一种可变输出功率DC-DC电源架构及其控制方法与流程

一种可变输出功率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，尤其涉及一种输出功率可变的dc-dc电源架构及其控制方法。


背景技术：

2.现代电子产业，特别是功率电子产品，基于dc-dc电源的应用场景越来越广，除了对dc-dc电源自身的效率提出需求外，在系统层面也提出了较为严苛的效率需求。比如同一款电子产品，针对不同的应用场景和工作模式，dc-dc电源若能根据实际需要，动态地提供相应等级的功率输出，就能够大幅地提高系统的电源利用率。在动态电源系统中，要求传统的dc-dc电源能够通过中央控制单元随时切换输出电压的幅度，在系统需要高功率输出时，dc-dc电源输出高电压；在系统对输出功率要求不严格时，dc-dc电源输出低电压，从而达到整个系统节能的目的。
3.现有可变输出功率dc-dc电源架构，参见图1，以buck电路(降压式变换电路)为例，在普通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来改变电源对负载rl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，从而修改第一比较器comp1输入端的参考电压vref1，然后环路在负反馈调整作用下，达到改变输出电压的目的。
4.为简化电路，图1省略了外围辅助电路，第一逻辑控制单元logic采用pwm、pfm或cot等控制电路；误差放大器ea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。为了提高效率，加入第二比较器comp2，设置其输入参考电压为第二参考电压vref2，要求第二参考电压vref2＞第一参考电压vref1。当反馈电压vfb＞第二参考电压vref2时，通过比较结果控制第一逻辑控制单元，关闭环路中除第二比较器comp2之外的其它耗电部分电路。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，则此时为低功耗模式(low-iq模式)，该模式下驱动单元driver输出，维持mos功率管输出为悬空状态(floating状态)。
5.但是，在普通dc-dc电源架构的基础上增加数模转换单元以实现低功耗模式时，为了在不同输出电压的轻载状态下提高效率，需要第二参考电压vref2能够跟随第一参考电压vref1同方向变化，则需要额外添加第二数模转换单元dac2，从而造成电路板或者集成芯片面积的浪费。在数模转换单元位数较大时，这种劣势会更加严重。
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电路的环路较为复杂，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。这就需要数模转换单元dac控制相应的参考电压在一个比较宽的范围内变化，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。


技术实现要素：

7.本发明目的是提供一种可变输出功率dc-dc电源架构及其控制方法，其解决了现有dc-dc电源架构会造成电路板或者集成芯片面积的浪费、比较器的设计复杂度高、环路稳定性差的技术问题，具有数模转换单元dac数量少、比较器设计简单、环路稳定性好的优点。
8.本发明的技术解决方案是：
9.第一种可变输出功率dc-dc电源架构，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；所述采样模块包括串联的反馈电阻rf和增益电阻rg；所述反馈控制模块包括第一比较单元、第二比较单元和第一逻辑控制单元logic；所述第一比较单元和第二比较单元的输入端均与反馈电压vfb1连接，其输出端分别与第一逻辑控制单元的相应输入端连接；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；所述第二比较单元包括第二比较器comp2；所述第一比较单元包括依次连接的误差放大器ea和第一比较器comp1；其中，误差放大器ea正输入端接第一参考电压vref1，第二比较器comp2负输入端接第二参考电压vref2；其特殊之处是，所述采样模块还包括数模转换单元dac；所述反馈电阻rf2为数字可调电阻器；所述第一参考电压vref1为固定值，所述第二参考电压vref2为固定值，且第二参考电压vref2＞第一参考电压vref1。
10.该第一种可变输出功率dc-dc电源架构的控制方法，包括以下步骤：
11.驱动模块控制开关模块的通断，输出电压通过lc模块后向负载rl提供输出电压vout1；
12.当需要调整输出电压vout1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，相应调整输出电压vout1的大小；反馈控制模块的第一比较器comp1将反馈电压vfb1与第一参考电压vref1进行比较，第二比较器comp2将反馈电压vfb1与第二参考电压vref2进行比较；
13.当反馈电压vfb1大于第一参考电压vref1且小于第二参考电压vref2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；
14.当反馈电压vfb1大于第二参考电压vref2时，第一比较器comp1输出低电平；第二比较器comp2输出低功耗模式使能信号，驱动模块在低功耗模式使能信号作用下，关闭电源架构环路中除第二比较器之外的其它耗电电路；
15.当输出电压降低导致反馈电压vfb1下降到第二参考电压vref2之下时，电源架构环路再次建立。
