BOOST型开关电源电压调整器的制作方法

boost型开关电源电压调整器
技术领域
1.本实用新型属于电子电路技术领域，涉及一种开关电源电路，尤其涉及一种boost型开关电源电压调整器。


背景技术：

2.开关型电源电压调整器是一类一般用于电源设计的拓扑结构，具有产生可调整的稳定输出电压的功能。其结构决定了可以通过人为地去调整输出电压，并且由于存在分压采样网络、误差放大器及脉宽调制器构成稳定的环路，因此被广泛用于电源功能模块中。开关型电源电压调整器的性能对整个电路具有较大影响。
3.开关型电源电压调整器典型的有buck型开关电源电压调整器和boost型开关电源电压调整器两类。buck型开关电源电压调整器又叫降压调整器，由其结构决定了输出电压必须低于输入电压时，调整器才能正常稳定工作；boost型开关电源电压调整器又叫升压调整器，由其结构决定了输出电压必须高于输入电压时，调整器才能正常稳定工作。
4.以传统的buck型开关电源电压调整器电路为例：当开关管导通时，电路的输入端为电感充电，同时也为负载在输出端提供电流，当开关管关断时，由于电感的电流不能够突变，所以电感极性变化并为负载在输出端提供电流。可以根据buck型开关电源电压调整器电路结构示意图，忽略二极管压降简要列出开关管导通和关断时近似方程：电路结构示意图，忽略二极管压降简要列出开关管导通和关断时近似方程：ton＝t
·
d，toff＝t
·
(1-d)；其中t为开关管开关时间周期，d为对应的占空比。由于开关管开关状况变化时，电感中的电流不会突变，故解方程可得到：v
out
＝v
in
·
d，可以看出该结构下通过调整开关管的占空比能够得到的输出电压是小于等于输入电压的，同时与输出端相连的分压网络和误差放大器等构成的反馈环路保证了输出电压的稳定。
5.以传统的boost型开关电源电压电路为例：当开关管导通时，电路的输入端为电感充电，当开关管关断时，由于电感的电流不能够突变，所以此时电感极性变化并和电路的输入端一起为负载提供电流。可以根据boost型开关电源电压电路结构示意图，忽略二极管导通压降简要列出开关管导通和关断时近似方程：ton＝t
·
d，toff＝t
·
(1-d)；其中t为开关管开关时间周期，d为对应的占空比。由于开关管开关状况变化时，电感中的电流不会突变，故解方程可得到：可以看出该结构下通过调整开关管的占空比能够得到的输出电压是大于等于输入电压的，同时与输入端相连的分压网络和误差放大器等构成的反馈环路保证了输出电压的稳定。
6.在实际应用中，能够正确输出可调整且稳定的输出电压值是开关调整器最基本的要求，也是关乎到使用该结构的电源电路是否可行的关键因素。但是由于buck型开关电源
电压调整器电路结构和boost型开关电源电压电路结构决定了输出电压都存在可调整的电压范围，这在实际应用中无疑是一个较大的限制，会对之后的结构设计产生重大影响。
7.有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的开关型电源电压调整器，以便克服现有开关型电源电压调整器存在的上述至少部分缺陷。


技术实现要素：

8.本实用新型提供一种boost型开关电源电压调整器，可解决传统boost型开关电源电压调整器结构存在的输出电压值的限制，提升电路的稳定性。
9.为解决上述技术问题，根据本实用新型的一个方面，采用如下技术方案：
10.一种boost型开关电源电压调整器，所述电压调整器包括：
11.输入端in，用于提供输入电压；
12.输出端out，用于提供输出电压；
13.电感l1，其同名端与输入端in相连，用于在开关管nm1关断后与输入端in电压一起为负载提供电流；
14.开关管nm1，连接在电感l1异名端和地之间；
15.第一p型沟道mos场效应管pm1，其衬底与漏极接在一起，用以代替二极管，通过同步整流技术减少因二极管导通压降导致的电压损耗；
16.第二p型沟道mos场效应管pm2，其衬底与源级接在一起，用以在输出端电压需要小于输入端电压时起到等效电阻的作用进行降压；
17.第一p型沟道mos场效应管pm1、第二p型沟道mos场效应管pm2以串联方式连接在电感l1异名端和输出端out之间；
18.电容c1，连接在输出端out和地之间，用于在开关管nm1导通时为负载提供电流；
19.电阻分压网络，连接在输出端out和地之间；
20.误差放大器ea，其以电阻分压网络的输出和基准电压vref1为输入；
