混合型电路的直流电能降压变换装置的制造方法
【专利摘要】一种混合型电路的直流电能降压变换装置，包括将输入电能线性地降压变换为所需输出电压的LDO变换模块和直接斩波降压的Buck变换模块，以及选择上述两变换模块择一投入工作的控制电路子模块；控制电路子模块依据其负载电流取样电阻检测到的负载电流模拟量分别输出相反控制信号到LDO变换模块和Buck变换模块，令其在大负载时运行高效率的Buck变换模块实施降压变换；在小负载或零负载时运行LDO变换模块实施降压变换，以减少电压变换电路自身的功耗。所述降压变换装置兼顾了重负载时的电压变换高效率和轻负载时降压电路本身的低功耗，特别适用于电池降压输出的恒定电压控制。
【专利说明】
混合型电路的直流电能降压变换装置
技术领域
[0001] 本发明涉及电压变换电路或控制装置;尤其涉及小、微容量直流电能的高效率降 压变换电路。
【背景技术】
[0002] 现有技术用于小、微容量直流电源电压变换和稳压的电路包括线性调整器 (LINEAR REGULATOR)和开关调整器（SWITCHING REGULATOR); 现有技术常用的M0S，即金属-氧化物半导体工艺线性调整器被称为低压差调整器(LOW DROPOUT RE⑶LAT0R，通常简称为LD0)，局限于M0S工艺和电路特点，通常的线性降压LD0电 路，因为工作于线性状态，致使电压转换效率低，输出电流小，发热量大，但可做到相对较低 的静态工作电流，典型值是1 〇μΑ级别。
[0003] 现有技术常用的开关调整器在降压应用中，是直接斩波降压的开关调整器，即 BUCK RE⑶LAT0R，通常简称为BUCK。现在BUCK电路也使用M0S工艺。开关型降压BUCK电路，由 于工作于开关状态，在轻载或者空载待机时，驱动电路及开关器件的功耗并未明显降低，特 另IJ是高效率同步整流的BUCK电路，驱动技术更复杂，待机功耗更高。
[0004] LD0电路相对BUCK电路在轻载或者空载待机时功耗较低，即在低输出电流或静态 时，LD0电路相对BUCK电路更省电。
[0005] 现有技术在某些应用场景，比如锂离子二次电池的降压输出控制，如果仅使用一 种降压变换电路，显然不能同时满足电池待机功耗低和带载能力大的要求。仅使用BUCK电 路降压，在电池待机时，降压电路仍然工作在斩波开关状态，电路自身的功耗大，不适合便 携式的电池对降压电路的低功耗要求。仅使用LD0电路降压，在电池满载工作时，降压电路 自身的功耗升高了，降压变换效率低，且输出能力受限，会限制便携式电池的适用范围。
[0006] 现有技术对降低开关型降压变换待机功耗，通常的办法之一就是关闭电源变换芯 片"使能"，通过芯片的使能引脚，使整个电源变换处于停止工作状态。但是在某些后端需要 永久供电的应用场合，比如电池的输出电压控制电路中，关闭电源变换芯片会使得电池失 去输出能力，无法维持电路正常的电压输出。
[0007] 现有技术对降低开关型降压变换的低负载时功耗这一技术问题，解决方案通常是 采用脉冲宽度调制-脉冲频率调制，即PWM-PFM模式，重载时工作于PWM，在轻载或者待机时， 工作于PFM模式，尽可能降低工作频率或进入打嗝模式;但不管怎么降低工作频率，还是处 于开关状态。开关电路的振荡器，驱动电路，开关电路还是需要工作，所以待机功耗仍然是 较大的，通常静态电流很难小于数十μΑ级，典型值是100μΑ级。
[0008] 名词解释： LD0是英文LOW DROPOUT RE⑶LAT0R的缩写，中文含义为低压降线性稳压器； BUCK电路在本申请中的含义为采用BUCK REGULATOR方式的降压DC/DC变换电路； PWM是英文Pulse Width Modulation的缩写，中文含义为脉冲宽度调制;脉宽宽度调制 式(PWM)开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过调整其占空比，从而达 到稳定输出电压的目的； PFM是英文Pulse Frequency Modulation的缩写，中文含义为脉冲频率调制;脉冲频率 调制的（PFM)开关型稳压电路是"等宽调频"方式，即调整电路的斩波频率从而达到稳定输 出电压的目的。
