一种电流模控制dcdc升压变化器及其脉冲频率调制方法

一种电流模控制dcdc升压变化器及其脉冲频率调制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于模拟集成电路中的开关电源技术领域，尤其设及一种电流模控制DCDC 升压变化器及其脉冲频率调制方法。
【背景技术】
[0002] DC-DC是英语直流变直流的缩写，DCDC升压变化器包括一个将直流低电压变换为 直流高电压的电路、W及相应的控制电路。该电路一般采用电流模脉冲宽度调制方式进行 DCDC升压。
[0003] 请参考图1A所示为传统电流模脉冲宽度调制方式：一个固定频率的振荡器 (oscillator)产生一个时钟信号化K，化K信号在每个开关周期中控制使主开关SW1导通，使 从开关SW2断开。同时，误差放大器EA将输出电压Vo与参考电压Vref之间的误差进行放大后 产生误差信号V。另一方面系统检测电感电流II，并叠加上一个斜坡电流Islepe后，流到电阻 Rs上产生电压Vs，Vs与Vc信号进行比较，当其大于Vc时，脉冲宽度调制比较器（PWM comparator)将输出Pmi信号将主开关SW1断开，将从开关SW2导通。当下一个化K信号到来 时，重复W上过程。因此，系统通过调节VC的大小来控制电感电流的大小，W使得输出电压 Vo基本等于参考电压Vref。
[0004] 开关SW1的导通时间与化K信号周期的比值称作占空比D，D = Ton, swi/Τακ。理想情况 下，系统在稳态连续导通模式时，输出电压V〇 = Vbat/( 1-D)。由于DCDC升压变化器的占空比D 小于1，所WV〇>Vbat，达到升压目的。
[0005] 传统的电流模控制方式中，为了使系统稳定工作，需要在误差放大器的输出端连 接一个较大的电容Cc、电阻Rz、和电容Cp进行补偿，大电容不仅难于集成，而且使得Vc信号 针对负载电流变化时的反应速度变慢，导致当负载电流变化时，输出电压Vo将产生较大的 纹波。如图1B所示，当tl时刻负载电流IlDad突然变大时，由于电容Cc的延迟作用，导致Vc将会 延迟(delay)时间作出反应，在此段延迟时间内由于电感电流平均值将小于负载电流Iinad， 因此输出电压Vo将降低，产生低于参考电压Vref的较大的纹波Δ Vo。反之，当负载电流突然变 小时，输出电压Vo将产生高于参考电压Vref的较大的纹波。

【发明内容】

[0006] 本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种集成度高、输出电压稳定的DCDC 升压变化器及其脉冲频率调制控制方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明提出了一种电流模控制DCDC升压变化器，所述DCDC升压 变化器包括一个DCDC升压电路及与其相连接的控制电路;所述升压电路包括直流电源、电 感、负载、主开关SW1、W及从开关SW2;所述控制电路包括控制单元、电感电流保持单元、W 及输出电压比较单元;其中：
[000引所述控制单元接收所述电感电流保持单元和所述输出电压比较单元发来的信号， 并向DCDC升压变化器主开关SW巧日从开关SW2发出导通或断开的控制信号，W保证DCDC升压 变化器的正常工作；
[0009] 所述电感电流保持单元，控制每个工作周期中主开关SW1的导通时间W便将所述 电感电流II保持在0~Iref的之间，其中Iref为参考电流；同时还在检测到II已减小至0时，向 所述控制单元发出信号使得从开关SW2断开，防止电感电流反向从负载流向电源从而造成 电荷损失；
[0010] 所述输出电压比较单元，比较输出电压Vo与参考电压Vref的大小，并将比较信号输 出给所述控制单元；
