CN102055338B - 恒定电压输出电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种恒定电压输出电路，包括模式输出模块和输出模块，模式输出模块用于根据输出电压采样选择输出模块进入线性控制模式或者开关控制模式，输出模块用于根据模式输出模块的指令进入线性控制模式或者开关控制模式，在线性控制模式中，控制输出模块中功率开关管的栅极以输出稳定的电流，在开关控制模式中，控制输出模块的功率开关管交替地处于导通和截止状态，并通过功率开关管栅极输入的信号高度调节输出电压。本发明通过改变驱动电压电平的高低决定输出电流峰值和谷值的大小，实现了电路的稳定输出，并且，通过开关控制模式和线性控制模式两种模式，实现了在重负载下面的DCDC模式保证高效率，在轻负载下的低纹波。

Description

恒定电压输出电路

技术领域

本发明涉及电路设计与制造技术领域，特别涉及一种恒定电压输出电路。

背景技术

当前便携式电源管理IC产品里的稳压源主要是LDO(Low DropoutRegulator，低压差线性稳压器)、非隔离式DCDC(直流变直流)两种。其中，LDO只能应用于降压，优点是纹波小、外围元器件少、成本低，但发热较大、效率低，尤其是在大压差和大电流情况下，因此一般应用于输出电流300mA以内，最多用至500mA左右。非隔离式DCDC可实现升压、降压和升降压，但是需要外接电感等磁性元件，因此应用电路相对复杂，由于是开关控制模式，纹波较大，最大优点是效率高，能适应于有大电流需求的应用。

如图1所示，为传统的电压控制型DCDC模块的内部控制系统及其外围电路图，其中，内部控制系统包括功率开关管、误差放大器(EA)、比较器(COMP)、振荡器(OSC)，外围电路包括电容、电感。图1为一个简单的电压模式降压DCDC的主环路，可以看出，输出电压的变化必然引起VFB的变化，从而导致EA输出的增大或减小，将其与固定上升斜率和时间的锯齿波比较，产生变化的占空比信号D来控制开关管的导通时间(即脉冲宽度调制)，其输出如图2所示。

如图3所示，为传统的LDO控制电路及其外围电路图，图中P1工作在饱和区，其IDS和VGS公式如下：

$I_{\mathrm{SD}}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_P{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W}{L}[{(V_{\mathrm{SG}}-V_{\mathrm{TH}})}^2$

正常工作下，如果输出电压突然降低，将导致VFB减小，则误差放大器的输出减小，使得VSG增加，根据公式可知ISD必然增加，这样V_OUT会逐渐上升。

然而，在一个变负载的电路中，负载可能会随时发生变化，会由于负载随时变化而引起电源管理器件性能的降低，这样上述两种电路的应用非常有限。为了解决这一问题，还提出了在同一个电路中集成DCDC模块和LDO模块，两模块各自独立，根据负载情况切换于两个模块之间，从而实现轻负载下的低纹波和重负载下的高效率，但是这样不仅电路复杂，而且成本高。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决由于负载随时变化而引起的电源管理器件性能降低的缺陷。

为达到上述目的，本发明一方面提出一种恒定电压输出电路，包括模式输出模块和输出模块，所述模式输出模块，用于根据输出电压采样选择所述输出模块进入线性控制模式或者开关控制模式，当所述输出电压采样大于预设的第一基准电压时，则所述输出模块进入线性控制模式，当所述输出电压采样小于所述第一基准电压时，则所述输出模块进入开关控制模式；所述输出模块，用于根据所述模式输出模块的指令进入线性控制模式或者开关控制模式，在所述线性控制模式中，控制所述输出模块中功率开关管的栅极以输出稳定的电流，在所述开关控制模式中，控制所述输出模块的功率开关管交替地处于导通和截止状态，并通过所述功率开关管栅极输入的信号高度调节输出电压。

