一种针对宽输入应用的降压电源芯片的电流模控制方法与流程

1.本发明属于电源管理技术领域，具体涉及一种针对宽输入应用的降压电源芯片的电流模控制方法。


背景技术：

2.开关电源因为其高效和宽调节范围的特征在电源领域被广泛使用。其中降压开关电源(buck架构)可以产生低于输入电压的可控输出电压。而在降压开关电源环路补偿的方法上，电流模的控制方法因为其简单的补偿环路设计和硬件开销，已经越来越被广泛应用。而电流模的控制方法中，峰值电流模恒定关闭时间控制(peak
‑
cmode cotoff(constant toff)control)和谷值电流模恒定开启时间控制(valley
‑
cmode coton(constant ton)control)最为常用。在这两种方法中，由于控制环路中电流采样电路，控制电路和驱动电路响应时间限制，使得在某些极端情况下，即在输入暂态跌落很低而接近输出或者输入因为输出负载撤出而升高远大于输出或者刚启动时输出从0电压开始爬升时，因为无法满足伏秒平衡而降压开关电源无法稳定环路调节导致输出电压或者电感电流的失控。
3.现有技术对于宽输入应用的降压电源芯片的实现方法有：
4.1.放弃电流模控制方法，转而采用电压模控制方法，即不用进行电流信息的采样，只采集输出电压来实现更宽范围的占空比调节能力，如图1。因为不需要采集电流信息，即不存在采集电流时所需的屏蔽时间，所以相比电流模，电压模的环路最小延迟可以进一步减小。而电压模的缺点为开关电源自身是一个双级点系统，单纯的电压模控制需要环路进行type iii型补偿，即创造两个零点去抵消外部电感和输出电容的双极点。而type iii型补偿只能针对固定范围的电感和电容，对外部电感和电容取值范围要求很严格。同时type iii型补偿在环路控制的硬件实现上较为复杂。可以在图中看出电压模需要两套补偿网络来创造type iii型补偿。(相比下，电流模只需要type ii型补偿，即只需要一套补偿网络，只需创造一个零点且适用更宽的外部电感和电容取值。)
5.2.在原始电流模的结构上进行改变：在峰值电流模恒定关闭时间控制中同时加入谷值电流控制，或者在谷值电流模恒定开启时间控制中同时加入峰值电流控制，如图2和图3。即在峰值电流模恒定关闭时间控制中，当输入因为输出负载撤出而暂态上升远大于输出(或者输出从0电压启动)而需要支持极小占空比的情况下，控制转而采用谷值电流控制。同理，在谷值电流模恒定开启时间控制中，当输入暂态跌落很低且接近输出电压而需要支持极大占空比的情况下，控制转而采用峰值电流控制。这两种方法各自均需要增加一套电流采样电路，不仅硬件开销增加，还增加了系统控制逻辑的复杂度，如图2和图3中左侧增加的电流采样模块和控制逻辑模块。另外因为同时有峰值和谷值两种电流采样，必然存在两套电流采样电路间的失调，即offset，即图2中两套电流采样的相互间误差，图3同理。为了保证在正常输入输出占空比下的频率稳定，需要对两套采样电路进行失调校准，又增加了开销。


技术实现要素：

6.本发明针对上述问题，重新设计降压电源的电流模控制环路使其可以利用创新的监控环路在极端情况下反馈控制而自适应工作：通过采样实际功率开关管的开启周期宽度，将其与预设的最小环路控制时间相比较，如发现处于需要极端变比的情况，用比较反馈信息去控制原有的时间产生模块使其延长，确保最终稳态时不会触发电路极限响应时间，保证宽输入范围下的降压电源能自适应地正常工作。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
8.一种针对宽输入应用的降压电源芯片的电流模控制方法，包括电感、第一开关管q1、第二开关管q2、电流采样模块、恒定时间控制模块、误差放大器、比较放大器、预设开关时间产生电路和开关电源pwm控制器；输入电压vin接第一开关q1的一端，第一开关q1的另一端接电感的一端和第二开关的一端，电感的另一端输出电压vout，第二开关管q2的另一端接地；开关电源pwm控制器的输入为电流采样模块、误差放大器和恒定时间控制模块，其中误差放大器的同相输入端为输出反馈电压，反相输入为基站电压；恒定时间控制模块的输入端为比较放大器，比较放大器的一个输入为预设开关时间产生电路，另一个输入为第一开关管q1或第二开关管q2的驱动信号，开关电源pwm控制器的输出控制第一开关管q1和第二开关管q2的开启和关闭；其特征在于，所述控制方法为，通过比较器对第一开关管q1或第二开关管q2的开启周期宽度与预设开关时间产生电路产生的时间做比较，将结果反馈到恒定时间控制模块，使恒定时间控制模块产生的控制时间进行延展，最终确保任何时候开关管开启周期宽度都大于电路极限设计时间，从而不会使得电感电流或者输出电压失控。：
