CN110572035A - 一种应用于pwm dc/dc的浮动栅宽自适应切换逻辑电路 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种应用于PWM DC/DC的浮动栅宽自适应切换逻辑电路，该控制逻辑电路主要包括比较器、状态机、分频器和工作监测模块等。加入分频器可避免电路还未进入稳定时又再次改变状态机的状态。经过分频后的时钟信号再用作状态机的时钟，比较器将电流检测信号限定在VL～VH的范围之内，比较器输出判别信号(Vsense1,Vsense2)后，对状态机输出状态(VCLK2,VCLK3)进行转换，状态机的输出信号(VCLK2,VCLK3)通过逻辑门电路来产生控制各级功率管的工作状态的信号，该信号经过反相器buffer后直接用于驱动各级驱动管。工作监测模块则是利用PWM时钟信号对开关信号VP进行监测，出现异常后自动将状态机的状态复位到(0,0)，使得各级功率管开始工作。本发明可以有效提高PWM DC/DC在轻负载的时候的转换效率。

Description

一种应用于PWM DC/DC的浮动栅宽自适应切换逻辑电路
技术领域
本发明属于集成电路设计技术领域，涉及到电源管理芯片设计，尤其涉及PWM DC/DC电路的设计。
背景技术
开关稳压器(Switching Regulator)由于通常用作直流转换，所以又称作DC/DC转换器，可以进行直流电压的降压(Buck)、升压(Boost)、升-降压(Boost-Buck)等转换。由于开关稳压器的功率转换效率比线性稳压器(Linear Regulator)更高和转换可调性而被利用于许多的设备中，成为电源的主流。
DC/DC转换器的控制方式，可以按其反馈调制方式的不同分为两大类。一种是脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)，其特点是开关频率恒定、开关噪声可预测、滤波操作容易。另一种是脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation,PFM)，其特点是频率会变化、开关噪声不稳定、难以滤波，但是PFM比PWM控制方式在轻负载的时候有更高的转换效率表现。
PWM DC/DC的一个缺点是在轻负载的时候，由于开关损耗的存在，会使转换效率急剧下降，很多时候就不得不采用PFM的方式来降低轻负载时候的开关损耗，这样一来失去了PWM输出频率成分单一的优势。除了PFM/PWM混合的方式，还可以采用浮动栅宽的设计，通过减小轻负载时功率管的尺寸来减小寄生电容，从而达到降低开关损耗的目的，而且可以有效地规避PFM带来的频率成分不单一的问题。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种应用于PWM DC/DC的浮动栅宽自适应切换逻辑电路。本发明的技术方案如下：
一种应用于PWM DC/DC的浮动栅宽自适应切换逻辑电路，其包括：比较器、状态机、分频器和工作监测模块，所述分频器和工作监测模块均采用边沿触发器，比较器的输出端(Vsense1,Vsense2)和状态机的输入端相连接，分频器的Q1端和状态机的clk2和clk3端相连接，工作监测模块的Q4端和状态机的Res端相连。
所述比较器采用的是带时钟控制的类型，给的时钟信号与PWM开关信号的频率一致，通过将电流检测信号与两个阈值电压VH和VL进行比较，判断转换核心模块是否工作在高效转换状态，限定电流检测信号在VH和VL之间，超出范围则输出信号改变状态机状态，状态机由D触发器和组合逻辑构成，组合逻辑电路通过接收比较器输出判别信号(Vsense1,Vsense2)后，对状态机输出状态(VCLK2,VCLK3)进行转换；分频器使用的是边沿触发器设计，将原本的PWM时钟信号进行分频操作后再作为状态机的时钟，避免电路还未进入稳定又再次改变状态机的状态；工作监测模块同样采用边沿触发器设计，检测PWM开关信号是否正常，出现异常后自动将状态机的状态复位到(0,0)；最后状态机的输出(VCLK2,VCLK3)利用逻辑门电路来对PWM开关信号进行屏蔽和通过的操作，达到控制功率晶体管工作状态的目的。
进一步的，当判别信号(Vsense1,Vsense2)为(0,1)的时候则状态机的输出经历(0,0)→(0,1)→(1,1)的转换；当判别信号(Vsense1,Vsense2)为(1,0)的时候则状态机的输出经历(1,1)→(1,0)→(0,0)的转换；当判别信号(Vsense1,Vsense2)为(1,1)的时候则状态机的状态不变，状态机的输出再用于控制各级功率管的工作状态；
