专利名称：一种适用于宽转换比升压变换器的自适应电流检测电路的制作方法
技术领域：
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种宽转换比升压直流-直流变换器。
背景技术：
直流-直流变换器(DC-DC Converter)广泛应用于各种电子系统中，特别是基 于电感型的直流-直流变换器，由于其效率高、输出电流能力大的优点，应用最广。根据 变换器输入电压与输出电压的关系可以分为降压型(BUCK)、升压型(BOOST)和升降压型 (BUCK-BOOST)。其中升压型变换器用于提升电源电压对各种需要较高压供电的电路模块进 行供电。例如在一些手持设备的显示屏中，4个串联的LED背光灯大概需要12伏的电压， 而一般电池的输出电压只有2. 7V飞.5V。这就需要升压型变换器对电池电压进行提升后给 LED串供电。且在同一个应用系统中，可能有不同的电压需要，一个宽转换比的变换器将会 减少系统的复杂性。BOOST型变换器主要由功率级和控制级构成。功率级主要由输入滤波电容、功率电 感、功率开关管、续流二极管和输出滤波电容组成。控制级主要由补偿网络、PWM调制器等 构成反馈系统，使得输出电压保持恒定。BOOST型变换器在其功率级的传输函数中包含两个极点和一个右半平面的零点， 使得在传统的电压控制模式和电流控制模式下，补偿网络比BUCK型复杂，并且难以在一个 宽的转换比下保持系统稳定和良好的瞬态响应。一般产品都是采用在不同的转换比下通过 片外选择不同的补偿网络的方法来实现，使得补偿网络无法在片内集成，增加了片外原件 的数量，提高了成本。另外在BOOST电路中，由于其输出电流不连续，使得迟滞控制无法直 接被采用。因而改进现有的控制方法，采用新的控制技术来设计BOOST型变换器，具有较强 的学术价值和良好的应用潜力。
发明内容
本发明的目的是在于提出一种新的适用于宽转换比升压直流-直流变换器的自 适应电流检测电路，以保证系统稳定性和良好的瞬态响应的同时，不需要片外补偿网络，降 低系统的成本，减少片外原件的数量，以符合便携化的要求。本发明提出的适用于宽转换比升压直流_直流变换器的自适应电流检测电路，是 基于固定关断时间控制模式，根据输出电压的不同，自适应地改变电感电流的采样增益，从 而使得系统在一个宽转换比的工作范围内具有良好的稳定性和瞬态响应，并且不需要片外 选择补偿网络。实现该技术的电路包括单周期双采样电路1 ；基准电平产生电路2 ；增益 自适应电路3。其中单周期双采样电路1用于产生两个采样信号电感电流信号与输出电 压信号；这两个信号提供给增益自适应电路3 ；基准电平产生电路2产生一个基准电平，提 供给增益自适应电路3 ；增益自适应电路3利用单周期双采样电路1和基准电平产生电路2 提供的信号，产生所需的与输出电压自适应的电感电流采样信号。所述的单周期双采样电路1如附图1所示，其具体连接关系为VLX与电阻R3的左端及采样开关1的左端相连，电阻R3的右端与采样开关2的左端及电阻R4的上端相连，电 阻R4的下端与MOS管M3的漏端相连，MOS管M3的栅端和源端分别与M3的漏端和地相连。 采样开关2的右端与电容C2的上端相连，电容C2的下端与地相连。采样开关1的右端与电 阻Rl的左端相连，电阻R1的右端与电阻R2的上端及电容C1的上端相连，电阻R2的下端和 电容C1的下端均与地相连。单周期双采样电路1的输出为电感电流采样信号与输出电压 采样信号。它在在功率管开启时功率管的漏端电压为电感电流乘以其导通电阻，采样此电 压作为电感电流采样信号即第一采样信号；在功率管关闭时，功率管漏端电压为输出电压 加上二极管的压降，将此信号经过处理后采样保持作为输出电压信号即第二采样信号。基准电平产生电路2如附图2所示，其具体连接关系为放大器Al的正输入端接 片上直流电平，其输出端与MOS管M5的栅端相连，其负输入端与MOS管M5的源端及电阻R5 的上端相连，R5的下端接地。MOS管M5的漏端与MOS管M6、M7的栅端及M6的漏端相连， MOS管M6、M7的源端均与VDD相连。MOS管M7的漏端与电阻R6的上端相连，电阻R6的下端 与MOS管M4的漏端相连，MOS管M4的栅端和源端分别与M4的漏端和地相连。单周期双采 样电路1的输出为电感电流采样信号与输出电压采样信号。它在其输出信号为一个基准电 平。