專利名稱：一種帶有源負電流調制的同步升壓電路及其控制方法
技術領域：
本發明涉及模擬集成電路，特別地，涉及一種開關模式穩壓電路。
背景技術：
在傳統的同歩升壓電路中，包括兩個幵關晶體管，可以分別簡稱為上管或 下管，其輸入端連接有電感。在低負載和空載狀況下，上管的導通時間可能過 長，致使電感電流降低至零甚至反向，即電感電流方向由正變負。由于下管的 體二極管上的壓降和寄生參數引起的電壓過沖，在進入和離開死區時反向的電 感電流將在下管兩端產生額外的電壓應力。反向的電感電流越大，電壓應力越 大。因此，在同步升壓電路中需要限制反向電感電流以避免產生過高的電壓應 力。
此外，由于寄生參數的影響，上管的關斷會在開關節點處引起高頻振蕩。 通常，這個振蕩的頻率要遠遠高于開關頻率，因而在輸出會出現高頻紋波，引
起電磁干擾(electromagnetic interference, EMI)，影響整個電路的性能。現有 技術通常用無源RC緩沖電路來抑制振蕩，這種方法雖然有效，但會大大降低效率。
因此，需要提出一種改進的同步升壓電路來限制反向電感電流、抑制高頻 振蕩、減小EMI，并且保持電路的高效率。
發明內容
本發明的目的在于提供能限制反向電感電流、有效抑制高頻振蕩、減小EMI， 并且保持整個電路高效率的電路和方法。
6依據本發明提出的一種帶有源負電流調制的同步升壓電路，包括升壓電 路，包括上管和下管，接收輸入電壓，并產生大于所述輸入電壓的輸出電壓； 以及有源負電流調制電路，檢測所述上管是否流過負電流，當撿測到所述負電
流時，所述有源負電流調制電路控制所述上管導通，使其工作于線性模式，并 將所述負電流限制至預設電流值。
依據本發明提出的一種帶有源負電流調制的同步升壓電路的控制方法，其 中所述同步升壓電路包括上管和下管，所述方法包括檢測流過所述上管的電 流是否為負電流；若檢測到所述負電流，控制所述上管，使其工作于線性模式; 以及限制所述負電流為預設電流值。
本發明釆用上述結構的電路和/或上述方法，通過檢測流過上管的負電流， 并將其限制在預設電流值，從而限制反向電感電流、有效抑制高頻振蕩、減小 EMI，并保持高效率。
圖1為根據本發明一實施例的帶有源負電流調制的同步升壓電路100的框
圖2為根據本發明一實施例的帶有源負電流調制的同步升壓電路200的電 路圖3A為根據本發明一實施例的圖2所示帶有源負電流調制的同步升壓電路 200在重載下的波形圖3B為根據本發明一實施例的圖2所示帶有源負電流調制的同步升壓電路 200在輕載下的波形圖4為根據本發明一實施例的帶有源負電流調制的同步升壓電路的控制方 法400的流程圖。
具體實施方式
下面將詳細描述本發明的具體實施例，應當注意，這里描述的實施例只用 于舉例說明，并不用于限制本發明。
圖1為根據本發明一實施例的帶有源負電流調制的同步升壓電路100的框
圖。同步升壓電路100包括升壓電路110和有源負電流調制電路120。在一個實 施例中，同步升壓電路100可以為集成電路封裝，包括開關節點引腳IOI、輸出 引腳102、反饋引腳103、參考電壓引腳104和地引腳105。在輸出引腳102處 可得到輸出電壓VOUT，而且輸出電壓VouT在此處通過串聯的電阻114和電阻 117被反饋。上述兩個電阻連接端的反饋電壓FB被接入反饋引腳103，以調節 升壓電路110。地引腳105通常電連接至電氣地119，以得到地信號GND。在一 個實施例中，在同步升壓電路100內部設置第一參考電壓VREn。有源負電流調 制電路120電耦接至升壓電路110，檢測所述上管是否流過負電流，當檢測到所 述負電流時，使上管導通并工作于線性模式，并將此負電流限制至一預設電流 值。需要注意的是，本申請中所指的"輕載"是指低負載或空載，而且同步升 壓電路100還可以包括其他引腳，例如使能引腳(未示出)、電源引腳(未示 出)等。
