專利名稱：脈沖寬度頻率調(diào)節(jié)模式dc/dc升壓電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種DC/DC轉(zhuǎn)換器，尤其是涉及一種根據(jù)負(fù)載條件將脈沖頻率調(diào)制型 (PFM)和脈沖寬度調(diào)制型(PWM)工作方式結(jié)合起來的DC/DC升壓電路。
背景技術(shù)：
DC/DC轉(zhuǎn)換器因其體積小巧、價(jià)格低廉、能源轉(zhuǎn)換效率高等突出特點(diǎn)，在高效節(jié) 能開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中一直處于核心地位，被廣泛應(yīng)用于各種電源管理系統(tǒng)。伴隨著業(yè)界 不斷發(fā)展的需求，DC/DC變換技術(shù)以及相應(yīng)的芯片設(shè)計(jì)方法也不斷更新?lián)Q代，各種巧 妙的控制策略層出不窮。
現(xiàn)有技術(shù)中，脈沖產(chǎn)生電路作為DC/DC升壓電路中的關(guān)鍵組成，其工作原理主要 包括PWM式(脈沖寬度調(diào)制)和PFM式(脈沖頻率調(diào)制)。這兩種不同的脈沖產(chǎn)生 電路，分別具有不同的特點(diǎn)。例如，PWM式的優(yōu)點(diǎn)是采用固定頻率脈沖信號(hào)，改變信 號(hào)占空比的方式，改變輸出平均電壓。這種形式在經(jīng)過低通濾波器后，可將噪聲影響 降到最?。欢鳳FM式升壓電路可提供比傳統(tǒng)脈寬調(diào)制(PWM)轉(zhuǎn)換器更高的工作效 率。
如何實(shí)現(xiàn)將上述兩種不同工作原理的DC/DC升壓電路的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合的新設(shè)計(jì)方案 是本發(fā)明函待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的提出了一種脈沖寬度頻率調(diào)節(jié)模式 DC/DC升壓電路，根據(jù)負(fù)載輕或重的不同情況，對(duì)應(yīng)不同的工作頻率的PWM方式， 并且在該升壓電路中增加誤差電壓反饋回路，不僅能夠計(jì)結(jié)合了 PFM和PWM的優(yōu)點(diǎn)， 而且很好地解決了當(dāng)輸入高于輸出時(shí)，PFM式升壓電路無法關(guān)斷PMOS而引起的輸出 電壓或電流過高的問題。
本發(fā)明提出了一種脈沖寬度頻率調(diào)節(jié)模式DC/DC升壓電路，利用脈沖寬度和脈沖 頻率兩種調(diào)節(jié)模式的結(jié)合，將一直流電壓源轉(zhuǎn)換成電壓高于此直流電源的穩(wěn)定輸出的直 流電壓源，該升壓電路包括基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、控制電流產(chǎn)生電路、用以控制NMOS、 PMOS功率開關(guān)管的開/合邏輯，進(jìn)行直流輸入電壓的脈沖頻率調(diào)節(jié)的脈沖頻率調(diào)節(jié)模 塊，用以控制NMOS、 PMOS功率開關(guān)的開/合邏輯，進(jìn)行直流輸入電壓的脈沖寬度調(diào)節(jié)的脈沖寬度調(diào)節(jié)模塊，其特征在于，所述脈沖寬度調(diào)節(jié)模塊中
誤差電流作為PMOS功率開關(guān)管的輸入信號(hào)和發(fā)生器的輸入端L相耦合，lin和ldd共 同控制PMOS的開啟時(shí)問，采樣電壓低于額定值越多，lin越大，PMOS的開啟時(shí)問越短， 以此來調(diào)節(jié)輸出的脈沖寬度，提為'輸出電壓；
所述NMOS功率開關(guān)管的丌啟時(shí)長恒定，只與輸入電壓Vin有關(guān)，如下式所示。
式中，7;為NMOS的開啟時(shí)長，A，/ 為常量參數(shù)。
