CN102570793B - Dc-dc变换器中的功率管工作尺寸切换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种DC-DC转换器中的功率管工作尺寸切换电路，主要解决现有DC-DC转换器很难在轻负载时达到高效率的问题。该功率管工作尺寸切换电路包括脉宽调制PWM比较模块、第一驱动模块、第一对功率MOS管、迟滞比较模块、第二驱动模块和第二对功率MOS管；PWM比较模块通过第一驱动模块，控制第一对功率MOS管始终工作；迟滞比较模块将负载电流与切换门限电流相比较，产生判断信号并通过第二驱动模块控制第二对功率MOS管在负载电流值低于切换门限电流值时不工作，反之则工作，使得在不同负载条件下，DC-DC的实际工作的功率管数不同，实现对功率管工作尺寸的切换。本发明可提高DC-DC转换器轻负载时的效率，且功率管工作尺寸切换所对应的负载电流在各工作占空比下恒定。
Description
技术领域
本发明属于大规模模拟集成电路中的DC-DC转换器，特别涉及这种变换器中的功率管尺寸调节电路，可用于DC-DC转换器中。
背景技术
DC-DC转换器作为重要的电源管理类电路广泛应用于手机，MP3，数码相机等各类便携式产品中。DC-DC转换器按照输出，输入电压间的关系通常可分为三类：升压型DC-DC变换器，降压型DC-DC变换器，以及升降压型DC-DC变换器。每种DC-DC根据芯片控制环路不同分为电流模控制DC-DC与电压模控制DC-DC。相比于线性稳压器而言，开关型电源管理芯片，如DC-DC转换器，最大的优势就是效率高，因此，在最近几年，低功耗、高效率的设计成为了众多便携式产品的研究热点之
DC-DC转换器的功耗一般由三部分组成，包括：导通损耗，开关损耗以及芯片内部模拟电路的静态损耗。其中导通损耗主要是电流流过功率管的导通电阻所消耗的能量，而功率管导通电阻的大小又随其尺寸的增大而减少。开关损耗是在每个工作周期内，由于驱动功率管栅电容充放电而产生的动态损耗，在工作频率一定的情况下，也由功率管尺寸决定。可见，功率管的尺寸在很大程度上影响了DC-DC产品的功耗。
图1显示了传统电流模DC-DC变换器的电路简图。如图1所示，传统DC-DC只有一组功率管，为了保证DC-DC在全负载范围内都有足够的带载能力，只能采用大尺寸的功率管。大尺寸的功率管因其导通电阻较小，虽然在重载时可获得很高的效率，但在轻载时，由于导通损耗在总功率损耗中所占比例很小，DC-DC大部分功率损耗都来自开关损耗，即功率管栅极电容的充放电。对于大尺寸功率管，其庞大的栅极寄生电容导致了大的充放电损耗，故在轻载时效率很低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有采用固定尺寸功率MOS管的DC-DC轻负载条件下低效率的不足，提出了一种DC-DC变换器中的功率管工作尺寸切换电路，以使DC-DC转换器在轻负载时仍具有高效率，同时使功率管的工作尺寸切换所对应的负载点，在各个工作占空比下基本恒定。
为实现上述目的，包括脉宽调制PWM比较模块、第一驱动模块和第一对功率MOS管；该PWM比较模块的反相输入端同时连接斜坡补偿信号和电流采样信号，输出端通过第一驱动模块连接到第一对功率MOS管的栅端；其特征在于：
PWM比较模块的正相输入端连接有迟滞比较模块，第一驱动模块的输入端连接有第二驱动模块，第一对功率MOS管的PMOS和NMOS管的源端并联连接有第二对功率MOS管；该迟滞比较模块通过第二驱动模块连接到第二对功率MOS管的PMOS和NMOS管的两个栅端，控制第二对功率MOS管的导通与截止，使得导通的功率MOS管的总尺寸在轻负载时减小，在重负载时增大。
上述的DC-DC变换器中的功率管工作尺寸切换电路，其特征在于：第二驱动模块(4)设有两个输入端和两个输出端，一个输入端b与迟滞比较模块的输出端相连，另一个输入端a与PWM比较器的输出端相连，两个输出端分别连接到第二对功率管中两个功率MOS管的栅端。
上述的DC-DC变换器中的功率管工作尺寸切换电路，其特征在于：迟滞比较模块设有两个输入端，其正相输入端连接到PWM比较模块的正相输入端，反相输入端同时与一个斜坡补偿信号和一个直流电平连接。
上述的DC-DC变换器中的功率管工作尺寸切换电路，其特征在于：所述迟滞比较模块由一个比较器COMP、PMOS管M0、M1、M2、M3和电阻R1构成；其中PMOS管M0、M1和M2栅极相连，构成有源电流镜结构；，M0的漏端与恒流源连接，用于将电流I1通过M1、M2分两路镜像到电阻R1上；PMOS管M3为开关管，其栅端连接到比较器COMP的输出端，源漏两端串接在M2的漏端与比较器COMP的反相输入端之间；电阻R1连接在比较器COMP的反相输入端与地之间。
