基于環(huán)形振蕩器的dc-dc轉(zhuǎn)換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高效率、小面積的DC-DC轉(zhuǎn)換器，具體涉及一種基于環(huán)形振蕩器的DC-DC轉(zhuǎn)換器，用環(huán)形振蕩器的理論來實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾年隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和醫(yī)療可穿戴等技術(shù)的興起，低功耗移動(dòng)和傳感越來越普及。在這些移動(dòng)設(shè)備中，電池的供電效率決定著有效工作時(shí)間的長(zhǎng)短，高效率的DC-DC(直流-直流)轉(zhuǎn)換器變得越來越重要。由于這些設(shè)備通常工作在IV或更低的電壓，低于3.7V、2.5V等常用的電池電壓，所以降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。
[0003]傳統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器通常采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制。這種控制方法可以實(shí)現(xiàn)較高的效率，而且使DC-DC轉(zhuǎn)換器具有穩(wěn)定的輸出噪聲普，便于后級(jí)將其濾除。電壓模式的脈沖寬度調(diào)制的DC-DC轉(zhuǎn)換器基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1，其中Vdd為電源端，Il為電感電流，Rsen和Csen為反饋電阻和反饋電容，Vqut為輸出電壓，Ilciad為負(fù)載電流，Vref為比較器的參考電壓。圖中，鋸齒波產(chǎn)生電路用來產(chǎn)生控制DC-DC轉(zhuǎn)換器工作頻率的鋸齒波信號(hào)，補(bǔ)償電路用來對(duì)反饋環(huán)路的相位進(jìn)行補(bǔ)償，避免轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)不期望的瞬態(tài)響應(yīng)。所以，脈沖寬度調(diào)制的DC-DC轉(zhuǎn)換器的整體電路復(fù)雜。并且鋸齒波產(chǎn)生電路會(huì)產(chǎn)生很大的功耗，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率降低。
[0004]滯回控制的DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。其主要是通過一個(gè)遲滯比較器實(shí)現(xiàn)電路的控制。圖2、圖3分別表示其工作于電壓模式、電流模式的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。滯回控制的DC-DC轉(zhuǎn)換器不需要相位補(bǔ)償電路。但是為了維持反饋環(huán)路穩(wěn)定，滯回比較器的滯回窗口不能太小。所以，電壓模式滯回控制的DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓紋波較大。電流模式滯回控制的DC-DC轉(zhuǎn)換器因?yàn)槭前央姼须娏髯鳛榉答伭?，所以輸出電壓紋波會(huì)有所改善。但是，其是用電阻和電容作為反饋網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)輸出狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)其響應(yīng)速度較慢，導(dǎo)致輸出電壓會(huì)產(chǎn)生很大的反向尖峰，可能導(dǎo)致輸出電壓瞬間變成一個(gè)很大值，從而損壞電路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)采用以上控制方法的DC-DC轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種類似于環(huán)形振蕩器工作原理的DC-DC轉(zhuǎn)換器。
[0006]在本發(fā)明中，DC-DC轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。其反饋控制環(huán)路中只有一個(gè)比較器。比較器的輸入分別接輸出電壓和參考電壓Vref，輸出接驅(qū)動(dòng)級(jí)，控制開關(guān)管的通斷。該DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制原理是利用其反饋控制環(huán)路的自由振蕩，產(chǎn)生控制開關(guān)管通斷的信號(hào)，無外加脈沖信號(hào)；通過一個(gè)比較器穩(wěn)定輸出電壓。其工作原理類似于環(huán)形振蕩器?？梢援a(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的直流輸出電壓，并且紋波很小。
[0007]本發(fā)明中，DC-DC轉(zhuǎn)換器反饋控制環(huán)路的幅頻和相頻特性如圖5。該反饋控制環(huán)路滿足震蕩的條件?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)比較器的工作電流來調(diào)節(jié)其產(chǎn)生的極點(diǎn)，從而控制環(huán)路的振蕩頻率，也就是DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作頻率。此外也可以通過在環(huán)路中加入零極點(diǎn)補(bǔ)償電路來控制轉(zhuǎn)換器的工作頻率。
