一種具有低功耗特性的buck變換器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有低功耗特性的BUCK變換器。本發(fā)明的電路在中等負(fù)載及重負(fù)載情況下，系統(tǒng)工作于PWM模式；在輕載情況下，系統(tǒng)工作在DCM模式；在超輕載情況下，系統(tǒng)自動(dòng)切換到休眠模式，在休眠模式下，系統(tǒng)關(guān)閉芯片不必要的模擬電路，將靜態(tài)功耗降低到最低。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種具有低功耗特性的BUCK變換器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種具有低功耗特性的BUCK變換器。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和電子行業(yè)的興起，消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品，特別是便攜式 電子設(shè)備的快速普及，電源管理半導(dǎo)體產(chǎn)品市場(chǎng)近期呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，BUCK變換器在計(jì) 算機(jī)、通信、工業(yè)自動(dòng)化、電子或電工儀器等領(lǐng)域應(yīng)用更加廣泛，低功耗、高效率、小尺寸的 功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)需求量越來(lái)越大，便攜式電子產(chǎn)品功能越來(lái)越多樣化，如移動(dòng)電話(huà)已經(jīng)集成 了照相機(jī)，攝像機(jī)，多媒體播放器、視頻通話(huà)等諸多功能。隨著運(yùn)些功能的提高，其對(duì)功耗的 要求也在不斷提高，節(jié)約功耗越來(lái)越重要。運(yùn)些要求已經(jīng)集中體現(xiàn)在電源設(shè)計(jì)上，最終歸結(jié) 為系統(tǒng)的工作電流和待機(jī)電流。眾所周知，在便攜式電子產(chǎn)品正常運(yùn)行時(shí)，許多功能都處于 關(guān)閉和待機(jī)狀態(tài)，而如何實(shí)現(xiàn)在待機(jī)狀態(tài)下的低功耗，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間和壽命，成為電源 系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的，就是針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種適用于Buck變換器的節(jié)約系統(tǒng) 功耗電路，在較輕載情況下，系統(tǒng)自動(dòng)切換到休眠模式，在休眠模式下，系統(tǒng)關(guān)閉忍片不必 要的模擬電路，將靜態(tài)功耗降低到最低，提高效率。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：如圖1所示，一種具有低功耗特性的BUCK變換器，包括驅(qū)動(dòng) 模塊、PMOS功率管、醒OS功率管、采樣電路、誤差放大器、P麗比較器、過(guò)零檢測(cè)電路、睡眠模 式檢測(cè)電路、第一邏輯運(yùn)算模塊和第二邏輯運(yùn)算模塊;PMOS功率管的源極接電源，醒OS功率 管的漏極接PMOS功率管的漏極，醒OS功率管的源極接地;PMOS功率管漏極和NMOS功率管漏 極的連接點(diǎn)為BUCK變換器輸出端，PMOS功率管柵極和醒OS功率管柵極接驅(qū)動(dòng)模塊的輸出 端;采樣電路接BUCK變換器輸出端，誤差放大器的反相輸入端接采樣電路的輸出端，誤差放 大器的同相輸入端接第一基準(zhǔn)電壓，誤差放大器的輸出端接睡眠模式檢測(cè)電路的輸入端； 過(guò)零檢測(cè)電路的輸入端接BUCK變換器的輸出端，過(guò)零檢測(cè)電路的輸出端接第一邏輯運(yùn)算模 塊的一個(gè)輸入端，第一邏輯運(yùn)算模塊的另一個(gè)輸入端接睡眠模式檢測(cè)電路的輸出端，第一 邏輯運(yùn)算模塊的輸出端接第二邏輯運(yùn)算模塊的一個(gè)輸入端，第二邏輯運(yùn)算模塊的另一個(gè)輸 