專利名稱:Dc-dc變換器中的功率管工作尺寸切換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于大規(guī)模模擬集成電路中的DC-DC轉(zhuǎn)換器,特別涉及這種變換器中的功率管尺寸調(diào)節(jié)電路,可用于DC-DC轉(zhuǎn)換器中。
背景技術(shù):
DC-DC轉(zhuǎn)換器作為重要的電源管理類電路廣泛應(yīng)用于手機,MP3,數(shù)碼相機等各類便攜式產(chǎn)品中。DC-DC轉(zhuǎn)換器按照輸出,輸入電壓間的關(guān)系通??煞譃槿惿龎盒虳C-DC 變換器,降壓型DC-DC變換器,以及升降壓型DC-DC變換器。每種DC-DC根據(jù)芯片控制環(huán)路不同分為電流??刂艱C-DC與電壓??刂艱C-DC。相比于線性穩(wěn)壓器而言,開關(guān)型電源管理芯片,如DC-DC轉(zhuǎn)換器,最大的優(yōu)勢就是效率高,因此,在最近幾年,低功耗、高效率的設(shè)計成為了眾多便攜式產(chǎn)品的研究熱點之DC-DC轉(zhuǎn)換器的功耗一般由三部分組成,包括導通損耗,開關(guān)損耗以及芯片內(nèi)部模擬電路的靜態(tài)損耗。其中導通損耗主要是電流流過功率管的導通電阻所消耗的能量,而功率管導通電阻的大小又隨其尺寸的增大而減少。開關(guān)損耗是在每個工作周期內(nèi),由于驅(qū)動功率管柵電容充放電而產(chǎn)生的動態(tài)損耗,在工作頻率一定的情況下,也由功率管尺寸決定??梢姡β使艿某叽缭诤艽蟪潭壬嫌绊懥?DC-DC產(chǎn)品的功耗。圖1顯示了傳統(tǒng)電流模DC-DC變換器的電路簡圖。如圖1所示,傳統(tǒng)DC-DC只有一組功率管,為了保證DC-DC在全負載范圍內(nèi)都有足夠的帶載能力,只能采用大尺寸的功率管。大尺寸的功率管因其導通電阻較小,雖然在重載時可獲得很高的效率,但在輕載時, 由于導通損耗在總功率損耗中所占比例很小,DC-DC大部分功率損耗都來自開關(guān)損耗,即功率管柵極電容的充放電。對于大尺寸功率管,其龐大的柵極寄生電容導致了大的充放電損耗,故在輕載時效率很低。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有采用固定尺寸功率MOS管的DC-DC輕負載條件下低效率的不足,提出了一種DC-DC變換器中的功率管工作尺寸切換電路,以使DC-DC轉(zhuǎn)換器在輕負載時仍具有高效率,同時使功率管的工作尺寸切換所對應(yīng)的負載點,在各個工作占空比下基本恒定。為實現(xiàn)上述目的,包括脈寬調(diào)制PWM比較模塊、第一驅(qū)動模塊和第一對功率MOS 管;該PWM比較模塊的反相輸入端同時連接斜坡補償信號和電流采樣信號,輸出端通過第一驅(qū)動模塊連接到第一對功率MOS管的柵端;其特征在于PWM比較模塊的正相輸入端連接有遲滯比較模塊,第一驅(qū)動模塊的輸入端連接有第二驅(qū)動模塊,第一對功率MOS管的PMOS和NMOS管的源端并聯(lián)連接有第二對功率MOS管; 該遲滯比較模塊通過第二驅(qū)動模塊連接到第二對功率MOS管的PMOS和NMOS管的兩個柵端,控制第二對功率MOS管的導通與截止,使得導通的功率MOS管的總尺寸在輕負載時減小,在重負載時增大。