[0011] 上述Ξ个单元协同工作，在一个工作周期的开始，主开关SW1断开从开关SW2导通， 当所述电感电流保持单元检测到II逐渐减小至0并且所述输出电压比较单元检测到输出电 压Vo降低至Vref时，主开关SW1导通从开关SW2断开使得II逐渐回升；当所述电感电流保持单 元检测到I止升到Iref时，主开关SW1断开，从开关SW2导通，W上工作过程周而复始不断持 续，将输出电压Vo稳定在参考电压Vref附近。
[0012] 在一个实施例中，所述输出电压比较单元至少包括一个输出电压比较器，用于比 较输出电压Vo与参考电压Vref的大小。
[0013] 在一个实施例中，所述输出电压比较单元还包括一个误差放大器和一个补偿电 容，W使得Vo精确等于Vref。
[0014] 在一个实施例中，所述电感电流保持单元包括一个电感电流比较器和一个电感电 流过零比较器，所述电感电流比较器比较电感电流II与参考电流Iref的大小，并将比较信号 输出给所述控制单元;所述电感电流过零比较器一旦检测到电感电流II已减小至0,则向所 述控制单元发出信号使得从开关SW2断开，W防止电感电流反向从Vo流向Vbat从而造成电荷 损失。
[0015] 在一个实施例中，所述电感电流保持单元包括一个带有两个开关SW3和SW4的电流 比较器，其中SW3与0电流相连接，SW4与参考电流Ire袖连接，通过SW3和SW4的通或断比较电 感电流II与参考电流Iref的大小并将比较信号输出给所述控制单元、W及检测电感电流II下 降至加寸，向所述控制单元发出信号使得从开关SW2断开，W防止电感电流反向从Vo流向Vbat 从而造成电荷损失。
[0016] 在一个实施例中，所述电感电流保持单元包括一个固定导通时间计时器和一个电 感电流过零比较器，所述固定导通时间计时器控制每个工作周期中主开关SW1的导通时间， W便保持所述电感电流;所述电感电流过零比较器一旦在检测到II已减小至加寸，向所述控 制单元发出信号使得从开关SW2断开，防止电感电流反向从负载流向电源从而造成电荷损 失。
[0017] 其中主开关SW1的导通时间Ton,swl与参考电流Ire込间有如下关系：Iref = Vbat* Ton, swi/L
[0018] 其中Iref为参考电流，Vbat为输入电压，T〇n，swl为主开关SWl的导通时间，L为电感值；
[0019] 参考电流Iref与流过负载的电流IlDad的关系需满足：
[0020] Iref〉巧 Iload*Vo/Vbat;
[0021] 系统的工作频率为：
[0022] 本发明的控制电路的各单元均采用集成电路制作。
[0023] 另外，本发明还提出了一种电流模控制DCDC升压变化器的脉冲频率调制方法，采 用上述电流模控制DCDC升压变化器，在一个工作周期的开始，主开关SW1断开从开关SW2导 通，当所述电感电流保持单元检测到II逐渐减小至0并且所述输出电压比较单元检测到输 出电压Vo降低至Vref时，主开关SW1导通从开关SW2断开使得II逐渐回升；当所述电感电流保 持单元检测到I止升到Iref时，主开关SW1断开，从开关SW2导通，W上工作过程周而复始不 断持续，将输出电压Vo稳定在参考电压Vref附近;在上述工作过程中，所述电感电流保持单 元一旦检测到II减小至0时，即向所述控制单元发出信号使得从开关SW2断开，防止电感电 流反向从负载流向电源从而造成电荷损失。
[0024] 本发明的DCDC升压变化器采用集成电路器件制成，相比于传统的控制模式，有效 的简化了系统结构，降低了系统集成难度;针对负载电流的变化，系统可迅速做出相应，有 效减小了输出电压Vo在负载电流变化时的纹波大小。
【附图说明】
[0025] 图1A所示为传统DCDC升压变化器及其电流模脉冲宽度调制方法。
[0026] 图1B所示为图1A的DCDC升压变化器的电流模脉冲宽度调制方式工作波形图。
[0027] 图2A为本发明DCDC升压变化器的实施例1的电路图。
[00%]图2B所示为图2A的DCDC升压变化器的电流模脉冲宽度调制方式工作波形图。
