CN112653324B - 一种无直接供电的升压转换器*** - Google Patents

一种无直接供电的升压转换器*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无直接供电的升压转换器***，包括电能获取模块和PMOS软启动模块，所述电能获取模块从数据线获取电能，并与所述PMOS软启动模块输入端串联后，接入所述***的输入端；所述***内部集成一个PFM/PSM控制模块，以实现对PFM和PSM模式的自动切换。本发明获取的电能可以在没有大浪涌电流的情况下启动至目标电压，而同时具有高的电源转换效率、低电磁干扰、快速响应和低纹波。

Description

一种无直接供电的升压转换器***
技术领域
本发明涉及微电子通信技术领域，特别涉及一种无直接供电的升压转换器***。
背景技术
许多数据通信应用中，电源不是直接可用的。但是***需要通信集成电路(IC)来获得处理发送或接收的数据的电能。为了获得电能，我们经常必须获得外部电源，外部电源通常是笨重的，并增加额外的成本。
另一个问题是升压转换器有很大的浪涌峰值电流。浪涌电流是指器件开启时电源汲取的尖峰电流。典型的升压转换器包括连接在输入端和输出端中的大电容，以过滤输入电压和输出电压的噪声。每个电容器都需要电流来将电压充电到稳定状态，因为当通电时，通过这些电容器的电压突然改变，所以存在大的涌入电流。由于电源路径的电阻，大的涌入电流可能导致电源电压的大的电压下降，并导致***复位或过流保护。
对于直流-直流变换器，存在三种主要的控制方案：脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)和脉冲跳跃调制(PSM)。脉冲频率调制(PFM)用于轻负载，有很好的效率。另一种类似的调制是脉冲跳跃调制(PSM)模式，由于周期跳跃，调制频率降低，以保持效率不依赖负载。在PSM模式下，调制频率是固定的，其滤波器比在PFM模式下更容易设计，从而降低了电磁干扰(EMI)，而在PFM模式下，输出电压的谐波不是恒定的，并且随负载而变化，不容易滤波，这将导致通信应用中的EMI问题。在PSM模式下，调制因子与输出功率成正比，效率与负载无关。PSM模式的升压转换器具有轻负载频率、更快的转换响应、比PFM模式更低的谐波频率。然而，由于快速转换响应，启动时电压纹波较大且有浪涌电流。如果我们能把PFM模式和PSM模式结合在一起，我们就能同时利用这两种调制模式。
因此，为了克服上面讨论的电能***的问题，以实现无需直接供电就能获得电能，需要一种无直接供电的升压转换器***。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种无直接供电的升压转换器***，所述***包括电能获取模块和PMOS软启动模块，
所述电能获取模块从数据线获取电能，并与所述PMOS软启动模块输入端串联后，接入所述***的输入端；
所述***内部集成一个PFM/PSM控制模块，以实现对PFM和PSM模式的自动切换。
优选地，电能获取模块具有并联的数据输入接口D0至D7，以及每一数据输入接口串联一电感器或磁珠。
优选地，电能获取模块将数据视为AC波形，并对其进行整流，使信号和电能结合在一条线上，数据接口D0到D7传输数据，电能获取模块从数据线获得电能。
优选地，每一数据输入接口串联一电感器或磁珠，用于隔离数据的交流信号，并获得数据线的直流电压和电流。
优选地，PMOS软启动模块包括P沟道金属氧化物半导体，以及第一电阻、第二电阻和电容器，
当电源接通时，P沟道金属氧化物半导体的栅极通过第一电阻被拉至输入电压，然后P沟道金属氧化物半导体的栅极通过第二电阻放电，P沟道金属氧化物半导体的栅极的缓慢放电限制涌入电流；在电容器完全放电之后，P沟道金属氧化物半导体的栅极被拉低，P沟道金属氧化物半导体被完全导通。
优选地，PFM/PSM控制模块包括PFM比较器、第一RS锁存器、第二RS锁存器、多路复用器，以及逻辑门电路，
升压转换器通电时工作在PFM模式，PFM比较器输出pfm_comp信号为低电平，DCM信号设置第一RS锁存器的R端和S端，用于导通N型金属氧化物半导体管；
