專利名稱：自適應(yīng)分段驅(qū)動(dòng)dc-dc變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集 成電路技術(shù)，特別涉及一種負(fù)載自適應(yīng)分段驅(qū)動(dòng)電路，在降壓式穩(wěn)壓電路(也稱為BUCK電路)中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
集成的降壓式電壓變換器(BUCK)電路結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括能量轉(zhuǎn)換單元I、驅(qū)動(dòng)單元2和反饋控制單元3。能量轉(zhuǎn)換單元I通常包括2只功率管構(gòu)成的開關(guān)轉(zhuǎn)換電路，一只PMOS (P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體)功率管和一只NMOS (N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體)功率管，圖I中分別標(biāo)注為PMOS和NM0S。在驅(qū)動(dòng)單元2輸出信號(hào)控制下PMOS功率管和NMOS功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，將輸入的高壓直流電Vdd轉(zhuǎn)換為一個(gè)方波信號(hào)輸出，最后經(jīng)過(guò)電感L和電容C構(gòu)成的濾波電路輸出低壓直流電Vout，從而實(shí)現(xiàn)DC-DC (直流到直流)降壓變換。圖I中，2只功率管始終工作在不同的狀態(tài)，PMOS功率管開啟則NMOS功率管關(guān)斷，PMOS功率管關(guān)斷則NMOS功率管開啟，完成輸入電壓的開關(guān)轉(zhuǎn)換。反饋控制單元3的作用是對(duì)輸出電壓Vout進(jìn)行采樣并產(chǎn)生脈沖信號(hào)，然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元2進(jìn)行緩沖放大，控制能量轉(zhuǎn)換單元I的PMOS功率管和NMOS功率管的開啟、關(guān)斷時(shí)間，使輸出電壓保持恒定。對(duì)于常見的BUCK電路，根據(jù)其不同的控制模式分為PWM (脈沖寬度調(diào)制)控制模式、PFM (脈沖頻率調(diào)制)控制模式、PSM (脈沖跨周期調(diào)制模式)控制模式，以及混合控制模式(上述兩種或多種控制模式的組合)。其中PWM模式最為常見，具有輸出電壓波動(dòng)小，重載(負(fù)載電流大)時(shí)轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。PFM、PSM模式通常用于輕載(負(fù)載電流較小)的情況下，以提高變換器的轉(zhuǎn)換效率。但這兩種模式都有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)功率管開關(guān)頻率隨著負(fù)載的變化而變化，從而限制了其在某些領(lǐng)域的中應(yīng)用，如RF (射頻)領(lǐng)域。所以，在電壓變換器中，PWM模式仍然是最為有效的一種。在輕載條件下，PWM模式變換器的損耗主要體現(xiàn)在功率管的驅(qū)動(dòng)損耗和開關(guān)損耗，功率管功率越大這種損耗越大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題，就是提供一種自適應(yīng)分段驅(qū)動(dòng)DC-DC變換器，通過(guò)對(duì)功率管進(jìn)行分段驅(qū)動(dòng)，并采用自適應(yīng)死區(qū)控制，可以在很大程度上提高變換器在輕載下的轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明解決所述技術(shù)問(wèn)題，采用的技術(shù)方案是，自適應(yīng)分段驅(qū)動(dòng)DC-DC變換器，包括能量轉(zhuǎn)換單元、反饋控制單元和驅(qū)動(dòng)單元；所述反饋控制單元采集能量輸出單元的輸出電壓進(jìn)行處理后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元對(duì)能量轉(zhuǎn)換單元的輸出電壓進(jìn)行控制，所述能量轉(zhuǎn)換單元將輸入電壓轉(zhuǎn)換為脈沖電壓經(jīng)過(guò)濾波電路輸出到負(fù)載；其特征在于，所述能量轉(zhuǎn)換單元包括m只PMOS功率管和m只NMOS功率管；所述m只PMOS功率管源極與電源正極連接，所述m只PMOS功率管柵極與驅(qū)動(dòng)單元連接，所述m只PMOS功率管漏極與m只NMOS功率管漏極連接在一起并與濾波電路連接，所述m只NMOS功率管柵極與驅(qū)動(dòng)單元連接，所述m只NMOS功率管源極接地；所述驅(qū)動(dòng)單元輸出的信號(hào)分別控制PMOS功率管和NMOS功率管開啟和關(guān)斷；n只PMOS功率管開啟則對(duì)應(yīng)有η只NMOS功率管關(guān)斷，η只PMOS功率管關(guān)斷則對(duì)應(yīng)有η只NMOS功率管開啟，且其他功率管均處于關(guān)斷狀態(tài)；所述PMOS功率管開啟數(shù)量隨負(fù)載電流變化，負(fù)載電流大，PMOS功率管開啟數(shù)量大，負(fù)載電流小，PMOS功率管開啟數(shù)量??；m、n為正整數(shù)，η < m, m彡2。本發(fā)明用并聯(lián)的m只PMOS功率管和NMOS功率管構(gòu)成開關(guān)轉(zhuǎn)換電路，根據(jù)不同的負(fù)載電流大小，驅(qū)動(dòng)不同數(shù)量的功率管進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換，在輕載情況下驅(qū)動(dòng)的功率管數(shù)量較少，相當(dāng)于降低了功率管的功率，從而在輕載情況下降低驅(qū)動(dòng)損耗和開關(guān)損耗。具體的，當(dāng)負(fù)載電流為最大值Imax時(shí)，n=m ;當(dāng)負(fù)載電流為最小值Imin時(shí)，n=l。該方案在最大負(fù)載(負(fù)載電流為最大值Imax)條件下,所有的功率管均開啟，充分利用所有功率管。進(jìn)一步的，所述m只PMOS功率管和m只NMOS功率管分為k段，每段中PMOS功率管和NMOS功率管數(shù)量相同，各段的PMOS功率管數(shù)量相同或不同；k為正整數(shù)，k^m0 這種方案采用分段驅(qū)動(dòng)的方式，有利于簡(jiǎn)化控制邏輯，降低成本。由于PMOS功率管和NMOS功率管是成對(duì)配置的，所以每段中PMOS功率管和NMOS功率管數(shù)量是相同的。但是，各段的PMOS功率管數(shù)量可以相同或不同。進(jìn)一步的，每段中PMOS功率管和NMOS功率管功率相同，各段的PMOS功率管功率相同或不同。各段中采用不同功率的功率管，可以根據(jù)不同的負(fù)載電流大小，選擇需要驅(qū)動(dòng)的功率管，以適應(yīng)負(fù)載電流的大小，并保證轉(zhuǎn)換效率。各段中采用相同功率的功率管，則有利于簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率。具體的，所述m=13。該方案采用13只PMOS功率管和NMOS功率管功率組成能量轉(zhuǎn)換單元，在現(xiàn)有集成電路工藝條件下，能夠滿足大多數(shù)DC-DC變換器的使用要求，選擇適當(dāng)?shù)姆侄悟?qū)動(dòng)方式，能夠降低輕載下的損耗。具體的，所述13只NMOS功率管和13只PMOS功率管為分4段，其中3段各包括I只功率為X的NMOS功率管和PMOS功率管，另一段包括10只功率為x/10的NMOS功率管和PMOS功率管，X為功率管的瓦特?cái)?shù)。這是一種針對(duì)13只NMOS功率管和13只PMOS功率管構(gòu)成的能量轉(zhuǎn)換單元的優(yōu)選分段方式，能夠在負(fù)載電流大于200mA到ImA的范圍內(nèi)高效率地完成DC-DC轉(zhuǎn)換。具體的，所述反饋控制單元包括誤差放大電路、PWM比較器、死區(qū)控制電路、模式檢測(cè)電路；所述誤差放大電路的輸入端分別連接能量轉(zhuǎn)換單元的輸出電壓和基準(zhǔn)電壓，其輸出信號(hào)作為PWM比較器的一個(gè)輸入，PWM比較器另一輸入為鋸齒波信號(hào)，PWM比較器的輸出送入死區(qū)控制電路，死區(qū)控制電路的輸入信號(hào)還包括過(guò)零比較器的輸出信號(hào)zcc_out、NM0S功率管的柵極信號(hào)gn和PMOS功率管的柵極信號(hào)gp，所述死區(qū)控制電路的輸出端與驅(qū)動(dòng)單元連接；所述驅(qū)動(dòng)單元另一個(gè)輸入端與模式檢測(cè)電路的輸出端連接。這是本發(fā)明推薦的反饋控制單元的基本結(jié)構(gòu)，其中模式檢測(cè)電路為本發(fā)明增加的電路模塊，主要作用是通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電流對(duì)功率管的工作模式作出判斷，輸出相應(yīng)的切換信號(hào)。