CN116404875A - Buck电路控制方法、装置、电源驱动芯片及开关电源 - Google Patents

Buck电路控制方法、装置、电源驱动芯片及开关电源 Download PDF

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CN116404875A CN202310683552.6A CN202310683552A CN116404875A CN 116404875 A CN116404875 A CN 116404875A CN 202310683552 A CN202310683552 A CN 202310683552A CN 116404875 A CN116404875 A CN 116404875A
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Abstract

本发明涉及集成电路技术领域，具体公开了一种BUCK电路控制方法、装置、电源驱动芯片及开关电源，其中，方法包括以下步骤：S1、在BUCK电路的电感电流为负电流时，生成中断检测信号；S2、根据中断检测信号的连续生成次数调节BUCK电路的功耗模式；该方法无需利用常开的电流检测电路进行SENSE负载电流检测，其基于BUCK电路的电感电流变化即可实现自反馈功耗调节，能有效简化BUCK电路结构并降低BUCK电路静态功耗。

Description

BUCK电路控制方法、装置、电源驱动芯片及开关电源
技术领域
本申请涉及集成电路技术领域，具体而言，涉及一种BUCK电路控制方法、装置、电源驱动芯片及开关电源。
背景技术
在电路设计中，为了降低静态电流，BUCK电路运行一般区分为轻载和重载两种运行状态，现有的BUCK电路一般通过SENSE负载电流检测电路来判断BUCK电路处于何种运行状态，并基于检测结果作为控制信号调节功能模块的功耗模式。这种检测方式需要引入针对负载电流进行检测的检测电路，需要保证该检测电路处于常开状态进行检测，从而导致BUCK电路静态功耗增大。
针对上述问题，目前尚未有有效的技术解决方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种BUCK电路控制方法、装置、电源驱动芯片及开关电源，以降低BUCK电路的静态功耗。
第一方面，本申请提供了一种BUCK电路控制方法，用于控制所述BUCK电路的功耗模式，所述方法包括以下步骤：
S1、在所述BUCK电路的电感电流为负电流时，生成中断检测信号；
S2、根据所述中断检测信号的连续生成次数调节所述BUCK电路的功耗模式；
其中，步骤S2包括：
S21、在所述中断检测信号最新的连续生成次数大于或等于预设次数时，将所述BUCK电路中的可调功耗的功能模块保持在或切换至低功耗模式下运行；
S22、在所述中断检测信号最新的连续生成次数小于预设次数时，将所述BUCK电路中的所述可调功耗的功能模块恢复至或保持在正常功耗模式下运行。
本申请的BUCK电路控制方法基于BUCK电路的电感电流来触发生成中断检测信号以控制BUCK电路的功耗模式，即基于负电流的出现频率和时机来自适应控制BUCK电路的功耗模式，能有效简化BUCK电路结构并降低BUCK电路静态功耗。
所述的BUCK电路控制方法，其中，所述可调功耗的功能模块包括低压差线性稳压器模块、欠压保护模块、过压保护模块、短路保护模块、过温保护模块、偏置电流电压模块和过流保护模块中的一个或多个。
所述的BUCK电路控制方法，其中，步骤S21中，将所述BUCK电路中的可调功耗的功能模块切换至低功耗模式下运行的步骤包括：
关闭过流保护模块。
该示例的方法在步骤S21中将过流保护模块完全关闭以进一步降低BUCK电路的功耗。
所述的BUCK电路控制方法，其中，步骤S1根据所述BUCK电路的低边NMOS驱动管的源极电流确定所述电感电流为是否为负电流。
所述的BUCK电路控制方法，其中，所述预设次数为2n次，其中，n为大于或等于3的整数。
所述的BUCK电路控制方法，其中，步骤S21和步骤S22通过比较所述中断检测信号最新的连续生成次数和所述预设次数的大小关系生成低功耗使能信号以控制所述可调功耗的功能模块的运行模式。
所述的BUCK电路控制方法，其中，所述BUCK电路为同步BUCK电路。
第二方面，本申请还提供了一种BUCK电路控制装置，用于控制所述BUCK电路的功耗模式，所述装置包括：
检测模块，用于在所述BUCK电路的电感电流为负电流时，生成中断检测信号；
运行调节模块，用于根据所述中断检测信号的连续生成次数调节所述BUCK电路的功耗模式；
