專利名稱：具有負(fù)載最小能量消耗點追蹤電路的降壓式穩(wěn)壓電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高能效低壓低功耗集成電路，特別涉及一種工作在亞閾值情況的 數(shù)字電路，在降壓式穩(wěn)壓電路(也稱為BUCK電路)中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
集成穩(wěn)壓電路，通常包括輸出單元和穩(wěn)壓單元。開關(guān)穩(wěn)壓電路的輸出單元將輸入 電壓轉(zhuǎn)換為脈沖電壓經(jīng)過濾波輸出到負(fù)載，其穩(wěn)壓單元的作用是對輸出單元的輸出電壓 進行采樣和調(diào)整，使輸出電壓保持穩(wěn)定，如常用的BUCK穩(wěn)壓電路即是這種工作模式。開 關(guān)穩(wěn)壓電源常采用脈沖跨周期調(diào)制模式，英文簡稱為PSM(Pulse Skip Modulation)，通過 負(fù)反饋控制環(huán)路來使輸出單元的輸出電壓保持穩(wěn)定。PSM具體實現(xiàn)方式是如果輸入電 壓或負(fù)載的變化引起輸出電壓變化，采樣電路對輸出電壓進行采樣，并將其與基準(zhǔn)電壓進 行比較，進而根據(jù)變化來決定是否有脈沖被跨過，使得輸出電壓穩(wěn)定。PSM基于恒頻恒寬 CFCW(Constant Frequency Constant Width)調(diào)制脈沖，當(dāng)變換器輸出電壓大于參考電壓 時，將有脈沖被跨過，否則將始終為恒頻恒寬的脈沖波控制下的通/斷工作狀態(tài)，由此使得 輸出單元的輸出電壓穩(wěn)定。同時基于PSM控制模式的能量模型，能夠控制輸出電壓，以及 每個周期的導(dǎo)通時間來使得每個周期輸出的能量一定。這個原理是最小能量消耗點追蹤 (MEPT)能夠?qū)ふ邑?fù)載最小能量消耗點的基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，就是提供一種具有負(fù)載最小能量消耗點追蹤電路的 降壓式穩(wěn)壓電路，能夠?qū)ふ邑?fù)載最小能量消耗點，利用亞閾值特有的能量消耗曲線并且通 過控制輸出電壓以及導(dǎo)通時間來使得每個周期輸出到負(fù)載的能量一致，同時檢測一定時間 內(nèi)的導(dǎo)通個數(shù)來實現(xiàn)檢測負(fù)載最小能量消耗的功能。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是，具有負(fù)載最小能量消耗點追蹤電 路的降壓式穩(wěn)壓電路，包括輸出單元和穩(wěn)壓單元，所述輸出單元將輸入電壓轉(zhuǎn)換為脈沖電 壓經(jīng)過濾波輸出到負(fù)載，所述穩(wěn)壓單元用于對輸出單元的輸出電壓進行調(diào)整，其特征在于， 所述穩(wěn)壓單元包括限流模塊、數(shù)字控制模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換器；所述輸出單元的輸出電壓和數(shù) 模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓進入比較器進行比較，比較器的輸出作為與門的一個輸入，該與 門的另一輸入為時鐘信號，所述與門的輸出分為兩路，一路輸出到RS觸發(fā)器的S端，另一路 輸出到數(shù)字控制模塊的輸入端，所述RS觸發(fā)器的輸出端連接MOS (金屬氧化物半導(dǎo)體)功 率管的柵極；所述數(shù)字控制模塊有兩個輸出端，一個輸出端用于控制限流模塊輸出不同的 導(dǎo)通時間，另一個輸出端用于控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生不同的基準(zhǔn)電壓；所述限流模塊的輸出 端通過一個反相器輸入到或門的一端，所述或門的另一端通過反相器連接最大導(dǎo)通時間， 所述或門的輸出連接到RS觸發(fā)器的R端。所述MOS功率管為PMOS (P型金屬氧化物半導(dǎo)體)功率管，所述RS觸發(fā)器的輸出 端通過反相器連接功率管的柵極。
