[发明专利]多环路补偿Buck控制器电路

说明书

本发明涉及一种多环路补偿buck控制器电路，包括反馈电压检测电路、第一电流检测电路、第二电流检测电路、综合补偿电路、输入高压检测电路、补偿比较器电路、控制逻辑电路、高侧输出驱动电路和低侧输出驱动电路。开关电源输出经分压后的反馈电压FB改为同时由反馈电压检测电路控制、第二电流检测电路和综合补偿电路等3个环路同时处理；开关电源输出电流信号CSP由第一电流检测电路和第二电流检测电路同时处理，提供输出电流检测功能；增加了由输入高压信号VIN控制的输入高压检测电路提供一个前馈控制环路；采用了多环路控制逻辑，保持Buck控制器的稳定性，对各环路的工作模式和状态进行精确控制。本发明可广泛应用于各类Buck控制开关电源系统中。

技术领域

本发明涉及一种用于DC-DC开关电源系统的buck控制器电路，属于集成电路技术领域。

背景技术

电源管理芯片主要分为线性稳压器和开关电源转换器。开关电源使用开关双极型晶体管或场效应管将输入电压斩波成方波，方波由占空比调节，并通过低通输出滤波器得到直流输出电压。相比于线性稳压器，开关电源转换器具有转换效率高，体积小等优点。所以开关电源在现今电源管理市场占据着主要的地位。

随着便携式电子设备对其供电电源的要求不断提高，开关电源市场正在围绕着低功耗、高精度、小体积等性能展开激烈地角逐，对应的电源管理芯片的性能要求愈加严格。电源管理芯片的种类非常多，从应用上来看应用最广的为AC-DC变换器及DC-DC变换器。Buck变换器属于DC-DC变换器一类，它的输出电压小于输入电压，具有较高的转换效率，因此成为了当下应用最广的电源控制器之一。在整机电源模块朝着小型化、轻型化、便携式发展的过程中，续航能力成为了人们最关注的技术指标之一。为了推出更有竞争力的开关变换器产品，Buck变换器需要具备更高的转换效率、更小的噪声和输出纹波和更快的瞬态响应特性，其终极目标是使用更小的面积做出更高功率和效率的电源转换器。

脉冲宽度调制(PWM)控制模式是Buck变换器的一种最成熟控制模式，它具有结构简单，输出电压稳态误差小等优势。总的来说脉冲宽度调制模式是通过保持Buck变换器的开关频率不变，调整功率开关管的导通时间来调整系统占空比，从而改变输出电压。典型基于buck控制器的开关电源系统框图如图1所示，通过控制每个周期的开关时间实现电能转换的功率电路，它包含功率开关管Q1，续流电感L1，续流管Q2和输出电容COUT。Buck控制器00连接着输入高压信号VIN、开关电源输出电流信号CSP/CSN(电阻R2的两端)、反馈电压FB、高压电源BST和浮动地SW。由Buck控制器00生成的PWM信号(HG/LG)控制开关管Q1和Q2的闭合与断开，电感L1和输出电容COUT组成一个二阶滤波网络，将左侧斩波电路生成的幅值为VIN的方波信号进行滤波，从而生成直流电压VOUT。这样，通过控制开关管Q1闭合的时间，就能控制Buck变换器的占空比，就能控制输出电压的大小。

Buck控制器通过改变占空比来调整输入到输出的能量转换，从而来生成稳定的输出电压。如果要通过占空比实时调整输出电压，则必须引入负反馈来实现闭环控制。如图2即为现有的典型PWM调制控制模式的结构图，一方面，开关电源输出电压经分压后的反馈电压FB输入到误差放大器EA与基准电压V_REF共同产生参考电压；另一方面通过将该参考电压与采样的开关电源输出电流信号CSP/CSN进行比较从而确定功率开关管导通或断开的时间点，并且可以加入外置控制电路控制开关频率。这样的结构与最传统的电压PWM控制模式相比要复杂不少，但是引入了电流信号，提升了瞬态响应速度。

上述控制模式中，通过让采样电流的峰值与参考电压碰撞来产生上管关断信号时存在次谐波震荡的风险，这种现象发生在系统占空比大于百分之五十的情况下。当系统占空比大于百分之五十的时候，上一个周期产生的微小误差将会累计到下个周期，这样经过每个周期的积累与放大，最终会造成次谐波震荡，严重影响系统稳定性，因此需要通过斜坡补偿来消除这种风险。为保证Buck控制器的稳定性，同时兼顾效率和响应速度，本发明提供了一种多环路补偿Buck控制器电路。

发明内容