CN103887958A - 直流-直流转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了直流-直流转换器，属于电子电路的技术领域。直流-直流转换器包括：第一开关、第二开关、输入电容、输出电容、储能电感、负反馈控制电路、纹波减小电路，纹波减小电路根据储能电感电流采样值产生注入到输出电容和储能电感的连接节点的纹波抵消电流。本发明有效减小了输出电容带来的纹波电流，提高了直流-直流转换器的效率，降低了成本。

Description

直流-直流转换器

技术领域

本发明公开了直流-直流转换器，属于电子电路的技术领域。

背景技术

传统的直流-直流转换器输出电压上存在较大的噪声，这种开关噪声通常被称为纹波(ripple)。当以直流-直流转换器输出电压直接给一些被供电电路供电时，较大的纹波可能降低被供电电路的性能。特别被供电电路为某些对电源噪声要求很高的高性能电路，直流-直流转换器输出电压纹波可能是不能接受的。电压调节器一般输出电压无纹波，噪声较小，但其转换效率比直流-直流转换器低。为了兼顾效率和噪声，一种新技术(如图1所示)是直流源VIN先经过直流-直流转换器变换为比输出电压稍高的电压，然后再经过下一级电压调节器转换为输出电压VO，这样效率比只用直流-直流转换器稍低，但噪声可以通过电压调节器抑制得较小。但这种方法的缺点是成本较高，需要额外的电压调节器(如图1中LDO模块)和其滤波电容（如图1中C3）。另外一般电压调节器要实现较好的对直流-直流转换器输出电压纹波抑制，还需要一定的电压差（Drop-out voltage），即要求直流-直流转换器的输出电压比电压调节器的输出电压高一定的裕度。一个工作例子是，直流-直流转换器输入电压为4V，直流-直流转换器输出为1.5V，电压调节器输出电压1.2V。上述裕度是指1.5V与1.2V之前的电压差。由于电压差的存在，导致电压调节器的效率有一定损失，在上述例子中，电压调节器的效率为1.2/1.5=80%. 即存在20%的损耗。对此，也有必要改善。

一般为了减小输出电压纹波，通常采用陶瓷电容作为输出电容，即图1中的输出电容C2一般采用陶瓷电容。陶瓷电容的等效串联电阻很小，这样由于电容等效串联电阻导致的纹波很小，可以被忽略。图3描述了传统直流-直流转换器的工作波形，上面的三角波为储能电感L1的电流波形，其上升段的斜率为(VIN-VO)/L，其下降段的斜率为-VO/L，其中负号表示下降。这样的电流波形对输出电容C2充电，同时负载电流对输出电容放电，对于稳定工作时，电感电流的平均值等于负载电流，这样实现电荷平衡，所以负载电流等于电感电流峰值和电感电流谷值之和的二分之一，设负载电流为Io，电感电流峰值为Imax,电感电流谷值为Imin，则Io=(Imax+Imin)/2。当电感电流大于负载电流时，对输出电容C2进行充电，导致输出电压上升；当电感电流小于负载电流时，对输出电容C2进行放电，导致输出电压下降。图3的下面曲线描述了输出电压的纹波特性。当电感电流大于负载电流时，对应的输出电压大于输出电压的平均值（如虚线表示）；电感电流小于负载电流时，对应的输出电压小于输出电压的平均值。由上述分析可知，采用陶瓷型输出电容的降压型直流-直流转换器的输出电压纹波主要由于电感电流的纹波导致。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了直流-直流转换器。

 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

直流-直流转换器，包括：第一开关、第二开关、输出电容、储能电感、负反馈控制电路，所述第一开关的一端接输入直流源，所述第二开关接在第一开关另一端以及地之间，所述储能电感一端与第一、第二开关的连接节点相连，所述输出电容接在储能电感另一端以及地之间，所述负反馈控制电路根据转换器输出电压得到第一、第二开关的控制信号；