圖2為根據本發明一實施例的帶有源負電流調制的同步升壓電路200的電 路圖。其中同步升壓電路200在開關節點引腳101處電連接至電感202，電感 202的另一端和電容203電連接在一起并電連接至輸入節點201，電容203的另 一端電連接至電氣地119。輸入節點201接收輸入電壓VjN。
在升壓電路110中，下管204為nMOSFET (n-channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, n溝道金屬氧化物場效應晶體管)，電連 接至上管209,上管209為pMOSFET(p-channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, p溝道金屬氧化物場效應晶體管)。下管204的漏極電連接至 電感202和上管209的漏極，下管204的源極在地引腳105處電連接至電氣地 119。上管209的源極電連接至輸出引腳102和輸出電容217，輸出電容217的 另一端電連接至電氣地U9。第一柵極驅動電路205驅動下管204，第二柵極驅動電路208驅動上管209。 脈沖寬度調制(pulse width modulation, PWM)控制電路207驅動第一柵極驅動 電路205和第二柵極驅動電路208，其中PWM控制電路207由第一誤差放大器 206驅動。第一誤差放大器206的同相輸入端電連接至參考電壓引腳104以接收 第一參考電壓VREn，反相輸入端電連接至反饋引腳103、電阻114和電阻117。 電阻114的另一端電連接至輸出引腳102，電阻117的另一端電連接至電氣地 119。
在有源負電流調制電路120中，比較器214的反相輸入端電連接至上管209 的漏極，其同相輸入端電連接至上管209的源極，其輸出端電耦接以控制第二 柵極驅動電路208。在一個實施例中，用RS觸發器220來實現對第二柵極驅動 電路208的控制。RS觸發器220的置位端S電連接至比較器214的輸出端，復 位端R電連接至PWM控制電路207的輸出端和第一柵極驅動電路205的輸入 端，輸出端Q電連接至第二柵極驅動電路208，以控制第二柵極驅動電路208 進入或退出輸出高阻態。其中，復位端R的優先級高于置位端S。
晶體管211電耦接至上管209，形成電流鏡，其中晶體管211的柵極電連接 至上管209的柵極，它們的源極也電連接在一起。晶體管211為pMOSFET。在 一個實施例中，在集成電路中晶體管211的尺寸被制作為上管209尺寸的1/N, 因此流過上管209的電流是流過晶體管211電流的N倍。第二誤差放大器215 和pnp BJT (pnp Biopolar Junction Transistor, pnp雙極結型晶體管)212電連接 用以確保晶體管211的漏極電壓與上管209的漏極電壓相等。第二誤差放大器 215的同相輸入端電連接至上管209的漏極，其反相輸入端電連接至晶體管211 的漏極和pnp BJT 212的發射極，其輸出端電連接至pnp BJT 212的基極。
第三誤差放大器210被用來控制晶體管211的柵極，以調制流過其上的電 流。第三誤差放大器210的同相輸入端電連接至pnp BJT 212的集電極和電阻 213。 pnpBJT212的發射極電連接至晶體管211的漏極，電阻213的另一端電連 接至電氣地119。pnpBJT212將流過晶體管211的電流傳遞至電阻213。第三誤差放大器210的反相輸入端接收第二參考電壓Vref2，以通過電阻213產生參考 電流，其使能端電連接至RS觸發器220的輸出端Q。
