用于开关电容DC‑DC转换器的自适应功率管宽度调制电路的制作方法

本发明属于dc-dc转换器技术领域，具体涉及一种用于开关电容dc-dc转换器的自适应功率管宽度调制电路。

背景技术：

如今，各种移动终端复杂程度的提升使得其对电源管理的要求越来越高，高性能的设备往往要求电源管理电路具有高效率、低功耗以及小的芯片面积。各种移动或便携式电子器件通过在低电压(例如3.0v、1.5v等)下操作来减少功耗，其经常使用直流到直流转换器(dc-dc转换器)来把从电源得到的电压“逐步减低”到较低的电压。

dc-dc转换器包括开关电容dc-dc转换器和开关电感dc-dc转换器。开关电容dc-dc转换器相比于开关电感dc-dc转换器易于集成，同时电感的省去也减小电磁串扰对电路带来的影响，但与开关电感dc-dc转换器不同的是，开关电容dc-dc转换器只在离散的变压比处转换效率较高，这限制了这种转换器的电压范围。因此全集成式开关电容dc-dc转换器主要应用于中低供电需求的电子设备。

开关电容dc-dc转换器的上述缺点可以通过增加变压比来优化，但这势必会在开关电容阵列中引入更多的功率管，众多功率管将使得开关的栅驱动损耗成为功耗的主要因素，降低了转换效率。

技术实现要素：

为了降低开关电容dc-dc转换器的栅驱动损耗，本发明提供了一种用于开关电容dc-dc转换器的自适应功率管宽度调制电路。

具体地，本发明的一个实施例提供了一种用于开关电容dc-dc转换器的自适应功率管宽度调制电路，包括分频模块、比较模块、逻辑单元模块和开关模块，其中，

所述分频模块连接所述比较模块，用于接收脉冲信号，将所述脉冲信号进行分频处理，并输出；

所述比较模块连接所述逻辑单元模块，用于比较所述脉冲信号的分频信号与参考信号的频率；

所述逻辑单元模块连接所述开关模块，用于根据所述比较模块的比较结果调节所述开关模块的等效栅宽。

在本发明的一个实施例中，所述分频模块包括n个d触发器，所述比较单元包括n+1个频率比较器，所述逻辑单元模块包括n+1个与门，并且所述开关模块包括n+2个功率管，其中，n为自然数。

在本发明的一个实施例中，所述分频模块包括第一d触发器、第二d触发器和第三d触发器，其中，

所述第一d触发器的时钟输入端输入脉冲信号，端连接所述第一d触发器的d端，q端连接所述第二d触发器的时钟输入端和所述比较模块的正输入端；

所述第二d触发器的端连接所述第二d触发器的d端，q端连接所述第三d触发器的时钟输入端和所述比较模块的正输入端；

所述第三d触发器的端连接所述第三d触发器的d端，q端连接所述比较模块的正输入端。

在本发明的一个实施例中，所述比较模块包括第一频率比较器、第二频率比较器、第三频率比较器和第四频率比较器，其中，

所述第一频率比较器的正输入端输入脉冲信号，所述第二频率比较器的正输入端连接所述第一d触发器的q端，所述第三频率比较器的正输入端连接所述第二d触发器的q端，所述第四频率比较器的正输入端连接所述第三d触发器的q端；

所述第一频率比较器、所述第二频率比较器、所述第三频率比较器和所述第四频率比较器的负输入端均输入参考信号，输出端均连接所述逻辑单元模块。

在本发明的一个实施例中，所述第一频率比较器、所述第二频率比较器、所述第三频率比较器和所述第四频率比较器均包括第一计数器、第二计数器、第一与非门、第二与非门、与门和rs触发器，其中，

所述第一计数器的时钟输入端作为所述频率比较器的正输入端，输出端连接所述第一与非门的输入端；所述第二计数器的时钟输入端作为所述频率比较器的负输入端，输出端连接所述第二与非门的输入端；所述第一计数器的使能端连接所述第二计数器的使能端；

