专利名称：带有数字校正功能的功率变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路，特别涉及降压型开关功率变换器输出电压调节电路。
背景技术：
集成功率变换器是功率集成电路的重要组成部分，在各种电子产品中得到了广泛 应用。功率变换器中的降压型开关功率变换器可分为电压模式控制和电流模式控制。电压 模式控制降压型开关功率变换器的控制环路简单，可较大程度上简化设计。现有技术的电 压模式控制降压型开关功率变换器的典型结构如图1所示，包括控制逻辑单元、误差放大 器(Error Amplifier简写为EA)、PWM(脉冲宽度调制波)比较器、驱动单元和输出单元。 图1中，误差放大器EA连接输出电压Vout和参考电压Vref，根据输出电压Vout和参考电 压Vref向P丽比较器comp给出误差电压Vl和V2。P丽比较器comp的另一输入端连接锯 齿波信号，PWM比较器comp根据误差电压V2调整输出脉冲的占空比。控制逻辑单元根据 PWM比较器comp输出的脉冲，通过驱动单元驱动输出单元的一对晶体管(MP和MN)对输入 电压Vin进行功率变换，产生输出电压Vout。这是一款典型的模拟控制功率变换器电路，晶 体管MP和MN以及电感L、电容C和负载电阻R构成降压型开关功率变换器电路。随着集成 电路工艺技术的进步，集成电路向纳米级工艺迈进。在摩尔定律的驱动下，在纳米级工艺下 的SoC(系统级芯片)中集成开关功率变换器成为必然。但纳米级工艺下的模拟电路设计 面临着本征增益降低、摆幅减小等诸多挑战。传统电压模式变换器中的误差放大器需要较 高的增益以满足负载调整率的要求，但在纳米级工艺下满足较高增益要求，误差放大器的 设计将会变得困难，而且在负载范围较宽时，很难保证负载调整率的指标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术误差放大器增益降低，不能满足 负载调整率要求的问题，提供一种采用数字技术调整输出电压的功率变换器。本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，带有数字校正功能的功率变换器， 包括控制逻辑单元、误差放大器、PWM比较器、驱动单元和输出单元，所述误差放大器根据输 出单元的输出电压和参考电压给出误差电压，所述PWM比较器根据所述误差电压调整输出 脉冲的占空比，所述控制逻辑单元根据PWM比较器输出的脉冲，通过驱动单元驱动输出单 元对输入电压进行功率变换，产生输出电压；其特征在于，还包括数字控制单元，所述数字 控制单元输入端连接输出电压，输出端连接误差电压；当所述输出电压超过设定范围时，所 述数字控制单元以步进方式改变所述误差电压的大小，使所述输出电压保持在所述设定范 围。具体的，所述输出单元由一只PMOS晶体管和一只NMOS晶体管构成，所述PMOS晶 体管和NMOS晶体管的栅极与驱动单元连接，其漏极连接在一起作为输出端，所述PMOS晶体 管源极接输入电压，所述NMOS晶体管源极接地。具体的，所述误差放大器采用跨导放大器。
3
进一步的，所述数字控制单元包括第一比较器、第二比较器、校正模块和电流镜； 所述第一比较器和第二比较器输入端连接输出电压，输出端连接校正模块，所述校正模块 连接电流镜；所述校正模块根据所述第一比较器和第二比较器的输出信号控制电流镜开启 的数量，使流过连接在误差电压上的上拉电阻的电流变化，从而以步进方式改变所述误差 电压的大小。具体的，所述第一比较器用于检测输出电压的正偏差，所述第二比较器用于检测 输出电压的负偏差；如果在设定的时间内输出电压均为正偏差则减少电流镜开启的数量， 如果在设定的时间内输出电压均为负偏差则增加电流镜开启的数量。本发明的有益效果是，在原有模拟控制电路基础上，增加了数字控制电路，结合了 简洁的模拟电路和复杂的数字校正电路，使功率变换器的性能在纳米级工艺下依然能够得 到保证。数字电路的工艺鲁棒性强，保证了较高的成品率和稳定性。本发明数字校正电路 不仅可用到纳米级工艺中，对传统工艺下的功率变换器仍然具有广泛的使用前景。
