阅读说明：本技术 基于锁相环调制的宽频应用自适应计时电路 (Wide-band application self-adaptive timing circuit based on phase-locked loop modulation ) 是由 罗萍 赵忠 杨秉中 刘俊宏 于 2020-08-06 设计创作，主要内容包括：基于锁相环调制的宽频应用自适应计时电路,利用输入电压前馈模块将DC-DC变换器的输入电压转换为对应电流；再利用电流乘法器将输入电压前馈模块的输出电流和振荡器产生的振荡电流相乘并进行归一化处理；由电流调整模块根据锁相环检测振荡器时钟频率和DC-DC变换器开关频率之间的频率差或相位差产生的误差信号对电流乘法器的输出电流进行微调获得与振荡电流成正比的计时电流；最后由输出电压反馈模块利用计时电流控制DC-DC变换器的导通时间计时的结束,从而调整DC-DC变换器的开关频率,使得DC-DC变换器的开关频率与振荡器的时钟频率成正比。本发明改善了传统ACOT计时电路中心频率恒定的问题,在很宽的频率范围内都能够使DC-DC变换器的开关频率跟随振荡器的时钟频率。(The wideband application self-adaptive timing circuit based on phase-locked loop modulation converts the input voltage of a DC-DC converter into corresponding current by using an input voltage feedforward module; multiplying the output current of the input voltage feedforward module and the oscillation current generated by the oscillator by using a current multiplier and carrying out normalization processing; the current adjusting module finely adjusts the output current of the current multiplier according to an error signal generated by a frequency difference or a phase difference between the clock frequency of the phase-locked loop detection oscillator and the switching frequency of the DC-DC converter to obtain a timing current which is in direct proportion to the oscillation current; and finally, the output voltage feedback module controls the end of the conduction time timing of the DC-DC converter by using the timing current, so that the switching frequency of the DC-DC converter is adjusted, and the switching frequency of the DC-DC converter is in direct proportion to the clock frequency of the oscillator. The invention improves the problem of constant center frequency of the traditional ACOT timing circuit, and can enable the switching frequency of the DC-DC converter to follow the clock frequency of the oscillator in a wide frequency range.)

基于锁相环调制的宽频应用自适应计时电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及一种基于锁相环(Phase-Locked Loop，PLL)调制的宽频应用自适应计时电路。

背景技术

在DC-DC变换器的应用中，通常希望DC-DC变换器可以在较宽的频率范围内工作。基于PLL调制的自适应导通时间(Adaptive Constant On time，ACOT)控制的DC-DC变换器因其可以自适应输入输出电压和负载的变化而广受应用，但是在传统ACOT控制DC-DC变换器的计时电路中，因为DC-DC变换器的中心频率恒定，计时电流I_ton与振荡电流I_osc为弱关系，即当振荡电流I_osc大幅度变化时，计时电流I_ton只会很小幅度的变化，因此传统ACOT控制DC-DC变换器只能工作在较窄的频率范围内。

发明内容

针对传统ACOT控制DC-DC变换器工作频率范围窄的问题，本发明基于锁相环调制提出一种能够应用于DC-DC变换器中的自适应计时电路，通过产生与振荡电流成正比的计时电流，使得在较宽的频率范围内DC-DC变换器的开关频率都能够跟随振荡器的时钟频率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于锁相环调制的宽频应用自适应计时电路，适用于DC-DC变换器，所述DC-DC变换器包括振荡器和锁相环，所述振荡器用于产生振荡电流，所述锁相环用于检测所述振荡器的时钟频率和所述DC-DC变换器的开关频率之间的频率差或相位差并转换为对应的电压信号作为误差信号；

所述自适应计时电路包括输入电压前馈模块、电流乘法器、电流调整模块和输出电压反馈模块，

所述输入电压前馈模块用于将所述DC-DC变换器的输入电压转换为对应的电流信号作为所述输入电压前馈模块的输出电流信号；

所述电流乘法器用于将所述输入电压前馈模块的输出电流信号和所述振荡电流相乘并进行归一化处理后获得所述电流乘法器的输出电流信号；

所述电流调整模块用于根据所述误差信号对所述电流乘法器的输出电流信号进行微调获得计时电流，使得所述计时电流与所述振荡电流成正比；

所述输出电压反馈模块利用所述计时电流对第一电容充电，将第一电容上的电压值与所述DC-DC变换器输出电压的采样值进行比较，当第一电容上的电压值大于所述DC-DC变换器输出电压的采样值时控制所述DC-DC变换器的导通时间计时结束，从而调整所述DC-DC变换器的开关频率，使得所述DC-DC变换器的开关频率与所述振荡器的时钟频率成正比。

