一种适用于cot电压变换器的百分百占空比产生电路
阅读说明：本技术 一种适用于cot电压变换器的百分百占空比产生电路 (Hundred percent duty cycle generating circuit suitable for COT voltage converter ) 是由 李俨 许正杰 聂建波 王阿明 于 2021-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适用于COT电压变换器的百分百占空比产生电路,包括锯齿波产生电路、误差放大器EA、自适应导通时间控制电路、脉宽调制比较器CMP、D触发器、逻辑驱动单元、P型场效应晶体管PMOS、N型场效应晶体管NMOS、电感L、负载电容CL和负载电阻RL；本发明解决最大占空比到100%占空比中间断续的问题,使占空比到100%都连续；消除了最大占空比到100%占空比模式切换这个动作,使得在输入电压与输出电压逐渐接近的过程中,占空比能够平稳的过渡到100%；不需要额外的判断电路,实现了占空比到100%连续平滑转换,减小了切换过程中输出电压的纹波,并且电路设计简单。(The invention discloses a hundred-percent duty ratio generating circuit suitable for a COT voltage converter, which comprises a sawtooth wave generating circuit, an error amplifier EA, a self-adaptive on-time control circuit, a pulse width modulation comparator CMP, a D trigger, a logic driving unit, a P-type field effect transistor PMOS, an N-type field effect transistor NMOS, an inductor L, a load capacitor CL and a load resistor RL, wherein the sawtooth wave generating circuit is connected with the error amplifier EA through the logic driving unit; the invention solves the problem of intermittent duty ratio from the maximum duty ratio to 100 percent, and leads the duty ratio to be continuous from 100 percent; the action of switching from the maximum duty ratio to the 100% duty ratio mode is eliminated, so that the duty ratio can be smoothly transited to 100% in the process that the input voltage and the output voltage are gradually close to each other; the method has the advantages that an additional judgment circuit is not needed, the continuous and smooth conversion from the duty ratio to 100% is realized, the ripple of the output voltage in the switching process is reduced, and the circuit design is simple.)
