CN105490537A - 一种电源管理电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电源管理电路，其包括DC-DC转换器、低压差电压调节器和参考电压产生电路，DC-DC转换器包括反馈控制电路和电源转换电路。电源转换电路包括第一开关和第二开关，其通过第一开关和第二开关交替导通，将输入电压转换为输出电压VDC；反馈控制电路包括与第一开关的控制端相连的第一输出端和与第二开关的控制端相连的第二输出端，反馈控制电路基于输出电压VDC和参考电压，通过其第一输出端输出第一驱动信号，通过其第二输出端输出第二驱动信号；低压差电压调节器用于对输出电压VDC进行低压差调节，以得到输出电压Vo；参考电压产生电路对输出电压Vo和一预设电压求和，该求和电压作为参考电压。与现有技术相比，本发明可实现较佳的实现较佳的系统效率。

Description

一种电源管理电路
【技术领域】
本发明涉及电路设计领域，尤其涉及一种包括直流-直流转换器和低压差电压调节器的电源管理电路。
【背景技术】
随着便携式电子设备功能日益增加，越来越多的电路需要优化效率，否则工作时间会被限制，而且过热也是一个严重的问题。越来越多的电路通过DC-DC转换器(即直流-直流转换器)来降压，但有些电路对电源噪声十分敏感，如果直接使用DC-DC转换器的输出就会大幅度降低其性能。
由于通常DC-DC转换器的输出纹波约10mV～50mV，因此，在DC-DC转换器的后面再接一个LDO(即低压差电压调节器)可以减小电压纹波。如果LDO的输入输出电压差越小，其效率越高，但是，由于大批量生产时，芯片间存在差异，导致每颗芯片可实现的最低输入输出电压差不同，为了满足最差情况(一般为慢工艺角：slowprocesscorner，且工作环境温度较高)，因此，会将DC-DC转换器的输出电压调节到较高，但这样对于典型芯片和快工艺角芯片则显得浪费，没有实现最佳效率。
因此，有必要提出一种新的方案来解决上述问题。
【发明内容】
本发明的目的之一在于提供一种电源管理电路，其可以实现较佳的系统效率。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供一种电源管理电路，其包括DC-DC转换器、低压差电压调节器和参考电压产生电路，所述DC-DC转换器包括反馈控制电路和电源转换电路。所述电源转换电路包括第一功率开关和第二功率开关，其通过第一功率开关和第二功率开关交替导通，将输入电压转换为输出电压VDC；所述反馈控制电路包括与第一功率开关的栅极相连的第一输出端和与第二功率开关的栅极相连的第二输出端，所述反馈控制电路基于输出电压VDC和参考电压Vref，通过其第一输出端输出第一驱动信号，通过其第二输出端输出第二驱动信号，所述第一驱动信号驱动第一功率开关导通或关断，所述第二驱动信号驱动第二功率开关导通或关断；所述低压差电压调节器的输入端与输出电压VDC相连，所述低压差电压调节器用于对输出电压VDC进行低压差调节，以得到输出电压Vo；所述参考电压产生电路对低压差电压调节器的输出电压Vo和一预设电压求和，该求和电压作为参考电压Vref提供给DC-DC转换器。
进一步的，所述低压差电压调节器包括输出管和运算放大器，所述预设电压等于低压差电压调节器在最大输出电流时在输出管的源漏极上形成的最大电压降。
进一步的，所述参考电压产生电路包括功率管、第一电流源和电压源，所述第一电流源的正端与输入电压相连，其负端与功率管的源极相连；功率管的漏极与所述输出电压Vo相连，功率管的栅极与所述电压源的正极相连；电压源的负极接地，功率管的源极和漏极之间的电压降为所述预设电压，第一电流源和功率管之间的连接节点上的电压为所述参考电压Vref。
进一步的，功率管与输出管为相同类型的MOS管，功率管的宽长比之比为输出管的宽长比之比的1/K倍；第一电流源的电流值为低压差电压调节器的最大输出电流的1/K倍，K为大于1的自然数，电压源的电压值等于低压差电压调节器中运算放大器工作在饱和区的最低输出电压。
进一步的，所述低压差电压调节器还包括第二电流源，所述输出管的源极和与所述输出电压VDC相连，其漏极与第二电流源的正端相连，第二电流源的负端接地；运算放大器的第一输入端与输出管和第二电流源之间的连接节点相连，其第二输入端与参考电压Ref相连，其输出端与输出管的栅极相连；输出管和第二电流源之间的连接节点的电压为输出电压Vo。
进一步的，运算放大器的第一输入端为正向输入端，其第二输入端为负向输入端；输出管和功率管均为PMOS晶体管。