具体的，所述输入电压前馈模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一NMOS管和运算放大器，

第一电阻的一端连接所述DC-DC变换器的输入电压，另一端连接运算放大器的正向输入端并通过第二电阻后接地；

第一NMOS管的栅极连接运算放大器的输出端，其源极连接运算放大器的负向输入端并通过第三电阻后接地，其漏极输出所述输入电压前馈模块的输出电流信号。

具体的，所述输出电压反馈模块包括第二NMOS管、第一电容、第四电阻、第五电阻和比较器，

第二NMOS管的漏极连接所述计时电流，其源极连接比较器的负向输入端并通过第一电容后接地，其栅极连接计时开始控制信号；所述计时开始控制信号为高电平时，所述DC-DC变换器的导通时间计时开始，所述DC-DC变换器中上功率管开启；

第四电阻的一端连接所述DC-DC变换器的输出电压，另一端连接比较器的正向输入端并通过第五电阻后接地；

比较器的输出端输出计时截止控制信号，当所述计时截止控制信号翻高时控制所述DC-DC变换器中上功率管关断，所述DC-DC变换器的导通时间计时结束。

本发明的有益效果为：本发明通过电流乘法器将振荡器的振荡电流引入到计时电流中，使计时电流与振荡电流成正比，从而改善了传统ACOT计时电路中心频率恒定的问题，在很宽的频率范围内都能够使DC-DC变换器的开关频率跟随振荡器的时钟频率。

附图说明

图1为PLL调制ACOT控制Buck变换器的系统框图。

图2为频率与电流的关系示意图。

图3为传统自适应计时电路的结构示意图。

图4为本发明提出的基于锁相环调制的宽频应用自适应计时电路的一种实现电路图。

图5为传统自适应计时电路产生的计时电流与振荡电流、以及本发明提出的基于锁相环调制的宽频应用自适应计时电路产生的计时电流与振荡电流的关系对比图。

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。

本发明提出的基于锁相环调制的宽频应用自适应计时电路适用于DC-DC变换器，下面以Buck变换器为例介绍PLL(锁相环)调制ACOT控制DC-DC变换器原理，如图1所示为PLL调制ACOT控制Buck变换器框图，Buck变换器在一个开关周期中，上功率管M₁的导通时间由自适应计时电路决定，下功率管M₂的导通时间由电感电流的斜率决定。Buck变换器中的脉冲脉宽调制产生计时开始控制信号V_start用于控制Buck变换器导通时间计时的开始，本发明产生的计时截止控制信号V_ton用于控制Buck变换器导通时间计时的结束，通过调整导通时间的截止点来调整Buck变换器的开关频率。DC-DC变换器中振荡器用于产生振荡电流I_osc，锁相环用于检测振荡器的时钟频率f_CLK和DC-DC变换器的开关频率f_SW之间的频率差或相位差并转换为对应的电压信号作为误差信号V_reg。

如图2所示为频率与电流的关系，从图中可以看出，DC-DC变换器的开关频率f_SW与计时电流I_ton成正比，振荡器的时钟频率f_CLK与振荡电流I_osc成正比。如图3所示为传统的自适应导通时间计时电路，由于传统的自适应导通时间计时电路中，计时电流I_ton与振荡电流I_osc为弱关系，使得DC-DC变换器的开关频率f_SW无法在宽频率范围内跟随振荡器的时钟频率f_CLK。

如图4所示是本发明提出的自适应计时电路的一种具体实现电路，包括输入电压前馈模块、电流乘法器、电流调整模块和输出电压反馈模块，其中输入电压前馈模块用于将DC-DC变换器的输入电压V_in转换为对应的电流信号作为输入电压前馈模块的输出电流信号I_vin；本发明引入了电流乘法器，用于将输入电压前馈模块的输出电流信号I_vin和振荡电流I_osc相乘并进行归一化处理后获得电流乘法器的输出电流信号I_mul；电流乘法器的输出电流信号I_mul再由电流调整模块根据误差信号V_reg进行微调获得计时电流I_ton，这样计时电流I_ton与振荡电流I_osc为正比关系。因此当振荡电流I_osc减小时，振荡器的时钟频率f_CLK减小，而本发明的自适应计时电路产生的计时电流I_ton与振荡电流I_osc成正比，计时电流I_ton也减小，导致DC-DC变换器的上功率管M₁导通时间增加，DC-DC变换器的开关频率f_SW减小，锁相环PLL通过检测f_CLK与f_SW的频率差或相位差，对计时电流I_ton进行微调，最终实现f_CLK和f_SW的锁频锁相。同理振荡电流I_osc增大时，振荡器的时钟频率f_CLK增大，计时电流I_ton增大，上功率管M₁的导通时间减小，DC-DC变换器的开关频率f_SW增大，PLL通过检测f_CLK与f_SW的频率差或相位差，对I_ton微调，实现f_CLK和f_SW的锁频锁相。下面详细说明本发明提出的自适应计时电路的具体结构。

输入电压前馈共一个输入端和一个输出端，输入电压前馈的输入端接DC-DC变换器的输入电压V_in，输入电压前馈模块将DC-DC变换器的输入电压V_in转换为对应的电流信号I_vin并从输出端输出到电流乘法器。如图4给出了输入电压前馈模块的一种实现形式，包括第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第一NMOS管M₃和运算放大器OP，第一电阻R₁的一端连接DC-DC变换器的输入电压V_in，另一端连接运算放大器OP的正向输入端并通过第二电阻R₂后接地；第一NMOS管M₃的栅极连接运算放大器OP的输出端，其源极连接运算放大器OP的负向输入端并通过第三电阻R₃后接地，其漏极作为输入电压前馈模块的输出端输出输入电压前馈模块的输出电流信号I_vin。

