专利名称：轻载高效率的dc-dc转换装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电子电路技术领域，涉及模拟集成电路，特别是一种可在轻负载时实现高效率的DC-DC转换器，可用于各类便携式电子产品中。
背景技术：
DC-DC转换器作为重要的电源管理类电路广泛应用于手机、平板电脑和数码相机等各类便携式产品中。相比于线性稳压器而言，开关型电源管理芯片，如DC-DC转换器，最大的优势就是效率高。而在便携式应用中，DC-DC在轻负载下效率的高低很大程度上决定了便携式产品系统的待机时间。因此，在最近几年，低功耗、高效率的设计成为了众多便携式应用的研究热点之一。DC-DC转换器的功耗一般由导通损耗，开关损耗以及芯片内部模拟电路的静态损耗三部分组成。其中导通损耗主要是电流流过功率管的导通电阻所消耗的能量，随芯片负载电流的增大而增大，开关损耗是在每个工作周期内，由于驱动功率管栅电容充放电而产生的动态损耗，静态损耗是芯片内部模拟电路在工作时的消耗，开关损耗和静态损耗均与芯片负载电流大小无关。所以，芯片在重载时，导通损耗是主要损耗，而在轻载时，开关损耗和静态损耗构成了转换器的主要损耗。由于便携式设备待机时的效率主要取决于DC-DC在轻负载状况下的功耗，提高DC-DC在轻负载时的效率，就能够有效延长便携式设备的电池使用时间。如图1显示了传统脉冲宽度调制模式PWM控制的DC/DC降压型转换器的结构框图，该转换器由误差放大、调制及功率输出和反馈及滤波三个模块构成。图2显示了此类 DC-DC转换器的电路简图，如图2所示，该转换器通过PWM比较器产生功率MOS管的栅端控制信号，工作频率恒定，虽然可在中等负载到大负载时实现高效率，但在轻负载情况下，由于PWM控制模式的工作频率固定不变，与频率相关的开关损耗并没有随着负载的减小而减小，且芯片内部各模拟电路一直工作，静态损耗也没有减小，因此导致整个DC-DC转换器的轻载效率极低，在应用时缩短了便携式电子设备的电池使用时间。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有PWM控制DC/DC转换器的不足，提供了一种轻载高效率的DC-DC转换装置，以在轻负载时，降低DC-DC转换器的工作频率，关闭芯片中不必要的模拟电路，提高DC-DC转换器的效率。为实现上述目的，包括误差放大器4、调制及功率输出器5和滤波及反馈器6 ；该调制及功率输出器5分别与误差放大器4的输出端VC和滤波及反馈器6的输入端SW接连， 该滤波及反馈器6的输出端FB连接到误差放大器4的反相输入端N，以闭合控制环路；其特征在于所述调制及功率输出器5，增设有上、下两个功率管检测端口，且上管检测端口 HS 连接有上管轻载检测器1，下管检测端口 LS连接有下管轻载检测器2，以保证在各种工作占空比下DC-DC均能够准确检测负载电流大小，实现平稳切换；所述误差放大器4，增设有控制输入端SK，其连接有轻载高效率控制器3，该轻载高效率控制器设有三个输入端和两个输出端口，第一输入端A连接到上管轻载检测器1的输出端，第二输入端B连接到下管轻载检测器2的输出端，以对两轻载检测器的结果综合判断，第三输入端C连接到调制及功率输出器5的边沿检测端口 PD，以提取功率管开关状态的转换信号；第一输出端D连接到调制及功率输出器5的休眠控制端ST，以输出整个转换装置的休眠信号SLEEP，控制转换装置在休眠信号SLEEP有效时，停止工作，第二输出端E连接到误差放大器4的基准切换控制端SK，以控制休眠时间，提高轻载效率。上述的轻载高效率的DC-DC转换装置，其特征在于所述调制及功率输出器5由 PWM比较单元、驱动控制单元、上功率管MPl和下功率管丽1组成；该驱动控制单元设有三个输入端，分别连接到PWM比较单元的输出端、轻载高效率控制器3的第一输出端和DC-DC 的工作时钟信号0SC，两个输出端分别连接到功率管MPl和MNl的栅端，以控制功率管的导通与截止。