用于高压Buck变换器的电源轨电路

用于高压buck变换器的电源轨电路
技术领域
1.本发明属于电子电路技术领域，具体的说是涉及一种用于高压buck变换器的电源轨电路。


背景技术：

2.随着节能减排政策的不断推进，市场对低功耗产品的需求急剧增加。以开关电源为例，在高压buck变换器中，通常会利用电源轨电路为内部电路模块进行供电，以降低开关电源的内部功耗，从而使整个电子产品功耗更低。传统的高压buck变换器中，内部电源轨电路由预降压模块、基准模块和ldo模块组成。电源轨的实现方式通过稳压管进行预降压，得到粗糙的电压为后级基准模块供电，再由基准模块产生的基准电压作为后级ldo模块的参考电压，最终得到内部电源轨。使用稳压管实现预降压存在以下缺点：集成稳压管的性能受工艺影响较大且利用稳压管实现预降压方式具有较大的功耗。因此上述的电源轨电路不适合应用到对低功耗要求更高的高压buck变换器中。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种用于高压buck变换器的电源轨电路，该电路基于直接级联ldo模块和基准模块，省去预降压模块，通过增加简单的辅助启动电路使级联后的电源轨系统路正常启动上电。整个电源轨电路不使用集成稳压管。与此同时，通过运放a1、a2箝位实现浮动轨ldo电路。
4.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.用于高压buck变换器的电源轨电路，包括ldo电路和基准电路，ldo电路包括电流偏置电路、辅助启动电路、固定轨ldo电路、浮动轨ldo电路；
6.所述电流偏置电路的输入端接输入电压vin，电流偏置电路输出偏置电流ibias和参考电压vb；
7.所述固定轨ldo电路包括第一运算放大器a1、pmos功率管m
power
、第一电阻r1、第二电阻r2、第一电容c1；第一运算放大器a1的负输入端接基准电路输出的基准电压vref，正输入端接第一电阻r1和第二电阻r2的连接点，输出端接pmos功率管m
power
的栅极，第一运算放大器a1的电源端接输入电压vin，偏置电流ibias为第一运算放大器a1提供电流偏置；pmos功率管m
power
的源极接输入电压vin，其漏极依次通过第一电阻r1和第二电阻r2后接地信号vss；第一电容c1与串联的第一电阻r1和第二电阻r2并联；pmos功率管m
power
的漏极与第一电阻r1和第一电容c1的连接点为固定轨ldo电路的输出端，输出第一输出电压vin2，第一输出电压vin2接基准电路的输入端；
8.所述浮动轨ldo电路包括第二运算放大器a2、第三运算放大器a3、第一nmos管m1、第二nmos管m2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第二电容c2；所述第二运算放大器a2的正输入端接基准电压vref，负输入端接第一nmos管mn1的源极，输出端接第一nmos管m1的栅极，第二运算放大器a2的电源端接输入电压vin，偏置电流ibias为第二运算放大器a2提
供电流偏置；第一nmos管m1的漏极通过第三电阻r3后接输入电压vin，第一nmos管m1的源极通过第四电阻r4后接地vss；第三运算放大器a3的负输入端通过第三电阻后接输入电压vin，正输入端接第二nmos管m2的漏极，输出端接第二nmos管m2的栅极，第三运算放大器a3的电源端接输入电压vin，偏置电流ibias为第三运算放大器a3提供电流偏置；第二nmos管的漏极通过第五电阻r5后接输入电压vin，其源极接地vss；第二电容c2和第五电阻r5并联；第五电阻r5、第二电容c2和第二nmos管漏极的连接点为浮动轨ldo电路的输出端，输出第二输出电压vout；
9.所述辅助启动电路的输入分别为输入电压vin、参考电压vb、偏置电流ibias和第一输出电压vin2，辅助启动电路输出端接pmos功率管m
power
的栅极，所述辅助启动电路用于拉低pmos功率管m
power