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体为一种适用于COT电压变换器的百分百占空比产生电路。
背景技术
COT架构的BUCK-DCDC直流控制开关电源控制电路主要包括脉冲宽度调制（Pulse-width Modulation，以下简称脉宽调制或PWM）比较器，自适应导通时间控制电路，误差放大器电路，控制开关及输出LC电路。所述PWM比较器用于比较其输入信号产生P型场效应晶体管PMOS开关的开启信号，所述自适应导通时间控制电路用来产生P型场效应晶体管PMOS的关断信号，所述P型场效应晶体管PMOS开关用于在其闭合时将输入电压接入LC电路，在其关断时，切断输入电压与LC电路的连接并释放LC电路的能量，所述LC电路包括与控制开关相连接的电感和与电感相连接的电容，电感与电容连接节点的电压被用作输出电压，输出电压接负载。BUCK-DCDC开关电源控制电路的基本工作原理就是在不同的输入电压、不同的负载电流的情况下，控制输出电压的反馈信号，使其输出电压稳定在设定的值。
在特殊的供电系统中，如电池供电等，为了在电池的电压比较低的情况下芯片也能正常工作，需要在输入电压固定的情况下，芯片能有尽可能大的最大占空比。当输入电压和输出电压压差很小时，需要控制开关一直处于导通状态，从而让输出得到尽可能大的电压。这种控制开关一直处于导通状态的技术就是100%占空比控制技术。
自适应导通时间控制电路如图1所示，导通控制时间电路包括电容C1、第一P型场 效应晶体管PMOS1和第二P型场效应晶体管PMOS2；图中的电阻R2与电阻R3产生输出电压Vos 的分压Vos_div，电阻R4与电阻R5产生输入电压Vin的分压Vin_div，Vin_div经过运放在电 阻R1与第一P型场效应晶体管PMOS1上产生一个电流I1；I1=Vin_div/R1；第一P型场效应晶 体管PMOS1与第二P型场效应晶体管PMOS2经过1：K的镜像比例之后，在PM2上产生一个电流 I2=K*I1；在P型场效应晶体管PMOS导通时，开关S1断开，电流I2开始给电容C1充电，当C1电 容上的电压被充电上升到Vos_div时，比较器cmp翻转，输出Timeout信号变高。在比较器翻 转时刻，有；对于buck-dcdc变换器来说，有；整理得到；设定 Vos与Vos_div的比值为K1，Vin与Vin_div的比值为K2，上述公式整理成 ；得到的开关频率Fsw是一个常数，与Vin和Vos无关。该模块产生的Timeout信号控制开关P 型场效应晶体管PMOS的导通时间，导通时间为；从上述公 式开出，ton的最大值在输出电压最大，输入电压最小时获得，此时Vos电压与Vin电压接近， 认为相等，设此时；便得到。其中最大导通时间是 一个固定值，不可能实现100%占空比。如果想实现100%占空比，必须做模式的判断，判断在 最大占空比的情况下，输出电压仍然比设定的电压低，那么芯片直接切换到100%占空比模 式。
基于上述过程中，现有技术存在如下的缺点：从最大占空比到100%占空比中间是断续的，不能连续；模式切换之间会导致输出电压有明显的变化，从最大占空比切换到100%占空比时，输出电压会突然变大一些，切换回来时会突然变小一些。需要加入额外的判断电路，增加了控制电路设计的复杂度。
发明内容
本发明提供了一种适用于COT电压变换器的百分百占空比产生电路，目的在于该电路实现了占空比到100%连续平滑转换效果，避免了切换的不连续性，减小了切换过程中输出电压的纹波，并且电路设计简单，为系统应用带来了便利。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