[0008] PffM控制的DC-DC轉(zhuǎn)換器本質(zhì)上是一種受迫振蕩。當(dāng)反饋環(huán)路的振蕩頻率和相位不能跟隨外部輸入的鋸齒波時(shí)，反饋環(huán)路會(huì)形成不穩(wěn)定振蕩。導(dǎo)致輸出電壓劇烈變化，紋波非常大。所以，PWM控制的DC-DC轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)路中需要加入相位補(bǔ)償電路。
[0009 ]本發(fā)明提出的DC-DC轉(zhuǎn)換器是基于環(huán)形振蕩器的原理，不存在HVM控制的DC-DC轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性問題，不需要補(bǔ)償電路。
[0010]本發(fā)明中的DC-DC轉(zhuǎn)換器對(duì)比較器的帶寬要求很低，其可以小到?jīng)Q定振蕩頻率。因?yàn)閹挼囊蠼档?，比較器的功耗也隨之減小。
[0011]本發(fā)明中的DC-DC轉(zhuǎn)換器的反饋控制環(huán)路自由振蕩產(chǎn)生控制信號(hào)，但是為了便于后級(jí)EMI濾波，環(huán)路中仍然可以加入穩(wěn)頻電路，使開關(guān)頻率穩(wěn)定在一定值。
[0012]本發(fā)明是用環(huán)形振蕩器原理實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換器控制。與使用其他控制方法的DC-DC轉(zhuǎn)換器比較，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0013]I)基于本發(fā)明的DC-DC轉(zhuǎn)換器控制電路產(chǎn)生的功耗很小，可以在很寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率；
[0014]2)DC_DC轉(zhuǎn)換器控制電路簡(jiǎn)單，無穩(wěn)定性問題，不需要補(bǔ)償電路；
[0015]3)使DC-DC轉(zhuǎn)換器占用更小的芯片面積，節(jié)約成本；
[0016]4)使DC-DC轉(zhuǎn)換器具有較快的響應(yīng)速度和較小紋波。
【附圖說明】
[0017]圖1是電壓模式的PffM控制的DC-DC轉(zhuǎn)換器；
[0018]圖2是電壓模式滯環(huán)控制的DC-DC轉(zhuǎn)換器；
[0019]圖3是電流模式滯環(huán)控制的DC-DC轉(zhuǎn)換器；
[0020]圖4是本發(fā)明中采用環(huán)型振蕩器理論控制的DC-DC轉(zhuǎn)換器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0021]圖5是本發(fā)明中采用環(huán)形振蕩器理論控制的DC-DC轉(zhuǎn)換器反饋環(huán)路的幅頻和相頻特性曲線；
[0022]圖6是本發(fā)明范例一中重負(fù)載輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器；
[0023]圖7是本發(fā)明范例二中輕負(fù)載輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將通過具體實(shí)施例，并配合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0025]圖6是本發(fā)明的一個(gè)具體范例，是在CMOS180nm工藝中實(shí)現(xiàn)。本范例為重負(fù)載輸出的DC-DC轉(zhuǎn)換器。
[0026]本范例中的比較器是基于基本的二級(jí)運(yùn)放結(jié)構(gòu)。因?yàn)楸痉独蠨C-DC轉(zhuǎn)換器是基于環(huán)形振蕩器理論設(shè)計(jì)，所以對(duì)比較器的帶寬要求很低。這就簡(jiǎn)化了其設(shè)計(jì)。
[0027]本范例驅(qū)動(dòng)級(jí)設(shè)計(jì)中，加入了死區(qū)時(shí)間控制電路。避免PMOS和匪OS同時(shí)導(dǎo)通產(chǎn)生很大的瞬時(shí)功耗。
[0028]本范例中的DC-DC轉(zhuǎn)換器使用的濾波電感、電容的值分別為4.7yH、10yF。此值與滯環(huán) DC-DC 轉(zhuǎn)換器(S.H.Lee，J.S.Bang，K.S.Yoon，S.W.Hong，Ch.S.Shin，M.Y.Jung，G.H.Cho，“A 0.518mm2Quas1-Current-Mode Hysteretic Buck DC-DC Converter with 3us LoadTransient Response in 0.35μπι BCDM0S，，，in Proc.1EEE Internat1nal Solid-StateCircuits Conference，F(xiàn)eb.2015，pp.214-215.)所用的濾波電感電容值一致，是為了與其性能進(jìn)行比較，突出本發(fā)明中的DC-DC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)。
[0029 ]在本范例中，DC-DC轉(zhuǎn)換器可以將1.8-3.7V的電池電壓轉(zhuǎn)化為IV的輸出電壓。其輸出電流在OmA和400mA之間跳變的響應(yīng)時(shí)間為幾微秒。輸出電流為400mA時(shí)的輸出電壓紋波小于5mV。當(dāng)負(fù)載電流為10mA-400mA時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率可以達(dá)到90%之上。相比于上段提到的滯回控制的DC-DC轉(zhuǎn)換器，本范例可以實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率和更小的紋波。
[0030]圖7是本發(fā)明的另一個(gè)具體范例，是在CMOS55nm工藝中實(shí)現(xiàn)的。上一個(gè)范例是重負(fù)載輸出的DC-DC轉(zhuǎn)換器，此范例為輕負(fù)載DC-DC轉(zhuǎn)換器。
