DC-DC转换器的控制系统、方法及DC-DC转换器与流程

dc-dc转换器的控制系统、方法及dc-dc转换器
技术领域
1.本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种dc-dc转换器的控制系统、方法及dc-dc转换器。


背景技术：

2.随着便携式电子设备的广泛使用，由电池供电的使用场景已成必需。为了最大化电池的使用时间，优秀的电源管理模块需要在轻负载和重负载时都能保证高的电源转化效率，并且在负载瞬间变化时能具有快速平稳的瞬态响应能力。dc-dc转换器因其电压转化效率高的特点得到广泛使用。为了在轻负载和重负载时都能具有高的电压转换效率，dc-dc转换器的控制器常常在轻负载时使用pfm(pulse-frequency modulation，脉冲频率调制)控制模式，在重负载时使用pwm(pulse-width modulation，脉冲脉宽调制)控制模式。
3.为了实现两种模式随着负载的变化自动切换，现有的技术方案大多是用一个电流探测模块直接或间接地感知负载电流，再加一个比较器判断电流处于某个阈值之上还是之下，从而确定采用pfm还是pwm控制模式。为了提高瞬态响应的速度，还需要再加一个比较器来探测电压是否低于某个阈值，如果电压过低就直接切换到pwm模式，以上所述方案需要一个电流探测模块加上两个比较器一直处于工作状态来监控负载电流和输出电压，至少需消耗ua级的静态电流，当轻负载时，负载电流也只有几个ua，甚至更小，这些附加的静态电流就会大大降低电压转换效率。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种dc-dc转换器的控制系统、方法及dc-dc转换器，用于解决现有技术中dc-dc转换器两种工作模式切换时消耗静态电流，导致电压转换效率降低的问题。
5.本发明的第一方面提供一种dc-dc转换器的控制系统，所述dc-dc转换器包括电感和与所述电感串联的电容，所述控制系统包括：
6.模式切换模块，用于在pfm模式下，检测一个充电周期内电感充放电的次数，若充放电的次数达到预设次数，输出第一控制信号；还用于在pwm模式下，检测pwm占空比，若pwm占空比小于第一阈值，输出第二控制信号；
7.控制模块，用于根据所述dc-dc转换器的反馈参数输出pwm控制信号或pfm控制信号；其中，所述反馈参数包括电容电压、电感电流；
8.数据选择器，输入端与所述控制模块连接，控制端与所述模式切换模块连接，用于根据所述第一控制信号输出pwm控制信号；还用于根据所述第二控制信号输出pfm控制信号。
9.于本发明的一实施例中，所述dc-dc转换器还包括第一开关和第二开关；
10.所述第一开关的源极与电源连接，所述第一开关的漏极与所述第二开关的漏极连接，所述第二开关的源极接地；所述电感的一端与所述第一开关的漏极连接，所述电感的另
一端与所述电容的一端连接，所述电容的另一端接地；所述电感的另一端与负载的一端连接，所述负载的另一端接地；所述第一开关的栅极、所述第二开关的栅极分别与所述数据选择器的输出端连接；
11.所述控制系统还包括：
12.过零点探测器，用于根据所述电感电流输出第三控制信号到所述控制模块，控制所述控制模块关闭所述第二开关。
13.于本发明的一实施例中，还包括驱动模块，所述驱动模块包括第一驱动器、第二驱动器；
14.第一驱动器的输入端与所述数据选择器的输出端连接，输出端与所述第一开关的栅极连接；
15.第二驱动器的输入端与所述数据选择器的输出端连接，输出端与所述第二开关的栅极连接。
16.于本发明的一实施例中，所述控制模块包括：
17.pwm控制模块，用于根据所述dc-dc转换器的反馈参数输出pwm控制信号。
18.pfm控制模块，用于根据所述dc-dc转换器的反馈参数输出pfm控制信号。
19.于本发明的一实施例中，所述pfm控制模块包括：过电流探测器、低电压探测器、第一反相器、第二反相器、第一与门、第二与门；
20.所述过电流探测器的输入端分别与所述电感电流、参考电压连接，输出端分别与所述第一反相器的输入端、所述第二与门的第一输入端连接；
21.所述第一反相器的输出端与所述第一与门的第一输入端连接；
22.所述低电压探测器的反相输入端与所述电容电压连接，同相输入端与参考电压连接，输出端与所述第一与门的第二输入端连接；
23.所述第二反相器的输入端与所述过零点探测器的输出端连接，输入端与所述第二与门的第二输入端连接；
24.所述第一与门的输出端、所述第二与门的输出端分别与所述数据选择器的输入端连接。
