CN103296880B - 一种超低压启动的低功耗升压式dc-dc转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超低压启动的低功耗升压式DC-DC转换器，其特征在于，控制芯片100内部固定连接设置内部电源选择101、内部基准与偏置102、PMOS功率管(high-side)103、NMOS功率管(low-side)104、电感电流侦测电阻105、前沿消隐单元106、逐周期过流保护比较器107、PWM(脉宽调制)比较器108、控制逻辑与驱动109、振荡器110、超低压振荡器111、待机信号处理112、空载侦测比较器113、误差放大器114、输出电压反馈分压电阻115、输出电压反馈分压电阻116、控制开关118和使能117。本发明特别适合用于手机后备电源、移动电源的升压应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种超低压启动的低功耗升压式DC-DC转换器。
背景技术
升压式DC-DC转换器广泛应用于电子设备中。近年来随着智能手机的兴起，其配套的移动电源越来越受欢迎，而升压式DC-DC转换器作为移动电源的主要组成部分，为了降低对移动电源自身电池的要求，人们希望移动电源所配置的DC-DC升压转换器的输入电压范围越宽越好，可正常使用的电池电压越低越好，且要求DC-DC升压转换器工作电流、待机电流越低越好，以利于提高电池能量的利用率和延长待机时间。但目前市场上常见的升压式DC-DC转换器很难同时满足以上要求。
发明内容
为解决上述现有的缺点，本发明的主要目的在于提供一种实用的超低压启动的低功耗升压式DC-DC转换器，能够在超低输入电压下启动的低功耗升压式DC-DC转换器，该DC-DC升压转换器能够在单节电池(1.2V)供电的条件下启动并正常工作，工作电流低于100uA，且有自动待机功能，当输出端没有负载时，自动进入待机，待机时平均电流低于1uA，特别适合用于手机后备电源、移动电源的升压应用。
为达成以上所述的目的，本发明的一种超低压启动的低功耗升压式DC-DC转换器采取如下技术方案：
一种超低压启动的低功耗升压式DC-DC转换器，包括控制芯片100，控制芯片100内部包括控制逻辑与驱动109，控制逻辑与驱动109与PMOS功率管103连接，PMOS功率管103与内部基准与偏置102之间连接有内部电源选择101，控制逻辑与驱动109和PMOS功率管103均与NMOS功率管104连接，控制逻辑与驱动109与NMOS功率管104之间连接有前沿消隐单元106，前沿消隐单元106和控制逻辑与驱动109之间连接有逐周期过流保护比较器107、PWM比较器108和振荡器110，控制逻辑与驱动109还与超低压振荡器111和待机信号处理112连接，超低压振荡器111和待机信号处理112与空载侦测比较器113连接，空载侦测比较器113与控制开关118之间依次连接有误差放大器114、输出电压反馈分压电阻115，控制开关118还与PMOS功率管103连接；并且控制芯片100上还设置有开关引脚SW、使能引脚EN、输出引脚Vout、输入电压Vin和GND引脚；
所述使能引脚EN，用于通过外部输入高/低电平并且决定芯片100是否开启；
所述超低压振荡器111用于在输入电压Vin小于1.2V时，产生时钟信号用于PMOS功率管103和NMOS功率管104，使芯片100在超低输入电压下也能启动；
所述内部电源选择101用于产生内建电源，给芯片内部各个装置供电，并且通过内部比较器对SW的电压和Vout电压进行比较，并且选择电压高的一个作为内部电压。
本发明的特点还在于：
其中控制芯片100在启动之前SW的电压与输入电压Vin相等，而Vout电压比SW的电压低，因此控制芯片的内部供电电源为SW，当控制芯片100启动之后输出电压Vout逐渐升高且高于SW的电压时，内部电源选择101选择输出电压Vout为供电电源。
