專利名稱：適用于高頻降壓型電壓轉(zhuǎn)化器的自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于高頻降壓型電壓轉(zhuǎn)化器的自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路，該電路可以應(yīng)用于諸如手機(jī)、平板電腦、個(gè)人數(shù)字助理等電池供電的便攜式設(shè)備中。
背景技術(shù)：
在當(dāng)今消費(fèi)類電子市場(chǎng)中，電池供電的便攜式設(shè)備諸如智能手機(jī)、平板電腦、個(gè)人數(shù)字助理等在人們的生活中扮演著越來(lái)越重要的角色。因此，作為電源管理單元的高效率降壓型直流電壓轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命的必不可少的模塊。受到設(shè)備小型化和低成本的驅(qū)動(dòng)，開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器逐漸步入高頻領(lǐng)域，以減小諸如電感、電容等外部無(wú)源器件的體積。因此高頻降壓型直流轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為下一代的設(shè)計(jì)趨勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。而對(duì)于高頻降壓型直流轉(zhuǎn)換器要求控制器有更小的延時(shí)、更大的帶寬和更快的響應(yīng)速度。作為遲滯控制一種的導(dǎo)通時(shí)間控制模式憑借其先天簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)、快速的瞬態(tài)響應(yīng)以及無(wú)需復(fù)雜的補(bǔ)償元件，正取代傳統(tǒng)的電流模式或電壓模式受到設(shè)計(jì)室的青睞。但是這種控制方法本身存在受輸入輸出電壓和傳輸延時(shí)等因素影響的開關(guān)頻率不固定的問(wèn)題，該問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的EMI問(wèn)題，使得轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用受到限制。本發(fā)明針對(duì)應(yīng)用于高頻降壓型直流轉(zhuǎn)換器中的自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制器，通過(guò)自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路的作用，在輸入、輸出電壓或負(fù)載情況發(fā)生變化時(shí)，能通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)使開關(guān)頻率鎖定在所需頻率，解決了傳統(tǒng)遲滯模式開關(guān)頻率不固定的問(wèn)題，同時(shí)使DUTY信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)時(shí)鐘沿同步。因此可以擴(kuò)寬導(dǎo)通時(shí)間控制模式乃至遲滯模式在高頻降壓型直流轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適用于高頻降壓型電壓轉(zhuǎn)換器的自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路，以解決傳統(tǒng)的控制中開關(guān)頻率不固定的問(wèn)題。本發(fā)明提供的適用于高頻降壓型電壓轉(zhuǎn)換器的自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路，所述降壓型電壓轉(zhuǎn)換器電路由功率級(jí)和控制級(jí)電路組成，其中功率級(jí)由功率管PMOS、NMOS和濾波電感、電容組成；控制級(jí)由比較器、控制邏輯、自適用導(dǎo)通時(shí)間控制電路等模塊組成，其結(jié)構(gòu)見圖1所示。所述自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路由鑒頻鑒相器(PFD)、基于電荷泵的低通濾波器 (CPLPF)和電壓控制延時(shí)單元(V⑶)組成，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器每個(gè)周期的導(dǎo)通時(shí)間，其結(jié)構(gòu)見圖1所示。其中鑒頻鑒相器(PFD)由兩個(gè)D觸發(fā)器(Dl，D2)和一個(gè)與門(AND)組成，兩個(gè)D 觸發(fā)器D端均接高電位(VDD)，CK端分別接CLK信號(hào)(時(shí)鐘信號(hào))和DUTY信號(hào)(占空比信號(hào))， 輸出為UP信號(hào)(上升指示信號(hào))和DW信號(hào)(下降指示信號(hào))，經(jīng)過(guò)與門(AND)復(fù)位兩D觸發(fā)器；基于電荷泵的低通濾波器(CPLPF)由兩個(gè)電流源Il和12、兩開關(guān)Sl和S2、電阻Rp、兩個(gè)電容Cl和CP組成；電壓控制延時(shí)單元(V⑶)由組成電流鏡的兩個(gè)晶體管(M1，M2)及控制電容C2充放電的兩個(gè)晶體管(M3，M4)、電容C2和比較器(CMP)組成；所述自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路與控制邏輯針對(duì)DUTY信號(hào)形成負(fù)反饋環(huán)路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)頻率的鎖定。本發(fā)明中，每個(gè)周期的導(dǎo)通時(shí)間即為電容C2充電至閾值VTH的時(shí)間。鑒頻鑒相器通過(guò)比較器(CMP)比較DUTY信號(hào)(占空比信號(hào))與CLK信號(hào)(時(shí)鐘信號(hào))的上升沿產(chǎn)生UP信號(hào)(上升指示信號(hào))和DW信號(hào)(下降指示信號(hào))，從而控制基于電荷泵的低通濾波器中的開關(guān) Sl或S2，分別導(dǎo)通電流源Il或12 ；因此電容Cl上的充電電荷發(fā)生變化，該模塊輸出，也就是壓控延時(shí)單元的閾值電壓VTH相應(yīng)的產(chǎn)生變化，控制電容C2的充電時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋使得DUTY信號(hào)逐漸與CLK對(duì)齊，達(dá)到鎖定頻率的目的。