所述直流-直流转换器还包括纹波减小电路，所述纹波减小电路根据储能电感

电流采样值产生注入到输出电容和储能电感的连接节点的纹波抵消电流。

作为直流-直流转换器的进一步优化方案，所述纹波抵消电流平均值为零，斜率与储能电感电流纹波斜率大小相等且正负极性相反；

作为直流-直流转换器的进一步优化方案，所述纹波减小电路包括：电感电流采样电路、电流平均电路和纹波抵消电流产生电路；

所述电感电流采样电路采样储能电感电流得到采样电流；

所述电流平均电路基于采样电流得到采样电流的平均电流；

所述纹波抵消电流产生电路在平均电流大于采样电流时，将平均电流与采样电流的差值电流注入到输出电容和储能电感的连接节点，在平均电流小于采样电流时，从输出电容和储能电感的连接节点抽取采样电流与平均电流的差值电流；

所述的直流-直流转换器还包括有输入电容，所述输入电容接在输入直流电源和地之间。

作为纹波减小电路的进一步优化方案，纹波减小电路还包括第一电流镜和第二电流镜；

所述第一电流镜基于采样电流产生与采样电流成正比的第一复制电流，电流平均电路根据第一复制电流得到采样电流的第一平均电流和第二平均电流；

所述第二电流镜基于采样电流产生与采样电流成正比的第二复制电流和第三复制电流；

所述纹波抵消电流产生电路在第一平均电流大于第二复制电流时，将第一平均电流与第二复制电流的差值电流注入到输出电容和储能电感的连接节点，在第二平均电流小于第三复制电流时，从输出电容和储能电感的连接节点抽取第三复制电流与第二平均电流的差值电流。

作为纹波抵消电流产生电路的进一步优化方案，纹波抵消电流产生电路包括：第三电流镜、第四电流镜、第五电流镜、第六电流镜，第三电流镜、第六电流镜为NMOS电流镜，第四、第五电流镜为PMOS电流镜；

所述第三电流镜，共源极连接节点接地，向输入支路NMOS管的栅极以及漏极注入第一平均电流，从输入支路NMOS管的栅极以及漏极抽取第二复制电流；

所述第四电流镜，共源极连接节点接输入直流源，输入支路PMOS管漏极接第三电流镜输出支路NMOS管的漏极，输出支路PMOS管的漏极接输出电容正极；

所述第五电流镜，共源极连接节点接输入直流源，向输入支路PMOS管的栅极以及漏极注入第二平均电流，从输入支路PMOS管的栅极以及漏极抽取第三复制电流；

所述第六电流镜，共源极连接节点接地，输入支路NMOS管的漏极接第五电流镜输出支路PMOS管的漏极，输出支路PMOS管的漏极接输出电容正极。

作为纹波抵消电流产生电路的进一步优化方案，纹波抵消电流产生电路还包括：第一、第二运算放大器；

所述第一运算放大器，正输入端与第四电流镜输出支路PMOS管的漏极连接，负输入端与第四电流镜输入支路PMOS管的漏极连接，输出端与第四电流镜的共栅极连接节点相连；

所述第二运算放大器，正输入端与第六电流镜输出支路NMOS管的漏极连接，负输入端与第六电流镜输入支路NMOS管的漏极连接，输出端与第六电流镜的共栅极连接节点相连。

作为电流平均电路的进一步优化方案，所述电流平均电路包括：电流电压转换电路，滤波电路和电压电流转换电路；

所述电流电压转换电路基于采样电流产生转换电压；

所述滤波电路对转换电压进行滤波处理得到平均电压；

所述电压电流转换电路基于平均电压产生平均电流。

作为电流平均电路的进一步优化方案，所述电流电压转换电路为第一电阻，所述滤波电路包括：第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容，所述电压电流转换电路包括：第三运算放大器、第七电流镜、第四电阻，第七电流镜为PMOS电流镜；

其中，所述第一电阻一端、第二电阻一端均接平均电流，所述第二电阻另一端、第三电阻一端分别与第一电容正极连接，所述第二电容正极、第三电阻另一端分别与第三运算放大器的负输入端连接，所述第三运算放大器的正输入端、第七电流镜输入支路PMOS管的漏极分别与第四电阻一端连接，所述第三运算放大器输出端与第七电流镜的共栅极连接点相连，第一电阻另一端、第一电容负极、第二电容负极、第四电阻另一端均接地，第七电流镜的共源极连接点接输入直流源，所述第七电流镜输出第一平均电流、第二平均电流。