該方案適合在集成電路中實(shí)現(xiàn)。具體的，所述驅(qū)動(dòng)單元包括電流采樣模塊、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器、查找表模塊、緩沖電路，所述電流采樣模塊輸入端與模式檢測(cè)電路連接，輸出端與查找表連接；所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器一個(gè)輸入端與模式檢測(cè)電路連接，另一個(gè)輸入端與死區(qū)控制電路連接，所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出端與查找表連接；所述查找表模塊根據(jù)電流采樣模塊和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入的編碼信號(hào)，以及死區(qū)控制電路的輸出信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算輸出柵極信號(hào)，該柵極信號(hào)通過(guò)緩沖電路與PMOS功率管和NMOS功率管柵極連接，進(jìn)行分段驅(qū)動(dòng)。該方案給出了本發(fā)明驅(qū)動(dòng)單元的基本結(jié)構(gòu)，其中電流采樣模塊、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和查找表模塊，為本發(fā)明的增加功能單元，其作用是根據(jù)反饋控制單元輸出的信號(hào)，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)功率管的柵極信號(hào)。本發(fā)明電流采樣模塊具有兩中工作模式，工作于CCM (連續(xù))模式下，通過(guò)檢測(cè)PMOS功率管的峰值電流間接檢測(cè)負(fù)載電流，然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路得到柵極信號(hào)控制碼。隨著負(fù)載電流的減小，由于延時(shí)等原因電流檢測(cè)電路的精度也隨之降低。在DCM(斷續(xù))模式下，負(fù)載電流與驅(qū)動(dòng)脈沖占空比成一定的關(guān)系，當(dāng)電路的工作 頻率保持恒定時(shí)，采用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)通過(guò)量化PMOS功率管的導(dǎo)通時(shí)間就可以得到占空比的信息，同時(shí)間接檢測(cè)負(fù)載電流的變化。在保證對(duì)負(fù)載電流檢測(cè)精度的同時(shí)，盡可能是減小負(fù)載檢測(cè)本身所帶來(lái)的損耗，從而保證高效率。具體的，所述模式檢測(cè)電路包括一個(gè)電流比較器和一個(gè)模式檢測(cè)邏輯電路，電流比較器的輸出通過(guò)一個(gè)反相器連接到一個(gè)D型觸發(fā)器的時(shí)鐘端clk，D型觸發(fā)器的D端連接電源，使能端連接PMOS功率管的柵極，D型觸發(fā)器的輸出與電流采樣模塊連接，用于DCM/CCM模式切換。該方案是本發(fā)明模式檢測(cè)電路的一種結(jié)構(gòu)，主要由電流比較器和模式檢測(cè)邏輯電路構(gòu)成，用于電流檢測(cè)模塊和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的DCM/CCM模式切換。本發(fā)明的有益效果是，改變了功率管的驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電流的變化改變功率管開啟數(shù)目，從而使功率管的導(dǎo)通損耗和驅(qū)動(dòng)損耗之和最小化，進(jìn)而提高DC-DC變換器的效率，特別是輕載下的效率。


