CN108964454B - 直流-直流转换电路系统及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种直流‑直流转换电路系统及其形成方法，涉及电路设计领域。该系统包括主开关电路、充放电电路和次开关电路；主开关电路的供压端被施加第一直流电压，主开关电路的输出端与充放电电路的输入端连接，充放电电路的第一输出端输出第二直流电压，次开关电路的供压端被施加第一直流电压，次开关电路的输出端与主开关电路的输出端连接；其中，主开关电路用于控制充放电电路进行充放电，当充放电电路的充电电流或放电电流大于相应的阈值时，次开关电路对充电电流或放电电流进行分流。本申请能够有效抑制输出电压的纹波，提高直流‑直流转换电路系统的稳定性。

Description

直流-直流转换电路系统及其形成方法
技术领域
本申请涉及电路设计领域，尤其涉及一种直流-直流转换电路系统及其形成方法。
背景技术
DCDC(直流转换直流)作为电源模块被广泛的应用在各类电子产品中，为它的后级电路提供高效且稳定的工作电压。在应用环节中，使用者比较在乎的是DCDC的稳定性和它的输出效率，为了得到波动较小的DCDC输出，一般情况下，使用者会在输出级用比较大的电感电容分立元件。但是使用大的分立元件虽然能减少DCDC的输出波动，但是带来很多负面效应。大的分立元件使成本上升，功耗增加，电磁干扰严重。如何在不加大分立元件的情况下，使DCDC的输出波动减小成为一个问题。
发明内容
本申请要解决的一个技术问题是提供一种能够有效抑制输出电压的纹波的直流-直流转换电路系统及其形成方法。
根据本申请一方面，提出一种直流-直流转换电路系统，包括：主开关电路，该主开关电路的供压端被施加第一直流电压；充放电电路，该充放电电路的输入端与主开关电路的输出端连接，充放电电路的第一输出端输出第二直流电压；次开关电路，该次开关电路的供压端被施加第一直流电压，次开关电路的输出端与主开关电路的输出端连接；其中，主开关电路用于控制充放电电路进行充放电，当充放电电路的充电电流或放电电流大于相应的阈值时，次开关电路对充电电流或放电电流进行分流。
在一个实施例中，主开关电路包括第一PMOS晶体管和第一NMOS晶体管；次开关电路包括第二PMOS晶体管和第二NMOS晶体管；其中，第二PMOS晶体管的尺寸小于第一PMOS晶体管的尺寸，第二NMOS晶体管的尺寸小于第一NMOS晶体管的尺寸。
在一个实施例中，第二PMOS晶体管的尺寸是第一PMOS晶体管尺寸的1/30到1/10，第二NMOS晶体管的尺寸是第一NMOS晶体管尺寸的1/5到1/2。
在一个实施例中，第二PMOS晶体管的尺寸是第一PMOS晶体管尺寸的1/20，第二NMOS晶体管的尺寸是第一NMOS晶体管尺寸的1/3。
在一个实施例中，该系统还包括：反馈电路，用于向主开关电路和次开关电路提供控制信号，其中，反馈电路的第一端与充放电电路的第二输出端连接，反馈电路的第二端与主开关电路的信号端连接，反馈电路的第二端通过分频电路与次开关电路的信号端连接。
在一个实施例中，分频电路包括：第一分频电路，第一分频电路的输入端与反馈电路的第二端连接，第一分频电路的输出端与与非门电路的第一输入端连接；第二分频电路，第二分频电路的输入端与反馈电路的第二端连接，第二分频电路的输出端与与非门电路的第二输入端连接；与非门电路，与非门电路的输出端与次开关电路的信号端连接。
在一个实施例中，第一分频电路为偶分频电路；第二分频电路为奇分频电路。
在一个实施例中，第一分频电路为二分频电路；第二分频电路为五分频电路。
根据本申请的另一方面，还提出一种形成直流-直流转换电路系统的方法，包括：提供主开关电路、充放电电路和次开关电路；在主开关电路的供压端施加第一直流电压；将充放电电路的输入端与主开关电路的输出端连接，以便充放电电路的第一输出端输出第二直流电压；在次开关电路的供压端施加第一直流电压，将次开关电路的输出端与主开关电路的输出端连接；其中，主开关电路用于控制充放电电路进行充放电，当充放电电路的充电电流或放电电流大于相应的阈值时，次开关电路对充电电流或放电电流进行分流。
在一个实施例中，该方法还包括：向主开关电路和次开关电路提供控制信号的反馈电路；其中，将反馈电路的第一端与直流转换电路的第一输出端连接，将反馈电路的第二端与主开关电路的信号端连接，将反馈电路的第二端通过分频电路与次开关电路的信号端连接。
