一种用于低压差BUCK转换器的辅助控制电路的制作方法

本发明属于模拟电路电源管理技术领域，具体涉及一种用于低压差BUCK转换器的辅助控制电路，用于在BUCK环路失效后对其进行辅助控制。

背景技术：

在电源管理电路领域，BUCK转换器是很常用的一种DC-DC转换器。与低压差线性稳压器(LDO)相比，BUCK转换器效率更高，有着广阔的商用价值。BUCK使用电感作为储能元件，并使用两个功率管使得电感周期性的在两种不同的充电状态之间切换；利用伏秒平衡定理，在不同的占空比下，BUCK可以将输出电压稳定在不同的值。

BUCK的控制方法分为迟滞模、电压模、电流模、COT等。其中能够完全固定工作频率的是电压模和电流模。电压模和电流模BUCK都是通过差分放大器将输出电压的分压与固定基准比较，以得到一个反馈环路；BUCK电路在工作时自动根据反馈环路对占空比进行调整，最后得到一个稳定的输出电压。一般来说，BUCK电路都会引入断续工作模式(DCM)以提高轻载下的工作效率。DCM的工作原理是在电感电流过零时同时关断上下功率管，直到下个周期开始。

对于BUCK而言，瞬态跳变意味着占空比的改变。当负载从轻载跳重载时，输出电压会下降。反之，当重载跳轻载时，输出电压会上升，而这就存在一个输出电压过高的问题。简单来说，如果BUCK的输入输出电压压差较小，在负载跳变过程中BUCK的输出电压是有可能变得比输入电压高的，这样就可能会使环路进入失控状态，常规控制失效。以往的方案往往是从设计指标上避免这种情况，或者是通过瞬态增强而减小输出电压上冲值，但是到目前为止，都没有看到直接针对这种情况进行修正的电路方案。

技术实现要素：

针对上述BUCK转换器在低输入输出压差、重载跳变轻载时环路失控导致输出电压和电感电流大幅振荡的问题，本发明提出一种辅助控制电路，用于BUCK变换器在输入输出压差小时，通过对BUCK变换器输入电压和输出电压的比较检测，判断系统环路是否处于异常状态，如果输出电压高于输入电压，则同时关断上下管，BUCK转换器停止工作；在恢复正常工作时有两种条件判断，以保证该电路在从重载跳轻载或极轻载时都能有较好的表现。

本发明的技术方案为：

一种用于低压差BUCK转换器的辅助控制电路，包括

第一比较器，其第一输入端和第二输入端分别连接所述BUCK转换器的输入端和输出端；

第二比较器，其第一输入端和第二输入端分别连接所述BUCK转换器的输入端和开关节点，其控制信号为所述第一比较器输出信号的反相信号；

RS锁存器，其S输入端连接所述第一比较器的输出端，其R输入端连接所述第二比较器的输出端；

和或非门，其两个输入端分别连接所述RS锁存器的S输入端和Q输出端，其输出端输出控制信号连接所述BUCK转换器。

具体的，所述辅助控制电路用于DCR采样的BUCK转换器，所述DCR采样的BUCK转换器包括DCR电容，所述第二比较器的输出端和所述RS锁存器之间还设置有短脉冲产生电路，用于产生一短脉冲信号，其输入端连接所述第二比较器的输出端，其输出信号一方面用于控制所述DCR电容，另一方面连接所述RS锁存器的R输入端。

具体的，所述第一比较器和所述RS锁存器之间还设置有计时电路，所述计时电路包括移位寄存器和或门，所述移位寄存器的时钟信号输入端连接时钟信号，其使能端连接欠压使能信号，其D输入端连接所述第一比较器的输出端，其第一输出端Q1和第二输出端Q2连接所述或门的两个输入端，所述或门的输出端连接所述RS锁存器的S输入端。

本发明的有益效果为：本发明提供的辅助控制电路能够防止BUCK转换器在输入电压和输出电压相差较小时进入失效状态，保证了BUCK转换器输出电压的稳定性。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于低压差BUCK转换器的辅助控制电路在实施例中的结构示意图。

图2为电流模BUCK转换器的架构示意图。

图3为BUCK转换器的失控瞬间时序图。

图4为BUCK转换器的失控时序图。

图5为BUCK转换器电流倒灌示意图。

图6为通过本发明提出的辅助控制电路纠正后的BUCK转换器的时序图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

本发明提出的辅助控制电路，用于BUCK转换器在低输入输出压差、重载跳变轻载时环路失控导致输出电压和电感电流大幅振荡时调整BUCK转换器，使得BUCK转换器输出电压过高环路失控后BUCK系统能够稳定的回到正常工作状态。

如图1所示，本发明包括第一比较器、第二比较器、RS锁存器和或非门，为了使得第一比较器输入共模范围满足要求一般使用源级比较器，第一比较器的第一输入端和第二输入端分别连接BUCK转换器的输入端和输出端；第二比较器的第一输入端和第二输入端分别连接BUCK转换器的输入端和开关节点，其控制信号为所述第一比较器输出信号的反相信号；RS锁存器的S输入端连接第一比较器的输出端，其R输入端连接第二比较器的输出端；或非门的两个输入端分别连接RS锁存器的S输入端和Q输出端，其输出端输出控制信号BUCK转换器。

如图2所示为电流模BUCK转换器的架构示意图，其中VIN为供电电压即BUCK转换器的输入电压，VO为输出电压，Vhs为上功率管驱动电压，Vls为下功率管驱动电压，VSW为开关节点电压。值得说明的是本发明提出的辅助控制电路同样适用于电压模型式的BUCK转换器。下面以电流模BUCK转换器采用DCR采样(电感寄生串联电阻采样)为例详细描述本发明。

