專利名稱：帶有數(shù)字校正功能的功率變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路，特別涉及降壓型開關(guān)功率變換器輸出電壓調(diào)節(jié)電路。
背景技術(shù)：
集成功率變換器是功率集成電路的重要組成部分，在各種電子產(chǎn)品中得到了廣泛 應(yīng)用。功率變換器中的降壓型開關(guān)功率變換器可分為電壓模式控制和電流模式控制。電壓 模式控制降壓型開關(guān)功率變換器的控制環(huán)路簡(jiǎn)單，可較大程度上簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有技術(shù)的電 壓模式控制降壓型開關(guān)功率變換器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括控制邏輯單元、誤差放大 器(Error Amplifier簡(jiǎn)寫為EA)、PWM(脈沖寬度調(diào)制波)比較器、驅(qū)動(dòng)單元和輸出單元。 圖1中，誤差放大器EA連接輸出電壓Vout和參考電壓Vref，根據(jù)輸出電壓Vout和參考電 壓Vref向P麗比較器comp給出誤差電壓Vl和V2。P麗比較器comp的另一輸入端連接鋸 齒波信號(hào)，PWM比較器comp根據(jù)誤差電壓V2調(diào)整輸出脈沖的占空比?？刂七壿媶卧鶕?jù) PWM比較器comp輸出的脈沖，通過驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)輸出單元的一對(duì)晶體管(MP和MN)對(duì)輸入 電壓Vin進(jìn)行功率變換，產(chǎn)生輸出電壓Vout。這是一款典型的模擬控制功率變換器電路，晶 體管MP和MN以及電感L、電容C和負(fù)載電阻R構(gòu)成降壓型開關(guān)功率變換器電路。隨著集成 電路工藝技術(shù)的進(jìn)步，集成電路向納米級(jí)工藝邁進(jìn)。在摩爾定律的驅(qū)動(dòng)下，在納米級(jí)工藝下 的SoC(系統(tǒng)級(jí)芯片)中集成開關(guān)功率變換器成為必然。但納米級(jí)工藝下的模擬電路設(shè)計(jì) 面臨著本征增益降低、擺幅減小等諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)電壓模式變換器中的誤差放大器需要較 高的增益以滿足負(fù)載調(diào)整率的要求，但在納米級(jí)工藝下滿足較高增益要求，誤差放大器的 設(shè)計(jì)將會(huì)變得困難，而且在負(fù)載范圍較寬時(shí)，很難保證負(fù)載調(diào)整率的指標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)誤差放大器增益降低，不能滿足 負(fù)載調(diào)整率要求的問題，提供一種采用數(shù)字技術(shù)調(diào)整輸出電壓的功率變換器。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是，帶有數(shù)字校正功能的功率變換器， 包括控制邏輯單元、誤差放大器、PWM比較器、驅(qū)動(dòng)單元和輸出單元，所述誤差放大器根據(jù)輸 出單元的輸出電壓和參考電壓給出誤差電壓，所述PWM比較器根據(jù)所述誤差電壓調(diào)整輸出 脈沖的占空比，所述控制邏輯單元根據(jù)PWM比較器輸出的脈沖，通過驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)輸出單 元對(duì)輸入電壓進(jìn)行功率變換，產(chǎn)生輸出電壓；其特征在于，還包括數(shù)字控制單元，所述數(shù)字 控制單元輸入端連接輸出電壓，輸出端連接誤差電壓；當(dāng)所述輸出電壓超過設(shè)定范圍時(shí)，所 述數(shù)字控制單元以步進(jìn)方式改變所述誤差電壓的大小，使所述輸出電壓保持在所述設(shè)定范 圍。具體的，所述輸出單元由一只PMOS晶體管和一只NMOS晶體管構(gòu)成，所述PMOS晶 體管和NMOS晶體管的柵極與驅(qū)動(dòng)單元連接，其漏極連接在一起作為輸出端，所述PMOS晶體 管源極接輸入電壓，所述NMOS晶體管源極接地。具體的，所述誤差放大器采用跨導(dǎo)放大器。