[0029] 图3为本发明DCDC升压变化器的实施例2的电路图。
[0030] 图4为本发明DCDC升压变化器的 实施例3的电路图。
[0031 ]图5为本发明DCDC升压变化器的实施例4的电路图。
[0032] 图6为本发明DCDC升压变化器的电流模脉冲宽度调制方式与传统模式仿真结果对 比图。
[0033] 图7为本发明DCDC升压变化器中的峰值电流比较器的一个实施例的电路图。
[0034] 图8为本发明DCDC升压变化器中的电流过零比较器的一个实施例的电路图。
[0035] 图9为本发明DCDC升压变化器中的输出电压比较器的一个实施例的电路图。
【具体实施方式】
[0036] W下结合附图并W【具体实施方式】为例，对本发明进行详细说明。但是，本领域技术 人员应该知晓的是，本发明不限于所列出的【具体实施方式】，只要符合本发明的精神，都应该 包括于本发明的保护范围内。
[0037] 本发明的DCDC升压变化器采用集成电路器件制成，【具体实施方式】如下：
[00；3引 实施例1
[0039] 如图2A所示为本发明DCDC升压变化器的实施例1的电路图。其中DCDC升压变化器 包括一个DCDC升压电路及其控制电路。
[0040] 与一般的DCDC升压电路大体结构相同，本发明的升压电路主要部件有:直流电源 电压为Vbat，负载端输出电压为Vo，主开关是SW1、从开关是SW2、L为电感、化为负载电阻。
[0041] 虚线框内是本发明DCDC升压变化器的控制电路，包括控制单元210、电感电流保持 单元220、W及输出电压比较单元230共Ξ个单元。各单元功能及结构如下：
[0042] 控制单元210,接收电感电流保持单元220和输出电压比较单元230发来的信号，负 责向DCDC升压变化器主开关SW巧日从开关SW2发出导通或断开的控制信号，W保证DCDC升压 变化器的正常工作。
[0043] 电感电流保持单元220,负责控制每个工作周期中SW1的导通时间W便将电感电流 II保持在0~Iref之间。
[0044] 本实施例中电感电流保持单元2 20包括一个电感电流过零比较器（ZCD comparator)221和一个电感电流比较器(Peak Qirrent Comparator)222。电感电流过零比 较器221负责检测电感电流II是否为0,若检测到电感电流II已减小至加寸，则向控制单元210 发出信号使得从开关SW2断开，防止电感电流反向从Vo流向Vbat从而造成电荷损失。电感电 流比较器222负责比较电感电流II与参考电流Iref的大小，当II过低时将主开关SW1导通，当 I止升至Iref时，向控制单元210发出信号使得开关SW1断开，SW2导通，W便将电感电流II保 持在一定数值W上。
[0045] 输出电压比较单元230,负责比较输出电压Vo与参考电压Vref的大小，并将比较信 号输出给控制单元210。
[0046] 包括一个输出电压比较器(Vo comparator)231，用于比较输出电压V日与参考电压 Vref的大小。
[0047] 上述Ξ个单元协同工作，在一个工作周期的开始，主开关SW1断开从开关SW2导通， 而当所述电感电流保持单元220检测到电感电流II逐渐减小至0、并且输出电压比较单元 230检测到输出电压Vo降低至Vref时，主开关SW1导通从开关SW2断开使得II逐渐回升;运时输 入电压Vbat加在电感上，电感电流II逐渐上升，当电感电流保持单元检测到230检测到电感 电流II上升到Iref时，主开关SW1断开，从开关SW2导通。
[004引在此过程中，遇到电感电流II已减小至0(或接近0)时，则从开关SW2断开，防止电 感电流反向从Vo端流向Vbat端从而造成电荷损失。
[0049] W上工作过程周而复始不断持续，将输出电压Vo稳定在参考电压Vref附近。
[0050] 其中主开关SW1的导通时间Ton,swl与参考电流Iref之间有如下关系：Iref = Vbat* Ton, swl/L
