CN104753346B - 一种提高buck电路的效率的技术 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种提高BUCK电路的效率的技术。本申请的BUCK电路在常规的BUCK电路上添加了附加的PMOS管和NMOS管以及选通控制器，根据输出节点电压信号的占空比来控制附加的PMOS管的NMOS的选通或不选通，从而实现了不同输出情况下PMOS管和NMOS管的整体Rdson的动态的减小，提高了BUCK电路的效率。
Description
技术领域
本申请一般地涉及一种提高BUCK电路的效率的技术，特别涉及一种经改进的BUCK电路。
背景技术
在使用直流源的电子设备中，需要采取电压变换器将电源的电压转换为所需的工作电压。BUCK电路即一种广泛使用的降压式转换电路，主要用于直流到直流（DC-DC）的降压变换，通常适用于低压大电流应用领域。
一种常规的BUCK电路100的电路结构如图1A的示意图所示。图1A的BUCK电路主要包括开关元件网络、PWM调制和驱动模块、电流感测和补偿模块、误差反馈模块等。在图1A中，Vdd为BUCK电路的输入端，其中第一PMOS管Mp0、第二PMOS管Mp1、第一NMOS管Mn1构成开关元件网络，第一PMOS管Mp0和第二PMOS管Mp1的源极耦合至Vdd，漏极在输出节点LX处连接至第一NMOS管Mn1的漏极，第一NMOS管Mn1的源极接地。电感器L一端连接至输出节点LX，另一端连接至电容器C，电容器C的另一端接地。在PWM调制器104输出的两路PWM驱动信号的驱动下，第一PMOS管Mp0、第二PMOS管Mp1、第一NMOS管Mn1导通或者关断，通过电感器L与电容器C的作用在电容器C两端提供直流输出电压Vout。PWM调制器104的两路输出波形是周期相同的方波，但通过调整其相位及占空比，确保PMOS管Mp0、Mp1和NMOS管Mn1不会同时处于导通/关断状态。驱动电路1的示例性的两路输出波形如图1B所示。电流感测和补偿模块和误差反馈模块分别用于提供电流补偿和误差反馈，以调节PWM调制器输出的驱动信号。
然而，已发现作为开关元件的MOS管的Rdson（漏源导通电阻）是影响BUCK电路的转换效率的因素之一。作为开关元件的MOS管的Rdson会造成损耗，对于BUCK电路的转换效率有不利影响。此外，由于作为开关元件的MOS管的Rdson的影响，现有的BUCK电路在不同的输出电压下的转换效率存在差异，其中在一些情况下转换效率差。
为了减小MOS管的Rdson对BUCK电路转换效率的影响，目前业内的主要手段是通过改进MOS管的制造工艺、调整MOS管的制造参数等手段来减小其自身的Rdson。然而，这些手段受限于工艺改进的极限、制造成本考虑等等，无法投入大规模商业制造。
发明内容
本申请旨在提供一种改进的BUCK电路。本申请的BUCK电路在常规的BUCK电路上添加了附加的PMOS管和NMOS管以及选通控制器，根据输出节点电压信号的占空比来控制附加的PMOS管的NMOS的选通或不选通，从而实现了不同输出情况下PMOS管和NMOS管的整体Rdson的动态的减小，提高了BUCK电路的效率。
根据本申请的第一方面，提供了一种BUCK电路，包括：开关元件网络，包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管，第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管的源极耦合至输入直流电压Vdd，所述第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管的漏极与所述第一NMOS管、第二NMOS管的漏极彼此耦合以形成开关元件网络的输出节点，所述第一NMOS管、第二NMOS管的源极接地；电感器，耦合至所述开关元件网络的输出节点；电容器，耦合在所述电感器与接地之间，所述电感器与所述电容器之间的耦合节点形成所述BUCK电路的输出端Vout以提供输出直流电压；PWM调制器，用于提供PWM驱动信号，其具有第一输出和第二输出，所述第一输出耦合至所述第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管的栅极以提供第一PWM驱动信号，所述第二输出耦合至所述第一NMOS管、第二NMOS管的栅极以提供第二PWM驱动信号；第一选通控制器，耦合在PMW调制器的第一输出与第三PMOS管的栅极之间；以及第二选通控制器，耦合在PMW调制器的第二输出与第二NMOS管的栅极之间，其中，所述第一选通控制器和所述第二选通控制器根据开关元件网络的输出节点处的电压信号的占空比来选通或不选通。
根据本申请的第二方面，当开关元件网络的输出节点处的电压信号的占空比大于一占空比阈值时，所述第一选通控制器选通，而所述第二选通控制器不选通；当开关元件网络的输出节点处的电压信号的占空比小于所述占空比阈值时，所述第一选通控制器不选通，而所述第二选通控制器选通。
