斜坡補償電壓信號，以電壓疊加的方式對採樣電流信號進行補償。本實用新型實施例由於減少了放大器的使用進而減小電路的佔用面積，且以電壓疊加的方式對採樣電流信號進行補償，使電路對電流的要求較小，可以通過調節電容值來實現相同的斜坡補償效果。
附圖說明
通過以下參照附圖對本實用新型實施例的描述，本實用新型的上述以及其他目的、特徵和優點將更為清楚，在附圖中：
圖1示出了根據現有技術的功率變換裝置的電路圖；
圖2示出了根據現有技術的斜坡補償電路的電路圖；
圖3示出了根據本實用新型實施例提供的斜坡補償電路的電路圖；
圖4示出了根據本實用新型實施例提供的功率變換裝置的電路圖；
圖5示出了本實用新型實施例提供的功率變換裝置的開關時序、電感電流、採樣電流信號、斜坡補償電壓以及補償後的採樣電壓信號的波形圖。
具體實施方式
以下將參照附圖更詳細地描述本實用新型的各種實施例。在各個附圖中，相同的元件採用相同或類似的附圖標記來表示。為了清楚起見，附圖中的各個部分沒有按比例繪製。
本實用新型可以各種形式呈現，以下將描述其中一些示例。
圖3示出了根據本實用新型實施例提供的斜坡補償電路的電路圖。如圖3所示，所述斜坡補償電路30包括壓流轉換模塊31和斜坡補償模塊32，可以應用於電流採樣的環路使用谷值電流模式控制的功率變換裝置。
其中，所述壓流轉換模塊31用於根據輸入電壓Vin生成斜坡補償電流信號Ic。
斜坡補償模塊32用於根據所述斜坡補償電流信號Ic產生斜坡補償電壓信號Vc，並根據斜坡補償電壓信號Vc對採樣電流信號Is進行補償。
其中，壓流轉換模塊31的輸出端與斜坡補償模塊32的輸入輸出端連接，以電壓疊加的方式對採樣電流信號Is進行補償。
在本實施例中，所述壓流轉換模塊31包括壓流轉換單元311和第一鏡像電流312。其中，所述壓流轉換單元311根據輸入電壓Vin生成斜坡補償電流信號Ic，並經過第一鏡像單元312將該斜坡補償電流信號Ic輸入到斜坡補償模塊32。
所述壓流轉換單元311包括第一放大器A1、第一電晶體Q1和第一電阻R1。其中，第一放大器A1包括第一輸入端、第二輸入端以及輸出端，第一輸入端用於接收第一電壓信號K*Vin，第二輸入端通過第一電阻R1與接地端GND連接；第一電晶體Q1的控制極與第一放大器A1的輸出端連接，第一極通過第一電阻R1與接地端連接，第二極用於輸出斜坡補償電流信號Ic＝K*vin/R1。
所述第一鏡像單元312包括第二電晶體Q2和第三電晶體Q3，其中，第二電晶體Q2和第三電晶體Q3的控制極連接，並與第一電晶體Q1的第二極連接；第二電晶體Q2和第三電晶體Q3的第一極連接，並與第二電壓Vdd連接；第二電晶體Q2的第二極與第一電晶體Q1的第二極連接；第三電晶體Q3的第二極輸出斜坡補償電流信號Ic。
所述斜坡補償模塊32包括第二鏡像單元321和斜坡補償單元322。所述第二鏡像單元321與所述壓流轉換模塊31連接，用於將所述斜坡補償電流信號Ic鏡像到所述斜坡補償單元322；所述斜坡補償單元322用於根據所述斜坡補償電流信號Ic產生斜坡補償電壓信號Vc＝-K*Vin/(R1*C)，並根據斜坡補償電壓信號Vc對採樣電流信號Ic進行補償得到補償後的採樣電壓信號Vramp。
其中，Vramp＝-K*Vin*(R2+R3)/R1+Is*R2-K*Vin/(R1*C)。