它将在输出电压范围内选择一个合适的输出电压作为基准电压，并产生以单周期双采 样电路(1)对输出电压所做处理为归一化的基准电平。增益自适应电路3如附图3所示，其具体连接关系为放大器A2的正输入端接第 一采样信号，其输出端与MOS管MlO的栅端相连，其负输入端与MOS管MlO的源端及MOS管 Ml的漏端相连，MOS管Ml的栅端和源端分别接基准电平和地。MOS管MlO的漏端与MOS管 M8、M9的栅端及M8的漏端相连，MOS管M8、M9的源端均与VDD相连。MOS管M9的漏端与 MOS管M2的漏端相连，MOS管M2的栅端和源端分别接第二采样信号和地。增益自适应电路 3的输出信号为与输出电压自适应的电感电流采样信号。它根据单周期双采样电路1和基 准电平产生电路2提供的信号，用于产生一个电感电流采样增益与输出电压成反比的电压 信号。本发明提出的适用于宽转换比升压直流-直流变换器的自适应电流检测电路，利 用MATLAB进行系统建模，验证了系统的稳定性，并采用CSMC 0. 5um B⑶工艺完成电路设 计，开关频率1MHz，功率电感值为3. 3uH，输出电压滤波电容值为22uF。利用电路仿真软件 模拟结果表明输入电压为5V时，输出电压范围可达5.5V、0V。当输入电压为5V，输出电 压为15V，输出负载电流从IOOmA到500mA的阶跃跳变时，该直流_直流转换器的响应时间 小于50us，过冲电压小于0. 05V。本发明避免了一般升压变换器通过选择不同的片外补偿网络来实现不同的转换 比的方法，从而使补偿网络变得简单并可以在芯片内部集成，减少了片外原件数量，符合便 携化的要求，同时降低了成本，具有良好的应用前景。
图1.自适应电流检测技术体系结构图与功率级示意图。图2.单周期双采样电路的电路及时序图。图3.基准电平产生电路的电路图。图4.增益自适应电路的电路图。
图5.负载500mA，输入电压为5V，输出电压为5. 5V、15V和30V时，不采用本发明 的系统波特图。图6.负载500mA，输入电压为5V，输出电压为5. 5V、15V和30V时，采用本发明的
系统波特图。图7.输入电压为5V时，输出电压范围5. 5V 30V中部分输出电压波形图。图8.输入电压为5V，输出电压为15V，输出负载电流从IOOmA到500mA的阶跃跳 变时输出电流输出电压变化曲线。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行进一步的说明。如图1所示，本发明中提到的升压直流-直流变换器的自适应电流检测技术结构 框图，实现该技术的电路包括单周期双采样电路1 ；基准电平产生电路2 ；增益自适应电路 3。如图2所示，图(2. a)为单周期双采样电路图，图(2. b)为单周期双采样电路图， 单周期双采样电路1用于产生两个采样信号电感电流信号与输出电压信号，这两个信号 提供给增益自适应电路3。它根据PWM控制信号产生两个采样脉冲，分别对功率管的漏端电 压信号进行采样处理。在功率管开启时功率管的漏端电压为电感电流乘以其导通电阻，采 样此电压作为电感电流采样信号即第一采样信号；在功率管关闭时，功率管漏端电压为输 出电压加上二极管的压降，将此信号经过处理后采样保持作为输出电压信号即第二采样信 号。其中第一采样信号、第二采样信号可分别表示为
权利要求
一种适用于升压直流 直流变换器的自适应电流检测电路，其特征在于包括单周期双采样电路(1)、基准电平产生电路(2)和增益自适应电路(3)；其中单周期双采样电路(1)用于产生两个采样信号电感电流信号与输出电压信号；这两个信号提供给增益自适应电路(3)；基准电平产生电路(2)产生一个基准电平，提供给增益自适应电路(3)；增益自适应电路(3)利用单周期双采样电路(1)和基准电平产生电路(2)提供的信号，产生所需的与输出电压自适应的电感电流采样信号。
2.根据权利要求1所述的适用于升压直流-直流变换器的自适应电流检测电路，其特 征在于所述的单周期双采样电路(1)中，VLX与电阻R3的左端及第一采样开关的左端相 连，电阻R3的右端与第二采样开关的左端及电阻R4的上端相连，电阻R4的下端与第三MOS 管(M3)的漏端相连，第三MOS管(M3)的栅端和源端分别与第三MOS管(M3)的漏端和地相 连；第二采样开关的右端与电容C2的上端相连，电容C2的下端与地相连；第一采样开关的 右端与电阻Rl的左端相连，电阻R1的右端与电阻R2的上端及电容C1的上端相连，电阻R2 的下端和电容C1的下端均与地相连；在功率管开启时，功率管的漏端电压为电感电流乘以其导通电阻，采样此电压作为电 感电流采样信号即第一采样信号；在功率管关闭时，功率管漏端电压为输出电压加上二极 管的压降，将此信号经过处理后采样保持作为输出电压采样信号即第二采样信号。