所述PMOS功率開關(guān)管的開啟時(shí)長開啟時(shí)長與L和ldd有關(guān)，如下式所示。
^",《,/(y,")
式中，7>為PMOS的開啟時(shí)長，《為常量參數(shù)。
所述直流輸入電壓Vin通過一個(gè)線圈與功率開關(guān)管NMOS、 PMOS相耦合，PMOS 開啟時(shí)間由所述電流卜和ldd共同控制；
所述ldd是輸出電壓與輸入電壓差成正比的電流，其計(jì)算公式為
式中，K為常量參數(shù)。
所述誤差電流是采樣電壓Vsampie和參考電壓Vref的差值形成誤差電壓Verr，通過電導(dǎo) 放大器GM轉(zhuǎn)換而形成誤差電流。
本發(fā)明公開了一種脈沖寬度頻率調(diào)節(jié)模式DC/DC升壓電路，結(jié)合了 PFM和PWM 的優(yōu)點(diǎn)，增加了誤差電壓反饋回路。當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，系統(tǒng)工作在分立狀態(tài)，表現(xiàn)為PFM 方式，效率較高。當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，系統(tǒng)工作在連續(xù)狀態(tài)，表現(xiàn)為PWM方式，由于增加 了誤差電壓反饋回路，明顯提高了帶負(fù)載的能力。同時(shí)，與PFM/PWM的控制方式 (NMOS開啟時(shí)長只由輸入電壓確定，而PMOS開啟時(shí)長只由輸出與輸入壓差確定) 相比，本設(shè)計(jì)很好的避免了當(dāng)輸入高于輸出時(shí)，前者無法關(guān)斷PMOS的問題。


圖1為本發(fā)明所涉及的脈沖寬度頻率調(diào)節(jié)模式DC/DC升壓電路的屯路圖； 圖2為木發(fā)明所涉及的脈沖寬度頻率調(diào)節(jié)模式DC/DC升壓電路中NMOS功率開 關(guān)管的工作電路圖3為本發(fā)明所涉及的脈沖寬度頻率調(diào)節(jié)模式DC/DC升壓電路'|' PMOS功率開關(guān) 管的工作電路圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的具體描述
在本發(fā)明的脈沖寬度頻率調(diào)節(jié)模式的DC/DC升壓電路中，采用功率開關(guān)管 (PMOS—pulse—generator、 NMOS—pulse—generator)模塊來產(chǎn)生控制信號(hào)，這個(gè)控 制信號(hào)再通過功率開關(guān)品體管驅(qū)動(dòng)器(MOS—Diver)來控制MOS管開啟和關(guān)斷，從而 實(shí)現(xiàn)輸入到輸出的DC/DC轉(zhuǎn)換。
如圖1所示，為本發(fā)明的脈沖寬度頻率調(diào)節(jié)模式的DC/DC升壓電路的電路圖，其 工作原理是直流輸入電壓Vin通過^ '只線圈與功率開關(guān)管NMOS、PMOS相耦合，NMOS 管的另一端接地，PMOS管的另一端與負(fù)載耦合，負(fù)載另一端接地。輸出電壓通過采樣
電阻得到采樣電壓Vsampfe，系統(tǒng)內(nèi)部由基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生額定電壓Vref作為參考電壓。 Vsamp,e和V「ef分別作為比較器(COMPARATOR)的正、負(fù)端輸入電壓信號(hào)，通過比較 器轉(zhuǎn)換為電流輸出信號(hào)，此電流輸出信號(hào)作為功率開關(guān)晶體管驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)與驅(qū)動(dòng)
器的Off端相耦合，可根據(jù)負(fù)載的情況同吋關(guān)斷、從而控制NMOS和PMOS的開啟。即 當(dāng)采樣電壓"于額定電壓值時(shí)，關(guān)斷NMOS和PMOS;采樣電壓低于額定電壓值時(shí)，開
