一种三模控制降压Buck变换器的制作方法

本发明涉及电子电路，具体地说，是一种三模控制降压buck变换器。

背景技术：

1、随着工业物联网不断发展，越来越多小体积智能设备层出不穷，如智能仪器、医疗传感器贴片、可穿戴设备、资产跟踪设备等。这些设备负载电流主要分布为：待机休眠模式（ua级）和传输工作状态（ma级）。为了提高这些设备的待机时长和电池寿命，研究低功耗、宽负载和高效率的电源管理系统是十分有必要的。传统提高轻载转换效率是通过（pfm）来实现，例如：seong joong kim等人[a 10-mhz 2–800-ma]将基于时间的脉冲宽度调制（pwm）和（pfm）相结合，在2-800ma负载电流范围内实现90%峰值效率。hong-wei huang等人[dithering skip modulation, width and dead time]引入了新型传感器自适应选择pwm和pfm和采用额外的抖动跳变调制（dsm），能实现3-500ma负载电流范围内重载峰值效率95%。以上方案仅在传统pfm和pwm基础上进行了优化，对于ma级负载电流有较好效果，但对ua级负载电流效果不明显。tian guo等人[a 464-na quiescent currentbuck]采用自适应关断时间，实现了464na静态电流，峰值效率93.7%，但是纹波较大。wen-liang zeng等人[a470-na quiescent current]提出双时钟（dct）模式和pwm模式，实现了dct/pwm模式峰值效率92.7%/94.7%，静态电流470na，负载电流范围10ua-50ma。young-jun park等人[adesign of a 92.4% efficiency triple-mode]采用扩频时钟和自适应零电流检测器（azcd）实现三模式控制降压变换器，提出了保留模式，静态电流为500na，在10ua-20ma负载电流峰值效率92.4%，并且在10ua-500ua负载电流效率74.2%以上。woojin park等人[anon-/off-time sensing-based load-adaptive]提出基于开关时间的三模式控制降压变换器，采用on-time传感器和off-time实现pwm/pfm/超低功耗（ulp）模式之间的切换。po-hungchen等人[a 50 nw-to-10 mw output power]提出三模式数字控制降压变换器，集成了数字脉冲调制（dpwm）、pfm和异步模式（am）用于重负载、轻负载和极轻负载条件。上述文章实现了ua级负载电流的较高效率，但受限于功率mos管尺寸，导致负载电流范围都不大。文献[a 470-na quiescent current]和[a design of a 92.4% efficiency triple-mode]使用sensefet带滤波电容作为电流传感器来检测负载电流，增加了额外的功耗。文献[anon-/off-time sensing-based load-adaptive]提出的三模式控制方案中pwm和ulp模式所需的时钟信号需要外部提供。文献[a 50 nw-to-10 mw output power]提出的三模式控制方案未能实现模式自动选择，设计需要两个外部端口手动完成。

技术实现思路

1、本发明的目的在于设计一种三模控制降压buck变换器，可以在宽负载范围（从微安ua级至安培a级）内实现高效率。除了pwm和pfm之外，还提出了一种适用于极轻负载的节能模式，利用浮动栅宽技术减小功率开关管的尺寸，以降低开关损耗和静态电流。提出的节能模式切换电路，能检测轻载和极轻载的边界，同时，通过动态偏置比较器实现了稳定性和低静态电流之间的权衡。此外，为了使节能模式、pwm和pfm相互切换具有较好稳定性，本发明利用电压二次方（v2aot）控制拓扑结构，并提出了两条反馈通路控制，采用前馈电容，提升变换器的负载瞬态响应和降低纹波，同时降低输出电容等效内阻resr对系统稳定的影响。

2、本发明通过下述技术方案实现：一种三模控制降压buck变换器，包括分段控制逻辑电路、分段控制电路、逻辑控制和驱动电路、纹波补偿网络、反馈环路、零电流检测电路、控制逻辑电路、aot电路、logic模块、动态偏置比较器、节能模式切换电路、误差放大器、基准电路，所述变换器的输出vout采用输出电容cout构成，输出电容cout具有等效串联电阻resr，即采用具有小等效串联电阻resr的多层陶瓷电容作为输出电容cout，采用电压二次方控制；所述变换器具有作为电压控制环路的外环反馈环路和作为补偿环路的反馈环路，外环反馈环路为电压控制环路，主要由误差放大器和动态偏置比较器组成，采用电阻rc和电容cc作为片上补偿网络保证变换器的稳定响应，保证了变换器不同负载条件下输出纹波和精度；反馈环路为补偿环路，可以线性反应电感电流的纹波信号，保证极轻载下的稳定性和降低输出纹波。

3、本技术可采用电阻分压结合运算放大器所构成的压控电流源（vccs）来实现v-i转换结构的传统自适应导通时间产生电路作为aot电路，亦可为进一步节省较大的静态电流，而采用低静态电流aot电路作为aot电路。

