CN102324837A - 一种pwm/pfm控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种PWM/PFM控制电路，在PWM控制模式时基于一参考信号生成脉宽可调的PWM控制信号来进行控制，在PFM控制模式时基于所述参考信号生成频率可调的PFM控制信号来进行控制，其包括：时差产生单元，用于在PFM控制信号的脉宽大于PWM控制信号的脉宽时产生反映PFM控制信号的脉宽和PWM控制信号的脉宽的差的时差信号；和时差放大单元，用于放大所述时差信号并得到时差放大信号；其中将所述参考信号的每个周期延长所述时差放大信号的有效时长以调整所述参考信号的频率，进而调整所述PFM控制信号的频率。这样可以实现PFM到PWM无缝连续切换过渡。此外，由于对所述时差信号进行了放大，从而可以实现更低的PFM频率下限，因此可以实现更低的待机功耗。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种电源管理电路，特别是涉及一种开关电源转换器电路中的PWM/PFM控制电路。
【背景技术】
现在许多开关电源转换器(比如降压型直流-直流转换器)都包含两种工作模式：PWM(Pulse Width Modulation)模式和PFM(Pulse Frequency Modulation)模式。一般负载较重时，开关电源转换器工作在PWM模式下，从而使其工作在固定的较高频率下，维持较低的输出电压纹波。但由于在PWM模式下控制电路的开关损耗一般较大，因此通常当负载较轻时，开关电源转换器切换到PFM模式下工作，随着负载变轻，其工作频率变低，控制电路的开关损耗的平均值随着频率降低而变低。由于传统的兼容PWM模式和PFM模式的控制电路在两种模式切换时为突变过程，这样当负载电流为切换点附近时，系统容易不稳定，导致切换点附近的输出电压纹波显著增大。
因此，有必要提出一种改进的技术方案来解决上述问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种PWM/PFM控制电路，其可以实现PFM模式和PWM模式的无缝衔接，并且可以实现PFM模式下更低的频率最低值。
为了实现上述目的，本发明提出一种PWM/PFM控制电路，其具有PWM控制模式和PFM控制模式，在PWM控制模式时基于一参考信号生成脉宽可调的PWM控制信号来进行控制，在PFM控制模式时基于所述参考信号生成频率可调的PFM控制信号来进行控制，其包括：时差产生单元，用于在PFM控制信号的脉宽大于PWM控制信号的脉宽时产生反映PFM控制信号的脉宽和PWM控制信号的脉宽的差的时差信号；和时差放大单元，用于放大所述时差信号并得到时差放大信号；其中将所述参考信号的每个周期延长所述时差放大信号的有效时长以调整所述参考信号的频率，进而调整所述PFM控制信号的频率。
在一个进一步的实施例中，所述PWM/PFM控制电路还包括反馈电路、误差放大器、PWM比较器、PFM产生器、逻辑控制单元和振荡器，所述反馈电路采样一电源转换电路的输出电压并形成反映所述输出电压的反馈电压，所述电源转换电路将一输入电压转换成所述输出电压；所述误差放大器放大一基准电压和反馈电压的误差得到误差放大电压；所述振荡器产生所述参考信号；所述PWM比较器用于比较所述参考信号和所述误差放大电压以输出相应脉宽的PWM控制信号；所述PFM产生器用于基于所述PWM控制信号生成固定脉宽的PFM控制信号；所述逻辑控制单元用于在PWM控制信号的脉宽大于PFM控制信号的脉宽时输出PWM控制信号来控制所述电源转换电路，在PWM控制信号的脉宽小于PFM控制信号时输出PFM控制信号来进行控制所述电源转换电路。
在一个进一步的实施例中，所述时差放大单元包括充电电流源、充电控制开关、放电电流源、放电控制开关、电容和比较器，所述充电控制开关控制所述充电电流源是否对电容充电，所述充电控制开关的控制端受时差信号的控制，在所述时差信号的有效时段接通所述充电控制开关使得所述充电电流源对所述电容进行充电；所述放电控制开关控制所述放电电流源是否对所述电容放电，所述放电控制开关的控制端受时差放大信号的控制，在所述时差放大信号的无效时段关断所述放电控制开关使得所述放电电流源停止对所述电容进行放电；所述比较器用于将所述电容的电压与基准电压进行比较，在所述电容的电压大于所述基准电压时输出有效的时差放大信号。
