專(zhuān)利名稱(chēng)：一種pwm控制dc-dc轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計(jì)與系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種高效率低噪聲的DC-DC轉(zhuǎn)換器，特別涉及采用PWM控制方式的DC-DC轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
電源管理模塊是芯片設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵電路，它決定了整顆芯片的工作狀態(tài)，DC-DC轉(zhuǎn)換器是開(kāi)關(guān)電源的一種，一般由主電路和控制電路構(gòu)成。構(gòu)成開(kāi)關(guān)電源主電路的兀件，包括輸入電源、開(kāi)關(guān)管、整流管以及儲(chǔ)能電感、濾波電容和負(fù)載，它們共同完成電能的轉(zhuǎn)換和傳 遞，合稱(chēng)為功率級(jí)?？刂齐娐穭t通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)管的通斷，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓恒定在設(shè)定值的要求，從而控制主電路的工作狀態(tài)，使主電路從輸入電源處獲得的能量和傳送到負(fù)載的能量維持平衡。通常，當(dāng)輸入電壓及輸出端的負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，負(fù)載電壓可以維持恒定。DC-DC轉(zhuǎn)換器主要的特點(diǎn)是高效率(最高可達(dá)到90%以上)、低功耗及輸出電壓變換靈活(降壓、升壓、負(fù)壓)。但是，與此同時(shí)，DC-DC電源穩(wěn)壓器的輸出紋波和開(kāi)關(guān)噪聲較大、成本相對(duì)較高、且容易產(chǎn)生EMI干擾。降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器可以有多種調(diào)制方式，調(diào)制方式是指為實(shí)現(xiàn)想要的輸出電壓，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)的控制方式。為使開(kāi)關(guān)電源輸出電壓穩(wěn)定在一定的精度，開(kāi)關(guān)電源普遍米用反饋控制技術(shù)。目前主流的調(diào)制方式有脈沖寬度調(diào)制方式(Pulse Width Modulation,PWM)、脈沖頻率調(diào)制方式(Pulse Width Modulation, PFM)，還有一種介于兩者之間的跨周期調(diào)制方式(Pulse cycle Skip Modulation, PSM)。PWM控制方式是在脈沖頻率一定的情況下，通過(guò)調(diào)整脈沖的占空比來(lái)控制功率管的開(kāi)和關(guān)，由于脈沖頻率固定，降低了片外LC濾波網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)難度，具有更好的噪聲性能，但是，在輕載的狀態(tài)下，由于仍然維持較高的工作頻率，驅(qū)動(dòng)損耗和功率管的開(kāi)關(guān)損耗占據(jù)主導(dǎo)地位，大大降低了工作效率。近年來(lái)，學(xué)術(shù)界對(duì)提高輕載狀態(tài)下PWM控制的效率也做了研究，如 S. Musunuri 和 P. Chapman 在 IEEE Power Electronics Letters 發(fā)表的論文“Improvement of light-load efficiency using width-switching scheme for CMOStransistors，，。PFM調(diào)制方式是將脈沖寬度固定，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率來(lái)調(diào)節(jié)占空比，PFM控制最大的優(yōu)點(diǎn)是在輕載的條件下，工作頻率非常低，電路長(zhǎng)時(shí)間處于空閑狀態(tài)，靜態(tài)電流很小，大幅提高了工作效率，如J. Xiao等在IEEE Journal of Solid-State Circuits上發(fā)表的論文“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 