的栅极，使第一输出电压vin2开始上升，当第一输出电压vin2达到基准电路最低输入电压后，vref建立，辅助启动电路中的比较器发生翻转，辅助启动电路断开对pmos功率管m
power
的栅极控制，整个ldo通过自身负反馈调节完成电源轨电路建立。
10.进一步的，所述辅助启动电路包括比较器a、pmos管m6、第三nmos管m3、第四nmos管m4、第五nmos管m5、第六电阻r6、第七电阻r7；比较器的负输入端接参考电压vb，比较器的正输入端接第六电阻r6和第七电阻r7的连接点，输出端接第四nmos管m4的栅极；第六电阻r6和第七电阻r7串联，串联后第六电阻r6接第一输出电压vin2，第七电阻r7接地vss；pmos管m6的源极接输入电压vin，其栅极接偏置电流ibias，其源极接第五nmos管m5的栅极、第三nmos管m3的漏极和第四nmos管m4的漏极；第四nmos管m4的源极、第三nmos管的栅极和源极、第五nmos管的源极接地vss。
11.本发明的有益效果为，本发明提出用于高压buck变换器的电源轨电路，通过简单的辅助启动电路，省去预降压模块，在简化电路结构的同时降低功耗，实现了电源轨低功耗的功能。整个buck变换器实现低至μa级输入电流源启动，在整个待机过程处于低功耗状态。用运放a2、a3箝位的浮动轨ldo，相较于二极管连接形式的箝位而言，输出vout信号受工艺影响较小。整个电源轨电路不使用集成稳压管，电源轨电路输出在全工艺角下变化小，稳定性高。
附图说明
12.图1为本发明提出的用于高压buck变换器的电源轨电路整体框图；
13.图2为辅助启动电路图；
14.图3为用于高压buck变换器的电源轨电路上电示意图。
具体实施方式
15.下面结合附图和具体实施例详细描述本发明的技术方案。
16.图1为本发明提出的高压buck变换器的电源轨电路的整体结构示意图。包括ldo电路和基准电路。其中，ldo电路内含电流偏置电路、辅助启动电路、固定轨ldo电路、浮动轨ldo电路。图2为辅助启动电路图。
17.所述电流偏置电路产生ldo内部各模块所需的偏置电流ibias以及辅助启动电路的参考电压vb；所述辅助启动电路在基准电路未建立的初始上电阶段，通过比较固定轨ldo输出信号vin2的分压信号和参考电压vb，产生的控制信号vcon会下拉固定轨ldo电路中的
pmos功率管m
power
的栅极，使得固定轨ldo电路输出信号vin2快速建立；所述vin2也是基准电路的输入电压信号，当vin2达到基准电路的最小工作电压后，基准电路正常工作，产生稳定的电压基准vref信号；所述固定轨ldo电路，当电压基准vref建立完成后，辅助启动电路产生的控制信号vcon会断开对固定轨ldo的pmos功率管m
power
栅极的控制，由固定轨ldo的运放a1实现负反馈调节，产生固定轨ldo输出稳定电压vin2；所述浮动轨ldo电路，在电压基准vref建立完成后，通过运放a2箝位产生对输入vin固定的压差δv，再由浮动轨ldo的运放a3实现负反馈调节，产生固定浮动的输出电压vout。本发明通过简单的辅助启动电路，省去预降压模块，在简化电路结构的同时降低功耗，实现了电源轨低功耗的功能。用运放a2、a3箝位的浮动轨ldo，相较于二极管连接形式和电阻连接形式的箝位而言，输出信号vout受工艺影响较小，使整个电源轨电路全工艺角下输出变化小，稳定性高。
18.用于高压buck变换器的电源轨电路，包括ldo电路和基准电路。ldo电路和基准电路为级联关系，vin、vref、vss为ldo电路的输入信号，vin2、vout为ldo电路的输出信号；vin2、vss为基准电路的输入信号，vref为基准电路的输出信号。
19.所述ldo电路包含电流偏置电路、辅助启动电路、固定轨ldo电路、浮动轨ldo电路，其中，vin、vss为电流偏置电路、辅助启动电路、固定轨ldo电路、浮动轨ldo电路的输入信号，vref为固定轨ldo电路、浮动轨ldo电路的输入信号。vin2、vout为ldo电路的输出信号，vin2为固定轨ldo的输出，vout为浮动轨ldo的输出。
