CN102035380A - 脉宽调制电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种脉宽调制电源电路，涉及电子电路领域；提高轻载时的电源转化效率。所述PWM电源电路包括上MOS管、下MOS管、LC滤波电路及PWM控制芯片，还包括一肖特基二极管，其中：所述肖特基二极管与所述下MOS管并联，负极与下MOS管的漏极相连，正极接地；所述PWM控制芯片，用于将已获取的当前的负载与预先设置的负载阈值进行比较，得到用于指示当前的负载状态的结果信号，在所述结果信号指示当前的负载状态为轻载时，生成用于控制下MOS管关闭的电压信号和控制上MOS间歇性导通的脉冲信号。本发明提供的技术方案可应用于转化电源。

Description

脉宽调制电源电路

技术领域

本发明涉及电子电路领域，尤其涉及一种脉宽调制电源电路。

背景技术

目前，集成电路迅速发展，以集成电路为核心的数字电路由于效率高，密度大，稳定性好，成本低等优势，迅速普及并广泛应用，已经占据电路设计的重要地位，越来越多的模拟电路与系统被数字电路所取代。但是脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)电源电路却一直是个例外，由于功率元件难于集成，现在的PCB板上，设计者仍然以模拟电路来实现电源的转换功能。

因为PWM电源电路的重要性，设计者们对其做了很多研究，其中的一个焦点问题是如何解决电源转换电路的效率。因为目前的PCB板趋于轻薄短小，元件密度也越来越大，效率提升要求是一个艰难挑战。如何在控制成本的前提下提升效率是设计考虑的重点。提高效率可以节省能源减小发热，符合绿色环保的设计理念，如何提高PWM电路的效率已经成为一个亟待解决的问题。

图1为现有技术中开关电源的PWM电源电路的结构示意图。该PWM电源电路包括两个MOS管，并通过使用2路PWM信号分别控制两个MOS管，使它们交替导通。上面的一个MOS管的漏极通常直接与输入的电源相连，源极与下面一个MOS管的漏极相连接，作为输出。下面的MOS管的源极接地，输出接LC滤波，得到我们所要的电源。因此，上面的MOS管称为High Side MOS管，简称为上MOS管；下面的MOS管就称为Low Side MOS管，简称为下MOS管。

发明人发现，现有技术中的PWM电源电路存在如下问题：

现在的很多芯片工作电流变化范围非常大，比如CPU工作在不同状态时其负载电流从几安培可以到上百安培，而现有技术的PWM电源电路负载为轻和重时该PWM电源电路的效率差别比较大，重载时效率较高，轻载或空载时效率很低；所以如何提高负载为轻时PWM电源电路的效率是需要解决的问题。

发明内容

本发明提供的PWM电源电路，提高轻载时的电源转化效率。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种脉宽调制(PWM)电源电路，包括上MOS管、下MOS管、LC滤波电路及PWM控制芯片，还包括一肖特基二极管，其中：

所述肖特基二极管与所述下MOS管并联，负极与下MOS管的漏极相连，正极接地；

所述PWM控制芯片，用于将已获取的当前的负载与预先设置的负载阈值进行比较，得到用于指示当前的负载状态的结果信号，在所述结果信号指示当前的负载状态为轻载时，生成用于控制下MOS管关闭的电压信号和控制上MOS间歇性导通的脉冲信号。

进一步的，所述电路还具有如下特点：

所述PWM控制芯片，用于在所述结果信号指示当前的负载状态为重载时，生成用于控制上MOS管和下MOS管交替导通的脉冲信号。

本发明提供的技术方案，在下MOS处并联一肖特基二极管，并在PWM电源电路为轻载时，关闭下MOS管，消除了下MOS的开关损耗；而且肖特基二极管在导通状态变化时不会有反向电流，消除了无谓功率损耗；同时也没有给PWM电源电路带来开关损耗，降低了电路的损耗，提高了PWM电源电路在轻载时电源的转化效率。

附图说明

图1为现有技术中PWM电源电路的结构示意图；

图2为本发明提供的PWM电源电路实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

图2为本发明提供的PWM电源电路实施例的结构示意图。图2所示PWM电源电路实施例包括上MOS管、下MOS管、LC滤波电路及PWM控制芯片，还包括一肖特基二极管，其中：

所述肖特基二极管与所述下MOS管并联，负极与下MOS管的漏极相连，正极接地；

所述PWM控制芯片，用于将已获取的当前的负载与预先设置的负载阈值进行比较，得到用于指示当前的负载状态的结果信号，在所述结果信号指示当前的负载状态为轻载时，生成用于控制下MOS管关闭的电压信号和控制上MOS间歇性导通的脉冲信号。

需要说明的是，与现有技术中相同，PWM控制芯片的UGATE和LGATE分别与上MOS和下MOS的栅极相连。(图2中未示出)

下面对上述PWM电源电路进行具体说明：

发明人通过实验发现，现有技术的PWM电源电路在轻载时，电感电流可能断续或反向会造成开关损耗增大和功率无谓耗散，尤其是下MOS的开关损耗会增大，同时电流反向也会增大电感损耗及功率损耗，从而使该电路在轻载时的电源转化效率降低。