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進(jìn)一步的，所述數(shù)字控制單元包括第一比較器、第二比較器、校正模塊和電流鏡； 所述第一比較器和第二比較器輸入端連接輸出電壓，輸出端連接校正模塊，所述校正模塊 連接電流鏡；所述校正模塊根據(jù)所述第一比較器和第二比較器的輸出信號(hào)控制電流鏡開啟 的數(shù)量，使流過連接在誤差電壓上的上拉電阻的電流變化，從而以步進(jìn)方式改變所述誤差 電壓的大小。具體的，所述第一比較器用于檢測(cè)輸出電壓的正偏差，所述第二比較器用于檢測(cè) 輸出電壓的負(fù)偏差；如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)輸出電壓均為正偏差則減少電流鏡開啟的數(shù)量， 如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)輸出電壓均為負(fù)偏差則增加電流鏡開啟的數(shù)量。本發(fā)明的有益效果是，在原有模擬控制電路基礎(chǔ)上，增加了數(shù)字控制電路，結(jié)合了 簡(jiǎn)潔的模擬電路和復(fù)雜的數(shù)字校正電路，使功率變換器的性能在納米級(jí)工藝下依然能夠得 到保證。數(shù)字電路的工藝魯棒性強(qiáng)，保證了較高的成品率和穩(wěn)定性。本發(fā)明數(shù)字校正電路 不僅可用到納米級(jí)工藝中，對(duì)傳統(tǒng)工藝下的功率變換器仍然具有廣泛的使用前景。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)功率變換器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實(shí)施例的功率變換器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是校正模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖；圖4是功率變換器輸出電壓校正效果示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明對(duì)傳統(tǒng)模擬環(huán)路開關(guān)變換器進(jìn)行了數(shù)字自調(diào)節(jié)，對(duì)工藝的依賴性減少，使 該方法的可移植性強(qiáng)，并且自調(diào)節(jié)原理簡(jiǎn)單。很好結(jié)合了數(shù)字電路和模擬電路的優(yōu)勢(shì)，非常 適用于難以得到高性能模擬電路的納米級(jí)工藝，以及對(duì)傳統(tǒng)開關(guān)變換器進(jìn)行升級(jí)改造。實(shí)施例本例帶有數(shù)字校正功能的功率變換器結(jié)構(gòu)如圖2所示。包括控制邏輯單元、誤差 放大器EA、PWM比較器Comp、驅(qū)動(dòng)單元、輸出單元和數(shù)字控制單元。本例輸出單元由一只 PMOS晶體管MP和一只匪OS晶體管MN構(gòu)成，圖2中PMOS晶體管MP和匪OS晶體管MN的 柵極與驅(qū)動(dòng)單元連接，他們的漏極連接在一起作為輸出端，PMOS晶體管MP源極接輸入電壓 Vin，NMOS晶體管MN源極接地。由圖1與圖2比較可以看出，本例數(shù)字控制單元包括第一比較器Compl、第二比較 器Comp2、校正模塊和3排電流鏡。第一比較器Compl和第二比較器Comp2輸入端連接輸出 電壓Vout，輸出端連接校正模塊。圖中，校正模塊輸出端與3排電流鏡連接，根據(jù)第一比較 器Compl和第二比較器Comp2輸出的信號(hào)C0mp_H和Comp_L控制電流鏡開啟的數(shù)量，使流 過連接在誤差電壓V2上的上拉電阻R2的電流變化，從而以步進(jìn)方式改變誤差電壓V2的大 小。PWM比較器Comp根據(jù)誤差電壓V2調(diào)整輸出脈沖的占空比，輸出脈沖寬度調(diào)制波(PWM)， 并將該P(yáng)WM輸入控制邏輯單元?？刂七壿媶卧鶕?jù)PWM比較器Comp輸出的脈沖，通過驅(qū)動(dòng) 單元驅(qū)動(dòng)PMOS晶體管MP和匪OS晶體管麗，對(duì)輸入電壓Vin進(jìn)行功率變換，產(chǎn)生輸出電壓 Vout0
