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CN117439371A - 一种恒定均方根电压输出电路 - Google Patents

一种恒定均方根电压输出电路 Download PDF

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CN117439371A CN202311339991.1A CN202311339991A CN117439371A CN 117439371 A CN117439371 A CN 117439371A CN 202311339991 A CN202311339991 A CN 202311339991A CN 117439371 A CN117439371 A CN 117439371A
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李琴鹏
孙江
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Abstract

本发明涉及集成电路领域，特别涉及一种恒定均方根电压输出电路，主旨在于能够在不同电源电压下使输出功率恒定，且具有效率高、面积小的优点。主要方案包括均方根电压产生电路(1)、第一锯齿波产生电路(2)、第一比较器(3)、第一反相器(4)、第二反相器(5)、低通滤波电路(6)、第二锯齿波产生电路(7)、第二比较器电路(8)、功率驱动电路(9)、输出级电路(10)。本发明电路简单没有复杂的外围电路，大大降低了电路成本。功率损耗主要来源于第一PMOS管的导通损耗和开关损耗，相对于输出功率来说很小，因此，输出效率高。

Description

一种恒定均方根电压输出电路
技术领域
本发明涉及集成电路领域，特别涉及一种恒定均方根电压输出电路。
背景技术
电子烟、电子点火器等电子产品通过加热发热丝的方式来实现雾化和点火。如果直接采用直流电源对发热丝进行加热，则在不同电源电压下，发热丝的功率会发生变化。如果采用BUCK电路对发热丝进行加热，虽然能实现功率的恒定，但是需要更多的外围电路，电路成本会大大提高。如果采用LDO对发热丝进行加热，虽然能满足功率和面积要求，但是LDO的低效率会导致能量的损耗。
如2020110621901公开了一种恒定均方根电压输出装置及方法，电路中有大量数字电路且数字电路存在较大的系统误差，需要对后续对电路进行修调。
发明内容
鉴于上述，本发明的发明目的是提供一种恒定均方根电压输出电路，能够在不同电源电压下使输出功率恒定，且具有效率高、面积小的优点。
为了实现上述目的本发明采用以下技术手段：
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种恒定均方根电压输出电路，包括均方根电压产生电路、第一锯齿波产生电路、第一比较器电路、第一反相器电路、第二反相器电路、低通滤波电路、第二锯齿波产生电路、第二比较器电路、功率驱动电路、输出级电路；
所述均方根电压产生电路，输出端与第一比较器同相输入端相连；所述均方根电压产生电路输出预设恒定均方根电压VRMS；
所述第一锯齿波产生电路，输出端与第一比较器反相输入端相连；所述第一锯齿波产生电路输出周期锯齿波；
所述第一比较器电路，同相输入端与均方根电压产生电路输出端相连，反相输入端与第一锯齿波产生电路输出相连，其输出与第一反相器输入端相连；所述第一比较器电路将第一锯齿波与VRMS比较，输出占空比为VRMS/VCC的第一PWM波，输出PWM波的高电平为VCC，其中，VCC为电源电压；
所述第一反相器，输入端与第一比较器输出端相连，输出端与第二反相器输入端相连；
所述第二反相器，输入端与第一反相器输出端相连，输出端与低通滤波电路输入端相连；所述第二反相器电源端接VRMS，输出占空比为VRMS/VCC的第二PWM波，输出第二PWM波的高电平为VRMS；
所述低通滤波电路，输入端与第二反相器输出端相连，输出端与第二比较器同相输入端相连；所述低通滤波电路将输入PWM波高频分量滤除，输出直流电压VDC＝VRMS*VRMS/VCC；
所述第二锯齿波产生电路，输出端与第二比较器反相输入端相连；所述第二锯齿波产生电路输出周期锯齿波；
所述第二比较器电路，同相输入端与低通滤波电路输出端相连，反相输入端与第二锯齿波产生电路输出端相连，输出端与功率驱动电路输入端相连；所述第三比较器电路将第二锯齿波与VDC比较，输出占空比为VRMS*VRMS/(VCC*VCC)的第三PWM波，输出第二PWM波的高电平为VCC；
