一种适用于Buck变换器的瞬态增强电路的制作方法

本发明属于电子电路技术领域，涉及一种适用于buck变换器的瞬态增强电路。

背景技术：

在buck变换器的应用中，负载经常会从待机状态切换到满载状态。当buck变换器的负载从轻载切换到重载时，因为电感电流不能突变，负载会从输出电容抽取电流，造成了buck变换器输出电压下冲和一定的输出电压恢复时间。当负载从轻载跳变重载的幅度很大时，buck变换器的输出电压的下冲很大、恢复时间很长，这严重影响了buck变换器的瞬态性能，限制了buck变换器在高频大负载切换中的应用。

传统的瞬态增强技术中，通常通过检测到输出电压下冲时拉高误差放大器的输出，增大上管的导通时间来提高响应速度，然而这种调节过程不是连续的，很容易造成电压恢复时的过冲。

技术实现要素：

针对buck变换器轻载跳变重载时由于输出电压下冲过大和恢复时间过长导致的瞬态性能不足的问题，本发明提出了一种适用于buck变换器的瞬态增强电路，根据buck变换器输出电压下冲的幅度对buck变换器上功率管的导通时间做出相应的调整，能够减小或者避免输出电压恢复过程中的过冲，实现瞬态增强。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于buck变换器的瞬态增强电路，包括跨导放大器、电流镜模块和导通时间计时模块，

所述跨导放大器的负向输入端连接所述buck变换器的反馈电压，其正向输入端连接偏置电压，其输出端输出跨导放大器的输出电流；

所述电流镜模块用于将所述跨导放大器的输出电流进行放大；

所述导通时间计时模块用于根据计时电流对电容进行充电得到所述瞬态增强电路的输出电压，所述瞬态增强电路的输出电压用于控制所述buck变换器的上功率管导通时间；

所述计时电流为在一股恒定电流中抽取所述电流镜模块放大后的电流得到的电流。

具体的，所述跨导放大器包括第一nmos管、第一pmos管、第二pmos管、第三pmos管、第一电阻、第二nmos管、第三nmos管、第四nmos管、第四pmos管、第五pmos管、第六pmos管和第二电阻，

第一pmos管的栅极作为所述跨导放大器的正向输入端，其源极连接第一nmos管的栅极和第一偏置电流，其漏极接地；

第一nmos管的漏极连接第二pmos管和第三pmos管的栅极以及第二偏置电流，其源极连接第二pmos管的漏极并通过第一电阻后接地；

第三pmos管的源极连接第二pmos管的源极并连接电源电压，其漏极连接所述跨导放大器的输出端；

第四pmos管的栅极作为所述跨导放大器的负向输入端，其源极连接第二nmos管的栅极和第三偏置电流，其漏极接地；

第二nmos管的漏极连接第五pmos管和第六pmos管的栅极以及第四偏置电流，其源极连接第五pmos管的漏极并通过第二电阻后接地；

第六pmos管的源极连接第五pmos管的源极并连接电源电压，其漏极连接第三nmos管的栅极和漏极以及第四nmos管的栅极；

第四nmos管的漏极连接所述跨导放大器的输出端，其源极连接第五pmos管的源极并接地；

第一pmos管和第四pmos管的尺寸相同，第一nmos管和第二nmos管的尺寸相同，第一电阻和第二电阻的阻值相同，第一偏置电流和第三偏置电流的电流值相同，第二偏置电流和第四偏置电流的电流值相同。

本发明的工作原理为：

对于cot模式和aot模式的buck变换器，当输入输出电压确定后上功率管的导通时间是固定的，这是轻载切换重载时buck变换器输出电压下冲大、恢复时间长的主要原因。本发明通过调整buck变换器上功率管导通时间实现瞬态增强，根据buck变换器输出电压下冲的幅度对buck变换器中上功率管的导通时间做出相应的调整，从而减小或者避免输出电压恢复过程中的过冲。

buck变换器的负载从轻载切换到重载时，输出电压vout下冲，反馈电压vfb随之减小，反馈电压vfb与偏置电压vref比较，当反馈电压vfb低于偏置电压vref时跨导放大器产生输出电流iex，从恒定电流iin中抽取跨导放大器的输出电流iex经过电流镜模块放大后的电流iex，从而使计时电流iton减小，buck变换器中上功率管的导通时间与计时电流iton负相关，计时电流iton减小使导通时间计时模块产生的上功率管导通时间增大，从而减小了buck变换器输出电压vout的下冲幅度和恢复时间。在稳态时，反馈电压vfb高于偏置电压vref，跨导放大器的输出电流iex为零，计时电流iton与恒定电流iin相等。

