一种BUCK恒压驱动电路以及BUCK恒压驱动器的制作方法

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种BUCK恒压驱动电路以及包括该驱动电路的BUCK恒压驱动器。

背景技术：

现有技术BUCK恒压驱动电路的典型应用如图1所示。其工作原理如下：当CLK产生器发出置位信号后，高压MOS管M1被驱动模块打开，高压MOS管M1导通，电感L的电流将以固定斜率增大，Vcs电压也随之增大，当电感L的电流增大到使得Vcs与控制器内部比较电压Vref相等时，驱动模块将关闭MOS管M1，使之截止，此时Vs将快速下降至-V_D1，电感L上的电流经二极管D1以固定斜率下降，同时Vout通过二极管D2向VCC供电，于是：

V_L＝V_out+V_D1＝V_CC+V_D2 (1)

假定V_D1＝V_D2,则Vcc＝Vout,因此可以通过VCC电压对Vout进行采样，再经过电阻分压后得到反馈电压Vfb，并与内部基准电压Vref2进行比较。当输出电压Vout比较高时，VCC和Vfb也相应被拉高，当Vfb高于Vref2时，复位信号R1＝1，MOS管M1将关闭，于是Vout将下降，VCC和Vfb也相应下降，当Vfb低于Vref2时，复位信号R1＝0，M1将重新导通。最终使Vfb的平均值与Vref2相等，假设电阻分压比例为α，则：

V_out＝V_CC＝α*V_ref2 (2)

现有Buck恒压驱动器的优点是：结构简单，成本低。但存在如下明显问题：

1)、理论上电感峰值电流Ipk为Vref/Rcs，但由于比较器的延时和MOS关断延时的存在，峰值电流Ipk为：

$I_{PK}=\frac{V_{ref}}{R_{CS}}+\frac{V_{in}-V_{out}}{L}*T_d---\left(3\right)$

其中L为电感感量，Td为比较器延时与MOS关断延时之和，由于Vin》Vout，(3)可简化为：

$I_{PK}=\frac{V_{ref}}{R_{CS}}+\frac{V_{in}}{L}*T_d---\left(4\right)$

从上式可以看出，峰值电流随输入电压Vin增大而增大，从而导致低输入电压时的驱动能力明显比高输入电压时要弱；

2)、对于BCM和DCM工作模式，输出功率与峰值电流Ipk和工作频率F的关系为：由于现有技术在轻载乃至空载条件的峰值电流不减小，因此轻载频率太低，不但响应较慢且空载功耗很大。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种BUCK恒压驱动电路以及BUCK恒压驱动器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种BUCK恒压驱动电路，包括：用于将输入电压进行调节以为负载提供恒定电压的电压输出模块、用于输出控制信号以控制所述电压输出模块中的主开关管的导通和关闭的控制模块、用于根据所述控制信号获取主开关管的导通时间进而获取输入电压的信息并对低输入电压的过流参考电压进行补偿的过流基准产生模块、用于根据所述过流参考电压输出反馈信号至控制模块以对电压输出模块带载时进行过流保护的过流保护模块、用于采样与所述驱动电路匹配的外围电路的输出电压并根据所述输出电压与输出参考电压输出恒压调节信号的恒压控制模块、用于根据所述恒压调节信号输出反馈信号至控制模块以对电压输出模块中的峰值电流进行调整进而调整所述输出电压为恒定电压的PWM控制模块；

所述控制模块分别连接所述电压输出模块、过流基准产生模块、过流保护模块、PWM控制模块，所述过流保护模块还连接所述过流基准产生模块、电压输出模块，所述恒压控制模块连接所述PWM控制模块和所述外围电路，所述电压输出模块还连接至外围电路。