啟NMOS和PMOS，以此來調(diào)節(jié)脈沖頻率。同時(shí)，Vs加p,e和Vref的差值_一誤差電壓Verr通
過電導(dǎo)放大器(GM)轉(zhuǎn)換電流，此電流作為PMOS功率開關(guān)管的輸入信號(hào)和發(fā)生器的
輸入端Im相耦合，L和Idd共同控制PMOS的開啟時(shí)間，即采樣電壓低于額定值越多，l,n越
大，PMOS的開啟時(shí)間越短，以此來調(diào)節(jié)輸出的脈沖寬度，提高輸出電壓，這樣形成了
誤差電壓的反饋回路。
如圖2所示，為本發(fā)明中NMOS脈沖發(fā)送器的工作電路，可以看出，NMOS的開啟
時(shí)長恒定，只與輸入電壓Vin有關(guān)，如式1所示。
^=x2nre,/^ (式1)
式1中，7;為NMOS的開啟時(shí)長，A,i 為常量參數(shù)。
上述NMOS功率開關(guān)管的開啟時(shí)長等于圖2中NMOS管充電到Vref的時(shí)長。NMOS 管充電到Vref后比較器的輸出端反轉(zhuǎn)為低電平，此低電平通過NMOSJn端關(guān)斷NMOS功 率開關(guān)管，同時(shí)通過PGATE一f^開啟PMOS。
同理，如圖3所示，為本發(fā)明中PMOS脈沖發(fā)送器的工作電路，PMOS功率開關(guān)管 的輸出信號(hào)PGATE作為驅(qū)動(dòng)器(MOS—Diver)和NMOS功率開關(guān)管的輸入信號(hào)分別與 兩者的PMOSJn端、PGATE—fb2端相耦合。PMOS的開啟時(shí)長與lh和ldd有關(guān)，如式2 所示。
^&《/A4,+4)(式2) 式2中，7>為PMOS的開啟吋長，《為常量參數(shù)。 以上參數(shù)中，夂，=允2./ ,且/:<《2。上式中，C)/2i ，通過ldd和lin的變化達(dá)到調(diào)制脈寬和頻率的目的。此 開啟時(shí)長等于圖1中的MOS管充電到Vref的時(shí)間，MOS管充電到Vref后比較器反轉(zhuǎn)為低
電平，此低電平通過PMOS—in端關(guān)斷PMOS，同時(shí)通過PGATE一fb2開啟PMOS。如此， NMOS和PMOS交替工作。
同時(shí)，Vsamp,e和Vref的差值作為誤差電壓V肌，通過圖2所示的電導(dǎo)放大器(GM ) 轉(zhuǎn)換成誤差輸出電流。此誤差輸出電流作為PMOS功率開關(guān)管的輸入信號(hào)和發(fā)生器輸入 端lin相耦合，L和ldd共同控制PMOS的開啟時(shí)長，即采樣電壓低于額定值越多，lin越大， PMOS的開啟時(shí)長越短，以此來調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的脈沖寬度，提高輸出電壓，這樣形成了 誤差電壓的反饋回路。
此設(shè)計(jì)結(jié)合了 PFM和PWM的優(yōu)點(diǎn)，增加了誤差電壓反饋回路。當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)， 系統(tǒng)工作在分立狀態(tài)，表現(xiàn)為PFM方式，效率較高。當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，系統(tǒng)工作在連續(xù) 狀態(tài)，表現(xiàn)為PWM方式，由于增加了誤差電壓反饋回路，明顯提高了帶負(fù)載的能力。 同時(shí)，與PFM/PWM的控制方式(NMOS開啟時(shí)長只由輸入電壓確定，而PMOS開啟 時(shí)長只由輸出與輸入壓差確定)相比，本設(shè)計(jì)很好的避免了當(dāng)輸入高于輸出吋，前者無 法關(guān)斷PMOS的問題。
在本發(fā)明中，有關(guān)較輕負(fù)載與較重負(fù)載的判據(jù)(或者判據(jù)范圍)依賴于額定電壓 Vref，輸入電壓Vin，外部電感值及K2，此額定電壓通常為一經(jīng)驗(yàn)值。
權(quán)利要求
