專利名稱：Dc-dc變換器中的功率管工作尺寸切換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于大規(guī)模模擬集成電路中的DC-DC轉(zhuǎn)換器，特別涉及這種變換器中的功率管尺寸調(diào)節(jié)電路，可用于DC-DC轉(zhuǎn)換器中。
背景技術(shù)：
DC-DC轉(zhuǎn)換器作為重要的電源管理類電路廣泛應(yīng)用于手機(jī)，MP3，數(shù)碼相機(jī)等各類便攜式產(chǎn)品中。DC-DC轉(zhuǎn)換器按照輸出，輸入電壓間的關(guān)系通?？煞譃槿惿龎盒虳C-DC 變換器，降壓型DC-DC變換器，以及升降壓型DC-DC變換器。每種DC-DC根據(jù)芯片控制環(huán)路不同分為電流?？刂艱C-DC與電壓?？刂艱C-DC。相比于線性穩(wěn)壓器而言，開關(guān)型電源管理芯片，如DC-DC轉(zhuǎn)換器，最大的優(yōu)勢就是效率高，因此，在最近幾年，低功耗、高效率的設(shè)計(jì)成為了眾多便攜式產(chǎn)品的研究熱點(diǎn)之DC-DC轉(zhuǎn)換器的功耗一般由三部分組成，包括導(dǎo)通損耗，開關(guān)損耗以及芯片內(nèi)部模擬電路的靜態(tài)損耗。其中導(dǎo)通損耗主要是電流流過功率管的導(dǎo)通電阻所消耗的能量，而功率管導(dǎo)通電阻的大小又隨其尺寸的增大而減少。開關(guān)損耗是在每個(gè)工作周期內(nèi)，由于驅(qū)動(dòng)功率管柵電容充放電而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)損耗，在工作頻率一定的情況下，也由功率管尺寸決定?？梢?，功率管的尺寸在很大程度上影響了 DC-DC產(chǎn)品的功耗。圖1顯示了傳統(tǒng)電流模DC-DC變換器的電路簡圖。如圖1所示，傳統(tǒng)DC-DC只有一組功率管，為了保證DC-DC在全負(fù)載范圍內(nèi)都有足夠的帶載能力，只能采用大尺寸的功率管。大尺寸的功率管因其導(dǎo)通電阻較小，雖然在重載時(shí)可獲得很高的效率，但在輕載時(shí)， 由于導(dǎo)通損耗在總功率損耗中所占比例很小，DC-DC大部分功率損耗都來自開關(guān)損耗，即功率管柵極電容的充放電。對于大尺寸功率管，其龐大的柵極寄生電容導(dǎo)致了大的充放電損耗，故在輕載時(shí)效率很低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有采用固定尺寸功率MOS管的DC-DC輕負(fù)載條件下低效率的不足，提出了一種DC-DC變換器中的功率管工作尺寸切換電路，以使DC-DC轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載時(shí)仍具有高效率，同時(shí)使功率管的工作尺寸切換所對應(yīng)的負(fù)載點(diǎn)，在各個(gè)工作占空比下基本恒定。為實(shí)現(xiàn)上述目的，包括脈寬調(diào)制PWM比較模塊、第一驅(qū)動(dòng)模塊和第一對功率MOS 管；該P(yáng)WM比較模塊的反相輸入端同時(shí)連接斜坡補(bǔ)償信號和電流采樣信號，輸出端通過第一驅(qū)動(dòng)模塊連接到第一對功率MOS管的柵端；其特征在于PWM比較模塊的正相輸入端連接有遲滯比較模塊，第一驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端連接有第二驅(qū)動(dòng)模塊，第一對功率MOS管的PMOS和NMOS管的源端并聯(lián)連接有第二對功率MOS管； 該遲滯比較模塊通過第二驅(qū)動(dòng)模塊連接到第二對功率MOS管的PMOS和NMOS管的兩個(gè)柵端，控制第二對功率MOS管的導(dǎo)通與截止，使得導(dǎo)通的功率MOS管的總尺寸在輕負(fù)載時(shí)減小，在重負(fù)載時(shí)增大。