其中，运行调节模块的运行过程包括：
在所述中断检测信号最新的连续生成次数大于或等于预设次数时，将所述BUCK电路中的可调功耗的功能模块保持在或切换至低功耗模式下运行；
在所述中断检测信号最新的连续生成次数小于预设次数时，将所述BUCK电路中的所述可调功耗的功能模块恢复至或保持在正常功耗模式下运行。
本申请的BUCK电路控制装置基于BUCK电路的电感电流来触发生成中断检测信号以控制BUCK电路的功耗模式，即基于负电流的出现频率和时机来自适应控制BUCK电路的功耗模式，能有效简化BUCK电路结构并降低BUCK电路静态功耗。
第三方面，本申请还提供了一种电源驱动芯片，包括BUCK电路，所述BUCK电路包括逻辑控制器，所述逻辑控制器用于执行如第一方面提供的方法中的步骤。
第四方面，本申请还提供了一种开关电源，包括如第三方面提供的电源驱动芯片。
由上可知，本申请提供了BUCK电路控制方法、装置、电源驱动芯片及开关电源，其中，该方法基于BUCK电路的电感电流来触发生成中断检测信号以控制BUCK电路的功耗模式，即基于负电流的出现频率和时机来自适应控制BUCK电路的功耗模式，以在BUCK电路稳定处于轻载或空载状态时，降低功能模块的功耗，并在BUCK电路处于重载状态时，及时将功能模块恢复至正常功耗模式，该方法无需利用常开的电流检测电路进行SENSE负载电流检测，其基于BUCK电路的电感电流变化即可实现自反馈功耗调节，能有效简化BUCK电路结构并降低BUCK电路静态功耗。
附图说明
图1为本申请实施例提供的BUCK电路控制方法的流程图。
图2为应用本申请实施例提供的BUCK电路控制方法进行控制的BUCK电路的结构示意图。
图3为DMD信号与LP信号的时序图。
图4为BUCK电路的电感电流与DMD信号的时序图。
图5为本申请实施例提供的BUCK电路控制装置的结构示意图。
附图标记：201、检测模块；202、运行调节模块。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
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定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
现有的BUCK电路的SENSE端设有SENSE负载电流检测电路，该检测电路通过获取该电流的大小来判断BUCK电路处于轻载还是重载状态，并以该判断结果作为芯片的控制信号来关断或降低部分可调功耗的功能模块的电流，以降低功耗，但引入该电路会导致BUCK电路结构复杂，且该电路需处于常开状态进行检测而导致BUCK电路的静态功耗增大。
第一方面，请参照图1，本申请一些实施例提供了一种BUCK电路控制方法，用于控制BUCK电路的功耗模式，方法包括以下步骤：
S1、在BUCK电路的电感电流为负电流时，生成中断检测信号；
S2、根据中断检测信号的连续生成次数调节BUCK电路的功耗模式；
其中，步骤S2包括：
S21、在中断检测信号最新的连续生成次数大于或等于预设次数时，将BUCK电路中的可调功耗的功能模块保持在或切换至低功耗模式下运行；
S22、在中断检测信号最新的连续生成次数小于预设次数时，将BUCK电路中的可调功耗的功能模块恢复至或保持在正常功耗模式下运行。
具体地，开关电源在BUCK电路处于空载或轻载状态时会进入非连续导通模式（又称断续导通模式，Discontinuous Conduction Mode，DCM），在在BUCK电路处于重载状态时会进入连续导通模式（Continuous Conduction Mode，CCM）；其中，DCM是指开关电源工作的电感磁通量在稳定周期内一定回落到零的工作模式，CCM则意味着在开关周期内电感磁通量从不为零。
更具体地，BUCK电路处于空载或轻载状态（开关电源处于DCM）时，其内多个功能模块的功能处于空闲状态，可以通过降低这些功能模块的电流或关闭部分功能模块来降低电路整体功耗，但需要在BUCK电路再次进入重载状态（开关电源切换至CCM）时及时恢复这些功能模块的运行状态；本申请实施例旨在舍弃原来常开的检测电路，以基于BUCK电路内部信号变化关系来确定开关电源的运行模式以调节BUCK电路的功耗模式，即通过BUCK电路的电感电流自反馈控制BUCK电路的功耗模式。