所述限流模塊的輸出端輸出的控制信號具有6個控制狀態(tài)，分別對應(yīng)6種不同的 導(dǎo)通時間。所述限流模塊包括PMOS功率管MPl和比較器C0MP2 ；所述PMOS功率管MPl源極 接輸入電壓，漏極連接6排電流鏡，該6排電流鏡的開啟和關(guān)閉對應(yīng)所述6個控制狀態(tài)，所 述PMOS功率管MPl的柵極接地；所述比較器C0MP2正相輸入端接MOS功率管漏極，反相輸 入端接所述PMOS功率管MPl的漏極，所述比較器C0MP2的輸出端即為限流模塊的輸出端。所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的基準(zhǔn)電壓分為5個等級。所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器包括運算放大器和NMOS (N型金屬氧化物半導(dǎo)體)調(diào)整管；所述 運算放大器的正相輸入端連接基準(zhǔn)電壓，負(fù)向輸入端通過采樣電阻接地，其輸出端接所述 NMOS調(diào)整管的柵極；所述NMOS調(diào)整管的漏極接輸入電壓，源極串聯(lián)5只電阻后通過采樣電 阻接地，所述5只電阻的接入由數(shù)字控制模塊進行控制，分別對應(yīng)5個等級的基準(zhǔn)電壓；所 述NMOS調(diào)整管的源極為數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端，。所述數(shù)字控制模塊由計數(shù)器、比對單元和查找表構(gòu)成；所述計數(shù)器的輸入接與門 輸出端，所述計數(shù)器輸出端接比對單元的輸入端，與上一次的計數(shù)器的輸出進行對比，比對 單元的輸出結(jié)果輸出到查找表，從而輸出相應(yīng)的控制信號對限流模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換器進行控 制。本發(fā)明的有益效果是，通過對輸出電壓和導(dǎo)通時間的控制，達到控制周期能量一 定的目的。從而在MEPT工作的同時能夠檢測導(dǎo)通的個數(shù)來達到檢測負(fù)載消耗能量的目的， 同時通過數(shù)字控制，能夠通過查找表不斷的尋找負(fù)載消耗能量的最低點(以輸出電壓為標(biāo) 準(zhǔn))，本發(fā)明不需要用開關(guān)電容進行檢測，可以進行實時檢測，同時利用PSM控制模式的特 點，增加了效率。本發(fā)明的控制電路大部分為數(shù)字電路，自身功耗低，占用芯片面積較小。


圖1為本發(fā)明電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為限流模塊電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為數(shù)字控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為MEPT算法的基本流程圖。
具體實施方案下面結(jié)合附圖及實施例，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。實施例本例的具有負(fù)載最小能量消耗點追蹤電路的BUCK穩(wěn)壓電路如圖1所示，其中的數(shù) 字控制模塊、限流模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)是組成本發(fā)明的穩(wěn)壓單元的三個關(guān)鍵模塊，數(shù) 字控制模塊用來檢測在一定時間內(nèi)的跳周個數(shù)，并且通過比較在不同的輸出基準(zhǔn)電壓下的 跳周個數(shù)來選取適合的電壓作為負(fù)載最小能量消耗點電壓，同時輸出不同的控制字到限流 模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換器以控制相應(yīng)的導(dǎo)通時間和輸出基準(zhǔn)電壓。限流模塊的輸入是數(shù)字控制模 塊的輸出控制字10、II··· 15，記為1<5:0>，不同字對應(yīng)了不同的導(dǎo)通時間，共6種不同的導(dǎo) 通時間。數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入是數(shù)字控制模塊輸出的控制字00、 1··· 4，記為D<4:0>，不同字對應(yīng)了不同的輸出基準(zhǔn)電壓，共5個基準(zhǔn)電壓等級。 