入端接PWM比較器的輸出端;PWM比較器的反相輸入端接加法器的輸出端，PWM比較器的同相 輸入端接第二基準(zhǔn)電壓;加法器的一個(gè)輸入端接采樣電路輸出端，加法器的另一個(gè)輸入端 接睡眠模式檢測(cè)電路的輸出端;所述睡眠模式檢測(cè)電路在誤差放大器輸出信號(hào)的控制下輸 出睡眠信號(hào)，睡眠信號(hào)用于控制系統(tǒng)是否進(jìn)入休眠模式;所述第一邏輯運(yùn)算模塊用于在過(guò) 零檢測(cè)電路輸出有效信號(hào)的條件下輸出睡眠信號(hào);所述第二邏輯模塊用于在睡眠信號(hào)有效 的情況下輸出數(shù)據(jù)信號(hào)到驅(qū)動(dòng)模塊，在睡眠信號(hào)無(wú)效的情況下輸出PWM信號(hào)到驅(qū)動(dòng)模塊。
[0005] 本發(fā)明的有益效果為，在中等負(fù)載及重負(fù)載情況下，系統(tǒng)工作于Pmi模式;在輕載 情況下，系統(tǒng)工作在DCM模式;在超輕載情況下，系統(tǒng)自動(dòng)切換到休眠模式，在休眠模式下， 系統(tǒng)關(guān)閉忍片不必要的模擬電路，將靜態(tài)功耗降低到最低。
【附圖說(shuō)明】
[0006] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)架構(gòu)圖；
[0007] 圖2為DCM模式下系統(tǒng)的輸出波形圖；
[0008] 圖3為超輕載判斷實(shí)際電路圖；
[0009] 圖4為數(shù)字邏輯處理模塊；
[0010]圖5為休眠模式下系統(tǒng)的輸出波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案：
[001^ 本發(fā)明的Buck變換器系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，包括驅(qū)動(dòng)模塊、PMOS功率管、醒OS功率 管、采樣電路、誤差放大器、PWM比較器、過(guò)零檢測(cè)電路、睡眠模式檢測(cè)電路、第一邏輯運(yùn)算模 塊和第二邏輯運(yùn)算模塊;PMOS功率管的源極接電源，醒OS功率管的漏極接PMOS功率管的漏 極，醒OS功率管的源極接地;PMOS功率管漏極和醒OS功率管漏極的連接點(diǎn)為BUCK變換器輸 出端，PMOS功率管柵極和醒OS功率管柵極接驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端;采樣電路接BUCK變換器輸 出端，誤差放大器的反相輸入端接采樣電路的輸出端，誤差放大器的同相輸入端接第一基 準(zhǔn)電壓，誤差放大器的輸出端接睡眠模式檢測(cè)電路的輸入端；過(guò)零檢測(cè)電路的輸入端接 BUCK變換器的輸出端，過(guò)零檢測(cè)電路的輸出端接第一邏輯運(yùn)算模塊的一個(gè)輸入端，第一邏 輯運(yùn)算模塊的另一個(gè)輸入端接睡眠模式檢測(cè)電路的輸出端，第一邏輯運(yùn)算模塊的輸出端接 第二邏輯運(yùn)算模塊的一個(gè)輸入端，第二邏輯運(yùn)算模塊的另一個(gè)輸入端接PWM比較器的輸出 端;PWM比較器的反相輸入端接加法器的輸出端，PWM比較器的同相輸入端接第二基準(zhǔn)電壓； 加法器的一個(gè)輸入端接采樣電路輸出端，加法器的另一個(gè)輸入端接睡眠模式檢測(cè)電路的輸 出端;所述睡眠模式檢測(cè)電路在誤差放大器輸出信號(hào)的控制下輸出睡眠信號(hào)，睡眠信號(hào)用 于控制系統(tǒng)是否進(jìn)入休眠模式;所述第一邏輯運(yùn)算模塊用于在過(guò)零檢測(cè)電路輸出有效信號(hào) 的條件下輸出睡眠信號(hào);所述第二邏輯模塊用于在睡眠信號(hào)有效的情況下輸出數(shù)據(jù)信號(hào)到 驅(qū)動(dòng)模塊，在睡眠信號(hào)無(wú)效的情況下輸出PWM信號(hào)到驅(qū)動(dòng)模塊。
[0013] 本發(fā)明的工作原理是：
