一种应用于降压转换器的功率管宽度切换电路及方法

1.本发明涉及模拟集成电路设计技术领域，更具体涉及一种应用于降压转换器的功率管宽度切换电路及方法。


背景技术：

2.如今绝大部分的电子设备，例如笔记本、智能手机、媒体播放设备都只内置了一块电池。电池在电量充足状态下和电量将要耗尽状态下的输出电压是不同的，且电子设备内部的不同模块所需要的电压也不尽相同。电源管理单元的使命便是为设备内部不同模块提供稳定可靠的电压。
3.降压转换器是恒流源的一种，它的特点是效率高体积小。降压转换器的调制方法有许多，例如脉冲宽度调制(pulse width modulation,pwm)和脉冲频率调制(pulse frequency modulation,pfm)等。脉冲宽度调制是的一种模拟控制方法。它是通过改变开关稳压器电源输出晶体管或晶体管的导通时间达到控制目的，这是目前使用的最多的一种方法。pwm在转换器重载的时候有很高的能效，但是在轻载时能效较低，这是pwm的一个缺点。通过推导可以得到，转换器的功率管在导通时的功耗占了系统功率的很大一部分。为了克服pwm在轻载时能效低这一缺点，有人提出了通过检测负载电流大小来改变功率管尺寸的方法。
4.传统的做法是通过一个电流采样电路检测负载电流的大小，例如中国专利申请号cn202010602333.7公开的一种高精度的升降压转换器输入电流采样方法。但是引入电流采样电路会产生一些问题，例如电流采样电路本身也有功耗，从电流采样电路到最终起到控制作用的延迟也许会有导致系统不稳定的隐患。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于现有技术应用于降压转换器的功率管宽度切换方法，需要引入电流采样电路，而电流采样电路本身有功耗导致系统功耗较高，且从电流采样电路到最终起到控制作用的延迟也许会有导致系统不稳定的隐患。
6.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种应用于降压转换器的功率管宽度切换电路，包括模数转换器、隔离电路、时钟信号产生电路及功率管驱动电路，所述隔离电路及时钟信号产生电路与模数转换器连接，模数转换器与功率管驱动电路连接；隔离电路隔离信号抖动；模数转换器接收经过隔离电路的负载电流并产生与负载电流对应的数字信号；时钟信号产生电路产生时钟信号驱动模数转换器；功率管驱动电路根据模数转换器输出的数字信号选择开启对应的功率开关管。
7.本发明的功率管驱动电路根据模数转换器输出的数字信号选择开启对应的功率开关管，而模数转换器输出的数字信号由负载电流转换而来，因此，能够根据负载电流大小自适应选择开启对应的功率开关管，不同的功率开关管开启方式对应的开关管宽度不同，从而实现根据负载电流大小自适应选择开关管宽度，能够降低开关管在工作时的功耗，不
需要引入电流采样电路，不存在从电流采样电路到最终起到控制作用的延迟，消除电流采样电路对电路稳定性的影响。
8.进一步地，所述降压转换器包括脉冲宽度调制电路以及误差放大器，所述脉冲宽度调制电路以及误差放大器均是运算放大器，所述误差放大器与隔离电路以及脉冲宽度调制电路连接，脉冲宽度调制电路与时钟信号产生电路及功率管驱动电路连接。
9.更进一步地，所述模数转换器为n位逐次逼近寄存器型模数转换器。
10.更进一步地，降压转换器的电压输出电路的输出经过电阻分压后的反馈信号v
fb
与误差放大器的反相端相连，误差放大器的同相端连接参考电压v
ref1
；误差放大器的输出v
ea
连接脉冲宽度调制电路的同相端以及隔离电路的输入端，脉冲宽度调制电路的反相端输入锯齿波信号；脉冲宽度调制电路的输出v
pwm
连接功率管驱动电路的一个输入端以及时钟信号产生电路的输入端，隔离电路的输出v
adc
、时钟信号产生电路的输出clk分别连接模数转换器的一个输入端，模数转换器的其他输入端还接收参考电压v
ref2
，模数转换器的n个输出b1、b2…bn-1
、bn分别连接功率管驱动电路的其他n个输入端，与脉冲宽度调制电路的输出v
pwm
一起作为功率管驱动电路的逻辑控制信号。
11.更进一步地，所述功率管驱动电路的输出v
g0
、v
g1
、v
g2
…vgn-1
、v
gn
分别连接n+1个功率开关管的栅极，其中，脉冲宽度调制电路的输出v
pwm
控制功率管驱动电路输出v
g0