在一个进一步的实施例中，所述时差放大单元包括充电电流源、充电控制开关、放电电流源、放电控制开关、放电控制逻辑、电容和比较器，所述充电控制开关控制所述充电电流源是否对电容充电，所述充电控制开关的控制端受时差信号的控制，在所述时差信号的有效时段接通所述充电控制开关使得所述充电电流源对所述电容进行充电；所述放电控制开关控制所述放电电流源是否对所述电容放电，所述放电控制开关的控制端由所述放电控制逻辑控制，在所述时差信号的有效时段且所述时差放大信号的无效时段控制所述放电控制开关关断，在所述时差信号的无效时段且所述时差放大信号的有效时段控制所述放电控制开关导通；所述比较器用于将所述电容的电压与基准电压进行比较，在所述电容的电压大于所述基准电压时输出有效的时差放大信号。
在一个进一步的实施例中，所述放电电流源为一电阻。
在一个进一步的实施例中，所述比较器为自带基准电压的比较器。在一个更进一步的实施例中，所述振荡器包括电容、充电电路、放电电路、充电控制开关、比较电路，所述充电电路经由充电控制开关对所述电容进行充电，所述比较电路比较一基准电压和所述电容的电压，并在所述电容的电压大于所述基准电压时控制所述放电电路对所述电容进行快速放电，所述电容的电压信号就形成了三角波振荡信号，所述三角波振荡信号就是所述参考信号，在所述时差放大信号的有效时段控制所述充电控制开关关断。
与现有技术相比，在本发明提出的PWM/PFM控制电路中，通过根据PWM控制信号和PFM控制信号的时差来延长振荡器OSC的三角波振荡信号的周期的方式来实现脉宽频率调制，这样可以实现PFM到PWM无缝连续切换过渡，所以切换时输出更稳定，输出电压的纹波更小。此外，由于对所述时差信号进行了放大，从而可以实现更低的PFM频率下限，因此可以实现更低的待机功耗。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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它的附图。其中：
图1为本发明中的PWM/PFM控制电路系统在一个实施例中的电路图；
图2为本发明中的PWM/PFM控制电路系统中的各个信号的时序示意图；
图3为本发明中的时差放大单元的第一实施例的电路示意图；
图4为本发明中的时差放大单元的第二实施例的电路示意图；
图5为本发明中的时差放大单元的第三实施例的电路示意图；
图6为本发明中的时差放大单元的第四实施例的电路示意图；
图7为本发明中的时差放大单元的第五实施例的电路示意图；
图8为本发明中的振荡器的第一实施例的电路示意图；和
图9为本发明中的振荡器的第二实施例的电路示意图。
【具体实施方式】
本发明的详细描述主要通过程序、步骤、逻辑块、过程或其他象征性的描述来直接或间接地模拟本发明技术方案的运作。为透彻的理解本发明，在接下来的描述中陈述了很多特定细节。而在没有这些特定细节时，本发明则可能仍可实现。所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员有效的介绍他们的工作本质。换句话说，为避免混淆本发明的目的，由于熟知的方法和程序已经容易理解，因此它们并未被详细描述。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
图1为本发明中的PWM/PFM控制电路系统100在一个实施例中的电路图。所述PWM/PFM控制电路系统包括电源转换电路110、反馈电路120、误差放大器EA、PWM比较器com、PFM产生器PFM、逻辑控制单元Control Logic、驱动电路Driver、时差产生单元130、时差放大单元TA和振荡器OSC。
所述电源转换电路110将一输入电压VIN转换成一输出电压VO。在此实施例中，其为降压型DC-DC电压转换电路，其包括串联在输入电压VIN和地之间的输出晶体管MPX和MNX，它们的栅极与所述驱动电路相连，输出晶体管MPX和MNX的中间节点通过电感L1和电容C0接地，电感L1和电容C0的中间节点的电压作为输出电压VO。
