CN115189548A - 电压变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电压变换器及其控制方法，包括电源选择电路、内部电路、驱动电路、电压转换电路以及轻载模式检测电路，轻载模式检测电路用于将电压转换电路的输出电压与预设的参考电压进行比较，根据比较结果生成轻载模式检测信号，电源选择电路用于在轻载模式检测信号表征电压变换器处于正常模式的情况下，根据第一电源电压生成内部电路和/或驱动电路的供电电压，以及在轻载模式检测信号表征电压变换器处于轻载模式的情况下，根据电压值小于第一电源电压的第二电源电压生成该供电电压，从而可以降低电路轻载模式下的静态功耗，有利于提高电压变换器在轻载状态下的效率，实现超低功耗的电压变换器。

Description

电压变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，更具体地，涉及一种电压变换器及其控制方法。

背景技术

随着电力电子产品的需求和半导体技术的发展，电源管理芯片在便携式电脑、移动电话、个人数字助理以及其他便携或非便携电子设备中的应用更加广泛。开关电源中电压变换器因转换效率高、输出电流大、静态电流小、输出负载范围宽等优点而被广泛应用。而在便携式设备中，电压变换器在轻负载下效率的高低很大程度上决定了便携式产品系统的待机时间。因此，在最近几年，低功耗、高效率的电压变换器设计成为了便携式设备的研究热点之一。

电压变换器的功耗一般由导通损耗、开关损耗以及芯片内部的模拟电路的静态损耗三部分组成。其中，导通损耗主要是电流流过功率管的导通电阻所消耗的能量，随着芯片负载电流的增大而增大，开关损耗是每个工作周期内由于驱动功率管栅电容充放电而产生的动态损耗，静态损耗是芯片内部模拟电路在工作时的消耗，开关损耗和静态损耗均与芯片负载电流大小无关。所以，芯片在重载时导通损耗是主要损耗，而在轻载时开关损耗和静态损耗构成了变换器的主要损耗。由于便携式设备待机时的效率主要取决于电压变换器在轻负载下的功耗，所以提高电压变换器在轻负载时的效率，就能够有效延长便携式设备的电池使用时间。

图1示出根据现有技术的一种单电源供电的电压变换器的结构示意图。如图1所示，电压变换器100包括稳压电路110、内部电路120、驱动电路130和电压转换电路140。对于单电源供电的电压变换器100，其内部驱动电压和供电电压一般通过稳压电路110产生，稳压电路110一般通过低压差线性稳压器(low dropout regulator，LDO)实现，其将输入电压Vin转换成供电电压VLDO，为内部电路120和驱动电路130提供内部驱动电压和供电电压，其内部电路120和驱动电路130的功耗为P_loss＝Vin×(I1+I2)，其中，I1表示内部电路120的静态电流，I2表示驱动电路130的静态电流。

图2示出根据现有技术的一种双电源供电的电压变换器的结构示意图。如图2所示，电压变换器200包括第一稳压电路211、第二稳压电路212、内部电路220、驱动电路230、电压转换电路240以及比较器250。对于双电源或者多电源供电的电压变换器200来说，传统方案是选择两个输入电压或者多个输入电压中的电位较高者为内部电路220和驱动电路230提供内部驱动电压和供电电压。在图2中，比较器250将第一输入电压Vin1和第二输入电压Vin2进行比较，根据比较结果控制开关S1和开关S2的导通和关断，开关S1和开关S2的导通和关断相反。例如，当第一输入电压Vin1大于第二输入电压Vin2时，比较器250控制开关S1导通，开关S2关断，通过第一稳压电路211将第一输入电压Vin1转换成供电电压VLDO，为内部电路220和驱动电路230供电；当第一输入电压Vin1小于第二输入电压Vin2时，比较器250控制开关S1关断，开关S2导通，通过第二稳压电路212将第二输入电压Vin转换成供电电压VLDO，为内部电路220和驱动电路230供电。因此在双电源或多电源的电压转换器中，其内部电路220和驱动电路230的功耗为P_loss＝Vin_max×(I1+I2)。

