[發(fā)明專利]PWM/PDM雙模調(diào)制選擇電路及雙模調(diào)制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810236458.1
• 申請日: 2008-12-25
• 公開（公告）號: CN101436821A
• 公開（公告）日: 2009-05-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉簾曦;楊銀堂;朱樟明;丁瑞雪
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: H02M1/08
• 分類號: H02M1/08;H02M3/00
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心
• 代理人: 王品華;黎漢華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域中的DC/DC集成電源技術(shù)，特別涉及一種為提高轉(zhuǎn) 換效率，可以根據(jù)負(fù)載電流的變化情況，在PWM和PDM兩種控制模式中自動選擇、 切換的雙模調(diào)制選擇電路。

背景技術(shù)

DC/DC轉(zhuǎn)換器是一種把直流輸入電壓轉(zhuǎn)變成有效輸出固定直流電壓的電壓轉(zhuǎn)換 器。傳統(tǒng)的DC/DC轉(zhuǎn)換器按照控制類型可分為兩類：PWM(Pulse-Width?Modulation， 脈沖寬度調(diào)制)和PFM(Pulse?Frequency?Modulation脈沖頻率調(diào)制)。PWM控制型電 路的轉(zhuǎn)換效率高并具有良好的輸出電壓紋波和噪聲，適合大功率輸出的應(yīng)用。PFM控 制型電路結(jié)構(gòu)相對簡單，在小負(fù)載時(shí)具有耗電小的優(yōu)點(diǎn)。PDM(Pulse?Density? Modulation脈沖密度調(diào)制)是一類新興的調(diào)制方式，它結(jié)合了PWM和PFM調(diào)制的 優(yōu)點(diǎn)，適合中小輸出功率下使用。隨著便攜類消費(fèi)終端設(shè)備功能不斷強(qiáng)化，作為電流 負(fù)載，其變化范圍變得很大：在高速工作時(shí)，要求大電流，以滿足各個(gè)功能模塊的正 常工作；在低速或者部分模塊工作時(shí)，又要求低電流消耗。

現(xiàn)有技術(shù)方案一：

單一調(diào)制模式的解決方案，即采用PWM或者PFM或者PDM三種調(diào)制方式之一 進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換。PWM調(diào)制型的DC/DC轉(zhuǎn)換器效率極大依賴功率開關(guān)的占空比， 當(dāng)負(fù)載較輕的時(shí)候，由于功率開關(guān)管的占空比很小，因此轉(zhuǎn)換效率會急劇下降；PFM 調(diào)制型的DC/DC轉(zhuǎn)換器在輸出功率較大時(shí)，輸出電壓的紋波很大，難以控制，而且 由于調(diào)制頻率變化，給應(yīng)用電路中的濾波器設(shè)計(jì)帶來極大困難；PDM調(diào)制型DC/DC 轉(zhuǎn)換器在中小功率輸出條件下有效克服了PFM調(diào)制紋波較大的弱點(diǎn)，但是對大功率 輸出的情況，轉(zhuǎn)換效率不高，且紋波問題仍然難以解決。

附圖1所示的是傳統(tǒng)PWM調(diào)制環(huán)路的電路結(jié)構(gòu)圖，偏置電路給整個(gè)調(diào)制環(huán)路的 其他電路提供偏置電壓和電流。輸出的采樣電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓之差被誤差放大器放 大，得到誤差放大信號。振蕩器產(chǎn)生方波信號，通過方波轉(zhuǎn)三角波電路變換成三角波 信號。控制信號比較器把誤差放大信號與三角波信號進(jìn)行比較，得到功率開關(guān)的控制 信號，該信號經(jīng)驅(qū)動緩沖器后驅(qū)動功率開關(guān)管。

方案一的不足之處在于，PWM調(diào)制雖然輸出紋波小，但是在輕負(fù)載情況下效率 低下；PFM和PDM調(diào)制方式結(jié)構(gòu)簡單，但是重負(fù)載下性能難以達(dá)到應(yīng)用要求。在寬 負(fù)載變化范圍內(nèi)，為了取得性能的折中，單一的調(diào)制模式很難達(dá)到整個(gè)范圍的高效轉(zhuǎn) 換。

現(xiàn)有技術(shù)方案二：

PWM/PFM雙模調(diào)制的解決方案。對輸出電流進(jìn)行采樣，把采樣值送入判決比較 器，與預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)采樣值大于預(yù)定基準(zhǔn)值時(shí)，認(rèn)為負(fù)載較重，采 用PWM調(diào)制方式；反之，認(rèn)為負(fù)載較輕，采用PFM調(diào)制方式。雙模調(diào)制技術(shù)的使 用極大提高了DC/DC轉(zhuǎn)換器在負(fù)載大范圍變化平均轉(zhuǎn)換效率。

方案二的不足之處在于，由于功率開關(guān)管始終工作在開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)閉合時(shí)，工 作在深線性區(qū)，開關(guān)打開時(shí)，工作在截止區(qū)，其電流是脈動型的。直接對脈動式的電 流進(jìn)行采樣的電路很復(fù)雜，較難實(shí)現(xiàn)。而且由于PFM調(diào)制模式是需要根據(jù)負(fù)載電流 的大小改變控制信號的頻率，而PWM則需要固定的調(diào)制頻率，因此內(nèi)部振蕩器及其 控制電路、外圍濾波電路設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，成本較高。

發(fā)明的內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種結(jié)構(gòu)簡單，工藝上易于實(shí) 現(xiàn)，負(fù)載在較寬范圍內(nèi)變化時(shí)可根據(jù)負(fù)載情況自動選擇切換PWM和PDM調(diào)制模式的 PWM/PDM雙模調(diào)制選擇電路，以解決現(xiàn)有技術(shù)方案中在寬負(fù)載范圍內(nèi)DC/DC轉(zhuǎn)換器 平均轉(zhuǎn)換效率較低和應(yīng)用成本較高的問題。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵是在傳統(tǒng)的PWM調(diào)制環(huán)路的誤差放大電壓和振蕩器之間 加入一個(gè)模式判決比較器，模式判決比較器的輸出可控制振蕩器的工作方式，從而對 系統(tǒng)的調(diào)制模式進(jìn)行選擇。整個(gè)電路包括：包括偏置電路、帶隙基準(zhǔn)電壓源、誤差放 大器、隔離共源跟隨器、振蕩器、積分器、模式判決比較器、控制比較器、鎖存器和 驅(qū)動緩沖器，其中模式判決比較器連接在誤差放大器的輸出端與振蕩器的控制端之 間，構(gòu)成PWM/PDM調(diào)制模式自動選擇電路。

所述的模式判決比較器通過鎖存器連接到振蕩器的控制端。該模式判決比較器由 差分比較器、共源放大級和反相器構(gòu)成，差分比較器的的輸出連接到共源放大級的輸 入，共源放大級的的輸出又與反相器的輸入連接。