所述第一与非门的输出端连接所述与门的第一输入端，所述第二与非门的输出端连接所述与门的第二输入端；

所述与门的输出端连接所述第一计数器的使能端或所述第二计数器的使能；

所述rs触发器的s端连接所述第一与非门的输出端，r端连接所述第二与非门的输出端，所述rs触发器的输出端作为所述频率比较器的输出端。

在本发明的一个实施例中，所述第一计数器和所述第二计数器均为四位计数器，所述第一与非门和第二与非门均为四输入与非门。

在本发明的一个实施例中，所述逻辑单元模块包括第一与门、第二与门、第三与门和第四与门，其中，

所述第一与门、所述第二与门、所述第三与门和所述第四与门的一个输入端均输入脉冲信号，另一个输入端分别连接所述第一频率比较器、所述第二频率比较器、所述第三频率比较器和所述第四频率比较器的输出端，输出端均连接所述开关模块。

在本发明的一个实施例中，所述开关模块包括第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管以及第五功率管，其中，

所述第一功率管的源极、所述第二功率管的源极、所述第三功率管的源极、所述第四功率管的源极以及所述第五功率管的源极共同作为所述开关模块的第一端接入所述开关电容dc-dc转换器；

所述第一功率管的漏极、所述第二功率管的漏极、所述第三功率管的漏极、所述第四功率管的漏极以及所述第五功率管的漏极共同作为所述开关模块的第二端接入所述开关电容dc-dc转换器；

所述第一功率管的栅极输入脉冲信号，所述第二功率管的栅极连接所述第一与门的输出端，所述第三功率管的栅极连接所述第二与门的输出端，所述第四功率管的栅极连接所述第三与门的输出端，所述第五功率管的栅极均连接所述第四与门的输出端。

本发明的一个实施例提供了一种开关电容dc-dc转换器，所述开关电容dc-dc转换器包括上述任一实施例所述的自适应功率管宽度调制电路。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的自适应功率管宽度调制电路能够根据输入信号频率的大小调节开关管的等效栅宽，从而减小开关电容dc-dc转换器在低频情况下的损耗，大幅度提升整体转换效率。

2、在转换效率的要求相同的情况下，采用本发明自适应功率管宽度调制电路的开关电容dc-dc转换器能够实现更多的转换比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种自适应功率管宽度调制电路的逻辑结构图；

图2是本发明实施例提供的一种分频模块和比较模块连接关系的电路结构图；

图3是本发明实施例提供的一种频率比较器的电路结构图；

图4是本发明实施例提供的一种自适应功率管宽度调制电路的电路结构图；

图5是本发明实施例提供的一种开关电容dc-dc转换器的电路结构图；

图6是开关电容dc-dc转换器在有无自适应宽度调制电路情况下的转换效率对比图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种自适应功率管宽度调制电路的逻辑结构图。如图所示，本实施例的自适应功率管宽度调制电路包括分频模块101、比较模块102、逻辑单元模块103和开关模块104。分频模块101连接比较模块102，用于接收脉冲信号clk，将脉冲信号clk进行分频处理并输出。比较模块102连接逻辑单元模块103，用于比较分频信号与参考信号clk_ref的频率。逻辑单元模块103连接开关模块104，用于根据比较模块102的比较结果调节开关模块104的等效栅宽。

在本实施例中，分频模块101包括n个d触发器，比较单元102包括n+1个频率比较器，逻辑单元模块103包括n+1个与门，并且开关模块104包括n+2个功率管，其中，n为自然数。

在本实施例中，本发明的自适应功率管宽度调制电路能够根据输入信号频率的大小调节开关管的等效栅宽，从而减小开关电容dc-dc转换器在低频情况下的损耗，大幅度提升整体转换效率。

实施例二

请参见图2，图2是示出了本发明实施例提供的一种分频模块和比较模块连接关系的电路结构图。如图所示，在本实施例中，分频模块101包括第一d触发器i1、第二d触发器i2和第三d触发器i3；比较模块102包括第一频率比较器fc1、第二频率比较器fc2、第三频率比较器fc3和第四频率比较器fc4。

第一d触发器i1的时钟输入端c1输入脉冲信号clk，·连接第一d触发器i1的d端d1，q端q1连接第二d触发器i2的时钟输入端c2。第二d触发器i2的端连接第二d触发器i2的d端d2，q端q2连接第三d触发器i3的时钟输入端c3。第三d触发器i3的端连接第三d触发器i3的d端d3。

第一频率比较器fc1的正输入端输入脉冲信号clk，负输入端输入参考信号clk_ref；第二频率比较器fc2的正输入端连接第一d触发器i1的q端q1，负输入端输入参考信号clk_ref；第三频率比较器fc3的正输入端连接第二d触发器i2的q端q2，负输入端输入参考信号clk_ref；第四频率比较器fc4的正输入端连接第三d触发器i3的q端q3，负输入端输入参考信号clk_ref。第一频率比较器fc1的输出端、第二频率比较器fc2的输出端、第三频率比较器fc3的输出端和第四频率比较器fc4的输出端均连接至逻辑单元模块103的输入端。