[00川其中Iref =为参考电流，Vbat为输入电压，Ton,swl为主开关SWl的导通时间，L为电感 值。
[0052]为了使得系统有足够的驱动负载的能力，要求参考电流Iref与流过负载化的电流 IlDad的关系需满足：
[005；3] Iref〉巧 Iload*Vo/Vbat;
[0化4]系统的工作频率为；
[0化引在一个优选实施例中，上述公式中的各参数如下：VBAT = 0.9V，Vo=1.4V，Ii0ad = 10mA, Iref = 100mA,L = 2.化H,f = 454. ?5曲Z
[0056]图2Β所示为本实施例DCDC升压变化器的电流模脉冲宽度调制方式工作波形图。当 负载电流Ilnad在tl时刻突然变大时，输出电压比较器231会立即检测到输出电压的变化，当 输出电压Vo小于参考电压Vref时，将输出高电平，通过控制单元210产生控制信号使SW1导 通，从而加快SW1，SW2的开关频率，使得电感电流II的平均值跟随负载电流Iioad变化。因此输 出电压Vo不会产生较大的纹波电压。
[0057]本发明相比于传统的控制模式，有效的简化了系统结构，降低了系统集成难度;针 对负载电流的变化，系统可迅速做出相应，有效减小了输出电压Vo在负载电流变化时的纹 波大小。
[005引 实施例2
[0059] 如图3所示为本发明DCDC升压变化器的实施例2的电路图。由图2B可见，实施例1的 基本结构的DCDC升压变化器的输出电压Vo与参考电压Vref存在略微偏差(此偏差小于系统 稳态时的Vo的纹波）。若要求Vo精确等于Vref，可在实施例1的基础上做进一步改进，在输出电 压比较单元230增加了误差放大器化rror Amplifier2)232与补偿电容Cc。利用误差放大器 的高增益W及整个系统的负反馈结构，可W将输出电压Vo设定到精确等于Vref。电容Cc用来 增加变换器负反馈环路的稳定性。本实施例适用于需要Vo精确等于Vref的场合。
[0060] 实施例3
[0061 ]图4为本发明DCDC升压变化器的实施例3的电路图。
[0062] 本实施例在实施例1的基础上做了进一步改进，在电感电流保持单元220采用了一 个电流比较器223代替实施例1的电感电流比较器222与过零比较器221。该电流比较器223 带有两个开关SW3和SW4,其中SW3与0电流相连接，SW4与参考电流Iref相连接。可通过SW3和 SW4的通或断、比较电感电流II与参考电流Iref的大小，或者检测电感电流II是否下降至0。
[0063] 当SW1导通，SW2断开时，控制单元210输出信号使得控制开关SW4导通，SW3断开，电 流比较器220比较电感电流II与参考电流Iref的大小，当II等于Iref时，控审Ijswi断开，SW2导 通；当SW1断开，SW2导通时，控制单元210输出控制信号使得开关SW3导通，SW4断开，此时比 较器用于检测电感电流是否下降至0,当Vo低于Vref，并且II下降至0时，控制SW1导通，SW2断 开。
[0064] 实施例4
[0065] 图5为本发明DCDC升压变化器的实施例4的电路图。
[0066] 本实施例在实施例1的基础上做了进一步改进，用一个固定导通时间Cons化nt on time计时器224替换电感电流比较器222,计时器224用来控制每个工作周期中SWl的导通时 间，W便保持电感电流。
[0067] SW1的导通时间与如前所述的Ire込间有如下关系：Iref =化at*Ton, swl/L
[0068] 实施例4中的电感电流过零比较器221的功能仍然是负责检测电感电流II是否为 0,若检测到电感电流II已减小至加寸，则向控制单元210发出信号使得从开关SW2断开，防止 电感电流反向从Vo流向Vbat从而造成电荷损失。
