一种用于ACOT控制模式的DC‑DC转换器中的导通时间控制电路的制作方法

本发明属于开关电源技术领域，涉及一种控制电路，尤其是一种用于acot控制模式的dc-dc转换器中的导通时间控制电路。

背景技术：

dc/dc转换器中的acot(adaptiveconstantontime)控制模式，一般引入输入电压前馈和输出电压反馈技术，消除了输入、输出电压对开关频率的影响，同时由于其无需斜坡补偿，及超快速的瞬态响应与高转换效率，使其得到广泛的应用。具有外同步功能的dc/dc转换器可以按照用户外加的脉冲信号(一定频率范围内)工作，这给用户带来了极大的便利，进一步加大了其应用范围。

现有技术中的acot控制模式dc/dc转换器电路框图如图1所示，由导通时间控制电路100，功率转换电路101，负载电路102，反馈电路103，误差放大电路104，基准电路105，谷值电流采样电路106，电流比较器107组成。所述导通时间控制电路100产生与输入、输出电压相关的导通时间ton；所述反馈电路103采样输出电压vout，与所述基准电路105参考电压vref通过所述误差放大电路104放大后确定谷值电流限，当所述谷值电流采样电路106触发所述电流限，toff信号由低变高，通过所述导通时间控制电路100中的逻辑和驱动电路logicanddriver关断所述功率转换电路101中的下功率管m2，开启上功率管m1，同时触发所述导通时间控制电路100中的计时器on_timer开始计时。当其计时结束，ton信号由高变低，则通过所述逻辑和驱动电路logicanddriver关断所述功率转换电路101中的上功率管m1，开启下功率管m2，同时所述导通时间控制电路100的计时信号复位，直到所述谷值电流采样电路106再次触发所述电流限，开启下一周期。逐步调节输出电压vout达到预定值，电路进入稳定状态。所述导通时间控制电路100由鉴频鉴相器pfd、第一线性电压转电流电路v-i、开关k、电流加/减法器d、第二线性电压转电流电路v-i、定时器on_timer、逻辑和驱动电路logicanddriver组成。所述定时器on_timer电路示意图如图2所示，由充电电流ion、定时电容c0、开关s、电压比较器comp及两个反相器组成。电压比较器comp正相输入端连接输出电压vout，做为电压比较器comp阈值。所述开关s与所述功率转换电路101中上功率管m1相关，当上功率管开启时，开关s断开，定时电容c0开始充电，定时器开始计时，反之，开关s闭合，定时电容c0放电；所述第二线性电压转电流电路v-i输入端与输入电压vin连接，产生与输入电压vin成正比的电流iin＝ki*vin；所述鉴频鉴相器pfd两输入端分别与外部输入脉冲信号输入端pllin和所述功率转换电路101中信号sw连接。

所述导通时间控制电路100有两种工作状态：当输入端pllin悬空或接地时，所述开关s断开，所述定时器on_timer电路中充电电流ion＝ki*vin，则导通时间ton＝c0*vout/ion＝c0*vout/(ki*vin)，又由buck型dc/dc转换器的输入与输出电压关系，可得ton＝tsw*(vout/vin)，则tsw＝c0/ki，那么转换器本征开关频率fswo＝ki/c0；当输入端pllin外接脉冲信号时，所述开关s闭合，所述鉴频鉴相器pfd比较外部开关频率f0和自身开关频率fsw的频率/相位差，并输出电压vpfd，经所述第一线性电压转电流电路v-i产生电流ipll1＝kp*(vpfd-vref0)，其中vref0为所述第一线性电压转电流电路v-i中心工作点，与所述iin通过电流加/减法器d相加生成所述计时器on_timer充电电流ion＝iin+ipll1，则可得导通时间ton＝c0*vout/ion＝c0*vout/(iin+ipll1)，那么进一步可得转换器开关频率：

由以上分析可知：在输入端pllin悬空或接地，即转换器不使用转换器外同步功能时，消除了输入、输出电压对其开关频率的影响。但实际上，由于电路各处传输延迟的存在，其开关频率还是会随输入、输出电压及负载等发生变化，尤其是在输入电压低、占空比变化大和开关频率较高的情况下；在输入端pllin外接脉冲信号，即转换器使用外同步功能时，一般要求转换器具有更宽的、更稳定的开关频率范围，以适应不同的工作环境。但由式(1)可知其可锁定的外部脉冲频率范围为围绕其本征开关频率fswo变化δf范围内，其中：

