一种电流滞环控制BUCK电路的制作方法

本发明属于电力电子技术，具体涉及一种电流滞环控制buck电路。

背景技术：

在buck型电路中，一般包括功率级电路和控制电路，控制电路用于控制功率级电路主功率开关管的开关状态，以调节输出电压，使输出电压低于输入电压。控制电路需要根据输出电压的变化，反馈控制主功率开关管的开关状态。

现有的buck型电路(降压式变换电路)大多采用电压模和峰值电流模的控制方式。这些控制方式属于线性控制，环路的带宽受限于开关频率，而开关频率又受限于效率，故动态响应速度难以提升。电流滞环控制属于纹波控制，是一种非线性控制，可以在动态响应的瞬间改变开关管的状态，故提高了动态响应速度，同时这种控制方式在断续导通(dcm)模式下可以随负载动态改变开关频率，从而提高了效率。但这种控制方式的缺点是频率受到输入电压、寄生效应等多种因素影响，容易不稳定，造成电磁干扰，对其现有解决方法是引入锁相环使开关频率锁定到参考频率，但是引入锁相环导致了轻负载下频率不能随负载动态变化，因此降低了效率。

技术实现要素：

本发明提供一种电流滞环控制buck电路，解决现有电流滞环控制buck电路效率低的问题，并使电磁干扰易于控制。

本发明所提供的一种电流滞环控制buck电路，包括功率级电路、采样反馈补偿电路、电流滞环控制电路、窗口产生电路、零点检测电路、开关控制电路、参考频率选择电路和锁相环电路；

所述功率级电路，将直流输入电压降低给出输出电压和功率管连接节点电压信号；

所述采样反馈补偿电路，对功率级电路中的电感电流和负载电流进行采样并对输出电压进行反馈补偿，得到的电感电流采样信号提供给电流滞环控制电路，负载电流采样信号提供给参考频率产生电路，输出反馈补偿电压提供给窗口产生电路；

所述电流滞环控制电路，根据电感电流采样信号和输出电压的叠加电压信号和滞环窗口电压比较的结果产生占空比信号，用于控制开关控制电路及所述锁相环电路；

所述窗口产生电路，根据反馈补偿电压和锁相环电路输出的窗口调节信号产生窗口上限电压和窗口下限电压，提供给电流滞环控制电路以产生占空比信号；

所述零点检测电路，检测电感电流过零点，并产生零点检测信号用于调节开关控制电路的输出；

所述开关控制电路，根据电流滞环控制电路输出的占空比信号和零点检测电路输出的零点检测信号，产生第一开关控制信号和第二开关控制信号，用于控制功率级电路中的开关管；

所述参考频率选择电路，根据负载电流采样信号和和第一阈值电压、第二阈值电压、第三阈值电压比较的结果，选择由基础频率分频产生的四个频率中的一个为参考频率提供给锁相环电路；

所述锁相环电路，用于将开关频率锁定到参考频率，并产生窗口调节信号提供给窗口产生电路。

所述功率级电路可以包括pmos管、第一nmos管、电感和第一电容；pmos管的源极连接输入直流电压，漏极与所述第一nmos管的漏极连接并连接电感一端，电感另一端通过第一电容连接地电平，pmos管的栅极连接第一开关控制信号；所述第一nmos管的源极接地电平，栅极连接第二开关控制信号；pmos 管的漏极和第一nmos管的漏极连接节点电压信号输出到零点检测电路。

所述反馈采样补偿电路可以包括电感电流采样子电路、负载电流采样子电路、输出电压采样子电路和输出电压反馈补偿子电路；所述电感电流采样子电路由第一电阻和第二电容构成，第一电阻和第二电容串联后与所述功率级电路中的电感并联，第二电容两端的电压为电感电流采样信号，而第一电阻和第二电容连接节点的电压为输出电压和电感电流采样信号的叠加电压信号，送至所述电流滞环控制电路；所述负载电流采样子电路由第六电阻、第四电容和第一误差放大器构成，第一误差放大器的正相输入端和反相输入端分别连接到第二电容的两端，第一误差放大器输出端通过第六电阻和第四电容连接到地，第六电阻和第四电容连接节点电压输出为负载电流采样信号，送至所述参考频率选择电路；所述输出电压采样子电路由第四电阻和第五电阻构成，第四电阻和第五电阻串联后连接在输出端和地电平之间，第五电阻两端的电压为输出电压采样信号；

所述输出电压反馈补偿子电路由第二误差放大器、第二电阻、第三电阻和第三电容构成，第二误差放大器的反相输入端依次通过串联的第三电容和第二电阻连接第二误差放大器的输出端，第二误差放大器的反相输入端同时通过第三电阻连接输出电压采样信号，第二误差放大器的正相输入端连接第一参考电压，第二误差放大器输出反馈补偿电压，送至窗口产生电路。

