一種電流滯環控制BUCK電路的製作方法

2023-09-10 20:57:00

本發明屬於電力電子技術，具體涉及一種電流滯環控制buck電路。

背景技術：

在buck型電路中，一般包括功率級電路和控制電路，控制電路用於控制功率級電路主功率開關管的開關狀態，以調節輸出電壓，使輸出電壓低於輸入電壓。控制電路需要根據輸出電壓的變化，反饋控制主功率開關管的開關狀態。

現有的buck型電路(降壓式變換電路)大多採用電壓模和峰值電流模的控制方式。這些控制方式屬於線性控制，環路的帶寬受限於開關頻率，而開關頻率又受限於效率，故動態響應速度難以提升。電流滯環控制屬於紋波控制，是一種非線性控制，可以在動態響應的瞬間改變開關管的狀態，故提高了動態響應速度，同時這種控制方式在斷續導通(dcm)模式下可以隨負載動態改變開關頻率，從而提高了效率。但這種控制方式的缺點是頻率受到輸入電壓、寄生效應等多種因素影響，容易不穩定，造成電磁幹擾，對其現有解決方法是引入鎖相環使開關頻率鎖定到參考頻率，但是引入鎖相環導致了輕負載下頻率不能隨負載動態變化，因此降低了效率。

技術實現要素：

本發明提供一種電流滯環控制buck電路，解決現有電流滯環控制buck電路效率低的問題，並使電磁幹擾易於控制。

本發明所提供的一種電流滯環控制buck電路，包括功率級電路、採樣反饋補償電路、電流滯環控制電路、窗口產生電路、零點檢測電路、開關控制電路、參考頻率選擇電路和鎖相環電路；

所述功率級電路，將直流輸入電壓降低給出輸出電壓和功率管連接節點電壓信號；

所述採樣反饋補償電路，對功率級電路中的電感電流和負載電流進行採樣並對輸出電壓進行反饋補償，得到的電感電流採樣信號提供給電流滯環控制電路，負載電流採樣信號提供給參考頻率產生電路，輸出反饋補償電壓提供給窗口產生電路；

所述電流滯環控制電路，根據電感電流採樣信號和輸出電壓的疊加電壓信號和滯環窗口電壓比較的結果產生佔空比信號，用於控制開關控制電路及所述鎖相環電路；

所述窗口產生電路，根據反饋補償電壓和鎖相環電路輸出的窗口調節信號產生窗口上限電壓和窗口下限電壓，提供給電流滯環控制電路以產生佔空比信號；

所述零點檢測電路，檢測電感電流過零點，並產生零點檢測信號用於調節開關控制電路的輸出；

所述開關控制電路，根據電流滯環控制電路輸出的佔空比信號和零點檢測電路輸出的零點檢測信號，產生第一開關控制信號和第二開關控制信號，用於控制功率級電路中的開關管；

所述參考頻率選擇電路，根據負載電流採樣信號和和第一閾值電壓、第二閾值電壓、第三閾值電壓比較的結果，選擇由基礎頻率分頻產生的四個頻率中的一個為參考頻率提供給鎖相環電路；

所述鎖相環電路，用於將開關頻率鎖定到參考頻率，並產生窗口調節信號提供給窗口產生電路。

所述功率級電路可以包括pmos管、第一nmos管、電感和第一電容；pmos管的源極連接輸入直流電壓，漏極與所述第一nmos管的漏極連接並連接電感一端，電感另一端通過第一電容連接地電平，pmos管的柵極連接第一開關控制信號；所述第一nmos管的源極接地電平，柵極連接第二開關控制信號；pmos 管的漏極和第一nmos管的漏極連接節點電壓信號輸出到零點檢測電路。