进一步的，所述反馈控制电路包括误差放大器、PWM比较器和驱动电路，所述误差放大器的第一输入端与所述参考电压Vref相连，其第二输入端与所述输出电压VDC相连，其输出端与所述PWM比较器的第一输入端相连；PWM比较器的第二输入端与三角波信号Ramp相连，PWM比较器的输出端与驱动电路的输入端相连；驱动电路的第一输出端与第一功率开关的栅极相连，其第二输出端与第二功率开关的栅极相连。
进一步的，所述误差放大器放大所述参考电压Vref与所述输出电压VDC的误差以得到并输出误差放大电压；所述PWM比较器用于比较参考信号和所述误差放大电压以输出脉宽调制信号；所述驱动电路基于所述脉宽调制信号输出第一驱动信号和第二驱动信号NDRV。
进一步的，所述电源转换电路包括第一功率开关、第二功率开关、电感L1和电容C1，所述第一功率开关的源极与输入电压相连，其漏极与第二功率开关的漏极相连，第二功率开关的源极接地；第一功率开关和第二功率开关之间的连接节点依次经所述电感L1和电容C1接地，电感L1和电容C1之间的连接节点的电压为所述输出电压VDC。
进一步的，所述误差放大器的第一输入端为正向输入端，其第二输入端为负向输入端；所述PWM比较器的第一输入端为正向输入端，其第二输入端为负向输入端；所述第一功率开关为PMOS晶体管，第二功率开关为NMOS晶体管。
与现有技术相比，本发明在现有技术的基础上增设了参考电压产生电路，该参考电压产生电路对低压差电压调节器的输出电压Vo和一预设电压求和，并将该求和结果作为DC-DC转换器的参考电压，通过DC-DC转换器的负反馈环路对DC-DC转换器的输出电压VDC进行适应性调整，以实现较佳的低压差电压调节器输入输出电压差，从而实现较高的系统效率。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明中的电源管理电路在一个实施例中的电路示意图。
【具体实施方式】
本发明的详细描述主要通过程序、步骤、逻辑块、过程或其他象征性的描述来直接或间接地模拟本发明技术方案的运作。为透彻的理解本发明，在接下来的描述中陈述了很多特定细节。而在没有这些特定细节时，本发明则可能仍可实现。所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员有效的介绍他们的工作本质。换句话说，为避免混淆本发明的目的，由于熟知的方法和程序已经容易理解，因此它们并未被详细描述。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
请参考图1所示，其为本发明中的电源管理电路在一个实施例中的电路示意图。该电源管理电路包括DC-DC转换器110、低压差电压调节器120和参考电压产生电路130。与传统电路相比，本发明中增设了参考电压产生电路130。
所述DC-DC转换器110包括反馈控制电路112和电源转换电路114。所述电源转换电路114包括第一功率开关MP1和第二功率开关MN1，其通过第一功率开关MP1和第二功率开关MN1交替导通，将输入电压VDD转换为输出电压VDC；所述反馈控制电路112包括与第一功率开关MP1的栅极相连的第一输出端和与第二功率开关MN1的栅极相连的第二输出端，所述反馈控制电路112基于输出电压VDC和参考电压Vref，通过其第一输出端输出第一驱动信号PDRV，通过其第二输出端输出第二驱动信号NDRV，所述第一驱动信号PDRV驱动第一功率开关MP1导通或关断，所述第二驱动信号DNRV驱动第二功率开关MN1导通或关断。
所述低压差电压调节器120的输入端与所述DC-DC转换器110的输出电压VDC相连，其输出端Vo作为电源管理电路的输出端，所述低压差电压调节器120用于对所述DC-DC转换器110的输出电压VDC进行低压差调节，并通过其输出端输出输出电压Vo，输出电压Vo比输出电压VDC具有更小的电压纹波。
在图1所示的实施例中，所述低压差电压调节器120包括运算放大器OP1，输出管MP2和第二电流源I2，所述输出管MP2的源极和衬体与所述输出电压VDC相连，其漏极与第二电流源I2的正端相连，第二电流源I2的负端接地；运算放大器OP1的第一输入端与输出管MP2和第二电流源I2之间的连接节点相连，其第二输入端与参考电压Ref相连，其输出端与输出管MP2的栅极相连，输出管MP2和第二电流源I2之间的连接节点与所述低压差电压调节器120的输出端Vo相连；输出电容Co连接与输出端Vo和地之间，输出电阻RL连接于输出端Vo和地之间。
所述参考电压产生电路130对低压差电压调节器120的输出电压Vo和一预设电压求和，该求和电压作为参考电压Vref提供给DC-DC转换器110。
