一种降压型电源纹波检测和补偿电路的制作方法

本发明涉及一种电源模块，特别是一种降压型直流电源波纹补偿模块。

背景技术：

BUCK型开关电源电路是目前常用的一种降压电路，该电路包括储能元件电感L1，电感L1的第一边与开关电路耦合，另一边与并联的滤波电解电容和负载电路耦合，开关电路的转换会导致在负载端出现纹波电压，工作时，电源输出的电压波动很大，要减小这种电压波动，就需要增大滤波电解电容，电解电容的电容值越大，输出电压的波动就越小，输出电压越平滑。但是，电解电容的寿命远小于降压电路和其它元器件，导致产品的使用寿命较短。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种能够有效延长产品使用寿命的降压型电源纹波检测和补偿电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种降压型电源纹波检测和补偿电路，与负载并联在开关电源后，包括：电流波纹采集电路：与开关电源的电感L1连接，用于采集所述电感的电压变化信号；补偿电流波纹生成电路：输入端与所述电流波纹采集电路的输出端连接，输出端与所述负载的输入端连接，用于生成与所述开关电源的电感电流相反的补偿电流，并叠加到负载的输入端。

所述电流波纹采集电路包括内部电路和外部电路；所述内部电路包括电阻R1、电阻R2、电容Ci3、NMOS管M20、PMOS管M22、PMOS管M23、NMOS管M21、NMOS管M09、NMOS管M010、PMOS管M24、NMOS管M011和NMOS管M012；所述电阻R1的一端与所述NMOS管M20的G极连接，另一端为外接电感电源端1VL+，所述电阻R1与NMOS管M20的G极节点为外接积分电容正端6C1+；所述NMOS管M20的D极分两路，一路接所述PMOS管M22的D极，另一路接所述PMOS管M22的G极，所述PMOS管M22的S极接外接电源VDD；所述PMOS管M23的G极与所述PMOS管M22的G极连接，S极接所述外接电源VDD，D极分三路，一路接所述NMOS管M21的D极，一路与所述电容Ci3的一端连接，另一路接所述PMOS管M24的G极；所述NMOS管M21的S极与所述NMOS管M20的S极连接，所述NMOS管M21的G极分两路，一路与所述电阻R2的一端连接，另一路为外接积分电容正端8C2+，所述电阻R2的另一端为外接电感负载端2VL-；所述NMOS管M09的G极分两路，一路接恒流偏置控制信号Vbias3，另一路接所述NMOS管M011的G极，D极接所述NMOS管M21和NMOS管M20的S极节点，S极与所述NMOS管M010的D极连接，所述NMOS管M010的S极接地，G极分两路，一路接恒流偏置控制信号Vbias4，另一路接所述NMOS管M012的G极；所述NMOS管M012的S极接地，D极接所述NMOS管M011的S极，所述NMOS管M011的D极与所述电容Ci3的另一端、PMOS管M24的D极共接后作为积分输出端7C2-；所述PMOS管M24的S极接所述外接电源VDD；所述电感电源端1VL+接所述电感L1靠近电源的一端，电感负载端2VL-接所述电感L1靠近负载的一端。

所述补偿电流波纹生成电路包括电阻R12、电阻R10、电阻R11、电阻R9、电容Ci2、电容Ci4、NMOS管M30、PMOS管M32、PMOS管M33、NMOS管M31、NMOS管M013、NMOS管M014、PMOS管M34、NMOS管M015、NMOS管M016和PNP型三极管Q1；所述电容Ci2和电阻R11并联后一端分两路，一路与所述电阻R12的一端连接，另一路与所述NMOS管M30的G极连接，所述电容Ci2和电阻R11并联后的另一端接所述三极管Q1的E极，所述电阻R12的另一端接所述积分输出端7C2-；所述NMOS管M30的D极分两路，一路接所述PMOS管M32的D极，另一路接所述PMOS管M32的G极，所述PMOS管M32的S极接所述外接电源VDD；所述PMOS管M33的G极与所述PMOS管M32的G极连接，S极接所述外接电源VDD，D极分三路，一路接所述NMOS管M31的D极，一路与所述电容Ci4的一端连接，另一路接所述PMOS管M34的G极，所述PMOS管M34的S极接所述外接电源VDD；所述NMOS管M31的S极与所述NMOS管M30的S极连接，所述NMOS管M31的G极分两路，一路与所述电阻R9的一端连接，另一路与所述电阻R10的一端连接，所述电阻R9的另一端接所述外接电源VDD，所述电阻R10的另一端接地；所述NMOS管M13的G极分两路，一路接所述恒流偏置控制信号Vbias3，另一路接所述NMOS管M015的G极，D极接所述NMOS管M30与NMOS管M31的S极节点，S极接所述NMOS管M014的D极；所述NMOS管M014的G极分两路，一路接恒流偏置控制信号Vbias4，另一路接所述NMOS管M016的G极，S极接地；所述NMOS管M016的S极接地，D极接所述NMOS管M015的S极；所述NMOS管M015的D极分三路，一路与所述电容Ci4的另一端连接，一路接所述PMOS管M34的D极，另一路接所述三极管Q1的B极，所述三极管Q1的C极作为补偿电流输出端3IOUT接负载，E极为外接电阻端9R。