过流比较器输出over_current信号复位第一RS锁存器的R端和S端，用于关闭N型金属氧化物半导体管；
nmos_ctrl信号，复位第二RS锁存器的R端和S端，用于导通P沟道金属氧化物半导体；
当DCM信号为高电平时，DCM信号设置第二RS锁存器R端和S端，用于关闭P沟道金属氧化物半导体。
本发明的另一个方面在于提供一种升压转换器***的PFM/PSM控制方法，所述方法包括：
步骤1、升压转换器从数据线获取电能，用PMOS软启动；
步骤2、当反馈电压<参考电压，升压转换器工作在PFM模式下，输出电压上升；
步骤3、当反馈电压>＝参考电压，升压转换器工作在PSM模式下，输出电压稳定。
本发明提供的无直接供电的升压转换器***，获取的电能可以在没有大浪涌电流的情况下启动至目标电压，而同时具有高转换效率、低电磁干扰、快速响应和低纹波。本发明可用于通信、接口或嵌入式***应用，并可方便地集成到印刷电路板上。
本发明提供的无直接供电的升压转换器***，利用升压转换器将电能升压到高电压，以提供给其他设备或芯片组的***、电路和方法。在实现升压转换器集成电路(IC)时，一个大的PMOS集成在芯片中，与数据线和升压转换器的输入端串联，在升压转换器中实现了PFM和PSM模式的自动切换。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明无直接供电的升压转换器***的示意图。
图2示出了本发明电能获取模块连接PMOS软启动模块的示意图。
图3示出了现有技术中PFM升压转换器的示意图。
图4示出了本发明PFM模式到PSM模式的自动切换控制的示意图。
图5示出了本发明升压转换器***从PFM模式转换到PSM模式的时序图。
图6示出了本发明升压转换器***PFM模式到PSM模式的自动切换的流程图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供无直接供电的升压转换器***，如图1所示本发明无直接供电的升压转换器***的示意图，根据本发明的实施例，一种无直接供电的升压转换器***包括电能获取模块和PMOS软启动模块。
电能获取模块从数据线获取电能，并与所述PMOS软启动模块输入端串联后，接入***的输入端。***内部集成一个PFM/PSM控制模块，以实现对PFM和PSM模式的自动切换。
根据本发明的实施例，如图2本发明电能获取模块连接PMOS软启动模块的示意图，电能获取模块具有并联的数据输入接口D0至D7，即D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7，每一数据输入接口串联一电感器或磁珠，即L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8。
根据本发明的实施例，电能获取模块将数据视为AC波形，并对其进行整流，使信号和电能结合在一条线上，数据接口D0到D7传输数据，电能获取模块从数据线获得电能。具体地实施例中，电能获取模块将数据视为AC波形，并对其进行整流以提供电能。从而实现了将信号和电能结合在一条线上，数据D0到D7传输数据的同时，可以从数据线获得电能。
根据本发明的实施例，每一数据输入接口串联一电感器或磁珠，用于隔离数据的交流信号，并获得数据线的直流电压和电流。
电感器或磁珠L1至L8用于隔离数据的交流信号，并获得数据线的直流电压和电流。实施例中传输数据的速度通常很高，因此一个磁珠或电感足以过滤数据的交流信号。通过使用所有数据线，所有数据线的电流容量相加在一起，有助于驱动升压转换器的重负载。
根据本发明的实施例，PMOS软启动模块包括P沟道金属氧化物半导体(Q1)，以及第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和电容器(C1)。
当输入电压源开启时，会出现浪涌电流。通常需要限制因输入电容和输出电容充电电流而产生的浪涌电流。解决这个问题的一个切实可行的办法是通过使用一个大的分立金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，分立有源浪涌电流消除电路，但是它体积庞大，面积堪比升压转换器。
