CN103401423B - 一种自适应分段驱动dc-dc变换器 - Google Patents

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本发明涉及集成电路技术，具体的说是涉及一种带模式切换的负载自适应分段驱动电路。本发明所述的自适应分段驱动DC-DC变换器，包括转换单元、驱动单元和反馈控制单元，其特征在于，所述转换单元包括开关转换电路和滤波电路，所述开关转换电路包括并联的多只PMOS功率管和并联的多只NMOS功率管，所述多只PMOS功率管分为PM组，所述多只NMOS功率管分为NM组，驱动单元可分别控制每一组PMOS管和NMOS管的通断。本发明的有益效果为，改变了功率管的驱动方式，增加了轻负载下工作在PSM控制模式，通过检测负载电流的变化改变功率管开启数目，从而使功率管的导通损耗和驱动损耗之和最小化，进而提高DC-DC变换器的效率，特别是轻载下的效率。本发明尤其适用于DC-DC变换器。

Description

一种自适应分段驱动DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及集成电路技术，具体的说是涉及一种带模式切换的负载自适应分段驱动电路。
背景技术
DC-DC变换器是变非固定直流电压为固定输出直流电压的电压变换器。DC-DC变换器分为三类：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。根据其不同的控制模式分为：PWM(脉冲宽度调制)控制模式、PFM(脉冲频率调制)控制模式、PSM(脉冲跨周期调制模式)控制模式，以及混合控制模式(上述两种或多种控制模式的组合)，PWM控制型在中高负载下效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。PFM、PSM模式通常用于轻载(负载电流较小)的情况下，以提高变换器的转换效率，但这两种模式都有一个明显的缺点：功率管开关频率随着负载的变化而变化，从而限制了其在某些领域的中应用，如RF(射频)领域。所以，在功率变换器中，PWM模式仍然是最为有效的一种。目前DC-DC变换器广泛应用于手机、MP3、数码相机、便携式媒体播放器等产品中。
在轻载条件下，PWM模式变换器的损耗主要体现在功率管的驱动损耗和开关损耗，功率管功率越大这种损耗越大。在重负载下，功率管导通损耗占主导地位，在轻负载的条件下，MOSFET开关和栅极驱动损耗显着，尤其是超过几兆赫兹的高频变换器，随着负载电流的减小效率降低，使数字负载集成电路中大部分时间处于空闲模式下，其轻负载效率成为低压低功耗设计的焦点。近年来，基于器件、电路和系统级提高轻负载效率的研究工作已广泛开展，可旨在很宽的负载范围内达到最佳效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是针对上述问题，提出一种能够对功率管进行分段驱动的自适应分段驱动DC-DC变换器。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种自适应分段驱动DC-DC变换器，包括转换单元、驱动单元和反馈控制单元，所述转换单元分别与驱动单元和反馈控制单元连接，所述驱动单元与反馈控制单元连接，其特征在于，所述转换单元包括开关转换电路和滤波电路，所述开关转换电路包括并联的多只PMOS功率管和并联的多只NMOS功率管，所有PMOS功率管的源极均接电源、所有PMOS功率管的栅极均与驱动单元连接、所有PMOS功率管的漏极均与所有的NMOS功率管的漏极和滤波电路的一端连接，所有的NMOS功率管的栅极与驱动单元连接、所有的NMOS功率管的源极均接地，滤波电路的另一端为自适应分段驱动DC-DC变换器的输出端，所述PMOS功率管和NMOS功率管的数量相等，所述多只PMOS功率管分为PM组，所述多只NMOS功率管分为NM组，
所述转换单元将输入电压转换为脉冲电压输出到负载；
所述反馈控制单元对转换单元输出的电压进行采样处理，输出功率管分段控制信号到驱动单元，通过驱动单元对转换单元的输出电压进行控制；
