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CN117937897A - 一种低静态电流快速瞬态响应降压dc-dc转换器及控制方法 - Google Patents

一种低静态电流快速瞬态响应降压dc-dc转换器及控制方法 Download PDF

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CN117937897A
CN117937897A CN202410089588.6A CN202410089588A CN117937897A CN 117937897 A CN117937897 A CN 117937897A CN 202410089588 A CN202410089588 A CN 202410089588A CN 117937897 A CN117937897 A CN 117937897A
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CN202410089588.6A
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李思臻
吴晓岚
余凯
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Guangdong University of Technology
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Guangdong University of Technology
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Abstract

本发明提供一种低静态电流快速瞬态响应降压DC‑DC转换器及控制方法，包括：控制电路模块、开关单元、CMP模块、负载切换检测模块、动态电流偏置控制模块,其中，开关单元的栅极与所述控制电路模块连接，且其漏极作为输出端提供输出电压；CMP模块的正向输入端与所述开关单元的漏极连接；负载切换检测模块的输入端连接所述开关单元的漏极，用于采集所述输出电压，并根据所述输出电压的变化判断负载是否切换，以输出调整信号；动态电流偏置控制模块与所述负载切换检测模块电性连接，且并与所述CMP模块连接，用于根据所述调整信号调节所述CMP模块的偏置电流；本发明能够实现更高效率和更快速的瞬态响应。

Description

一种低静态电流快速瞬态响应降压DC-DC转换器及控制方法
技术领域
本发明涉及超低功耗下降压型DC-DC转换器在负载切换时的快速瞬态响应的技术，尤其是一种低静态电流快速瞬态响应降压DC-DC转换器及控制方法。
背景技术
当前，低功耗智能设备在物联网领域备受关注，电源管理单元中的超低功耗DC-DC转换器至关重要。为满足电源需求，优化电源管理模式，DC-DC转换器必须支持宽动态范围的负载。由于设备大部分时间处于睡眠模式，超轻负载下的电源效率将决定设备的使用寿命。当设备运行模式切换时，转换器需提供快速负载瞬态响应，以确保设备响应外部信号。此外，DC-DC转换器还需在宽输入范围内稳定运作。因此，设计一种支持宽动态范围负载、超低功耗、高效率、快速瞬态响应以及宽输入范围的DC-DC转换器，对物联网设备的电源管理至关重要。
如图1所示，传统超低静态电流降压型DC-DC转换器为支持宽负载范围内的高效率，通常采用多个控制器组合。但这种设计方法存在缺点，不仅增加了设计复杂性，而且还会因模式转换决策导致延迟，降低系统稳定性和可靠性。
因此，研究一种单控制器的、能实现无缝过渡的降压型DC-DC转换器是很有必要的。这种转换器可以在不同负载条件下自动切换工作模式，以提高效率和减小静态电流。同时，它还可以简化设计，降低成本，提高系统的稳定性和可靠性。