所述反馈电路120采样所述输出电压VO并形成以反映所述输出电压的反馈电压，其由串联在输出电压VO和地之间的电阻R1和R2组成。所述振荡器OSC生成并输出三角波振荡信号Ramp。所述误差放大器EA放大一基准电压VREF和反馈电压的误差得到误差放大电压。所述PWM比较器用于比较所述三角波振荡信号和所述误差放大电压以输出相应脉宽的PWM控制信号。所述PFM产生器用于基于所述PWM控制信号生成固定脉宽的PFM控制信号T_min，所述PFM控制信号的脉宽为最小导通宽度。所述逻辑控制单元用于在PWM控制信号的脉宽大于PFM控制信号时输出PWM控制信号并经由所述驱动电路来控制所述电源转换电路110，在PWM控制信号的脉宽小于PFM控制信号时输出PFM控制信号并经由所述驱动电路来进行控制所述电源转换电路110。
所述时差产生单元130用于在PFM控制信号的脉宽大于PWM控制信号的脉宽时产生反映PFM控制信号的脉宽和PWM控制信号的脉宽的差的时差信号T_dif。在该实施例中，所述时差产生单元130包括反相器INV0和或非门NOR2，所述PFM控制信号经过所述反相器IVN0接入所述或非门NOR2的一个输入端，所述PWM控制信号接入所述或非门NOR2的另一个输入端，所述或非门NOR2输出所述时差信号。
所述时差放大单元TA用于放大所述时差信号T_dif并得到时差放大信号T_stop。在时差放大信号T_stop的有效时段内对振荡器OSC暂停充电，这样可以将所述三角波振荡信号的每个周期延长所述时差放大信号的有效时长，进而调整了所述PFM控制信号的频率。
图2为本发明中的PWM/PFM控制电路系统中的各个信号的时序示意图，其中T_min为PFM控制信号，PWMO为PWM控制信号、T_dif为PWM控制信号和PFM控制信号的时差，T_stop是T_dif的放大信号，Ramp为周期延长了T_stop后的三角波振荡器信号。
综上所述，通过根据PWM控制信号和PFM控制信号的时差来延长振荡器OSC的三角波振荡信号的周期的方式来实现PFM的频率调制，这样可以实现PFM到PWM无缝连续切换过渡，所以切换时输出更稳定，输出电压的纹波更小。然而，PWM控制信号和PFM控制信号的最大的时差长度等于PFM控制信号的高电平时间，即最小导通时间，此时间最长一般不超过PWM模式下振荡器周期时间的一半。所以，如果不对时差进行放大，在PFM模式下，降频的最大限度为1.5倍PWM模式下的振荡器周期，即降频至2/3倍PWM模式下的振荡频率，这样将导致对较轻负载下开关损耗的平均值仍然较大。
由于对所述时差信号进行了放大，所述时差放大信号不再被限制的小于PWM控制信号和PFM控制信号的最大时差，这样可以实现更低的PFM频率下限，因此可以实现更低的待机功耗。显而易见，本发明中的PWM/PFM控制电路也可以也适用于其他类型的DC-DC转换器的控制，如升压型，负压型及AC-DC转换器，只需要将所述电源转换单元换成其他类型就可以了。
图3为所述时差放大单元的第一实施例的电路示意图。所述时差放大单元包括充电电流源I1、充电控制开关S1、放电电流源I2、放电控制开关S2、电容C1和比较器com1、放电控制逻辑。
所述充电电流源I1经由所述充电控制开关S1对电容C1充电，所述充电控制开关S1的控制端受时差信号T_dif的控制，在所述时差信号T_dif的有效时段(图2中的高电平时段)接通所述充电控制开关S1使得所述充电电流源I1对所述电容C1进行充电，在所述时差信号T_dif的无效时段(图2中的低电平时段)关断，停止对电容C1的充电。
所述放电电流源I2经由所述放电控制开关S2对所述电容C1放电，所述放电控制开关S2的控制端由放电控制逻辑控制，所述放电控制逻辑输出延长时间信号T_amp，如图2所示，其为时差放大信号T_stop相对于时差信号T_dif延长的时间，所述放电控制逻辑在所述时差信号T_dif无效且所述时差放大信号T_stop有效(图2中的高电平)时，控制所述放电控制开关S2接通，否则控制所述放电控制开关S2关断。
所述比较器com1用于将所述电容C1的电压VC1与基准电压VR1进行比较，在所述电容C1的电压VC1大于所述基准电压VR1时输出有效的时差放大信号T_stop，否则输出无效的时差放大信号T_stop。
所述基准电压VR1由电压源V1提供，所述放电控制逻辑包括反相器INV1和与门and1，所述时差信号T_dif经由所述反相器INV1和所述与门and1的一个输入端相连，所述时差放大信号T_stop和所述与门and1的另一个输入端相连，所述与门and1的输出端接所述放电控制开关S2的控制端。