现有技术的电压变换器中降低电路的轻载功耗的做法一般是减小电路中的静态电流，从而减小静态电流在负载电流中的占比，但是静态电流往往有一个极限值，当减小到一定值之后，电路的静态电流便不能再减小了，所以现有技术的电压变换器的轻载效率受到静态电流的限制，无法进一步提高电路的轻载效率。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种电压变换器及其控制方法，可以显著降低电路的轻载功耗，提高变换器的轻载效率。

根据本发明实施例的一方面，提供了一种电压变换器，包括电源选择电路、内部电路、驱动电路、电压转换电路以及轻载模式检测电路，所述轻载模式检测电路用于将所述电压转换电路的输出电压与预设的参考电压进行比较，根据比较结果生成轻载模式检测信号，所述电源选择电路用于在所述轻载模式检测信号的控制下根据第一电源电压或者第二电源电压生成所述内部电路和/或所述驱动电路的供电电压，其中，所述第二电源电压小于所述第一电源电压，所述电源选择电路用于在所述轻载模式检测信号表征所述电压变换器处于正常模式的情况下，根据所述第一电源电压生成所述供电电压，以及在所述轻载模式检测信号表征所述电压变换器处于轻载模式的情况下，根据所述第二电源电压生成所述供电电压。

可选的，所述第一电源电压为所述电压转换电路的输入电压，所述第二电源电压为所述电压转换电路的输出电压。

可选的，所述电压转换电路通过m:1的开关电容变换器实现，m为大于1的整数。

可选的，所述参考电压等于所述电压转换电路的输入电压的1/m倍。

可选的，所述轻载模式检测电路包括迟滞比较器，所述迟滞比较器的同相输入端接收所述输出电压，反相输入端接收所述参考电压，输出端输出所述轻载模式检测信号。

可选的，当所述输出电压增大到所述参考电压时，所述轻载模式检测信号由逻辑低电平切换为逻辑高电平，当所述输出电压减小到所述参考电压时，所述轻载模式检测信号由逻辑高电平切换为逻辑低电平。

可选的，所述电源选择电路包括：第一稳压电路，用于将所述第一电源电压转换为第一转换电压；第二稳压电路，用于将所述第二电源电压转换为第二转换电压；第一开关，第一端与所述第一稳压电路的输出端连接，第二端与所述供电电压的输出端连接；以及第二开关，第一端与所述第二稳压电路的输出端连接，第二端与所述供电电压的输出端连接，其中，所述第一开关和所述第二开关受控于所述轻载模式检测信号，且所述第一开关和所述第二开关互补导通。

可选的，当所述轻载模式检测信号为逻辑高电平时，所述第一开关关断，所述第二开关导通，当所述轻载模式检测信号为逻辑低电平时，所述第一开关导通，所述第二开关关断。

可选的，所述第一稳压电路和所述第二稳压电路通过低压差线性稳压器实现。

根据本发明实施例的另一方面，提供了一种电压变换器的控制方法，所述电压变换器包括内部电路、驱动电路以及电压转换电路，其中，所述控制方法包括：将所述电压转换电路的输出电压与预设的参考电压进行比较，根据比较结果生成轻载模式检测信号；在所述轻载模式检测信号的控制下根据第一电源电压或者第二电源电压生成所述内部电路和/或所述驱动电路的供电电压，其中，所述第二电源电压小于所述第一电源电压，所述控制方法还包括在所述轻载模式检测信号表征所述电压变换器处于正常模式的情况下，根据所述第一电源电压生成所述供电电压，以及在所述轻载模式检测信号表征所述电压变换器处于轻载模式的情况下，根据所述第二电源电压生成所述供电电压。

