CN209913707U - 一种开关频率可调的自适应关断时间计时器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种开关频率可调的自适应关断时间计时器，包括片内LDO电路、电阻串分压电路、电容充放电电路、两级滤波电路、比较器电路和片外开关频率调节电阻；输入电压分别接入LDO电路和电阻串分压电路的输入端；LDO电路输出端接入比较器的正输入端；电阻串分压电路输出端接入两级滤波器的输入，滤波器输出接入比较器的负输入端；SW连接片外开关频率调节电阻Rfreq并连接到PMOS的源极；开关管的栅压LS_GA连接NMOS和PMOS开关的栅极，电容Cc的上极板连接比较器的正输入端。本实用新型实现片内开关频率恒定、片外开关频率可调，提高了电磁兼容性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种针对DC-DC升压型(boost型)变换器在COT 模式控制下的开关频率可调的自适应关断时间计时器电路。
背景技术
随着科学技术的发展，人们对于电子产品的需求越来越大，对于电子产品的性能要求也越来越苛刻，而开关型功率变换器作为电子产品的“心脏”，被广泛应用于工业、军事、商业等领域，其为高性能处理器供电时，整个系统呈现出工作越来越低，集成度越来越高，体积越来越小，瞬态转换越来越频繁的趋势。具有自适应开关频率的 DC-DC变换器具有极高的理论与商业价值。
开关型功率变换器通过利用磁能储能元件电感和电能储能元件电容之间的能量转换，实现升压、降压或升降压的功能，用以达到变换功率的作用。根据电感、电容和开关管位置的变换，可以组成不同的拓扑结构，包括升压型(boost型)，降压型(buck型)和升降压型 (buck-boost型)。
在研究开关型功率变换器的过程中，常将开关管的导通时间(同步管的关断时间)记为Ton，开关管关断的时间(同步管导通的时间)记为Toff，在连续导通模式(ContinuousConduction Mode,CCM)下，变换器的开关周期等于Ton+Toff,记为Tsw，变换器的开关频率等于1/Tsw，记为fsw。对于DC-DC升压型变换器而言，Ton时刻开关管导通(同步管关断)，电感上的电压等于Vin-0，此时电感电流上升；Toff时刻开关管关断(同步管导通)，电感上的电压等于Vin-Vout，此时Vout大于Vin，电感电流下降，当到达稳态时电感电流上升的量等于下降的量，变换器进入下一个开关周期。
在变换器工作的过程中，某些工况下会使电感电流下降到0，此时变换器工作在断续导通模式(Discontinuous ConductionMode,DCM) 下,当Toff时刻结束后，为了防止电感电流倒灌降低变换器效率或损坏元件，通常会引入过零检测以关断同步管，此时开关管与同步管同时关断，关断时间记为T，由于开关管和同步管同时关断，SW节点会呈现高阻态，极易受到扰动，因此会在电感的作用下震荡一段时间，直到开关周期结束。
开关型功率变换器的调制方式可以分为脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation,PWM)模式和脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation,PFM)模式，PWM模式是指开关频率保持不变，通过改变开关管驱动信号的脉冲宽度实现对输出电压的控制；PFM模式是指脉冲宽度保持不变，通过调节开关频率来控制输出电压，传统的COT模式由于只保持了关断时间的衡定，对整个开关周期不做限制，因此属于PFM模式的一种。