上發(fā)表了論文“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，這種控制方式介于PWM和PFM之間，通過(guò)采用高低不同的電壓門(mén)限將輸出電壓限制在預(yù)先設(shè)好的電壓波動(dòng)范圍內(nèi)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了克服已有技術(shù)的缺陷，提出一種PWM控制DC-DC轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了一種高效率低噪聲的降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明目的是通過(guò)以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)所述PWM控制DC-DC轉(zhuǎn)換器包括第七PMOS管源級(jí)接電源電壓，柵極接正向時(shí)鐘控制信號(hào)，漏極接電流偏置管的柵極，電流偏置管漏極接跨導(dǎo)放大器，控制跨導(dǎo)放大器的周期性工作；第一 PMOS管和第二 PMOS管構(gòu)成差分對(duì)，作為將誤差電壓轉(zhuǎn)化為誤差電流的跨導(dǎo)放大器的主放大管；第一 NMOS管、第三NMOS管和第二 NMOS管、第四NMOS管連接成低壓共源共柵的形式，作為跨導(dǎo)放大器的負(fù)載；跨導(dǎo)放大器的負(fù)載連接可配置電流鏡，所述可配置電流鏡將誤差電流按照一定的比例鏡像至后級(jí)電路，可配置的電流比例用來(lái)適應(yīng)不同工作頻率的需要；后級(jí)電路包括第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管為開(kāi)關(guān)管，第三PMOS管和第五PMOS管的源級(jí)接至電源電壓，柵極接正向時(shí)鐘控制信號(hào)，漏極接第四PMOS管的漏級(jí)，第四PMOS管的源級(jí)接至所述可配置電流鏡的輸出，第四PMOS管漏極接至第六PMOS管的柵極；電容一端接到電源，另外一端接到第六PMOS管的柵極，第六PMOS管源級(jí)接電源電壓，漏極連接第五NMOS管漏極，第四PMOS管柵極和第五NMOS管柵極接反向時(shí)鐘控制信號(hào)，第六PMOS管和第五NMOS管的漏極連接點(diǎn)輸出PWM控制信號(hào)至功率級(jí)電路，功率級(jí)電路連接片外濾波電路、負(fù)載和電壓反饋電路。所述功率級(jí)電路包括PWM控制信號(hào)經(jīng)邏輯電路處理后產(chǎn)生控制信號(hào)連接PMOS功率管柵極，控制PMOS功率管的開(kāi)啟和關(guān)閉，所述PMOS功率管漏極連接至片外二極管整流電路，以及片外濾波電路、負(fù)載和電壓反饋電路；所述PMOS功率管上并聯(lián)有一個(gè)第零PMOS管，第零PMOS管對(duì)流過(guò)PMOS功率管的電流進(jìn)行采樣，送至軟啟動(dòng)電路進(jìn)行判決，軟啟動(dòng)電路再輸出到所述邏輯電路形成反饋。所述功率級(jí)電路包括PWM控制信號(hào)經(jīng)邏輯電路處理后分別產(chǎn)生第一路控制信號(hào)和第二路控制信號(hào)，分別連接PMOS功率管柵極和NMOS功率管柵極，控制PMOS功率管和NMOS功率管的開(kāi)啟和關(guān)閉，PMOS功率管和NMOS功率管的漏極連接點(diǎn)接至片外濾波電路、負(fù)載和電壓反饋電路；所述PMOS功率管上并聯(lián)有第零PMOS管，NMOS功率管上并聯(lián)有第零NMOS管，所述第零PMOS管和第零NMOS管對(duì)流過(guò)PMOS功率管和NMOS功率管的電流進(jìn)行采樣，送至軟啟動(dòng)電路進(jìn)行判決，軟啟動(dòng)電路再輸出到所述邏輯電路形成反饋。所述軟啟動(dòng)電路采用電壓限制或采用電流限制，防止芯片上電時(shí)浪涌電流和過(guò)沖電壓。所述跨導(dǎo)放大器的一端輸入VREF是由片內(nèi)集成的帶隙基準(zhǔn)電路產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓，另一端輸入VFB是DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓經(jīng)過(guò)片外電壓反饋電路后的電壓，所述可配置電流鏡為跨導(dǎo)放大器提供偏置電流Ibias,當(dāng)VFB和VREF相等的時(shí)候，流經(jīng)跨導(dǎo)放大器的兩路負(fù)載的電流也相等，均為0. 5Ibias，而當(dāng)存在一個(gè)誤差電壓V6 = VREF-VFB時(shí)，流經(jīng)跨導(dǎo)放大器的兩路負(fù)載的電流便均帶有了誤差信號(hào)，電流大小分別為0. 5 (Ibias-GmVm)和0. 5 (Ibias+GmVerr)，其中Gm是第一 PMOS管和第二 PMOS管的小信號(hào)跨導(dǎo)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1，采用頻率固定的PWM作為開(kāi)關(guān)電源的調(diào)制模式，使電路具有更好的噪聲性能。
