专利名称：一种双模的具有高轻负载效率的全集成高频降压电源的制作方法
技术领域：
本发明属于电源技术领域，具体涉及一种为低电压低功耗集成电路供电的具有高 轻负载效率的全集成降压电源。
背景技术：
随着现在电路集成度的提高，可以实现将低电压数字电路，高速数字电路，以及模 拟射频电路集成在一块芯片上，因为各个模块所需要的工作电压是不同的，所以这种多模 块芯片也就决定了需要对其进行多路电压供电。然而，这将大大增加I/O 口的数目，从而增 大面积以及成本。全集成降压电源不需要外部元件就能很好的进行电压转换，大大简化的 封装的复杂度，具有高效率和低成本的优点，从而能很好的解决之前的问题；其次，低电压 低功耗已经是现在研究的一个热点，为了减小功耗，需要的适当的时候让部分电路进行睡 眠模式。本发明能相对同类高频直流-直流转换器大大提高其轻载时的效率，从而延长电 池寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种转换效率高、功耗低的高频降压电源。本发明提供的高频降压电源，为一种双模、具有高轻负载效率的全集成高频降压 电源，由控制电路、功率管以及集成电感和滤波电容组成，见图1所示。其中，控制电路由误 差放大器1、锯齿波发生器4、软启动电路3、比较器2、补偿电路6、驱动和死区控制电路5、 高频电流检测电路8、低压差线性稳压器检测电路9、模式控制模块10以及低压差线性稳压 器7组成；输出电压经过电阻Rsl和电阻Rs2分压后连接到误差放大器1的负端，参考电压 经过软启动电路3后连接到误差放大器1的正端，误差放大器1的输出和锯齿波信号分别 连到比较器2的两端，产生脉冲信号送到驱动和死区控制电路5，以此控制功率管的栅极。 补偿电路6跨接输出V。ut和误差放大器1的输出端。功率管的漏极Vx与高频电流检测电路 8连接。高频电流检测电路8与低压差线性稳压器电流检测电路9的输出均连接到模式控 制模块10。模式控制模块10的输出分别连接到低压差线性稳压器7、驱动和死区控制电路 5，进行模式控制。当电流检测电路检测到负载电流大于50毫安时，则选择进入模式一，即 开关电源模式，而当电流检测电路检测到负载电流小于40毫安的时候则选择进入模式二， 即低压差线性稳压器。其中10毫安为模式转换的裕量，以防止两种模式反复切换而造成电 路振荡。同时，本发明用一个简单的电流检测电路去检测负载电流。因为当电源工作在开 关电源模式下时，其工作频率为二百五十兆赫兹，要检测这么高频的瞬态电流几乎是不可 能的。其实，当负载电流减小到某一个值的时候，我们并不需要立刻跳变，因为即使电流减 小，开关电源仍然是能正常工作的，所以为了降低电路的复杂性以及功耗，我们采用对Vx 点信号进行积分来进行判断。其中，Vx的平均值等于输出电压加上电感寄生电阻乘以负载 电流，因此Vx上就附带了负载电流信息。
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本发明提出的双模的具有高轻负载效率的全集成高频降压电源，采用SMIC 0. 13umCM0S 1P9M混合信号工艺条件设计，开关频率达到250MHz，功率电感值为4. 3nH,输 出电压滤波电容值为7nF，输入电压滤波电容值为4. 3nF。输入电压标称值为1. 2V，输出电 压标称值为0. 9V，输出最大电流为160mA，利用电路仿真软件对设计好的版图进行后仿结 果表明输入电压为1.2V，输出电压为0. 9V时，电压纹波小于40mV，输出电流为IOOmA时 的功率转化效率达到80%，即使负载电流只有IOmA也能获得大于60%的效率，而其他同类 产品在IOmA负载下只能获得约为20%的效率。即使处于完全待机状态，即负载电流为零 的情况下，其功耗仍然小于1毫瓦，而同类产品则需要大于10毫瓦功耗。当输出负载电流 从40mA到160mA的阶跃跳变时，该直流_直流转换器的响应时间小于400ns，过冲电压小于 0. 09V。当输出负载电流从OmA到50mA的阶跃跳变时，该直流-直流转换器的响应时间小 于3us，过冲电压约为0. 08V。
图1为本发明中的双模的具有高轻负载效率的全集成高频降压电源的整体结构 框图。图2为工作在开关电源下的电流检测电路。图3为输出电流从40mA到160mA变化的输出电流输出电压变化曲线。图4为输出电流从OmA到50mA变化的输出电流输出电压变化曲线。图5为输出电流从30mA到IOOmA变化的输出电流输出电压变化曲线。图6为输入电压为1. 2V，输出电压为0. 9时，功率转换效率随输出电流的变化关系 曲线图。
具体实施例方式以下结合附图及实例对本发明进行详细说明。如图1所示，双模的具有高轻负载效率的全集成高频降压电源，在同一个硅片上 同时集成了直流-直流转换器，包括其所需要的降压电感和滤波电容以及低压差线性稳压