在圖1中，VIN是穩(wěn)壓電路的輸入電壓，連接到PMOS功率管MPP的源極，圖1中 PMOS功率管MPP和二極管D、電感L、電容C 一起構(gòu)成了簡單的Buck電路，即本例的輸出單 元。Buck電路的輸出電壓VO輸出到比較器COMP的負(fù)端和DAC產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓DAC_0UT (連 接到比較器COMP的正端)進行比較，比較器COMP的輸出連接到與門的一端，與門的另一 端接的是時鐘信號CLK。與門的輸出Clk_ref輸出到RS觸發(fā)器的S端，同時輸出到數(shù)字 控制模塊的輸入端，RS觸發(fā)器的輸出端連接反相器1，反相器1的輸出連接到PMOS功率管 MPP的柵極。數(shù)字控制模塊的輸出有兩個，一個是控制限流模塊的信號1<5:0>，另一個是控 制DAC的信號D<4:0>。1<5:0>輸入到限流模塊中，通過不同字的選擇，輸出不同的導(dǎo)通時 間。D<4:0>輸入到DAC中，通過不同字的選擇，輸出不同的基準(zhǔn)電壓。限流模塊的輸出信號 ILIM_0UT連接反相器3的輸入，反相器3的輸出連接或門的一個輸入端。最大導(dǎo)通時間信 號DMAX連接反相器2的輸入端，反相器2的輸出端連接或門的另一個輸入端?；蜷T的輸出 端連接到RS觸發(fā)器的R端。 在圖2中，NO N6是構(gòu)成電流鏡的基本NMOS晶體管，NO上流過是偏置電流，NO N6的源極接地，NO的柵極和漏極短接，NO N6的柵極接在一起，Nl N6的漏極各接一個 開關(guān)，這些開關(guān)編號為10、II··· 15，分別由數(shù)字控制模塊輸出的控制字10、ΙΡ··Ι5進行控 制。圖2中PMOS功率管MPl與PMOS功率管MPP有一定的寬長比，PMOS功率管MPl的柵極 接地。PMOS功率管MPl的漏極連接比較器C0MP2的反相輸入端，比較器C0MP2的正相輸入 端接PMOS功率管MPP的漏極(圖1圖2中標(biāo)注為SW)，比較器C0MP2的輸出就是限流模塊 輸出信號ILIM_0UT。本例DAC的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，OPl是運算放大器，其正相輸入端接參考電壓源， 反相輸入端通過采樣電阻Rs接地，輸出端接調(diào)整管麗1的柵極。調(diào)整管麗1為NMOS晶體 管，其漏極接VIN，源極通過串聯(lián)電阻Rl、R2、R3、R4、R5后經(jīng)采樣電阻Rs接地，調(diào)整管麗1 的源極也是DAC的輸出端DAC_0UT。電阻Rl R5形成串聯(lián)，他們分別并聯(lián)一個開關(guān)(圖3 中的開關(guān)DO D4)，開關(guān)DO D4對應(yīng)由數(shù)字控制模塊輸出的控制字00、 Ρ·· 4控制。圖4為本例的數(shù)字控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。其中Clk_ref為與門的輸出信號，Clk_ ref輸入到計數(shù)器中，計數(shù)器的結(jié)果輸出到比對單元中，比對結(jié)果輸出到查找表中進行限流 模塊和DAC的控制字的查找。下面介紹MEPT工作的基本原理，也就是利用PSM模式的Buck電路的能量模型。PSM模式的Buck電路的輸入能量是由輸入電壓VIN確定的，同時由導(dǎo)通時間，以及 輸出電壓確定。假設(shè)每個周期輸入電壓VIN輸入的能量是AEin，而負(fù)載消耗的能量假設(shè)為 ΔΕΚ，電感和電容上消耗的能量分別設(shè)為八&和Δ&。由能量守恒，我們得到AEin = Δ EE+ Δ EL+ Δ Ec (1)在斷續(xù)模式(Discontinuous Conduction Mode)下，電感上消耗的能量為零，即 Δ & Ξ 0，而電容上的能量我們可以控制紋波很小，而使其能量變化很小，可以忽略不計。因 此，我們就有AEin = Δ Ee (2)對于Δ Ein，利用Buck電路的基本公式，可以推出^n = VINiINdt = VINfo°" iINdt = ^-VinTJp
2(3)
diV -Vr^V -VV-V