早期的开关型功率变换器的控制模式分为电压模控制和电流模控制，电压模控制是通过将输出电压作为反馈信号与振荡器产生的斜坡信号进行比较，输出驱动信号来控制变换器的开关管，电流模控制包括两个反馈环路，电压反馈环路通过将输出电压信号与基准信号通过误差放大器输出，输出的误差放大信号与电流反馈环路的电感采样电流信号叠加，共同驱动变换器的开关管，实现对输出电压的控制。近年来，由基于纹波控制的COT控制方式得到了广泛应用，由于其不需要误差放大器且环路简单的特性，非常适合应用在高速处理器的供电方案中，虽然COT控制具有环路简单、瞬态响应快和轻载效率高的特点，但原始的COT控制模式因其CCM模式下开关频率的不可控很难获得商用。学者们对COT控制中的Toff进行改进，从而得到了ACOT 控制模式，即自适应恒定关断时间控制。
在应用于对瞬态响应速度要求较为苛刻的芯片中，ACOT控制模式是首选，然而其电磁干扰问题也急需解决。
实用新型内容
为了解决传统COT控制模式下开关频率不恒定、电磁干扰特性较差的问题，本实用新型提出一种开关频率可调的自适应关断时间计时器电路，通过引入片外开关频率调节电阻并将输出电压和输入电压与关断时间Toff相联系，实现了片内开关频率恒定，片外开关频率可调的功能，改善了COT模式的电磁干扰特性。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种开关频率可调的自适应关断时间计时器电路，主要由片内 LDO电路、电阻串分压电路、电容充放电电路、两级滤波电路、比较器电路和片外开关频率调节电阻组成；输入电压分别接入LDO电路和电阻串分压电路的输入端；LDO电路输出端接入比较器的正输入端；电阻串分压电路输出端接入两级滤波器的输入端，滤波器输出接入比较器的负输入端；SW连接片外开关频率调节电阻Rfreq并连接到PMOS 的源极；开关管的栅压LS_GA连接NMOS和PMOS开关的栅极，电容 Cc的上极板连接比较器的正输入端。
进一步地，所述片内LDO电路由电容和齐纳二极管组成，通过输入电压对电容充电，使与电容并联的齐纳二极管达到稳定的击穿电压，从而产生计时器电路的供电电压。
进一步地，所述电阻串分压电路将输入电压Vin按照欧姆定律进行分压，得到与输入电压成正比的电压，将得到的与输入电压成正比的电压作为两级滤波的输入。
进一步地，所述两级滤波电路将与输入电压成正比的电压进行两次滤波，滤除毛刺和噪声后，得到近似于与输入电压成正比的直流电压kVin，其中k为电阻串的分压系数，再将得到的kVin作为比较器的负相输入。
进一步地，所述电容充放电电路利用输出电压Vout流过开关频率调节电阻Rfreq后的电流Ichg进行充电，充电的时间即为关断时间Toff，并把充电电压Vc作为比较器的正相输入；当开关管导通，同步管关断时，通过由开关管驱动电压控制的NMOS管和PMOS管将电容上的电压进行泄放，以便开启下一个关断时间的计时。
进一步地，所述比较器电路将Vc和kVin进行比较，当Vc大于kVin时，比较器输出置位信号，置位信号通过后级触发器和逻辑信号驱动开关管和同步管，实现DC-DC升压变换器的功能。
进一步地，所述片外开关频率调节电阻通过调节输出电压Vout对电容充电的电流Ichg，来改变充电时间Toff，由于电路本身具有自适应性，当Vin与Vout不发生改变时，Toff发生改变，整个DC-DC升压变换器的开关频率会随之改变，开关电阻的阻值可以根据用户需要及应用要求自行选择。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：通过引入片外开关频率调节电阻并将输出电压和输入电压与关断时间Toff相联系，实现了片内开关频率恒定，片外开关频率可调的功能，改善了COT控制模式下开关频率恒定性和电磁干扰特性。
附图说明
图1.COT架构DC-DC升压型变换器拓扑模型；
图2.开关频率可调的自适应关断时间计时器电路；
图3.输出9v时计时器延时；
图4.输出12v时计时器延时；
图5.Toff与Vout关系曲线；
图6.Toff与Vin关系曲线；
图7.Vin为3.5v、Vout为9v、Rfreq为250kΩ时变换器开关周期；