9.若所述电流采样模块为峰值电流采样模块，执行s1，若所述电流采样模块为谷值电流采样模块，执行s2：
10.s1、将电感电流上升周期所需固定时间的最小值定义为min
‑
ton，所述预设开关时间产生电路为预设最小开启时间产生电路，定义预设最小开启时间产生电路产生的时间为ref
‑
ton，并满足ref
‑
ton大于min
‑
ton，预设最小开启时间产生电路包括第一延时模块、第一非门和第一与门，第一延时模块的输入端和第一与门的一个输入端均接第一开关管q1的驱动信号，第一非门的输入接第一延时模块的输出，第一与门的另一个输入端接非门的输出；比较放大器包括第一d触发器、第二d触发器、第二非门、第三非门、第四非门、第二延时模块、第二与门、第三开关、第四开关、第一电流源、第二电流源和跨导放大器；第二非门的输入端接第一开关管q1的驱动信号，第二非门的输出接第一d触发器的时钟信号输入端，第一d触发器的d输入端置1，第一d触发器的q输出端输出第三开关的控制信号；第三非门的输入端接第一与门的输出端，第三非门的输出端接第二d触发器的时钟信号输入端，第二d触发器的d输入端置1，第二d触发器的q输出端输出第四开关的控制信号；第二与门的一个输入端接第一d触发器的q输出端，第二与门的另一个输入端接第二d触发器的q输出端，第二与门的输出端接第二延时模块的输入端，第二延时模块的输出端接第四非门的输入端，第四非门的输出端分别接第一d触发器的复位端和第二d触发器的复位端；第一电流源的输入端接电源vdd，输出端接第三开关的一端，第三开关的另一端接第四开关的一端，第四开关的另一端接第二电流源的输入端，第二电流源的输出端接地；跨导放大器的反相输入端接基准电压vref，跨导放大器的同相输入端接第三开关和第四开关的连接点，定义第三开关和第四开关的连接点输出误差积分信号comp_ton，跨导放大器的输出为比较放大器的输
出，定义输出电流为ictr1；所述恒定时间控制模块为恒定关闭时间控制模块，恒定关闭时间控制模块根据输入电压vin、输出电压vout和开关电压得到自适应控制时间，电流ictr1输入到恒定关闭时间控制模块的控制方式为：当vin和vout接近时，comp_ton下降低于vref，跨导放大器输出电流减小且为负，因此输出电流ictrl为0而无法影响恒定关闭时间控制模块，此时恒定关闭时间控制模块输出的时间不受影响；当vin上升远大于vout时，comp_ton上升，跨导放大器输出电流为正且增加，因此输出电流ictrl为正，使恒定关闭时间控制模块输出的时间延展，最终第一开关管q1的开启时间等于ref
‑
ton，又因为ref
‑
ton大于min
‑
ton，即确保工作最终稳态下，电感电流上升周期所需固定时间始终大于min
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ton；
11.s2、将电感电流下降周期所需固定时间的最小值定义为min
‑
toff，所述预设开关时间产生电路为预设最小关闭时间产生电路，定义预设最小关闭时间产生电路产生的时间为ref
‑
toff，并满足ref
‑
toff大于min
‑
