CN101924463A - 一种开关电源变换器的pfm控制方法及其实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于开关电源技术领域，具体为一种开关电源变换器的PFM控制方法及其实现电路。具体做法是：检测输出电压的分压值，在每个时钟周期的上升沿与V_REF进行比较，如果低于V_REF，则通过控制逻辑电路和功率驱动电路使功率级开关管导通一固定占空比信号；如果高于V_REF，则跳过该周期。同时电流检测电路检测负载电流，与预设的门限值比较，电流区间判断器根据该检测电流选择合适的功率管尺寸，控制分段选择器对分段的功率级进行选取，从而实现一种优化的PFM控制。该优化的PFM控制在保持高效的同时，可以减小输出电压纹波，防止系统开关频率进入音频范围。

Description

一种开关电源变换器的PFM控制方法及其实现装置

技术领域

本发明属于开关电源技术领域，具体涉及一种DC-DC开关电源变换器的PFM控制方法及其实现电路。

背景技术

当今，消费类电子技术正处于高速发展期。人们对消费电子产品，特别是便携式电池供电类消费电子产品的需求与日俱增。随着半导体工艺技术的飞速进步以及消费者对产品功能需求的不断加强，产品中芯片的规模也在不断扩大。这必然导致芯片功耗的增加，从而大大减小产品电池的使用时间。对于手持设备而言，电池的使用时间是消费者最为关心的问题之一。由于电池的输出电压随着使用时间的变化而变化，因此需要电源管理芯片给内部的电路提供稳定的电源电压，所以电源管理芯片的效率成为一个非常重要的问题。低功耗已成为电源管理芯片必须考虑的因素之一。电源管理芯片是电池供电的手持设备中必须的芯片之一，在手持设备中，如手机，PDAs等，他们大部分时间是处于待机模式，也就是说，这时候的负载电流比较低，电池不需要为内部电路提供太多的电流，所以在这种轻载情况下电源管理芯片的效率是尤为重要的。

一般DC-DC开关电源变换器都会在轻载下工作于PFM控制模式，这样可以减小功率级的开关功耗，提高电源在轻载下的效率。但是传统的PFM控制在实际应用中存在两个缺点：一是在轻载下输出纹波较大，而且负载越轻，输出纹波越大。而是由于轻载下需要的占空比较小，在采用恒定导通时间或跳周期的PFM控制时开关频率易进入音频范围，会给系统其他模块引入音频噪声。

本发明采用带功率级分段的PFM控制方法来保持传统PFM控制方法高效的同时克服其纹波大、易于进入音频范围的缺点。在负载电流较小时，采用相对较小尺寸的功率管，这样就可以增大开关的频率，减小输出纹波，同时避免开关频率进入音频范围。虽然开关频率变大，但功率管尺寸变小，栅电容也随之变小，功率管的开关功耗基本保持不变。

发明内容

本发明针对便携式电子设备中的开关电源变换器，提出了一种带功率级分段的PFM控制方法。PFM控制主要是用于减少便携式设备电源在待机或轻载时的功耗，但它带来的负面影响就是会增大输出电压纹波，并且系统开关频率易进入音频范围。本发明所采用的带功率级分段的PFM控制方法则可以克服这些缺点，而且本方法可以适用于各种拓扑结构的变换器。

本发明提出的一种开关电源变换器的PFM控制方法，其中，开关电源变换器包括两个控制环路：一个是PFM控制环路，另一个是功率管分段判断环路。PFM控制方法的具体步骤是：

在PFM控制环路：开关电源变换器的输出电压通过分压电阻R1、R2分压后得到反馈电压V_FB，反馈电压V_FB与基准电压V_REF比较，比较后的信号DG通过D触发器DFF与系统时钟CLK同步生成PFM信号，再通过栅控逻辑电路生成需要的栅控信号，通过驱动电路控制功率级的开关，使输出电压稳定在预设电压上。在功率管分段判断环路：与此同时电流检测电路(ICC)检测负载电流I_L的大小，与预设的门限值δ_n比较，其中n=1,2…N，电流区间判断器(ID)根据该检测电流选择合适的功率管尺寸，控制分段选择器(SD)对分段的功率驱动级进行选取，再经过驱动电路完成对所选功率管的控制，从而实现根据负载电流自适应的改变功率管的尺寸。其比较和选择的规则是：当I_L>δ₁时，控制分段选择器选择最大的功率尺寸S₁；当δ_n-1>I_L>δ_n时，控制分段选择器选择功率尺寸S_n；当I_L<δ_N时，控制分段选择器选择最小的功率尺寸S_N+1。