如DUTY信號(hào)上升時(shí)間領(lǐng)先于CLK 信號(hào)，則鑒頻鑒相器產(chǎn)生DW信號(hào)導(dǎo)通開關(guān)S2，電流源12對(duì)電容Cl放電，從而閾值電壓VTH 下降，導(dǎo)通時(shí)間減小，通過(guò)與控制邏輯構(gòu)成的負(fù)反饋環(huán)路，使得DUTY與CLK對(duì)齊。當(dāng)轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出電壓或者負(fù)載情況等因素變化時(shí)，轉(zhuǎn)換器通過(guò)導(dǎo)通時(shí)間控制電路的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，鎖定開關(guān)頻率至所給頻率，解決了傳統(tǒng)的控制中開關(guān)頻率不固定的問(wèn)題。


圖1是高頻降壓型直流電壓轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)。圖2是本發(fā)明設(shè)計(jì)的自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路。圖3是帶自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路的高頻降壓型電壓轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)態(tài)測(cè)試圖。圖4是不同負(fù)載情況下自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路頻率鎖定功能的仿真結(jié)果。
具體實(shí)施例方式以下根據(jù)附圖及設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明設(shè)計(jì)的是一種應(yīng)用于高頻降壓型直流電壓轉(zhuǎn)換器的自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路。該電路的典型應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖1所示。高頻降壓型直流電壓轉(zhuǎn)換器主要由功率級(jí)電路和控制級(jí)電路組成。其中功率級(jí)由功率管PM0S、NM0S和濾波電感、電容組成；控制級(jí)由比較器、控制邏輯、自適用導(dǎo)通時(shí)間控制器等模塊組成?？刂萍?jí)電路中產(chǎn)生的DUTY信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生非重疊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別控制功率管PMOS和NMOS的導(dǎo)通與關(guān)斷。當(dāng)PMOS管導(dǎo)通而NMOS管關(guān)斷時(shí)，電感左端直接連接電源，電源通過(guò)電感對(duì)輸出電容充電，電感電流上升，輸出電壓上升。經(jīng)過(guò)固定的導(dǎo)通時(shí)間后，NMOS管導(dǎo)通而PMOS管關(guān)斷時(shí)，電感左端直接連地，輸出電容通過(guò)續(xù)流二極管和電感放電，電感電流下降，輸出電壓下降。當(dāng)輸出電壓下降到VREF值以下時(shí)，比較器輸出觸發(fā)控制邏輯再次開啟PMOS而關(guān)斷NM0S。而自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制器的作用除了產(chǎn)生一個(gè)固定的導(dǎo)通時(shí)間外，和通過(guò)負(fù)反饋?zhàn)饔脤?duì)開關(guān)頻率進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)節(jié)，最終鎖定到設(shè)計(jì)值。圖2是自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生電路詳細(xì)的結(jié)構(gòu)圖。自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路由鑒頻鑒相器(PFD)、基于電荷泵的低通濾波器(CPLPF)和電壓控制延時(shí)單元(V⑶)組成，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器每個(gè)周期的導(dǎo)通時(shí)間。自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路與控制邏輯針對(duì)DUTY信號(hào)形成負(fù)反饋環(huán)路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)頻率的鎖定，解決了傳統(tǒng)的控制方法中開關(guān)頻率隨輸入輸出電壓及負(fù)載情況變化的問(wèn)題。其工作原理如下每個(gè)周期的導(dǎo)通時(shí)間即為電容C2充電至閾值VTH的時(shí)間。鑒頻鑒相器通過(guò)比較DUTY信號(hào)與CLK信號(hào)的上升沿產(chǎn)生UP和DW信號(hào)， 從而控制基于電荷泵的低通濾波器中的開關(guān)Sl或S2，分別導(dǎo)通電流源Il或12。因此電容 Cl上的充電電荷發(fā)生變化，該模塊輸出，也就是壓控延時(shí)單元的閾值電壓VTH相應(yīng)的產(chǎn)生變化，控制電容C2的充電時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋使得DUTY信號(hào)逐漸與CLK對(duì)齊，達(dá)到鎖定頻率的目的。如DUTY信號(hào)上升時(shí)間領(lǐng)先于CLK信號(hào)，則鑒頻鑒相器產(chǎn)生DW信號(hào)導(dǎo)通開關(guān) S2，電流源12對(duì)電容Cl放電，從而閾值電壓VTH下降，導(dǎo)通時(shí)間減小，通過(guò)與控制邏輯構(gòu)成的負(fù)反饋環(huán)路，使得DUTY與CLK對(duì)齊。