根据本申请的第三方面，所述占空比阈值是50%。
根据本申请的第四方面，BUCK电路还包括电阻反馈网络，其连接在电压输出端Vout与接地之间，以提供输出直流电压的分压作为反馈电压，用来调节所述PWM调制器的输出。
根据本申请的第五方面，BUCK电路还包括误差放大器，所述误差放大器在其反相输入端（-）接收来自电阻网络的反馈电压Vfb，在其非反相输入端（+）接收基准电压Vref，并在其输出端产生误差放大信号。
根据本申请的第六方面，BUCK电路还包括电流感测和补偿模块，用于感测流过第一PMOS管的电流并提供补偿信号，以调节所述PWM调制器的输出。
根据本申请的第七方面，BUCK电路还包括比较器，所述比较器在其反相输入端（-）接收来自电流感测和补偿模块的补偿信号，在其非反相输入端（+）接收来自误差放大器的误差放大信号，并在其输出端产生比较结果信号，用来调节所述PWM调制器的输出。
根据本申请的第八方面，BUCK电路还包括时钟发生器，用于向所述PWM调制器和所述电流感测和补偿模块提供时钟信号。
根据本申请的第九方面，BUCK电路还包括零点检测器，用于向PWM控制器提供零点检测信号。
在本文中，术语“连接”或“耦合”被定义为两个主体之间的连接，不过不一定是直接的连接，也可包括通过其他中间节点或设备而实现的间接连接关系。
本文中所使用的术语“包括”、“具有”、“包含”、以及“含有”是开放式的连接动词。因此，一种装置“包括”、“具有”、“包含”或“含有”一个或一个以上组件指的是：该装置具有那些一个或一个以上组件，但并不是仅仅具有那些一个或一个以上组件，也可包括其他的本文中未提及的一个或一个以上组件。
应当理解，本申请以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本申请提供进一步的解释。
附图说明
包括附图是为提供对本申请进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本申请的实施例，并与本说明书一起起到解释本申请原理的作用。在结合附图并阅读了下面的对特定的非限制性本申请的实施例之后，本申请的其他特征以及优点将变得易于理解。其中：
图1A示出常规的BUCK电路的电路结构图。
图1B示出图1A中的PWM调制器104的输出驱动信号。
图2示出根据本申请的实施例的BUCK电路的电路结构图。
图3示出了输出电压为高电位和低电位时输出节点LX的输出波形的示意图。
具体实施方式
参考在附图中示出和在以下描述中详述的非限制性实施例，更完整地说明本申请的多个技术特征和有利细节。并且，以下描述忽略了对公知的原始材料、处理技术、组件以及设备的描述，以免不必要地混淆本申请的技术要点。然而，本领域技术人员会理解到，在下文中描述本申请的实施例时，描述和特定示例仅作为说明而非限制的方式来给出。
在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。
在常规的BUCK电路中，由于作为开关元件的MOS管的Rdson的影响，在不同的输出电压的情况下的转换效率存在差异，其中在一些情况下转换效率差。基于此，本申请提供一种改进的BUCK电路，该BUCK电路可提高转换效率。
图2示出了根据本申请的实施例的BUCK电路的结构图。如图2所示，该BUCK电路200主要包括输入端Vdd、开关元件网络、PWM调制器204、电感器L、电容器C、电阻反馈网络、第一选通控制器A、第二选通控制器B、时钟发生器212、电流感测和补偿模块202、误差放大器210、比较器208、零点检测器206等。
在图2的BUCK电路200中，开关元件网络包括作为开关元件的第一PMOS管Mp0、第二PMOS管Mp1、第三PMOS管Mp2、第一NMOS管Mn1、第二NMOS管Mn2。第一PMOS管Mp0、第二PMOS管Mp1、第三PMOS管Mp2的源极耦合至Vdd，其漏极与第一NMOS管Mn1、第二NMOS管Mn2的漏极彼此耦合以形成开关元件网络的输出节点LX。第一NMOS管Mn1和第二NMOS管Mn2的源极接地（GND）。
电感器L的一端与电容器C的一端串联耦合，另一端（不连接至电容器C的那端）耦合至输出节点LX，电容器C的另一端接地。电感器L与电容器C之间耦合的节点即构成BUCK电路200的输出端Vout。
在图2的BUCK电路200中，PWM调制器204用于产生PWM驱动信号，以控制开关元件网络中的各个开关元件的导通或关断。具体而言，PWM调制器204的第一输出耦合至第一PMOS管Mp0、第二PMOS管Mp1、第三PMOS管Mp2的栅极，以产生PWM控制信号Gp来控制第一PMOS管Mp0、第二PMOS管Mp1、第三PMOS管的导通与关断；PWM调制器204的第二输出耦合至第一NMOS管Mn1和第二NMOS管Mn2的栅极，以产生PWM控制信号来控制第一NMOS管Mn1和第二NMOS管Mn2的导通与关断。