【发明内容】
[0009] 本发明要解决的技术问题在于避免上述现有技术对于直流电能降压变换电路无 法同时具备大负载时变换效率高，低负载时降压变换电路功耗也低的不足之处而提出一种 混合电路型的降压变换电路，在需要大负载电流时启动BUCK电路进行电压变换，在低负载 电流时启动LD0降压电路，降低降压电路本身的功耗。
[0010] 解决上述技术问题采用的技术方案是一种混合型电路的直流电能降压变换装置， 包括将输入电能线性地降压变换为所需输出电压的LD0变换模块和将所述输入电能直接斩 波降压为所需输出电压的Buck变换模块;尤其是，还包括选择LD0变换模块或Buck变换模块 投入工作的控制电路子模块;所述控制电路子模块包括令LD0模块投入工作的使能控制信 号输出引脚即、令Buck模块投入工作的使能控制信号输出引脚即Ctd:辑也；所述 控制电路子模块依据其负载电流取样电阻检测到的负载电流模拟量，分别从其LD0使 能控制信号引脚即和Buck使能控制信号引脚输出互相相反的逻辑电平； 若负载电流大于等于预设在控制电路子模块内的参考电流U值，即 1!^^^，则控制 电路子模块的Buck使能控制信号输出引脚即▲输出使Buck变换模块投入工作的使 能信号，运行Buck变换模块实施降压变换；同时控制电路子模块的LD0使能控制信号输出引 脚即输出使LD0变换模块使能无效的信号，停止LD0变换模块实施降压变换；若负 载电流?ι*ι小于预设在控制电路子模块内的参考电流U值，即，则该控制电路子模 块的Buck使能控制信号输出引脚即输出使Buck变换模块使能无效的逻辑电平，停 止Buck变换模块实施降压变换;而同时该控制电路子模块的LD0使能控制信号输出引脚即 输出使LD0变换模块投入工作的逻辑电平，运行LD0变换模块实施降压变换;从而 在负载电流有任何值时都能获得较高的电压变换效率。
[0011] 所述LD0变换模块包括从外部输入电能的电源输入引脚即LD〇w、用于令LD0变 换模块投入工作的使能引脚即LDO&和用于所述LD0变换模块将变换后电压输出的电源输 出引脚即LDO_;所述Buck变换模块包括从外部输入电能的电源输入引脚即用于 令Buck变换模块投入工作的使能引脚即&J Ck:E^和用于该Buck变换模块将变换后电压输出 的电源输出引脚即―ck _ ;所述控制电路子模块还包括负载检测引脚即;所述LD0 电源输入引脚即11>〇政与仙(^电源输入引脚即电连接，同时用做待降压变换的 电能输入端;所述LD0电源输出引脚即LIX'm和Buck模块电源输出引脚即电连 接并与所述控制电路子模块的负载电流取样电阻的非负载侧连接端子，也即同控制电路子 丰吴块的负载检测引脚电连接;所述LDO变换t吴块的使能引脚即与所述控制 电路子t吴块的LD0使能控制彳目号输出引脚即电连接;所述Buck变换t吴块的使能引 脚即Buck#与所述控制电路子模块的Buck使能控制信号输出引脚即Ε?τ1Μ@电连接;该 Buck使能控制信号输出引脚即输出的逻辑电平控制信号是所述控制电路 子模块的LD0使能控制信号输出引脚即输出的逻辑电平控制信号LS#:的逻辑 反演，也称逻辑"非"，即释以# !^；。
[0012] 所述控制电路子模块还包括比较器、非门和共模运算放大器;所述负载电流取样 电阻的一端与所述LD0电源输出引脚即1X0^和Buck电源输出引脚即Buck^电连接;该 负载电流取样电阻的另一端则连接所述直流电能降压变换装置降压变换后的电能输出端； 所述共模运算放大器的反相输入端和同相输入端分别与所述负载电流取样电阻的两端电 连接;所述共模运算放大器的输出端与所述比较器的一个输入端连接，该比较器的另一输 入端则输入同所述参考电流U对应的模拟参考电压;所述比较器的输出端与所述Buck变 换模块的Buck使能引脚即电连接;所述比较器的输出端还与所述非门的输入端电 连接;该非门的输出端与所述LD0变换模块的LD0使能引脚即LDO ai电连接。