所述第二鏡像單元321包括第四電晶體Q4和第五電晶體Q5。其中，第四電晶體Q4和第五電晶體Q5的控制極連接，並與第三電晶體Q3的第二極連接；第四電晶體Q4和第五電晶體Q5的第一極連接，並與接地端GND連接；第四電晶體Q4的第二極與第三電晶體Q3的第二極相連；第五電晶體Q5的第二極與斜坡補償單元322的輸入輸出端Vramp連接。
所述斜坡補償單元322包括電容C、開關S1、第二電阻R2和第三電阻R3。其中，電容C、第二電阻R2和第三電阻R3串聯連接在斜坡補償單元322的輸入輸出端Vramp和接地端GND之間；開關S1並聯連接在電容C的兩端；其中，採樣電流信號Is與第二電阻R2和第三電阻R3之間的節點連接。
在第一狀態下，即非採樣電流時刻，開關S閉合，此時Is＝0，Vramp＝-K*Vin*(R2+R3)/R1，電容兩端的電壓Vc＝0；在第二狀態下，即採樣電流時刻，開關S斷開，此時有採樣電流信號Is注入，同時斜坡補償電流信號Ic對電容C放電，即Vc＝-K*Vin/(R1*C)，則Vramp＝-K*Vin*(R2+R3)/R1+Is*R2-K*Vin/(R1*C)。
在一個優選的實施例中，所述斜坡補償模塊322還包括偏置電流源Ib，與電容C和第三電阻R3之間的節點連接。此時，Vramp＝(Ib-K*Vin/R1)*(R2+R3)+Is*R2-K*Vin/(R1*C)。
所述第一電晶體Q1、第四電晶體Q4和第五電晶體Q5為N型的三極體或場效應電晶體，第一極為三極體的發射極或者場效應電晶體的源極，第二極為三極體的集電極或者場效應電晶體的漏極，控制極為三極體的基極或者場效應電晶體的柵極。
所述第二電晶體Q2和第三電晶體Q4為P型的三極體或場效應電晶體，第一極為三極體的發射極或者場效應電晶體的源極，第二極為三極體的集電極或者場效應電晶體的漏極，控制極為三極體的基極或者場效應電晶體的柵極。
本實用新型實施例提供的斜坡補償電路，通過將斜坡補償電流信號轉換成斜坡補償電壓信號，以電壓疊加的方式對採樣電流信號進行補償。本實用新型實施例由於減少了放大器的使用進而減小電路的佔用面積，且以電壓疊加的方式對採樣電流信號進行補償，使電路對電流的要求較小，可以通過調節電容值來實現相同的斜坡補償效果。
圖4示出了根據本實用新型實施例提供的功率變換裝置的電路圖。如圖4所示，所述功率變換裝置包括功率變換電路10、電流採樣電路20、斜坡補償電路30以及控制電路40。
其中，所述電流採樣電路20從所述功率變換電路10獲取採樣電流信號Is。所述斜坡補償電路30以電壓疊加的方式對所述採樣電流信號Is進行補償。所述控制電路40根據補償後的採樣電壓信號Vramp生成PWM信號，其中，所述PWM信號用於控制控制功率變換電路10中功率開關管的導通與關斷。
在本實施例中，所述功率變換電路10包括輸入電壓端Vin、輸出電壓端Vout、第一功率開關管M1、第二功率開關管M2以及電感L。其中，電感L和第一功率開關管M1串聯連接在輸入電壓端Vin和輸出電壓端Vout之間；第二功率開關管M2連接在電感L和第一功率開關管M2之間的節點與接地端GND之間。所述第一功率開關管M1為P型的三極體或場效應電晶體，第二功率開關管M2為N型的三極體或場效應電晶體；第一極為三極體的發射極或者場效應電晶體的源極，第二極為三極體的集電極或者場效應電晶體的漏極，控制極為三極體的基極或者場效應電晶體的柵極。
