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CN107888070B - 降压式变换器 - Google Patents

降压式变换器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种降压式变换器，包括第一功率晶体管、第二功率晶体管、第三功率晶体管和降压模式控制单元。降压模式控制单元包括电压比较单元、逻辑并发单元和信号传递单元，该电压比较单元比较控制电压和预设的阈值电压，且在控制电压低于阈值电压时输出断开信号，逻辑并发单元在收到断开信号和降压信号时输出导通信号，信号传递单元输入第一驱动信号、第二驱动信号，且当信号传递单元未收到断开信号和导通信号时，输出第一驱动信号至第一功率晶体管的栅极，输出第二驱动信号至第二功率晶体管和第三功率晶体管的栅极，当信号传递单元收到断开信号和导通信号时，提供电源电位至第一功率晶体管和第三功率晶体管的栅极且提供地电位至第二功率晶体管的栅极，从而使连接在该电压输出端的输出电容通过第三功率晶体管对地放电。

Description

降压式变换器
技术领域
本发明主要涉及电源管理电路，尤其涉及一种降压式变换器。
背景技术
图1是一种现有的降压式(BUCK)变换器的电路图。参考图1所示，降压变换器10主要采用峰值电流模式，其通过电压环路和电流环路共同反馈的原理，使得Vout端达到预设电压。具体工作原理是，Vout端通过电阻Rfh和Rfl组成的分压电路12分压后得到电压Vfb，再与参考电压(VREF)模块13的输出电压Vref共同作为运算放大器(EA)14的输入。EA 14的输出Vc作为比较器(例如PWM比较器)15的一个输入端。比较器15的另一个输入端是由斜波和电流采样信号单元16输出的Vr。Vc和Vr经过比较器16的比较后生成比较器输出信号R。这个信号R同振荡器(OSC)17的输出时钟S一起输入到控制逻辑单元18，通过逻辑运算，最终确定功率晶体管栅极控制信号NGATE和PGATE的高低电平，从而控制降压变换器10的SW端的输出信号的占空比。这个输出信号在通过其后的电感L和电容Cout组成的滤波器，得到Vout的预设电压。
这种现有的工作模式，当系统现输出电压低于系统预设目标输出电压时，可以进行快速的响应，从系统控制上让SW输出的波形达到接近于100％的占空比，最大限度地对输出电容Cout进行充电，使得Vout迅速上升，并最终达到预设电压。但是当系统设置的目标输出电压低于系统现输出电压时，系统控制只能将SW输出的波形的占空比调节到0％，即降压式变换电路不再为输出电容Cout进行充电。但是降压变换器10并不能对输出电容Cout进行放电，只能依靠负载电阻Rout、内部反馈电阻Rfl和Rfh对输出电容Cout放电，使得输出电压Vout降低。实际应用中当需要进行输出电压降低的操作时，已经将负载电阻Rout调大甚至断开为空载状态，因此此时只能通过内部反馈电阻Rfl和Rfh放电。在目前的低功耗设计中，内部反馈电阻Rfl和Rfh通常很大，以减小内部的电流消耗。因此这个放电过程，即Vout降低的过程会很长。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种降压式变换器，可以在输出电压从高电压调整为低电压时，让系统现输出电压快速降低到目标输出电压。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种降压式变换器，包括第一功率晶体管、第二功率晶体管、第三功率晶体管和降压模式控制单元。第一功率晶体管具有第一源级、第一漏级和第一栅极，该第一源级连接电源，该第一漏级连接电压输出端。第二功率晶体管具有第二源级、第二漏级和第二栅极，该第二源级接地，该第二漏级连接该电压输出端。第三功率晶体管具有第三源级、第三漏级和第三栅极，该第三源级接地，该第三漏级连接该电压输出端。降压模式控制单元，包括电压比较单元、逻辑并发单元和信号传递单元，该电压比较单元比较控制电压和预设的阈值电压，且在该控制电压低于该阈值电压时输出断开信号，该逻辑并发单元在收到该断开信号和降压信号时输出导通信号，该信号传递单元输入第一驱动信号、第二驱动信号，且当该信号传递单元未收到该断开信号和该导通信号时，输出该第一驱动信号至该第一栅极，输出该第二驱动信号至该第二栅极和该第三栅极，当该信号传递单元收到该断开信号和该导通信号时，提供电源电位至该第一栅极和该第三栅极且提供地电位至该第二栅极，从而使连接在该电压输出端的输出电容通过该第三功率晶体管对地放电。
