一种带有高精度低纹波轻载工作模式的BUCK-BOOST的制作方法

一种带有高精度低纹波轻载工作模式的buck
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boost
技术领域
1.本发明属于模拟电路技术领域，具体的说是涉及一种带有高精度低纹波轻载工作模式的 buck
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boost。


背景技术：

2.buck
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boost是电感式开关升降压dcdc电压稳压器的简称。其基本原理如图1所示。 mos开关abcd和电感组成了功率级电路。控制电路让abcd按着一定的时序交替工作，在保持输出电压vout恒定的同时，利用储能原件电感将能量由输入vin搬移的输出vout。
3.在vin>>vout时，开关d一直导通c一直关断，开关ab交替导通关断。系统工作在简单的降压模式(buck模式)。在vin<<vout时，开关a一直导通b一直关断，开关cd 交替导通关断。系统工作在简单的升压模式(boost模式)。当vin接近vout时，需要开关abcd按照特定的时序交替导通，系统工作在升降压模式(buck
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boost模式)来保持 vout的恒定。
4.为了提高轻载时的效率，dcdc一般会都设计自动轻载模式。当负载很重时系统工作在连续导通(ccm)模式，当负载低到一定程度后，系统会自动进入轻载模式。在ccm模式时，dcdc保持工作频率不变，通过调整功率开关的占空比实现vout的稳压，电感电流随着负载线性变化。在轻载模式时，每个开关周期内的电感电流不再降低，功率级电路通过间歇式工作来保持vout的稳压。
5.近几年，buck
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boost在电池供电的应用中得到了广泛的应用，很多厂家都在研发更可靠简单的ccm控制结构，同时buck
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boost的轻载模式也变成了一个重要的功能。
6.2019年，美国德州仪器半导体公司推出了新一代的buck
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boost。其系统框图如图2 所示。该器件采用了固定off time，峰值电流模控制方式。外部电压环产生控制信号vc，决定了电感电流的峰值。在电感充电阶段，电路通过开关a采样电感中的电流。当电感电流达到vc所设定的电流时，充电阶段结束电路进入预设的off time时序。比较器comp2检测开关d导通时的电压降，当发现电感电流在放电阶段放到0时，产生zcd信号来关断功率开关管，使电感电流不能过负。
7.在轻载状况下，该器件工作在突发模式。功率级连续动作几个周期，再停止几个周期。在停止工作期间没有开关损耗，同时关掉内部的一些模块以降低静态损耗。其工作原理是用一个迟滞比较器对vc进行检测，当vc高于设定电压时功率级工作，当vc低于设定电压时功率级停止工作。理想情况下设定电压的迟滞决定了vout端的电压纹波。相关的波形如图 3所示。
8.该方案的优点是电路比较简单。缺点是1>vc节点有rc补偿用于保证环路的稳定性，当vout变化时，vc信号存在比较长的延时。导致vout电压纹波变大。2>间歇模式的频率很低，一旦进入该轻载模式，系统就会因为电感和电容的振动而引起音频噪声。3>vout 的充放电斜率随vin，vout和负载电流变化，因为vc延时的存在，vout的dc值也会随着vin，vout和负载电流变化。


