一种基于CMOS工艺的自适应固定导通时间产生电路的制作方法

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种基于cmos工艺的自适应固定导通时间产生电路，主要应用于dc-dc开关变换器领域。

背景技术

在dc-dc开关变换器的四种基本电路中，buck变换器有着输出电压小于输入电压、不隔离直流的特点，又被称为降压式变换器，因此被广泛应用于移动便携设备中，有巨大的应用市场。其中固定导通时间(constantontime，cot)buck变换器由于在轻载下拥有更高的效率以及更好的负载阶跃特性得到了广泛使用，但是由于其导通时间固定，所以也带来了一些缺点，比如频率不固定，负载阶跃特性需进一步提升。因此引入了自适应固定导通时间buck变换器，而其中自适应导通时间产生电路就成为了设计的核心及关键点。

传统的自适应导通时间产生电路是依靠bjt的基极-发射极be结电压的加减关系来实现电流的乘除关系，从而实现导通时间与buck变换器的输出电压成正比，与buck变换器的输入电压成反比的关系。然而由于使用了bjt器件，传统的自适应导通时间产生电路无法应用于某些特殊应用环境或某些特殊工艺。

技术实现要素：

针对上述传统自适应导通时间产生电路由于使用bjt器件导致无法应用在某些特殊应用环境的问题，本发明提出一种自适应导通时间产生电路，利用运放钳位的方法采集其应用电路的输入电压，使得本发明产生的导通时间ton与其应用电路的输出电压成正比，与其应用电路的输入电压成反比，由于本发明可以使用纯cmos工艺，能够使用在某些特殊环境下。

本发明的技术方案为：

一种基于cmos工艺的自适应固定导通时间产生电路，包括输入电压采集单元、充电计时单元和比较器，所述输入电压采集单元的输入端作为所述自适应固定导通时间产生电路的第一输入端，其输出端输出充电电流iin连接所述充电计时单元的输入端；所述充电计时单元的控制端连接控制信号con，其输出端输出由所述控制信号con控制并根据所述充电电流iin产生的充电电压vcap；所述比较器的正相输入端连接所述充电电压vcap，其反相输入端作为所述自适应固定导通时间产生电路的第二输入端，其输出端作为所述自适应固定导通时间产生电路的输出端；

所述输入电压采集单元包括运算放大器、第一电阻r1、第一电容c1、第五nmos管n5、第六pmos管p6和第七pmos管p7，

运算放大器的第一输入端作为所述输入电压采集单元的输入端，其第二输入端连接第五nmos管n5的源极并通过第一电阻r1后接地gnd，其输出端连接第五nmos管n5的栅极并通过第一电容c1后接地gnd；

第七pmos管p7的栅极连接第六pmos管p6的栅极和漏极以及第五nmos管n5的漏极，其源极连接第六pmos管p6的源极并连接电源电压vdd，其漏极输出所述充电电流iin。

具体的，所述输入电压采集单元中的运算放大器包括第一nmos管n1、第二nmos管n2、第三nmos管n3、第四nmos管n4、第一pmos管p1、第二pmos管p2、第三pmos管p3、第四pmos管p4和第五pmos管p5，

第五pmos管p5的栅极作为所述运算放大器的第一输入端，其源极连接第四pmos管p4的源极和第二pmos管p2的漏极，其漏极连接第三nmos管n3的栅极和漏极以及第四nmos管n4的栅极；

