DC-DC转换装置和电源管理系统的制作方法

本申请涉及电源管理系统技术领域，特别是涉及一种dc-dc转换装置和电源管理系统。

背景技术：

目前，电源管理系统已经应用于各种不同的移动电子设备中，电源管理系统由多部分组成，而其中最为关键的是dc-dc转换器。传统的dc-dc转换器大多采用pwm控制模式或者pfm控制模块，pwm控制模式在固定频率下工作，在重载情况下可以得到高稳定、低纹波的电压，且能够获得较高的转换效率；pfm控制模式的开关频率随负载变化而变化，在轻负载情况下能够获得较高的转换效率。

但是，在采用pwm控制模式时，若负载电流降低，则其转换效率将会降低，而pfm控制模式在重负载情况下转换效率则较低，使得很多电源管理系统无论是采用pwm控制模式还是采用pfm控制模式都存在效率低的问题。

技术实现要素：

基于此，有必要针对电压转换效率低的问题，提供一种能够提高效率的dc-dc转换装置和电源管理系统。

一种dc-dc转换装置，包括：误差放大模块、pwm控制模块、pfm控制模块、模式选择模块、功率变换模块和负载模块；误差放大模块连接pwm控制模块、pfm控制模块和负载模块；pwm控制模块连接模式选择模块和功率变换模块；pfm控制模块连接模式选择模块和功率变换模块；功率变换模块连接模式选择模块和负载模块，功率变换模块还用于连接输入电源；模式选择模块用于获取功率变换模块的输出电流，将输出电流与预设电流临界值进行比较得到比较结果，并根据比较结果选择pwm控制模块或选择pfm控制模块根据误差放大模块的输出误差，输出对应的控制信号至功率变换模块以控制功率变换模块进行电压转换。

上述的dc-dc转换装置，通过模式选择模式获取功率变换模块的输出电流，将输出电流与预设电流临界值进行比较得到比较结果，并根据比较结果来确定选择pwm控制模块或pfm控制模块来控制功率变换模块进行电压转换，使得dc-dc转换装置可以采用不同的控制模块来控制功率变换模块进行电压转换，从而达到提高电压转换效率的目的。

在其中一个实施例中，误差放大模块包括放大器和基准电压源，放大器的反相输入端与基准电压源连接，放大器的同相输入端与负载模块连接，放大器的输出端分别与pwm控制模块和pfm控制模块连接。

在其中一个实施例中，dc-dc转换装置还包括软启动模块，软启动模块与放大器的启动端连接。

在其中一个实施例中，功率变换模块包括第一开关管和第二开关管，第一开关管的输入端用于连接输入电源，第一开关管的控制端分别与pwm控制模块和pfm控制模块连接，第一开关管的输出端连接第二开关管的输入端和负载模块，第二开关管的控制端分别与pwm控制模块和pfm控制模块连接，第二开关管的输出端接地。

在其中一个实施例中，负载模块包括电感组件、储能充电组件和分压电阻组件，电感组件的一端与第一开关管的输出端连接，电感组件的另一端连接储能充电组件的一端以及分压电阻组件的输入端，储能充电组件的另一端与第二开关管的输出端连接，分压电阻组件的输出端与第二开关管的输出端连接，分压电阻组件的反馈端与误差放大模块连接。

在其中一个实施例中，第一开关管组件和第二开关管组件均为场效应管。

在其中一个实施例中，pfm控制模块包括pfm控制器以及振荡器，振荡器与pfm控制器连接，pfm控制器连接误差放大模块、模式选择模块以及功率变换模块，pfm控制器根据振荡器的振荡信号以及误差放大模块的输出误差，输出对应的控制信号至功率变换模块以控制功率变换模块进行电压转换。

在其中一个实施例中，pwm控制模块包括比较器，比较器的正输入端与误差放大模块连接，比较器的负输入端用于接入预设波形的电压信号，比较器的输出端与功率变换模块连接，比较器的控制端与模式选择模块连接，比较器用于根据预设波形的电压信号以及误差放大模块的输出误差，输出对应的控制信号至转换模式以控制功率变换模块进行电压转换。

一种电源管理系统，电源管理系统包括上述的dc-dc转换装置。

在其中一个实施例中，电源管理系统还包括无线收发器、微控制器和传感器，线收发器、微控制器和传感器均与dc-dc转换装置连接。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术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申请的一些实施例，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为一实施例中dc-dc转换装置的系统框架结构示意图；

