专利名称：一种pwm控制dc-dc转换器的制作方法
技术领域：
本发明属于集成电路设计与系统应用领域，涉及一种高效率低噪声的DC-DC转换器，特别涉及采用PWM控制方式的DC-DC转换器。
背景技术：
电源管理模块是芯片设计中的关键电路，它决定了整颗芯片的工作状态，DC-DC转换器是开关电源的一种，一般由主电路和控制电路构成。构成开关电源主电路的兀件，包括输入电源、开关管、整流管以及储能电感、滤波电容和负载，它们共同完成电能的转换和传 递，合称为功率级。控制电路则通过控制功率开关管的通断，实现调节输出电压恒定在设定值的要求，从而控制主电路的工作状态，使主电路从输入电源处获得的能量和传送到负载的能量维持平衡。通常，当输入电压及输出端的负载在一定范围内变化时，负载电压可以维持恒定。DC-DC转换器主要的特点是高效率(最高可达到90%以上)、低功耗及输出电压变换灵活(降压、升压、负压)。但是，与此同时，DC-DC电源稳压器的输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高、且容易产生EMI干扰。降压型DC-DC转换器可以有多种调制方式，调制方式是指为实现想要的输出电压，产生开关信号的控制方式。为使开关电源输出电压稳定在一定的精度，开关电源普遍米用反馈控制技术。目前主流的调制方式有脉冲宽度调制方式(Pulse Width Modulation,PWM)、脉冲频率调制方式(Pulse Width Modulation, PFM)，还有一种介于两者之间的跨周期调制方式(Pulse cycle Skip Modulation, PSM)。PWM控制方式是在脉冲频率一定的情况下，通过调整脉冲的占空比来控制功率管的开和关，由于脉冲频率固定，降低了片外LC滤波网络的设计难度，具有更好的噪声性能，但是，在轻载的状态下，由于仍然维持较高的工作频率，驱动损耗和功率管的开关损耗占据主导地位，大大降低了工作效率。近年来，学术界对提高轻载状态下PWM控制的效率也做了研究，如 S. Musunuri 和 P. Chapman 在 IEEE Power Electronics Letters 发表的论文“Improvement of light-load efficiency using width-switching scheme for CMOStransistors，，。PFM调制方式是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比，PFM控制最大的优点是在轻载的条件下，工作频率非常低，电路长时间处于空闲状态，静态电流很小，大幅提高了工作效率，如J. Xiao等在IEEE Journal of Solid-State Circuits上发表的论文“A 4-uA quiescent current dual-mode digitally controlled buck converter ICfor cellular phone applications，，。H. W. Huang 等人在 2007 年在 IEEE Journal of Solid-State Circuits 上发表了论文“Dithering skip modulation, width and dead time controllers in highlyefficient dc_dc converters for system-on-chip applications，，,提出了 PSM 工作方式，这种控制方式介于PWM和PFM之间，通过采用高低不同的电压门限将输出电压限制在预先设好的电压波动范围内
发明内容
本发明目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种PWM控制DC-DC转换器，实现了一种高效率低噪声的降压型DC-DC转换器。