一种有源负电流调制的同步降压稳压复合电路及控制方法.docx

一种有源负电流调制的同步降压稳压复合电路及控制方法专利名称：一种有源负电流调制的同步降压稳压复合电路及控制方法技术领域： 本发明涉及模拟电路领域，尤其涉及开关稳压电路背景技术： 传统的开关模式同步降压(buck)稳压器，一般包括两个开关管(分别简称为上位开关管和下位开关管)，电路中还包括有电感元件在轻载或无负载的情况下，下管导通时间过长可能导致电感电流IL减小到零并开始负向导通该负向电感电流IL在死区时间两侧变化瞬间对下管产生电压应力，该电压应力一方面来自上管体二极管的压降，另一方面来自寄生元件的电压尖冲因此，电感负电流值越大，相应的电压应力就越大因此希望通过限制电感负电流值，来达到降低下管电压应力的目的 而且，由于寄生参数的存在，下管的关断会在开关节点处造成高频振荡，其频率通常要比开关频率高得多这会导致输出电压含有高频纹波，带来电磁干扰(EMI)，进而影响电路性能现有技术采用无源RC缓冲电路来减轻上述影响，但这一技术也会降低电源效率发明内容 本发明的目的在于公开一种开关模式同步降压稳压复合电路，它包括一含下位开关管和上位开关管的降压稳压电路，产生低于输入电压的稳定输出电压，其特征在于进一步包括一有源负电流调制电路，电耦接所述下位开关并检测流经所述下位开关管的负电流，当检测到所述负电流时，所述有源负电流调制电路使下位开关管处于线性放大区，将所述负电流限制在一预定电流值。

在轻载状态下，当下个开关周期到来而所述上位开关管导通时，所述有源负电流调制电路停止对所述下位开关管进行驱动，停止限制所述负电流 该开关模式同步降压稳压复合电路进一步包括一LC滤波电路，电耦接至所述降压稳压电路，其中所述LC滤波电路接收通过所述上位开关管和所述下位开关管的开合动作产生的开关电压，并产生所述的稳定输出电压所述上位开关管为至少一个n型金属氧化物半导体(nMOS)晶体开关管；所述下位开关管为至少一个n型金属氧化物半导体(nMOS)晶体开关管，并和所述上位nMOS晶体开关管串联 其中降压稳压电路可进一步包括一第一栅极驱动电路，电耦接并驱动所述上位nMOS晶体开关管；一第二栅极驱动电路，电耦接并驱动所述下位nMOS晶体开关管；一脉冲宽度调制控制电路，电耦接并驱动所述第一栅极驱动电路和第二栅极驱动电路；一第一误差放大器，电耦接至一第一参考电压和一所述稳定输出电压的反馈信号 当所述有源负电流调制电路检测到轻载状态下所述负电流时，控制所述第二栅极驱动电路工作于高阻输出状态所述有源负电流调制电路可包括如下部件一比较器，电耦接至所述下位开关管，用于检测所述负电流；一电流镜，电耦接至所述比较器和所述降压稳压电路，使所述负电流等于所述预定电流值。

所述电流镜可进一步包括一n-沟道金属氧化物半导体(nMOS)晶体管，以二极管方式连接；一电流源，产生正比于所述预定电流值的电流；一缓冲器，同相输入端电耦接至所述电流源和所述nMOS晶体管的栅极和漏极，反相输入端电耦接至自身输出端和所述下位开关管的栅极所述比较器可包括一同相输入端，一反相输入端和一输出端，其中反相输入端电耦接至所述下位开关管的源极/衬底，同相输入端电耦接至所述下位开关管的漏极所述nMOS晶体管在尺寸上远小于所述下位开关管所述有源负电流调制电路还可进一步包括一RS触发器，电耦接至所述第二栅极驱动电路和所述缓冲器 所述降压稳压电路还可进一步包括一自举电路，为所述下位开关管和所述上位开关管提供正确的栅极驱动电压 本发明的目的还在于公开一种用于控制开关模式降压稳压电路的方法，其中所述开关模式降压稳压电路包括一上位开关管和一下位开关管，该方法包括以下步骤检测流过所述下位开关管的电流是否在轻载状态下改变方向为负电流；当检测到所述负电流，使所述下位开关管工作于线性放大区；将所述负电流限制在一预定电流值 该方法还可进一步包括产生一小于输入电压的稳定输出电压的步骤 其中检测流过所述下位开关管的电流是否改变方向为负电流的步骤可为确定开关节点处的电压是否改变极性。