3.根据权利要求2所述的适用于升压直流_直流变换器的自适应电流检测电路，其特 征在于所述的基准电平产生电路(2)中，第一放大器(Al)的正输入端接片上直流电平，其 输出端与第五MOS管M5的栅端相连，其负输入端与第五MOS管(M5)的源端及电阻R5的上 端相连，电阻R5的下端接地；第五MOS管(M5)的漏端与第六MOS管(M6)、第七MOS管(M7) 的栅端及第六MOS管(M6)的漏端相连，第六MOS管(M6)、第七MOS管(M7)的源端均与VDD 相连；第七MOS管(M7)的漏端与电阻R6的上端相连，电阻R6的下端与第四MOS管(M4)的 漏端相连，第四MOS管(M4)的栅端和源端分别与第四MOS管(M4)的漏端和地相连。
4.根据权利要求3所述的适用于升压直流_直流变换器的自适应电流检测电路，其特 征在于所述的增益自适应电路(3)中，第二放大器(A2)的正输入端接第一采样信号，其输 出端与第十MOS管(MlO)的栅端相连，其负输入端与第十MOS管(MlO)的源端及第一MOS管 (Ml)的漏端相连，第一 MOS管(Ml)的栅端和源端分别接基准电平和地；第十MOS管(MlO) 的漏端与第八MOS管(M8)、第九MOS管(M9)的栅端及第八MOS管(M8)的漏端相连；第八 MOS管(M8)、第九MOS管(M9)的源端均与VDD相连；第九MOS管(M9)的漏端与第二 MOS管 (M2)的漏端相连，第二 MOS管(M2)的栅端和源端分别接第二采样信号和地。
5.根据权利要求2所述的适用于升压直流_直流变换器的自适应电流检测电路，其特 征在于在单周期双采样电路(1)中，根据PWM控制信号产生两个采样脉冲，分别对功率管 的漏端电压信号进行采样处理；其中第一采样信号、第二采样信号分别表示为^samplel - 灭 + 及 ^ ^on ,J R^sample! = "Τ~~Kfs M3 ) + Kis M3 记 T~^VLX ^Kis M3R4+R3 v“ 7 “ R4 + 尺3~其中，R^R4为分压电阻，込为电感电流，Ron为功率管导通电阻，Vvlx为功率管关断时它 的漏端电压，Vdsjl3为二极管连接的第三MOS管(M3)的源漏电压差。
6.根据权利要求3所述的适用于升压直流_直流变换器的自适应电流检测电路，其特 征在于在基准电平产生电路(2)中，输出的是由一个经过合适选择的输出电压Vm根据第 二采样信号表达式产生的一个基准电平，该基准电平表示为
7.根据权利要求4所述的适用于升压直流_直流变换器的自适应电流检测电路，其特 征在于在增益自适应电路(3)中，根据第一采样信号、第二采样信号以及基准电平信号产 生出电感电流采样增益随输出电压自适应的电压信号。
8.根据权利要求4所述的适用于升压直流_直流变换器的自适应电流检测电路，其特 征在于在增益自适应电路(3)中，处于线性区的第一 MOS管(Ml)和第 二 MOS管(M2)具有 相同的宽长比。
全文摘要
本发明属于集成电路技术领域，具体为一种适用于宽转换比升压变换器的自适应电流检测电路。该电路包括单周期双采样电路，用于产生两个采样信号电感电流信号与输出电压信号，并提供给增益自适应电路；基准电平产生电路，用于产生一个基准电平，提供给增益自适应电路；增益自适应电路，利用单周期双采样电路和基准电平产生电路提供的信号，产生所需的与输出电压自适应的电感电流采样信号。本发明避免选择片外补偿网络来实现不同转换比的方法，从而使补偿网络变得简单并可在芯片内部集成，减少了片外原件数量，符合便携化的要求，同时降低了成本，具有良好的应用前景。
文档编号G01R19/00GK101937014SQ20101024636
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月5日 优先权日2010年8月5日
发明者倪金华, 李叶, 洪志良, 程林 申请人:复旦大学