一种单电感开关直流电压变换器及三模式控制方法.pdf

本发明的目的是提供一种单电感开关直流电压变换器的三模式控制方法及一种实现三模式控制的单电感开关直流电压变换器，该单电感开关直流电压变换器包括PWM控制模块、PFM控制模块、逻辑转换控制模块、过零电流检测模块和PWM/PFM跳变点电流与PFM峰值电流检测模块。本发明通过系统集成的方式，通过逻辑控制方式将PWM、PFM模式和休眠模式控制模块集成到一起，实现宽负载电流条件下的模式自动切换，扩大了开关直流电压变换器的负载使用范围，提高了电能转化效率。

1、  一种单电感开关直流电压变换器的三模式控制方法，其特征在于：包括对单电感开关直流电压变换器进行PWM模式控制、PFM模式控制或休眠模式控制；在单电感开关直流电压变换器内设置过零检测模块对开关直流电压变换器的电感电流进行检测，并设置反馈电路取得单电感开关直流电压变换器的输出反馈电压；
各种模式切换如下：
开关直流电压变换器起动后，对单电感开关直流电压变换器进行PWM模式控制；
在PWM模式控制下，若检测到的电感电流不连续，对单电感开关直流电压变换器进行PFM模式控制；
在PFM模式控制下，若检测到的输出反馈电压小于第一基准电压或是检测到的电感电流连续，则对单电感开关直流电压变换器进行PWM模式控制；
在PFM模式控制下，若检测到的输出反馈电压大于第二基准电压，则停止PFM模式控制，对单电感开关直流电压变换器进行休眠模式控制；
在休眠模式控制下，若检测到的输出反馈电压小于第三基准电压，则对单电感开关直流电压变换器进行PFM模式控制；
所述的第一基准电压小于第三基准电压，第三基准电压小于第二基准电压。

2、  根据权利要求1所述的三模式控制方法，其特征在于：在单电感开关直流电压变换器内设置跳变点电流检测模块，在PWM模式控制下，当单电感开关直流电压变换器内的开关晶体管的峰值电流小于跳变点电流时，对单电感开关直流电压变换器进行PFM模式控制。

3、  根据权利要求1所述的三模式控制方法，其特征在于：在休眠模式下关闭单电感开关直流电压变换器的开关晶体管。

4、  一种实现权利要求1所述三模式控制方法的单电感开关直流电压变换器，包括控制模块，其特征在于：
所述的单电感开关直流电压变换器包括一个PMOS晶体管和一个NMOS晶体管，PMOS晶体管的源极连接输入电源，漏极连接NMOS晶体管的漏极，NMOS晶体管的源极接地，在PMOS晶体管的漏极和NMOS晶体管的源极之间设置有输出支路，所述单电感开关直流电压变换器的电感串联在该输出支路中；
所述的控制模块包括PWM模式控制模块、PFM模式控制模块、用于切换PWM模式控制和PFM控制并进行休眠模式控制的逻辑控制模块、用于检测所述电感电流的过零电流检测模块、用于取得输出反馈电压的分压反馈电路；
过零电流检测模块和分压反馈电路将得到反馈信号发送给逻辑转换控制模块；
逻辑转换控制模块根据反馈信号，向PWM模式控制模块和PFM模式控制模块发送模式选择信号；
PWM模式控制模块和PFM模式控制模块根据模式选择信号，向逻辑控制模块发送相应的控制信号；
逻辑转换控制模块连接PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极，对单电感开关直流电压变换器进行模式控制。

5、  根据权利要求4所述的单电感开关直流电压变换器，其特征在于：控制模块内设置有用于检测开关晶体管电流的跳变点电流检测模块。

6、  根据权利要求4所述的单电感直流电压开关变换器，其特征在于：所述的逻辑转换控制模块包括接收电感输出端电压和第四基准电压的过零负载比较器、接收电感输入端电压和跳变点基准电压的跳变点电流比较器、接收输出反馈电压和第一基准电压的第一低电压比较器、接收输出反馈电压和第二基准电压的第一高电压比较器、接收输出反馈电压和第三基准电压的第二低电压比较器，过零负载比较器、跳变点电流比较器、第一低电压比较器、第一高电压比较器、第二低电压比较器的输出端通过逻辑门电路输出模式切换信号和休眠信号。

