CN106787719A - 一种pwm/pfm双模式自动切换的降压型dc‑dc转换器 - Google Patents

一种pwm/pfm双模式自动切换的降压型dc‑dc转换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种PWM/PFM双模式自动切换的降压型DC‑DC转换器，包括转换电路和控制电路，控制电路包括输出电压采样电路、PWM控制模块、控制逻辑模块和驱动模块，驱动模块的两个输出端接主开关管的控制端和续流开关管的控制端，PWM控制模块包括误差放大器、比较器、振荡器和锯齿波产生电路，误差放大器的第一输入端接输出电压采样电路的输出端，第二端接基准电压；比较器的第一输入端接误差放大器的输出端，第二输入端接锯齿波产生电路的输出端；比较器的输出端接控制逻辑模块的第一输入端，振荡器的输出端接控制逻辑模块的第二输入端；控制逻辑模块的输出端接驱动模块的输入端。综上所述，本发明利用比较器的延迟来决定切换点，结构简单、占用芯片面积小。

Description

一种PWM/PFM双模式自动切换的降压型DC-DC转换器
[技术领域]
本发明涉及DC-DC转换器，尤其涉及一种PWM/PFM双模式自动切换的降压型DC-DC转换器。
[背景技术]
DC-DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。DC-DC转换器分为三类：升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器以及升降压型DC/DC转换器。根据需求可采用三类控制。PWM控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。PFM控制型即使长时间使用，尤其小负载时具有耗电小的优点。PWM/PFM转换型小负载时实行PFM控制，且在重负载时自动转换到PWM控制。
东南大学杜斐的硕士学位论文《PWM/PFM切换降压DC-DC转换器的分析与设计》介绍了降压型DC-DC转换器的基本电路结构及其工作原理以及脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)和脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation，PFM)两种控制模式，然后对DC-DC系统进行系统建模并分析了DC-DC系统的瞬态响应特性及系统的稳定性，提出了根据负载变化实现PWM/PFM自动切换的控制结构。
目前常用的PWM/PFM双模式降压型DC-DC转换器的结构如图1所示，包含电流检测模块、PWM/PFM模式检测模块、PWM控制模块、PFM控制模块、控制逻辑电路、驱动级和缓冲级电路。电流检测模块探测电感的电流，并转成电压Vsense和设计的阈值Vdesire比较。当Vsense>Vdesire，即电感电流大于设定的PWM/PFM模式转折电流时，选择PWM模式，由VPWM信号通过控制逻辑控制主开关管周期性的导通与关闭；反之，选择PFM模式，由VPFM信号通过控制逻辑控制主开关管的导通与关闭。
传统的PWM/PFM双模式降压型DC-DC转换器采用的模式切换电路结构复杂，通常涉及复杂的电流检测电路、PWM/PFM模式检测电路以及两种模式的控制电路和模式选择电路，目前PWM/PFM双模式降压型DC-DC转换器存在电路复杂度高，占用芯片面积大的缺点。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、占用芯片面积小的PWM/PFM双模式自动切换的降压型DC-DC转换器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种PWM/PFM双模式自动切换的降压型DC-DC转换器，包括转换电路和控制电路，转换电路包括主开关管、续流开关管、储能电感和输出滤波电容；控制电路包括输出电压采样电路、PWM控制模块、控制逻辑模块和驱动模块，驱动模块的两个输出端分别接主开关管的控制端和续流开关管的控制端，PWM控制模块包括误差放大器、比较器、振荡器和锯齿波产生电路，误差放大器的第一输入端接输出电压采样电路的输出端，第二端接基准电压；比较器的第一输入端接误差放大器的输出端，第二输入端接锯齿波产生电路的输出端；比较器的输出端接控制逻辑模块的第一输入端，振荡器的输出端接控制逻辑模块的第二输入端；控制逻辑模块的输出端接驱动模块的输入端。
