跨导型误差放大器和开关电源的制作方法

1.本发明属于开关电源技术领域，具体涉及一种跨导型误差放大器和开关电源。


背景技术：

2.开关电源由于其高转换效率在供电系统中得到广泛应用。在电流模式开关电源中，常见的拓扑结构有降压型(buck)、升压型(boost)、升降压型(buck-boost)等。其中，采用跨导型运放做误差放大器的结构最为常见。一般地，误差放大器的跨导是固定的。这带来的问题是对于不同的输出电压，如果采用相同的外围补偿参数，开关电源的带宽是随输出电压变化的。为了兼顾较宽的输出电压范围，需要采用较小的带宽以保证所有输出电压下均稳定。
3.对于buck、boost和buck-boost等结构，其统一的小信号模型如图1所示。图中ref为参考电压，a1为跨导型误差放大器，其跨导值为gmea。补偿电阻rcomp和补偿电容ccomp构成补偿网络。功率级为功率转换电路，一般由开关管和电感组成，对于电流控制型功率级，其等效模型为一个压控电流源，其跨导值为gmps。跨导值gmea和gmps一般由芯片内部设定，为固定值。第一反馈电阻rfb1和第二反馈电阻rfb2构成输出电压反馈网络。cout为输出电容，rload为输出等效负载电阻。
4.根据该小信号模型，系统环路带宽fc可以表示为：
[0005][0006]
为了便于使用，减少外围元器件数量以降低系统成本，越来越多的电源芯片或电源模块将补偿元件rcomp、ccomp和输出电容cout集成在芯片或模块内部。用户只需要调节第一反馈电阻rfb1和第二反馈电阻rfb2即可得到需要的输出电压vout。
[0007]
在开关电源系统中，为了保持系统的稳定，环路带宽一般不能太宽，比如一般设置fc在开关频率的1/10～1/6左右。而为了获得更快的响应速度，一般希望带宽尽可能的大。从上面的公式可以看出，在外围元件rcomp和cout固定的情况下，系统环路带宽fc随输出电压减小而增加。因此，如果rcomp和cout固定，用户必须保证最差情况下系统带宽满足稳定性要求，即输出电压最小时系统带宽在开关频率的1/10～1/6左右。此时，当输出高电压时，系统带宽会比较小，从而导致负载瞬态响应较差。
[0008]
现有技术方案中，误差放大器的跨导gmea为固定值。图2示出了一种pnp或pmos做输入级的跨导型误差放大器。其中iea为固定的电流偏置，q1、q2为差分输入对管，可以是pnp或pmos。
[0009]
图3所示为由nmos或npn形成的一种典型的n型电流镜。图4所示为一种由pmos或pnp形成的典型p型电流镜。图5所示为一种由npn或nmos做输入差分对管的跨导型误差放大器。其中q1和q2为差分输入对管，可以是npn或nmos晶体管。
[0010]
图6所示为一种典型的电平移位电路。电平移位电路用来实现共模电平的位移以满足误差放大器共模输入范围的需要。
[0011]
由小信号模型的系统环路带宽公式可以看出，在外围元件，包括补偿电阻rcomp和输出电容cout固定的情况下，系统环路带宽fc随输出电压减小而增加。
[0012]
图7显示了现有的某型开关电源在输出电压5v和输出电压1v时的增益曲线。从图7中可以看出，输出电压vo＝1v时的带宽大约为输出电压vo＝5v时带宽的5倍。


技术实现要素：

[0013]
(一)要解决的技术问题
[0014]
本发明旨在解决开关电源输出高电压时，系统带宽会比较小，从而导致负载瞬态响应较差的技术问题。
[0015]
(二)技术方案
[0016]
为解决上述技术问题，本发明第一方面提出一种用于开关电源的跨导型误差放大器，该开关电源具有反馈电路，并提供反馈电压、参考电压和输出电压，所述跨导型误差放大器包括输出电流产生电路、输入级、两个第一型电流镜和一个第二型电流镜；所述输出电流产生电路接入到所述输入级，该输入级由三级管对构成；所述三级管对的两个三极管的发射级均连接到输出电流产生电路的输出端，集电级分别连接到两个第一型电流镜的输入端；两个第一型电流镜的输出端分别接入第二型电流镜的输入端和输出端；所述输出电流产生电路的输出电流受所述开关电源的输出电压控制。
[0017]
