一種具有低功耗特性的buck變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有低功耗特性的BUCK變換器。本發(fā)明的電路在中等負(fù)載及重負(fù)載情況下，系統(tǒng)工作于PWM模式；在輕載情況下，系統(tǒng)工作在DCM模式；在超輕載情況下，系統(tǒng)自動切換到休眠模式，在休眠模式下，系統(tǒng)關(guān)閉芯片不必要的模擬電路，將靜態(tài)功耗降低到最低。
【專利說明】
-種具有低功耗特性的BUCK變換器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種具有低功耗特性的BUCK變換器。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和電子行業(yè)的興起，消費(fèi)類電子產(chǎn)品，特別是便攜式 電子設(shè)備的快速普及，電源管理半導(dǎo)體產(chǎn)品市場近期呈現(xiàn)快速增長趨勢，BUCK變換器在計(jì) 算機(jī)、通信、工業(yè)自動化、電子或電工儀器等領(lǐng)域應(yīng)用更加廣泛，低功耗、高效率、小尺寸的 功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)需求量越來越大，便攜式電子產(chǎn)品功能越來越多樣化，如移動電話已經(jīng)集成 了照相機(jī)，攝像機(jī)，多媒體播放器、視頻通話等諸多功能。隨著運(yùn)些功能的提高，其對功耗的 要求也在不斷提高，節(jié)約功耗越來越重要。運(yùn)些要求已經(jīng)集中體現(xiàn)在電源設(shè)計(jì)上，最終歸結(jié) 為系統(tǒng)的工作電流和待機(jī)電流。眾所周知，在便攜式電子產(chǎn)品正常運(yùn)行時，許多功能都處于 關(guān)閉和待機(jī)狀態(tài)，而如何實(shí)現(xiàn)在待機(jī)狀態(tài)下的低功耗，延長電池使用時間和壽命，成為電源 系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的，就是針對上述問題，提出一種適用于Buck變換器的節(jié)約系統(tǒng) 功耗電路，在較輕載情況下，系統(tǒng)自動切換到休眠模式，在休眠模式下，系統(tǒng)關(guān)閉忍片不必 要的模擬電路，將靜態(tài)功耗降低到最低，提高效率。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：如圖1所示，一種具有低功耗特性的BUCK變換器，包括驅(qū)動 模塊、PMOS功率管、醒OS功率管、采樣電路、誤差放大器、P麗比較器、過零檢測電路、睡眠模 式檢測電路、第一邏輯運(yùn)算模塊和第二邏輯運(yùn)算模塊;PMOS功率管的源極接電源，醒OS功率 管的漏極接PMOS功率管的漏極，醒OS功率管的源極接地;PMOS功率管漏極和NMOS功率管漏 極的連接點(diǎn)為BUCK變換器輸出端，PMOS功率管柵極和醒OS功率管柵極接驅(qū)動模塊的輸出 端;采樣電路接BUCK變換器輸出端，誤差放大器的反相輸入端接采樣電路的輸出端，誤差放 大器的同相輸入端接第一基準(zhǔn)電壓，誤差放大器的輸出端接睡眠模式檢測電路的輸入端； 過零檢測電路的輸入端接BUCK變換器的輸出端，過零檢測電路的輸出端接第一邏輯運(yùn)算模 塊的一個輸入端，第一邏輯運(yùn)算模塊的另一個輸入端接睡眠模式檢測電路的輸出端，第一 邏輯運(yùn)算模塊的輸出端接第二邏輯運(yùn)算模塊的一個輸入端，第二邏輯運(yùn)算模塊的另一個輸 入端接PWM比較器的輸出端;PWM比較器的反相輸入端接加法器的輸出端，PWM比較器的同相 輸入端接第二基準(zhǔn)電壓;加法器的一個輸入端接采樣電路輸出端，加法器的另一個輸入端 接睡眠模式檢測電路的輸出端;所述睡眠模式檢測電路在誤差放大器輸出信號的控制下輸 出睡眠信號，睡眠信號用于控制系統(tǒng)是否進(jìn)入休眠模式;所述第一邏輯運(yùn)算模塊用于在過 零檢測電路輸出有效信號的條件下輸出睡眠信號;所述第二邏輯模塊用于在睡眠信號有效 的情況下輸出數(shù)據(jù)信號到驅(qū)動模塊，在睡眠信號無效的情況下輸出PWM信號到驅(qū)動模塊。
[0005] 本發(fā)明的有益效果為，在中等負(fù)載及重負(fù)載情況下，系統(tǒng)工作于Pmi模式;在輕載 情況下，系統(tǒng)工作在DCM模式;在超輕載情況下，系統(tǒng)自動切換到休眠模式，在休眠模式下， 系統(tǒng)關(guān)閉忍片不必要的模擬電路，將靜態(tài)功耗降低到最低。
【附圖說明】
[0006] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)架構(gòu)圖；