在图1中，所述参考电压产生电路130包括功率管MP3、第一电流源I1和电压源Vdsat，所述第一电流源I1的正端与输入电压VDD相连，其负端与功率管MP3的源极和衬体相连；功率管MP3的漏极与所述低压差电压调节器120的输出电压Vo相连，功率管MP3的栅极与所述电压源Vdsat的正极相连；电压源Vdsat负极接地，功率管MP3的源极和漏极之间的电压降即为所述预设电压，第一电流源I1和功率管MP3之间的连接节点上的电压即为所述参考电压Vref。
优选的，功率管MP3与低压差电压调节器120中的输出管MP2为相同类型的MOS管，功率管MP3的宽长比之比为输出管MP2的宽长比之比的1/K倍，电流源I1的电流值设计为低压差电压调节器120的最大输出电流的1/K倍(K为大于1的自然数，在一个实际的实施例中，K＝10000)，这样，功率管MP3上形成的电压降等于低压差电压调节器120在最大输出电流时在输出管MP2源漏极上形成的最大电压降；电压源Vdsat的电压值被设计为满足低压差电压调节器120中运算放大器OP1工作在饱和区的最低输出电压，例如100mV。低压差电压调节器120的输出电压Vo加上Vp3(即功率管MP3源极和漏极上的电压降)，即为满足低压差电压调节器120最小输入输出电压差的DC-DC转换器110的输出电压值Vmin，通过将上述电压设置为DC-DC转换器110中误差放大器EA的参考电压Vref，则DC-DC转换器110的负反馈环路将其输出电压VDC调整等于低压差电压调节器120最小输入输出电压差的DC-DC转换器110的输出电压值Vmin。这样，可以实现最佳的低压差电压调节器输入输出电压差，从而实现最高的系统效率。
在图1所示的实施例中，运算放大器OP1的第一输入端为正向输入端，其第二输入端为负向输入端；输出管MP2和功率管MP3均为PMOS晶体管。
在图1所示的实施例中，所述反馈控制电路112包括误差放大器EA、PWM比较器(PWMComparator)和驱动电路Driver。所述误差放大器EA的第一输入端与所述参考电压Vref相连，其第二输入端与所述DC-DC转换器110的输出电压VDC相连，其输出端与所述PWM比较器的第一输入端相连；PWM比较器的第二输入端与三角波信号Ramp相连，PWM比较器的输出端与驱动电路Driver的输入端相连；驱动电路Driver的第一输出端与第一功率开关MP1的栅极相连，其第二输出端与第二功率开关MN1的栅极相连。所述误差放大器EA放大所述参考电压Vref与所述输出电压VDC的误差以得到并输出误差放大电压EAO；所述PWM比较器用于比较三角波信号Ramp和所述误差放大电压EAO以输出脉宽调制信号PWMO：所述驱动电路Driver基于所述脉宽调制信号PWMO输出第一驱动信号PDRV和第二驱动信号NDRV。
在图1所示的实施例中，所述误差放大器EA的第一输入端为正向输入端，其第二输入端为负向输入端；所述PWM比较器的第一输入端为正向输入端，其第二输入端为负向输入端。
所述电源转换电路114包括第一功率开关MP1、第二功率开关MN1、电感L1和电容C1。所述第一功率开关MP1的源极和衬体与输入电压VDD相连，其漏极与第二功率开关MN1的漏极相连，第二功率开关MN1的源极和衬体接地；第一功率开关MP1和第二功率开关MN1之间的连接节点依次经所述电感L1和电容C1接地，电感L1和电容C1之间的连接节点的电压为所述输出电压VDC。在图1所示的实施例中，第一功率开关MP1为PMOS晶体管，第二功率开关MN1为NMOS晶体管。
图1中的DC-DC转换器110为降压转换器，误差放大器EA通过比较DC-DC转换器110的输出电压VDC与参考电压Vref，产生误差放大电压EAO，PWM比较器比较误差放大电压EAO与三角波信号Ramp，产生脉宽调制信号PWMO，经过驱动器Driver来驱动第一功率开关MP1和第二功率开关MN1，经过电感L1和电容C1滤波后产生DC-DC转换器110的输出电压VDC，再反馈回误差放大器EA的负相输入端。这样形成负反馈环路，此负反馈环路稳定时，VDC电压等于参考电压Vref。
综上所述，本发明在现有技术的基础上增设了参考电压产生电路130，该参考电压产生电路130基于低压差电压调节器120的输出电压Vo和反应低压差电压调节器120中的输出管MP2上的最大电压降的预设电压求和，并将该求和电压作为参考电压提供给DC-DC转换器110，则DC-DC转换器的负反馈环路将其输出电压VDC调整等于低压差电压调节器110最小输入输出电压差的DC-DC转换器110的输出电压值Vmin。这样，可以实现最佳的低压差电压调节器输入输出电压差，从而实现最高的系统效率。