作为电感电流采样电路的进一步优化方案，所述电感电流采样电路包括第一开关采样电路和第二开关采样电路，第一开关采样电路采样第一开关上流过的电流得到第一开关采样电流，第二开关采样电路采样第二开关上流过的电流得到第二开关采样电流，将第一开关采样电流和第二开关采样电流叠加在一起得到所述储能电感的采样电流。

作为电感电流采样电路的进一步优化方案，所述第一开关采样电路包括：与第一开关同类型的晶闸管，由与第一开关类型相反的MOS管组成的第八电流镜，第四运算放大器，第一开关与晶闸管的宽长比为电流采样系数；

所述第二开关采样电路包括：由与第一开关类型相反的MOS管组成的第九电流镜，第五运算放大器，第二开关与第九电流镜输入支路MOS管的宽长比等于第一开关与晶闸管的宽长比；

其中，所述晶闸管、第一开关的输入极均接输入直流源，晶闸管控制极接地，晶闸管输出极、第八电流镜输入支路MOS管的输入级分别与第四运算放大器正输入端连接，所述第一开关输出极、第九电流镜输入支路MOS管的输入极分别与第四运算放大器负输入端连接，所述第八电流镜共栅极连接节点与第四运算放大器输出端连接，所述第八电流镜的共源极连接点接地，所述第九电流镜输入支路MOS管的栅极接输入直流源，所述第五运算放大器正输入端接地，所述第九电流镜的共源极连接点与第五运算放大器的负输入端连接，所述第九电流镜输出支路MOS管的栅极与第五运算放大器的输出端连接，所述第八电流镜中MOS管的衬底、第九电流镜中MOS管的衬底、第二开关的衬底、第二开关的输出极均接地，所述第八电流镜输出支路MOS管的输入极、第九电流镜输出支路MOS管的输入极相连接作为所述电感电流采样电路的输出端。

作为电感电流采样电路的进一步优化方案，所述第一开关、晶闸管为PMOS管，第八电流镜、第九电流镜为NMOS电流镜。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：有效减小了输出电容带来的纹波电流，提高了直流-直流转换器的效率，降低了成本。

附图说明

图1为现有的直流-直流转换器降低输出噪声的方案。

 图2为本发明涉及的低输出直流-直流转换器的电路图。

 图3为图1所示直流-直流转换器工作波形图。

 图4为图2所示直流-直流转换器工作波形图。

 图5为纹波减小电路的一个实施例。

图6为电感电流采样电路的一个实施例。

 图7为电流平均电路的一个实施例。

 图8为纹波抵消电流产生电路的一个实施例。

 图中标号说明：S1、S2为第一、第二开关，C1为输入电容，C2为输出电容，C3为滤波电容，L1为储能电感，R1、R2、R3、R4、R5、R6为电阻，MPM1、MPM2、MPM3、MPS1、MP1、MP2、MP3、MP5、MP6、MP7、MP8为PMOS管，MNM1、MNM2、MNM3、MNS1、MNS2、MNS3、MNS4、MN1、MN2、MN3、MN4为NMOS管，OP1、OP2、OP3、OP5、OP6为运算放大器，610为第一开关采样电路，620为第二开关采样电路。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明提出的直流-直流转换器如图2所示：包括：第一开关S1、第二开关S2、输入电容C1、输出电容C2、储能电感L1、负反馈控制电路、纹波减小电路，第一开关S1的一端接输输入直流源VIN，第二开关S2接在第一开关S1另一端以及地之间，输入电容C1接在输入直流源VIN与地之间，储能电感L1一端与第一开关S1、第二开关S2的连接点相连，输出电容C2接在储能电感L1另一端以及地之间，负反馈控制电路根据转换器输出电压得到第一开关S1的控制信号HDR、第二开关S2的控制信号LDR，纹波减小电路根据储能电感电流采样值产生注入到输出电容C2和储能电感L1的连接节点的的纹波抵消电流ICO，串联连接的电阻R1、R2为输出电压VO的采样电路，电阻R1和电阻R2的连接节点FB与负反馈控制电路的输入端连接。纹波减小电路输入端接第一开关S1、第二开关S2的连接节点，纹波减小电路输出端接输出电容C2、储能电感L1的连接节点。