[0007] 圖2為DCM模式下系統(tǒng)的輸出波形圖；
[0008] 圖3為超輕載判斷實(shí)際電路圖；
[0009] 圖4為數(shù)字邏輯處理模塊；
[0010]圖5為休眠模式下系統(tǒng)的輸出波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案：
[001^ 本發(fā)明的Buck變換器系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，包括驅(qū)動模塊、PMOS功率管、醒OS功率 管、采樣電路、誤差放大器、PWM比較器、過零檢測電路、睡眠模式檢測電路、第一邏輯運(yùn)算模 塊和第二邏輯運(yùn)算模塊;PMOS功率管的源極接電源，醒OS功率管的漏極接PMOS功率管的漏 極，醒OS功率管的源極接地;PMOS功率管漏極和醒OS功率管漏極的連接點(diǎn)為BUCK變換器輸 出端，PMOS功率管柵極和醒OS功率管柵極接驅(qū)動模塊的輸出端;采樣電路接BUCK變換器輸 出端，誤差放大器的反相輸入端接采樣電路的輸出端，誤差放大器的同相輸入端接第一基 準(zhǔn)電壓，誤差放大器的輸出端接睡眠模式檢測電路的輸入端；過零檢測電路的輸入端接 BUCK變換器的輸出端，過零檢測電路的輸出端接第一邏輯運(yùn)算模塊的一個輸入端，第一邏 輯運(yùn)算模塊的另一個輸入端接睡眠模式檢測電路的輸出端，第一邏輯運(yùn)算模塊的輸出端接 第二邏輯運(yùn)算模塊的一個輸入端，第二邏輯運(yùn)算模塊的另一個輸入端接PWM比較器的輸出 端;PWM比較器的反相輸入端接加法器的輸出端，PWM比較器的同相輸入端接第二基準(zhǔn)電壓； 加法器的一個輸入端接采樣電路輸出端，加法器的另一個輸入端接睡眠模式檢測電路的輸 出端;所述睡眠模式檢測電路在誤差放大器輸出信號的控制下輸出睡眠信號，睡眠信號用 于控制系統(tǒng)是否進(jìn)入休眠模式;所述第一邏輯運(yùn)算模塊用于在過零檢測電路輸出有效信號 的條件下輸出睡眠信號;所述第二邏輯模塊用于在睡眠信號有效的情況下輸出數(shù)據(jù)信號到 驅(qū)動模塊，在睡眠信號無效的情況下輸出PWM信號到驅(qū)動模塊。
[0013] 本發(fā)明的工作原理是：
[0014] 首先是Vout經(jīng)過電阻分壓產(chǎn)生VFB，EA模塊是誤差放大器，用來比較FB與REFl的電 壓大小，在中等負(fù)載及重負(fù)載情況下，系統(tǒng)工作于PWM模式，睡眠模式信號一直為是低電平， 系統(tǒng)不會進(jìn)入睡眠模式;在輕載情況下，系統(tǒng)工作在DCM模式，系統(tǒng)的輸出波形如圖2所示， 睡眠模式信號也是一直為低電平，系統(tǒng)不會進(jìn)入睡眠模式;在超輕載情況下，誤差放大器的 輸出會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致睡眠檢測模塊翻轉(zhuǎn)，由于在輕載下會觸發(fā)過零，過零檢測信號也 會翻轉(zhuǎn)，最終睡眠模式信號就會翻轉(zhuǎn)，系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式，在睡眠模式下，系統(tǒng)關(guān)閉忍片不 必要的模擬電路W及主開關(guān)管和同步整流管W降低靜態(tài)功耗與開關(guān)損耗。
[0015] 判斷系統(tǒng)是否進(jìn)入超輕載模式的實(shí)際電路圖如圖3所示，對于Buck變換器，當(dāng)負(fù)載 變輕時，輸出電壓的紋波會變大，就會使誤差放大器輸出低電平，即A處電壓為低電平，MPl 開啟，恒定電流源I 1對電容Cl充電，B處電壓慢慢上升，充電一段時間后，B處電壓達(dá)到施密 特觸發(fā)器Smitl的闊值電壓，就會使誤差放大器輸出翻轉(zhuǎn)，誤差放大器輸出變?yōu)楦唠娖??？?br>[0017] W求出使施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)所需要的時間，則有：[0016]
[001引根據(jù)上述分析，在超輕載模式下，誤差放大器輸出低電平，如果VFB在t時間段內(nèi)都 是大于VREFl的，也就是說誤差放大器輸出在t時間段都是低電平，誤差放大器輸出就會翻 轉(zhuǎn)為高電平。誤差放大器輸出變?yōu)楦唠娖骄蜁瓜到y(tǒng)進(jìn)入休眠模式，系統(tǒng)關(guān)閉忍片大部分 的模擬電路，除了誤差放大器和PWM比較器還工作，將靜態(tài)功耗降低到最低，其邏輯控制模 塊如圖4所示，Ctrl 1在系統(tǒng)正常工作時為高電平，Ctrl2為低時開上功率管，為高時開下功 率管，由于在超輕載模式下，會發(fā)生過零，過零檢測信號會變高，反相器Invl輸出為高，一旦 誤差放大器輸出變?yōu)楦唠娖骄蜁顾吣Ｊ叫盘栕優(yōu)楦唠娖剑到y(tǒng)進(jìn)入睡眠模式，進(jìn)入休 眠模式后，系統(tǒng)會關(guān)閉除了誤差放大器和PWM比較器外的大部分的模擬電路，關(guān)斷主功率管 和同步整流管，從而可W降低系統(tǒng)靜態(tài)功耗和開關(guān)損耗，提高效率。