请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种频率比较器的电路结构图。在本实施例中，第一频率比较器fc1、第二频率比较器fc2、第三频率比较器fc3和第四频率比较器fc4均包括第一计数器counter1、第二计数器counter2、第一与非门nand1、第二与非门nand2、与门and和rs触发器rs。第一计数器counter1的时钟输入端作为所述频率比较器的正输入端输入一个比较信号，例如脉冲信号clk或脉冲信号clk经过d触发器之后的分频信号，第一计数器counter1的输出端连接第一与非门nand1的输入端；第二计数器counter2的时钟输入端作为频率比较器的负输入端输入另一个比较信号，例如参考信号clk_ref，第二计数器counter2的输出端连接第二与非门nand2的输入端。第一计数器counter1的使能端en1连接第二计数器counter2的使能端en2。第一与非门nand1的输出端连接与门and的第一输入端，第二与非门nand2的输出端连接与门and的第二输入端。与门and的输出端连接第一计数器counter1的使能端en1或第二计数器counter2的使能端en2。rs触发器rs的s端连接第一与非门nand1的输出端，r端连接第二与非门nand2的输出端，rs触发器rs的输出端qrs作为所述频率比较器的输出端连接逻辑单元模块103。

进一步地，在本实施例中，第一计数器counter1和第二计数器counter2均为四位计数器，第一与非门nand1和第二与非门nand2均为四输入与非门，第一计数器counter1的四个输出端q11、q12、q13、q14连接第一与非门nand1的四个输入端；第二计数器counter2的四个输出端q21、q22、q23、q24连接第二与非门nand2的输入端。

请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种自适应功率管宽度调制电路的电路结构图。如图所示，在本实施例中，逻辑单元模块103包括第一与门and1、第二与门and2、第三与门and3和第四与门and4。第一与门and1、第二与门and2、第三与门and3和第四与门and4的一个输入端均输入脉冲信号clk，另一个输入端分别连接第一频率比较器fc1、第二频率比较器fc2、第三频率比较器fc3和第四频率比较器fc4的输出端。第一与门and1、第二与门and2、第三与门and3和第四与门and4的输出端均连接开关模块104。

进一步地，如图4和图5所示，开关模块104包括第一功率管m1、第二功率管m2、第三功率管m3、第四功率管m4以及第五功率管m5。第一功率管m1的源极与第二功率管m2的源极、第三功率管m3的源极、第四功率管m4的源极以及第五功率管m5的源极连接并作为开关模块104的第一端e1接入开关电容dc-dc转换器。第一功率管m1的漏极与第二功率管m2的漏极、第三功率管m3的漏极、第四功率管m4的漏极以及第五功率管m5的漏极连接并作为开关模块104的第二端e2接入开关电容dc-dc转换器。第一功率管m1的栅极输入脉冲信号clk，第二功率管m2的栅极连接第一与门and1的输出端，第三功率管m3的栅极连接第二与门and2的输出端，第四功率管m4的栅极连接第三与门and3的输出端，第五功率管m5的栅极均连接第四与门and4的输出端。

在本实施例中，第一d触发器i1、第二d触发器i2和第三d触发器i3对输入的脉冲信号clk进行分频后输入各频率比较器的正输入端，即第一四位计数器的时钟输入端。当输入脉冲信号clk的分频信号或其本身的频率大于输入参考信号clk_ref的频率时，相应频率比较器的第一四位计数器比第二四位计数器先计满并输出q11q12q13q14＝1111(“1”表示高逻辑电平，“0”表示低逻辑电平)。同时，第一四输入与非门比第二四输入与非门先输出0，rs触发器被置1，rs触发器的输出端qrs输出高电平，使得其输出端控制与其连接的功率管开始工作；反之，输入脉冲信号clk的分频信号或其本身的频率小于输入参考信号clk_ref的频率时，相应频率比较器的第二四位计数器比第一四位计数器先计满并输出q11q12q13q14＝1111，同时，第二四输入与非门比第一四输入与非门先输出0，rs触发器被置0，rs触发器的输出端qrs输出低电平，使得其输出端控制与其连接的功率管停止工作。

