一種兩級(jí)串聯(lián)dc-dc變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體的說涉及一種由Buck和LDO構(gòu)成的兩級(jí)串聯(lián)DC-DC變換器。本發(fā)明提出一種Buck輸出電壓可變的兩級(jí)串聯(lián)DC-DC變換器，Buck輸出電壓可以根據(jù)負(fù)載電流進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，始終讓LDO的調(diào)整管MP工作在飽和區(qū)和線性區(qū)邊界，最大限制減小了LDO的損耗，整個(gè)變換器效率得以提高，尤其是輕載效率提升明顯。本發(fā)明尤其適用于DC-DC變換器。
【專利說明】一種兩級(jí)串聯(lián)DC-DC變換器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體的說涉及一種由Buck和LD0(低壓差線性穩(wěn) 壓器）構(gòu)成的兩級(jí)串聯(lián)DC-DC變換器。

【背景技術(shù)】
[0002] 在供電系統(tǒng)中，Buck和LD0通常用于負(fù)載端（P0L)供電，負(fù)責(zé)將前端AC-DC輸出 電壓或電池電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)載需要的工作電壓。為了兼顧效率和噪聲，負(fù)載端供電一般采用 Buck串聯(lián)LD0的兩級(jí)DC-DC變換器方案，先將輸入電壓降到一個(gè)中間電壓，再用LD0將這個(gè) 中間電壓轉(zhuǎn)化為負(fù)載所需要的工作電壓。前級(jí)Buck具有很高的變換效率，后級(jí)LD0可以減 小前級(jí)Buck的輸出噪聲為負(fù)載提供低噪聲的電源。
[0003] 傳統(tǒng)的兩級(jí)串聯(lián)變換器如圖1所示，Buck將輸入電壓VDD降壓至VBudt，再由LD0將 VBudt電壓降至負(fù)載所需電壓V^，LD0的輸入輸出電壓之差為V_P，V_P的大小決定了 LD0 的損耗。為了提高效率，需盡量減小V_P，但V_P不能減得太小，否則將造成LD0調(diào)整率下 降，輸出電壓將低于V KEF。除此之外，為了提高LD0的PSR以減小LD0輸出噪聲，需要增 大LD0調(diào)整管MP的漏源輸出電阻，要求MP工作在飽和區(qū)，需要V_ P大于或等于MP過驅(qū)動(dòng) 電壓。當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，MP的過驅(qū)動(dòng)電壓增大，V_P需要相應(yīng)增大。在圖1所示的傳統(tǒng) 的方法中，Buck輸出電壓是固定值，按最惡劣條件設(shè)計(jì)，V_ P需要大于或等于負(fù)載電流最大 時(shí)MP的過驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，LD0的輸入輸出電壓差并沒有減小，仍然為最大負(fù)載 電流下的較大V_ P，不利于減小LD0上的損耗，也不利于整個(gè)兩級(jí)串聯(lián)變換器效率的提高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的，就是針對(duì)上述傳統(tǒng)電路存在的問題，提出一種兩級(jí)串聯(lián)DC-DC變 換器。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種兩級(jí)串聯(lián)DC-DC變換器，該變換器由串聯(lián)的BUCK電路 和低壓差線性穩(wěn)壓器構(gòu)成；所述低壓差線性穩(wěn)壓器由PM0S管MP、誤差放大器、電阻R0、電容 C0構(gòu)成；其中，MP的源極接BUCK電路的輸出端，其柵極接誤差放大器的輸出端，其漏極接誤 差放大器的同相輸入端，其漏極還通過電容C0后接地；電容C0和電阻R0并聯(lián)；誤差放大器 的反相輸入端接基準(zhǔn)電壓Vref;其特征在于，還包括柵極電壓控制電路；所述柵極電壓控 制電路的輸入端接基準(zhǔn)電壓Vref，其輸出端接BUCK電路控制器的正輸入端；BUCK電路控制 器的負(fù)輸入端接MP的柵極；