在本发明所述的BUCK恒压驱动电路中，所述过流基准产生模块包括用于采样主开关每次导通时间内的最大积分电压以及固定延时时间内的最大积分电压并将两个最大积分电压同时保持到下一次主开关导通的采样保持电路和用于根据两个最大积分电压产生过流参考电压的过流基准产生器，所述过流保护模块包括第一比较器；所述采样保持电路的输入端连接控制模块且输出端连接过流基准产生器的输入端，所述过流基准产生器的输出端连接第一比较器的正输入端，第一比较器的负输入端连接电压输出模块，第一比较器的输出端连接控制模块，其中，所述过流基准产生器构建有如下关系：其中，A为正常数，Ton表示主开关的导通时间，Td表示所述固定延时时间，为第一比较器延时和主开关关断延时之和，Vref表示所述过流参考电压。

在本发明所述的BUCK恒压驱动电路中，所述控制信号在每个时钟周期内形成高电平时间长度为Ton的第一PWM信号，所述采样保持电路包括：脉冲发生器、PWM信号发生器、两个N型MOS管、两个电容、两个恒流源、两个高电平时导通的充电开关，所述脉冲发生器由所述第一PWM信号上升沿触发产生脉冲信号，所述PWM信号发生器由第一PWM信号上升沿触发产生高电平时间长度为Td的第二PWM信号；

脉冲发生器、PWM信号发生器分别连接至所述控制模块，每个N型MOS管的漏极均通过一个充电开关连接一个恒流源、源极和漏极之间均连接一个电容、源极均接地，两个N型MOS管的栅极均连接至脉冲发生器，一个充电开关的控制端连接至PWM信号发生器以接收所述第一PWM信号，另一个充电开关的控制端连接至所述控制模块以接收所述第二PWM信号。

在本发明所述的BUCK恒压驱动电路中，所述过流基准产生器包括：除法器、乘法器、两个电压跟随器、MOS管镜像电流源、第一电阻、第二电阻；

除法器的两个输入端分别连接至两个N型MOS管的漏极，乘法器的一个输入端接收常数A、另一个输入端连接除法器的输出端，第一个电压跟随器的输入端用于接收A伏的参考电压、输出端连接MOS管镜像电流源的参考支路的输出端和第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接第二个电压跟随器的输出端，第二个电压跟随器的输入端连接乘法器的输出端，MOS管镜像电流源的输出支路的输出端连接第二电阻的第一端，第二电阻的第二端接地，第二电阻的第一端还连接至所述第一比较器的正输入端。

在本发明所述的BUCK恒压驱动电路中，所述恒压控制模块包括分压电路和误差放大器，所述PWM控制模块包括第二比较器，所述分压电路连接外围电路和误差放大器的负输入端，误差放大器的正输入端用于接收输出参考电压，所述误差放大器的输出端连接第二比较器的负输入端，第二比较器的正输入端连接电压输出模块，第二比较器的输出端连接控制模块。

在本发明所述的BUCK恒压驱动电路中，所述恒压控制模块还包括补偿电阻和补偿电容，误差放大器的输出端经由所述补偿电阻和补偿电容连接至电压输出模块。

在本发明所述的BUCK恒压驱动电路中，所述电压输出模块包括所述主开关管和检流电阻，所述主开关管为N型MOS管，所述控制模块包括时钟产生器、RS触发器、驱动模块，时钟产生器连接RS触发器的置位端，RS触发器的两个复位端分别连接第一比较器的输出端和第二比较器的输出端，RS触发器的输出端连接驱动模块的输入端和采样保持电路的输入端，驱动模块的输出端连接N型MOS管的栅极，N型MOS管的漏极接收外部的输入电压，N型MOS管的源极分别连接第一比较器的负输入端、第二比较器的正输入端以及检流电阻的第一端，检流电阻的第二端经由所述补偿电阻和补偿电容连接至误差放大器的输出端。