[0069] 本发明的控制电路各单元均采用集成电路器件制成，可大大降低组装和维护成 本，相比于传统的控制模式，有效的简化了系统结构，针对负载电流的变化，可迅速做出相 应，有效减小了输出电压V0在负载电流变化时的纹波大小。
[0070] 如图6为本发明DCDC升压变化器的电流模脉冲宽度调制方式与传统模式仿真结果 对比图。图6中可见，负载电流在600US时刻从1mA跳变至10mA，传统模式由于系统反应速度 较慢，导致输出电压上产生了约lOOmV的纹波电压，而本发明可W迅速检测到由于负载电流 跳变而导致的输出电压变化，进而立即调整开关频率使得电感电流的平均值跟随负载电流 跳变，从而使得输出电压并无明显纹波电压产生。
[0071] 关于本发明实施例中采用的峰值电流比较器、电流过零比较器、W及输出电压比 较器，可参见图7所示为峰值电流比较器Peak Current Comparator的一种实施例，其采用 Ξ级比较器级联结构，是为了优化比较器的增益与速度，其中Vdd为系统的电源电压，GND为 接地端，Vb为系统内部偏置电压，Iref为参考电流输入端，II为电感电流输入端，Vo为比较器 的输出电压。如图8所示为电流过零比较器ZCD Comparator的一种实施例，其中Iref为参考 电流输入端，比较器的另外一个输入端接地，Vo为比较器的输出电压。如图9所示为输出电 压比较器Vo Comparator的一种实施例，其中Vref为参考电压输入端，Vo为变换器的输出电 压，Voc为比较器的输出电压。
[0072]应该注意的是上述实施例是示例而非限制本发明，比如上述实施例中，电感电流 保持单元220和输出电压比较单元230的不同结构可W突破W上实施例的限制进行自由搭 配组合，只要能够实现本发明的目的，均应在本发明保护范围内。
【主权项】
1. 一种电流模控制DCDC升压变化器，采用集成电路器件制成，其特征是:所述DCDC升压 变化器包括一个DCDC升压电路及与其相连接的控制电路;所述升压电路包括直流电源、电 感、负载、主开关SW1、以及从开关SW2;所述控制电路包括控制单元、电感电流保持单元、以 及输出电压比较单元;其中： 所述控制单元接收所述电感电流保持单元和所述输出电压比较单元发来的信号，并向 DCDC升压变化器主开关SWl和从开关SW2发出导通或断开的控制信号，以保证DCDC升压变化 器的正常工作； 所述电感电流保持单元，控制每个工作周期中主开关SWl的导通时间以便将所述电感 电流U保持在〇~Iref的之间，其中Iref为参考电流；同时还在检测到U已减小至〇时，向所述 控制单元发出信号使得从开关SW2断开，防止电感电流反向从负载流向电源从而造成电荷 损失； 所述输出电压比较单元，比较输出电压Vo与参考电压Vref的大小，并将比较信号输出给 所述控制单元； 上述三个单元协同工作，在一个工作周期的开始，主开关SWl断开从开关SW2导通，当所 述电感电流保持单元检测到U逐渐减小至0并且所述输出电压比较单元检测到输出电压V0 降低至Vref时，主开关SWl导通从开关SW2断开使得Il逐渐回升；当所述电感电流保持单元检 测到Il上升到I ref时，主开关SWl断开，从开关SW2导通，以上工作过程周而复始不断持续，将 输出电压Vo稳定在参考电压Vref附近。2. 如权利要求1所述的电流模控制DCDC升压变化器，其特征是:所述输出电压比较单元 至少包括一个输出电压比较器，用于比较输出电压Vo与参考电压V ref的大小。3. 如权利要求2所述的电流模控制DCDC升压变化器，其特征是:所述输出电压比较单元 还包括一个误差放大器和一个补偿电容，以使得Vo精确等于Vrrf。4. 如权利要求2或3所述的电流模控制DCDC升压变化器，其特征是:所述电感电流保持 单元包括一个电感电流比较器和一个电感电流过零比较器，所述电感电流比较器比较电感 电流Il与参考电流I ref的大小，并将比较信号输出给所述控制单元;所述电感电流过零比较 器一旦检测到电感电流Il已减小至0,则向所述控制单元发出信号使得从开关SW2断开，以 防止电感电流反向从Vo流向Vbat从而造成电荷损失。