所述电流滞环控制电路由第一比较器、第二比较器和sr触发器构成；第一比较器用于比较叠加电压信号是否达到窗口上限电压，第二比较器用于比较叠加电压信号是否达到窗口下限电压；第一比较器的正输入端输入窗口上限电压，第一比较器的负输入端和第二比较器的正输入端连接并连接所述叠加电压信号，第一比较器的输出端和sr触发器的s端连接；第二比较器的负输入端输入窗口下限电压，第二比较器的输出端和sr触发器的r端连接；sr触发器的q端输出占空比信号，送至所述开关控制电路以及所述锁相环电路。

所述窗口产生电路包括第三误差放大器，第三误差放大器的正输入端分别通过第七电阻、第八电阻连接窗口调节信号和输出电压反馈补偿信号，第 三误差放大器的负输入端通过第九电阻连接地电平、并通过第十电阻连接第三误差放大器的输出端，第三误差放大器输出窗口上限电压，送至所述电流滞环控制电路，窗口上限电压等于输出电压反馈补偿信号和窗口调节信号的和；输出电压反馈补偿信号直接作为窗口下限电压输出。

所述零点检测电路由第三比较器构成，第三比较器的正输入端连接地电平，第三比较器的负输入端连接到功率管连接节点电压信号，第三比较器输出端输出零点检测信号，提供给开关控制电路；

当功率管连接节点电压信号大于零时，零点检测信号为低电平，功率管连接节点电压信号小于零时，零点检测信号为高电平。

所述开关控制电路可以由反相器和与门构成，反相器输入占空比信号，输出第一开关控制信号并送至与门的第一输入端，与门的第二输入端输入零点检测信号，与门的输出端输出第二开关控制信号。

所述参考频率选择电路，由第四比较器、第五比较器、第一多路选择器、第二多路选择器和分频器构成；

第一阈值电压和负载电流采样信号分别送入所述第四比较器的正相输入端、负相输入端，第四比较器的输出端分别连接第一多路选择器的控制端和第二多路选择器的第一控制端；第二阈值电压和第三阈值电压分别送入所述第一多路选择器的两个输入端，第一多路选择器的输出端连接第五比较器的正相输入端，负载电流采样信号送入所述第五比较器的反相相输入端，第五比较器的输出端连接第二多路选择器的第二控制端；基础频率送入所述分频器的输入端，分频器的四个输出端分别连接第二多路选择器的四个输入端，所述第二多路选择器的输出端输出参考频率信号；

分频器的四个输出端分别输出频率f1、f2、f3、f4，当第二多路选择器的第一控制端、第二控制端信号分别为0、0时，选择输出频率f1；当第二多路选择器的第一控制端、第二控制端信号分别为0、1时，选择输出频率f2；当第二多路选择器的第一控制端、第二控制端信号分别为1、0时，选择输出频率f3；当第二多路选择器的第一控制端、第二控制端信号分别为1、1时， 选择输出频率f4；其中，f1＝fclk,f2＝fclk/2,f3＝fclk/4,f4＝fclk/8。

所述锁相环电路可以包括鉴频鉴相器、电荷泵和低通滤波器；所述鉴频鉴相器的开关频率输入端和参考频率输入端分别输入占空比信号、参考频率信号，所述鉴频鉴相器的up输出端和dn输出端分别连接电荷泵的第一输入端和第二输入端，电荷泵的输出端连接低通滤波器的输入端，低通滤波器输出窗口调节信号，送至所述窗口产生电路。

本发明采用现有基于锁相环的电流滞环控制方式，保留了其动态响应速度快的优点，同时针对其轻负载效率低的缺点，引入了零点检测电路和参考频率选择电路；本发明中的叠加电压信号vsen是快速反馈信号，可以直接响应输入电压vin和负载电流的变化，加快了动态响应速度，而vc信号是慢速反馈信号，可以消除稳态误差。同时零点检测电路使buck电路在重负载时工作在连续导通(ccm)模式，参考频率fs恒定，而在轻负载时自动进入断续导通(dcm)模式，参考频率选择电路在dcm模式下将根据负载大小选择使效率最高的参考频率fs，并通过锁相环电路将开关频率锁定到此参考频率fs，由于可选择的频率之间是倍数关系，使噪声频谱可以预测，因此在改变开关频率提高效率的同时不会使电磁干扰问题恶化。