toff，预设最小关闭时间产生电路包括第一延时模块、第一非门和第一与门，第一延时模块的输入端和第一与门的一个输入端均接第二开关管q2的驱动信号，第一非门的输入接第一延时模块的输出，第一与门的另一个输入端接非门的输出；比较放大器包括第一d触发器、第二d触发器、第二非门、第三非门、第四非门、第二延时模块、第二与门、第三开关、第四开关、第一电流源、第二电流源和跨导放大器；第二非门的输入端接第二开关管q2的驱动信号，第二非门的输出接第一d触发器的时钟信号输入端，第一d触发器的d输入端置1，第一d触发器的q输出端输出第三开关的控制信号；第三非门的输入端接第一与门的输出端，第三非门的输出端接第二d触发器的时钟信号输入端，第二d触发器的d输入端置1，第二d触发器的q输出端输出第四开关的控制信号；第二与门的一个输入端接第一d触发器的q输出端，第二与门的另一个输入端接第二d触发器的q输出端，第二与门的输出端接第二延时模块的输入端，第二延时模块的输出端接第四非门的输入端，第四非门的输出端分别接第一d触发器的复位端和第二d触发器的复位端；第一电流源的输入端接电源vdd，输出端接第三开关的一端，第三开关的另一端接第四开关的一端，第四开关的另一端接第二电流源的输入端，第二电流源的输出端接地；跨导放大器的反相输入端接基准电压vref，跨导放大器的同相输入端接第三开关和第四开关的连接点，定义第三开关和第四开关的连接点输出误差积分信号comp_toff，跨导放大器的输出为比较放大器的输出，定义输出电流为ictr1；所述恒定时间控制模块为恒定开启时间控制模块，恒定开启时间控制模块根据输入电压vin、输出电压vout和开关电压得到自适应控制时间，电流ictr1输入到恒定开启时间控制模块的控制方式为：当vin远大于vout时，comp_toff下降低于vref，跨导放大器输出电流减小且为负，因此输出电流ictrl为0而无法影响恒定开启时间控制模块，此时恒定开启时间控制模块输出的时间不受影响；当vin接近vout时，comp_toff上升，跨导放大器输出电流为正且增加，因此输出电流ictrl为正，使恒定开启时间控制模块输出的时间延展，最终第二开关管q2的开启时间等于ref
‑
toff，又因为ref
‑
toff大于min
‑
toff，即确保工作最终稳态下，电感电流下降周期所需固定时间始终大于min
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toff。
12.本发明的有益效果为：重新设计降压电源的电流模控制环路使其可以利用创新的监控环路在极端情况下反馈控制而自适应工作：通过采样实际功率开关管的开启周期宽度，将其与预设的最小环路控制时间相比较，如发现处于需要极端变比的情况，用比较反馈信息去控制原有的时间产生模块使其延长，确保最终稳态时不会触发电路极限响应时间，保证宽输入范围下的降压电源能自适应地正常工作。
附图说明
13.图1采用电压模控制方法的降压电源结构图；
14.图2为加入宽输入范围谷值电流控制的峰值电流模恒定关闭时间控制方法的降压电源结构图；
15.图3为加入宽输入范围峰值电流控制的谷值电流模恒定开启时间控制方法的降压电源结构图；
16.图4为基本的降压电源电路(buck converter)功率级结构；
17.图5为本发明提出的适用于宽输入范围，带实时主动管开启周期宽度反馈的自适应延展toff时间的峰值电流模恒定关闭时间控制方法；
18.图6为本发明提出的适用于宽输入范围，带实时同步管开启周期宽度反馈的自适应延展ton时间的谷值电流模恒定开启时间控制方式；
19.图7为实时主动管开启周期宽度反馈延展toff时间模块的一种芯片可集成的实现方法示意图；
20.图8为实时同步管开启周期宽度反馈延展ton时间模块的一种芯片可集成的实现方法示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图，对本发明技术方案进行详细描述：
22.图4是基本的降压电源电路(buck converter)和电感电流波形，q1和q2为两个功率开关管，l为串联电感，c为输出并联的稳压电容。q1和q2交替非重叠的开关，q1开启时电感电流上升，q2开启时电感电流下降，其中开关管q1称为主动管，开关管q2称为同步管。环路控制和pwm产生电路通过控制q1和q2的开启关断的占空比使输出电压达到预先设定值。当q1开启时，电感电流上升速率为(vin
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vout)/l，q2开启时，电感电流下降速率为vout/l。如图2和图3下半部分则为更加详细的传统电流模的环路控制和pwm产生电路设计方法。电流模指的是将q1或者q2或者电感的电流信息进行采样并直接同输出电压一样反馈到环路控制中而产生pwm控制信号的一种控制方法。