所述驱动单元包括缓冲电路和数字逻辑电路，通过反馈控制单元输入的功率管分段控制信号，与转换单元的功率管栅极连接，对功率管进行开关控制，根据负载电流的大小，分别控制PM组PMOS功率管和NM组NMOS功率管中每一组PMOS功率管和每一组NMOS功率管的通断。
本发明总的技术方案，通过对功率管进行分段控制的方式，将所有的功率管分为多组，分别控制每一组功率管的通断，从而使功率管的导通损耗和驱动损耗之和最小化，进而提高DC-DC变换器的效率。
具体的，所述反馈控制单元还包括PWM控制电路、PSM控制电路、数字控制电路、PWM/PSM模式判定电路和占空比检测电路，所述驱动单元包括分段控制逻辑模块和驱动模块，所述PWM控制电路的一个输入端和PSM控制电路的一个输入端均连接自适应分段驱动DC-DC变换器的电压输出端，所述PWM控制电路的一个输出端连接数字控制电路的一个输入端、另一个输出端连接PWM/PSM模式判定电路的一个输入端，所述PSM控制电路的另一个输入端连接PWM/PSM模式判定电路的第一输出端、输出端连接数字控制电路的另一个输入端，所述PWM/PSM模式判定电路的第二输出端连接PWM控制电路的另一个输入端、第三输出端连接占空比检测电路的一个输入端、另一个输入端连接分段控制逻辑模块的一个输出端，所述数字控制电路的一个输出端连接占空比检测电路的另一个输入端、另一个输出端连接驱动模块的输入端，所述占空比检测电路的输出端连接分段控制逻辑模块的输入端，所述分段控制逻辑模块的另一个输出端和驱动模块的输出端分别连接驱动单元的输入端，
所述PWM控制电路提供PWM控制信号；
所述PSM控制电路提供PSM控制信号；
所述占空比检测电路通过检测栅极驱动占空比所映射的负载电流的大小对功率管的工作模式做出判断，输出相应的功率管分段信号；
所述PWM/PSM模式判定电路对当前电路中的工作信号进行检测并做出判断，输出相应控制信号，选择进入PWM控制模式或PSM控制模式，具体为：在PWM控制模式下，PWM/PSM模式判定电路根据占空比检测电路检测到的电流进行判断；在PSM控制模式下，根据PSM控制电路输出的信号进行判断；
所述数字控制电路将PWM控制电路或PSM控制电路输入的控制信号转换为数字控制信号输出到驱动模块；
所述分段控制逻辑模块用于对多段PMOS功率管和多段NMOS功率管进行分段控制。
具体的，所述多只PMOS功率管均分为PM组，所述多只NMOS功率管均分为NM组，所述PM和NM不相等。
本方案的优点在于，可根据不同的负载功耗，提供一种更优的控制方案，如：假设共有PMOS功率管1000只，NMOS功率管1000只，将PMOS功率管均分为10组，每组100只，NMOS功率管均分为5组，每组200只，则为打开2组PMOS管，关断1组NMOS管，使得控制电路简化，适应能耗。
具体的，所述多只PMOS功率管均分为PM组，所述多只NMOS功率管均分为NM组，所述PM等于NM。
本方案的优点在于提供一种简便易控的电路结构，每一组的PMOS功率管和每一组的NMOS功率管数量相同，则每打开一组PMOS功率管关断一组NMOS功率管。
进一步的，所述PM＝NM＝6。
具体的，所述占空比检测电路包括由一个6级延迟单元构成的延迟链和一个由6个D型触发器构成的时间数字转换器。
本发明的有益效果为，改变了功率管的驱动方式，增加了轻负载下工作在PSM控制模式，通过检测负载电流的变化改变功率管开启数目，从而使功率管的导通损耗和驱动损耗之和最小化，进而提高DC-DC变换器的效率，特别是轻载下的效率。
附图说明
图1为本发明的DC-DC变换器结构示意图；
图2为本发明实施例的结构示意图；
图3为本发明占空比检测电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
如图1所示，本发明所述的一种自适应分段驱动DC-DC变换器，包括转换单元、驱动单元和反馈控制单元，所述转换单元分别与驱动单元和反馈控制单元连接，所述驱动单元与反馈控制单元连接，所述转换单元包括开关转换电路和滤波电路，所述开关转换电路包括并联的M只PMOS功率管和并联的M只NMOS功率管，所有PMOS管的源极均接电源、栅极与驱动单元连接、漏极与所有的NMOS管的漏极和滤波电路的一端连接，所有的NMOS管的栅极与驱动单元连接、源极均接地，滤波电路的另一端为自适应分段驱动DC-DC变换器的输出端，所述PMOS管和NMOS管的数量相等，所述M只PMOS功率管分为PM组，所述M只NMOS功率管分为NM组，其中，所述转换单元将输入电压转换为脉冲电压输出到负载；所述反馈控制单元对转换单元输出的电压进行采样处理，输出功率管分段控制信号到驱动单元，通过驱动单元对转换单元的输出电压进行控制；所述驱动单元包括缓冲电路和数字逻辑电路，通过反馈单元输入的功率管分段控制信号，与转换单元的功率管栅极连接，对功率管进行开关控制，根据负载电流的大小，分别控制PM组PMOS功率管和NM组NMOS功率管中每一组PMOS功率管和NMOS功率管的通断。