2，具有更高的工作頻率，避免了工作頻率的諧波對(duì)射頻接收機(jī)等電源敏感電路的影響，減小了輸出電壓紋波，并可以使用更小的片外電感電容元件，節(jié)省了成本和面積。3，將誤差電壓轉(zhuǎn)換為誤差電流的跨導(dǎo)放大器周期性工作，節(jié)省了誤差電流被旁路至電源電壓半個(gè)周期內(nèi)的功耗，使平均靜態(tài)功耗減小一半，進(jìn)一步提高了轉(zhuǎn)換器的效率。4，跨導(dǎo)放大器不存在輸出高阻節(jié)點(diǎn)，具有更寬的帶寬，因而在較高的工作頻率下仍保持很小的靜態(tài)功耗，使DC-DC轉(zhuǎn)換器無(wú)論在輕載還是重載狀態(tài)下均保持較高效率。5，由于跨導(dǎo)放大器不存在輸出高阻節(jié)點(diǎn)，從系統(tǒng)的角度上減少了一個(gè)極點(diǎn)，增強(qiáng)了環(huán)路的穩(wěn)定性，同時(shí)也不再需要零極點(diǎn)補(bǔ)償電路，降低了電路的復(fù)雜度。


圖I為本發(fā)明PWM控制DC-DC轉(zhuǎn)換器電路圖。圖2為本發(fā)明的PWM型DC-DC轉(zhuǎn)換器的小信號(hào)模型系統(tǒng)圖。圖3為本發(fā)明的DC-DC轉(zhuǎn)換器效率隨負(fù)載的變化曲線。圖4為本發(fā)明DC-DC轉(zhuǎn)換器效率隨工作頻率的變化曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。對(duì)于對(duì)電源非常敏感的無(wú)線通信應(yīng)用來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源的噪聲性能是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要因素，由于PWM的工作頻率固定，具有更低的電磁干擾(EMI，electromagnetic interference),因此本發(fā)明選擇了 PWM作為調(diào)制方式。另外，當(dāng)DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于低中頻接收機(jī)時(shí)，其工作頻率的諧波有可能會(huì)落在中頻帶內(nèi)，從而影響整個(gè)接收機(jī)的性能，因此，設(shè)計(jì)的DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)盡可能的工作在較高頻率。同時(shí)，由于Buck型開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓紋波為

權(quán)利要求
1.一種PWM控制DC-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是，包括第七PMOS管(MP7)源級(jí)接電源電壓，柵極接正向時(shí)鐘控制信號(hào)(CLKP)，漏極接電流偏置管(MPO)的柵極，電流偏置管(MPO)漏極接跨導(dǎo)放大器，控制跨導(dǎo)放大器的周期性工作；第一 PMOS管(MPl)和第二 PMOS管(MP2)構(gòu)成差分對(duì)，作為將誤差電壓轉(zhuǎn)化為誤差電流的跨導(dǎo)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)連接成低壓共源共柵的形式，作為跨導(dǎo)放大器的負(fù)載；跨導(dǎo)放大器的負(fù)載連接可配置電流鏡，所述可配置電流鏡將誤差電流按照一定的比例鏡像至后級(jí)電路，可配置的電流比例用來(lái)適應(yīng)不同工作頻率的需要；后級(jí)電路包括第三PMOS管(MP3)、第四PMOS管(MP4)、第五PMOS管(MP5)為開(kāi)關(guān)管，第三PMOS管(MP3)和第五PMOS管(MP5)的源級(jí)接至電源電壓，柵極接正向時(shí)鐘控制信號(hào)(CLKP)Jf極接第四PMOS管(MP4)的漏級(jí)，第四PMOS管(MP4)的源級(jí)接至所述可配置電流鏡的輸出，第四PMOS管(MP4)漏極接至第六PMOS管(MP6)的柵極；電容(CO) —端接到電源，另外一端接到第六PMOS管(MP6)的柵極，第六PMOS管(MP6)源級(jí)接電源電壓，漏極連接第五NMOS管(M5)漏極，第四PMOS管(MP4)柵極和第五NMOS管(M5)柵極接反向時(shí)鐘控制信號(hào)(CLKN)，第六PMOS管(MP6)和第五NMOS管(M5)的漏極連接點(diǎn)輸出PWM控制信號(hào)至功率級(jí)電路，功率級(jí)電路連接片外濾波電路、負(fù)載和電壓反饋電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的PWM控制DC-DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述功率級(jí)電路包括PWM控制信號(hào)經(jīng)邏輯電路處理后產(chǎn)生控制信號(hào)連接PMOS功率管柵極，控制PMOS功率管的開(kāi)啟和關(guān)閉，所述PMOS功率管漏極連接至片外二極管整流電路，以及片外濾波電路、負(fù)載和電壓反饋電路；所述PMOS功率管上并聯(lián)有一個(gè)第零PMOS管，第零PMOS管對(duì)流過(guò)PMOS功率管的電流進(jìn)行采樣，送至軟啟動(dòng)電路進(jìn)行判決，軟啟動(dòng)電路再輸出到所述邏輯電路形成反饋。