基于PFM控制的升压系统响应速度变换电路技术方案

本实用新型专利技术涉及基于PFM控制的升压系统响应速度变换电路，所述电路输出端电压的分压作为采样电压与比较器基准电压比较；比较器输出信号与导通时间控制电路的输出信号作用于PFM模块，PFM模块输出信号和电流过零比较器输出信号作用于驱动电路控制功率管或整流管的导通或截止；输出端电压低于预设电压时，功率管导通、整流管截止、电感储能，导通时间控制电路开始计时；到达预设时间后，导通时间控制电路对PFM模块进行复位来控制驱动电路，功率管截止、整流管导通，电感对输出端释放能量。依电流过零比较器输出信号或驱动电路输出驱动信号的占空比大小判断负载为轻载或重载，轻载时降低比较器偏置电流；重载时加大比较器偏置电流。

Response Speed Conversion Circuit of Boost System Based on PFM Control

【技术实现步骤摘要】
基于PFM控制的升压系统响应速度变换电路
本技术涉及电子电路领域，具体涉及一种基于PFM控制的升压系统响应速度变换电路。
技术介绍
随着片上系统数字处理单元的集成度不断提高，如将DSP，ARM整合到同一个芯片内，其对电源系统的带负载能力和效率的要求越来越高。在开发电池供电的便携式电子设备时，诸如手机，MP4，EBOOK，GPS等低功耗产品，如果电源系统设计不合理，则会影响到整个系统的架构，产品功能组合，软件的设计和功率分配架构等。便携式产品在大多数情况下是靠电池供电，电池后端的电源管理有DC/DC和LDO两种实现方式，各有优缺点。正常工作时，DC/DC模块能提供给系统稳定的电压，并且保持自身转换的高效率，低发热。LDO有着极低的静态电流，极低的噪声，较高的PSRR(电源纹波抑制比)。随着对电源的转换效率、输出电压纹波、带载响应速度、体积等要求越来越高，低功耗、高速度的DC/DC的研究成为人们关注的热点。为了保证电子设备高效、可靠的工作，需要其供电电源具有低待机功耗、高轻载效率和快速的负载瞬态响应速度，同时体积要小。传统脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，PWM)开关变换器控制技术，如电压型控制和电流型控制，无法满足该要求。PFM(PulseFrequencyModulation，PFM)控制技术是一种脉冲频率调制控制技术。它使开关变换器的功率开关管在一个有效的时间间隙内导通，通过控制关断时间实现控制信号占空比的调节，以维持输出电压的稳定。与传统PWM控制技术相比，基于PFM控制的变换器具有轻载效率高、瞬态响应速度快、控制环路简单等优点，在工业界和学术界得到了广泛的关注和研究。但是受低待机功耗要求的限制，系统的开关频率一直提高不上去，一直维持在100kHz～200kHz左右，如果系统工作在这个频率上，对于一些需要低电压纹波的系统来说就需要加大电感感量和输出电容的容值，从而导致系统成本的增加。但是在一些紧凑型、高性能的电子产品中，需要供电电源的体积小、纹波小、瞬态响应速度快，且对整体系统集成度有严格的限制，这样就需要选用体积小的贴片式陶瓷电容和体积小的贴片式电感。然而传统的解决方法都是维持低待机电流的情况下使用大电感和大电容来维持低的输出纹波，这样系统的整体成本会增加而且体积也较大，从而降低市场的竞争力。图1所示为一种基于PFM控制的升压变换器系统框图，其工作原理：输出电压VOUT经过反馈电阻R1和R2分压后得到采样电压FB，采样电压FB与基准电压VREF进行比较，比较器的输出和导通时间控制电路的输出信号送达PFM，改变PFM的输出频率，后经过驱动电路driver分别控制开关管M2及同步整流管M1的导通与关断，以改变占空比，从而使得PFM升压转换器的输出VOUT达到稳压的效果。