上述的DC-DC變換器中的功率管工作尺寸切換電路,其特征在于第二驅(qū)動模塊 (4)設(shè)有兩個輸入端和兩個輸出端,一個輸入端b與遲滯比較模塊的輸出端相連,另一個輸入端a與PWM比較器的輸出端相連,兩個輸出端分別連接到第二對功率管中兩個功率MOS 管的柵端。上述的DC-DC變換器中的功率管工作尺寸切換電路,其特征在于遲滯比較模塊設(shè)有兩個輸入端,其正相輸入端連接到PWM比較模塊的正相輸入端,反相輸入端同時與一個斜坡補償信號和一個直流電平連接。上述的DC-DC變換器中的功率管工作尺寸切換電路,其特征在于所述遲滯比較模塊由一個比較器COMP、PMOS管MO、Ml、M2、M3禾口電阻Rl構(gòu)成;其中PMOS管MO、Ml禾口 M2 柵極相連,構(gòu)成有源電流鏡結(jié)構(gòu);,MO的漏端與恒流源連接,用于將電流Il通過Ml、M2分兩路鏡像到電阻Rl上;PMOS管M3為開關(guān)管,其柵端連接到比較器COMP的輸出端,源漏兩端串接在M2的漏端與比較器COMP的反相輸入端之間;電阻Rl連接在比較器COMP的反相輸入端與地之間。上述的DC-DC變換器中的功率管工作尺寸切換電路,其特征在于第一對功率MOS 管與第二對功率MOS管均由一個NMOS管和一個PMOS管構(gòu)成,該NMOS管的源端接地,漏端與PMOS管的漏端相連,作為一對功率MOS管整體的輸出端,該PMOS管的源端接直流輸入電源 VDD。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(1)本發(fā)明由于添加了一個遲滯比較模塊和一個第二驅(qū)動模塊控制第二對功MOS 管隨負載電流導通或截止,使導通的功率MOS管總尺寸在輕負載時減小,重負載時增大,減小了 DC-DC在輕負載情況下的功耗,從而提高了其輕載效率。(2)本發(fā)明由于采用的遲滯比較模塊,其輸出端信號向高電平翻轉(zhuǎn)和向低電平翻轉(zhuǎn)所對應(yīng)的輸入門限電壓不同,故使功率MOS管尺寸增大和減小時,所對應(yīng)的負載點不同, 避免了功率MOS管尺寸在同一負載點處反復切換。(3)本發(fā)明由于在遲滯比較模塊的反相輸入端接入了斜坡補償信號,使不同占空比下功率MOS管尺寸切換所對應(yīng)的負載電流基本相同,提高了功率管尺寸調(diào)節(jié)電路工作的
一致性、可靠性。
圖1為傳統(tǒng)電流模DC-DC變換器的電路簡圖;圖2為采用本發(fā)明的電流模DC-DC變換器的電路簡圖;圖3為本發(fā)明中遲滯比較模塊的簡化電路圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖及其實施例對本發(fā)明作進一步描述。參照圖2,采用本發(fā)明功率管工作尺寸切換電路的電流模DC-DC變換器包括功率管尺寸調(diào)節(jié)電路、輸出LC濾波器7、反饋網(wǎng)絡(luò)8、誤差放大模塊9、斜坡補償信號和電流采樣信號。其中斜坡補償信號和電流采樣信號分別由芯片內(nèi)部的震蕩模塊和電流采樣模塊產(chǎn)生,這兩個模塊圖中未畫出。
本發(fā)明的功率管工作尺寸切換電路包括脈寬調(diào)制PWM比較模塊1、第一驅(qū)動模塊 3、第一對功率MOS管5、遲滯比較模塊2、第二驅(qū)動模塊4和第二對功率MOS管6。該PWM比較模塊1的輸出端通過第一驅(qū)動模塊3連接到第一對功率MOS管5的柵端;PWM比較模塊1 的正相輸入端與遲滯比較模塊2的正相輸入端連接,第二驅(qū)動模塊4設(shè)有兩個輸入端和兩個輸出端,一個輸入端b與遲滯比較模塊2的輸出端相連,另一個輸入端a與PWM比較器1 的輸出端相連,兩個輸出端分別連接到兩個功率MOS管6的柵端,第一對功率MOS管和第二對功率MOS管的輸出端一起接到輸出濾波器7的輸入端;第一對功率MOS管5與第二對功率MOS管6均由一個NMOS管和一個PMOS管構(gòu)成,該NMOS管的源端接地,漏端與PMOS管的漏端相連,作為一對功率MOS管整體的輸出端,該PMOS管的源端接直流輸入電源VDD。所述的功率管工作尺寸切換電路的第一對功率MOS管和第二對功率MOS管的輸出端同時接到輸出LC濾波器7的輸入端,該濾波器的輸出端通過反饋網(wǎng)絡(luò)8連接到誤差放大模塊9的反相輸入端,該誤差放大模塊9的正相輸入端接一個固定的基準電壓vref,其輸出端分別連接到功率管尺寸調(diào)節(jié)電路中PWM比較模塊1和遲滯比較模塊2的正相輸入端,斜坡補償信號和電流采樣信號一起連接到所述PWM比較模塊的反相輸入端,斜坡補償信號和另一固定直流電壓同時接到所述遲滯比較模塊2的反相輸入端。