上述的DC-DC变换器中的功率管工作尺寸切换电路，其特征在于：第一对功率MOS管与第二对功率MOS管均由一个NMOS管和一个PMOS管构成，该NMOS管的源端接地，漏端与PMOS管的漏端相连，作为一对功率MOS管整体的输出端，该PMOS管的源端接直流输入电源VDD。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明由于添加了一个迟滞比较模块和一个第二驱动模块控制第二对功MOS管随负载电流导通或截止，使导通的功率MOS管总尺寸在轻负载时减小，重负载时增大，减小了DC-DC在轻负载情况下的功耗，从而提高了其轻载效率。
(2)本发明由于采用的迟滞比较模块，其输出端信号向高电平翻转和向低电平翻转所对应的输入门限电压不同，故使功率MOS管尺寸增大和减小时，所对应的负载点不同，避免了功率MOS管尺寸在同一负载点处反复切换。
(3)本发明由于在迟滞比较模块的反相输入端接入了斜坡补偿信号，使不同占空比下功率MOS管尺寸切换所对应的负载电流基本相同，提高了功率管尺寸调节电路工作的一致性、可靠性。
附图说明
图1为传统电流模DC-DC变换器的电路简图；
图2为采用本发明的电流模DC-DC变换器的电路简图；
图3为本发明中迟滞比较模块的简化电路图。
具体实施方式
以下结合附图及其实施例对本发明作进一步描述。
参照图2，采用本发明功率管工作尺寸切换电路的电流模DC-DC变换器包括：功率管尺寸调节电路、输出LC滤波器7、反馈网络8、误差放大模块9、斜坡补偿信号和电流采样信号。其中斜坡补偿信号和电流采样信号分别由芯片内部的震荡模块和电流采样模块产生，这两个模块图中未画出。
本发明的功率管工作尺寸切换电路包括：脉宽调制PWM比较模块1、第一驱动模块3、第一对功率MOS管5、迟滞比较模块2、第二驱动模块4和第二对功率MOS管6。该PWM比较模块1的输出端通过第一驱动模块3连接到第一对功率MOS管5的栅端；PWM比较模块1的正相输入端与迟滞比较模块2的正相输入端连接，第二驱动模块4设有两个输入端和两个输出端，一个输入端b与迟滞比较模块2的输出端相连，另一个输入端a与PWM比较器1的输出端相连，两个输出端分别连接到两个功率MOS管6的栅端，第一对功率MOS管和第二对功率MOS管的输出端一起接到输出滤波器7的输入端；第一对功率MOS管5与第二对功率MOS管6均由一个NMOS管和一个PMOS管构成，该NMOS管的源端接地，漏端与PMOS管的漏端相连，作为一对功率MOS管整体的输出端，该PMOS管的源端接直流输入电源VDD。
所述的功率管工作尺寸切换电路的第一对功率MOS管和第二对功率MOS管的输出端同时接到输出LC滤波器7的输入端，该滤波器的输出端通过反馈网络8连接到误差放大模块9的反相输入端，该误差放大模块9的正相输入端接一个固定的基准电压vref，其输出端分别连接到功率管尺寸调节电路中PWM比较模块1和迟滞比较模块2的正相输入端，斜坡补偿信号和电流采样信号一起连接到所述PWM比较模块的反相输入端，斜坡补偿信号和另一固定直流电压同时接到所述迟滞比较模块2的反相输入端。
参照图3，迟滞比较模块2由一个比较器COMP、PMOS管M0、M1、M2、M3和电阻R1构成；其中PMOS管M0、M1和M2的栅极相连，构成有源电流镜结构；M0的漏端与恒流源连接，用于将电流I1通过M1、M2分两路镜像到电阻R1上；PMOS管M3为开关管，其栅端连接到比较器COMP的输出端，源漏两端串接在M2的漏端与比较器COMP的反相输入端之间；电阻R1连接在比较器COMP的反相输入端与地之间，恒流源I2连接在电阻R1与直流输入电压VDD之间。
本发明的具体工作原理是：第一对功率MOS管5始终工作，迟滞比较模块2将误差放大模块9的输出信号vcomp和一个固定的直流电平Vdc比较后产生控制第二驱动模块的标志信号Vflag；由于电流模DC-DC环路自身的调节机制，vcomp值会随着负载电流的增大而增大，所以vcomp反映了载电流的大小；在轻负载时，由于vcomp低于迟滞比较模块2的反相端电压，迟滞比较模块2的输出的标志信号Vflag为逻辑低电平，通过第二驱动模块4控制第二对功率MOS管6不工作，此时，DC-DC转换器中只有第一对功率MOS管5工作，即功率MOS管采用了小的工作尺寸；当负载电流增大到设定门限值时，vcomp高于迟滞比较模块2的反相端电压，迟滞比较模块2的输出的标志信号Vflag为逻辑高电平，经第二驱动模块4处理后控制第二对功率MOS管6开始工作，此时，DC-DC转换器中两对功率MOS管均工作，即功率MOS管采用了大的工作尺寸。通过调节直流电平Vdc的值，可以设定切换功率管尺寸所对应的负载电流门限。
