一种PWM_PFM模式DCDC输出纹波抑制电路及控制方法与流程

本发明属于cmos工艺集成电路领域，具体涉及一种pwm_pfm模式dcdc输出纹波抑制电路及控制方法。

背景技术：

1、开关电源dcdc可以工作在不同负载电流条件下，在类似于移动设备的应用场景中，大部分时间设备处于休眠或待机状态，这种状态下设备消耗的电流小，因此需要电源管理系统提高在小负载条件下的效率。目前主要有两种方法用于解决此问题。第一种方法是使用psm变频控制技术，此技术利用误差放大器去控制压控振荡器的频率，实现全负载条件下的频率变化，其频率与负载电流呈平方律关系。这种方法在提高效率的同时可以减小轻载时的输出纹波，然而全载变频会提高dcdc的emi噪声。因此更为常用的做法是第二种方法，采用pwm_pfm调制模式，通常设计专门的电路使芯片在低负载电流时由pwm模式自动的切换到pfm模式，以减小芯片内部的平均电流消耗，从而提高效率。然而在pfm模式下，芯片的工作频率受到调制而周期性的减小，输出电压纹波会随着频率的降低而增大。纹波的增大会限制电源芯片在高速高精度系统中的应用，因为其带来的噪声难以消除，甚至可能引起逻辑错误。

2、因此设计一种提高效率的同时减小输出电压纹波的电路，对于提高dcdc的性能具有重要作用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种pwm_pfm模式dcdc输出纹波抑制电路及控制方法，用于解决dcdc工作在轻载时，环路进入pwm模式输出电压纹波大的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

3、参阅图1，一种pwm_pfm模式dcdc输出纹波抑制电路，主要由纹波抑制电路、主环路和外围电路三部分组成。纹波抑制电路由模式控制电路pwm_pfm contrl、纹波抑制电路ripple reduction和或门or组成。主环路由误差放大器ea、脉宽调制电路pwm、振荡器osc、逻辑电路logic、驱动电路driver和功率管powermos组成。外围电路由电感lx、负载电容cload和分压电阻rh、rl组成，rload代表负载。

4、在主环路中，反馈信号fb由输出信号vout通过分压电阻rh和rl分压产生，作为误差放大器的反相输入信号。参考信号vref作为误差放大器ea的同向输入信号。误差放大器ea的两个输出skip_en和ea_out受到fb信号的控制，其中的一个输出ea_out作为pwm的同向输入端信号。pwm的反向输入信号sen由powermos产生。pwm产生输出信号pwm_out与振荡器osc的输出osc_out一起作为逻辑电路logic的两个输入信号，产生pre_drv信号。pre_drv信号经logic内部电路产生p_predrv1-p_predrv3和n_predrv1-n_predrv3信号。p_predrv1受纹波抑制电路控制输出close信号，close与p_predrv2-p_predrv3和n_predrv1-n_predrv3输入到驱动电路driver中，输出p_drv1-p_drv3和n_drv1-n_drv3分别驱动pmos功率管p1-p3和nmos功率管n1-n3。

5、主环路中的误差放大器的输出skip_en作为纹波抑制电路中模式切换电路pwm_pfm control的输入。模式切换电路pwm_pfm control的输出sleep输入到纹波抑制电路ripple reduction中产生close_en信号。close_en和主环路中产生的p_predrv1一起输入到或门or，或门or输出的close信号输入到主环路的驱动电路driver中参与p_drv1的产生。在轻负载条件下，ea的输出被低钳位，skip_en会变成高电平。当skip_en信号高电平的时间足够长，代表负载足够轻，则sleep信号变成高电平，该信号进入逻辑电路logic控制电路工作在pfm模式下。当负载较大时，skip_en信号保持低电平，或skip_en信号高电平的时间不够长，sleep信号始终为低，电路都会在pwm模式下工作。当电路工作在pfm模式下，close信号会在pmos功率管p2-p3导通的前几个周期使p_drv1保持高电平，因此在这段时间内p1关断不起作用。

6、外围电路中的电感lx与主电路中的功率管连接，功率管周期性的开关在储能元件lx和cload上进行充放电，最终产生一生个稳定的电压vout。轻载时vout的的纹波大小与流过电感lx的电流ilx的峰值有关。因此如果在轻载时能在前几个周期关闭p1，那么ilx将会减小，vout纹波就会减小。

7、如图2所示是skip_en信号和sleep信号的波形示意图。轻载时，输出vout电压逐周期升高，当升高到足够高时，误差放大器ea的输出会被钳位在低钳位值，此时电路产生skip_en高电平信号。如果skip_en的持续时间大于tdel，那么sleep高电平信号将会产生，此信号将功率管p1-p3和n1-n3全部关断。输出电压在sleep为高的阶段开始下降，当下降到一定值时，误差放大器ea中跳周期电路判断输出的skip_en信号变低，电路退出sleep，开关管再次正常工作。进入和退出sleep模式的整个过程实现了工作频率的调制，即pfm模式。

8、如图3所示时是轻载纹波抑制电路产生的控制信号的波形。当有sleep信号产生表明电路处于轻负载条件，利用sleep信号、门电路和延时电路分别生成sleep信号的反相信号xsleep信号、xsleep信号的延迟信号xsleep_delay信号和xsleep_delay信号的反相信号xxsleep_delay信号。将xsleep信号和xxsleep_delay相与产生close_en信号。

9、如图4所示是纹波抑制电路的纹波抑制效果示意图。当不带纹波抑制电路时，电感电流的峰值较高，因此输出电压纹波较大；当电路带有纹波抑制电路时，电感电流的减小，输出电压纹波减小。

10、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

11、1.电路结构简单，只需要使用pwm_pfm模式dcdc中现有的sleep信号作为纹波抑制电路的输入信号，外加一些门电路和延时电路便可以实现轻载模式下的纹波抑制；

12、2.可根据设计需求自由配置关断pmos功率管的时间和关断的个数，设计自由度大。

技术特征：

1.一种pwm/pfm模式dcdc输出纹波抑制电路，主要由纹波抑制电路、主环路和外围电路三部分组成；

2.一种基于如权1所述pwm/pfm模式dcdc输出纹波抑制电路的控制方法，其特征在于：

技术总结
本次发明公开了一种降低PWM/PFM模式DCDC轻载时输出纹波的电路和控制方法，包括跳周期使能电路、PWM/PFM模式判断电路和纹波抑制电路。当电路轻载时，误差放大器产生SKIP_EN跳周期使能信号，SKIP_EN进入PWM/PFM模式判断电路进行判断是否满足跳周期的条件，当负载足够轻时，Sleep产生，则电路由PWM模式跳到PFM模式工作。Sleep信号进入由逻辑门和延时电路组成的纹波抑制电路产生Close_EN信号，关闭部分PMOS功率管，从而降低电感电流峰值，实现输出纹波抑制。

技术研发人员：王飞
受保护的技术使用者：西安华泰半导体科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14