本發(fā)明涉及一種芯片電源，特別是涉及一種高壓輸入、低壓輸出的高效率的降壓功率變換器。

背景技術(shù)：

DC-DC(開(kāi)關(guān)電源直流變換器)是電子電路中不可缺少的一種電源變換器，利用電感與電容的儲(chǔ)能特性，周期性的把輸入電源能量傳輸?shù)捷敵?，而自身只消耗極小一部分功耗。一般來(lái)講，DC-DC使用無(wú)源器件(如電阻)作為反饋部件，通過(guò)設(shè)置不同的反饋系數(shù)維持輸出電壓穩(wěn)定在目標(biāo)值，通過(guò)檢測(cè)電路檢測(cè)輸出電流來(lái)達(dá)到控制電流的目的。

傳統(tǒng)電流模DC-DC的基本結(jié)構(gòu)如附圖1所示，該電路包括開(kāi)關(guān)管S1、續(xù)流管D1、電感器L、電容器CL、電阻RL、電流采樣器Ai、PWM(脈沖寬度調(diào)制)比較器C1以及誤差放大器A2，在實(shí)際應(yīng)用中上述各模塊實(shí)現(xiàn)方案多種多樣。

為了在電路輕載時(shí)提高效率，一般情況下當(dāng)DC-DC運(yùn)行于輕載情況時(shí)，會(huì)進(jìn)入PFM/PSM(脈沖頻率調(diào)制/脈沖跳躍模式)的狀態(tài)，通過(guò)跳周期或突發(fā)控制模式(burst mode)等方法實(shí)現(xiàn)。PFM狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)頻率、電流紋波和變換效率之間存在折中關(guān)系，由于跳周期或突發(fā)控制模式都不能連續(xù)的改變開(kāi)關(guān)頻率，所以原理上就決定了傳統(tǒng)的PFM實(shí)現(xiàn)方法不能達(dá)到電流紋波、變換效率的最佳折中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)的PFM實(shí)現(xiàn)方法 不能達(dá)到電流紋波、變換效率的最佳折中的缺陷，提供一種可實(shí)現(xiàn)電流紋波與變換效率達(dá)到最佳折中的降壓功率變換器。

本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)題的：

本發(fā)明提供一種降壓功率變換器，其包括一振蕩器和一誤差放大器，其特點(diǎn)在于，該降壓功率變換器還包括一連續(xù)變頻模塊，該誤差放大器通過(guò)該連續(xù)變頻模塊與該振蕩器電連接；

該誤差放大器用于比較輸出電壓和參考電壓后輸出誤差電壓；

該連續(xù)變頻模塊用于將該誤差電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)該數(shù)字信號(hào)連續(xù)控制該振蕩器的振蕩頻率。

較佳地，該連續(xù)變頻模塊用于在該誤差電壓小于一最小設(shè)定值的時(shí)間內(nèi)輸出低電平的該數(shù)字信號(hào)以控制該振蕩器停振，在該誤差電壓大于一最大設(shè)定值的時(shí)間內(nèi)輸出高電平的該數(shù)字信號(hào)以控制該振蕩器以一固定頻率振蕩，在該誤差電壓處于該最小設(shè)定值和該最大設(shè)定值間的時(shí)間內(nèi)輸出具有高低電平的該數(shù)字信號(hào)以控制該振蕩器以一可變頻率振蕩。

較佳地，該連續(xù)變頻模塊包括一第一晶體管、一第二晶體管、一第三晶體管、一第四晶體管、一電阻、一電容和一反相器；

該第一晶體管的柵極接收該誤差電壓、源極電連接該電阻的一端、漏極電連接該第二晶體管的漏極，該第二晶體管的柵極接收該振蕩器的時(shí)鐘信號(hào)、源極電連接電源，該電阻的另一端接地；

該第三晶體管的柵極電連接該第二晶體管的漏極、源極電連接該電源、漏極電連接該反相器的輸入端，該第四晶體管的柵極電連接一基準(zhǔn)電壓、源極接地、漏極電連接該反相器的輸入端，該電容的一端電連接該電源、另一端電連接該第三晶體管的柵極，該反相器的輸出端輸出該數(shù)字信號(hào)。