图1是现有技术功率变换器结构示意图；图2是实施例的功率变换器结构示意图；图3是校正模块状态转换示意图；图4是功率变换器输出电压校正效果示意图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。本发明对传统模拟环路开关变换器进行了数字自调节，对工艺的依赖性减少，使 该方法的可移植性强，并且自调节原理简单。很好结合了数字电路和模拟电路的优势，非常 适用于难以得到高性能模拟电路的纳米级工艺，以及对传统开关变换器进行升级改造。实施例本例带有数字校正功能的功率变换器结构如图2所示。包括控制逻辑单元、误差 放大器EA、PWM比较器Comp、驱动单元、输出单元和数字控制单元。本例输出单元由一只 PMOS晶体管MP和一只匪OS晶体管MN构成，图2中PMOS晶体管MP和匪OS晶体管MN的 栅极与驱动单元连接，他们的漏极连接在一起作为输出端，PMOS晶体管MP源极接输入电压 Vin，NMOS晶体管MN源极接地。由图1与图2比较可以看出，本例数字控制单元包括第一比较器Compl、第二比较 器Comp2、校正模块和3排电流镜。第一比较器Compl和第二比较器Comp2输入端连接输出 电压Vout，输出端连接校正模块。图中，校正模块输出端与3排电流镜连接，根据第一比较 器Compl和第二比较器Comp2输出的信号C0mp_H和Comp_L控制电流镜开启的数量，使流 过连接在误差电压V2上的上拉电阻R2的电流变化，从而以步进方式改变误差电压V2的大 小。PWM比较器Comp根据误差电压V2调整输出脉冲的占空比，输出脉冲宽度调制波(PWM)， 并将该PWM输入控制逻辑单元。控制逻辑单元根据PWM比较器Comp输出的脉冲，通过驱动 单元驱动PMOS晶体管MP和匪OS晶体管丽，对输入电压Vin进行功率变换，产生输出电压 Vout0
本例中，输出电压Vout与参考电压Vref为误差放大器EA的两个输入电压，误差 放大器 EA 采用跨导放大器(OTA, Operational Transconductance Amplifier)。EA 的输出 与PWM比较器comp的输入相连。电阻R1、R2的一端接在EA的输出，一端接输入电压Vin。 图2中振荡器产生的锯齿波电流SAW接在电阻Rl —端，用于PWM比较器comp产生脉冲宽度 调制波，振荡器产生的时钟信号Clk接控制逻辑单元和校正单元，作为功率变换器工作的 基础时钟。控制逻辑单元的输入为Clk和PWM，其输出信号与驱动单元相连驱动PMOS晶体 管MP和NMOS晶体管MN,完成功率变换。第一比较器compl和第二比较器comp2分别用于 检测输出电压的正偏差(Vref+e% )和负偏差(Vref-e% )，其输出信号分别表记为Comp_H 和Comp_L，他们代表了输出电压Vout的相对位置。当输出电压Vout出现正偏差时，Comp_ H和Comp_L均为低(=0)；当输出电压Vout出现负偏差时Comp_H和Comp_L均为高(= 1)。图2中校准模块的输入为C0mp_H、C0mp_L和Clk，当检测到连续N个周期(本例中N = 8) Comp_H和Comp_L均为高，其输出信号Trim加1，增加电流镜开启的数量，使流过上拉电 阻R2的电流增大，误差电压V2降低；当检测到连续N个周期Comp_H* Comp_L均为低，输 出信号Trim减1，减少电流镜开启的数量，使流过上拉电阻R2的电流减小，误差电压V2升 高。