当与门and在其中一个输入端为0(另一端因对应的计数器还未计满而为1)时，输出0，使得第一计数器和第二计数器都停止计数，以保证控制信号的准确与稳定。rs触发器的输出可通过与输入脉冲信号clk进行逻辑与运算后连接到功率管的栅端等方式实现对相应功率管的控制。

在本实施例中，在频率较低的情况下，本发明的自适应功率管宽度调制电路能够控制开关模块中的相应功率管停止工作，从而有效地减小开关电容dc-dc转换器在低频情况下的损耗。

实施例三

请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种开关电容dc-dc转换器的电路结构图。本实施例提供了一种开关电容dc-dc转换器，所述开关电容dc-dc转换器包括上述任一实施例所述的自适应功率管宽度调制电路。

具体地，在本实施例中，所述开关电容dc-dc转换器包括第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4以及第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3、第四开关s4、第五开关s5、第六开关s6、第七开关s7、第八开关s8、第九开关s9、第十开关s10、第十一开关s11、第十二开关s12、第十三开关s13和第十四开关s14。

第一开关s1的一端与第七开关s7的一端连接至输入端vin；第一开关s1的另一端与第二开关s2的一端、第一电容c1的一端以及第二电容c2的一端连接；第一电容c1的另一端与第二电容c2的另一端、第三开关s3的一端、第五开关s5的一端、第六开关s6的一端以及第四开关s4的一端连接；第三开关s3的另一端连接至接地端；第五开关s5的另一端与第八开关s8的一端、第七开关s7的另一端、第十开关s11的一端以及第三电容c3的一端连接；第六开关s6的另一端与第八开关s8的另一端、第十开关s10的一端、第九开关s9的一端以及第四电容c4的一端连接；第三电容c3的另一端与第十开关s10的另一端、第十四开关s14的一端以及第十二开关s12的一端连接；第四电容c4的另一端与第十一开关s11的另一端、第十二开关s12的另一端以及第十三开关s13的一端连接；第三开关s3的另一端与第十四开关s14的另一端连接至接地端，第二开关s2的另一端与第四开关s4的另一端、第九开关s9的另一端以及第十三开关s13的另一端连接到输出端vout。

在本实施例中，以实施例二中的自适应功率管宽度调制电路为例描述本发明的包括自适应功率管宽度调制电路的开关电容dc-dc转换器的工作原理。

当输入脉冲信号clk的频率大于8倍的参考信号clk_ref的频率时，所有开关s1-s14的第二功率管m2、第三功率管m3、第四功率管m4以及第五功率管m5的栅极接入的是输入脉冲信号clk，都正常工作，此时所有开关s1-s14的等效栅宽都为最大；当输入脉冲信号clk的频率小于8倍的参考信号clk_ref的频率并且大于4倍的参考信号clk_ref的频率时，所有开关s1-s14的第二功率管m2、第三功率管m3以及第四功率管m4的栅极接入的是输入脉冲信号clk，都正常工作，而第五功率管m5的栅极接入的是低电位，即停止工作，此时所有开关s1-s14的等效栅宽都减小了各自第五功率管m5的栅宽。其他情况以此类推。该自适应功率管宽度调制电路最终能使开关阵列中的功率管根据输入开关频率自适应地进行调整，即在开关频率较高时其等效栅宽自适应地增大，在开关频率较低时其等效栅宽自适应地减小。

请参见图6，图6是开关电容dc-dc转换器在有无自适应宽度调制电路情况下的转换效率对比图，其中，x轴表示负载电流，y轴表示输入电压，z轴表示转换效率。从图中可以看到，在大多数情况下，在负载电流和输入电压一定的情况下，采用了该自适应功率管宽度调制电路的开关电容dc-dc转换器的转换效率明显要高未采用该自适应功率管宽度调制电路的转换器的转换效率。

在本实施例中，开关s1-s14的频率能够根据输出情况的改变而改变，即当负载端电压小于额定输出电压时，开关频率降低，反之开关频率上升，从而能减少轻载时转换器的栅驱动损耗；另一方面，通过开关s1-s14所包括的功率管的开关和闭合，对开关频率做出自适应的调整，即在频率较高时以较大的功率管宽度保证电路工作在慢开关极限，降低栅驱动损耗；在频率较低时减小功率管宽度以避免不必要的损耗，从而使开关电容dc-dc转换器进一步减小在功率管上的损耗，从而进一步提高转换效率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。