本发明的有益效果为：本发明提出的瞬态增强电路，在buck变换器的负载从轻载切换重载时，跨导放大器根据buck变换器的输出电压vout的下冲幅度产生输出电流iex，从恒定电流iin中抽取经过放大后的跨导放大器输出电流iex得到计时电流iton，随着buck变换器输出电压vout的下冲，导通时间计时模块的计时电流iton被线性的抽取出一部分，从而在负载从轻载切换重载的过程中增大了buck变换器上功率管的导通时间，使buck变换器输出电压vout的下冲和恢复时间大大减小，提高了buck变换器在大负载切换中的瞬态性能。

附图说明

图1为将本发明提出的一种适用于buck变换器的瞬态增强电路应用于cot模式的buck变换器中的结构示意图。

图2为本发明提出的一种适用于buck变换器的瞬态增强电路中跨导放大器的电路实现结构图。

图3为跨导放大器的输出电流与输入电压的关系图。

图4为本发明提出的一种适用于buck变换器的瞬态增强电路的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细描述本发明的技术方案。

本发明提出的一种适用于buck变换器的瞬态增强电路，可以应用于cot(恒定时间导通)模式或aot(自适应导通时间)模式，下面以将本发明提出的瞬态增强电路应用于cot模式的buck变换器为例进行说明。

如图1所示为将本发明提出的瞬态增强电路应用于cot模式的buck变换器的结构框图，vref为基准电路提供的偏置电压，vfb为buck变换器的输出电压vout经过分压电阻rf1和rf2分压后的反馈电压，iin为基准电路提供的恒定电流，iton为导通时间(on_time)计时模块的计时电流。本发明提出的瞬态增强电路，包括跨导放大器(ota)、电流镜模块和导通时间计时模块，跨导放大器的负向输入端连接buck变换器的反馈电压vfb，其正向输入端连接偏置电压vref，其输出端输出跨导放大器的输出电流iex。电流镜模块用于将跨导放大器的输出电流iex进行放大得到电流iex；放大后的电流iex不能超过稳态时的计时电流即基准电路提供的恒定电流iin。导通时间计时模块用于根据计时电流iton对电容进行充电得到瞬态增强电路的输出电压vton，瞬态增强电路的输出电压vton用于控制buck变换器的上功率管导通时间；瞬态增强电路的输出电压vton输入到buck变换器中的上管导通时间控制模块，本实施例中为cot控制模块，用于将计时模块产生的计时信号转换为栅极信号控制上功率管导通；计时电流iton为在一股恒定电流iin中抽取电流镜模块放大后的电流iex得到的电流。

buck变换器的负载从轻载切换到重载时，buck变换器的输出电压vout下冲，反馈电压vfb下冲，当反馈电压vfb低于偏置电压vref时跨导放大器ota模块输出电流iex，跨导放大器的输出电流iex经过电流镜模块放大后对恒定电流iin进行抽取，即从恒定电流iin中抽取放大后的电流iex，使计时电流iton减小，上管的导通时间与计时电流iton负相关，负载切换过程中计时电流iton减小使导通时间计时模块输出电压vton控制的buck变换器的上管导通时间增加，从而使buck变换器的输出电压vout的下冲幅度和恢复时间减小。随着输出电压vout恢复到正常值，反馈电压vfb慢慢增大最终大于偏置电压vref，此时跨导放大器ota模块会抽取电流iex，但是电流镜模块将反向的电流iex阻断，使iex为零，即稳态时计时电流iton等于恒定电流iin。

图4为本发明提出的瞬态增强电路的波形图。如图4所示，vout1为应用本发明提出的瞬态增强电路的buck变换器在轻载切换重载时的输出波形，vout2为未应用本发明提出的瞬态增强电路的buck变换器在轻载切换重载时的输出波形。在稳态时反馈电压vfb大于偏置电压vref，跨导放大器的输出电流iex为零，计时电流iton恒定为iin；负载从轻载切换到重载时，buck变换器的输出电压开始下冲，当输出电压下冲到一定的幅度时反馈电压vfb等于偏置电压vref，输出电压继续下冲反馈电压vfb小于偏置电压vref，跨导放大器的输出电流iex线性增加，电流iex经过电流镜模块放大后对恒定电流iin进行抽取，导致计时电流iton线性减小，上管的导通时间增加，vout1下冲减弱，恢复时间减小。随着输出电压恢复，反馈电压vfb逐渐增加最终大于偏置电压vref，跨导放大器的输出电流iex逐渐减小最终减小到零。