在一个实施例中，分频电路包括第一分频电路、第二分频电路和与非门电路；将第一分频电路的输入端与反馈电路的第二端连接，将第一分频电路的输出端与与非门电路的第一输入端连接；将第二分频电路的输入端与反馈电路的第二端连接，将第二分频电路的输出端与与非门电路的第二输入端连接；将与非门电路的输出端与次开关电路的信号端连接。
与相关技术相比，本申请的直流-直流转换电路系统，包括主开关电路、充放电电路和次开关电路，通过主开关电路来控制充放电电路进行充放电，当充放电电路的充电电流或放电电流大于相应的阈值时，次开关电路可以对充电电流或放电电流进行分流，即对充放电电路输出的瞬时电流起抑制作用，因此，能够有效抑制输出电压的纹波，提高直流-直流转换电路系统的稳定性。
通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本申请的实施例，并且连同说明书一起用于解释本申请的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本申请，其中：
图1为相关技术中DCDC模型的一个示意图。
图2为本申请直流-直流转换电路系统的一个实施例的结构示意图。
图3为本申请直流-直流转换电路系统的另一个实施例的结构示意图。
图4为相关技术中DCDC模型中电压输出波形和开关控制信号示意图。
图5为本申请直流-直流转换电路系统的控制信号的示意图。
图6为本申请直流-直流转换电路系统的电压输出波形示意图。
图7为本申请形成直流-直流转换电路系统的方法的一个实施例的流程示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本申请进一步详细说明。
图1为相关技术中DCDC模型的一个示意图。该DCDC模型包括一个开关元件，开关元件的输出接RCL分立元件，其中，R0、L0、C0分别为负载和LC滤波。R1和R2组成的串联电阻构成分压电路，形成一个反馈电压，该反馈电压和参考电压VREF通过误差放大器进行比较，根据比较结果决定是否继续对电容C0进行充电。其中，R3和R4两个电阻是模拟实际应用过程中电感L0和电容C0自身的电阻。在工作过程中，误差放大器的输出与三角波构成了第二级比较器的输入，而第二级比较器的输出信号为控制开关元件的PWM信号。在一个稳定周期内，如果使输出电压波形上升缓慢，输出的电压波动就会变小，但是使输出电压变化缓慢不能通过调节负载达到要求。
发明人通过多次试验，通过引入一个通路改变输出电流的瞬态变化，可以使得输出电压上升缓慢，减少电压输出的波动，即在改变瞬时电流的同时不能改变输出的整体电流，能够有效减小了输出的纹波，同时并未对输出电压波形造成影响。
如图2所示，为本申请直流-直流转换电路系统的一个实施例的结构示意图。该电路系统包括主开关电路1、充放电电路2和次开关电路3，其中，主开关电路1的供压端被施加第一直流电压DC_IN，主开关电路1的输出端与充放电电路2的输入端连接，充放电电路2的第一输出端输出第二直流电压DC_OUT，次开关电路3的供压端被施加第一直流电压DC_IN，次开关电路2的输出端与主开关电路的输出端1连接。
在该实施例中，可以通过主开关电路1来控制充放电电路2进行充放电，当充放电电路2的充电电流或放电电流大于相应的阈值时，例如在一个周期内，进行充电或放电的瞬间，瞬时电流会比较大，导致充放电电路2输出的直流电压也会有波动，此时，次开关电路3可以对充电电流或放电电流进行分流，即对充放电电路2输出的瞬时电流起抑制作用，因此，能够有效抑制输出电压的纹波，提高直流-直流转换电路系统的稳定性。
图3为本申请直流-直流转换电路系统的另一个实施例的结构示意图。该主开关电路1包括第一PMOS晶体管PM1和第一NMOS晶体管NM1，次开关电路3包括第二PMOS晶体管PM2和第二NMOS晶体管NM2，充放电电路2包括RCL分立元件，即R0、L0、C0分别为负载和LC滤波，R3是模拟实际应用过程中电容C0的电阻，R4是模拟实际应用过程中电感L0的电阻，其中，方框图中的R2不属于充放电电路2。
