爱集微APP · 11月23日 · 江苏

深耕电源控制系统 钰泰半导体提出积分累积存储电路方案

【爱集微点评】钰泰半导体公开的开关电源控制系统中的积分累积存储电路方案,该方案中的积分累积存储电路可以集成到控制芯片内部,并将补偿电容的积分运算功能和存储功能分解。通过输入补偿电流和输出积分电压分解至两个互相独立的电路节点,使输入阻抗显著降低,并显著提升输入信号范围。

集微网消息,在开关电源控制系统中,需要通过补偿电容实现控制环路的稳定。从信号处理的角度看,补偿电容的作用是实现对输入电流的积分运算,得到积分电压;从硬件实现的角度看,补偿电容的作用是长时间存储电荷,以维持积分电压不变。

目前,补偿电容通常设置在控制芯片的外部而不是集成在控制芯片的内部,主要有两方面的原因:

一方面原因是开关电源控制系统需要采用电容值较大的补偿电容,而可以集成到芯片内部的电容器件的电容值都较小。开关电源控制系统通常被设计成低带宽系统,特别是带有功率因数校正的开关电源控制系统,其带宽通常被设计为10Hz以下,其采用的补偿电容的电容值需要在0.1~1uF量级,而可以集成到芯片内部的电容器件的电容值很难超过1nF量级。在控制芯片如果采用小量级的电容器会导致积分电压在很短的时间内就溢出芯片的承受范围,使信号失去控制功能。

另一方面的原因是集成到芯片内部的电容器会连接寄生的PN结,而PN结会漏电,进而导致芯片内的电容器无法长时间存储电荷。通常带有功率因数校正的开关电源控制系统需要其补偿电容的电压在1秒时间内没有明显变化,而芯片内部的电容器件极难满足这一要求。

当前一些开关电源控制电路系统采用模数转换器加数字积分器的方案来替代补偿电容实现电流积分与电荷存储功能,但是高精度的模数转换器和宽位数的数字积分器都非常昂贵,而且往往与开关电源控制电路的生产工艺制程不兼容。

因此,为降低输入阻抗以及提升信号范围,钰泰半导体在2022年1月30日申请了一项名为“一种积分累积存储电路”的发明专利(申请号:202210113311.3),申请人为钰泰半导体股份有限公司。

根据该专利目前公开的相关资料,让我们一起来看看这项技术方案吧。

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如上图,为该专利中公开的积分累积存储电路的电路示意图,该电路通过接收补偿电流Iin,产生模拟电压形式的调节电压Va,以及输出位宽N比特的数字信号形式的累积数值Dint。调节电压Va的幅度以及累积数值Dint的数值由补偿电流Iin对时间的积分值决定。

具体而言,积分累积存储电路包括积分模块101、分解累积模块201和电荷平衡模块301。积分模块用于对补偿电流Iin和平衡电流Is同时进行积分运算,产生调节电压Va;分解累积模块用于将积分运算累积的电荷量分解成固定电荷量的量化单元,并逐一对已完成分解的量化单元进行数值累计;电荷平衡模块用于逐次将已完成数值累计的量化单元所对应的固定电荷量输出到积分模块,从而维持积分模块的直流平衡点,使其可以持续进行电荷积分累积。

其中,积分模块包括积分电容Cint和跨导运算放大器OTA,积分电容Cint的上极板所连接的节点为积分模块的第一输入端,跨导运算放大器OTA的反相输入端为积分模块的第二输入端,输出端为积分模块的输出端。

分解累积模块包含增量比较器CMPi、减量比较器CMPd、加减计数器counter和开关控制子模块。增量比较器CMPi的同相输入端和减量比较器CMPd的反向输入端同为分解累积模块的第一输入端;加减计数器counter的输出端为分解累积模块的第一输出端;开关控制子模块包含第一与门G1、第二与门G2和第三反相器G3,第一与门的输出端为分解累积模块的第二输出端,第二与门的输出端为分解累积模块的第三输出端,第三反相器的输出端为分解累积模块的第四输出端。
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如上图,为上述积分累积存储电路的信号波形图,为了进行电荷平衡,电荷平衡模块采用如下操作在积分电容Cint上补足或扣除单位电荷量:当时钟信号CK低电平时,基准开关信号swr为高电平,使电荷平衡模块内部的第五开关和第六开关闭合。此时,平衡电容Cb的下极板接地,上极板接收基准电压Vref,在平衡电容Cb上存储了固定的单位电荷量,这个单位电荷量的值即为Vref∗Cb。

当增量开关信号swi为高电平时,电荷平衡模块内部的第三开关和第四开关闭合,此时平衡电容Cb的下极板连接旁路电平Vb。上极板连接积分电容Cint的上极板,输出平衡电流Is,此时平衡电流Is的方向是由平衡电容Cb的上极板流出,由积分电容Cint的上极板流入,使调节电压Va下降一个固定值Vref∗Cb/Cint。

以上就是钰泰半导体公开的开关电源控制系统中的积分累积存储电路方案,该方案中的积分累积存储电路可以集成到控制芯片内部,并将补偿电容的积分运算功能和存储功能分解。通过输入补偿电流和输出积分电压分解至两个互相独立的电路节点,使输入阻抗显著降低,并显著提升输入信号范围。

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