4、本发明所述的动态偏置比较器除现有动态偏置比较器电路结构外还可采用一种极轻负载条件下具有超低静态电流的动态偏置比较器，而该超低静态电流的动态偏置比较器包括自适应偏置电路、比较电路、内部正反馈结构和输出整形电路。

5、所述节能模式切换电路可以采用d触发器及模式判断电路（mode judgment）所组成，逻辑控制和驱动电路的输出信号（dp、dn）接入d触发器的d端和clk端，零电流检测电路的检测所得信号输入d触发器的（r）端，d触发器的输出（q）端接入模式判断电路，模式判断电路的输出接入自适应偏置电路。

6、进一步为更好地实现本发明所述的一种三模控制降压buck变换器，特别采用下述设置结构：所述反馈环路包括电阻rfb3、电阻rfb4和电容cff2，电阻rfb3、电阻rfb4相互串联，电阻rfb3的非共接端与电容cff2的第一端共接且分别与纹波补偿网络和等效串联电阻resr的第一端相连接，电阻rfb3的共接端分别与电容cff2的第二端和误差放大器的输入端（反相输入端）相连接，电阻rfb4的非共接端接地。

7、进一步为更好地实现本发明所述的一种三模控制降压buck变换器，特别采用下述设置结构：在所述外环反馈环路上，误差放大器的反相输入端连接电容cff2的第二端，误差放大器的同相输入端接入基准电路，电阻rc和电容cc相互串联形成片上补偿网络，误差放大器的输出连接片上补偿网络的第一端和动态偏置比较器的反相输入端，片上补偿网络的第二端接地，动态偏置比较器的同相输入端连接logic模块，动态偏置比较器的输出接入控制逻辑电路，节能模式切换电路也接入动态偏置比较器。

8、进一步为更好地实现本发明所述的一种三模控制降压buck变换器，特别采用下述设置结构：所述节能模式切换电路接入输入vin、零电流检测电路的输出、逻辑控制和驱动电路的输出。

9、进一步为更好地实现本发明所述的一种三模控制降压buck变换器，特别采用下述设置结构：所述控制逻辑电路连接逻辑控制和驱动电路，所述零电流检测电路连接逻辑控制和驱动电路。

10、进一步为更好地实现本发明所述的一种三模控制降压buck变换器，特别采用下述设置结构：所述aot电路连接控制逻辑电路，变换器的输出vout和输入vin皆接入aot电路，逻辑控制和驱动电路亦控制aot电路。

11、进一步为更好地实现本发明所述的一种三模控制降压buck变换器，特别采用下述设置结构：所述分段控制电路包括上边功率管（场效应管mp）和下边功率管（场效应管mn），上边功率管的第一端（源极）作为供电端，上边功率管的第二端（栅极）连接分段控制逻辑电路及逻辑控制和驱动电路，上边功率管的第三端（漏极）与下边功率管的第三端（漏极）共接且接入纹波补偿网络，下边功率管的第二端（栅极）分别与分段控制逻辑电路及逻辑控制和驱动电路相连接，下边功率管的第一端（源极）接入反馈环路且接地。

12、进一步为更好地实现本发明所述的一种三模控制降压buck变换器，特别采用下述设置结构：所述上边功率管的第三端通过相互串联的电感l和电阻rdcr连接反馈环路和等效串联电阻resr非共接的端（即串联电阻resr与输出电容cout不相连的端）。

13、进一步为更好地实现本发明所述的一种三模控制降压buck变换器，特别采用下述设置结构：所述上边功率管的第一端（源极）接入输入vin。

14、进一步为更好地实现本发明所述的一种三模控制降压buck变换器，特别采用下述设置结构：所述等效串联电阻resr和输出电容cout所形成的支路并联有直流源iload。

15、本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

16、本发明可以在宽负载范围（从微安ua级至安培a级）内实现高效率。除了pwm和pfm之外，还提出了一种适用于极轻负载的节能模式，利用浮动栅宽技术减小功率开关管的尺寸，以降低开关损耗和静态电流。提出的节能模式切换电路，能检测轻载和极轻载的边界，同时，通过动态偏置比较器实现了稳定性和低静态电流之间的权衡。此外，为了使节能模式、pwm和pfm相互切换具有较好稳定性，本发明利用电压二次方（v2aot）控制拓扑结构，并提出了两条反馈通路控制，采用前馈电容，提升变换器的负载瞬态响应和降低纹波，同时降低输出电容等效内阻resr对系统稳定的影响。

17、本发明在重载条件下，采用pwm调制模式；在轻负载条件下，采用pfm调制模式；而在极轻载条件下，采用节能模式。三种控制模式根据电感电流il状态不同，即连续导通（ccm）和断续导通（dcm），存在导通阶段ton、关断阶段toff和休眠阶段tsleep。在不同阶段自动切换不同高功耗模块的开、关状态，以次来降低功耗、提高效率。

18、本技术的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术实施例而了解。本技术的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。