根据本发明的优选实施方式，所述输出电流产生电路包括第一电流产生电路、第二电流产生电路和电流选择电路；所述第一电流产生电路用于产生第一电流，所述第二电流产生电路用来产生第二电流，所述电流选择电路用于根据误差放大器的输出电压来选择所述第一电流或所述第二电流作为输出电流；所述第一电流为恒定电流；所述第二电流与所述开关电源的输电电压成正比；所述电流选择电路控制所述输出电流产生电路输出的所述输出电流，以使得当所述开关电源的输出电压小于或等于最小参考电压时，输出所述第一电流，当所述开关电源的输出电压大于所述最小参考电压时，输出所述第二电流。
[0018]
根据本发明的优选实施方式，所述第二电流产生电路包括运算放大器、第一mos管、第一电阻和p型电流镜；第一mos管为pmos管，其发射极连接至运算放大器的负输入端，且经由第一电阻接地，第一mos管的基极连接至运算放大器的输出端，集电极连接至p型电流镜的输入端；所述运算放大器的正输入端接入误差放大器的输出电压，p型电流镜的输出端用于输出所述第二电流。
[0019]
根据本发明的优选实施方式，所述电流选择电路包括第一mos管对和第二mos管对，各mos管对均包括两个mos管，第一mos管对的两个mos管的发射级接入所述第一电流，第二mos管对的两个mos管的发射级接入所述第二电流。
[0020]
根据本发明的优选实施方式，第一mos管对和第二mos管对的mos管均为nmos管；第一mos管对包括第二mos管和第三mos管，第二mos管对包括第四mos管和第五mos管；第二mos管和第五mos管的基极接入最小参考电压，第三mos管和第四mos管的基极接入开关电源的输出电压，第三mos管和第五mos管的集电极均连接至该输出电流产生电路的输出端，用于输出所述输出电流。
[0021]
根据本发明的优选实施方式，所述输入级为pnp型输入级，第一型为n型，第二型为p型。
[0022]
根据本发明的优选实施方式，所述pnp输入级由pnp三级管对构成，所述pnp三级管对中的两个三级管的基极分别接入所述反馈电压和参考电压。
[0023]
根据本发明的优选实施方式，所述输入级为npn型输入级，第一型为p型，第二型为n型。
[0024]
根据本发明的优选实施方式，所述npn输入级由npn三级管对构成，所述npn三级管对中的两个三级管的基极分别接入所述反馈电压和参考电压的平移电压。
[0025]
本发明的第二方面提出一种开关电源，包括前面所述的用于开关电源的跨导型误差放大器。
[0026]
(三)有益效果
[0027]
本发明中误差放大器的跨导和输出电压成正比，从而实现了在相同的补偿参数下，输出电压变化时系统的带宽不变，对不同输出电压均获得最大的带宽。
附图说明
[0028]
图1是现有的开关电源的小信号模型电路示意图。
[0029]
图2示出了一种现有的由pnp或pmos做输入级的跨导型误差放大器电路图。
[0030]
图3示出了一种现有的由nmos或npn形成的典型n型电流镜电路图。
[0031]
图4示出了一种现有的由pmos或pnp形成的典型p型电流镜电路图。
[0032]
图5示出了一种现有的由npn或nmos做输入级的跨导型误差放大器电路图。
[0033]
图6示出了一种现有的电平移位电路。
[0034]
图7示出了现有的某型开关电源在输出电压5v和输出电压1v时的增益曲线。
[0035]
图8示出了本发明的一个实施例的pnp跨导型误差放大器的电路图。
[0036]
图9示出了本发明的一个实施例的npn跨导型误差放大器的电路图。
[0037]
图10示出了本发明的输出电流产生电路is的输出电流iea与开关电源的输出电压vout的关系图。
[0038]
图11示出了本发明的一个实施例的输出电流产生电路的电路图。
[0039]
图12示出了根据本发明的一个实施例的开关电源在输出电压5v和输出电压1v时的增益曲线。
[0040]
图13示出了本发明的一个实施例的nmos跨导型误差放大器的电路图。
[0041]
图14示出了本发明的一个实施例的nmos跨导型误差放大器的电路图。
具体实施方式
[0042]
本发明提出将跨导型误差放大器的尾电流采用受开关电源的输出电压vout控制的电流，从而实现在输出电压稳定时误差放大器的跨导和vout成正比，从而实现了在相同的补偿参数下，输出电压变化时系统的带宽不变，对不同输出电压均获得最大的带宽。
[0043]