以上所述的降压型DC-DC转换器，控制逻辑模块包括与非门基本RS触发器、与非门、或非门和两个非门；振荡器的输出端接与非门的第一输入端，通过第一非门接或非门的第一输入端，通过第二非门接与非门的第二输入端；或非门的第二输入端接比较器的输出端，或非门的输出端接与非门基本RS触发器的第一输入端，与非门的输出端接与非门基本RS触发器的第二输入端，与非门基本RS触发器的输出端作为控制逻辑模块的输出端接驱动模块的输入端。
以上所述的降压型DC-DC转换器，主开关管的第一端接电源正极、第二端接续流开关管的第一端，续流开关管的第二端接地；储能电感的第一端接主开关管的第二端，储能电感的第二端接输出滤波电容的第一端，输出滤波电容的第二端接地；储能电感的第二端作为降压型DC-DC转换器的正极输出端接输出电压采样电路。
以上所述的降压型DC-DC转换器，利用PWM控制模块比较器的延迟来决定PWM/PFM模式的切换点，当储能电感电流大于预设的PWM/PFM模式转折电流，DC-DC转换器工作于PWM模式，当储能电感电流小于预设的PWM/PFM模式转折电流，DC-DC转换器工作于PFM模式。
以上所述的降压型DC-DC转换器，重载时，比较器输出信号的下降沿早于振荡器输出信号的上升沿，DC-DC转换器工作于PWM模式；轻载时，比较器输出信号的下降沿晚于振荡器输出信号的上升沿，DC-DC转换器切换到PFM模式。
本发明的PWM/PFM双模式的降压型DC-DC转换器利用PWM控制模块中的比较器的传播延迟来实现PWM/PFM双模式自动切换，当电感电流大于预设的PWM/PFM模式转折电流，DC-DC转换器工作于PWM模式，反之则工作于PFM模式。与传统的降压型DC-DC转换器相比，没有复杂的电流检测、PWM/PFM模式检测、模式控制、模式选择等电路，而是利用比较器的传播延迟来决定PWM/PFM模式切换点，通过简单的控制逻辑电路实现PWM/PFM模式的无缝自动切换，结构简单、占用芯片面积小。
[附图说明]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是现有技术PWM/PFM模式降压型DC-DC转换器的原理框图。
图2是本发明实施例PWM/PFM双模式自动切换的降压型DC-DC转换器的原理框图。
图3是本发明实施例PWM控制模块的原理框图。
图4是本发明实施例的控制逻辑电路的原理图。
图5是本发明实施例降压型DC-DC转换器重载下的控制信号波形图。
图6是本发明实施例降压型DC-DC转换器轻载下的控制信号波形图。
图7是本发明实施例降压型DC-DC转换器在PFM模式下IL、VO、VFB波形图。
图8是本发明实施例降压型DC-DC转换器在不同负载电流下对应的电感电流波形的对比图。
[具体实施方式]
本发明实施例PWM/PFM双模式自动切换的降压型DC-DC转换器的结构如图2至图4所示，包括转换电路和控制电路，转换电路包括主开关管(主MOS管)MP、续流开关管MN、储能电感L、输出滤波电容C和电阻RESR。
控制电路包括由电阻R1和电阻R2串联组成的输出电压采样电路、PWM控制模块、控制逻辑模块和驱动模块(驱动电路)。
主开关管MP的第一端接电源正极VIN、第二端接续流开关管MN的第一端，续流开关管MN的第二端接地VSS。储能电感L的第一端接主开关管MP的第二端LX，储能电感L的第二端通过电阻RESR接输出滤波电容C的第一端，输出滤波电容C的第二端接地。
储能电感L的第二端作为降压型DC-DC转换器的正极输出端接负荷电阻RL，同时接输出电压采样电路的输入端VO。
PWM控制模块包括带隙基准、误差放大器、比较器、振荡器和锯齿波产生电路。
误差放大器的第一输入端接输出电压采样电路的输出端VFB，第二端接基准电压VREF。比较器的第一输入端接误差放大器的输出端，第二输入端接锯齿波产生电路的输出端。比较器的输出端接控制逻辑模块的第一输入端，振荡器的输出端接控制逻辑模块的第二输入端。控制逻辑模块的输出端接驱动模块的输入端。
控制逻辑模块包括与非门基本RS触发器、与非门、或非门和两个非门；振荡器的输出端接与非门的第一输入端，通过第一非门接或非门的第一输入端，通过第二非门接与非门的第二输入端；或非门的第二输入端接比较器的输出端，或非门的输出端接与非门基本RS触发器的第一输入端，与非门的输出端接与非门基本RS触发器的第二输入端，与非门基本RS触发器的输出端作为控制逻辑模块的输出端接驱动模块的输入端。其中，第二非门和与非门构成振荡器输出信号的上升沿检测电路。
