专利名称：高频高效升压dc/dc转换器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及DC/DC转换器，具体涉及釆用PFM/PM混合模式控制的高频 高效升压DC/DC转换器。
背景技术：
DC/DC转换器是一种将不稳定的直流电源变换成一种稳定的所需要的直流 电源来给电子设备供电的电子装置。DC/DC转换器的内部控制方式，从原理上包 含P丽控制(脉沖宽度调制)和PFM控制(脉冲频率调制)两种工作模式。通 常，P丽工作模式在大负载情况下更能保证输出的稳定性和较高的转换效率，而 小负载的情况下PFM工作模式则表现更好。传统的DC/DC转换器一般釆用其中 的一种方法，不能^艮好的解决在不同负载下的效率问题。本实用新型采用一种 独特的PFM/P丽混合模式控制方式，很好的解决了在全负载下效率都很高。
传统的DC/DC转换器，通常都依托控制主芯片，将调整管/功率输出管外置，
采取多芯片混合集成或厚膜二次集成的方式组装而形成，体积大、转换效率低、
生产加工及调试复杂。本实用新型依托先进的半导体集成电路加工工艺，将以
往用二次集成方式实现的DC/DC转换器，在国内率先用单芯片集成的方式进行
实现。DC/DC转换器的转换效率、开关频率等多项技术参凄史已经达到国外同类产
品的技术指标。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种采用独特的PFM/P丽混合模
式控制方式实现的高频高效升压DC/DC转换器。
为了解决上述扶术问题，本实用新型的一个技术方案是，提供一种高频高 效升压DC/DC转换器，包括电压基准源电路、误差放大器、电流检测电路、电 流误差运算放大器、P丽比较器、振荡电路、过压及过流保护电路、逻辑控制电 路、高端管驱动电路、低端管驱动电路，其中
电压基准源电路的输入端连接电路使能端，电压基准源电路的一个输出端 连接误差放大器的一个输入端，误差放大器的另一个输入端连接由电阻Rl、 R2 组成的分压电路，误差放大器的输出端连接电流误差运算放大器的一个输入端， 电流误差运算放大器的另 一个输入端连接电流检测电路的输出端，电流误差运 算放大器的输出端连接P丽比较器的一个输入端，P丽比较器的另一个输入端连 接振荡电路的输出端，P丽比较器的输出端连接逻辑控制电路的一个输入端，逻 辑控制电路的另 一个输入端连接过压及过流保护电路的输出端，逻辑控制电路 的输出端分别连接高端管驱动电路和低端管驱动电路，高端管驱动电路的输出 端连接同步整流管Tl，低端管驱动电路的输出端连接功率调整管T2;其特点是 PWM/PFM切换控制电路的输入端分别连接电压基准源电路和电流误差运算放大 器的输出端，P丽/PFM切换控制电路的输出端连接振荡电路的控制端。利用 PWM/PFM控制切换电路，当负载电流较大时，通过固定频率、调节时钟占空比的 方法进行转换输出控制，当较小负载电流时，则通过固定导通时间、调节时钟 频率的方法进行控制，保证了全负载条件下获得高转换效率。
根据本实用新型的一个优选方案，在电流误差运算放大器的输出端与地之 间连接一个有源电容补偿电路，有源电容频率补偿技术保证了 DC/DC转换器的 环路稳定性。
根据本实用新型的一个优选方案，所述P丽/PFM切换控制电路由PFM比较 器和脉冲触发控制器组成，所述PFM比较器的一个输入端连4妄电压基准源电路 的一个输出端，PFM比较器的另一个输入端连接电流误差运算方文大器的输出端， PFM比较器的输出端连接单脉沖触发控制器的输入端，单脉冲触发控制器的输出 端连接振荡电路的控制端。
才艮据本实用新型的一个优选方案，所述有源电容补偿电路由电阻R3、 R4、 R5、 R6、补偿电容C1、 C2、运算放大器组成，其中，电阻R3、 R4、 R5串联，电 阻R3的一端连接电流误差运算放大器的输出端，电阻R5的一端接地，运算放 大器的同相输入端连接在电阻R3、 R4的连接节点上，运算》文大器的反相输入端 连接在电阻R4、 R5的连接节点上，运算放大器的反相输入端与输出端之间连接 电阻R6，运算放大器的输出端通过补偿电容C2接地。