其中输入电压Vin低于2V时，超低压振荡器111产生时钟信号用于PMOS功率管103和NMOS功率管104。
其中振荡器110输出时钟信号CLK，还输出锯齿波信号，用于叠加在电感电流信号上。
采用如上技术方案的本发明，具有如下有益效果：
能够在超低输入电压下启动的低功耗升压式DC-DC转换器，该DC-DC升压转换器能够在单节电池(1.2V)供电的条件下启动并正常工作，工作电流低于100uA，且有自动待机功能，当输出端没有负载时，自动进入待机，待机时平均电流低于1uA，特别适合用于手机后备电源、移动电源的升压应用。
附图说明
图1为本发明的内部结构图。
图2为本发明的超低压振荡器的内部电路图。
图3为本发明的超低压振荡器的各结点波形图。
图4为本发明的待机信号处理装置的波形示意图。
具体实施方式
下面将通过实施例对本发明做进一步描述，这些实施例的描述并不是对本发明的内容做限定。本领域的技术人员应理解，对本发明内容所作的等同替换，或相应的改进，仍属于本发明的保护范围之内。
如图1所示，本发明的一种超低压启动的低功耗升压式DC-DC转换器，其中控制芯片100有四个引脚，分别为开关引脚SW，通过电感连接输入电压；使能引脚EN，用于通过外部输入高/低电平决定芯片100是否开启；输出引脚Vout，用于输出固定(比如5V)的输出电压；GND引脚，作为整个芯片的参考地。控制芯片100内部固定连接设置内部电源选择101、内部基准与偏置102、PMOS功率管(high-side)103、NMOS功率管(low-side)104、电感电流侦测电阻105、前沿消隐单元106、逐周期过流保护比较器107、PWM(脉宽调制)比较器108、控制逻辑与驱动109、振荡器110、超低压振荡器111、待机信号处理112、空载侦测比较器113、误差放大器114、输出电压反馈分压电阻115、输出电压反馈分压电阻116、控制开关118和使能117。内部电源选择101用于产生内建电源，给芯片内部各个装置供电，它通过内部比较器对SW电压和Vout电压进行比较，哪个电压比较高，就选择该电压作为内部电源，因此在芯片没启动前SW电压等于输入电压Vin，而Vout电压由SW通过PMOS功率管103的体二极管提供，因此Vout电压比SW电压低，所以此时芯片的内部供电电源为SW；当升压DC-DC芯片启动后，输出电压开始慢慢升高，最终高于SW电压，因此，芯片内部电源切换成输出电压Vout提供。内部基准与偏置102用于产生基准参考电压ref1、ref2、ref3等，以及各装置正常工作时所需要的偏置电流，同时还产生基准建立OK的信号PG，当电源电压升高到一定程度后，内部基准与偏置102才能正常工作，此时PG由低电平翻转为高电平，代表芯片电源已经足够高，能使内部各装置正常工作，PG翻转以后芯片内部大部分模拟电路才开始正常工作。作为low-side的NMOS功率管104导通时，SW通过电感电流侦测电阻105被接地，电感两端压差ΔV接近输出电压Vin，电感电流开始上升，当电感电流上升到逐周期过流保护阈值或者NMOS功率管104导通时间达到由PWM比较器108决定的占空比时，开关NMOS功率管104关断，作为high-side的PMOS功率管103导通，给电感续流，电感电流从Vin流入Vout，给输出端提供能量。电感电流侦测电阻105用于侦测low-sideNMOS功率管104导通时电感的实时电流，经过前沿消隐106滤除各种可能的干扰后输入到PWM比较器108，与误差放大器114输出信号comp相比较来决定开关NMOS功率管104的导通占空比，从而参与环路控制，另外为了保证***的安全，CS信号还被送到逐周期过流保护比较器107，与内部参考电压ref2进行比较，一但电感电流达到过流保护阈值，开关NMOS功率管104立即关断。