[0006] 所述柵極電壓控制電路由運(yùn)算放大器，NM0S管MN1、MN2、MN3, PM0S管MP1、MP2,電 阻Rl、R2和電流源構(gòu)成；其中，麗1的漏極接電源，其柵極接運(yùn)算放大器的輸出端，其源極 通過R1后接麗2的漏極；運(yùn)算放大器的同相輸入端接基準(zhǔn)電壓Vref，其反相輸入端接麗1 源極與R1的連接點(diǎn)；R1與麗2漏極的連接點(diǎn)為柵極電壓控制電路的輸出端；麗2的柵極接 MN3的柵極，其源極接地；MN3的源極接地，其柵極與漏極互連，其漏極接MP1的漏極；MP1的 源極通過R2接電源；MP2的源極接電源，其柵極接MP1源極與R2的連接點(diǎn)，其漏極通過電 流源后接地；MP2漏極與電流源的連接點(diǎn)接MP1的柵極。
[0007] 本發(fā)明總的技術(shù)方案，如圖2所示，Buck變換器不再對(duì)輸出電壓VBudt進(jìn)行直接反 饋調(diào)節(jié)，而是通過控制LD0調(diào)整管MP的柵級(jí)電壓V eATE間接調(diào)節(jié)VBudt。將VeATE電壓反饋到 Buck控制器的負(fù)輸入端，控制電壓Vi接Buck控制器正輸入端。整個(gè)變換器控制環(huán)路的 反饋機(jī)制如下：在一定的負(fù)載電流下，如果Buck變換器輸出電壓V Budt偏高，LD0調(diào)整管的柵 極信號(hào)VeATE也會(huì)偏高并使得VeATE>V em，Buck控制器會(huì)減小Buck占空比使VBuek減小，為了保 持MP的柵源電壓絕對(duì)值| VesP|不變（維持負(fù)載電流），V_會(huì)隨之減小，當(dāng)VeATE = VCT&時(shí) 達(dá)到穩(wěn)態(tài)。通過設(shè)置電壓可以控制穩(wěn)態(tài)下MP的柵級(jí)電壓VeATE，最終Buck的輸出電壓 為 ΥβικΛ - V(：ATE+ I V(：SP I - VcTKL+ I V(：SP I。
[0008] 如圖2所示，VCT%通過柵級(jí)電壓控制模塊產(chǎn)生，柵級(jí)電壓控制模塊將LDO的基準(zhǔn) 電壓VKEF與LD0調(diào)整管MP的閾值電壓的絕對(duì)值| VTHP|相減后作為控制電壓，即= VKEF-1VTHPI，則 VBuc；k = 1 Vesp I = VKEF+ (I Vesp 卜1 ντΗΡ I)，LD0 的輸出電壓為 VKEF，則 LD0 的輸 入輸出電壓差V_p = I vesP I -1 vTHP I，I vesP I -1 vTHP I為MP的過驅(qū)動(dòng)電壓，MP恰好工作在飽和區(qū) 和線性區(qū)邊界。
[0009] 本發(fā)明的有益效果為，由于LD0調(diào)整管MP始終工作在臨界飽和狀態(tài)，LD0的環(huán)路增 益不會(huì)明顯下降，可以具有較高的調(diào)整率保證良好的輸出電壓精度，同時(shí)MP的漏源輸出電 阻不會(huì)因?yàn)檫M(jìn)入線性區(qū)而明顯減小，LD0的PSR可以設(shè)計(jì)得很高來有效濾除Buck噪聲，另 一方面，無論負(fù)載電流多大，調(diào)整管MP上的損耗都得到盡可能減小，在輕負(fù)載下，由于V_ P 顯著減小，LD0的效率得到顯著提高，整個(gè)串聯(lián)變換器的效率得以優(yōu)化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1為傳統(tǒng)兩級(jí)串聯(lián)DC-DC變換器示意圖；
[0011] 圖2為本發(fā)明兩級(jí)串聯(lián)DC-DC變換器示意圖；
[0012] 圖3為本發(fā)明柵極電壓控制模塊原理圖；
[0013] 圖4為本發(fā)明LD0輸入輸出電壓差隨負(fù)載電流變化示意圖；
[0014] 圖5為本發(fā)明LD0調(diào)整管MP的轉(zhuǎn)移特性曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述
