本发明公开了一种基于自适应尺寸选择的Buck变换器，包括：晶体管阵列电路、电压输出电路、误差放大器、脉宽调制模块、零电压开关模块、自适应尺寸选择模块。误差放大器的输出信号作为脉宽调制模块以及自适应尺寸模块的输入，脉宽调制模块产生的输出信号作为零电压开关模块以及自适应选择模块的输入，零电压开关模块输出端接晶体管阵列中续流管的栅极，自适应尺寸选择模块输出端分别接晶体管阵列中不同尺寸的功率管的栅极，由电压输出电路输出稳定的电压。本发明根据采样误差放大器产生的由负载变化而变化的电压值估算负载电流的变化，来对四种尺寸的晶体管阵列进行选择，以最大限度减小单片转换器的损耗，提高电路在轻载模式下的效率。
1.一种基于自适应尺寸选择的Buck变换器，其特征包括：晶体管阵列电路、电压输出电路、误差放大器EA、脉宽调制模块PWM、零电压开关模块ZVS、自适应尺寸选择模块AS；
所述电压输出电路的输出端与所述误差放大器EA的反相端相连，用于传输反馈电压信号Vfb；所述误差放大器EA的同向端接入参考电压Vref；所述误差放大器EA的输出端分别与脉宽调制模块PWM的输入端和自适应尺寸选择模块AS的输入端相连，用于传输电压控制信号Vea；所述脉宽调制模块PWM的输出端分别与所述零电压开关模块ZVS的输入端和自适应尺寸选择模块AS的另一个输入端相连，用于传输控制晶体管开断信息的方波信号pwm；所述零电压开关模块ZVS的输出端与所述晶体管阵列电路中续流管MN的栅极相连接，用于传输控制所述续流管MN开断的方波信号N_SHUT；所述自适应尺寸选择模块AS的四个输出端分别与晶体管阵列电路中四种尺寸的晶体管MP的栅极相连接，并根据采样电压选择规则传输用于控制所述四种尺寸的晶体管MP开断的信号S1、S2、S3和S4，所述晶体管阵列电路中四种尺寸的晶体管MP的漏极均与所述电压输出电路的输入端相连；
所述自适应尺寸选择模块AS由三个比较器、四个三输入与门、四个两输入与门、四个两输入或门和七个反相器组成；
第一比较器CMP1的反相端接收所述误差放大器EA输出的电压控制信号Vea，所述第一比较器CMP1的同相端接收外部输入的参考电压Vref1并进行处理，得到电平信号a后分别传递给第一三输入与门AND1的第一个输入端和第一反相器INV1的输入端；由所述第一反相器INV1得到电平信号 并分别传输给第二三输入与门AND2的第一个输入端、第三三输入与门AND3的第一个输入端以及第四三输入与门AND4的第一个输入端；
第二比较器CMP2的反相端接收所述误差放大器EA输出的电压控制信号Vea，所述第二比较器CMP2的同相端接收外部输入的参考电压Vref2并进行处理，得到电平信号b后分别传递所述第一三输入与门AND1的第二个输入端、第二三输入与门AND2的第二个输入端以及第二反相器INV2的输入端；由所述第二反相器INV2得到电平信号 并分别传输给所述第三三输入与门AND3的第二个输入端和第四三输入与门AND4的第二个输入端；
第三比较器CMP3的反相端接收所述误差放大器EA输出的电压控制信号Vea，所述第三比较器CMP3的同相端接收外部输入的参考电压Vref3并进行处理，得到输出电平信号c后分别传递所述第一三输入与门AND1的第三个输入端、第二三输入与门AND2的第三个输入端、所述第三三输入与门AND3的第三个输入端以及第三反相器INV3的输入端，由所述第三反相器INV3得到电平信号 传输给所述第四三输入与门AND4的第三个输入端；
由所述第一三输入与门AND1得到电平信号z1并分别传输给第一两输入与门AND5的一个输入端和第四反相器INV4的输入端；所述第一两输入与门AND5的另一个输入端接收所述脉宽调制模块PWM输出的方波信号pwm，并由所述第一两输入与门AND5得到信号p1后传递给第一或门OR1的一个输入端，由所述第四反相器INV4得到电平信号 传递给所述第一或门OR1的另一个输入端，并由所述第一或门OR1得到用于对晶体管MP开断的信号S1；