电流过零比较器检测同步整流管M1的电流是否过零，如果过零则关断同步整流管M1，防止输出VOUT通过电感对输入VIN放电。由于PFM控制的升压系统在待机或轻载下需要极低的静态电流，所以比较器和过零检测比较器的偏置电流设计的很小，从而造成这两个比较器的响应速度很慢，限制了系统的工作频率，从而需要较大的电感和较大的输出电容。传统技术的缺点在于：使用大电感大电容来实现低纹波、低待机电流、强带载能力，这样就导致了系统成本的增加，而且系统的体积大也限制了紧凑型场合中的应用，从而降低市场的竞争力。
技术实现思路
本技术的目的在于解决现有技术不足，提供一种利用电流过零比较器的输出来判断负载的轻重，即可以根据电流过零比较器的输出来改变比较器的偏置电流大小，从而有效的提高基于PFM控制的升压变换器的响应速度而又能保持空载或轻载情况下的高效率，电路简单，可大幅度降低整个系统成本，有效地提高系统的工作频率而又能保持轻载时高效率基于PFM控制的升压系统响应速度变换电路。本技术的另一目的是提供一种有效提高系统的工作频率而又保持轻载时的低静态电流，使用小电感和小输出电容依然可以保持低的输出电压的纹波，通过内部电流过零比较器的输出信号区别负载是轻载还是重载，从而改变比较器的偏置电流，让整个系统可以在重载时的工作频率高达1MHz甚至更高，而轻载情况下又可以保证低的静态电流和高的效率，系统工作频率的提高使得可使用小的电感和小的输出电容，依然可以保持小的输出电压纹波并基于PFM控制的升压系统响应速度变换电路。本技术的技术解决方案是所述基于PFM控制的升压系统响应速度变换电路，其特殊之处在于，所述电路包括：电压输入端、电感、电流过零比较器、整流管、功率管、驱动电路、PFM模块、比较器、分压电阻、输出电容、导通时间控制电路，所述电路的输出端电压的分压作为采样电压作用于比较器，与比较器的基准电压作比较；比较器的输出信号与导通时间控制电路的输出信号共同作用于PFM模块改变PFM的输出频率，PFM的输出信号和电流过零比较器的输出信号共同作用于驱动电路来控制功率管或整流管的导通或截止；当输出端电压低于预设电压时，功率管导通,整流管截止,电感储能，导通时间控制电路开始计时；到达预设时间后，导通时间控制电路对PFM模块进行复位，进而控制驱动电路，使功率管截止、整流管导通、电感对电路的输出端释放能量，此时，根据电流过零比较器的输出信号或驱动电路的输出驱动信号来判断负载为轻载或重载，当为轻载时，电流过零比较器检测到电感电流过零或驱动电路的输出驱动信号的占空比很低，从而降低比较器的偏置电流；当为重载时，电流过零比较器没有检测到电感电流过零或驱动电路的输出驱动信号加大比较器的偏置电流。作为优选：所述电路包括：电压输入端VIN、电感L、电流过零比较器、整流管M1、功率管M2、驱动电路driver、PFM模块、比较器、分压电阻R1、R2、输出电容COUT、导通时间控制电路，还包括输出电容内阻RESR，所述整流管M1为PMOS管、功率管M2为NMOS管；所述电压输入端VIN依次通过电感L、整流管M1的源极和漏极、输出电容内阻RESR、输出电容COUT后接地，所述电压输入端VIN依次通过电感L、功率管M2后接地，所述功率管M2的漏极与电感L的一端连接、源极接地、栅极与驱动电路driver的第一输出端连接，所述整流管M1的栅极与驱动电路driver的第二输出端连接，所述电流过零比较器的反相输入端与整流管M1的源极、功率管M2及电感L的公共端连接、正相输入端与整流管M1的漏极、输出电容内阻RESR的公共端连接，输出端同时与驱动电路driver的第一输入端和比较器的偏置电流设置端连接，分压电阻R1的一端与整流管M1的漏极、输出电容内阻RESR的公共端连接，另一端通过分压电阻R2