显然，δf与输入电压vin相关，不同的输入电压有不同的可锁定外部脉冲频率范围。另一方面，即使在输入电压vin固定的情况下，较宽的可锁定开关频率范围要求vpfd有较大的变化范围，这就要求所述鉴频鉴相器pfd有更宽的可比较相位差和更快的锁定速度，同时要求所述第一线性电压转电流电路v-i有更宽的线性工作区，从而加大了电路设计难度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于acot控制模式的dc-dc转换器中的导通时间控制电路。其在不同的工作状态下，本征工作频率具有自适应性，工作频率稳定、可调，尤其在外同步工作时具有广泛的可锁定外部脉冲频率范围。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种用于acot控制模式的dc-dc转换器中的导通时间控制电路，包括第一锁相环模块、第二锁相环模块、跨导线性环模块和开关模式控制模块；其中所述第一锁相环模块的第一输入端连接外部脉冲信号输入端pllin；第一锁相环模块的第二输入端连接第二锁相环模块的第一输出端；第一锁相环模块的第三输入端连接dc/dc转换器主电路的sw端；第一锁相环模块的第四输入端连接跨导线性环模块的输出端；第一锁相环模块的第五输入端连接dc/dc转换器的输出电压vout；第一锁相环模块的第六输入端连接dc/dc转换器的主电路中的电流比较器电路的输出端；第一锁相环模块的输出端连接dc/dc转换器主电路门级驱动端；所述第二锁相环模块的第一输入端连接外部脉冲信号输入端pllin和第一锁相环模块的第一输入端；第二锁相环模块的第二输入端连接第一锁相环模块的第二输入端并与第二锁相环模块的第一输出端连接；第二锁相环模块的第三输入端连接外部调频电阻rt；第二锁相环模块的第一输出端连接第二锁相环模块第二输入端和第一锁相环模块的第二输入端；第二锁相环模块的第二输出端连接跨导线性环模块的第二输入端；所述跨导线性环模块的第一输入端连接输入电压vin；跨导线性环模块的第二输入端连接第二锁相环模块的第二输出端；跨导线性环模块的输出端连接第一锁相环模块的第四输入端；所述开关模式控制模块的各输出端连接第一锁相环模块、第二锁相环模块中的各开关控制端，控制其在不同工作模式下的通断。

进一步，上述第一锁相环模块包括第一开关、第二开关、第一鉴频鉴相器、第一线性电压转电流电路、第一电流加/减法器、定时器、逻辑与驱动电路；其中，所述第一开关的第一端做为所述第一锁相环模块的第一输入端，连接至外部脉冲信号输入端pllin；所述第一开关的第二端连接所述鉴频鉴相器的第一输入端；所述第二开关的第一端做为所述第一锁相环模块的第二输入端，连接至所述第二锁相环模块的第一输出端；第二开关的第二端连接第一鉴频鉴相器的第二输入端；第一鉴频鉴相器的第三输入端做为所述第一锁相环模块的第三输入端，连接至所述dc/dc转换器主电路的sw端；所述第一鉴频鉴相器的输出端连接第一线性电压转电流电路的输入端；所述第一线性电压转电流电路的输出端连接至所述第一电流加/减法器第一输入端；第一电流加/减法器第二输入端做为所述第一锁相环模块的第四输入端，连接至所述跨导线性环模块的输出端；所述第一电流加/减法器输出端连接所述定时器的第一输入端；所述定时器的第二输入端做为第一锁相环模块的第五输入端，连接至转换器输出电压vout；定时器的输出端连接逻辑与驱动模块的输入端；所述逻辑与驱动模块输出端连接所述dc/dc转换器主电路门级驱动端；所述定时器和逻辑与驱动模块调节功率转换电路中上功率管的导通时间。

进一步，上述第二锁相环模块包括第三开关、第四开关、第二鉴频鉴相器、第二线性电压转电流电路、第五开关、第二电流加/减法器、振荡器、频率调节电路；其中

所述第三开关的第一端为第二锁相环模块的第一输入端，连接至外部脉冲信号输入端pllin；所述第三开关的第二端连接第二鉴频鉴相器的第一输入端；第四开关的第一端为第二锁相环模块的第二输入端，连接至第一锁相环模块的第二输出端与第二锁相环模块的第一输出端；第四开关的第二端连接第二鉴频鉴相器的第二输入端；第二鉴频鉴相器的输出端连接第二线性电压转电流电路的输入端；所述第二线性电压转电流电路的输出端连接至第二电流加/减法器第一输入端；第二电流加/减法器的第二输入端连接频率调节电路的输出端；频率调节电路的输入端外接调频电阻rt；第二电流加/减法器的输出端做为所述第二锁相环模块的第二输出端，连接至跨导线性环模块的第二输入端，同时连接至振荡器的输入端；振荡器的输出端连接至第一锁相环模块的第二输入端和第二锁相环模块的第二输入端。