根据本发明的实施例，P沟道金属氧化物半导体(pmos，图2中的Q1)集成在启动转换器集成电路中。PMOS软启动模块串联在升压转换器的电压输入端和数据线之间。
P沟道金属氧化物半导体(Q1)最初是关闭的，当电源接通时，P沟道金属氧化物半导体(Q1)的栅极通过第一电阻(R1)被拉至输入电压，然后P沟道金属氧化物半导体(Q1)的栅极通过第二电阻(R2)放电，P沟道金属氧化物半导体(Q1)的栅极的缓慢放电限制涌入电流；在电容器(C1)完全放电之后，P沟道金属氧化物半导体(Q1)的栅极被拉低，P沟道金属氧化物半导体(Q1)被完全导通。
如图3所示现有技术中PFM升压转换器的示意图，当反馈电压(vfb)低于带隙基准电压(vref)时，PFM比较器(PFM Comparator)输出的pfm_comp信号为高电平，N型金属氧化物半导体管(nmos，图3中的M1)导通，并开始在电感器中存储能量。当电感器电流达到电流限值时，过流比较器(Over-current comparator)输出的over_current信号为高电平，复位RS锁存器，N型金属氧化物半导体管(nmos，图3中的M1)关断，P沟道金属氧化物半导体(pmos，图3中的M2)在固定死区时间后导通。
当P沟道金属氧化物半导体(pmos，图3中的M2)导通时，存储在电感中的能量将转移到输出负载和输出电容。一段时间后，当电感器耗尽能量时，充电电流降至零。触发过零比较器(Zero-cross comparator)，过零比较器输出为低电平以关闭P沟道金属氧化物半导体(pmos，图3中的M2)，从而保持电感器电流反向。现有技术中的PFM升压转换器会降低升压转换器的效率。
本发明提供的一种无直接供电的升压转换器***，实现PFM/PSM自动切换，如图4所示本发明PFM模式到PSM模式的自动切换控制的示意图，根据本发明的实施例，PFM/PSM控制模块包括PFM比较器(PFM Comparator)、第一RS锁存器(Latch 1)、第二RS锁存器(Latch2)、第一多路复用器(MUX 1)、第二多路复用器(MUX 2)，以及逻辑门电路。
PFM模式下升压转换器***的工作过程：
升压转换器***通电时工作在PFM模式，PFM比较器输出pfm_comp信号为低电平，DCM信号(非连续导通模式信号)设置第一RS锁存器的R端和S端，用于导通N型金属氧化物半导体管。
过流比较器输出over_current信号，通过第一多路复用器(MUX 1)复位第一RS锁存器的R端和S端，用于关闭N型金属氧化物半导体管。
nmos_ctrl信号，复位第二RS锁存器的R端和S端，用于导通P沟道金属氧化物半导体。
当DCM信号为高电平时，DCM信号设置第二RS锁存器R端和S端，用于关闭P沟道金属氧化物半导体。
PSM模式下升压转换器***的工作过程：
当反馈电压(vfb)上升到带隙基准电压(vref)后，PFM比较器反转。PFM比较器的输出由第一锁存器锁存，pfm_comp_latch输出为高电平，使升压转换器***工作在PSM模式。在PSM模式下，当pfm_comp信号保持低电平时，第一多路复用器(MUX 1)在振荡器时钟(OSCclock)的上升沿导通。
当over_current信号变为高电平时，第一锁存器复位。nmos_ctrl信号复位第二锁存器(latch 2)以开启P沟道金属氧化物半导体，当DCM信号出现高电平时，DCM信号设置第二RS锁存器R端和S端，用于关闭P沟道金属氧化物半导体，这与PFM模式相同。
根据本发明的实施例，无直接供电的升压转换器***通电后，升压转换器工作在PFM模式下以减少浪涌电流，当输出电压上升到目标输出电压时，关闭PFM模式，自动打开电源管理模式以提高效率并减少电磁干扰。通过第一锁存器(Latch 1)、第一多路复用器(MUX1)、第二多路复用器(MUX 2)实现自动切换。
当输出电压小于输出目标电压时，PFM比较器输出pfm_comp信号为低电平，锁存输出为低电平，直到输出电压升至目标电压。输出电压大于目标电压后，将信号pfm_comp_latch锁存至高电平。
当pfm_comp_latch为低电平时，MUX1和MUX2选择PFM模式；
当pfm_comp_latch为高电平时，MUX1和MUX2选择PSM模式，实现PFM模式和PSM模式的自动切换控制。