7、  根据权利要求6所述的单电感开关直流电压变换器，其特征在于：所述的PWM模式控制模块接收输出反馈电压、基准电压和模式切换信号，并通过逻辑控制模块向PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极发送控制信号。

8、  根据权利要求7所述的单电感开关直流电压变换器，其特征在于：所述的PFM模式控制模块包括接收基准电流和电感输出端电流的峰值电流比较器、接收第二基准电压和输出反馈电压的第二高电压比较器、接收输出反馈电压和第三基准电压的第三低电压比较器、接收电感输出端近似为0时对应的基准电压和电感输出端电流的过零负载电流比较器，PFM模式控制模块根据模式切换信号，通过逻辑转换模块向PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极发送控制信号。

一种单电感开关直流电压变换器及三模式控制方法
技术领域
本发明涉及一种开关直流电压变换器，具体地说是一种单电感开关直流电压变换器。
背景技术
直流电压变换器是便携式设备通用的电源管理芯片。在应用中的要求是在各种负载电流的条件下输出电压需要稳定，纹波电压低，噪声低，而且输入电源与输出电源的变换效率高。
目前，市场上的直流电压变换器主要有脉冲宽度调制(PWM)模式和脉冲频率调制(PFM)。PWM和PFM的控制方式和具体电路各不相同，在其对应负载范围内，都能保证有较高的电源转换效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种单电感开关直流电压变换器的三模式控制方法及一种实现模式控制的单电感开关直流电压变换器，实现了单电感开关直流电压变换器的PWM模式控制、PFM模式控制、休眠模式控制的自动切换。
本发明的三模式控制方法，包括对单电感开关直流电压变换器进行PWM模式控制、PFM模式控制或休眠模式控制；在单电感开关直流电压变换器内设置过零检测模块对开关直流电压变换器的电感电流进行检测，并设置反馈电路取得单电感开关直流电压变换器的输出反馈电压；
各种模式切换如下：
开关直流电压变换器起动后，对单电感开关直流电压变换器进行PWM模式控制；
在PWM模式控制下，若检测到的电感电流不连续，对单电感开关直流电压变换器进行PFM模式控制；
在PFM模式控制下，若检测到的输出反馈电压小于第一基准电压或是检测到的电感电流连续，则对单电感开关直流电压变换器进行PWM模式控制；
在PFM模式控制下，若检测到的输出反馈电压大于第二基准电压，则停止PFM模式控制，对单电感开关直流电压变换器进行休眠模式控制；
在休眠模式控制下，若检测到的输出反馈电压小于第三基准电压，则对单电感开关直流电压变换器进行PFM模式控制；
所述的第一基准电压小于第三基准电压，第三基准电压小于第二基准电压。
在单电感开关直流电压变换器内设置跳变点电流检测模块，在PWM模式控制下，当单电感开关直流电压变换器内的开关晶体管的峰值电流小于跳变点电流时，对单电感开关直流电压变换器进行PFM模式控制。
在休眠模式下关闭单电感开关直流电压变换器的开关晶体管。
本发明的单电感开关直流电压变换器，包括控制模块，所述的单电感开关直流电压变换器包括一个PMOS晶体管和一个NMOS晶体管，PMOS晶体管的源极连接输入电源，漏极连接NMOS晶体管的漏极，NMOS晶体管的源极接地，在PMOS晶体管的漏极和NMOS晶体管的源极之间设置有输出支路，所述单电感开关直流电压变换器的电感串联在该输出支路中；
所述的控制模块包括PWM模式控制模块、PFM模式控制模块、用于切换PWM模式控制和PFM控制并进行休眠模式控制的逻辑转换控制模块、用于检测所述电感电流的过零电流检测模块、用于取得输出反馈电压的分压反馈电路；
过零电流检测模块和分压反馈电路将得到反馈信号发送给逻辑转换控制模块；
逻辑转换控制模块根据反馈信号，向PWM模式控制模块和PFM模式控制模块发送模式选择信号；
PWM模式控制模块和PFM模式控制模块根据模式选择信号，向逻辑控制模块发送相应的控制信号；
逻辑转换控制模块连接PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极，对单电感开关直流电压变换器进行模式控制。
在控制模块内设置有用于检测开关晶体管电流的跳变点电流检测模块。