[0014] 首先是Vout經(jīng)過(guò)電阻分壓產(chǎn)生VFB，EA模塊是誤差放大器，用來(lái)比較FB與REFl的電 壓大小，在中等負(fù)載及重負(fù)載情況下，系統(tǒng)工作于PWM模式，睡眠模式信號(hào)一直為是低電平， 系統(tǒng)不會(huì)進(jìn)入睡眠模式;在輕載情況下，系統(tǒng)工作在DCM模式，系統(tǒng)的輸出波形如圖2所示， 睡眠模式信號(hào)也是一直為低電平，系統(tǒng)不會(huì)進(jìn)入睡眠模式;在超輕載情況下，誤差放大器的 輸出會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致睡眠檢測(cè)模塊翻轉(zhuǎn)，由于在輕載下會(huì)觸發(fā)過(guò)零，過(guò)零檢測(cè)信號(hào)也 會(huì)翻轉(zhuǎn)，最終睡眠模式信號(hào)就會(huì)翻轉(zhuǎn)，系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式，在睡眠模式下，系統(tǒng)關(guān)閉忍片不 必要的模擬電路W及主開(kāi)關(guān)管和同步整流管W降低靜態(tài)功耗與開(kāi)關(guān)損耗。
[0015] 判斷系統(tǒng)是否進(jìn)入超輕載模式的實(shí)際電路圖如圖3所示，對(duì)于Buck變換器，當(dāng)負(fù)載 變輕時(shí)，輸出電壓的紋波會(huì)變大，就會(huì)使誤差放大器輸出低電平，即A處電壓為低電平，MPl 開(kāi)啟，恒定電流源I 1對(duì)電容Cl充電，B處電壓慢慢上升，充電一段時(shí)間后，B處電壓達(dá)到施密 特觸發(fā)器Smitl的闊值電壓，就會(huì)使誤差放大器輸出翻轉(zhuǎn)，誤差放大器輸出變?yōu)楦唠娖健？?br>[0017] W求出使施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)所需要的時(shí)間，則有：[0016]
[001引根據(jù)上述分析，在超輕載模式下，誤差放大器輸出低電平，如果VFB在t時(shí)間段內(nèi)都 是大于VREFl的，也就是說(shuō)誤差放大器輸出在t時(shí)間段都是低電平，誤差放大器輸出就會(huì)翻 轉(zhuǎn)為高電平。誤差放大器輸出變?yōu)楦唠娖骄蜁?huì)使系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式，系統(tǒng)關(guān)閉忍片大部分 的模擬電路，除了誤差放大器和PWM比較器還工作，將靜態(tài)功耗降低到最低，其邏輯控制模 塊如圖4所示，Ctrl 1在系統(tǒng)正常工作時(shí)為高電平，Ctrl2為低時(shí)開(kāi)上功率管，為高時(shí)開(kāi)下功 率管，由于在超輕載模式下，會(huì)發(fā)生過(guò)零，過(guò)零檢測(cè)信號(hào)會(huì)變高，反相器Invl輸出為高，一旦 誤差放大器輸出變?yōu)楦唠娖骄蜁?huì)使睡眠模式信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑到y(tǒng)進(jìn)入睡眠模式，進(jìn)入休 眠模式后，系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉除了誤差放大器和PWM比較器外的大部分的模擬電路，關(guān)斷主功率管 和同步整流管，從而可W降低系統(tǒng)靜態(tài)功耗和開(kāi)關(guān)損耗，提高效率。
[0019] 在休眠模式下系統(tǒng)的輸出波形如圖5所示，由上述分析可W得到，在輕載變輕時(shí)， 開(kāi)關(guān)周期比較長(zhǎng)，在運(yùn)階段保持低功耗變得很重要，由于負(fù)載很輕，當(dāng)觸發(fā)過(guò)零后，上下功 率管都關(guān)閉，輸出電壓靠負(fù)載慢慢放電，運(yùn)段時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，所W我們希望在超輕載情況下系 統(tǒng)進(jìn)入休眠模式，系統(tǒng)關(guān)閉忍片不必要的模擬電路W及主開(kāi)關(guān)管和同步整流管W降低靜態(tài) 功耗與開(kāi)關(guān)損耗。