附图说明

图1为本发明的电路模块示意图；

图2为本发明实施例的电路结构示意图；

图3为窗口产生电路的电路结构示意图；

图4为零点检测电路的电路结构示意图；

图5为开关控制电路的电路结构示意图；

图6为参考频率选择电路的电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

如图1所示，本发明包括功率级电路10、采样反馈补偿电路20、电流滞环控制电路30、窗口产生电路40、零点检测电路50、开关控制电路60、参考频率选择电路70和锁相环电路80；

所述功率级电路10，将直流输入电压vin降低给出输出电压vout和功率管连接节点电压信号vx；

所述采样反馈补偿电路20，对功率级电路10中的电感电流和负载电流进行采样并对输出电压vout进行反馈补偿，得到的电感电流采样信号提供给电流滞环控制电路30，负载电流采样信号isen提供给参考频率产生电路70，输出反馈补偿电压vc提供给窗口产生电路40；

所述电流滞环控制电路30，根据电感电流采样信号和输出电压vout的叠加电压信号vsen和滞环窗口电压比较的结果产生占空比信号d，用于控制开关控制电路60及所述锁相环电路80；

所述窗口产生电路40，根据反馈补偿电压vc和锁相环电路输出的窗口调节信号vctrl产生窗口上限电压win1和窗口下限电压win2，提供给电流滞环控制电路30以产生占空比信号d；

所述零点检测电路50，检测电感电流过零点，并产生零点检测信号vz用于调节开关控制电路60的输出；

所述开关控制电路60，根据电流滞环控制电路30输出的占空比信号d和零点检测电路50输出的零点检测信号vz，产生第一开关控制信号vp和第二开关控制信号vn，用于控制功率级电路10中的开关管；

所述参考频率选择电路70，根据负载电流采样信号isen和第一阈值电压v1、第二阈值电压v2、第三阈值电压v3比较的结果，选择由基础频率fclk分频产生的四个频率中的一个为参考频率fs提供给锁相环电路80；

所述锁相环电路80，用于将开关频率锁定到参考频率，并产生窗口调节 信号vctrl提供给窗口产生电路40。

如图2所示，本实施例中，所述功率级电路10包括pmos管mp、第一nmos管mn1、电感l和第一电容c1；pmos管mp的源极连接输入直流电压vin，漏极与所述第一nmos管mn1的漏极连接并连接电感l一端，电感l另一端通过第一电容c1连接地电平，pmos管mp的栅极连接第一开关控制信号vp；所述第一nmos管mn1的源极接地电平，栅极连接第二开关控制信号vn；pmos管mp的漏极和第一nmos管mn1的漏极连接节点电压信号vx输出到零点检测电路50。

所述反馈采样补偿电路20包括电感电流采样子电路、负载电流采样子电路、输出电压采样子电路和输出电压反馈补偿子电路；所述电感电流采样子电路由第一电阻r1和第二电容c2构成，第一电阻r1和第二电容c2串联后与所述功率级电路中的电感l并联，第二电容c2两端的电压为电感电流采样信号，而第一电阻和第二电容连接节点的电压为输出电压和电感电流采样信号的叠加电压信号vsen，送至所述电流滞环控制电路；所述负载电流采样子电路由第六电阻r6、第四电容c4和第一误差放大器a1构成，第一误差放大器a1的正相输入端和反相输入端分别连接到第二电容c2的两端，第一误差放大器a1输出端通过第六电阻r6和第四电容c4连接到地，第六电阻r6和第四电容c4连接节点电压输出为负载电流采样信号isen，送至所述参考频率选择电路；

所述输出电压采样子电路由第四电阻r4和第五电阻r5构成，第四电阻r4和第五电阻r5串联后连接在输出端vout和地电平之间，第五电阻r5两端的电压为输出电压采样信号fb；

所述输出电压反馈补偿子电路由第二误差放大器a2、第二电阻r2、第三电阻r3和第三电容c3构成，第二误差放大器a2的反相输入端依次通过串联的第三电容c3和第二电阻r2连接第二误差放大器a2的输出端，第二误差放大器a2的反相输入端同时通过第三电阻r3连接输出电压采样信号fb，第二 误差放大器a2的正相输入端连接第一参考电压vref1，第二误差放大器a2输出反馈补偿电压vc，送至窗口产生电路40。

所述电流滞环控制电路30由第一比较器comp1、第二比较器comp2和sr触发器构成；第一比较器用于比较叠加电压信号vsen是否达到窗口上限电压win1，第二比较器用于比较叠加电压信号vsen是否达到窗口下限电压win2；第一比较器comp1的正输入端输入窗口上限电压win1，第一比较器comp1的负输入端和第二比较器comp2的正输入端连接并连接所述叠加电压信号vsen，第一比较器comp1的输出端和sr触发器的s端连接；第二比较器comp2的负输入端输入窗口下限电压win2，第二比较器comp2的输出端和sr触发器的r端连接；sr触发器的q端输出占空比信号d，送至所述开关控制电路60以及所述锁相环电路。