，v
g0
与功率开关管m
p0
的栅极连接，模数转换器的n个输出分别控制功率管驱动电路输出v
g1
、v
g2
…vgn-1
、v
gn
，v
g1
、v
g2
…vgn-1
、v
gn
分别与功率开关管m
p1
,m
p2
…mpn-1
,m
pn
的栅极连接。
12.更进一步地，当v
ea
小于1/2
nvref2
时模数转换器的输出b1b2…bn-1bn
＝00
…
00,v
g1
＝v
g2
＝
…vgn-1
＝v
gn
＝1,功率开关管m
p1
,m
p2
…mpn-1
,m
pn
处于关闭状态，功率开关管m
p0
的开启由v
pwm
调控；当v
ea
大于1/2
nvref2
，小于时2/2
nvref2
时，模数转换器的输出b1b2…bn-1bn
＝00
…
01,v
g1
＝v
g2
＝
…vgn-1
＝1功率开关管m
p1
,m
p2
…mpn-1
处于关闭状态，功率开关管m
p0
和m
pn
的开启由v
pwm
调控；当v
ea
大于2/2
nvref2
，小于时3/2
n v
ref2
时，模数转换器的输出b1b2…bn-1bn
＝00
…
10,v
g1
＝v
g2
＝
…vgn-2
＝1,功率开关管m
p1
,m
p2
…mpn-2
处于关闭状态，功率开关管m
p0
、m
pn-1
和m
pn
的开启由v
pwm
调控；以此类推，当v
ea
大于v
ref2
时，模数转换器输出b1b2…bn-1bn
＝11
…
11,功率开关管m
p0
,m
p1
,m
p2
…mpn-1
,m
pn
的开启都由v
pwm
调控。
13.进一步地，所述时钟信号产生电路包括d触发器dff1、非门inv3及与门and1，采样脉冲宽度调制电路的输出v
pwm
的上升沿，生成信号v
pulse
，信号v
pulse
分别输入到d触发器dff1的clk端以及与门and1的一个输入端，d触发器dff1的q端与非门inv3的输入端连接，非门inv3的输出端及d触发器dff1的d端均和与门and1的另一个输入端连接，与门and1输出时钟信号clk。
14.进一步地，所述功率管驱动电路包括n个第一缓冲器、n个第二缓冲器、n个非门以及n个或门，模数转换器的输出b1b2…bn-1bn
分别连接一个非门的输入端，每个非门的输出端分别连接一个或门的一个输入端，每个或门的另一个输入端分别连接一个第一缓冲器的输出端，所以的第一缓冲器顺次级联，位于第一个的第一缓冲器的输入端与脉冲宽度调制电路的输出v
pwm
连接，每个或门的输出端分别连接一个第二缓冲器的输入端，位于最后一个的第一缓冲器的输出端输出v
g0
，所有的第二缓冲器一一对应输出v
g1
、v
g2
…vgn-1
、v
gn
。
15.进一步地，所述隔离电路是以nmos为输入管的源极跟随器，误差放大器的输出v
ea
传输到模数转换器的输入端，而模数转换器的输入端电压变化不传输到误差放大器的输出
端，电压单向传递。
16.本发明还提供一种应用于降压转换器的功率管宽度切换电路的方法，所述方法包括：
17.所述隔离电路隔离信号抖动；模数转换器接收经过隔离电路的负载电流并产生与负载电流对应的数字信号；时钟信号产生电路产生时钟信号驱动模数转换器；功率管驱动电路根据模数转换器输出的数字信号选择开启对应的功率开关管，不同的功率开关管开启方式对应的开关管宽度不同，从而实现根据负载电流大小自适应选择开关管宽度。
18.本发明的优点在于：
19.(1)本发明的功率管驱动电路根据模数转换器输出的数字信号选择开启对应的功率开关管，而模数转换器输出的数字信号由负载电流转换而来，因此，能够根据负载电流大小自适应选择开启对应的功率开关管，不同的功率开关管开启方式对应的开关管宽度不同，从而实现根据负载电流大小自适应选择开关管宽度，能够降低开关管在工作时的功耗，不需要引入电流采样电路，不存在从电流采样电路到最终起到控制作用的延迟，消除电流采样电路对电路稳定性的影响。
20.(2)本发明结构简单，且所需要的信号都来自于降压转换器系统本身有的信号，如此信号复用不需要引入新的模块带来不必要的功耗。
21.(3)传统降压转换器在轻负载时为了保证高能效必须保持在断续导通模式，但是这只能在固定负载时适用。本发明能够让降压转换器在很大负载范围内保证高能效。
22.(4)本发明使用隔离电路将误差放大器的输出v
ea
