CN109728718A - 一种集成电路内部的低功耗电压转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集成电路内部的低功耗电压转换器，包括电流源，脉冲产生器和降压电路，电流源包括一个参考电压和一个参考电阻，脉冲产生器包括第一开关、第二开关、电容、电压检测器、电压比较器和阈值电压，降压电路包括一个三极管、一个二极管、一个电感、一个保险丝、一个滤波电容、一个负载电阻和一个去耦电容，本发明通过降压电路将特定占空比的高压脉冲信号转化为低压信号，通过电压比较器来控制脉冲信号的占空比，通过三极管实现开关，相对于开关稳压器switch Regulator，成本更低，而且不影响PCB布局，相比于线性稳压器LDO，功率明显降低，性能更加稳定，同时，本发明结构简单，易于实现。

Description

一种集成电路内部的低功耗电压转换器

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体的说是涉及一种集成电路内部的低功率电压转换器。

背景技术

集成电路因为各个模块功能不同需要多个输入电压。电路板上的供电 PowerSupply大多采用单一的高电压，此时就需要电压转换器将其转化为集成电路所需要的低电压。

目前，市场上用于集成电路常见的电压转换器为线性稳压器LDO和开关稳压器Switch Regulator，线性稳压器LDO的功耗较大，开关稳压器Switch Regulator的成本较高，易造成PCB布局困难。

因此，如何提供一种低功耗电压转换器是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种低功耗电压转换器，通过降压电路将特定占空比的高压脉冲信号转化为低压信号，通过电压比较器来控制脉冲信号的占空比，通过三极管实现开关，相对于开关稳压器switch Regulator，成本更低，而且不影响PCB布局，相比于线性稳压器LDO，功率明显降低，性能更加稳定，同时，本发明结构简单，易于实现。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种集成电路内部的低功率电压转换器，包括电流源、脉冲产生器和降压电路；所述电流源产生参考电流；所述参考电流进入脉冲产生器，同时所述脉冲产生器外接阈值电压，得到脉冲信号；根据所述阈值电压调整脉冲信号的占空比；所述脉冲信号进入所述降压电路控制输入电压的电压值。

优选的，在上述的一种集成电路内部的低功率电压转换器中，所述电流源与参考电阻的一端连接；所述参考电阻的另一端接地。

优选的，在上述的一种集成电路内部的低功率电压转换器中，所述参考电阻采用集成电路中的内部电阻或采用外部电阻。

脉冲发生器，包括第一开关、第二开关、振荡电容、电压侦测器和电压比较器，其中：流经所述参考电阻的参考电流流入所述第一开关；所述第一开关与所述电压侦测器连接；所述振荡电容的一端连接电压侦测器，另一端接地；所述振荡电容充放电产生固定频率的锯齿波信号；所述电压侦测器同时通过第二开关连接到地；锯齿波信号与阈值电压信号做为所述电压比较器的输入，所述电压比较器的输出端得到脉冲信号，与所述降压电路连接。

电流源的电压值U一般设定在1V-1.5V之间，参考电阻的电阻值R一般设定在50-100欧姆之间；

集成电路获取的基准电流I＝U/R,电流精度不会受到集成电路制成的影响；

所述振荡电容的电容值一般设定在10-100皮法。

所述脉冲产生器的实现方法为:集成电路根据电压侦测器的结果控制第一开关和第二开关，当第一开关关闭，第二开关打开时，基准电流对振荡电容充电，当第一开关打开，第二开关闭合时，振荡电容放电，以此循环，通过对电容充放电产生精准频率的锯齿波，作为集成电路内部的基准频率信号 (需要了解的是：此处的第一开关和第二开关可以理解为三极管B极到E极是否导通)。

