可实现输出功率快速切换的DC-DC电源架构及其控制方法与流程

可实现输出功率快速切换的dc-dc电源架构及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及一种dc-dc电源架构及其控制方法，尤其涉及一种可实现输出功率快速切换的dc-dc电源架构及其控制方法。


背景技术：

2.可变输出功率的dc-dc电源架构及其控制方法的最基本的实现方式，参见图1，以降压式变换电路(buck电路)为例，第一种可变输出功率dc-dc电源架构，采其工作原理是，在常规dc-dc电源架构的基础上，增加数模转换单元(dac)，即图1中的第一数模转换单元dac1，使得当系统检测到在某个模式下，需要调整输出电压vout来改变电源系统对负载的功率供给时，中央控制单元能够通过数字接口下发指令，修改寄存器中存储的dac码字，从而修改第一数模转换单元dac1输出端的第一参考电压vref1，然后环路在负反馈调整作用下，达到改变电源输出电压的目的。
3.图1省略了外围辅助电路；其逻辑控制单元logic为pwm/pfm/cot等控制电路，ea为误差放大器，用于提高环路增益；第一比较器comp1为主环路比较器，完成负反馈环路调整功能；轻载时，buck电路效率下降，输出电压vout纹波增大，反馈电压vfb波动也增大。
4.为了提高效率，可以在第一种可变输出功率dc-dc电源架构的基础上，加入第二比较器comp2，然后设置其输入参考电压为第二参考电压vref2，其中第二参考电压vref2＞第一参考电压vref1。当反馈电压vfb＞第二参考电压vref2时，通过比较结果控制逻辑控制单元logic，关闭环路中除第二比较器comp2之外其它耗电部分的电路。当输出电压降低，导致反馈电压vfb下降到第二参考电压vref2之下时，系统环路再次建立。通过此动态调节，达到提高轻载情况下系统效率的目的，称这种模式为低功耗模式(low-iq模式)。此时驱动单元driver输出维持mos功率管输出为悬空状态(floating状态)。
5.需要注意的是，若加入低功耗模式，则在不同输出电压的轻载状态下为了提高效率，就要第二参考电压vref2能够跟随第一参考电压vref1同方向变化，这需要额外添加第二数模转换单元dac2，造成电路板或者集成芯片面积的浪费。在dac位数较大时，这种劣势会愈加严重。
6.除此之外，该dc-dc电源架构还存在一个需要克服的缺点：因buck环路较为复杂，dc-dc电源架构在做动态输出切换时，输出电压vout会在比较宽的范围内变化，这需要数模转换单元控制相应的参考电压在一个比较宽的范围内变化，这在一定程度上会增加比较器的设计复杂度，例如对输入共模电压范围的需求更为严格；还有静态工作点的漂移，也可能影响不同输出情况下电源系统的环路稳定性；在设计仿真上也会带来一系列负面影响。
7.第二种可变输出功率dc-dc电源架构的模块构成与第一种架构的的不同之处在于第二种架构将调整输出电压vout的数模转换单元dac放在输出反馈电阻处，参见图2。
8.与第一种架构相比，该架构主要有以下两个优点：
9.1)该架构只需要一个数模转换单元dac即可兼顾输出电压动态变化和实现低功耗模式跟踪判别两个目的。
10.2)用到的比较器的输入参考电压都为固定值，比较器设计和环路稳定性验证都比较容易。
11.但该架构存在一个不足：当dac码字使反馈电阻rf的阻值由大变小时，由于输出电压vout1变化速率较慢的原因，数模转换单元dac状态切换瞬间，反馈电阻rf两端会产生流过增益电阻rg的瞬态电流，从而造成反馈电压vfb1的节点电压存在较大过冲，此节点为高阻节点，这会造成反馈电压vfb1的节点电压恢复过程过长，从而导致输出电压vout1由高向低切换时的稳定时间较长。比较糟糕的是，反馈电压vfb1的这种过冲往往大于第二参考电压vref2，这会触发之前提到的低功耗模式，即主动断开环路调整，致使环路失去nmos功率管下拉调整能力，使得输出电压vout1切换过程中的建立时间恶化到难以接受的程度。