可选的，所述第一电源电压为所述电压转换电路的输入电压，所述第二电源电压为所述电压转换电路的输出电压。

可选的，采用m:1的开关电容变换器实现所述电压转换电路，所述参考电压等于所述电压转换电路的输入电压的1/m倍，m为大于1的整数。

本发明实施例的电压变换器及其控制方法包括电源选择电路、内部电路、驱动电路、电压转换电路以及轻载模式检测电路，轻载模式检测电路用于将电压转换电路的输出电压与预设的参考电压进行比较，根据比较结果生成轻载模式检测信号，电源选择电路用于在轻载模式检测信号表征电压变换器处于正常模式的情况下，根据第一电源电压生成内部电路和/或驱动电路的供电电压，以及在轻载模式检测信号表征电压变换器处于轻载模式的情况下，根据电压值小于第一电源电压的第二电源电压生成该供电电压，从而可以降低电路轻载模式下的静态功耗，有利于提高电压变换器在轻载状态下的效率，实现超低功耗的电压变换器。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出根据现有技术的一种单电源供电的电压变换器的结构示意图；

图2示出根据现有技术的一种双电源供电的电压变换器的结构示意图；

图3示出根据本发明实施例的一种电压变换器的结构示意图；

图4示出根据本发明实施例的电压变换器中的轻载模式检测电路的示意性波形图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

图3示出根据本发明实施例的一种电压变换器的结构示意图。如图3所示，电压变换器300包括电源选择电路310、内部电路320、驱动电路330、电压转换电路340以及轻载模式检测电路350。

其中，轻载模式检测电路350用于将电压转换电路340的输出电压Vout与预设的参考电压Vref进行比较，根据比较结果生成轻载模式检测信号DCM。电源选择电路310用于在轻载模式检测信号DCM的控制下根据第一电源电压或者第二电源电压生成内部电路320和/或驱动电路330的供电电压VLDO。其中，内部电路320和驱动电路330用于向电压转换电路340提供驱动信号，以控制电压转换电路340根据输入电压Vin转换为输出电压Vout。

进一步的，所述第二电源电压小于所述第一电源电压，所述电源选择电路310用于在轻载模式检测信号DCM表征电压变换器300处于正常模式的情况下，根据第一电源电压生成所述供电电压VLDO；在所述轻载模式检测信号DCM表征电压变换器300处于轻载模式的情况下，根据所述第二电源电压生成所述供电电压VLDO。本实施例的电压变换器在轻载模式下将电源电压切换成低压供电，从而可以大大减小电路中的静态功耗，提高变换器的轻载效率。

进一步的，所述电压转换电路340通过m:1的开关电容变换器实现，m为大于1的整数，所述第一电源电压为电压转换电路340的输入电压Vin，所述第二电源电压为电压转换电路340的输出电压Vout。开关电容变换器的特点是其输入电压Vin是输出电压Vout的m倍，输出电流是输入电流m倍，当电源选择电路310根据输入电压Vin得到供电电压VLDO时，内部电路320和驱动电路330的功耗为：P_loss1＝Vin×(I1+I2)，其中，I1表示内部电路320的静态电流，I2表示驱动电路330的静态电流；当电源选择电路310切换为根据输出电压Vout得到供电电压VLDO时，内部电路320和驱动电路330的功耗为：P_loss2＝Vout×(I1+I2)，又因为Vout＝Vin/m，因此P_loss2＝P_loss1/m，m为大于1的整数。由此可知，在本实施例的电压变换器300中，相比于使用输入电压Vin供电来说，使用电压转换电路340的输出电压供电可以节约很大的功耗，从而可以大大提高电路的轻载效率。