所述反饋採樣補償電路可以包括電感電流採樣子電路、負載電流採樣子電路、輸出電壓採樣子電路和輸出電壓反饋補償子電路；所述電感電流採樣子電路由第一電阻和第二電容構成，第一電阻和第二電容串聯後與所述功率級電路中的電感並聯，第二電容兩端的電壓為電感電流採樣信號，而第一電阻和第二電容連接節點的電壓為輸出電壓和電感電流採樣信號的疊加電壓信號，送至所述電流滯環控制電路；所述負載電流採樣子電路由第六電阻、第四電容和第一誤差放大器構成，第一誤差放大器的正相輸入端和反相輸入端分別連接到第二電容的兩端，第一誤差放大器輸出端通過第六電阻和第四電容連接到地，第六電阻和第四電容連接節點電壓輸出為負載電流採樣信號，送至所述參考頻率選擇電路；所述輸出電壓採樣子電路由第四電阻和第五電阻構成，第四電阻和第五電阻串聯後連接在輸出端和地電平之間，第五電阻兩端的電壓為輸出電壓採樣信號；

所述輸出電壓反饋補償子電路由第二誤差放大器、第二電阻、第三電阻和第三電容構成，第二誤差放大器的反相輸入端依次通過串聯的第三電容和第二電阻連接第二誤差放大器的輸出端，第二誤差放大器的反相輸入端同時通過第三電阻連接輸出電壓採樣信號，第二誤差放大器的正相輸入端連接第一參考電壓，第二誤差放大器輸出反饋補償電壓，送至窗口產生電路。

所述電流滯環控制電路由第一比較器、第二比較器和sr觸發器構成；第一比較器用於比較疊加電壓信號是否達到窗口上限電壓，第二比較器用於比較疊加電壓信號是否達到窗口下限電壓；第一比較器的正輸入端輸入窗口上限電壓，第一比較器的負輸入端和第二比較器的正輸入端連接並連接所述疊加電壓信號，第一比較器的輸出端和sr觸發器的s端連接；第二比較器的負輸入端輸入窗口下限電壓，第二比較器的輸出端和sr觸發器的r端連接；sr觸發器的q端輸出佔空比信號，送至所述開關控制電路以及所述鎖相環電路。

所述窗口產生電路包括第三誤差放大器，第三誤差放大器的正輸入端分別通過第七電阻、第八電阻連接窗口調節信號和輸出電壓反饋補償信號，第 三誤差放大器的負輸入端通過第九電阻連接地電平、並通過第十電阻連接第三誤差放大器的輸出端，第三誤差放大器輸出窗口上限電壓，送至所述電流滯環控制電路，窗口上限電壓等於輸出電壓反饋補償信號和窗口調節信號的和；輸出電壓反饋補償信號直接作為窗口下限電壓輸出。

所述零點檢測電路由第三比較器構成，第三比較器的正輸入端連接地電平，第三比較器的負輸入端連接到功率管連接節點電壓信號，第三比較器輸出端輸出零點檢測信號，提供給開關控制電路；

當功率管連接節點電壓信號大於零時，零點檢測信號為低電平，功率管連接節點電壓信號小於零時，零點檢測信號為高電平。

所述開關控制電路可以由反相器和與門構成，反相器輸入佔空比信號，輸出第一開關控制信號並送至與門的第一輸入端，與門的第二輸入端輸入零點檢測信號，與門的輸出端輸出第二開關控制信號。

所述參考頻率選擇電路，由第四比較器、第五比較器、第一多路選擇器、第二多路選擇器和分頻器構成；

第一閾值電壓和負載電流採樣信號分別送入所述第四比較器的正相輸入端、負相輸入端，第四比較器的輸出端分別連接第一多路選擇器的控制端和第二多路選擇器的第一控制端；第二閾值電壓和第三閾值電壓分別送入所述第一多路選擇器的兩個輸入端，第一多路選擇器的輸出端連接第五比較器的正相輸入端，負載電流採樣信號送入所述第五比較器的反相相輸入端，第五比較器的輸出端連接第二多路選擇器的第二控制端；基礎頻率送入所述分頻器的輸入端，分頻器的四個輸出端分別連接第二多路選擇器的四個輸入端，所述第二多路選擇器的輸出端輸出參考頻率信號；

