[发明专利]一种适用于参考电压跟踪电源调制器的PWM调制电路

权利要求书

1.一种适用于参考电压跟踪电源调制器的PWM调制电路，其特征在于，所述电源调制器为Buck-Boost电源调制器,由四部分组成，分别是基于终点预测的误差放大器、线性PWM调制电路、驱动电路、功率级；基于终点预测的误差放大器由PID补偿器和终点预测模块组成，其中终点预测模块以参考电压Vref为输入，并输出误差电压预测值Vea_pre到PID补偿器，PID补偿器以参考电压Vref、误差电压预测值Vea_pre、输出电压Vout采样值为输入，并输出误差电压Vea到线性PWM调制电路；线性PWM调制电路由一个稳定幅度双锯齿波发生器、一个可变幅度锯齿波发生器、两个二选一多路选择器MUX1、MUX2、以及比较器1和比较器2组成，以误差电压Vea、偏置电压V_{H_BUCK}、V_{L_BUCK}、V_{H_BOOST}、V_{L_BOOST}为输入，并输出占空比信号Duty_buck、Duty_boost到驱动电路；驱动电路由死区时间发生器和反相器链组成，以占空比信号Duty_buck、Duty_boost为输入，并输出驱动信号SN1、SN2、SP1、SP2到功率级；功率级由功率管PMOS、功率管NMOS和滤波电感L、滤波电容C组成，以电源电压V_IN、驱动信号SN1、SN2、SP1、SP2为输入，并输出电压Vout；所述线性PWM调制电路用于产生功率开关的占空比信号并维持误差电压预测值Vea_pre和参考电压Vref之间的线性关系，在Buck模式下，用偏置电压V_{H_BUCK}作为锯齿波的顶端，用偏置电压V_{L_BUCK}作为锯齿波的底端，用误差电压Vea作为截波电压获得占空比信号；在Boost模式下，利用误差电压Vea作为Boost锯齿波的底端，用偏置电压V_{H_BOOST}作为锯齿波的顶端，用偏置电压V_{L_BOOST}作为截波电压来获得Boost模式下的占空比信号；稳定幅度双锯齿波发生器的四个边界输出V_{H_BUCK}、V_{L_BUCK}、V_{H_BOOST}、V_{L_BOOST}均为偏置电压，一个输出Ramp_buck以V_{H_BUCK}、V_{L_BUCK}为上下边界，连接到比较器1的负端，另一输出Ramp_mix以V_{H_BOOST}、V_{L_BOOST}为上下边界，连接到二选一多路选择器MUX1的0数据端；V_{H_BOOST}的值略大于V_{L_BUCK}，因此Ramp_buck和Ramp_mix之间存在微小的交叠，该交叠区提供了一个Buck、Boost过渡的混合工作模式，即Mixed模式，从而保证了Buck、Boost模式之间的平滑切换；可变幅度锯齿波发生器的上边界输入H端为偏置电压V_{H_BOOST}，下边界输入L端为误差电压Vea，其输出连接到二选一多路选择器MUX1的1数据端，在Buck/Mixed/Boost模式下上述三个锯齿波在电路中同时存在，但在不同模式下接入环路的锯齿波数目不同，在Buck模式下，只有Ramp_buck接入环路，与误差信号Vea比较，产生Buck的占空比信号Duty_buck，另外两路锯齿波仍存在并等待模式转换的时候接入环路；在过渡的Mixed模式下，Ramp_buck和Ramp_mix会同时接入环路，产生Buck的占空比信号Duty_buck和Boost的占空比信号Duty_boost，另外一路锯齿波仍存在并等待模式转换的时候接入环路；在Boost模式下，只有Ramp_boost会接入环路，和误差信号Vea比较产生Boost的占空比信号Duty_boost，另外两路锯齿波仍存在并等待模式转换的时候接入环路；误差信号Vea分别连接到可变幅度锯齿波发生器的下边界L端、二选一多路选择器MUX2的0数据端和比较器1的正输入端；偏置电压V_{L_BOOST}连接到稳定幅度双锯齿波发生器的边界电压端和MUX2的1数据端；两个MUX的数据选择信号由电源调制器是否工作的Boost模式的数字信号Mode_bst决定，选择出信号后，MUX1的输出连接到比较器2的负输入端，MUX2的输出连接到比较器2的正输入端；