所述電流採樣電路20包括第三開關管M3、第四開關管M4以及第三放大器OP；其中，第三開關管M3的控制極與控制電路40連接，用於接收PWM信號，第一極與電感L和第一功率開關管M1之間的節點連接，第二極與第四開關管M4的第一極連接；第三放大器OP包括第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，第一輸入端與第一功率開關管M1的第二極連接，第二輸入端與第三開關管M3的第二極連接，輸出端與第四開關管M4的控制極連接；第四開關管M4的控制器與第三放大器的輸出端連接，第一極與第三開關管M3的第二極連接；第二極輸出採樣電流信號Is。
所述第三開關管M3為P型的三極體或場效應電晶體，第四開關管M4為N型的三極體或場效應電晶體；第一極為三極體的發射極或者場效應電晶體的源極，第二極為三極體的集電極或者場效應電晶體的漏極，控制極為三極體的基極或者場效應電晶體的柵極。
所述斜坡補償電路30包括壓流轉換模塊31和斜坡補償模塊32。
其中，所述壓流轉換模塊31用於根據輸入電壓Vin生成斜坡補償電流信號Ic。
斜坡補償模塊32用於根據所述斜坡補償電流信號Ic產生斜坡補償電壓信號Vc，並根據斜坡補償電壓信號Vc對採樣電流信號Is進行補償。
其中，壓流轉換模塊31的輸出端與斜坡補償模塊32的輸入輸出端連接，以電壓疊加的方式對採樣電流信號Is進行補償。
在本實施例中，所述壓流轉換模塊31包括壓流轉換單元311和第一鏡像電流312。其中，所述壓流轉換單元311根據輸入電壓Vin生成斜坡補償電流信號Ic，並經過第一鏡像單元312將該斜坡補償電流信號Ic輸入到斜坡補償模塊32。
所述壓流轉換單元311包括第一放大器A1、第一電晶體Q1和第一電阻R1。其中，第一放大器A1包括第一輸入端、第二輸入端以及輸出端，第一輸入端用於接收第一電壓信號K*Vin，第二輸入端通過第一電阻R1與接地端GND連接；第一電晶體Q1的控制極與第一放大器A1的輸出端連接，第一極通過第一電阻R1與接地端連接，第二極用於輸出斜坡補償電流信號Ic＝K*vin/R1。
所述第一鏡像單元312包括第二電晶體Q2和第三電晶體Q3，其中，第二電晶體Q2和第三電晶體Q3的控制極連接，並與第一電晶體Q1的第二極連接；第二電晶體Q2和第三電晶體Q3的第一極連接，並與第二電壓Vdd連接；第二電晶體Q2的第二極與第一電晶體Q1的第二極連接；第三電晶體Q3的第二極輸出斜坡補償電流信號Ic。
所述斜坡補償模塊32包括第二鏡像單元321和斜坡補償單元322。所述第二鏡像單元321與所述壓流轉換模塊31連接，用於將所述斜坡補償電流信號Ic鏡像到所述斜坡補償單元322；所述斜坡補償單元322用於根據所述斜坡補償電流信號Ic產生斜坡補償電壓信號Vc＝-K*Vin/(R1*C)，並根據斜坡補償電壓信號Vc對採樣電流信號Ic進行補償得到補償後的採樣電壓信號Vramp。
其中，Vramp＝-K*Vin*(R2+R3)/R1+Is*R2-K*Vin/(R1*C)。
所述第二鏡像單元321包括第四電晶體Q4和第五電晶體Q5。其中，第四電晶體Q4和第五電晶體Q5的控制極連接，並與第三電晶體Q3的第二極連接；第四電晶體Q4和第五電晶體Q5的第一極連接，並與接地端GND連接；第四電晶體Q4的第二極與第三電晶體Q3的第二極相連；第五電晶體Q5的第二極與斜坡補償單元322的輸入輸出端Vramp連接。
所述斜坡補償單元322包括電容C、開關S1、第二電阻R2和第三電阻R3。其中，電容C、第二電阻R2和第三電阻R3串聯連接在斜坡補償單元322的輸入輸出端Vramp和接地端GND之間；開關S1並聯連接在電容C的兩端；其中，採樣電流信號Is與第二電阻R2和第三電阻R3之間的節點連接。