上述的轻载高效率的DC-DC转换装置，其特征在于所述上管轻载检测器1由一个平均电流采样单元和一个比较单元构成；该比较单元的正相输入端通过平均电流采样单元连接到调制及功率输出器5的上管检测端口 HS，以检测流过功率管MPl的电流，反相输入端连接一个固定的基准电压Refl，用于设定上功率管轻、重负载判断门限。上述的轻载高效率的DC-DC转换装置，其特征在于所述下管轻载检测器2由一个平均电流采样单元和一个比较单元构成；该比较单元的正相输入端通过平均电流采样单元连接到调制及功率输出器5的下管检测端口 LS，以检测流过功率管MNl的电流，反相输入端连接一个固定的基准电压Ref2，用于设定下功率管轻、重负载判断门限。上述的轻载高效率的DC-DC转换装置，其特征在于所述轻载高效率控制器3由上升沿检测单元、逻辑控制单元和脉冲频率调制PFM比较单元组成；逻辑控制单元设有五个输入端，分别连接到上管轻载检测器1、下管轻载检测器2、PFM比较单元、上升沿检测单元的输出端和DC-DC的工作时钟信号0SC，其两个输出端分别连接到误差放大模块的基准切换控制端SK和调制及功率输出器5的休眠控制端ST。上述的轻载高效率的DC-DC转换装置，其特征在于所述逻辑控制模块由一个计数单元和一个休眠控制单元组成，该计数单元输出轻载控制信号Light到休眠控制单元。上述的轻载高效率的DC-DC转换装置，其特征在于所述PFM比较模块设有两个输入端，其反相输入端连接到误差放大器7的反相输入端，正相输入端连接一个固定的基准电压Ref5。本发明与现有技术相比具有以下优点(1)本发明由于添加了上、下管轻载检测器，使DC-DC在各种工作占空比下均能够准确检测负载电流大小，以平稳切换到轻载模式，提高了芯片工作的可靠性。(2)本发明由于添加了轻载高效率控制器，使DC-DC在轻载模式工作时，自动间歇性的进入休眠状态，关闭开关管和大部分模拟电路以降低开关损耗和静态损耗，并可根据负载电流大小调节休眠时间长度，提高了 DC-DC在轻负载工作时的效率。
图1是传统PWM控制的DC/DC转换装置的结构框图；图2是传统PWM控制的DC/DC转换装置的电路原理图；图3是本发明轻载高效率的DC-DC转换装置的结构框图；图4是本发明轻载高效率的DC-DC转换装置的电路原理图；图5是本发明中轻载高效率控制器中逻辑控制单元的电路原理图。
具体实施例方式以下结合附图及其实施例对本发明作进一步描述。参照图3，本发明轻载高效率的DC-DC转换装置包括上管轻载检测器1、下管轻载检测器2、轻载高效率控制器3、误差放大器4、调制及功率输出器5和滤波及反馈器6。其中，调制及功率输出器5设有一个输入端、一个输出端、一个休眠控制端ST、上功率管检测端HS、下功率管检测端LS和一个边沿检测端PD，该输入端通过误差放大器4连接到轻载高效率控制器3的第二输出端E，输出端通过滤波及反馈器6连接到误差放大器4的反相输入端，上功率管检测端HS通过上管轻载检测器1连接到轻载高效率控制器3的第一输入端 A，下功率管检测端LS通过下管轻载检测器2连接到轻载高效率控制器3的第二输入端B， 边沿检测端PD连接到轻载高效率控制器3的第三输入端C，休眠控制端ST连接到轻载高效率控制器3的第一输出端D。所述上管轻载检测器1，由一个上平均电流采样单元和一个上比较单元HCOMP构成，如图4所示，该上比较单元HCOMP的正相输入端通过平均电流采样单元连接到调制及功率输出器5的上管检测端口 HS，以检测流过上功率管MPl的电流，产生采样电压信号PS，反相输入端连接一个固定的基准电压Refl，用于和采样电压信号PS以产生上管轻载判断信号 PLLD。所述下管轻载检测器2，由一个下平均电流采样单元和一个下比较单元LCOMP构成。