本例中，輸出電壓Vout與參考電壓Vref為誤差放大器EA的兩個(gè)輸入電壓，誤差 放大器 EA 采用跨導(dǎo)放大器(OTA, Operational Transconductance Amplifier)。EA 的輸出 與PWM比較器comp的輸入相連。電阻R1、R2的一端接在EA的輸出，一端接輸入電壓Vin。 圖2中振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波電流SAW接在電阻Rl —端，用于PWM比較器comp產(chǎn)生脈沖寬度 調(diào)制波，振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)Clk接控制邏輯單元和校正單元，作為功率變換器工作的 基礎(chǔ)時(shí)鐘?？刂七壿媶卧妮斎霝镃lk和PWM，其輸出信號(hào)與驅(qū)動(dòng)單元相連驅(qū)動(dòng)PMOS晶體 管MP和NMOS晶體管MN,完成功率變換。第一比較器compl和第二比較器comp2分別用于 檢測(cè)輸出電壓的正偏差(Vref+e% )和負(fù)偏差(Vref-e% )，其輸出信號(hào)分別表記為Comp_H 和Comp_L，他們代表了輸出電壓Vout的相對(duì)位置。當(dāng)輸出電壓Vout出現(xiàn)正偏差時(shí)，Comp_ H和Comp_L均為低(=0)；當(dāng)輸出電壓Vout出現(xiàn)負(fù)偏差時(shí)Comp_H和Comp_L均為高(= 1)。圖2中校準(zhǔn)模塊的輸入為C0mp_H、C0mp_L和Clk，當(dāng)檢測(cè)到連續(xù)N個(gè)周期(本例中N = 8) Comp_H和Comp_L均為高，其輸出信號(hào)Trim加1，增加電流鏡開啟的數(shù)量，使流過上拉電 阻R2的電流增大，誤差電壓V2降低；當(dāng)檢測(cè)到連續(xù)N個(gè)周期Comp_H* Comp_L均為低，輸 出信號(hào)Trim減1，減少電流鏡開啟的數(shù)量，使流過上拉電阻R2的電流減小，誤差電壓V2升 高。輸出信號(hào)Trim通過控制開關(guān)SO、Si、S2控制量化的電流鏡，從而以步進(jìn)方式改變誤差 電壓V2的大小，通過PWM比較器Comp對(duì)輸出脈沖的占空比進(jìn)行微調(diào)。圖2中，3排電流鏡 連接在上拉電阻R2的下端，其開啟(電流鏡對(duì)應(yīng)的開關(guān)SO、Si、S2閉合)數(shù)量直接控制流 過電阻R2的電流，從而使誤差電壓V2以步進(jìn)方式變化。圖3是校準(zhǔn)模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖，系統(tǒng)初始化后會(huì)保持輸出信號(hào)Trim，當(dāng)檢測(cè) 到連續(xù)N個(gè)周期C0mp_H和Comp_L均為高，其輸出信號(hào)Trim加1 ；當(dāng)檢測(cè)到連續(xù)N個(gè)周期 Comp_H和Comp_L均為低，其輸出信號(hào)iTrim減1。圖4為本發(fā)明帶有數(shù)字校正功能的功率變換器的輸出電壓調(diào)節(jié)結(jié)果，圖中示出了 變化范圍為的情況(即e = 1)。在沒有采用本發(fā)明的技術(shù)方案時(shí)，在寬負(fù)載范圍內(nèi)輸出 電壓波動(dòng)范圍較大，而當(dāng)采用本發(fā)明的數(shù)字校正技術(shù)后，輸出電壓波動(dòng)被穩(wěn)定在1 %以內(nèi)， 且在不同的工藝條件和溫度情況下均可以保持不變。
權(quán)利要求