输出电压反馈分压电阻115和输出电压反馈分压电阻116组成反馈网络，将输出电压反馈给误差放大器114，并与内部参考电压ref1相比较，当输出电压较低时，反馈电压FB小于ref1，则误差放大器114的输出comp电压升高，NMOS功率管104导通占空比增大，每个周期向输出端传送的能量增加，输出电压慢慢升高，并最终稳定在设定值。此外，当输出负载减小时，comp电压也会降低以使开关NMOS功率管104的导通占空比减小，当负载降低到一定程度，说明升压的负载(手机或其它电子设备)充电已经充满了，则comp降低到小于内部参考电压ref3时，空载侦测比较器113的输出信号noload由低电平翻转为高电平，并输入到待机信号处理112，待机信号处理112经过短暂延时后会输出待机关闭信号OFF，OFF信号输入到各个装置，它会将除了超低压振荡器111以外的装置全部关闭，同时将反馈网络也切断，以降低功耗，关闭时间为Toff(约几秒)在这段时间内芯片内部只有超低压振荡器111和待机信号处理112在工作，芯片的工作电流低于1uA；Toff时间过后，OFF信号翻转为低电平，芯片内部各模块又开始正常工作，输出电压在1ms之内即可建立，并再次侦测输出负载，如果输出仍然空载，则在开启1ms后，noload信号再次翻转，OFF信号随之翻转为高电平，内部电源选择101再次关闭Toff，也就是说在输出空载时，芯片每隔几秒钟会开启1ms(如图4所示)，这样整个空载时的平均开启时间只有几千分之一，***消耗的电流也会小于1uA，从而保证极低的待机功耗，特别有利于提高移动电源的利用效率和使用时间。当输入电压Vin很低时(低于2V)，一般的芯片内部的模拟电路单元，特别是内部基准电路和各路偏置电流是无法正常工作的，因此一般的芯片是无法启动的。超低压振荡器111用于在输入电压Vin非常低(比如由单节1.5V电池供电，电池电压可能低至1.2V)时，产生时钟信号用于PMOS功率管103和NMOS功率管104，使芯片在超低输入电压下也能启动，芯片启动后就会开始向输出端Vout提供能量，使得输出电压上升，然后通过内部电源选择101的作用，转由Vout给内部各模块供电，当Vout升高到一定程度，内部各模拟电路单元能正常工作了，PG信号翻转为高电平，此时超低压振荡器111停止工作，振荡器110开始为芯片提供精准的时钟信号参与控制开关管。当芯片侦测到空载，进入待机时，内部模块都停止工作，超低压振荡器又开始工作，为待机信号处理单元提供时钟，以用于计时Toff时长。振荡器110除了输出时钟信号CLK外，还会输出一锯齿波信号，用于叠加在电感电流信号上，作为斜坡补偿，以便当NMOS功率管104导通占空比大于50％时，保证***的稳定性。使能单元用于根据外部使能引脚输入的信号EN来决定芯片是否开启，其产生的内部使能信号Enable输入到各个模块，控制内部所有单元的工作状态，当EN为高电平时，芯片开始工作，当EN为低电平时，芯片不工作，消耗电流为零。控制逻辑与驱动单元109用于根据各输入信号来控制开关PMOS功率管103和NMOS功率管104的通断。
如图2和图3所示，只要输入电压Vin高于普通CMOS工艺器件的开启阈值(Vth约0.7V)，就能开始工作，产生时钟信号。它由五个重复的单元130首尾相接，以及控制逻辑150组成。其中重复单元130由电阻131、132，电容133和NMOS开关管134组成；其中电阻133的一端连接电阻132的一端同时连接第五个重复单元的开关管的漏端，电阻131的另一端接内部电源vdd，电阻132的另一端连接电容133的上极板和开关管134的栅极，电容133的下极板接地，开关管134的漏端连接第二个单元的两个电阻中间节点，开关管134的源端连接控制逻辑中开关管156的漏端，所用重复单元依次级联组成环形振荡器；控制逻辑150由反相器151、153，与门152、155，与非门154，PMOS开关管157和NMOS开关管156组成，其中反相器151的输入端连接重复单元130中的节点201，151的输出端连接与门152的一个输入端，152的另一个输入连接第四个重复单元的节点204，152的输出端即为超低压时钟信号CLK1，反相器153的输入端连接noload信号，输入端连接与非门154的一个输入端，154的另一个输入端连接PG信号，154的输出端连接与门155的一个输入端，155的另一个输入端连接Enable信号，155的输出端连接开关管157和156的栅极，PMOS开关管157的源极接内部电源vdd，157的漏极连接第一个重复单元的电阻中间结点211，NMOS开关管156的漏极连接所有重复单元的NMOS开关管134的源极，156的源极接地。