专利名称：一种大负载电流范围的dc-dc控制电路的制作方法
技术领域：
本发明属于模拟集成电源芯片技术领域，是一种环路控制电路，可应用于各类降 压型DC-DC、升压型DC-DC等控制系统中。
背景技术：
目前电源类模拟IC的应用越来越广泛，对其要求也越来越高，要求它具有效率 高、电压纹波低、瞬态响应快和负载范围大等特点。 传统的DC-DC控制电路如图1所示，为了使输出电压纹波尽可能的小，芯片应该工 作在P丽模式下，但是，当电流负载范围扩大，比如100mA 3. 6A，那么电感的平均电流的范 围是100mA 3. 6A，最大值是最小的36倍。同理电感电流按比例采样后，其最大值也是最 小值的36倍，但是采样电流经电阻转化为电压后，与斜坡电压V，p之和却必须控制在一定 的范围内(在便携式产品应用中，通常控制大约在200mV 2V范围以内)，否则无法保持 电路的稳定。显然采样电流范围过大与电流转化为电压的范围受限存在矛盾。因此目前的 DC-DC芯片的负载电流范围一般是控制在100mA 700mA。当低于100mA时采用PFM模式， 高于700mA时则无法保证电路工作在P丽模式，这样输出电压纹波增加。
发明内容
本发明目的是针对现有的降压型DC-DC技术存在的缺陷提供一种大负载电流范 围的DC-DC控制电路，使得芯片能在大负载电流范围内稳定的工作，保持低的电压纹波。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案 本发明一种大负载电流范围的DC-DC控制电路，包括P型功率管MP、 P型功率管 的采样电流管MPS、电流检测电阻Rsense、 N型功率管丽、电感L、负载R。负载电容C。分 压电阻Rp !^、误差放大器ea、误差放大器的检测电路ea sensor、第一比较器comp、将电 流转化为电压的电阻R3、 RS触发器、缓冲电路bufferl、 buffer2、电流转化电路current convertor、电压电流转化电路V-I converter、求和运算器和电流检测放大器amp ;其中 求和运算器的输入端分别接电压电流转化电路V-I converter的输出端和给定锯齿波电 流I，p，求和运算器的输出端串接电流转化电路current converter后分别接第一比较器 comp的正输入端和电阻R3的一端，电阻R3的中间端接误差放大器的检测电路easensor的 输出端，电阻R3的另一端接地，误差放大器的检测电路ea sensor的输入端分别接误差放 大器ea的输出端和第一比较器comp的负输入端，第一比较器comp的输出端接RS触发器 的R端，RS触发器的S端接外部时钟信号，RS触发器的输出端分别接缓冲电路bufferl和 buffer2的输入端，缓冲电路bufferl的输出端分别接P型功率管MP和采样电流管MPS的栅 极，缓冲电路buffer2的输出端接N型功率管丽的栅极，P型功率管MP的源极分别接外部 直流电压源Vdd、电流检测放大器amp的正输入端和电流检测电阻Rsense的一端，电流检测 放大器amp的输出端接电压电流转化电路V-I converter的输入端，电流检测电阻Rsense 的另一端分别接电流检测放大器amp的负输入端和采样电流管MPs的源极，采样电流管MPs的漏极分别接电感L的一端、P型功率管MP的漏极和N型功率管MN的源极，电感L的另一 端分别接负载&的一端、负载电容(^的一端和分压电阻I^的一端，N型功率管MN的漏极 分别与负载&的另一端、负载电容的另一端和分压电阻R2的一端连接接地，分压电阻R2 的另一端分别接分压电阻Rl的另一端和误差放大器ea的负输入端，使系统成为一个负反 馈系统，从而保持系统稳定。误差放大器ea的正输入端接基准电压Vref。利用放大器两输 入端虚短原理，确定输出电压的大小。 现有技术通常负载电流的范围受到限制，一般在100mA 700mA之间。当电流负载 范围大时，P型功率管的电流跨幅很大，采样电流值的跨幅同样很大，而为了使比较器comp 的正输入端电压控制在200mV 2V的范围以内，因此需要调节R3的大小，使得I2R3控制在 合理的范围内。 负载电流较大时，P型功率管的最大电流很大，相应的I2很大，此时可将R3的值调 小。具体实现方式是，当负载电流变大时，输出电压V。ut变低，误差放大器的输出U曾加， 通过ea sensor电路将R3调小，这样即使I2增加，I2R3的值也不至于增加过大。