本实施例中，对时差信号T_dif的时间放大的具体过程如下。当T_dif信号为高电平时(高电平为有效)，充电控制开关S1导通，电流源I1对电容C1充电，同时所述放电控制逻辑输出的控制信号T_amp为低电平，放电控制单元S2关断，电容C1的电压VC1逐渐增加，如果电容C1的电压VC1未充到大于所述基准电压VR1时，接下来的下一个周期时，T_dif为高电平时会继续对C1充电，直到VC1大于VR1。然后，当T_dif为低电平时，由于此时电容C1的电压VC1的电压大于基准电压VR1，所以T_stop为高电平，T_amp也变为高电平，放电控制开关S2导通，电容C1被放电电流源I2放电，直到电容C1的电压VC1被放电比基准电压VR1稍低一点时，T_stop变为低电平，T_amp也变为低电平，放电控制开关S2关断。在接下来的T_dif再次为高电平时，充电控制开关S1导通，电容C1从几乎等于VR1的电压开始充电，直到T_dif变为低电平时，充电结束，然后C1开始放电，直到C1电压被放电至VR1时，放电结束。所以当T_dif为高电平的时间段里，充电电流源I1对电容C1进行充电，当T_dif变低时刻到T_stop变低时刻之间的时间段内，放电电流源I2对电容C1进行放电。电容充电的电压变化幅度等于电容放电电压幅度，等于VP-VR1，其中VP为电容C1充电达到的峰值电压，VR1为放电的谷值电压，如图2中关于电压VC1的标记。
根据电容充放电特性，充放电电荷守恒可知：I1.Ta＝(VP-VR1).C1＝I2.Tb。这样通过设定I1和I2的比例，来设定充电时间Ta和放电时间Tb的比例。例如设计I1/I2＝8，则Tb＝8.Ta，而Tc＝Ta+Tb＝9.Ta，Tc为时差放大信号T_stop的有效时长。因此可以得到一个放大的时间。
图4为所述时差放大单元的第二实施例的电路示意图。图4中的所述时差放大单元与图3中的时差放大单元的区别在于：在图4中用晶体管MN2、电流源I3、反相器INV2和INV3组成的自带基准电压的比较器替代了图3中的比较器com1，晶体管NM2的阈值电压为其基准电压。其余其他充放电过程和时间放大原理与图3中的相同。
图5为所述时差放大单元的第三实施例的电路示意图。与图4示出的时间放大单元相比，其用电阻R3替代了图4中的放电电流源I2，当R3取值越大，电容C1的放电速度越慢，可以得到更大的时间放大倍数，但是时间放大为非线性放大。此时，电阻R3也可以被认为是一种非线性放电电流源。
图6为所述时差放大单元的第三实施例的电路示意图。与图4示出的时间放大单元相比，其去掉了放电控制逻辑，所述放电控制开关S2的控制端由所述时差放大信号T_stop控制。也就是说，所述放电电流源I2在所述时差放大信号T_stop的有效时段内一直持续的对所述电容C1进行放电，在所述时差放大信号T_stop的无效时段内停止对所述电容C1进行放电。这样T_stop为高电平的时间设为Tc，T_dif为高电平的时间设为Ta，则I1.Ta＝I2.Tc，时间放大倍数为I1/I2，而图4的时间放大倍数为(1+I1/I2)。
图7为所述时差放大单元的第三实施例的电路示意图。与图6示出的时间放大单元相比，用放大器com1来替代了自带基准电压的比较器，所述比较器com1的基准电压V1由电压源V1提供。
图8为本发明中的振荡器的第一实施例的电路示意图。请参考图8所示，所述振荡器包括电容C2、充电电路、放电电路、充电控制开关S3、自带基准电压的比较电路。
所述比较电路包括电流源I4、晶体管MN3和MN4、电阻R4、反相器INV5和INV6，其基准电压为电阻R4上的电压。所述放电电路为与电容C2并联的晶体管MN5，所述充电电路为电流源I5。
所述充电控制开关S3接通时所述充电电路对所述电容的充电，所述充电控制开关S3关断时所述充电电路停止对所述电容的充电。所述比较电路比较所述基准电压和所述电容C2的电压，并在所述电容C2的电压大于所述基准电压时控制所述放电电路MN5对所述电容C2进行快速放电，所述电容的电压信号Ramp就形成了三角波振荡信号。在所述时差放大信号T_stop的有效时段控制所述充电控制开关S3关断，这样延长了Ramp信号的周期，如图2所示。此例中，所述时差放大信号T_stop经由一反相器INV4与所述充电控制开关S3的控制端相连。反相器INV6的输出信号Dsich的波形如图2所示。