所述内部电路和补偿电流波纹生成电路被封装成一只具有10只引脚的集成块。

所述外部电路包括电容C2、电容C1和电阻R，所述电容C2的一端与所述积分电容正端6C1+连接，另一端接地；所述电容C1的一端接所述积分电容正端8C2+，另一端接积分输出端7C2-；所述电阻R的一端接所述外接电源VDD，另一端接所述外接电阻端9R。

本发明的有益效果是：本发明采用片内补偿技术，通过电流波纹采集电路采集开关电源中电感的电压变化，积分得到一个与电感电流对应的积分电压，补偿电流波纹生成电路将积分电压与开关电源电压求差得到一个与电感电流反向的补偿电流，将得到的补偿电流注入到原电路中，抵消开关电源中电感引起的电流波动，实现纹波电流的补偿，只要外加小容量的瓷片电容和合适的电阻就能实现恒流输出，输出电流平稳且不需要大电解电容，可以弥补现有技术中采用短寿命的大电解电容导致产品使用寿命短的弊端，电路结构简单，稳定性强，使用范围广，体积小，能够有效延长产品的使用寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的电路原理方框图；

图2是电流波纹采集电路原理图；

图3是补偿电流波纹生成电路原理图；

图4是本发明的使用状态参考图；

图5是电感L1和补偿电路的电流波形图；

图6是补偿后电流波形图。

具体实施方式

参照图1至图4，一种降压型电源纹波检测和补偿电路，与负载并联在DC/DC或AC/DC开关电源后，包括：电流波纹采集电路：与开关电源的电感L1连接，用于采集所述电感的电压变化信号。补偿电流波纹生成电路：输入端与所述电流波纹采集电路的输出端连接，输出端与所述负载的输入端连接，用于生成与所述开关电源的电感电流相反的补偿电流，并叠加到负载LOAD的输入端。

本实施例的电路原理图参见图2至图4，所述电流波纹采集电路包括内部电路和外部电路。所述内部电路包括电阻R1、电阻R2、电容Ci3、NMOS管M20（本申请文件中，NMOS管为N沟道的MOS管）、PMOS管M22（本申请文件中，PMOS管为P沟道的MOS管）、PMOS管M23、NMOS管M21、NMOS管M09、NMOS管M010、PMOS管M24、NMOS管M011和NMOS管M012；所述电阻R1的一端与所述NMOS管M20的G极连接，另一端为外接电感电源端1VL+，所述电阻R1与NMOS管M20的G极节点为外接积分电容正端6C1+；所述NMOS管M20的D极分两路，一路接所述PMOS管M22的D极，另一路接所述PMOS管M22的G极，所述PMOS管M22的S极接外接电源VDD；所述PMOS管M23的G极与所述PMOS管M22的G极连接，S极接所述外接电源VDD，D极分三路，一路接所述NMOS管M21的D极，一路与所述电容Ci3的一端连接，另一路接所述PMOS管M24的G极；所述NMOS管M21的S极与所述NMOS管M20的S极连接，所述NMOS管M21的G极分两路，一路与所述电阻R2的一端连接，另一路为外接积分电容正端8C2+，所述电阻R2的另一端为外接电感负载端2VL-；所述NMOS管M09的G极分两路，一路接恒流偏置控制信号Vbias3，另一路接所述NMOS管M011的G极，D极接所述NMOS管M21和NMOS管M20的S极节点，S极与所述NMOS管M010的D极连接，所述NMOS管M010的S极接地，G极分两路，一路接恒流偏置控制信号Vbias4，另一路接所述NMOS管M012的G极；所述NMOS管M012的S极接地，D极接所述NMOS管M011的S极，所述NMOS管M011的D极与所述电容Ci3的另一端、PMOS管M24的D极共接后作为积分输出端7C2-；所述PMOS管M24的S极接所述外接电源VDD；所述电感电源端1VL+接所述电感L1靠近电源的一端，电感负载端2VL-接所述电感L1靠近负载的一端。