进一步，上述跨导线性环模块包括第三线性电压转电流电路、基准电流产生电路、跨导线性环电路；其中：所述第三线性电压转电流电路输入端为跨导线性环模块的第一输入端，连接转换器输入电压vin；所述第三线性电压转电流电路输出端连接跨导线性环电路的第一输入端；所述基准电流产生电路输出端连接至跨导线性环电路的第三输入端；跨导线性环电路的第二输入端做为跨导线性环模块的第二输入端；所述跨导线性环电路的输出端做为跨导线性环模块(30)输出端连接至第一锁相环模块的第四输入端。

进一步，上述开关模式控制模块的输入端连接外部脉冲信号输入端pllin。

进一步，上述开关模式控制模块包括模式控制电路；其中模式控制电路的输入端连接外部脉冲信号输入端pllin；模式控制电路的输出端连接第一锁相环模块和第二锁相环模块中的各开关控制端。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明明显改善现有的acot控制模式的dc-dc转换器开关频率随输入电压及负载发生一定变化的问题。开关频率稳定，emi集中，便于处理。

(2)在使用外同步功能时，本发明使转换器本征开关频率具有自适应性，自动跟踪外部脉冲频率，可加快锁相环捕捉速度；本发明具有稳定的、宽广的可锁定外部脉冲频率范围，应用范围广，适用性强。

(3)本发明设计新颖，可降低部分电路的设计难度；本发明可输出频率等于转换器开关频率的脉冲信号clk_out，便于多个转换器并联工作，提高带载能力。

附图说明

图1为现有技术中acot控制模式dc/dc转换器电路框图；

图2为现有技术定时器on_timer的电路结构示意图；

图3为根据本发明用于acot控制模式的dc/dc转换器中的导通时间控制电路300及主电路图308。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

图3为根据本发明的一种用于acot控制模式的dc-dc转换器中的导通时间控制电路300及主电路图308。如图所示，主电路308包括功率转换电路301，负载电路302，反馈电路303，误差放大电路304，基准电路305，谷值电流采样电路306，电流比较器307组成。其中功率转换电路301包括上功率管m1、下功率管m2、电感l；负载电路302包括并联的电阻r和电容c；反馈电路303包括串联的电阻rf1和电阻rf2。上功率管m1的漏极接转换器的输入电压vin，其源极连接至下功率管m2的漏极和电感l的一端；电感l的另一端连接电阻r和电容c的一端；电阻r和电容c的另一端和下功率管m2的源极连接至地；上功率管m1和下功率管m2的栅极连接导通时间控制电路300的两个输出端；反馈电路303中电阻rf1的一端连接转换器的输出电压vout，另一端串联电阻rf2，并连接至误差放大电路304的负相输入端，电阻rf2的另一端连接至地；误差放大电路304的正相输入端连接基准电路305的输出vref；误差放大电路304的输出端连接至电流比较器307的正相输入端，做为谷值电流限；电流比较器307的负相输入端连接谷值电流采样电路306的输出端；谷值电流采样电路306的输入端连接功率转换电路301的sw端，在上功率管关断时采样谷值电流；电流比较器307的输出端连接至导通时间控制电路300的一输入端。