还有一种基于自适应导通时间控制和按需调制策略的降压型DC-DC转换器，在学术论文“A 240-nA Quiescent Current,95.8％ Efficiency AOT-Controlled BuckConverter With A2-Comparator and Sleep-Time Detector for IoT Application”中提出，该论文发表于2021年IEEE TPE(电力电子学报)，其电路整体结构如图2所示。
同时，在文献《A 240-nA Quiescent Current,95.8％ Efficiency AOT-Controlled Buck Converter With A2-Comparator and Sleep-Time Detector for IoTApplication》中提出A2比较器可实现超轻载下使比较器以小电流偏置、以及具有高增益，重载时将S2信号置高，使比较器以大电流偏置、并具有小增益，A2比较器电路如下图3所示。为提高瞬态响应，以上技术方案加入了消隐模块(Blanking time)使超轻载标志信号LP_EN从低电平变为高电平(重载切换到轻载)时，延迟LP_EN低电平对S1信号的使能作用。但当LP_EN从高电平变为低电平时，如图4所示，为轻载下纹波感应电压VSEN的波形，VE为误差放大器的输出，可看到仅当放电阶段(TOFF)切换到睡眠阶段(TSLEEP)后一小段消隐时间内，比较器才会以大电流偏置，发生在TSLEEP的轻载切重载瞬态响应十分慢，且由于TSLEEP>>TBlanking_time发生在TSLEEP阶段的轻载切重载的概率远大于发生在TOFF阶段切换到TSLEEP阶段的概率。另外在TSLEEP阶段，超轻载切重载后，VSEN会下降到VE，且比较器改变SW_P信号以打开上管的延迟较大，同时，轻重载检测电路需要在新的SW_P信号生成后，才会重新判断LP_EN信号，因此，只有新的SW_P信号生成后，比较器才会以大电流偏置，导致瞬态响应较差。
该转换器方案除轻载切重载瞬态响应较差外，如图5所示的负载检测电路还存在设计上的缺点。如，根据DC-DC降压转换器在DCM模式下睡眠时间TSLEEP的公式：
上述等式在演算过程中进行了近似值，实际上ILOAD_TH还与输入电压VIN有关，即当输入电压变化时，ILOAD_TH也会随之改变。在物联网应用中，例如远距离传输应用中，DC-DC转换器在空闲模式和发射模式下的负载是固定的，如ILOAD_TH＝100uA，若电路设计中ILOAD_TH因VIN变化而升高为ILOAD_TH＝200uA，则当远距离传输设备从空闲模式进入发射模式时，负载从100uA开始跳变，但电路从200uA才开始响应重载，会导致瞬态响应变差；同样的，若电路设计中ILOAD_TH因VIN变化而改变为ILOAD_TH＝50uA，则当远距离传输设备从发射模式进入空闲模式时，负载跳变为100uA，但电路只在小于50uA的负载下才进入超轻载模式，从而造成轻载下静态功耗大。因此，需要设计一个负载检测阈值ILOAD_TH不随输入电压变化而变化的负载检测电路。
基于此，低静态电流快速瞬态响应降压DC-DC转换器亟待研发。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供一种降压开关电源转换装置，用以解决至少1个现有技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：
一种低静态电流快速瞬态响应降压DC-DC转换器，包括：
控制电路模块，用于输出控制信号；
开关单元，其栅极与所述控制电路模块连接，且其漏极作为输出端提供输出电压；
CMP模块，其正向输入端与所述开关单元的漏极连接，用于采集所述输出电压；
负载切换检测模块，其输入端连接所述开关单元的漏极，用于采集所述输出电压，并根据所述输出电压的变化判断负载是否切换，以输出调整信号；
动态电流偏置控制模块，与所述负载切换检测模块电性连接，并与所述CMP模块连接，用于根据所述调整信号调节所述CMP模块的偏置电流；