更具体地，如图4所示，在开关电源处于DCM模式时，BUCK电路的高边PMOS驱动管和低边PMOS驱动管周期性地打开对应的使能信号，从而使得电感电流周期性地变化，其中，在高边PMOS驱动管的开启使能切换至关闭后，电感电流逐渐下降，并在低边NMOS驱动管导通阶段中，逐降下降为零，而在关闭低边NMOS驱动管的过程中，电感电流会继续下降而出现较小的负电流；在开关电源处于CCM模式时，BUCK电路的电感电流一直保持在电感磁通量不为零的状态，故不会出现负电流；因此，本申请实施例的方法能通过分析电感电流是否出现负电流状态来判断开关电源处于DCM还是CCM，并以该负电流作为功耗模式调节的判断基础。
更具体地，基于负电流出现时机可知，BUCK电路处于轻载或空载状态时，负电流为基于特定频率周期性地出现的，在该前提下，如图4所示，本申请实施例的方法引入中断检测信号（Discontinued Mode Detection，下面简称为DMD信号），使得步骤S1能根据负电流的出现时机生成一个短期的高电平信号，以反映电感电流出现反向流动；因此，在开关电源稳定处于DCM时，DMD信号为根据DCM断续导通频率周期性生成的高电平信号，故本申请实施例的方法能根据DMD信号的连续生成情况来确定开关电源的运行模式。
更具体地，开关电源在运行时可能出现持续性DCM、CCM交替使用模式，也可能出现短期DCM切换模式，在这些情况下，DCM维持时间较短，BUCK电路未必能完全进入轻载或空载状态，若BUCK电路在该短期的DCM时间内将功耗模式调节至低功耗模式，容易损伤器件或影响开关电源的正常运行；因此，本申请实施例的方法引入预设次数来判断BUCK电路是否稳定在轻载或空载状态，再进行模式切换控制；其中，DMD信号最新的连续生成次数（即最近生成的符合DCM断续导通频率的高电平信号的个数）大于或等于预设次数代表着BUCK电路已稳定在轻载或空载状态，由此，在该情况下，本申请实施例的方法可控制BUCK电路中的可调功耗的功能模块在低功耗模式下运行，反之，则代表BUCK电路未稳定在轻载或空载状态或处于重载状态，在该情况下，本申请实施例的方法需控制BUCK电路中的可调功耗的功能模块在正常功耗模式下运行。
更具体地，步骤S21中，最新的连续生成次数等于预设次数表明BUCK电路恰好稳定在轻载或空载状态，故此时本申请实施例的方法需将BUCK电路中的可调功耗的功能模块切换至低功耗模式下运行；最新的连续生成次数大于预设次数表明BUCK电路一直稳定在轻载或空载状态，故此时本申请实施例的方法需将BUCK电路中的可调功耗的功能模块保持在低功耗模式下运行。
更具体地，步骤S22中，若在上一时刻中，最新的连续生成次数大于或等于预设次数，表明BUCK电路恰好由轻载或空载状态切换至重载状态，故此时本申请实施例的方法需将BUCK电路中的可调功耗的功能模块恢复至正常功耗模式下运行；若在上一时刻中，最新的连续生成次数小于预设次数，表明BUCK电路一直处于重载状态，故此时本申请实施例的方法需将BUCK电路中的可调功耗的功能模块保持在正常功耗模式下运行。
本申请实施例的BUCK电路控制方法基于BUCK电路的电感电流来触发生成中断检测信号以控制BUCK电路的功耗模式，即基于负电流的出现频率和时机来自适应控制BUCK电路的功耗模式，以在BUCK电路稳定处于轻载或空载状态时，降低功能模块的功耗，并在BUCK电路处于重载状态时，及时将功能模块恢复至正常功耗模式，该方法无需利用常开的电流检测电路进行SENSE负载电流检测，其基于BUCK电路的电感电流变化即可实现自反馈功耗调节，能有效简化BUCK电路结构并降低BUCK电路静态功耗。
在一些优选的实施方式中，可调功耗的功能模块包括但不限于低压差线性稳压器模块、欠压保护模块、过压保护模块、短路保护模块、过温保护模块、偏置电流电压模块和过流保护模块中的一个或多个。
具体地，上述模块均属于BUCK电路中常见且功耗可调的功能模块，且在BUCK电路处于轻载或空载状态时可降低功耗使用的功能模块。
在一些优选的实施方式中，步骤S21中，将BUCK电路中的可调功耗的功能模块切换至低功耗模式下运行的步骤包括：
关闭过流保护模块。
具体地，如图2所示，过流保护模块（OCP）基于高边PMOS驱动管源极的SENSE电流（即基于图2中的SENSE端的检测结果）来控制开关，在BUCK电路处于轻载或空载状态时，BUCK电路必然不会出现过流现象，因此，在该情况下，BUCK电路无需启用过流保护功能，故本申请实施例的方法在步骤S21中将过流保护模块完全关闭以进一步降低BUCK电路的功耗。
在一些优选的实施方式中，步骤S1根据BUCK电路的低边NMOS驱动管的源极电流确定电感电流为是否为负电流。
具体地，基于前述内容可知，负电流是由于电感电流下降至零时，低边NMOS驱动管的未完全关闭而产生的，即在出现负电流时，低边NMOS驱动管会出现反向电流，因此，本申请实施例的方法能通过检测NMOS驱动管的源极电流的流向来确定电感电流为是否为负电流。