較佳地，該反相器包括一第一反相器和一第二反相器，該第一反相器的輸入端電連接該第三晶體管的漏極、輸出端電連接該第二反相器的輸入端，該第二反相器的輸出端輸出該數(shù)字信號(hào)。

較佳地，該第一晶體管和該第四晶體管為NMOS管(N型MOS管， MOS管是指金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，該第二晶體管和該第三晶體管為PMOS管(P型MOS管)。

較佳地，該降壓功率變換器還包括一用于采集輸入電流的電流采樣器、一用于將該振蕩器輸出的斜坡信號(hào)轉(zhuǎn)換為第一電流信號(hào)的第一轉(zhuǎn)換器、一用于將該誤差電壓轉(zhuǎn)換為第二電流信號(hào)的第二轉(zhuǎn)換器、一求和運(yùn)算器、一PWM比較器、一邏輯電路、一第一開(kāi)關(guān)管、一第二開(kāi)關(guān)管和一輸出電路；

該第一轉(zhuǎn)換器和該第二轉(zhuǎn)換器分別與該求和運(yùn)算器的負(fù)輸入端和正輸入端電連接，該P(yáng)WM比較器的正輸入端與該求和運(yùn)算器的輸出端電連接、負(fù)輸入端接收該輸入電流、輸出端電連接該邏輯電路的輸入端，該邏輯電路的第一輸出端電連接該第一開(kāi)關(guān)管的柵極、第二輸出端電連接該第二開(kāi)關(guān)管的柵極，該第一開(kāi)關(guān)管的漏極作為該降壓功率變換器的輸入端、源極電連接該輸出電路，該第二開(kāi)關(guān)管的漏極電連接該第一開(kāi)關(guān)管的源極、源極電連接該輸出電路。

在符合本領(lǐng)域常識(shí)的基礎(chǔ)上，上述各優(yōu)選條件，可任意組合，即得本發(fā)明各較佳實(shí)例。

本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于：

本發(fā)明提出的新型降壓轉(zhuǎn)換電路方案，使用連續(xù)變頻方式實(shí)現(xiàn)了變換效率與輸出紋波的良好折中，并且本發(fā)明電路架構(gòu)的性能與工藝波動(dòng)、溫度以及電壓等因素變化無(wú)關(guān)，使用范圍廣。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中電流模DC-DC的電路結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明較佳實(shí)施例的降壓功率變換器的電路結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明較佳實(shí)施例的降壓功率變換器中連續(xù)變頻模塊的電路結(jié)構(gòu)圖。

圖4為本發(fā)明較佳實(shí)施例的振蕩頻率與誤差電壓的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實(shí)施例，以詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。

如圖2所示，本實(shí)施例提供一種降壓功率變換器，能夠根據(jù)負(fù)載情況自動(dòng)連續(xù)地調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率，以實(shí)現(xiàn)電流紋波與變換效率的最佳折中。

繼續(xù)見(jiàn)圖2，該降壓功率變換器包括一振蕩器1、一誤差放大器2和一連續(xù)變頻模塊3，該誤差放大器2通過(guò)該連續(xù)變頻模塊3與該振蕩器1電連接。其中，該誤差放大器2用于比較輸出電壓和參考電壓后輸出誤差電壓；該連續(xù)變頻模塊3用于將該誤差電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)該數(shù)字信號(hào)連續(xù)控制該振蕩器1的振蕩頻率。

該降壓功率變換器還包括一用于采集輸入電流Is的電流采樣器4、一用于將該振蕩器1輸出的斜坡信號(hào)轉(zhuǎn)換為第一電流信號(hào)的第一轉(zhuǎn)換器5、一用于將該誤差電壓轉(zhuǎn)換為第二電流信號(hào)的第二轉(zhuǎn)換器6、一求和運(yùn)算器7、一PWM比較器8、一邏輯電路9、一第一開(kāi)關(guān)管10、一第二開(kāi)關(guān)管11和一輸出電路12，該輸出電路12包括續(xù)流管D1、電感器L、電容器CL和電阻RL。