12.当输出电压vout1向高电压切换时，系统从根本上来讲，不会进入低功耗模式，此时虽然反馈电压vfb1仍为高阻节点，但在环路负反馈作用下，系统稳定时间反而较短。因此只需要考虑数模转换单元控制输出电压下跳过程即可，在此过程中，如何消除或降低该不足带来的影响，不妨碍轻载时正常进入低功耗模式，又能使系统功率下跳时的建立时间满足性能需求，就成为该架构必须要解决的问题。


技术实现要素：

13.本发明目的是提供一种可实现输出功率快速切换的dc-dc电源架构及其控制方法，其解决了现有dc-dc电源架构输出电压vout1切换过程中的建立时间长的技术问题，可缩短输出电压vout1跳变后的稳定时间，实现输出功率的快速切换。
14.本发明的技术解决方案是：
15.一种可实现输出功率快速切换的dc-dc电源架构，其特殊之处是，包括依次连接且构成环路的驱动模块driver、开关模块、lc模块、采样模块和反馈控制模块；所述开关模块包括依次连接的pmos功率管和nmos功率管；所述采样模块包括数模转换单元dac，以及串联的反馈电阻rf和增益电阻rg；所述反馈电阻rf为数字可调电阻器，其阻值控制端接数模转换单元dac的输出端；所述反馈控制模块包括第一比较单元、第二比较单元、第一逻辑控制单元logic和下拉单元；所述第一逻辑控制单元logic的输出端接驱动模块driver的输入端，用于控制驱动模块driver工作；所述第一比较单元包括误差放大器ea和第一比较器comp1；所述误差放大器ea正输入端接第一参考电压vref1，其负输入端接反馈电阻rf与增益电阻rg的连接点；第一比较器comp1的正输入端接反馈电阻rf与增益电阻rg的连接点，其负输入端接误差放大器ea的输出端，其输出端接第一逻辑控制单元的其中一个输入端；所述第二比较单元包括第二比较器comp2、反相器以及或非门；第二比较器comp2的正输入端接反馈电阻rf与增益电阻rg的连接点，其负输入端接第一阈值电压vth_1，其输出端通过反相器后接或非门的其中一个输入端；所述或非门的另一个输入端接控制信号vctrl，其输出端接第一逻辑控制单元的另一个输入端；所述下拉单元包括第三比较器comp3、延时单元delay和下拉nmos管nmos1；第三比较器comp3的正输入端接反馈电阻rf与增益电阻rg的连接点，其负输入端接第二阈值电压vth_2，其输出端通过延时单元延时后输出控制信号vctrl；所述控制信号vctrl接下拉nmos管nmos1的栅极；所述下拉nmos管nmos1的漏极接反馈电阻rf与增益电阻rg的连接点，其源极连接参考电压vref；所述第一参考电压vref1为固定值；所述第一阈值电压vth_1为固定值；所述第二阈值电压vth_2为固定值，且第二阈值电
压vth_2＞第一阈值电压vth_1＞参考电压vref＞第一参考电压vref1。
16.上述参考电压vref＝vref1+b，其中b取值5-20mv，优选10mv。
17.本发明还提供上述可变输出功率dc-dc电源架构的控制方法，包括以下步骤：
18.驱动模块控制开关模块的通断；
19.开关模块在半个周期内控制电源向负载rl提供输出电压vout2，在另半个周期内由lc模块中的电容cs向负载rl提供输出电压vout2；当需要调整输出电压vout2来改变电源对负载rl的功率供给时，中央控制单元通过数模转换单元dac，调整采样模块中的反馈电阻rf的阻值，相应调整反馈电压vfb2的大小；反馈控制模块中第一比较器comp1将反馈电压vfb2与第一参考电压vref1比较，第二比较器comp2将反馈电压vfb2与第一阈值电压vth_1进行比较，第三比较器comp3将反馈电压vfb2与第二阈值电压vth_2进行比较；