[0013] 所述的直流电能降压变换装置还包括一输出滤波储能电容器，所述负载电流取样 电阻连接所述直流电能降压变换装置降压变换后输出电能的一端与该输出滤波储能电容 器的一端连接，该输出滤波储能电容器的另一端接地。
[0014] 所述LD0变换模块和Buck变换模块以及控制电路子模块共同制作在同一片半导体 衬底上，封装为单片集成电路，或者将所述LD0变换模块和Buck变换模块以及控制电路子模 块一起封装为一块厚膜电路。
[0015] 所述LD0变换模块和Buck变换模块共同制作在同一片半导体衬底上，封装为单片 集成电路。
[0016] 所述LD0变换模块和/或Buck变换模块均为各自功能独立的单片集成电路。
[0017]同现有技术相比较，本发明的有益效果是：1、在需要大负载电流时启动BUCK电路 进行电压变换，在低负载电流时启动LD0降压电路，降低降压电路本身的功耗;兼顾了重负 载时的电压变换效率和轻负载时降压电路本身的功耗，特别适用于电池输出电压的降压控 制，可同时满足电池待机功耗低，带载能力大的要求;2、BUCK电路和LD0降压电路的主要部 件集成在同一个电路中，且电路元器件复用或共用，简化了电子线路，电路板体积小，且可 制作成集成电路芯片，相对于分立元器件的线路板，可靠性也大大提升。
【附图说明】
[0018]图1是本发明优选实施例的系统框图； 图2是本发明优选实施例应用在电池降压放电应用时的电原理说明框图； 如图3为图2工作在LD0模式的电原理图； 如图4为图2工作在BUCK模式的电原理图。
[0019] 在图3和图4中标号100为锂离子电池本体、240为电源集成电路、206为锂电池端滤 波电容、207为多功能复用电感、284和285为缓冲器、282为电源集成电路240内部的第二误 差放大器和比较器283、110为电池输出端口、218为降压输出滤波电容、272为电源集成电路 240内部的第一误差放大器272。
【具体实施方式】
[0020] 以下结合各附图对本发明的实施方式做进一步详述。
[0021] 如图1所示的一种混合型电路的直流电能降压变换装置的实施例中，包括:将输入 电能线性地降压变换为所需输出电压的LD0变换模块60和将所述输入电能直接斩波降压为 所需输出电压的Buck变换模块80;尤其是，还包括选择LD0变换模块60或Buck变换模块80投 入工作的控制电路子模块90;所述控制电路子模块90包括令LD0模块投入工作的使能控制 信号输出引脚91即和令Buck模块投入工作的使能控制信号输出引脚92即 ;所述控制电路子模块90依据其负载电流取样电阻96检测到的负载电流模拟 量，分别从其LD0使能控制信号引脚91即和Buck使能控制信号引脚92 输 出互相相反的逻辑电平;若负载电流大于等于预设在控制电路子模块90内的参考电流 U值，即，则控制电路子模块90的Buck使能控制信号输出引脚92即Ctrl输出 使Buck变换模块80投入工作的使能信号，运行Buck变换模块80实施降压变换；同时控制电 路子模块90的LD0使能控制信号输出引脚91即Ctrl输出使LD0变换模块60使能无效的 信号，停止LD0变换模块60实施降压变换；若负载电流小于预设在控制电路子模块90 内的参考电流值，，则该控制电路子模块90的Buck使能控制信号输出引脚92即 CM输出使Buck变换模块80使能无效的逻辑电平，停止Buck变换模块80实施降压变 换;而同时该控制电路子模块90的LD0使能控制信号输出引脚91即Ctrl输出使LD0变换 模块60投入工作的逻辑电平，运行LD0变换模块60实施降压变换;从而在负载电流有任 何值时都能获得较高的电压变换效率。