圖I是現(xiàn)有技術(shù)DC-DC變換器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明DC-DC變換器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是開關(guān)轉(zhuǎn)換電路及緩沖電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是電流采樣模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是模式檢測(cè)電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明的自適應(yīng)分段驅(qū)動(dòng)DC-DC變換器，包括能量轉(zhuǎn)換單元I、反饋控制單元3和驅(qū)動(dòng)單元2,如圖2所示。反饋控制單元3采集能量輸出單元的輸出電壓Vout進(jìn)行處理后，輸出控制信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元2對(duì)能量轉(zhuǎn)換單元I的輸出電壓Vout進(jìn)行控制。能量轉(zhuǎn)換單元的作用是將輸入電壓轉(zhuǎn)換為脈沖電壓Vsw，經(jīng)過(guò)電感L和電容C組成的濾波電路輸出到負(fù)載產(chǎn)生負(fù)載電流，完成DC-DC直流變換。本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換單元包括m只PMOS功率管和m只NMOS功率管，他們共同構(gòu)成了本發(fā)明的開關(guān)轉(zhuǎn)換電路。m只PMOS功率管源極與電源正極連接，m只PMOS功率管柵極與驅(qū)動(dòng)單元連接，m只PMOS功率管漏極與m只NMOS功率管漏極連接在一起并與濾波電感L連接，m只NMOS功率管柵極與驅(qū)動(dòng)單元連接，m只NMOS功率管源極接地。本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元輸出的信號(hào)具有m種狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)控制PMOS功率管開啟和NMOS功率管關(guān)斷。η只PMOS功率管開啟則對(duì)應(yīng)有η只NMOS功率管關(guān)斷，同樣的，η只PMOS功率管關(guān)斷則對(duì)應(yīng)有η只NMOS功率管開啟。其他功率管均處于關(guān)斷狀態(tài)，不參與工作。本發(fā)明的DC-DC變換器中，PMOS功率管開啟數(shù)量隨負(fù)載電流增加，當(dāng)負(fù)載電流為最大值Imax時(shí)，n=m，即所有功率管均參與工作。當(dāng)負(fù)載電流為最小值Imin時(shí)，n=l，即只有一只PMOS功率管和NMOS功率管參與工作。這里，m、η為正整數(shù)，m的具體數(shù)字根據(jù)DC-DC變換器的功率和功率管的功率決定，η的具體數(shù)字根據(jù)負(fù)載電流Iload決定。η彡m，m彡2。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的開關(guān)轉(zhuǎn)換電路，本發(fā)明推薦采用分段驅(qū)動(dòng)的方式，如將m只PMOS功率管和m只NMOS功率管分為k段進(jìn)行分段驅(qū)動(dòng)，k為正整數(shù)，k^m0根據(jù)不同的負(fù)載電流和功率管的功率大小，驅(qū)動(dòng)不同的段數(shù)進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化控制邏輯和電路結(jié)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，這種分段驅(qū)動(dòng)方式，每段中PMOS功率管和NMOS功率管數(shù)量相同，PMOS功率管和NMOS功率管功率相同。但各段的PMOS功率管數(shù)量可以相同也可以不同，各段的PMOS功率管功 率也可以相同或不同。
實(shí)施例本例自適應(yīng)分段驅(qū)動(dòng)DC-DC變換器結(jié)構(gòu)如圖3所示，開關(guān)轉(zhuǎn)換電路中功率管數(shù)量為13只PMOS功率管和13只NMOS功率管，驅(qū)動(dòng)單元輸出的柵極信號(hào)gp和gn分別有13種狀態(tài)，可以分別控制各功率管的開啟和關(guān)閉，即m=13的情況。其中反饋控制單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括誤差放大電路、PWM比較器、死區(qū)控制電路、模式檢測(cè)電路。誤差放大電路包括誤差放大器EA和頻率補(bǔ)償電路，誤差放大器EA的輸入端分別連接能量轉(zhuǎn)換單元的輸出電壓Vout和基準(zhǔn)電壓Vref，其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)頻率補(bǔ)償電路后作為PWM比較器的一個(gè)輸入，PWM比較器另一輸入為鋸齒波信號(hào)，PWM比較器輸出的方波信號(hào)drive送入死區(qū)控制電路。