接地，比较器的反相输入端连接于分压电阻R1、R2的公共端，正相输入端接参考电压VREF、比较器的输出端连接PFM模块的第一输入端，PFM模块的第二输入端连接导通时间控制电路的输出端、PFM模块的输出端连接驱动电路driver的第二输入端；所述输出端电压VOUT为整流管M1漏极与输出电容内阻RESR公共端的电压；输出端电压VOUT的分压作为采样电压FB作用于比较器，采样电压FB与比较器的基准电压VREF作比较；比较器得到的输出信号VEA与导通时间控制电路的输出信号共同作用于PFM模块以改本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于PFM控制的升压系统响应速度变换电路，其特征在于，所述电路包括：电压输入端VIN、电感L、电流过零比较器、整流管M1、功率管M2、驱动电路driver、PFM模块、比较器、分压电阻R1、R2、输出电容COUT、导通时间控制电路，所述电路的输出端电压的分压作为采样电压作用于比较器，与比较器的基准电压作比较；比较器的输出信号与导通时间控制电路的输出信号共同作用于PFM模块改变PFM的输出频率，PFM的输出信号和电流过零比较器的输出信号共同作用于驱动电路来控制功率管或整流管的导通或截止；当输出端电压低于预设电压时，功率管导通,整流管截止,电感储能，导通时间控制电路开始计时；到达预设时间后，导通时间控制电路对PFM模块进行复位，进而控制驱动电路，使功率管截止、整流管导通、电感对电路的输出端释放能量，此时，依据电流过零比较器的输出信号或驱动电路的输出驱动信号来判断负载为轻载或重载，当为轻载时，电流过零比较器检测到电感电流过零或驱动电路的输出驱动信号的占空比很低，从而降低比较器的偏置电流；当为重载时，电流过零比较器没有检测到电感电流过零或驱动电路的输出驱动信号的占空比较大，从而加大比较器的偏置电流。...

【技术特征摘要】
1.一种基于PFM控制的升压系统响应速度变换电路，其特征在于，所述电路包括：电压输入端VIN、电感L、电流过零比较器、整流管M1、功率管M2、驱动电路driver、PFM模块、比较器、分压电阻R1、R2、输出电容COUT、导通时间控制电路，所述电路的输出端电压的分压作为采样电压作用于比较器，与比较器的基准电压作比较；比较器的输出信号与导通时间控制电路的输出信号共同作用于PFM模块改变PFM的输出频率，PFM的输出信号和电流过零比较器的输出信号共同作用于驱动电路来控制功率管或整流管的导通或截止；当输出端电压低于预设电压时，功率管导通,整流管截止,电感储能，导通时间控制电路开始计时；到达预设时间后，导通时间控制电路对PFM模块进行复位，进而控制驱动电路，使功率管截止、整流管导通、电感对电路的输出端释放能量，此时，依据电流过零比较器的输出信号或驱动电路的输出驱动信号来判断负载为轻载或重载，当为轻载时，电流过零比较器检测到电感电流过零或驱动电路的输出驱动信号的占空比很低，从而降低比较器的偏置电流；当为重载时，电流过零比较器没有检测到电感电流过零或驱动电路的输出驱动信号的占空比较大，从而加大比较器的偏置电流。2.根据权利要求1所述基于PFM控制的升压系统响应速度变换电路，其特征在于，所述电路还包括输出电容内阻RESR，所述整流管M1为PMOS管、功率管M2为NMOS管；所述电压输入端VIN依次通过电感L、整流管M1的源极和漏极、输出电容内阻RESR、输出电容COUT后接地，所述电压输入端VIN依次通过电感L、功率管M2后接地，所述功率管M2的漏极与电感L的一端连接、源极接地、栅极与驱动电路driver的第一输出端连接，所述整流管M1的栅极与驱动电路driver的第二输出端连接，所述电流过零比较器的反相输入端与整流管M1的源极、功率管M2及