根据本实用新型的一个优选方案，所述逻辑控制电路由与门CD1、 CD3、 CD4、 与非门CD2组成，所述与门CD1的一个输入端连接过压及过流保护电路的输出 端，与门CD1的另一输入端连接电路使能端，与门CD1的|斩出端分别连接与非 门CD2的输入端和与门CD4的一个输入端，与非门CD2的车俞出端连接与门CD3 的一个输入端，与门CD4的另一个输入端和与门CD3的一个车lT入端同时连接PWM 比较器的输出端，与门CD3的输出端连接高端管驱动电路，与门CD4的输出端 连接低端管驱动电路。
才艮据本实用新型的一个优选方案，所述同步整流管Tl和功率调整管T2集 成在控制芯片内部，且使同步调整管的导通电阻很小，当功率调整管T2关闭的 时候，利用它来延续电流的回路，从而减小能量损失，提高了整个转换器的效 率，同时进一步减小系统使用体积。
本实用新型所述的高频高效升压DC/DC转换器的有益效果是，本实用新型 采用一种独特的PFM/P丽混合模式控制方式，保证了全负载条件下获得高转换 效率，在DC/DC转换器内部集成有源电容频率补偿实现整个环路的稳定，同时， DC/DC转换器内部集成了同步整流管，进一步提高转换效率又减小了系统的体 积，本实用新型的DC/DC转换器效率高、体积小，适合于各种便携式电子产品 的电源管理。
图1是本实用新型所述的高频高效升压DC/DC转换器的原理框图。 图2是本实用新型所述的P丽/PFM切换控制电路12的原理框图。 图3是本实用新型所述的单脉沖触发控制器14的原理框图。 图4是本实用新型所述的有源电容补偿电路5的原理框图。
具体实施方式
参见图1，本实用新型所述的一种高频高效升压DC/DC转换器，由电压基准 源电路l、误差放大器2、电流检测电路3、电流误差运算放大器4、有源电容 补偿电路5、 P丽比较器6、振荡电路7、过压及过流保护电路8、逻辑控制电路 9、高端管驱动电路IO、低端管驱动电路ll、 P丽/PFM控制切换电路12、同步 整流管T1、功率调整管T2构成，其中电压基准源电路l的输入端连接电路使 能端，电压基准源电路1的一个输出端连接误差》文大器2的同相输入端，误差 放大器2的反相输入端连接由电阻R1、 R2组成的分压电路，误差放大器2的输 出端连接电流误差运算放大器4的反相输入端，电流误差运算放大器4的同相 输入端连接电流检测电路3的输出端，在电流误差运算放大器4的输出端与地 之间连接有源电容补偿电路5，同时，电流误差运算放大器4的输出端连接P丽
比较器6的反相输入端，PWM比较器6的同相输入端连接振荡电路7的输出端， P丽比较器6的输出端连接逻辑控制电路9的一个输入端，逻辑控制电路9的另 一个输入端连接过压及过流保护电路8的输出端，逻辑控制电路9的输出端分 别连接高端管驱动电路10和低端管驱动电路11,高端管驱动电路10的输出端 连接同步整流管Tl,低端管驱动电路11的输出端连接功率调整管T2; PWM/PFM 切换控制电路12的输入端分别连接电压基准源电路1和电流误差运算放大器4 的输出端，P丽/PFM切换控制电路12的输出端连接振荡电路7的控制端。同时， 所述同步整流管Tl和功率调整管T2集成在控制芯片内部，P丽/PFM控制切换 电路12的输入端分别连接基准源电路和电流误差运算放大器4的输出端， P丽/PFM控制切换电路12的输出端连接震荡器7。
所述逻辑控制电路9由与门CD1、 CD3、 CD4、与非门CD2组成，所述与门 CD1的输入端Al连接过压及过流保护电路8的输出端，与门CD1的另一输入端 Bl连接电路使能端，与门CD1的输出端同时连接与非门CD2的输入端和与门CD4 的一个输入端B4，与非门CD2的输出端连接与门CD3的输入端B3,与门CD4的 输入端A4和与门CD3的输入端A3同时连接P丽比较器6的输出端，与门CD3 的输出端连接高端管驱动电路IO,与门CD4的输出端连接低端管驱动电路11。