圖3中，死區(qū)控制電路包括PMOS功率管死區(qū)控制模塊和NMOS功率管死區(qū)控制模塊，分別控制PMOS功率管死區(qū)時(shí)間和NMOS功率管死區(qū)時(shí)間。死區(qū)控制電路的輸入信號(hào)還包括過(guò)零比較器的輸出信號(hào)ZCC_out、NM0S功率管的柵極信號(hào)gn和PMOS功率管的柵極信號(hào)gp。死區(qū)控制電路的輸出的ndrive信號(hào)和pdrive信號(hào)與驅(qū)動(dòng)單元連接,驅(qū)動(dòng)單元另一個(gè)輸入端與模式檢測(cè)電路輸出的模式判斷信號(hào)dcm連接，該信號(hào)為模塊檢測(cè)電路根據(jù)輸入信號(hào)Vsw得到的輸出。驅(qū)動(dòng)單元輸出的兩個(gè)13bit的驅(qū)動(dòng)信號(hào)gp和gn分別連接到PMOS功率管和NMOS功率管的柵級(jí)，控制其開啟或關(guān)斷。下面描述反饋控制單元各模塊的功能和工作原理圖3中，誤差放大電路包括誤差放大器EA和頻率補(bǔ)償電路，其作用有兩個(gè)1、對(duì)環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償，使系統(tǒng)始終趨于穩(wěn)定；2、放大輸出電壓與基準(zhǔn)電壓之間的差值。輸入信號(hào)Vout首先連接到誤差放大器EA的反相輸入端，誤差放大器EA的正相輸入端與外部一個(gè)基準(zhǔn)電壓信號(hào)Vref相連，誤差放大器EA將Vout與Vref的差值進(jìn)行放大，其輸出經(jīng)過(guò)頻率補(bǔ)償電路進(jìn)行頻率補(bǔ)償后作為誤差放大電路的輸出。引入頻率補(bǔ)償電路是為了保證電路的穩(wěn)定性。PWM比較器是一個(gè)高速電壓比較器，通過(guò)比較其兩個(gè)輸入端的電壓產(chǎn)生一定占空比的方波信號(hào)drive，該信號(hào)經(jīng)過(guò)后續(xù)的處理用于驅(qū)動(dòng)PMOS功率管和NMOS功率管的開啟或關(guān)斷。PWM比較器反相輸入端與誤差放大電路的輸出相連,正相輸入端為一個(gè)外部鋸齒波信號(hào)。死區(qū)控制電路內(nèi)部包括NMOS功率管死區(qū)控制模塊和PMOS功率管死區(qū)控制模塊，其中PMOS功率管死區(qū)控制模塊有兩個(gè)輸入端，分別連接PWM比較器的輸出和NMOS功率管的柵電壓信號(hào)gn，輸出端pdrive信號(hào)用于PMOS功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其工作原理是只有當(dāng)gn信號(hào)降為低時(shí)，drive信號(hào)才能傳遞到輸出端輸出pdrive信號(hào),從而避免NMOS功率管未 完全關(guān)閉前將PMOS功率管開啟。圖3中，NMOS功率管死區(qū)控制模塊共有三個(gè)輸入，分別為drive信號(hào)、功率PMOS柵電壓gp和模式檢測(cè)電路中過(guò)零比較器的輸出信號(hào)zcd_out。其工作原理是只有當(dāng)功率PMOS管完全關(guān)斷，并且電壓Vsw變?yōu)镺V時(shí)，drive信號(hào)才傳遞到輸出端輸出ndrive信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)NMOS功率管。這樣既可以避免兩個(gè)功率管同時(shí)導(dǎo)通，還可以減小NMOS功率管的開關(guān)損耗。圖3中，模式檢測(cè)電路的作用是檢測(cè)DC-DC變換器何時(shí)工作在DCM模式下，并相應(yīng)的給出一個(gè)模式切換信號(hào)。因?yàn)楸景l(fā)明的負(fù)載電流檢測(cè)包含兩個(gè)不同的模塊，兩者分別工作在CCM和DCM模式下，因此需要一個(gè)模式切換信號(hào)開啟相應(yīng)的模塊。模式檢測(cè)電路內(nèi)部包括一個(gè)過(guò)零比較器zed和一個(gè)DCM檢測(cè)器，其中過(guò)零比較器zed通過(guò)比較Vsw與地之間的壓差得到輸出信號(hào)zcd_out,當(dāng)該信號(hào)由O翻轉(zhuǎn)為I時(shí),表明Vsw電壓已經(jīng)降至O ;由I翻轉(zhuǎn)為O時(shí)，表明Vsw向上過(guò)零。DCM檢測(cè)器輸入信號(hào)為gp和zcc_0ut，根據(jù)兩者之間的邏輯關(guān)系得到模式切換信號(hào)dcm。這種模式檢測(cè)電路非常簡(jiǎn)單實(shí)用。