具体来说，本发明的用于开关电源的跨导型误差放大器包括输出电流产生电路、输入级、两个第一型电流镜和一个第二型电流镜。输出电流产生电路接入到由三级管对构成的输入级。三级管对的两个三极管的发射级均连接到输出电流产生电路的输出端，集电级分别连接到两个第一型电流镜的输入端；两个第一型电流镜的输出端分别接入第二型电流镜的输入端和输出端。
[0044]
输出电流产生电路的输出电流受所述开关电源的输出电压控制，以使得当所述当开关电源的输出电压小于或等于最小参考电压时，输出所述第一电流，当所述当开关电源的输出电压大于所述最小参考电压时，输出所述第二电流。其中的第一电流为恒定电流，第二电流与所述开关电源的输电电压成正比。
[0045]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0046]
图8示出了本发明的一个实施例的pnp跨导型误差放大器的电路图。如图8所示，该实施例的跨导型误差放大器包括输出电流产生电路is、pnp型输入级、两个n型电流镜和一个p型电流镜。输出电流产生电路is接入到pnp输入级，pnp输入级由第一三级管q1和第二三级管q2组成的pnp三级管对构成，第一三级管q1和第二三级管q2的发射级均连接到输出电流产生电路is的输出端，集电级分别连接到两个n型电流镜(第一电流镜mr1和第二电流镜mr2)的输入端，第一电流镜mr1和第二电流镜mr2的输出端分别接入作为p型电流镜的第三电流镜mr3的输入端和输出端。第一三级管q1的基极接入开关电源的反馈电路的反馈电压，第二三级管q2的基极接入参考电压。误差放大器的尾电流即输出电流产生电路is产生的电流。输出电流产生电路is包括电流源以及控制电路，以使得其输出的输出电流iea受开关电源的输出电压vout的控制。输出电流产生电路is的具体实施方式将在后面详细说明。
[0047]
图9示出了本发明的另一个实施例的npn跨导型误差放大器的电路图。如图9所示，该实施例的跨导型误差放大器包括输出电流产生电路is、npn型输入级、两个p型电流镜和一个n型电流镜。电流输出产生电路is接入到npn输入级，npn输入级由第三三级管q3和第四三级管q4组成的npn三级管对构成，两个三级管的发射级均连接到输出电流产生电路is的输出端，集电级分别连接到两个p型电流镜(第四电流镜mr4和第五电流镜mr5)的输入端，第四电流镜mr4和第五电流镜mr5的输出端分别接入作为n型电流镜的第六电流镜mr6的输出端和输入端。第三三级管q3的基极接入开关电源的参考平移电压ref_shift，第四三级管q4的基极接入反馈平移电压fb_shift。所述的参考平移电压和反馈平移电压是将参考电压ref和反馈电压fb经电平移位电路lsc平移后生成的电压。同样的，误差放大器的尾电流iea即输出电流产生电路is产生的电流，由开关电源的输出电压vout控制。输出电流产生电路is的具体实施方式将在后面详细说明。
[0048]
所述的电平移位电路lsc可采用如图6所示的电平移位电路，电平移位电路lsc用来实现共模电平的位移以满足误差放大器共模输入范围的需要。在图6中的电路中，参考平移电压ref_shift和参考电压ref的关系，以及反馈平移电压fb_shift与反馈电压的关系如下：
[0049]
ref_shift＝ref+vgs1
[0050]
fb_shift＝fb+vgs2
[0051]
vgs1、vgs2分别为两个mos管的源级-栅极电压。
[0052]
图10所示为输出电流产生电路is的输出电流iea与开关电源的输出电压vout的关系图。如图10所示，其中最小参考电压ref1为预设值，其等于或小于最小输出电压。当开关电源的输出电压vout小于最小参考电压ref时，给输出电流iea一个合适的值以保证输出电压建立之前能正常工作。当输出电压达到大于最小参考电压ref1时，iea和开关电源的输出电压vout成正比。
[0053]
当vout》ref1时，iea＝k*vout，k为比例系数。
[0054]
根据三极管的跨导计算公式，
[0055][0056]
其中，gm为三级管的跨导，ic为三极管集电极电流(ic＝iea)，vt为热电压。由于vt＝kt/q，k为玻尔兹曼常数(k＝1.38*10-23
j/k)，t为绝对温度，q为电子电荷(q＝1.6*10-19
c)，因此vt为和绝对温度成正比的系数。
