CN105515386A - 基于环形振荡器的dc-dc转换器 - Google Patents

基于环形振荡器的dc-dc转换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于环形振荡器的DC-DC转换器,用环形振荡器的理论来实现DC-DC转换器的控制。该DC-DC转换器利用其反馈控制环路的自由振荡，产生控制开关管通断的信号，无外加脉冲信号；通过一个比较器稳定输出电压。本发明的DC-DC转换器控制电路产生的功耗很小，可以在很宽负载范围内实现高转换效率；该DC-DC转换器控制电路简单，无稳定性问题，不需要补偿电路；该DC-DC转换器占用更小的芯片面积，节约成本；该DC-DC转换器具有较快的响应速度和较小纹波。

Description

基于环形振荡器的DC-DC转换器
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，涉及一种高效率、小面积的DC-DC转换器，具体涉及一种基于环形振荡器的DC-DC转换器，用环形振荡器的理论来实现DC-DC转换器的控制。
背景技术
近几年随着移动互联网、物联网和医疗可穿戴等技术的兴起，低功耗移动和传感越来越普及。在这些移动设备中，电池的供电效率决定着有效工作时间的长短，高效率的DC-DC(直流-直流)转换器变得越来越重要。由于这些设备通常工作在1V或更低的电压，低于3.7V、2.5V等常用的电池电压，所以降压型DC-DC转换器是当前的研究热点。
传统的DC-DC转换器通常采用脉冲宽度调制(PWM)控制。这种控制方法可以实现较高的效率，而且使DC-DC转换器具有稳定的输出噪声普，便于后级将其滤除。电压模式的脉冲宽度调制的DC-DC转换器基本的拓扑结构如图1，其中VDD为电源端，IL为电感电流，RSEN和CSEN为反馈电阻和反馈电容，VOUT为输出电压，ILOAD为负载电流，VREF为比较器的参考电压。图中，锯齿波产生电路用来产生控制DC-DC转换器工作频率的锯齿波信号，补偿电路用来对反馈环路的相位进行补偿，避免转换器出现不期望的瞬态响应。所以，脉冲宽度调制的DC-DC转换器的整体电路复杂。并且锯齿波产生电路会产生很大的功耗，导致转化效率降低。
滞回控制的DC-DC转换器的电路结构非常简单。其主要是通过一个迟滞比较器实现电路的控制。图2、图3分别表示其工作于电压模式、电流模式的基本拓扑结构。滞回控制的DC-DC转换器不需要相位补偿电路。但是为了维持反馈环路稳定，滞回比较器的滞回窗口不能太小。所以，电压模式滞回控制的DC-DC转换器输出电压纹波较大。电流模式滞回控制的DC-DC转换器因为是把电感电流作为反馈量，所以输出电压纹波会有所改善。但是，其是用电阻和电容作为反馈网络，当输出状态发生变化时其响应速度较慢，导致输出电压会产生很大的反向尖峰，可能导致输出电压瞬间变成一个很大值，从而损坏电路。
发明内容
针对采用以上控制方法的DC-DC转换器的缺点，本发明提出了一种类似于环形振荡器工作原理的DC-DC转换器。
在本发明中，DC-DC转换器的基本结构图如图4所示。其反馈控制环路中只有一个比较器。比较器的输入分别接输出电压和参考电压VREF，输出接驱动级，控制开关管的通断。该DC-DC转换器的控制原理是利用其反馈控制环路的自由振荡，产生控制开关管通断的信号，无外加脉冲信号；通过一个比较器稳定输出电压。其工作原理类似于环形振荡器。可以产生一个稳定的直流输出电压，并且纹波很小。
本发明中，DC-DC转换器反馈控制环路的幅频和相频特性如图5。该反馈控制环路满足震荡的条件。可以通过调节比较器的工作电流来调节其产生的极点，从而控制环路的振荡频率，也就是DC-DC转换器的工作频率。此外也可以通过在环路中加入零极点补偿电路来控制转换器的工作频率。
PWM控制的DC-DC转换器本质上是一种受迫振荡。当反馈环路的振荡频率和相位不能跟随外部输入的锯齿波时，反馈环路会形成不稳定振荡。导致输出电压剧烈变化，纹波非常大。所以，PWM控制的DC-DC转换器的反馈环路中需要加入相位补偿电路。
本发明提出的DC-DC转换器是基于环形振荡器的原理，不存在PWM控制的DC-DC转换器的稳定性问题，不需要补偿电路。
本发明中的DC-DC转换器对比较器的带宽要求很低，其可以小到决定振荡频率。因为带宽的要求降低，比较器的功耗也随之减小。
本发明中的DC-DC转换器的反馈控制环路自由振荡产生控制信号，但是为了便于后级EMI滤波，环路中仍然可以加入稳频电路，使开关频率稳定在一定值。
本发明是用环形振荡器原理实现DC-DC转换器控制。与使用其他控制方法的DC-DC转换器比较，本发明的优点在于：
1)基于本发明的DC-DC转换器控制电路产生的功耗很小，可以在很宽负载范围内实现高转换效率；
2)DC-DC转换器控制电路简单，无稳定性问题，不需要补偿电路；
3)使DC-DC转换器占用更小的芯片面积，节约成本；
4)使DC-DC转换器具有较快的响应速度和较小纹波。
附图说明
图1是电压模式的PWM控制的DC-DC转换器；
图2是电压模式滞环控制的DC-DC转换器；
图3是电流模式滞环控制的DC-DC转换器；
图4是本发明中采用环型振荡器理论控制的DC-DC转换器基本拓扑结构；
图5是本发明中采用环形振荡器理论控制的DC-DC转换器反馈环路的幅频和相频特性曲线；
图6是本发明范例一中重负载输出DC-DC转换器；
图7是本发明范例二中轻负载输出DC-DC转换器。
具体实施方式
下面将通过具体实施例，并配合附图，对本发明进行详细的说明。
图6是本发明的一个具体范例，是在CMOS180nm工艺中实现。本范例为重负载输出的DC-DC转换器。
本范例中的比较器是基于基本的二级运放结构。因为本范例中DC-DC转换器是基于环形振荡器理论设计，所以对比较器的带宽要求很低。这就简化了其设计。
本范例驱动级设计中，加入了死区时间控制电路。避免PMOS和NMOS同时导通产生很大的瞬时功耗。
本范例中的DC-DC转换器使用的滤波电感、电容的值分别为4.7μH、10μF。此值与滞环DC-DC转换器(S.H.Lee,J.S.Bang,K.S.Yoon,S.W.Hong,Ch.S.Shin,M.Y.Jung,G.H.Cho，“A0.518mm2Quasi-Current-ModeHystereticBuckDC-DCConverterwith3μsLoadTransientResponsein0.35μmBCDMOS，”inProc.IEEEInternationalSolid-StateCircuitsConference,Feb.2015,pp.214-215.)所用的滤波电感电容值一致，是为了与其性能进行比较，突出本发明中的DC-DC转换器的优点。
在本范例中，DC-DC转换器可以将1.8-3.7V的电池电压转化为1V的输出电压。其输出电流在0mA和400mA之间跳变的响应时间为几微秒。输出电流为400mA时的输出电压纹波小于5mV。当负载电流为10mA-400mA时，DC-DC转换器的效率可以达到90％之上。相比于上段提到的滞回控制的DC-DC转换器，本范例可以实现更高的转换效率和更小的纹波。
图7是本发明的另一个具体范例，是在CMOS55nm工艺中实现的。上一个范例是重负载输出的DC-DC转换器，此范例为轻负载DC-DC转换器。
相比于上一个范例，本范例的DC-DC转换器中多了电感电流过零检测模块。因为在轻负载输出时，电感电流会反向，造成极大的功率浪费。此模块的作用是提升DC-DC转换器在轻负载下的效率。
在本范例中，DC-DC转换器的输入电压1.8-3.7V，输出电压稳定在1.3V，测试负载电流范围为0.1-10mA。在3.7V输入电压下，本范例中的DC-DC转换器在测试的负载电流范围内的效率高于85％。在1.8V输入电压下，转换效率可以达到高于90％。
以上具体的实施例是为了说明了本发明技术方案的原理和实施过程，但并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的同等变化与修改，均应属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求所述为准。