如图3所示为BUCK转换器的失控瞬间时序图，从图3可以看到在失控状态下的电流模BUCK转换器的工作状态，在负载从重载跳变至轻载的一瞬间，输出电压VO快速上升，电感电流IL快速下降。此时BUCK转换器的环路控制方式会从连续控制模式(CCM)转换到断续控制模式(DCM)。在正常的断续控制模式DCM的控制下，某一周期内电感电流IL过零时，BUCK转换器中上下功率管会同时关断，功率管关断后，该周期的剩余时间内由输出电容直接向负载供电。在输出电容直接向负载供电的过程中，输出电压VO会下降，电感电流IL会保持在零附近。但是，如果BUCK转换器工作在输入输出电压差很小的情况，如图4所示，在重载跳变至轻载的过程中，输出电压VO会超过输入电压VIN0.7V及以上。在BUCK系统中，电感电流IL的变化方向是与其两端压差有关的，即：

如图5所示，当上下功率管都关闭时，电感的左端电压为开关节点电压VSW，右端电压为输出电压VO。当输出电压VO高过输入电压VIN时，电感电流IL会向开关节点倒灌，电荷通过上功率管的寄生体二极管泄放掉，所以开关节点处的电压VSW会增加到输入电压VIN加上功率管寄生体二极管正向导通电压(约0.7V)，即(VIN+0.7V)。此时，如果输出电压VO比VIN+0.7V还要高，就会出现断续控制模式DCM失控，因为本来会维持在零电流的电感电流IL会由于电感右端电压高于左端电压而加强倒灌，并且随着时间越来越大。直到倒灌的电流过大，导致输出电容上电荷被快速抽走，输出电压VO下降到VIN+0.7V以下为止。在输出电压VO低于VIN+0.7V后，倒灌的电感电流IL开始减小，但是依然有一定电流值，持续抽走输出电容上的电荷，导致输出电压VO过低，BUCK环路通过反馈开始拉高输出电压VO，却又导致输出电压VO反弹过高，最后形成图4所示的长期失控波形。

本实施例中提出的辅助控制电路可以有效地消除上述失控状态。首先，辅助控制电路在BUCK转换器正常工作时是不工作的，除了用于判断BUCK转换器输出电压VO与输入电压VIN大小的第一比较器，其他模块都处于关断状态，从而降低辅助控制电路在BUCK转换器正常工作时的总体功耗。

为了防止误将辅助控制电路触发，本实施例中在第一比较器和RS锁存器之间增加了计时电路，周期数的计时可由移位寄存器或其他结构构成，本实施例中的计时电路包括移位寄存器和或门，移位寄存器的时钟信号输入端连接时钟信号OSC_clk，其使能端连接欠压使能信号UVLO，其D输入端连接第一比较器的输出端，其第一输出端Q1和第二输出端Q2连接或门的两个输入端，或门的输出端连接所述RS锁存器的S输入端。

当第一比较器判断到BUCK转换器的输出电压VO连续高于输入电压VIN数个开关周期后，辅助控制电路开始工作。这里进行计时是为了保证BUCK系统在正常工作时不会误触发该辅助电路，是为了保证系统的稳定性，实际上如果仅需要功能，则可以去掉该计时电路。

在辅助控制电路开始正常工作后，辅助控制电路输出控制信号连接BUCK转换器，使得BUCK系统的上下功率管同时关闭。在本例中是通过拉低电流模BUCK的控制信号，以保证上下功率管持续关闭的，实际中可使用其他方法。

在辅助控制电路开始正常工作的同时，第二比较器也开始工作，该比较器用于判断电流过零。使得辅助控制电路结束BUCK转换器上下管锁死状态有两个判断依据：1.第二比较器判断电流已经过零；2.第一比较器判断输出电压VO回掉到输入电压VIN以下。也就是说，辅助控制电路工作时，其输出信号一直有效，直到上述两个判据之一被满足。

如果是第一个判据被满足，同时电流模BUCK电路使用的是DCR采样方案，那么在改变辅助控制电路输出信号之前需要先产生一个短脉冲，由图1中的短脉冲产生电路产生。本实施例中短脉冲产生电路设置在第二比较器的输出端和RS锁存器之间，用于产生一短脉冲信号，其输入端连接第二比较器的输出端，其输出信号一方面用于控制DCR电容，另一方面连接RS锁存器的R输入端。

该短脉冲打开后续的开关泄放掉DCR采样电容上的电荷。DCR采样电容CSENSE的两个极板电压分别为采样电压VISNS和输出电压VO。这样做的目的是保证DCR采样的准确性，即电感电流IL为零时，DCR采样电容上电压也为零。纠正采样电容上的电压后，再使辅助控制电路输出信号变为无效。本实施例使用DCR采样进行说明，如果不使用DCR采样，则不需要这个步骤；如果是第二个判据被满足，则直接改变辅助控制电路输出信号，整个辅助控制电路停止工作。

本例提出的方案工作时序图如图6所示。在负载发生跳变后，输出电压VO快速上升，当输出电压VO超过输入电压VIN时，辅助控制电路开始工作，关断上下功率管。此时第二比较器开始工作，在一段时间后检测到开关节点电压VSW下降到输入电压VIN以下，即电感电流IL过零，则关断本模块的工作，输出恢复信号。在负载跳变时，如6A到2A，此时的轻载相对较重，那么在第二比较器检测到电流过零之前，第一比较器就会检测到输出电压VO下降至输入电压VIN以下，提前输出恢复信号。

本发明中的关键点在于通过对BUCK电路输入输出信号，及开关节点处信号的检测，判断电路在重载跳轻载时是否发生输出电压过高的情况，并利用一系列方法保证输出电压过高环路失控后BUCK系统能够稳定的回到正常工作状态。

本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。