本发明中的“连接”、“相连”或“相接”等表示电性连接的词语都表示电性的间接或直接连接。上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (10)

1.一种电源管理电路，其特征在于，其包括DC-DC转换器、低压差电压调节器和参考电压产生电路，所述DC-DC转换器包括反馈控制电路和电源转换电路，
所述电源转换电路包括第一功率开关和第二功率开关，其通过第一功率开关和第二功率开关交替导通，将输入电压转换为输出电压VDC；
所述反馈控制电路包括与第一功率开关的栅极相连的第一输出端和与第二功率开关的栅极相连的第二输出端，所述反馈控制电路基于输出电压VDC和参考电压Vref，通过其第一输出端输出第一驱动信号，通过其第二输出端输出第二驱动信号，所述第一驱动信号驱动第一功率开关导通或关断，所述第二驱动信号驱动第二功率开关导通或关断；
所述低压差电压调节器的输入端与输出电压VDC相连，所述低压差电压调节器用于对输出电压VDC进行低压差调节，以得到输出电压Vo；
所述参考电压产生电路对低压差电压调节器的输出电压Vo和一预设电压求和，该求和电压作为参考电压Vref提供给DC-DC转换器。
2.根据权利要求1所述的电源管理电路，其特征在于，
所述低压差电压调节器包括输出管和运算放大器，
所述预设电压等于低压差电压调节器在最大输出电流时在输出管的源漏极上形成的最大电压降。
3.根据权利要求2所述的电源管理电路，其特征在于，
所述参考电压产生电路包括功率管、第一电流源和电压源，所述第一电流源的正端与输入电压相连，其负端与功率管的源极相连；功率管的漏极与所述输出电压Vo相连，功率管的栅极与所述电压源的正极相连；电压源的负极接地，功率管的源极和漏极之间的电压降为所述预设电压，第一电流源和功率管之间的连接节点上的电压为所述参考电压Vref。
4.根据权利要求3所述的电源管理电路，其特征在于，
功率管与输出管为相同类型的MOS管，功率管的宽长比之比为输出管的宽长比之比的1/K倍；第一电流源的电流值为低压差电压调节器的最大输出电流的1/K倍，K为大于1的自然数，
电压源的电压值等于低压差电压调节器中运算放大器工作在饱和区的最低输出电压。
5.根据权利要求4所述的电源管理电路，其特征在于，
所述低压差电压调节器还包括第二电流源，所述输出管的源极和与所述输出电压VDC相连，其漏极与第二电流源的正端相连，第二电流源的负端接地；运算放大器的第一输入端与输出管和第二电流源之间的连接节点相连，其第二输入端与参考电压Ref相连，其输出端与输出管的栅极相连；输出管和第二电流源之间的连接节点的电压为输出电压Vo。
6.根据权利要求5所述的电源管理电路，其特征在于，
运算放大器的第一输入端为正向输入端，其第二输入端为负向输入端；
输出管和功率管均为PMOS晶体管。
7.根据权利要求5所述的电源管理电路，其特征在于，
所述反馈控制电路包括误差放大器、PWM比较器和驱动电路，
所述误差放大器的第一输入端与所述参考电压Vref相连，其第二输入端与所述输出电压VDC相连，其输出端与所述PWM比较器的第一输入端相连；PWM比较器的第二输入端与三角波信号Ramp相连，PWM比较器的输出端与驱动电路的输入端相连；驱动电路的第一输出端与第一功率开关的栅极相连，其第二输出端与第二功率开关的栅极相连。
8.根据权利要求7所述的电源管理电路，其特征在于，
所述误差放大器放大所述参考电压Vref与所述输出电压VDC的误差以得到并输出误差放大电压；
所述PWM比较器用于比较参考信号和所述误差放大电压以输出脉宽调制信号；
所述驱动电路基于所述脉宽调制信号输出第一驱动信号和第二驱动信号NDRV。
9.根据权利要求8所述的电源管理电路，其特征在于，
所述电源转换电路包括第一功率开关、第二功率开关、电感L1和电容C1，
所述第一功率开关的源极与输入电压相连，其漏极与第二功率开关的漏极相连，第二功率开关的源极接地；
第一功率开关和第二功率开关之间的连接节点依次经所述电感L1和电容C1接地，电感L1和电容C1之间的连接节点的电压为所述输出电压VDC。
10.根据权利要求9所述的电源管理电路，其特征在于，
所述误差放大器的第一输入端为正向输入端，其第二输入端为负向输入端；所述PWM比较器的第一输入端为正向输入端，其第二输入端为负向输入端；
所述第一功率开关为PMOS晶体管，第二功率开关为NMOS晶体管。
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