与传统的直流-直流转换器相比，本发明在传统的直流-直流转换器的基础上增加了纹波减小电路。本发明的原理是通过纹波减小电路产生一个与储能电感电流纹波斜率正负极性相反的交流纹波电流信号注入到输出电容上，从而抵消电感电流纹波对输出电容的冲击，从而实现抵消纹波的效果。由于纹波减小电路不是通过电感储能的方式产生，而是通过线性电路产生，所以这部分电流的效率比电感电流的效率低。为了降低纹波减小电路注入纹波抵消电流ICO对效率的影响，纹波减小电路注入到输出电容上的电流纹波的平均值被设计为零。其波形如图4所示，第一波形为储能电感电流IL波形，第二波形为纹波减小电路产生的纹波抵消电流ICO波形。储能电感电流的平均值如第一波形中的虚线所示，其等于直流-直流转换器的负载电流，第二波形中的虚线为零，即纹波减小电路产生的电流波形的平均值为零。

图5描述了图2中纹波减小电路的实现方式，包括电感电流采样电路，由PMOS管MPM1、MPM2、MPM3组成的第一电流镜，由NMOS管MNM1、MNM2、MNM3组成的第二电流镜、电流平均电路、纹波抵消电流产生电路。电感电流采样电路通过对图2中第一开关S1和第二开关S2的电流LX采样，然后叠加产生储能电感电流采样值IL1，储能电感电流采样值IL1的方向为流入电感电流采样电路，从PMOS管MPM1的漏极流出。对降压型直流-直流转换器而言第一开关S1导通时（此时第二开关S2不导通，其电流为零），储能电感电流等于第一开关S1的电流；第二开关S2导通时（此时第一开关S1不导通，其电流为零），储能电感电流等于第二开关S2的电流。为了简化描述，假设图5中两个电流镜的镜像比例都为1:1:1，即MPM1、MPM2、MPM3、MNM1、MNM2、MNM3的电流都相等，MPM1、MPM2、MPM3组成的第一电流镜输出的第一复制电流IL2等于MNM1、MNM2、MNM3组成的第二电流镜输出第二、第三复制电流IL3、IL4，也等于储能电感电流采样值IL1。第一复制电流IL2流入电流平均电路，产生相等的第一、第二平均电流IAV1、IAV2。IAV1、IAV2、IL3、IL4连接到纹波抵消电流产生电路，产生纹波抵消输出电流ICO, ICO连接到直流-直流转换器的输出节点。电流镜的镜像比列可以灵活设计。

图6描述了电感电流采样电路的实施方式，其结构如图6中虚线框中的部分，为了方便理解，图6中还画出了第一开关S1和第二开关S2，第一开关S1用PMOS实现，第二开关S2由NMOS实现。电流采样的原理是分别采样第一开关S1的电流和第二开关S2的电流，进行叠加，产生完整的储能电感电流采样值IL1。当第一开关S1导通时，第二开关S2关断（第二开关S2无电流）；当第二开关S2导通时，第一开关S1关断（第一开关S1无电流）。如图6所示，电感电流采样电路包括第一开关采样电路610和第二开关采样电路620，第一开关采样电路610采样第一开关S1上流过的电流得到第一开关采样电流，第二开关采样电路620采样第二开关S2上流过的电流得到第二开关采样电流，将第一开关采样电流和第二开关采样电流叠加在一起得到储能电感的采样电流。

第一开关采样电路610包括：PMOS管MPS1（即为权利要求书中与第一开关同类型的晶闸管）、NMOS管MNS1（第八电流镜输入支路MOS管）、MNS2（第八电流镜输出支路MOS管）组成的第八电流镜，运算放大器OP1（即为权利要求书中的第四运算放大器）。第二开关采样电路包括：NMOS管MNS3（第九电流镜输入支路MOS管）、MNS4（第九电流镜输出支路MOS管）组成的第九电流镜，运算放大器OP2（即为权利要求书中的第五运算放大器）。第一开关S1与PMOS管MPS1的宽长比为电流采样系数，第二开关S2与NMOS管MNS3的宽长比等于第一开关S2与PMOS管MPS1的宽长比。