本发明的工作原理为：
反馈控制单元采集转换单元的输出电压Vout进行处理后，输出控制信号通过驱动单元对转换单元的输出电压Vout进行控制。转换单元的作用是将输入电压转换为脉冲电压Vsw，经过电感L和电容C组成的滤波电路输出到负载产生负载电流，完成DC-DC直流变换。假设转换单元包括M只PMOS功率管和M只NMOS功率管，M只PMOS功率管和M只NMOS功率管均分为PM组PMOS功率管和PM组NMOS功率管，他们共同构成了本发明的开关转换电路。M只PMOS功率管源极与电源正极连接，M只PMOS功率管栅极与驱动单元连接，M只PMOS功率管漏极与M只NMOS功率管漏极连接在一起并与滤波电感L连接，M只NMOS功率管栅极与驱动单元连接，M只NMOS功率管源极接地。本发明的驱动单元输出的信号具有PM种状态，分别对应控制PM组PMOS功率管开启和NMOS功率管关断。假设N组PMOS功率管开启则对应有N组NMOS功率管关断，同样的，N组PMOS功率管关断则对应有N组NMOS功率管开启，同时其他功率管均处于关断状态，不参与工作。本发明的DC-DC变换器中，PMOS功率管开启数量随负载电流变大而增加，当负载电流为较大时，N＝PM，即所有功率管均参与工作。当负载电流减小时，N＝1，并切换进入PSM控制模式，即只有一段PMOS功率管和NMOS功率管参与工作。这里，PM、N为正整数，PM的具体数字根据DC-DC变换器的功率和功率管的功率决定，N的具体数字根据负载电流Iload决定，且N≤PM，PM≥2。对于这种结构的开关转换电路，本发明采用分段驱动的方式，根据不同的负载电流和功率管的功率大小，驱动不同的段数进行开关转换，可以进一步简化控制逻辑和电路结构。由于结构的对称性，这种分段驱动方式，每组中PMOS功率管和NMOS功率管数量相同，PMOS功率管和NMOS功率管功率相同。但各组的PMOS功率管数量可以相同也可以不同，各组的PMOS功率管功率也可以相同或不同。随着负载电流的进一步减小，此时在PWM工作模式下并不能得到较高的转换效率，本发明采用的方案是，结合分段驱动，在极轻负载下，开启功率管最小段数，并切换进入PSM工作模式。
实施例：
本例为在图1的基础上，采用36只PMOS功率管和36只NMOS功率管，并分别将这36只功率管均分为6段PMOS功率管和6段NMOS功率管，1段PMOS功率管由6只PMOS功率管并联构成，同理1段NMOS功率管由6只NMOS管并联构成，其意义在于分别将36只PMOS功率管和36只NMOS功率管构成的开关电路拆分为相互独立控制的6个子单元段，以实现灵活控制的目的，具体电路结构如图2所示，其中，反馈控制单元还包括PWM控制电路、PSM控制电路、数字控制电路、PWM/PSM模式判定电路和占空比检测电路，所述驱动单元包括分段控制逻辑模块和驱动模块，所述PWM控制电路和PSM控制电路的输入端均连接自适应分段驱动DC-DC变换器的电压输出端，所述PWM控制电路的一个输出端连接数字控制电路的一个输入端、另一个输出端连接PWM/PSM模式判定电路的一个输入端，所述PSM控制电路的另一个输入端连接PWM/PSM模式判定电路的第一输出端、输出端连接数字控制电路的另一个输入端，所述PWM/PSM模式判定电路的第二输出端连接PWM控制电路的另一个输入端、第三输出端连接占空比检测电路的一个输入端、另一个输入端连接分段控制逻辑模块的一个输出端，所述数字控制电路的一个输出端连接占空比检测电路、另一个输出端连接驱动模块的输入端，所述占空比检测电路的输出端连接分段控制逻辑模块的输入端，所述分段控制逻辑模块的另一个输出端和驱动模块的输出端分别连接驱动单元的输入端，所述PWM控制电路提供PWM控制信号drive_pwm；所述PSM控制电路提供PSM控制信号drive_psm；所述占空比检测电路通过检测栅驱动占空比所映射的负载电流的大小对功率管的工作模式做出判断，输出相应的功率管分段信号D_data；所述PWM/PSM模式判定电路通过占空比检测电路检测到的负载电流做出判断，输出相应信号，选择进入PWM控制模式或PSM控制模式，具体为输出pwm_psm＝1时选择PWM控制模式，输出pwm_psm＝0时选择PSM控制模式；所述数字控制电路将PWM控制电路或PSM控制电路输入的控制信号转换为数字控制信号输出到驱动模块；所述分段控制逻辑模块用于对6段PMOS功率管和6段NMOS功率管进行分段控制。