在第一狀態下，即非採樣電流時刻，開關S閉合，此時Is＝0，Vramp＝-K*Vin*(R2+R3)/R1，電容兩端的電壓Vc＝0；在第二狀態下，即採樣電流時刻，開關S斷開，此時有採樣電流信號Is注入，同時斜坡補償電流信號Ic對電容C放電，即Vc＝-K*Vin/(R1*C)，則Vramp＝-K*Vin*(R2+R3)/R1+Is*R2-K*Vin/(R1*C)。
在一個優選的實施例中，所述斜坡補償模塊322還包括偏置電流源Ib，與電容C和第三電阻R3之間的節點連接。此時，Vramp＝(Ib-K*Vin/R1)*(R2+R3)+Is*R2-K*Vin/(R1*C)。
所述第一電晶體Q1、第四電晶體Q4和第五電晶體Q5為N型的三極體或場效應電晶體，第一極為三極體的發射極或者場效應電晶體的源極，第二極為三極體的集電極或者場效應電晶體的漏極，控制極為三極體的基極或者場效應電晶體的柵極。
所述第二電晶體Q2和第三電晶體Q4為P型的三極體或場效應電晶體，第一極為三極體的發射極或者場效應電晶體的源極，第二極為三極體的集電極或者場效應電晶體的漏極，控制極為三極體的基極或者場效應電晶體的柵極。
所述功率變換裝置還包括負載電路50，其中，所述負載電路50包括負載電容Cload、第一分壓電阻Ra、第二分壓電阻Rb以及負載電阻Rload；所述負載電容Cload與所述負載電阻Rload並聯連接在輸出電壓端Vout和接地端GND之間；所述第一分壓電阻Ra和第二分壓電阻Rb串聯連接在輸出電壓端Vout和接地端GND之間。
其中，所述控制電路40還與所述第一分壓電阻Ra和第二分壓電阻Rb之間的節點連接，根據分壓信號和斜坡補償後的採樣電壓信號Vramp生成PWM信號。
圖5示出了本實用新型實施例提供的功率變換裝置的開關時序、電感電流、採樣電流信號、斜坡補償電壓以及補償後的採樣電壓信號的波形圖。在第一狀態下，PWM＝1時，第一功率開關管M1導通，第二功率開關管M2關斷，電感電流IL上升，其上升斜率為Vin/L；在第二狀態下，PWM＝0，第一功率開關管M1關斷，第二功率開關管M2導通，電感電流IL下降，其下降斜率為(Vout-Vin)/L。電感電流IL被以係數K採樣為Is。
在第一狀態下，PWM＝1，為非電流採樣時刻，開關S1閉合，電容C兩端的電壓復位為0；在第二狀態下，PWM＝0，為電流採樣時刻，開關S1斷開，斜坡補償電流Ic對電容C放電。
本實用新型實施例提供的功率變換裝置，通過將斜坡補償電流信號轉換成斜坡補償電壓信號，以電壓疊加的方式對採樣電流信號進行補償。本實用新型實施例由於減少了放大器的使用進而減小電路的佔用面積，且以電壓疊加的方式對採樣電流信號進行補償，使電路對電流的要求較小，可以通過調節電容值來實現相同的斜坡補償效果。
依照本實用新型的實施例如上文所述，這些實施例並沒有詳盡敘述所有的細節，也不限制該實用新型僅為所述的具體實施例。顯然，根據以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取並具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本實用新型的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能很好地利用本實用新型以及在本實用新型基礎上的修改使用。本實用新型的保護範圍應當以本實用新型權利要求所界定的範圍為準。