该下比较单元LCOMP的正相输入端通过平均电流采样单元连接到调制及功率输出器5 的下管检测端口 LS，以检测流过下功率管MNl的电流，产生采样电压信号NS，反相输入端连接一个固定的基准电压Ref2，用于和采样电压信号NS以产生上管轻载判断信号NLLD。所述轻载高效率控制器3，由上升沿检测单元、逻辑控制单元和脉冲频率调制PFM 比较单元组成，逻辑控制单元设有五个输入端两个输出端，五个输入端分别连接到上管轻载检测器1、下管轻载检测器2、PFM比较单元、上升沿检测单元的输出端和时钟信号0SC，两个输出端分别连接到误差放大模块的基准切换控制端SK和调制及功率输出器5的休眠控制端ST，该逻辑控制单元包括一个计数单元和一个休眠控制单元，计数单元和休眠控制单元之间通过轻载控制信号light连接；PFM比较单元设有两个输入端，其反相输入端连接到误差放大器4的反相输入端，正相输入端连接一个固定的基准电压Ref5 ；参照图5，所述逻辑控制模块。所述误差放大器4，设有两个正相输入端；第一正相输入端连接固定的基准电压 Ref3，第二正相输入端连接固定的基准电压Ref4。所述调制及功率输出器5，由PWM比较单元、驱动控制单元、上功率管MPl和下功率管MNl组成；该驱动控制单元设有三个输入端，分别连接到PWM比较单元的输出端、轻载高效率控制器3的第一输出端D和时钟信号0SC，两个输出端分别连接到上功率管MPl和下功率管MNl的栅端，以控制功率管的导通与截止；功率管MP和MNl的漏端相连，并作为调制及功率输出器5的输出端连接到滤波及反馈器6的输入端SW ；PWM比较单元设有两个输入端，其正相输入端作为调制及功率输出器5的输入端连接到误差放大器4的输出端，反相输入端连接一个固定的斜坡电压Ramp。所述滤波及反馈器6，由电感L，电容C和两个电阻R1、R2组成；该电感L与电容C 串联构成LC滤波器，并联连接在调制及功率输出器5的输出端与零电位点之间，电阻Rl与 R2串联后连接在电感L和电容C的公共端与零电位点之间，电阻Rl和R2的公共端作为所述滤波及反馈器6的输出端连接到误差放大器4的反相输入端。本发明的具体工作原理是参照图4，上管轻载检测器1通过上平均电流采样单元对流过功率MOS管MPl的平均电流进行采样，再将采样得到的电流信号转化为采样电压信号PS ；然后通过上比较单元 HCOMP将这个采样电压PS与固定基准电压Refl比较；由于该采样电压信号PS均随着负载电流的增大而减小，故当负载电流减小到一定值时，采样电压PS将高于基准电压Ref 1，上管轻载判断信号PLLD由逻辑低电平变为逻辑高电平，即上管轻载判断信号PLLD有效。下管轻载检测器2的工作原理与上管轻载检测器1的工作原理相同，其输出下管轻载判断信号NLLD也是通过比较采样电压信号NS与固定基准电压Ref2得到的，即当采样电压NS高于基准电压Ref2时，下管轻载判断信号NLLD由逻辑低电平变为逻辑高电平，此时下管轻载判断信号NLLD有效。由于当DC-DC转换装置以小于20%的小占空比工作时，上功率管MPl的导通时间很短，使上平均电流采样单元无法对流过功率管MPl的平均电流进行正确采样，导致上管轻载检测器1输出的上管轻载判断信号PLLD不能及时切换到有效状态，即上管轻载检测器 1检测失误；反之，当DC-DC转换装置以超过80%的大占空比工作时，下功率管丽1的导通时间很短，使下平均电流采样单元无法对流过下功率管MNl的平均电流进行正确采样，导致下管轻载检测器2输出的下管轻载判断信号NLLD不能及时切换到有效状态，即下管轻载检测器2检测失误，所以本发明中设计使上、下两个轻载检测器同时工作，只要上、下两个轻载检测器的输出信号有一个为有效状态，则认为DC-DC转换装置的负载电流属于轻负载电流，保证了轻载检测器在DC-DC转换装置工作于各种工作占空比时，均能准确判断出轻负载电流。为提高DC-DC转换装置的轻负载效率，本发明设计了轻载工作模式。