專利名稱：高效寬電壓轉(zhuǎn)換范圍多模dc-dc變換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于變換器領域，本發(fā)明涉及一種為電池供電便攜式電子設備提
供穩(wěn)壓電源的DC-DC變換器。
背景技術：
隨著半導體工藝的快速發(fā)展，便攜式電子產(chǎn)品得以快速發(fā)展，因此電子 產(chǎn)品對電源的要求也越來越苛刻，要求其電源變換器具有小體積、高功率密 度、高可靠、高效率和更低的成本。顯然，傳統(tǒng)的線性電源系統(tǒng)無論從體積、 效率、性能以及可靠性等各方面均已無法適應要求，而開關電源以其體積小、 重量輕、損耗小、效率高、應用范圍廣等優(yōu)點，逐漸取代傳統(tǒng)線性電源，成
為電子產(chǎn)品電源的主流產(chǎn)品。并且隨著便攜式電子產(chǎn)品的廣泛運用，以DC-DC 變換器為核心的電源管理模塊有著廣闊的市場前景，電源管理IC內(nèi)部的集成 度顯著提高，控制方式呈現(xiàn)多樣化，適用的范圍越加廣泛，科技含量也不斷 增加。但是目前的DC-DC變換器也存在著一些問題，比如雖然Buck(降壓) 變換器和Boost (升壓)變換器效率較高，但只能實現(xiàn)單一的降壓變換或升壓 變換，轉(zhuǎn)換模式單一，輸入輸出電壓范圍比較小，無法實現(xiàn)寬電壓范圍的變 換；而Buck-Boost (升降壓)變換器雖然能實現(xiàn)寬電壓范圍內(nèi)的電壓變換， 但是由于四個開關管同時工作時損耗比較大，DC-DC變換器的效率較低。將 Buck-Boost (升降壓)變換器根據(jù)輸入與輸出電壓之間關系分段進行控制的 理論，即將Buck-Boost (升降壓)變換器按輸入電壓小于輸出電壓、輸入電 壓約等于輸出電壓和輸入電壓大于輸出電壓的情況，使Buck-Boost (升降壓) 變換器分別工作于Boost (升壓)模式、Buck-Boost (升降壓)模式和Buck (降壓)模式，Buck-Boost變換器的效率將會大大提高，輕負載狀態(tài)下的Burst 控制模式可使變換器在峰值電流箝位狀態(tài)下工作時不改變開關頻率，但在休眠模式下關閉芯片大部分模塊以降低系統(tǒng)的靜態(tài)功耗，同時,也降低了平均開
關頻率，減小了開關損耗。仿真結(jié)果表明最低效率能達到80%。但是Burst控 制模式有別于PFM控制模式，并且還沒有用在Buck-Boost (升降壓)變換器 中。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供一種高效寬電壓轉(zhuǎn)換 范圍多模DC-DC變換器，該高效寬電壓轉(zhuǎn)換范圍多模DC-DC變換器包括
Buck-Boost功率變換模塊100、驅(qū)動模塊200、帶隙基準模塊300、 IC內(nèi) 部供電模塊400、波形發(fā)生器模塊500、工作模式選擇模塊600、保護模塊700、 電壓檢測模塊800、電流檢測模塊900、軟啟動模塊1000、 PWM控制器模塊1100 和LD0控制器模塊1200; Buck-Boost功率變換模塊100與電源輸入端、電源 輸出端、驅(qū)動模塊200和電流檢測模塊900連接，提供電流檢測信號給電流 檢測模塊900;所述驅(qū)動模塊200與Buck-Boost功率變換模塊100、 P麗控制 器模塊1100和LDO控制器模塊1200連接，驅(qū)動模塊200與Buck-Boost功率 變換模塊100、 P麗控制器模塊1100和LDO控制器模塊1200提供驅(qū)動信號； 帶隙基準模塊300與電源輸入端、IC內(nèi)部供電模塊400、工作模式選擇模塊 600、保護模塊700、電壓檢測模塊800、電流檢測模塊900、軟啟動模塊1000 和LDO控制器模塊1200連接并提供基準電壓；IC內(nèi)部供電模塊400是給內(nèi)部 電路提供1. 8V工作電壓的模塊，IC內(nèi)部供電模塊400與電源輸入端連接；波 形發(fā)生器模塊500給內(nèi)部電路提供時鐘信號，波形發(fā)生器模塊500與IC內(nèi)部 供電模塊400連接，波形發(fā)生器模塊500與P麗控制器模塊1100連接，為該 模塊提供時鐘信號；工作模式選擇模塊600與電源輸入端和帶隙基準模塊300 連接；保護模塊700與帶隙基準模塊300、電壓檢測模塊800、電流檢測模塊 900和P麗控制器模塊1100連接；電壓檢測模塊800與電源輸出端、帶隙基 準模塊300、保護模塊700和P麗控制器模塊1100連接；電流檢測模塊900