16.第二种可变输出功率dc-dc电源架构，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；所述采样模块包括串联的反馈电阻rf和增益电阻rg；特殊之处是，所述反馈控制模块包括第一比较单元、第二比较单元、第三比较单元和第一逻辑控制单元logic；所述第一比较单元和第二比较单元的输入端均与反馈电压vfb2连接，其输出端分别
与第一逻辑控制单元的相应输入端连接；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；所述第二比较单元包括第二比较器comp2；所述第一比较单元包括依次连接的误差放大器ea和第一比较器comp1；其中，误差放大器ea正输入端接第一参考电压vref1，第二比较器comp2负输入端接第二参考电压vref2；所述第三比较单元包括依次连接的第三比较器comp3和第二逻辑控制单元logic_2；其中，第三比较器comp3的正输入端接反馈电压vfb2，其负输入端接第三参考电压vref3；所述采样模块还包括数模转换单元dac；所述反馈电阻rf为数字可调电阻器；所述第一参考电压vref1为固定值，所述第二参考电压vref2为固定值，所述第三参考电压vref3为固定值，且第三参考电压vref3＞反馈电压vfb2的峰值＞第二参考电压vref2＞第一参考电压vref1；所述第二逻辑控制单元logic_2的输出端npd接驱动模块的另一输入端，用于打开开关模块的nmos功率管。
17.上述第二逻辑控制单元logic_2包括依次连接且构成环路的计时与置零电路vrcgen、第四比较器comp4、反相器和延时电路td；其中，第四比较器comp4的正输入端接反馈电压vfb2，其负输入端接计时与置零电路vrcgen输出信号v
rc
，延时电路td的输出端接计时与置零电路vrcgen的置零端vpd；所述反相器输出信号npd接驱动模块的输入端。
18.该第二种可变输出功率dc-dc电源架构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
19.驱动模块控制开关模块的通断；
20.驱动模块控制开关模块的通断，输出电压通过lc模块后向负载rl提供输出电压vout2；
21.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，调整相应输出电压vout2的大小；
22.反馈控制模块的第一比较器comp1、第二比较器comp2和第三比较器comp3将反馈电压vfb2分别与第一参考电压vref1、第二参考电压vref2和第三参考电压vref3进行比较，输出相应的控制信号；
23.其中：
24.当反馈电压vfb2大于第一参考电压vref1且小于第二参考电压vref2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；
25.当反馈电压vfb2大于第二参考电压vref2且小于第三参考电压vref3时，第一比较器comp1输出低电平；第二比较器comp2输出低功耗模式使能信号，驱动模块在低功耗模式使能信号作用下，关闭电源架构环路中除第二比较器和第三比较器comp3之外的其它耗电电路；
26.当反馈电压vfb2大于第三参考电压vref3时，第一比较器comp1和第二比较器comp2均输出低电平；第三比较器comp3的输出信号通过逻辑电路，控制驱动模块打开开关模块中的nmos功率管，加快输出电压vout2的调整，帮助电源架构环路快速重新建立。
27.本发明具有以下有益效果：
28.本发明电源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，同时简化了电路结构，减小了芯片面积，减低了芯片功耗。
29.本发明电源架构中比较器的输入参考电压都为固定值，能够有效减少功耗，增加
输出电压精度，简化了比较器的设计难度，降低了静态工作点漂移的风险。
30.本发明第二种dc-dc电源架构，可以较为显著地减小输出电压vout2下跳时的建立时间，有利于系统的稳定。
31.本发明具有普适性，适合用于各种dc-dc电源架构。
32.本发明解决了现有dc-dc电源架构会造成电路板或者集成芯片面积的浪费、比较器的设计复杂度高、环路稳定性差的技术问题，具有数模转换单元dac数量少、比较器设计简单、环路稳定性好的优点。
附图说明
33.图1为现有可变输出功率dc-dc电源架构示意图；
34.图2为本发明第一种可变输出功率dc-dc电源架构示意图；
35.图3为本发明第二种可变输出功率dc-dc电源架构示意图；
36.图4为本发明第二种可变输出功率dc-dc电源架构中各个比较器作用阶段及参考电压关系示意图；
37.图5为本发明第二种可变输出功率dc-dc电源架构中nmos功率管开关在vfb2＞vref3时逐次打开控制方法示意图；
38.图6为本发明第二种可变输出功率dc-dc电源架构中第二逻辑控制单元实现原理框图；
39.图7为本发明第一种电源架构与第二种电源架构的关键节点波形对比示意图。
具体实施方式
40.第一种可变输出功率dc-dc电源架构，参见图2，其构成与常规可变输出功率dc-dc电源架构基本相同，不同之处在于本发明第一种电源架构将调整输出电压vout1的数模转换单元dac放在了输出反馈电阻rf之上。