根據(jù)我們對(duì)圖3和圖4的分析可W得到，在超輕載情況下，一旦誤差放大器 輸出變?yōu)楦唠娖骄蜁?huì)使睡眠模式信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑到y(tǒng)進(jìn)入睡眠模式，Tl時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)入 睡眠模式，在Tl時(shí)間段系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉除了誤差放大器和PWM比較器外的大部分的模擬電路，降 低系統(tǒng)靜態(tài)功耗；當(dāng)VFB降到VREFl時(shí)，誤差放大器輸出會(huì)立刻變?yōu)榈碗娖剑瑫?huì)使睡眠模式信 號(hào)從高電平變?yōu)榈碗娖?，系統(tǒng)退出睡眠模式，系統(tǒng)重新正常工作。EA模塊的基準(zhǔn)參考電壓 VREFl比Pmi比較器基準(zhǔn)參考電壓VR邸大，從圖5中可W看出，VFB碰到VREFl時(shí)就會(huì)退出休眠 模式，離碰到VR邸還要一段時(shí)間，VREFl比VREF大5mv左右比較合適，相當(dāng)于預(yù)留一段時(shí)間使 關(guān)閉的模塊重新正常工作，當(dāng)VFB碰到V旭即寸，會(huì)開(kāi)啟下一周期，系統(tǒng)重新正常工作。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是設(shè)計(jì)出一種基于COT模式Buck變換器的節(jié)約系統(tǒng)功耗電路， 在中等負(fù)載及重負(fù)載情況下，系統(tǒng)工作于PWM模式;在輕載情況下，系統(tǒng)工作在DCM模式;在 超輕載情況下，系統(tǒng)自動(dòng)切換到休眠模式，在休眠模式下，系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉除了誤差放大器和 PWM比較器外的大部分的模擬電路，關(guān)斷主功率管和同步整流管，從而可W降低系統(tǒng)靜態(tài)功 耗和開(kāi)關(guān)損耗，提高效率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有低功耗特性的BUCK變換器，包括驅(qū)動(dòng)模塊、PMOS功率管、匪OS功率管、采樣 電路、誤差放大器、PWM比較器、過(guò)零檢測(cè)電路、睡眠模式檢測(cè)電路、第一邏輯運(yùn)算模塊和第 二邏輯運(yùn)算模塊;PM0S功率管的源極接電源，匪0S功率管的漏極接PM0S功率管的漏極，NM0S 功率管的源極接地;PM0S功率管漏極和匪0S功率管漏極的連接點(diǎn)為BUCK變換器輸出端， PM0S功率管柵極和匪0S功率管柵極接驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端;采樣電路接BUCK變換器輸出端， 誤差放大器的反相輸入端接采樣電路的輸出端，誤差放大器的同相輸入端接第一基準(zhǔn)電 壓，誤差放大器的輸出端接睡眠模式檢測(cè)電路的輸入端;過(guò)零檢測(cè)電路的輸入端接BUCK變 換器的輸出端，過(guò)零檢測(cè)電路的輸出端接第一邏輯運(yùn)算模塊的一個(gè)輸入端，第一邏輯運(yùn)算 模塊的另一個(gè)輸入端接睡眠模式檢測(cè)電路的輸出端，第一邏輯運(yùn)算模塊的輸出端接第二邏 輯運(yùn)算模塊的一個(gè)輸入端，第二邏輯運(yùn)算模塊的另一個(gè)輸入端接PWM比較器的輸出端;PWM 比較器的反相輸入端接加法器的輸出端，PWM比較器的同相輸入端接第二基準(zhǔn)電壓;加法器 的一個(gè)輸入端接采樣電路輸出端，加法器的另一個(gè)輸入端接睡眠模式檢測(cè)電路的輸出端； 所述睡眠模式檢測(cè)電路在誤差放大器輸出信號(hào)的控制下輸出睡眠信號(hào)，睡眠信號(hào)用于控制 系統(tǒng)是否進(jìn)入休眠模式;所述第一邏輯運(yùn)算模塊用于在過(guò)零檢測(cè)電路輸出有效信號(hào)的條件 下輸出睡眠信號(hào);所述第二邏輯模塊用于在睡眠信號(hào)有效的情況下輸出數(shù)據(jù)信號(hào)到驅(qū)動(dòng)模 塊，在睡眠信號(hào)無(wú)效的情況下輸出PWM信號(hào)到驅(qū)動(dòng)模塊。
【文檔編號(hào)】H02M3/157GK105827112SQ201610367298
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年5月27日
【發(fā)明人】明鑫, 李要, 何燁, 王卓, 張波
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)