圖3是帶自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路的高頻降壓型電壓轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)態(tài)測(cè)試圖?？梢娮赃m應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路將轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率很好的固定在IOMHz，穩(wěn)態(tài)下穩(wěn)定性尚可。圖4是不同負(fù)載情況下自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路頻率鎖定功能的仿真結(jié)果?？梢?，在寬輸出負(fù)載(Tl500mA范圍內(nèi)，所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路能夠很好的將轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率固定在IOMHz附近，其誤差范圍可控制在1%左右。而不適用該自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路的同樣的轉(zhuǎn)換器，其開關(guān)頻率在整個(gè)負(fù)載變化范圍內(nèi)變動(dòng)較大，頻率誤差可達(dá)到10%以上。
權(quán)利要求
1.一種適用于高頻降壓型電壓轉(zhuǎn)換器的自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路，所述降壓型電壓轉(zhuǎn)換器電路由功率級(jí)和控制級(jí)電路組成，其中功率級(jí)由功率管PMOS、NMOS和濾波電感、電容組成；控制級(jí)由比較器、控制邏輯、自適用導(dǎo)通時(shí)間控制電路模塊組成，其特征在于所述自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路由鑒頻鑒相器(PFD)、基于電荷泵的低通濾波器(CPLPF)和電壓控制延時(shí)單元(VCD)組成，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器每個(gè)周期的導(dǎo)通時(shí)間；其中鑒頻鑒相器(PFD)由兩個(gè)D觸發(fā)器(Dl，D2)和一個(gè)與門(AND)組成，兩個(gè)D觸發(fā)器D端均接高電位(VDD)，CK端分別接時(shí)鐘信號(hào)CLK和占空比信號(hào)DUTY，輸出為上升指示信號(hào)UP信號(hào)和下降指示信號(hào)DW信號(hào)，經(jīng)過(guò)與門(AND)復(fù)位兩D觸發(fā)器；基于電荷泵的低通濾波器(CPLPF)由兩個(gè)電流源Il 和12、兩開關(guān)Sl和S2、電阻Rp、兩個(gè)電容Cl和CP組成；電壓控制延時(shí)單元(V⑶)由組成電流鏡的兩個(gè)晶體管(Ml，M2)及控制電容C2充放電的兩個(gè)晶體管(M3，M4)、電容C2和比較器(CMP)組成；所述自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路與控制邏輯針對(duì)DUTY信號(hào)形成負(fù)反饋環(huán)路， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)頻率的鎖定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路，其特征在于每個(gè)周期的導(dǎo)通時(shí)間即為電容C2充電至閾值VTH的時(shí)間；鑒頻鑒相器通過(guò)比較器(CMP)比較DUTY信號(hào)與CLK 信號(hào)的上升沿產(chǎn)生UP信號(hào)和DW信號(hào)，從而控制基于電荷泵的低通濾波器中的開關(guān)Sl或 S2，分別導(dǎo)通電流源Il或12 ；電容Cl上的充電電荷發(fā)生變化，該模塊輸出，也就是壓控延時(shí)單元的閾值電壓Vth相應(yīng)的產(chǎn)生變化，控制電容C2的充電時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋使得DUTY 信號(hào)逐漸與CLK對(duì)齊，達(dá)到鎖定頻率的目的。
全文摘要
本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種用于高頻降壓型電壓轉(zhuǎn)化器的自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路。所述降壓型電壓轉(zhuǎn)換器電路由功率級(jí)和控制級(jí)電路組成，其中功率級(jí)由功率管PMOS、NMOS和濾波電感、電容組成；控制級(jí)由比較器、控制邏輯、自適用導(dǎo)通時(shí)間控制電路模塊組成。自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路由鑒頻鑒相器、基于電荷泵的低通濾波器和電壓控制延時(shí)單元組成，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器每個(gè)周期的導(dǎo)通時(shí)間；自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制電路與控制邏輯針對(duì)DUTY信號(hào)形成負(fù)反饋環(huán)路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)頻率的鎖定。本發(fā)明導(dǎo)通時(shí)間控制優(yōu)于傳統(tǒng)電流或電壓模式控制方式，響應(yīng)快速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用于各種便攜式電子設(shè)備的電源管理芯片中。
文檔編號(hào)H02M3/156GK102332823SQ20111026374
公開日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月7日
發(fā)明者呂旦竹, 洪志良, 虞佳樂(lè) 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)