23.电流信息用于控制电感电流的上升周期称为峰值电流模peak cmode，如图2，在峰值电流模中，下降周期一般会采用恒定时间控制，即固定一段时间或者利用vin，vout或者sw的电压信息计算一个自适应时间adaptive timer(后者的好处为实现较为精准的恒定开关频率)。但因为图2中峰值电流采样和开关电源pwm控制器存在较大的延时，电感电流的上升周期存在一个固定的最小时间，即min
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ton。当输入因为输出负载撤出而暂态上升远大于输出而需要支持极小占空比的时候，电感上升时间被min
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ton限制而不能继续减小，而电感下降时间依然由原先恒定时间或者自适应时间的设定，导致电感电流在一个周期以内无法回到原点，即无法伏秒平衡。这样几个周期后电感电流必然增加而失控，也会使得输出电压失控。
24.同理，电流信息用于控制电感电流的下降周期称为谷值电流模valley cmode，如图3，在谷值电流模中，上升周期一般会采用恒定时间控制，即固定一段时间或者利用vin，vout或者sw的电压信息计算一个自适应时间adaptive timer(后者的好处为实现较为精准的恒定开关频率)。但因为图3中谷值电流采样和开关电源pwm控制器存在较大的延时，电感
电流的下降周期存在一个固定的最小时间，即min
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toff。当输入暂态跌落很低且接近输出而需要支持极大占空比的时候，电感下降时间被min
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toff限制而不能继续减小，而电感上升时间依然由原先恒定时间或者自适应时间的设定，导致电感电流在一个周期以内无法回到原点，即无法伏秒平衡。这样几个周期后电感电流必然变负而失控(或者能量不够)，也会使得输出电压失控。
25.本发明的通过采样实际功率开关管的开启周期宽度，将其与预设的最小环路ton/toff基准控制时间相比较，去控制原有的时间产生模块使其能在极端变比的情况下自适应延长(原有时间产生模块为固定一段时间或者利用vin，vout或者sw的电压信息计算一个自适应时间adaptive timer)，从而使开关电源依然可以正常工作，电感电流依然可控且输出电压等于预设值。图5和图6为本发明提出的适用于宽输入范围，带实时主动管开启周期宽度反馈的自适应延展toff时间的峰值电流模恒定关闭时间控制方法，和适用于宽输入范围，带实时同步管开启周期宽度反馈的自适应延展ton时间的谷值电流模恒定开启时间控制方法。
26.下面对本发明的工作原理进行说明，其中部分常识性知识被省去，以凸显本发明的改进点。
27.具体其中的实时主动管/同步管开启周期宽度反馈的自适应延展时间模块的工作原理如下：
28.对于适用于宽输入范围，带实时主动管开启周期宽度反馈的自适应延展toff时间的峰值电流模恒定关闭时间控制方法，因为峰值电流采样和开关电源pwm控制器的延时相对固定，一般为电流采样的屏蔽时间和逻辑及驱动延迟，可通过设计和仿真获得。先用一个预设最小开启时间产生器设计一个基准最小ton时间ref_ton,min，确保产生的ref_ton,min大于上述的电路极限开启时间min_ton。再用实际主动管开启周期宽度和预设的最小开启时间做比较放大反馈到原先的toff时间产生模块中，确保任何时候主动管开启周期宽度都大于等于ref_ton,min，也就确保大于min_ton。图7为图5中实时主动管开启周期宽度反馈的自适应延展toff时间模块的一种芯片可集成的实现方法示意图。工作原理如下，图7左侧为预设最小开启时间基准产生电路，当q1开启时，通过采样主动管实际驱动信号q1_gate_sense，利用”delay1”延迟单元和组合逻辑，产生ref_ton,min信号(需保证”delay1”延迟单元延迟大于电路极限开启时间min_ton)。