上述的DC-DC變換器中的功率管工作尺寸切換電路，其特征在于第二驅(qū)動(dòng)模塊 (4)設(shè)有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，一個(gè)輸入端b與遲滯比較模塊的輸出端相連，另一個(gè)輸入端a與PWM比較器的輸出端相連，兩個(gè)輸出端分別連接到第二對功率管中兩個(gè)功率MOS 管的柵端。上述的DC-DC變換器中的功率管工作尺寸切換電路，其特征在于遲滯比較模塊設(shè)有兩個(gè)輸入端，其正相輸入端連接到PWM比較模塊的正相輸入端，反相輸入端同時(shí)與一個(gè)斜坡補(bǔ)償信號和一個(gè)直流電平連接。上述的DC-DC變換器中的功率管工作尺寸切換電路，其特征在于所述遲滯比較模塊由一個(gè)比較器COMP、PMOS管MO、Ml、M2、M3禾口電阻Rl構(gòu)成；其中PMOS管MO、Ml禾口 M2 柵極相連，構(gòu)成有源電流鏡結(jié)構(gòu)；，MO的漏端與恒流源連接，用于將電流Il通過Ml、M2分兩路鏡像到電阻Rl上；PMOS管M3為開關(guān)管，其柵端連接到比較器COMP的輸出端，源漏兩端串接在M2的漏端與比較器COMP的反相輸入端之間；電阻Rl連接在比較器COMP的反相輸入端與地之間。上述的DC-DC變換器中的功率管工作尺寸切換電路，其特征在于第一對功率MOS 管與第二對功率MOS管均由一個(gè)NMOS管和一個(gè)PMOS管構(gòu)成，該NMOS管的源端接地，漏端與PMOS管的漏端相連，作為一對功率MOS管整體的輸出端，該P(yáng)MOS管的源端接直流輸入電源 VDD。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明由于添加了一個(gè)遲滯比較模塊和一個(gè)第二驅(qū)動(dòng)模塊控制第二對功MOS 管隨負(fù)載電流導(dǎo)通或截止，使導(dǎo)通的功率MOS管總尺寸在輕負(fù)載時(shí)減小，重負(fù)載時(shí)增大，減小了 DC-DC在輕負(fù)載情況下的功耗，從而提高了其輕載效率。(2)本發(fā)明由于采用的遲滯比較模塊，其輸出端信號向高電平翻轉(zhuǎn)和向低電平翻轉(zhuǎn)所對應(yīng)的輸入門限電壓不同，故使功率MOS管尺寸增大和減小時(shí)，所對應(yīng)的負(fù)載點(diǎn)不同， 避免了功率MOS管尺寸在同一負(fù)載點(diǎn)處反復(fù)切換。(3)本發(fā)明由于在遲滯比較模塊的反相輸入端接入了斜坡補(bǔ)償信號，使不同占空比下功率MOS管尺寸切換所對應(yīng)的負(fù)載電流基本相同，提高了功率管尺寸調(diào)節(jié)電路工作的
一致性、可靠性。


圖1為傳統(tǒng)電流模DC-DC變換器的電路簡圖；圖2為采用本發(fā)明的電流模DC-DC變換器的電路簡圖；圖3為本發(fā)明中遲滯比較模塊的簡化電路圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖及其實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。參照圖2，采用本發(fā)明功率管工作尺寸切換電路的電流模DC-DC變換器包括功率管尺寸調(diào)節(jié)電路、輸出LC濾波器7、反饋網(wǎng)絡(luò)8、誤差放大模塊9、斜坡補(bǔ)償信號和電流采樣信號。其中斜坡補(bǔ)償信號和電流采樣信號分別由芯片內(nèi)部的震蕩模塊和電流采樣模塊產(chǎn)生，這兩個(gè)模塊圖中未畫出。
本發(fā)明的功率管工作尺寸切換電路包括脈寬調(diào)制PWM比較模塊1、第一驅(qū)動(dòng)模塊 3、第一對功率MOS管5、遲滯比較模塊2、第二驅(qū)動(dòng)模塊4和第二對功率MOS管6。該P(yáng)WM比較模塊1的輸出端通過第一驅(qū)動(dòng)模塊3連接到第一對功率MOS管5的柵端；PWM比較模塊1 的正相輸入端與遲滯比較模塊2的正相輸入端連接，第二驅(qū)動(dòng)模塊4設(shè)有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，一個(gè)輸入端b與遲滯比較模塊2的輸出端相連，另一個(gè)輸入端a與PWM比較器1 的輸出端相連，兩個(gè)輸出端分別連接到兩個(gè)功率MOS管6的柵端，第一對功率MOS管和第二對功率MOS管的輸出端一起接到輸出濾波器7的輸入端；第一對功率MOS管5與第二對功率MOS管6均由一個(gè)NMOS管和一個(gè)PMOS管構(gòu)成，該NMOS管的源端接地，漏端與PMOS管的漏端相連，作為一對功率MOS管整體的輸出端，該P(yáng)MOS管的源端接直流輸入電源VDD。