本例驅(qū)動(dòng)單元包括電流采樣模塊、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)、查找表模塊和緩沖電路，如圖3所示。電流采樣模塊輸入端與模式檢測(cè)電路連接，輸出端與查找表連接。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器一個(gè)輸入端與模式檢測(cè)電路連接，另一個(gè)輸入端與死區(qū)控制電路連接，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出端與查找表連接。查找表模塊根據(jù)電流采樣模塊和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入的編碼信號(hào)，以及死區(qū)控制電路的輸出信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算輸出13bit的Pgat信號(hào)和13bit的Ngat信號(hào)，這兩個(gè)13bit的信號(hào)通過(guò)緩沖電路與PMOS功率管和NMOS功率管柵極連接，驅(qū)動(dòng)其開啟或關(guān)閉。本發(fā)明通過(guò)檢測(cè)功率管的峰值電流或通過(guò)量化占空比間接實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電流的檢測(cè)，再根據(jù)理論分析得到不同負(fù)載電流情況下，功率管的最小損耗和導(dǎo)通的功率管數(shù)目的關(guān)系，并在查找表模塊中建立相應(yīng)的查找表。查找表模塊根據(jù)負(fù)載檢測(cè)的結(jié)果給出相應(yīng)負(fù)載電流下的最優(yōu)功率管的數(shù)目。DCM模式檢測(cè)電路的輸出dcm信號(hào)連接到TDC和電流采樣模塊的使能端，TDC在CCM模式下使能無(wú)效，電流采樣模塊在DCM模式下使能無(wú)效。電流采樣模塊的輸出為一個(gè)3bit的數(shù)字碼，TDC的輸出為一個(gè)IObit的數(shù)字碼。這13位數(shù)字碼共同送入與門陣列。與門陣列另外兩個(gè)輸入端為死區(qū)控制電路的兩個(gè)輸出ndrive和pdrive信號(hào)。ndrive和pdrive分別作為NMOS功率管和PMOS功率管柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)分別與上述13位數(shù)字碼做邏輯運(yùn)算得到兩個(gè)13位的輸出信號(hào)，其中一路連接到PMOS功率管的緩沖電路，另一路連接到NMOS功率管的緩沖電路，分別用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的PMOS功率管和NMOS功率管。
本例將13只NMOS功率管和13只PMOS功率管為分4段，其中3段各包括I只功率為IW的NMOS功率管和IW的PMOS功率管，另一段包括10只功率為O. Iff的NMOS功率管和O. Iff的PMOS功率管，本例DC-DC轉(zhuǎn)換器功率為4W。本例中的開關(guān)轉(zhuǎn)換電路、電流采樣模塊、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和模式檢測(cè)電路是組成本發(fā)明實(shí)現(xiàn)分段驅(qū)動(dòng)的四個(gè)關(guān)鍵模塊。由于本發(fā)明的開關(guān)轉(zhuǎn)換電路將功率管拆分為多個(gè)子段，以便根據(jù)不同的負(fù)載電流(反映了負(fù)載的輕重)對(duì)不同的子段進(jìn)行獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制，所以緩沖電路也做分段處理以保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)的同步達(dá)到，所驅(qū)動(dòng)的功率管同時(shí)開啟或關(guān)斷。當(dāng)電流采樣模塊工作于CCM模式下的時(shí)候，通過(guò)檢測(cè)PMOS功率管的峰值電流間接檢測(cè)負(fù)載電流，然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路得到分段控制碼。隨著負(fù)載電流的減小，由于延時(shí)等原因電流檢測(cè)電路的精度也隨之降低。在DCM模式下，負(fù)載電流與占空比成一定的關(guān)系，當(dāng)電路的工作頻率保持恒定時(shí)，采用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)通過(guò)量化PMOS功率管的導(dǎo)通時(shí)間就可以得到占空比信息，間接檢測(cè)負(fù)載電流的變化。