由所述第二三输入与门AND2得到电平信号z2并分别传输给第二两输入与门AND6的一个输入端和第五反相器INV5的输入端；所述第二两输入与门AND6的另一个输入端接收所述脉宽调制模块PWM输出的方波信号pwm，并由所述第二两输入与门AND6得到信号p2后传递给第二或门OR2的一个输入端，由所述第五反相器INV5得到电平信号 传递给所述第二或门OR2的另一个输入端，并由所述第二或门OR2得到用于对晶体管开断的信号S2；
由所述第三三输入与门AND3得到电平信号z3并分别传输给第三两输入与门AND7的一个输入端和第六反相器INV6的输入端；所述第三两输入与门AND7的另一个输入端接收所述脉宽调制模块PWM输出的方波信号pwm，并由所述第三两输入与门AND7得到信号p3后传递给第三或门OR3的一个输入端，由所述第六反相器INV6得到电平信号 传递给所述第三或门OR3的另一个输入端，并由所述第三或门OR3得到用于对晶体管开断的信号S3；
由所述第四三输入与门AND4得到电平信号z4并分别传输给第四两输入与门AND8的一个输入端和第七反相器INV7的输入端；所述第四两输入与门AND8的另一个输入端接收所述脉宽调制模块PWM输出的方波信号pwm，并由所述第四两输入与门AND8得到信号p4后传递给第四或门OR4的一个输入端，由所述第七反相器INV7得到电平信号 传递给所述第四或门OR4的另一个输入端，并由所述第四或门OR4得到用于对晶体管开断的信号S4。
2.根据权利要求1所述的基于自适应尺寸选择的Buck变换器，其特征是所述采样电压选择规则为：
当Vea>Vref3时，所述自适应尺寸选择模块AS输出的信号S4为所述方波信号pwm并传递给第四种尺寸的晶体管MP4，使得所述晶体管MP4工作，所述自适应尺寸选择模块AS输出的信号S1、信号S2和信号S3为高电平并分别传递给第一种尺寸的晶体管MP1、第二种尺寸的晶体管MP2和第三种尺寸的晶体管MP3，使得所述第一种尺寸的晶体管MP1、第二种尺寸的晶体管MP3和第三种尺寸的晶体管MP3关断。
一种基于自适应尺寸选择的Buck变换器
技术领域
[0001] 本发明属于电源管理技术领域，具体说是一种基于自适应尺寸选择的Buck变换器。
背景技术
[0002] 全集成的DCDC变换器通过避免使用体积庞大并且昂贵的片外LC部件，达到更高的功率密度和显着的低成本要求，已成为行业和学术界极大兴趣的领域。更是在高频下，DCDC变换器的关键性能即轻载效率很难进一步提升，这与便携式设备充电之间的电池运行时间直接相关，故仍是等待解决的主要问题。
[0003] 传统基于自适应尺寸选择电路来提高轻载效率，是利用采样电流电路实现的，但其在高频下对DCDC变换器效率提升受到限制，适用频率范围较小，提升效率有限，故需要设计一一种基于自适应尺寸选择的Buck变换器。
发明内容
[0004] 本发明为克服现有技术存在的缺点，提出一种基于自适应尺寸选择的Buck变换器，以期能根据采样误差放大器产生的由负载变化而变化的电压值估算负载电流的变化，来对四种尺寸的晶体管阵列进行选择，从而在高频下以最大限度减小单片转换器的损耗，并有效提高电路在轻载模式下的效率。
[0005] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
[0006] 本发明一种基于自适应尺寸选择的Buck变换器的特点包括：晶体管阵列电路、电压输出电路、误差放大器EA、脉宽调制模块PWM、零电压开关模块ZVS、自适应尺寸选择模块AS；