同时，利用current converter将电流I:进行转化处理，使得其增加速率控制在 合理的范围内。这样的目的同样是控制V^的范围。 通过上述发明可以将电流负载的范围很大程度的扩大，由原来的100mA 700mA 扩展至100mA 3. 6A。而本发明克服了传统控制电路的缺陷，极大地增加了电流负载的范 围。
图1传统的DC-DC控制电路原理图。
图2本发明的DC-DC控制电路原理图。
图3本发明的误差放大器检测电路。
图4本发明的电流转化电路。
图5本发明电流转化电路的仿真图。
图6本发明负载约为3. 6A的仿真图。
图7本发明负载约为0. 102A的仿真图。 图1中VMf为基准电压，Vt是斜坡电压和采样电压Vsense之和。图3中VMfl和 Vref2是两个不同值的基准电压。transfer 1和transfer 1是传输门，Vea是误差放大器的输 出电压，comp是比较器，i読rtorl等是反相器;图4中I!、 IM2禾口 I2分别是M0S管M1、M2和 M4的电流。
具体实施例方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明 在图2中，本发明一种大负载电流范围的DC-DC控制电路，包括P型功率管MP、 P 型功率管的采样电流管MPS、电流检测电阻Rsense、N型功率管丽、电感L、负载R。负载电容 C。分压电阻Ri、I^、误差放大器ea、误差放大器的检测电路ea sensor、第一比较器comp、将 电流转化为电压的电阻R3、 RS触发器、缓冲电路buffer 1、 buffer2、电流转化电路current convertor、电压电流转化电路V-I converter、求和运算器和电流检测放大器amp ;其中求和运算器的输入端分别接电压电流转化电路V-I converter的输出端和给定锯齿波电 流I，p，求和运算器的输出端串接电流转化电路current converter后分别接第一比较器 comp的正输入端和电阻R3的一端，电阻R3的中间端接误差放大器的检测电路ea sensor的 输出端，电阻R3的另一端接地，误差放大器的检测电路ea sensor的输入端分别接误差放 大器ea的输出端和第一比较器comp的负输入端，第一比较器comp的输出端接RS触发器 的R端，RS触发器的S端接外部时钟信号，RS触发器的输出端分别接缓冲电路bufferl和 buffer2的输入端，缓冲电路bufferl的输出端分别接P型功率管MP和采样电流管MPS的 栅极，缓冲电路buffer2的输出端接N型功率管丽的栅极，P型功率管MP的源极分别接外 部直流电压源Vdd、电流检测放大器amp的正输入端和电流检测电阻Rsense的一端，电流检 测放大器amp的输出端接电压电流转化电路V-Iconverter的输入端，电流检测电阻Rsense 的另一端分别接电流检测放大器amp的负输入端和采样电流管MPs的源极，采样电流管MPs 的漏极分别接电感L的一端、P型功率管MP的漏极和N型功率管MN的源极，电感L的另一 端分别接负载&的一端、负载电容(^的一端和分压电阻I^的一端，N型功率管MN的漏极 分别与负载&的另一端、负载电容&的另一端和分压电阻R2的一端连接接地，分压电阻R2 的另一端分别接分压电阻Ri的另一端和误差放大器ea的负输入端，使系统成为一个负反 馈系统，从而保持系统稳定。误差放大器ea的正输入端接基准电压VMf，利用放大器两输入 端虚短原理，确定输出电压的大小。 设定M&与MP的宽长比是K : 1， P型功率管MP开启时，N型功率管丽关断， 则MPS的电流是MP的K倍，通常K设为0. 001，电感电流是MP和MPS的电流之和，MPS的电 流流过Rsense产生一定的压降，此电压经放大器amp放大后，再经电压电流转化电路V_I convertor，将电压信号转化为电流信号，此电流再与斜坡电流相加，得到I15 ^再经电流转 化电路得到I2， I2流过电阻R3转化为电压，此电压信号输入比较器正输入端，同误差放大器 的电压信号相比较。 在时钟的第一相位内，P型功率管导通，N型功率管截止。随着时间的增加，电感 电流上升，P型功率管MP电流增加，MPs的电流也随之增加，电阻Rsense上的压降增加。其 压降经放大器amp放大后，Vsense增加，相应的^、 I2和R3的压降都将随着P型功率管导 通时间的增加而增加，当VK3大与VM时，比较器comp输出高电平，RS触发器Q端输出高电 平，P型功率管截止，N型功率管导通，这样电感电流开始下降，直到这个时钟周期结束。