基准频率信号一般控制在10-100MHz左右。

集成电路内部各个电路模块所需的时钟信号都采用基准频率信号经过 PLL锁相环倍频产生的，以实现各个模块的时钟同步。

一种集成电路内部的降压电路，包括：直流电源、保险丝、脉冲信号发生器、三极管、电感、滤波电容和负载电阻；

其中，所述直流电源一端接地，另一端与所述保险丝的一端连接；所述保险丝的另一端与所述三极管的集电极连接；所述三极管的集电极同时与所述电感的一端连接；所述电感的另一端连接所述滤波电容的一端；所述滤波电容的另一端接地；所述三极管的基极与所述脉冲信号发生器连接，所述三极管的发射基接地；所述负载电阻与所述滤波电容并联；所述负载电阻的两端为输出端。

通过上述的技术方案，本发明 的技术效果在于：转换效率高，可以达到95％以上，而一般的线性电压转换器LDO的转换效率最高在40％-50％之间，功耗对于集成电路是非常重要的，功耗小，成本低且不影响PCB布局的降压电路。

优选的，在上述的一种集成电路内部的降压电路中，还包括：二极管；所述二极管的负极与所述集电极连接；所述二极管的正极与所述发射极连接。

通过上述的技术方案，本发明 的技术效果在于：用于防止电流倒灌。

优选的，在上述的一种集成电路内部的降压电路中，还包括：去耦电容；所述去耦电容与所述负载电阻并联。

通过上述的技术方案，本发明 的技术效果在于：去耦电容两端为电压输出端，用于滤除电源噪声。

优选的，在上述的一种集成电路内部的降压电路中，还包括反馈电路；所述反馈电路与所述输出端连接。

通过上述的技术方案，本发明 的技术效果在于：降压电路实际输出电压的值可能与理论值有一定误差，主要在与三极管的产品参数对电压转换器的影响很大，在输出电压的后端加入反馈电路，能够有效地提高电压转换精度。

优选的，在上述的一种集成电路内部的降压电路中，所述脉冲信号发生器产生的脉冲信号的占空比控制在10％-70％。

优选的，在上述的一种集成电路内部的降压电路中，所述电感的电感值在10-100H之间。

优选的，在上述的一种集成电路内部的降压电路中，所述滤波电容的电容值在10-50pF。

优选的，在上述的一种集成电路内部的降压电路中，所述保险丝的熔断电流在3-5A。

优选的，在上述的一种集成电路内部的降压电路中，所述二极管的最大整流电流为1-2A。

优选的，在上述的一种集成电路内部的降压电路中，所述去耦电容为 0.1mF。

通过上述的技术方案，本发明 的技术效果在于：只需要调节脉冲信号的占空比就可以迅速控制降压电路输出电压的电压值，操作较为简单灵活。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种集成电路内部的低功耗电压转换器，通过降压电路将特定占空比的高压脉冲信号转化为低压信号，通过电压比较器来控制脉冲信号的占空比，通过三极管实现开关，相对于开关稳压器switchRegulator，成本更低，而且不影响PCB 布局，相比于线性稳压器LDO，功率明显降低，性能更加稳定，同时，本发明结构简单，易于实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明的低功耗电压转换器的结构图；

图2是本发明的脉冲产生器的结构图；

图3是本发明的振荡电容充放电产生固定频率信号的方法；

图4是本发明的通过调节阈值电压来控制脉冲信号占空比的示意图；

图5是本发明的降压电路的电路图。

在图中：1电流源、12参考电阻、2脉冲产生器、21第一开关、22第二开关、23振荡电容、24电压检测器、25电压比较器、3降压电路、31直流电源、32保险丝、33三极管、34二极管、35电感、36滤波电容、37负载电阻、 38去耦电容。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种集成电路内部的低功耗电压转换器，通过降压电路将特定占空比的高压脉冲信号转化为低压信号，通过电压比较器来控制脉冲信号的占空比，通过三极管实现开关，相对于开关稳压器switch Regulator，成本更低，而且不影响PCB布局，相比于线性稳压器LDO，功率明显降低，性能更加稳定，同时，本发明结构简单，易于实现。