所述的功率管工作尺寸切換電路的第一對功率MOS管和第二對功率MOS管的輸出端同時(shí)接到輸出LC濾波器7的輸入端，該濾波器的輸出端通過反饋網(wǎng)絡(luò)8連接到誤差放大模塊9的反相輸入端，該誤差放大模塊9的正相輸入端接一個(gè)固定的基準(zhǔn)電壓vref，其輸出端分別連接到功率管尺寸調(diào)節(jié)電路中PWM比較模塊1和遲滯比較模塊2的正相輸入端，斜坡補(bǔ)償信號和電流采樣信號一起連接到所述PWM比較模塊的反相輸入端，斜坡補(bǔ)償信號和另一固定直流電壓同時(shí)接到所述遲滯比較模塊2的反相輸入端。參照圖3，遲滯比較模塊2由一個(gè)比較器C0MP、PM0S管M0、M1、M2、M3和電阻Rl構(gòu)成；其中PMOS管MO、Ml和M2的柵極相連，構(gòu)成有源電流鏡結(jié)構(gòu)；MO的漏端與恒流源連接， 用于將電流Il通過M1、M2分兩路鏡像到電阻Rl上；PMOS管M3為開關(guān)管，其柵端連接到比較器COMP的輸出端，源漏兩端串接在M2的漏端與比較器COMP的反相輸入端之間；電阻Rl 連接在比較器COMP的反相輸入端與地之間，恒流源12連接在電阻Rl與直流輸入電壓VDD 之間。本發(fā)明的具體工作原理是第一對功率MOS管5始終工作，遲滯比較模塊2將誤差放大模塊9的輸出信號vcomp和一個(gè)固定的直流電平Vdc比較后產(chǎn)生控制第二驅(qū)動(dòng)模塊的標(biāo)志信號Vflag;由于電流模DC-DC環(huán)路自身的調(diào)節(jié)機(jī)制，vcomp值會隨著負(fù)載電流的增大而增大，所以vcomp反映了載電流的大小；在輕負(fù)載時(shí)，由于vcomp低于遲滯比較模塊2的反相端電壓，遲滯比較模塊2的輸出的標(biāo)志信號Vflag為邏輯低電平，通過第二驅(qū)動(dòng)模塊4 控制第二對功率MOS管6不工作，此時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換器中只有第一對功率MOS管5工作，即功率MOS管采用了小的工作尺寸；當(dāng)負(fù)載電流增大到設(shè)定門限值時(shí)，vcomp高于遲滯比較模塊2的反相端電壓，遲滯比較模塊2的輸出的標(biāo)志信號Vf lag為邏輯高電平，經(jīng)第二驅(qū)動(dòng)模塊4處理后控制第二對功率MOS管6開始工作，此時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換器中兩對功率MOS管均工作，即功率MOS管采用了大的工作尺寸。通過調(diào)節(jié)直流電平Vdc的值，可以設(shè)定切換功率管尺寸所對應(yīng)的負(fù)載電流門限。由于電流模DC-DC在不同工作占空比下，同一負(fù)載電流所對應(yīng)的vcomp信號不同， 如果遲滯比較模塊2僅將vcomp與一個(gè)固定直流電平Vdc相比，則會導(dǎo)致同一 DC-DC轉(zhuǎn)換器在不同工作占空比下，功率管尺寸切換所對應(yīng)的負(fù)載電流不一致，故在固定直流電平Vdc 的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)斜坡補(bǔ)償信號。當(dāng)DC-DC工作于大占空比時(shí)，同一負(fù)載電流所對應(yīng)的 vcomp信號相對小占空比時(shí)偏高，而斜坡補(bǔ)償使得遲滯比較器模塊2的翻轉(zhuǎn)門限也升高相應(yīng)的幅度，保證了不同占空比下功率切換所對應(yīng)的負(fù)載電流相同。為防止功率管尺寸在負(fù)載電流到達(dá)門限附近時(shí)反復(fù)切換，在比較器中引入遲滯，參見圖3。當(dāng)信號vcomp值低于遲滯比較模塊2的反相端輸入時(shí)，遲滯比較模塊2輸出邏輯低電平，控制M3導(dǎo)通使流過電阻Rl上的電流增大，由此產(chǎn)生的直流電平Vdc也升高，即遲滯比較模塊2翻轉(zhuǎn)門限增高；反之當(dāng)信號vcomp值升高使遲滯比較模塊2的輸出信號翻轉(zhuǎn)后，M3截止，控制Vdc降低導(dǎo)致遲滯比較器翻轉(zhuǎn)門限降低。 以上僅是本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)例，不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制，顯然在本發(fā)明的構(gòu)思下，可以對其電路進(jìn)行不同的變更與改進(jìn)，但這些均在本發(fā)明的保護(hù)之列。
權(quán)利要求