技术实现要素：

9.本发明针对上述问题，提出一种带有高精度低纹波轻载工作模式的buck
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boost，上述传统方法，主要问题在于，通过监测vc的实时电压值让功率级工作在间歇模式，由于环路的响应时间慢，vout会存在较大的电压纹波，vout的dc值也会随着vin，vout和负载变化。并且一旦进入轻载模式，系统就存在音频噪声。
10.针对上述问题，本发明的技术方案是：
11.一种带有高精度低纹波轻载工作模式的buck
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boost，其特征在于，所述buck
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boost包括mos开关a、mos开关b、mos开关c、mos开关d、电感、差分放大器、第一比较器、第二比较器、定时器、v/i变换电路、钳位电路、延时电路，输入电压信号vin经过mos开关a、电感和mos开关d后输出，mos开关a与电感的连接点通过mos开关b后接地，电感与mos 开关d的连接点通过mos开关c后接地；差分放大器的同相输入端接基准电压vref，差分放大器的反相输入端接输出端采样的反馈电压vfb，差分放大器的输出经过v/i变换电路后分别输入钳位电路和延时电路，若v/i变换电路输入钳位电路的电流值小于钳位电路设定的电流值时，钳位电路输出设定的电流值到第一比较器的反相输入端，否则钳位电路输出v/i变换电路输入到钳位电路的电流值到第一比较器的反相输入端，第一比较器的同相输入端接电感电流采样信号，第一比较器输出pwm控制信号；所述延时电路输出的延迟时间随着输入电流的减小而增加，延迟结束后产生第三脉冲信号t3；定时器通过监测vin和vout电压，产生第一脉冲信号t1和第二脉冲信号t2；第二比较器的同相输入端接mos开关d的源极，第二比较器的反向输入端接mos开关d的漏极，即第二比较器用于检测mos开关d导通时的电压压降，第二比较器输出zcd信号来关断功率开关管，使电感电流不会过负；通过第一脉冲信号t1、第二脉冲信号t2、第三脉冲信号t3、pwm控制信号和zcd信号控制buck
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boost，具体为：
12.当vin>>vout时，工作在buck模式，此时第一脉冲信号t1不参与系统控制；在重载情况下，pwm为高时电感充电，pwm为低时电感放电，当pwm由高变低时，第二脉冲信号t2变低；当定时器计时结束后第二脉冲信号t2由低变高时，pwm和第三脉冲信号t3 变高，第三脉冲信号t3在下一次第二脉冲信号t2变高之前已经变低，同时zcd信号一直为低；在轻载情况下，pwm为高时电感充电，pwm为低时电感放电，当电感电流过零时zcd 变高，电感停止放电；第三脉冲信号t3的高电平延迟时间大于由第二脉冲信号t2决定的开关周期，开关动作由第三脉冲信号t3触发，当第三脉冲信号t3由高变低时，pwm变高，同时第三脉冲信号t3被置高开始下一次延时计时；
13.当vin<<vout时，工作在boost模式，此时第二脉冲信号t2不参系统控制；在重载情况下，pwm信号为高时电感充电，pwm为低时电感放电；当pwm由高变低时，第一脉冲信号t1变低；当定时器计时结束后第一脉冲信号t1由低变高时，pwm和第三脉冲信号 t3变高，第三脉冲信号t3在下一次第一脉冲信号t1变高之前已经变低，同时zcd一直为低；轻载情况下，pwm信号为高时电感充电，pwm为低时电感放电；当电感电流过零时zcd 变高，电感停止放电；第三脉冲信号t3的高电平延迟时间大于由第一脉冲信号t1决定的开关周期，开关动作由第三脉冲信号t3触发，当第三脉冲信号t3由高变低时，pwm变高，同时第三脉冲信号t3被置高开始下一次延时计时；
14.当vin接近vout时，工作在buck
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boost模式；vin低于vout时：在重载情况下， pwm信号为高时电感充电，pwm为低时电感放电；当pwm由高变低时，第一脉冲信号t1 变低,，电
感两端的放电电压为vout
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vin；当定时器计时结束后第一脉冲信号t1由低变高时，第二脉冲信号t2变低电感开始第二阶段放电，电感两端的放电电压为vout；当定时器计时结束后第二脉冲信号t2由低变高时，pwm和第三脉冲信号t3变高；第三脉冲信号t3 在下一次第二脉冲信号t2变高之前已经变低，同时zcd一直为低；在轻载情况下，pwm 信号为高时电感充电，pwm为低时电感放电；当电感电流过零时zcd变高，电感停止放电；第三脉冲信号t3的高电平延迟时间大于由第一脉冲信号t1和第二脉冲信号t2决定的开关周期，开关动作由第三脉冲信号t3触发，当延时结束第三脉冲信号t3由高变低时，pwm 变高，同时第三脉冲信号t3被置高开始下一次延时计时，当pwm变低后，由第一脉冲信号 t1和第二脉冲信号t2控制电感的放电时序；vin高于vout时：与vin低于vout时的控制时序完全相同。
15.本发明的方案，用单脉冲模式取代间歇工作模式，在轻载模式下，功率级每次只工作一个周期，可以降低电压纹波；利用vc信号去调制单脉冲模式的间隔时间，负载越轻，间隔时间越长。目的是功率级的工作频率随负载线性降低，只有在很轻载的时候才会进入音频。同时因为每次只工作一个周期，传递的能量小，该音频噪声也会远远低于图3所示方案的噪声。
16.本发明的有益效果是：因为不需要通过vc检测vout的实时电压纹波，系统只是用vc 的平均值去调制间隔时间，所以可以保证vout的电压精度不随vin，vout和负载变化。