第四pmos管p4的栅极作为所述运算放大器的第二输入端，其漏极连接第一nmos管n1的栅极以及第二nmos管n2的栅极和漏极；

第二pmos管p2的栅极连接偏置电压vb1，其源极连接第一pmos管p1和第三pmos管p3的源极并连接电源电压vdd；

第三pmos管p3的栅极连接第一pmos管p1的栅极和漏极以及第一nmos管n1的漏极，其漏极连接第四nmos管n4的漏极并作为所述运算放大器的输出端；

第一nmos管n1、第二nmos管n2、第三nmos管n3和第四nmos管n4的源极接地gnd。

具体的，所述充电计时单元包括第二电容c2、第六nmos管n6、第八pmos管p8和第一反相器inv1，

第八pmos管p8的源极作为所述充电计时单元的输入端，其栅极连接第六nmos管n6的栅极和第一反相器inv1的输出端，其漏极连接第六nmos管n6的漏极并作为所述充电计时单元的输出端；第二电容c2接在所述充电计时单元的输出端和地gnd之间；第一反相器inv1的输入端作为所述充电计时单元的控制端；第六nmos管n6的源极接地。

具体的，所述自适应固定导通时间产生电路用于dc-dc开关变换器时，所述dc-dc开关变换器的输入电压连接所述自适应固定导通时间产生电路的第一输入端，所述dc-dc开关变换器的输出电压连接所述自适应固定导通时间产生电路的第二输入端。

本发明的工作过程为：

输入电压采集单元通过其中的运算放大器调控第五nmos管n5，从而对第一电阻r1上的电压进行钳位，得到一个正比于自适应固定导通时间产生电路的第一输入端的信号的充电电流iin；充电计时单元在控制信号con的控制下，利用输入电压采集单元产生的充电电流iin对第二电容c2进行充电，得到充电电压vcap；控制信号con控制充电电压vcap在每个周期到来时清零；比较器将充电计时单元产生的充电电压vcap与自适应固定导通时间产生电路的第二输入端的信号进行比较，当充电电压vcap上升到自适应固定导通时间产生电路的第二输入端的信号的电压值时，比较器的输出信号即产生的导通时间ton翻转，从而产生一个与自适应固定导通时间产生电路的第二输入端的信号成正比，与自适应固定导通时间产生电路的第一输入端的信号成反比的导通时间ton。

其中当本发明用于dc-dc开关变换器时，输入电压采集单元产生的充电电流iin正比于dc-dc开关变换器的输入电压vin，利用该充电电流iin得到的充电电压vcap与dc-dc开关变换器的输出电压vout进行比较，当充电电压vcap上升到dc-dc开关变换器的输出电压vout时，输出信号ton翻转。

本发明的有益效果为：本发明可以适用于dc-dc开关变换器电路，用于产生能够自适应的随其应用电路的输入电压和输出电压调整的导通时间，加快了其应用电路的瞬态响应并为其应用电路提供一个频率粗调，由于不使用bjt器件使得本发明能够适用于某些特殊环境或工艺。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于cmos工艺的自适应固定导通时间产生电路的整体结构示意图。

图2为本发明的输入电压采集单元的一种电路实现结构示意图。

图3为本发明的充电计时单元的一种电路实现结构示意图。

图4为本发明提出的一种基于cmos工艺的自适应固定导通时间产生电路的工作波形图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细的描述。

如图1所示为本发明提供的一种基于cmos工艺的自适应固定导通时间产生电路结构示意图，包括输入电压采集单元、充电计时单元和比较器，输入电压采集单元的输入端作为自适应固定导通时间产生电路的第一输入端，其输出端输出充电电流iin连接充电计时单元的输入端；充电计时单元的控制端连接控制信号con，其输出端输出由控制信号con控制并根据充电电流iin产生的充电电压vcap；比较器的正向输入端连接充电电压vcap，其负向输入端作为自适应固定导通时间产生电路的第二输入端，其输出端作为自适应固定导通时间产生电路的输出端。

如图2所示，输入电压采集单元包括运算放大器、第一电阻r1、第一电容c1、第五nmos管n5、第六pmos管p6和第七pmos管p7，运算放大器的第一输入端作为输入电压采集单元的输入端，其第二输入端连接第五nmos管n5的源极并通过第一电阻r1后接地gnd，其输出端连接第五nmos管n5的栅极并通过第一电容c1后接地gnd；第七pmos管p7的栅极连接第六pmos管p6的栅极和漏极以及第五nmos管n5的漏极，其源极连接第六pmos管p6的源极并连接电源电压vdd，其漏极输出充电电流iin。