基准电压电流模块，与所述CMP模块的反向输入端连接；
所述基准电压电流模块的输出端与所述负载切换检测模块电性连接。
所述负载切换检测模块，包括：
第一CMP元件，其正向输入端与所述开关单元的漏极连接，且其反向输入端连接所述基准电压电流模块，用于在其输出端输出第一比较信号；
第二CMP元件，其正向输入端连接所述基准电压电流模块，且其反向输入端连接所述开关单元的漏极，用于在其输出端输出第二比较信号；
所述动态电流偏置控制模块设置在所述负载切换检测模块的输出端，用于采集第一比较信号和第二比较信号。
所述动态电流偏置控制模块，包括：
第一开关元件，其栅极与所述第一CMP元件的输出端连接，用于根据所述第一比较信号控制所述第一开关元件的通断；
第二开关元件，其栅极与所述第二CMP元件的输出端连接，用于根据所述第二比较信号控制所述第二开关元件的通断；
所述第一开关元件的源极与所述第二开关元件的源极并联后与所述开关单元的漏极连接，用于连接所述开关单元的输出端；
所述第一开关元件的漏极和所述第二开关元件的漏极，同时与所述CMP模块连接，用于根据所述第一比较信号和第二比较信号以及所述开关单元的漏极信号调整所述CMP模块的偏置电流。
所述开关单元与CMP模块之间还设置有电路，所述电路，包括：
电感-电阻支路，与所述开关单元的漏极连接，用于作为输出端，提供输出电压；
电阻-电容支路，与所述电感-电阻支路并联，且所述CMP模块的正向输入端设置在所述电阻-电容支路中电阻与电容之间。
所述的低静态电流快速瞬态响应降压DC-DC转换器，还包括：负载检测模块；
所述负载检测模块与所述控制电路模块电性连接，用于控制所述开关单元的通断；
所述负载检测模块与所述CMP模块电性连接，用于控制所述CMP模块在不同输出负载电流下的偏置电流和增益。
所述负载检测模块，包括：
比较器单元；
自适应导通时间发生单元，与所述比较器单元的反向输入端连接，用于根据所述开关单元的通断周期，向所述比较器单元发送触发信号；
所述比较器单元的正向输入端连接输出电压。
所述自适应导通时间发生单元，包括：
比较器元件；
放电电容，与所述比较器元件的反向输入端连接，用于向所述比较器元件放电；
所述比较器元件的正向输入端连接输出电压，用于在所述放电电容放电的过程中在所述比较器元件的输出端输出所述触发信号。
一种基于如上所述的低静态电流快速瞬态响应降压DC-DC转换器的异步尾电流偏置的控制方法，包括：
利用电流增强，当负载跳变时，异步地为CMP模块提供大电流偏置，从而增强瞬态响应。
有益效果：
本发明所述的低静态电流快速瞬态响应降压DC-DC转换器，能够在物联网应用的宽负载范围内实现高效率。本发明创造提出基于负载切换检测器和动态电流偏置控制实现快速瞬态响应，并提出与输入电压无关的负载检测器，在超轻负载电流时按需调制策略和低功耗关键子电路的设计可实现超低静态电流消耗。
附图说明
图1为传统的超低静态电流降压型DC-DC转换器的原理图；
图2为基于自适应导通时间控制和按需调制策略的降压型DC-DC转换器的原理图；
图3为A2比较器的原理图；
图4为图3所示原理图的在超轻载下转换器的纹波感应电压VSEN波形；
图5为图3所示原理图的负载检测电路；
图6为本发明所述的低静态电流快速瞬态响应降压DC-DC转换器的原理图；
图7为图6所示DC-DC转换器在DCM模式下的基本波形；
图8为图6中的负载切换检测模块和动态电流偏置控制器原理图；
图9为自适应导通时间发生单元的原理图；
图10为负载检测模块的原理图；
图11为负载检测模块的工作波形图；
图12为超轻载切换重载时转换器输出电压瞬态响应对比图；
图13为不同输入电压下超轻载阈值对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
具体实施例I：
本发明提供一种实施例：