本发明的一种适用于COT电压变换器的百分百占空比产生电路，包括锯齿波产生电路、误差放大器EA、脉宽调制比较器CMP、自适应导通时间控制电路、D触发器、逻辑驱动单元、P型场效应晶体管PMOS、N型场效应晶体管NMOS、电感L、输出分压电阻R1、输出分压电阻R2、负载电容CL和负载电阻RL；所述锯齿波产生电路的输出端连接脉宽调制比较器CMP的负输入端，所述误差放大器EA的输出端连接脉宽调制比较器CMP的正输入端，所述脉宽调制比较器CMP的输出端连接D触发器的输入Clk端，所述自适应导通时间控制电路连接D触发器的输入Reset端，所述D触发器的输出端连接逻辑驱动单元，所述逻辑驱动单元连接P型场效应晶体管PMOS和N型场效应晶体管NMOS的栅极，所述P型场效应晶体管PMOS设为上管，N型场效应晶体管NMOS设为下管，所述N型场效应晶体管NMOS的源级接地，所述P型场效应晶体管PMOS的漏级与N型场效应晶体管NMOS的源级之间跨接电感L、输出分压电阻R1和输出分压电阻R2，所述负载电阻RL和负载电容CL均并联在跨接电感L和输出分压电阻R2之间；所述自适应导通时间控制电路包括导通控制时间电路和平滑过渡电路；所述平滑过渡电路包括第三P型场效应晶体管PMOS3、第四P型场效应晶体管PMOS4、第五P型场效应晶体管PMOS5、第二N型场效应晶体管NMOS2、第三N型场效应晶体管NMOS3、第四N型场效应晶体管NMOS4、第五N型场效应晶体管NMOS5、第六N型场效应晶体管NMOS6和放大器A2，所述第三P型场效应晶体管PMOS3、第四P型场效应晶体管PMOS4和第五P型场效应晶体管PMOS5的源级电性连接并接入所述导通控制时间电路中的第二P型场效应晶体管PMOS2的源级，且所述第四P型场效应晶体管PMOS4的栅极和第五P型场效应晶体管PMOS5的栅极之间相互连接，所述第三P型场效应晶体管PMOS3的栅极连接所述导通控制时间电路中的第一P型场效应晶体管PMOS1的栅极；所述第五P型场效应晶体管PMOS5的漏级连接第二N型场效应晶体管NMOS2，所述第二N型场效应晶体管NMOS2的栅极连接放大器A2的输出端，所述放大器A2的负级输入端连接第二N型场效应晶体管NMOS2的源级，所述第三P型场效应晶体管PMOS3的漏级连接第三N型场效应晶体管NMOS3，所述第四P型场效应晶体管PMOS4的漏级连接第四N型场效应晶体管NMOS4、第五N型场效应晶体管NMOS5和第六N型场效应晶体管NMOS6，所述第四N型场效应晶体管NMOS4和第三N型场效应晶体管NMOS3的栅极相互接通并接通至所述第三P型场效应晶体管PMOS3漏级，所述第五N型场效应晶体管NMOS5和第六N型场效应晶体管NMOS6的栅极相互接通并接通至所述第四P型场效应晶体管PMOS4漏级，所述第三N型场效应晶体管NMOS3、第四N型场效应晶体管NMOS4、第五N型场效应晶体管NMOS5和第六N型场效应晶体管NMOS6的源级相互接通并接地，所述第六N型场效应晶体管NMOS6的漏级连接所述导通控制时间电路中的电容C1。
上述平滑过渡电路中的第三P型场效应晶体管PMOS3与导通控制时间电路中的第一P型场效应晶体管PMOS1的电流镜像比例为1:1，得到I3=I1，其中，I3为流经第三P型场效应晶体管PMOS3的电流，I1为流经第一P型场效应晶体管PMOS1的电流；Vos_div2通过放大器A2在第二N型场效应晶体管NMOS2与第五P型场效应晶体管PMOS5上产生电流，经过第四P型场效应晶体管PMOS4与第五P型场效应晶体管PMOS5的镜像，产生电流I4，有I4=Vos_div2/R2；其中，Vos为开关电源输出电压的采样，Vos_div2为输出电压采样的电阻分压；电流I4为流经第四P型场效应晶体管PMOS4的电流；电流I3经过第三N型场效应晶体管NMOS3与第四N型场效应晶体管NMOS4的镜像，与I4电流相减，相减之后的电流流经第五N型场效应晶体管NMOS5，再经过第六N型场效应晶体管NMOS6的镜像，最终产生电流Is，Is为流经NM6的sink电流；第五N型场效应晶体管NMOS5与第六N型场效应晶体管NMOS6的电流镜像比值为1：K4，得到Is=K4*(I4-I3)，给电容C1充电的电流从I2变为I5，有I5=I2-Is，I2为流经第二N型场效应晶体管NMOS2的电流，I5为给电容C1充电的电流。
在所述平滑过渡电路中基于预设的开关电源DCDC的输入电压vin不变，在开关电源DCDC的输出电压vos设定值逐渐变高的过程中，Vos_div2逐渐变大，产生的电流I4逐渐变大，当I4的电流比I3的电流大时，产生的Is电流开始逐渐从0变大，电流I5逐渐变小，使得每次P型场效应晶体管PMOS开启期间，给电容C1充电的电流变小，则导通时间变大。