本发明还公开了一种BUCK恒压驱动器，所述驱动器内封装有所述的BUCK恒压驱动电路。

实施本发明的BUCK恒压驱动电路，具有以下有益效果：一方面，本发明在现有典型驱动电路的基础上增加过流基准产生模块，因此与现有技术相比，过流保护模块的过流参考电压并不是一成不变的，而是经过过流基准产生模块对低输入电压的过流参考电压进行补偿，在维持现有技术低成本优点的基础上，使高低压驱动能力更加接近；另一方面，本发明的恒压控制模块和PWM控制模块共同配合替代现有典型驱动电路中调节输出电压的比较器的功能，可以根据恒压调节信号对峰值电流进行调整进而调整输出电压，因此在维持现有技术低成本优点的基础上，在轻载时可以把峰值电流降下，从而优化轻载响应和空载功耗特性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术BUCK恒压驱动电路的典型应用的电路图；

图2是本发明BUCK恒压驱动电路的应用的电路图；

图3是图2中过流基准产生模块的电路图；

图4是采样保持电路的工作原理对应的波形图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图2所示，是本发明BUCK恒压驱动电路的应用的电路图。

本发明的BUCK恒压驱动电路包括：供电模块、电压输出模块100、控制模块200、过流基准产生模块300、过流保护模块400、恒压控制模块500、PWM控制模块600。

所述控制模块200分别连接所述电压输出模块100、过流基准产生模块300、过流保护模块400、PWM控制模块600，所述过流保护模块400还连接所述过流基准产生模块300、电压输出模块100，所述恒压控制模块500连接所述PWM控制模块600和所述外围电路，所述电压输出模块100还连接至外围电路。

供电模块用于启动整个驱动电路，电压输出模块100用于将输入电压进行调节以为负载提供恒定电压；控制模块200用于输出控制信号以控制所述电压输出模块100中的主开关管的导通和关闭；过流基准产生模块300用于根据所述控制信号获取主开关管的导通时间进而获取输入电压的信息并对低输入电压的过流参考电压进行补偿；过流保护模块400用于根据所述过流参考电压输出反馈信号至控制模块200以对电压输出模块100进行过流保护；恒压控制模块500用于采样与所述驱动电路匹配的外围电路的输出电压并根据所述输出电压与输出参考电压输出恒压调节信号；PWM控制模块600用于根据所述恒压调节信号输出反馈信号至控制模块200以对电压输出模块100中的峰值电流进行调整进而调整所述输出电压为恒定电压。

由于本发明在现有典型驱动电路的基础上增加过流基准产生模块，因此与现有技术相比，过流保护模块的过流参考电压并不是一成不变的，而是经过过流基准产生模块对低输入电压的过流参考电压进行补偿，在维持现有技术低成本优点的基础上，使高低压驱动能力更加接近。而且本发明的恒压控制模块和PWM控制模块共同配合替代现有典型驱动电路中调节输出电压的比较器的功能，可以根据恒压调节信号对峰值电流进行调整进而调整输出电压，因此在维持现有技术低成本优点的基础上，在轻载时可以把峰值电流降下，从而优化轻载响应和空载功耗特性。

在一个具体的实施例中，所述电压输出模块100包括所述主开关管和检流电阻Rcs，所述主开关管为N型MOS管M1，所述控制模块200包括时钟产生器、RS触发器、驱动模块，在应用本驱动电路时，需要连接相应的外围电路，外围电路包括续流二极管D1、二极管D2、电容、电感L。图2中以一个封装了本驱动电路的驱动器为例，图中VCC、Vin、Vs是驱动器的三个引脚。Vin作为输入引脚连接外部电源，具体的一般是连接一个整流滤波电路。Vs作为输出引脚连接电感L的一端和续流二极管D1的负极，续流二极管D1的正极接地，电感L的另一端作为输出电压Vout的电压节点，该节点一方面经由电容接地，另一方面经由二极管D2连接驱动器的VCC引脚，驱动器内部的供电模块连接Vin和VCC，用于为驱动器启动时为VCC节点提供电压，在驱动器正式工作后，供电模块将不再为VCC提供电流。

所述过流基准产生模块300包括采样保持电路310和过流基准产生器320，所述过流保护模块400包括第一比较器，所述恒压控制模块500包括分压电路510和误差放大器，所述PWM控制模块600包括第二比较器。