如图6和7，一种低静态电流快速瞬态响应降压DC-DC转换器，包括：控制电路模块100、开关单元200、CMP模块300、负载切换检测模块400、动态电流偏置控制模块500、基准电压电流模块600、电路700以及负载检测模块800；其中，控制电路模块100用于输出控制信号；开关单元200的栅极与所述控制电路模块100连接，且其漏极作为输出端提供输出电压VOUT；CMP模块300的正向输入端与所述开关单元200的漏极连接，用于采集所述输出电压VOUT；负载切换检测模块400的输入端连接所述开关单元200的漏极，用于采集所述输出电压VOUT，并根据所述输出电压VOUT的变化判断负载是否切换，以输出调整信号；动态电流偏置控制模块500与所述负载切换检测模块400电性连接，并且与所述CMP模块300连接，用于根据所述调整信号调节所述CMP模块300的偏置电流；基准电压电流模块600与所述CMP模块300的反向输入端连接；所述基准电压电流模块600的输出端与所述负载切换检测模块400电性连接。
进一步的，所述负载切换检测模块400，包括：第一CMP元件COMP1、第二CMP元件COMP2；其中，第一CMP元件COMP1的正向输入端与所述开关单元200的漏极连接，且其反向输入端连接所述基准电压电流模块600，用于在其输出端输出第一比较信号；第二CMP元件COMP2的正向输入端连接所述基准电压电流模块600，且其反向输入端连接所述开关单元200的漏极，用于在其输出端输出第二比较信号；所述动态电流偏置控制模块500设置在所述负载切换检测模块400的输出端，用于采集第一比较信号和第二比较信号。
进一步的，所述动态电流偏置控制模块500，包括：第一开关元件M1和第二开关元件M2；其中，第一开关元件M1的栅极与所述第一CMP元件COMP1的输出端连接，用于根据所述第一比较信号控制所述第一开关元件M1的通断；第二开关元件M2的栅极与所述第二CMP元件COMP2的输出端连接，用于根据所述第二比较信号控制所述第二CMP元件COMP2的通断；所述第一开关元件M1的源极与所述第二开关元件M2的源极并联后与所述开关单元200的漏极连接，用于采样所述输出电压VOUT；所述第一开关元件M1的漏极与所述第二开关元件M2的漏极相互连接后，与所述CMP模块300连接，用于根据所述第一比较信号和第二比较信号以及所述开关元件200的漏极信号调整所述CMP模块300的偏置电流。
所述开关单元200与CMP模块300之间还设置有电路700，所述电路700，包括：电感-电阻支路、电阻-电容支路；其中，电感-电阻支路与所述开关单元200的漏极连接，用于作为输出端，提供输出电压VOUT；电阻-电容支路与所述电感-电阻支路并联，且所述CMP模块300的正向输入端设置在所述电阻-电容支路中电阻Rf与电容Cf之间。电感-电阻支路是由电感和电阻串联形成的支路；电阻-电容是由电阻和电容串联形成的支路。
针对瞬态响应的改善，上述技术方案提出负载切换检测模块400、动态电流偏置控制模块500，如图6阴影部分，能够通过直接检测VOUT的变化，可实现在负载切换的瞬间即使能异步电流源，Itail_lh和Itail_hl，增大CMP模块300的偏置电流，而无需等待ULP_EN信号刷新，从而实现轻载切重载的快速瞬态响应。另外，由于负载切换发生在开关期间而不是非开关期间，异步电流源带来的功耗属于动态功耗，并且与其他模块一样在超轻载下偏置在亚阈值工作区域内。如图8所示，负载切换检测模块400和动态电流偏置控制模块500通过电阻分压电路使Vfb＝k*VOUT，k为分压系数，当负载从超轻载切换至重载时，VOUT产生下冲，Vfb跟随其下降，第二CMP元件COMP2作为迟滞比较器输出逐渐升高，同时C2下极板电位变为负电位，第二开关元件M2栅源电压瞬间升高，产生数百纳安的电流Itail_lh，可通过电流镜镜像得到更大的电流为CMP模块300提供大电流偏置，从而提高CMP模块300的瞬态响应；同样地，当从重载切换至轻载时，第一开关元件M1产生数百纳安的电流Itail_hl。
