CN104377958A - 一种用于开关电源的瞬态响应增强电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于模拟集成电路技术领域。本发明的电路，包括脉冲计数器、瞬态检测电路、电平跟随辅助电路；所述瞬态检测电路与输出反馈电压和基准电压连接，用于将输出反馈电压和基准电压进行比较，将检测到的上升信号与下降信号输入到脉冲计数器和电平跟随辅助电路；所述脉冲计数器与瞬态检测电路的输出端和开关电源高端功率管驱动信号连接，用于在接收到瞬态检测电路的下降信号时将上升信号屏蔽一定周期；所述电平跟随辅助电路与瞬态检测电路的输出端、反馈电压、开关电源低端功率驱动信号和开关电源纹波补偿信号连接。本发明的有益效果为，能快速建立误差放大器的稳定工作点，增加了控制环路的稳定性。本发明适用于开关电源。

Description

一种用于开关电源的瞬态响应增强电路

技术领域

本发明属于模拟集成电路技术领域，涉及一种用于开关电源的瞬态响应增强电路。

背景技术

在不同种类的电源产品中，响应速度一直是共同的追求目标。对于传统的电压控制模式，由于误差放大器及其补偿网络至少会形成一个极点(或两个极点一个零点)，因此导致环路对于剧烈的瞬态跳变不能及时响应和调整。

基于纹波的COT(Constant On-Time)控制模式的BUCK型DC-DC转换器中，希望提高系统的响应速度，必然离不开电感电流信息采样，且在低ESR(Equivalent Series Resistor)电容的应用下，利用电感电流信息可以保证反馈纹波补偿电路的系统仍然稳定工作。然而系统的瞬态响应速度往往受到控制环路带宽的限制，考虑到系统稳定性的要求，其通常被限制在一定的范围内，制约着系统的整体响应速度。此外为了保证系统工作频率的相对稳定，ACOT(Adaptive Constant On-Time)控制模式目前被广泛使用。

而ACOT控制模式会出现如下两个问题：为保证系统控制环路的稳定性，常采用带有较大输出电容的误差放大器以构建频率补偿所需的零、极点，但这也决定了在负载跳变时误差放大器的输出不能及时调整至纹波补偿电路输出的直流电平，导致瞬态响应变差；另外，ACOT模式中由于导通时间Ton与输出电压Vout成正比关系，重载(轻载)跳轻载(重载)时，Vout突然增大(减小)，导致导通时间增加(减小)而进一步加剧输出电压的上冲(下降)幅度，从而恶化整个系统的瞬态响应速度。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述问题，提供一种瞬态增强技术，采用实时监测输出电压是否超出阈值范围来动态调整误差放大器输出的直流电平并结合相应的环路控制逻辑，动态调节ACOT控制系统的导通时间与关断时间，以增强系统的瞬态响应速度。

本发明的技术方案：一种用于开关电源的瞬态响应增强电路，包括脉冲计数器、瞬态检测电路、电平跟随辅助电路；

所述瞬态检测电路与输出反馈电压和基准电压连接，用于将输出反馈电压和基准电压进行比较，将检测到的上升信号与下降信号输入到脉冲计数器和电平跟随辅助电路；

所述脉冲计数器与瞬态检测电路的输出端和开关电源高端功率管驱动信号连接，用于在接收到瞬态检测电路的下降信号时将上升信号屏蔽一定周期，具体方法为通过对功率管输出脉冲进行计数，根据计数结果通过锁存功能对上升信号进行屏蔽；

所述电平跟随辅助电路与瞬态检测电路的输出端、输出反馈电压、开关电源低端功率驱动信号和开关电源纹波补偿信号连接，用于当检测到下降信号后根据开关电源低端功率管驱动信号将开关电源误差放大器的输出信号抬升至开关电源纹波补偿电路的输出电压；当检测到上升信号时，电压跟随辅助电路将开关电源误差放大器的输出信号下拉至输出反馈电压，保证输出电压回复正常范围后系统不会出现两次连续开启；