驱动模块的两个输出端分别接主开关管MP的控制端和续流开关管MN的控制端。
如图4所示，控制逻辑模块置位信号S为“0”时，置位信号有效，无论复位信号R为何值，RS触发器都将输出信号VDRIVE置为“1”；只有当R为“0“而且S为“1”时，即复位信号有效，且置位信号无效时，RS触发器才能将输出信号VDRIVE复位为“0”，由此可见置为信号S的优先级高于复位信号R。当PWM控制模块的输出信号VPWM为“1”或VOSC为“0”时，置位信号S为“0”，置位信号有效，控制逻辑模块的输出信号VDRIVE置为“1”，通过驱动模块关闭主PMOS管MP。当控制逻辑模块的置位信号S无效并且VOSC上升沿检测电路检测到VOSC的上升沿时，复位信号R为“0”,复位信号有效，控制逻辑模块的输出信号VDRIVE置为“0”，通过驱动模块开通主PMOS管MP。
本发明实施例降压型DC-DC转换器在不同负载下的主要控制信号波形如图5和图6所示。图5给出了重载时主要控制信号的波形，在图5中锯齿波VRAMP与误差放大器输出信号VC的交点时刻分别为t1、t3,而由于比较器的传播延迟td的影响，比较器的输出VPWM发生跳变的时刻分别为t2、t4，分别比t1、t3延迟了时间段td。VPWM在t2时刻发生“0”到“1”的跳变，将VDRIVE置为“1”，关闭主PMOS管MP。由于t4在VOSC上升沿时刻tr之前，tr时刻置位信号S无效，复位信号R有效，故在tr时刻VDRIVE被置为“0”，开通主PMOS管MP。此时DC-DC转换器工作于PWM模式。
图6给出了轻载时主要控制信号的波形。当DC-DC转换器输出的负载电流ILOAD减小时，误差变压器的输出电压VC几乎保持不变，直到ILOAD下降到连续导通与非连续导通边界，误差变压器输出电压VC才开始下降，以调整MP的导通时间。当ILOAD减小至PWM/PFM模式转折电流以下，VC不断降低，导致VDRIVE连续一段时间内输出为“1”，关闭主PMOS管MP。
因为t4在VOSC上升沿时刻tr之后，tr时刻复位信号R有效，但同时置位信号S也有效，置位信号优先级高，故在tr时刻VDRIVE被置为“1”，关闭主PMOS管MP，进入了跳周期模式。
如图7所示，一旦转换器的输出电压VO下降至设定值VO_SPEC之下时，转换器的输出电压的检测值VFB就低于基准电压VREF，导致误差放大器的输出电压VC上升，直至开启主PMOS管MP。每次开启MP后给电感充电的峰值电流IPEAK可以维持转换器的输出电压VO在几个周期时间内高于设定值VO_SPEC，导致VC下降并在这段时间关闭主PMOS管MP，此时DC-DC转换器工作于PFM模式。
自动切换的控制逻辑电路是让VOSC的上跳沿作为主PMOS管MP的开启信号，而让VPWM的高电平时段或VOSC的低电平时段作为MP的关闭时段。当DC-DC转换器工作于重负载电流或中负载电流的条件下，虽然有比较器的传播延迟td的影响，但是延迟后的比较器的输出VPWM的高电平时段没有覆盖VOSC的上跳沿，故每个周期都能开启主PMOS管MP，转换器的工作频率不变，PWM模块根据负载电流调节占空比，如图5所示。当DC-DC转换器工作于轻负载电流条件下，VC不断下降，由于比较器的传播延迟td的影响，延迟后的比较器的输出VPWM的高电平时段会覆盖VOSC的上跳沿，如图6所示，使得主PMOS管MP不是每个周期都能开启，而是经过几个周期关闭之后，VO下降至设计值VO_SPEC之下，导致VC升高，VPWM的高电平时段没有覆盖VOSC的上跳沿，从而再次开启输出管MP，如图7所示。此时转换器的工作频率减小，进入跳周期模式，也就是PFM模式。