时钟产生器连接RS触发器的置位端，RS触发器的两个复位端分别连接第一比较器的输出端和第二比较器的输出端，RS触发器的输出端连接驱动模块的输入端和采样保持电路310的输入端，采样保持电路310的输出端连接过流基准产生器320的输入端，所述过流基准产生器320的输出端连接第一比较器的正输入端，驱动模块的输出端连接N型MOS管M1的栅极，N型MOS管M1的漏极接收外部的输入电压，N型MOS管M1的源极分别连接第一比较器的负输入端、第二比较器的正输入端以及检流电阻Rcs的第一端，检流电阻Rcs的第二端经由所述补偿电阻Rc和补偿电容Cc连接至误差放大器的输出端，所述误差放大器的输出端还连接第二比较器的负输入端，误差放大器的正输入端用于接收输出参考电压，误差放大器的负输入端连接所述分压电路510的输出端，所述分压电路510的输入端连接VCC节点，即外围电路中二极管D2的负极。

分压电路510可以是常见的电阻分压电路，电阻分压电路为本领域的公知电路，此处不再赘述。

优选的，在本实施例中，为了保证稳定性，所述恒压控制模块500还包括补偿电阻Rc和补偿电容Cc，误差放大器的输出端经由所述补偿电阻Rc和补偿电容Cc连接至检流电阻Rcs的第二端。

一方面，本发明解决轻载或空载时的功耗高以及轻载效率低等问题的工作原理如下：当输出电压Vout出现偏差时，分压电路510输出的反馈电压Vfb相应偏差，误差放大器输出的恒压调节信号Comp将调整峰值电流，从而调整电感电流，当系统环路稳定时，Vfb＝Vref2，从而实现输出电压的调整。轻载时，环路将自动输出恒压调节信号Comp，从而降低峰值电流。

另一方面，为了弥补高低输入电压时驱动能力比高输入电压弱的问题，增加采样保持电路310、过流基准产生器320。采样保持电路310用于采样主开关每次导通时间内的最大积分电压以及固定延时时间内的最大积分电压并将两个最大积分电压同时保持到下一次主开关导通，过流基准产生器用于根据两个最大积分电压产生过流参考电压。所述控制信号在每个时钟周期内形成高电平时间长度为Ton的第一PWM信号，因为输出电压恒定，所以第一PWM信号的导通时间(即主开关导通时间Ton)与输入电压负相关，为此将第一PWM信号导通时间转换为积分电压。

其中，所述过流基准产生器320构建有如下关系：其中，A为正常数，Ton表示主开关导通时间，Td表示所述固定延时时间，一般为第一比较器延时和主开关关断延时之和，Vref表示所述过流参考电压。

假定上一周的导通时间为Ton，则可以得到：

$V_{ref}=\frac{V_{in}}{L}*T_{ON1}*R_{CS}\⇒\frac{V_{in}}{L}=\frac{V_{ref}}{T_{ON1}*R_{CS}}---\left(5\right)$

将(5)代入背景技术部分的(4)，则

$I_{PK}=\frac{V_{ref}}{R_{CS}}+\frac{V_{in}}{L}*T_d=(V_{ref}+V_{ref}*\frac{T_d}{T_{on1}})/R_{CS}---\left(6\right)$

假设Td是固定的，由于过流基准产生器320构建了如下个关系：

$V_{ref}=\frac{A*T_{ON1}}{T_{ON1}+T_d}---\left(7\right)$

则(6)变为：

$I_{PK}=(V_{ref}+V_{ref}*\frac{T_d}{T_{on1}})/R_{CS}=\frac{A}{R_{CS}}---\left(8\right)$