[0022] 所述LD0变换模块60包括从外部输入电能的电源输入引脚61即用于令 LD0变换模块60投入工作的使能引脚62即11>0:应和用于所述LD0变换模块60将变换后电压 输出的电源输出引脚63即LDO. vout ;所述Buck变换模块80包括从外部输入电能的电源输入 弓丨脚81即用于令Buck变换模块80投入工作的使能引脚82即￡此1^和用于该Buck 变换模块80将变换后电压输出的电源输出引脚83即;所述控制电路子模块90还包 括负载检测引脚93即所述LD0电源输入引脚61即如与Buck电源输入引脚81 即Budcg电连接，同时用做待降压变换的电能输入端；所述LD0电源输出引脚63即 LD〇m和81^模块电源输出引脚83即Bue：k_电连接并与所述控制电路子模块90的负 载电流取样电阻96的非负载侧连接端子，也即同控制电路子模块90的负载检测引脚93 ^电连接；所述LDO变换模块60的使能引脚62即:LDO▲与所述控制电路子模块90的 LDO使能控制信号输出引脚91即GtrlLDCkEh电连接；所述Buck变换模块80的使能引脚 82即 feck#与所述控制电路子模块90的Buck使能控制信号输出引脚92即电连接；该 Buck使能控制信号输出引脚92即输出的逻辑电平控制信号是所述控制电 路子模块90的LDO使能控制信号输出引脚91即:Ctd m&#输出的逻辑电平控制信号 的逻辑反演，也称逻辑"非"，即。
[0023] 如图1所示的一种混合型降压电源变换电路的实施例中，所述控制电路子模块90 包括比较器94,非门95、负载电流取样电阻96和共模运算放大器97;所述负载电流取样电阻 96的一端与所述LD0电源输出引脚63即IXO^^^PBUCK电源输出引脚83即&^_电连接； 该负载电流取样电阻96的另一端则连接所述直流电能降压变换装置降压变换后的电能输 出端;所述共模运算放大器97的反相输入端和同相输入端分别与所述负载电流取样电阻96 的两端电连接;所述共模运算放大器97的输出端与所述比较器94的一个输入端连接，所述 比较器94的另一输入端输入是同参考电流^:对应的模拟参考电压;所述比较器94的输出 端与所述Buck变换模块80的BUCK使能引脚82即Buck%电连接;所述比较器94的输出端还 与所述非门95的输入端电连接;所述非门95的输出端与所述LD0变换模块60的LD0使能引脚 62即1!)0此电连接。
[0024] 如图1所示的一种混合型降压电源变换电路的实施例中，还包括一输出滤波储能 电容器98,所述负载电流取样电阻96连接所述直流电能降压变换装置降压变换后输出电 能的一端与该输出滤波储能电容器98的一端连接，该输出滤波储能电容器98的另一端接 地。
[0025]如图1所示的一种混合型降压电源变换电路的实施例中，所述LD0变换模块60和 Buck变换模块80共同制作在同一片半导体衬底上，封装为单片集成电路。不仅如此，如图1 所示的一种混合型降压电源变换电路的实施例中，所述LD0变换模块60和Buck变换模块80 以及控制电路子模块90共同制作在同一片半导体衬底上，封装为单片集成电路，或者将所 述LD0变换模块60和Buck变换模块80以及控制电路子模块90-起封装为一块厚膜电路。即 在上述两个实施例中，所述LD0变换模块60和Buck变换模块80这两个模块的电路是做在同 一个芯片上的，且两个芯片实际上共用了很多相同的部件，以便进一步减少芯片面积。
[0026] 如图2所述为本发明优选实施例应用在电池降压放电应用时的电原理说明框图。 如果负载电流小于设置在控制电路子模块90内的参考电流％，则进入LD0降压模式； 如果负载电流1_大于等于参考电流％，则进入BUCK降压模式。
[0027] 如图3所示为图2工作在LD0模式的电原理图，工作于LD0模式时，通过驱动电源芯 片240内部的第一误差放大器272,对电池输出端口 110的电压和内部的1.5V参考电压进 行比较，比较后输出误差信号驱动高侧开关管Q1的导通程度，经多功能复用电感207和降压 输出滤波电容218滤波后，使电池输出端口 110得到稳定的输出电压。