所述瞬态检测电路由第一比较器和第二比较器构成；其中，第一比较器的正向输入端接输出反馈电压，其反向输入端接基准电压，其输出端为上升信号；第二比较器的正向输入端接基准电压，其反向输入端接输出反馈电压，其输出端为下降信号；

所述脉冲计数器由第一D触发器、第二D触发器、第三D触发器、第四与非门、第五与非门、第二反相器、第三反相器构成；其中，第四与非门的一个输入端接功率管输出脉冲信号，其另一个输入端接软启动信号，其输出端接第一D触发器的复位输入端；第一D触发器的D输入端接电源VDD，其输出端接第五与非门的一个输入端；第五与非门的另一个输入端接软启动信号，其输出端接第二D触发器的复位输入端；第二D触发器的D输入端接电源VDD，其Q输出端接第三D触发器的复位输入端，其时钟信号端接第二反相器的输出端；第二反相器的输入端接功率管输出脉冲信号；第三D触发器的时钟信号端接开关电源高端功率驱动信号，其输出端接第一D触发器的时钟信号端，其输出经第三反相器输出锁存信号；

所述电平跟随辅助模块由第四反相器、第五反相器、第六与非门、第六反相器、第七反相器、第八反相器、第一运算放大器、第二运算放大器、第一传输门、第二传输门构成；其中，第一运算放大器的正向输入端接开关电源纹波补偿电路的输出端，其反向输入端与输出端互连，其输出端接第一传输门的输入端；第二运算放大器的正向输入端接输出反馈电压，其反向输入端与输出端互连，其输出端接第二传输门的输入端；第四反相器的输入端接第二比较器的输出端，其输出端接第六与非门的一个输入端；第六与非门的另一个输入端接开关电源低端功率驱动信号，其输出端接第五反相器的输入端；第五反相器的输出端接第一传输门PMOS管的栅极，其输出端还接第六反相器的输入端；第六反相器的输出端接第一传输门NMOS管的栅极；第七反相器的输入端接第一比较器的输出端，其输出端接第二传输门NMOS管的栅极，其输出端还接第八反相器的输入端；第七反相器的输出端接第二传输门PMOS管的栅极；第一传输门和第二传输门的输出端连接作为电平跟随辅助模块的输出端。

本发明的有益效果为，能快速建立误差放大器的稳定工作点，且在检测到输出下降以后屏蔽RISE信号，直至系统输出电压自动调整恢复至正常值，可以增强控制电路的瞬态相应特性，增加了控制环路的稳定性。

附图说明

图1为本发明的瞬态响应增强电路应用于典型系统的架构图；

图2为本发明的瞬态响应检测电路示意图；

图3为本发明的脉冲计数器示意图；

图4为本发明的电平跟随辅助电路结构示意图；

图5为负载瞬态变化时各控制信号动作时序图；

图6为轻载跳重载时瞬态相应增强电路的波形图；

图7为重载跳轻载时瞬态相应增强电路的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

针对传统的恒定导通时间的纹波控制BUCK变换器系统，本发明提出了一种瞬态增强响应电路，具体电路架构包括瞬态检测电路模块，脉冲计数器模块，电平跟随辅助电路模块。其中，输出反馈电压和基准参考电压输入瞬态检测电路检测模块；检测到的下降信号输入脉冲计数器，当检测到下降信号后通过脉冲计数器将上升信号屏蔽一定周期数以后释放锁定。检测到的上升和下降信号输入电平跟随辅助电路，控制误差放大器的输出电容的充放电。

如图2所示，所述瞬态检测电路模块包括，第一比较器、第二比较器和脉冲计数器，输出反馈电压VFB经滤波后分别输入具有一定失调量的比较器第一比较器和第二比较器的正向和负向输入端，参考基准电压VREF与第一比较器、第二比较器的另一端相连。其中，第一比较器输出上升信号，经与非门1和反相器1后输入端与非门2；与非门1的另一个输入端为脉冲计数器软启动信号(LSS)；与非门2的另一个输入端为脉冲计数器锁存(LOCK)信号；第二比较器输出下降信号，输入到与非门3，与非门3的另一个输入端为脉冲计数器软启动信号，与非门3的输出端接脉冲计数器计数输入端；LSS输入计数器的RST端。