本发明中，PFM稳压的方法为：

当开关电源变换器的输出电压经过分压后，与基准电压V_REF比较得到数字信号A₀，再将信号A₀经过D触发器与时钟同步得到控制信号A₁；若A₁为高，即反馈电压V_FB>V_REF，则跳过该周期，开关电源功率级关断；若A₁为低，即反馈电压V_FB<V_REF，则该周期导通一固定的占空比信号D_set。

本发明中，分段选择器所产生的功率管尺寸S_n，n=1,2…N+1的方法是：电流检测电路(ICC)同步检测变换器的负载电流I_L，电流区间判断器(ID)将该负载电流值I_L与功率关尺寸S_n，n=1,2…N+1所对应的负载电流基准值K_n，n=1,2…N+1，进行比较，当I_L处于某一区间时，则选择对应的功率管尺寸值S_n。

本发明还提出实现上述开关电源变换器的控制方法的装置。该装置由开关电源变换器功率级和控制器组成；其中，控制器包括分压电阻R1、R2，PFM比较器CMP，PFM逻辑控制电路LC，电流检测电路ICC，电流区间判断器ID，分段选择器SD和功率驱动电路PD；由分压电阻R1、R2组成的分压电路Divider，PFM比较器CMP，PFM逻辑控制电路LC，功率驱动电路PD依次相连；负载(Load)，电流检测电路 ICC，电流区间判断器ID，分段选择器SD，功率驱动PD依次相连。

其中，所述的电流区间判断器ID的组成为：由N个比较器DC_n和N个触发器D_n组成，n=1,2,…N；比较器DC_n的正极性端均与电流检测电路ICC的输出端相连，负极性端分别接对应的电流区间值δ_n信号，输出端与触发器的数据输入端相连；触发器D_n的时钟输入端与时钟信号发生器CPG相连，触发器D_n的输出端Q_n与分段选择器SD相连。

所述的分段选择器SD的组成为：由一个N输入的译码器Decoder和2^N个与门&_k组成，K=1,2,…2^N，译码器的输入为电流区间判断器的输出，经过译码后得到功率级2^N个分段的开关信息，再与PFM控制生成的栅控信号Q_n进行与运算，得到个每个分段在每个时钟周期内的栅控信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、开关周期起始时刻可以根据负载检测电流I_L与预设的门限值δ_n比较情况调节变换器功率管的尺寸的大小。在开关起始时刻，当I_L处于最低区间值δ_N时，表明此时负载需要的能量很少，如果采用比较大的功率管尺寸，则会在一个周期向负载传输较多的能量，使输出纹波电压较大，如果此时采用较小尺寸的功率管，则会传递较少的能量，减小输出纹波；相反，如果I_L处于最高区间值δ₁时，表明此时负载需要的能量很大，如果采用较小的功率管尺寸，则每个周期传递给负载的能量较少，需要很多个周期才能充到预设值，系统响应时间较慢，如果此时采用较大的功率关尺寸，每次传输尽可能多的能量，则能使输出电压尽快回升。可见本发明的控制方法可以减小系统在小负载电流时的输出纹波，可以加快稍大负载电流情况下的系统响应。

二、当开关电源变换器输出负载一直处于轻载或待机时，此时I_L处于最低区间值δ_N时，表明此时负载需要的能量很少，如果采用比较大的功率管尺寸，则会在一个周期向负载传输较多的能量，由上述描述的PFM控制特点可知，在接下来变换器会跳过一定的周期使输出电压降到预设值以下。此时由于跳过周期很多，系统的开关频率易进入音频范围。本发明方法则可以根据检测到的负载情况自适应的选择功率管的大小，在轻载或待机时选择较小的功率管尺寸，以尽可能传递较少的能量，使输出电压经跳过较少的周期就可回落到预设值，避免系统开关频率进入音频范围。