1. 一種脈沖寬度頻率調(diào)節(jié)模式DC/DC升壓電路，利用脈沖寬度和脈沖頻率兩種調(diào)節(jié)模式的結(jié)合，將一直流電壓源轉(zhuǎn)換成電壓高于此直流電源的穩(wěn)定輸出的直流電壓源，該升壓電路包括電壓產(chǎn)生電路、控制電流產(chǎn)生電路、用以控制NMOS、PMOS功率開關(guān)的開/合邏輯，進(jìn)行直流輸入電壓的脈沖頻率調(diào)節(jié)的脈沖頻率調(diào)節(jié)模塊，用以控制NMOS、PMOS功率開關(guān)的開/合邏輯，進(jìn)行直流輸入電壓的脈沖寬度調(diào)節(jié)的脈沖寬度調(diào)節(jié)模塊，其特征在于，所述脈沖寬度調(diào)節(jié)模塊中誤差電流作為PMOS功率開關(guān)管的輸入信號(hào)和發(fā)生器的輸入端Iin相耦合，Iin和Idc1共同控制PMOS的開啟時(shí)間，采樣電壓低于額定值越多，Iin越大，PMOS的開啟時(shí)間越短，以此來調(diào)節(jié)輸出的脈沖寬度，提高輸出電壓；所述NMOS功率開關(guān)管的開啟時(shí)長恒定，只與輸入電壓Vin有關(guān)，如下式所示。Tn＝K2·R·Vref/Vin式中，Tn為NMOS的開啟時(shí)長，K2，R為常量參數(shù)。所述PMOS功率開關(guān)管的開啟時(shí)長開啟時(shí)長與Iin和Idc1有關(guān)，如下式所示。Tp＝K1·Vref/(Idc1+Iin)式中，TP為PMOS的開啟時(shí)長，K1為常量參數(shù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的脈沖寬度頻率調(diào)節(jié)模式DC/DC升壓電路，其特征在于， 所述直流輸入電壓Vin通過一個(gè)線圈與功率開關(guān)管NMOS、 PMOS相耦合，PMOS開啟時(shí) 間由所述電流lin和ldd共同控制；
3. 如權(quán)利要求1所述的脈沖寬度頻率調(diào)節(jié)模式DC/DC升壓電路，其特征在于，所述ldd是輸出電壓與輸入電壓的差成正比的電流，其計(jì)算公式為式中，《為常量參數(shù)。
4. 如權(quán)利要求1所述的脈沖寬度頻率調(diào)節(jié)模式DC/DC升壓電路，其特征在于，所述誤差電流L是采樣電壓Vsampie和參考電壓Vref的差值形成誤差電壓Ve『通過電導(dǎo)放大 器GM轉(zhuǎn)換而形成誤差電流。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種脈沖寬度頻率調(diào)節(jié)模式DC/DC升壓電路，結(jié)合了PFM和PWM的優(yōu)點(diǎn)，增加了誤差電壓反饋回路。當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，系統(tǒng)工作在分立狀態(tài)，表現(xiàn)為PFM方式，效率較高。當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，系統(tǒng)工作在連續(xù)狀態(tài)，表現(xiàn)為PWM方式，由于增加了誤差電壓反饋回路，明顯提高了帶負(fù)載的能力。同時(shí)，與PFM/PWM的控制方式(NMOS開啟時(shí)長只由輸入電壓確定，而PMOS開啟時(shí)長只由輸出與輸入壓差確定)相比，本設(shè)計(jì)很好的避免了當(dāng)輸入高于輸出時(shí)，前者無法關(guān)斷PMOS的問題。
文檔編號(hào)H02M3/155GK101505096SQ20081005244
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2008年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月14日
發(fā)明者褚以人 申請(qǐng)人:天津英諾華微電子技術(shù)有限公司