[0057]
所以有：
[0058][0059]
其中gmea为误差放大器的跨导，n为n型电流镜和p型电流镜带来的比例系数。
[0060]
将其带入系统环路带宽公式可以得到：
[0061][0062]
因此，可知开关电源的系统环路带宽fc和输出电压无关，同时，vt为正温度系数，随温度增加而变大，cout一般为负温度系数，随温度增加而减小。vt和cout在不同温度下有一定的补偿作用，减小了环路带宽随vout和温度的变化。
[0063]
图11示出了本发明的一个实施例的输出电流产生电路的电路图。如图11所示，该输出电流产生电路包括第一电流产生电路、第二电流产生电路和电流选择电路。第一电流产生电路用于产生第一电流i1，第二电流产生电路用来产生第二电流i2，电流选择电路用于根据误差放大器的输出电压来选择第一电流i1或第二电流i2作为输出电流。
[0064]
第一电流产生电路由第一电流源is1产生第一电流i1并输出。
[0065]
第二电流产生电路包括运算放大器u1、第一mos管m1、第一电阻r1和p型电流镜。在该实施例中，第一mos管m1为pmos管，其发射极连接至运算放大器u1的负输入端，且经由第一电阻r1接地，第一mos管m1的基极连接至运算放大器u1的输出端，集电极连接至p型电流镜mr0的输入端。运算放大器u1的正输入端接入误差放大器的输出电压。p型电流镜mr0的输出端用于输出第二电流i2。可见，第二电流产生电路产生的第二电流i2满足i2＝vout/r1，即和开关电源的输出电压vout成正比。r1在此也表示第一电阻r1的电阻值。
[0066]
电流选择电路包括两个mos管对，即第一mos管对和第二mos管对。各mos管对均包括两个mos管，第一mos管对的两个mos管的发射级接入第一电流i1，第二mos管对的两个mos管的发射级接入第二电流i2。在图11所示的实施例中，各mos管对的mos管均为nmos管。具体来说，第一mos管对包括第二mos管m2和第三mos管m3，第二mos管对包括第四mos管m4和第五mos管m5，第二mos管m2和第五mos管m5的基极接入最小参考电压ref1，第三mos管m3和第四mos管m4的基极接入开关电源的输出电压vout，第三mos管m3和第五mos管m5的集电极均连
接至该输出电流产生电路的输出端，用于输出输出电流iea。
[0067]
上述输出电流产生电路在工作时，当开关电源的输出电压vout小于最小参考电压ref1时，第二mos管m2和第五mos管m5截止，第三mos管m3和第四mos管m4导通，因此输出电流iea为第一电流i1。
[0068]
当开关电源的输出电压vout大于最小参考电压ref1时，第二mos管m2和第五mos管m5导通，第三mos管m3和第四mos管m4截止，因此输出电流iea为第二电流i2，即满足iea＝i2＝vout/r1。
[0069]
图12所示为根据本发明的一个实施例的开关电源在输出电压5v和输出电压1v时的增益曲线。可以看出，在输出电压为5v和1v的两种极端情况下的系统环路带宽基本相同。
[0070]
根据本发明，图8和图9所示的实施例的的差分输入npn和pnp型三级管对还可以用nmos管和pmos管来替换。其电路图分别如图13和图14所示，其中，pnp型的第一三级管q1和第二三级管q2分别由作为nmos管的第六mos管m6和第七mos管m7替换，npn型的第三三级管q3和第四三级管q4分别由作为pmos管的第八mos管m8和第九mos管m9替换。
[0071]
对于mos管(nmos和pmos)，为了减小阈值电压的失调，一般器件尺寸都很大，器件工作在亚阈值区。其跨导与尾电流的关系式为：
[0072][0073]
其中，id为mos管的尾电流(id＝iea)，m为一工艺相关的常数，同样，vt＝kt/q为一和温度成正比的系数。因此，
[0074][0075]
带入系统环路带宽公式可得：
[0076][0077][0078]
因此，系统环路带宽不随输出电压而变化，同时，vt对cout的温度变化有一定补偿作用，从而减小了环路带宽随vout和温度的变化。