使所述下位开关管工作于线性开通模式的步骤可包括监控所述开关模式降压稳压电路的反馈电压使所述下位开关管工作于线性开通模式的步骤包括使所述下位开关管的驱动电路工作于高阻输出状态将所述负电流限制在一预定电流值的步骤可进一步包括产生正比于所述预定电流值的参考电流；使所述负电流等于所述预定电流值 当所述上位开关管被导通时，停止将所述下位开关管运行于线性放大区，停止将所述负电流限制于所述预定电流值 本发明通过增加有源负电流调制电路实现了对下位开关管负电流的可靠控制，将其限制在一预定值，既可以降低电磁干扰的影响，又具有较高的电源效率附图用来解释本发明的各个具体实施方式，其构成了本说明书的一部分附图及其说明，用于解释本发明的基本原理 图1为含有源负电流调制电路的开关模式buck稳压复合电路的结构框图在本发明的一个实施例中，该有源负电流调制电路与buck稳压电路相耦接 图2为含有源负电流调制电路的开关模式buck稳压复合电路的示意图在本发明的一个实施例中，该有源负电流调制电路与buck稳压电路相耦接 图3A为重载情况下，对应图2所示开关模式buck稳压复合电路中相应物理量的电压电流波形 图3B为轻载情况下，对应图2所示开关模式buck稳压复合电路中相应物理量的电压电流波形。

图4为在本发明的一个实施例中，关于开关模式buck稳压复合电路控制方法的流程图具体实施例方式 图1为一个开关模式同步buck稳压复合电路100实施例的框图示意图该开关模式同步buck稳压复合电路100包括一个buck稳压电路110和一个有源负电流调制电路120在一种实施方式里，开关模式同步buck稳压复合电路100采用集成电路封装芯片形式，它包含如下开关管脚输入端IN 101，自举端BST102，开关节点端SW 103，接地端GND 104，反馈端FB 105和电压参考端REF106，其中电压参考端输入一外部参考电压VREF在另一种实施方式中，参考电压VREF由开关模式同步buck稳压复合电路100内部生成在输入端101，一个未经调节的输入电压VIN输入buck稳压复合电路100在自举端BST102和开关节点端SW103之间连接一自举电容CBST 141，用于给buck稳压电路110的上位开关管和下位开关管提供正确的栅极驱动电压在输入端IN 101和电气地119之间连接一输入电容CIN 142在输出节点134，输出电压VOUT经采样用于反馈控制开关模式buck稳压电路110 继续图1的说明，在开关节点端103，一LC滤波电路130连接到开关模式buck稳压复合电路100，用于从buck稳压电路110接收开关节点端电压。

在一种实施方式中，输出滤波电路130为一电感L 131和一电容C 132的电耦接结构电感L 131一端连接到开关节点端SW 103，另一端连接电容C 132和输出节点134，在输出节点134上，经调整的输出电压VOUT被引出电容132的另一端连接电气地119此外，输出节点134连接反馈电路150其中反馈电路150包括电耦接的第一电阻151和第二电阻152第一电阻151的一端连接输出节点134，另一端连接第二电阻152和反馈端105第二电阻152的另一端连接电气地119通过这个结构，经调整的输出电压VOUT经采样被反馈用于调节buck稳压电路110 有源负电流调制电路120耦接至buck电路110，当检测到轻载状态下的负电流时，使下位开关管处于线性放大区，将负电流钳制在预定的电流值 图2为开关模式同步buck稳压复合电路200的实施例在这个实施例中，一n-沟道金属氧化物半导体(nMOS)上位开关晶体管M1 214(此后称“上位开关管214”)和一n-沟道金属氧化物半导体(nMOS)下位开关晶体管M2 216(此后称“下位开关管216”)相连接其中，nMOS下位开关管216的漏极与LC滤波电路130的电感131在开关节点端103相连接，并与nMOS上位开关管214的源极(或衬底)相连接。