上述平滑过渡电路中导通时间变大的过程与所述输出电压设定值是一一对应的，具体为：
；
其中，Vos_div1表示输出电压的电阻分压，K表示第一P型场效应晶体管PMOS 1与第二P型场效应晶体管PMOS2的电流镜像比例为1：K， Vin_div表示输入电压的电阻分压。
上述误差放大器EA的正输入端接参考电压Vref，且所述误差放大器EA的负输入端接输出的电压反馈Vfb，所述误差放大器EA将正输入的参考电压与负输入的Vfb的差值进行放大，则输出差值电压Veao；所述锯齿波发生器产生与电感L电流成固定比例的锯齿波电压Vramp；所述脉宽调制比较器CMP将差值电压Veao与锯齿波电压Vramp进行比较，产生控制P型场效应晶体管PMOS开启的PWM信号，所述PWM信号进入D触发器的Clk端，在PWM信号上升沿时触发开启P型场效应晶体管PMOS。
上述放大器A2的负级输入端通过电阻R2接地。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过平滑过渡电路的设置，解决了现有导通控制时间电路中最大占空比到100%会出现中间断续的问题，使电路占空比到100%都连续，消除了最大占空比到100%占空比模式切换这个动作，使得在输入电压与输出电压逐渐接近的过程中，占空比能够平稳的过渡到100%；不需要额外的判断电路，优化了控制电路设计。综上所述，本发明通过改进控制电路中的自适应导通时间控制电路，实现了占空比到100%连续平滑转换，消除了系统在最大占空比和100%占空比之间切换的不连续性，减小了切换过程中输出电压的纹波，并且电路设计简单，为系统应用带来了便利。
附图说明
图1为本发明背景技术中现有的自适应导通时间控制电路图；
图2为本发明COT架构BUCK—DCDC变换器的百分百占空比产生电路图；
图3为本发明自适应导通时间控制电路；
图4为本发明自适应导通时间控制电路中的平滑过渡电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图2，本发明提供一种技术方案：包括依次设置的锯齿波产生电路、误差放大器EA、自适应导通时间控制电路、脉宽调制比较器CMP、D触发器、逻辑驱动单元、P型场效应晶体管PMOS、N型场效应晶体管NMOS、电感L、负载电容CL、负载电阻RL、输出分压电阻R1和输出分压电阻R2；该锯齿波产生电路的输出端连接脉宽调制比较器CMP的负输入端，该误差放大器EA的输出端连接脉宽调制比较器CMP的正输入端，该脉宽调制比较器CMP的输出端连接D触发器的输入端，该自适应导通时间控制电路连接D触发器的输入端，该D触发器的输出端连接逻辑驱动单元，该逻辑驱动单元连接P型场效应晶体管PMOS和N型场效应晶体管NMOS的栅极，该P型场效应晶体管PMOS设为上管，N型场效应晶体管NMOS设为下管，该N型场效应晶体管NMOS的源级接地，该P型场效应晶体管PMOS的漏级与N型场效应晶体管NMOS的源级之间跨接电感L、输出分压电阻R1和输出分压电阻R2，该负载电阻RL和负载电容CL均并联在跨接电感L和输出分压电阻R2之间。
上述的COT架构控制BUCK-DCDC变换器的百分百占空比产生电中，该误差放大器EA的正输入端接参考电压Vref，且误差放大器EA的负输入端接输出的电压反馈Vfb，误差放大器EA将两者的差值进行放大输出Veao；该锯齿波发生器产生与电感电流成固定比例的锯齿波电压Vramp；该脉宽调制比较器CMP将Veao与Vramp进行比较，产生控制P型场效应晶体管PMOS开启的信号PWM，PWM信号进入D触发器的CLK端，在PWM上升沿时触发开启P型场效应晶体管PMOS。
请参阅图3，左侧是传统的自适应导通时间电路，虚线框中为权利要求的电路，与左侧电路一起实现导通时间无限大，实现百分百占空比。本实施例的自适应导通时间控制电路包括导通控制时间电路和平滑过渡电路；导通控制时间电路参考图1和上述背景技术中的自适应导通时间控制电路，此自适应导通时间控制电路为现有技术，这里就不多阐述。
