提升瞬态响应性能的降压型电源转换器的制作方法

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种降压型电源转换器。

背景技术：

电源是电子设备的重要组成部分，其性能的优劣直接影响着电子设备的稳定性和可靠性。降压型电源转换器由于电路结构简单、调整方便、可靠性高等优点，在降压式场合一直得到广泛的应用。大多数的降压型电源转换器通过脉冲宽度调制的方式实现控制，即控制功率开关管的导通时间和脉冲周期之比来调节输出电压，如图1所示，降压型电源转换器的输出电压Vout经反馈回路产生反馈电压Vfb，反馈电压Vfb与一基准电压Vref经误差放大器6后输出误差放大信号，误差放大信号与电流采样单元3获取的电流采样信号经比较器2比较，比较结果输入至PWM调制器1后以改变功率开关管的导通时间，稳定输出电压；然而，这种降压型电源转换器，当负载变化引起输出电压变化时，由于需要通过电压反馈回路和电流反馈回路，以改变输出脉冲的宽度才能稳定降压型电源转换器，响应速度较慢，稳定性差。图2中自上而下分别为输出电压Vout及负载电流Iload的波形图，由图2可以看出，当负载电流Iload突然增加时，输出电压Vout波动较大，使得系统的稳定性较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种提升瞬态响应性能的降压型电源转换器，解决以上技术问题；

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

提升瞬态响应性能的降压型电源转换器，其中，包括，

一设置有储能元件的工作电路，于一脉冲宽度调制信号或一脉冲频率调制信号作用下控制所述工作电路于充电模式和放电模式之间交替切换，用于产生一低于输入电压的输出电压；

一控制电路，与所述工作电路连接，用以可切换地产生所述脉冲宽度调制信号或所述脉冲频率调制信号，所述控制电路包括一误差放大器，所述误差放大器于一第二控制信号的作用下于具有第一增益的第一电路拓扑和具有第二增益的第二电路拓扑之间切换以改变输出的误差放大信号的大小。

上述的提升瞬态响应性能的降压型电源转换器，所述第二控制信号通过所述控制电路产生，所述控制电路于负载电流突然增加时产生所述第二控制信号。

上述的提升瞬态响应性能的降压型电源转换器，所述误差放大器包括，

工作电压端，用于输入所述工作电压；

第一输入端，用于连接一参考电压信号；

第二输入端，用于连接采样自所述输出电压的电压反馈信号；

输出端，用于输出所述误差放大信号；

复数个MOS管组成的差分放大电路，可控制地连接于所述工作电压端、 所述接地端、所述第一输入端、所述第二输入端及所述输出端之间，用于对所述参考电压信号和所述电压反馈信号进行差分放大以输出所述误差放大信号；

所述差分放大电路中预定的所述MOS管的两端并联一第二MOS管，所述第二MOS管的栅极与预定的所述MOS管的栅极之间连接一开关支路，所述开关支路于所述第二控制信号的作用下导通或断开，以实现所述差分放大电路于所述第一电路拓扑和所述第二电路拓扑之间切换。

上述的提升瞬态响应性能的降压型电源转换器，所述差分放大电路包括，

第一PMOS管，所述第一PMOS管的源极连接一第一交汇节点，所述第一PMOS管的漏极连接一第二交汇节点，所述第一PMOS管的栅极连接所述第一输入端；

第二PMOS管，所述第二PMOS管的源极连接所述第一交汇节点，所述第二PMOS管的漏极连接一第三交汇节点，所述第二PMOS管的栅极连接所述第二输入端；

第三PMOS管，所述第三PMOS管的栅极连接一第一偏置电压，所述第三PMOS管的源极连接所述工作电压端，所述第三PMOS管的漏极连接所述第一交汇节点，于所述第一偏置电压的作用下提供第一偏置电流；

第一NMOS管，连接于所述第二交汇节点和电源地之间，所述第一NMOS管的栅极连接一第二偏置电压；

第二NMOS管，连接于所述第三交汇节点和电源地之间，所述第二NMOS管的栅极连接所述第二偏置电压。

上述的提升瞬态响应性能的降压型电源转换器，所述差分放大电路还 包括，

第五NMOS管，所述第五NMOS管的源极连接所述第二交汇节点，所述第五NMOS管的漏极连接一第四交汇节点，所述第四交汇节点的栅极连接一第三偏置电压；

第六NMOS管，所述第六NMOS管的源极连接所述第三交汇节点，所述第六NMOS管的漏极连接输出端，所述第六NMOS管的栅极连接所述第三偏置电压；

第七NMOS管和第九NMOS管，串联于所述第四交汇节点和所述工作电压端之间，所述第七NMOS管的栅极连接所述第四偏置电压，所述第七NMOS管的源极连接所述第九NMOS管的漏极，所述第九NMOS管的源极连接所述工作电压端，所述第九NMOS管的栅极连接一第五偏置电压；