'参见图2，本实用新型所述的高频高效升压DC/DC转换器，所述PWM/PFM切 换控制电路12由PFM比较器13和脉冲触发控制器14组成，所述PFM比较器13 的一个输入端连接电压基准源电路1的一个输出端，PFM比较器13的另一个输 入端连接电流误差运算放大器4的输出端，PFM比较器13的输出端连接单脉沖 触发控制器14的输入端，单脉冲触发控制器14的输出端连接振荡电路7的控 制端。图3给出了单脉冲触发控制器14的具体构成电路，单脉沖触发控制器14 是一个开关信号产生电路，与PFM比较器13共同控制着P麵/ PFM模式的切换。 当变换器工作在PFM模式时，控制器保证了每个周期内振荡电路仅产生一个三 角波脉冲。
参见图4，本实用新型所述的高频高效升压DC/DC转换器，所述有源电容补 偿电路5由电阻R3、 R4、 R5、 R6、电容C1、 C2、运算放大器15组成，其中， 电容C1是运算放大器15与内部电容构成的误差放大器的补偿电容，电阻R3， R4、 R5串联，电阻R3的一端连接电流误差运算放大器4的输出端，电阻R5的 一端接地，运算放大器15的同相输入端连接在电阻R3、 R4的连接节点上，运 算放大器15的反相输入端连接在电阻R4、 R5的连接节点上，运算放大器15的 反相输入端与输出端之间连接电阻R6，运算放大器15的输出端通过电容C2接 地。图4中的运算放大器15实现其放大作用，而运放与内部电容构成的误差放 大器的有源电容负载Cl起到频率补偿的作用。
本实用新型所述的高频高效升压DC/DC转换器的工作原理是在芯片上电 后，位于芯片内部的振荡电路及内部基准首先开始工作，此时转换器的输出电 压和电感电流均为零，转换器的输出电压经电阻R1、 R2分压^j责输入误差放大 器2，误差放大器2将反馈电压与内部精密基准电压之间的偏差进行误差放大， 误差放大器2的输出与电流检测路3的输出信号通过电流误差运算放大器4后， 其结果输入PWM比较器6，在内部P丽/PFM切换控制电路13、振荡电路7的作 用下，完成转换器PWM/PFM模式控制的切换，实现DC/DC转换器稳定、高效的
电压llr出。
对于DC/DC转换器，转换器工作在CCM (连续电流模式)或DCM (断续电流才莫 式)由边界的滤波器电感数值决定
边界的滤波器电感 Lcritical =(1 - D) R/2fsw 其中，D为占空比，R是负载，fsw是开关频率。
当重负载条件下，DC/DC转换器工作在P丽模式，外接电感满足大于边界的滤 波器电感时，则变换器工作在CCM模式下，稳态时，电阻R2的分压电压VFB < Vref ， Eout/VrampP2P = D，其中，Eout是误差运放的输出，VrampP2P为振荡电路的输 出幅度；随着负载减轻，即负载的电阻值变大，边界的滤波器电感数值变大， 但是，此时外接电感仍然满足大于边界的滤波器电感，由于DC/DC转换器的负祖 特性，输出电压VOUT升高，电阻R2的分压电压VFB升高，误差放大器2的输出电 压VEout降低，使得占空比D减小。当负载进一步减小，使得外接电感小于滤波 器电感Lcritical, DC/DC转换器进入DCM工作;溪式，电阻R2的分压VFB升高，误 差放大器2的输出电压VEout降低，占空比D减小；当误差放大器2的输出电压 VEout小于PFM比较器13参考电压Vpfm时，PFM比较器13输出高电平，经过一个 单脉冲触发控制器14去关断振荡电路7，此时振荡电路7输出保持在高电平，使 得电阻R2的分压电压VFB降低，误差放大器2的输出电压VEout升高；当VEout > Vpfm时，PFM比较器13输出低电平经过单脉冲触发控制器14产生一个使能信号去 重新启动振荡电路7，使误差放大器2的输出电压VEout降^^，重复上述过程，即 等效于PFM工作模式。PFM的固定开启时间由PFM比较器的参考电压Vpfm决定。 因此保证了在重负载时DC/DC转换器工作在CCM才莫式，其调制方式是典型的P丽控 制模式；而在轻负载时DC/DC转换器工作在DCM才莫式，其调制方式是典型的PFM控 制模式。