如果負電流出現，導致開關節點引腳101處的開關節點電壓Vsw小于輸出 電壓VouT，比較器214將檢測到上管209的漏源電壓極性的改變，并輸出高電 平以置位RS觸發器220。 RS觸發器220的輸出Q變高，使第二柵極驅動電路 208進入輸出高阻態，并使能第三誤差放大器210。因此，第二柵極驅動電路208 不再驅動上管209的導通與關斷，上管209導通，并受第三誤差放大器210的 輸出控制而工作于線性模式，同時第三誤差放大器210將檢測到的負電流限制 為預設電流值。在下一個開關周期中，當下管204再次導通，PWM控制電路207 復位RS觸發器220，使其輸出Q變低。因此，第二柵極驅動電路208退出輸出 高阻態，并恢復對上管209柵極的驅動，此時第三誤差放大器210被去使能。
以下結合圖3A和3B對同步升壓電路200的工作原理做進一步的描述。圖 3A為圖2所示帶有源負電流調制的同步升壓電路200在重載下的波形圖。其中， 電壓波形301A表示輸入下管204柵極的第一柵極驅動電壓VC1，電壓波形302A 表示輸入上管209柵極的第二柵極驅動電壓VC2。 PWM控制電路207控制波形 301A和302A，以確保上管209或下管204在另一個導通前關斷，這是為了避 免上管209和下管204同時導通而引起直通。因此，時間段T廣T2、 T3 T4、 T5 T6 和T7 Ts為死區時間，在死區時間中，無論輸出電容217是否能維持輸出電壓 V0UT，上管209和下管204均關斷。
從時刻To到時刻Tp第一柵極驅動電壓Vw和第二柵極驅動電壓Ve2均為 高，下管204導通，而上管209關斷。因此，開關節點引腳IOI電連接至電氣 地119,如表示開關節點電壓Vsw的波形303A所示。電感電流L的斜率為
# = ~，如表示電感電流IL的波形304A所示。
從時刻T,到時刻T2為死區時間，下管204和上管209均關斷，開關節點引 腳101從電氣地119斷開。此時，由于電感電流的續流作用而引起的反向電壓，
10使得上管209的體二極管(未示出)導通。因此，開關節點引腳101通過上管 209的體二極管(未示出)電連接至輸出引腳102，開關節點電壓V，為輸出電
壓VouT和體二極管的正向電壓VF之和。即從時刻^到時刻T2， Vsw=VOUT+VF。
電感電流II的斜率為# = - + Ff)— ，如波形304A所示。
從時刻丁2到時刻T3，第一柵極驅動電壓Vcn和第二柵極驅動電壓Ve2均為
低，下管204關斷而上管209導通。此時開關節點引腳101電連接至輸出端216， 開關節點電壓Vsw降至輸出電壓VouT，如波形303A所示。因此，從時刻丁2到
時刻T3，電感電流II的斜率為# = - K,— ，如波形304A所示。
從時刻T3到時刻T4，同步升壓電路200進入第二個死區時間，下管204和 上管209均關斷，開關節點引腳101通過上管209的體二極管電連接至輸出引 腳102。此時，開關節點電壓Vsw上升至輸出電壓VouT和體二極管的正向電壓 Vf之和，再一次地，VSW=V0UT+VF，直到時刻T4。因此,電感電流Il從吋刻T3
到時刻T4以斜率^ = — +— Fw下降。 y 丄
如圖3A所示，從時刻T4開始，在接下來的開關周期中，波形300A重復上 述過程。