进一步的，轻载模式检测电路350包括一迟滞比较器，该迟滞比较器的同相输入端接收电压转换电路340的输出电压，反相输入端接收所述参考电压Vref，输出端用于输出轻载模式检测信号DCM。如图4所示，当输出电压Vout上升到接近参考电压Vref时，轻载模式检测信号DCM由逻辑低电平翻转为逻辑高电平，表征电压变换器300工作于轻载模式下；当输出电压Vout下降到参考电压Vref时，轻载模式检测信号DCM由逻辑高电平翻转为逻辑低电平，表征电压变换器300工作于正常模式下。

进一步的，参考电压Vref等于输入电压Vin的1/m，其中，m为大于1的整数。

进一步的，电源选择电路310包括第一稳压电路311、第二稳压电路312、开关S1以及开关S2。其中，第一稳压电路311和第二稳压电路312例如通过LDO实现，开关S1的第一端与第一稳压电路311的输出端连接，开关S1的第二端与供电电压VLDO的输出端连接，开关S2的第一端与第二稳压电路312的输出端连接，开关S2的第二端与供电电压VLDO的输出端连接。进一步的，开关S1和开关S2互补导通，当开关S1导通时，第一稳压电路311将第一电源电压(例如图2中的输入电压Vin)转换为第一转换电压Vo1，并将其输出为所述供电电压VLDO；当开关S2导通时，第二稳压电路312将第二电源电压(例如图2中的输出电压Vout)转换为第二转换电压Vo2，并将其输出为所述供电电压VLDO。

进一步的，开关S1和开关S2可以通过互补导通的晶体管实现，此时开关S1和开关S2均受控于轻载模式检测信号DCM。开关S1和开关S2也可以通过相同的晶体管实现时，此时开关S1和开关S2受控于相反的信号，例如，如图3所示，此时电源选择电路310还包括反相器INV1，开关S1受控于轻载模式检测信号DCM的反相信号，开关S2受控于轻载模式检测信号DCM。进一步的，开关S1和开关S2例如通过NPN型晶体管或者NMOS型晶体管实现，当轻载模式检测信号DCM为逻辑高电平时，开关S1关断，开关S2导通；当轻载模式检测信号DCM为逻辑低电平时，开关S1导通，开关S2关断。需要说明的是，本发明不以上述实施例为限制，本领域技术人员可以根据具体情况选择开关S1和开关S2的配置。

需要说明的是，在上述实施例中以单电源供电的电压变换器来进行说明，但是本发明不以此为限制，在另外一些实施例中，本发明也适用于双电源或者多电源供电的电压变换器，以双电源供电的电压变换器为例，本领域技术人员可以设置电压不同的第一电源电压和第二电源电压，在电压变换器工作于正常模式下时以第一电源电压为电路的内部电路和驱动电路供电，在电压变换器工作于轻载模式下时，切换为电压更低的第二电源电压为电路的内部电路和驱动电路供电，从而降低电路的轻载功耗，提高轻载效率。

综上所述，本发明实施例的电压变换器及其控制方法包括电源选择电路、内部电路、驱动电路、电压转换电路以及轻载模式检测电路，轻载模式检测电路用于将电压转换电路的输出电压与预设的参考电压进行比较，根据比较结果生成轻载模式检测信号，电源选择电路用于在轻载模式检测信号表征电压变换器处于正常模式的情况下，根据第一电源电压生成内部电路和/或驱动电路的供电电压，以及在轻载模式检测信号表征电压变换器处于轻载模式的情况下，根据电压值小于第一电源电压的第二电源电压生成该供电电压，从而可以降低电路轻载模式下的静态功耗，有利于提高电压变换器在轻载状态下的效率，实现超低功耗的电压变换器。

应当说明，尽管在本文中，将器件说明为某种N沟道或P沟道器件、或者某种N型或者P型掺杂区域，然而本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明，互补器件也是可以实现的。本领域的普通技术人员可以理解，导电类型是指导电发生的机制，例如通过空穴或者电子导电，因此导电类型不涉及掺杂浓度而涉及掺杂类型，例如P型或者N型。本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“)的或““的)取决于使用正逻辑还是负逻辑。