[0028]如图4所示图2工作在BUCK模式的电原理图，，工作于开关降压模式时，通过电源集 成电路240内部的第二误差放大器282和比较器283,对电池输出端口 110的电压和内部的锯 齿波电压进行比较，把输出电压的高低转变成输出电压占空比的大小，分成两路经由缓冲 器284和285去分别触发高侧开关管Q1和低侧开关管Q2,经由多功能复用电感207和降压输 出滤波电容218滤波，组成同步整流的开关式降压BUCK电路，使AA型电池输出端口 110得到 稳定的输出电压。所述电源芯片240为深圳市华芯邦公司发布的型号为HT4201的市售芯片 产品。
[0029] 如图1所示的一种混合型降压电源变换电路的另外一些实施例中，所述LD0变换模 块60或Buck变换模块80为各自功能独立的集成电路。
[0030] 本发明的一些实施例中，所述LD0变换模块60可以认为是任意一款带"使能"引脚 的静态和低负载功耗小的LD0电压变换特征的电路，所述LD0变换模块60可以是集成电路也 可以是分立器件的电路；同样，所述Buck变换模块80可以认为是任意一款带"使能"引脚的 可带大电流负载的BUCK电压变换功能的电路，可以是集成电路也可以是分离器件的电路。
[0031] 本发明涉及的混合型降压电源变换电路包括:LD0变换模块60、Buck变换模块80和 控制电路子模块90;控制电路子模块90依据负载检测引脚93检测到的负载电流输出控 制信号到LD0变换模块60和Buck变换模块80,使得在大负载时，使用高效的Buck变换模块80 进行电压变换;在小负载或零负载时，使用到LD0变换模块60进行电压变换，降低电压变化 电路自身的功耗;兼顾了重负载时的电压变换效率和轻负载时降压电路本身的功耗，特别 适用于电池的输出电压降压控制电路中。
[0032] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用发明 说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术 领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1. 一种混合型电路的直流电能降压变换装置，包括： 将输入电能线性地降压变换为所需输出电压的LDO变换模块(60)和将所述输入电能直 接斩波降压为所需输出电压的Buck变换模块(80);尤其是，还包括选择LDO变换模块(60)或 Buck变换模块(80)投入工作的控制电路子模块(90); 所述控制电路子模块(90)包括令LDO模块投入工作的使能控制信号输出引脚(91)即 、令Buckt旲块投入工作的使能控制彳目号输出引脚(92)即1; 所述控制电路子模块(90)依据其负载电流取样电阻（96)检测到的负载电流.模拟 量，分别从其L D 0使能控制信号引脚（91)即B u c k使能控制信号引脚（9 2 ) 输出互相相反的逻辑电平;若负载电流Iklid大于等于预设在控制电路子模块(90) 内的参考电流.值，即4?^%，则控制电路子模块(90)的Buck使能控制信号输出引脚 (92)即Ctri输出使Buck变换模块(80)投入工作的使能信号，运行Buck变换模块(80)实 施降压变换；同时控制电路子模块(90)的LDO使能控制信号输出引脚(91)即GMwjctii输出 使LDO变换模块(60)使能无效的信号，停止LDO变换模块(60)实施降压变换； 若负载电流小于预设在控制电路子模块(90)内的参考电流1^值，即 控制电路子模块(90)的Buck使能控制信号输出引脚(92)即CM输出使Buck变换模块 (80)使能无效的逻辑电平，停止Buck变换模块(80)实施降压变换;而同时该控制电路子模 块(90)的LDO使能控制信号输出引脚(91) 8卩输出使LD0变换模块(60)投入工作的 逻辑电平，运行LDO变换模块(60)实施降压变换;从而在负载电流有任何值时都能获得 较高的电压变换效率。2. 