在重載情況下，由于電感電流IL為正，并從開關節點引腳101流至輸出引 腳102，比較器214在RS觸發器220的置位端S產生一低電平信號，因而RS 觸發器220沒有被置位，其輸出Q為低，第三誤差放大器210沒有被使能。因 此，第三誤差放大器210不干涉第二柵極驅動電路208的運行，即升壓電路110 完全控制了同步升壓電路200 。
圖3B為根據本發明一實施例的圖2所示帶有源負電流調制的同步升壓電路 200在輕載下的波形圖。此時，有源負電流調制電路120被使能，用于限制流過 上管209的負電流。輕載狀況下，下管204和上管209繼續被觸發導通或關斷， 直至檢測到負電流，如圖3B中表示第一柵極驅動電壓VC1的波形301B和表示第二柵極驅動電壓Ve2的波形305B所示。由于有源負電流調制電路120對第二 柵極驅動電壓Ve2的調制，圖3B中表示第二柵極驅動電壓Ve2的波形305B和 圖3A中的相應波形302A有所不同。
從吋刻To至時刻Tp第一柵極驅動電壓Vcn和第二柵極驅動電壓Vci2均為 高電平，下管204導通，而上管209關斷。此時開關節點引腳IOI電連接至電 氣地119，因此開關節點電壓Vsw為低，如波形307B所示。
從時刻Ti至時刻T2，同步升壓電路200進入死區時間，上管204和下管209 均關斷。此時，由于電感電流的續流作用而引起的反向電壓，使得上管209的 體二極管(未示出)導通。因此開關節點引腳101通過上管209的體二極管電 連接至輸出引腳102，開關節點電壓Vsw跳至輸出電壓VouT與體二極管的正向 電壓VF之和，即Vsw=VoUT+VF。
從時刻丁2至時刻T3，第一柵極驅動電壓VC1和第二柵極驅動電壓Ve2均為 低，下管204關斷，而上管209導通，開關節點引腳IOI電連接至輸出引腳102。 此時，開關節點電壓Vsw從Vqut+Vf下降至Vout，如波形307B所示。流過上 管209的電流減小，當其減小至零并且繼續減小，即其反向變成負電流時，比 較器214檢測到上管209的漏源電壓極性的改變。此時，比較器214輸出一個 高電平以置位RS觸發器220， RS觸發器220的輸出Q變高，使第二柵極驅動 電路208進入輸出高阻態，并使能第三誤差放大器210。即此時第二柵極驅動電 路208不再驅動上管209的導通與關斷，上管209導通，并受第三誤差放大器 210的輸出控制而工作于線性模式，第三誤差放大器同時限制負電流至預設電流
值^x^。由于第三誤差放大器210的調制，第二柵極驅動電壓V(j2上升至一
"^鵬
控制電平VcTRL，如波形305B所示。
從時刻T3至時刻TV上管209處于導通狀態，并且工作于線性模式，流過
其上的負電流為預設電流值iVx^。此時，開關節點引腳101與電氣地119和 輸出引腳102均不相連，因此開關節點電壓Vsw降至輸入電壓Vtn。從時刻T4至時刻T5，同步升壓電路200再次進入死區時間，下管204和上 管209均關斷。
從時刻Ts至時刻T6，下管204再次導通，PWM控制電路207將RS觸發 器220復位。因此，RS觸發器220的輸出Q變低，使第二柵極驅動電路208退 出輸出高阻態，同時第三誤差放大器電路210被去使能。于是第三誤差放大器 電路210停止對晶體管211的柵極控制，也即有源負電流調制電路120釋放對 同步升壓電路200的控制，此時同步升壓電路200的運行完全由升壓電路110 控制。
如圖3B所示，從時刻T6開始，在隨后的開關周期中，波形300B重復上述 過程。
圖4為根據本發明一實施例的帶有源負電流調制的同步升壓電路的控制方 法400的流程圖，其中同步升壓電路包括上管和下管，其方法包括如下歩驟 步驟401，調制輸入電壓；步驟402，檢測流過上管的電流是否為負電流；步驟 403，如果檢測到負電流，則控制上管，使其工作于線性模式；步驟404，限制 該負電流至一預設電流值，如果沒有檢測到負電流，控制同步升壓電路，使其 運行于正常模式。該方法還包括步驟405:檢測下管是否導通，如果檢測到下管 導通，正常調制輸入電壓，否則，繼續限制該負電流至預設電流值。