分頻器的四個輸出端分別輸出頻率f1、f2、f3、f4，當第二多路選擇器的第一控制端、第二控制端信號分別為0、0時，選擇輸出頻率f1；當第二多路選擇器的第一控制端、第二控制端信號分別為0、1時，選擇輸出頻率f2；當第二多路選擇器的第一控制端、第二控制端信號分別為1、0時，選擇輸出頻率f3；當第二多路選擇器的第一控制端、第二控制端信號分別為1、1時， 選擇輸出頻率f4；其中，f1＝fclk,f2＝fclk/2,f3＝fclk/4,f4＝fclk/8。

所述鎖相環電路可以包括鑑頻鑑相器、電荷泵和低通濾波器；所述鑑頻鑑相器的開關頻率輸入端和參考頻率輸入端分別輸入佔空比信號、參考頻率信號，所述鑑頻鑑相器的up輸出端和dn輸出端分別連接電荷泵的第一輸入端和第二輸入端，電荷泵的輸出端連接低通濾波器的輸入端，低通濾波器輸出窗口調節信號，送至所述窗口產生電路。

本發明採用現有基於鎖相環的電流滯環控制方式，保留了其動態響應速度快的優點，同時針對其輕負載效率低的缺點，引入了零點檢測電路和參考頻率選擇電路；本發明中的疊加電壓信號vsen是快速反饋信號，可以直接響應輸入電壓vin和負載電流的變化，加快了動態響應速度，而vc信號是慢速反饋信號，可以消除穩態誤差。同時零點檢測電路使buck電路在重負載時工作在連續導通(ccm)模式，參考頻率fs恆定，而在輕負載時自動進入斷續導通(dcm)模式，參考頻率選擇電路在dcm模式下將根據負載大小選擇使效率最高的參考頻率fs，並通過鎖相環電路將開關頻率鎖定到此參考頻率fs，由於可選擇的頻率之間是倍數關係，使噪聲頻譜可以預測，因此在改變開關頻率提高效率的同時不會使電磁幹擾問題惡化。

附圖說明

圖1為本發明的電路模塊示意圖；

圖2為本發明實施例的電路結構示意圖；

圖3為窗口產生電路的電路結構示意圖；

圖4為零點檢測電路的電路結構示意圖；

圖5為開關控制電路的電路結構示意圖；

圖6為參考頻率選擇電路的電路結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明進一步描述，但本發明並不僅僅限於這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精神和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。

如圖1所示，本發明包括功率級電路10、採樣反饋補償電路20、電流滯環控制電路30、窗口產生電路40、零點檢測電路50、開關控制電路60、參考頻率選擇電路70和鎖相環電路80；

所述功率級電路10，將直流輸入電壓vin降低給出輸出電壓vout和功率管連接節點電壓信號vx；

所述採樣反饋補償電路20，對功率級電路10中的電感電流和負載電流進行採樣並對輸出電壓vout進行反饋補償，得到的電感電流採樣信號提供給電流滯環控制電路30，負載電流採樣信號isen提供給參考頻率產生電路70，輸出反饋補償電壓vc提供給窗口產生電路40；

所述電流滯環控制電路30，根據電感電流採樣信號和輸出電壓vout的疊加電壓信號vsen和滯環窗口電壓比較的結果產生佔空比信號d，用於控制開關控制電路60及所述鎖相環電路80；

所述窗口產生電路40，根據反饋補償電壓vc和鎖相環電路輸出的窗口調節信號vctrl產生窗口上限電壓win1和窗口下限電壓win2，提供給電流滯環控制電路30以產生佔空比信號d；

所述零點檢測電路50，檢測電感電流過零點，並產生零點檢測信號vz用於調節開關控制電路60的輸出；

所述開關控制電路60，根據電流滯環控制電路30輸出的佔空比信號d和零點檢測電路50輸出的零點檢測信號vz，產生第一開關控制信號vp和第二開關控制信號vn，用於控制功率級電路10中的開關管；