20.当反馈电压vfb2大于第一参考电压vref1时，第一比较器comp1输出相应的负反馈控制信号，驱动模块在负反馈控制信号作用下，驱动环路调整输出电压vout2大小；
21.当反馈电压vfb2大于第一阈值电压vth_1时，第二比较器comp2输出相应的负反馈控制信号，驱动模块在负反馈控制信号作用下，关闭电源架构环路中除第二比较单元和第三比较单元之外的其它耗电电路；
22.当反馈电压vfb2大于第二阈值电压vth_2时，第三比较器comp3经过延时单元延时后输出的控制信号vctrl控制下拉nmos管nmos1下拉，将反馈电压vfb2下拉到参考电压vref，让电源架构环路迅速恢复，依靠环路负反馈来加快输出功率跳变调整；所述参考电压vref大于第一参考电压vref1且小于第一阈值电压vth_1。
23.本发明的有益效果：
24.本发明只需在常规dc-dc电源架构的基础上增加一个常规的比较器、一个延迟单元td、一个用于下拉的下拉nmos管nmos1，同时设置控制信号vctrl变高时的优先级高于低功耗模式使能信号即可加快输出功率跳变调整，实现方法简单，且芯片结构更加简单。本发明适合用于各种dc-dc电源架构。
25.本发明解决了现有dc-dc电源架构输出电压vout1切换过程中的建立时间长的技术问题，可缩短输出电压vout1跳变后的稳定时间，实现输出功率的快速切换。
附图说明
26.图1为现有第一种可变输出功率dc-dc电源架构示意图；
27.图2为现有第二种可变输出功率dc-dc电源架构示意图；
28.图3为本发明可快速切换输出功率的dc-dc电源架构示意图；
29.图4为本发明各比较器作用阶段及参考电压关系示意图；
30.图5为现有电源架构与本发明可快速切换输出功率的的dc-dc电源架构的关键节点波形效果对比示意图。
具体实施方式
31.本发明一种可实现输出功率快速切换的dc-dc电源架构，参见图3，其特殊之处是，包括依次连接且构成环路的驱动模块driver、开关模块、lc模块、采样模块和反馈控制模块；所述开关模块包括依次连接的pmos功率管和nmos功率管；所述采样模块包括数模转换
单元dac，以及串联的反馈电阻rf和增益电阻rg；所述反馈电阻rf为数字可调电阻器，其阻值控制端接数模转换单元dac的输出端；所述反馈控制模块包括第一比较单元、第二比较单元、第一逻辑控制单元logic和下拉单元；所述第一逻辑控制单元logic的输出端接驱动模块driver的输入端，用于控制驱动模块driver工作；所述第一比较单元包括误差放大器ea和第一比较器comp1；所述误差放大器ea正输入端接第一参考电压vref1，其负输入端接反馈电阻rf与增益电阻rg的连接点；第一比较器comp1的正输入端接反馈电阻rf与增益电阻rg的连接点，其负输入端接误差放大器ea的输出端，其输出端接第一逻辑控制单元的其中一个输入端；所述第二比较单元包括第二比较器comp2、反相器以及或非门；第二比较器comp2的正输入端接反馈电阻rf与增益电阻rg的连接点，其负输入端接第一阈值电压vth_1，其输出端通过反相器后接或非门的其中一个输入端；所述或非门的另一个输入端接控制信号vctrl，其输出端接第一逻辑控制单元的另一个输入端；所述下拉单元包括第三比较器comp3、延时单元delay和下拉nmos管nmos1；第三比较器comp3的正输入端接反馈电阻rf与增益电阻rg的连接点，其负输入端接第二阈值电压vth_2，其输出端通过延时单元延时后输出控制信号vctrl；所述控制信号vctrl接下拉nmos管nmos1的栅极；所述下拉nmos管nmos1的漏极接反馈电阻rf与增益电阻rg的连接点，其源极连接参考电压vref；所述第一参考电压vref1为固定值；所述第一阈值电压vth_1为固定值；所述第二阈值电压vth_2为固定值，且第二阈值电压vth_2＞第一阈值电压vth_1＞参考电压vref＞第一参考电压vref1。
