CN113162412A - 用于dc-dc开关电源电路中pfm/pwm切换的电路 - Google Patents

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Abstract

发明公开了一种用于DC‑DC开关电源电路中PFM/PWM切换的电路，包括依次连接的自偏置电流产生电路，频率可调振荡器电路和开关信号产生逻辑电路，该电路将脉冲频率调制模式和脉冲宽度调制模式结合起来，根据输入电压输出电压以及负载电流来自动选择DC‑DC开关电源的工作模式。本发明解决了两种模式切换时产生的突变点，从而能够降低PFM/PWM切换时的输出纹波。

Description

用于DC-DC开关电源电路中PFM/PWM切换的电路
技术领域
本发明属于集成电路的技术领域。
背景技术
体积小，重量轻，效率高，性能好是DC-DC开关电源追求的目标。为了实现开关电源的体积小，重量轻，开关电源的频率越来越高，但是开关频率的提高造成了轻载情况下损耗大，效率低，因此在进行DC-DC开关电源控制芯片设计时需要将脉冲宽度调制模式(PWM)和脉冲频率调制模式(PFM)两种结合起来，在重载的情况下使用PWM模式，提高频率，而在轻载的情况下使用PFM模式，降低频率，减小开关损耗，从而提高轻载下的效率。
在进行DC-DC开关电源控制芯片设计时，现有的双模式自动切换电路的设计一般是先设定一个固定的切换点，然后通过系统的工作状态，将电压模的运放输出和这个设定的切换点进行比较，然后选择是工作在PWM模式还是工作在PFM模式。这种实现PWM/PFM自动切换的技术，在DC-DC开关电源的工作状态在达到PWM工作条件之前，不能鲜明地产生分散的脉冲，而是产生成群的脉冲导致输出电压纹波幅度增大，轻载效率也被降低，两种模式不能实现平滑切换。
发明内容
发明目的：为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于DC-DC开关电源电路中PFM/PWM切换的电路。
技术方案：本发明提供了一种用于DC-DC开关电源电路中PFM/PWM切换的电路，包括自偏置电流产生电路，频率可调振荡器电路，输入电源和开关信号产生逻辑电路；所述频率可调振荡器电路包括第一～三输入端和输出端，所述开关信号产生逻辑电路包括第一、二输入端和输出端；所述自偏置电流产生电路的输入端连接输入电源，输出端连接频率可调振荡器电路的第一输入端；所述频率可调振荡器电路的第二输入端和第三输入端均连接外部PFM信号，输出端连接开关信号产生逻辑电路的第一输入端；所述开关信号产生逻辑电路的第二输入端连接外部PFM信号，输出端输出PWM信号或PFM信号。
进一步的，所述自偏置电流产生电路包括第一、二增强型PMOS管，耗尽型NMOS管，第一增强型NMOS管和第一电阻；所述第一增强型PMOS管的源极作为自偏置电流产生电路的输入端与第二增强型PMOS管的源极连接；所述第一增强型PMOS管的栅极和漏极短接，且第一增强型的PMOS管的栅极作为自偏置电流产生电路的输出端连接第二增强型PMOS的栅极和耗尽型NMOS管的漏极；所述第二增强型PMOS管的漏极连接耗尽型NMOS管的栅极和第一增强型NMOS管的漏极；所述第一增强型NMOS的源极接地，栅极连接第一耗尽型NMOS源极和第一电阻的一端，所述第一电阻的另外一端接地。