图7右侧为最小开启时间比较放大器，将产生的预设最小开启基准时间ref_ton,min和实际主动管实际驱动信号q1_gate_sense进行开启周期宽度对比并将误差积分放大，这里通过类似锁相环结构中的鉴相器和电荷泵积分电路实现，最后将误差积分信号comp_ton转换为电流信号反馈到原先的恒定关闭时间模块，即可达到想要效果。最终：当vin和vout接近时，实际q1的开启时间大于ref_ton,min，最小开启时间比较放大器的comp_ton下降低于vref，gm输出电流减小且为负，由于控制的单向性，输出电流ictrl为0而无法影响原始toff时间模块，即实际toff_end由原先toff timer决定而不受自适应模块的影响；当vin上升而远大于vout时，实际q1的开启时间小于ref_ton,min，最小开启时间比较放大器的comp_ton上升，gm输出电流为正且增加，从而输出电流ictrl为正，使原先toff时间延展，整体控制环路直至使最终q1的开启时间等于ref_ton,min，又因为ref_ton,min大于min
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ton，即确保工作最终稳态下，ton始终大于min
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ton。故即使在极端情况下，电感电流和输出电压也依然可控且等于目标值。
29.对于适用于宽输入范围，带实时同步管开启周期宽度反馈的自适应延展ton时间的谷值电流模恒定开启时间控制方法，因为谷值电流采样和开关电源pwm控制器的延时相对固定，一般为电流采样的屏蔽时间和逻辑及驱动延迟，可通过设计和仿真获得。先用一个预设最小关断时间产生器设计一个基准最小toff时间ref_toff,min，确保产生的ref_toff,min大于上述的电路极限关断时间min_toff(这里需要解释，极限关断时间的关断是相对duty cycle而言，对应到同步管控制，即为同步管的开启时间)。再用实际同步管开启周期宽度和预设最小关断时间做比较放大反馈到原先的ton时间产生模块中，确保任何时候同步管开启周期宽度都大于等于ref_toff,min，也就确保大于min_toff。图8为图6中实时同步管开启周期宽度反馈的自适应延展ton时间模块的一种芯片可集成的实现方法示意图。工作原理如下，图8左侧为预设最小关断时间基准产生电路，当q2开启时，通过采样同步管实际驱动信号q2_gate_sense，利用”delay2”延迟单元和组合逻辑，产生ref_toff,min信号(需保证”delay2”延迟单元延迟大于电路极限关断时间min_toff)。图8右侧为最小关断时间比较放大器，将产生的预设最小关断基准时间ref_toff,min和实际同步管实际驱动信号q2_gate_sense进行开启周期宽度对比并将误差积分放大，这里通过类似锁相环结构中的鉴相器和电荷泵积分电路实现，最后将误差积分信号comp_toff转换为电流信号反馈到原先的恒定开启时间模块，即可达到想要效果。最终：当vin远大于vout接近时，实际q2的开启时间大于ref_toff,min，最小关断时间比较放大器的comp_toff下降低于vref，gm输出电流减小且为负，由于控制的单向性，输出电流ictrl为0而无法影响原始ton时间模块，即实际ton_end由原先ton timer决定而不受自适应模块的影响；当vin接近vout时，实际q2的开启时间小于ref_toff,min，最小关断时间比较放大器的comp_toff上升，gm输出电流为正且增加，从而输出电流ictrl为正，使原先ton时间延展，整体控制环路直至使最终q2的开启时间等于ref_toff,min，又因为ref_toff,min大于min
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toff，即确保工作最终稳态下，toff都大于min
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toff。故即使在极端情况下，电感电流和输出电压也依然可控且等于目标值。