所述功率驱动电路，输入端与第二比较器输出端相连，输出端与输出级输入相连；所述功率驱动电路提高输入PWM波的驱动能力；
所述输出级电路，输入端与功率驱动电路输出相连，输出为OUT；所述输出级电路输入为第一PMOS管的栅极，输出为第一PMOS管的漏极，第一PMOS管源极与VCC相连，漏极与负载RL相连。
进一步地，所述均方根电压产生电路包括带隙基准电路、运算放大器电路、第一电阻R1、第二电阻R2、第二PMOS管；
所述带隙基准电路，输出端与运算放大器电路反相输入端相连；所述带隙基准电路输出对电源电压、温度不敏感的带隙基准电压(VREF)；
所述运算放大器电路，同相输入端与R1一端相连，反相输入端与带隙基准电路输出端相连，输出端与第二PMOS管栅极相连；
所述第一电阻，接在地与运算放大器同相输入端之间；
所述第二电阻，接在运算放大器同相端与第二PMOS管漏极之间；
所述第二PMOS管，栅极与运算放大器输出端相连，源极与电源电压VCC相连，漏极与第二电阻相连。
进一步地，所述均方根电压产生电路的输出电压VRMS为第二PMOS管漏极电压，所述均方根电压产生电路，通过运算放大器的虚短将运算放大器正负输入端的电压钳位，使电阻R1上的电压等于VREF，则输出电压VRMS＝VREF*(R2+R1)/R1。
进一步地，所述第一锯齿波产生电路输出的锯齿波频率小于低通滤波器电路的上限频率。
进一步地，所述输出级电路输出第四PWM波的平均功率P＝VOUT*VOUT*VRMS*VRMS/(VCC*VCC*RL)，且
VOUT＝VCC*(RL/(RL+Ron))，由于
RL＞＞Ron，则
P＝VRMS*VRMS/RL，
式中，VOUT为输出第四PWM波高电平的电位；Ron为第一PMOS管的导通电阻。
进一步地，所述输出PWM波的功率P是一个与VCC无关的量，在VCC变化时，输出平均功率保持恒定。
进一步地，所述输出级电路输出的第四PWM波的频率与所述第二锯齿波产生输出锯齿波频率相同，通过调整所述第二锯齿波产生电路的频率来调整第四PWM波频率。
本发明地有益效果如下：
本发明一种恒定均方根电压输出电路，第一比较器将第一锯齿波与VRMS比较，输出占空比为VRMS/VCC、高电平为VCC的第一PWM波，输出PWM波经过反相器电平转换和低通滤波之后输出直流电压VDC＝VRMS*VRMS/VCC，再将VDC与第二锯齿波比较输出占空比为VRMS*VRMS/(VCC*VCC)的第三PWM波，将第三PWM波增强驱动能力后用于驱动PMOS功率管，从而获得平均功率不随电源电压变化的输出信号。
因为本发明采用上述技术手段，因此具备以下有益效果：
本发明一种恒定均方根电压输出电路，电路简单没有复杂的外围电路，大大降低了电路成本。
本发明一种恒定均方根电压输出电路，功率损耗主要来源于第一PMOS管的导通损耗和开关损耗，相对于输出功率来说很小，因此，输出效率高。
本发明一种恒定均方根电压输出电路，电路采用模拟电路设计，没有复杂的数字电路，电路原理简单。电路系统误差主要来源于功率管的导通电阻随电源电压的变化，但相对于负载电阻来说可以忽略。
附图说明
图1为本发明恒定均方根电压输出电路原理图；
图2为本发明均方根电压产生电路原理图；
图中1为均方根电压产生电路，2为第一锯齿波产生电路，3为第一比较器电路，4为第一反相器电路，5为第二反相器电路，6为低通滤波电路，7为第二锯齿波产生电路，8为第二比较器电路，9为功率驱动电路，10为输出级电路。
具体实施方式
以下将对本发明的实施例给出详细的说明。尽管本发明将结合一些具体实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。
下面结合图1至图2，对本发明作详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种恒定均方根值电压输出电路，包括均方根电压产生电路、第一锯齿波产生电路、第一比较器电路、第一反相器电路、第二反相器电路、低通滤波电路、第二锯齿波产生电路、第二比较器电路、功率驱动电路、输出级电路；
所述均方根电压产生电路，输出端与第一比较器同相输入端相连；所述均方根电压产生电路输出预设恒定均方根电压VRMS；
所述第一锯齿波产生电路，输出端与第一比较器反相输入端相连；所述第一锯齿波产生电路输出周期锯齿波；