21.脉宽调制器pwm，其以误差放大器ea的输出和周期为t的锯齿波vt为输入，脉宽调制器pwm的输出连接至开关管nm1的栅极，用于根据基准电压vref1来调整脉宽调制器的输出电压的占空比，从而调整开关管nm1循环周期内导通时间和关断时间的比例，最终调整输出电流和输出电压；
22.电压比较器comp，其以输入端in和输出端out作为输入，所述电压比较器comp的输出接在第二p型沟道mos场效应管pm2的栅极；
23.控制端ct，用以控制第一p型沟道mos场效应管pm1的导通，使第一p型沟道mos场效应管pm1能够在开关管导通和关断时分别使第一p型沟道mos场效应管pm1关断和导通。
24.作为本实用新型的一种实施方式，所述电阻分压网络包括串联第一电阻r1、第二电阻r2。
25.作为本实用新型的一种实施方式，所述开关管nm1为n型沟道mos场效应管。
26.作为本实用新型的一种实施方式，当开关管nm1导通时，控制端ct输出高电平使第一p型沟道mos场效应管pm1关断；当开关管nm1关断时，控制端ct输出低电平使第一p型沟道mos场效应管pm1导通；从而减小因二极管d1导通压降造成的损耗。
27.作为本实用新型的一种实施方式，采用以输入端in的输入电压和输出端out的输
出电压作为输入的电压比较器comp和由电压比较器comp的输出控制栅极的第二p型沟道mos场效应管pm2来完成输出端out的输出电压值低于输入端in的输入电压值时刻的降压工作。
28.作为本实用新型的一种实施方式，若需要使输出端out的输出电压值在大于输入端in的输入电压值的调整范围内进行增大或减小的调整时，根据需要的输出电压值和电阻分压网络设置对应的基准电压vref1；
29.误差放大器ea和脉宽调制器pwm根据当前输出电压的分压采样值和基准电压值来调整脉宽调制器pwm的方波输出的占空比，使开关管的导通时间得到调整；进而使电感l1的充电时间得到改变，这样在开关管关断期间，电感l1能够为负载提供的电能也相应改变，导致输出端out的输出电压相应改变；
30.当输出端out的输出电压通过电阻分压网络的分压后，分压值与基准电压值vref1相等时，反馈环路稳定，进一步使输出端out的输出电压也保持稳定。
31.作为本实用新型的一种实施方式，若需要使输出端out的输出电压值在小于输入端in的输入电压值的调整范围内进行增大或减小的调整时，根据需要的输出电压值和电阻分压网络设置对应的基准电压vref1；
32.误差放大器ea和脉宽调制器pwm会根据当前较大的输出电压的分压采样值和基准电压值来减小脉宽调制器pwm的方波输出的占空比，使开关管的导通时间变短；进而使电感l1的充电时间变短，这样在开关管关断期间，电感l1能够为负载提供的电能也相应减少，导致输出端out的输出电压下降；
33.当输出端out的输出电压下降到等于输入端in的输入电压时，以输入端in的输入电压和输出端in的输出电压为输入的电压比较器comp检测到这一状况时，输出高电平到第二p型沟道mos场效应管pm2的栅极，使第二p型沟道mos场效应管pm2夹断；
34.此时尽管开关管保持关断，输入端in通过第一p型沟道mos场效应管pm1的源极和衬底构成的pn结直通到pm2的源极，但是却不能够通过与源极相连的衬底和漏极构成的np结导通至输出端out，通过pm2的唯一方法就是通过pm2的沟道传输；
35.第二p型沟道mos场效应管pm2夹断后，输出端out的输出电压会因为负载到地的通路变低，当输出端out的输出电压的分压采样值小于基准电压值时，误差放大器ea和脉宽调制器pwm又会输出方波至开关管的栅极。于是电感l1又开始进行充放电行为，在首个开关管重新恢复导通和关断的周期中，当开关管关断时，电感l1异名端的电压值是等于电感l1的电压值加上输入端in的电压值，该电压值通过开启的第一p型沟道mos场效应管pm1抵达第二p型沟道mos场效应管pm2的源极，进而使第二p型沟道mos场效应管pm2工作在饱和区，等效于一个电阻完成降压的工作；
36.输出端out的输出电压又会相应变化，引起反馈环路的继续调整；最终，当输出端out的输出电压的分压采样值和基准电压值相等时，反馈环路稳定，进一步得到了一个稳定的且电压值低于输入端in的输入电压值的输出电压值out。
37.本实用新型的有益效果在于：本实用新型提出的boost型开关电源电压调整器，可解决传统boost型开关电源电压调整器结构存在的输出电压值的限制。