第八NMOS管和第十NMOS管，串联于所述输出端和所述工作电压端之间，所述第八NMOS管的栅极连接所述第四偏置电压，所述第八NMOS管的源极连接所述第十NMOS管的漏极，所述第十NMOS管的源极连接所述工作电压端，所述第十NMOS管的栅极连接所述第五偏置电压。

上述的提升瞬态响应性能的降压型电源转换器，所述差分放大电路还包括一第四PMOS管，并联于所述第三PMOS管的源极和漏极之间，所述第四PMOS管的栅极与所述第三PMOS管的栅极之间连接一第一开关支路，所述第一开关支路于所述第二控制信号的作用下导通时，所述第三PMOS管与所述第四PMOS管同步工作，以改变所述第一偏置电流的大小。

上述的提升瞬态响应性能的降压型电源转换器，所述差分放大电路还包括，

第三NMOS管，并联于所述第一NMOS管的源极和漏极之间，所述第三NMOS管的栅极与所述第一NMOS管的栅极之间连接一第二开关支路，所述第二开关支路于所述第二控制信号的作用下导通时，所述第三NMOS管与所述第一NMOS管同步工作；

第四NMOS管，并联于所述第二NMOS管的源极和漏极之间，所述第四NMOS管的栅极与所述第二NMOS管的栅极之间连接一第三开关支路，所述第三开关支路于所述第二控制信号的作用下导通时，所述第四NMOS管与所述第二NMOS管同步工作。

上述的提升瞬态响应性能的降压型电源转换器，所述控制电路包括，

一比较器，用于对所述误差放大信号与一采样自所述工作电路的电流检测信号进行比较，产生一比较信号；

一时钟单元，用于产生时钟信号；

一调制器，所述调制器连接所述时钟信号和所述比较信号，依据所述比较信号、及所述时钟信号产生所述脉冲宽度调制信号或所述脉冲频率调制信号。

上述的提升瞬态响应性能的降压型电源转换器，所述工作电路包括，

一充电控制支路，连接于一输入端与一交汇结点之间；

一充放电支路，连接于所述交汇结点与所述输出端之间；

一放电控制支路，连接于所述交汇结点与一接地端之间；

所述储能元件串联于所述充放电支路上；

所述工作电路于充电模式时，所述充电控制支路及所述充放电支路导通，所述放电控制支路断开，所述输入端输入的电流对所述储能元件充电；

所述工作电路于放电模式时，所述放电控制支路及所述充放电支路导通，所述充电控制支路断开，所述储能元件对所述输出端放电。

上述的提升瞬态响应性能的降压型电源转换器，所述电流检测信号通过一电流检测电路产生，所述电流检测电路包括，

一检测电阻，串联于所述电流检测电路上；

一电流采样单元，连接所述检测电阻的两端，用以检测流过所述检测电阻的电流；

一受所述脉冲宽度调制信号或所述脉冲频率调制信号控制通断的检测控制开关，连接于所述电流检测电路上。

有益效果：由于采用以上技术方案，本发明于负载电流突然增加时，增加控制电路中误差放大器的增益，使得输出电压可以快速恢复，以减小输出电压的波动，提升瞬态响应，确保系统稳定工作。

附图说明

图1为现有技术的降压型电源转换器的电路示意图；

图2为现有技术的输出端电压Vout、负载电流Iload的波形图；

图3为本发明的提升瞬态响应性能的降压型电源转换器的电路示意图；

图4为本发明的负载电流Iload、输出电压Vout、第二控制信号Osc_on_delay及误差放大器的电流信号Iea的波形图；

图5为本发明的一种具体电路实施例的误差放大器的结构示意图；

图6为图5的误差放大器的第一电路拓扑结构示意图；

图7为本发明的图5的第一开关支路示意图；

图8为本发明的图5的第二开关支路示意图；

图9为本发明的图5的第三开关支路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

参照图3，提升瞬态响应性能的降压型电源转换器，其中，包括，

一设置有储能元件的工作电路，于一脉冲宽度调制信号或一脉冲频率调制信号作用下控制工作电路于充电模式和放电模式之间交替切换，用于产生一低于输入电压VDD的输出电压Vout；

一控制电路，与工作电路连接，用以可切换地产生脉冲宽度调制信号或脉冲频率调制信号，控制电路包括一误差放大器6a，误差放大器6a于一第二控制信号Osc_on_delay的作用下于具有第一增益的第一电路拓扑和具有第二增益的第二电路拓扑之间切换以改变误差放大信号EAout的大小。