本发明用于acot控制模式的dc-dc转换器中的导通时间控制电路包括第一锁相环模块10、第二锁相环模块20、跨导线性环模块30、开关模式控制模块40。第一锁相环模块10包括第一开关k1、第二开关k2、第一鉴频鉴相器pfd、第一线性电压转电流电路v-i、电流加/减法器d1、定时器on_timer、逻辑与驱动电路logicanddriver；其中第一开关k1的第一端做为第一锁相环模块10的第一输入端，连接至外部脉冲信号输入端pllin；第一开关的第二端连接第一鉴频鉴相器pfd的第一输入端；第二开关k2的第一端做为第一锁相环模块10的第二输入端，连接至第二锁相环模块20的第一输出端；第二开关k2的第二端连接第一鉴频鉴相器pfd的第二输入端；第一鉴频鉴相器pfd第三输入端做为第一锁相环模块10的第三输入端，连接至dc/dc转换器主电路308中的功率转换电路301的sw端，第一鉴频鉴相器pfd比较转换器自身开关频率和外部脉冲频率或自身振荡器输出脉冲频率的频率/相位差，生成电压vpfd1；第一鉴频鉴相器pfd的输出端连接第一线性电压转电流电路v-i的输入端，生成电流ipll1＝kp*(vpfd1-vref0)，其中vref0为第一线性电压转电流电路v-i中心工作点；第一线性电压转电流电路v-i的输出端连接至所述电流加/减法器d1第一输入端；电流加/减法器d1第二输入端做为第一锁相环模块10的第四输入端，连接至跨导线性环模块30的输出端；电流加/减法器d1输出端连接定时器on_timer的第一输入端，其电流为ion＝ipll1+io做为定时器on_timer的充电电流；定时器on_timer的第二输入端做为第一锁相环模块10的第五输入端，连接至转换器输出电压vout，做为定时器on_timer的比较阈值，定时器on_timer生成与ion和vout相关的导通时间ton；定时器on_timer的输出端连接逻辑与驱动模块logicanddriver的输入端；逻辑与驱动模块logicanddriver输出端连接dc/dc转换器主电路308门级驱动端；定时器on_timer和逻辑与驱动模块logicanddriver调节功率转换电路中上功率管的导通时间。

第二锁相环模块20包括第三开关k3、第四开关k4、第二鉴频鉴相器pfd、第二线性电压转电流电路v-i、第五开关k5、第二电流加/减法器d2、振荡器osc、频率调节电路rt；其中所述第三开关k3的第一端做为第二锁相环模块20的第一输入端，连接至外部脉冲信号输入端pllin；第三开关k3的第二端连接第二鉴频鉴相器pfd的第一输入端；第四开关k4的第一端做为第二锁相环模块20的第二输入端，连接至第一锁相环模块10的第二输出端与第二锁相环模块20的第一输出端；第四开关k4的第二端连接第二鉴频鉴相器pfd的第二输入端，第二鉴频鉴相器pfd比较所述器osc震荡频率和外部脉冲频率的频率/相位差，生成电压vpfd2；第二鉴频鉴相器pfd的输出端连接第二线性电压转电流电路v-i的输入端，生成电流ipll2＝kp*(vpfd2-vref0)，其中vref0为第二线性电压转电流电路v-i中心工作点；第二线性电压转电流电路v-i的输出端连接至第二电流加/减法器d2第一输入端；第二电流加/减法器d2的第二输入端连接所述频率调节电路rt的输出端；频率调节电路rt的输入端外接调频电阻rt；第二电流加/减法器d2的输出端输出电流i2，做为第二锁相环模块20的第二输出端，连接至跨导线性环模块30的第二输入端，同时连接至所述振荡器osc的输入端；振荡器osc产生频率为fosc＝k0*i2的脉冲信号，其中k0为常数，连接至第一锁相环模块10的第二输入端和第二锁相环模块20的第二输入端。

跨导线性环模块30包括第三线性电压转电流电路v-i、基准电流产生电路iref、跨导线性环电路translinearloop；其中第三线性电压转电流电路v-i输入端做为所述跨导线性环模块30的第一输入端，连接转换器输入电压vin，产生电流ii＝ki*vin，其中ki为常数；第三线性电压转电流电路v-i输出端连接所述跨导线性环电路translinearloop的第一输入端；基准电流产生电路iref产生基准电流i0，连接至跨导线性环电路translinearloop的第三输入端；跨导线性环电路translinearloop的第二输入端做为跨导线性环模块30的第二输入端，连接至第二锁相环模块20的第二输出端，跨导线性环电路translinearloop利用跨导线性环原理，产生i0*ion1＝ii*i2的作用，其中ion1为其输出电流；跨导线性环电路translinearloop的输出端做为所述跨导线性环模块30的输出端连接至第一锁相环模块10的第四输入端。

开关模式控制模块40包括模式控制电路mode；其中模式控制电路mode的输入端连接外部脉冲信号输入端pllin；其输出端连接第一锁相环模块10、第二锁相环模块20中的各开关控制端，控制其在不同工作模式下的通断。