38.在需要输出端out的电压小于输入端in的电压时，首先按照需要的输出端电压值设置vref1的电压值，通过反馈环路使脉宽调制器pwm的输出方波的占空比d变成0，输出端
out相当于与输入端in直接相通，从而输出端out的电压等于输入端in的电压。随即电压比较器comp检测到输出端的电压等于输入端的电压，于是输出高电平到pm2的栅极处，使pm2工作在饱和区等效为一个电阻，完成从输入端in到输出端out的降压过程。此时，由于pm2的参与，构成了新的反馈关系，电压值低于输入端in的输入电压的输出端out的输出电压也能够通过反馈环路得以稳定。
附图说明
39.图1为传统buck型开关电源电压调整器电路结构示意图。
40.图2为一种传统的boost型开关电源电压调整器电路结构示意图。
41.图3为本实用新型一实施例中型开关电源电压调整器的拓扑结构示意图。
具体实施方式
42.下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。
43.为了进一步理解本实用新型，下面结合实施例对本实用新型优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本实用新型的特征和优点，而不是对本实用新型权利要求的限制。
44.该部分的描述只针对几个典型的实施例，本实用新型并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本实用新型描述和保护的范围内。
45.需要说明的是，本实用新型中诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或操作与另一个实体或操作区分，并不代表实体或操作之间存在任何实际的关系或顺序。本实用新型所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，图中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
46.说明书中各个实施例中的步骤的表述只是为了方便说明，本技术的实现方式不受步骤实现的顺序限制。
47.说明书中的“连接”既包含直接连接，也包含间接连接，如通过一些有源器件、无源器件或电传导媒介进行的连接；还可包括本领域技术人员公知的在可实现相同或相似功能目的的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、跟随电路等电路或部件的连接。
48.图2为一种传统的boost型开关电源电压调整器电路结构示意图；请参阅图2，假设此时输出电压和输出电流已经建设完成，当开关管nm1导通时，输入端in经由电感l1和开关管nm1连接到地，即输入端in为电感l1进行充电，持续时间为td，t为锯齿波vt的周期，d为脉宽调制器输出方波的占空比，这段时间内电感的同名端极性为正，异名端极性为负；当开关管nm1关断的瞬间，由于电感的电流不能够突变，且输出端out的输出电压是大于输入端in的输入电压的，所以开关管关断的瞬间，电感电流保持不变但是极性发生变化，即同名端极性为负，异名端极性为正。这时电感就相当于一个和输入端out同方向的电源，和输入端in一起向输出端out供电，所以输出端out的输出电压高于输入端电压in。
49.所述传统boost型开关电源电压调整器电路结构具有通过反馈回路完成对输出端
out的输出电压调整的功能，这也是开关型电源电压调整器的基本作用。
50.具体地，若需要在调整范围内得到比当前输出端out的输出电压值更小的输出电压时，可以根据需要的输出电压值和电阻分压网络设置对应的基准电压vref1,误差放大器ea和脉宽调制器pwm会根据当前较大输出电压的分压采样值和基准电压值来减小脉宽调制器pwm的输出电压的占空比，使开关管的导通时间变短。进而使电感l1的充电时间变短，这样在开关管关断期间，电感l1能够为负载提供的电能也相应减少，导致输出端out的输出电压下降，当输出端out的输出电压通过电阻分压网络的分压后，分压值与基准电压vref1相等时，反馈环路稳定，进一步使输出端out的输出电压也保持稳定。
51.具体地，若需要在调整范围内得到比当前输出端out的输出电压值更大的输出电压时，可以根据需要的输出电压值和电阻分压网络设置对应的基准电压vref1，误差放大器ea和脉宽调制器pwm会根据当前较小输出电压的分压采样值和基准电压值来增大脉宽调制器pwm的方波输出的占空比，使开关管的导通时间变长。进而使电感l1的充电时间变长，这样在开关管关断期间，电感l1能够为负载提供的电能也相应增多，导致输出端out的输出电压上升，当输出端out的输出电压通过电阻分压网络的分压后，分压值与基准电压vref1相等时，反馈环路稳定，进一步使输出端out的输出电压也保持稳定。