41.本发明第一种可变输出功率dc-dc电源架构，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；所述采样模块包括串联的反馈电阻rf和增益电阻rg；所述反馈控制模块包括第一比较单元、第二比较单元和第一逻辑控制单元logic；所述第一比较单元和第二比较单元并联，其输出端均与第一逻辑控制单元的相应输入端连接；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；所述第二比较单元包括第二比较器comp2；所述第一比较单元包括依次连接的误差放大器ea和第一比较器comp1；其中，误差放大器ea正输入端接第一参考电压vref1，第二比较器comp2负输入端接第二参考电压vref2；其特殊之处是，所述采样模块还包括数模转换单元dac；所述反馈电阻rf为数字可调电阻器，其阻值控制端连接数字解码器，采用数字信号作为控制信号调节反馈电阻rf的阻值大小；所述第一参考电压vref1为固定值，所述第二参考电压vref2为固定值，且第二参考电压vref2＞第一参考电压vref1。
42.其中，所述第一比较单元还可以采用以下替换结构：包括依次连接的误差放大器ea、第一比较器comp1和反相器；其中，误差放大器ea正输入端接第一参考电压vref1，第二比较器comp2正输入端接第二参考电压vref2，第二比较器comp2输出端接反相器输入端。
43.本发明还提出了第一种可变输出功率dc-dc电源架构的控制方法，包括以下步骤：
44.驱动模块控制开关模块的通断；
45.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；
46.当需要调整输出电压vout1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，相应调整输出电压vout1的大小；反馈控制模块的第一比较器comp1将反馈电压vfb1与第一参考电压vref1进行比较，第二比较器comp2将反馈电压vfb与第二参考电压vref2进行比较；
47.当反馈电压vfb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vout1大小；
48.当反馈电压vfb1大于第二参考电压vref2时，第二比较器comp2输出低功耗模式使能信号，驱动模块在低功耗模式使能信号作用下，关闭电源架构环路中除第二比较器之外的其它耗电电路；
49.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，电源架构环路再次建立。
50.本发明第一种电源架构主要有以下两个优点：1)该电源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；2)比较器的输入参考电压都为固定值，可以降低比较器设计难度、有效减少系统功耗、增加输出电压精度。
51.但是该电源架构存在一个不足之处：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两端会产生大于流过增益电阻rg的瞬态电流，从而反馈电压vfb1的节点电压存在较大过冲。此节点为高阻节点，因此会造成反馈电压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。因反馈电压vfb1的这种过冲往往大于第二参考电压vref2，这会触发低功耗模式，即环路调整模式主动断开，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。
52.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dac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，不妨碍轻载状态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，就成为该架构需要解决的问题。
53.为克服以上缺点，提供了第二种可变输出功率dc-dc电源架构，参见图3，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；所述采样模块包括串联的反馈电阻rf和增益电阻rg；其特殊之处是，所述反馈控制模块包括第一比较单元、第二比较单元、第三比较单元和第一逻辑控制单元logic；所述第一比较单元和第二比较单元并联，其输出端均与第一逻辑控制单元的相应输入端连接；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；所述第二比较单元包括第二比较器comp2；所述第一比较单元包括依次连接的误差放大器ea和第一比较器comp1；其中，误差放大器ea正输入端接第一参考电压
vref1，第二比较器comp2负输入端接第二参考电压vref2；所述第三比较单元包括依次连接的第三比较器comp3和第二逻辑控制单元logic_2；其中，第三比较器comp3的正输入端接反馈电压vfb2，其负输入端接第三参考电压vref3；或者，所述第三比较单元包括依次连接的第三比较器comp3、第二逻辑控制单元logic_2和反相器；其中，第三比较器comp3的负输入端接反馈电压vfb，其正输入端接第三参考电压vref3其输出端接反相器输入端；所述采样模块还包括数模转换单元dac；所述反馈电阻rf为数字可调电阻器，其阻值控制端连接数字解码器，采用数字信号作为控制信号调节反馈电阻rf的阻值大小；所述第一参考电压vref1为固定值，所述第二参考电压vref2为固定值，所述第三参考电压vref3为固定值，且第三参考电压vref3＞反馈电压vfb2的峰值＞第二参考电压vref2＞第一参考电压vref1；所述第二逻辑控制单元logic_2的输出端接驱动模块的输入端，用于打开开关模块的nmos功率管。