如图2所示还给出了输入电压采集单元中运算放大器的一种电路实现形式，包括第一nmos管n1、第二nmos管n2、第三nmos管n3、第四nmos管n4、第一pmos管p1、第二pmos管p2、第三pmos管p3、第四pmos管p4和第五pmos管p5，第五pmos管p5的栅极作为运算放大器的第一输入端，其源极连接第四pmos管p4的源极和第二pmos管p2的漏极，其漏极连接第三nmos管n3的栅极和漏极以及第四nmos管n4的栅极；第四pmos管p4的栅极作为运算放大器的第二输入端，其漏极连接第一nmos管n1的栅极以及第二nmos管n2的栅极和漏极；第二pmos管p2的栅极连接偏置电压vb1，其源极连接第一pmos管p1和第三pmos管p3的源极并连接电源电压vdd；第三pmos管p3的栅极连接第一pmos管p1的栅极和漏极以及第一nmos管n1的漏极，其漏极连接第四nmos管n4的漏极并作为运算放大器的输出端；第一nmos管n1、第二nmos管n2、第三nmos管n3和第四nmos管n4的源极接地gnd。

如图3所示给出了充电计时单元的一种电路实现形式，包括第二电容c2、第六nmos管n6、第八pmos管p8和第一反相器inv1，第八pmos管p8的源极作为充电计时单元的输入端，其栅极连接第六nmos管n6的栅极和第一反相器inv1的输出端，其漏极连接第六nmos管n6的漏极并作为充电计时单元的输出端；第二电容c2接在充电计时单元的输出端和地gnd之间；第一反相器inv1的输入端作为充电计时单元的控制端；第六nmos管n6的源极接地。

当本发明提出的自适应固定导通时间产生电路用于dc-dc开关变换器时，dc-dc开关变换器的输入电压vin连接自适应固定导通时间产生电路的第一输入端，dc-dc开关变换器的输出电压vout连接自适应固定导通时间产生电路的第二输入端。本实施例的工作过程为：输入电压采集单元通过运算放大器钳位采集dc-dc开关变换器的输入电压vin，利用运算放大器调控第五nmos管n5从而对第一电阻r1上的电压进行钳位，产生正比于dc-dc开关变换器的输入电压vin的充电电流iin。充电计时单元利用充电电流iin对第二电容c2进行充电得到充电电压vcap，dc-dc开关变换器的输入电压vin越大，充电电流iin越大，充电电压vcap上升越快，充电时间越小，于是产生的导通时间ton与dc-dc开关变换器的输入电压vin成反比；利用控制信号con控制充电电压vcap，控制信号con在每个周期到来时控制充电电压vcap清零。比较器将充电电压vcap与dc-dc开关变换器的输出电压vout进行比较，当充电电压vcap上升到dc-dc开关变换器的输出电压vout时，输出信号即产生的导通时间ton翻转，得到图4所示的波形图，由于dc-dc开关变换器的输出电压vout越大，导通时间ton翻转得越晚，于是产生的导通时间ton与dc-dc开关变换器的输出电压vout成正比。

综上所述，相较于传统的自适应导通时间产生电路依靠bjt的be结电压的加减关系来实现电流的乘除关系；本发明利用运放钳位采集其第一输入端的信号得到与其第一输入端的信号成正比的充电电流，利用该充电电流产生的充电电压与其第二输入端的信号做比较，实现产生的导通时间ton与其第一输入端的信号成反比，与其第二输入端的信号成正比，使得本发明产生的导通时间能够根据其第一输入端和第二输入端信号而自适应地调整，加快了其应用电路的瞬态响应并未其应用电路提供一个频率粗调；本发明由于未使用bjt，所以可以应用在某些特殊应用环境或特殊工艺中。

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。