如图3，脉冲计数器模块包括，D触发器1、D触发器2、D触发器3；电源信号VDD输入触发器1、2的D输入端；功率管输出脉冲信号TRIG与RST信号经过与非门4输入D触发器1的Reset端；同时TRIG经过反向器2输入D触发器2的CL端；D触发器1的输出端信号和RST信号经过与非门5输入触发器2的Reset端；功率管输出脉冲信号TRIG经过反向器2后作为时钟信号输入触发器2；触发器2的输出端Q输入触发器3的Reset端，高端功率管的栅驱动信号HS接输入触发器3的时钟输入。

图4所示，电平跟随辅助电路模块包括，第一运算放大器、第二运算放大器，传输门1、传输门2和反向器4、反向器5、反向器6、反向器7、反向器8及与非门6。斜坡补偿信号VRAMP输入第一运算放大器的正向端，第一运算放大器的输出反馈输入负向端，同时连接传输门1的输入端，FALL信号经过反向器4输入与非门6，下管驱动信号LS输入与非门另一端，与非门输出经一级反向输入传输门1的PMOS栅极，与非门输出经两级反向输入传输门1的NMOS栅极；输出反馈电压VFB输入第二运算放大器的正向端，第二运算放大器的输出反馈输入负向端，同时接入传输门TG2的输入端，RISE信号经一级反向器后输入传输门2的NMOS栅极，经两级反向器后输入传输门2的PMOS栅极；传输门1和传输门2的输出相接，并与误差放大器的输出VC相连。

以下为瞬态增强相应电路的工作原理：如图2所示，通过两个具有一定失调量的比较器第一比较器和第二比较器分别检测电压VFB的上升或者下降。这里的失调电压通过不对称差分放大器设计实现，失调量大于系统稳态工作下的纹波要求，避免影响系统稳态工作。考虑到电压信号的滞后性，当电压下降之后系统不可避免的出现上冲，所以需要在检测到下降信号FALL之后通过脉冲计数器将上升信号RISE屏蔽一定周期数目，以实现屏蔽输出电压过冲时RISE信号的引起的误动作。图3即为实现屏蔽功能的脉冲计数器的具体架构示意图。

如图3所示，检测到电压VFB发生跳变产生的上升与下降信号则用来控制电平跟随辅助电路，决定何时对误差放大器的输出电容进行充放电。考虑到系统实际工作情况，特别针对上升和下降的相应动作略进行了不同的设计。

为改善控制系统中带有较大输出电容的误差放大器造成负载跳变时系统响应速度变慢的问题，进一步提高电路调整速率，当检测到下降信号FALL有效且下管驱动信号LS到来时，误差放大器的输出信号VC被抬迅速升至纹波补偿电路的输出VRAMP，在下降信号有效期间自适应定时器的充电电容也将会被增大，使定时时间拉长，以达到快速遏制电压下降的目的。

当检测到上升信号有效时，则直接关闭驱动信号，将上功率管关闭，一是防止输出电压继续升高，并避免了输出电压升高导致TON时间延长而进一步恶化过冲幅度的可能；与此同时，电压跟随辅助电路将VC下拉至VFB，保证输出电压恢复正常范围后系统不会出现再次连续开启