所述參考頻率選擇電路70，根據負載電流採樣信號isen和第一閾值電壓v1、第二閾值電壓v2、第三閾值電壓v3比較的結果，選擇由基礎頻率fclk分頻產生的四個頻率中的一個為參考頻率fs提供給鎖相環電路80；

所述鎖相環電路80，用於將開關頻率鎖定到參考頻率，並產生窗口調節 信號vctrl提供給窗口產生電路40。

如圖2所示，本實施例中，所述功率級電路10包括pmos管mp、第一nmos管mn1、電感l和第一電容c1；pmos管mp的源極連接輸入直流電壓vin，漏極與所述第一nmos管mn1的漏極連接並連接電感l一端，電感l另一端通過第一電容c1連接地電平，pmos管mp的柵極連接第一開關控制信號vp；所述第一nmos管mn1的源極接地電平，柵極連接第二開關控制信號vn；pmos管mp的漏極和第一nmos管mn1的漏極連接節點電壓信號vx輸出到零點檢測電路50。

所述反饋採樣補償電路20包括電感電流採樣子電路、負載電流採樣子電路、輸出電壓採樣子電路和輸出電壓反饋補償子電路；所述電感電流採樣子電路由第一電阻r1和第二電容c2構成，第一電阻r1和第二電容c2串聯後與所述功率級電路中的電感l並聯，第二電容c2兩端的電壓為電感電流採樣信號，而第一電阻和第二電容連接節點的電壓為輸出電壓和電感電流採樣信號的疊加電壓信號vsen，送至所述電流滯環控制電路；所述負載電流採樣子電路由第六電阻r6、第四電容c4和第一誤差放大器a1構成，第一誤差放大器a1的正相輸入端和反相輸入端分別連接到第二電容c2的兩端，第一誤差放大器a1輸出端通過第六電阻r6和第四電容c4連接到地，第六電阻r6和第四電容c4連接節點電壓輸出為負載電流採樣信號isen，送至所述參考頻率選擇電路；

所述輸出電壓採樣子電路由第四電阻r4和第五電阻r5構成，第四電阻r4和第五電阻r5串聯後連接在輸出端vout和地電平之間，第五電阻r5兩端的電壓為輸出電壓採樣信號fb；

所述輸出電壓反饋補償子電路由第二誤差放大器a2、第二電阻r2、第三電阻r3和第三電容c3構成，第二誤差放大器a2的反相輸入端依次通過串聯的第三電容c3和第二電阻r2連接第二誤差放大器a2的輸出端，第二誤差放大器a2的反相輸入端同時通過第三電阻r3連接輸出電壓採樣信號fb，第二 誤差放大器a2的正相輸入端連接第一參考電壓vref1，第二誤差放大器a2輸出反饋補償電壓vc，送至窗口產生電路40。

所述電流滯環控制電路30由第一比較器comp1、第二比較器comp2和sr觸發器構成；第一比較器用於比較疊加電壓信號vsen是否達到窗口上限電壓win1，第二比較器用於比較疊加電壓信號vsen是否達到窗口下限電壓win2；第一比較器comp1的正輸入端輸入窗口上限電壓win1，第一比較器comp1的負輸入端和第二比較器comp2的正輸入端連接並連接所述疊加電壓信號vsen，第一比較器comp1的輸出端和sr觸發器的s端連接；第二比較器comp2的負輸入端輸入窗口下限電壓win2，第二比較器comp2的輸出端和sr觸發器的r端連接；sr觸發器的q端輸出佔空比信號d，送至所述開關控制電路60以及所述鎖相環電路。

如圖3所示，所述窗口產生電路40包括第三誤差放大器a3，第三誤差放大器a3的正輸入端分別通過第七電阻r7、第八電阻r8連接窗口調節信號vctrl和輸出電壓反饋補償信號vc，第三誤差放大器a3的負輸入端通過第九電阻r9連接地電平、並通過第十電阻r10連接第三誤差放大器a3的輸出端，第三誤差放大器a3輸出窗口上限電壓win1，送至所述電流滯環控制電路30，窗口上限電壓win1等於輸出電壓反饋補償信號vc和窗口調節信號vctrl的和；輸出電壓反饋補償信號vc直接作為窗口下限電壓win2輸出。