权利要求1、一种高频高效升压DC/DC转换器，包括电压基准源电路(1)、误差放大器(2)、电流检测电路(3)、电流误差运算放大器(4)、PWM比较器(6)、振荡电路(7)、过压及过流保护电路(8)、逻辑控制电路(9)、高端管驱动电路(10)、低端管驱动电路(11)，其中电压基准源电路(1)的输入端连接电路使能端，电压基准源电路(1)的一个输出端连接误差放大器(2)的一个输入端，误差放大器(2)的另一个输入端连接由电阻R1、R2组成的分压电路，误差放大器(2)的输出端连接电流误差运算放大器(4)的一个输入端，电流误差运算放大器(4)的另一个输入端连接电流检测电路(3)的输出端，电流误差运算放大器(4)的输出端连接PWM比较器(6)的一个输入端，PWM比较器(6)的另一个输入端连接振荡电路(7)的输出端，PWM比较器(6)的输出端连接逻辑控制电路(9)的一个输入端，逻辑控制电路(9)的另一个输入端连接过压及过流保护电路(8)的输出端，逻辑控制电路(9)的输出端分别连接高端管驱动电路(10)和低端管驱动电路(11)，高端管驱动电路(10)的输出端连接同步整流管T1，低端管驱动电路(11)的输出端连接功率调整管T2；其特征在于PWM/PFM切换控制电路(12)的输入端分别连接电压基准源电路(1)和电流误差运算放大器(4)的输出端，PWM/PFM切换控制电路(12)的输出端连接振荡电路(7)的控制端。
2、 根据权利要求1所述的高频高效升压DC/DC转换器，其特征 在于在电流误差运算放大器(4)的输出端与地之间连接一个有源 电容补偿电路(5)。
3、 根据权利要求2所述的高频高效升压DC/DC转换器，其特征 在于PWM/PFM切换控制电路(l2 )由PFM比较器(13 )和单脉冲触 发控制器(14 )組成，所述PFM比较器(13 )的一个输入端连接电压 基准源电路的一个输出端(1)， PFM比较器(13)的另一个输入端连 接电流误差运算方文大器(4)的输出端，PFM比较器(13)的输出端 连接单脉冲触发控制器(14)的输入端，单脉冲触发控制器(14)的 输出端连接振荡电路(7)的控制端。
4、根据权利要求3所述的高频高效升压DC/DC转换器，其特征 在于所述有源电容补偿电路(5)由电阻R3、 R4、 R5、 R6、补偿电 容C1、 C2、运算放大器(15)组成，其中，电阻R3、 R4、 R5串联， 电阻R3的一端连接电流误差运算^L大器(4 )的输出端，电阻R5的 一端接地，运算放大器(15)的同相输入端连接在电阻R3、 R4的连 接节点上，运算放大器(15)的反相输入端连接在电阻R4、 R5的连 接节点上，运算放大器(15)的反相输入端与输出端之间连接电阻 R6,运算放大器(15)的输出端通过补偿电容C2接地。
5、 根据权利要求1或2或3或4所述的高频高效升压DC/DC转 换器，其特征在于所述逻辑控制电路(9)由与门CD1、 CD3、 CD4、 与非门CD2组成，所述与门CD1的一个输入端(Al)连接过压及过流 保护电路(8)的输出端，与门CD1的另一输入端(Bl)连接电路使 能端，与门CD1的输出端同时连接与非门CD2的输入端和与门CD4的 一个输入端(B4)，与非门CD2的输出端连接与门CD3的一个输入端(B3 ),与门CD4的一个输入端(A4 )和与门CD3的一个输入端(A3 ) 同时连接P丽比较器(6)的输出端，与门CD3的输出端连接高端管 驱动电路(10),与门CD4的输出端连接低端管驱动电路(11)。
6、 根据权利要求5所述的高频高效升压DC/DC转换器，其特征 在于所述同步整流管T1和功率调整管T2集成在控制芯片内部。
专利摘要本实用新型公开了高频高效升压DC/DC转换器，包括电压基准源电路、误差放大器、电流检测电路、电流误差运算放大器、PWM比较器、振荡电路、过压及过流保护电路、逻辑控制电路、高端管驱动电路、低端管驱动电路，其特点是PWM/PFM切换控制电路的输入端分别连接基准源电路和电流误差运算放大器的输出端，PWM/PFM切换控制电路的输出端连接振荡电路；利用PWM/PFM控制切换电路，当负载电流较大时，通过固定频率、调节时钟占空比的方法进行转换输出控制，当较小负载电流时，则通过固定导通时间、调节时钟频率的方法进行控制，保证了全负载条件下获得高转换效率。本实用新型适合于各种便携式电子产品的电源管理。
文档编号H02M3/335GK201063541SQ20072012486
公开日2008年5月21日 申请日期2007年7月30日 优先权日2007年7月30日
发明者杨仕强 申请人:重庆鹏阳电子科技有限公司