MPS1源极接第一开关S1的源极， MPS1栅极接地。MPS1漏极、MNS1漏极分别与OP1正输入端连接，S1漏极、S2源极、MNS3漏极分别与OP1负输入端连接，MNS1栅极、MNS2栅极分别与OP1输出端连接，MNS1源极、MNS2源极均接地，OP2正输入端接地，MNS3源极、MNS4源极、S2源极分别与OP2负输入端连接，OP2输出端接MNS4栅极，MNS2漏极、MNS4漏极连接在一起作为电感电流采样电路输出端。

OP1与NMOS管MNS1形成负反馈，调整第一开关S1的漏极（LX节点）与PMOS管MPS1（即为权利要求中的晶闸管）的漏极电压相等，当PMOS管MPS1的漏极电压高于第一开关S1的漏极电压时，运算放大器OP1输出升高，导致NMOS管MNS1栅极电压升高，NMOS管MNS1漏极电流加大，从而调整NMOS管MNS1漏极电压下降；当PMOS管MPS1的漏极电压低于第一开关S1的漏极电压时，运算放大器OP1输出降低，导致NMOS管MNS1栅极电压下降，NMOS管MNS1漏极电流减小，从而调整NMOS管MNS1漏极电压上升。所以稳定时，PMOS管MPS1漏极电压等于第一开关S1的漏极电压。设计第一开关S1和MPS1的宽长比之比为K1(例如1000:1)，K1即为电流采样系数，同时由于第一开关S1导通时，栅极电压也等于PMOS管MPS1栅极电压，第一开关S1和PMOS管MPS1的源极连接在一起（第一开关S1和PMOS管MPS1的源极电压相等），所以PMOS管MPS1和第一开关S1的电流之比等于其宽长比之比，即MPS1的电流Ips1=(1/K1).Is1,其中Ips1为MPS1的电流，Is1为第一开关S1的电流。NMOS管MNS1、MNS2构成第八电流镜，NMOS管MNS3、MNS4构成第九电流镜，为了简化描述，设计其电流比例为1:1，即其宽长比之比为1:1. 运算放大器OP2（即为权利要求中的第五运算放大器）与NMOS管MNS4构成负反馈，调整NMOS管MNS3的源极电压等于地电压（等于第二开关S2的源极电压）。当NMOS管MNS3的源极电压大于地电压时，运算放大器OP2输出降低，NMOS管MNS4栅极电压减小，NMOS管MNS3的源极电压减小；当NMOS管MNS3的源极电压小于地电压时，运算放大器OP2输出升高，NMOS管MNS4栅极电压升高，NMOS管MNS3的源极电压升高。当稳定时，NMOS管MNS3的源极电压等于地电压（等于第二开关S2的源极电压）。同时第二开关S2的漏极和NMOS管MNS3的漏极连接在一起，所以两者漏极电压相等，且因第二开关S2导通时，其栅极电压LDR等于VIN，所以第二开关S2的栅极电压也等于NMOS管MNS3的栅极电压。这样，NMOS管MNS3的漏极电流与第二开关S2的漏极电流成比例，其比例等于两者的宽长比之比，假设第二开关S2与NMOS管MNS3的宽长比之比也设计为K1（例如设计为1000:1），则NMOS管MNS3的电流满足Ins3=(1/K1).Is2，其中Ins3为MNS3的电流，Is2为第二开关S2的电流。这样储能电感电流采样值IL1等于(1/K1).IL，其中IL为储能电感电流。

设计第一开关S1和MPS1为相同类型晶体管，MNS1、MNS2、MNS3、MNS4的类型与第一开关S1类型相反。在有些实施例中，第一开关S1可以用NMOS、PNP或NPN等其他类型器件实现，其采样电流功能可由各种现有技术实现，其原理相似，此处省略描述。