20.电流偏置电路输入信号为vin、vss，输出信号为ibias、vb。ibias信号给固定轨ldo电路、辅助启动电路、浮动轨ldo电路提供电流偏置。vb信号提供辅助启动电路的参考电压。
21.固定轨ldo包含运放a1，pmos功率管m
power
，反馈电阻r1、r2，电容c1。运放a1的输入信号包含vin、vref、ibias以及自身电阻r1和r2分压的反馈电压信号；m
power
的栅极连接a1的输出端和辅助启动电路的输出端vcon，m
power
的源极连接输入信号vin，m
power
的漏极连接电阻r1以及电容c1的一端，r1另一端连接r2的一端，r2和c1的另一端连接地信号vss。
22.浮动轨ldo电路包含运放a2、a3，nmos管m1、m2，电阻r3、电阻r4、电阻r5、电容c2。运放a2的输入信号包含vin、vref、ibias、电阻r4的反馈电压信号。电阻r4的一端接nmos管m1的源极，r4另一端接地信号vss；运放a2的输出接m1的栅极，m1的漏极接电阻r3的一端、r3另一端连接输入信号vin。运放a3的输入包含vin、ibais、m1的漏极电压信号和输出vout信号，运放a3的输出端连接nmos管m2的栅极。m2的源极接地信号vss，漏极连接输出信号vout。电阻r5和电容c2并联，它们的一端连接输入信号vin，另一端连接输出信号vout。
23.辅助启动电路包含比较器a，pmos管m6，nmos管m3、m4、m5以及电阻r6、r7。比较器a的输入信号包含vin2、vb、ibias和电阻r6、r7的分压信号；电阻r6的一端接vin2，另一端接r7；电阻r7的一端接r6，另一端接地信号vss；比较器a的输出连接nmos管m4，m4的漏端连接nmos管m5的栅极、nmos管m3的漏极以及pmos管m6的漏极。m4、m5的源极和m3的源极、栅极均接到地信号vss；m5的漏极为辅助启动电路的输出端vcon；m6的源极接到输入信号vin，m6的栅极电位由电流偏置电路ibias提供
24.具体工作过程如下：如图1所示，初始阶段电流偏置电路给ldo电路中的辅助启动电路、固定轨ldo电路和浮动轨ldo电路提供偏置，pmos功率管m
power
断开，vin2电压很低。如图2所示，辅助启动电路比较器a比较vb电压和vin2的分压，输出产生低信号使nmos管m4断开，nmos管m5的栅极由pmos管m6拉高，此时nmos管m5打开，将辅助启动电路的输出信号vcon
拉低，致使m
power
的栅极被拉低，m
power
打开，vin迅速给电容c1充电，vin2逐渐升高。随着vin2的升高，基准电路的输出信号vref也逐渐建立。当vin2达到基准电路的最小输入工作电压时，辅助启动电路的比较器a进行翻转，将nmos管m4打开，拉低nmos管m5的栅极电压，m5断开，此时vcon断开对pmos功率管m
power
的栅极控制，由自身环路进行负反馈调节。完成辅助启动后，vref建立完成，固定轨ldo输出电压vin2和浮动轨ldo输出电压vout逐渐建立。浮动轨vout的建立由运放a2箝位产生与输入vin固定的差值电压δv，δv由vref、r3和r4的比值决定。最后浮动电压vout由运放a3进行负反馈调节，得到vout＝vin-δv的浮动电压。整个电源轨电路的整体功耗取决于电阻大小，电阻越大则功耗越小。相较于通过二极管连接方式得到的固定压差δv，本发明提出的电源轨通过运放a2箝位产生的固定压差δv受工艺角影响较小，使得整个电源轨的浮动输出vout会更加准确。
25.图3为高压buck变换器的电源轨电路上电示意图，包含输入电压vin，固定轨ldo输出vin2，浮动轨ldo输出vout和基准输出vref。初始vin上电阶段，m
power
断开，vin2为低不变；由于vin很低，电路中的mos管未开启工作，vout跟随vin升高。当vin达到一定值后，辅助启动电路开始工作，m
power
打开，vin2跟随vin升高，vref开始建立。当vref建立完成后，辅助启动电路断开对m
power
的控制，vin2和vout逐渐建立完成，之后，vout与vin始终保持δv的压差。