本发明用于acot控制模式的dc-dc转换器的工作过程为：反馈电路303采样输出电压vout，与基准电路305参考电压vref通过误差放大电路304放大后确定谷值电流限，当谷值电流采样电路306触发所述电流限，toff信号由低变高，通过导通时间控制电路中300中第一锁相环模块10中的逻辑和驱动电路logicanddriver关断所述功率转换电路301中的下功率管m2，开启上功率管m1，同时触发导通时间控制电路中300中第一锁相环模块10中的计时器on_timer开始计时，计时器on_timer计时时长为ton。当其计时结束，ton信号由高变低，则通过导通时间控制电路中300中第一锁相环模块10中的逻辑和驱动电路logicanddriver关断功率转换电路301中的上功率管m1，开启下功率管m2，同时计时电路on_timer的计时信号复位，直到谷值电流采样电路306再次触发所述电流限，开启下一周期。逐步调节输出电压vout达到预定值，电路进入稳定状态。

导通时间控制电路中300在不同的工作状态下有不同的计时控制方式：

在输入端pllin悬空或者接地，即不启用外同步功能时，开关模式控制模块40控制开关k1、k3、k4、k5关断，开关k2导通；第二锁相环模块20只有振荡器相关电路工作，不再具有锁相功能，频率调节电路rt外接调频电阻rt，产生输出电流i1＝k1*rt，其中k1为常数，此时振荡器osc输入电流i2＝i1，其产生输出脉冲clk_out频率为fosc＝k0*i2＝k0*k1*rt；跨导线性环模块30实现的功能是i0*ion1＝ii*i2，其中ii＝ki*vin，那么ion1＝ii*i2/i0＝ki*vin*k1*rt/i0；第一锁相环模块10中的鉴频鉴相器pfd比较clk_out的频率fosc和转换器自身开关频率fsw的相位差，生成对应电压vpfd1＝kp*(fosc-fsw)+v0，并转化成电流ipll1＝kp*(vpfd1-vref0)，其中vref0为第一线性电压转电流电路v-i中心工作点，ipll11与ion1经电流加/减法器d1相加，生成定时器on_timer的充电电流ion＝ipll1+ion1，则导通时间ton＝c0*vout/(ion1+ipll1)，又由buck型dc/dc转换器的输入与输出电压关系，可得ton＝tsw*(vout/vin)＝(1/fsw)*(vout/vin)，那么可得dc/dc转换器开关频率为：

做设计时，令k0＝ki/(i0*c0)，那么由式(2)可得：

在换器工作稳定时，第一跨导线性环10调节转换器开关频率等于clk_out的频率，即fsw＝fosc＝k0*k1*rt，即消除了输入、输出电压对开关频率的影响，又消除了转换器内部电路各处延迟随输入输出电压、负载变化而变化而造成其开关频率的变化，其开关频率的偏移仅由振荡器osc造成。相比于传统acot控制模式的dc/dc转换器，其开关频率随输入输出电压及负载等发生变化的问题得到明显改善。另一方面，在转换器工作稳定时，由式(3)可得vpfd1＝vref0，即鉴频鉴相器pfd及电压转电流模块v-i工作在其中心工作点附近，电路性能稳定且最优，锁相环捕捉和锁定速度最快。

在输入端pllin外接脉冲信号clk_in时，即启用外同步功能时，开关模式控制模块40控制开关k1、k3、k4、k5导通，开关k2关断；第二锁相环模块20锁相功能开启，最终锁定外部脉冲信号clk_in，使振荡器osc输出脉冲信号clk_out频率等于clk_in频率的频率，即fosc＝f0，此时i2＝fosc/k0＝fo/k0；对于跨导线性环模块30，其输出ion1＝ii*i2/i0＝ki*vin*(fo/k0)/i0；对于第一锁相环模块10，鉴频鉴相器pfd比较clk_in的频率fo和dc/dc转换器自身开关频率fsw的频率/相位差，生成对应电压vpfd1＝kp*(fo-fsw)+v0，并转化成电流ipll1＝kp*(vpfd1-vref0)，ipll11与ion1经电流加/减法器d1相加，生成定时器on_timer的充电电流ion＝ipll1+ion1，可得导通时间ton＝c0*vout/(ipll1+ion1)，同样由buck型dc/dc转换器的输入与输出电压关系可得dc/dc转换器开关频率为：

前面已令k0＝ki/(i0*c0)，那么由式(4)可得：

即转换器本征开关频率自动跟踪外部脉冲信号clk_out的频率，其具有自适应性，相比于传统acot控制模式的dc/dc转换器，其可锁定外部脉冲频率范围更广泛，且不再随输入电压发生变化。同时鉴频鉴相器pfd及电压转电流模块v-i亦工作在其中心工作点附近，电路性能稳定最优，锁相环捕捉和锁定速度最快。

可以看到，本发明提供的导通时间控制电路300在两种工作状态下，均开关频率稳定，易于锁定，性能良好，应用范围广。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改，变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。