該第一轉(zhuǎn)換器5和該第二轉(zhuǎn)換器6分別與該求和運(yùn)算器7的負(fù)輸入端和正輸入端電連接，該P(yáng)WM比較器8的正輸入端與該求和運(yùn)算器7的輸出端電連接、負(fù)輸入端接收該輸入電流、輸出端電連接該邏輯電路9的輸入端，該邏輯電路9的第一輸出端電連接該第一開(kāi)關(guān)管10的柵極、第二輸出端電連接該第二開(kāi)關(guān)管11的柵極，該第一開(kāi)關(guān)管10的漏極作為該降壓功率變換器的輸入端、源極電連接該輸出電路12，該第二開(kāi)關(guān)管11的漏極電連接該第一開(kāi)關(guān)管10的源極、源極電連接該輸出電路12。

由于電流模DC-DC的輸出電流與芯片內(nèi)部的誤差放大器2輸出的誤差電壓EA_out(Vc)成正比例關(guān)系，所以誤差電壓EA_out的高低就連續(xù)地反應(yīng)了輸出電流的大小，該連續(xù)變頻模塊3將誤差電壓EA_out這個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)Fc連續(xù)地改變?cè)撜袷幤?的振蕩頻率，從而實(shí)現(xiàn)了該降壓功率變換器的工作頻率隨負(fù)載自適應(yīng)的連續(xù)變化。

該連續(xù)變頻模塊3如附圖3所示，該連續(xù)變頻模塊3包括一第一晶體管 M1、一第二晶體管M2、一第三晶體管M3、一第四晶體管M4、一電阻Rb、一電容C1、一第一反相器G1和一第二反相器G2，其中，該第一晶體管M1和該第四晶體管M4為NMOS管，該第二晶體管M2和該第三晶體管M3為PMOS管。

該第一晶體管M1的柵極接收該誤差電壓EA_out、源極電連接該電阻Rb的一端、漏極電連接該第二晶體管M2的漏極，該第二晶體管M2的柵極接收該振蕩器1的時(shí)鐘信號(hào)CLK、源極電連接電源VDD，該電阻Rb的另一端接地。

該第三晶體管M3的柵極電連接該第二晶體管M2的漏極、源極電連接該電源VDD、漏極電連接該第一反相器G1的輸入端，該第四晶體管M4的柵極電連接一基準(zhǔn)電壓Vb、源極接地GND、漏極電連接該第一反相器G1的輸入端，該電容C1的一端電連接該電源VDD、另一端電連接該第三晶體管M3的柵極，該第一反相器G1輸出端電連接該第二反相器G2的輸入端，該第二反相器G2的輸出端輸出該數(shù)字信號(hào)Fc。

該連續(xù)變頻模塊3的工作原理為：

該連續(xù)變頻模塊3接收該誤差電壓EA_out，在時(shí)鐘信號(hào)CLK為低電平時(shí)該電容C1充電到VDD，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)CLK由低電平變?yōu)楦唠娖胶?，該電容C1逐漸放電，其放電時(shí)間長(zhǎng)短與該誤差電壓EA_out直流電平正相關(guān)。顯然，該時(shí)鐘信號(hào)CLK變低，該數(shù)字信號(hào)Fc立即變低，該時(shí)鐘信號(hào)CLK變?yōu)楦唠娖胶?，該第二晶體管M2斷開(kāi)，電壓Vp會(huì)線性下降，且下降到該第三晶體管M3的閾值時(shí)，該數(shù)字信號(hào)Fc變高，電壓Vp下降的速度與該誤差電壓EA_out的高低相關(guān)。本發(fā)明變頻的原理就是通過(guò)數(shù)字信號(hào)Fc的高低電平控制振蕩器使能與否來(lái)達(dá)到連續(xù)變頻的目的的，當(dāng)該數(shù)字信號(hào)Fc為高電平時(shí)該振蕩器1正常振蕩，當(dāng)該數(shù)字信號(hào)Fc為低電平時(shí)，該振蕩器1停振。

通過(guò)這種方式就實(shí)現(xiàn)了該誤差電壓EA_out對(duì)振蕩頻率的連續(xù)調(diào)制變換，也即實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)頻率自動(dòng)適應(yīng)輸出電流，恰當(dāng)?shù)脑O(shè)置電阻Rb以及第四晶體管M4就能達(dá)到紋波、變換效率、開(kāi)關(guān)頻率的最佳折中。