图2的BUCK电路200还包括电阻反馈网络。该电阻反馈网络包括串联连接的电阻器R2和R3。电阻器R2的一端耦合至输出端Vout，另一端串联连接于电阻R3，电阻R3的另一端接地。电阻R2和R3构成的分压器对BUCK电路输出端Vout处的电压分压，从电阻R2和R3之间的串联节点输出反馈电压信号Vfb，该反馈电压信号Vfb被反馈至误差放大器210的反相输入端（-）。误差放大器210在非反相输入端（＋）接收基准电压信号Vref。误差运算放大器210在其输出端将误差放大信号提供给比较器208的非反相输入端（＋）。
时钟发生器212输出时钟信号至电流感测和补偿模块202和PWM调制器204。电流感测和补偿模块202跨接在与第一PMOS管串联连接的电阻R1两端，用于感测输出电流并提供补偿信号。电流感测和补偿模块202的输出耦合至比较器208的反向输入端（＋）。
比较器208将其反相输入端上接收到的来自电流感测和补偿模块202的补偿信号与其非反相输入接收到的来自误差放大器210的误差放大信号进行比较，将比较结果信号输出至PWM调制器204的输入。零点检测器206将零点检测信号提供给PWM调制器的另一输入。
如图2所示，第一选通控制器A耦合在PWM调制器的第一输入Gp与第三PMOS管Mp2的栅极之间，且第二选通控制器B耦合在PWM调制器的第二输入Gn与第二NMOS管Mn2的栅极之间。第一选通控制器A用于根据开关元件网络的输出节点LX处的电压信号的占空比来选通或不选通，以将或不将PWM调制器的第一驱动信号施加至第三PMOS管Mp2的栅极。第二选通控制器B用于根据开关元件网络的输出节点LX处的电压信号的占空比来选通或不选通，以将或不将PWM调制器的第二驱动信号施加至第二NMOS管Mn2的栅极。
在本申请的一个方面中，第一选通控制器A和第二选通控制器B根据开关元件网络的输出节点LX处的电压信号的占空比来决定是否选通。在本申请的另一个方面中，对输出节点LX处的电压信号的占空比设定一占空比阈值，当输出节点LX处的电压信号的占空比大于该占空比阈值时，使第一选通控制器A选通，并使第二选通控制器B不选通，这样的配置使得PWM调制器的第一驱动信号Gp耦合至第三PMOS管Mp2的栅极而PWM调制器的第二驱动信号Gn不耦合至第二NMOS管Mn2的栅极；当输出节点LX处的电压信号的占空比小于该占空比阈值时，使第一选通控制器A不选通并使第二选通控制器B选通，这样的配置使得PWM调制器的第一驱动信号Gp不耦合至第三PMOS管Mp2的栅极而PWM调制器的第二驱动信号Gn耦合至第二NMOS管Mn2的栅极。在一个实施例中，该占空比阈值为50%。
选择以上选通方式是基于如下的考虑：如图3所示，当Vout输出电位相对较高时，输出节点LX的输出波形具有大占空比，因此PMOS管的开启时间较长，所以在Mp0、Mp1开启的同时也开启Mp2，从而降低PMOS管的整体Rdson。当Vout输出电位较低时，输出节点LX的输出波形具有小占空比，因此NMOS管的开启时间较长，所以在Mn1开启的同时也开启Mn2，从而降低NMOS的整体Rdson。
可见，在发明的BUCK电路中，通过利用选通控制器来选择性地选通或不选通作为开关元件的PMOS管和NMOS管，可在不同的输出电压条件下都能实现转换效率的提高。选通控制器A和B可采用本领域任何可用的手段来检测输出节点LX的输出波形的占空比。
虽然本申请的上述实施例给出了三个PMOS管、两个NMOS管的示例，但本发明的范围不限于此。本领域技术人员将理解，可在本申请的BUCK电路中提供更多附加的PMOS管和NMOS管，并针对每个附加的PMOS管和NMOS管设定不同的占空比阈值，以使它们在不同的输出电压条件下导通，从而进一步减小PMOS管和NMOS管的整体Rdson。
虽然已经按照优选实施例来描述了本申请的结构或装置，但本领域普通技术人员可理解，可对本申请中描述的装置的组件或组件排列应用多种变型，而不背离本申请的概念、精神和范围。此外，可对所公开的结构或装置做出修改，且可从本申请描述的组件中排除或替代多个组件，并实现相同或相似的结果。对本领域普通技术人员显而易见的所有这些相似的替代和修改被视为在由所附权利要求所限定的本申请的精神、范围以及概念以内。
Claims (9)
1.一种BUCK电路，包括：
开关元件网络，包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管，所述第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管的源极耦合至输入直流电压Vdd，所述第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管的漏极与所述第一NMOS管、第二NMOS管的漏极彼此耦合以形成开关元件网络的输出节点，所述第一NMOS管、第二NMOS管的源极接地；