7與Buck-Boost功率變換模塊100、帶隙基準模塊300、保護模塊700和PM 控制器模塊1100連接；軟啟動模塊1000與電源輸出端、帶隙基準模塊300 和電壓檢測模塊800連接；PWM控制器模塊1100與驅(qū)動模塊200、波形發(fā)生 器模塊500、工作模式選擇模塊600、保護模塊700、電壓檢測模塊800、電 流檢測模塊900、軟啟動模塊1000和LD0控制器模塊1200連接；LD0控制器 模塊1200與電源輸出端、驅(qū)動模塊200、帶隙基準模塊300和PWM控制器模 塊IIOO連接。
所述Buck-Boost功率變換模塊100包括與驅(qū)動模塊200同名端口連接的 麗0S—syn柵極驅(qū)動端、麗0S—dri柵極驅(qū)動端、PMOS—dri柵極驅(qū)動端、PMOS—syn 柵極驅(qū)動端、與電源輸入端連接的Vin端、Vout端、與外接電感兩端連接的 Lin端和Lout端、與current_detect模塊中的Isensor端相連接 current—sensor端；current—sensor端與地之間外接電阻R3，由此產(chǎn)生一個 電流檢測信號。
所述驅(qū)動模塊200包括與LDO控制器模塊1200同名端口連接的pd一ldo 端和ps—ldo端、與P麗控制器模塊1100同名端口連接的nd端、ns端、pd—pwm 端、psjwm端和select端、與Buck-Boost功率變換模塊100連接的NM0S—dri 端、麗0S—syn端、PM0S—dri端及pmos—syn端。
所述帶隙基準模塊300包括與電源輸入端連接的Vin端，與IC內(nèi)部供電 模塊400、工作模式選擇模塊600、保護模塊700、電壓檢測模塊800、電流 檢測模塊900、軟啟動模塊1000和LDO控制器模塊1200同名端口連接的Vref 端。
所述IC內(nèi)部供電模塊400與電源輸入端連接；包括與電源輸入端連接的 Vin端、與帶隙基準模塊300同名端口連接的Vref端、與波形發(fā)生器模塊500 同名端口連接的Vdd端。
所述波形發(fā)生器模塊500包括與IC內(nèi)部供電模塊400同名端口連接的Vdd 端、與P麗控制器模塊1100同名端口連接的elk端。所述工作模式選擇模塊600包括通過外接電阻Rl與電源輸入端連接的Vi 端、與保護模塊700、電壓檢測模塊800、電流檢測模塊900和軟啟動模塊1000 同名端口連接的Vref端、與PWM控制器模塊1100同名端口連接的ms端。
所述保護模塊700包括與帶隙基準模塊300同名端口連接的Vref端、與 電流檢測模塊900同名端口連接的Id端、與電壓檢測模塊800同名端口連接 的Vd端、與P麗控制器模塊1100同名端口連接的pt端。
所述電壓檢測模塊800包括與電源輸出端連接的Vfb端、與帶隙基準模 塊300同名端口連接的Vref端、與保護模塊700和PWM控制器模塊1100同 名端口連接的Vd端；
所述電流檢測模塊900包括與Buck-Boost功率變換模塊100同名端口連 接的Isensor端、與帶隙基準模塊300同名端口連接的Vref端、與保護模塊 700和PWM控制器模塊1100同名端口連接的Id端；
所述軟啟動模塊1000包括與電源輸出端連接的Vfb端、與帶隙基準模塊 300同名端口連接的Vref端、與電壓檢測模塊800同名端口連接的sta—log 端。
所述PWM控制器模塊1100包括與驅(qū)動模塊200同名端口連接的nd端、 ns端、pd_pwm端及ps—pwm端、與波形發(fā)生器模塊500同名端口連接的elk 端、與工作模式選擇模塊600同名端口連接的ms端、與保護模塊700同名端 口連接的pt端、與電壓檢測模塊800同名端口連接的Vd端、與電流檢測模 塊900同名端口連接的Id端、與軟啟動模塊1000同名端口連接的sta一log 端、與LDO控制器模塊1200同名端口連接的st—LDO端；
所述LDO控制器模塊1200包括與電源輸出端Vfb端、與驅(qū)動模塊200
同名端口連接的pcLldo端及ps一ldo端、與帶隙基準模塊300同名端口連接
的Vref端、與P麗控制器模塊1100同名端口連接的st—LDO端。