如圖4所示，所述零點檢測電路50由第三比較器comp3構成，第三比較器comp3的正輸入端連接地電平，第三比較器comp3的負輸入端連接到功率管連接節點電壓信號vx，第三比較器comp3輸出端輸出零點檢測信號vz，提供給開關控制電路60；

當功率管連接節點電壓信號vx大於零時，零點檢測信號vz為低電平，功率管連接節點電壓信號vx小於零時，零點檢測信號vz為高電平。

如圖5所示，所述開關控制電路60由反相器u1和與門u2構成，反相器u1輸入佔空比信號d，輸出第一開關控制信號vp並送至與門u2的第一輸入端，與門u2的第二輸入端輸入零點檢測信號vz，與門u2的輸出端輸出第二 開關控制信號vn。

如圖6所示，所述參考頻率選擇電路70，由第四比較器comp4、第五比較器comp5、第一多路選擇器mux1、第二多路選擇器mux2和分頻器divider構成；

第一閾值電壓v1和負載電流採樣信號isen分別送入所述第四比較器comp4的正相輸入端、負相輸入端，第四比較器comp4的輸出端分別連接第一多路選擇器mux1的控制端和第二多路選擇器mux2的第一控制端；第二閾值電壓v2和第三閾值電壓v3分別送入所述第一多路選擇器mux1的兩個輸入端，第一多路選擇器mux1的輸出端連接第五比較器comp5的正相輸入端，負載電流採樣信號isen送入所述第五比較器comp5的反相相輸入端，第五比較器comp5的輸出端連接第二多路選擇器mux2的第二控制端；基礎頻率fclk送入所述分頻器divider的輸入端，分頻器divider的四個輸出端分別連接第二多路選擇器mux2的四個輸入端，所述第二多路選擇器mux2的輸出端輸出參考頻率信號fs；

分頻器divider的四個輸出端分別輸出頻率f1、f2、f3、f4，當第二多路選擇器mux2的第一控制端、第二控制端信號分別為0、0時，選擇輸出頻率f1；當第二多路選擇器mux2的第一控制端、第二控制端信號分別為0、1時，選擇輸出頻率f2；當第二多路選擇器mux2的第一控制端、第二控制端信號分別為1、0時，選擇輸出頻率f3；當第二多路選擇器mux2的第一控制端、第二控制端信號分別為1、1時，選擇輸出頻率f4；其中，f1＝fclk,f2＝fclk/2,f3＝fclk/4,f4＝fclk/8。

所述鎖相環電路80包括鑑頻鑑相器、電荷泵和低通濾波器；所述鑑頻鑑相器的開關頻率輸入端和參考頻率輸入端分別輸入佔空比信號d、參考頻率信號clk，所述鑑頻鑑相器的up輸出端和dn輸出端分別連接電荷泵的第一輸入端和第二輸入端，電荷泵的輸出端連接低通濾波器的輸入端，低通濾波器輸出窗口調節信號vctrl，送至所述窗口產生電路40。

作為一個實施例,各器件具體參數如下：

vin＝3.3v，vout＝1.2v，負載電流為15ma-800ma，pmos管mp型號為irf7204，第一nmos管mn1型號為irf6617，l＝3uh，c2＝100nf,r1＝1kω,c1＝10uf，r2＝2kω,r3＝1kω，c3＝15nf,第一誤差放大器a1、第二誤差放大器a2、第三誤差放大器a3的型號均為美國德州儀器公司的lm318，第一比較器comp1、第二比較器comp2、第三比較器comp3、第四比較器comp4、第五比較器comp5的型號均為美國德州儀器公司的lm311,與門的型號為飛利浦半導體公司的hc08d,反相器的型號為飛利浦半導體公司的hc04d，sr觸發器的型號為飛利浦半導體公司的74ls71，ccm模式下開關頻率f＝1mhz，dcm模式下開關頻率隨負載電流大小在500khz,250khz,125khz之間變化。