參看步驟401，調制輸入電壓。輸入電壓VjN被接收和調制，以產生輸出電 壓VouT。在一個實施例中，采用一同步升壓電路200來實現調制，并且步驟401 用升壓電路110來實現。即升壓電路IIO在開關節點引腳101接收輸入電壓V1N， 并在輸出引腳102產生調制后的輸出電壓VouT。更具體地說，步驟401采用如 下方式實現用第一柵極驅動電路205驅動下管204，用第二柵極驅動電路208 驅動上管209，從而將輸入電壓VjN轉換成輸出電壓VouT，其中第一柵極驅動電 路205和第二柵極驅動電路208均由PWM控制電路207控制。
參看步驟402，檢測流過上管的電流是否為負電流。同步升壓電路200持續 檢測流過上管209是否過零并由正變負。步驟402通過比較器214實現，其中
13比較器214的兩個輸入端電連接在上管209的兩端，以檢測上管209的漏源電 壓極性是否反向，其具體工作原理如前所述。
參看步驟403，如果檢測到負電流，控制上管，使其工作于線性模式。步驟 403進一步包括控制第二柵極驅動電路208，使其進入輸出高阻態。這個步驟由 比較器214和RS觸發器220實現。
在歩驟403后，進入步驟404，當檢測到負電流時，限制此負電流至一預設 電流值。步驟404由圖1和圖2所示的有源負電流調制電路120實現，更具體 地說，步驟404通過一電流鏡電路實現，其中電流鏡電路由第二誤差放大器215、 第三誤差放大器210、晶體管211、 pnpBJT212以及電阻213組成，其具體工作 原理如前所述。
參看步驟405，檢測下管是否導通。當檢測到下管在下一個開關周期中導通 時，同步升壓電路200回復到正常運行模式，也即電感電流不再被控制。若檢 測到下管未導通時，繼續限制負電流為預設電流值。步驟405由有源負電流調 制電路120實現。更具體地說，當檢測到下管204導通時，RS觸發器220的置 位端S被釋放，因此同步升壓電路200的運行僅由升壓電路110控制。當檢測 到下管204未導通時，有源負電流調制電路120繼續控制同步升壓電路200，并
限制負電流至預設電流值iV x &。
需要聲明的是，上述發明內容及具體實施方式
意在證明本發明所提供技術 方案的實際應用，不應解釋為對本發明保護范圍的限定。本領域技術人員在本 發明的精神和原理內，當可作各種修改、等同替換、或改進。本發明的保護范 圍以所附權利要求書為準。
1權利要求
1.一種帶有源負電流調制的同步升壓電路，包括升壓電路，包括上管和下管，接收輸入電壓，并產生大于所述輸入電壓的輸出電壓；以及有源負電流調制電路，檢測所述上管是否流過負電流，當檢測到所述負電流時，所述有源負電流調制電路控制所述上管導通，使其工作于線性模式，并將所述負電流限制至預設電流值。
2. 如權利要求l所述的同步升壓電路，其特征在于，當所述下管在 下一個開關周期中導通時，所述有源負電流調制電路停止對所述上管的 控制。
3. 如權利要求1所述的同步升壓電路，其特征在于，進一步包括電 感和電容，其中所述電感電耦接至所述電容和所述升壓電路，接收所述 輸入電壓。
4. 如權利要求l所述的同步升壓電路，其特征在于，其中 所述下管包括n型金屬氧化物場效應晶體管；所述上管包括與所述n型金屬氧化物場效應晶體管串聯的p型金屬 氧化物場效應晶體管。
5. 如權利要求1所述的同步升壓電路，其特征在于，所述升壓電路 進一步包括第一柵極驅動電路，驅動所述下管；以及 第二柵極驅動電路，驅動所述上管。
