CN101540542A - 一种单电感开关直流电压变换器及四模式控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种单电感开关直流电压变换器的四模式控制方法及一种实现四模式控制的单电感开关直流电压变换器。该单电感开关直流电压变换器的控制器电路包括PWM/PFM/休眠模式模块、LDO模块(即低压差线性稳压模块)、逻辑控制模块、多模式控制电路和分压反馈电路。本发明实现了单电感开关直流电压变换器的PWM模式控制、PFM模式控制、休眠模式控制和低压差线性稳压模式控制的自动切换，在负载大范围变化时，也能有较高的电源转换效率。

Description

一种单电感开关直流电压变换器及四模式控制方法
技术领域
本发明涉及一种开关直流电压变换器，具体地说是一种单电感开关直流电压变换器。
背景技术
直流电压变换器是便携式设备通用的电源管理芯片。在应用中的要求是在各种负载电流的条件下输出电压需要稳定，纹波电压低，噪声低，而且输入电源与输出电源的变换效率高。
目前，市场上的直流电压变换器主要有脉冲宽度调制(PWM)模式和脉冲频率调制(PFM)。PWM和PFM的控制方式和具体电路各不相同，在其对应负载范围内，都能保证有较高的电源转换效率。但对于负载变化范围比较大的开关变换器，当负载有较大变化后，单一的控制方式便无法满足新负载有较高的电源转换效率。
发明内容
本发明提供一种单电感开关直流电压变换器的四模式控制方法及一种实现四模式控制的单电感开关直流电压变换器。本发明实现了单电感开关变换器的PWM模式控制、PFM模式控制、休眠模式控制和低压差线性稳压模式控制的自动切换，在负载大范围变化时，也能有较高的电源转换效率。
本发明的四模式控制方法，包括对单电感开关直流电压变换器进行PWM模式控制、PFM模式控制、休眠模式控制、或是低压差线性稳压模式控制；在单电感开关直流电压变换器内设置过零检测模块对开关变换器的电感电流进行检测，并设置分压反馈电路取得单电感开关直流电压变换器的输出反馈电压；
开关直流电压变换器起动后，对变换器进行PWM模式控制；
在PWM模式控制下，若检测到的电感电流不连续，对单电感开关直流电压变换器进行PFM模式控制；
在PFM模式控制下，若检测到的输出反馈电压小于第一基准电压或是检测到的电感电流连续，则对单电感开关直流电压变换器进行PWM模式控制
在PFM模式控制下，若检测到的输出反馈电压大于第二基准电压，则停止PFM模式控制，对单电感开关直流电压变换器进行休眠模式控制；
在休眠模式控制下，若检测到的输出反馈电压小于第三基准电压，则对单电感开关直流电压变换器进行PFM模式控制；
在休眠模式控制下，若检测到的休眠时间大于第一标准时间，则对单电感开关直流电压变换器进行低压差电压调整控制；
在低压差线性稳压模式控制下，若检测到的负载电流大于第一标准电流，则对单电感开关直流电压变换器进行PFM模式控制；
所述的第一基准电压小于第三基准电压，第三基准电压小于第二基准电压。
所述的第一标准电流为5-10mA，负载电流小于第一标准电流时便进行低压差线性稳压模式控制开关变换器，降低噪声，提高电源转换效率。
本发明在休眠模式下，关闭单电感开关直流电压变换器的开关晶体管，将开关变换器的输出降低，同时，关闭大部分控制电路，节约能耗。
本发明的单电感开关直流电压变换器，包括控制器；
所述的单电感开关直流电压变换器包括一个第一PMOS晶体管和一个第一NMOS晶体管，第一PMOS晶体管的源极连接输入电源，漏极连接第一NMOS晶体管的漏极，第一NMOS晶体管的源极接地，在第一PMOS晶体管的漏极和第一NMOS晶体管的源极之间设置有输出支路，所述单电感开关直流电压变换器的电感串联在该输出支路中；
单电感开关直流电压变换器还包括由一个第二PMOS晶体管和一个第二NMOS晶体管组成的低压差线性稳压模式驱动电路，第二PMOS晶体管的源极连接输入电源，栅极连接低压差线性稳压模块，漏极连接第二NMOS晶体管的漏极和所述电感的输入端，第二NMOS晶体管的源极连接所述电感的输出端；