所述的逻辑转换控制模块包括接收电感输出端电压和第四基准电压的过零负载比较器、接收电感输入端电压和跳变点基准电压的跳变点电流比较器、接收输出反馈电压和第一基准电压的第一低电压比较器、接收输出反馈电压和第二基准电压的第一高电压比较器、接收输出反馈电压和第三基准电压的第二低电压比较器，过零负载比较器、跳变点电流比较器、第一低电压比较器、第一高电压比较器、第二低电压比较器的输出端通过逻辑门电路输出模式切换信号和休眠信号。
所述的PWM模式控制模块接收输出反馈电压、基准电压和模式切换信号，并通过逻辑转换模块向PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极发送控制信号。
所述的PFM模式控制模块基准电流和电感输出端电流的峰值电流比较器、接收第二基准电压和输出反馈电压的第二高电压比较器、接收输出反馈电压和第三基准电压的第三低电压比较器、接收电感输出端近似为0时对应的基准电压和电感输出端电流的过零负载电流比较器，PFM模式控制模块根据模式切换信号，通过逻辑转换模块向PMOS晶体管和NMOS晶体管的栅极发送控制信号。
本发明的优点是：本发明通过系统集成的方式，通过逻辑控制方式将PWM、PFM模式和休眠模式控制模块集成到一起，实现宽负载电流条件下的模式自动切换，扩大了开关直流电压变换器的负载使用范围，提高了电能转化效率。
附图说明
图1是本发明的单电感开关直流电压变换器的结构示意图；
图2是PWM、PFM和休眠模式的逻辑控制单元电路图；
图3是PWM模式控制模块的电路图；
图4是PFM模式控制模块的电路图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的三模式控制的直流电压转换器芯片电路由控制模块和片内输出级电路组成。控制模块包括由逻辑控制模块、PWM控制模块、PFM控制模块、PWM/PFM跳变点电流检测和PFM峰值电流检测模块、过零电流检测模块组成。各个模块的电源电压，即为从片外向片内输入的电压V_in。EN信号是片外输入的使能信号，当EN为“1”时，芯片正常工作；为“0”时，芯片不工作。片内输出级电路的SW节点和地(GND)之间外接片外由电感L和电容C_out组成的滤波电路，其中的R_ESR为电容寄生电阻。R_f1和R_f2组成了输出电压V_out的反馈电路，V_FB反馈信号输入到PWM控制模块、PFM控制模块、逻辑控制模块。电阻R_L是负载电阻。
当上电启动开始时，由于输出电压V_out低，系统工作在PWM模式下，逻辑控制模块输出Mode_select信号为“1”，PFM控制模块不工作。这时PWM/PFM跳变点电流检测和PFM峰值电流检测模块检测PWM/PFM跳变点电流。
当上电启动完成后时，控制电路开始判定输出电流的大小，有以下两种状态可以使电路从PWM模式转换到PFM模式：(1)当过零电流检测模块检测到PWM模式控制中有电感电流不连续的情况存在，即电感电流中有零电流出现，输出V_{sw_load}信号给逻辑控制模块；(2)PWM/FPM跳变点电流模块当检测到芯片片内输出级电路中的PMOS管SP的开关电流的峰值小于一个设定值I_skip时，输出V_skip信号给逻辑控制模块。
如果不满足上述条件，系统维持原来的PWM模式的工作状态。如果上述两个条件中的任何一个情况出现，那么系统将转换到PFM模式的工作状态。这时Vmode_select信号为“0”，PFM控制模块工作。PWM/PFM跳变点电流检测/PFM峰值电流检测模块的PFM峰值电流检测模块工作。
在PFM模式下，如果PFM峰值电流检测模块检测到电感电流的平均值大于设置的限制电流点I_peak时，片内输出级电路中的PMOS管SP关断，NMOS管SN开通，降低输出的电压值，以保证输出电流不大于设定的限流点。
PWM控制模块和PFM控制模块的输出信号分别为pwm_ctr和pfm_ctr。在PWM或PFM模式下工作时，上述信号输入到逻辑控制模块，并通过驱动电路输出sp_g和sn_g信号。sp_g和sn_g信号分别连接到片内输出级电路的PMOS管SP和NMOS管SN的栅极。当V_in(VDD)通过SP管对SW节点充电时，sp_g为“0”，P管开通，同时sn_g为“0”，SN管断开；片外电感通过SW节点放电时；sp_g为“1”，SP管断开，同时sn_g为“1”，SN管开通。