由于兩種檢測(cè)方式工作在不同的模式下，所以電路需要一個(gè)模式檢測(cè)模塊，用于切換兩種電流檢測(cè)方式。本例開關(guān)轉(zhuǎn)換電路和緩沖電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，開關(guān)轉(zhuǎn)換電路和緩沖電路拆分為四個(gè)大段，分別為seg〈l: 10>、seg〈ll>、seg〈12>、seg〈13>,其中的第一大段seg〈l: 10>共分為10個(gè)小段。在功率管分段的同時(shí)對(duì)緩沖電路進(jìn)行分段處理，保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)到達(dá)到功率管柵級(jí)的延遲一致。該模塊接收外部?jī)蓚€(gè)13bit的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)三級(jí)緩沖后，連接到功率管的柵級(jí)，分別控制PMOS功率管和匪OS功率管。以下僅給出本例中一種分段數(shù)與電流間的關(guān)系
權(quán)利要求
1.自適應(yīng)分段驅(qū)動(dòng)DC-DC變換器,包括能量轉(zhuǎn)換單元、反饋控制單元和驅(qū)動(dòng)單元；所述反饋控制單元采集能量輸出單元的輸出電壓進(jìn)行處理后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元對(duì)能量轉(zhuǎn)換單元的輸出電壓進(jìn)行控制，所述能量轉(zhuǎn)換單元將輸入電壓轉(zhuǎn)換為脈沖電壓經(jīng)過(guò)濾波電路輸出到負(fù)載；其特征在于，所述能量轉(zhuǎn)換單元包括m只PMOS功率管和m只NMOS功率管；所述111只PMOS功率管源極與電源正極連接，所述m只PMOS功率管柵極與驅(qū)動(dòng)單元連接，所述m只PMOS功率管漏極與m只NMOS功率管漏極連接在一起并與濾波電路連接，所述m只NMOS功率管柵極與驅(qū)動(dòng)單元連接，所述m只NMOS功率管源極接地；所述驅(qū)動(dòng)單元輸出的信號(hào)分別控制PMOS功率管和NMOS功率管開啟和關(guān)斷；n只PMOS功率管開啟則對(duì)應(yīng)有n只NMOS功率管關(guān)斷，n只PMOS功率管關(guān)斷則對(duì)應(yīng)有n只NMOS功率管開啟，且其他功率管均處于關(guān)斷狀態(tài)；所述PMOS功率管開啟數(shù)量隨負(fù)載電流變化，負(fù)載電流大，PMOS功率管開啟數(shù)量大，負(fù)載電流小，PMOS功率管開啟數(shù)量?。籱、n為正整數(shù)，n≤m，m≤2。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自適應(yīng)分段驅(qū)動(dòng)DC-DC變換器，其特征在于，當(dāng)負(fù)載電流為最大值Imax時(shí)，n=m ;當(dāng)負(fù)載電流為最小值Imin時(shí)，n=l。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自適應(yīng)分段驅(qū)動(dòng)DC-DC變換器，其特征在于，所述m只PMOS功率管和m只NMOS功率管分為k段，每段中PMOS功率管和NMOS功率管數(shù)量相同，各段的PMOS功率管數(shù)量相同或不同；k為正整數(shù)，k^m0
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自適應(yīng)分段驅(qū)動(dòng)DC-DC變換器，其特征在于，每段中PMOS功率管和NMOS功率管功率相同，各段的PMOS功率管功率相同或不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自適應(yīng)分段驅(qū)動(dòng)DC-DC變換器，其特征在于，所述m=13。