图7描述了电流平均电路的实现方式。电流镜输出电流IL2流经电阻R3（其形成电流电压转换电路）产生电压，此电压经过电阻R5、电容C1、电阻R6、电容C2构成的两级滤波器，形成平均的直流电压，平均的直流电压通过运算放大器OP3、PMOS管MP1和电阻R4构成的电压-电流转换电路产生电流，设计让电阻R3的电阻值等于电阻R4的电阻值，这样流过PMOS管MP1漏极的电流等于MPM1、MPM2、MPM3组成的电流镜输出电流IL2的平均电流。设计PMOS管MP1、MP2、MP3构成的电流镜，其比例为1:1:1，输出两路幅值相等的平均电流信号IAV1、IAV2。且IAV1、IAV2等于MPM1、MPM2、MPM3组成的电流镜输出电流IL2的平均值，也等于IAV/K1，其中IAV为IL的平均值，K1前述电流采样系数（第二开关S2与NMOS管MNS3的宽长比之比也等于第一开关S1与PMOS管MPS1的宽长比）。

图8描述了纹波抵消电流产生电路的实现方式，第一平均电流IAV1与第二复制电流IL3连接在一起，实现第一平均电流IAV1与第二复制电流IL3相减的功能，当第一平均电流IAV1大于第二复制电流IL3时（即为储能电感电流IL小于储能电感电流的平均值IAV时），其电流差流经NMOS管MN1，MN2构成的第三电流镜，其中MN1为第三电流镜的输入支路NMOS管，MN2为第三电流镜的输出支路NMOS管，PMOS管MP5、MP6构成的第四电流镜(第四电流镜的电流比例设计为1:K1，例如1:1000，即MP6的电流为MP5的电流的K1倍，例如1000倍)，其中MP5被称为第四电流镜的输入支路PMOS管，MP6被称为第四电流镜的输入支路PMOS管，所以从MP6流出至ICO的电流等于K1.(IAV1-IL3)=K1.(IAV/K1-IL/K1)=IAV-IL。运算放大器OP5（即为权利要求中的第一运算放大器）的作用是使MP6复制MP5的电流更为准确，且MP6的漏极电压可以有较大的动态工作范围。再看另一部分电路，包括PMOS管MP7、MP8组成的第五电流镜，MP7为第五电流镜的输入支路PMOS管，MP8为第五电流镜的输出支路PMOS管，运算放大器OP6（即为权利要求中的第二运算放大器），NMOS管MN3、MN4组成的第六电流镜，其中MN3为第六电流镜的输入支路NMOS管，MN4为第六电流镜的输出支路NMOS管，对输出节点ICO提供向下抽取电流。当第三复制电流IL4电流值大于第二平均电流IAV2时（即为储能电感电流IL大于于储能电感电流的平均值IAV时），其电流差流经MP7，通过MP8镜像注入到MN3，第六电流镜的电流比例设计为1:K1，例如1:1000,即MN4的电流为MN3电流的K1倍，例如1000倍，所以从MN4抽走的电流等于K1.(IL4-IAV2)=K1.(IL/K1-IAV/K1)=IL-IAV。

下面计算本发明导致的效率损失。与上述分析现有技术（直流-直流转换器后接电压调节器的方式）一样，假设储能电感电流的效率为100%（忽略直流-直流转换器的开关效率损失，当开关设计的导通电阻很小时，其效率损耗可忽略），假设储能电感电流纹波（电感电流峰值和谷值之差）为ΔIL，输入电压为VIN，输出电压为VO，输出电流为IO。参考图4，本发明减小纹波电路导致的效率损耗为ICO消耗的功率。由于ICO的平均值为零，ICO的峰值应该等于ΔIL/2，ICO的谷值应该等于-ΔIL/2。先计算ICO大于零的部分的功率损耗，ICO大于零的时间段内，ICO的平均值ICOAV1为(ΔIL/2)/2=ΔIL/4。其电流由电源提供，损耗在图8中MP6上的功率为(VIN-VO). ICOAV1=(VIN-VO). (ΔIL/4)。再计算ICO小于零的部分的功率损耗，ICO小于零的时间段内，ICO的绝对值的平均值ICOAV2也为(ΔIL/2)/2=ΔIL/4。其电流为从输出电压放电到地，损耗在图8中MN4上的功率为VO.ICOAV2=VO. (ΔIL/4)。求两个功率损耗的平均值得平均功率损耗为[(VIN-VO). (ΔIL/4)+ VO. (ΔIL/4)]/2=VIN.ΔIL/8。例如对于输入电压VIN=4V，输出VO=1.2V，储能电感L=4.7μH，开关周期Ts=1μS，输出负载电流IO=1A的降压型直流-直流转换器来说，可以进一步计算本发明的纹波减小电路导致的效率降低值。