本发明目的是通过以下的技术方案来实现所述PWM控制DC-DC转换器包括第七PMOS管源级接电源电压，栅极接正向时钟控制信号，漏极接电流偏置管的栅极，电流偏置管漏极接跨导放大器，控制跨导放大器的周期性工作；第一 PMOS管和第二 PMOS管构成差分对，作为将误差电压转化为误差电流的跨导放大器的主放大管；第一 NMOS管、第三NMOS管和第二 NMOS管、第四NMOS管连接成低压共源共栅的形式，作为跨导放大器的负载；跨导放大器的负载连接可配置电流镜，所述可配置电流镜将误差电流按照一定的比例镜像至后级电路，可配置的电流比例用来适应不同工作频率的需要；后级电路包括第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管为开关管，第三PMOS管和第五PMOS管的源级接至电源电压，栅极接正向时钟控制信号，漏极接第四PMOS管的漏级，第四PMOS管的源级接至所述可配置电流镜的输出，第四PMOS管漏极接至第六PMOS管的栅极；电容一端接到电源，另外一端接到第六PMOS管的栅极，第六PMOS管源级接电源电压，漏极连接第五NMOS管漏极，第四PMOS管栅极和第五NMOS管栅极接反向时钟控制信号，第六PMOS管和第五NMOS管的漏极连接点输出PWM控制信号至功率级电路，功率级电路连接片外滤波电路、负载和电压反馈电路。所述功率级电路包括PWM控制信号经逻辑电路处理后产生控制信号连接PMOS功率管栅极，控制PMOS功率管的开启和关闭，所述PMOS功率管漏极连接至片外二极管整流电路，以及片外滤波电路、负载和电压反馈电路；所述PMOS功率管上并联有一个第零PMOS管，第零PMOS管对流过PMOS功率管的电流进行采样，送至软启动电路进行判决，软启动电路再输出到所述逻辑电路形成反馈。所述功率级电路包括PWM控制信号经逻辑电路处理后分别产生第一路控制信号和第二路控制信号，分别连接PMOS功率管栅极和NMOS功率管栅极，控制PMOS功率管和NMOS功率管的开启和关闭，PMOS功率管和NMOS功率管的漏极连接点接至片外滤波电路、负载和电压反馈电路；所述PMOS功率管上并联有第零PMOS管，NMOS功率管上并联有第零NMOS管，所述第零PMOS管和第零NMOS管对流过PMOS功率管和NMOS功率管的电流进行采样，送至软启动电路进行判决，软启动电路再输出到所述逻辑电路形成反馈。所述软启动电路采用电压限制或采用电流限制，防止芯片上电时浪涌电流和过冲电压。所述跨导放大器的一端输入VREF是由片内集成的带隙基准电路产生的基准电压，另一端输入VFB是DC-DC转换器输出电压经过片外电压反馈电路后的电压，所述可配置电流镜为跨导放大器提供偏置电流Ibias,当VFB和VREF相等的时候，流经跨导放大器的两路负载的电流也相等，均为0. 5Ibias，而当存在一个误差电压V6 = VREF-VFB时，流经跨导放大器的两路负载的电流便均带有了误差信号，电流大小分别为0. 5 (Ibias-GmVm)和0. 5 (Ibias+GmVerr)，其中Gm是第一 PMOS管和第二 PMOS管的小信号跨导。本发明的优点是1，采用频率固定的PWM作为开关电源的调制模式，使电路具有更好的噪声性能。
2，具有更高的工作频率，避免了工作频率的谐波对射频接收机等电源敏感电路的影响，减小了输出电压纹波，并可以使用更小的片外电感电容元件，节省了成本和面积。3，将误差电压转换为误差电流的跨导放大器周期性工作，节省了误差电流被旁路至电源电压半个周期内的功耗，使平均静态功耗减小一半，进一步提高了转换器的效率。4，跨导放大器不存在输出高阻节点，具有更宽的带宽，因而在较高的工作频率下仍保持很小的静态功耗，使DC-DC转换器无论在轻载还是重载状态下均保持较高效率。5，由于跨导放大器不存在输出高阻节点，从系统的角度上减少了一个极点，增强了环路的稳定性，同时也不再需要零极点补偿电路，降低了电路的复杂度。
图I为本发明PWM控制DC-DC转换器电路图。图2为本发明的PWM型DC-DC转换器的小信号模型系统图。图3为本发明的DC-DC转换器效率随负载的变化曲线。图4为本发明DC-DC转换器效率随工作频率的变化曲线。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。对于对电源非常敏感的无线通信应用来说，开关电源的噪声性能是系统设计时需要考虑的重要因素，由于PWM的工作频率固定，具有更低的电磁干扰(EMI，electromagnetic interference),因此本发明选择了 PWM作为调制方式。另外，当DC-DC转换器应用于低中频接收机时，其工作频率的谐波有可能会落在中频带内，从而影响整个接收机的性能，因此，设计的DC-DC转换器应尽可能的工作在较高频率。同时，由于Buck型开关电源的输出电压纹波为
权利要求