附图说明
17.图1为buck
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boost简化框图；
18.图2为现有方案的系统简化框图；
19.图3为现有方案的轻载模式；
20.图4为本发明的带自动轻载模式的buck
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boost系统框图；
21.图5为buck模式时的时序关系图，包括重载时ccm模式和轻载时单脉冲模式；
22.图6为boost模式时的时序关系图，包括重载时ccm模式和轻载时单脉冲模式；
23.图7为buck
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boost模式时的时序关系图(vin略低于vout)，包括重载时ccm模式和轻载时单脉冲模式；
24.图8为buck
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boost模式时的时序关系图(vin略高于vout)，包括重载时ccm模式和轻载时单脉冲模式。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明进行详细的描述。
26.本发明的系统框图如图4所示。内部参考电压vref和vout电压反馈信号通过差分放大后产生电压控制信号vc,vc经v/i变换产生电流控制信号ic和ipfm。ic信号通路上有一个钳位电路，当v/i变换的输出电流大于该钳位电路设定的值时，ic等于v/i变换的输出电流。当v/i变换的输出电流小于该钳位电路设定的值时，ic等于该设定值。比较器comp1 对电感电流采样信号isns和ic进行比较，产生脉冲宽度调制信号pwm。tpfm是一个电流控制延时电路，延迟时间随着ipfm的减小而增加，延时结束后产生信号脉冲t3。timer 电路通过监测vin和vout电压，产生t1和t2信号，决定buck
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boost的关断时间。比较器comp2检测开关d导通时的电压降，当发现电感电流在放电阶段放到0时，产生zcd 信号来关断功率开关管，
使电感电流不会过负。
27.在重载情况下，vc电压比较高所以ipfm和ic都比较大。tpfm产生的间隔时间小于由 t1，t2设定的开关周期。ipwm，t1和t2共同控制开关abcd，实现vout的稳压。系统工作在ccm模式。
28.当负载很低时，随着vc电压降低ic被钳位在最小电流值，每个开关周期的电感电流不再减小。ipfm随着vc的下降而继续减小，tpfm产生的间隔时间会逐渐增大。当间隔时间大于由t1，t2设定的开关周期后，开关的起始动作由t3信号接手。系统自动进入单脉冲轻载模式。
29.如图5所示，当vin>>vout时，dcdc工作在buck模式，此时t1不参系统控制。在重载情况下的时序如图所示，pwm信号为高时电感充电，pwm为低时电感放电。当pwm 由高变低时，t2变低；当timer计时结束后t2由低变高时，pwm和t3变高。因为电感电流比较大，t3在下一次t2变高之前已经变低，同时zcd一直为低。
30.在轻载情况下的时序如图所示，pwm信号为高时电感充电，pwm为低时电感放电。当电感电流过零时zcd变高，电感停止放电。因为电感电流比较小，t3的高电平延迟时间大于由t2决定的开关周期，开关动作由t3触发。当t3由高变低时，pwm变高，同时t3被置高开始下一次延时计时。
31.如图6所示，当vin<<vout时，dcdc工作在boost模式，此时t2不参系统控制。在重载情况下的时序如图所示，pwm信号为高时电感充电，pwm为低时电感放电。当pwm 由高变低时，t1变低；当timer计时结束后t1由低变高时，pwm和t3变高。因为电感电流比较大，t3在下一次t1变高之前已经变低，同时zcd一直为低。
32.在轻载情况下的时序如图所示，pwm信号为高时电感充电，pwm为低时电感放电。当电感电流过零时zcd变高，电感停止放电。因为电感电流比较小，t3的高电平延迟时间大于由t1决定的开关周期，开关动作由t3触发。当t3由高变低时，pwm变高，同时t3被置高开始下一次延时计时。
33.当vin接近vout时，dcdc工作在buck
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boost模式。vin略低于vout时的时序关系如图7所示。在重载情况下的时序如图所示，pwm信号为高时电感充电，pwm为低时电感放电。当pwm由高变低时，t1变低,，电感两端的放电电压为vout
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vin；当timer 计时结束后t1由低变高时，t2变低电感开始第二阶段放电，电感两端的放电电压为vout。当timer计时结束后t2由低变高时，pwm和t3变高。因为电感电流比较大，t3在下一次 t2变高之前已经变低，同时zcd一直为低。
34.在轻载情况下的时序如图所示，pwm信号为高时电感充电，pwm为低时电感放电。当电感电流过零时zcd变高，电感停止放电。因为电感电流比较小，t3的高电平延迟时间大于由t1和t2决定的开关周期，开关动作由t3触发。当延时结束t3由高变低时，pwm变高，同时t3被置高开始下一次延时计时。当pwm变低后，由t1和t2控制电感的放电时序。
35.vin略高于vout时的buck
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boost模式时序关系如图8所示。该情况的控制时序与 vin略低于vout时的时序完全相同。因为vin略高于vout，电感电流会在t1阶段缓慢上升，zcd只会发生在t2阶段。