L! = Vm-V0 di = IN °dt =i> i = Γ IN ° dt^> I= IN 0Ton dt IN °LJo Lp L
(4)將(3)和(4)聯(lián)立，可以得到
^Ein = ^-ToKVin -V0)VIN
(5)同樣，用不同的變量代入可以得到不同的公式
AE =-/2~^~
m 2 P (Vm-V0)(6)從上面兩個公式可以看出，Vin和L都保持不變，欲保持周期能量不變，就要保持
τ2η/ τ/、或者爪/jV、不變，其中Ip是電感電流所能達到的峰值。
1OnVlN-vO) VlN~Vo)具有本發(fā)明所述MEPT電路的Buck電路在Tr時間內(nèi)工作了 M個周期跨過N個周 期，那么其消耗的能量就是ΜΔ&η。對于不同的輸出電壓，負(fù)載所消耗的能量是不一樣的， 而在不同的輸出電壓下，通過選擇對應(yīng)的峰值電流或者是導(dǎo)通時間，可以使得周期輸入能 量一致，這樣當(dāng)負(fù)載消耗能量變化的時候，周期輸入能量不變，那么變化的就是Μ，所以通過 檢測導(dǎo)通個數(shù)可以檢測出能量消耗的狀態(tài)。而MEPT工作必須基于一定的算法，這樣的算法決定了 MEPT是否能夠有一定效率 的尋找最小能量消耗點，而基本算法如下如圖5所示，在環(huán)路檢測開始時，會設(shè)置初始的輸出電壓以及相對應(yīng)的峰值電流， 以保持周期輸入能量不變和一個導(dǎo)通周期個數(shù)N。之后會自動將輸出電壓減少一個50mV， 同時調(diào)整相應(yīng)的峰值電流(在整個檢測過程中保持周期輸入能量與初始時周期輸入能量 一致)，之后計算導(dǎo)通周期個數(shù)M,之后會比較M和N的大小，如果M小于N，那么繼續(xù)將輸出 電壓減少一個50mV，同時調(diào)整相應(yīng)的峰值電流，并且將M賦予給N，之后再重新去計算導(dǎo)通 周期個數(shù)。如果M大于N，那么則將輸出電壓增加一個50mV，同時調(diào)整相應(yīng)的峰值電流。這 個時候的輸出電壓就是負(fù)載消耗能量的最低點，即找到了最小能量點，之后結(jié)束環(huán)路工作。在限流模塊中，利用了檢測功率管的漏源電壓(SW電壓)與IO 15控制的電流 流過一個PMOS產(chǎn)生的電壓進行比較，從而達到控制電流峰值的作用。如圖2所示，NO N6組成最基本的電流鏡，N1-N6復(fù)制偏置電流。同時PMOS功率 管MPl與功率管MPP有一定的寬長比，假設(shè)K(ff/L)P1 = (ff/L)PPM0S,因為PMOS功率管MPl和
R =_1_，
功率管MPP均處于線性區(qū)，由深線性區(qū)的電阻w <<r W( τ/、可以得到他們導(dǎo)通
"。。χ Y Vgs ~ vth )
電阻分別為
權(quán)利要求
1.具有負(fù)載最小能量消耗點追蹤電路的降壓式穩(wěn)壓電路，包括輸出單元和穩(wěn)壓單元， 所述輸出單元將輸入電壓轉(zhuǎn)換為脈沖電壓經(jīng)過濾波輸出到負(fù)載，所述穩(wěn)壓單元用于對輸出 單元的輸出電壓進行調(diào)整，其特征在于，所述穩(wěn)壓單元包括限流模塊、數(shù)字控制模塊和數(shù)模 轉(zhuǎn)換器；所述輸出單元的輸出電壓和數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓進入比較器進行比較，比 較器的輸出作為與門的一個輸入，該與門的另一輸入為時鐘信號，所述與門的輸出分為兩 路，一路輸出到RS觸發(fā)器的S端，另一路輸出到數(shù)字控制模塊的輸入端，所述RS觸發(fā)器的 輸出端連接MOS功率管的柵極；所述數(shù)字控制模塊有兩個輸出端，一個輸出端用于控制限 流模塊輸出不同的導(dǎo)通時間，另一個輸出端用于控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生不同的基準(zhǔn)電壓；所 述限流模塊的輸出端通過一個反相器輸入到或門的一端，所述或門的另一端通過反相器連 接最大導(dǎo)通時間，所述或門的輸出連接到RS觸發(fā)器的R端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有負(fù)載最小能量消耗點追蹤電路的降壓式穩(wěn)壓電路，其特 