[發(fā)明專利]一種DC-DC變換器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310420392.2
• 申請日: 2013-09-16
• 公開（公告）號: CN103490631A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 甄少偉;王俊喜;劉雨石;耿煜;羅萍;張波
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: H02M3/156
• 分類號: H02M3/156
• 代理公司: 成都宏順專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51227
• 代理人: 李順德;王睿

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電源與集成電路技術(shù)，具體的說是涉及一種輸出電壓可快速調(diào)節(jié)的DC-DC變換器。

背景技術(shù)

近年來，隨著人們消費(fèi)水平的提高，MP3、手機(jī)等便攜式電子設(shè)備越來越普及，DC-DC變換器因在各種負(fù)載條件下能夠保證較高的輸出精度和較低的調(diào)整率以及高效率等優(yōu)點(diǎn)，越來越受人們青睞和關(guān)注。通過人們的努力，現(xiàn)在商用的DC-DC變換器的變換效率最高可達(dá)95%以上。單純的高變換效率已經(jīng)不再是人們追求的目標(biāo)，而是在于系統(tǒng)級的功耗優(yōu)化和降低。由于功耗與電壓的平方成正比關(guān)系，所以在SoC芯片中采用動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（Dynamic?Voltage?Scaling，DVS）技術(shù)對于系統(tǒng)動態(tài)功耗的優(yōu)化具有顯著效果。

在低功耗數(shù)字電路的DVS控制中，其電源電壓需要跟蹤運(yùn)行頻率的變化。因此，在工作頻率快速切換的數(shù)字電路中，需要快速的DVS變換器，以在保證正常工作的前提下，實(shí)現(xiàn)其動態(tài)調(diào)頻情況下的低功耗運(yùn)行。在已有的設(shè)計中，往往通過增加充電電流和擴(kuò)展控制環(huán)路帶寬提升DVS速度。而DVS速度的首要制約因素在于輸出濾波電容的充電速度。在開關(guān)變換器中，往往需要較大的輸出電容以得到較小的輸出電壓紋波，但較大的電容減小了DVS調(diào)壓的速度。較小的輸出電容的設(shè)計需要更高的開關(guān)頻率，往往帶來變換效率的降低。因此，DVS速度和輸出電容間存在著較大的矛盾。

如圖1所示，為現(xiàn)有的DC-DC變換器電路結(jié)構(gòu)示意圖，其工作原理為，當(dāng)功率管MP導(dǎo)通時，功率管MN截止，此時電源電壓Vin對電感L和電容C充電，同時也為負(fù)載電阻R提供能量。當(dāng)功率管MP截止時，功率管MN導(dǎo)通，電感L和電容C為負(fù)載電阻R提供能量。其中EA放大器為整個系統(tǒng)環(huán)路提供相位補(bǔ)償，并將輸出電壓和基準(zhǔn)電壓的差值放大后送給PWM比較器，PWM比較器的另一端接鋸齒波電壓Vsaw，PWM比較器輸出的方波信號通過驅(qū)動電路來控制功率管MP和MN的導(dǎo)通和截止。如圖2所示，現(xiàn)有的DC-DC變換器在基準(zhǔn)電壓上升的過程中，由于基準(zhǔn)電壓和輸出電壓的差值過大會使EA放大器輸出電壓降到最低，PWM比較器會輸出占空比最大的方波信號，經(jīng)過驅(qū)動電路開啟功率管MP，電源電壓Vin一直對電感和電容充電，電感電流快速上升，電感電流的急劇上升又會造成限流模塊起到限流作用，最終使得電感電流在限流值附近變化，此過程中電感電流一直以最大限流電流對電容充電，直到輸出電壓上升到和基準(zhǔn)電壓相等的值。在最大電流對電容充電過程中，限制輸出電壓上升速度的因素包括電感電流的上升速度和電容大小，尤其是電容大小。電感電流的上升速度主要受電感限制。由于在開關(guān)變換器中為了得到較小的紋波電壓而使用較大的電容和電感，而較大的電容和電感使輸出電壓上升速度下降。在基準(zhǔn)電壓下降的過程中，EA比較器輸出占空比最小的方波信號使得PWM比較器一直關(guān)閉功率管MP，同時開啟功率管MN，使得電感電流下降為零，電容C對電阻R以及電感L放電，造成輸出電壓下降，直到輸出電壓下降到等于基準(zhǔn)電壓。在電感電流為零的這段時間內(nèi)，影響輸出電壓下降速度的因素包括電感下降速度和電容大小，尤其是電容大小。電感下降速度受電感限制。較大的電容和電感可以得到較小的紋波電壓，而會限制輸出電壓的下降速度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的，就是針對上述問題，提出一種DC-DC變換器。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種DC-DC變換器，包括驅(qū)動電路、PMOS管MP、NMOS管MN、PWM比較器、EA放大器、電感L、電容C、電阻R和電源Vin，其特征在于，還包括運(yùn)算放大器；

所述PMOS管MP的源極連接電源Vin的正極、柵極連接驅(qū)動電路的一個輸出端、漏極連接NMOS管MN的漏極和電感L的一端，NMOS管MN的柵極連接驅(qū)動電路的另一個輸出端；

電感L的另一端連接電阻R的一端為電壓輸出端Vout，電壓輸出端Vout連接電容C的一端和EA放大器的正輸入端；

電容C的另一端連接運(yùn)算放大器的輸出端和正輸入端，運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端連接EA放大器的負(fù)輸入端，EA放大器的輸出端連接PWM比較器的負(fù)輸入端；

PWM比較器的正輸入端連接鋸齒波電壓Vsaw、輸出端連接驅(qū)動電路的輸入端；

NMOS管MN的源極、電阻R的另一端和電源Vin的負(fù)極均接地。