进一步的，所述频率可调振荡器电路包括第三～十六增强型PMOS管，第二～十三增强型NMOS管，第一、二电容和第一与非门；所述第三增强型PMOS管的栅极作为频率可调振荡器电路的第一输入端，分别与第四至八增强型PMOS管的栅极连接；第三～八增强型PMOS管的源极均连接输入电源；第三增强型PMOS管的漏极连接第九增强型PMOS管的源极；所述第九增强型PMOS管的漏极与第二增强型NMOS管的漏极，第一电容的一端以及第三增强型NMOS管的栅极连接；第一电容的另一端，第二增强型NMOS管的源极以及第三增强型NMOS管的源极均接地；将第三增强型NMOS管的漏极标记为G点，与第四增强型PMOS管的漏极连接；所述第四增强型NMOS管的栅极与漏极短接后与G点连接，第四增强型NMOS管的源极与第五增强型NMOS管的栅极连接；所述第五增强型NMOS管的栅极与漏极短接，源极接第六增强型NMOS管的漏极；所述第六增强型NMOS管的源极接地；所述第十增强型PMOS管的栅极和第七增强型NMOS管的栅极均连接G点；第十增强型PMOS管的源极接第五增强型PMOS管的漏极，第十增强型PMOS管的漏极连接第七增强型NMOS管的漏极和第一与非门的一个输入端，所述第七增强型NMOS管的源极接地；所述第一与非门的另外一个输入端连接第九增强型PMOS管的栅极和第二增强型NMOS管的栅极；将第一与非门的输出端标记为A点，并将A点与第六增强型NMOS管的栅极，第十一增强型PMOS管的栅极，第八增强型NMOS管的栅极，第十六增强型PMOS管的栅极以及第十三增强型NMOS管的栅极连接；所述第十一增强型PMOS管的源极接第六增强型PMOS管的漏极，漏极连接八增强型NMOS管的漏极，第二电容一端，第十二增强型PMOS管的栅极以及第九增强型NMOS管的栅极；所述第八增强型NMOS管的源极和第二电容的另外一端均接地；所述第十二增强型PMOS管的源极接第七增强型PMOS管的漏极，第十二增强型PMOS管的漏极连接第九增强型NMOS管的漏极，第十三增强型PMOS管的栅极以及第十增强型NMOS管的栅极；所述第九增强型NMOS管的源极接地；所述第十三增强型PMOS管的源极接第八增强型PMOS管的漏极；第十三增强型PMOS管的漏极连接第十增强型NMOS管的漏极，第十四增强型PMOS管的栅极及第十二增强型NMOS管的栅极；所述第十增强型NMOS管的源极接地；所述第十四增强型PMOS管的源极和第十五增强型PMOS管的源极均连接输入电源；所述第十五增强型PMOS管的栅极连接作为频率可调振荡器电路的第二输入端连接外部PFM信号，漏极连接第十四增强型PMOS管的漏极以及第十六增强型PMOS管的源极；将第十六增强型PMOS管的漏极标记为E点，作为频率可调电路的输出端；E点连接第十一增强型NMOS管的漏极，第十三增强型NMOS管的漏极以及第一与非门的第三输入端；所述第十一增强型NMOS管的栅极作为频率可调振荡器电路的第三输入端连接外部PFM信号，漏极连接第十二增强型NMOS管的漏极，所述第十二增强型NMOS管的源极和第十三增强型NMOS管的源极均接地。
进一步的，所述开关信号产生逻辑电路包括第一非门和第二与非门，所述第一非门的输入端连接外部PFM信号，输出端连接第二与非门的第二输入端；所述第二与非门的第一输入端连接频率可调振荡器电路的输出端；所述第二与非门的输出端作为开关信号产生逻辑电路的输出端，输出开关信号。
有益效果：本发明在PWM/PFM自动转换过程中抑制了局部性的脉冲群，维持着被平均分散的电流，能够连续地从PFM工作过渡到PWM工作；且由于本发明中频率的变化是线性的，所以解决了两种模式切换时产生的突变点，从而能够降低PFM/PWM切换时的输出纹波。
附图说明
图1是本发明的系统框图。
图2是本发明的电路原理图。
图3是PFM切换的工作时序图。
图4是PWM切换的工作时序图。
具体实施方式
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
如图1，2所示，本实施例提供了一种用于DC-DC开关电源电路中PFM/PWM切换的电路包括自偏置电流电路，频率可调振荡器电路，开关信号产生逻辑电路和输入电源VCC。