主开关电路1和次开关电路3的供压端被施加第一直流电压DC_IN，主开关电路1和次开关电路3的输出端连接，充放电电路2的输入端接主开关电路1的输出端，充放电电路2的第一输出端输出第二直流电压DC_OUT。为了能够实现在充放电电路2的充电电流或放电电流大于相应的阈值时，次开关电路3对充电电流或放电电流进行分流，但不改变输出的整个电流，第二PMOS晶体管PM2的尺寸要小于第一PMOS晶体管PM1的尺寸，第二NMOS晶体管NM2的尺寸要小于第一NMOS晶体管NM1的尺寸。
在一个实施例中，第二PMOS晶体管PM2的尺寸是第一PMOS晶体管PM1尺寸的1/30到1/10，第二NMOS晶体管NM2的尺寸是第一NMOS晶体管NM1尺寸的1/5到1/2。
在优选的实施例中，第二PMOS晶体管PM2的尺寸是第一PMOS晶体管PM1尺寸的1/20，第二NMOS晶体管NM2的尺寸是第一NMOS晶体管NM1尺寸的1/3。
在上述实施例中，当主开关电路中的第一PMOS晶体管PM1导通时，次开关电路中的第二NMOS晶体管NM2也导通，因此，第二NMOS晶体管NM2可以对流过第一PMOS晶体管PM1的电流进行分流，产生抑制作用。另外，由于第二PMOS晶体管PM2的尺寸远小于第一PMOS晶体管PM1的尺寸，因此，在充电周期，第二PMOS晶体管PM2不会成为主力存在。在保持阶段，第二NMOS晶体管NM2导通，分走第一NMOS晶体管NM1部分能量，因此，能使输出的上升斜率变小。
在本申请的另一个实施例中，直流-直流转换电路系统还包括反馈电路4，该反馈电路4的第一端与充放电电路2的第二输出端连接，反馈电路4的第二端与主开关电路1的信号端连接，反馈电路4的第二端通过分频电路5与次开关电路3的信号端连接，用于向主开关电路1和次开关电路3提供控制信号。其中，反馈电路4包括R1和R2构成的串联电阻，通过分压输出反馈电压，该反馈电压和参考电压VREF通过误差放大器进行比较，误差放大器的输出和三角波构成第二级比较器的输入，通过第二级比较器的输出控制主开关电路1的通断。例如，当充放电电路2的第一输出端电压升高时，R1和R2构成的串联电阻通过分压输出的反馈电压高于参考电压VREF，此时，通过第二级比较器输出的信号控制第一PMOS晶体管PM1关闭，反之打开第一PMOS晶体管PM1进行充电。另外，次开关电路3的控制信号由主开关电路1的控制信号通过分频电路5分频后进行提供。
在一个实施例中，分频电路5包括第一分频电路51、第二分频电路52和与非门电路53，其中，第一分频电路51的输入端与反馈电路4的第二端连接，第一分频电路51的输出端与与非门电路53的第一输入端连接；第二分频电路52的输入端与反馈电路4的第二端连接，第二分频电路52的输出端与与非门电路53的第二输入端连接；与非门电路53的输出端与次开关电路3的信号端连接。其中，第一分频电路51为偶分频电路，第二分频电路52为奇分频电路。例如，第一分频电路51为二分频电路，第二分频电路52为三分频电路或五分频电路，考虑到电路面积，以及辅助开关效果，第二分频电路52可以选择五分频电路。
在上述实施例中，在直流-直流转换电路系统中增加第二PMOS晶体管和第二NMOS晶体管组成的次开关电路，并且次开关电路的控制信号由主开关电路的控制信号通过二分频和五分频之后做与非门运算，与非门的输出即次开关电路的控制信号。在一个周期内，由于输出电压和电流的平均值是一定的，通过改变瞬时值，能够优化整个电路的稳定性，减小输出电压抖动的最大值，从而使输出电压的抖动减小。另外，在主开关电路控制充放电电路进行充电过程中，次开关电路对充放电电路的输出起抑制作用，但第二PMOS晶体管PM2的尺寸远小于第一PMOS晶体管PM1的尺寸，即第二PMOS晶体管PM2的能力较弱，因此，不会对整个输出产生影响。
在一个具体实施例中，若第一直流电压DC_IN为2.5V～5V，频率Fs为500KHz，电感L0为4.7uH，等效电阻R4为20mΩ，电容C0为47uF，等效电阻R3为20mΩ，电阻R1为60KΩ，电阻R2为20KΩ，反馈电压为0.9V，利用图1中相关技术，通过仿真，DCDC的电压输出波形和开关控制信号如图4所示，其中，图4上部为DCDC的电压输出波形，图4下部为开关控制信号的PWM波形，从图中可以看出，DCDC的峰峰波动值为110mV，即波动值为+/-55mV。而利用本申请如图3中的直流-直流转换电路系统，主开关电路和次开关电路的控制信号如图5所示，图5上部为次开关电路的控制信号，图5下部为主开关电路的控制信号，从图中可以看出，次开关电路对主开关电路的控制信号进行了有效补偿。图6为直流-直流转换电路系统的电压输出波形，从图中可以看出，电压波动从图4中的+/-55mV的波动减小到图6中的+/-29mV。