本例采用6段PMOS功率管和6段NMOS功率管，引出驱动单元输出信号gp和gn分别有6种工作状态，PWM控制电路和PSM控制电路的输入端均连接DC-DC变换器的输出电压vout，其输出端作为数字控制电路的输入端，PWM控制电路、PSM控制电路的输出的方波信号经过数字控制模块送入驱动模块，驱动模块主要作用是功率管的死去时间控制，输出信号drivep和driven与驱动单元相连接，驱动单元的另一输入端是时数转换模块经过分段控制逻辑模块的输出信号seg<1:5>相连接，该信号经过缓冲电路控制PMOS和NMOS功率管的开启和关断。
本例的工作原理为：通过PWM/PSM模式判别电路的作用是检测DC-DC变换器何时工作在PSM模式下，并相应的给出一个模式切换信号。因为本发明根据负载电流大小系统工作在PWM或者PSM控制模式，提高转化效率。主要通过两个模式判别信号mode1和mode2，当工作在PWM模式时，PWM/PSM模式判别电路检测到mode2信号有效时，即表示系统工作在极轻负载下，则系统进入PSM工作模式；工作在PSM模式时，PWM/PSM模式判别电路检测到mode1信号有效时，即表示系统工作在较重的负载下，则系统进入PWM工作模式。通过占空比检测电路量化占空比间接实现对负载电流的检测，再根据理论分析得到不同负载电流情况下，功率管的最小损耗和导通的功率管数目的关系，并在功率管分段数字控制逻辑模块中建立相应的分段关系，分段控制逻辑模块根据负载检测的结果给出相应负载电流下的最优功率管的数目。
本例将功率管为分6段，本例中的开关转换电路、时间数字转换器和模式切换电路是组成本发明实现分段驱动的三个关键模块。由于本发明的开关转换电路将功率管拆分为多个子段，以便根据不同的负载电流(反映了负载的轻重)对不同的子段进行独立驱动控制，所以缓冲电路也做分段处理以保证驱动信号的同步达到，所驱动的功率管同时开启或关断。在DCM模式下，负载电流与占空比成一定的关系，当电路的工作频率保持恒定时，采用占空比检测电路通过量化PMOS功率管的导通时间就可以得到占空比信息，间接检测负载电流的变化。当负载电流进一步减小时，模式判别信号mode2有效，电路工作在PSM控制模式，模式切换主要由PWM/PSM模式判别电路检测。
占空比检测电路一个输入端与PWM/PSM模式判别电路连接，另一个输入端与数字控制电路连接，占空比检测电路的输出端与分段控制逻辑模块连接。分段控制逻辑模块根据时间数字转换器输入的编码信号，以及数字控制电路的输出信号进行逻辑运算输出5位的信号，这个5位的信号通过缓冲电路与PMOS功率管和NMOS功率管栅极连接，驱动其开启或关闭。表1为本例中一种功率管分段数及工作模式与电流间的关系：
表1 功率管分段数及工作模式与电流间的关系
负载电流Iload PMOS功率管开启数 PWM/PSM控制模式
80mA≤Iload 开通6大段(所有功率管) PWM
60mA≤Iload≤80mA 开通5大段 PWM
40mA≤Iload≤60mA 开通4大段 PWM
20mA≤Iload≤40mA 开通3大段 PWM
10mA≤Iload≤20mA 开通2大段 PWM
Iload≤10mA 开通1大段 PSM