所述的自偏置电路包括：第一增强型PMOS管MP1，第二增强型PMOS管MP2，第一耗尽型NMOS管DN1，第一增强型NMOS管MN1，以及第一电阻R1。所述第一增强型PMOS管MP1的源极和第二增强型PMOS管MP2的源极都接输入电源VCC。第一增强型的PMOS管MP1的栅极和漏极短接后接第二增强型PMOS管MP2的栅极以及第一耗尽型NMOS管DN1的漏极。第二增强型PMOS管MP2的漏极与第一耗尽型NMOS管的栅极短路后连接第一增强型NMOS管NM1的漏极，第一增强型NMOS管MN1的源极接地，第一增强型NMOS管MN1栅极与第一耗尽型NMOS管DN1的源极短接然后再连接第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端则接地。
所述频率可调振荡器电路包括第三增强型PMOS管MP3，第四增强型PMOS管MP4，第五增强型PMOS管MP5，第六增强型PMOS管MP6，第七增强型PMOS管MP7，第八增强型PMOS管MP8，第九增强型PMOS管MP9，第十增强型PMOS管MP10，第十一增强型PMOS管MP11，第十二增强型PMOS管MP12，第十三增强型PMOS管MP13，第十四增强型PMOS管MP14，第十五增强型PMOS管MP15，第十六增强型PMOS管MP16，还包括第二增强型NMOS管MN2，第三增强型NMOS管MN3，第四增强型NMOS管MN4，第五增强型NMOS管MN5，第六增强型NMOS管MN6，第七增强型NMOS管MN7，第八增强型NMOS管MN8，第九增强型NMOS管MN9，第十增强型NMOS管MN10，第十一增强型NMOS管MN11，第十二增强型NMOS管MN12，第十三增强型NMOS管MN13，第一电容C1，第二电容C2以及第一与非门NOR1。上述增强型PMOS管MP3、MP4、MP5、MP6、MP7和MP8的栅极都与第一增强型PMOS管MP1的栅极和漏极相连，它们的源极都是接输入电源。第三增强型PMOS管MP3的漏极连接的是第九增强型PMOS管MP9的源极，而第九增强型PMOS管MP9的漏极则是与第二增强型NMOS管MN2的漏极短路(F点)然后再接第一电容C1的一端以及第三增强型NMOS管MN3的栅极。第一电容C1的另一端，第二增强型NMOS管MN2的源极、第三增强型NMOS管MN3的源极都是接地的。第三增强型NMOS管MN3的漏极与第四增强型PMOS管MP4的漏极短路(G点)，第四增强型NMOS管MN4的栅极漏极短接然后接G点。第五增强型NMOS管MN5的栅极漏极短接然后第四增强型NMOS管MN4的源极，而它的源极接第六增强型NMOS管MN6的漏极，第六增强型NMOS管MN6的源极则接地，MN6的栅接第一与非门输出(A点)。第十增强型PMOS管MP10和第七增强型NMOS管MN7的栅极短路后接G点，两者漏极短路接第一与非门的一端输入。第十增强型PMOS管MP10的源极接第五增强型PMOS管MP5的漏极，第七增强型NMOS管MN7的源极接地。第一与非门的输出(A点)接第六增强型NMOS管MN6，第十一增强型PMOS管MP11，第八增强型NMOS管MN8，第十六增强型PMOS管MP16和第十三增强型NMOS管MN13的栅极。第十一增强型PMOS管MP11的源极接第六增强型PMOS管MP6的漏极，第八增强型NMOS管MN8的源极接地，它们的漏极短路后接第二电容C2的一端和第十二增强型PMOS管MP12的栅极以及第九增强型NMOS管MN9的栅极，第二电容的另一端接地。第十二增强型PMOS管MP12的源极接第七增强型PMOS管MP7的漏极，第九增强型NMOS管MN9的源极接地，它们的漏极短路接第十三增强型PMOS管MP13的栅极以及第十增强型NMOS管MN10的栅极。第十三增强型PMOS管MP13的源极接第八增强型PMOS管MP8的漏极，第十增强型NMOS管MN10的源极接地，它们的漏极短路接第十四增强型PMOS管MP14的栅极以及第十二增强型NMOS管MN12的栅极。第十四增强型PMOS管MP14的源极和第十五增强型PMOS管MP15的源极都接输入电源，漏极短路接第十六增强型PMOS管MP16的源极。第十二增强型NMOS管MN12的源极和第十三增强型NMOS管MN13的源极都接地。第十二增强型NMOS管MN12的漏极和第十一增强型NMOS管MN11的源极短接，而第十一增强型NMOS管MN11的漏极和第十三增强型NMOS管MN13的漏极短接后接第十六增强型PMOS管MP16的漏极(E点)。E点同时连接了第九增强型PMOS管MP9的栅极和第二增强型NMOS管MN2的栅极以及第一与非门的一端输入，第一与非门的还有一端输入接的是使能信号EN。第十五增强型PMOS管MP15的栅极和第十一增强型NMOS管MN11的栅极都接外部PFM信号。
