CN106059300A - 一种基于脉冲跨周期宽度调制模式的电压变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及一种基于脉冲跨周期宽度调制模式的电压变换器，是一种具有灵活调制模式的电源管理技术。该变换器以梯形脉冲的峰值电压为基准电压，该峰值电压与变换器的输出电压进行比较，产生的比较结果经锁存器处理，最终形成功率管导通控制信号。功率管导通控制信号的占空比随着变换器输出电压与梯形脉冲比较结果的变化而改变。本发明的有益效果为，脉冲跨周期宽度调制模式具有PSM和PWM控制模式的优点，改善了轻载下输出电压纹波，同时使变换器在轻重负载下都具有较高的效率。本发明尤其适用于负载轻重变换范围较大的电源管理。

Description

一种基于脉冲跨周期宽度调制模式的电压变换器
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种基于脉冲跨周期宽度调制模式的电压变换器。
背景技术
随着集成电路制造工艺技术的发展数字集成电路(如便携式电子设备、可植入式医疗设备，中央处理器CPU和数字信号处理器DSP)的集成度越来越高，由于工作系统、散热和应用对象的变化，相同或是不同电子器件之间的能量消耗有着很大的区别。这就要求电源管理技术对同一个或不同的管理对象，根据其不同的工作状态都具有较高的效率和最优的性能。
脉冲宽度调制(PWM,Pulse Width modulation)模式是电源管理技术中一种常用的调制模式，通过变换器的输出电压和基准电压相比较获得差分信号，进而经过放大，环路补偿，最后经过与锯齿波信号的相互作用，获得具有固定导通频率，占空比随着变换器输出电压的变化而改变的功率管控制脉冲。工作在PWM控制模式下的变换器在重载下具有较高的效率和较快的响应速度，但是由于变换器中的功率管在每个开关周期内都要开启和关断，使得功率管的开关损耗较大，导致轻载或是待机状态下PWM控制的变换器的整体效率较低，这严重限制了PWM调制模式的应用范围。
脉冲跨周期调制(PSM,Plus Skip Modulation)模式是功率变换系统中一种新型的调制模式，通过跳过一定的时钟周期对输出电压进行调节。当变换器的输出电压大于基准电压时，功率管控制信号在该周期被跳过，在该周期内功率管不开启；当变换器的输出电压小于基准电压时，在该周期内输出功率管控制信号导通功率管。工作在PSM调制模式的变换器在轻负载下具有响应速度快、效率高、抗干扰能力强、电磁兼容特性好和鲁棒性强等优点，但是其性能在重载下变差。
在现有的技术中，针对工作范围很大，轻载和重载不断变换的系统和电子器件，为了改善在轻重载下的效率以及电路性能，具有PWM-PSM混合工作模式的变换器被应用在电源管理技术中，但是其工作过程中需要对PWM和PSM模式进行判定，进而对工作模式进行切换，导致其控制电路较为复杂，使得电源管理电路设计较为困难，增加了电源管理技术的推广应用范围以及实现难度。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述问题，提出了一种基于脉冲跨周期宽度调制(PSWM,Pulse Skip Width Modulation)模式的电压变换器。
本发明的技术方案是，一种基于脉冲跨周期宽度调制模式的电压变换器，包括Buck功率变换器和PSWM模式控制电路；
所述Buck功率变换器由PMOS管MP、NMOS管MN、电感L和电容C构成；其中，MP的源极接直流输入电压VIN，其漏极接MN的漏极，MP漏极和MN漏极的连接点通过电感L后接负载，MP漏极和MN漏极的连接点还依次通过电感L和电容C后接地；MN的源极接地；MP和MN的栅极接驱动电路；
所述PSWM模式控制电路包括梯形脉冲产生器、锁存器、比较器模块；其中，比较器的正向输入端接Buck功率变换器的输出电压，其负相输入端接梯形脉冲产生器的输出端，比较器的输出端接锁存器的第一输入端C；锁存器的第二输入端EN接外部输入的使能时钟信号VEN，其第三输入端D接高电平信号，其正向输出端Q接驱动电路的输入端。
进一步的，所述梯形脉冲产生器生成的梯形脉冲其峰值电压为基准电压，该峰值电压保持的时间具有可调节性。
本发明的有益效果为，使Buck变换器能够满足同一负载或不同负载全工作范围内的电压需求，同时实现Buck变换器在轻载和重载的情况下都有较高的效率和较好的电路性能。由于无需模式判定和切换，简化了控制电路，使得电路实现变的较为容易，有利于电源管理技术应用范围推广和扩散。
附图说明
图1为本发明的一种基于脉冲跨周期宽度调制模式的电压变换器的结构示意图；
图2是PSWM调制模式的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述
本发明的PSWM模式控制同时利用了PSM和PWM调制模式在不同负载下的各自优点，同时与Buck变换器的相互协调配合自适应地调节输出电压。当负载由轻载变成重载时，PSWM模式控制根据此时变换器输出电压的变化增加功率管控制脉冲的导通占空比，利用PWM调制模式控制变换器满足重载情况下负载对电压和能量消耗的需求，同时实现重载情况下变换器的效率最优。而当由于待机或是工作频率较低等原因而处于轻载情况下时，则PSWM调制模式根据变换器输出电压的变化自动的减小功率管控制脉冲的导通占空比，同时利用PSM调制模式控制变换器满足轻载情况下负载的电压和能耗需求，使得整体电路性能最优。所以，PSWM调制模式在轻载时利用PSM调制模式在轻载时效率较高的优点，而在重载时则利用PWM模式在重载时效率较高的优点，进而实现PSWM调制模式控制的Buck变换器能够满足负载在轻载或重载等全区域工作情况下的能量消耗和电压的需求，同时保证Buck变换器在负载工作的全区域内具有较高的效率。