综上所述，PWM模式根据负载分为连续导通和非连续导通两种情况，当转换器处于连续导通模式时，如图8所示的重负载电流ILOAD1的情况下，转换器的工作频率不变，只是根据输出电压来调整其开通主MOS管MP的时间，也就是常说的占空比(D)，D＝VO/VIN,而此处VO,VIN都是定值，则占空比D不变。此时如果输出电流发生变化，例如负载电流ILOAD增大，会引起VO的瞬间减小(电感瞬间无法向负载提供增加的电流，此时靠电容放电给负载提供增加的电流，引起VO下降)，则VO通过采样电阻采样后的电压VFB下降，经过PWM控制模块中的误差放大器后，输出VC电压上升，经过比较器与VRAMP比较之后，使VPWM的高电平时间变短，让VDRIVE的低电平时间变长，也就是电源VIN通过电感对输出负载充电时间变长，让电感的平均电流上升，直到平衡稳态后，VC恢复到以前值，几乎保持不变，VDRIVE的占空比恢复至VO/VIN，而此时的电感电流平均值已经增加了。反之，如果负载电流ILOAD减小，则通过PWM控制模块的调整，电源VIN通过电感对输出负载充电时间变短，让电感的平均电流下降，直到平衡稳态后，VC恢复到以前值，几乎保持不变，VDRIVE的占空比恢复至VO/VIN，而此时的电感电流平均值减小了。
如果负载电流ILOAD继续减小到非连续导通模式，如图8所示的中负载电流ILOAD2的情况下，转换器的工作频率不变，VC会开始下降，使占空比随ILOAD的减小而减小，以保证一个周期内的平均电感电流等于负载电流ILOAD。
当ILOAD减小至PWM/PFM模式转折电流以下，如图8所示的轻负载电流ILOAD3的情况下，VC会不断降低，导致VDRIVE连续一段时间内输出为“1”，关闭主MOS管MP，导致转换器的工作频率减小，进入跳周期模式，也就是PFM模式，而且转换器的工作频率与负载电流的大小成正比。
本发明以上实施例提出的具有PWM/PFM双模式的降压型DC-DC转换器利用PWM控制模块中的比较器的传播延迟来实现PWM/PFM双模式自动切换，当电感电流大于预设的PWM/PFM模式转折电流，DC-DC转换器工作于PWM模式，反之则工作于PFM模式，本发明以上实施例与传统的降压型DC-DC转换器相比，没有复杂的电流检测、PWM/PFM模式检测、模式控制、模式选择等电路，而是利用比较器的传播延迟来决定PWM/PFM模式切换点，通过简单的控制逻辑电路实现PWM/PFM模式的无缝自动切换，结构简单、占用芯片面积小；还可以通过调整比较器传播延迟时间来控制PWM/PFM模式转折点电流的大小。

Claims (5)

1.一种PWM/PFM双模式自动切换的降压型DC-DC转换器，包括转换电路和控制电路，转换电路包括主开关管、续流开关管、储能电感和输出滤波电容；控制电路包括输出电压采样电路、PWM控制模块、控制逻辑模块和驱动模块，驱动模块的两个输出端分别接主开关管的控制端和续流开关管的控制端，其特征在于，PWM控制模块包括误差放大器、比较器、振荡器和锯齿波产生电路，误差放大器的第一输入端接输出电压采样电路的输出端，第二端接基准电压；比较器的第一输入端接误差放大器的输出端，第二输入端接锯齿波产生电路的输出端；比较器的输出端接逻辑模块的第一输入端，振荡器的输出端接逻辑模块的第二输入端；控制逻辑模块的输出端接驱动模块的输入端。
2.根据权利要求1所述的降压型DC-DC转换器，其特征在于，控制逻辑模块包括与非门基本RS触发器、与非门、或非门和两个非门；振荡器的输出端接与非门的第一输入端，通过第一非门接或非门的第一输入端，通过第二非门接与非门的第二输入端；或非门的第二输入端接比较器的输出端，或非门的输出端接与非门基本RS触发器的第一输入端，与非门的输出端接与非门基本RS触发器的第二输入端，与非门基本RS触发器的输出端作为控制逻辑模块的输出端接驱动模块的输入端。
3.根据权利要求1所述的降压型DC-DC转换器，其特征在于，主开关管的第一端接电源正极、第二端接续流开关管的第一端，续流开关管的第二端接地；储能电感的第一端接主开关管的第二端，储能电感的第二端接输出滤波电容的第一端，输出滤波电容的第二端接地；储能电感的第二端作为降压型DC-DC转换器的正极输出端接输出电压采样电路。
4.根据权利要求1所述的降压型DC-DC转换器，其特征在于，利用PWM控制模块比较器的延迟来决定PWM/PFM模式的切换点，当储能电感电流大于预设的PWM/PFM模式转折电流，DC-DC转换器工作于PWM模式，当储能电感电流小于预设的PWM/PFM模式转折电流，DC-DC转换器工作于PFM模式。
5.根据权利要求4所述的降压型DC-DC转换器，其特征在于，重载时，比较器输出信号的下降沿早于振荡器输出信号的上升沿，DC-DC转换器工作于PWM模式；轻载时，比较器输出信号的下降沿晚于振荡器输出信号的上升沿，DC-DC转换器切换到PFM模式。
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