图2为一实施例中dc-dc转换装置的具体结构示意图；

图3为一实施例中dc-dc转换装置的具体结构示意图；

图4为一实施例中pfm控制模块的结构示意图；

图5为一实施例中pwm控制模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种dc-dc转换装置，该dc-dc转换装置包括误差放大模块100、pwm控制模块200、pfm控制模块300、模式选择模块400、功率变换模块500和负载模块600；误差放大模块100连接pwm控制模块200、pfm控制模块300和负载模块600；pwm控制模块200连接模式选择模块400和功率变换模块500；pfm控制模块300连接模式选择模块400和功率变换模块500；功率变换模块500连接模式选择模块400和负载模块600，功率变换模块500还用于连接输入电源。模式选择模块400用于获取功率变换模块500的输出电流，将输出电流与预设电流临界值进行比较得到比较结果，并根据比较结果选择pwm控制模块200或选择pfm控制模块300根据误差放大模块100的输出误差，输出对应的控制信号至功率变换模块500以控制功率变换模块500进行电压转换。

具体的，dc-dc转换是指直流-直流转换，在dc-dc转换装置进行直流-直流转换时，是将输入电源输出的电流进行转换，即由功率变换模块500实现对输入电源的电流进行直流-直流转换的过程，然后由功率变换模块500将转换后的电流输出至负载模块600，而功率变换模块500在将输入电源输出的电流进行直流-直流转换的整个过程中，是受pfm控制模块300或者pwm控制模块200控制的，即由pfm控制模块300或者pwm控制模块200输出对应的控制信号给功率变换模块500，从而控制功率变换模块500对输入电源的电流进行转换，最终从负载模块600输出。

进一步的，如何确定由pfm控制模块300或pwm控制模块200来控制功率变换模块500，则是由模式选择模块400获取功率变换模块500的输出电流来进行判断，例如当功率变换模块500的输出电流大于或等于预设电流临界值时，则选择pwm控制模块200来控制功率变换模块500，即pfm控制模块300不工作，通过pwm控制模块200输出对应的控制信号给功率变换模块500，控制功率变换模块500进行直流-直流变换，当输出电流小于预设电流临界值时，则pwm控制模块200不工作，pfm控制模块300输出对应的控制信号给功率变换模块500，控制功率变换模块500进行直流-直流变换。还可以采用其它的方式来确定是由pfm控制模块300或pwm控制模块200来控制功率变换模块500，例如获取功率变换模块500的输出电压，并将输出电压与预设电压临界值进行比较得到比较结果，即根据输出电压与预设电压临界值的大小来确定是由pfm控制模块300或pwm控制模块200来控制功率变换模块500等等。

需要说明的是，pfm控制模块300或pwm控制模块200输出至功率变换模块500的控制信号是依据误差放大模块100的输出误差生成的，即误差放大模块100会输出误差给pfm控制模块300或pwm控制模块200，然后由pfm控制模块300或pwm控制模块200根据该输出误差产生对应的控制信号。进一步的，在一个实施例中，误差放大模块100的输出误差可以是方波信号，例如误差放大模块100采集负载模块600的反馈电压，然后将反馈电压与误差放大模块100内的预设基准电压进行比较，从而得到方波信号作为输出误差，提供给pwm控制模块200或pfm控制模块300，然后pwm控制模块200或pfm控制模块300根据该方波信号，生成相应的控制信号来控制功率变换模块500进行直流-直流变换。可以理解的是，输出误差也可以是其它波形的电平信号，例如锯齿波信号等等。

应当指出的是，本申请中的pfm控制模块300和pwm控制模块200的功能都可以参考现有的常规技术，例如pfm控制模块300是通过固定mos管的导通时间或关断时间，改变开关频率，从而实现对功率变换模块500的输出电压进行调节与控制，pfm控制模块300的开关损耗与负载模块600的输出电流成正比，传到损耗随负载模块600的输出电流的增加而增加，采用pfm控制模块300对功率变换模块500进行控制，能够在负载模块600为轻载的情况下获得较高的转换效率。而pwm控制模块200开关频率恒定，当负载模块600的负载电流变化时，开关损耗保持不变，传导损耗随负载电流增加而增加，使得pwm控制模块200在负载模块600为重载时能够有较高的转换效率。在此需要说明的是，为了能够在不同负载的情况下都能够获得较高的转换效率，本申请采用的是pwm控制模块200和pfm控制模块300混合的控制方式，即通过确定在何种负载情况下选择pwm控制模块200，在何种负载情况下选择pfm控制模块300来控制功率变换模块500，最终达到提高转换效率的目的，而pwm控制模块200以及pfm控制模块300可采用现有的常规技术，故而pwm控制模块200以及pfm控制模块300的具体工作原理在此不做详细说明。