进一步的，所述状态机的输出状态通过逻辑门来控制功率管的工作状态，而并非通过控制传输门的通断来控制，经过逻辑门电路后的信号再通过反相器buffer作为功率管的驱动信号。
进一步的，所述分频器的作用在于产生一个比系统中与脉冲控制信号同频率的时钟信号VCLK频率更低的信号，避免电路还未进入稳定又再次改变状态机的状态；工作监测模块对POMS功率级的驱动信号VP信号进行监测，当监测到VP信号始终保持在高电位导致功率级都无法工作时就将状态机的输出置位到(1,1)，使功率级恢复工作。图2中，VP2和VN2、VP3和VN3分别表示经过反相器buffer后的第二和第三功率级的驱动信号。
进一步的，所述状态机的输出(VCLK2,VCLK3)利用逻辑门电路来对PWM开关信号进行屏蔽和通过的操作的逻辑门电路是与门和或门。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明为解决目前对浮动栅宽DC/DC设计中多级功率管自适应切换的问题，本发明提出了一种浮动栅宽自适应切换逻辑。该逻辑结构主要由比较器、状态机、分频器和工作监测模块构成。其中，比较器采用的是带时钟控制的类型，通过将电流检测信号与两个阈值电压进行比较，判断转换核心模块是否工作在高效转换状态；状态机由D触发器和组合逻辑构成，在接收到比较器输出的判断信号后，对各个触发器输出状态进行转变，触发器的输出再用于控制各级功率管的工作状态；分频器使用的是边沿触发器设计，将原本的PWM时钟信号进行分频操作后再作为状态机的时钟，避免电路还未进入稳定又再次改变状态机的状态；工作监测模块同样采用边沿触发器设计，监测PWM开关信号是否正常，出现异常后自动将控制信号电路复位。最后，通过与门和或门对PWM开关信号屏蔽或通过。
本发明的主要创新点在于状态机的设计，此结构将切换不同尺寸功率级的操作转换成了状态机的不同状态的切换，即当需要大尺寸功率级工作时，判别信号(Vsense1,Vsense2)为(0,1)，状态机的输出经历(0,0)→(0,1)→(1,1)的转换；当需要小尺寸功率级工作时，判别信号(Vsense1,Vsense2)为(1,0)，状态机的输出经历(1,1)→(1,0)→(0,0)的转换；当前功率级满足需要时，判别信号(Vsense1,Vsense2)为(1,1)，状态机的状态不变。然后再由状态机的输出控制各级功率管的工作状态。这种结构的优点在于，当需要更加细分功率级或者增加功率级尺寸的时候，可以根据需要选择状态机的位数，以满足更多的设计需求。该发明创新难点在于实现了基本功能的同时使得该结构具有根据实际需要拓展的通用性。
本发明的第二创新点在于，加入了分频器结构和工作监测模块，其中分频器的作用在于将PWM时钟信号VCLK进行分频，然后把分频后的信号Q1作为状态机的时钟信号clk2、clk3，保证有足够的时间让整个开关电源系统输出稳定，避免在不稳定的状态再次切换状态机的输出。工作检测模块的作用在于对功率管的工作状态进行检测，当监测到VP信号始终保持在高电位导致功率级都无法工作时就将状态机的输出置位到(1,1)，使功率级恢复工作。该发明创新的难点在于考虑到了电路的稳定性，保证了状态机可以正常工作。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例PWM DC/DC系统框图；
图2是本发明提供优选实施例Light Control自适应切换逻辑电路图；
图3是自适应切换逻辑工作波形图；
图4是转换效率仿真曲线。
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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
如图1所示为PWM DC/DC系统框图。图中，三组并联MOS管作为浮动栅宽功率级第一级、第二级和第三级。虚线框部分Light Control Circuit为本发明部分，具体的电路结构如图2所示。由图可知，该结构主要由状态机、分频器和工作监测模块组成，状态机是整个逻辑的核心部分，通过判别信号(Vsense1,Vsense2)对状态机输出状态(VCLK2,VCLK3)进行转换，当判别信号为(0,1)的时候则状态机的输出经历(0,0)→(0,1)→(1,1)的转换。当判别信号为(1,0)的时候则状态机的输出经历(1,1)→(1,0)→(0,0)的转换。当判别信号为(1,1)的时候则状态机的状态不变。分频器的作用在于产生一个比VCLK信号频率更低的信号，避免电路还未进入稳定又再次改变状态机的状态；工作监测模块对VP信号进行监测，当监测到VP信号始终保持在高电位导致功率级都无法工作时就将状态机的输出置位到(1,1)，使功率级恢复工作。最后，用状态机的输出通过逻辑门电路来控制各功率级的工作状态。