[0007] 所述电压输出电路的输出端与所述误差放大器EA的反相端相连，用于传输反馈电压信号Vfb；所述误差放大器EA的同向端接入参考电压Vref；所述误差放大器EA的输出端分别与脉宽调制模块PWM的输入端和自适应尺寸选择模块AS的输入端相连，用于传输电压控制信号Vea；所述脉宽调制模块PWM的输出端分别与所述零电压开关模块ZVS的输入端和自适应尺寸选择模块AS的另一个输入端相连，用于传输控制所述晶体管开断信息的方波信号pwm；所述零电压开关模块ZVS的输出端与所述晶体管阵列电路中续流管MN的栅极相连接，用于传输控制所述续流管MN开断的方波信号N_SHUT；所述自适应尺寸选择模块AS的四个输出端分别与晶体管阵列电路中四种尺寸的功率管MP1的栅极相连接，并根据采样电压选择规则传输用于控制所述四种尺寸的功率管MP开断的信号S1、S2、S3和S4，所述晶体管阵列电路中四种尺寸的功率管MP的漏极均与所述电压输出电路的输入端相连。
[0008] 本发明所述的基于自适应尺寸选择的Buck变换器的特点也在于，所述自适应尺寸选择模块AS由三个比较器、四个三输入与门、四个两输入与门、四个两输入或门和七个反相器组成；
[0009] 第一比较器CMP1的反相端接收所述误差放大器EA输出的电压控制信号Vea，所述第一比较器CMP1的同相端接收外部输入的参考电压Vref1并进行处理，得到电平信号a后分别传递给第一三输入与门AND1的第一个输入端和第一反相器INV1的输入端；由所述第一反相器INV1得到电平信号 并分别传输给第二三输入三输入与门AND2的第一个输入端、第三三输入与门AND3的第一个输入端以及第四三输入与门AND4的第一个输入端；
[0010] 第二比较器CMP2的反相端接收所述误差放大器EA输出的电压控制信号Vea，所述第二比较器CMP2的同相端接收外部输入的参考电压Vref2并进行处理，得到电平信号b后分别传递所述第一三输入与门AND1的第二个输入端、第二三输入三输入与门AND2的第二个输入端以及第二反相器INV2的输入端；由所述第二反相器INV2得到电平信号 并分别传输给所述第三三输入与门AND3的第二个输入端和第四三输入与门AND4的第二个输入端；
[0011] 第三比较器CMP3的反相端接收所述误差放大器EA输出的电压控制信号Vea，所述第三比较器CMP3的同相端接收外部输入的参考电压Vref3并进行处理，得到输出电平信号c后分别传递所述第一三输入与门AND1的第三个输入端、第二三输入三输入与门AND2的第三个输入端、所述第三三输入与门AND3的第三个输入端以及第三反相器INV3的输入端，由所述第三反相器INV3得到电平信号 传输给所述第四三输入与门AND4的第三个输入端；
[0012] 由所述第一三输入与门AND1得到电平信号z1并分别传输给第一两输入与门AND5的一个输入端和第四反相器INV4的输入端；所述第一两输入与门AND5的一个输入端接收所述脉宽控制模块输出的方波信号pwm，并由所述第一两输入与门AND5得到信号p1后传递给第一或门OR1的一个输入端，由所述第四反相器INV4得到电平信号 传递给所述第一或门OR1的另一个输入端，并由所述第一或门OR1得到用于对功率管MP选择的信号S1；
[0013] 由所述第二三输入与门AND2得到电平信号z2并分别传输给第二两输入与门AND6的一个输入端和第五反相器INV5的输入端；所述第二两输入与门AND6的一个输入端接收所述脉宽控制模块输出的方波信号pwm，并由所述第二两输入与门AND6得到信号p2后传递给第二或门OR2的一个输入端，由所述第五反相器INV5得到电平信号 传递给所述第二或门OR2的另一个输入端，并由所述第二或门OR2得到用于对功率管选择的信号S2；
[0014] 由所述第三三输入与门AND3得到电平信号z3并分别传输给第三两输入与门AND7的一个输入端和第六反相器INV6的输入端；所述第三两输入与门AND7的一个输入端接收所述脉宽控制模块输出的方波信号pwm，并由所述第三两输入与门AND7得到信号p3后传递给第三或门OR3的一个输入端，由所述第六反相器INV6得到电平信号 传递给所述第三或门OR3的另一个输入端，并由所述第三或门OR3得到用于对功率管选择的信号S3；