所述的开关信号产生逻辑电路包括第一非门NOT1和第二与非门NOR2。第一非门NOT1的输入是外部PFM信号，输出连接第二与非门NOR2的一端，而第二与非门NOR2的另一端则连接节点E。第二与非门的输出(SW2)就是开关电源中控制功率管的开关信号。
增强型NMOS管MN1的阈值除以电阻R1可以得到一个自偏置电流i。增强型PMOS管MP3、MP4、MP5、MP6、MP7、MP8和自偏置电流产生电路中的增强型PMOS管MP1分别构成电流镜，按比例拷贝MP1的电流，得到各自所需的电流。MP3拷贝得到的电流在MP9导通，MN2截止时对电容C1进行充电，标记C1电容从零上升到增强型NMOS管MN3的阈值电压的时间为T1，而MP6拷贝得到的电流在MP11导通，在MN8截止时对电容C2进行充电，标记C2电容从零上升到使得节点C翻转的电位的时间为T2，T1+T2就是频率可调震荡器电路中频率可调震荡器的最小周期。MP4拷贝的电流则是为MN3提供偏置。MP6、MP7和MP8拷贝得到的电流主要是为了限制了反相器电平翻转过程中产生的大电流。使能信号EN高电位有效，将频率可调震荡器所有的节点(图1中的ABCDEFGH节点)电位进行复位。如图3所示，如果外部PFM信号的周期大于频率可调震荡器的最小周期，那么电容C2一直充电，直到达到输入电源电压，然后维持在电源电压，直到下一个PFM信号的上升沿来临，C2的电位才会翻转为零，此时SW(图1中的SW2)信号和PFM信号的周期相同，并且相位相同，因此此时的DC-DC开关电源就是工作在PFM模式下的；如图4所示，如果PFM信号的周期小于振荡器的最小周期，频率可调的振荡器就持续产生周期为T1+T2的脉冲信号，这个周期决定了开关信号SW(图1中的SW2)的周期，此时的DC-DC开关电源就工作在PWM模式。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.用于DC-DC开关电源电路中PFM/PWM切换的电路，其特征在于：包括自偏置电流产生电路，频率可调振荡器电路，输入电源和开关信号产生逻辑电路；所述频率可调振荡器电路包括第一～三输入端和输出端，所述开关信号产生逻辑电路包括第一、二输入端和输出端；所述自偏置电流产生电路的输入端连接输入电源，输出端连接频率可调振荡器电路的第一输入端；所述频率可调振荡器电路的第二输入端和第三输入端均连接外部PFM信号，输出端连接开关信号产生逻辑电路的第一输入端；所述开关信号产生逻辑电路的第二输入端连接外部PFM信号，输出端输出PWM信号或PFM信号。
2.根据权利要求1所述的用于DC-DC开关电源电路中PFM/PWM切换的电路，其特征在于：所述自偏置电流产生电路包括第一、二增强型PMOS管，耗尽型NMOS管，第一增强型NMOS管和第一电阻；所述第一增强型PMOS管的源极作为自偏置电流产生电路的输入端与第二增强型PMOS管的源极连接；所述第一增强型PMOS管的栅极和漏极短接，且第一增强型的PMOS管的栅极作为自偏置电流产生电路的输出端连接第二增强型PMOS的栅极和耗尽型NMOS管的漏极；所述第二增强型PMOS管的漏极连接耗尽型NMOS管的栅极和第一增强型NMOS管的漏极；所述第一增强型NMOS的源极接地，栅极连接尽型NMOS源极和第一电阻的一端，所述第一电阻的另外一端接地。