[0079]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于开关电源的跨导型误差放大器，该开关电源具有反馈电路，并提供反馈电压、参考电压和输出电压，其特征在于：所述跨导型误差放大器包括输出电流产生电路、输入级、两个第一型电流镜和一个第二型电流镜；所述输出电流产生电路接入到所述输入级，该输入级由三级管对构成；所述三级管对的两个三极管的发射级均连接到输出电流产生电路的输出端，集电级分别连接到两个第一型电流镜的输入端；两个第一型电流镜的输出端分别接入第二型电流镜的输入端和输出端；所述输出电流产生电路的输出电流受所述开关电源的输出电压控制。2.如权利要求1所述的用于开关电源的跨导型误差放大器，其特征在于：所述输出电流产生电路包括第一电流产生电路、第二电流产生电路和电流选择电路；所述第一电流产生电路用于产生第一电流，所述第二电流产生电路用来产生第二电流，所述电流选择电路用于根据误差放大器的输出电压来选择所述第一电流或所述第二电流作为输出电流；所述第一电流为恒定电流；所述第二电流与所述开关电源的输电电压成正比；所述电流选择电路控制所述输出电流产生电路输出的所述输出电流，以使得当所述开关电源的输出电压小于或等于最小参考电压时，输出所述第一电流，当所述开关电源的输出电压大于所述最小参考电压时，输出所述第二电流。3.如权利要求2所述的用于开关电源的跨导型误差放大器，其特征在于：所述第二电流产生电路包括运算放大器、第一mos管、第一电阻和p型电流镜；第一mos管为pmos管，其发射极连接至运算放大器的负输入端，且经由第一电阻接地，第一mos管的基极连接至运算放大器的输出端，集电极连接至p型电流镜的输入端；所述运算放大器的正输入端接入误差放大器的输出电压，p型电流镜的输出端用于输出所述第二电流。4.如权利要求3所述的用于开关电源的跨导型误差放大器，其特征在于：所述电流选择电路包括第一mos管对和第二mos管对，各mos管对均包括两个mos管，第一mos管对的两个mos管的发射级接入所述第一电流，第二mos管对的两个mos管的发射级接入所述第二电流。5.如权利要求4所述的用于开关电源的跨导型误差放大器，其特征在于：第一mos管对和第二mos管对的mos管均为nmos管；第一mos管对包括第二mos管和第三mos管，第二mos管对包括第四mos管和第五mos管；第二mos管和第五mos管的基极接入最小参考电压，第三mos管和第四mos管的基极接入开关电源的输出电压，第三mos管和第五mos管的集电极均连接至该输出电流产生电路的输出端，用于输出所述输出电流。6.如权利要求1至5中任一项所述的用于开关电源的跨导型误差放大器，其特征在于：所述输入级为pnp型输入级，第一型为n型，第二型为p型。7.如权利要求6所述的用于开关电源的跨导型误差放大器，其特征在于：所述pnp输入级由pnp三级管对构成，所述pnp三级管对中的两个三级管的基极分别接入所述反馈电压和参考电压。
8.如权利要求1至5中任一项所述的用于开关电源的跨导型误差放大器，其特征在于：所述输入级为npn型输入级，第一型为p型，第二型为n型。9.如权利要求8所述的用于开关电源的跨导型误差放大器，其特征在于：所述npn输入级由npn三级管对构成，所述npn三级管对中的两个三级管的基极分别接入所述反馈电压和参考电压的平移电压。10.一种开关电源，其特征在于：包括权利要求1至5中任一项所述的用于开关电源的跨导型误差放大器。

技术总结
本发明公开了一种用于开关电源的跨导型误差放大器和相应的开关电源，开关电源具有反馈电路，并提供反馈电压、参考电压和输出电压。误差放大器包括输出电流产生电路、输入级、两个第一型电流镜和一个第二型电流镜；输出电流产生电路接入到由三级管对构成的输入级，三级管对的两个三极管的发射级均连接到输出电流产生电路的输出端，集电级分别连接到两个第一型电流镜的输入端；两个第一型电流镜的输出端分别接入第二型电流镜的输入端和输出端；输出电流产生电路的输出电流受开关电源的输出电压控制，实现误差放大器的跨导和输出电压成正比，从而实现了在相同的补偿参数下，输出电压变化时系统的带宽不变，对不同输出电压均获得最大的带宽。最大的带宽。最大的带宽。


技术研发人员：董贤辉 吴国阳 谢佳季 郭建
受保护的技术使用者：北京升宇科技有限公司
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/9/6