图3为本例的构成占空比检测电路的时间数字转换器的结构示意图。包括一个6级延迟单元构成的延迟链和一个由6个D型触发器组成的锁存单元。其作用是：根据负载电流与Ton(PMOS功率管的开启时间)之间的关系，将drivep的高电平(与PMOS功率管的开启时间Ton对应)持续时间量化为一个5位的数字码，该数字码用于控制分段功率管中五大段。该电路中，drivep作为外部输入信号，通过一个反相器后与外部使能信号en相与得到输出信号Ton，Ton分三路分别送入延迟链、锁存单元的第一个D触发器的D端和反相器F的输入端。反相器F的输出端与锁存单元中所有的D触发器的clk(时钟)端相连。第i(i＝1,2,…,5)延迟单元的输出作为第i+1延迟单元的输入，同时连接到第i个D触发器的D端。本例的占空比检测电路简单实用，虽然分辨率较低，但用于本发明中完全可以达到要求，最为重要的是该电路相比于其它的结构，其功耗非常低，从而保证了系统整体的高效率。

Claims (5)

1.一种自适应分段驱动DC-DC变换器，包括转换单元、驱动单元和反馈控制单元，所述转换单元分别与驱动单元和反馈控制单元连接，所述驱动单元与反馈控制单元连接，其特征在于，所述转换单元包括开关转换电路和滤波电路，所述开关转换电路包括并联的多只PMOS功率管和并联的多只NMOS功率管，所有PMOS功率管的源极均接电源、所有PMOS功率管的栅极均与驱动单元连接、所有PMOS功率管的漏极均与所有的NMOS功率管的漏极和滤波电路的一端连接，所有的NMOS功率管的栅极与驱动单元连接、所有的NMOS功率管的源极均接地，滤波电路的另一端为自适应分段驱动DC-DC变换器的输出端，所述PMOS功率管和NMOS功率管的数量相等，所述多只PMOS功率管分为PM组，所述多只NMOS功率管分为NM组，
所述转换单元将输入电压转换为脉冲电压输出到负载；
所述反馈控制单元对转换单元输出的电压进行采样处理，输出功率管分段控制信号到驱动单元，通过驱动单元对转换单元的输出电压进行控制；
所述驱动单元包括缓冲电路和数字逻辑电路，通过反馈控制单元输入的功率管分段控制信号，与转换单元的功率管栅极连接，对功率管进行开关控制，根据负载电流的大小，分别控制PM组PMOS功率管和NM组NMOS功率管中每一组PMOS功率管和每一组NMOS功率管的通断；所述反馈控制单元还包括PWM控制电路、PSM控制电路、数字控制电路、PWM/PSM模式判定电路和占空比检测电路，所述驱动单元包括分段控制逻辑模块和驱动模块，所述PWM控制电路的一个输入端和PSM控制电路的一个输入端均连接自适应分段驱动DC-DC变换器的电压输出端，所述PWM控制电路的一个输出端连接数字控制电路的一个输入端、另一个输出端连接PWM/PSM模式判定电路的一个输入端，所述PSM控制电路的另一个输入端连接PWM/PSM模式判定电路的第一输出端、输出端连接数字控制电路的另一个输入端，所述PWM/PSM模式判定电路的第二输出端连接PWM控制电路的另一个输入端、第三输出端连接占空比检测电路的一个输入端、另一个输入端连接分段控制逻辑模块的一个输出端，所述数字控制电路的一个输出端连接占空比检测电路的另一个输入端、另一个输出端连接驱动模块的输入端，所述占空比检测电路的输出端连接分段控制逻辑模块的输入端，所述分段控制逻辑模块的另一个输出端和驱动模块的输出端分别连接驱动单元的输入端，
所述PWM控制电路提供PWM控制信号；
所述PSM控制电路提供PSM控制信号；
所述占空比检测电路通过检测栅极驱动占空比所映射的负载电流的大小对功率管的工作模式做出判断，输出相应的功率管分段信号；
所述PWM/PSM模式判定电路对当前电路中的工作信号进行检测并做出判断，输出相应控制信号，选择进入PWM控制模式或PSM控制模式；
所述数字控制电路将PWM控制电路或PSM控制电路输入的控制信号转换为数字控制信号输出到驱动模块；
所述分段控制逻辑模块用于对多段PMOS功率管和多段NMOS功率管进行分段控制。
2.根据权利要求1所述的一种自适应分段驱动DC-DC变换器，其特征在于，所述多只PMOS功率管均分为PM组，所述多只NMOS功率管均分为NM组，所述PM和NM不相等。
3.根据权利要求1所述的一种自适应分段驱动DC-DC变换器，其特征在于，所述多只PMOS功率管均分为PM组，所述多只NMOS功率管均分为NM组，所述PM等于NM。
4.根据权利要求3所述的一种自适应分段驱动DC-DC变换器，其特征在于，所述PM＝NM＝6。
5.根据权利要求4所述的一种自适应分段驱动DC-DC变换器，其特征在于，所述占空比检测电路包括由一个6级延迟单元构成的延迟链和一个由6个D型触发器构成的时间数字转换器。
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