当 下个时钟周期开始时，RS触发器重新置位，N型功率管截止，P型功率管导通，当P型功率管 导通一定时间后，P型功率管截止，N功率管导通，这样一直循环下去。 通过上述的P丽控制模式，目前的大多数DC-DC降压芯片虽然能在一定电流负载 范围内，将输出电压的纹波控制在比较理想的范围内，但是当负载范围扩大，输出电压纹波 也将随之扩大。 这是因为如果希望输出电压纹波尽可能的小，那么芯片应该工作在P丽模式下， 但是，当电流负载范围扩大，比如100mA 3. 6A，那么电感的平均电流的范围是100mA 3. 6A，最大值是最小的36倍。同理电感电流按比例采样后，其最大值也是最小值的36倍， 但是采样电流经电阻转化为电压后，其大小却必须控制在一定的范围内(在便携式产品应 用中，通常控制大约在200mV 2V范围以内)，否则无法保持电路的稳定。显然采样电流范 围过大与电流转化为电压的范围受限存在矛盾。
本发明当电流负载范围大时，P型功率管的电流跨幅很大，采样电流值的跨幅同样很大，而为了使比较器comp的正输入端电压控制在200mV 2V的范围以内，调节1 3的大小，使得I2R3控制在合理的范围内。 负载电流较大时，P型功率管的最大电流很大，相应的I2很大，此时可将R3的值调小。具体实现方式是，当负载电流变大时，输出电压V。ut变低，误差放大器的输出U曾加，通过ea sensor电路将R3调小，这样即使I2增加，I2R3的值也不至于增加过大。
同时，利用current converter将电流I:进行转化处理，使得其增长速率控制在合理的范围内。这样的目的同样是控制V^的范围。 其中ea sensor电路如图3所示，包括传输门transferl、 transfer2，第二比较器comp禾口反向器invertorl、 invertor2、 invertor3禾口 invertor4，第二比较器comp的负输入端接误差放大器ea的输出端，第二比较器comp的正输入端分别接传输门transferl、transfer2的反馈输出端，第二比较器comp的输出端依次串接反向器invertorl、i読rtor2、 i読rtor3禾口 i読rtor4后接电阻R3的中间端，反向器invertorl的输出端串接传输门transferl后分别接反向器invertor2的输出端和传输门transfer2的输入端，传输门transfer2的输出端接反向器invertor3的输出端。负载电流过大时，也就是电感电流过大时，V。ut电压会略有下降，误差放大器的输出电压则会升高，如设Vref2 > VMfl，当VM大于V^时，V。输出低电平信号，将IU周小；当负载电流较小时，也就是电感电流较小时，
V。ut电压会有所上升，误差放大器的输出电压则会下降，当当L小于V^时，V。输出高电平
信号，将R3调大，这样在整个的负载范围内，将I2R3控制在合理的范围内。 电流转换电路如图4所示，包括M0S管Ml、 M2、 M3和M4以及电阻Rf ，其中M0S管
M3和M4的源极分别接外部直流电源Vdd， M0S管M3的栅极分别接M0S管M4的栅极和漏极
以及M0S管M2的源极，M0S管M4的漏极接第一比较器comp的正输入端，M0S管M2的漏极
串接电阻Rf后与M0S管M2的漏极连接接地，M0S管M2的栅极分别与M0S管Ml的栅极和源
极以及求和运算器的输出端连接。 所述M0S管Ml、 M2是NM0S管，M0S管M3、 M4是PM0S管。其中M2的宽长比大于Ml，当L较小时，> L，当^较大时，IM2 < I"而12等于1 2，这样可以将12控制在合理的范围内。从仿真图5可以看出，当M1的电流M1为lyA时，M2的电流IM2约为3iiA;当Ml的电流为30iiA时，M2的电流约为22iiA。明显的可以看到M2的电流范围小于M1的电流范围。 如图6所示，为本发明负载约为3. 6A的仿真图。
如图7所示，为本发明负载约为0. 102A的仿真图。
权利要求