请参阅图1，本发明的低功耗电压转换器的大体架构，包括电流源1、脉冲产生器2、降压电路3，其中：

电流源用于产生参考电流，提供给脉冲产生器；

脉冲产生器通过调节阈值电压产生占空比可调的脉冲控制信号；

降压电路接收到脉冲控制信号，将直流输入电压转化为电压值较小的输出电压。

最终通过调节脉冲产生器内部的阈值电压可以控制低功耗电压转换器输出电压和输入电压的比例。

请参阅附图2、3，脉冲发生器2包括：第一开关21、第二开关22、振荡电容23、电压侦测器24和电压比较器25，其中：流经参考电阻12的参考电流流入第一开关21；第一开关21与电压侦测器24连接；振荡电容23的一端连接电压侦测器24，另一端接地；振荡电容23充放电产生固定频率的锯齿波信号；电压侦测器24同时通过第二开关22连接到地；锯齿波信号与阈值电压信号做为电压比较器25的输入，电压比较器25的输出端得到脉冲信号，与降压电路连接。

为了进一步优化上述技术方案，电流源1与参考电阻12的一端连接；所述参考电阻的另一端接地。

集成电路首先控制第一开关关闭，第二开关打开，基准电流对振荡电容充电，电容上的电压上升，当电压侦测器检测到电压上升到V1时，集成电路控制第一开关打开，第二开关闭合时，振荡电容放电，电容上的电压下降，当电压侦测器检测到电压下降到V2时，集成电路又控制第一开关关闭，第二开关打开，基准电流重新对振荡电容充电，电容上的电压上升，直到电压侦测器检测到电压上升到V1，以此循环，通过对电容充放电产生精准频率的锯齿波，作为集成电路内部的基准频率信号。

请参阅图4，电压比较器的一个输入是固定频率的锯齿波，另一个输入是阈值电压，电压比较器会比较两个输入的电压大小；

当锯齿波的输入电压值大于阈值电压时，电压比较器会输出高电平；当锯齿波的输入电压小于阈值电压时，电压比较器会输出低电平

从图4中可知，电压比较器会输出与锯齿波相同频率的脉冲控制信号，其占空比由阈值电压大小来决定，图中第一阈值电压大于第二阈值电压，因此第一阈值电压下，锯齿波的输入电压值大于第一阈值电压的时间也就更少一些，电压比较器输出高电平的时间也就更少一点，脉冲信号的占空比也就更小一点。

从图4中可以看到第一阈值电压下产生的第一脉冲信号的占空比明显小于第二阈值电压下产生的第二脉冲信号的占空比。

请参阅附图5,降压电路，包括：直流电源31、保险丝32、脉冲产生器2、三极管33、电感35、滤波电容36和负载电阻37；

其中，直流电源31一端接地，另一端与保险丝32的一端连接；保险丝 32的另一端与三极管33的集电极连接；三极管33的集电极同时与电感35的一端连接；电感35的另一端连接滤波电容36的一端；滤波电容36的另一端接地；三极管33的基极与脉冲信号发生器连接，三极管33的发射基接地；负载电阻37与滤波电容36并联；负载电阻37的两端为输出端。

为了进一步优化上述技术方案，还包括：二极管34；二极管34的负极与集电极连接；二极管34的正极与发射极连接。

为了进一步优化上述技术方案，还包括：去耦电容38；去耦电容38与负载电阻37并联。

为了进一步优化上述技术方案，脉冲信号发生器产生的脉冲信号的占空比控制在10％-70％。

为了进一步优化上述技术方案，电感35的电感值在10-100H之间。

为了进一步优化上述技术方案，滤波电容36的电容值在10-50pF。

为了进一步优化上述技术方案，还包括反馈电路；反馈电路与输出端连接。

为了进一步优化上述技术方案，二极管34的最大整流电流为1-2A。

为了进一步优化上述技术方案，去耦电容38的电容值为0.1mF。

为了进一步优化上述技术方案，脉冲信号发生器为可变占空比脉冲信号发生器。

工作原理：

三极管33采用NPN型，脉冲信号控制三极管33的基极(B极)和发射极(E极) 的通断，当脉冲信号为高电平时，基极(B极)和发射极(E极)导通，此时集电极 (C极)的输入电压直接流入到地，集电极为低电平；当脉冲信号为低电平时，基极(B极)和发射极(E极)断掉，此时集电极(C极)的输入电压直接流入到低通滤波器的电感35中，此时集电极为高电平，电压值为Vin。