25.于本发明的一实施例中，所述模式切换模块包括：
26.占空比探测器、充放电次数检测单元及rs触发器；
27.所述占空比探测器的输入端与所述pwm控制模块的输出端连接，输出端与所述rs触发器的r端连接；
28.所述充放电次数检测单元的输入端与所述第二与门的输出端连接，输出端与所述rs触发器的s端连接；
29.所述rs触发器的输出端作为所述模式切换模块的输出端，与所述数据选择器的控制端连接。
30.本发明的第二方面还提供一种dc-dc转换器的控制方法，所述dc-dc转换器包括电感和与所述电感串联的电容，所述控制方法包括：
31.在pfm模式下，检测一个充电周期内电感充放电的次数，若充放电的次数达到预设次数，则将所述dc-dc转换器的工作模式切换为pwm模式；
32.在pwm模式下，检测pwm占空比，若pwm占空比小于第一阈值，则将所述dc-dc转换器
的工作模式切换为pfm模式。
33.于本发明的一实施例中，所述dc-dc转换器还包括第一开关和第二开关；
34.所述第一开关的源极与电源连接，所述第一开关的漏极与所述第二开关的漏极连接，所述第二开关的源极接地；所述电感的一端与所述第一开关的漏极连接，所述电感的另一端与所述电容的一端连接，所述电容的另一端接地；所述电感的另一端与负载的一端连接，所述负载的另一端接地；所述第一开关的栅极、所述第二开关的栅极分别与所述数据选择器的输出端连接；
35.在pfm模式和/或pwm模式下，若检测到电感电流为零，则关闭所述第二开关。
36.于本发明的一实施例中，所述检测一个充电周期内电感充放电的次数包括：
37.计算一个充电周期内所述第一开关或第二开关开启的次数，所述开启的次数即为一个充电周期内电感充放电的次数。
38.本发明的第三方面还提供一种dc-dc转换器，包括：第一实施方式中任一项所述的控制系统。
39.如上所述，本发明的一种dc-dc转换器的控制系统、方法及dc-dc转换器，具有以下有益效果：
40.本发明在pfm模式下，检测一个充电周期内电感充放电的次数，若充放电的次数达到预设次数，则将dc-dc转换器的工作模式切换为pwm模式；在pwm模式下，检测pwm占空比，若pwm占空比小于第一阈值，则将dc-dc转换器的工作模式切换为pfm模式。采用这种控制方式，不需要消耗额外的静态电流，可以大幅提高dc-dc转换器在轻负载时的电压转换效率，同时本发明还具有当电流突然增大，能够快速从pfm模式切换到pwm模式的瞬态响应性能。
附图说明
41.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1显示为本发明第一实施方式中公开的控制系统的连接示意图。
43.图2显示为本发明第一实施方式中公开的控制系统的另一种连接示意图。
44.图3显示为本发明第一实施方式中公开的pmf控制模块的连接示意图。
45.图4显示为本发明第一实施方式中公开的模式切换模块的连接示意图。
46.图5显示为本发明第一实施方式中公开的pmf模式的波形图。
47.图6显示为本发明第一实施方式中公开的两种模式切换的波形图。
48.图7显示为图6的t1时刻的放大图。
49.图8显示为图6的t2时刻的放大图。
50.图9显示为本发明第二实施方式中公开的控制方法的流程图。
具体实施方式
51.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实
施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
52.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
53.请参阅图1，本发明的第一实施方式涉及一种dc-dc转换器的控制系统，用于根据dc-dc转换器的负载情况在pwm模式和pfm模式之间自动切换，当为轻负载时，环路工作在pfm模式，当为重负载时，环路工作在pwm模式。需要说明的是，本发明实施例中的重负载是指负载电流较大负载值较小的负载，轻负载是指负载电流较小、负载值较大的负载。
54.本实施例中的dc-dc转换器包括电感l1、电容c1、第一开关mp1、第二开关mn1、负载；其中，第一开关mp1为p型功率开关管；第二开关mn1为n型功率开关管。需要说明的是，图1中的负载采用了电阻r1和电阻r2进行分压，将电阻r2的电压作为反馈电压vfb接入控制系统，采用这种方案，是为了后续方便调节反馈电压vfb的大小，实际应用中可采用一个电阻或多个电阻，通过采用不同电阻两端的电压作为反馈电压，可将反馈电压设为多个等级。