如图3所示，为电路仿真主要信号的波形，最下侧为负载电流IOUT，可以看出在负载电流为200mA时，驱动信号VP2和VP3均正常驱动功率管；当负载电流下降到50mA时，第三级功率管的驱动信号VP3始终处于高电位，不再驱动第三段功率管工作；当负载电流为200μA时，第二级与第三级功率管的驱动信号VP2和VP3始终处于高电位，不再驱动这两级功率管工作。从整个仿真结果看，该逻辑结构可以实现浮动栅宽自适应切换。
如图4所示，为有浮动栅宽自适应切换设计的DC/DC和传统的PWM DC/DC在相同负载范围内的效率曲线仿真图。纵轴为转换效率值，横轴为负载电流。曲线①为有浮动栅宽自适应切换逻辑的PWM DC/DC的效率曲线，曲线②是没有浮动栅宽自适应切换逻辑的传统PWMDC/DC效率仿真曲线。由图可以看出，当负载电流低于200μA时，带有浮动栅宽自适应切换逻辑的PWM DC/DC的转换效率相较于传统的PWM DC/DC有显著的提升，在负载电流降低到100μA的时候，转换效率提升值ΔEfficiency＝35％。说明浮动栅宽自适应切换逻辑电路可以在不采用PFM控制方式的情况下对开关电源的轻负载转换效率进行提升。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种应用于PWM DC/DC的浮动栅宽自适应切换逻辑电路，其特征在于，包括：比较器、状态机、分频器和工作监测模块，所述分频器和工作监测模块均采用边沿触发器，比较器的输出端(Vsense1,Vsense2)和状态机的输入端相连接，分频器的Q1端和状态机的clk2和clk3端相连接，工作监测模块的Q4端和状态机的Res端相连；
所述比较器采用的是带时钟控制的类型，给的时钟信号与PWM开关信号的频率一致，通过将电流检测信号与两个阈值电压VH和VL进行比较，判断转换核心模块是否工作在高效转换状态，限定电流检测信号在VH和VL之间，超出范围则输出信号改变状态机状态，状态机由D触发器和组合逻辑电路构成，组合逻辑电路通过接收比较器输出判别信号(Vsense1,Vsense2)后，对状态机输出状态(VCLK2,VCLK3)进行转换；分频器使用的是边沿触发器设计，将原本的PWM时钟信号进行分频操作后再作为状态机的时钟，避免电路还未进入稳定又再次改变状态机的状态；工作监测模块同样采用边沿触发器设计，检测PWM开关信号是否正常，出现异常后自动将状态机的状态复位到(0,0)；最后状态机的输出(VCLK2,VCLK3)利用逻辑门电路来对PWM开关信号进行屏蔽和通过的操作，达到控制功率晶体管工作状态的目的。
2.根据权利要求1所述的应用于PWM DC/DC的浮动栅宽自适应切换逻辑电路，其特征在于，当判别信号(Vsense1,Vsense2)为(0,1)的时候则状态机的输出经历(0,0)→(0,1)→(1,1)的转换；当判别信号(Vsense1,Vsense2)为(1,0)的时候则状态机的输出经历(1,1)→(1,0)→(0,0)的转换；当判别信号(Vsense1,Vsense2)为(1,1)的时候则状态机的状态不变，状态机的输出再用于控制各级功率管的工作状态。
3.根据权利要求1所述的应用于PWM DC/DC的浮动栅宽自适应切换逻辑电路，其特征在于，所述状态机的输出状态通过逻辑门来控制功率管的工作状态，而并非通过控制传输门的通断来控制，经过逻辑门电路后的信号再通过反相器buffer作为功率管的驱动信号。
4.根据权利要求1所述的应用于PWM DC/DC的浮动栅宽自适应切换逻辑电路，其特征在于，所述分频器的作用在于产生一个比系统中与脉冲控制信号同频率的时钟信号VCLK频率更低的信号，避免电路还未进入稳定又再次改变状态机的状态；工作监测模块对POMS功率级的驱动信号VP信号进行监测，当监测到VP信号始终保持在高电位导致功率级都无法工作时就将状态机的输出置位到(1,1)，使功率级恢复工作。图2中，VP2和VN2、VP3和VN3分别表示经过反相器buffer后的第二和第三功率级的驱动信号。
5.根据权利要求1所述的应用于PWM DC/DC的浮动栅宽自适应切换逻辑电路，其特征在于，所述状态机的输出(VCLK2,VCLK3)利用逻辑门电路来对PWM开关信号进行屏蔽和通过的操作的逻辑门电路是与门和或门。
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