在一个实施例中，如图2所示，误差放大模块100包括放大器和基准电压源，放大器的反相输入端与基准电压源连接，放大器的同相输入端与负载模块600连接，放大器的输出端分别与pwm控制模块200和pfm控制模块300连接。

具体的，基准电压源用于提供基准电压给放大器，负载模块600会输出反馈电压给放大器，放大器将比较基准电压与反馈电压的大小，从而生成输出误差(例如输出误差可以是方波信号)，并将输出误差输出至pwm控制模块200或者pfm控制模块300，使得pwm控制模块200或者pfm控制模块300根据该输出误差，生成对应的控制信号给功率变换模块500，控制功率变换模块500进行电压转换。

应当指出的是，基准电压源是将两个具有相反温度系数的电压以一定的系数相乘后相加，得到具有零温度系数的基准电压，提供给放大器的，基准电压的获取公式为：

vref＝α1v1+α2v2

上式中，vref为基准电压，α1与α2分别为正温度系数电压的权重与负温度系数电压的权重，v1与v2分别为正温度电压与负温度电压，根据实际需要选择合适的权重，即可获得具有零温度系数的基准电压。

在一个实施例中，如图2所示，dc-dc转换装置还包括软启动模块，软启动模块与放大器的启动端连接，其中，软启动模块用于实现dc-dc转换装置的软启动，可以理解，dc-dc转换装置需要启动之后才能够进行直流-直流转换，通过设置软启动模块能够使得dc-dc转换装置在启动时，不会出现浪涌电流过大和输出电压过冲的现象，保护整个dc-dc转换装置中的电路元件，提高使用寿命，需要说明的是，软启动技术其是通过对接入的输入电压等进行控制，使得输入电压可以平缓的增大，从而达到软启动的目的，软启动的具体工作原理可以参考现有常规的软启动技术，故在此不再详细赘述。

在一个实施例中，如图2所示，功率变换模块500包括第一开关管组件(例如开关管q1)和第二开关管组件(例如开关管q2)，第一开关管组件的输入端用于连接输入电源，第一开关管组件的控制端分别与pwm控制模块200和pfm控制模块300连接，第一开关管组件的输出端连接第二开关管组件的输入端和负载模块600，第二开关管组件的控制端分别与pwm控制模块200和pfm控制模块300连接，第二开关管组件的输出端接地。

具体的，pwm控制模块200和pfm控制模块300两者是不会同时产生控制信号的，当pwm控制模块200工作产生控制信号时，该控制信号输出至第一开关管组件的控制端以及第二开关管组件的控制端，从而控制第一开关管组件以及第二开关管组件的导通或断开，pwm控制模块200是保持开关频率恒定，调节开关管的导通时间，从而实现在负载模块600为重载时提高转换效率，而pfm控制模块300则通过输出控制信号至第一开关管组件的控制端以及第二开关管组件的控制端，保持开关管的导通时间或关断时间，调节开关管的开关频率，从而实现在负载模块600为轻载时提高转换效率。

进一步的，在一个实施例中，第一开关管组件和第二开关管组件均为场效应管(即功率mosfet管)，通过采用场效应管，能够使得管压降更小，功率更低，提高dc-dc转换装置的转换效率。

在一个实施例中，如图3所示，负载模块600包括电感组件601、储能充电组件602和分压电阻组件603，电感组件601的一端与第一开关管组件(例如开关管q1)的输出端连接，电感组件601的另一端连接储能充电组件602的一端以及分压电阻组件603的输入端，储能充电组件602的另一端与第二开关管组件(例如开关管q2)的输出端连接，分压电阻组件603的输出端与第二开关管组件的输出端连接，分压电阻组件603的反馈端与误差放大模块100连接。具体的，负载模块600还包括有正输入端和负输入端，用于接入负载(例如重载或轻载)，负载模块600输出电压为vout，储能充电组件602能够在第一开关管组件和第二开关管组件断开时提供电源给负载，分压电阻组件603可以起到分压的作用，并得到反馈电压vfb，输出到误差放大模块100。

在一个实施例中，如图3所示，模式选择模块400包括负载检测单元以及pwm/pfm控制模式切换单元，负载检测单元用于获取到功率变换模块500的输出电流io，并将输出电流io与预设电流临界值进行比较得到比较结果，从而使得pwm/pfm控制模式切换单元根据比较结果实现pwm控制模块200以及pfm控制模块300的切换。具体的，预设电流临界值可采用以下计算公式：