所述的控制器包括PWM模式控制模块、PFM模式控制模块、逻辑控制模块、电流检测模块、低压差线性稳压模块、用于休眠模式计时的多模式控制电路和用于取得单电感开关直流电压变换器输出反馈电压的分压反馈电路；
电流检测模块包括电感电流检测电路、PWM和PFM模式切换的跳变点电流检测电路、PFM模式工作时的峰值电流检测电路；
电流检测模块和分压反馈电路将得到反馈信号发送给逻辑控制模块和低压差线性稳压模块；
逻辑控制模块根据反馈信号，向PWM模式控制模块和PFM模式控制模块发送模式选择信号，或对开关直流电压变换器进行休眠模式控制；
PWM模式控制模块和PFM模式控制模块根据模式选择信号，向逻辑控制模块发送相应的控制信号；
多模式控制电路在休眠模式下对休眠时间计时，并向低压差线性稳压模块发送控制信号；
低压差线性稳压模块接收多模式控制电路的控制信号，向低压差线性稳压模式驱动电路发送驱动信号；
逻辑控制模块连接PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极，对单电感开关变换器进行模式控制。
在控制模块内设置有用于检测开关晶体管电流的跳变点电流检测模块。
所述的逻辑控制模块包括接收电感输出端电压和第四基准电压的过零负载比较器、接收电感输入端电压和跳变点基准电压的跳变点电流比较器、接收输出反馈电压和第一基准电压的第一低电压比较器、接收输出反馈电压和第二基准电压的第一高电压比较器、接收输出反馈电压和第三基准电压的第二低电压比较器，过零负载比较器、跳变点电流比较器、第一低电压比较器、第一高电压比较器、第二低电压比较器的输出端通过逻辑门电路输出模式切换信号和休眠信号。
所述的PWM模式控制模块接收输出反馈电压、基准电压和模式切换信号，并通过逻辑转换模块向PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极发送控制信号。
所述的PFM模式控制模块包括接收基准电流和电感输出端电流的峰值电流比较器、接收第二基准电压和输出反馈电压的第二高电压比较器、接收输出反馈电压和第三基准电压的第三低电压比较器、接收电感输出端近似为0时对应的基准电压和电感输出端电流的过零负载电流比较器，PFM模式控制模块根据模式切换信号，通过逻辑转换模块向PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极发送控制信号。
所述的低压差线性稳压模块包括电流偏置电路和误差放大器电路，在低压差线性稳压模式控制时稳定电源的输出。
所述的分压反馈电路包括多个串联的电阻和用于选择输出任意所述电阻间电压的可编程选择电路。通过选择信号，可编程选择电路控制选定的电阻上的电压输出。
本发明的优点是：
1.提高电能转换效率，在大的负载范围内，通过智能转换控制模式的方式，实现四模式运行，达到了高转换效率的目的。
2.在小于第一标准电流(5-10mA)时，通过低压差线性稳压模式输出，达到了低噪声和高电能转换效率。
3.在需要低噪声电源电压要求时，直接通过控制端口信号，使低压差线性稳压模块启动，达到低噪声目的。
附图说明
图1是四模式控制方法的流程示意图；
图2是各个模式的电能转化效率与Iout的实验曲线图；
图3是单电感开关直流电压变换器的结构示意图；
图4是逻辑控制模块的结构示意；
图5是多模式控制电路的结构示意图；
图6是低压差线性稳压模块的结构示意图；
图7是分压反馈电路的结构示意图。
具体实施方式
本发明的四模式控制方法，包括对单电感开关变换器进行PWM模式控制、PFM模式控制、休眠模式控制、和低压差线性稳压模式控制。输入电压为各个模块的电源电压。首先是上电、软启动过程，保证各个模块进入正常的工作状态。由于输出电压Vout在开始时是低电压，所以开始时电路进入PWM模式状态工作，使Vout维持在一个稳定的电压，并输出电流Iout。