本發(fā)明設計的單片高頻多模轉(zhuǎn)換DC-DC變換器，可以實現(xiàn)開關管和同步 整流管實現(xiàn)全集成，外接變壓電感和輸出濾波電容；輸入電壓范圍2. 5V-5. 5V，輸出電壓范圍2.5V-5.5V可調(diào)，輸出電流最大1000mA,工作頻率最高lMHz， 輸出電壓精度控制在5%以內(nèi)，輕負載時系統(tǒng)進入間歇工作模式，以實現(xiàn)系統(tǒng) 整體效率80%以上；控制環(huán)路為電壓與電流雙環(huán)控制，實現(xiàn)PWM與PFM雙模式 控制，并能在特定的電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)LD0控制；實現(xiàn)過溫、過電壓和過電流 保護功能。
圖1為本發(fā)明Buck-Boost功率變換模塊的matlab系統(tǒng)模型；
圖2為本發(fā)明Buck-Boost功率變換模塊的matlab仿真結(jié)果；
圖3為本發(fā)明Buck-Boost功率變換模塊的電路圖4為本發(fā)明Buck-Boost功率變換模塊的引腳圖； 圖5為本發(fā)明多模轉(zhuǎn)換DC-DC變換器的整體結(jié)構(gòu)框具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述
參見圖l、 2、 3、 4、 5,高效寬電壓轉(zhuǎn)換范圍多模DC-DC變換器，包括 Buck-Boost功率變換模塊100、驅(qū)動模塊200、帶隙基準模塊300、 IC內(nèi)部供 電模塊400、波形發(fā)生器模塊500、工作模式選擇模塊600、保護模塊700、 電壓檢測模塊800、電流檢測模塊900、軟啟動模塊1000、PWM控制器模塊1100 和LDO控制器模塊1200; Buck-Boost功率變換模塊100與電源輸入端、電源 輸出端、驅(qū)動模塊200和電流檢測模塊900連接，提供電流檢測信號給電流 檢測模塊900;所述驅(qū)動模塊200與Buck-Boost功率變換模塊100、 PWM控制 器模塊1100和LDO控制器模塊1200連接，驅(qū)動模塊200與Buck-Boost功率 變換模塊100、 P麗控制器模塊1100和LDO控制器模塊1200提供驅(qū)動信號； 帶隙基準模塊300與電源輸入端、IC內(nèi)部供電模塊400、工作模式選擇模塊600、保護模塊700、電壓檢測模塊800、電流檢測模塊900、軟啟動模塊1000 和LDO控制器模塊1200連接并提供基準電壓；IC內(nèi)部供電模塊400是給內(nèi)部 電路提供1.8V工作電壓的模塊，IC內(nèi)部供電模塊400與電源輸入端連接；波 形發(fā)生器模塊500給內(nèi)部電路提供時鐘信號，波形發(fā)生器模塊500與IC內(nèi)部 供電模塊400連接，波形發(fā)生器模塊500與P麗控制器模塊1100連接，為該 模塊提供時鐘信號；工作模式選擇模塊600與電源輸入端和帶隙基準模塊300 連接；保護模塊700與帶隙基準模塊300、電壓檢測模塊800、電流檢測模塊 900和P麵控制器模塊1100連接；電壓檢測模塊800與電源輸出端、帶隙基 準模塊300、保護模塊700和P麗控制器模塊1100連接；電流檢測模塊900 與Buck-Boost功率變換模塊100、帶隙基準模塊300、保護模塊700和P麗 控制器模塊1100連接；軟啟動模塊1000與電源輸出端、帶隙基準模塊300 和電壓檢測模塊800連接；PWM控制器模塊1100與驅(qū)動模塊200、波形發(fā)生 器模塊500、工作模式選擇模塊600、保護模塊700、電壓檢測模塊800、電 流檢測模塊900、軟啟動模塊1000和LDO控制器模塊1200連接；LDO控制器 模塊1200與電源輸出端、驅(qū)動模塊200、帶隙基準模塊300和P籠控制器模 塊IIOO連接。
其中Buck-Boost功率變換模塊是實現(xiàn)DC-DC變換器升降壓的核心電路模 塊，具體電路如圖3所示，圖3中M0和M1是麗OS， M2和M3是PM0S，其中 Ml和M2是開關MOS， M0和M3是同步整流M0S，根據(jù)發(fā)明的目的中的理論分 析，并結(jié)合圖3中電路拓撲分別對上述四種控制模式進行簡單分析若開關 Ml保持關斷，M3保持導通，M0和M2由PWM控制，則電路變成buck變換； 若開關M0保持關斷，M2保持導通，Ml和M3由P麗控制，則電路變成boost 變換；若4只M0S管同時由PWM控制，則電路是Buck-Boost變換；若M0和 Ml保持關斷，而M2和M3由LDO控制器控制，則電路變成了 LDO變換。圖3 中M0管的柵極驅(qū)動端是麗0S—syn， Ml管的柵極驅(qū)動端是麗0S—dri， M2管的柵極驅(qū)動端是PMOS—dri， M3管的柵極驅(qū)動端是PM0S—syn， Vin是外部電源的 輸入端，Vout是經(jīng)過變壓后的電源輸出端，外接濾波電容和負載，Lin是變 壓電感器的輸入端，Lout是變壓電感器的輸出端，Lin與Lout之間外接變壓 電感器，current—sensor是電流檢測端，外接小阻值電阻到地，對應的拓撲 電路框圖如圖4所示。