55.继续说明，第一开关mp1的源极与电源vin连接，第一开关mp1的漏极与第二开关mn1的漏极连接，第二开关mn1的源极接地；电感l1的一端与第一开关mp1的漏极连接，电感l1的另一端与电容c1的一端连接，电容c1的另一端接地；电感l1的另一端与负载r1的一端连接，负载r1的另一端接地；应理解，图1中的dc-dc转换器仅为一种示例，本发明并不仅限于此。
56.请参阅图2，本实施例的dc-dc转换器的控制系统包括：
57.模式切换模块，用于在pfm模式下，检测一个充电周期内电感充放电的次数，若充放电的次数达到预设次数，输出第一控制信号；还用于在pwm模式下，检测pwm占空比，若pwm占空比小于第一阈值，输出第二控制信号。
58.控制模块，用于根据dc-dc转换器的反馈参数输出pwm控制信号或pfm控制信号；其中，本实施例的反馈参数包括反馈电压vfb、电感电流lo。
59.数据选择器，输入端与控制模块连接，控制端与模式切换模块连接，用于根据第一控制信号输出pwm控制信号；还用于根据第二控制信号输出pfm控制信号。应理解，数据选择器为多路选择开关，通过改变数据选择器控制端的高低电平，可选择第一路输出或第二路输出。本实施例中，将数据选择器上电后的初始状态选为输出pfm控制信号，使dc-dc转换器初始工作模式为pfm模式。
60.过零点探测器，用于根据电感电流lo输出第三控制信号到控制模块，当检测到电感电流lo在放电周期内过零点时，无论是pwm模式还是pfm模式，都将输出第三控制信号到控制模块，使控制模块关闭第二开关mn1，以防止电感电流转lo为负方向时损失电源转换效率。采用这种方案，pwm模式可支持ccm(连续电流)模式和dcm(非连续电流)模式，保证dc-dc转换器在电流突变时，可以平稳的供电。
61.驱动模块，用于驱动数据选择器输出的pwm控制信号或pfm控制信号，增加pwm控制信号或pfm控制信号的输出功率。其中，驱动模块包括第一驱动器、第二驱动器，第一驱动器
的输入端与数据选择器的输出端连接，输出端与第一开关mp1的栅极连接；第二驱动器的输入端与数据选择器的输出端连接，输出端与第二开关mn1的栅极连接。
62.进一步说明，控制模块包括：
63.pwm控制模块，用于根据dc-dc转换器的反馈参数输出pwm控制信号，并控制pwm控制信号的pwm占空比。应理解，pwm控制模块用于输出数字pwm信号来控制电源的通或断，并可通过输出端的反馈参数调整pwm信号的占空比，现有技术中有多种成熟的实现方式，例如通过波形发生器产生高频调制波，再经过比较器产生pwm信号，或者采用可编程的芯片产生pwm信号，本方案不对其具体电路进行限定。
64.pfm控制模块，用于根据dc-dc转换器的反馈参数输出pfm控制信号，并控制pfm控制信号的频率。
65.请参阅图3，在一个可行的实施例中，pfm控制模块包括：过电流探测器、低电压探测器、第一反相器、第二反相器、第一与门、第二与门；
66.过电流探测器的输入端分别与电感电流lo、参考电压vref连接，输出端分别与第一反相器的输入端、第二与门的第一输入端连接；
67.第一反相器的输出端与第一与门的第一输入端连接；
68.低电压探测器的反相输入端与电容电压vfb连接，同相输入端与参考电压vref连接，输出端与第一与门的第二输入端连接；
69.第二反相器的输入端与过零点探测器的输出端连接，输入端与第二与门的第二输入端连接；
70.第一与门的输出端、第二与门的输出端分别与数据选择器的输入端连接。
71.设定dc-dc转换器上电时，工作在pfm模式，此时低电压探测器检测到输出电压低于参考电压vref，低电压探测器的输出信号lvd_out为高电平，该高电平经过第一与门输入数据选择器，使第一开关mp1导通，电感电流lo逐渐升高，给输出电容c1充电。充电期间，过电流探测器检测电感电流lo的大小，当电感电流lo上升到限流值ipeak时，过电流探测器输出高电平到第一反相器的输入端，第一反相器输出的低电平使第一与门输出低电平到数据选择器，使第一开关mp1关闭；同时，过电流探测器的输出信号ocd_latcht为高电平，经第二与门输入数据选择器，使第二开关mn1导通，电感电流lo逐渐减小，当减小到零时，过零点探测器的输出信号zcd_latcht为高电平，输出到第二反相器，第二反相器输出低电平到第二与门，使第二开关mn1关闭。若此时输出电压达到设定阈值，则控制系统处于空闲周期，在此期间，第一开关mp1、第二开关mn1和过电流探测器均处于关闭状态，不消耗静态电流，仅保留低电压探测器处于开启状态，用于检测输出电压的状态，此时控制系统的控制环路仅消耗100na左右的静态电流，消耗极低，此时负载电流由输出电容c1提供。若此时输出电压vout还未达到设定阈值，或者当输出电压vout再次低于设定阈值时，pfm控制环路重复上述过程，直到输出电压达到设定阈值后，再进入空闲周期。