通过仿真对比可以看出，本申请的直流-直流转换电路系统的主开关电路在控制充电过程中，次开关电路对主开关电路的充电起到了抑制作用，在一个稳定周期内次开关电路对主开关电路进行两次辅助充电，但是因为次开关电路的能力远远小于主开关电路，所以两次辅助充电只是对输出电压抑制的一个补偿，因此在不影响输出的情况下，对输出的纹波起到了抑制作用。而原电路模型如果要达到补偿后同样的结果，需要增加50％的负载电容，电容需要从47uF增加到70uF。
图7为本申请形成直流-直流转换电路系统的方法的一个实施例的流程示意图。
在步骤710，提供主开关电路、充放电电路和次开关电路。
在步骤720，在主开关电路的供压端施加第一直流电压。其中，主开关电路包括第一PMOS晶体管PM1和第一NMOS晶体管NM1。
在步骤730，将充放电电路的输入端与主开关电路的输出端连接，以便充放电电路的第一输出端输出第二直流电压。
在步骤740，在次开关电路的供压端施加第一直流电压，将次开关电路的输出端与主开关电路的输出端连接。其中，次开关电路包括第二PMOS晶体管PM2和第二NMOS晶体管NM2。
其中，主开关电路用于控制充放电电路进行充放电，当充放电电路的充电电流或放电电流大于相应的阈值时，次开关电路对充电电流或放电电流进行分流。
本领域的技术人员应当理解，上述步骤的顺利可以同时进行也可以不分先后执行。
在该实施例中，可以通过主开关电路来控制充放电电路进行充放电，当充放电电路的充电电流或放电电流大于相应的阈值时，例如在一个周期内，进行充电或放电的瞬间，瞬时电流会比较大，导致充放电电路输出的直流电压也会有波动，此时，次开关电路可以对充电电流或放电电流进行分流，即对充放电电路输出的瞬时电流起抑制作用，因此，能够有效抑制输出电压的纹波，提高直流-直流转换电路系统的稳定性。
另外，为了能够实现在充放电电路的充电电流或放电电流大于相应的阈值时，次开关电路对充电电流或放电电流进行分流，但不改变输出的整个电流，第二PMOS晶体管PM2的尺寸要小于第一PMOS晶体管PM1的尺寸，第二NMOS晶体管NM2的尺寸要小于第一NMOS晶体管NM1的尺寸。在优选的实施例中，第二PMOS晶体管PM2的尺寸是第一PMOS晶体管PM1尺寸的1/20，第二NMOS晶体管NM2的尺寸是第一NMOS晶体管NM1尺寸的1/3。
在本申请的另一个实施例中，还可以向主开关电路和次开关电路提供控制信号的反馈电路，其中，将反馈电路的第一端与直流转换电路的第一输出端连接，将反馈电路的第二端与主开关电路的信号端连接，将反馈电路的第二端通过分频电路与次开关电路的信号端连接。其中，该分频电路包括第一分频电路、第二分频电路和与非门电路；将第一分频电路的输入端与反馈电路的第二端连接，将第一分频电路的输出端与与非门电路的第一输入端连接；将第二分频电路的输入端与反馈电路的第二端连接，将第二分频电路的输出端与与非门电路的第二输入端连接；将与非门电路的输出端与次开关电路的信号端连接。
在本申请的实施例中，在直流-直流转换电路系统的输出负载和纹波之间的平衡当中，加入一个输出纹波的抑制，即次开关电路，有效的减小了输出的纹波，同时并为对输出波形造成影响，使使用者对负载有了更多的选择。这种通过增加输出级的次开关电路的方式，以分频信号对次开关电路进行控制，有效的抑制了输出电压的纹波。
至此，已经详细描述了本申请。为了避免遮蔽本申请的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
可能以许多方式来实现本申请的方法以及装置。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本申请的方法以及装置。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本申请的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本申请实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本申请的方法的机器可读指令。因而，本申请还覆盖存储用于执行根据本申请的方法的程序的记录介质。