[0019] 在休眠模式下系統(tǒng)的輸出波形如圖5所示，由上述分析可W得到，在輕載變輕時， 開關(guān)周期比較長，在運(yùn)階段保持低功耗變得很重要，由于負(fù)載很輕，當(dāng)觸發(fā)過零后，上下功 率管都關(guān)閉，輸出電壓靠負(fù)載慢慢放電，運(yùn)段時間會很長，所W我們希望在超輕載情況下系 統(tǒng)進(jìn)入休眠模式，系統(tǒng)關(guān)閉忍片不必要的模擬電路W及主開關(guān)管和同步整流管W降低靜態(tài) 功耗與開關(guān)損耗。根據(jù)我們對圖3和圖4的分析可W得到，在超輕載情況下，一旦誤差放大器 輸出變?yōu)楦唠娖骄蜁顾吣Ｊ叫盘栕優(yōu)楦唠娖?，系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式，Tl時間內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)入 睡眠模式，在Tl時間段系統(tǒng)會關(guān)閉除了誤差放大器和PWM比較器外的大部分的模擬電路，降 低系統(tǒng)靜態(tài)功耗；當(dāng)VFB降到VREFl時，誤差放大器輸出會立刻變?yōu)榈碗娖?，會使睡眠模式?號從高電平變?yōu)榈碗娖?，系統(tǒng)退出睡眠模式，系統(tǒng)重新正常工作。EA模塊的基準(zhǔn)參考電壓 VREFl比Pmi比較器基準(zhǔn)參考電壓VR邸大，從圖5中可W看出，VFB碰到VREFl時就會退出休眠 模式，離碰到VR邸還要一段時間，VREFl比VREF大5mv左右比較合適，相當(dāng)于預(yù)留一段時間使 關(guān)閉的模塊重新正常工作，當(dāng)VFB碰到V旭即寸，會開啟下一周期，系統(tǒng)重新正常工作。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是設(shè)計(jì)出一種基于COT模式Buck變換器的節(jié)約系統(tǒng)功耗電路， 在中等負(fù)載及重負(fù)載情況下，系統(tǒng)工作于PWM模式;在輕載情況下，系統(tǒng)工作在DCM模式;在 超輕載情況下，系統(tǒng)自動切換到休眠模式，在休眠模式下，系統(tǒng)會關(guān)閉除了誤差放大器和 PWM比較器外的大部分的模擬電路，關(guān)斷主功率管和同步整流管，從而可W降低系統(tǒng)靜態(tài)功 耗和開關(guān)損耗，提高效率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有低功耗特性的BUCK變換器，包括驅(qū)動模塊、PMOS功率管、匪OS功率管、采樣 電路、誤差放大器、PWM比較器、過零檢測電路、睡眠模式檢測電路、第一邏輯運(yùn)算模塊和第 二邏輯運(yùn)算模塊;PM0S功率管的源極接電源，匪0S功率管的漏極接PM0S功率管的漏極，NM0S 功率管的源極接地;PM0S功率管漏極和匪0S功率管漏極的連接點(diǎn)為BUCK變換器輸出端， PM0S功率管柵極和匪0S功率管柵極接驅(qū)動模塊的輸出端;采樣電路接BUCK變換器輸出端， 誤差放大器的反相輸入端接采樣電路的輸出端，誤差放大器的同相輸入端接第一基準(zhǔn)電 壓，誤差放大器的輸出端接睡眠模式檢測電路的輸入端;過零檢測電路的輸入端接BUCK變 換器的輸出端，過零檢測電路的輸出端接第一邏輯運(yùn)算模塊的一個輸入端，第一邏輯運(yùn)算 模塊的另一個輸入端接睡眠模式檢測電路的輸出端，第一邏輯運(yùn)算模塊的輸出端接第二邏 輯運(yùn)算模塊的一個輸入端，第二邏輯運(yùn)算模塊的另一個輸入端接PWM比較器的輸出端;PWM 比較器的反相輸入端接加法器的輸出端，PWM比較器的同相輸入端接第二基準(zhǔn)電壓;加法器 的一個輸入端接采樣電路輸出端，加法器的另一個輸入端接睡眠模式檢測電路的輸出端； 所述睡眠模式檢測電路在誤差放大器輸出信號的控制下輸出睡眠信號，睡眠信號用于控制 系統(tǒng)是否進(jìn)入休眠模式;所述第一邏輯運(yùn)算模塊用于在過零檢測電路輸出有效信號的條件 下輸出睡眠信號;所述第二邏輯模塊用于在睡眠信號有效的情況下輸出數(shù)據(jù)信號到驅(qū)動模 塊，在睡眠信號無效的情況下輸出PWM信號到驅(qū)動模塊。
【文檔編號】H02M3/157GK105827112SQ201610367298
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】明鑫, 李要, 何燁, 王卓, 張波
【申請人】電子科技大學(xué)