电感器，耦合至所述开关元件网络的输出节点；
电容器，耦合在所述电感器与接地之间，所述电感器与所述电容器之间的耦合节点形成所述BUCK电路的输出端Vout以提供输出直流电压；
PWM调制器，用于提供PWM驱动信号，其具有第一输出和第二输出，所述第一输出耦合至所述第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管的栅极以提供第一PWM驱动信号，所述第二输出耦合至所述第一NMOS管、第二NMOS管的栅极以提供第二PWM驱动信号；
第一选通控制器，耦合在PMW调制器的第一输出与第三PMOS管的栅极之间；以及
第二选通控制器，耦合在PMW调制器的第二输出与第二NMOS管的栅极之间，
其中，所述第一选通控制器和所述第二选通控制器根据开关元件网络的输出节点处的电压信号的占空比来选通或不选通。
2.如权利要求1所述的BUCK电路，其特征在于，当开关元件网络的输出节点处的电压信号的占空比大于一占空比阈值时，所述第一选通控制器选通，而所述第二选通控制器不选通；当开关元件网络的输出节点处的电压信号的占空比小于所述占空比阈值时，所述第一选通控制器不选通，而所述第二选通控制器选通。
3.如权利要求2所述的BUCK电路，其特征在于，所述占空比阈值是50%。
4.如权利要求1所述的BUCK电路，其特征在于，还包括电阻反馈网络，其连接在电压输出端Vout与接地之间，以提供输出直流电压的分压作为反馈电压，用来调节所述PWM调制器的输出。
5.如权利要求4所述的BUCK电路，其特征在于，还包括误差放大器，所述误差放大器在其反相输入端（-）接收来自电阻网络的反馈电压Vfb，在其非反相输入端（+）接收基准电压Vref，并在其输出端产生误差放大信号。
6.如权利要求5所述的BUCK电路，其特征在于，还包括电流感测和补偿模块，用于感测流过第一PMOS管的电流并提供补偿信号，以调节所述PWM调制器的输出。
7.如权利要求6所述的BUCK电路，其特征在于，还包括比较器，所述比较器在其反相输入端（-）接收来自电流感测和补偿模块的补偿信号，在其非反相输入端（+）接收来自误差放大器的误差放大信号，并在其输出端产生比较结果信号，用来调节所述PWM调制器的输出。
8.如权利要求6所述的BUCK电路，其特征在于，还包括时钟发生器，用于向所述PWM调制器和所述电流感测和补偿模块提供时钟信号。
9.如权利要求1-8中的任一项所述的BUCK电路，其特征在于，还包括零点检测器，用于向PWM控制器提供零点检测信号。
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Legal Events
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Application publication date: 20150701 Assignee: SPREADTRUM COMMUNICATIONS (SHANGHAI) Co.,Ltd. Assignor: Xinji Lease (Tianjin) Co.,Ltd. Contract record no.: 2018990000196 Denomination of invention: Technology for improving efficiency of BUCK circuit Granted publication date: 20170524 License type: Exclusive License Record date: 20180801 |
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Effective date of registration: 20221013 Address after: 201203 Shanghai city Zuchongzhi road Pudong New Area Zhangjiang hi tech park, Spreadtrum Center Building 1, Lane 2288 Patentee after: SPREADTRUM COMMUNICATIONS (SHANGHAI) Co.,Ltd. Address before: 300456 1-1-1802-7, north area of financial and Trade Center, No. 6865, Asia Road, Tianjin pilot free trade zone (Dongjiang Bonded Port Area) Patentee before: Xinji Lease (Tianjin) Co.,Ltd. |
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