图8.Vin为3.5v、Vout为9v、Rfreq为135kΩ时变换器开关周期；
具体实施方式
为使本实用新型的技术方案便于理解，下面结合具体附图及实例对本实用新型作进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种开关频率可调的自适应关断时间计时器的电路图，主要由片内LDO电路、电阻串分压电路、电容充放电电路、两级滤波电路、比较器电路和片外开关频率调节电阻组成。输入电压分别接入LDO电路和电阻串分压电路的输入端；LDO电路输出端接入比较器的正输入端；电阻串分压电路输出端接入两级滤波器的输入端，滤波器输出接入比较器的负输入端；SW连接片外开关频率调节电阻Rfreq并连接到PMOS的源极；开关管的栅压LS_GA连接NMOS和PMOS开关的栅极，电容Cc的上极板连接比较器的正输入端。
具体的，所述片内LDO电路由LDO电路由电容和齐纳二极管组成，通过Vin和Ibias对其中的电容充电，使与电容并联的齐纳二极管达到稳定的击穿电压，从而产生计时器电路的供电电压Vdd并接入比较器 COMP，作为比较器的供电电压；电阻串分压电路由Req和Rk组成，Req为多个电阻的串联等效，将输入电压Vin按照欧姆定律进行分压，得到与输入电压成正比的电压，并将其输出接入由R1、C1和R2、C2组成的两级滤波器；所述电容充放电电路利用输出电压Vout流过开关频率调节电阻Rfreq后的电流Ichg进行充电，充电的时间即为关断时间Toff，并把充电电压Vc作为比较器的正相输入；当开关管导通，同步管关断时，通过由开关管驱动电压控制的NMOS管和PMOS管将电容上的电压进行泄放，以便开启下一个关断时间的计时；R1、C1、R2、C2构成的两级滤波器经过滤波滤除毛刺和噪声后，输出与Vin成正比的直流电压 kVin；其中k为电阻串的分压系数，再将得到的kVin作为比较器COMP 的负相输入，比较器的结果通过Vcomp端输出，作为SR触发器S端的输入；SW连接片外开关频率调节电阻Rfreq并连接到PMOS的源极，产生电流为充放电电容充电，开关管的栅压LS_GA连接NMOS和PMOS开关的栅极，决定充放电电容处于充电或放电阶段，电容Cc上极板连接比较器COMP的正输入端；片外开关频率调节电阻通过调节输出电压 Vout对电容充电的电流Ichg，来改变充电时间Toff，由于电路本身具有自适应性，当Vin与Vout不发生改变时，Toff发生改变，整个DC-DC升压变换器的开关频率会随之改变，开关电阻的阻值可以根据用户需要及应用要求自行选择。
由DC-DC升压型变换器的基本知识可以得到，变换器的开关频率 fsw与Vout和Toff的乘积成反比，与Vin成正比，即开关频率不恒定，要使开关频率恒定，需要让Toff与Vin成正比，与Voff成反比，在以往的降压型COT变换器中(需要恒定导通计时器)，由于Vout与Vin的差值较小，因此需要一个精确跟随Vin变化的电流对电容充电，来保证Vin与Ton成反比，往往采用单位增益缓冲器，而这种方法对片内的开关频率精度要求很高，需要复杂的频率矫正电路，提高了芯片设计的成本和难度。
本实施例中，由于输出电压Vout与输入电压Vin的差值很大，即 Vout与电容充电后电压Vc的差值很大，因此可以用Vout-Vc除以片外开关频率调节电阻得到的电流Ichg近似为正比于Vout的电流，由于开关频率调节电阻在片外，用户可以通过调节开关电阻的阻值精确确定开关频率，节约成本降低电路的复杂度，片外开关电阻与变换器的开关频率之间的关系为Rfreq与Cc、k、fsw的乘积成反比，Rfreq为片外开关频率调节电阻，k为电阻串分压系数，fsw为变换器开关频率。