由于电流模DC-DC在不同工作占空比下，同一负载电流所对应的vcomp信号不同，如果迟滞比较模块2仅将vcomp与一个固定直流电平Vdc相比，则会导致同一DC-DC转换器在不同工作占空比下，功率管尺寸切换所对应的负载电流不一致，故在固定直流电平Vdc的基础上叠加一个斜坡补偿信号。当DC-DC工作于大占空比时，同一负载电流所对应的vcomp信号相对小占空比时偏高，而斜坡补偿使得迟滞比较器模块2的翻转门限也升高相应的幅度，保证了不同占空比下功率切换所对应的负载电流相同。
为防止功率管尺寸在负载电流到达门限附近时反复切换，在比较器中引入迟滞，参见图3。当信号vcomp值低于迟滞比较模块2的反相端输入时，迟滞比较模块2输出逻辑低电平，控制M3导通使流过电阻R1上的电流增大，由此产生的直流电平Vdc也升高，即迟滞比较模块2翻转门限增高；反之当信号vcomp值升高使迟滞比较模块2的输出信号翻转后，M3截止，控制Vdc降低导致迟滞比较器翻转门限降低。
以上仅是本发明的一个最佳实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对其电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。
Claims (4)
1.一种DC-DC变换器中的功率管工作尺寸切换电路，包括脉宽调制PWM比较模块(1)、第一驱动模块(3)和第一对功率MOS管(5)；该PWM比较模块(1)的反相输入端同时连接斜坡补偿信号和电流采样信号，输出端通过第一驱动模块(3)连接到第一对功率MOS管(5)的栅端；其特征在于：
PWM比较模块(1)的正相输入端连接有迟滞比较模块(2)，第一驱动模块(3)的输入端连接有第二驱动模块(4)，第一对功率MOS管(5)的PMOS和NMOS管的源端并联连接有第二对功率MOS管(6)；该迟滞比较模块(2)通过第二驱动模块(4)连接到第二对功率MOS管(6)的PMOS和NMOS管的两个栅端，控制第二对功率MOS管(6)的导通与截止，使得功率MOS管的工作尺寸在轻负载时减小，在重负载时增大；
所述迟滞比较模块(2)设有两个输入端，其正相输入端连接到PWM比较模块(1)的正相输入端，即连接误差放大器(9)的输出信号vcomp；其反相输入端同时与一个斜坡补偿信号和一个直流电平连接；如果迟滞比较模块(2)仅将vcomp与一个固定直流电平Vdc相比，则会导致同一DC-DC转换器在不同工作占空比下，功率管尺寸切换所对应的负载电流不一致，故在固定直流电平Vdc的基础上叠加一个斜坡补偿信号；当DC-DC工作于大占空比时，同一负载电流所对应的vcomp信号相对小占空比时偏高，而斜坡补偿使得迟滞比较器模块(2)的翻转门限也升高相应的幅度，保证了不同占空比下功率切换所对应的负载电流相同；同时迟滞比较器模块(2)的引入避免了功率MOS管尺寸在同一负载点处反复切换。
2.根据权利要求1所述的DC-DC变换器中的功率管工作尺寸切换电路，其特征在于：第二驱动模块(4)设有两个输入端和两个输出端，一个输入端b与迟滞比较模块(2)的输出端相连，另一个输入端a与PWM比较器(1)的输出端相连，把两个输出端分别连接到第二对功率MOS管(6)的栅端。
3.根据权利要求1所述的DC-DC变换器中的功率管工作尺寸切换电路，其特征在于：所述迟滞比较模块(2)由一个比较器COMP、PMOS管M0、M1、M2、M3和电阻R1构成；其中PMOS管M0、M1和M2栅极相连，构成有源电流镜结构；M0的漏端与恒流源连接，用于将电流I1通过M1、M2分两路镜像到电阻R1上；PMOS管M3为开关管，其栅端连接到比较器COMP的输出端，源漏两端串接在M2的漏端与比较器COMP的反相输入端之间；电阻R1连接在比较器COMP的反相输入端与地之间。
4.根据权利要求1所述的DC-DC变换器中的功率管工作尺寸切换电路，其特征在于：第一对功率MOS管(5)与第二对功率MOS管(6)均由一个NMOS管和一个PMOS管构成，该NMOS管的源端接地，漏端与PMOS管的漏端相连，作为一对功率MOS管整体的输出端，该PMOS管的源端接直流输入电源VDD。
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