1.一种PWM控制DC-DC转换器，其特征是，包括第七PMOS管(MP7)源级接电源电压，栅极接正向时钟控制信号(CLKP)，漏极接电流偏置管(MPO)的栅极，电流偏置管(MPO)漏极接跨导放大器，控制跨导放大器的周期性工作；第一 PMOS管(MPl)和第二 PMOS管(MP2)构成差分对，作为将误差电压转化为误差电流的跨导放大器的主放大管；第一 NMOS管(Ml)、第三NMOS管(M3)和第二 NMOS管(M2)、第四NMOS管(M4)连接成低压共源共栅的形式，作为跨导放大器的负载；跨导放大器的负载连接可配置电流镜，所述可配置电流镜将误差电流按照一定的比例镜像至后级电路，可配置的电流比例用来适应不同工作频率的需要；后级电路包括第三PMOS管(MP3)、第四PMOS管(MP4)、第五PMOS管(MP5)为开关管，第三PMOS管(MP3)和第五PMOS管(MP5)的源级接至电源电压，栅极接正向时钟控制信号(CLKP)Jf极接第四PMOS管(MP4)的漏级，第四PMOS管(MP4)的源级接至所述可配置电流镜的输出，第四PMOS管(MP4)漏极接至第六PMOS管(MP6)的栅极；电容(CO) —端接到电源，另外一端接到第六PMOS管(MP6)的栅极，第六PMOS管(MP6)源级接电源电压，漏极连接第五NMOS管(M5)漏极，第四PMOS管(MP4)栅极和第五NMOS管(M5)栅极接反向时钟控制信号(CLKN)，第六PMOS管(MP6)和第五NMOS管(M5)的漏极连接点输出PWM控制信号至功率级电路，功率级电路连接片外滤波电路、负载和电压反馈电路。
2.根据权利要求I所述的PWM控制DC-DC转换器，其特征在于，所述功率级电路包括PWM控制信号经逻辑电路处理后产生控制信号连接PMOS功率管栅极，控制PMOS功率管的开启和关闭，所述PMOS功率管漏极连接至片外二极管整流电路，以及片外滤波电路、负载和电压反馈电路；所述PMOS功率管上并联有一个第零PMOS管，第零PMOS管对流过PMOS功率管的电流进行采样，送至软启动电路进行判决，软启动电路再输出到所述逻辑电路形成反馈。
3.根据权利要求I所述的PWM控制DC-DC转换器，其特征在于，所述功率级电路包括PWM控制信号经逻辑电路处理后分别产生第一路控制信号(VCTRLP)和第二路控制信号(VCTRLN)，分别连接PMOS功率管(MP)栅极和NMOS功率管(MN)栅极，控制PMOS功率管(MP)和NMOS功率管(MN)的开启和关闭，PMOS功率管(MP)和NMOS功率管(MN)的漏极连接点接至片外滤波电路、负载和电压反馈电路；所述PMOS功率管(MP)上并联有第零PMOS管(MPS)，NMOS功率管(MN)上并联有第零NMOS管(MNS)，所述第零PMOS管(MPS)和第零NMOS管(MNS)对流过PMOS功率管(MP)和NMOS功率管(MN)的电流进行采样，送至软启动电路进行判决，软启动电路再输出到所述逻辑电路形成反馈。
4.根据权利要求2或3所述的PWM控制DC-DC转换器，其特征在于，所述软启动电路采用电压限制或采用电流限制，防止芯片上电时浪涌电流和过冲电压。
5.根据权利要求I所述的PWM控制DC-DC转换器，其特征在于，所述跨导放大器的一端输入VREF是由片内集成的带隙基准电路产生的基准电压，另一端输入VFB是DC-DC转换器输出电压经过片外电压反馈电路后的电压，所述可配置电流镜为跨导放大器提供偏置电流Ibias,当VFB和VREF相等的时候，流经跨导放大器的两路负载的电流也相等，均为0. 5Ibias，而当存在一个误差电SVot = VREF-VFB时，流经跨导放大器的两路负载的电流便均带有了误差信号，电流大小分别为0. 5 (Ibias-GmVerr)和0. 5 (Ibias+GmVerr)，其中Gm是第一 PMOS管(MPl)和第二 PMOS管(MP2)的小信号跨导。
全文摘要
本发明公开一种电压反馈型PWM控制DC-DC转换器，它包括PWM控制电路，驱动电路，反馈回路，功率级以及软启动电路。PWM控制电路使用一种新型转换电路实现误差信号由电压域至电流域最后至时域的转换，替代传统结构中的误差放大器和比较器，从而消除了误差放大器输出高阻节点产生的极点，增强了环路稳定性，同时扩展了电路的工作带宽，工作频率的提高减少了片外电感、电容，更有利于系统集成；此外，通过周期性的控制跨导放大器的工作，降低了控制电路的平均静态功耗，进一步提高了转换器的效率；最后，由于PWM控制方式工作在固定的频率下，具有更好的噪声性能。适用于便携设备、消费电子及对噪声性能要求较高的射频收发芯片等领域。
文档编号H02M1/32GK102624228SQ20121009193
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者乐建连, 叶甜春, 甘业兵, 石坚, 莫太山, 马成炎 申请人:江苏物联网研究发展中心