根据权利要求1所述的直流电能降压变换装置，其特征在于， 所述LDO变换模块(60)包括从外部输入电能的电源输入引脚(61)即LDO1511、用于令LDO 变换模块(60)投入工作的使能引脚(62)即LDOsh和用于所述LDO变换模块(60)将变换后电 压输出的电源输出引脚(63)即;所述Buck变换模块(80)包括从外部输入电能的电 源输入引脚(81)即&用于令Buck变换模块(80)投入工作的使能引脚（82)即Buck m 和用于该Buck变换模块(80)将变换后电压输出的电源输出引脚(83)即Buckvbijt ; 所述控制电路子模块(90)还包括负载检测引脚(93)即 所述LDO电源输入引脚(61)即LDCv与Buck电源输入引脚(81)S_uckm电连接，同时 用做待降压变换的电能输入端;所述LDO电源输出引脚(63)即和Buck模块电源输出 引脚(83)即电连接并与所述控制电路子模块(90)的负载电流取样电阻(96 )的非 负载侧连接端子，也即同控制电路子模块(90)的负载检测引脚(93) Ctrl^^电连接;所述LDO 变换模块(60)的使能引脚(62)即所述控制电路子模块(90)的LDO使能控制信号输 出引脚(91)即CMl妙取电连接;所述Buck变换模块(80)的使能引脚(82)即与所述 控制电路子模块(90)的Buck使能控制信号输出引脚(92) 即连接;该Buck使能控 制信号输出引脚(92)即输出的逻辑电平控制信号@_是所述控制电路子模块 (90)的LDO使能控制信号输出引脚(91)即输出的逻辑电平控制信号BS ctlt2的逻辑 反演，也称逻辑"非"，即球3. 根据权利要求1所述的直流电能降压变换装置，其特征在于， 所述控制电路子模块(90)还包括比较器(94)、非门（95)和共模运算放大器(97); 所述负载电流取样电阻(96)的一端与所述LDO电源输出引脚(63)即LDCsto和仙士电 源输出引脚(83)即Buck^i连接;该负载电流取样电阻(96)的另一端则连接所述直流电 能降压变换装置降压变换后的电能输出端； 所述共模运算放大器(97)的反相输入端和同相输入端分别与所述负载电流取样电阻 (96)的两端电连接;所述共模运算放大器(97)的输出端与所述比较器(94)的一个输入端连 接，该比较器(94)的另一输入端则输入同所述参考电流Iisf对应的模拟参考电压； 所述比较器(94)的输出端与所述Buck变换模块(80)的Buck使能引脚(82)即BudCg电 连接； 所述比较器(94)的输出端还与所述非门（95)的输入端电连接;该非门（95)的输出端与 所述LDO变换模块(60)的LDO使能引脚(62) 即IBaafl电连接。4. 根据权利要求3所述的直流电能降压变换装置，其特征在于， 还包括一输出滤波储能电容器(98)，所述负载电流取样电阻(96)连接所述直流电能 降压变换装置降压变换后输出电能的一端与该输出滤波储能电容器(98)的一端连接，该输 出滤波储能电容器(98)的另一端接地。5. 根据权利要求3所述的直流电能降压变换装置，其特征在于， 所述LDO变换模块(60)和Buck变换模块(80)以及控制电路子模块(90)共同制作在同一 片半导体衬底上，封装为单片集成电路，或者将所述LDO变换模块(60)和Buck变换模块(80) 以及控制电路子t吴块(90) -起封装为一块厚I吴电路。6. 根据权利要求3所述的直流电能降压变换装置，其特征在于， 所述LDO变换模块(60)和Buck变换模块(80)共同制作在同一片半导体衬底上，封装为 单片集成电路。7. 根据权利要求3所述的直流电能降压变换装置，其特征在于， 所述LDO变换模块(60)和/或Buck变换模块(80)均为各自功能独立的单片集成电路。
【文档编号】H02M3/156GK106026647SQ201610276818
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】陈健, 于和平
【申请人】深圳市华芯邦科技有限公司