电流乘法器共三个输入端和一个输出端，电流乘法器的第一输入端接输入电压前馈的输出端，其第二输入端接固定电流I_D，第三输入端接振荡电流I_osc，其输出端接电流调整模块的第一输入端。固定电流I_D是用于将振荡电流归一化，固定电流I_D的取值根据频率目标确定，与振荡器的工作电流相关。电流调整模块共两个输入端和一个输出端，电流调整模块的第一输入端接电流乘法器的输出端，其第二输入端接锁相环PLL输出的误差信号V_reg，其输出端接输出电压反馈的第一输入端。误差信号V_reg是锁相环检测振荡器的时钟频率f_CLK和DC-DC变换器的开关频率f_SW之间的频率差或相位差得到，电流调整模块利用误差信号V_reg能够对电流乘法器的输出电流信号I_mul进行微调产生计时电流I_ton，使得计时电流I_ton与振荡电流I_osc成正比。

最后由输出电压反馈模块根据计时电流I_ton对DC-DC变换器的导通时间截止点进行调整，控制DC-DC变换器的开关频率f_SW跟随振荡器的时钟频率f_CLK。输出电压反馈共三个输入端和一个输出端，输出电压反馈的第一输入端接电流调整模块的输出端，其第二输入端接计时开始控制信号V_start，其第三输入端接DC-DC变换器的输出电压V_out，其输出端为自适应计时电路输出的计时截止控制信号V_ton。如图4所示给出了输出电压反馈模块的一种实现形式，包括第二NMOS管M₄、第一电容C_ton、第四电阻R₄、第五电阻R₅和比较器CMP，第二NMOS管M₄的漏极连接计时电流I_ton，其源极连接比较器CMP的负向输入端并通过第一电容C_ton后接地，其栅极连接计时开始控制信号V_start；第四电阻R₄的一端连接所述DC-DC变换器的输出电压V_out，另一端连接比较器CMP的正向输入端并通过第五电阻R₅后接地；比较器CMP的输出端输出计时截止控制信号V_ton。

计时开始控制信号V_start和计时截止控制信号V_ton分别控制DC-DC变换器导通时间的开始和结束，计时开始控制信号V_start由DC-DC变换器产生，计时开始控制信号V_start为高电平时，DC-DC变换器的导通时间计时开始，DC-DC变换器中上功率管M₁开启。本实施例利用与振荡电流I_osc成正比的计时电流I_ton对第一电容C_ton充电，将第一电容C_ton上的电压值与DC-DC变换器输出电压的采样值进行比较，当第一电容C_ton上的电压值大于DC-DC变换器输出电压的采样值时控制DC-DC变换器中上功率管M₁关断，使得DC-DC变换器的导通时间计时结束，从而调整了DC-DC变换器的开关频率f_SW，使得DC-DC变换器的开关频率f_SW跟随振荡器的时钟频率f_CLK。

如图5所示中下图为传统自适应计时电路的计时电流I_ton与振荡电流I_osc的关系图，图5所示中上图为本发明提出的自适应计时电路产生的计时电流I_ton与振荡电流I_osc的关系图，可以看出传统自适应计时电路中，计时电流I_ton1与振荡电流I_osc为弱关系，使DC-DC变换器只能工作在较窄的频率范围内，而本发明的自适应计时电路在宽范围内计时电流I_ton2正比振荡电流I_osc，使DC-DC变换器可以工作在较宽的频率范围。

综上可知，本发明利用输入电压前馈模块将DC-DC变换器的输入电压V_in转化为电流I_vin，电流I_vin通过电流乘法器与振荡电流I_osc相乘并由固定电流I_D进行归一化处理得到电流I_mul，电流I_mul再通过电流调整模块的微调得到计时电流I_ton，实现了利用电流乘法器将振荡器的振荡电流I_osc引入到计时电流I_ton中，使得计时电流I_ton与振荡电流I_osc成正比。

DC-DC变换器的开关频率为

其中计时电流

振荡器产生的时钟频率是振荡电流I_osc的一次函数，

由于振荡器的时钟频率f_CLK与振荡电流I_osc成正比，DC-DC变换器开关频率f_SW与计时电流I_ton成正比，本发明又令计时电流I_ton与振荡电流I_osc成正比，因此实现了DC-DC变换器的开关频率f_SW与振荡器的时钟频率f_CLK成正比，当振荡电流I_osc变化时，本发明提出的自适应计时电路产生的计时电流I_ton跟随振荡电流I_osc变化，因此在很宽的频率范围内DC-DC变换器的开关频率f_SW跟随振荡器的时钟频率f_CLK，从而改善了传统ACOT计时电路中心频率恒定的问题。

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。