本发明还提出了一种硬盘读写电路，包括上述的恒定电压输出电路。

本发明实施例提出的恒定电压输出电路与传统固定电平、脉冲宽度调制驱动的DCDC不同，本电路采用固定开启时间，脉冲高度调制。通过改变驱动电压电平的高低决定输出电流峰值和谷值的大小，实现了电路的稳定输出。并且，本发明通过开关控制模式和线性控制模式两种模式，实现了在重负载下面的DCDC模式保证高效率，在轻负载下的低纹波。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为传统的电压控制型DCDC模块的内部控制系统及其外围电路图；

图2为传统的电压控制型DCDC模块的输出示意图；

图3为传统的LDO控制电路及其外围电路图；

图4为本发明实施例的恒定电压输出电路原理图；

图5为本发明实施例的恒定电压输出电路的线性控制模式时的等效电路图；

图6为本发明实施例的恒定电压输出电路的开关控制模式时的信号时序；

图7为本发明实施例的功率开关管PMOS的V-I曲线图；

图8为本发明实施例开关控制模式下第一阶段的电路图；

图9为本发明实施例开关控制模式下第二阶段的电路图；

图10为本发明实施例电感电流波形图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明提出的恒定电压输出电路，不同于传统的脉冲宽度调制(PWM)或脉冲频率调制(PFM)的开关控制方式，也不同于LDO的线性控制方式。本发明采用新型脉冲高度控制方式，通过功率开关管、误差放大器(EA)、比较器(COMP)、OSC及其外围器件，可在开关控制模式和线性控制方式之间自动切换，既能够实现大负载时高效率，又能够在轻负载时减小输出纹波。

本发明的恒定电压输出电路包括模式输出模块和输出模块，模式输出模块，用于根据输出电压采样选择输出模块进入线性控制模式或者开关控制模式，当输出电压采样大于预设的第一基准电压时，则输出模块进入线性控制模式，当输出电压采样小于所述第一基准电压时，则输出模块进入开关控制模式。输出模块根据模式输出模块的指令进入线性控制模式或者开关控制模式，在线性控制模式中，控制输出模块中功率开关管的栅极以输出稳定的电流，在开关控制模式中，控制输出模块的功率开关管交替地处于导通和截止状态，并通过功率开关管栅极输入的信号高度调节输出电压。

以下就以具体的电路举例描述本发明，但应该明白的是，以下实施例仅是实现本发明的优选方式，但并不意味着本发明仅能通过以下实施例实现，本领域技术人员可根据本发明的上述思想对以下实施例作出等同的修改或替换，这些等同的修改或替换均应包含在本发明的保护范围之内。

如图4所示，为本发明实施例的恒定电压输出电路原理图，其中，包括EA(误差放大器)，与EA相连的第一控制开关S1，与第一控制开关S1相连的第二控制开关S2和功率开关管P1，其中，第二控制开关S2和功率开关管P1并联，功率开关管P1一端与输入电压VIN相连，另一端通过肖特基二极管D1接地，还包括连接在功率开关管P1(PMOS)和肖特基二极管D1之间的电感L1，功率开关管P1通过电感L1输出电压V_out。还包括分压电阻R1和R2、负载电阻R3和电容C1。第一控制开关S1和第二控制开关S2由OSC生成的第一时钟clk1和第二时钟clk2，OSC通过分频生成第一时钟clk1和第二时钟clk2，OSC的输出受COMP(比较器)的控制。

本发明上述的恒定电压输出电路有两种工作模式：分别为线性控制模式和开关控制模式。在轻负载下，电路处于线性控制模式，此时，OSC不工作，第一控制开关S1恒定导通，第二控制开关S2恒定断开，功率开关管P1一直处于线性导通状态，通过调制PMOS的VSG来恒定输出电压，在此模式下本发明的恒定电压输出电路输出的纹波小。而在重负载下，通过COMP控制，使电路处于开关控制模式，OSC处于工作状态，控制第一控制开关S1和第二控制开关S2交替导通，功率开关管P1交替处于导通态和截止态，通过调制功率开关管P1栅极开关信号的脉冲高度调节输出电压，较之纯线性控制方式，此模式下由于交替导通，功率管发热降低，效率提高。在上电OK后，COMP将输出电压通过与V_ref2比较，以判断进入哪种工作模式。