在PWM工作模式下，如果负载发生变化，可能出现电感电流不连续的情况，降低PWM模式的电能转换效率。如本实施例中电感电流不连续时，检测到负载电流Iout小于80mA，或者负载电流Iout发生变化，降低到80mA。为了保证高效率电能转换，系统在以下第1条件或第2条件时进入PFM工作模式：
1)电流检测模块通过检测SW点与地之间的电压值，并与基准电压值比较，判定电感电流IL是否接近零或为零。如果IL为零，那么SW电位接近零，甚至有负电压出现。如果是，那么电路从PWM进入PFM模式。
2)电流检测模块通过检测第一PMOS晶体管SP中的电流，并且与基准电流比较。检测方法是通过检测与SP管并联的、而且工作状态相同PMOS管上的电流，即检测SP管的镜像电流(镜像电流是SP管上的电流按比例缩小的电流)，得到SP管的电流值。如果SP管中的电流小于基准电流(如120mA，此时约对应于Iout＝80mA)，那么进入PFM模式。
如果不满足上述条件，那么继续在PWM模式下工作。进入PFM模式后，如果上述条件不满足，那么就从PFM切换到PWM模式。
从PFM切换到PWM模式的条件还有一个：如果在PFM状态工作时，输出电压Vout小于第一基准电压。这里的第一基准电压对应于电感电流不连续时对应的临界电压。那么从PFM切换到PWM模式。输出电压Vout与第一基准电压的比较，是通过分压反馈电路得到输出电压Vout的分压Vfb，作为反馈电压，与基准电压Vlow_ref2比较。
在PFM模式时，如果输出电压Vout大于第二基准电压，那么电路进入休眠模式，这时大多数电路模块不工作，降低了电路功耗。如果输出电压Vout小于第三基准电压，那么电路进入PFM模式下。休眠模式是为了保证电路在一定条件下，降低控制电路功耗。所述的第一基准电压小于第三基准电压，第三基准电压小于第二基准电压。
电路处于休眠状态，意味着输出电压Vout基本保持不变，而负载电流Iout进一步降低。这样，可以对持续的休眠时间tQ进行检测，如果休眠时间tQ大于第一标准时间tref，那么电路系统从休眠模式切换到低压差线性稳压模式(即LDO工作模式)。这里，第一标准时间tref的设定是根据电路工作在Iout为第一标准电流时，PFM模式下的休眠持续时间。在LDO模式工作时，低压差线性稳压模块中有对Iout电流进行复制监控的模块，如果Iout大于第一标准电流，那么，通过模式控制电路，电路系统切换到PFM模式下。第一标准电流为5-10mA。
如图1所示，本实施例中，如果负载电流大于约80mA，采用PWM模式控制方式；小于80mA，大于5mA时，采用PFM模式控制，那么可以得到最佳的转换效率。另外，降压式电压转换器还可以采用低压差线性稳压模式获得。在输入电压与输出电压压差不大，负载电流小于5mA的情况下，低压差线性稳压模式的转换效率在小电流时较PFM模式的转换效率高。另外，低压差线性稳压模式具有输出电压无纹波、噪声低的特点。为此，本发明通过系统集成的方式，通过逻辑控制方式将PWM模式、PFM模式、休眠模式与低压差线性稳压模式集成到一起，实现宽负载电流条件下的高效率电能转化，并在小电流负载下，实现低纹波、低噪声的电能输出。
当负载电流Iout小于80mA时，FWM模式下的电能转换效率小于PFM模式，因此本发明通过外部电路的电感L、电容C参数设置的设计，以及内部电路的设计，使Iout约为80mA时，电感中的电流不连续，即出现断流现象。因此当检测到电感电流不连续，那么本发明的单电感开关直流电压变换器将自动由PWM模式，转为PFM模式。
通常在PFM模式下的控制方式是如果检测到输出反馈电压大于第二基准电压，则停止PFM模式进入休眠模式，在休眠模式下如果输出反馈电压小于第三基准电压，则进入PFM模式。由此可见，输出电压Vout有一个纹波电压，即有较大的电源噪声。这样，如果电子设备需要低噪声的电源，PWM和PFM模式就不合适。本发明通过将低噪声的低压差线性稳压模块与PWM模块和PFM模块控制电路系统集成的方式，通过外部的控制端口LDO_out_en，可直接启用低压差线性稳压模块，关闭PWM模块和PFM模块，有效降低了纹波电压，输出低噪声的电源电压。