ο通过对电流检测模块对负载电流进行判断，选择最佳的工作模式，从而很好的提 高电源的工作效率，特别是轻负载效率。这里，我们设定当电流检测电路检测到负载电流大 于50毫安时，则选择进入模式一，即开关电源模式，而当电流检测电路检测到负载电流小 于40毫安的时候则选择进入模式二，即低压差线性稳压器。其中10毫安为模式转换的裕 量，以防止两种模式反复切换而造成电路振荡。其中，转换阈值是可以外部调整的。模式一为重负载情况下，即负载电流在40mA到160mA之间，这时开关电源能获得 更高的效率，因此使能开关电源而关闭低压差线性稳压器。在这里，因为频率太高无法采集 瞬态的电感电流，因此我们采用了电压控制模式。输出电压通过分压电阻分压Rsi和Rs2分 压后与参考电压Vref分别输入到误差放大器的两个输入端，通过对误差信号进行放大之后 与锯齿波进行比较，从而比较器输出开关频率下的一定占空比的信号。该占空比信号通过 死区控制电路以及驱动电路分别控制两个功率管的开关，从而在每个周期对输出电容充放 电。其中，软启动模块是为了防止刚上电的时候电感的电流过大。
模式二为轻负载情况，这时电路将会自动跳转到低压差线性稳压器模式。如图2所示，为本发明所采用工作在高频开关电源模式下的电流检测电路8。其中Vx为图1中电感L与开关功率管的连接处，为一占空比信号。通一个简单的 无源积分网络(由对地电容C3和电阻R3组成)对该占空比信号积分，可以得到Vx的平均 值Vaw。其中电阻R3的左端连接Vx点，右端分别连接对地电容C3和运算电阻R1。运算电 阻Rl左端连无源积分网络，右端分别连接误差放大器Al的负端和运算电阻R2。R2连接到 误差放大器Al的输出端，并将误差放大器Al的输出Vl连接到比较器的一端。比较器的另 一端连接到Vx的参考电压产生模块。Vx的参考电压产生模块由误差放大器A2、M0S管Ml、 电阻Rref、参考电流源11-15以及相应的开关ql_q5组成。其中误差放大器A2的负端接 输出电压Vout，正端连接MOS管Ml的漏级，输出端连接到MOS管Ml的栅极，以将MOS管Ml 的漏级电压V3钳位在Vout。Rref接在MOS管Ml的漏级与参考电流源之间，通过调节与参 考电流源11-15串联的相应的开关ql_q5可以调节参考电流的大小，从而调节V2的值。通过运算放大可得
权利要求
一种双模的具有高轻负载效率的全集成高频降压电源，其特征在于由控制电路、功率管以及集成电感和滤波电容组成；其中，控制电路由误差放大器(1)、锯齿波发生器(4)、软启动电路(3)、比较器(2)、补偿电路(6)、驱动和死区控制电路(5)、高频电流检测电路(8)、低压差线性稳压器检测电路(9)、模式控制模块(10)以及低压差线性稳压器(7)组成；输出电压经过电阻Rs1和电阻Rs2分压后连接到误差放大器(1)的负端，参考电压经过软启动电路(3)后连接到误差放大器(1)的正端，误差放大器(1)的输出和锯齿波信号分别连到比较器(2)的两端，产生脉冲信号送到驱动和死区控制电路(5)以此控制功率管的栅极；补偿电路(6)跨接输出Vout和误差放大器(1)的输出端；功率管的漏极Vx与高频电流检测电路(8)连接；高频电流检测电路(8)与低压差线性稳压器电流检测电路(9)的输出均连接到模式控制模块(10)，模式控制模块(10)的输出分别连接到低压差线性稳压器(7)、驱动和死区控制电路(5)，进行模式控制。
2.根据权利要求1所述的高频降压电源，其特征在于所述的高频电流检测电路(8)， 通一个由对地电容C3和电阻R3组成的无源积分网络对Vx占空比信号积分，得到Vx的平 均值Vaw，其中电阻R3的左端连接Vx点，右端分别连接对地电容C3和运算电阻Rl ；运算电 阻Rl左端连无源积分网络，右端分别连接误差放大器(Al)的负端和运算电阻R2 ；运算电 阻R2连接到误差放大器(Al)的输出端，并将误差放大器(Al)的输出Vl连接到比较器的 一端；比较器的另一端连接到Vx的参考电压产生模块；Vx的参考电压产生模块由误差放大 器(A2)、M0S管(Ml)、电阻Rref、参考电流源11-15以及相应的开关ql_q5组成；其中误差 放大器(A2)的负端接输出电压Vout，正端连接MOS管(Ml)的漏级，输出端连接到MOS管 (Ml)的栅极，以将MOS管(Ml)的漏级电压V3钳位在Vout ；电阻Rref接在MOS管(Ml)的 漏级与参考电流源之间，通过调节与11-15串联的相应的开关ql_q5调节参考电流的大小， 从而调节V2的值，通过比较Vl和V2的值便能得到跳变的阈值电压。
全文摘要
本发明属于电源技术领域，具体为一种双模的具有高轻负载效率的全集成高频降压电源。该电源由控制电路、功率管以及集成电感和滤波电容组成；其中，控制电路由误差放大器、锯齿波发生器、软启动电路、比较器、补偿电路、驱动和死区控制电路、高频电流检测电路、低压差线性稳压器检测电路、模式控制模块以及低压差线性稳压器组成。本发明通过对负载电流进行判断，选择最佳的工作模式，从而提高电源的工作效率，并能减小外围电路，降低成本；其高频特性也能很好的满足负载变换要求。
文档编号H02M3/157GK101951151SQ20101024635
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月5日 优先权日2010年8月5日
发明者倪金华, 洪志良, 陈伟, 龚晓寒 申请人:复旦大学