在本发明的一实施例中，上述的降压式变换器还包括输出电压控制单元，提供该降压信号。
在本发明的一实施例中，该输出电压控制单元为数字电路。
在本发明的一实施例中，上述的降压式变换器还包括运算比较器，比较参考电压和相关于该输出电压的反馈电压，从而输出该控制电压。
在本发明的一实施例中，该信号传递单元具有输入该第一驱动信号的第一输入端、输入该第二驱动信号的第二输如端、连接该第一栅极的第一输出端、连接该第二栅极的第二输出端和连接该第三栅极的第三输出端，当该信号传递单元未收到该断开信号和该导通信号时，使该第一输入端与该第一输出端连接，该第二输入端与该第二输出端和第三输出端连接，当该信号传递单元收到该断开信号和该导通信号时，使该第一输出端与该第一输入端断开且连接电源，该第二输出端与该第二输入端断开且接地，该第三输出端与该第二输入端断开且连接电源。
在本发明的一实施例中，该第一功率晶体管和该第二功率晶体管为互补晶体管，该第二功率晶体管和该第三功率晶体管的类型相同。
在本发明的一实施例中，该第二功率晶体管和该第三功率晶体管具有预设的尺寸比例。
本发明提出一种降压式变换器的快速降压方法，包括以下步骤：比较控制电压和预设的阈值电压，且在该控制电压低于该阈值电压时输出断开信号；在收到该断开信号和降压信号时输出导通信号；根据该断开信号和该导通信号决定分别提供到第一至第三功率晶体管的第一至第三栅极控制信号，该第一功率晶体管具有第一源级、第一漏级和第一栅极，该第一源级连接电源，该第一漏级连接电压输出端，该第二功率晶体管具有第二源级、第二漏级和第二栅极，该第二源级接地，该第二漏级连接该电压输出端，该第三功率晶体管具有第三源级、第三漏级和第三栅极，该第三源级接地，该第三漏级连接该电压输出端，其中当收到该断开信号和该导通信号时，提供电源电位至该第一栅极和该第三栅极且提供地电位至该第二栅极，从而使连接在该电压输出端的输出电容通过该第三功率晶体管对地放电。
本发明提出一种电源管理芯片，包括如上所述的降压式变换器。
与现有技术相比，本发明采用快速降压模式，可以在系统目标电压低于系统现电压时，快速将输出电压降低。
附图说明
图1是一种现有的降压式变换器的电路图。
图2是本发明一实施例的降压式变换器的电路图。
图3是图2所示降压式变换器的降压模式控制单元的内部结构。
图4A、4B是图3所示信号传递单元的电路图。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
图2是本发明一实施例的降压式变换器的电路图。参考图2所示，本实施例的降压式变换器20包括输出电压控制单元21、分压电路22、参考电压(VREF)模块23、运算放大器(EA)24、比较器(例如PWM比较器)25、斜波和电流采样信号单元26、振荡器(OSC)27、控制逻辑单元28以及降压模式控制单元29。降压式变换器20还包括第一功率晶体管MP、第二功率晶体管MN1和第二功率晶体管MN2。本实施例的输出电压控制单元21、分压电路22、参考电压(VREF)模块23、运算放大器(EA)24、比较器(例如PWM比较器)25、斜波和电流采样信号单元26、振荡器(OSC)27、控制逻辑单元28分别与图1所示相同名称的单元相同。降压式变换器20的工作原理是，Vout端通过电阻Rfh和Rfl组成的分压电路22分压后得到关联于输出电压Vout的反馈电压Vfb，再与参考电压模块23的输出电压Vref共同作为运算放大器24的输入。运算放大器24的输出Vc作为比较器25的一个输入端。比较器25的另一个输入端是由斜波和电流采样信号单元26输出的Vr。Vc和Vr经过比较器25的比较后生成比较器输出信号R。这个信号R同振荡器27的输出时钟S一起输入到控制逻辑单元28，通过逻辑运算，确定第一驱动信号PGATE和第二驱动信号NGATE的高低电平。
本实施例的特点是，在控制逻辑单元28与功率晶体管之间增加降压模式控制单元29，并且将使用两个N型的功率晶体管MN1和MN2。具体地说，第一功率晶体管MP，具有第一源级、第一漏级和第一栅极，第一源级连接电源VIN，该第一漏级连接电压输出端SW。第二功率晶体管MN1具有第二源级、第二漏级和第二栅极，该第二源级接地GND，第二漏级连接电压输出端SW。第三功率晶体管MN2，具有第三源级、第三漏级和第三栅极，第三源级接地GND，第三漏级连接电压输出端。