与模数转换器隔离，避免模数转换器在采样时电荷再分配引起的一些问题。
23.(5)本发明运用模数转换技术检测负载电流大小选择不同的功率开关管的宽度总和，这样既达到功率开关管宽度切换的目的又不会让功率开关管的尺寸过大造成成本上的增加。
附图说明
24.图1为本发明实施例所公开的一种应用于降压转换器的功率管宽度切换电路的原理框图；
25.图2为本发明实施例所公开的一种应用于降压转换器的功率管宽度切换电路的详细电路原理图；
26.图3为本发明实施例所公开的一种应用于降压转换器的功率管宽度切换电路中时钟信号产生电路的原理图；
27.图4为本发明实施例所公开的一种应用于降压转换器的功率管宽度切换电路中功率管驱动电路的原理图；
28.图5为本发明实施例所公开的一种应用于降压转换器的功率管宽度切换电路中隔离电路的工作原理图。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部
分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.如图1所示，一种应用于降压转换器的功率管宽度切换电路，包括隔离电路1、时钟信号产生电路2、模数转换器3及功率管驱动电路4，所述隔离电路1及时钟信号产生电路2与模数转换器3连接，模数转换器3与功率管驱动电路4连接；隔离电路1隔离信号抖动；模数转换器3接收经过隔离电路1的负载电流并产生与负载电流对应的数字信号；时钟信号产生电路2产生时钟信号驱动模数转换器3；功率管驱动电路4根据模数转换器3输出的数字信号选择开启对应的功率开关管。不同的功率开关管开启方式对应的开关管宽度不同，从而实现根据负载电流大小自适应选择开关管宽度。所述模数转换器3为n位逐次逼近寄存器型模数转换器3。
31.如图2所示，所述降压转换器包括脉冲宽度调制电路5以及误差放大器6，所述脉冲宽度调制电路5以及误差放大器6均是运算放大器，所述误差放大器6与隔离电路1以及脉冲宽度调制电路5连接，脉冲宽度调制电路5与时钟信号产生电路2及功率管驱动电路4连接。
32.继续参阅图2，降压转换器的电压输出电路的输出经过电阻分压后的反馈信号v
fb
与误差放大器6的反相端相连，误差放大器6的同相端连接参考电压v
ref1
；误差放大器6的输出v
ea
连接脉冲宽度调制电路5的同相端以及隔离电路1的输入端，脉冲宽度调制电路5的反相端输入锯齿波信号，误差放大器6的输出v
ea
与锯齿波信号比较；脉冲宽度调制电路5本质上是一个比较器，它将两个信号比较的结果用一位二进制数表示。脉冲宽度调制电路5的反相输入端输入锯齿波信号，锯齿波信号与v
ea
比较后的结果就是脉冲宽度调制电路5的输出v
pwm
。图2中其他器件及连接关系不是本发明的重要改进点，不做详细描述，具体参阅图2。
33.脉冲宽度调制电路5的输出v
pwm
连接功率管驱动电路4的一个输入端以及时钟信号产生电路2的输入端，隔离电路1的输出v
adc
、时钟信号产生电路2的输出clk分别连接模数转换器3的一个输入端，时钟信号产生电路2的输出clk作为模数转换器3工作时所需要的时钟信号。模数转换器3是动态电路，其正常工作需要时钟。一个单独的专用的时钟发生器，会增加复杂度，增加功耗，增加成本。内部产生，则可以降低复杂度，减少功耗。内部时钟，频率高。较低的时钟频率，可以进一步增加效率。总之，这里牺牲了速度而获得了效率提高。
34.隔离电路1的输出v
adc
与模数转换器3的一个输入端连接的目的是消除模数转换器3在采样时引起的电荷再分配，模数转换器3的其他输入端还接收参考电压v
ref2
，模数转换器3的n个输出b1、b2…bn-1
、bn分别连接功率管驱动电路4的其他n个输入端，与脉冲宽度调制电路5的输出v
pwm
一起作为功率管驱动电路4的逻辑控制信号。
35.所述功率管驱动电路4的输出v
g0
、v
g1
、v
g2
…vgn-1
、v
gn
分别连接n+1个功率开关管的栅极，其中，脉冲宽度调制电路5的输出v
pwm
控制功率管驱动电路4输出v
g0
，v
g0
与功率开关管m
p0
的栅极连接，模数转换器3的n个输出分别控制功率管驱动电路4输出v
g1
、v
g2
…vgn-1
、v
gn
，v
g1
、v
g2
…vgn-1
、v
gn
分别与功率开关管m
p1
,m
p2
…mpn-1
,m
pn
的栅极连接。