3.根据权利要求1所述的用于DC-DC开关电源电路中PFM/PWM切换的电路，其特征在于：所述频率可调振荡器电路包括第三～十六增强型PMOS管，第二～十三增强型NMOS管，第一、二电容和第一与非门；所述第三增强型PMOS管的栅极作为频率可调振荡器电路的第一输入端，分别与第四至八增强型PMOS管的栅极连接；第三～八增强型PMOS管的源极均连接输入电源；第三增强型PMOS管的漏极连接第九增强型PMOS管的源极；所述第九增强型PMOS管的漏极与第二增强型NMOS管的漏极，第一电容的一端以及第三增强型NMOS管的栅极连接；第一电容的另一端，第二增强型NMOS管的源极以及第三增强型NMOS管的源极均接地；将第三增强型NMOS管的漏极标记为G点，与第四增强型PMOS管的漏极连接；所述第四增强型NMOS管的栅极与漏极短接后与G点连接，第四增强型NMOS管的源极与第五增强型NMOS管的栅极连接；所述第五增强型NMOS管的栅极与漏极短接，源极接第六增强型NMOS管的漏极；所述第六增强型NMOS管的源极接地；所述第十增强型PMOS管的栅极和第七增强型NMOS管的栅极均连接G点；第十增强型PMOS管的源极接第五增强型PMOS管的漏极，第十增强型PMOS管的漏极连接第七增强型NMOS管的漏极和第一与非门的一个输入端，所述第七增强型NMOS管的源极接地；所述第一与非门的另外一个输入端连接第九增强型PMOS管的栅极和第二增强型NMOS管的栅极；将第一与非门的输出端标记为A点，并将A点与第六增强型NMOS管的栅极，第十一增强型PMOS管的栅极，第八增强型NMOS管的栅极，第十六增强型PMOS管的栅极以及第十三增强型NMOS管的栅极连接；所述第十一增强型PMOS管的源极接第六增强型PMOS管的漏极，漏极连接八增强型NMOS管的漏极，第二电容一端，第十二增强型PMOS管的栅极以及第九增强型NMOS管的栅极；所述第八增强型NMOS管的源极和第二电容的另外一端均接地；所述第十二增强型PMOS管的源极接第七增强型PMOS管的漏极，第十二增强型PMOS管的漏极连接第九增强型NMOS管的漏极，第十三增强型PMOS管的栅极以及第十增强型NMOS管的栅极；所述第九增强型NMOS管的源极接地；所述第十三增强型PMOS管的源极接第八增强型PMOS管的漏极；第十三增强型PMOS管的漏极连接第十增强型NMOS管的漏极，第十四增强型PMOS管的栅极及第十二增强型NMOS管的栅极；所述第十增强型NMOS管的源极接地；所述第十四增强型PMOS管的源极和第十五增强型PMOS管的源极均连接输入电源；所述第十五增强型PMOS管的栅极连接作为频率可调振荡器电路的第二输入端连接外部PFM信号，漏极连接第十四增强型PMOS管的漏极以及第十六增强型PMOS管的源极；将第十六增强型PMOS管的漏极标记为E点，作为频率可调电路的输出端；E点连接第十一增强型NMOS管的漏极，第十三增强型NMOS管的漏极以及第一与非门的第三输入端；所述第十一增强型NMOS管的栅极作为频率可调振荡器电路的第三输入端连接外部PFM信号，漏极连接第十二增强型NMOS管的漏极，所述第十二增强型NMOS管的源极和第十三增强型NMOS管的源极均接地。
4.根据权利1所述的用于DC-DC开关电源电路中PFM/PWM切换的电路，其特征在于：所述开关信号产生逻辑电路包括第一非门和第二与非门，所述第一非门的输入端连接外部PFM信号，输出端连接第二与非门的第二输入端；所述第二与非门的第一输入端连接频率可调振荡器电路的输出端；所述第二与非门的输出端作为开关信号产生逻辑电路的输出端，输出开关信号。
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CN113162412B (zh) * 2021-04-26 2022-05-31 南京芯力微电子有限公司 用于dc-dc开关电源电路中pfm/pwm切换的电路

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