降压型直流-直流转换器的占空比D=VO/VIN=1.2V/4V=30%，

所以主开关S1导通时间Ton=D.Ts=(30%).1μS=0.3μS。

电感电流纹波ΔIL=(VIN-VO)/L.Ton=[(4V-1.2V)/4.7μH].0.3μS=0.1787A。

本发明的效率可如下计算：

η=(IO.VO)/[(IO.VO)+VIN.ΔIL/8]=(1.2V.1A)/[(1.2V.1A)+4V.(0.1787A)/8]=93%.

可见，本发明效率高于现有技术（直流-直流转换器后接电压调节器的方式）80%的效率，有效减小了输出电容带来的纹波电流，省去电压调节器环节也降低了成本。

图5仅仅是本发明纹波减小电路的一个实施例，图6仅仅是本发明电感电流采样电路的一个实施例，图7仅仅是本发明电流平均电路的一个实施例，图8仅仅是本发明纹波抵消电流产生电路的一个实施例，涉及到的PMOS电流镜可以用NMOS电流镜实现，涉及到的NMOS电流镜也可以用PMOS电流镜实现，本发明的保护范围不局限于上述实施例划定的范围，凡是符合本发明发明宗旨的方案或者等同替换的方案均落入本发明保护范围。

Claims (11)

1.直流-直流转换器，包括：第一开关、第二开关、输出电容、储能电感、负反馈控制电路，所述第一开关的一端接输入直流源，所述第二开关接在第一开关另一端以及地之间，所述储能电感一端与第一、第二开关的连接节点相连，所述输出电容接在储能电感另一端以及地之间，所述负反馈控制电路根据转换器输出电压得到第一、第二开关的控制信号；

其特征在于：所述直流-直流转换器还包括纹波减小电路，所述纹波减小电

路根据储能电感电流采样值产生注入到输出电容和储能电感的连接节点的纹波抵消电流。

2.根据权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于：所述纹波抵消电流平均值为零，斜率与储能电感电流纹波斜率大小相等且正负极性相反。

3.根据权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于：所述纹波减小电路包括：电感电流采样电路、电流平均电路和纹波抵消电流产生电路；

所述电感电流采样电路采样储能电感电流得到采样电流；

所述电流平均电路基于采样电流得到采样电流的平均电流；

所述纹波抵消电流产生电路在平均电流大于采样电流时，将平均电流与采样电流的差值电流注入到输出电容和储能电感的连接节点，在平均电流小于采样电流时，从输出电容和储能电感的连接节点抽取采样电流与平均电流的差值电流；

所述的直流-直流转换器还包括有输入电容，所述输入电容接在输入直流电源和地之间。

4.根据权利要求3所述的直流-直流转换器，其特征在于，

所述纹波减小电路还包括第一电流镜和第二电流镜；

所述第一电流镜基于采样电流产生与采样电流成正比的第一复制电流，电流平均电路根据第一复制电流得到采样电流的第一平均电流和第二平均电流；

所述第二电流镜基于采样电流产生与采样电流成正比的第二复制电流和第三复制电流；

所述纹波抵消电流产生电路在第一平均电流大于第二复制电流时，将第一平均电流与第二复制电流的差值电流注入到输出电容和储能电感的连接节点，在第二平均电流小于第三复制电流时，从输出电容和储能电感的连接节点抽取第三复制电流与第二平均电流的差值电流。

5.根据权利要求4所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述纹波抵消电流产生电路包括：第三电流镜、第四电流镜、第五电流镜、第六电流镜，第三电流镜、第六电流镜为NMOS电流镜，第四、第五电流镜为PMOS电流镜；