计算得到，上式中，iom为预设电流临界值，vin为输入电源的电压，ipfm为pfm控制模块300的限制电流，l为电感组件的电感值，vout为输出电压，t为pfm控制模块300中振荡器输出的时钟信号周期，应当指出的是，pfm控制模块300包括有振荡器以及pfm控制器，具体详见后续的解释说明。

在一个实施例中，如图3所示，pwm控制模块200和pfm控制模块300与功率变换模块500之间可以设置有控制逻辑以及驱动电路，pwm控制模块200和pfm控制模块300通过控制逻辑与模式选择模块400连接。具体的，控制逻辑可以是切换开关，例如模式选择模块400确定选择pwm控制模块200输出相应的控制信号给功率变换模块500时，可以对切换开关进行切换，使得pwm控制模块200与功率变换模块500之间导通，当模式选择模块400确定选择pfm控制模块300输出相应的控制信号给功率变换模块500时，可以对切换开关进行切换，使得pfm控制模块300与功率变换模块500之间导通。进一步的，驱动电路可以是由整流滤波电路以及稳压电路等组成，使得输出至功率变换模块500的控制信号稳定。

在一个实施例中，如图4所示，pfm控制模块300包括pfm控制器以及振荡器，振荡器与pfm控制器连接，pfm控制器连接误差放大模块、模式选择模块以及功率变换模块，pfm控制器根据振荡器的振荡信号以及误差放大模块的输出误差，输出对应的控制信号至功率变换模块以控制功率变换模块进行电压转换。

具体的，模式选择模块还能够通过输出使能信号的方式给pfm控制器，例如当模式选择模块在将输出电流与预设电流临界值比较得到比较结果之后，确定了由pfm控制模块300来输出对应的控制信号给功率变换模块，那么模式选择模块就会输出使能信号给pfm控制器，使得pfm控制器开始工作，将振荡器的振荡信号与误差放大模块的输出误差作为其自身的输入，然后根据振荡信号以及输出误差，得到控制信号输出给功率变换模块以进行直流-直流变换。

应当指出的是，pfm控制模块300是通过固定功率变换模块的导通时间或关断时间，改变开关频率，从而实现对功率变换模块的输出电压进行调节与控制的，即功率变换模块对输入电源进行电压变换，得到输出电压输出至负载模块，负载模块与误差放大模块连接，输出反馈电压给误差放大模块，通过误差放大模块实现反馈电压与基准电压的比较，产生输出误差(输出误差以方波信号为例)，方波信号的低电平信号与振荡器产生的高电平信号共同作为控制信号来控制功率变换模块的导通或关断时间，从而实现对功率变换模块的控制。可以理解，不同的负载模块，功率变换模块输出至不同的负载模块时，输出电压下降与上升时间是不相同的，从而最终使得控制信号的低电平的时间不同，从而使得pfm控制模块对功率变换模块进行循环控制。

在一个实施例中，如图5所示，pwm控制模块200包括比较器，比较器的正输入端与误差放大模块连接，比较器的负输入端用于接入预设波形的电压信号，比较器的输出端与功率变换模块连接，比较器的控制端与模式选择模块连接，比较器用于根据预设波形的电压信号以及误差放大模块的输出误差，输出对应的控制信号至转换模式以控制功率变换模块进行电压转换。

具体的，比较器的正输入端接收误差放大模块的输出误差，误差放大模块此时是将负载模块的反馈电压与基准电压的电压差值进行放大，将放大后的电压差值作为输出误差，输出至比较器的正输入端，比较器的负输入端接入预设波形的电压信号(以锯齿波电压信号为例)，比较器通过比较锯齿波电压信号与放大后的电压差值的大小，得到相应的控制信号(例如方波信号)输出至功率变换模块来控制功率变换模块进行直流-直流变换。可以理解，不同的负载模块其反馈给误差放大模块的反馈电压是不同的，当负载模块为重载时，则反馈电压会升高，使得放大后的电压差值升高，导致比较器得到的方波信号的占空比升高，输出电压纹波较低，从而实现pwm控制模块在重载时控制功率变换模块进行高效率电压转换。

在一个实施例中，为使得本申请充分公开，本实施例将结合图1至图5对本方案进行详细的说明，首先本方案共包括有如下六个步骤：

步骤一、dc-dc转换装置通过软启动模块进行软启动，消除dc-dc转换器在上电过程中出现浪涌电流和输出过压的现象；

步骤二、通过基准电压源，为负载模块的分压电阻组件的反馈端输出至误差放大模块的反馈电压提供一个参考值，并保证其他电路模块的正常使用；

步骤三、进行负载检测，获取功率变换模块的输出电流io，根据输出电流io的大小确定负载模块接入的负载为轻载或重载，并与预设电流临界值进行比较，从而确定选择pfm控制模块或pwm控制模块；