图9为本发明中的振荡器的第二实施例的电路示意图。与图8所示的振荡器相比，所述充电控制开关S3由晶体管MP2替代，所述时差放大信号T_stop直接连接所述晶体管MP2的栅极。当T_stop信号为高电平时，PMOS开关MP2关闭，这样就停止了充电电流，此时Ramp信号保持电压不变。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。
Claims (7)
1.一种PWM/PFM控制电路，其具有PWM控制模式和PFM控制模式，在PWM控制模式时基于一参考信号生成脉宽可调的PWM控制信号来进行控制，在PFM控制模式时基于所述参考信号生成频率可调的PFM控制信号来进行控制，其特征在于，其包括：
时差产生单元，用于在PFM控制信号的脉宽大于PWM控制信号的脉宽时产生反映PFM控制信号的脉宽和PWM控制信号的脉宽的差的时差信号；和
时差放大单元，用于放大所述时差信号并得到时差放大信号；
其中将所述参考信号的每个周期延长所述时差放大信号的有效时长以调整所述参考信号的频率，进而调整所述PFM控制信号的频率。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，其还包括有：反馈电路、误差放大器、PWM比较器、PFM产生器、逻辑控制单元和振荡器，
所述反馈电路采样一电源转换电路的输出电压并形成反映所述输出电压的反馈电压，所述电源转换电路将一输入电压转换成所述输出电压；
所述误差放大器放大一基准电压和反馈电压的误差得到误差放大电压；
所述振荡器产生所述参考信号；
所述PWM比较器用于比较所述参考信号和所述误差放大电压以输出相应脉宽的PWM控制信号；
所述PFM产生器用于基于所述PWM控制信号生成固定脉宽的PFM控制信号；
所述逻辑控制单元用于在PWM控制信号的脉宽大于PFM控制信号的脉宽时输出PWM控制信号来控制所述电源转换电路，在PWM控制信号的脉宽小于PFM控制信号时输出PFM控制信号来进行控制所述电源转换电路。
3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述时差放大单元包括充电电流源、充电控制开关、放电电流源、放电控制开关、电容和比较器，
所述充电控制开关控制所述充电电流源是否对电容充电，所述充电控制开关的控制端受时差信号的控制，在所述时差信号的有效时段接通所述充电控制开关使得所述充电电流源对所述电容进行充电；
所述放电控制开关控制所述放电电流源是否对所述电容放电，所述放电控制开关的控制端受时差放大信号的控制，在所述时差放大信号的无效时段关断所述放电控制开关使得所述放电电流源停止对所述电容进行放电；
所述比较器用于将所述电容的电压与基准电压进行比较，在所述电容的电压大于所述基准电压时输出有效的时差放大信号。
4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述时差放大单元包括充电电流源、充电控制开关、放电电流源、放电控制开关、放电控制逻辑、电容和比较器，
所述充电控制开关控制所述充电电流源是否对电容充电，所述充电控制开关的控制端受时差信号的控制，在所述时差信号的有效时段接通所述充电控制开关使得所述充电电流源对所述电容进行充电；
所述放电控制开关控制所述放电电流源是否对所述电容放电，所述放电控制开关的控制端由所述放电控制逻辑控制，在所述时差信号的有效时段且所述时差放大信号的无效时段控制所述放电控制开关关断，在所述时差信号的无效时段且所述时差放大信号的有效时段控制所述放电控制开关导通，
所述比较器用于将所述电容的电压与基准电压进行比较，在所述电容的电压大于所述基准电压时输出有效的时差放大信号。
5.根据权利要求2或3所述的控制电路系统，其特征在于，所述放电电流源为一电阻。
6.根据权利要求2或3所述的控制电路，其特征在于，所述比较器为自带基准电压的比较器。
7.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述振荡器包括电容、充电电路、放电电路、充电控制开关、比较电路，
所述充电电路经由充电控制开关对所述电容进行充电，所述比较电路比较一基准电压和所述电容的电压，并在所述电容的电压大于所述基准电压时控制所述放电电路对所述电容进行快速放电，所述电容的电压信号就形成了三角波振荡信号，所述三角波振荡信号就是所述参考信号，
在所述时差放大信号的有效时段控制所述充电控制开关关断。
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