如图2所示，PWM或PFM模式下的大电流输出具有电能转换效率高的优势，而低压差线性稳压模式输出具有电流输出小电能转换效率高的优势。在电流小于80mA时，PWM模式的转换效率急剧降低，此时PFM模式的电能转换效率大于PWM模式的电能转换效率。如果负载电流进一步下降，那么PFM模式下的电能转换效率也将下降。一般情况下，Iout在10mA以下，PFM模式的转换效率将从90％快速下降。原因是Iout越小，输出电能降低，则进入休眠状态的时间就越长。尽管进入休眠状态，但片内多个比较器、电流检测电路等仍然工作，有电能损耗。而且随着Iout的下降，即输出电能的下降，内部功耗对转换效率的影响就越大。而低压差线性稳压模式工作情况下，仅是如图6所示的低压差线性稳压模块、电流检测模块工作，内部功耗比PFM模式低。
如图3所示的单电感开关变换器的结构示意图。本实施例的单电感开关变换器的控制器电路包括PWM/PFM/休眠模式模块、低压差线性稳压模块、多模式控制电路和可编程的分压反馈电路。输入电压Vin，即为电路的电源电压；EN信号为外部的提供的模块工作使能信号。当EN信号为“1”时，PWM/PFM/休眠模式模块正常工作；为“0”时，模块不工作。片内输出级电路的SW节点和地(GND)之间外接片外由电感L和电容Cout组成的滤波电路，其中的RESR为电容的寄生电阻。分压反馈电路为输出电压Vout的反馈电路，Vfb反馈信号输入到各个模块。电阻RL是负载电阻。在输出级电路中，PMOS管SP和NMOS管SN是在PWM和PFM模式工作时的驱动电路；PMOS管LDO_P和NMOS管LDO_N是在低压差线性稳压模式工作时的驱动电路。当低压差线性稳压模式工作时，SP和SN管不工作，LDO_P饱和导通，LDO_N导通将电感短路，保证低压差线性稳压模式下的正常工作。Vref为片外输入的的基准电压。LDO_en_out是片外给低压差线性稳压模块的使能信号，当需要强制芯片工作在低压差线性稳压模式时，LDO_en_out为“1”。
当电路上电后系统软启动，保证了各个模块进入正常工作状态。由于Vout在开始时是低电压，所以电路进入PWM状态工作，使Vout维持在一个稳定的电压，并输出电流Iout。
电路处于休眠状态时，意味着Vout基本保持不变，而Iout进一步降低。这样，多模式控制电路对休眠时间tQ进行检测，如果tQ＞tref，那么多模式控制电路向低压差线性稳压模块发送控制信号，系统从休眠模式切换到LDO工作模式。在低压差线性稳压模式工作时，低压差线性稳压模块中有对Iout电流进行复制监控的模块，如果Iout大于第一标准电流，那么，通过多模式控制电路，电路系统返回到PFM模式下。
在PWM模式工作时，Mode_select_en为“1”；在PWM模式工作时，Mode_select_en为“0”。低压差线性稳压模式工作时，Mode_select_en为“0”，LDO_ctr为“1”，LDO_en为“1”。
如图4所示的逻辑控制模块电路，由过零负载电流比较器3、跳变点电流比较器4、高电压比较器5、低电压比较器1、低电压比较器2、或门、与门、反相器组成。过零负载电流比较器3的正端连接电感电流近似为零时对应的基准电压Vload_comp_vip，负端连接对应于输出级的电感电流IL的电压Vsw_load。跳变点电流比较器4的正端连接基准电压Vskip_comp_vip，该电压对应的输出电流为80mA，正端连接反应SW节点电流，即输出电流对应的电压信号Vsw_skip。低电压比较器2的正端连接输出电压的分压反馈电压Vfb，负端连接基准电压Vlow_ref2。高电压比较器5的正端连接输出电压的分压反馈电压Vfb，负端连接基准电压Vhigh_ref。低电压比较器1的正端连接输出电压的分压反馈电压Vfb，负端连接基准电压Vlow_ref。逻辑转换控制模块的输出信号有Mode_select，以及Sleep_mode_en。