36.负载电流的变化会引起误差比较器的输出v
ea
变化。根据逐次逼近寄存器型模数转换器(sar adc)的原理，当v
ea
小于1/2
nvref2
时模数转换器3的输出b1b2…bn-1bn
＝00
…
00,v
g1
＝v
g2
＝
…vgn-1
＝v
gn
＝1,功率开关管m
p1
,m
p2
…mpn-1
,m
pn
处于关闭状态，功率开关管m
p0
的开启由v
pwm
调控；当v
ea
大于1/2
nvref2
，小于时2/2
nvref2
时，模数转换器3的输出b1b2…bn-1bn
＝00
…
01,v
g1
＝v
g2
＝
…vgn-1
＝1功率开关管m
p1
,m
p2
…mpn-1
处于关闭状态，功率开关管m
p0
和m
pn
的开启
由v
pwm
调控；当v
ea
大于2/2
nvref2
，小于时3/2
n v
ref2
时，模数转换器3的输出b1b2…bn-1bn
＝00
…
10,v
g1
＝v
g2
＝
…vgn-2
＝1,功率开关管m
p1
,m
p2
…mpn-2
处于关闭状态，功率开关管m
p0
、m
pn-1
和m
pn
的开启由v
pwm
调控；以此类推，当v
ea
大于v
ref2
时，模数转换器3输出b1b2…bn-1bn
＝11
…
11,功率开关管m
p0
,m
p1
,m
p2
…mpn-1
,m
pn
的开启都由v
pwm
调控。如上所述，功率开关管的宽度可以根据负载电流的大小变换成2n种不同宽度总和的开关管。
37.以下详细介绍各电路模块的结构及原理：
38.如图3所示，所述时钟信号产生电路2包括d触发器dff1、非门inv3及与门and1，采样脉冲宽度调制电路5的输出v
pwm
的上升沿，生成信号v
pulse
，信号v
pulse
分别输入到d触发器dff1的clk端以及与门and1的一个输入端，d触发器dff1的q端与非门inv3的输入端连接，非门inv3的输出端及d触发器dff1的d端均和与门and1的另一个输入端连接，与门and1输出时钟信号clk。通过采样v
pwm
的上升沿,生成v
pulse
，然后v
pulse
由选通电路(d触发器)减小频率，保持脉冲宽度不变的同时，产生时钟信号clk。每复用一个选通电路可以将时钟频率降低一半。本电路牺牲了宽度切换的速度，但进一步降低了功耗，这对于高效率应用至关重要。
39.如图4所示，所述功率管驱动电路4包括n个第一缓冲器、n个第二缓冲器、n个非门以及n个或门，模数转换器3的输出b1b2…bn-1bn
分别连接一个非门的输入端，每个非门的输出端分别连接一个或门的一个输入端，每个或门的另一个输入端分别连接一个第一缓冲器的输出端，所以的第一缓冲器顺次级联，位于第一个的第一缓冲器的输入端与脉冲宽度调制电路5的输出v
pwm
连接，每个或门的输出端分别连接一个第二缓冲器的输入端，位于最后一个的第一缓冲器的输出端输出v
g0
，所有的第二缓冲器一一对应输出v
g1
、v
g2
…vgn-1
、v
gn
。如图4是2位逐次逼近寄存器型模数转换器3(n取2)的原理图，图中，buf1和buf2均是第一缓冲器，buf3和buf4均是第二缓冲器，or1和or2是或门，inv1和inv2是非门，两个输出b1、b2连接功率管驱动电路4的输入端，与脉冲宽度调制电路5的输出v
pwm
一起作为功率管驱动电路4的逻辑控制信号。功率管驱动电路4的输出v
g0
、v
g1
、v
g2
分别连接三个功率开关管的栅极。本发明的驱动电路优点是复用系统中已经有的信号，避免引入其他模块而增加功耗。
40.在本发明的功率管驱动电路4中，v
g0
控制最小功率管，解决启动问题。负载电流的变化会引起误差比较器的输出v
ea
变化。根据逐次逼近寄存器型模数转换器(sar adc)的原理，以n＝2为例，功率开关管m
p0
均由v
pwm
调控，当v
ea
小于1/4v
ref2
时2位逐次逼近寄存器型模数转换器(sar adc)的输出b1b2＝00，v
g1
＝v
g2
＝1,功率开关管m
p1
,m
p2
处于关闭状态；当v
ea
大于1/4v
ref2
，小于时1/2v
ref2
时，2位逐次逼近寄存器型模数转换器(sar adc)的输出b1b2＝01，v
g2
＝1,功率开关管m
p2
处于关闭状态，功率开关管m
p1
的开启由v
pwm
调控；当v
ea
大于1/2v