如图9，上述的所述自适应导通时间发生单元，包括：比较器元件和放电电容C1；其中，放电电容C1与所述比较器元件的正向输入端连接，用于向所述比较器元件放电；所述比较器元件的反向输入端连接输出电压VOUT，用于在所述放电电容C1放电的过程中在所述比较器元件的输出端输出所述触发信号。
针对现有技术负载检测电路随输入电压变化而变化，本实施例提出的负载检测电路不再检测转换器的睡眠时间TSLEEP，而检测转换器在DCM模式下的开关周期TDCM。
所述负载检测模块800与所述控制电路模块100电性连接，用于控制所述开关单元200的通断；所述负载检测模块800与所述CMP模块300电性连接，用于检测所述CMP模块300在DCM模式下的开关周期。
优选的，所述负载检测模块800，包括：比较器单元CMP和自适应导通时间发生单元；其中，自适应导通时间发生单元与所述比较器单元CMP的反向输入端连接，用于根据所述开关单元200的通断周期，向所述比较器单元CMP发送触发信号；所述比较器单元CMP的正向输入端连接输出电压VOUT。
基于AOT控制的CCM模式下，导通时间有如下公式：
通过设计如图9中的电容充放电电路，使得
则TCCM＝TON_CCM+TOFF_CCM＝R1C1 4
在轻载模式下，转换器处于DCM模式，此时导通时间和关断时间如下式，其中IL，peak为电感峰值电流：
DCM模式的工作周期如下式，其中Q是在一个电源转换器开关周期内维持输出负载消耗所需的电荷，IL，average为平均电感电流：
联立上式得
可见，开关周期TDCM与ILOAD成反比，超轻载模式下TDCM越长，因此可通过检测TDCM长度来判断转换器是否进入超轻载模式，设超轻载判断的临界开关周期为TDCM，TH、负载电流为ILOAD，TH。为了使得LOAD，TH与输入电压VIN无关，应使
则
其中k为常数，VOUT稳态下位固定值，ILOAD,TH不受其影响，因为当k值足够大时，有：
结合电容充放电原理，提供如图10所示的负载检测模块800，其中k＝R2C2，代表初始值为VIN的电容经过电阻、电容放电至VOUT的时间即为TDCM,TH；其中，VAOT为自适应导通时间发生器的输出信号，每一个上升沿代表降压转换器中的开关单元200的关断触发信号，每两个VAOT信号之间即为一个开关周期时间。当电容放电至VOUT时，触发比较器输出ULP1为高电平，代表转换器处于超轻载模式，并经过D触发器等数字电路输出超轻负载使能信号ULP_EN。其余各节点工作波形如图11所示；可见，针对超低静态电流的改善，本实施例删除了转换器架构中的误差放大器，采用基于纹波的控制方式，节省了静态功耗，避免了因补偿带来的设计复杂性和面积成本增加。
具体实施例II：
一种基于如具体实施例I所述的低静态电流快速瞬态响应降压DC-DC转换器的异步尾电流偏置的控制方法，包括：利用电流增强，当负载跳变时，异步地为CMP模块提供大电流偏置，从而增强瞬态响应。
验证环节：
将本实施例所述的低静态电流快速瞬态响应降压DC-DC转换器与A2比较器方案进行对比；如图12可知，通过负载切换检测模块400和动态电流偏置控制模块500，增强了超低静态电流设计下转换器的瞬态响应性能。如图12所示，改进后的电路大大减小了输出电压的下冲和恢复时间。
同时，通过改变所述负载检测模块800的参数，即检测DCM模式下的开关周期，使得超轻载的判断阈值不随输入电压VIN的变化，实现DC-DC转换器更高效率和更快的瞬态响应。
总之，本申请提出了一种异步尾电流偏置的控制方法，利用电流增强技术，当负载跳变时，实现异步地为环路比较器，CMP模块300，提供大电流偏置，从而增强瞬态响应；另外通过直接检测输出电压和基准电压，相比传统方案检测负载电流的方法具有更低的功耗。同时，提出了一种适用于超低静态电流设计的负载检测技术，使超轻载和重载的临界值更接近设计值，而不受其他外部电路影响，解决物联网应用中固定负载临界跳变的需要，实现更高效率和更快速的瞬态响应。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易变化或替换，都属于本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种低静态电流快速瞬态响应降压DC-DC转换器，其特征在于，包括：