参见图4，平滑过渡电路包括第三P型场效应晶体管PMOS3、第四P型场效应晶体管PMOS4、第五P型场效应晶体管PMOS5、第二N型场效应晶体管NMOS2、第三N型场效应晶体管NMOS3、第四N型场效应晶体管NMOS4、第五N型场效应晶体管NMOS5、第六N型场效应晶体管NMOS6和放大器A2，该第三P型场效应晶体管PMOS3、第四P型场效应晶体管PMOS4和第五P型场效应晶体管PMOS5的源级电性连接并接入该导通控制时间电路中的第二P型场效应晶体管PMOS2的源级，且第四P型场效应晶体管PMOS4和第五P型场效应晶体管PMOS5的栅极连接，第三P型场效应晶体管PMOS3的栅极连接该导通控制时间电路中的第一P型场效应晶体管PMOS1的栅极；该第五P型场效应晶体管PMOS5的漏级连接第二N型场效应晶体管NMOS2，该第二N型场效应晶体管NMOS2的栅极连接放大器A2的输出端，该放大器A2的负级输入端连接第二N型场效应晶体管NMOS2的源级，该放大器A2的负级输入端通过电阻R2接地，该第三P型场效应晶体管PMOS3的漏级连接第三N型场效应晶体管NMOS3，该第四P型场效应晶体管PMOS4的漏级连接第四N型场效应晶体管NMOS4、第五N型场效应晶体管NMOS5和第六N型场效应晶体管NMOS6，该第四N型场效应晶体管NMOS4和第三N型场效应晶体管NMOS3的栅极相互接通并接通至该第三P型场效应晶体管PMOS3漏级，该第五N型场效应晶体管NMOS5和第六N型场效应晶体管NMOS6的栅极相互接通并接通至该第四P型场效应晶体管PMOS4漏级，该第三N型场效应晶体管NMOS3、第四N型场效应晶体管NMOS4、第五N型场效应晶体管NMOS5和第六N型场效应晶体管NMOS6的源级相互接通并接地，该第六N型场效应晶体管NMOS6的漏级连接该导通控制时间电路中的电容C1。
具体的，该平滑过渡电路中的第三P型场效应晶体管PMOS3与该导通控制时间电路中的第一P型场效应晶体管PMOS1的比例为1:1设置，所以得到I3=I1；Vos_div2通过放大器A2在第二N型场效应晶体管NMOS2与第五P型场效应晶体管PMOS5上产生电流，经过第四P型场效应晶体管PMOS4与第五P型场效应晶体管PMOS5的镜像，产生电流I4，有I4=Vos_div2/R2；电流I3经过第三N型场效应晶体管NMOS3与第四N型场效应晶体管NMOS4的镜像，与I4电流相减，相减之后的电流流经第五N型场效应晶体管NMOS5，再经过第六N型场效应晶体管NMOS6的镜像，最终产生电流Is，得到Is=K4*(I4-I3)，及给电容充电的电流从I2变为I5，有I5=I2-Is。
进一步的说明的，该平滑过渡电路中假定输入电压不变，在输出电压设定值逐渐变高的过程中，Vos_div2逐渐变大，产生的电流I4逐渐变大，当I4的电流比I3的电流大的时候，产生的Is电流开始逐渐从0变大，电流I5逐渐变小，这样一来使得每次P型场效应晶体管PMOS开启期间，给电容充电的电流变小，导致导通时间变大；平滑过渡电路中导通时间变大的过程与所述输出电压设定值是一一对应的。
基于上述，本发明通过平滑过渡电路的设置，解决了现有导通控制时间电路中最大占空比到100%会出现中间断续的问题，使电路占空比到100%都连续，消除了最大占空比到100%占空比模式切换这个动作，使得在输入电压与输出电压逐渐接近的过程中，占空比能够平稳的过渡到100%；稳定高效；需要注意的，此电路在使用时不需要额外的判断电路，即可实现电路的平滑转换，优化了控制电路设计。综上所述，本发明通过改进控制电路中的自适应导通时间控制电路，实现了占空比到100%连续平滑转换，消除了系统在最大占空比和100%占空比之间切换的不连续性，减小了切换过程中输出电压的纹波，并且电路设计简单，为系统应用带来了便利。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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