本發(fā)明的工作原理如下：

參見(jiàn)圖2，本發(fā)明是一個(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng)，包括電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)兩條環(huán)路，電壓環(huán)路負(fù)責(zé)采樣輸出電壓，反饋到該誤差比較器2中，該誤差比較器2的輸出經(jīng)過(guò)電流內(nèi)環(huán)控制輸出電壓，形成閉環(huán)，維持整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作，電流環(huán)路負(fù)責(zé)逐個(gè)周期的檢測(cè)輸出電流，反饋到電壓環(huán)路中，達(dá)到控制輸出電流的目的。

具體而言，當(dāng)輸出電壓Vo擾動(dòng)變高時(shí)，經(jīng)過(guò)該誤差放大器2反饋得到的誤差電壓EA_out就會(huì)變低，該P(yáng)WM比較器8的翻轉(zhuǎn)就會(huì)提前，最后反應(yīng)到開(kāi)關(guān)信號(hào)HS導(dǎo)通時(shí)間變短，該第一開(kāi)關(guān)管10輸出電流減小，達(dá)到降低輸出電壓Vo的目的，當(dāng)輸出電壓Vo擾動(dòng)變低時(shí)整個(gè)過(guò)程相反，就不再贅述。

如前所述，該連續(xù)變頻模塊3將該誤差電壓Vc轉(zhuǎn)換成該數(shù)字信號(hào)Fc，該數(shù)字信號(hào)Fc控制著該振蕩器1中的斜坡產(chǎn)生電路輸出的低電平時(shí)間TL的長(zhǎng)短(輸出低電平時(shí)間有最小值td，該時(shí)鐘信號(hào)CLK是由斜坡信號(hào)產(chǎn)生，該時(shí)鐘信號(hào)CLK的高電平脈沖時(shí)間對(duì)應(yīng)td，其他時(shí)間CLK為低)。該誤差電壓Vc越小，低電平時(shí)間TL越長(zhǎng)；該誤差電壓Vc的減小與低電平時(shí)間TL的增大為準(zhǔn)線性關(guān)系，當(dāng)該誤差電壓Vc小到某個(gè)最小設(shè)定值Vcmin時(shí)，在此時(shí)間內(nèi)輸出低電平的數(shù)字信號(hào)Fc，則低電平時(shí)間TL變?yōu)闊o(wú)限長(zhǎng)，即該振蕩器1停止振蕩(參見(jiàn)圖4)，該斜坡產(chǎn)生電路輸出保持為低電平，直到該誤差電壓Vc再次變高，重新振蕩。設(shè)置最小設(shè)定值Vcmin的目的是限制振蕩頻率的最小值，以保證調(diào)制頻率不會(huì)太??；當(dāng)該誤差電壓Vc大到某個(gè)最大設(shè)定值Vcpwm時(shí)，在此時(shí)間內(nèi)輸出高電平的數(shù)字信號(hào)Fc，則低電平時(shí)間TL變?yōu)楣潭ㄖ祎d，該振蕩器1以固定頻率(見(jiàn)圖4，振蕩頻率為2MHz)振蕩，系統(tǒng)工作在PWM模式；當(dāng)該誤差電壓Vc在最小設(shè)定值Vcmin與最大設(shè)定值Fcpwm之間時(shí)，此時(shí)間內(nèi)輸出具有高低電平的數(shù)字信號(hào)Fc，系統(tǒng)工作于PFM模式，振蕩頻率會(huì)隨外部條件變化而變化(見(jiàn)圖4，振蕩頻率為300KHz-2MHz)。

對(duì)于本架構(gòu)而言，系統(tǒng)工作在PFM區(qū)間時(shí)，工作狀態(tài)就像“頻率可變化的PWM”調(diào)制方式，因?yàn)樵诖藚^(qū)間內(nèi)，完全復(fù)用PWM調(diào)制環(huán)路，唯一的變化是振蕩器頻率會(huì)隨著外部條件變化而變化。PSM可認(rèn)為是PFM的下限，輕負(fù)載時(shí)系統(tǒng)工作在PFM狀態(tài)，“偶爾”進(jìn)入一下PSM后又跳回PFM，所以很輕負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)工作頻率不固定。

雖然以上描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些僅是舉例說(shuō)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍是由所附權(quán)利要求書(shū)限定的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)的前提下，可以對(duì)這些實(shí)施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。