如图2所示的逻辑控制模块电路，由过零负载电流比较器3、跳变点电流比较器4、高电压比较器5、低电压比较器1、低电压比较器2、或门、与门、反相器组成。过零负载电流比较器3的正端连接电感电流近似为零时对应的基准电压V_{load_comp_vip}，负端连接对应于输出级的电感电流I_L的电压V_{sw_load}。跳变点电流比较器4的正端连接基准电压V_{skip_comp_vip}，该电压对应的输出电流为80mA，正端连接反应SW节点电流，即输出电流对应的电压信号V_{sw_skip}。低电压比较器2的正端连接输出电压的分压反馈电压V_fb，负端连接基准电压V_{low_ref2}。高电压比较器5的正端连接输出电压的分压反馈电压V_fb，负端连接基准电压V_{high_ref}。低电压比较器1的正端连接输出电压的分压反馈电压V_fb，负端连接基准电压V_{low_ref}。逻辑转换控制模块的输出信号有Mode_select，以及Sleep_mode_en。
当片外的电感电流为零时，V_{sw_load}比V_{load_comp_vip}的值小，因此过零负载电流比较器的输出为“0”，经过门电路后，Mode_select信号为“0”，并输出，使系统电路转换到PFM模式。同样，当V_{sw_skip}信号值较V_{skip_comp_vip}信号值大时，跳变点电流比较器输出为“0”，这样，Mode_select信号为“0”，并输出，使系统电路转换到PFM模式。如果V_fb较V_{low_ref2}的电压值，那么，低电压比较器2输出“0”，并通过门电路使V_{mode_select}信号为“1”，并输出，使系统电路转换到PWM模式。
另外，当V_fb电压值大于V_{high_ref}时，V_{sleep_mode_on}信号为“1”，并输出给PFM控制模块，并通过PFM控制模块的输出信号，以及逻辑控制电路模块使SP管和SN管都关闭，这样系统进入休眠模式。同理，如果V_FB电压值低于V_{low_ref}时，Sleep_mode_on信号为“0”，电路系统退出休眠模式。基准电压值V_{high_ref}最大，V_{low_ref}次之，V_{low_ref2}最小。
如图3所示的PWM控制模块，由跨导放大器Gm、PWM比较器6、D触发器、或非门和反相器组成。跨导放大器Gm的输入负端接收V_fb信号，它是输出电压的分压反馈电压；正端接收基准电压V_ref。PWM比较器6的正端接收V_comp信号，它是与功率管的导通时间成比例的电压信号；PWM比较器6的负端与跨导放大器Gm的输出端以及电容C和NMOS管M1的漏端相连。D触发器的CLK端口与外接的时钟信号CLK相连接。
PWM的控制环路工作过程如下：在每个时钟周期开始时，CLK产生一个时钟上升沿，D触发器触发，Q_B端输出为低电平，因此SP管导通，SN管断开，流过电感上的电流I_L增加，当I_L大于I_out时，V_out开始上升。在这个过程中，M1管的栅极信号为“0”，M1管断开，跨导放大器(GM)的输出电流对C1电容进行充电，该充电电流与V_fb和V_ref电压的差值成正比，这样使PWM比较器6的负端电压上升，当该电压大于Vcom时，PWM比较器输出为“0”，D触发器复位，Q_B端输出为高电平“1”，使SN管导通，SP管断开，电感上的电流下降。当I_L小于I_out时，V_out开始下降。这时，M1管的栅电压为“1”，M1管导通，电容C1对地放电，当C1上的电压低于V_comp时，PWM比较器6输出翻转为高电平。至此完成一个时钟周期的PWM控制并等待下一周期的CLK上升沿到来。
如图4所示的PFM控制模块，由峰值电流比较器7、高电压比较器8、低电压比较器9、过零负载电流比较器10、D触发器、与门和或门组成。峰值电流比较器7的正端连接基准电流I_peak，负端连接输出级的电感电流I_L；高电压比较器8的正端接收基准电压V_{high_ref}，负端接收输出电压的分压反馈电压V_fb。低电压比较器9的正端接收收输出电压的分压反馈电压V_fb，负端接收基准电压V_{low_ref}。过零负载电流比较器10的正端连接近似为零的基准电流信号I_0A，负端连接输出级的电感电流I_L。通过高电压比较器8和低电压比较器9的输入基准电压V_{high_ref}和V_{low_ref}的设定，使片外输出电路的输出电压V_out，在PFM模式工作时，其值控制在V_{high_ref}和V_{low_ref}之间。