当使能信号Enable为高电平时，芯片要开始工作，此时如果输入电压较低，内部电源vdd不够高，即PG为低电平时或者芯片处于空载待机关闭状态即noload为高电平时，环形振荡器开始工作，其各主要结点波形如图3所示。超低压时钟信号CLK1直接驱动PMOS功率管103和NMOS功率管104，开关NMOS功率管104以固定的80％占空比导通，使得输出电压Vout逐渐升高，此时，环路还没工作，不起作用。当使能信号为低电平，或者Vout升高到一定程度，内部电源高到能使各个模块正常工作，即PG为高电平且***处于于非待机状态即noload为低电平时，超低压振荡器111停止工作，时钟由振荡器110提供，环路开始起作用控制输出电压。
Claims (4)
1.一种超低压启动的低功耗升压式DC-DC转换器，其特征在于，包括控制芯片(100)，控制芯片(100)内部包括控制逻辑与驱动(109)，控制逻辑与驱动(109)与PMOS功率管(103)连接，PMOS功率管(103)与内部基准与偏置(102)之间连接有内部电源选择(101)，控制逻辑与驱动(109)和PMOS功率管(103)均与NMOS功率管(104)连接，控制逻辑与驱动(109)与NMOS功率管(104)之间连接有前沿消隐单元(106)，前沿消隐单元(106)和控制逻辑与驱动(109)之间连接有逐周期过流保护比较器(107)、PWM比较器(108)和振荡器(110)，控制逻辑与驱动(109)还与超低压振荡器(111)和待机信号处理(112)连接，超低压振荡器(111)和待机信号处理(112)与空载侦测比较器(113)连接，空载侦测比较器(113)与控制开关(118)之间依次连接有误差放大器(114)、输出电压反馈分压电阻(115)，控制开关(118)还与PMOS功率管(103)连接；并且控制芯片(100)上还设置有开关引脚SW、使能引脚EN、输出引脚Vout、输入电压Vin和GND引脚；
所述使能引脚EN，用于通过外部输入高/低电平并且决定芯片(100)是否开启；
所述超低压振荡器(111)用于在输入电压Vin小于1.2V时，产生时钟信号用于PMOS功率管(103)和NMOS功率管(104)，使芯片(100)在超低输入电压下也能启动；
所述内部电源选择(101)用于产生内建电源，给芯片内部各个装置供电，并且通过内部比较器对SW电压和Vout电压进行比较，并且选择电压高的一个作为内部电压。
2.根据权利要求1所述的一种超低压启动的低功耗升压式DC-DC转换器，其特征在于，所述控制芯片(100)在启动之前SW的电压与输入电压Vin相等，而Vout电压比SW的电压低，因此控制芯片的内部供电电源为SW，当控制芯片(100)启动之后输出电压Vout逐渐升高且高于SW的电压时，内部电源选择(101)选择输出电压Vout为供电电源。
3.根据权利要求1所述的一种超低压启动的低功耗升压式DC-DC转换器，其特征在于，所述输入电压Vin低于2V时，超低压振荡器(111)产生时钟信号用于PMOS功率管(103)和NMOS功率管(104)。
4.根据权利要求1所述的一种超低压启动的低功耗升压式DC-DC转换器，其特征在于，所述振荡器(110)输出时钟信号CLK，还输出锯齿波信号，用于叠加在电感电流信号上。
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