1.帶有數(shù)字校正功能的功率變換器，包括控制邏輯單元、誤差放大器、PWM比較器、驅(qū) 動(dòng)單元和輸出單元，所述誤差放大器根據(jù)輸出單元的輸出電壓和參考電壓給出誤差電壓， 所述PWM比較器根據(jù)所述誤差電壓調(diào)整輸出脈沖的占空比，所述控制邏輯單元根據(jù)PWM比 較器輸出的脈沖，通過驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)輸出單元對(duì)輸入電壓進(jìn)行功率變換，產(chǎn)生輸出電壓；其 特征在于，還包括數(shù)字控制單元，所述數(shù)字控制單元輸入端連接輸出電壓，輸出端連接誤差 電壓；當(dāng)所述輸出電壓超過設(shè)定范圍時(shí)，所述數(shù)字控制單元以步進(jìn)方式改變所述誤差電壓 的大小，使所述輸出電壓保持在所述設(shè)定范圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有數(shù)字校正功能的功率變換器，其特征在于，所述輸出單 元由一只PMOS晶體管和一只NMOS晶體管構(gòu)成，所述PMOS晶體管和NMOS晶體管的柵極與驅(qū) 動(dòng)單元連接，其漏極連接在一起作為輸出端，所述PMOS晶體管源極接輸入電壓，所述NMOS 晶體管源極接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的帶有數(shù)字校正功能的功率變換器，其特征在于，所述誤差 放大器采用跨導(dǎo)放大器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶有數(shù)字校正功能的功率變換器，其特征在于，所述數(shù)字控 制單元包括第一比較器、第二比較器、校正模塊和電流鏡；所述第一比較器和第二比較器輸 入端連接輸出電壓，輸出端連接校正模塊，所述校正模塊連接電流鏡；所述校正模塊根據(jù)所 述第一比較器和第二比較器的輸出信號(hào)控制電流鏡開啟的數(shù)量，使流過連接在誤差電壓上 的上拉電阻的電流變化，從而以步進(jìn)方式改變所述誤差電壓的大小。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶有數(shù)字校正功能的功率變換器，其特征在于，所述第一比 較器用于檢測(cè)輸出電壓的正偏差，所述第二比較器用于檢測(cè)輸出電壓的負(fù)偏差；如果在設(shè) 定的時(shí)間內(nèi)輸出電壓均為正偏差則減少電流鏡開啟的數(shù)量，如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)輸出電壓 均為負(fù)偏差則增加電流鏡開啟的數(shù)量。
全文摘要
本發(fā)明涉及降壓型開關(guān)功率變換器輸出電壓調(diào)節(jié)電路。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)誤差放大器增益降低，不能滿足負(fù)載調(diào)整率要求的問題，提供一種采用數(shù)字技術(shù)調(diào)整輸出電壓的功率變換器。本發(fā)明的技術(shù)方案是，帶有數(shù)字校正功能的功率變換器，包括控制邏輯單元、誤差放大器、PWM比較器、驅(qū)動(dòng)單元和輸出單元，其特征在于，還包括數(shù)字控制單元，所述數(shù)字控制單元輸入端連接輸出電壓，輸出端連接誤差電壓；當(dāng)所述輸出電壓超過設(shè)定范圍時(shí)，所述數(shù)字控制單元以步進(jìn)方式改變所述誤差電壓的大小，使所述輸出電壓保持在所述設(shè)定范圍。本發(fā)明數(shù)字校正電路不僅可用到納米級(jí)工藝中，對(duì)傳統(tǒng)工藝下的功率變換器仍然具有廣泛的使用前景。
文檔編號(hào)H02M3/157GK102075089SQ20111004651
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2011年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月25日
發(fā)明者張波, 李江昆, 甄少偉, 祝曉輝, 羅萍 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)