驅(qū)動模塊是為了驅(qū)動主拓撲電路中的四個功率MOS管而設計的，包括兩 部分驅(qū)動的設計，pd—ldo和ps—ldo是連接到LDO控制器模塊的輸出，通過 驅(qū)動模塊到PMOS—dri和PM0S一syn輸出，再連接到Buck-Boost拓撲模塊的相 同命名端上，去驅(qū)動M2和M3管；nd、 ns、 pd_p 和ps—pwm是連接到PWM 控制器模塊的輸出，通過一系列的反相器鏈分別連接到固0S一dri、NM0S一syn、 PMOS—dri和PMOS—syn輸出，再連接到Buck-Boost拓撲模塊的相同命名端上， 去驅(qū)動對應的MOS管；select端是實現(xiàn)在上述兩種驅(qū)動工作之間選擇。
帶隙基準模塊輸出的參考電壓Vref連接到IC內(nèi)部供電模塊、模式選擇 模塊和各個檢測模塊，同時還為系統(tǒng)提供參考電壓和偏置電流。
IC內(nèi)部供電模塊是根據(jù)輸入電壓和參考電壓產(chǎn)生穩(wěn)定的能驅(qū)動IC內(nèi)部 電路工作的輸出電壓Vdd，用來驅(qū)動系統(tǒng)其它模塊。
波形發(fā)生器模塊是產(chǎn)生elk時鐘信號輸入給PWM控制器模塊。
工作模式選擇模塊是根據(jù)輸入電壓和參考電壓的比較來實現(xiàn)系統(tǒng)工作模 式的選擇。
保護模塊的輸出信號輸入到PWM控制器模塊的輸入端，決定系統(tǒng)是否進 入保護模式，并能提供過溫、過電壓和過電流保護。
電壓檢測模塊檢測輸出電壓的大小，以決定系統(tǒng)是應該提高輸出電壓還是降低輸出電壓，并且能檢測出系統(tǒng)輸出電壓是否正常。
電流檢測模塊檢測流過開關管的電流大小，并將檢測結(jié)果分別輸出給保 護模塊和P麗控制器模塊，以實現(xiàn)電流環(huán)路控制和電流異常保護。
軟啟動模塊是為了避免在每次開啟系統(tǒng)時的一段很短時間內(nèi)可能存在過
大的浪涌電流沖擊開關M0S管和輸出濾波電容器而設計啟動電路。
P畫控制器模塊是實現(xiàn)對4只開關M0S管提供可調(diào)占空比控制信號的控 制模塊；并且此模塊還實現(xiàn)了死區(qū)控制功能，提供各相輸出信號不交疊，避 免上下雙管共通；而且當系統(tǒng)工作在4管同時開關的Buck—Boost模式時，提 供兩組開關管兩兩同時導通時存在小的時間間隔，避免了同時開關時兩開關 管均存在開關損耗的可能，將開關損耗減少到最小。
LD0控制器模塊提供了對輸出電壓的線性變換控制，是通過對M2和M3 管控制實現(xiàn)。
以上內(nèi)容是本發(fā)明設計的DC-DC變換器內(nèi)部各系統(tǒng)之間相互聯(lián)系及工作 方式簡單介紹，圖5是本發(fā)明設計的DC-DC變換器的整體結(jié)構(gòu)框圖，圖5中 的電源V0、電感L0、電容C0和電阻R1、 R2及R3均為外接的分立器件，R0 為負載；圖5中各個框圖為實現(xiàn)某一特定功能的模塊，而所有的模塊均為IC 內(nèi)部電路。
如圖5所示多模轉(zhuǎn)換DC-DC變換器的整體結(jié)構(gòu)框圖中各個模塊端口之間 的連接關系描述如下
Buck-Boost功率變換模塊100是主電路拓撲模塊，其中Vin端接電源 輸入端；Vout端接電源輸出端；Lin端和Lout端連接在外接電感兩端； NMOS—dri端、NMOS—syn端、PMOS—dri端及pmos—syn端與drivers模塊中的相同名端口相連接，由drivers模塊提供輸出驅(qū)動信號；current—sensor端 與地之間外接電阻R3，由此產(chǎn)生一個電流檢測信號，并且current—sensor 端又與電流檢測模塊900中的Isensor端相連接，提供電流檢測信號給電流 檢測模塊900。
帶隙基準模塊300是給內(nèi)部電路提供基準電壓的模塊，其中Vin端接 電源輸入端；Vref端與IC內(nèi)部供電模塊400、工作模式選擇模塊600、保護 模塊700、軟啟動模塊1000、電流檢測模塊900、電壓檢測模塊800和LDO 控制器模塊1200中的相同名端口相連接，為這些模塊提供一組基準電壓。