nMOS下位开关管216的源极在接地端104与电气地119相连接nMOS上位开关管214的漏极与输入端101和输入电容142相连接 第一栅极驱动电路DR1 213与nMOS上位开关管214的栅极连接用于驱动nMOS上位开关管214第二栅极驱动电路DR2 215与nMOS下位开关管216的栅极连接用于驱动nMOS下位开关管216一脉冲宽度调制(PWM)控制电路212驱动第一栅极驱动电路DR1 213和第二栅极驱动电路DR2 215在一种方式中，第一栅极驱动电路DR1 213包含连接到自举端BST 102的上拉端和连接到开关节点端SW 103的下拉端PWM控制电路212由第一误差放大器A1 211驱动其中第一误差放大器A1 211的同相端与电压参考端106连接用于接收一参考电压VREF，反相端与反馈端105相连 有源负电流调制电路120包括一第一比较器C1 221，其中第一比较器C1 221的同相端连接nMOS下位开关管216的漏极，反相端连接nMOS下位开关管216的源极/衬底在一种实施方式中，一RS触发器222的置位端S连接第一比较器C1 221的输出端，复位端R连接PWM控制电路212和第一栅极驱动电路DR1 213的输入端，输出端Q通过一电流镜耦接第二栅极驱动电路DR2215的第三态输入端TRI。

一以二极管方式连接的n-沟道金属氧化物半导体M3 224(“nMOS晶体管224”)电耦接至一第二误差放大器A2 223的同相输入端其中，nMOS晶体管224的栅极与漏极相连并连接第二误差放大器A2 223的同相输入端，源极/衬底连接电气地119第二误差放大器A2 223的反相端连接其输出端并和nMOS下位开关管216的栅极相连第二误差放大器A2 223起到缓冲器的作用，使nMOS下位开关管216的栅源电压VGS与nMOS晶体管224的栅源电压一致RS触发器222的Q端同时连接第二误差放大器A2 223的使能端EN一电流源225连接nMOS晶体管224的栅极和漏极用于为nMOS晶体管224提供一固定电流I1其中前述电流镜包括nMOS晶体管224、电流源225和第二误差放大器A2 223 若一负向电流出现使得开关节点端103处的开关电压VSW高于电气地119，第一比较器C1 221检测到nMOS下位开关管216的漏源电压VDS极性的变化并输出高电平，将RS触发器222的输出端置高电平高电平的Q通过第二误差放大器A2 223将第二栅极驱动电路DR2 215置于第三态即高阻输出状态这样，nMOS下位开关管216维持性放大区，下位开关管负电流被限制在较小的电流值。

下面将结合图3A和图3B继续对电路200进行说明图3A示出了电路200正常工作时的波形图300A电压波形301A表示输入到nMOS上位开关管214栅极的第一栅极驱动电压VG1电压波形302A表示输入到nMOS下位开关管216栅极的第二栅极驱动电压VG2PWM控制电路212控制nMOS下位开关管216在nMOS上位开关管214导通之前截止，反之亦然，因此，无论输出电容是否将输出电压保持在需调整的水平，T1-T2，T3-T4，T5-T6和T7-T8为死区时间，该这些区间，上位开关管214和下位开关管216同时截止 在第一个开关周期的T0-T1时间段，波形301A为高，上位开关管214呈导通状态此时，波形302A为低电平，下位开关管216呈截止状态此时，开关节点端SW 103和未经调整的输入电压VIN连接，反映于表示开关节点端SW 103处开关电压VSW的波形303A在这段时间内，由波形304A表示的电感电流IL以的斜率上升 接下来，在第一个死区时间内，即T1至T。