在一些优选的实施方式中，预设次数为2n次，其中，n为大于或等于3的整数。
具体地，电源驱动芯片的操作指令一般以8个时钟周期或以上进行下发的，因此，将预设次数设置为该数值，能准确区别BUCK电路是否在执行指令后完全稳定在轻载或空载状态。
具体地，n优选为4或5，即预设次数优选为16或32次。
在一些优选的实施方式中，步骤S21和步骤S22通过比较中断检测信号最新的连续生成次数和预设次数的大小关系生成低功耗使能信号以控制可调功耗的功能模块的运行模式。
具体地，在引入低功耗使能信号作为控制信号的情况下，步骤S2包括：
S21、在中断检测信号最新的连续生成次数大于或等于预设次数时，打开低功耗使能信号，根据低功耗使能信号将BUCK电路中的可调功耗的功能模块保持在或切换至低功耗模式下运行；
S22、在中断检测信号最新的连续生成次数小于预设次数时，关闭低功耗使能信号，根据低功耗使能信号将BUCK电路中的可调功耗的功能模块恢复至或保持在正常功耗模式下运行。
具体地，如图3所示，低功耗使能（Low Power，LP）信号为基于DMD信号生成，在DMD信号的最近生成的符合DCM断续导通频率的高电平信号达到预设次数时，LP信号翻转为高电平，以触发调节BUCK电路的功耗模式；本申请实施例的方法利用LP信号控制BUCK电路的功耗模式的运行和切换，能有效简化整个电路的控制逻辑。
在一些优选的实施方式中，中断检测信号基于内部时钟和内部计数器进行计数，低功耗使能信号基于该内部计数器的输出信号打开或关闭。
具体地，计数器计数DMD信号的高电平信号出现次数，配合内部时钟使用能分析DMD信号是否在每个时钟周期内都出现高电平信号，若在新的时钟周期内,DMD信号未出现高电平，则对内部计数器进行置零操作使计数器重新进行计数，从而使得本申请实施例的方法能准确获取中断检测信号最新的连续生成次数。
更具体地，在上述实施方式中，内部计数器在计数值达预设次数时，输出高电平信号以触发打开低功耗使能信号，该低功耗使能信号可以是内部计数器的输出信号，还可以是基于内部计数器输出信号触发的触发器所产生的使能信号。
在一些优选的实施方式中，BUCK电路为同步BUCK电路。
具体地，同步BUCK电路中用低导通电阻、反向恢复时间短的MOS管来代替普通二极管，可以减少导通损耗和开关损耗，大大提高变换器的效率，特别是在输出为低压大电流的工况下尤为明显。
具体地，如图2所示，应用本申请实施例提供的BUCK电路控制方法进行控制的BUCK电路在低边NMOS驱动管的源极处增加了一个DMD模块，用于在低边NMOS驱动管的源极出现反向电流时，生成高电平的DMD信号，并发送给逻辑控制器进行分析，该DMD模块可以由根据电流触发的数字逻辑电路构成，也可以采用现有技术的各类触发器构成，以使DMD模块在电感电流非负时不产生功耗。
其中，图2中EN为使能脚，FB为输出电压反馈脚，VIN为电源输入脚，SW为开关控制脚，GND为接地脚，PGND为低边NMOS驱动管的接地的源极端的电流感应端。
第二方面，请参照图5，本申请一些实施例还提供了一种BUCK电路控制装置，用于控制BUCK电路的功耗模式，装置包括：
检测模块201，用于在BUCK电路的电感电流为负电流时，生成中断检测信号；
运行调节模块202，用于根据中断检测信号的连续生成次数调节BUCK电路的功耗模式；
其中，运行调节模块202的运行过程包括：
在中断检测信号最新的连续生成次数大于或等于预设次数时，将BUCK电路中的可调功耗的功能模块保持在或切换至低功耗模式下运行；
在中断检测信号最新的连续生成次数小于预设次数时，将BUCK电路中的可调功耗的功能模块恢复至或保持在正常功耗模式下运行。
本申请实施例的BUCK电路控制装置基于BUCK电路的电感电流来触发生成中断检测信号以控制BUCK电路的功耗模式，即基于负电流的出现频率和时机来自适应控制BUCK电路的功耗模式，以在BUCK电路稳定处于轻载或空载状态时，降低功能模块的功耗，并在BUCK电路处于重载状态时，及时将功能模块恢复至正常功耗模式，该装置无需利用常开的电流检测电路进行SENSE负载电流检测，其基于BUCK电路的电感电流变化即可实现自反馈功耗调节，能有效简化BUCK电路结构并降低BUCK电路静态功耗。
在一些优选的实施方式中，本申请实施例的BUCK电路控制装置用于执行上述第一方面提供的BUCK电路控制方法。
第三方面，本申请一些实施例还提供了一种电源驱动芯片，包括BUCK电路，BUCK电路包括逻辑控制器，逻辑控制器用于执行如第一方面提供的方法中的步骤。
第四方面，本申请一些实施例还提供了一种开关电源，包括如第三方面提供的电源驱动芯片。