图5是多模式控制电路的结构示意图，包含有电压比较器、RS触发器、D触发器、异或非门、或非门、与非门、或门、反相器、传输门、参考电流源、延迟电路模块组成的逻辑电路。输入电压Vin，即为模块的电源电压。Mode_select和Sleep_mode_en信号来自逻辑控制模块；Iref和Vref分别是从外部输入的基准电流和电压；Isense_current是低压差线性稳压模块的输出级PMOS管中电流的复制电流。LDO_en_out是外部低压差线性稳压模块使能信号。四模式控制电路模块的输出信号是LDO_ctr。当sleep_mode_en为“0”、Mode_select为“0”时，电路处于休眠状态，Iref通过MP1管对C充电，充电时间，即为休眠状态的持续时间，如果休眠时间足够长，大于设定值tQ，那么，比较器的正端电压上升大于负端电压Vref，那么比较器的输出状态翻转输出“1”，使LDO_ctr输出为“1”，启动低压差线性稳压模式。这里比较器负端的Vref值的大小，由tQ的值决定。
当低压差线性稳压模块工作时，将输出电流Iout按比例复制为Isense_current，并与基准电流Iref比较，当Iout大于基准电流5mA时，比较器输出翻转为“1”，使LDO_ctr输出为“0”，使电路状态切换为PFM模式。
图6为低压差线性稳压模块的电路结构图，包括电流偏置电路、误差放大器电路、输出电流复制电路，已经输出级电路。从四模式控制电路模块输出的LDO_ctr信号连接到PMOS管MP3和MP6的栅极，LDO_ctr为高电平“1”时，LDO电路模块工作。输入电压Vin，即为模块的电源电压。Vref是基准电压，Vfb是从可编程电压反馈模块输出的芯片电路输出电压Vout的反馈电压，Vref和Vfb连接到误差放大器的输入对管MP1和MP2。电流偏置电路产生的偏置电流IBIAS，即为误差放大器的直流偏置电流；电流复制电路复制LDO输出级PMOS管中的电流，并输出Isense_current。
图7为分压反馈电路，包括串联的电阻RF1、RF2、RF3、RF4、RF5和可编程选择电路组成。可编程选择电路接收选择信号，CB0和CB1是外部输入的可编程选择电路的控制端口。可编程选择电路根据选择信号输出电阻RF1、RF2、RF3、RF4、RF5之间某些电阻的反馈电压Vfb，Vfb与输出电压Vout电压成比例。

Claims (9)

1、一种单电感开关直流电压变换器的四模式控制方法，其特征在于：包括对单电感开关直流电压变换器进行PWM模式控制、PFM模式控制、休眠模式控制、或是低压差线性稳压模式控制；在单电感开关直流电压变换器内设置过零检测模块对开关直流电压变换器的电感电流进行检测，并设置分压反馈电路取得单电感开关直流电压变换器的输出反馈电压；
开关直流电压变换器起动后，对直流电压变换器进行PWM模式控制；
在PWM模式控制下，若检测到的电感电流不连续，对单电感开关直流电压变换器进行PFM模式控制；
在PFM模式控制下，若检测到单电感开关直流电压变换器的输出反馈电压小于第一基准电压或是检测到的电感电流连续，则对单电感开关直流电压变换器进行PWM模式控制；
在PFM模式控制下，若检测到的输出反馈电压大于第二基准电压，则停止PFM模式控制，对单电感开关直流电压变换器进行休眠模式控制；
在休眠模式控制下，若检测到的输出反馈电压小于第三基准电压，则对单电感开关直流电压变换器进行PFM模式控制；
在休眠模式控制下，若检测到的休眠时间大于第一标准时间，则对单电感开关直流电压变换器进行低压差电压调整控制；
在低压差线性稳压模式控制下，若检测到的负载电流大于第一标准电流，则对单电感开关直流电压变换器进行PFM模式控制；