根据本发明的实施例，在PSM模式下，升压转换器***的操作有三种状态，下面结合图3对三种状态进行阐述
第一种状态，N型金属氧化物半导体管(M1)打开，并开始在电感器中存储能量。
第二种状态，当电感电流达到电流极限时，N型金属氧化物半导体管关断，P沟道金属氧化物半导体管(M2)导通。
当P沟道金属氧化物半导体管导通时，存储在电感器中的能量将转移到输出负载和输出电容。片刻之后，充电电流降到零，N型金属氧化物半导体管和P沟道金属氧化物半导体管都关断。
升压转换器***保持空闲“跳过”模式，负载电流将输出电容放电。当输出电压降至某个参考阈值时，转换器再次进入活动状态。
第三种状态，PSM模式下的升压转换器，控制P沟道金属氧化物半导体管和N型金属氧化物半导体管的栅极间隔的电路，工作在由振荡器时钟决定的固定频率上。
N型金属氧化物半导体管在振荡器时钟的上升沿，以及vfb<vref时导通，当电感器电流达到限制电流极限值时关断。
电流极限值通过检测N型金属氧化物半导体管导通时电阻两端的压降来实现的。将检测到的电压与极限电压信号进行比较。当N型金属氧化物半导体管关闭时，P沟道金属氧化物半导体管开启。过零检测电路(Over-current comparator)监控P沟道金属氧化物半导体管导通时的压降。如果电压Vout大于Lx电压，将P沟道金属氧化物半导体管关断以防止反向电流。
如图5所示本发明升压转换器***从PFM模式转换到PSM模式的时序图，振荡器时钟(OSC时钟)在PFM模式下由pfm_comp_latch信号选通。
在PFM模式下，升压转换器输出电压缓慢上升，同时pfm_comp信号和pfm_comp_latch信号保持低电平。
在PSM模式下，升压转换器输出电压在三种状态下稳定工作，当vfb>vref时，pfm_comp为高电平，当vfb<vref时，pfm_comp变为低电平，但由于锁存，pfm_com_latch保持高电平。
在两种工作模式下，其他信号的时序是相同的，使得两种模式之间的转换顺利进行。
如图6所示本发明升压转换器***PFM模式到PSM模式的自动切换的流程图，一种利用升压转换器***的PFM/PSM控制方法，所述方法包括：
步骤1、升压转换器从数据线获取电能，用PMOS软启动；
步骤2、当反馈电压<参考电压，升压转换器工作在PFM模式下，输出电压上升；
步骤3、当反馈电压>＝参考电压，升压转换器工作在PSM模式下，输出电压稳定。
本发明升压转换器从数据线获取电能，电流通过电感器到达升压转换器的输入端。升压转换器软启动集成的pmos，以减少输入电容和输出电容充电时的浪涌电流。当vfb<vref时，升压转换器工作在PFM模式，输出电压稳定上升，峰值电流非常小。当输出电压上升到vfb>vref时，升压转换器开始以PSM模式工作，输出电压稳定，功率转换效率高，对***中其他电路的电磁干扰(EMI)更小。
本发明提供的无直接供电的升压转换器***，获取的电能可以在没有大浪涌电流的情况下启动至目标电压，而同时具有高转换效率、低电磁干扰、快速响应和低纹波。本发明可用于通信、接口或嵌入式***应用，并可方便地集成到印刷电路板上。
本发明提供的无直接供电的升压转换器***，利用升压转换器将电能升压到高电压，以提供给其他设备或芯片组的***、电路和方法。在实现升压转换器集成电路(IC)时，一个大的PMOS集成在芯片中，与数据线和升压转换器的输入端串联，在升压转换器中实现了PFM和PSM模式的自动切换。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种无直接供电的升压转换器***，其特征在于，所述***包括电能获取模块、PMOS软启动模块和升压转换器，
所述电能获取模块从数据线获取电能，并与所述PMOS软启动模块输入端串联后，PMOS软启动模块的输出端接入升压转换器的输入端；
所述***内部集成一个PFM/PSM控制模块，以实现对PFM和PSM模式的自动切换；
所述PFM/PSM控制模块包括：PFM比较器、过流比较器、第一RS锁存器、第二RS锁存器、D锁存器、第一多路复用器、第二多路复用器、振荡器时钟电路和逻辑门电路；所述逻辑门电路包括一个或非门、一个与门、两个与非门和四个非门；