降压型电源转换器的控制电路可分为PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制方式、PFM(Pulse Frequency Modulation，脉冲频率调制) 控制方式和混合控制方式三种，混合控制方式在重负载情况下，采用PWM控制方式；在轻负载情况下，切换为PFM控制方式，以保证在整个负载范围内电源转换器都具有较高的转换效率；同时，降压型电源转换器的整体响应速度很大程度上取决于误差放大器的反应速度,本发明通过于误差放大器6a上设置第二控制信号Osc_on_delay，第二控制信号Osc_on_delay通过控制电路产生，控制电路于负载电流突然增加时产生第二控制信号Osc_on_delay。即于降压型电源转换器在低负载模式下，负载电流突然增加时，产生第二控制信号Osc_on_delay以切换电路拓扑结构，增加控制电路中误差放大器的增益，使得负载突然增加时，输出电压可以快速恢复，减小输出电压的波动，提升瞬态响应，确保系统稳定工作。一种优选的实施例，上述的第二控制信号Osc_on_delay产生时，降压型电源转换器从PFM控制方式转换为PWM控制方式。

上述的提升瞬态响应性能的降压型电源转换器，参照图5、图6，误差放大器6a可以包括，

工作电压端VDD，用于输入工作电压；

第一输入端Vin1，用于连接一参考电压信号Vref；

第二输入端Vin2，用于连接采样自输出电压Vout的电压反馈信号Vfb；

输出端EAout，用于输出误差放大信号EAout；

复数个MOS管组成的差分放大电路，可控制地连接于工作电压端VDD、接地端、第一输入端Vin1、第二输入端Vin2及输出端EAout之间，用于对参考电压信号Vref和电压反馈信号Vfb进行差分放大以输出误差放大信号；

差分放大电路中预定的MOS管的两端并联一第二MOS管，第二MOS 管的栅极与预定的MOS管的栅极之间连接一开关支路，开关支路于第二控制信号Osc_on_delay的作用下导通或断开，以实现差分放大电路于第一电路拓扑和第二电路拓扑之间切换。一种具体实施例，各开关支路断开时，差分放大电路为第一电路拓扑，具有第一增益；而当各开关支路导通时，差分放大电路为第二电路拓扑，具有第二增益，以实现控制切换。

于一种优选的实施例中，差分放大电路的第一电路拓扑可以包括，

第一PMOS管M1，其源极连接一第一交汇节点A，其漏极连接一第二交汇节点X，其栅极连接第一输入端Vin1；

第二PMOS管M2，其源极连接第一交汇节点A，其漏极连接一第三交汇节点Y，其栅极连接第二输入端Vin2；

第三PMOS管M11，其栅极连接一第一偏置电压Vb5，其源极连接工作电压端VDD，漏极连接第一交汇节点A，于第一偏置电压Vb5的作用下提供第一偏置电流。

上述的提升瞬态响应性能的降压型电源转换器，差分放大电路的第一电路拓扑还包括，

第一NMOS管M5，连接于第二交汇节点X和电源地GND之间，其栅极连接一第二偏置电压Vb4；

第二NMOS管M6，连接于第三交汇节点Y和电源地之间，其栅极连接第二偏置电压Vb4；

第一NMOS管M5和第二NMOS管M6工作于饱和区以提供差分放大电路的负载。

上述的提升瞬态响应性能的降压型电源转换器，第一电路拓扑还包括，

第五NMOS管M3，其源极连接第二交汇节点X，其漏极连接第四交汇节点B，其栅极连接第三偏置电压Vb1；

第六NMOS管M4，其源极连接第三交汇节点Y，其漏极连接输出端EAout，其栅极连接第三偏置电压Vb1；

第七NMOS管M7和第九NMOS管M9，串联于第四交汇节点B和工作电压端VDD之间，第七NMOS管M7的栅极连接第四偏置电压Vb2，第七NMOS管M7的源极连接第九NMOS管M9的漏极，第九NMOS管M9的源极连接工作电压端VDD，第九NMOS管M9的栅极连接第五偏置电压Vb3；

第八NMOS管M8和第十NMOS管M10，串联于输出端EAout和工作电压端VDD之间，第八NMOS管M8的栅极连接第四偏置电压Vb2，第八NMOS管M8的源极连接第十NMOS管M10的漏极，第十NMOS管M10的源极连接工作电压端VDD，第十NMOS管M10的栅极连接第五偏置电压Vb3。

上述的差分放大电路的第一拓扑结构如图6所示，其中，第一PMOS管M1和第二PMOS管M2构成差分输入对，第五NMOS管M3、第六NMOS管M4与第一PMOS管M1、第二PMOS管M2形成输入共源共栅管，第九NMOS管M9、第十NMOS管M10与第七NMOS管M7、第八NMOS管M8构成共源共栅电流镜将双端差分输入转换为单端输出。