综上，本申请实施例提供了BUCK电路控制方法、装置、电源驱动芯片及开关电源，其中，该方法基于BUCK电路的电感电流来触发生成中断检测信号以控制BUCK电路的功耗模式，即基于负电流的出现频率和时机来自适应控制BUCK电路的功耗模式，以在BUCK电路稳定处于轻载或空载状态时，降低功能模块的功耗，并在BUCK电路处于重载状态时，及时将功能模块恢复至正常功耗模式，该方法无需利用常开的电流检测电路进行SENSE负载电流检测，其基于BUCK电路的电感电流变化即可实现自反馈功耗调节，能有效简化BUCK电路结构并降低BUCK电路静态功耗。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
再者，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
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。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种BUCK电路控制方法，用于控制所述BUCK电路的功耗模式，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、在所述BUCK电路的电感电流为负电流时，生成中断检测信号；
S2、根据所述中断检测信号的连续生成次数调节所述BUCK电路的功耗模式；
其中，步骤S2包括：
S21、在所述中断检测信号最新的连续生成次数大于或等于预设次数时，将所述BUCK电路中的可调功耗的功能模块保持在或切换至低功耗模式下运行；
S22、在所述中断检测信号最新的连续生成次数小于预设次数时，将所述BUCK电路中的所述可调功耗的功能模块恢复至或保持在正常功耗模式下运行。
2.根据权利要求1所述的BUCK电路控制方法，其特征在于，所述可调功耗的功能模块包括低压差线性稳压器模块、欠压保护模块、过压保护模块、短路保护模块、过温保护模块、偏置电流电压模块和过流保护模块中的一个或多个。
3.根据权利要求2所述的BUCK电路控制方法，其特征在于，步骤S21中，将所述BUCK电路中的可调功耗的功能模块切换至低功耗模式下运行的步骤包括：
关闭过流保护模块。
4.根据权利要求1所述的BUCK电路控制方法，其特征在于，步骤S1根据所述BUCK电路的低边NMOS驱动管的源极电流确定所述电感电流为是否为负电流。
5.根据权利要求1所述的BUCK电路控制方法，其特征在于，所述预设次数为2n次，其中，n为大于或等于3的整数。
6.根据权利要求1所述的BUCK电路控制方法，其特征在于，步骤S21和步骤S22通过比较所述中断检测信号最新的连续生成次数和所述预设次数的大小关系生成低功耗使能信号以控制所述可调功耗的功能模块的运行模式。
7.根据权利要求1所述的BUCK电路控制方法，其特征在于，所述BUCK电路为同步BUCK电路。
8.一种BUCK电路控制装置，用于控制所述BUCK电路的功耗模式，其特征在于，所述装置包括：
检测模块，用于在所述BUCK电路的电感电流为负电流时，生成中断检测信号；
运行调节模块，用于根据所述中断检测信号的连续生成次数调节所述BUCK电路的功耗模式；
其中，运行调节模块的运行过程包括：
在所述中断检测信号最新的连续生成次数大于或等于预设次数时，将所述BUCK电路中的可调功耗的功能模块保持在或切换至低功耗模式下运行；
在所述中断检测信号最新的连续生成次数小于预设次数时，将所述BUCK电路中的所述可调功耗的功能模块恢复至或保持在正常功耗模式下运行。
9.一种电源驱动芯片，其特征在于，包括BUCK电路，所述BUCK电路包括逻辑控制器，所述逻辑控制器用于执行如权利要求1-7任一项所述的方法中的步骤。
10.一种开关电源，其特征在于，包括如权利要求9所述的电源驱动芯片。
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US20100264891A1 (en) * 2009-04-17 2010-10-21 Ching-Tsan Lee Control Method for Voltage Converter and Related Voltage Converter
CN105827112A (zh) * 2016-05-27 2016-08-03 电子科技大学 一种具有低功耗特性的buck变换器
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