如图1所示，本发明的一种基于跨脉冲周期宽度调制模式的电压变换器由Buck功率变换器和PSWM模式控制模块构成。Buck功率变换器的输出电压VOUT和梯形脉冲产生器的输出的梯形脉冲Vpulse同时施加到比较器模块。其中梯形脉冲产生器可以生成一个梯形的脉冲Vpulse，梯形脉冲Vpulse的峰值电压为基准电压。比较器能够对梯形脉冲Vpulse的峰值电压和变换器的输出电压VOUT作比较，进而输出具有高低电平的控制信号VC。锁存器则在外部施加的使能时钟信号VEN的驱动下，根据使能时钟信号VC的不同产生功率管控制信号VPSWM，控制功率管的开启和关断，进而使得Buck功率变换器的输出电压VOUT稳定在梯形脉冲Vpulse的峰值电压。
如图2所示，给出了PSWM调制模式工作原理示意图。梯形脉冲的波形如图2所示，其峰值电压为基准电压VREF。变换器的输出电压VOUT和梯形脉脉冲施加到比较器的正负输入端。当输出电压VOUT小于梯形脉冲Vpulse的峰值电压VREF时，比较器的输出VC为高电平。相反，当输出电压VOUT大于峰值电压VREF时，比较器的输出VC为低电平。外部施加的使能时钟信号VEN控制着锁存器。假设在开关周期开始时，输出电压VOUT大于峰值电压VREF，则控制信号VC为低电平而功率管控制信号VPSWM为高电平，此时功率管被关闭，输出电压VOUT将会慢慢减小。随着输出电压VOUT的降低，当电压VOUT小于峰值电压VREF时，比较器的输出信号VC为高电平而功率管控制信号VPSWM为低电平。此时功率管开启，输出电压VOUT逐渐上升。而在整个开关周期内，如果输出电压VOUT一直大于峰值电压VREF时，则功率管控制信号VPSWM会出现跨周期现象。因此，当Buck变换器稳定工作时，比较器根据输出电压和梯形脉冲的峰值电压之间差值大小的变化输出占空比不同的控制脉冲VC，锁存器在外部施加的使能时钟信号VEN的控制下，根据具有不同占空比的控制脉冲VC生成具有不同占空比的功率管控制信号VPSWM，通过驱动电路控制功率管的开启和关断时间，进而对变换器输出电压VOUT进行调节，使其稳定在梯形脉冲的峰值电压VREF。
根据图2给出的PSWM调制模式工作原理示意图，当Buck变换器的负载较重时，比较器能够根据输出电压VOUT和峰值电压VREF之间较大的差值，经过锁存器生成具有较大占空比的功率管控制信号VPSWM控制功率管的开启和关断，进而调节输出电压VOUT。由于功率管控制信号VPSWM的占空比增加，因此加快了变换器的负载响应速度，同时使得变换器在重载下具有较高的效率。当Buck变换器的负载为轻载时，比较器通过对输出电压VOUT和峰值电压VREF进行比较，锁存器则根据比较器的输出信号生成具有跨周期和自适应占空比的功率管控制信号VPSWM控制功率管的开启和关断。信号VPSWM的自适应占空比可以减小轻载下变换器输出电压VOUT的电压纹波，而功率管控制信号VPSWM的跨周期现象则可以减小功率管的导通损耗，进而提升变换器在轻载下的效率。因此，PSWM模式控制的Buck变换器具有PSM轻载下效率较高的特点，同时具有PWM在重载下效率较高的特点，进而保证了变换器在负载工作的全区域内具有较高的效率和较好的电路的性能。
本发明所提出的一种基于脉冲跨周期宽度调制模式的电压调节电路利用了PSM和PWM在不同工作负载情况下具有较高能量转换效率的特点，使得Buck变换器在负载工作的全区域内都具有较高的能量转换效率和最佳的电路性能，同时简化了控制电路，节省了芯片面积，更加有利于集成，拓宽了其应用环境，加速和促进了电源管理技术的推广与应用。

Claims (2)

1.一种基于脉冲跨周期宽度调制模式的电压变换器，包括Buck功率变换器和PSWM模式控制电路；
所述Buck功率变换器由PMOS管MP、NMOS管MN、电感L和电容C构成；其中，MP的源极接直流输入电压VIN，其漏极接MN的漏极，MP漏极和MN漏极的连接点通过电感L后接负载，MP漏极和MN漏极的连接点还依次通过电感L和电容C后接地；MN的源极接地；MP和MN的栅极接驱动电路；
所述PSWM模式控制电路包括梯形脉冲产生器、锁存器、比较器模块；其中，比较器的正向输入端接Buck功率变换器的输出电压，其负相输入端接梯形脉冲产生器的输出端，比较器的输出端接锁存器的第一输入端C；锁存器的第二输入端EN接外部输入的使能时钟信号VEN，其第三输入端D接高电平信号，其正向输出端Q接驱动电路的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲跨周期宽度调制模式的电压变换器，其特征在于，所述梯形脉冲产生器生成的梯形脉冲其峰值电压为基准电压，该峰值电压保持的时间具有可调节性。
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