[發明專利]自適應分段驅動DC-DC變換器

無效

• 申請號: 201210291136.3
• 申請日: 2012-08-16
• 公開（公告）號: CN102801317A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發明（設計）人: 羅萍;羅明;莫易昆
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H02M3/156
• 分類號: H02M3/156
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 溫利平

技術領域

本發明涉及集成電路技術，特別涉及一種負載自適應分段驅動電路，在降壓式穩壓電路（也稱為BUCK電路）中的應用。

背景技術

集成的降壓式電壓變換器（BUCK）電路結構如圖1所示，包括能量轉換單元1、驅動單元2和反饋控制單元3。能量轉換單元1通常包括2只功率管構成的開關轉換電路，一只PMOS（P溝道金屬氧化物半導體）功率管和一只NMOS（N溝道金屬氧化物半導體）功率管，圖1中分別標注為PMOS和NMOS。在驅動單元2輸出信號控制下PMOS功率管和NMOS功率管工作在開關狀態，將輸入的高壓直流電Vdd轉換為一個方波信號輸出，最后經過電感L和電容C構成的濾波電路輸出低壓直流電Vout，從而實現DC-DC（直流到直流）降壓變換。圖1中，2只功率管始終工作在不同的狀態，PMOS功率管開啟則NMOS功率管關斷，PMOS功率管關斷則NMOS功率管開啟，完成輸入電壓的開關轉換。反饋控制單元3的作用是對輸出電壓Vout進行采樣并產生脈沖信號，然后通過驅動單元2進行緩沖放大，控制能量轉換單元1的PMOS功率管和NMOS功率管的開啟、關斷時間，使輸出電壓保持恒定。對于常見的BUCK電路，根據其不同的控制模式分為：PWM（脈沖寬度調制）控制模式、PFM（脈沖頻率調制）控制模式、PSM（脈沖跨周期調制模式）控制模式，以及混合控制模式（上述兩種或多種控制模式的組合）。其中PWM模式最為常見，具有輸出電壓波動小，重載（負載電流大）時轉換效率高等優點。PFM、PSM模式通常用于輕載（負載電流較小）的情況下，以提高變換器的轉換效率。但這兩種模式都有一個明顯的缺點：功率管開關頻率隨著負載的變化而變化，從而限制了其在某些領域的中應用，如RF（射頻）領域。所以，在電壓變換器中，PWM模式仍然是最為有效的一種。在輕載條件下，PWM模式變換器的損耗主要體現在功率管的驅動損耗和開關損耗，功率管功率越大這種損耗越大。

發明內容

本發明所要解決的技術問題，就是提供一種自適應分段驅動DC-DC變換器，通過對功率管進行分段驅動，并采用自適應死區控制，可以在很大程度上提高變換器在輕載下的轉換效率。

本發明解決所述技術問題，采用的技術方案是，自適應分段驅動DC-DC變換器，包括能量轉換單元、反饋控制單元和驅動單元；所述反饋控制單元采集能量輸出單元的輸出電壓進行處理后，通過驅動單元對能量轉換單元的輸出電壓進行控制，所述能量轉換單元將輸入電壓轉換為脈沖電壓經過濾波電路輸出到負載；其特征在于，所述能量轉換單元包括m只PMOS功率管和m只NMOS功率管；所述m只PMOS功率管源極與電源正極連接，所述m只PMOS功率管柵極與驅動單元連接，所述m只PMOS功率管漏極與m只NMOS功率管漏極連接在一起并與濾波電路連接，所述m只NMOS功率管柵極與驅動單元連接，所述m只NMOS功率管源極接地；所述驅動單元輸出的信號分別控制PMOS功率管和NMOS功率管開啟和關斷；n只PMOS功率管開啟則對應有n只NMOS功率管關斷，n只PMOS功率管關斷則對應有n只NMOS功率管開啟，且其他功率管均處于關斷狀態；所述PMOS功率管開啟數量隨負載電流變化，負載電流大，PMOS功率管開啟數量大，負載電流小，PMOS功率管開啟數量小；m、n為正整數，n≤m，m≥2。

本發明用并聯的m只PMOS功率管和NMOS功率管構成開關轉換電路，根據不同的負載電流大小，驅動不同數量的功率管進行開關轉換，在輕載情況下驅動的功率管數量較少，相當于降低了功率管的功率，從而在輕載情況下降低驅動損耗和開關損耗。

具體的，當負載電流為最大值Imax時，n=m；當負載電流為最小值Imin時，n=1。

該方案在最大負載（負載電流為最大值Imax）條件下，所有的功率管均開啟，充分利用所有功率管。

進一步的，所述m只PMOS功率管和m只NMOS功率管分為k段，每段中PMOS功率管和NMOS功率管數量相同，各段的PMOS功率管數量相同或不同；k為正整數，k≤m。

這種方案采用分段驅動的方式，有利于簡化控制邏輯，降低成本。由于PMOS功率管和NMOS功率管是成對配置的，所以每段中PMOS功率管和NMOS功率管數量是相同的。但是，各段的PMOS功率管數量可以相同或不同。

進一步的，每段中PMOS功率管和NMOS功率管功率相同，各段的PMOS功率管功率相同或不同。