参照图5，上管轻载判断信号PLLD、下管轻载判断信号NLLD、上升沿检测单元的输出信号PDE和PFM比较器的输出信号PFMO同时接入到轻载高效率控制器3中的逻辑控制单元；当上管轻载判断信号PLLD或下管轻载判断信号NLLD有效时，逻辑控制单元通过其中的计数模块对上升沿检测单元的输出信号PDE计数；当连续计数满2N时，计数模块输出Light信号为逻辑高电平，DC-DC转换装置进入轻载工作模式；反之当上管轻载判断信号PLLD和下管轻载判断信号NLLD同时无效，并且计数模块对信号PDE连续计数个数满N时，计数模块输出Light信号为逻辑低电平，DC-DC转换装置退出轻载工作模式，N为任意正整数。当DC-DC转换装置工作于轻负载模式时，逻辑控制单元通过休眠控制模块输出基准切换信号HFCTL到误差放大器4，此时，基准切换信号HFCTL为逻辑高电平，控制误差放大器4的有效正相输入端从其第一正相输入端切换到第二正相输入端，同时通过计数模块对上升沿检测单元的输出信号PDE计数，当计数值达到10后，检测上、下管轻载判断信号 PLLD和NLLD，若这两个轻载判断信号的其中之一变为有效，则休眠控制模块输出的休眠信号SLEEP转为逻辑高电平，即休眠信号有效，控制整个DC-DC转换装置进入休眠状态，此时， 大部分的工作电路被关闭，整个转换装置的静态电流随之下降到正常工作时的十分之一， 上、下两个功率管均截止，故转换器的静态损耗大幅下降，开关损耗为零，使DC-DC转换装置在休眠状态下的整体损耗很小，同时基准切换信号HFCTL切换为逻辑低电平，控制误差放大器4的有效正相输入端复位到第一正相输入端。由于DC-DC转换装置工作于休眠状态时，上、下两个功率管均截止，导致DC-DC转换装置的输出电压VOUT下降，下降幅度记为Vf，滤波及反馈器6的输出信号FB也随之下降。当FB的值低于PFM比较单元的正相输入端电压Ref5时，PFM比较单元的输出信号PFMO 由逻辑低电平切换为逻辑高电平，控制休眠信号SLEEP切换为逻辑低电平，即休眠信号无效，DC-DC转换装置退出休眠状态，此时所有电路恢复工作，上、下功率管MP1、丽1交替导通，并且，误差放大器4的有效正相输入端重新切换为第二正相输入端，由于第二正相输入端所接的基准电压Ref4高于其第一正相输入端所接的基准电压Ref 3，DC-DC转换装置的输出电压VOUT在DC-DC转换装置退出休眠模式后将上升一定幅度，记为Nr,通过调节基准电压Ref4与Ref3的差值，可以使此上升幅度Vr，正好抵消输出电压VOUT在休眠状态时下降的幅度Vf，从而使轻负载时输出电压VOUT的平均值维持恒定。可见本发明所设计的轻载工作模式使DC-DC转换装置在工作与休眠两种状态下交替工作，利用休眠状态下转换装置极低的功率损耗大大提高了整个转换装置在轻载工作模式时的效率。以上仅是本发明的一个最佳实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对其电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。
权利要求
1.一种轻载高效率的DC-DC转换装置，包括误差放大器G)、调制及功率输出器(5)和滤波及反馈器(6)；该调制及功率输出器(5)分别与误差放大器⑷的输出端VC和滤波及反馈器(6)的输入端SW接连，该滤波及反馈器(6)的输出端FB连接到误差放大器的反相输入端N，以闭合控制环路；其特征在于所述调制及功率输出器( ，增设有上、下两个功率管检测端口，且上功率管检测端口 HS连接有上管轻载检测器(1)，下功率管检测端口 LS连接有下管轻载检测器( ，以保证在各种工作占空比下DC-DC均能够准确检测负载电流大小，实现平稳切换；所述误差放大器G)，增设有控制输入端SK，其连接有轻载高效率控制器(3)，该轻载高效率控制器设有三个输入端和两个输出端口，第一输入端A连接到上管轻载检测器(1) 的输出端，第二输入端B连接到下管轻载检测器(2)的输出端，以对两轻载检测器的结果综合判断，第三输入端C连接到调制及功率输出器(5)的边沿检测端口 PD，以提取功率管开关状态的转换信号；第一输出端D连接到调制及功率输出器(5)的休眠控制端ST，以输出整个转换装置的休眠信号SLEEP，控制DC-DC转换装置在休眠信号SLEEP有效时，停止工作，第二输出端E连接到误差放大器(4)的基准切换控制端SK，以控制休眠时间，提高轻载效率。