52.具体地，若需要使输出端out的输出电压值小于输入端in的输入电压值时，根据上述操作方法根据需要的输出电压值和电阻分压网络设置对应的基准电压vref1，误差放大器和脉宽调制器会根据当前较大输出电压的分压采样值和基准电压值来减小脉宽调制器pwm的方波输出的占空比，使开关管的导通时间变短。进而使电感l1的充电时间变短，这样在开关管关断期间，电感l1能够为负载提供的电能也相应减少，导致输出端out的输出电压下降。但是，当脉宽调制器pwm方波输出的占空比达到0时，相当于开关管断开，输入端in经由电感l1和二极管d1直接连接到输出端out，此时输出端out的输出电压等于输入端in的输入电压值减去二极管d1的导通电压值，开关调整器失去调整的能力。
53.当需要的输出端out的输出电压低于输入电压时，传统的boost型开关电源电压调整器失效，表明传统的boost型开关电源电压调整器存在着输出电压的限制，这在实际应用中无疑会影响后续结构的设计，产生重大影响。
54.图3为本实用新型实施例提供的一种boost拓扑结构示意图；请参阅图3，本实用新型揭示了一种boost型开关电源电压调整器，所述电压调整器包括：输入端in、输出端out、控制端ct、电感l1、开关管nm1、第一p型沟道mos场效应管pm1、第二p型沟道mos场效应管pm2、电容c1、电阻分压网络、误差放大器ea及电压比较器comp。
55.所述输入端in用于提供输入电压；所述输出端out用于提供输出电压。所述电感l1的同名端与输入端in相连，用于在开关管nm1关断后与输入端in电压一起为负载提供电流。
56.所述开关管nm1连接在电感l1异名端和地之间，在电路中做开关管使用，通过调整nm1单个周期内导通时间和关断时间的比例，从而调整输出端的输出电压大小。在一实施例中，所述开关管nm1为n型沟道mos场效应管。
57.第一p型沟道mos场效应管pm1的衬底与漏极接在一起，用以代替二极管，通过同步整流技术减少因二极管导通压降导致的电压损耗。第二p型沟道mos场效应管pm2的衬底与源级接在一起，用以在输出端电压需要小于输入端电压时起到等效电阻的作用进行降压；所述第一p型沟道mos场效应管pm1、第二p型沟道mos场效应管pm2以串联方式连接在电感l1
异名端和输出端out之间。
58.电容c1连接在输出端out和地之间，用于在开关管nm1导通时为负载提供电流。电阻分压网络连接在输出端out和地之间；在一实施例中，所述电阻分压网络包括串联第一电阻r1、第二电阻r2。
59.误差放大器ea以电阻分压网络的输出和基准电压vref1为输入。脉宽调制器pwm以误差放大器ea的输出和周期为t的锯齿波vt为输入，脉宽调制器pwm的输出连接至开关管nm1的栅极，用于根据基准电压vref1来调整脉宽调制器的输出电压的占空比，从而调整开关管nm1循环周期内导通时间和关断时间的比例，最终调整输出电流和输出电压。
60.所述电压比较器comp以输入端in和输出端out作为输入，所述电压比较器comp的输出接在第二p型沟道mos场效应管pm2的栅极。
61.所述控制端ct用以控制第一p型沟道mos场效应管pm1的导通，使第一p型沟道mos场效应管pm1能够在开关管导通和关断时分别使第一p型沟道mos场效应管pm1关断和导通。
62.本实用新型还揭示一种上述的boost型开关电源电压调整器的控制方法，所述控制方法包括：
63.当开关管nm1导通时，控制端ct输出高电平使第一p型沟道mos场效应管pm1关断；当开关管nm1关断时，控制端ct输出低电平使第一p型沟道mos场效应管pm1导通；从而减小因二极管d1导通压降造成的损耗；
64.采用以输入端in的输入电压和输出端out的输出电压作为输入的电压比较器comp和由电压比较器comp的输出控制栅极的第二p型沟道mos场效应管pm2来完成输出端out的输出电压值低于输入端in的输入电压值时刻的降压工作。