所述补偿电流波纹生成电路包括电阻R12、电阻R10、电阻R11、电阻R9、电容Ci2、电容Ci4、NMOS管M30、PMOS管M32、PMOS管M33、NMOS管M31、NMOS管M013、NMOS管M014、PMOS管M34、NMOS管M015、NMOS管M016和PNP型三极管Q1；所述电容Ci2和电阻R11并联后一端分两路，一路与所述电阻R12的一端连接，另一路与所述NMOS管M30的G极连接，所述电容Ci2和电阻R11并联后的另一端接所述三极管Q1的E极，所述电阻R12的另一端接所述积分输出端7C2-；所述NMOS管M30的D极分两路，一路接所述PMOS管M32的D极，另一路接所述PMOS管M32的G极，所述PMOS管M32的S极接所述外接电源VDD；所述PMOS管M33的G极与所述PMOS管M32的G极连接，S极接所述外接电源VDD，D极分三路，一路接所述NMOS管M31的D极，一路与所述电容Ci4的一端连接，另一路接所述PMOS管M34的G极，所述PMOS管M34的S极接所述外接电源VDD；所述NMOS管M31的S极与所述NMOS管M30的S极连接，所述NMOS管M31的G极分两路，一路与所述电阻R9的一端连接，另一路与所述电阻R10的一端连接，所述电阻R9的另一端接所述外接电源VDD，所述电阻R10的另一端接地；所述NMOS管M13的G极分两路，一路接所述恒流偏置控制信号Vbias3，另一路接所述NMOS管M015的G极，D极接所述NMOS管M30与NMOS管M31的S极节点，S极接所述NMOS管M014的D极；所述NMOS管M014的G极分两路，一路接恒流偏置控制信号Vbias4，另一路接所述NMOS管M016的G极，S极接地；所述NMOS管M016的S极接地，D极接所述NMOS管M015的S极；所述NMOS管M015的D极分三路，一路与所述电容Ci4的另一端连接，一路接所述PMOS管M34的D极，另一路接所述三极管Q1的B极，所述三极管Q1的C极作为补偿电流输出端3IOUT接负载，E极为外接电阻端9R。

所述外部电路包括电容C2、电容C1和电阻R，所述电容C2的一端与所述积分电容正端6C1+连接，另一端接地；所述电容C1的一端接所述积分电容正端8C2+，另一端接积分输出端7C2-；所述电阻R的一端接所述外接电源VDD，另一端接所述外接电阻端9R。

PMOS管M22和PMOS管M23组成恒流源偏置电路，NMOS管M20和NMOS管M21组成差分输入电路，PMOS管M24为二级放大电路，电容Ci3为补偿电容，电感电源端1VL+和电感负载端2VL-采集到的电感L1两端电压差通过电阻R1和电阻R2进入到电流波纹采集电路，通过由NMOS管M20、NMOS管M21、PMOS管M22、PMOS管M23和PMOS管M24构成的运放电路以及由电阻R1、电阻R2、电容C2和电容C1组成的积分电路后，得到电感L1的脉动电压积分值并从积分输出端7C2-输出。积分输出端7C2-输出的积分电压值和电感L1上的脉动电压呈比例关系，从而完成纹波电流的采集。

PMOS管M32和PMOS管M33组成恒流源偏置电路，NMOS管M30和NMOS管M31组成差分输入电路，PMOS管M34为差分放大电路的二级放大，电容Ci4为补偿电容，电阻R10、电阻R11、电阻R9和电容Ci2接在差分输入电路的两端构成差分比例运算电路，三极管Q1作为纹波补偿电流放大管及注入端，由PMOS管M34的D极驱动。

补偿电流波纹生成电路从积分输出端7C2-得到与电感L1脉动电流成正比的电压值，该电压值与外接电源VDD通过电阻R9和电阻R10的分压进行差分比例运算，从三极管Q1的C极注入与电感L1纹波相反的补偿电流进入到负载电路，从而实现补偿电感L1产生的电流纹波。如图5、图6所示，通过LTspice仿真波形可以看出（图5中波峰较小的是补偿电流波形图，波峰较大的是电感L1电流波形图，图6是补偿后的电流波形图），电感L1本身的电流脉动值约为500mA，补偿后的脉动值约为10mA，大大减小了纹波电压，实现不需要大电解电容也能让降压型电源系统产生较平滑的电流输出，外加合适的电路元件就能实现不同输出要求的电流补偿输出。

作为本发明的进一步改进，参见图4，所述内部电路和补偿电流波纹生成电路被封装成一只具有10只引脚的集成块，然后外接电阻和电容就可以实现波形补偿，如果技术允许，也可以将外部电路如电阻R、电容C1和电容C2集成到集成块的内部，集成块的引脚定义如下表：

本发明采用片内补偿技术，通过电流波纹采集电路采集开关电源中电感的电压变化，积分得到一个与电感电流对应的积分电压，补偿电流波纹生成电路将积分电压与开关电源电压求差得到一个与电感电流反向的补偿电流，将得到的补偿电流注入到原电路中，抵消开关电源中电感引起的电流波动，实现纹波电流的补偿，只要外加小容量的瓷片电容和合适的电阻就能实现恒流输出，输出电流平稳且不需要大电解电容，可以弥补现有技术中采用短寿命的大电解电容导致产品使用寿命短的弊端，电路结构简单，稳定性强，使用范围广，体积小，能够有效延长产品的使用寿命。