针对现有技术的缺陷，在PWM电源电路为轻载时，本发明提供的方案是在下MOS管上并联一个肖特基二极管，并关闭下MOS管。

下面对本发明对此方案进行说明：

首先，对关闭下MOS，在下MOS处并联肖特基二极管的作用进行说明：

在现有技术中，当电路负载为轻载时下MOS的电流开关损耗较电路负载为重载时大，大大增加了电路的损耗。而在本发明中，在检测到电路的负载状态为轻载时，关闭了下MOS管，所以PWM电源电路中没有了下MOS管的开关损耗；而肖特基二极管不会因自身导通状态发生变化给电路带来任何损耗。由于关闭了下MOS管，没有了下MOS的开关损耗，而增加的肖特基二极管本身在开关时不会有损耗，所以大大降低了电路的损耗。

在现有技术中，下MOS管为电感电流产生回路的作用。在本发明中，虽然关闭了下MOS管，与该下MOS并联的肖特基二极管具有正向导通和反向关闭的特性，也能够实现为电感电路产生回路的作用，从而达到避免出现因电路中没有电感电流的回路，使电感中的电流发生突变造成下MOS和电感烧坏的现象。

在现有技术中，当下MOS导通期间电感电流一直处于变小的状态，如果电感的电流到了0A且上MOS并没有导通，这个时候就会出现电感电流的断续或者反向，导致电感的能量通过电感和下MOS到地，造成功率无谓耗散。而在本发明中，由于肖特基二极管具有反向关闭的特性，当电感电流流经到肖特基二极管时，由于电流的方向为反向，所以肖特基二极管不会导通，从而使电感的能量不能通过该肖特基二极管接地，从而使电感电容继续存储能量，避免了电感电流反向时通过下MOS流到地端的功率耗散的现象，降低了电路的功率耗散。

进一步的，由于肖特基二极管的导通电压为0.2～0.3V，在导通后产生的功率损耗也就非常低，接近与现有技术中在相同电流大小条件时下MOS导通的功率损耗，从而没有加重电路中功率损耗的负担。

需要说明的是，由于下MOS本身就寄生一个二极管，在下MOS管再并联一个肖特基二极管，并不会改变下MOS的工作特性，保证其在PWM电源电路负载为重载时，仍然可以正常工作。

进一步的，上述PWM电源电路中的PWM控制芯片，还用于在所述结果信号指示当前的负载状态为重载时，生成用于控制上MOS管和下MOS管交替导通的脉冲信号。

需要说明的是，当下MOS导通且其上的压降小于肖特基二极管的导通电压时，肖特基二极管并不会导通，与现有技术中的在重载时的电路状况相同，并不降低该PWM电源电路为重载时对电源的转化效率。而当下MOS导通且其上的压降大于或等于肖特基二极管的导通电压时，其给电路带来的损耗进行分析，具体如下：

首先，该肖特基二极管并不会给电路带来开关损耗；

其次，当下MOS的电流使得Vds大于肖特基二极管的前向导体电压时，肖特基二极管导通，此时肖特基二极管使得在下MOS上损耗的功率下降。具体分析如下：

假设下MOS管的阻抗为10毫欧，肖特基二极管的导通电压为0.2伏(V)，只要在下MOS管的电流值至少为20安(A)时，肖特基二极管就能导通。那么当下MOS管的电流值为30安时，下MOS管的压降为0.3V，肖特基二极管导通。在肖特基二极管导通后，该肖特基二极管的压降为0.2V，根据并联电路的特性，此时下MOS管的压降变为0.2V。在肖特基二极管导通时，下MOS管和二极管的总功率为当前的压降(0.2V)与当前的电流(30A)的乘积，即6瓦。如果没有肖特基二极管的导通时，下MOS的压降并不会降低到0.2V，那么下MOS的功率为电流(30A)的平方与电阻的乘积，即9瓦。此处以电流为最小值进行比较，可以得出，在肖特基二极管导通后，在PWM电源电路中不但没有给电路增加功率消耗，还降低了电路的功率消耗。

由此推之，在电流值大于30A时，并联有肖特基二极管的下MOS处的电压值恒定为0.2V，所以可以得出在电流值大于20A时，PWM电源电路的下MOS处并联有肖特基二极管能够降低电路重载时的功率消耗。

由上可以得出，在肖特基二极管导通时会降低PWM电源电路的功率损耗。

综上所述，PWM电源电路的负载状态为重载时，并联在下MOS处的肖特基二极管并没有增加PWM电源电路的损耗，不会降低电源的转化效率。

本发明提供的PWM电源电路实施例，在下MOS处并联一肖特基二极管，并在PWM电源电路为轻载时，关闭下MOS管，消除了下MOS的开关损耗；而且肖特基二极管在导通状态变化时不会有反向电流，消除了无谓功率损耗；同时也没有给PWM电源电路带来开关损耗，降低了电路的损耗，提高了PWM电源电路在轻载时电源的转化效率。

进一步的，并联于下MOS处的肖特基二极管在整理电路的负载状态为重载时，如果处于导通状态，还会降低PWM电源电路的功率损耗，进一步提高整理电路在重载时电源的转化效率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种脉宽调制(PWM)电源电路，包括上MOS管、下MOS管、LC滤波电路及PWM控制芯片，其特征在于，还包括一肖特基二极管，其中：

所述肖特基二极管与所述下MOS管并联，负极与下MOS管的漏极相连，正极接地；

所述PWM控制芯片，用于将已获取的当前的负载与预先设置的负载阈值进行比较，得到用于指示当前的负载状态的结果信号，在所述结果信号指示当前的负载状态为轻载时，生成用于控制下MOS管关闭的电压信号和控制上MOS间歇性导通的脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的PWM电源电路，其特征在于：

所述PWM控制芯片，用于在所述结果信号指示当前的负载状态为重载时，生成用于控制上MOS管和下MOS管交替导通的脉冲信号。

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