在此实施例中，第一功率晶体管MP和第二功率晶体管MN1为互补晶体管，即一个为P型晶体管，另一个为N型晶体管。第二功率晶体管和第三功率晶体管的类型相同，均为N型晶体管。
降压模式控制单元29具有第一输入端PGATEPRE、第二输入端NGATEPRE，分别输入第一驱动信号PGATE和第二驱动信号NGATE。降压模式控制单元29还具有第一控制端VC和第二控制端OVSHL，分别输入控制电压Vc和降压信号OVSHL。降压信号OVSHL来自输出电压控制单元21，表示系统从高电压配置为低电压。输出电压控制单元21典型的是数字电路。降压模式控制单元29还具有第一输出端PGATEAFE、第二输出端NGATEAFE和第三输出端FAST DOWN，分别输出第一控制信号PAGTE1、NGATE1和NGATE2。降压模式控制单元在控制控制电压Vc和降压信号OVSHL的控制下，选择提供给第一输出端PGATEAFE、第二输出端NGATEAFE和第三输出端FAST DOWN的信号。
图3是图2所示降压式变换器的降压模式控制单元的内部结构。参考图3所示，降压模式控制单元29可包括电压比较单元31、逻辑并发单元32和信号传递单元33。电压比较单元31比较控制电压Vc和预设的阈值电压VTH，且在控制电压Vc低于阈值电压VTH时输出断开信号OPEN。当不满足这一条件时，电压比较单元31不输出断开信号。逻辑并发单元32的一个输入端连接电压比较单元31，另一个输入端连接降压模式控制单元29的第二控制端OVSHL。当逻辑并发单元32收到断开信号OPEN和降压信号OVSHL时输出导通信号SHORT。信号传递单元33输入第一驱动信号PGATE、第二驱动信号NGATE。当信号传递单元33未收到断开信号OPEN和导通信号SHORT时，输出第一驱动信号PGATE至第一输出端PGATEAFE，输出第二驱动信号NGATE至第二输出端NGATEAFE和第三输出端FAST DOWN。当信号传递单元33收到断开信号OPEN和导通信号SHORT时，提供电源电位(典型为高电位)至第一输出端PGATEAFE和第三输出端FAST DOWN，且提供地电位至第二输出端NGATEAFE。第一输出端PGATEAFE进一步提供信号至第一功率晶体管MP的第一栅极，第二输出端NGATEAFE进一步提供信号至第二功率晶体管MN1的第二栅极，第三输出端FAST DOWN进一步提供信号至第三功率晶体管MN2的第三栅极。
这样，当信号传递单元33未收到断开信号OPEN和导通信号SHORT时，第一功率晶体管MP由第一驱动信号PGATE控制，第二功率晶体管MN1和第三功率晶体管MN2由第二驱动信号控制，系统正常工作。此时NGATE和PGATE的高低电平，控制SW端的输出信号的占空比。这个输出信号在通过其后的电感L和电容Cout组成的滤波器，得到Vout的预设电压。
当信号传递单元33收到断开信号OPEN和导通信号SHORT时，第二输出端NGATEAFT连接到地电位，同时第一输出端PGATEAFT和第三输出端FAST DOWN连接到电源电位。第一功率晶体管MP停止工作，不再对电容Cout充电。同时第二功率晶体管MN1断开连接，第三功率晶体管MN2工作将电容Cout进行对地放电，使得Vout迅速降低。在此，MN1和MN2具有预设的比例，这一比例取决于放电速度的要求。
当系统输出电压Vout达到系统目标电压，Vc大于VTH，此时图3的电压比较单元31会清除OPEN信号，同时通过逻辑并发单元32，清除SHORT信号，使得系统回到传统控制回路。系统继续正常工作。
图4A、4B是图3所示信号传递单元的电路图。参考图4A所示，信号传递单元33具有输入第一驱动信号的第一输入端PGATEPRE、输入第二驱动信号的第二输入端NGATEPRE、连接第一栅极的第一输出端、连接第二栅极的第二输出端NGATEAFT和连接第三栅极的第三输出端FAST DOWN。信号传递单元33内配置有多个开关，这些开关受到断开信号OPEN和导通信号SHORT的控制。当信号传递单元33未收到断开信号和导通信号时，如图4A所示，会使第一输入端PGATEPRE与第一输出端PGATEAFT连接，第二输入端NGATEPRE与第二输出端NGATEAFT和第三输出端FAST DOWN连接。当信号传递单元33收到断开信号OPEN和导通信号SHORT时，如图4B所示，使第一输出端PGATEAFT与第一输入端PGATEPRE断开且连接电源VDD，第二输出端NGATEAFT与第二输入端NGATEPRE断开且接地GND，第三输出端FAST DOWN与第二输入端NGATEPRE断开且连接电源VDD。