65.与传统的boost型开关电源电压调整器结构不同，本实用新型的结构中采用同步整流技术，用控制端ct控制栅极的p型沟道mos场效应管pm1来取代原先的二极管d1。当开关管nm1导通时，控制端ct输出高电平使pm1关断；当开关管nm1关断时，控制端ct输出低电平使pm1导通，此操作的目的在于减小因二极管d1导通压降造成的损耗。此外，采用以输入端in的输入电压和输出端out的输出电压作为输入的电压比较器comp和由电压比较器comp的输出控制栅极的p型沟道mos场效应管pm2来完成输出端out的输出电压值低于输入端in的输入电压值时刻的降压工作。
66.在一实施例中，若需要使输出端out的输出电压值在大于输入端in的输入电压值的调整范围内进行增大或减小的调整时，根据需要的输出电压值和电阻分压网络设置对应的基准电压vref1，误差放大器ea和脉宽调制器pwm会根据当前输出电压的分压采样值和基准电压值来调整脉宽调制器pwm的方波输出的占空比，使开关管的导通时间得到调整。进而使电感l1的充电时间得到改变，这样在开关管关断期间。电感l1能够为负载提供的电能也相应改变，导致输出端out的输出电压相应改变，当输出端out的输出电压通过电阻分压网络的分压后，分压值与基准电压值vref1相等时，反馈环路稳定，进一步使输出端out的输出电压也保持稳定。
67.在一实施例中，若需要使输出端out的输出电压值在小于输入端in的输入电压值的调整范围内进行增大或减小的调整时，根据需要的输出电压值和电阻分压网络设置对应的基准电压vref1，误差放大器ea和脉宽调制器pwm会根据当前较大的输出电压的分压采样值和基准电压值来减小脉宽调制器pwm的方波输出的占空比，使开关管的导通时间变短。进
而使电感l1的充电时间变短，这样在开关管关断期间，电感l1能够为负载提供的电能也相应减少，导致输出端out的输出电压下降。
68.当输出端out的输出电压下降到等于输入端in的输入电压时，以输入端in的输入电压和输出端in的输出电压为输入的电压比较器comp检测到这一状况时，输出高电平到p型沟道mos场效应管pm2的栅极，使pm2夹断。此时尽管开关管保持关断，输入端可以通过pm1的源极和衬底构成的pn结直通到pm2的源极，但是却不能够通过与源极相连的衬底和漏极构成的np结导通至输出端out，通过pm2的唯一方法就是通过pm2的沟道传输。
69.pm2夹断后，输出端out的输出电压会因为负载到地的通路变低，当输出端out的输出电压的分压采样值小于基准电压值时，误差放大器ea和脉宽调制器pwm又会输出方波至开关管的栅极。于是电感l1又开始进行充放电行为，在首个开关管重新恢复导通和关断的周期中，当开关管关断时，电感l1异名端的电压值是等于电感l1的电压值加上输入端in的电压值，该电压值通过开启的pm1抵达pm2的源极，进而使pm2工作在饱和区，等效于一个电阻完成降压的工作。这样，输出端out的输出电压又会相应变化，引起反馈环路的继续调整。最终，当输出端out的输出电压的分压采样值和基准电压值相等时，反馈环路稳定，进一步得到了一个稳定的且电压值低于输入端in的输入电压值的输出电压值out。
70.如上所述，本实用新型提出的拓扑结构在低压输出时，存在一个工作在饱和区的p型沟道mos场效应管起到降压的作用，进而得到了电压值低于输入电压值的输出电压，并且该输出电压还可以通过设置基准电压vref1进行调整。突破了传统boost型开关电源电压调整器输出电压存在调整范围的受限的问题。
71.综上所述，本实用新型提出的boost型开关电源电压调整器，可解决传统boost型开关电源电压调整器结构存在的输出电压值的限制。
72.在需要输出端out的电压小于输入端in的电压时，首先按照需要的输出端电压值设置vref1的电压值，通过反馈环路使脉宽调制器pwm的输出方波的占空比d变成0，输出端out相当于与输入端in直接相通，从而输出端out的电压等于输入端in的电压。随即电压比较器comp检测到输出端的电压等于输入端的电压，于是输出高电平到pm2的栅极处，使pm2工作在饱和区等效为一个电阻，完成从输入端in到输出端out的降压过程。此时，由于pm2的参与，构成了新的反馈关系，电压值低于输入端in的输入电压的输出端out的输出电压也能够通过反馈环路得以稳定。
73.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
74.这里本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。实施例中所涉及的效果或优点可因多种因素干扰而可能不能在实施例中体现，对于效果或优点的描述不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。