于一种优选的实施例中，如图5所示，差分放大电路的第二电路拓扑包括第一电路拓扑，还包括一第四PMOS管M12，并联于第三PMOS管M11的源极和漏极之间，第四PMOS管M12的栅极与第三PMOS管M11的栅极 之间连接一第一开关支路，第一开关支路于第二控制信号Osc_on_delay的作用下导通时，第四PMOS管M12与第三PMOS管M11同步工作，以改变第一偏置电流的大小。如图7所示，第一开关支路于第二控制信号Osc_on_delay的作用下导通时，第四PMOS管M12的栅极连接的偏置电压Vb6与第三PMOS管M11的栅极连接的第一偏置电压Vb5连通。

差分放大电路的第二电路拓扑还可以进一步包括，

第三NMOS管M13，并联于第一NMOS管M5的源极和漏极之间，第三NMOS管M13的栅极与第一NMOS管M5的栅极之间连接一第二开关支路，第二开关支路于第二控制信号Osc_on_delay的作用下导通时，第三NMOS管M13与第一NMOS管M5同步工作；如图8所示，第二开关支路于第二控制信号Osc_on_delay的作用下导通时，第三NMOS管M13的栅极连接的偏置电压Vb7与第一NMOS管M5的栅极连接的第二偏置电压Vb4连通,第三NMOS管与第一NMOS管同步工作；

第四NMOS管M14，并联于第二NMOS管M6的源极和漏极之间，第四NMOS管M14的栅极与第二NMOS管M6的栅极之间连接一第三开关支路，第三开关支路于第二控制信号Osc_on_delay的作用下导通时，第四NMOS管M14与第二NMOS管M6同步工作。如图9所示，第三开关支路于第二控制信号Osc_on_delay的作用下导通时，第四NMOS管M14的栅极连接的偏置电压Vb8与第二NMOS管M6的栅极连接的第二偏置电压Vb4连通。

于第二电路拓扑下，第四PMOS管M12、第三NMOS管M13及第四NMOS管M14同时接入，以提供高于第一增益的第二增益。

上述的提升瞬态响应性能的降压型电源转换器，控制电路还包括，

一比较器2，用于对误差放大信号EAout与一采样自工作电路的电流检测信号进行比较，产生一比较信号；

一时钟单元5，用于产生时钟信号；

一调制器1a，调制器1a连接时钟信号和比较信号，依据比较信号、时钟信号产生脉冲宽度调制信号或脉冲频率调制信号。

上述的提升瞬态响应性能的降压型电源转换器，工作电路包括，

一充电控制支路，连接于一输入端VDD与一交汇结点Lx之间；

一充放电支路，连接于交汇结点Lx与输出端Vout之间；

一放电控制支路，连接于交汇结点Lx与一接地端GND之间；

储能元件L串联于充放电支路上；

工作电路于充电模式时，充电控制支路及充放电支路导通，放电控制支路断开，输入端VDD输入的电流对储能元件L充电；

工作电路于放电模式时，放电控制支路及充放电支路导通，充电控制支路断开，储能元件L对输出端放电。

一种具体实施例，一第一开关管Mp串联于充电控制支路上，一第二开关管Mn，串联于放电控制支路上；第一开关管Mp的源极连接输入端VDD，漏极连接交汇节点Lx，第二开关管Mn的源极连接接地端GND，漏极连接交汇节点Lx，第一开关管Mp和第二开关管Mn的栅极接受调制器1a的控制导通或截止。

上述的提升瞬态响应性能的降压型电源转换器，电流检测信号通过一电流检测电路产生，电流检测电路包括，

一检测电阻Rb，串联于电流检测电路上；

一电流采样单元3，连接检测电阻Rb的两端，用以检测流过检测电阻的电流；

一受脉冲宽度调制信号或脉冲频率调制信号控制通断的检测控制开关Msen，连接于电流检测电路上。电流检测电路还可以采用现有技术中的其他电流检测电路实现，在此不作赘述。

上述的降压型电源转换器还包括过零检测电路7，与调制器1a连接，其不属于本发明的改进之处，在此不作赘述。

上述的提升瞬态响应性能的降压型电源转换器，电压反馈信号Vfb通过一反馈网络产生，反馈网络主要由一电阻分压电路形成，电阻分压电路包括预订数量且相互串联地连接于输出端Vout与接地端GND之间的分压电阻，分压电阻间相连接的点形成分压节点；电压反馈信号Vfb自分压节点引出。一种具体实施例，电压反馈信号Vfb自一第一电阻R1和一第二电阻R2串联构成的反馈网络中引出。

参照图4的波形图可以看出，相比于现有技术的波形图2，本发明可于PFM控制模式下，在负载电流突变时产生一第二控制信号，使误差放大器自具有第一增益的第一电路拓扑转换为具有第二增益的第二电路拓扑，增加误差放大器的电流Iea，使输出电压Vout可以在短时间内快速恢复，以减小输出电压Vout的波动，提升瞬态响应，确保系统稳定工作。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。