所述第三电流镜，共源极连接节点接地，向输入支路NMOS管的栅极以及漏极注入第一平均电流，从输入支路NMOS管的栅极以及漏极抽取第二复制电流；

所述第四电流镜，共源极连接节点接输入直流源，输入支路PMOS管漏极接第三电流镜输出支路NMOS管的漏极，输出支路PMOS管的漏极接输出电容正极；

所述第五电流镜，共源极连接节点接输入直流源，向输入支路PMOS管的栅极以及漏极注入第二平均电流，从输入支路PMOS管的栅极以及漏极抽取第三复制电流；

所述第六电流镜，共源极连接节点接地，输入支路NMOS管的漏极接第五电流镜输出支路PMOS管的漏极，输出支路PMOS管的漏极接输出电容正极。

6.根据权利要求5所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述纹波抵消电流产生电路还包括：第一、第二运算放大器；

所述第一运算放大器，正输入端与第四电流镜输出支路PMOS管的漏极连接，负输入端与第四电流镜输入支路PMOS管的漏极连接，输出端与第四电流镜的共栅极连接节点相连；

所述第二运算放大器，正输入端与第六电流镜输出支路NMOS管的漏极连接，负输入端与第六电流镜输入支路NMOS管的漏极连接，输出端与第六电流镜的共栅极连接节点相连。

7.根据权利要求4所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述电流平均电路包括：电流电压转换电路，滤波电路和电压电流转换电路；

所述电流电压转换电路基于第一复制电流产生转换电压；

所述滤波电路对转换电压进行滤波处理得到平均电压；

所述电压电流转换电路基于平均电压产生第一和第二平均电流。

8.根据权利要求7所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述电流电压转换电路为第一电阻，所述滤波电路包括：第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容，所述电压电流转换电路包括：第三运算放大器、第七电流镜、第四电阻，第七电流镜为PMOS电流镜；

其中，所述第一电阻一端、第二电阻一端均接所述第一复制电流，

所述第二电阻另一端、第三电阻一端分别与第一电容正极连接，所述第二电容正极、第三电阻另一端分别与第三运算放大器的负输入端连接，所述第三运算放大器的正输入端、第七电流镜输入支路PMOS管的漏极分别与第四电阻一端连接，所述第三运算放大器输出端与第七电流镜的共栅极连接点相连，第一电阻另一端、第一电容负极、第二电容负极、第四电阻另一端均接地，第七电流镜的共源极连接点接输入直流源，所述第七电流镜输出第一平均电流、第二平均电流。

9.根据权利要求3所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述电感电流采样电路包括第一开关采样电路和第二开关采样电路，第一开关采样电路采样第一开关上流过的电流得到第一开关采样电流，第二开关采样电路采样第二开关上流过的电流得到第二开关采样电流，将第一开关采样电流和第二开关采样电流叠加在一起得到所述储能电感的采样电流。

10.根据权利要求9所述的直流-直流转换器，其特征在于，

所述第一开关采样电路包括：与第一开关同类型的晶闸管，由与第一开关类型相反的MOS管组成的第八电流镜，第四运算放大器，第一开关与晶闸管的宽长比为电流采样系数；

所述第二开关采样电路包括：由与第一开关类型相反的MOS管组成的第九电流镜，第五运算放大器，第二开关与第九电流镜输入支路MOS管的宽长比等于第一开关与晶闸管的宽长比；

其中，所述晶闸管、第一开关的输入极均接输入直流源，晶闸管控制极接地，晶闸管输出极、第八电流镜输入支路MOS管的输入级分别与第四运算放大器正输入端连接，所述第一开关输出极、第九电流镜输入支路MOS管的输入极分别与第四运算放大器负输入端连接，所述第八电流镜共栅极连接节点与第四运算放大器输出端连接，所述第八电流镜的共源极连接点接地，所述第九电流镜输入支路MOS管的栅极接输入直流源，所述第五运算放大器正输入端接地，所述第九电流镜的共源极连接点与第五运算放大器的负输入端连接，所述第九电流镜输出支路MOS管的栅极与第五运算放大器的输出端连接，所述第八电流镜中MOS管的衬底、第九电流镜中MOS管的衬底、第二开关的衬底、第二开关的输出极均接地，所述第八电流镜输出支路MOS管的输入极、第九电流镜输出支路MOS管的输入极相连接作为所述电感电流采样电路的输出端。

11.根据权利要求10所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述第一开关、晶闸管为PMOS管，第八电流镜、第九电流镜为NMOS电流镜。

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