專利名稱：一種開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器級聯(lián)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 屬于電源管理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器級聯(lián) 的方法。可用于各種對電源噪聲和轉(zhuǎn)換效率要求苛刻的手持電子設(shè)備中。
背景技術(shù)：
開關(guān)型直流_直流轉(zhuǎn)換器由于其高效率被廣泛的應(yīng)用于電壓轉(zhuǎn)換領(lǐng)域[1-2]。然 而基本上所有的開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器都有較為明顯的輸出電壓紋波和毛刺[3]。這一特性在一 些對電壓噪聲非常敏感的電路如射頻和手持設(shè)備上尤為顯得不能接受。相比于開關(guān)電壓轉(zhuǎn) 換器，低壓差線性穩(wěn)壓器具有更低的電壓噪聲，但其轉(zhuǎn)換效率較低。對于同時要求高的轉(zhuǎn)換 效率和低的輸出噪聲的應(yīng)用環(huán)境，經(jīng)常使用級聯(lián)一個開關(guān)電源和線性穩(wěn)壓器的方法來實現(xiàn) 性能的折衷。最為常用的聯(lián)接方式是在一個開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器后面串聯(lián)一個獨立的線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器的輸入輸出電壓差(dropout電壓)被設(shè)定為一個可以保證在最差條件 下工作的固定值。當驅(qū)動小的負載時，這個壓差是綽綽有余的，從而使全局效率降低。當 驅(qū)動大的負載時，這個壓差也不是最優(yōu)的，因為實際所需的壓差是會隨著工藝，電壓和溫度 (PVT)的變化而變化的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能提高轉(zhuǎn)換效率和負載調(diào)整度的開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器和線性 穩(wěn)壓器級聯(lián)的方法。本發(fā)明提供的開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器級聯(lián)的方法，是使開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的 反饋電壓來自于線性穩(wěn)壓器的誤差放大器的輸出。本發(fā)明中，接收線性穩(wěn)壓器的誤差放大器的輸出電壓作為PWM控制的開關(guān)電壓轉(zhuǎn) 換器的反饋電壓。將線性穩(wěn)壓器的電壓輸入端接在開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的輸出端作為第二級轉(zhuǎn) 換電路。將線性穩(wěn)壓器的誤差放大器的輸出電壓利用環(huán)路反饋鉗制在一個固定的電壓上。 開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器給線性穩(wěn)壓器提供一個根據(jù)負載電流變化而變化的電源電壓。相應(yīng)于上述級聯(lián)方法的電壓轉(zhuǎn)換器模組如圖1所示，該模組中具有一個模擬或數(shù) 字控制的開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器和一個線性穩(wěn)壓器；開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)的 控制方法，并且至少含有一個開關(guān)管，PWM控制接收一個來自于線性穩(wěn)壓器的誤差放大器 的輸出端的反饋電壓。本發(fā)明中，線性穩(wěn)壓器由一個誤差放大器和受其控制的MOS功率管構(gòu)成，誤差放 大器接收一個代表模組輸出電壓的反饋電壓和一個參考電壓，并產(chǎn)生一個誤差信號去驅(qū)動 MOS功率管。MOS功率管的一端接在開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的輸出端，另一端接在整個轉(zhuǎn)換電路的 輸出端。本發(fā)明中，開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)滿足由數(shù)字或模擬環(huán)路控制的buck，boost或其 他含有PWM控制的開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器。其反饋電壓來自于線性穩(wěn)壓器中誤差放大器的輸出。 其輸出電壓作為線性穩(wěn)壓器的電源輸入。
和傳統(tǒng)的級聯(lián)方法相比，本發(fā)明方法可以根據(jù)負載動態(tài)地調(diào)整線性穩(wěn)壓器的 dropout電壓，從而提高了效率，特別是當負載較小時這種效率的提高更為明顯。同時負載 調(diào)整度(load regulation)也由于保持線性穩(wěn)壓器的誤差放大器的輸出恒定減小了其輸入 電壓差而得到了很大的提高。


圖1為開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器的級聯(lián)方法圖示。圖2為線性穩(wěn)壓器里用到的誤差放大器的結(jié)構(gòu)。其中，a為誤差放大器，b為基于 PMOS輸入的差分對管。圖3為新舊方法線性穩(wěn)壓器效率隨輸出電流和溫度變化的對比。其中，(a)為常 溫下采用新方法和普通方法時線性穩(wěn)壓器效率隨輸出電壓變化的對比。(b)是在450mA輸 出電流下采用新舊方法線性穩(wěn)壓器效率隨溫度變化的對比。圖4為新舊方法中輸出電壓偏差隨輸出電流變化的對比。其中，(a)為新方法， (b)為普通方法。