Claims (7)

1.一种基于环形振荡器的DC-DC转换器，其特征在于，包括一反馈控制环路，该反馈控制环路自由振荡产生控制开关管通断的信号，无外加脉冲信号，通过一比较器稳定输出电压；该反馈控制环路的振荡频率为DC-DC转换器的工作频率。
2.如权利要求1所述的基于环形振荡器的DC-DC转换器，其特征在于，所述反馈控制环路中只需要一个比较器就能够产生开关管控制信号和稳定的输出电压。
3.如权利要求1所述的基于环形振荡器的DC-DC转换器，其特征在于，通过控制所述反馈控制环路的延时来控制DC-DC转换器的工作频率，包括通过控制所述比较器的电流来控制转换器的工作频率，或者在所述反馈控制环路中加入零极点补偿电路来控制转换器的工作频率。
4.如权利要求1所述的基于环形振荡器的DC-DC转换器，其特征在于：所述控制开关管通断的信号是反馈环路自由振荡产生的，不同于PWM控制的DC-DC转换器的受控振荡，不需要相位补偿电路。
5.如权利要求1所述的基于环形振荡器的DC-DC转换器，其特征在于，在所述反馈控制环路中加入稳频电路，使开关频率稳定在一定值，以便于后级EMI滤波。
6.如权利要求1所述的基于环形振荡器的DC-DC转换器，其特征在于，在驱动级中加入死区时间控制电路，以避免PMOS和NMOS同时导通产生的瞬时功耗。
7.如权利要求1所述的基于环形振荡器的DC-DC转换器，其特征在于，在轻负载输出时所述反馈控制环路中加入电感电流过零检测电路，但是DC-DC转换器的开关控制信号仍然由自由振荡产生。
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