所述的第一基准电压小于第三基准电压，第三基准电压小于第二基准电压。
2、根据权利要求1所述的四模式控制方法，其特征在于：所述的第一标准电流为5-10mA。
3、根据权利要求1所述的四模式控制方法，其特征在于：在休眠模式下关闭单电感开关直流电压变换器的开关晶体管。
4、一种实现权利要求1所述四模式控制方法的单电感开关直流电压变换器，包括控制器，其特征在于：
所述的单电感开关直流电压变换器包括一个第一PMOS晶体管和一个第一NMOS晶体管，第一PMOS晶体管的源极连接输入电源，漏极连接第一NMOS晶体管的漏极，第一NMOS晶体管的源极接地，在第一PMOS晶体管的漏极和第一NMOS晶体管的源极之间设置有输出支路，所述单电感开关直流电压变换器的电感串联在该输出支路中；
单电感开关直流电压变换器还包括由一个第二PMOS晶体管和一个第二NMOS晶体管组成的低压差线性稳压模式驱动电路，第二PMOS晶体管的源极连接输入电源，栅极连接低压差线性稳压模块，漏极连接第二NMOS晶体管的漏极和所述电感的输入端，第二NMOS晶体管的源极连接所述电感的输出端；
所述的控制器包括PWM模式控制模块、PFM模式控制模块、逻辑控制模块、电流检测模块、低压差线性稳压模块、用于休眠模式计时的多模式控制电路和用于取得单电感开关直流电压变换器输出反馈电压的分压反馈电路；
电流检测模块包括电感电流检测电路、PWM和PFM模式切换的跳变点电流检测电路和PFM模式工作时的峰值电流检测电路；
电流检测模块和分压反馈电路将得到反馈信号发送给逻辑控制模块和低压差线性稳压模块；
逻辑控制模块根据反馈信号，向PWM模式控制模块和PFM模式控制模块发送模式选择信号，或对开关变换器进行休眠模式控制；
PWM模式控制模块和PFM模式控制模块根据模式选择信号，向逻辑控制模块发送相应的控制信号；
多模式控制电路在休眠模式下对休眠时间计时，并向低压差线性稳压模块发送控制信号；
低压差线性稳压模块接收多模式控制电路的控制信号，向低压差线性稳压模式驱动电路发送驱动信号；
逻辑控制模块连接第一PMOS晶体管和第一NMOS晶体管的栅极，对单电感开关直流电压变换器进行模式控制。
5、根据权利要求4所述的单电感开关直流电压变换器，其特征在于：所述的逻辑控制模块包括接收电感输出端电压和第四基准电压的过零负载比较器、接收电感输入端电压和跳变点基准电压的跳变点电流比较器、接收输出反馈电压和第一基准电压的第一低电压比较器、接收输出反馈电压和第二基准电压的第一高电压比较器、接收输出反馈电压和第三基准电压的第二低电压比较器，过零负载比较器、跳变点电流比较器、第一低电压比较器、第一高电压比较器、第二低电压比较器的输出端通过逻辑门电路输出模式切换信号和休眠信号。
6、根据权利要求5所述的单电感开关直流电压变换器，其特征在于：所述的PWM模式控制模块接收输出反馈电压、基准电压和模式切换信号，并通过逻辑转换模块向第一PMOS晶体管和第一NMOS晶体管的栅极发送控制信号。
7、根据权利要求6所述的单电感开关直流电压变换器，其特征在于：所述的PFM模式控制模块包括接收基准电流和电感输出端电流的峰值电流比较器、接收第二基准电压和输出反馈电压的第二高电压比较器、接收输出反馈电压和第三基准电压的第三低电压比较器、接收电感输出端近似为0时对应的基准电压和电感输出端电流的过零负载电流比较器，PFM模式控制模块根据模式切换信号，通过逻辑转换模块向第一PMOS晶体管和第一NMOS晶体管的栅极发送控制信号。
8、根据权利要求4所述的单电感开关直流电压变换器，其特征在于：所述的低压差线性稳压模块包括电流偏置电路和误差放大器电路。
9、根据权利要求4所述的单电感开关直流电压变换器，其特征在于：所述的分压反馈电路包括多个串联的电阻和用于选择输出任意所述电阻间电压的可编程选择电路。
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