一种用于提高ACOT架构瞬态响应和精度的BUCK型电路及其控制方法

本发明属于电子电路，具体涉及提高acot架构buck芯片瞬态响应和精度的方法。

背景技术：

1、近年来，电源管理集成电路在电子产品中的应用呈现出广泛的趋势。其应用范围涵盖了从手机通信、移动终端，至医疗器械、汽车电子等多个领域。随着人工智能、5g技术、大数据等领域的迅速发展，电源管理集成电路将面临更加巨大的机遇和挑战，这同时也预示着市场空间将进一步扩大。

2、电源管理芯片主要分为两大类：线性稳压器和开关电源芯片。线性稳压器在稳态时可以等效为电阻分压网络，其原理为根据输出负载电流调节分压网络中的可控电阻来调节输出电压，不存在场效应管的开关动作且结构简单易于设计环路，因此具有低纹波、低噪声、响应速度快等优点。但线性稳压器的效率受限于dropout电压的大小，当dropout电压较高时效率非常低；并且由于电流流经调整管，导致调整管的损耗较大，大量的热损耗导致的温度升高使得线性稳压器难以胜任功率密度较高的应用。而开关电源中，其纹波由开关频率、滤波电容和电感值大小共同决定，功率管作为开关传递能量，其本身一般不作为环路的一部分，因此其损耗要小得多，尤其是在大压降的情况下，考虑实用性和效率，我们几乎只能选择开关电源。

3、在dc-dc开关电源中领域，已经涌现出多种广泛采用的控制技术。最初的技术是电压模式控制，该技术仅包含一个电压反馈环路，简化了设计和分析过程，但其响应速度较慢。随后，电流模式控制应运而生，它结合了电压和电流两个反馈环路，能够更快速地响应输入电压和负载变化，然而其电路设计复杂，成本也相对较高。为了应对市场对低成本、简易使用和快速响应的需求，固定导通时间(constant on-time,cot)控制技术应运而生，可应用于各种类型的dc-dc变换器中，包括降压、升压和升降压类型。然而，固定导通时间控制的变换器开关频率不稳定，随着输入电压、输出电压和负载的变化而变化，这增加了系统的电磁干扰。因此，对固定导通时间控制进行改进产生了自适应固定导通时间(adaptiveconstant on-time,acot)控制技术，相较于传统的控制技术，acot技术具有更快的响应速度、稳定的开关频率、简化的设计和较低的成本等优点，在电源管理集成电路中得到了广泛应用。基于acot架构的开关电源设计成为了电源管理领域研究的热点。尤其是对高性能acot架构芯片的研究，目前，对高性能acot开关电源的应用需求呈现出以下趋势：

4、(1)在今天，大多数的处理器芯片需求的供电电压已经逐渐接近甚至低于1v的水平。在如此低的供电电压下，开关电源芯片的输出电压精度变得尤为重要。即使出现微小的误差增加，也有可能导致处理器出现异常工作情况。因此，如何有效地提升开关电源的输出电压精度，已成为设计人员面临的全新挑战。

5、(2)现代电子设备需要处理的任务越来越繁重，电路需求的电流也在不断增加。然而，消费者对设备待机时间的期望并未减少。因此，现代电子设备经常需要在重工作模式和休眠模式之间频繁切换，以在性能和功耗之间达到平衡。这就要求供电其的开关电源具备极快的瞬态响应速度，以确保在负载频繁在轻载和重载之间切换时，输出电压能够迅速调整到目标值。

6、因此，设计一种具有高瞬态响应，高精度的电源管理芯片具有显著的学术和商业价值。

技术实现思路

1、为了进一步提高瞬态响应，在本身具有较高瞬态响应的acot架构的基础上，本发明还提出了一种在负载从轻载向重载跳变时，增大其导通时间来减小瞬态恢复时间和减小下冲，从而进一步提高瞬态响应的方法。在精度上，针对acot控制作为大信号纹波控制所带来的半纹波输出误差，本文借鉴v2控制思想，引入了直流电压精度校正电路。该电路通过采样反馈电压vfb与基准电压vref的直流电压误差，并将此误差电压叠加到vref上，动态地调整比较器的参考电压值，代替了原本acot控制中固定的参考电压，消除了acot控制的半纹波误差，显著提高了输出精度。