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自適應(yīng)分段驅(qū)動(dòng)DC-DC變換器，其特征在于，所述13只NMOS功率管和13只PMOS功率管為分4段，其中3段各包括I只功率為X的NMOS功率管和PMOS功率管，另一段包括10只功率為x/10的NMOS功率管和PMOS功率管，X為功率管的瓦特?cái)?shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自適應(yīng)分段驅(qū)動(dòng)DC-DC變換器，其特征在于，所述反饋控制單元包括誤差放大電路、PWM比較器、死區(qū)控制電路、模式檢測(cè)電路；所述誤差放大電路的輸入端分別連接能量轉(zhuǎn)換單元的輸出電壓和基準(zhǔn)電壓，其輸出信號(hào)作為PWM比較器的一個(gè)輸入，PWM比較器另一輸入為鋸齒波信號(hào)，PWM比較器的輸出送入死區(qū)控制電路，死區(qū)控制電路的輸入信號(hào)還包括過(guò)零比較器的輸出信號(hào)zcc_0ut、NMOS功率管的柵極信號(hào)gn和PMOS功率管的柵極信號(hào)gp，所述死區(qū)控制電路的輸出端與驅(qū)動(dòng)單元連接；所述驅(qū)動(dòng)單元另一個(gè)輸入端與模式檢測(cè)電路的輸出端連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的自適應(yīng)分段驅(qū)動(dòng)DC-DC變換器，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)單元包括電流采樣模塊、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器、查找表模塊、緩沖電路，所述電流采樣模塊輸入端與模式檢測(cè)電路連接，輸出端與查找表連接；所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器一個(gè)輸入端與模式檢測(cè)電路連接，另一個(gè)輸入端與死區(qū)控制電路連接，所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出端與查找表連接；所述查找表模塊根據(jù)電流采樣模塊和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入的編碼信號(hào)，以及死區(qū)控制電路的輸出信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算輸出柵極信號(hào)，該柵極信號(hào)通過(guò)緩沖電路與PMOS功率管和NMOS功率管柵極連接，進(jìn)行分段驅(qū)動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的自適應(yīng)分段驅(qū)動(dòng)DC-DC變換器，其特征在于，所述模式檢測(cè)電路包括一個(gè)電流比較器和一個(gè)模式檢測(cè)邏輯電路，電流比較器的輸出通過(guò)一個(gè)反相器連接到一個(gè)D型觸發(fā)器的時(shí)鐘端clk，D型觸發(fā)器的D端連接電源，使能端連接PMOS功率管的柵極，D型觸發(fā)器的輸出與電流采樣模塊連接，用于DCM/CCM模式切換。
全文摘要
本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)，特別涉及一種負(fù)載自適應(yīng)分段驅(qū)動(dòng)電路，在降壓式穩(wěn)壓電路(也稱為BUCK電路)中的應(yīng)用。本發(fā)明公開了一種自適應(yīng)分段驅(qū)動(dòng)DC-DC變換器。本發(fā)明用并聯(lián)的m只PMOS功率管和NMOS功率管構(gòu)成開關(guān)轉(zhuǎn)換電路，根據(jù)不同的負(fù)載電流大小，驅(qū)動(dòng)不同數(shù)量的功率管進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換，在輕載情況下驅(qū)動(dòng)的功率管數(shù)量較少，相當(dāng)于降低了功率管的功率，從而在輕載情況下降低驅(qū)動(dòng)損耗和開關(guān)損耗。本發(fā)明改變了功率管的驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電流的變化改變功率管開啟數(shù)目，從而使功率管的導(dǎo)通損耗和驅(qū)動(dòng)損耗之和最小化，進(jìn)而提高DC-DC變換器的效率，特別是輕載下的效率。本發(fā)明特別適合用于降壓式穩(wěn)壓電路中。
文檔編號(hào)H02M3/156GK102801317SQ20121029113
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月16日
發(fā)明者羅萍, 羅明, 莫易昆 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)