32.优选的，上述参考电压vref＝vref1+b，其中b取值5-20mv，优选10mv。
33.当输出电压vout2由高向低变化时，流过反馈电阻rf的电流会瞬间增大，使反馈电压vfb2的节点电压被瞬间抬升，当反馈电压vfb2＞第二阈值电压vth_2＞第一阈值电压vth_1时，第三比较器comp3的输出变高，控制图3中的第一nmos管nmos1下拉，将vfb2节点(反馈电阻rf与增益电阻rg的连接点)的反馈电压拉到参考电压vref(第一参考电压vref1＜参考电压vref＜第一阈值电压vth_1，通常取vref＝vref1+b，b取值5-20mv，优选10mv)。因为在正常轻载状态，系统会在反馈电压vfb2＞第一阈值电压vth_1时，暂时地同时关闭开关电路中的pmos功率管和nmos功率管来提高系统效率。在此期间环路被断开，只靠输出电容cs供电，反馈电压vfb2被第三比较器comp3的输出拉回参考电压vref(参考电压vref＜第一阈值电压vth_1，且参考电压vref应具备吸收反馈电压vfb2瞬时积累多余电荷的能力)，就能直接跳过第二比较器comp2的作用，强制摆脱假低功耗模式，让环路迅速恢复，依靠环路负反馈来加快输出功率跳变调整。图3中，只需要增加一个常规的比较器、一个延迟单元td、一个用于下拉的下拉nmos管nmos1，同时设置控制信号vctrl变高时的优先级高于低功耗模式使能信号即可，实现方法较为简单。
34.本发明还提供上述可变输出功率dc-dc电源架构的控制方法，包括以下步骤：
35.驱动模块控制开关模块的通断；
36.开关模块在半个周期内控制电源向负载rl提供输出电压vout2，在另半个周期内由lc模块中的电容cs向负载rl提供输出电压vout2；当需要调整输出电压vout2来改变电源对负载rl的功率供给时，中央控制单元通过数模转换单元dac，调整采样模块中的反馈电阻rf的阻值，相应调整反馈电压vfb2的大小；反馈控制模块中第一比较器comp1将反馈电压vfb2与第一参考电压vref1比较，第二比较器comp2将反馈电压vfb2与第一阈值电压vth_1进行比较，第三比较器comp3将反馈电压vfb2与第二阈值电压vth_2进行比较；
37.当反馈电压vfb2大于第一参考电压vref1时，第一比较器comp1输出相应的负反馈控制信号，驱动模块在负反馈控制信号作用下，驱动环路调整输出电压vout2大小；
38.当反馈电压vfb2大于第一阈值电压vth_1时，第二比较器comp2输出相应的负反馈控制信号，驱动模块在负反馈控制信号作用下，关闭电源架构环路中除第二比较单元和第三比较单元之外的其它耗电电路；
39.当反馈电压vfb2大于第二阈值电压vth_2时，第三比较器comp3经过延时单元延时后输出的控制信号vctrl控制下拉nmos管nmos1下拉，将反馈电压vfb2下拉到参考电压vref，让电源架构环路迅速恢复，依靠环路负反馈来加快输出功率跳变调整；所述参考电压vref大于第一参考电压vref1且小于第一阈值电压vth_1。
40.图4为三个比较器作用阶段说明图。图5为实际电路仿真测试结果，从图中可以看到，加入控制逻辑后，输出电压vout2跳变后的稳定时间由原来的380us减少到约为37us；显然，本发明只需在常规dc-dc电源架构的基础上增加一个常规的比较器、一个延迟单元td、一个用于下拉的下拉nmos管nmos1，同时设置控制信号vctrl变高时的优先级高于低功耗模式使能信号即可加快输出功率跳变调整，能够有效解决现有dc-dc电源架构输出电压vout1切换过程中的建立时间长的技术问题，可缩短输出电压vout1跳变后的稳定时间，实现输出功率的快速切换，实现方法简单，且芯片结构更加简单。