[0031]相比于上一個(gè)范例，本范例的DC-DC轉(zhuǎn)換器中多了電感電流過零檢測(cè)模塊。因?yàn)樵谳p負(fù)載輸出時(shí)，電感電流會(huì)反向，造成極大的功率浪費(fèi)。此模塊的作用是提升DC-DC轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載下的效率。
[0032]在本范例中，DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓1.8-3.7V，輸出電壓穩(wěn)定在1.3V，測(cè)試負(fù)載電流范圍為0.Ι-lOmA。在3.7V輸入電壓下，本范例中的DC-DC轉(zhuǎn)換器在測(cè)試的負(fù)載電流范圍內(nèi)的效率高于85%。在1.8V輸入電壓下，轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到高于90%。
[0033]以上具體的實(shí)施例是為了說明了本發(fā)明技術(shù)方案的原理和實(shí)施過程，但并不用以限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的同等變化與修改，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求所述為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于環(huán)形振蕩器的DC-DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，包括一反饋控制環(huán)路，該反饋控制環(huán)路自由振蕩產(chǎn)生控制開關(guān)管通斷的信號(hào)，無外加脈沖信號(hào)，通過一比較器穩(wěn)定輸出電壓;該反饋控制環(huán)路的振蕩頻率為DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作頻率。2.如權(quán)利要求1所述的基于環(huán)形振蕩器的DC-DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述反饋控制環(huán)路中只需要一個(gè)比較器就能夠產(chǎn)生開關(guān)管控制信號(hào)和穩(wěn)定的輸出電壓。3.如權(quán)利要求1所述的基于環(huán)形振蕩器的DC-DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，通過控制所述反饋控制環(huán)路的延時(shí)來控制DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作頻率，包括通過控制所述比較器的電流來控制轉(zhuǎn)換器的工作頻率，或者在所述反饋控制環(huán)路中加入零極點(diǎn)補(bǔ)償電路來控制轉(zhuǎn)換器的工作頻率。4.如權(quán)利要求1所述的基于環(huán)形振蕩器的DC-DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于:所述控制開關(guān)管通斷的信號(hào)是反饋環(huán)路自由振蕩產(chǎn)生的，不同于HVM控制的DC-DC轉(zhuǎn)換器的受控振蕩，不需要相位補(bǔ)償電路。5.如權(quán)利要求1所述的基于環(huán)形振蕩器的DC-DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，在所述反饋控制環(huán)路中加入穩(wěn)頻電路，使開關(guān)頻率穩(wěn)定在一定值，以便于后級(jí)EMI濾波。6.如權(quán)利要求1所述的基于環(huán)形振蕩器的DC-DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，在驅(qū)動(dòng)級(jí)中加入死區(qū)時(shí)間控制電路，以避免PMOS和NMOS同時(shí)導(dǎo)通產(chǎn)生的瞬時(shí)功耗。7.如權(quán)利要求1所述的基于環(huán)形振蕩器的DC-DC轉(zhuǎn)換器，其特征在于，在輕負(fù)載輸出時(shí)所述反饋控制環(huán)路中加入電感電流過零檢測(cè)電路，但是DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)控制信號(hào)仍然由自由振蕩產(chǎn)生。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于環(huán)形振蕩器的DC-DC轉(zhuǎn)換器,用環(huán)形振蕩器的理論來實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制。該DC-DC轉(zhuǎn)換器利用其反饋控制環(huán)路的自由振蕩，產(chǎn)生控制開關(guān)管通斷的信號(hào)，無外加脈沖信號(hào)；通過一個(gè)比較器穩(wěn)定輸出電壓。本發(fā)明的DC-DC轉(zhuǎn)換器控制電路產(chǎn)生的功耗很小，可以在很寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率；該DC-DC轉(zhuǎn)換器控制電路簡(jiǎn)單，無穩(wěn)定性問題，不需要補(bǔ)償電路；該DC-DC轉(zhuǎn)換器占用更小的芯片面積，節(jié)約成本；該DC-DC轉(zhuǎn)換器具有較快的響應(yīng)速度和較小紋波。
【IPC分類】H02M1/14, H02M3/158
【公開號(hào)】CN105515386
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510891797
【發(fā)明人】劉軍華, 曲佳萌, 廖懷林
【申請(qǐng)人】北京大學(xué)
【公開日】2016年4月20日
【申請(qǐng)日】2015年11月30日