1.一種DC-DC變換器中的功率管工作尺寸切換電路，包括脈寬調(diào)制PWM比較模塊(1)、 第一驅(qū)動(dòng)模塊(3)和第一對功率MOS管(5)；該P(yáng)WM比較模塊(1)的反相輸入端同時(shí)連接斜坡補(bǔ)償信號和電流采樣信號，輸出端通過第一驅(qū)動(dòng)模塊C3)連接到第一對功率MOS管(5) 的柵端；其特征在于PWM比較模塊⑴的正相輸入端連接有遲滯比較模塊O)，第一驅(qū)動(dòng)模塊⑶的輸入端連接有第二驅(qū)動(dòng)模塊G)，第一對功率MOS管(5)的PMOS和NMOS管的源端并聯(lián)連接有第二對功率MOS管(6)；該遲滯比較模塊(2)通過第二驅(qū)動(dòng)模塊(4)連接到第二對功率MOS 管(6)的PMOS和NMOS管的兩個(gè)柵端，控制第二對功率MOS管(6)的導(dǎo)通與截止，使得功率 MOS管的工作尺寸在輕負(fù)載時(shí)減小，在重負(fù)載時(shí)增大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DC-DC轉(zhuǎn)換器中的功率管工作尺寸切換電路，其特征在于 第二驅(qū)動(dòng)模塊(4)設(shè)有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，一個(gè)輸入端b與遲滯比較模塊O)的輸出端相連，另一個(gè)輸入端a與PWM比較器(1)的輸出端相連，兩個(gè)輸出端分別連接到兩個(gè)功率MOS管(6)的柵端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DC-DC轉(zhuǎn)換器中的功率管工作尺寸切換電路，其特征在于 遲滯比較模塊( 設(shè)有兩個(gè)輸入端，其正相輸入端連接到PWM比較模塊(1)的正相輸入端， 反相輸入端同時(shí)與一個(gè)斜坡補(bǔ)償信號和一個(gè)直流電平連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DC-DC轉(zhuǎn)換器中的功率管工作尺寸切換電路，其特征在于 所述遲滯比較模塊O)由一個(gè)比較器C0MP、PM0S管M0、M1、M2、M3和電阻Rl構(gòu)成；其中PMOS 管M0、M1和M2柵極相連，構(gòu)成有源電流鏡結(jié)構(gòu)；，MO的漏端與恒流源連接，用于將電流Il 通過M1、M2分兩路鏡像到電阻Rl上；PMOS管M3為開關(guān)管，其柵端連接到比較器COMP的輸出端，源漏兩端串接在M2的漏端與比較器COMP的反相輸入端之間；電阻Rl連接在比較器 COMP的反相輸入端與地之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DC-DC轉(zhuǎn)換器中的功率管工作尺寸切換電路，其特征在于 第一對功率MOS管(5)與第二對功率MOS管(6)均由一個(gè)NMOS管和一個(gè)PMOS管構(gòu)成， 該NMOS管的源端接地，漏端與PMOS管的漏端相連，作為一對功率MOS管整體的輸出端，該 PMOS管的源端接直流輸入電源VDD。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種DC-DC轉(zhuǎn)換器中的功率管工作尺寸切換電路，主要解決現(xiàn)有DC-DC轉(zhuǎn)換器很難在輕負(fù)載時(shí)達(dá)到高效率的問題。該功率管工作尺寸切換電路包括脈寬調(diào)制PWM比較模塊、第一驅(qū)動(dòng)模塊、第一對功率MOS管、遲滯比較模塊、第二驅(qū)動(dòng)模塊和第二對功率MOS管；PWM比較模塊通過第一驅(qū)動(dòng)模塊，控制第一對功率MOS管始終工作；遲滯比較模塊將負(fù)載電流與切換門限電流相比較，產(chǎn)生判斷信號并通過第二驅(qū)動(dòng)模塊控制第二對功率MOS管在負(fù)載電流值低于切換門限電流值時(shí)不工作，反之則工作，使得在不同負(fù)載條件下，DC-DC的實(shí)際工作的功率管數(shù)不同，實(shí)現(xiàn)對功率管工作尺寸的切換。本發(fā)明可提高DC-DC轉(zhuǎn)換器輕負(fù)載時(shí)的效率，且功率管工作尺寸切換所對應(yīng)的負(fù)載電流在各工作占空比下恒定。
文檔編號H02M3/00GK102570793SQ20111040379
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月7日
發(fā)明者何全濤, 劉潔, 來新泉, 袁冰, 趙競翔 申請人:西安啟芯微電子有限公司