电感L的公共端连接、正相输入端与整流管M1的漏极、输出电容内阻RESR的公共端连接，输出端同时与驱动电路driver的第一输入端和比较器的偏置电流设置端连接，分压电阻R1的一端与整流管M1的漏极、输出电容内阻RESR的公共端连接，另一端通过分压电阻R2接地，比较器的反相输入端连接于分压电阻R1、R2的公共端，正相输入端接参考电压VREF、比较器的输出端连接PFM模块的第一输入端，PFM模块的第二输入端连接导通时间控制电路的输出端、PFM模块的输出端连接驱动电路driver的第二输入端；所述输出端电压VOUT为整流管M1漏极与输出电容内阻RESR公共端的电压；输出端电压VOUT的分压作为采样电压FB作用于比较器，采样电压FB与比较器的基准电压VREF作比较；比较器得到的输出信号VEA与导通时间控制电路的输出信号共同作用于PFM模块以改变PFM模块的输出频率；PFM的输出信号和电流过零比较器的输出信号VZERO共同作用于驱动电路来控制功率管M2或整流管M1的导通或截止；当输出端电压VOUT低于预设电压时，采样电压FB低于基准电压VREF，比较器的输出信号VEA、PFM模块的输出信号、驱动电路的输出信号VP、VN均为高电平，功率管M2导通、整流管M1截止、电感L储能，导通时间控制电路开始计时；到达预设时间后，导通时间控制电路对PFM模块进行复位使其输出信号为低电平，进而使驱动电路的输出信号VN、VP为低电平，功率管M2截止、整流管M1导通，电感L对电路的输出端释放能量，同时，电流过零比较器检测电感电流是否过零判断负载为重载或轻载；如果电感电流过零，则电流过零比较器的输出信号VZERO为高电平，负载为轻载状态，此时，电流过零比较器的输出信号VZERO降低比较器的偏置电流，使电路的静态损耗降低；如果电感电流没有过零，则电流过零比较器的输出信号VZERO为低电平，负载为重载状态，此时，电流过零比较器的输出信号VZERO加大比较器的偏置电流，使比较器速度提高，电路工作频率提高。3.根据权利要求2所述基于PFM控制的升压系统响应速度变换电路，其特征在于，所述比较器的内部电路包括：或非门D1、D2、反相器E1、PMOS管P1、P2、P3、P4、P5、P6、NMOS管N1、N2、N3、N4、N5、偏置电压VBP，所述电流过零比较器的输出信号VZERO接或非门D1的第一输入端、或非门D2的输出端连接或非门D1的第二输入端，或非门D1的输出端连接或非门D2的第一输入端，比较器的输出信号VEA连接或非门D2的第二输入端，或非门D1的输出端连接反相器E1的输入端、反相器E1的输出端连接PMOS管P2的栅极，PMOS管P2的源极与PMOS管P1的漏极连接、PMOS管P2的漏极同时与PMOS管P3的漏极和NMOS管N1的漏极连接，PMOS管P1的源极与电源电压连接、PMOS管P1的栅极与偏置电压VBP连接，PMOS管P3的源极与电源电压连接，PMOS管P3的栅极与偏置电压VBP连接，NMOS管N1的漏极与栅极导线连接，NMOS管N1的源极接地，PMOS管P4的源极与电源电压连接，PMOS管P4的栅极与PMOS管P5的栅极连接，PMOS管P4的漏极与NMOS管N2的漏极连接，PMOS管P4的栅极与漏极导线连接，NMOS管N2的栅极接采样电压FB，NMOS管N2的源极与NMOS管N3的漏极和NMOS管N4的源极连接，NMOS管N3的栅极与NMOS管N1的栅极和NMOS管N5的栅极连接，NMOS管N3的源极接地，PMOS管P5的源极与电源电压连接，PMOS管P5...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴玉强，黄朝刚，
申请(专利权)人：泉芯电子技术深圳有限公司，
类型：新型
国别省市：广东,44