5. 如权利要求2或3所述的电流模控制DCDC升压变化器，其特征是:所述电感电流保持 单元包括一个带有两个开关SW3和SW4的电流比较器，其中SW3与0电流相连接，SW4与参考电 流I ref相连接，通过SW3和SW4的通或断比较电感电流Il与参考电流Iref的大小并将比较信号 输出给所述控制单元、以及检测电感电流Il下降至0时，向所述控制单元发出信号使得从开 关SW2断开，以防止电感电流反向从Vo流向Vbat从而造成电荷损失。6. 如权利要求2或3所述的电流模控制DCDC升压变化器，其特征是:所述电感电流保持 单元包括一个固定导通时间计时器和一个电感电流过零比较器，所述固定导通时间计时器 控制每个工作周期中主开关SWl的导通时间，以便保持所述电感电流;所述电感电流过零比 较器一旦在检测到Il已减小至0时，向所述控制单元发出信号使得从开关SW2断开，防止电 感电流反向从负载流向电源从而造成电荷损失。7. 如权利要求1所述的电流模控制DCDC升压变化器，其特征是：主开关SWl的导通时间 1'。11,；?1与参考电流11^之间有如下关系：11^ = '\^1;*1'。11,；?1凡 其中Iref为参考电流，Vbat为输入电压，Tcin, ^为主开关SWl的导通时间，L为电感值； 参考电流Irrf与流过负载的电流II-的关系需满足： Iref〉2*Iload*Vo/Vbat; 系统的工作频率为：8. 如权利要求1所述的电流模控制DCDC升压变化器，其特征是:所述控制电路的各单元 均采用集成电路制作。9. 一种电流模控制DCDC升压变化器的脉冲频率调制方法，采用如权利要求1至8所述的 电流模控制DCDC升压变化器，其特征是： 在一个工作周期的开始，主开关SWl断开从开关SW2导通，当所述电感电流保持单元检 测到Il逐渐减小至O并且所述输出电压比较单元检测到输出电压Vo降低至Vref时，主开关SWl 导通从开关SW2断开使得Il逐渐回升；当所述电感电流保持单元检测到Il上升到Iref时，主开 关SWl断开，从开关SW2导通，以上工作过程周而复始不断持续，将输出电压Vo稳定在参考电 压Vref附近； 在上述工作过程中，所述电感电流保持单元一旦检测到Il减小至0时，即向所述控制单 元发出信号使得从开关SW2断开，防止电感电流反向从负载流向电源从而造成电荷损失。10. 如权利要求9所述的方法，其特征是:主开关SWl的导通时间Tcm, swl与参考电流Irrf之 间有如下关系：Iref = Vbat*T〇n,swl/L 其中Iref为参考电流，Vbat为输入电压，Tcin, ^为主开关SWl的导通时间，L为电感值； 参考电流Irrf与流过负载的电流II-的关系需满足： Iref〉2*Iload*Vo/Vbat; 系统的工作频率为：
【专利摘要】一种电流模控制DCDC升压变化器及其脉冲频率调制方法，采用集成电路器件制成，DCDC升压变化器的控制电路包括控制单元、电感电流保持单元、以及输出电压比较单元；当电感电流保持单元检测到电感电流IL逐渐减小至0并且输出电压比较单元检测到输出电压VO降低至Vref时，主开关SW1导通从开关SW2断开使得IL逐渐回升；当IL上升到参考电流Iref时，主开关SW1断开，从开关SW2导通，以上工作过程周而复始不断持续，将输出电压VO稳定在参考电压Vref附近。本发明有效的简化了系统结构，降低了系统集成难度；针对负载电流的变化，系统可迅速做出相应，有效减小了输出电压VO在负载电流变化时的纹波大小。
【IPC分类】H02M3/156
【公开号】CN105490534
【申请号】CN201510981932
【发明人】姜丹丹, 王海时, 聂海, 王柯
【申请人】成都信息工程大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月24日