72.需要说明的是，本实施例中的设定阈值为参考电压vref，为了提高dc-dc转换器充放电的控制精度，在另一个可行的实施例中，可在充电过程中调整设定阈值的大小或反馈电压的大小，例如在充电初期，设定阈值为低电压阈值vl，若输出电压低于该低电压阈值vl，则开启第一开关mp1为电容c1充电；在充电一段时间后，设定阈值为高电压阈值vh，若输出电压低于该高电压阈值vh，则重复充电过程，直到输出电压达到该高电压阈值vh。
73.请参阅图5，当低电压探测器检测到输出电压vout低于低电压阈值vl，低电压探测器的输出信号lvd_out为高电平，第一开关mp1导通，电感电流lo逐渐升高，给输出电容c1充电。充电期间，过电流探测器检测电感电流lo的大小，当电感电流lo上升到限流值ipeak时，过电流探测器的输出信号ocd_latcht高电平，使第一开关mp1关闭、使第二开关mn1导通，此时，电感电流lo逐渐减小，当减小到零时，过零点探测器的输出信号zcd_latcht为高电平，使第二开关mn1关闭。若此时输出电压达到高电压阈值vh，则控制系统处于空闲周期，在此期间，负载电流由输出电容c1提供；若输出电压vout未达到高电压阈值vh，或者当输出电压vout再次低于高电压阈值vh时，pfm控制环路重复上述过程，直到输出电压达到设定阈值后，再进入空闲周期。
74.请参阅图4，模式切换模块包括：占空比探测器、充放电次数检测单元及rs触发器；
75.占空比探测器的输入端与pwm控制模块的输出端连接，输出端与rs触发器的r端连接。应理解，占空比探测器在现有技术中有多种成熟的实现方式，例如若pwm控制模块采用数字方式实现，则自身即带有占空比探测功能；若pwm控制模块采用模拟方式实现，则采用具有计数功能的数字电路即可实现空比探测功能，本方案不对其具体电路进行限定。
76.充放电次数检测单元的输入端与第二与门的输出端连接，输出端与rs触发器的s端连接。
77.rs触发器的输出端作为模式切换模块的输出端，与数据选择器的控制端连接。
78.进一步说明，在pwm模式下，本实施例的pwm模式支持dcm模式，当负载电流降低到进入dcm模式时，控制第一开关mp1和/或第二开关mn1的pwm占空比与负载电流成正比，因此可以通过探测pwm占空比来估计dcm模式下负载电流的范围，当负载电流低于pwm模式时的低阈值il_pwm时，相应的占空比就会低于低阈值dutycycle_low，此时，占空比探测器输出高电平到rs触发器的r端，rs触发器输出低电平到数据选择器的控制端，数据选择器输出pfm控制信号，此时，控制系统的工作模式切换到pfm模式。应理解，负载电流为电感电流lo。
79.在pfm模式下，一次充电周期内电感需要循环的次数nc是与负载电流成反比的，
[0080][0081]
其中，ipeak为电感l1的限流值；iload为负载电流；lo为电感l1的电流；vin为输入电压；vout为输出电压。
[0082]
因此，可以通过计算一次充电周期内第一开关mp1或第二开关mn1开启的次数来估计负载电流的范围，在一个可行的实施例中，充放电次数检测单元的输入端也可与第一与门的输出端连接。如果负载电流达到高阈值iload＝ih_pfm，对应的第二与门的输出信号lowside_on上升沿计数nc将会达到预设次数nc_th，此时充放电次数检测单元输出高电平到rs触发器的s端，rs触发器输出高电平到数据选择器的控制端，数据选择器输出pwm控制信号，此时，控制系统的工作模式切换到pwm模式。应理解，充放电次数检测单元用于检测电平的上升信号并计数，具体可通过数字比较器和计数器来实现该功能。
[0083]
上述模式的切换仅通过数字电路来实现，不需要消耗静态电流，极大地提高了dc-dc转换器的转换效率。
[0084]
请参阅图6-图8，t1时刻，若负载电流从10ma突然增大到500ma，dc-dc转换器从pfm
模式快速切换到pwm模式，输出电压vout的下冲小于100mv，当负载电流增大到500ma时，充电周期中电感的充放次数nc》nc_th，本实施例中nc_th设为4，则充放电次数检测单元的输出端置高，工作模式切换到pwm模式，保证平稳的供电。t2时刻，若负载电流骤降到10ma，dc-dc转换器先进入dcm模式，环路的占空比逐渐降低，在t3时刻占空比减小到低阈值dutycycle_low，占空比探测器输出端置高，工作模式切换到pfm模式。