步骤四、当负载模块接入的负载为轻载，即输出电流io小于预设电流临界值时，启动pfm控制模块，并通过相应的控制逻辑使得pfm控制模块输出控制信号至功率变换模块以进行电压变换；

步骤五、当负载模块接入的负载为重载，即输出电流io大于或等于预设电流临界值时，启动pwm控制模块，并通过相应的控制逻辑使得pwm控制模块输出控制信号至功率变换模块以进行电压变换；

步骤六、采用电压前馈技术提高动态响应性能。

在步骤一中，由于dc-dc转换器在启动时，容易出现浪涌电流过大和输出电压过冲的现象，且浪涌电流过大会损坏电感等电路元件，降低dc-dc转换装置使用寿命。因此，为了dc-dc转换装置的安全，需要采用软启动的方式启动电路。

在步骤二中，基准电压源提供的基准电压为：

vref＝α1v1+α2v2(2)

上式中，vref为基准电压，α1与α2分别为正温度系数电压的权重与负温度系数电压的权重，v1与v2分别为正温度电压与负温度电压。选择合适的权重便可获得具有零温度系数的基准电压。

在步骤三中，预设电流临界值的计算公式为：

上式中，iom为预设电流临界值，vin为输入电源的电压，ipfm为pfm控制模块的限制电流，l为电感组件的电感值，vout为输出电压，t为pfm控制模块中振荡器输出的时钟信号周期，当负载电流io≤iom时，选择pfm控制模块控制功率变换模块进行电压转换；当负载电流io>iom时，选择pwm控制模块控制功率变换模块进行电压转换。

在步骤四中，pfm控制模块通过固定第一开关管组件和第二开关管组件的导通时间，改变开关频率，从而实现对输出电压的调节与控制。输出电压vout经过分压电阻组件产生反馈电压vfb，并通过误差放大模块实现反馈电压与基准电压的比较，产生方波信号。方波信号的低电平信号与pfm控制模块中的振荡器产生高电平信号共同作为驱动信号控制第一开关管组件和第二开关管组件的工作状态；不同的负载(例如重载或轻载)，输出电压下降与上升时间也是不同的，从而造成驱动信号低电平的时间不同，实现在轻载情况下的pfm控制模块对功率变换模块的电压转换控制。

在步骤四中，pfm控制模块中采用迟滞比较器作为误差放大模块的放大器实现振荡器osc，从而实现轻负载工作状态与休眠状态的切换。当反馈电压上升至迟滞比较器的高值时，迟滞比较器输出信号翻转，功率管及dc-dc转换装置中的大部分模块关闭，进入休眠模式。在休眠模式中，负载电流由储能充电组件进行续流，输出电压降低，损耗随之降低，功耗较低。当反馈电压下降至迟滞比较器的低值时，dc-dc转换装置进入轻负载工作状态。

在步骤五中，pwm控制模块采用脉冲宽度调制，通过保持开关频率恒定，调节第一开关管组件或第二开关管组件的导通时间来保证输出恒定的电压值。输出电压vout经过分压电阻组件产生反馈电压vfb，并通过误差放大模块实现反馈电压与基准电压的比较，将差值进行放大并输出到比较器的正向端，比较器负向端产生一个周期性的锯齿波电压信号，并比较锯齿波电压与误差放大器的输出电压vc，从而得到驱动信号。当负载为重载时，误差放大模块的输出电压会升高，并导致比较器输出的方波信号的占空比升高，输出电压纹波较低，实现重载的高转换效率。

在步骤六中，为了提高dc-dc转换装置的输入瞬态响应性能，采用电压前馈技术来抑制输入电压发生的小信号扰动，提高线性调整率，线性调整率定义如下：

上式中，δvout为输出电压的变化量，δvin为输入电压的变化量。

通过采用上述的dc-dc转换装置，使得电源管理系统的转换效率能够得到提高，其中，转换效率公式为：

上式中，η为转换效率，vin为输入电压，iin为输入电流，vout为输出电压，iout为输出电流，po为负载消耗能量，pf为dc-dc转换器的损耗，包括开关损耗、传导损耗、外部损耗等。

在一个实施例中，提供了一种电源管理系统，该电源管理系统包括上述的dc-dc转换装置。

在一个实施例中，电源管理系统还包括无线收发器、微控制器和传感器，线收发器、微控制器和传感器均与dc-dc转换装置连接。通过dc-dc转换装置为无线收发器、微控制器和传感器进行供电，保证无线收发器、微控制器和传感器这些器件的正常工作。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。