为了能对本发明提出的恒定电压输出电路有更清楚的认识，以下就对本发明上述的两种工作模式，即重负载下的开关控制模式和轻负载下的线性控制方式，进行描述。

如图5所示，为本发明实施例的恒定电压输出电路的线性控制模式时的等效电路图。在轻负载下，当输出电压大于预设的基准电压Vref2(第一基准电压)时，则进入线性控制模式，这时CLK1将一直闭合，CLK2打开。在本发明的一个实施例中，COMP选择通过分压电阻R1和R2对输出电压V_out分压得到的VFB与基准电压V_ref2进行比较。此时，电感L1由于没有交流信号通过，可以将其等效为一个小的电阻，通过控制P1的栅极电压来控制输出电流，从而稳定输出电压，此模式的控制方式类似于通用LDO，在此不再赘述。

当负载增加，VOUT下降，输出电压小于预设的基准电压V_ref2时，则COMP控制电路进入开关控制模式，OSC正常工作，输出固定频率、固定占空比的信号CLK1、CLK2。信号时序如图6所示，其中，t1为CLK1固定闭合时间，t2为CLK2固定闭合时间，t3为固定时间周期。

根据电感电流公式：

$\mathrm{VL}\left(t\right)=-L\frac{\mathrm{dI}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

则 $\mathrm{\ΔI}=\frac{\mathrm{VIN}-\mathrm{VSD}-\mathrm{VOUT}}{L}\mathrm{ton}$

其中，ΔI为电感电流的变化(也即为功率PMOS的IDS的变化)，VSD为功率管上面的压降，V_OUT为输出电压，ton为S1闭合时间。而电感电流必然流过功率管。则有：

$\mathrm{\ΔIDS}=\mathrm{\ΔI}=\frac{\mathrm{VIN}-\mathrm{VSD}-\mathrm{VOUT}}{L}\mathrm{ton}$

公式中L和ton为定值，功率开关管工作在线性区或饱和区，其电流如下：

饱和区： $I_{\mathrm{SD}}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_P{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W}{L}[{(V_{\mathrm{SG}}-V_{\mathrm{TH}})}^2$

线性区： $I_{\mathrm{SD}}={\mathrm{\μ}}_P{C}_{\mathrm{OX}}\frac{W}{L}[{(V_{\mathrm{SG}}-V_{\mathrm{TG}})}^2-\frac{1}{2}{V^2}_{\mathrm{SD}}]$

功率开关管PMOS的V-I曲线如图7所示。在本发明的恒定电压输出电路刚进入开关控制模式时，功率开关管P1处于饱和区，随着负载增加，V_OUT降低，则EA输出电压的降低，这样功率开关管P1的栅极电压减小，使VSG增大，栅极脉冲高度增加，使得ISD增大，VSD减小，最终使V_OUT升高到设定值。当负载进一步增加，VOUT降幅更大，EA输出更低，使功率PMOS有可能从饱和区进入线性区，此时脉冲高度达到极限。

在本发明的实施例中，开关控制模式下具体的控制过程可分为两个阶段：

第一阶段：如图8所示，为本发明实施例开关控制模式下第一阶段的电路图，第一控制开关S1闭合，第二控制开关S2打开，此时为电感L1的电流上升阶段，误差放大器EA的输出与功率开关管P1的栅极连接用来控制输出电流的变化。

第二阶段：如图9所示，为本发明实施例开关控制模式下第二阶段的电路图，第一控制开关S1打开，第二控制开关S2闭合，此时为电感L1的电流下降阶段，误差放大器EA的输出与功率开关管P1的栅极断开，功率开关管P1栅极被接到电源电压，因此功率开关管P1关断，由于电感L1电流方向不能突变，其方向如图9中箭头的方向，其电感电流波形如图10所示。

本发明实施例提出的恒定电压输出电路与传统固定电平、脉冲宽度调制驱动的DCDC不同，本电路采用固定开启时间，脉冲高度调制。通过改变驱动电压电平的高低决定输出电流峰值和谷值的大小，实现了电路的稳定输出。并且，本发明通过开关控制模式和线性控制模式两种模式，实现了在重负载下面的DCDC模式保证高效率，在轻负载下的低纹波。