输出信号Trim通过控制开关SO、Si、S2控制量化的电流镜，从而以步进方式改变误差 电压V2的大小，通过PWM比较器Comp对输出脉冲的占空比进行微调。图2中，3排电流镜 连接在上拉电阻R2的下端，其开启(电流镜对应的开关SO、Si、S2闭合)数量直接控制流 过电阻R2的电流，从而使误差电压V2以步进方式变化。图3是校准模块的状态转换示意图，系统初始化后会保持输出信号Trim，当检测 到连续N个周期C0mp_H和Comp_L均为高，其输出信号Trim加1 ；当检测到连续N个周期 Comp_H和Comp_L均为低，其输出信号iTrim减1。图4为本发明带有数字校正功能的功率变换器的输出电压调节结果，图中示出了 变化范围为的情况(即e = 1)。在没有采用本发明的技术方案时，在宽负载范围内输出 电压波动范围较大，而当采用本发明的数字校正技术后，输出电压波动被稳定在1 %以内， 且在不同的工艺条件和温度情况下均可以保持不变。
权利要求
1.带有数字校正功能的功率变换器，包括控制逻辑单元、误差放大器、PWM比较器、驱 动单元和输出单元，所述误差放大器根据输出单元的输出电压和参考电压给出误差电压， 所述PWM比较器根据所述误差电压调整输出脉冲的占空比，所述控制逻辑单元根据PWM比 较器输出的脉冲，通过驱动单元驱动输出单元对输入电压进行功率变换，产生输出电压；其 特征在于，还包括数字控制单元，所述数字控制单元输入端连接输出电压，输出端连接误差 电压；当所述输出电压超过设定范围时，所述数字控制单元以步进方式改变所述误差电压 的大小，使所述输出电压保持在所述设定范围。
2.根据权利要求1所述的带有数字校正功能的功率变换器，其特征在于，所述输出单 元由一只PMOS晶体管和一只NMOS晶体管构成，所述PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极与驱 动单元连接，其漏极连接在一起作为输出端，所述PMOS晶体管源极接输入电压，所述NMOS 晶体管源极接地。
3.根据权利要求1或2所述的带有数字校正功能的功率变换器，其特征在于，所述误差 放大器采用跨导放大器。
4.根据权利要求3所述的带有数字校正功能的功率变换器，其特征在于，所述数字控 制单元包括第一比较器、第二比较器、校正模块和电流镜；所述第一比较器和第二比较器输 入端连接输出电压，输出端连接校正模块，所述校正模块连接电流镜；所述校正模块根据所 述第一比较器和第二比较器的输出信号控制电流镜开启的数量，使流过连接在误差电压上 的上拉电阻的电流变化，从而以步进方式改变所述误差电压的大小。
5.根据权利要求4所述的带有数字校正功能的功率变换器，其特征在于，所述第一比 较器用于检测输出电压的正偏差，所述第二比较器用于检测输出电压的负偏差；如果在设 定的时间内输出电压均为正偏差则减少电流镜开启的数量，如果在设定的时间内输出电压 均为负偏差则增加电流镜开启的数量。
全文摘要
本发明涉及降压型开关功率变换器输出电压调节电路。本发明针对现有技术误差放大器增益降低，不能满足负载调整率要求的问题，提供一种采用数字技术调整输出电压的功率变换器。本发明的技术方案是，带有数字校正功能的功率变换器，包括控制逻辑单元、误差放大器、PWM比较器、驱动单元和输出单元，其特征在于，还包括数字控制单元，所述数字控制单元输入端连接输出电压，输出端连接误差电压；当所述输出电压超过设定范围时，所述数字控制单元以步进方式改变所述误差电压的大小，使所述输出电压保持在所述设定范围。本发明数字校正电路不仅可用到纳米级工艺中，对传统工艺下的功率变换器仍然具有广泛的使用前景。
文档编号H02M3/157GK102075089SQ20111004651
公开日2011年5月25日 申请日期2011年2月25日 优先权日2011年2月25日
发明者张波, 李江昆, 甄少伟, 祝晓辉, 罗萍 申请人:电子科技大学