此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种电压变换器，包括电源选择电路、内部电路、驱动电路、电压转换电路以及轻载模式检测电路，

所述轻载模式检测电路用于将所述电压转换电路的输出电压与预设的参考电压进行比较，根据比较结果生成轻载模式检测信号，

所述电源选择电路用于在所述轻载模式检测信号的控制下根据第一电源电压或者第二电源电压生成所述内部电路和/或所述驱动电路的供电电压，

其中，所述第二电源电压小于所述第一电源电压，所述电源选择电路用于在所述轻载模式检测信号表征所述电压变换器处于正常模式的情况下，根据所述第一电源电压生成所述供电电压，以及

在所述轻载模式检测信号表征所述电压变换器处于轻载模式的情况下，根据所述第二电源电压生成所述供电电压。

2.根据权利要求1所述的电压变换器，其中，所述第一电源电压为所述电压转换电路的输入电压，所述第二电源电压为所述电压转换电路的输出电压。

3.根据权利要求2所述的电压变换器，其中，所述电压转换电路通过m:1的开关电容变换器实现，m为大于1的整数。

4.根据权利要求3所述的电压变换器，其中，所述参考电压等于所述电压转换电路的输入电压的1/m倍。

5.根据权利要求4所述的电压变换器，其中，所述轻载模式检测电路包括迟滞比较器，所述迟滞比较器的同相输入端接收所述输出电压，反相输入端接收所述参考电压，输出端输出所述轻载模式检测信号。

6.根据权利要求5所述的电压变换器，其中，当所述输出电压增大到所述参考电压时，所述轻载模式检测信号由逻辑低电平切换为逻辑高电平，

当所述输出电压减小到所述参考电压时，所述轻载模式检测信号由逻辑高电平切换为逻辑低电平。

7.根据权利要求6所述的电压变换器，其中，所述电源选择电路包括：

第一稳压电路，用于将所述第一电源电压转换为第一转换电压；

第二稳压电路，用于将所述第二电源电压转换为第二转换电压；

第一开关，第一端与所述第一稳压电路的输出端连接，第二端与所述供电电压的输出端连接；以及

第二开关，第一端与所述第二稳压电路的输出端连接，第二端与所述供电电压的输出端连接，

其中，所述第一开关和所述第二开关受控于所述轻载模式检测信号，且所述第一开关和所述第二开关互补导通。

8.根据权利要求7所述的电压变换器，其中，当所述轻载模式检测信号为逻辑高电平时，所述第一开关关断，所述第二开关导通，

当所述轻载模式检测信号为逻辑低电平时，所述第一开关导通，所述第二开关关断。

9.根据权利要求7所述的电压变换器，其中，所述第一稳压电路和所述第二稳压电路通过低压差线性稳压器实现。

10.一种电压变换器的控制方法，所述电压变换器包括内部电路、驱动电路以及电压转换电路，其中，所述控制方法包括：

将所述电压转换电路的输出电压与预设的参考电压进行比较，根据比较结果生成轻载模式检测信号；

在所述轻载模式检测信号的控制下根据第一电源电压或者第二电源电压生成所述内部电路和/或所述驱动电路的供电电压，

其中，所述第二电源电压小于所述第一电源电压，所述控制方法还包括在所述轻载模式检测信号表征所述电压变换器处于正常模式的情况下，根据所述第一电源电压生成所述供电电压，以及

在所述轻载模式检测信号表征所述电压变换器处于轻载模式的情况下，根据所述第二电源电压生成所述供电电压。

11.根据权利要求10所述的控制方法，其中，所述第一电源电压为所述电压转换电路的输入电压，所述第二电源电压为所述电压转换电路的输出电压。

12.根据权利要求11所述的控制方法，其中，采用m:1的开关电容变换器实现所述电压转换电路，所述参考电压等于所述电压转换电路的输入电压的1/m倍，m为大于1的整数。

Images