对比(4)和(8)，可以看出，本发明的Ipk与输入电压Vin无关，可以很好的补偿低输入电压条件驱动能力不足的问题。

下面就过采样保持电路310的具体电路和过流基准产生器320的构建提供一个具体的例子。

如图3，所述采样保持电路310包括：脉冲发生器(图未示)、PWM信号发生器(图未示)、两个N型MOS管MN1和MN2、两个电容C1和C2、两个恒流源、两个高电平时导通的充电开关K1和K2，所述脉冲发生器由所述第一PWM信号上升沿触发产生脉冲信号，所述PWM信号发生器由第一PWM信号上升沿触发产生高电平时间长度为Td的第二PWM信号。其中充电开关K1和K2可以为N型的MOS管或者三极管等。

如图3，所述过流基准产生器320包括：除法器、乘法器、两个电压跟随器EA1和EA2、第一电阻R1、第二电阻R2、P型MOS管MP1和MP2构成的MOS管镜像电流源，MP1的源极和MP2的源极连接内部电源vdd，MP1的栅极连接MP2的栅极，MP1的栅极连接MP1的漏极；

脉冲发生器、PWM信号发生器分别连接至RS触发器的输出端以接收第一PWM信号，每个N型MOS管的漏极均通过一个充电开关连接一个恒流源、源极和漏极之间均连接一个电容、源极均接地，两个N型MOS管的漏极分别连接至除法器的两个输入端，两个N型MOS管的栅极均连接至脉冲发生器，充电开关K2的控制端连接至所述PWM信号发生器以接收所述第二PWM信号，充电开关K1的控制端连接至所述RS触发器以接收所述第一PWM信号，乘法器的一个输入端接收常数A、另一个输入端连接除法器的输出端，第一个电压跟随器EA1的输入端用于接收A伏的参考电压、输出端连接MOS管镜像电流源的参考支路的输出端(即MP1的漏极)和第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端连接第二个电压跟随器EA2的输出端，第二个电压跟随器EA2的输入端连接乘法器的输出端，MOS管镜像电流源的输出支路的输出端(即MP2的漏极)连接第二电阻R2的第一端，第二电阻R2的第二端接地，第二电阻R2的第一端还连接至所述第一比较器的正输入端。

图3中，结合图4，Vrest1和Vrest2表示脉冲发生器产生的脉冲信号，Vrest1和Vrest2实际上是同一个脉冲信号。

由于在主开关管M1开启Ton期间，充电开关K1开启，基准电流ib对电容C1充电，积分生成电压为该电压保持到Vrest1置高时。Vrest1变高，开启MN1，对电容C1清0。主开关管M1关断期间，充电开关K1关闭，断开充电通路。同时，在固定延时时间Td内，充电开关K2开启，相同的ib电流对电容C2充电，积分生成电压为该电压保持到Vrest2置高时。Vrest2变高，对电容C2清0。两个积分电压在保持期间，经过除法器得到电压(C1和C2的大小相同)。此信号与A常数经过一个乘法器得到信号运放EA2嵌位使其与VC电压相等，运放EA1嵌位A点电压，使其与VD点电压相等。流过MP1的电流即为：PMOS管MP1和MP2的镜像比例为1；1,所以流过MP2的电流等于流过MP1的电流.R1上产生的电压为(其中：R1＝R2)。将VR1电压作为Vref,则有：

当然，过流基准产生器并不限于以上电路，还可以借由内部程序实现以上公式(7)，这些都应在本发明的保护范围之内。另外，本发明所涉及到的MOS管的型号也并不限于本实施例所示。

综上所述，实施本发明的BUCK恒压驱动电路，具有以下有益效果：一方面，本发明在现有典型驱动电路的基础上增加过流基准产生模块，因此与现有技术相比，过流保护模块的过流参考电压并不是一成不变的，而是经过过流基准产生模块对低输入电压的过流参考电压进行补偿，在维持现有技术低成本优点的基础上，使高低压驱动能力更加接近；另一方面，本发明的恒压控制模块和PWM控制模块共同配合替代现有典型驱动电路中调节输出电压的比较器的功能，可以根据恒压调节信号对峰值电流进行调整进而调整输出电压，因此在维持现有技术低成本优点的基础上，在轻载时可以把峰值电流降下，从而优化轻载响应和空载功耗特性。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。