[0016] 本發(fā)明提出一種Buck輸出電壓可變的兩級(jí)串聯(lián)DC-DC變換器，Buck輸出電壓可 以根據(jù)負(fù)載電流進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，始終讓LD0的調(diào)整管MP工作在飽和區(qū)和線性區(qū)邊界，最 大限制減小了 LD0的損耗，整個(gè)變換器效率得以提高，尤其是輕載效率提升明顯
[0017] 本發(fā)明兩級(jí)串聯(lián)DC-DC變換器如圖2所示，整體包含Buck、LD0和柵極電壓控制模 塊三個(gè)部分，其中Buck和LD0與圖1所示傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的Buck和LD0相同，包括控制器、開關(guān) 電路和反饋環(huán)路；柵極電壓控制模塊用于產(chǎn)生V CT%電壓，VCT%決定了 LD0調(diào)整管MP的柵極 電壓VeATE。根據(jù)圖2所示，柵極電壓控制模塊的輸入接基準(zhǔn)電壓VKEF，其輸出V CT%接Buck控 制器的正輸入端（" + "端），Buck控制器的負(fù)輸入端（端）接LD0調(diào)整管的柵極VCATE。 Buck輸出電壓VBuek接LD0調(diào)整管MP的源極。MP的漏極接整個(gè)變換器的輸出VQUT，輸出電容 CQ和負(fù)載電阻％接和地Vss之間。VOT被反饋到誤差放大器EA的正輸入端，EA的負(fù)輸 入端接基準(zhǔn)電壓VKEF，EA的輸出接MP的柵極。
[0018] 本發(fā)明中柵極電壓控制模塊設(shè)計(jì)如圖3所示，為了獲取LD0調(diào)整管MP的閾值電壓 VTHPI，將MP中的一個(gè)單元復(fù)制出來作為MP2 (MP由N個(gè)MP2并聯(lián)而成），MP2的閾值電壓與 MP相同。R1與R2是阻值都為R的兩個(gè)電阻，U1為理想運(yùn)放。根據(jù)圖3，U1的正輸入端接基 準(zhǔn)電壓VKEF，U1負(fù)輸入端接麗1的源極Vx，U1的輸出接麗1的柵極，麗1的漏極接電源V DD。 電阻R1正端接麗1管的源極￥)(，負(fù)端接?xùn)艠O電壓控制模塊的輸出Vem。麗2管的柵極接麗3 管柵極和漏極，MN2管的漏極接V em，MN2和MN3管的源極接地Vss。MP1的漏極接MN3管的 漏極和柵極，MP1的源極接MP2的柵極V z，MP1的柵極接MP2的漏極VY，MP2的源極接電源 VDD。電阻R2接在MP1的源極與VDD之間。電流源IVTH接在MP2的漏極V Y與Vss之間。
[0019] 根據(jù)圖3所示，柵極電壓控制模塊中存在兩個(gè)負(fù)反饋環(huán)路，第一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路由 理想運(yùn)放U1、麗1管和麗1的源極負(fù)載（R1和麗2)構(gòu)成，第二個(gè)負(fù)反饋環(huán)路由電流源IVTHP、 MP2管、MP1管和電阻R2構(gòu)成，其中Rl、R2的電阻值相等：R1 = R2 = R。對(duì)于第一個(gè)負(fù)反 饋環(huán)路，理想運(yùn)放U1控制麗1的電流對(duì)麗1管的源極電壓Vx進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得Vx = VKEF。對(duì) 于第二個(gè)負(fù)反饋環(huán)路，電流源IVTHP從MP2管漏極VY拉取電流，為了使MP2的電流與I VTHP相 匹配，用MP1管和R2對(duì)MP2的柵級(jí)電壓Vz進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)MP2不足以提供電流源I VTHP的電流 時(shí)，VY電壓被拉低，MP1管電流增大，Vz電壓減小并使得MP2管電流增大，最終MP2的電流與 IVTHP匹配。通過調(diào)節(jié)電流IVTHP可以調(diào)節(jié)Vz，設(shè)置合適的I VTHP使MP2管工作在線性區(qū)與飽和 區(qū)邊界，Vz = VDD-1VTHP |，則R2上的壓降為| VTHP |，流過R2的電流12 = | VTHP | /R。由MN2和 麗3構(gòu)成的電流鏡將12電流按1:1鏡像為電流Ip L電流流過R1并產(chǎn)生|VTHP|的壓降，最 終柵極控制電壓 = vx-1 vTHP | = vKEF-1 vTHP |。