所述PFM比较器的正极输入端接入反馈电压vfb，所述PFM比较器的负极输入端接入带隙基准电压vref；升压转换器的输出电压Vout经反馈电阻分压后获得的电压为反馈电压vfb；
所述过流比较器的正极输入端，与升压转换器的Nmos晶体管的源极连接，用于接入电感器电流lfb；所述过流比较器的负极输入端接入电感器电流限值Vref-limit；
Nmos晶体管的漏极与升压转换器的电感器的一端和升压转换器的Pmos晶体管的漏极连接，电感器的另一端连接PMOS软启动模块的输出端，Pmos晶体管的源极连接输出电压Vout；
所述或非门的输入端分别连接所述PFM比较器的输出端和所述过流比较器的输出端，所述或非门的输出端连接所述与门的一个输入端，所述与门的另一个输入端接入DCM信号；所述与门的输出端连接所述第一RS锁存器的R端；
所述第一多路复用器的第一输入端连接所述过流比较器的输出端；所述第一多路复用器的第二输入端连接所述振荡器时钟电路的输出端；所述第一多路复用器的输出端连接所述第一RS锁存器的S端；
第一非门的输入端连接所述PFM比较器的输出端，所述第一非门的输出端分别连接D锁存器的输入端和使能端，所述D锁存器的输出端分别连接所述第一多路复用器的控制引脚端和所述第二多路复用器的控制引脚端；
所述第二多路复用器的第一输入端连接vdd电源端；
所述第二多路复用器的第二输入端连接所述振荡器时钟电路的输出端，所述第二多路复用器的输出端和所述第一RS锁存器的输出端分别连接第一与非门的两个输入端，所述第一与非门的输出端分别连接第二非门的输入端、第二RS锁存器的R端和第二与非门的输入端；
所述第二非门的输出端经第三非门连接Nmos晶体管的栅极；
所述第二RS锁存器的S端连接第四非门的输出端，所述第四非门的输入端接入所述DCM信号；所述第二RS锁存器的输出端连接所述第二与非门的另一个输入端，所述第二与非门的输出端连接升压转换器的Pmos晶体管的栅极；
当所述第一多路复用器和所述第二多路复用器的控制引脚端为低电平时，则将所述第一多路复用器的第一输入端的信号反映到对应的输出端，将所述第二多路复用器的第一输入端的信号反映到对应的输出端；当所述第一多路复用器和所述第二多路复用器的控制引脚端为高电平时，则将所述第一多路复用器的第二输入端的信号反映到对应的输出端，将所述第二多路复用器的第二输入端的信号反映到对应的输出端。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，电能获取模块具有并联的数据输入接口D0至D7，以及每一数据输入接口串联一电感器或磁珠。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，电能获取模块将数据视为AC波形，并对其进行整流，使信号和电能结合在一条线上，数据接口D0到D7传输数据，电能获取模块从数据线获得电能。
4.根据权利要求2所述的***，其特征在于，每一数据输入接口串联一电感器或磁珠，用于隔离数据的交流信号，并获得数据线的直流电压和电流。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，PMOS软启动模块包括P沟道金属氧化物半导体，以及第一电阻、第二电阻和电容器，
当电源接通时，P沟道金属氧化物半导体的栅极通过第一电阻被拉至输入电压，然后P沟道金属氧化物半导体的栅极通过第二电阻放电，P沟道金属氧化物半导体的栅极的缓慢放电限制涌入电流；在电容器完全放电之后，P沟道金属氧化物半导体的栅极被拉低，P沟道金属氧化物半导体被完全导通。
6.一种利用权利要求1至5任一权利要求所述升压转换器***的PFM/PSM控制方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、升压转换器从数据线获取电能，用PMOS软启动模块实现软启动；
步骤2、当反馈电压<参考电压，利用PFM/PSM控制模块使升压转换器工作在PFM模式下，输出电压上升；参考电压为带隙基准电压；
步骤3、当反馈电压>＝参考电压，利用PFM/PSM控制模块使升压转换器工作在PSM模式下，输出电压稳定。
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