ref2
，小于时3/4v
ref2
时，2位逐次逼近寄存器型模数转换器(sar adc)的输出b1b2＝10，v
g1
＝1，功率开关管m
p1
处于关闭状态，功率开关管m
p2
的开启由v
pwm
调控；当v
ea
大于v
ref2
时，2位逐次逼近寄存器型模数转换器(sar adc)的输出b1b2＝11，功率开关管m
p1
和m
p2
的开启都由v
pwm
调控。如上所述，功率开关管的宽度可以根据负载电流的大小变换成四种不同宽度总和的开关管。
41.根据降压转换器的基本原理可以知道，输出电压与输入电压的关系可以表示为：
[0042]vout
＝v
indꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0043]
在公式(1)中，v
out
表示输出电压，v
in
表示输入电压，d表示脉冲宽度调制信号的低电平占空比。根据推到可知，在降压转换器工作在dcm模式下占空比d与负载电流的关系可
以表示为：
[0044][0045]
在公式(2)中，l表示电感大小，i
out
表示负载电流大小，t表示时钟的一个周期大小。当负载电流变化时，占空比随之变化，使得输出电压变化，v
ea
也随之变化。
[0046]
在一定负载下，功耗最低的功率开关管的宽度为：
[0047][0048]
在公式(3)中，w
p
表示功率开关管的宽度大小，v
in
表示输入电源电压，c
ox
表示开关管单位面积的栅极电容，i
p
表示流过该功率开关管的电流大小，μ表示空穴迁移率，v
tp
表示功率开关管的阈值电压，f表示开关频率，η表示缓冲器的扇出系数。
[0049]
因此，功率开关管的宽度大小w
p
与流过该功率开关管的电流大小i
p
也即负载电流有关系，所以能够根据负载电流大小调节功率开关管的宽度。本发明应用模数转换技术，克服了需要引入电流采样电路这一缺点。实现了在不同负载情况下功率管自适应地调节尺寸。
[0050]
如图5所示，所述隔离电路1是以nmos为输入管的源极跟随器，误差放大器6的输出v
ea
传输到模数转换器3的输入端，而模数转换器3的输入端电压变化不传输到误差放大器6的输出端，电压单向传递。一般认为，模数转换器3的输入端可以与误差放大器6的输出端直接相连。但实际上，模数转换器3中的采样操作会影响误差放大器6的输出电压v
ea
的值并引起其产生较大幅度的振荡。而v
ea
的值与锯齿波比较后，将直接决定pwm信号占空比的大小，占空比的大小又将决定输出电压v
out
的大小。因此，v
ea
值的改变将影响输出电压的大小，最终造成输出精度的下降。通过上述分析可知，一方面，希望模数转换器3的输入信号为v
ea
，另一方面，又不希望模数转换器3采样操作会对v
ea
的值造成影响。如果有一个电路插入v
ea
和模数转换器3输入端之间，使v
ea
的值可以传输到模数转换器3输入端，而模数转换器3的输入端电压变化不会传输到v
ea
，即通过电压单向传递，即可解决上述问题。本发明引入的隔离电路1消除了模数转换器3在采样时引起的电荷再分配。
[0051]
实现隔离电路1的最简单方法是使用以nmos为输入管的源极跟随器。源级跟随器的特点是输入端到输出端电压单向传递，实现了电压单向传递。使用源极跟随器的另一个优点是它可以将模数转换器3的输入电压降低一倍的栅源电压v
gs
保持v
ea-v
gs
始终在模数转换器3的输入范围内。如v
ea
的电压范围是300mv～1.5v，模数转换器3输入范围是0～1.2v，将v
ea
降低300mv，可以使模数转换器3检测范围完全包含v
ea
，避免漏检测。充分利用模数转换器3的检测范围，避免资源浪费。
[0052]
通过以上技术方案，本发明的功率管驱动电路4根据模数转换器3输出的数字信号选择开启对应的功率开关管，而模数转换器3输出的数字信号由负载电流转换而来，因此，能够根据负载电流大小自适应选择开启对应的功率开关管，不同的功率开关管开启方式对应的开关管宽度不同，从而实现根据负载电流大小自适应选择开关管宽度，能够降低开关管在工作时的功耗，不需要引入电流采样电路，不存在从电流采样电路到最终起到控制作用的延迟，消除电流采样电路对电路稳定性的影响。
[0053]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。