征在于，所述MOS功率管為PMOS功率管，所述RS觸發(fā)器的輸出端通過反相器連接功率管的 柵極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有負(fù)載最小能量消耗點追蹤電路的降壓式穩(wěn)壓電路， 其特征在于，所述限流模塊的輸出端輸出的控制信號具有6個控制狀態(tài)，分別對應(yīng)6種不同 的導(dǎo)通時間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有負(fù)載最小能量消耗點追蹤電路的降壓式穩(wěn)壓電路，其特 征在于，所述限流模塊包括PMOS功率管MPl和比較器C0MP2 ；所述PMOS功率管MPl源極接 輸入電壓，漏極連接6排電流鏡，該6排電流鏡的開啟和關(guān)閉對應(yīng)所述6個控制狀態(tài)，所述 PMOS功率管MPl的柵極接地；所述比較器C0MP2正相輸入端接MOS功率管漏極，反相輸入 端接所述PMOS功率管MPl的漏極，所述比較器C0MP2的輸出端即為限流模塊的輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有負(fù)載最小能量消耗點追蹤電路的降壓式穩(wěn)壓電路，其特 征在于，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的基準(zhǔn)電壓分為5個等級。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有負(fù)載最小能量消耗點追蹤電路的降壓式穩(wěn)壓電路，其 特征在于，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器包括運算放大器和NMOS調(diào)整管；所述運算放大器的正相輸入端 連接基準(zhǔn)電壓，負(fù)向輸入端通過采樣電阻接地，其輸出端接所述NMOS調(diào)整管的柵極；所述 NMOS調(diào)整管的漏極接輸入電壓，源極串聯(lián)5只電阻后通過采樣電阻接地，所述5只電阻的接 入由數(shù)字控制模塊進行控制，分別對應(yīng)5個等級的基準(zhǔn)電壓；所述NMOS調(diào)整管的源極為數(shù) 模轉(zhuǎn)換器的輸出端，。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 6任意一項所述的具有負(fù)載最小能量消耗點追蹤電路的降壓式穩(wěn) 壓電路，其特征在于，所述數(shù)字控制模塊由計數(shù)器、比對單元和查找表構(gòu)成；所述計數(shù)器的 輸入接與門輸出端，所述計數(shù)器輸出端接比對單元的輸入端，與上一次的計數(shù)器的輸出進 行對比，比對單元的輸出結(jié)果輸出到查找表，從而輸出相應(yīng)的控制信號對限流模塊和數(shù)模 轉(zhuǎn)換器進行控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高能效低壓低功耗集成電路。本發(fā)明公開了一種具有負(fù)載最小能量消耗點追蹤電路的降壓式穩(wěn)壓電路，能夠?qū)ふ邑?fù)載最小能量消耗點，利用亞閾值特有的能量消耗曲線并且通過控制輸出電壓以及導(dǎo)通時間來使得每個周期輸出到負(fù)載的能量一致，同時檢測一定時間內(nèi)的導(dǎo)通個數(shù)來實現(xiàn)檢測負(fù)載最小能量消耗的功能。本發(fā)明在傳統(tǒng)的穩(wěn)壓單元中引入數(shù)字控制電路，通過對輸出電壓和導(dǎo)通時間的控制，達到控制周期能量一定的目的。從而在MEPT工作的同時能夠檢測導(dǎo)通的個數(shù)來達到檢測負(fù)載消耗能量的目的，同時通過數(shù)字控制，能夠通過查找表不斷的尋找負(fù)載消耗能量的最低點，本發(fā)明的控制電路大部分為數(shù)字電路，自身功耗低，占用芯片面積較小。
文檔編號G05F1/56GK102141817SQ20111004074
公開日2011年8月3日 申請日期2011年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月18日
發(fā)明者張業(yè), 張波, 甄少偉, 羅萍, 耿翔, 賀雅娟 申請人:電子科技大學(xué)