在恒定电压输出电路的应用中，经常会出现负载变化的情况，为了能对本发明有清楚的理解和认识，以下以硬盘读写为例进行描述，但并不是说本发明仅能用在硬盘读写中。对于要给输出的稳定电压，如果采样降压型的应用电路，输入电压是5V，输出电压是3.3V。现假设在一个硬盘读写的工作过程中，由于硬盘读写的决定于存储单元打开与关闭的数目，因此这是一个随机值，也就是说，如果这个时刻读写的单元很多，那么打开的存储单元数目就很多，这个时候相当于一个很大的负载，这个时候芯片处于开关工作状态，经过外面的滤波电感和电容的作用形成比较稳定的输出。而下一个时刻读写的单元很少，就可能只有很少的几个存储单元在工作，因此此时相当于一个很轻的负载挂载在芯片输出上。而轻负载时对电源的精度要求很高，而这个时候本发明的芯片已经处于线形工作状态，因此能够满足精度要求。因此，相比于现有的DCDC或者LDO，该发明既包含了大负载情况下DCDC的高效率，有包含了小负载情况下的高精度，因此是一种新型实用的电源管理方案。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (8)

1.一种恒定电压输出电路，其特征在于，包括模式输出模块和输出模块，

所述模式输出模块，用于根据输出电压采样选择所述输出模块进入线性控制模式或者开关控制模式，当所述输出电压采样大于预设的第一基准电压时，则所述输出模块进入线性控制模式，当所述输出电压采样小于所述第一基准电压时，则所述输出模块进入开关控制模式；

所述输出模块，用于根据所述模式输出模块的指令进入线性控制模式或者开关控制模式，在所述线性控制模式中，控制所述输出模块中功率开关管的栅极以输出稳定的电流，在所述开关控制模式中，控制所述输出模块的功率开关管交替地处于导通和截止状态，并通过所述功率开关管栅极输入的信号高度调节输出电压，其中，所述模式输出模块包括比较器和振荡器，所述模式输出模块还包括，连接在所述输出模块的误差放大器和所述功率开关管栅极之间的第一控制开关，和与所述功率开关管并联的第二控制开关，

所述比较器将输出电压采样与所述第一基准电压进行比较，如果所述输出电压采样大于预设第一基准电压，则不启动所述振荡器，第一控制开关恒定导通，第二控制开关恒定断开，如果所述输出电压采样小于预设第一基准电压，则向所述振荡器发送使能信号，启动所述振荡器，所述振荡器控制第一控制开关和第二控制开关交替导通使所述功率开关管交替地处于导通和截止状态。

2.如权利要求1所述的恒定电压输出电路，其特征在于，所述第一控制开关和第二控制开关分别由所述振荡器输出的第一时序信号和第二时序信号控制，当所述振荡器关闭时所述第一时序信号为高电平，所述第二时序信号为低电平；当所述振荡器开启时，所述振荡器以固定频率和固定占空比输出所述第一时序信号和第二时序信号。

3.如权利要求2所述的恒定电压输出电路，其特征在于，所述第一时序信号和第二时序信号为低电平的时间大于高电平的时间。

4.如权利要求3所述的恒定电压输出电路，其特征在于，所述输出模块还包括误差放大器，所述误差放大器将输出电压采样与预设的第二基准电压进行比较，将比较值通过所述第一控制开关施加到所述功率开关管的栅极用来控制输出电流的变化。

5.如权利要求1－4任一项所述的恒定电压输出电路，其特征在于，所述输出电压采样通过第一分压电阻和第二分压电阻对输出电压采样得到。

6.如权利要求1－4任一项所述的恒定电压输出电路，其特征在于，还包括电感，所述输出模块通过所述电感输出电压。

7.如权利要求1－4任一项所述的恒定电压输出电路，其特征在于，所述恒定电压输出电路用于硬盘读写电路中。

8.一种硬盘读写电路，其特征在于，包括权利要求1－7任一项所述的恒定电压输出电路。

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