參照圖3,遲滯比較模塊2由一個比較器C0MP、PM0S管M0、M1、M2、M3和電阻Rl構(gòu)成;其中PMOS管MO、Ml和M2的柵極相連,構(gòu)成有源電流鏡結(jié)構(gòu);MO的漏端與恒流源連接, 用于將電流Il通過M1、M2分兩路鏡像到電阻Rl上;PMOS管M3為開關(guān)管,其柵端連接到比較器COMP的輸出端,源漏兩端串接在M2的漏端與比較器COMP的反相輸入端之間;電阻Rl 連接在比較器COMP的反相輸入端與地之間,恒流源12連接在電阻Rl與直流輸入電壓VDD 之間。本發(fā)明的具體工作原理是第一對功率MOS管5始終工作,遲滯比較模塊2將誤差放大模塊9的輸出信號vcomp和一個固定的直流電平Vdc比較后產(chǎn)生控制第二驅(qū)動模塊的標志信號Vflag;由于電流模DC-DC環(huán)路自身的調(diào)節(jié)機制,vcomp值會隨著負載電流的增大而增大,所以vcomp反映了載電流的大?。辉谳p負載時,由于vcomp低于遲滯比較模塊2的反相端電壓,遲滯比較模塊2的輸出的標志信號Vflag為邏輯低電平,通過第二驅(qū)動模塊4 控制第二對功率MOS管6不工作,此時,DC-DC轉(zhuǎn)換器中只有第一對功率MOS管5工作,即功率MOS管采用了小的工作尺寸;當負載電流增大到設(shè)定門限值時,vcomp高于遲滯比較模塊2的反相端電壓,遲滯比較模塊2的輸出的標志信號Vf lag為邏輯高電平,經(jīng)第二驅(qū)動模塊4處理后控制第二對功率MOS管6開始工作,此時,DC-DC轉(zhuǎn)換器中兩對功率MOS管均工作,即功率MOS管采用了大的工作尺寸。通過調(diào)節(jié)直流電平Vdc的值,可以設(shè)定切換功率管尺寸所對應(yīng)的負載電流門限。由于電流模DC-DC在不同工作占空比下,同一負載電流所對應(yīng)的vcomp信號不同, 如果遲滯比較模塊2僅將vcomp與一個固定直流電平Vdc相比,則會導致同一 DC-DC轉(zhuǎn)換器在不同工作占空比下,功率管尺寸切換所對應(yīng)的負載電流不一致,故在固定直流電平Vdc 的基礎(chǔ)上疊加一個斜坡補償信號。當DC-DC工作于大占空比時,同一負載電流所對應(yīng)的 vcomp信號相對小占空比時偏高,而斜坡補償使得遲滯比較器模塊2的翻轉(zhuǎn)門限也升高相應(yīng)的幅度,保證了不同占空比下功率切換所對應(yīng)的負載電流相同。為防止功率管尺寸在負載電流到達門限附近時反復切換,在比較器中引入遲滯,參見圖3。當信號vcomp值低于遲滯比較模塊2的反相端輸入時,遲滯比較模塊2輸出邏輯低電平,控制M3導通使流過電阻Rl上的電流增大,由此產(chǎn)生的直流電平Vdc也升高,即遲滯比較模塊2翻轉(zhuǎn)門限增高;反之當信號vcomp值升高使遲滯比較模塊2的輸出信號翻轉(zhuǎn)后,M3截止,控制Vdc降低導致遲滯比較器翻轉(zhuǎn)門限降低。 以上僅是本發(fā)明的一個最佳實例,不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制,顯然在本發(fā)明的構(gòu)思下,可以對其電路進行不同的變更與改進,但這些均在本發(fā)明的保護之列。
權(quán)利要求