通过以上连接，在Buck模式下，误差电压Vea和误差电压预测值Vea_pre的关系为Vea_pre≈Vea，占空比Duty_buck和误差电压预测值Vea_pre的关系为Duty_buck=1-(Vea_pre-V_{L_BUCK})/(V_{H_BUCK}-V_{L_BUCK})，Duty_buck和参考电压Vref的关系为Duty_buck=b*Vref/V_IN，其中b为输出电压采样比；进而得出Buck模式下误差电压预测值Vea_pre和参考电压Vref的关系为Vea_pre=V_{H_BUCK}- (V_{H_BUCK}-V_{L_BUCK})*b*Vref/V_IN；

在Boost模式下，误差电压和误差电压预测值的关系为Vea_pre≈Vea，占空比Duty_boost和误差电压预测值Vea_pre的关系为Duty_boost=(V_{L_BOOST}-Vea_pre)/(V_{H_BOOST}-Vea_pre)，Duty_boost和参考电压Vref的关系为Duty_boost=1-V_IN/(b*Vref)，由以上两式可以得出Boost模式下误差电压预测值Vea_pre和参考电压Vref的关系为Vea_pre= V_{H_BOOST}-(V_{H_BUCK}-V_{L_BUCK})*b*Vref/V_IN；

比较器1和比较器2的输出分别对应为Buck的占空比信号Duty_buck和Boost的占空比信号Duty_boost；当输出电压Vout小于电池输入电压V_IN的0.9倍时，电源调制器工作在Buck模式，此时Mode_bst为0，MUX1选通的信号为Ramp_mix，MUX2选通的信号为Vea，于是比较器1正负两端的输入信号分别为误差信号Vea和锯齿波Ramp_buck，其输出的占空比信号Duty_buck经过死区时间发生器及驱动后作用于功率管P1、N1；当输出电压Vout大于电池输入电压V_IN的0.9倍、小于V_IN的1.03倍时，电源调制器工作在Mixed模式，此时Mode_bst仍为0，MUX1选通的信号为Ramp_mix，MUX2选通的信号为Vea，于是比较器1正负两端的输入信号分别为误差信号Vea和锯齿波Ramp_buck，其输出的占空比信号Duty_buck经过死区时间发生器及驱动后作用于功率管P1、N1；比较器2正负两端的输入信号分别为Ramp_mix和Vea，其输出的占空比信号Duty_boost经过死区时间发生器及驱动后作用于功率管P2、N2；Duty_buck和Duty_boost不会在同一时钟周期同时存在，从每个时钟上升沿开始，如果误差信号Vea首先触碰到Ramp_buck，则本周期只产生Buck的占空比信号Duty_buck，Duty_boost将被屏蔽掉；如果误差信号Vea首先触碰到Ramp_mix，则本周期只产生Boost的占空比信号Duty_boost，Duty_buck将被屏蔽掉；当输出电压Vout大于电池输入电压V_IN的1.03倍时，电源调制器工作在Boost模式，即Mode_bst为1，此时MUX1选通的信号为Ramp_boost，MUX2选通的信号为V_{L_BOOST}，于是比较器2正负两端的输入信号分别变为偏置电压V_{L_BOOST}和锯齿波Ramp_boost，其输出的占空比信号Duty_boost通过死去时间发生器及驱动后作用于功率管P2、N2；由此，平滑快速的模式切换得以实现。

2. 根据权利要求1所述的PWM调制电路，其特征在于：当电源调制器进入Boost模式时，Mode_bst = 1，产生Duty_boost的比较器的输入得到切换，由Vea切换到了V_{L_BOOST}。