IC內(nèi)部供電模塊400是給內(nèi)部電路提供1. 8V工作電壓的模塊，其中 Vin端接電源輸入端；Vref端與帶隙基準模塊300中的Vref端相連接，由帶 隙基準模塊300提供參考電壓；Vdd端與波形發(fā)生器模塊500中的Vdd端相 連接，為該模塊及內(nèi)部電路提供1. 8V的直流電壓，以保證數(shù)字電路的正常工 作。
波形發(fā)生器模塊500是時鐘信號發(fā)生模塊，給內(nèi)部電路提供時鐘信號， 其中Vdd端與IC內(nèi)部供電模塊400中的Vdd端相連接，輸入電壓1. 8V; elk 端與PWM控制器模塊1100中的elk端相連接，為該模塊提供時鐘信號。
工作模式選擇模塊600是根據(jù)輸入電壓與參考電壓的比較來產(chǎn)生一組控 制信號的模塊，這組控制信號使得系統(tǒng)能根據(jù)輸入電壓的高低自動在Boost、 Buck-Boost、 LDO及Buck四種模式之間相互切換，其中Vi端與電源輸入端 之間外接電阻Rl; Vref端與帶隙基準模塊300中的Vref端相連接，由帶隙 基準模塊300提供參考電壓;ms端與P麗控制器模塊1100中的ms端相連接， 為該模塊提供工作模式選擇的控制信號。保護模塊700是通過監(jiān)測輸出電壓、電感電流及芯片溫度的大小來判斷 電路是否工作在過電壓、過電流或過溫度等異態(tài)情況，并產(chǎn)生異態(tài)控制信號 的模塊，其中Vref端與帶隙基準模塊300中的Vref端相連接，由帶隙基 準模塊300提供參考電壓；Id端與電流檢測模塊900中的Id端相連接，由 電流檢測模塊900提供電流監(jiān)測結(jié)果；Vd端與電壓檢測模塊800中的Vd端 相連接，由電壓檢測模塊800提供電壓監(jiān)測結(jié)果;pt端與PWM控制器模塊1100 中的pt端相連接，為該模塊提供異態(tài)保護控制信號。
軟啟動模塊IOOO是軟啟動模塊，在每次系統(tǒng)上電時工作，作用是為了避 免系統(tǒng)上電時過大的浪涌電流沖擊輸出濾波電容而設計的，其中Vref端與 帶隙基準模塊300中的Vref端相連接，由帶隙基準模塊300提供參考電壓； Vfb端與電源輸出端之間外接電阻R2; sta—log端與電壓檢測模塊800中的 stajog端相連接，為該模塊提供軟啟動控制信號。
電流檢測模塊900是電流檢測模塊，其中Vref端與帶隙基準模塊300 中的Vref端相連接，由帶隙基準模塊300提供參考電壓；Isensor端與 Buck-Boost功率變換模塊100中的current— —sensor端相連接，由Buck-Boost 功率變換模塊100提供電流檢測信號；Id端與保護模塊700和PWM控制器模 塊1100中的相同名端口相連接，為這兩個模塊提供電流采樣信號。
電壓檢測模塊800是電壓檢測模塊，其中Vref端與帶隙基準模塊300 中的Vref端相連接，由帶隙基準模塊300提供參考電壓；Vfb端與電源輸出 端之間外接電阻R2; Vd端與保護模塊700和P麗控制器模塊1100中的相同 名端口相連接，為這兩個模塊提供輸出電壓采樣信號。
P麗控制器模塊1100是實現(xiàn)PWM控制的核心模塊，也是本發(fā)明專利的核心模塊之一，其中clk端與波形發(fā)生器模塊500中的clk端相連接，由波
形發(fā)生器模塊500提供時鐘信號；ms端與工作模式選擇模塊600中的ms端
相連接，由工作模式選擇模塊600提供工作模式選擇的控制信號；pt端與保
護模塊700中的pt端相連接，由保護模塊700提供異態(tài)保護控制信號；
sta—log端與軟啟動模塊1000中的sta—log端相連接，由軟啟動模塊1000
提供軟啟動控制信號；Id端與電流檢測模塊900中的Id端相連接，由電流
檢測模塊900提供電流采樣信號；Vd端與電壓檢測模塊800中的Vd端相連
接，由電壓檢測模塊800提供輸出電壓采樣信號；st—LDO端與LDO控制器模
塊1200中的stJJ)0端相連接，為該模塊提供工作狀態(tài)控制信號；nd端、ns
端、pd—pwm端及ps—pwm端與drivers模塊中的相同名端口相連接，為該模
塊提供pwm模式的驅(qū)動信號；sel端與drivers模塊中的select端相連接，
為該模塊提供輸出驅(qū)動選擇信號。
LDO控制器模塊1200是實現(xiàn)線性模式控制的核心模塊，其中Vfb端與