本发明的实施例对于降压模式先采用模拟控制，即当系统自调节机制Vc低于VTH时，对传统环路断开。并且采用数字控制，即检测到数字控制信号OVSHL后再将NGATEAFT连接到地电位，同时将FAST DOWN和PGATEAFT连接到电源电位。因此，本发明的实施例采用数模混合控制，使得控制过程平滑切换，保障输出电压的稳定和连续性。
从另一角度看，本发明提出一种降压式变换器的快速降压方法，参考图2所示，该方法比较控制电压Vc和预设的阈值电压VTH，且在控制电压Vc低于阈值电压VTH时输出断开信号OPEN。在收到断开信号OPEN和降压信号OVSHL时输出导通信号SHORT。根据断开信号OPEN和导通信号SHORT决定分别提供到第一至第三功率晶体管的第一至第三栅极控制信号，其中当收到断开信号OPEN和导通信号SHORT时，提供电源电位至第一栅极和第三栅极且提供地电位至第二栅极，从而使连接在电压输出端SW的输出电容Cout通过第三功率晶体管MN2对地放电。
本发明的上述实施例采用快速降压模式，可以在系统目标电压低于系统现电压时，快速将输出电压降低。并且，本发明的上述实施例采用数模混合控制，避免系统的硬切换，使得电压能够稳定连续。
本发明上述实施例的电路和方法可以应用于电源管理芯片。例如，电源管理芯片可以是诸如手机等便携式电子设备。这一电路可以用于驱动射频功率放大器。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (8)

1.一种降压式变换器，包括：
第一功率晶体管，具有第一源极 、第一漏极 和第一栅极，该第一源极 连接电源，该第一漏极 连接电压输出端；
第二功率晶体管，具有第二源极 、第二漏极 和第二栅极，该第二源极 接地，该第二漏极 连接该电压输出端；
第三功率晶体管，具有第三源极 、第三漏极 和第三栅极，该第三源极 接地，该第三漏极 连接该电压输出端；
降压模式控制单元，包括电压比较单元、逻辑并发单元和信号传递单元，该电压比较单元比较控制电压和预设的阈值电压，且在该控制电压低于该阈值电压时输出断开信号，该逻辑并发单元在收到该断开信号和降压信号时输出导通信号，该信号传递单元输入第一驱动信号、第二驱动信号，该信号传递单元具有输入该第一驱动信号的第一输入端、输入该第二驱动信号的第二输入端、连接该第一栅极的第一输出端、连接该第二栅极的第二输出端和连接该第三栅极的第三输出端，且当该信号传递单元未收到该断开信号和该导通信号时，使该第一输入端与该第一输出端连接，该第二输入端与该第二输出端和第三输出端连接，当该信号传递单元收到该断开信号和该导通信号时，使该第一输出端与该第一输入端断开且连接电源，该第二输出端与该第二输入端断开且接地，该第三输出端与该第二输入端断开且连接电源。
2.根据权利要求1所述的降压式变换器，其特征在于，还包括输出电压控制单元，提供该降压信号。
3.根据权利要求2所述的降压式变换器，其特征在于，该输出电压控制单元为数字电路。
4.根据权利要求1所述的降压式变换器，其特征在于，还包括运算比较器，比较参考电压和相关于该输出电压的反馈电压，从而输出该控制电压。
5.根据权利要求1所述的降压式变换器，其特征在于，该第一功率晶体管和该第二功率晶体管为互补晶体管，该第二功率晶体管和该第三功率晶体管的类型相同。
6.根据权利要求1所述的降压式变换器，其特征在于，该第二功率晶体管和该第三功率晶体管具有预设的尺寸比例。
7.一种如权利要求1所述的降压式变换器的快速降压方法，所述方法包括以下步骤：
比较控制电压和预设的阈值电压，且在该控制电压低于该阈值电压时输出断开信号；
在收到该断开信号和降压信号时输出导通信号；该信号传递单元的第一输入端输入该第一驱动信号，该信号传递单元的第二输入端输入该第二驱动信号，该信号传递单元根据该断开信号和该导通信号决定分别提供第一输入端、第二输入端到第一输出端至第三输出端连接关系，其中当收到该断开信号和该导通信号时，使该第一输出端与该第一输入端断开且连接电源，该第二输出端与该第二输入端断开且接地，该第三输出端与该第二输入端断开且连接电源，从而使连接在该电压输出端的输出电容通过该第三功率晶体管对地放电。
8.一种电源管理芯片，包括如权利要求1-6任一项所述的降压式变换器。
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