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的PWM控制DC-DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述功率級(jí)電路包括PWM控制信號(hào)經(jīng)邏輯電路處理后分別產(chǎn)生第一路控制信號(hào)(VCTRLP)和第二路控制信號(hào)(VCTRLN)，分別連接PMOS功率管(MP)柵極和NMOS功率管(MN)柵極，控制PMOS功率管(MP)和NMOS功率管(MN)的開(kāi)啟和關(guān)閉，PMOS功率管(MP)和NMOS功率管(MN)的漏極連接點(diǎn)接至片外濾波電路、負(fù)載和電壓反饋電路；所述PMOS功率管(MP)上并聯(lián)有第零PMOS管(MPS)，NMOS功率管(MN)上并聯(lián)有第零NMOS管(MNS)，所述第零PMOS管(MPS)和第零NMOS管(MNS)對(duì)流過(guò)PMOS功率管(MP)和NMOS功率管(MN)的電流進(jìn)行采樣，送至軟啟動(dòng)電路進(jìn)行判決，軟啟動(dòng)電路再輸出到所述邏輯電路形成反饋。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的PWM控制DC-DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述軟啟動(dòng)電路采用電壓限制或采用電流限制，防止芯片上電時(shí)浪涌電流和過(guò)沖電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的PWM控制DC-DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述跨導(dǎo)放大器的一端輸入VREF是由片內(nèi)集成的帶隙基準(zhǔn)電路產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓，另一端輸入VFB是DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓經(jīng)過(guò)片外電壓反饋電路后的電壓，所述可配置電流鏡為跨導(dǎo)放大器提供偏置電流Ibias,當(dāng)VFB和VREF相等的時(shí)候，流經(jīng)跨導(dǎo)放大器的兩路負(fù)載的電流也相等，均為0. 5Ibias，而當(dāng)存在一個(gè)誤差電SVot = VREF-VFB時(shí)，流經(jīng)跨導(dǎo)放大器的兩路負(fù)載的電流便均帶有了誤差信號(hào)，電流大小分別為0. 5 (Ibias-GmVerr)和0. 5 (Ibias+GmVerr)，其中Gm是第一 PMOS管(MPl)和第二 PMOS管(MP2)的小信號(hào)跨導(dǎo)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種電壓反饋型PWM控制DC-DC轉(zhuǎn)換器，它包括PWM控制電路，驅(qū)動(dòng)電路，反饋回路，功率級(jí)以及軟啟動(dòng)電路。PWM控制電路使用一種新型轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)誤差信號(hào)由電壓域至電流域最后至?xí)r域的轉(zhuǎn)換，替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的誤差放大器和比較器，從而消除了誤差放大器輸出高阻節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的極點(diǎn)，增強(qiáng)了環(huán)路穩(wěn)定性，同時(shí)擴(kuò)展了電路的工作帶寬，工作頻率的提高減少了片外電感、電容，更有利于系統(tǒng)集成；此外，通過(guò)周期性的控制跨導(dǎo)放大器的工作，降低了控制電路的平均靜態(tài)功耗，進(jìn)一步提高了轉(zhuǎn)換器的效率；最后，由于PWM控制方式工作在固定的頻率下，具有更好的噪聲性能。適用于便攜設(shè)備、消費(fèi)電子及對(duì)噪聲性能要求較高的射頻收發(fā)芯片等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H02M1/32GK102624228SQ20121009193
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者樂(lè)建連, 葉甜春, 甘業(yè)兵, 石堅(jiān), 莫太山, 馬成炎 申請(qǐng)人:江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心