1.一種DC-DC變換器中的功率管工作尺寸切換電路,包括脈寬調(diào)制PWM比較模塊(1)、 第一驅(qū)動模塊(3)和第一對功率MOS管(5);該PWM比較模塊(1)的反相輸入端同時連接斜坡補償信號和電流采樣信號,輸出端通過第一驅(qū)動模塊C3)連接到第一對功率MOS管(5) 的柵端;其特征在于PWM比較模塊⑴的正相輸入端連接有遲滯比較模塊O),第一驅(qū)動模塊⑶的輸入端連接有第二驅(qū)動模塊G),第一對功率MOS管(5)的PMOS和NMOS管的源端并聯(lián)連接有第二對功率MOS管(6);該遲滯比較模塊(2)通過第二驅(qū)動模塊(4)連接到第二對功率MOS 管(6)的PMOS和NMOS管的兩個柵端,控制第二對功率MOS管(6)的導通與截止,使得功率 MOS管的工作尺寸在輕負載時減小,在重負載時增大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DC-DC轉(zhuǎn)換器中的功率管工作尺寸切換電路,其特征在于 第二驅(qū)動模塊(4)設(shè)有兩個輸入端和兩個輸出端,一個輸入端b與遲滯比較模塊O)的輸出端相連,另一個輸入端a與PWM比較器(1)的輸出端相連,兩個輸出端分別連接到兩個功率MOS管(6)的柵端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DC-DC轉(zhuǎn)換器中的功率管工作尺寸切換電路,其特征在于 遲滯比較模塊( 設(shè)有兩個輸入端,其正相輸入端連接到PWM比較模塊(1)的正相輸入端, 反相輸入端同時與一個斜坡補償信號和一個直流電平連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DC-DC轉(zhuǎn)換器中的功率管工作尺寸切換電路,其特征在于 所述遲滯比較模塊O)由一個比較器C0MP、PM0S管M0、M1、M2、M3和電阻Rl構(gòu)成;其中PMOS 管M0、M1和M2柵極相連,構(gòu)成有源電流鏡結(jié)構(gòu);,MO的漏端與恒流源連接,用于將電流Il 通過M1、M2分兩路鏡像到電阻Rl上;PMOS管M3為開關(guān)管,其柵端連接到比較器COMP的輸出端,源漏兩端串接在M2的漏端與比較器COMP的反相輸入端之間;電阻Rl連接在比較器 COMP的反相輸入端與地之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DC-DC轉(zhuǎn)換器中的功率管工作尺寸切換電路,其特征在于 第一對功率MOS管(5)與第二對功率MOS管(6)均由一個NMOS管和一個PMOS管構(gòu)成, 該NMOS管的源端接地,漏端與PMOS管的漏端相連,作為一對功率MOS管整體的輸出端,該 PMOS管的源端接直流輸入電源VDD。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種DC-DC轉(zhuǎn)換器中的功率管工作尺寸切換電路,主要解決現(xiàn)有DC-DC轉(zhuǎn)換器很難在輕負載時達到高效率的問題。該功率管工作尺寸切換電路包括脈寬調(diào)制PWM比較模塊、第一驅(qū)動模塊、第一對功率MOS管、遲滯比較模塊、第二驅(qū)動模塊和第二對功率MOS管;PWM比較模塊通過第一驅(qū)動模塊,控制第一對功率MOS管始終工作;遲滯比較模塊將負載電流與切換門限電流相比較,產(chǎn)生判斷信號并通過第二驅(qū)動模塊控制第二對功率MOS管在負載電流值低于切換門限電流值時不工作,反之則工作,使得在不同負載條件下,DC-DC的實際工作的功率管數(shù)不同,實現(xiàn)對功率管工作尺寸的切換。本發(fā)明可提高DC-DC轉(zhuǎn)換器輕負載時的效率,且功率管工作尺寸切換所對應(yīng)的負載電流在各工作占空比下恒定。
文檔編號H02M3/00GK102570793SQ20111040379
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月7日
發(fā)明者何全濤, 劉潔, 來新泉, 袁冰, 趙競翔 申請人:西安啟芯微電子有限公司