電源輸出端之間外接電阻R2; Vref端與帶隙基準模塊300中的Vref端相連
接，由帶隙基準模塊300提供參考電壓；st—LDO端與PWM控制器模塊llOO
中的st—LDO端相連接，由P麗控制器模塊1100提供工作狀態(tài)控制信號；
pd—ldo端及ps—ldo端與drivers模塊中的相同名端口相連接，為該模塊提
供線性控制模式的驅(qū)動信號。
drivers模塊是為了增強輸出驅(qū)動信號的驅(qū)動能力而設計的模塊，其中
pd—ldo端及ps_ldo端與LDO控制器模塊1200中的相同名端口相連接，由LDO
控制器模塊1200提供線性控制模式的驅(qū)動信號；nd端、ns端、pd_pwm端及
ps—pwm端與P麗控制器模塊1100中的相同名端口相連接，由PWM控制器模塊
1100提供pwm模式的驅(qū)動信號；select端與P麗控制器模塊1100中的sel端相連接，由P麗控制器模塊1100提供輸出驅(qū)動選擇信號；醒0S—dri端、 NMOS_syn端、PMOS—dri端及pmos_syn端與Buck-Boost功率變換模塊100中 的相同名端口相連接，為該模塊提供輸出驅(qū)動信號。
高效在DC-DC變換器中，重負載狀態(tài)下效率一般都高達90%以上，但是 在輕負載狀態(tài)下系統(tǒng)效率卻非常低；在對非全集成DC-DC變換器的研究中， 文獻[l]袁冰，來新泉，李演明，葉強，王紅義，賈新章，"便攜應用DC-DC 輕負載高效率的實現(xiàn)"，半導體學報.vo1.29 No.6.June， 2008實驗測得在輕 負載狀態(tài)下系統(tǒng)效率為62%;本發(fā)明設計實現(xiàn)輕負載狀態(tài)下系統(tǒng)效率高于80%。
寬電壓轉(zhuǎn)換范圍輸入電壓范圍2.5V-5.5V，輸出電壓范圍2.5V-5.5V內(nèi) 可調(diào)，實現(xiàn)寬電壓輸入和寬電壓輸出的要求。
多模采用四種控制模式的設計構(gòu)思，以實現(xiàn)寬電壓輸入和寬電壓輸出 的要求Buck (降壓)模式、Boost (升壓)模式、Buck-Boost (升降壓)模 式及LD0模式。
本發(fā)明設計的單片高頻多模轉(zhuǎn)換DC-DC變換器，可以實現(xiàn)開關管和同步 整流管全集成，外接變壓電感和輸出濾波電容；輸入電壓范圍2.5V-5.5V，輸 出電壓范圍2.5V-5.5V內(nèi)可調(diào)，輸出電流最大1000mA，工作頻率最高lMHz， 輸出電壓精度控制在5%以內(nèi)，輕負載時系統(tǒng)進入間歇工作模式，以實現(xiàn)系統(tǒng) 整體效率80%以上；控制環(huán)路為電壓與電流雙環(huán)控制，實現(xiàn)PWM與PFM雙 模式控制，并能在特定的電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)LDO控制；實現(xiàn)過溫、過電壓和過 電流保護功能。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明， 不能認定本發(fā)明的具體實施方式
僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術領域的普通 技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演 或替換，都應當視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護范圍。
1權(quán)利要求
1、高效寬電壓轉(zhuǎn)換范圍多模DC-DC變換器，其特征在于，包括Buck-Boost功率變換模塊(100)、驅(qū)動模塊(200)、帶隙基準模塊(300)、IC內(nèi)部供電模塊(400)、波形發(fā)生器模塊(500)、工作模式選擇模塊(600)、保護模塊(700)、電壓檢測模塊(800)、電流檢測模塊(900)、軟啟動模塊(1000)、PWM控制器模塊(1100)和LDO控制器模塊(1200)；Buck-Boost功率變換模塊(100)與電源輸入端、電源輸出端、驅(qū)動模塊(200)和電流檢測模塊(900)分別連接，提供電流檢測信號給電流檢測模塊(900)；所述驅(qū)動模塊(200)與Buck-Boost功率變換模塊(100)、PWM控制器模塊(1100)和LDO控制器模塊(1200)分別連接，驅(qū)動模塊(200)為Buck-Boost功率變換模塊(100)、PWM控制器模塊(1100)和LDO控制器模塊(1200)分別提供驅(qū)動信號；帶隙基準模塊(300)與電源輸入端、IC內(nèi)部供電模塊(400)、工作模式選擇模塊(600)、保護模塊(700)、電壓檢測模塊(800)、電流檢測模塊(900)、軟啟動模塊(1000)和LDO控制器模塊(1200)分別連接并提供基準電壓；IC內(nèi)部供電模塊(400)是給內(nèi)部電路提供1.8V工作電壓的模塊，IC內(nèi)部供電模塊(400)與電源輸入端連接；波形發(fā)生器模塊(500)與IC內(nèi)部供電模塊(400)連接，波形發(fā)生器模塊(500)給IC內(nèi)部供電模塊(400)提供時鐘信號；波形發(fā)生器模塊(500)與PWM控制器模塊(1100)連接，為該模塊提供時鐘信號；工作模式選擇模塊(600)與電源輸入端和帶隙基準模塊(300)分別連接；保護模塊(700)與帶隙基準模塊(300)、電壓檢測模塊(800)、電流檢測模塊(900)和PWM控制器模塊(1100)分別連接；電壓檢測模塊(800)與電源輸出端、帶隙基準模塊(300)、保護模塊(700)和PWM控制器模塊(1100)分別連接；電流檢測模塊(900)與Buck-Boost功率變換模塊(100)、帶隙基準模塊(300)、保護模塊(700)和PWM控制器模塊(1100)分別連接；軟啟動模塊(1000)與電源輸出端、帶隙基準模塊(300)和電壓檢測模塊(800)分別連接；PWM控制器模塊(1100)與驅(qū)動模塊(200)、波形發(fā)生器模塊(500)、工作模式選擇模塊(600)、保護模塊(700)、電壓檢測模塊(800)、電流檢測模塊(900)、軟啟動模塊(1000)和LDO控制器模塊(1200)分別連接；LDO控制器模塊(1200)與電源輸出端、驅(qū)動模塊(200)、帶隙基準模塊(300)和PWM控制器模塊(1100)分別連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述高效寬電壓轉(zhuǎn)換范圍多模DC-DC變換器，其特征 在于所述Buck-Boost功率變換模塊(100)包括與驅(qū)動模塊(200)同名端口連 接的麗OS—syn柵極驅(qū)動端、麗OS—dri柵極驅(qū)動端、PMOS—dri柵極驅(qū)動端和 PMOS—syn柵極驅(qū)動端；與電源輸入端連接的Vin端和Vout端；與外接電感兩 端連接的Lin端和Lout端；與current—detect模塊中的Isensor端相連接 current—sensor端；current—sensor 4瑞與i也之間夕卜接電阻R3，由此產(chǎn)生一個 電流檢測信號。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述高效寬電壓轉(zhuǎn)換范圍多模變換器，其特征在于 所述驅(qū)動模塊(200)包括與LDO控制器模塊(1200)同名端口連接的pd—ldo端 和ps_ldo端；與PWM控制器模塊(IIOO)同名端口連接的nd端、ns端、pd—pwm 端、ps—pwm端和select端；與Buck-Boost功率變換模塊(100)連接的NMOS—dri 端、麗OS-Syn端、PMOS—dri端及pmos—syn端。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述高效寬電壓轉(zhuǎn)換范圍多模DC-DC變換器，其特征 在于所述帶隙基準模塊(300)包括與電源輸入端連接的Vin端；分別與IC 內(nèi)部供電模塊(400)、工作模式選擇模塊(600)、保護模塊(700)、電壓檢測模 塊(800)、電流檢測模塊(900)、軟啟動模塊(1000)和LDO控制器模塊(1200) 同名端口連接的Vref端。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述高效寬電壓轉(zhuǎn)換范圍多模DC-DC變換器，其特征 在于所述IC內(nèi)部供電模塊(400)與電源輸入端連接；包括與電源輸入端連 接的Vin端、與帶隙基準模塊(300)同名端口連接的Vref端、與波形發(fā)生器 模塊(500)同名端口連接的Vdd端。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述高效寬電壓轉(zhuǎn)換范圍多模DC-DC變換器，其特征 在于所述波形發(fā)生器模塊(500)包括與IC內(nèi)部供電模塊(400)同名端口連接 的Vdd端、與PWM控制器模塊(IIOO)同名端口連接的clk端。