2.根据权利要求1所述的轻载高效率的DC-DC转换装置，其特征在于所述调制及功率输出器(5)由PWM比较单元、驱动控制单元、上功率管MPl和下功率管MNl组成；该驱动控制单元设有三个输入端，分别连接到PWM比较单元的输出端、轻载高效率控制器C3)的第一输出端D和DC-DC的工作时钟信号0SC，两个输出端分别连接到上功率管MPl和下功率管 MNl的栅端，以控制上、下两个功率管的导通与截止。
3.根据权利要求1所述的轻载高效率的DC-DC转换装置，其特征在于所述上管轻载检测器(1)由一个上平均电流采样单元和一个上比较单元构成HCOMP ；该比较单元HCOMP 的正相输入端通过上平均电流采样单元连接到调制及功率输出器(5)的上功率管检测端口 HS，以检测流过上功率管MPl的电流，产生采样电压信号PS，反相输入端连接一个固定的基准电压Refl，用于和采样电压信号PS以产生上管轻载判断信号PLLD。
4.根据权利要求1所述的轻载高效率的DC-DC转换装置，其特征在于所述下管轻载检测器O)由一个下平均电流采样单元和一个下比较单元LCOMP构成；该比较单元LCOMP 的正相输入端通过平均电流采样单元连接到调制及功率输出器(5)的下功率管检测端口 LS，以检测流过下功率管MNl的电流，产生采样电压信号NS，反相输入端连接一个固定的基准电压Ref2，用于和采样电压信号NS以产生上管轻载判断信号NLLD。
5.根据权利要求1所述的轻载高效率的DC-DC转换装置，其特征在于所述轻载高效率控制器( 由上升沿检测单元、逻辑控制单元和脉冲频率调制PFM比较单元组成；逻辑控制单元设有五个输入端，分别连接到上管轻载检测器(1)、下管轻载检测器0)、PFM比较单元、上升沿检测单元的输出端和DC-DC的工作时钟信号0SC，其两个输出端分别连接到误差放大模块的基准切换控制端SK和调制及功率输出器(5)的休眠控制端ST。
6.根据权利要求5所述的轻载高效率的DC-DC转换装置，其特征在于所述逻辑控制模块由一个计数单元和一个休眠控制单元组成，该计数单元输出轻载控制信号Light到休眠控制单元。
7.根据权利要求5所述的轻载高效率的DC-DC转换装置，其特征在于所述PFM比较单元设有两个输入端，其反相输入端连接到误差放大器的反相输入端，正相输入端连接一个固定的基准电压Ref5。
全文摘要
本发明公开了一种轻载高效率的DC-DC转换装置，主要解决有DC-DC转换装置很难在轻负载时达到高效率的问题。该轻载高效率的DC-DC转换装置包括上管轻载检测器、下管轻载检测器、轻载高效率控制器、误差放大器、调制及功率输出器和滤波及反馈器；通过上管轻载检测器和下管轻载检测器同时工作，以保证在各种工作占空比下均能够得到准确的轻载判断信号，当进入轻负载工作时，此轻载判断信号有效，轻载高效率控制器将产生休眠控制信号，控制DC-DC转换装置在工作与休眠两种状态下相互切换。由于DC-DC转换装置在休眠状态下停止开关，且内部电路的功耗被降到最低，故其在轻负载时的效率大大提高，延长了便携式设备的电池的使用时间。
文档编号H02M3/157GK102497103SQ20111044281
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月24日 优先权日2011年12月24日
发明者刘洁, 刘雨鑫, 张家祯, 来新泉, 王红义 申请人:西安启芯微电子有限公司