[0085]
此外，通过合理选取电感电流lo的限流值ipeak、预设次数nc_th，可以控制pfm模式到pwm模式的切换速度。
[0086]
可见，本实施方式在pfm模式下，检测一个充电周期内电感充放电的次数，若充放电的次数达到预设次数，则将dc-dc转换器的工作模式切换为pwm模式；在pwm模式下，检测pwm占空比，若pwm占空比小于第一阈值，则将dc-dc转换器的工作模式切换为pfm模式。采用这种控制方式，不需要消耗额外的静态电流，可以大幅提高dc-dc转换器在轻负载时的电压转换效率，同时本发明还具有当电流突然增大，能够快速从pfm模式切换到pwm模式的瞬态响应性能。
[0087]
请参阅图9，本发明的第二实施方式涉及一种dc-dc转换器的控制方法，该控制方法应用于第一实施方式中公开的控制系统，控制方法包括：
[0088]
步骤s1、在pfm模式下，检测一个充电周期内电感充放电的次数，若充放电的次数达到预设次数，则将所述dc-dc转换器的工作模式切换为pwm模式。
[0089]
具体的说，设定dc-dc转换器上电时，工作在pfm模式，由于一次充电周期内电感需要循环的次数nc是与负载电流成反比的，
[0090][0091]
其中，ipeak为电感电流l1的限流值；iload为负载电流；lo为电感l1的电流；vin为输入电压；vout为输出电压。
[0092]
因此，可以通过计算一次充电周期内第一开关mp1或第二开关mn1开启的次数来估计负载电流的范围，在一个可行的实施例中，充放电次数检测单元的输入端也可与第一与门的输出端连接。如果负载电流达到高阈值iload＝ih_pfm，对应的第二与门的输出信号lowside_on上升沿计数nc将会达到预设次数nc_th，此时充放电次数检测单元输出高电平到rs触发器的s端，rs触发器输出高电平到数据选择器的控制端，数据选择器输出pwm控制信号，此时，控制系统的工作模式切换到pwm模式。
[0093]
步骤s2、在pwm模式下，检测pwm占空比，若pwm占空比小于第一阈值，则将所述dc-dc转换器的工作模式切换为pfm模式。
[0094]
具体的说，在pwm模式下，本实施例的pwm模式支持dcm模式，当负载电流降低到进入dcm模式时，控制第一开关mp1和/或第二开关mn1的pwm占空比与负载电流成正比，因此可以通过探测pwm占空比来估计dcm模式下负载电流的范围，当负载电流低于pwm模式时的低阈值il_pwm时，相应的占空比就会低于低阈值dutycycle_low，此时，占空比探测器输出高电平到rs触发器的r端，rs触发器输出低电平到数据选择器的控制端，数据选择器输出pfm控制信号，此时，控制系统的工作模式切换到pfm模式。
[0095]
在pfm模式和/或pwm模式下，若检测到电感电流为零，则关闭所述第二开关。
[0096]
可见，本实施方式在pfm模式下，检测一个充电周期内电感充放电的次数，若充放电的次数达到预设次数，则将dc-dc转换器的工作模式切换为pwm模式；在pwm模式下，检测pwm占空比，若pwm占空比小于第一阈值，则将dc-dc转换器的工作模式切换为pfm模式。采用这种控制方式，不需要消耗额外的静态电流，可以大幅提高dc-dc转换器在轻负载时的电压转换效率，同时本发明还具有当电流突然增大，能够快速从pfm模式切换到pwm模式的瞬态响应性能。
[0097]
本发明的第三实施方式涉及一种dc-dc转换器，该dc-dc转换器包括第一实施方式中公开的控制系统，且该控制系统采用第二实施方式中公开的控制方法进行工作模式的切换。
[0098]
综上，本发明的一种dc-dc转换器的控制系统、方法及dc-dc转换器，在pfm模式下，检测一个充电周期内电感充放电的次数，若充放电的次数达到预设次数，则将dc-dc转换器的工作模式切换为pwm模式；在pwm模式下，检测pwm占空比，若pwm占空比小于第一阈值，则将dc-dc转换器的工作模式切换为pfm模式。采用这种控制方式，不需要消耗额外的静态电流，可以大幅提高dc-dc转换器在轻负载时的电压转换效率，同时本发明还具有当电流突然增大，能够快速从pfm模式切换到pwm模式的瞬态响应性能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0099]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。