所述第一比较器电路，同相输入端与均方根电压产生电路输出端相连，反相输入端与第一锯齿波产生电路输出相连，其输出与第一反相器输入端相连；所述第一比较器电路将第一锯齿波与VRMS比较，输出占空比为VRMS/VCC的第一PWM波，输出第一PWM波的高电平为VCC，其中，VCC为电源电压；
所述第一反相器，输入端与第一比较器输出端相连，输出端与第二反相器输入端相连；
所述第二反相器，输入端与第一反相器输出端相连，输出端与低通滤波电路输入端相连；所述第二反相器电源端接VRMS，输出占空比为VRMS/VCC的第二PWM波，输出第二PWM波的高电平为VRMS；
所述低通滤波电路，输入端与第二反相器输出端相连，输出端与第二比较器同相输入端相连；所述低通滤波电路将输入PWM波高频分量滤除，输出直流电压VDC＝VRMS*VRMS/VCC；
所述第二锯齿波产生电路，输出端与第二比较器反相输入端相连；所述第二锯齿波产生电路输出周期锯齿波；
所述第二比较器电路，同相输入端与低通滤波电路输出端相连，反相输入端与第二锯齿波产生电路输出端相连，输出端与功率驱动电路输入端相连；所述第二比较器电路将第二锯齿波与VDC比较，输出占空比为VRMS*VRMS/(VCC*VCC)的第三PWM波，输出第三PWM波的高电平为VCC；
所述功率驱动电路，输入端与第二比较器输出端相连，输出端与输出级输入相连；所述功率驱动电路提高输入PWM波的驱动能力；
所述输出级电路，输入端与功率驱动电路输出相连，输出为OUT；所述输出级电路输入为第一PMOS管的栅极，输出为第一PMOS管的漏极，第一PMOS管源极与VCC相连，漏极与负载RL相连。
本实施例的工作原理如下：
第一比较器将第一锯齿波与VRMS比较，输出占空比为VRMS/VCC、高电平为VCC的第一PWM波，输出第一PWM波经过反相器电平转换和低通滤波之后输出直流电压VDC＝VRMS*VRMS/VCC，再将VDC与第二锯齿波比较输出占空比为VRMS*VRMS/(VCC*VCC)的第三PWM波，将第三PWM波增强驱动能力后，用于驱动第一PMOS管，输出平均功率P＝VOUT*VOUT*VRMS*VRMS/(VCC*VCC*RL)的第四PWM波，由于VOUT＝VCC*(RL/(RL+Ron))且RL＞＞Ron，其中，VOUT为第四PWM波高电平，Ron为第一PMOS的导通电阻，则输出平均功率近似为P＝VRMS*VRMS/RL，与电源电压VCC无关，可保持基本恒定。
举例来说，当Ron＝40mΩ，RL＝1Ω，第一PMOS管阈值电压VTH＝0.7V，电源3.2V～4.2V时，Ron变化量ΔRon＝40mΩ*(1/(3.2-0.7)-(1/(4.2-0.7))＝4.6mΩ，输出功率变化量ΔP＝P*(1/(1+0.0354)2-1/(1+0.04)2)＝0.82％P，系统误差率η＝0.82％几乎可以忽略。
实施例2
本实施例基于实施例1的一种恒定均方根电压输出电路。
具体地，参阅图2，所述均方根电压产生电路包括带隙基准电路、运算放大器电路、第一电阻R1、第二电阻R2、第二PMOS管；
所述带隙基准电路，输出端与运算放大器电路反相输入端相连；所述带隙基准电路输出对电源电压、温度不敏感的带隙基准电压(VREF)；
所述运算放大器电路，同相输入端与第一电阻R1一端相连，反相输入端与带隙基准电路输出端相连，输出端与第二PMOS管栅极相连；
所述第一电阻R1，接在地与运算放大器同相输入端之间；
所述第二电阻R2，接在运算放大器同相端与第二PMOS管漏极之间；
所述第二PMOS管，栅极与运算放大器输出端相连，源极与电源电压VCC相连，漏极与第二电阻相连。
所述均方根电压产生电路，通过运算放大器的虚短将运算放大器正负输入端的电压钳位，让第一电阻R1上的电压等于VREF，则输出均方根电压VRMS＝VREF*(R2+R1)/R1，通过调整第二电阻R2与第一电阻R1的比值来设定VRMS的大小。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种恒定均方根值电压输出电路，其特征在于，包括均方根电压产生电路(1)、第一锯齿波产生电路(2)、第一比较器(3)、第一反相器(4)、第二反相器(5)、低通滤波电路(6)、第二锯齿波产生电路(7)、第二比较器电路(8)、功率驱动电路(9)、输出级电路(10)；
所述均方根电压产生电路(1)，输出端与第一比较器(3)同相输入端相连；所述均方根电压产生电路输出预设恒定均方根电压VRMS；
所述第一锯齿波产生电路，输出端与第一比较器(3)反相输入端相连；所述第一锯齿波产生电路(2)输出周期锯齿波，即第一锯齿波；