如图3所示，所述窗口产生电路40包括第三误差放大器a3，第三误差放大器a3的正输入端分别通过第七电阻r7、第八电阻r8连接窗口调节信号vctrl和输出电压反馈补偿信号vc，第三误差放大器a3的负输入端通过第九电阻r9连接地电平、并通过第十电阻r10连接第三误差放大器a3的输出端，第三误差放大器a3输出窗口上限电压win1，送至所述电流滞环控制电路30，窗口上限电压win1等于输出电压反馈补偿信号vc和窗口调节信号vctrl的和；输出电压反馈补偿信号vc直接作为窗口下限电压win2输出。

如图4所示，所述零点检测电路50由第三比较器comp3构成，第三比较器comp3的正输入端连接地电平，第三比较器comp3的负输入端连接到功率管连接节点电压信号vx，第三比较器comp3输出端输出零点检测信号vz，提供给开关控制电路60；

当功率管连接节点电压信号vx大于零时，零点检测信号vz为低电平，功率管连接节点电压信号vx小于零时，零点检测信号vz为高电平。

如图5所示，所述开关控制电路60由反相器u1和与门u2构成，反相器u1输入占空比信号d，输出第一开关控制信号vp并送至与门u2的第一输入端，与门u2的第二输入端输入零点检测信号vz，与门u2的输出端输出第二 开关控制信号vn。

如图6所示，所述参考频率选择电路70，由第四比较器comp4、第五比较器comp5、第一多路选择器mux1、第二多路选择器mux2和分频器divider构成；

第一阈值电压v1和负载电流采样信号isen分别送入所述第四比较器comp4的正相输入端、负相输入端，第四比较器comp4的输出端分别连接第一多路选择器mux1的控制端和第二多路选择器mux2的第一控制端；第二阈值电压v2和第三阈值电压v3分别送入所述第一多路选择器mux1的两个输入端，第一多路选择器mux1的输出端连接第五比较器comp5的正相输入端，负载电流采样信号isen送入所述第五比较器comp5的反相相输入端，第五比较器comp5的输出端连接第二多路选择器mux2的第二控制端；基础频率fclk送入所述分频器divider的输入端，分频器divider的四个输出端分别连接第二多路选择器mux2的四个输入端，所述第二多路选择器mux2的输出端输出参考频率信号fs；

分频器divider的四个输出端分别输出频率f1、f2、f3、f4，当第二多路选择器mux2的第一控制端、第二控制端信号分别为0、0时，选择输出频率f1；当第二多路选择器mux2的第一控制端、第二控制端信号分别为0、1时，选择输出频率f2；当第二多路选择器mux2的第一控制端、第二控制端信号分别为1、0时，选择输出频率f3；当第二多路选择器mux2的第一控制端、第二控制端信号分别为1、1时，选择输出频率f4；其中，f1＝fclk,f2＝fclk/2,f3＝fclk/4,f4＝fclk/8。

所述锁相环电路80包括鉴频鉴相器、电荷泵和低通滤波器；所述鉴频鉴相器的开关频率输入端和参考频率输入端分别输入占空比信号d、参考频率信号clk，所述鉴频鉴相器的up输出端和dn输出端分别连接电荷泵的第一输入端和第二输入端，电荷泵的输出端连接低通滤波器的输入端，低通滤波器输出窗口调节信号vctrl，送至所述窗口产生电路40。

作为一个实施例,各器件具体参数如下：

vin＝3.3v，vout＝1.2v，负载电流为15ma-800ma，pmos管mp型号为irf7204，第一nmos管mn1型号为irf6617，l＝3uh，c2＝100nf,r1＝1kω,c1＝10uf，r2＝2kω,r3＝1kω，c3＝15nf,第一误差放大器a1、第二误差放大器a2、第三误差放大器a3的型号均为美国德州仪器公司的lm318，第一比较器comp1、第二比较器comp2、第三比较器comp3、第四比较器comp4、第五比较器comp5的型号均为美国德州仪器公司的lm311,与门的型号为飞利浦半导体公司的hc08d,反相器的型号为飞利浦半导体公司的hc04d，sr触发器的型号为飞利浦半导体公司的74ls71，ccm模式下开关频率f＝1mhz，dcm模式下开关频率随负载电流大小在500khz,250khz,125khz之间变化。