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述高效寬電壓轉(zhuǎn)換范圍多模DC-DC變換器，其特征 在于所述工作模式選擇模塊(600)包括通過外接電阻Rl與電源輸入端連接 的Vi端、與保護模塊(700)、電壓檢測模塊(800)、電流檢測模塊(900)和軟 啟動模塊(IOOO)同名端口連接的Vref端、與PWM控制器模塊(1100)同名端口 連接的ms端。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述高效寬電壓轉(zhuǎn)換范圍多模DC-DC變換器，其特征 在于:所述保護模塊(700)包括與帶隙基準模塊(300)同名端口連接的Vref端、 與電流檢測模塊(900)同名端口連接的Id端、與電壓檢測模塊(800)同名端口 連接的Vd端、與P麗控制器模塊(IIOO)同名端口連接的pt端。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述高效寬電壓轉(zhuǎn)換范圍多模DC-DC變換器，其特征 在于所述電壓檢測模塊(800)包括與電源輸出端連接的Vfb端、與帶隙基準 模塊(300)同名端口連接的Vref端、與保護模塊(700)和PWM控制器模塊(IIOO) 同名端口連接的Vd端；所述電流檢測模塊(900)包括與Buck-Boost功率變換模塊(IOO)同名端口 連接的Isensor端、與帶隙基準模塊(300)同名端口連接的Vref端、與保護 模塊(700)和P麗控制器模塊(IIOO)同名端口連接的Id端；所述軟啟動模塊(1000)包括與電源輸出端連接的Vfb端、與帶隙基準模 塊(300)同名端口連接的Vref端、與電壓檢測模塊(800)同名端口連接的 sta—log端。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述高效寬電壓轉(zhuǎn)換范圍多模DC-DC變換器，其特 征在于所述P麗控制器模塊(1100)包括與驅(qū)動模塊(200)同名端口連接的nd 端、ns端、pd—pwm端及ps』wm端、與波形發(fā)生器模塊(500)同名端口連接的 clk端、與工作模式選擇模塊(600)同名端口連接的ms端、與保護模塊(700) 同名端口連接的pt端、與電壓檢測模塊(800)同名端口連接的Vd端、與電流 檢測模塊(900)同名端口連接的Id端、與軟啟動模塊(1000)同名端口連接的 sta—log端、與LDO控制器模塊(1200)同名端口連接的st—LDO端；所述LDO控制器模塊(1200)包括與電源輸出端Vfb端、與驅(qū)動模塊(200)同名端口連接 的pd—ldo端及ps_ldo端、與帶隙基準模塊(300)同名端口連接的Vref端、 與P麗控制器模塊(IIOO)同名端口連接的st_LDO端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高效寬電壓轉(zhuǎn)換范圍多模DC-DC變換器，該多模DC-DC變換器包括Buck-Boost功率變換模塊、驅(qū)動模塊、帶隙基準模塊、IC內(nèi)部供電模塊、波形發(fā)生器模塊、工作模式選擇模塊、保護模塊、電壓檢測模塊、電流檢測模塊、軟啟動模塊、PWM控制器模塊和LDO控制器模塊；本發(fā)明可以實現(xiàn)開關管和同步整流管全集成，外接電感和輸出濾波電容；輸入電壓范圍2.5V-5.5V，輸出電壓范圍2.5V-5.5V可調(diào)，輸出電流最大1000mA，最高工作頻率1MHz，輸出電壓精度小于5％，輕負載時系統(tǒng)進入間歇工作模式，以實現(xiàn)系統(tǒng)整體效率80％以上；控制環(huán)路為電壓與電流雙環(huán)控制，實現(xiàn)PWM模式與PFM模式控制，并能在特定的電壓轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)實現(xiàn)LDO控制；實現(xiàn)過溫、過電壓和過電流保護功能。
文檔編號H02M1/00GK101577488SQ20091002284
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月5日
發(fā)明者李世杰, 軻 王, 王勝磊, 莉 耿, 范世全, 源 高 申請人:西安交通大學