54.其中，所述第一比较单元还可以采用以下替换结构：包括依次连接的误差放大器ea、第一比较器comp1和反相器；其中，误差放大器ea正输入端接第一参考电压vref1，第二比较器comp2正输入端接第二参考电压vref2，第二比较器comp2输出端接反相器输入端；
55.上述第二逻辑控制单元logic_2具体包括依次连接且构成环路的计时与置零电路vrcgen、第四比较器comp4和延时电路；其中，第四比较器comp4的负输入端接输出电压vout2的采样电压，其正输入端接计时与置零电路vrcgen输出信号vrc；或者，所述第二逻辑控制单元logic_2包括依次连接且构成环路的计时与置零电路vrcgen、第四比较器comp4、反相器和延时电路；其中，第四比较器comp4的正输入端接输出电压vout2的采样电压，其负输入端接计时与置零电路vrcgen输出信号vrc；所述反相器输出信号npd接驱动模块的输入端。
56.本发明还提出了第二种可变输出功率dc-dc电源架构的控制方法，包括以下步骤：
57.驱动模块控制开关模块的通断；
58.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；
59.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，调整相应输出电压vout2的大小；
60.反馈控制模块的第一比较器comp1、第二比较器comp2和第三比较器comp3将反馈电压vfb2分别与第一参考电压vref1、第二参考电压vref2和第三参考电压vref3进行比较，输出相应的控制信号；
61.其中：
62.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；
63.当反馈电压vfb2大于第二参考电压vref2且小于第三参考电压vref3时，第二比较器comp2输出低功耗模式使能信号，驱动模块在低功耗模式使能信号作用下，关闭电源架构环路中除第二比较器和第三比较器comp3之外的其它耗电电路；
64.当反馈电压vfb2大于第三参考电压vref3时，第三比较器comp3的输出信号通过逻辑电路，控制驱动模块打开开关模块中的nmos功率管，加快输出电压vout2的调整，帮助电源架构环路快速重新建立。
65.第二种可变输出功率dc-dc电源架构为能够分辨出“低功耗模式纹波过大造成反馈电压vfb2过高现象”和“数模转换单元dac下调输出电压vout2引起的反馈电压vfb2过冲现象”，第二种电源架构引入新的第三参考电压vref3进行二次阈值判断。图4表明，为了保证在各种情况下都不会发生误判，需要在全pvt(工艺，电压，温度；process，voltage，temperature)范围内仿真获得低功耗模式下最大纹波对应的反馈电压vfb2的峰值，然后设置第三参考电压vref3＞反馈电压vfb2的峰值＞第二参考电压vref2即可。
66.通过以上设置，当反馈电压vfb2＞第三参考电压vref3时，比较器结果通过控制逻辑打开nmos功率管，把vout2输出电压拉低，从而是vfb2反馈节点的采样电压迅速降低到vref2以下，此时能够利用环路的负反馈特性加快vout2输出电压的调整。
67.第三比较器comp3判断结果不直接去打开nmos功率管对输出电压vout2进行下拉。因为受环路带宽限制，加之nmos功率管驱动能力过强，持续的强下拉会使输出电压vout2在较短时间内被拉得极低，使反馈电压vfb2变化幅度较大，影响环路稳定性。解决办法是合理搭建第二逻辑控制单元logic_2，做成逐次下拉的形式，即通过逻辑电路使输出电压vout2逐渐降低，保证反馈电压vfb2节点处的充放电电流变化率平缓，保证系统的稳定性。参见图5，为本发明第二种可变输出功率dc-dc电源架构的逻辑输出波形，对应的第二逻辑控制单元logic_2电路结构如图6所示。
68.图6中，vfb2是从输出电压vout2分压得到的采样电压，v
rc
是一个固定电流对电容充电获得的一个斜坡电压，设充电时长为t
rc
，一个下拉周期约等于t
rc
td，其中td是图5中nmos功率管的控制信号ndrv的高脉冲宽度。第二逻辑控制单元logic_2采用图6所示控制电路后，系统输出电压vout2和反馈电压vfb2等关键节点的电压变化如图7所示。由图7可以看出，采用本发明第二种可变输出功率dc-dc电源架构，可以很好地减小输出电压vout2下跳时的建立时间，根据电路参数设置不同，改善效果会有所不同。我们通过实际电路仿真，可以将电压下跳后的建立时间从约400us减小到60us，显著减小输出电压vout2下跳时的建立时间，有利于系统的稳定，能够有效解决现有dc-dc电源架构造成的电路板或者集成芯片面积的浪费、比较器的设计复杂度高、环路稳定性差的技术问题，具有数模转换单元dac数量少、比较器设计简单、环路稳定性好的优点。
69.另外，在第一种电源架构中，第一比较单元还可采用另一种实现方式：包括依次连接的误差放大器ea、第一比较器comp1和反相器；其中，误差放大器ea正输入端接第一参考电压vref1，第二比较器comp2正输入端接第二参考电压vref2，第二比较器comp2输出端接反相器输入端。
70.在第二种电源架构中，第一比较单元和第三比较单元还可采用另一种实现方式：第一比较单元包括依次连接的误差放大器ea、第一比较器comp1和反相器；其中，误差放大器ea正输入端接第一参考电压vref1，第二比较器comp2正输入端接第二参考电压vref2，第二比较器comp2输出端接反相器输入端；所述第三比较单元包括依次连接的第三比较器comp3、第二逻辑控制单元logic_2和反相器；其中，第三比较器comp3的负输入端接反馈电压vfb2，其正输入端接第三参考电压vref3其输出端接反相器输入端。