[0020] 本發(fā)明通過設(shè)置 vcm = vKEF-1 vTHP I 將 Buck 輸出電壓控制為 VKEF+ (I vesp I -1 VTHPI)， 當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)，Buck輸出電壓自適應(yīng)調(diào)整，使LDO輸入輸入電壓差V_P始終保持為 VesP|-|VTHP|，當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí)，V_P減小，LD0損耗減小，當(dāng)負(fù)載電流小于最大負(fù)載電流 時(shí)，采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更高的效率。圖4具體說明了本發(fā)明LD0輸入 輸出電壓差隨負(fù)載電流的變化，其中圖4給出了 VBudt隨負(fù)載電流1_的變化情況，可以看 至IJ，當(dāng)負(fù)載電流Iumd從I減小到1/4時(shí)，VBudt降低，LD0的輸入輸出電壓差V_ P從V_P1減小 到V_P2。圖5給出LD0調(diào)整管MP的轉(zhuǎn)移特性曲線，由于MP工作在臨界飽和狀態(tài)，根據(jù)平方 律公式，MP的電流I D (| Vesp H VTHP |)2 = V_P2，可以得到V_P2 = V_P1/2。通過自適應(yīng)減 小VBuek，LD0調(diào)整管MP上的損耗相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)減小了 50%。當(dāng)負(fù)載電流變化范圍增大時(shí)， 本發(fā)明結(jié)構(gòu)相對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的效率提升效果將更加明顯。
【權(quán)利要求】
1. 一種兩級(jí)串聯(lián)DC-DC變換器，該變換器由串聯(lián)的BUCK電路和低壓差線性穩(wěn)壓器構(gòu) 成；所述低壓差線性穩(wěn)壓器由PMOS管MP、誤差放大器、電阻R0、電容C0構(gòu)成；其中，MP的源 極接BUCK電路的輸出端，其柵極接誤差放大器的輸出端，其漏極接誤差放大器的同相輸入 端，其漏極還通過電容C0后接地；電容C0和電阻R0并聯(lián)；誤差放大器的反相輸入端接基準(zhǔn) 電壓Vref;其特征在于，還包括柵極電壓控制電路；所述柵極電壓控制電路的輸入端接基 準(zhǔn)電壓Vref，其輸出端接BUCK電路的正輸入端；BUCK電路的負(fù)輸入端接MP的柵極； 所述柵極電壓控制電路由運(yùn)算放大器，NMOS管MN1、MN2、MN3, PMOS管MP1、MP2,電阻 Rl、R2和電流源構(gòu)成；其中，MN1的漏極接電源，其柵極接運(yùn)算放大器的輸出端，其源極通過 R1后接MN2的漏極；運(yùn)算放大器的同相輸入端接基準(zhǔn)電壓Vref，其反相輸入端接MN1源極 與R1的連接點(diǎn)；R1與麗2漏極的連接點(diǎn)為柵極電壓控制電路的輸出端；麗2的柵極接麗3 的柵極，其源極接地；麗3的源極接地，其柵極與漏極互連，其漏極接MP1的漏極；MP1的源 極通過R2接電源；MP2的源極接電源，其柵極接MP1源極與R2的連接點(diǎn)，其漏極通過電流 源后接地；MP2漏極與電流源的連接點(diǎn)接MP1的柵極；MP2的參數(shù)與MP的參數(shù)相匹配。
【文檔編號(hào)】H02M3/156GK104092375SQ201410341693
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月17日
【發(fā)明者】甄少偉, 楊云, 許志斌, 王磊, 羅萍, 賀雅娟, 張波 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)