2、本发明通过如下技术方案实现：

3、一种用于提高acot架构瞬态响应和精度的buck型电路，用于进一步提高其瞬态响应和精度，所述buck电路包括buck开关模块1、驱动模块2、保护电路模块3、恒定导通时间模块4、直流校准模块5、比较器模块6、基准电压模块7及软启动模块8；其中，所述基准电压模块7用于提供基准电压vref，用作芯片的参考电压；所述基准电压vref由保护电路模块3作过温保护判断，若不在正常范围内，则触发保护电路模块3触发保护措施，若在正常工作温度范围内，则生成使能信号ss_en，并传输给软启动模块8，软启动完成后生成使能信号传输给比较器模块6，比较器模块6开始工作，比较经直流校准模块5校正过后的反馈电压vfb'和校正过后的基准电压vref'，当vfb'小于vref'时，比较器模块6输出vcomp高电平信号给驱动模块2，驱动模块2控制buck开关模块1的开关管导通，输出电压上升，同时，恒定导通时间模块4开始计时，计时结束后，恒定导通时间模块4输出vton高电平信号给驱动模块2，驱动模块2控制buck开关模块1的续流管导通，输出电压下降，最终输出稳定的电压。

4、进一步地，所述buck开关模块1包括开关管和稳压管，开关管的导通和关闭受驱动模块2输出的ugate信号控制，ugate信号为高电平则开关管导通，反之关闭；稳压管的导通和关闭受驱动模块2输出的lgate信号控制，lgate信号为高电平稳压管导通，反之关闭；开关管和稳压管连接处为sw端，sw端信号通过片外电感和电容形成输出电压vout，当开关管导通时，vout上升，当稳压管导通时，vout下降，开关管和稳压管不能同时导通，否则会产生漏电，造成能量的损失甚至可能烧毁芯片。

5、进一步地，所述驱动模块2包括rs触发器21及逻辑驱动和死区电路22；所述rs触发器21的set端接收比较器模块6的输出信号vcomp，res端接收恒定导通时间模块4的输出信号vton，信号vcomp和信号vton通过rs触发器21生成q信号和qd信号，再把q信号和qd信号送入逻辑驱动和死区电路22，分别输出带有死区时间的ugate信号和lgate信号，ugate信号控制开关管的导通，lgate信号控制续流管的导通，带有死区时间表示ugate和lgate信号不会同时让开关管和续流管导通。

6、进一步地，所述保护电路模块3包括过温保护电路31及过零保护电路32；其中，所述过温保护电路31与基准电压模块7相连，基准电压模块7产生的基准电压vref作为过温保护电路31的参考电压，通过过温保护电路31内部受温度变化敏感的器件产生的电压与vref比较，来判断过温保护的触发和关闭；当温度低于150℃时，则过温保护不触发，并生成一个输出生成使能信号ss_en使软启动模块8开始工作；如温度高于150℃，则过温保护触发，过温保护电路31暂时不能生成使能信号ss_en使软启动模块8工作，直至温度降低到130℃，130度以下后，过温保护关闭，过温保护电路31继续输出ss_en信号使软启动模块8开始工作，由此起到防止芯片温度过高，保护芯片的作用；所述过零保护电路32正负输入端分别与sw和gnd端相连，通过sw端电位与gnd端电位的比较，反映电感电流是否为零，当电感电流为零时，通过驱动模块2的逻辑驱动和死区电路22控制稳压管强制关断，由此防止生成倒灌电流使电路重新启动或者流入过大电流导致损坏芯片。