集电极(C极)的电压信号因此也成为了与输入脉冲信号相同频率，相同占空比的脉冲信号。

假设输入到基极(B极)的脉冲信号的占空比为s％，那么集电极(C极)的电压信号的占空比同样为s％，集电极(C极)的输出信号的幅度为Vin，经过电感 35和电容组成的低通滤波器，变成电压为Vout的低压信号。

二极管34连接在三极管33的集电极(C极)和发射极(E极)，用于防止电流倒灌。

降压电路的电感35和滤波电容36组成了一个低通滤波器，用于滤掉输入电压的纹波，同时将脉冲信号转化为低压信号，其低压值由占脉冲信号的空比决定；

理论计算，Vout＝s％*Vin。假设输入信号是5V,如果想要转化为1.2V的低压，就需要脉冲产生器产生占空比为1.2V/5V＝24％的脉冲信号.

降压电路实际输出电压的值可能与理论值有一定误差，主要在与三极管 33的产品参数对电压转换器的影响很大，建议在输出电压的后端加入反馈电路，能够有效地提高电压转换精度。

降压电路中的负载电阻37用来匹配输出电压的阻抗，连接在低通滤波器的后端，避免出现信号的反射。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种集成电路内部的低功率电压转换器，其特征在于，包括电流源、脉冲产生器和降压电路；所述电流源产生参考电流；所述参考电流进入脉冲产生器，同时所述脉冲产生器外接阈值电压，得到脉冲信号；根据所述阈值电压调整脉冲信号的占空比；所述脉冲信号进入所述降压电路控制输入电压的电压值。

2.根据权利要求1所述的一种集成电路内部的低功率电压转换器，其特征在于，所述电流源与参考电阻的一端连接；所述参考电阻的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的一种集成电路内部的低功率电压转换器，其特征在于，所述参考电阻采用集成电路中的内部电阻或采用外部电阻。

4.根据权利要求1所述的一种集成电路内部的低功率电压转换器，其特征在于，所述脉冲发生器包括：第一开关、第二开关、振荡电容、电压侦测器和电压比较器，其中：流经所述参考电阻的参考电流流入所述第一开关；所述第一开关与所述电压侦测器连接；所述振荡电容的一端连接电压侦测器，另一端接地；所述振荡电容充放电产生固定频率的锯齿波信号；所述电压侦测器同时通过第二开关连接到地；锯齿波信号与阈值电压信号做为所述电压比较器的输入，所述电压比较器的输出端得到脉冲信号，与所述降压电路连接。

5.根据权利要求1或4所述的一种集成电路内部的低功率电压转换器，其特征在于，所述降压电路包括：直流电源、保险丝、三极管、电感、滤波电容和负载电阻；其中，所述直流电源一端接地，另一端与所述保险丝的一端连接；所述保险丝的另一端与所述三极管的集电极连接；所述三极管的集电极同时与所述电感的一端连接；所述电感的另一端连接所述滤波电容的一端；所述滤波电容的另一端接地；所述三极管的基极与所述脉冲产生器连接，所述三极管的发射基接地；所述负载电阻与所述滤波电容并联；所述负载电阻的两端为输出端。

6.根据权利要求5所述的一种集成电路内部的低功率电压转换器，其特征在于，还包括：二极管；所述二极管的负极与所述集电极连接；所述二极管的正极与所述发射极连接。

7.根据权利要求5所述的一种集成电路内部的低功率电压转换器，其特征在于，还包括：去耦电容；所述去耦电容与所述负载电阻并联。

8.根据权利要求5所述的一种集成电路内部的低功率电压转换器，其特征在于，还包括反馈电路；所述反馈电路与输出端连接。