三、由于本发明方法可以减小输出电压纹波，也使得采用本发明方法的开关电源变换器的滤波电路中可以选用较小的输出电容。

附图说明

以下附图描述了本发明的实施例，这些附图和实施例提供了本发明的实例并且它们是非限制性的和非穷尽的。

图1 为本发明实施例一方法的信号流程图。

图2 为本发明实施例一的在电荷泵应用中的电路结构框图。

图3 为本发明实施例一的电流区间判断器的电路结构图。

图4 为本发明实施例一的分段选择器的电路结构图。

图5给出了电荷泵应用中传统PFM控制和本发明方法的纹波随负载电流变化的仿真曲线图。

图6给出了电荷泵应用中传统PFM控制和本发明方法的效率随负载电流变化的仿真曲线图。

具体实施方式

以下结合附图及实例对本发明进行详细说明。

图1示出，本实例包括功率级(Power Stage)、输出分压电阻R1和R2、负载单元Load、PFM比较器CMP、D触发器DFF、PFM逻辑控制电路LC、电流检测电路ICC、电流区间判断器ID、分段控制器SD和功率驱动电路PD。分压电阻R1一端接功率级电压输出端，另一端通过分压电阻R2接地，分压值为V_FB。比较器CMP的正端接V_FB，负端接基准电压V_REF。PFM比较器CMP的输出接D触发器的信号端，时钟端接系统时钟信号CLK。D触发器的输出接逻辑控制电路LC，逻辑控制电路LC的输出接到功率驱动电路PD。负载单元Load一端接功率级的输出，另一端接地。负载电路Load的输出接到电流检测电路ICC，电流检测电路ICC的输出I_L再输入到电流区间判断器ID，电流区间判断器ID的输出接到分段选择器SD，分段选择器的输出接到功率驱动电路PD的输入。功率驱动电路的输出接到开关电源变换器的功率级。

本发明的一种具体实施方式为：一种开关电源变换器的控制方法，其具体做法是：开关电源变换器的输出电压通过R1、R2分压后得到V_FB，V_FB与基准电压V_REF比较，比较后的信号DG通过D触发器DFF与系统时钟CLK同步生成PFM信号，再通过栅控逻辑电路生成需要的栅控信号，通过驱动电路控制功率级的开关，使输出电压稳定在预设电压上。与此同时电流检测电路ICC检测负载电流I_L的大小，与预设的门限值δ_n比较，其中n=1,2…N，电流区间判断器ID根据该检测电流选择合适的功率管尺寸，控制分段选择器SD对分段的功率驱动级进行选取，再经过驱动电路完成对所选功率管的控制，从而实现根据负载电流自适应的改变功率管的尺寸。

图2示出，本发明方法在电荷泵应用中电路结构框图。C_F是电荷泵的传输电容，C_L是电荷泵的输出滤波电容，电荷泵功率级中的四个功率管M1-M4每一个均被分成了2^N段，功率驱动电路PD控制四组功率开关管的栅极。

图3示出，本例中所述的电流区间判断器的具体组成为：由N个比较器DC_n，以及N个触发器D_n组成，，n=1,2…N。比较器DC_n的正极性端均与电流检测电路ICC的输出端I_L相连，负极性端分别接对应的电流区间值δ_n信号，比较器的输出端与D触发器的数据输入端相连；触发器D_n的时钟输入端与时钟信号发生器CPG相连，触发器D_n的输出端Q_n与分段选择器SD相连。

图4示出，本例中所述的分段选择器SD的具体组成为：由一个N输入的译码器Decoder和4x2^N个与门&_k组成，K=1,2,…2^N＋2。译码器的输入为电流区间判断器的输出Q_n，经过译码后得到功率级2^N个分段的开关信息B_n，n=1,2,…2^N，每一个译码输出再与PFM控制生成的栅控信号G_j，j=1,…4进行与运算，就可得到个每个分段在每个时钟周期内的栅控信号g_lm，l=1,…4，m=1,2,…2^N。

图5示出，本发明方法和传统PFM控制在电荷泵中应用时的输出电压纹波随负载电流变化的仿真曲线图。从图中可以看出，在轻负载下，本发明方法控制的电荷泵的输出纹波电压要远远小于传统的PFM控制，随着负载电流的变大，两者之间的纹波差别逐渐减小，因为此时本发明方法已采用最大的功率管尺寸，与传统的PFM控制类似。