7、进一步地，所述恒定导通时间模块4用于产生一个恒定的导通时间，且在检测到进入瞬态时，可增强瞬态响应；恒定导通时间模块4包括恒定导通时间生成电路41及瞬态检测和瞬态增强电路42；所述恒定导通时间生成电路41根据rs触发器21输出的qd信号来控制产生相应的输出信号vton；瞬态检测和瞬态增强电路42通过比较mvref(m一般取值0.8左右)和vfb信号检测负载是否进入瞬态，当vfb小于mvref时，检测到负载进入瞬态，瞬态检测和瞬态增强电路42通过减小充电电流和增大电容来增大瞬态时候的充电时间，从而减小瞬态恢复时间，减小欠冲，提高了瞬态响应。

8、进一步地，所述直流校准模块5包括直流误差采样电路51、v-i转化电路52及直流精度校准电路53；直流误差采样电路51为积分器，积分器正负输入端分别接输出的反馈电压vfb和基准电压vref，通过积分器把这两个电压的直流误差电压采样出来，送入v-i转化电路52，v-i转化电路52将直流误差电压转化成直流误差电流，直流误差电流再通过直流精度校准电路53转化成直流误差电压并叠加到vref上，从而使vfb和vref信号通过直流校准模块5得到具有相同直流电压的vfb’和vref’信号。

9、进一步地，所述比较器模块6的正负输入端分别接直流校准模块5输出的vref’和vfb’信号，比较器模块6用于比较这两个电压，当vref’大于vfb’时，输出为高电平，反之为低电平。

10、进一步的，所述基准电压模块7输入端接电源电压vin，通过调节正负温度系数电压，使正温度系数电压和负温度系数电压叠加得到零温度系数电压，并结合一个与输入电压vin无关的偏置，即可输出一个与温度和电源电压均无关的基准电压vref，这个电压作为芯片的参考电压。

11、进一步地，所述软启动模块8的使能端与过温保护电路31的输出端连接，当温保护电路31输出使能信号ss_en给软启动模块8时，软启动模块8开始正常工作，通过对电容充电得到电感电流和输出电压，当软启动模块8使电感电流和输出电压上升到目标值时，输出软启动完成信号comp_en给比较器模块6，使比较器模块6开始工作。

12、另一方面，本发明提供了一种用于提高acot架构瞬态响应和精度的buck型电路的控制方法，具体包括如下步骤：

13、步骤一：通过直流校准模块5中的直流误差采样电路51采样基准电压vref和反馈电压vfb的直流电压误差，将所述直流电压误差通过v-i转化电路52转换成电流，将误差电流通过直流精度校准电路53转化成误差电压，并叠加到vref上，使vref’和vfb’输出直流电压一样，从而提高了输出电压的精度；

14、步骤二：当负载从轻载向重载跳变时，输出电压vout下降，反馈电压vfb下降，恒定导通时间模块4中的瞬态检测和瞬态增强电路42通过比较mvref信号和vfb信号进而判断电路是否进入瞬态，进入瞬态后，瞬态检测和瞬态增强电路42通过减小充电电流和增大电容来增大导通时间，从而减小瞬态恢复时间，提高瞬态响应。

15、与现有技术相比，本发明的优点如下：

16、本发明的一种用于提高acot架构瞬态响应和精度的buck型电路及其控制方法，该电路的kvout是通过两个电阻对输出电压分压，再经过一个滤波器得到；与传统只用电阻分压未用滤波器得到的电压相比，采用了滤波器得到的kvout电压是一个直流电压，用这个直流的电压可以使恒定导通时间模块生成的导通时间在每个开关周期内都更精确，最终也能一定程度上提高输出电压的精度；该控制方法是把vfb与vref通过直流电压精度校正的方法，使送入比较器的vref和vfb电压直流值近似相等，大大减小了直流电压误差对输出精度的影响，提高了输出精度。另外，在检测到负载从轻载向重载跳变后，恒定导通时间电路中的瞬态增强电路被激活，提供更大导通时间，使充电速度更快，瞬态响应更好。