为了提高跨导放大器输入输出的线性度，本发明提出了一种高线性度的跨导放大器，如图2所示包括第一nmos管mn11、第一pmos管mp11、第二pmos管mp12、第三pmos管mp13、第一电阻r1、第二nmos管mn21、第三nmos管mn22、第四nmos管mn23、第四pmos管mp21、第五pmos管mp22、第六pmos管mp23和第二电阻r2，第一pmos管mp11的栅极作为跨导放大器的正向输入端，其源极连接第一nmos管mn11的栅极和第一偏置电流i1，其漏极接地；第一nmos管mn11的漏极连接第二pmos管mp12和第三pmos管mp13的栅极以及第二偏置电流i2，其源极连接第二pmos管mp12的漏极并通过第一电阻r1后接地；第三pmos管mp13的源极连接第二pmos管mp12的源极并连接电源电压，其漏极连接跨导放大器的输出端；第四pmos管mp21的栅极作为跨导放大器的负向输入端，其源极连接第二nmos管mn21的栅极和第三偏置电流i3，其漏极接地；第二nmos管mn21的漏极连接第五pmos管mp22和第六pmos管mp23的栅极以及第四偏置电流i4，其源极连接第五pmos管mp22的漏极并通过第二电阻r2后接地；第六pmos管mp23的源极连接第五pmos管mp22的源极并连接电源电压，其漏极连接第三nmos管mn22的栅极和漏极以及第四nmos管mn23的栅极；第四nmos管mn23的漏极连接跨导放大器的输出端，其源极连接第五pmos管mp22的源极并接地。

其中第一nmos管mn11和第二pmos管mp12构成超级源随器(superfollower)结构，第二nmos管mn21和第五pmos管mp22构成超级源随器结构，即图2中两个虚线框结构，超级源随器(superfollower)结构使第一nmos管mn11、第二nmos管mn21在源极的输出电阻进一步减小，从而使基准电压vref和反馈电压vfb的电压信息尽可能完全的加在电阻两端，使跨导放大器ota的输出电流和输入电压更接近线性，提高了电路的精度。

如图2所示，偏置电压vref经过第一pmos管mp11抬压，再经过第一nmos管mn11将电压降到第一电阻r1上得到电流，从中减去第二偏置电流i2，得到固定偏置转换成的电流信息，然后经过电流镜第三pmos管mp13的复制得到电流i_1。

其中vgsmp11为第一pmos管mp11的栅源电压，vgsmn11为第一nmos管mn11的栅源电压。

同理可以得到反馈电压vfb转换成的电流信息，即i_2。

vgsmp21为第四pmos管mp21的栅源电压，vgsmn21为第二nmos管mn21的栅源电压。

跨导放大器ota模块的输出电流iex为i_1与i_2的差值，为了减小误差，使得第一pmos管mp11和第四pmos管mp21的尺寸一致，第一nmos管mn11和第二nmos管mn21的尺寸一致，第一电阻r1和第二电阻r2的阻值一致，第一偏置电流i1和第三偏置电流i3的电流值一致，第二偏置电流i2第四偏置电流i4的电流值一致。由于mp11与mp21，mn11与mn21，电阻r1与r2，偏置电流i1与i3,偏置电流i1与i2均一致，所以得到跨导放大器的输出电流iex的值为：

因此跨导放大器的输出电流iex、反馈电压vfb以及偏置电压vref有以下关系：当反馈电压vfb低于偏置电压vref时跨导放大器ota模块输出电流iex，且随着反馈电压vfb的减小iex线性增大。

其中，k为电流镜模块等效的比例系数，即电流镜模块将跨导放大器的输出电流iex放大的倍数。式中r为第一电阻r1和第二电阻r2的阻值。

在本实施例提出的跨导放大器ota中，偏置电压vref、反馈电压vfb都经过p管抬压，然后经过超级源随器superfollower的结构降在电阻上，superfollower结构使第一nmos管mn11、第二nmos管mn21在源极的输出电阻进一步减小，使基准电压vref、反馈电压vfb的电压信息尽可能完全的加在电阻两端，使ota的输出电流和输入电压更接近线性，提高了电路的精度。图3为ota模块输出电流iex与输入电压vref、vfb的关系图。当反馈电压vfb大于偏置电压vref时iex为iout1，当反馈电压vfb小于偏置电压vref时iex线性增加到iout2。

本实施例中以cot控制模式的buck变换器为例，但本发明提出的瞬态增强电路同样适用于aot控制模式的buck变换器，用于根据aot控制模式的buck变换器的反馈电压产生对应的瞬态增强电路输出电压vton控制aot控制模式的buck变换器中的上管开启时间。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。