如图2所示，为COT架构DC-DC升压型变换器拓扑模型，其中 Off_Timer为关断计时器模块，系统达到稳态时，当一个开关周期开始，开关管关断，开关管驱动电压VLS_GA为低电平时，图1中的NMOS 管关断，PMOS管开启，Vsw即Vout通过开关频率调节电阻Rfreq产生充电电流Ichg为电容Cc充电，当电压VC达到kVin时，比较器输出高电平脉冲，此时SR触发器的S端置位，触发器输出高电平，开关管驱动电压VLS_GA为高电平，开关管开启，此时NMOS管开启，PMOS管关断，电容上的电荷通过NMOS管泄放到地，电路等待下一个即使周期。
实施例2
在实施例1的基础上从图3、图4中可以看到，在输出电压为9V 和12V时，比较器的延时分别为21ns和19ns，比较器的响应速度良好。从图5中可以看到，在4.5V到12.5V的输出电压范围内，关断时间Toff和Vout呈反比例关系，从图6中可以看到，在2.5V到12.5V 的输入电压范围内，Ton与Vin近似满足正比例关系。从图7、图8中可以看到在Vin为3.5v、Vout为9v时，通过改变片外频率调节电阻Rfreq能够实现开关频率的调整，当Rfreq为250KΩ时，开关周期为1.671us，即开关频率为598KHz；Rfreq为135KΩ时，开关周期为1.012us，即开关频率为988KHz,满足上文中推导出的片外频率调节电阻与变换器的开关频率之间的关系，因此，本实用新型能够实现既定功能，且性能良好。
以上所述是本实用新型的具体实施例，并非对本实用新型的构思和范围进行限定，在此基础上进行的各种改进和等同变换都应属于本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种开关频率可调的自适应关断时间计时器，其特征在于：包括片内LDO电路、电阻串分压电路、电容充放电电路、两级滤波电路、比较器电路和片外开关频率调节电阻；输入电压分别接入LDO电路和电阻串分压电路的输入端；LDO电路输出端接入比较器的正输入端；电阻串分压电路输出端接入两级滤波器的输入端，滤波器输出接入比较器的负输入端；SW连接片外开关频率调节电阻Rfreq并连接到PMOS的源极；开关管的栅压LS_GA连接NMOS和PMOS开关的栅极，电容Cc的上极板连接比较器的正输入端。
2.根据权利要求1所述的开关频率可调的自适应关断时间计时器，其特征在于：所述片内LDO电路包括电容和齐纳二极管，提供整个计时器电路的供电电压Vdd。
3.根据权利要求2所述的开关频率可调的自适应关断时间计时器，其特征在于：所述电阻串分压电路将输入电压Vin按照欧姆定律进行分压，得到与输入电压成正比的电压，将得到的与输入电压成正比的电压作为两级滤波的输入。
4.根据权利要求3所述的开关频率可调的自适应关断时间计时器，其特征在于：所述电容充放电电路利用输出电压Vout流过开关频率调节电阻Rfreq后的电流Ichg进行充电，充电的时间即为关断时间Toff，并把充电电压Vc作为比较器的正相输入；当开关管导通，同步管关断时，通过由开关管驱动电压控制的NMOS管和PMOS管将电容上的电压进行泄放，以便开启下一个关断时间的计时。
5.根据权利要求4所述的开关频率可调的自适应关断时间计时器，其特征在于：所述两级滤波电路将与输入电压成正比的电压进行两次滤波，滤除毛刺和噪声后，得到近似于与输入电压成正比的直流电压kVin，其中k为电阻串的分压系数，再将得到的kVin作为比较器的负相输入。
6.根据权利要求5所述的开关频率可调的自适应关断时间计时器，其特征在于：所述比较器电路将Vc和kVin进行比较，当Vc大于kVin时，比较器输出置位信号，置位信号通过后级触发器和逻辑信号驱动开关管和同步管，实现DC-DC升压变换器的功能。
7.根据权利要求6所述的开关频率可调的自适应关断时间计时器，其特征在于：所述片外开关频率调节电阻通过调节输出电压Vout对电容充电的电流Ichg，来改变充电时间Toff，由于电路本身具有自适应性，当Vin与Vout不发生改变时，Toff发生改变，整个DC-DC升压变换器的开关频率会随之改变。
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