具體實施例方式本發(fā)明提出了一種新的開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器的級聯(lián)方法。在這種方法 里，開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的反饋電壓是來自于線性穩(wěn)壓器的誤差放大器的輸出。由于環(huán)路的 負反饋作用，線性穩(wěn)壓器的誤差放大器的輸出保持恒定，但同時開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電 壓卻隨著輸出負載的變化而變化。這種新的方法可以根據(jù)負載動態(tài)地調(diào)整線性穩(wěn)壓器的 dropout電壓，從而提高了效率，特別是當負載較小時這種效率的提高更為明顯。同時負載 調(diào)整度(load regulation)也由于保持線性穩(wěn)壓器的誤差放大器的輸出恒定減小了其輸入 電壓差而得到了很大的提高。圖1顯示了一個包含開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器20和線性穩(wěn)壓器40的電壓轉(zhuǎn)換模組10。其 中的開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器既可以是由模擬環(huán)路也可以是數(shù)字環(huán)路控制[5]的，但都要求其反饋
電壓 來自于線性穩(wěn)壓器中誤差放大器32的輸出端。由于開關(guān)轉(zhuǎn)換器環(huán)路的負反饋作
用，誤差放大器的輸出電壓近似的等于開關(guān)轉(zhuǎn)換器的參考電壓。換言之，線性穩(wěn)壓
器中的功率管 φ 33的柵極電壓被鉗住了。于是開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓,也就是
Mp的源極電壓會隨著負載電流而變化。假設(shè)Jk鄉(xiāng)處在飽和區(qū)，其源極到柵極的電壓差Rg 可以被表示為
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器級聯(lián)的方法，其特征在于是使開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的 反饋電壓來自于線性穩(wěn)壓器的誤差放大器的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于將線性穩(wěn)壓器的電壓輸入端接在開關(guān)電壓 轉(zhuǎn)換器的輸出端作為第二級轉(zhuǎn)換電路；將線性穩(wěn)壓器的誤差放大器的輸出電壓利用環(huán)路反 饋鉗制在一個固定的電壓上；由開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器給線性穩(wěn)壓器提供一個根據(jù)負載電流變化 而變化的電源電壓。
3.—種如權(quán)利要求1所述方法級聯(lián)的電壓轉(zhuǎn)換器模組，其特征在于該模組中具有一個 模擬或數(shù)字控制的開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器，它采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)的控制方法，并且至少含 有一個開關(guān)管，由PWM控制接收來自于線性穩(wěn)壓器的誤差放大器的輸出端的反饋電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電壓轉(zhuǎn)換器模組，其特征在于所述線性穩(wěn)壓器由一個誤差放 大器和受其控制的MOS功率管構(gòu)成，該MOS功率管的一端接在開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的輸出端，另 一端接在整個轉(zhuǎn)換電路的輸出端；誤差放大器接收一個代表模組輸出電壓的反饋電壓和一 個參考電壓，并產(chǎn)生一個誤差信號去驅(qū)動MOS功率管。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的電壓轉(zhuǎn)換器模組，其特征在于所述開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器，其反 饋電壓來自于線性穩(wěn)壓器中誤差放大器的輸出，其輸出電壓作為線性穩(wěn)壓器的電源輸入。
全文摘要
本發(fā)明屬于電源管理技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器級聯(lián)的方法。本發(fā)明是使開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的反饋電壓來自于線性穩(wěn)壓器的誤差放大器的輸出；線性穩(wěn)壓器的電壓輸入端接在開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的輸出端作為第二級轉(zhuǎn)換電路；線性穩(wěn)壓器的誤差放大器的輸出電壓利用環(huán)路反饋鉗制在一個固定的電壓上；由開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器給線性穩(wěn)壓器提供一個根據(jù)負載電流變化而變化的電源電壓。本發(fā)明還包括相應(yīng)所述級聯(lián)方法的電壓轉(zhuǎn)換器模組。本發(fā)明可用于各種對電源噪聲和轉(zhuǎn)換效率要求苛刻的手持電子設(shè)備中。
文檔編號H02M1/44GK102075088SQ20111003317
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者沈仲漢, 閔昊 申請人:復(fù)旦大學(xué)