图6示出，本发明方法和传统PFM控制在电荷泵中应用时的效率随负载电流变化的仿真曲线图。而从图可以看出，两种控制方法在整个负载电流范围内的效率基本相同，在中间一段有略微差别，是由于本发明方法需要对分段进行控制，增加了少许的控制损耗。

Claims (6)

1.一种开关电源变换器的PFM控制方法，该开关电源变换器包括PFM控制环路和功率管分段判断环路，其特征在于控制方法的具体步骤为：

在PFM控制环路：开关电源变换器的输出电压通过两个分压电阻R1、R2分压后得到反馈电压V_FB，反馈电压V_FB与基准电压V_REF比较；比较后的信号DG通过D触发器（DFF）与系统时钟（CLK）同步生成PFM信号，再通过栅控逻辑电路生成需要的栅控信号；通过驱动电路控制功率级的开关，使输出电压稳定在预设电压上；

在功率管分段判断环路：电流检测电路(ICC)检测负载电流I_L的大小，与预设的门限值δ_n比较，n=1,2…N，电流区间判断器(ID)根据该检测电流选择合适的功率管尺寸，控制分段选择器(SD)对分段的功率驱动级进行选取；再经过驱动电路完成对所选功率管的控制，从而实现根据负载电流自适应的改变功率管的尺寸；其比较和选择的规则是：当I_L>δ₁时，控制分段选择器选择最大的功率尺寸S₁；当δ_n-1>I_L>δ_n时，控制分段选择器选择功率尺寸S_n；当I_L<δ_N时，控制分段选择器选择最小的功率尺寸S_N+1。

2.根据权利要求1所述的开关电源变换器的PFM控制方法，其特征在于：在PFM控制环路稳压的方法为：

当开关电源变换器的输出电压经过分压后，与基准电压V_REF比较得到数字信号A₀，再将信号A₀经过D触发器与时钟同步得到控制信号A₁；若A₁为高，即反馈电压V_FB>V_REF，则跳过该周期，开关电源功率级关断；若A₁为低，即反馈电压V_FB<V_REF，则该周期导通一固定的占空比信号D_set。

3.根据权利要求1所述的开关电源变换器的PFM控制方法，其特征在于：所述的控制分段选择器选择功率尺寸S_n的方法是：

电流检测电路(ICC)同步检测变换器的负载电流I_L，电流区间判断器(ID)将该负载电流值I_L与功率关尺寸S_n所对应的负载电流基准值K_n进行比较，当I_L处于某一区间时，则选择对应的功率管尺寸值S_n，n=1,2…N+1。

4.一种如权利要求1、2或3所述的开关电源变换器的PFM控制方法的实现装置，其特征在于由开关电源变换器功率级和控制器组成；其中，控制器包括分压电阻R1、R2，PFM比较器(CMP)，PFM逻辑控制电路(LC)，电流检测电路(ICC)，电流区间判断器(ID)，分段选择器(SD)和功率驱动电路(PD)；由分压电阻R1、R2组成的分压电路(Divider)，PFM比较器(CMP)，PFM逻辑控制电路(LC)，功率驱动电路(PD)依次相连；负载(Load)，电流检测电路 (ICC)，电流区间判断器(ID)，分段选择器(SD)，功率驱动(PD)依次相连。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述的电流区间判断器(ID)的组成为：由N个比较器DC_n和N个触发器D_n组成，n=1,2,…N；比较器DC_n的正极性端均与电流检测电路(ICC)的输出端相连，负极性端分别接对应的电流区间值δ_n信号，输出端与触发器的数据输入端相连；触发器D_n的时钟输入端与时钟信号发生器(CPG)相连，触发器D_n的输出端Q_n与分段选择器(SD)相连。

6.根据权利要求4所述装置，其特征在于：所述的分段选择器(SD)的组成为：由一个N输入的译码器(Decoder)和2^N个与门&_k组成，K=1,2,…2^N，译码器的输入为电流区间判断器的输出，经过译码后得到功率级2^N个分段的开关信息，再与PFM控制生成的栅控信号Q_n进行与运算，得到个每个分段在每个时钟周期内的栅控信号。

Images