虽然已经通过示例对本申请的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本申请的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种直流-直流转换电路系统，其特征在于，包括：
主开关电路，包括第一PMOS晶体管和第一NMOS晶体管，所述主开关电路的供压端被施加第一直流电压；
充放电电路，所述充放电电路的输入端与所述主开关电路的输出端连接，所述充放电电路的第一输出端输出第二直流电压；
次开关电路，包括第二PMOS晶体管和第二NMOS晶体管，所述次开关电路的供压端被施加所述第一直流电压，所述次开关电路的输出端与所述主开关电路的输出端连接；所述第二PMOS晶体管的尺寸小于所述第一PMOS晶体管的尺寸，所述第二NMOS晶体管的尺寸小于所述第一NMOS晶体管的尺寸；
反馈电路，用于向所述主开关电路和所述次开关电路提供控制信号；其中，所述反馈电路的第一端与所述充放电电路的第二输出端连接，所述反馈电路的第二端与所述主开关电路的信号端连接，所述反馈电路的第二端通过分频电路与所述次开关电路的信号端连接；其中，所述分频电路包括：第一分频电路，所述第一分频电路的输入端与所述反馈电路的第二端连接，所述第一分频电路的输出端与与非门电路的第一输入端连接，所述第一分频电路为偶分频电路；第二分频电路，所述第二分频电路的输入端与所述反馈电路的第二端连接，所述第二分频电路的输出端与所述与非门电路的第二输入端连接，所述第二分频电路为奇分频电路；与非门电路，所述与非门电路的输出端与所述次开关电路的信号端连接；
其中，所述主开关电路用于控制所述充放电电路进行充放电，当所述充放电电路的充电电流或放电电流大于相应的阈值时，所述次开关电路对所述充电电流或所述放电电流进行分流。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述第二PMOS晶体管的尺寸是所述第一PMOS晶体管尺寸的1/30到1/10，所述第二NMOS晶体管的尺寸是所述第一NMOS晶体管尺寸的1/5到1/2。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：
所述第二PMOS晶体管的尺寸是所述第一PMOS晶体管尺寸的1/20，所述第二NMOS晶体管的尺寸是所述第一NMOS晶体管尺寸的1/3。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述第一分频电路为二分频电路；
所述第二分频电路为五分频电路。
5.一种形成直流-直流转换电路系统的方法，其特征在于，包括：
提供主开关电路、充放电电路和次开关电路；
在所述主开关电路的供压端施加第一直流电压；
将所述充放电电路的输入端与所述主开关电路的输出端连接，以便所述充放电电路的第一输出端输出第二直流电压；
在所述次开关电路的供压端施加所述第一直流电压，将所述次开关电路的输出端与所述主开关电路的输出端连接；
向所述主开关电路和所述次开关电路提供控制信号的反馈电路；
其中，将所述反馈电路的第一端与所述直流转换电路的第一输出端连接，将所述反馈电路的第二端与所述主开关电路的信号端连接，将所述反馈电路的第二端通过分频电路与所述次开关电路的信号端连接；所述分频电路包括第一分频电路、第二分频电路和与非门电路；将所述第一分频电路的输入端与所述反馈电路的第二端连接，将所述第一分频电路的输出端与与非门电路的第一输入端连接，所述第一分频电路为偶分频电路；将所述第二分频电路的输入端与所述反馈电路的第二端连接，将所述第二分频电路的输出端与所述与非门电路的第二输入端连接，所述第二分频电路为奇分频电路；将所述与非门电路的输出端与所述次开关电路的信号端连接；
其中，所述主开关电路用于控制所述充放电电路进行充放电，当所述充放电电路的充电电流或放电电流大于相应的阈值时，所述次开关电路对所述充电电流或所述放电电流进行分流；
所述主开关电路包括第一PMOS晶体管和第一NMOS晶体管；所述次开关电路包括第二PMOS晶体管和第二NMOS晶体管；其中，所述第二PMOS晶体管的尺寸小于所述第一PMOS晶体管的尺寸，所述第二NMOS晶体管的尺寸小于所述第一NMOS晶体管的尺寸。
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