6. 如權利要求5所述的同步升壓電路，其特征在于，所述升壓電路 進一步包括脈沖寬度調制控制電路，控制所述第一柵極驅動電路和所述第二柵 極驅動電路；以及第一誤差放大器，接收第一參考電壓和來自所述輸出電壓的反饋電壓。
7. 如權利要求5所述的同步升壓電路，其特征在于，當檢測到所述 負電流時，所述有源負電流調制電路控制所述第二柵極驅動電路，使其 進入輸出高阻態。
8. 如權利要求5所述的同步升壓電路，其特征在于，所述有源負電 流調制電路包括比較器，電耦接至所述上管，檢測所述負電流；以及 電流鏡電路，電耦接至所述比較器和所述升壓電路，限制所述負電 流至所述預設電流值。
9. 如權利要求8所述的同步升壓電路，其特征在于，所述電流鏡電路包括電耦接至所述上管的p型金屬氧化物場效應晶體管,所述p型金屬 氧化物場效應晶體管和所述上管構成電流鏡。
10. 如權利要求9所述的同步升壓電路，其特征在于，所述比較器 包括同相輸入端、反相輸入端和輸出端，其中所述同相輸入端電耦接至 所述上管的源極，所述反相輸入端電耦接至所述上管的漏極。
11. 如權利要求10所述的同步升壓電路，其特征在于，所述電流鏡電路進一步包括第二誤差放大器，電耦接至所述上管；第三誤差放大器，電耦接至第二參考電壓和所述上管；以及 RS觸發器，電耦接至所述第一柵極驅動電路、所述比較器和所述 第三誤差放大器。
12. 如權利要求ll所述的同步升壓電路，其特征在于，所述電流鏡電路進一步包括pnp雙極結型晶體管，電耦接至所述第二誤差放大器和所述p型金 屬氧化物場效應晶體管；電阻，電耦接至所述pnp雙極結型晶體管和電氣地。
13. 如權利要求9所述的同步升壓電路，其中在集成電路中所述p 型金屬氧化物場效應晶體管的尺寸被制作為小于所述上管。
14. 一種帶有源負電流調制的同步升壓電路的控制方法，其中所述 同步升壓電路包括上管和下管，所述方法包括調制輸入電壓；檢測流過所述上管的電流是否為負電流；若檢測到所述負電流，控制所述上管導通，使其工作于線性模式； 以及限制所述負電流為預設電流值。
15. 如權利要求14所述的控制方法，其特征在于，進一步包括檢測 來自所述同步升壓電路輸出電壓的反饋電壓。
16. 如權利要求14所述的控制方法，其特征在于，檢測流過所述上 管的電流是否為負電流，包括檢測所述上管兩端的電壓是否改變極性。
17. 如權利要求14所述的控制方法，其特征在于，限制所述負電 流為預設電流值包括產生電流值為所述預設電流值的參考電流；以及 通過電流鏡使所述負電流和所述參考電流相等，其中所述電流鏡包 括所述上管。
18. 如權利要求17所述的控制方法，其特征在于，產生所述參考 電流包括提供第二參考電壓和電阻。
19. 如權利要求14所述的控制方法，其特征在于，進一步包括當 所述下管在下一個開關周期中導通時，使所述上管退出線性模式，同時停止限制所述負電流至所述預設電流值。
全文摘要
本發明公開了一種帶有源負電流調制的同步升壓電路及其控制方法，其電路包括升壓電路和有源負電流調制電路，包括升壓電路，包括上管和下管，接收輸入電壓，并產生大于所述輸入電壓的輸出電壓；以及有源負電流調制電路，檢測所述上管是否流過負電流，當檢測到所述負電流時，所述有源負電流調制電路控制所述上管導通，使其工作于線性模式，并將所述負電流限制至預設電流值。
文檔編號G05F1/10GK101561687SQ200910128339
公開日2009年10月21日 申請日期2009年3月28日 優先權日2008年3月28日
發明者詹姆斯·H·阮 申請人:成都芯源系統有限公司