所述第一比较器(3)，的输出与第一反相器(4)输入端相连；所述第一比较器(3)将第一锯齿波与VRMS比较，输出占空比为VRMS/VCC的第一PWM波，输出第一PWM波的高电平为VCC；
所述第一反相器(4)，输出端与第二反相器(5)输入端相连；
所述第二反相器(5)，输出端与低通滤波电路(6)输入端相连；所述第二反相器电源端接VRMS，输出占空比为VRMS/VCC的第二PWM波，输出第二PWM波的高电平为VRMS；
所述低通滤波电路(6)，输出端与第二比较器(8)同相输入端相连；所述低通滤波电路(6)将输入PWM波高频分量滤除，输出直流电压VDC＝VRMS*VRMS/VCC；
所述第二锯齿波产生电路(7)，输出端与第二比较器(8)反相输入端相连；所述第二锯齿波产生电路(7)输出周期锯齿波，即第二锯齿波；
所述第二比较器(8)，输出端与功率驱动电路(9)输入端相连；所述第二比较器(8)将第二锯齿波与VDC比较，输出占空比为VRMS*VRMS/(VCC*VCC)的第三PWM波，输出第三PWM波的高电平为VCC；
所述功率驱动电路(9)，输出端与输出级电路(10)输入相连；所述功率驱动电路提高输入PWM波的驱动能力；
所述输出级电路(10)，输出为OUT；所述输出级电路(10)输入为第一PMOS管的栅极，输出为第一PMOS管的漏极，第一PMOS管源极与VCC相连，漏极与负载RL相连。
2.根据权利要求1所述的一种恒定均方根电压输出电路，其特征在于，所述均方根电压产生电路包括带隙基准电路、运算放大器电路、第一电阻R1、第二电阻R2、第二PMOS管；
所述带隙基准电路，输出端与运算放大器电路反相输入端相连；所述带隙基准电路输出对电源电压、温度不敏感的带隙基准电压VREF；
所述运算放大器电路，同相输入端与第一电阻R1一端相连，反相输入端与带隙基准电路输出端相连，输出端与第二PMOS管栅极相连；
所述第一电阻R1，接在地与运算放大器同相输入端之间；
所述第二电阻R2，接在运算放大器同相端与第二PMOS管漏极之间；
所述第二PMOS管，栅极与运算放大器输出端相连，源极与电源电压VCC相连，漏极与第二电阻相R2连；
3.根据权利要求2所述的一种恒定均方根电压输出电路，其特征在于，所述均方根电压产生电路的输出电压VRMS为第二PMOS管漏极电压，所述均方根电压产生电路，通过运算放大器的虚短将运算放大器正负输入端的电压钳位，让第一电阻R1上的电压等于VREF，则输出电压VRMS＝VREF*(R2+R1)/R1，通过调整第二电阻R2与第一电阻R1的比值来设定VRMS的大小。
4.根据权利要求1所述的一种恒定均方根电压输出电路，其特征在于，所述第一锯齿波产生电路输出的锯齿波频率小于低通滤波器电路的上限频率。
5.根据权利要求1所述的一种恒定均方根电压输出电路，其特征在于，所述输出级电路(10)输出的第四PWM波的平均功率P＝VOUT*VOUT*
VRMS*VRMS/(VCC*VCC*RL)，且VOUT＝VCC*(RL/(RL+Ron))，RL＞＞Ron，则P＝VRMS*VRMS/RL，式中，VOUT为第四PWM波高电平的电位；Ron为PMOS管的导通电阻。
6.根据权利要求5所述的一种恒定均方根电压输出电路，其特征在于，所述输出PWM波的功率P是一个与VCC无关的量，在VCC变化时，输出平均功率保持恒定。
7.根据权利要求1所述的一种恒定均方根电压输出电路，其特征在于，所述输出级电路(10)输出的第四PWM波的频率与所述第二锯齿波产生输出锯齿波频率相同，通过调整所述第二锯齿波的频率来调整输出第四PWM波频率。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种恒定均方根电压输出电路，其特征在于，第一比较器(3)将第一锯齿波与VRMS比较，输出占空比为VRMS/VCC、高电平为VCC的第一PWM波，输出PWM波经过反相器电平转换和低通滤波之后输出直流电压VDC＝VRMS*VRMS/VCC，再将VDC与第二锯齿波比较输出占空比为VRMS*VRMS/(VCC*VCC)的第三PWM波，将第三PWM波增强驱动能力后用于驱动第一PMOS功率管，从而获得平均功率不随电源电压变化的输出信号。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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