一种大负载电流范围的DC-DC控制电路，其特征在于包括P型功率管MP、P型功率管的采样电流管MPs、电流检测电阻Rsense、N型功率管MN、电感L、负载RL、负载电容CL、分压电阻R1、R2、误差放大器ea、误差放大器的检测电路ea sensor、第一比较器comp、将电流转化为电压的电阻R3、RS触发器、缓冲电路buffer1、buffer2、电流转化电路current convertor、电压电流转化电路V-I convertor、求和运算器和电流检测放大器amp；其中求和运算器的输入端分别接电压电流转化电路V-I convertor的输出端和给定锯齿波电流Iramp，求和运算器的输出端串接电流转化电路current convertor后分别接第一比较器comp的正输入端和电阻R3的一端，电阻R3的中间端接误差放大器的检测电路ea sensor的输出端，电阻R3的另一端接地，误差放大器的检测电路ea sensor的输入端分别接误差放大器ea的输出端和第一比较器comp的负输入端，第一比较器comp的输出端接RS触发器的R端，RS触发器的S端接外部时钟信号，RS触发器的输出端分别接缓冲电路buffer1和buffer2的输入端，缓冲电路buffer1的输出端分别接P型功率管MP和采样电流管MPs的栅极，缓冲电路buffer2的输出端接N型功率管MN的栅极，P型功率管MP的源极分别接外部直流电压源Vdd、电流检测放大器amp的正输入端和电流检测电阻Rsense的一端，电流检测放大器amp的输出端接电压电流转化电路V-Iconvertor的输入端，电流检测电阻Rsense的另一端分别接电流检测放大器amp的负输入端和采样电流管MPs的源极，采样电流管MPs的漏极分别接电感L的一端、P型功率管MP的漏极和N型功率管MN的源极，电感L的另一端分别接负载RL的一端、负载电容CL的一端和分压电阻R1的一端，N型功率管MN的漏极分别与负载RL的另一端、负载电容CL的另一端和分压电阻R2的一端连接接地，分压电阻R2的另一端分别接分压电阻R1的另一端和误差放大器ea的负输入端，误差放大器ea的正输入端接基准电压Vref。
2. 根据权利要求1所述的一种大负载电流范围的DC-DC控制电路，其特征在于所述误 差放大器的检测电路ea sensor包括传输门transferl、transfer2，第二比较器comp和反 向器invertorl、invertor2、invertor3禾口 invertor4，第二比较器comp的负输入端接误差 放大器ea的输出端，第二比较器comp的正输入端分别接传输门transferl、 transfer2的 反馈输出端，第二比较器comp的输出端依次串接反向器invertorl、invertor2、invertor3 和invertor4后接电阻R3的中间端，反向器invertorl的输出端串接传输门transferl后 分别接反向器invertor2的输出端和传输门transfer2的输入端，传输门transfer2的输 出端接反向器invertor3的输出端。
3. 根据权利要求1所述的一种大负载电流范围的DC-DC控制电路，其特征在于所述电 流转化电路current converter包括M0S管Ml、 M2、 M3和M4以及电阻Rf，其中M0S管M3 和M4的源极分别接外部直流电源Vdd，M0S管M3的栅极分别接M0S管M4的栅极和漏极以及 M0S管M2的源极，M0S管M4的漏极接第一比较器comp的正输入端，M0S管M2的漏极串接 电阻Rf后与M0S管M2的漏极连接接地，MOS管M2的栅极分别与M0S管Ml的栅极和源极以 及求和运算器的输出端连接。
4. 根据权利要求3所述的一种大负载电流范围的DC-DC控制电路，其特征在于所述 M0S管Ml、 M2是腦S管，M0S管M3、 M4是PM0S管。
全文摘要
本发明公布了一种大负载电流范围的DC-DC控制电路，包括P型功率管MP、P型功率管的采样电流管MPs、电流检测电阻Rsense、N型功率管MN、电感L、负载RL、负载电容CL、分压电阻R1、R2、误差放大器ea、误差放大器的检测电路ea sensor、第一比较器comp、将电流转化为电压的电阻R3、RS触发器、缓冲电路buffer1、buffer2、电流转化电路current convertor、电压电流转化电路V-I convertor、求和运算器和电流检测放大器amp。本发明克服了传统控制电路的缺陷，极大地增加了电流负载的范围。
文档编号H02M3/04GK101764520SQ20101010051
公开日2010年6月30日 申请日期2010年1月25日 优先权日2010年1月25日
发明者张韬, 谢凌寒 申请人:无锡芯朋微电子有限公司