控制电路模块，用于输出控制信号；
开关单元，其栅极与所述控制电路模块连接，且其漏极作为输出端提供输出电压；
CMP模块，其正向输入端与所述开关单元的漏极连接，用于采集所述输出电压；
负载切换检测模块，其输入端连接所述开关单元的漏极，用于采集所述输出电压，并根据所述输出电压的变化判断负载是否切换，以输出调整信号；
动态电流偏置控制模块，与所述负载切换检测模块电性连接，并与所述CMP模块连接，用于根据所述调整信号调节所述CMP模块的偏置电流；
基准电压电流模块，与所述CMP模块的反向输入端连接；
所述基准电压电流模块的输出端与所述负载切换检测模块电性连接。
2.根据权利要求1所述的低静态电流快速瞬态响应降压DC-DC转换器，其特征在于，所述负载切换检测模块，包括：
第一CMP元件，其正向输入端与所述开关单元的漏极连接，且其反向输入端连接所述基准电压电流模块，用于在其输出端输出第一比较信号；
第二CMP元件，其正向输入端连接所述基准电压电流模块，且其反向输入端连接所述开关单元的漏极，用于在其输出端输出第二比较信号；
所述动态电流偏置控制模块设置在所述负载切换检测模块的输出端，用于采集第一比较信号和第二比较信号。
3.根据权利要求2所述的低静态电流快速瞬态响应降压DC-DC转换器，其特征在于，所述动态电流偏置控制模块，包括：
第一开关元件，其栅极与所述第一CMP元件的输出端连接，用于根据所述第一比较信号控制所述第一开关元件的通断；
第二开关元件，其栅极与所述第二CMP元件的输出端连接，用于根据所述第二比较信号控制所述第二开关元件的通断；
所述第一开关元件的源极与所述第二开关元件的源极并联后与所述开关单元的漏极连接，用于连接所述开关单元的输出端；
所述第一开关元件的漏极和所述第二开关元件的漏极，同时与所述CMP模块连接，用于根据所述第一比较信号和第二比较信号以及所述开关单元的漏极信号调整所述CMP模块的偏置电流。
4.根据权利要求1所述的低静态电流快速瞬态响应降压DC-DC转换器，其特征在于，所述开关单元与CMP模块之间还设置有电路，所述电路，包括：
电感-电阻支路，与所述开关单元的漏极连接，用于作为输出端，提供输出电压；
电阻-电容支路，与所述电感-电阻支路并联，且所述CMP模块的正向输入端设置在所述电阻-电容支路中电阻与电容之间。
5.根据权利要求所述的低静态电流快速瞬态响应降压DC-DC转换器，其特征在于，还包括：与负载检测模块；
所述负载检测模块与所述控制电路模块电性连接，用于控制所述开关单元的通断；
所述负载检测模块与所述CMP模块电性连接，用于控制所述CMP模块在不同输出负载电流下的偏置电流和增益。
6.根据权利要求5所述的低静态电流快速瞬态响应降压DC-DC转换器，其特征在于，所述负载检测模块，包括：
比较器单元；
自适应导通时间发生单元，与所述比较器单元的反向输入端连接，用于根据所述开关单元的通断周期，向所述比较器单元发送触发信号；
所述比较器单元的正向输入端连接输出电压。
7.根据权利要求6所述的低静态电流快速瞬态响应降压DC-DC转换器，其特征在于，所述自适应导通时间发生单元，包括：
比较器元件；
放电电容，与所述比较器元件的反向输入端连接，用于向所述比较器元件放电；
所述比较器元件的正向输入端连接输出电压，用于在所述放电电容放电的过程中在所述比较器元件的输出端输出所述触发信号。
8.一种基于如权利要求1-7任一权利要求所述的低静态电流快速瞬态响应降压DC-DC转换器的异步尾电流偏置的控制方法，其特征在于，包括：
利用电流增强，当负载跳变时，异步地为CMP模块提供大电流偏置，从而增强瞬态响应。
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