通过上述瞬态响应辅助动作，系统的瞬态特性可以得到很好的改善效果。

本发明所提出的瞬态响应增强电路，通过Hspice仿真说明，当负载突然增大时，导致VOUT下降，当瞬态响应辅助电路检测到输出下降时FALL变为低电平，同时脉冲计数器开始计数，屏蔽了后面输出电压上冲时RISE1信号的动作，最终保持RISE信号在八个开关周期内不翻转，而之后，系统的输出电压已经自动调整回复至正常值，如图5。具体的，图6表示负载由轻载变为重载时，导通时间暂时被延长，且在下管开启时VC被拉升至VRAMP；图7表示负载由重载跳为轻载时，RISE信号强行关断功率开关管，且在下管开启时VC被拉升至VFB。由此可以看出，在负载突然跳变时，瞬态响应增强电路可以辅助误差放大器快速建立新的补偿纹波参考电平，保证系统输出电压尽快回复正常值并减小由电压过冲带来的误开启。

Claims (1)

1.一种用于开关电源的瞬态响应增强电路，包括脉冲计数器、瞬态检测电路、电平跟随辅助电路；

所述瞬态检测电路与输出反馈电压和基准电压连接，用于将输出反馈电压和基准电压进行比较，将检测到的上升信号与下降信号输入到脉冲计数器和电平跟随辅助电路；

所述脉冲计数器与瞬态检测电路的输出端和开关电源高端功率管驱动信号连接，用于在接收到瞬态检测电路的下降信号时将上升信号屏蔽一定周期，具体方法为通过对功率管输出脉冲进行计数，根据计数结果通过锁存功能对上升信号进行屏蔽；

所述电平跟随辅助电路与瞬态检测电路的输出端、输出反馈电压、开关电源低端功率驱动信号和开关电源纹波补偿信号连接，用于当检测到下降信号后根据开关电源低端功率管驱动信号将开关电源误差放大器的输出信号抬升至开关电源纹波补偿电路的输出电压；当检测到上升信号时，电压跟随辅助电路将开关电源误差放大器的输出信号下拉至输出反馈电压，保证输出电压回复正常范围后系统不会出现两次连续开启；

所述瞬态检测电路由第一比较器和第二比较器构成；其中，第一比较器的正向输入端接输出反馈电压，其反向输入端接基准电压，其输出端为上升信号；第二比较器的正向输入端接基准电压，其反向输入端接输出反馈电压，其输出端为下降信号；

所述脉冲计数器由第一D触发器、第二D触发器、第三D触发器、第四与非门、第五与非门、第二反相器、第三反相器构成；其中，第四与非门的一个输入端接功率管输出脉冲信号，其另一个输入端接软启动信号，其输出端接第一D触发器的复位输入端；第一D触发器的D输入端接电源VDD，其输出端接第五与非门的一个输入端；第五与非门的另一个输入端接软启动信号，其输出端接第二D触发器的复位输入端；第二D触发器的D输入端接电源VDD，其Q输出端接第三D触发器的复位输入端，其时钟信号端接第二反相器的输出端；第二反相器的输入端接功率管输出脉冲信号；第三D触发器的时钟信号端接开关电源高端功率驱动信号，其输出端接第一D触发器的时钟信号端，其输出经第三反相器输出锁存信号；

所述电平跟随辅助模块由第四反相器、第五反相器、第六与非门、第六反相器、第七反相器、第八反相器、第一运算放大器、第二运算放大器、第一传输门、第二传输门构成；其中，第一运算放大器的正向输入端接开关电源纹波补偿电路的输出端，其反向输入端与输出端互连，其输出端接第一传输门的输入端；第二运算放大器的正向输入端接输出反馈电压，其反向输入端与输出端互连，其输出端接第二传输门的输入端；第四反相器的输入端接第二比较器的输出端，其输出端接第六与非门的一个输入端；第六与非门的另一个输入端接开关电源低端功率驱动信号，其输出端接第五反相器的输入端；第五反相器的输出端接第一传输门PMOS管的栅极，其输出端还接第六反相器的输入端；第六反相器的输出端接第一传输门NMOS管的栅极；第七反相器的输入端接第一比较器的输出端，其输出端接第二传输门NMOS管的栅极，其输出端还接第八反相器的输入端；第七反相器的输出端接第二传输门PMOS管的栅极；第一传输门和第二传输门的输出端连接作为电平跟随辅助模块的输出端。