[0015] 由所述第四三输入与门AND4得到电平信号z4并分别传输给第四两输入与门AND8的一个输入端和第七反相器INV7的输入端；所述第四两输入与门AND8的一个输入端接收所述脉宽控制模块输出的方波信号pwm，并由所述第四两输入与门AND8得到信号p4后传递给第四或门OR4的一个输入端，由所述第七反相器INV7得到电平信号 传递给所述第四或门OR4的另一个输入端，并由所述第四或门OR4得到用于对功率管选择的信号S4。
[0016] 所述采样电压选择规则为：
[0017] 当Vea
[0018] 当Vref1
[0019] 当Vref2
[0020] 当Vea>Vref3时，所述自适应尺寸选择模块AS输出的信号S4为所述方波信号pwm并传递给第四种尺寸的功率管MP4，使得所述功率管MP4工作，所述自适应尺寸选择模块AS输出的信号S1、信号S2和信号S3为高电平并分别传递给第一种尺寸的功率管MP1、第二种尺寸的功率管MP2和第三种尺寸的功率管MP3，使得所述第一种尺寸的功率管MP1、第二种尺寸的功率管MP3和第三种尺寸的功率管MP3关断。
[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0022] 1.已有的传统用于轻载的Buck变换器技术中，只通过将变换器的工作模式维持在DCM(断续导通)工作模式下从而提高效率。这种Buck变换器一般只能适用固定负载，当负载发生变化时，系统的效率就会降低。本发明在DCM工作模式下引入了自适应尺寸选择技术，可以根据不同负载选择不同的功率管，从而保证了在多种负载范围内都可以维持Buck变换器处于高效率工作状态。
[0023] 2.自适应尺寸选择技术需要对输出负载电流进行判断从而进行尺寸调整，在传统的Buck变换器中，对负载电流的采样通常都是使用电流检测电路。电流检测电路的引入会极大增加电路控制环路的功耗，而DCM模式下工作的Buck变换器本身就是应用于低功耗的场合，因此其几乎难以承受这个功耗损失引起的效率降低的代价。本发明的自适应尺寸选择技术采用反馈电压来进行电流的估算，通过误差放大器与输出脉冲之间的几何关系以及输入电流与输出电压的关系来判断对应尺寸的大小从而进行选择，避免了使用电流检测电路的同时，也没有引入过多的附加控制环路，大大降低了控制环路的功耗并且能使Buck变换器能够在负载变化的情况下始终维持高效率。
[0024] 3.本发明的自适应尺寸选择模块使用电压比较的方式产生不同功率管的选择信号，克服了使用电流比较方式的响应速度慢，功耗大的缺点。同时在设计选择逻辑的时候，采用了根据选择信号进行优先编码的方式实现选择逻辑，严格保证每一个负载区间仅有一种对应的功率管导通，其他的关断，避免了多个不同尺寸的功率管并联导通导致Buck电路的输入发生混叠，保证了Buck控制环路的稳定性。
附图说明
[0025] 图1是传统的Buck变换器结构框图；
[0026] 图2是本发明一种基于自适应尺寸选择的Buck变换器结构框图；
[0027] 图3是本发明电路中自适应尺寸选择模块结构框图；
[0028] 图4是本发明电路中自适应尺寸选择模块选择逻辑真值表；
[0029] 图5是本发明电路中自适应尺寸选择模块选择规则示意图；
[0030] 图6是本发明电路中脉宽调制模块脉宽调制工作原理图。
具体实施方式
[0031] 本实施例中，一种基于自适应尺寸选择的Buck变换器，如图2所示，包括：晶体管阵列电路、电压输出电路、误差放大器EA、脉宽调制模块PWM、零电压开关模块ZVS、自适应尺寸选择模块AS；
[0032] 电压输出电路的输出端与误差放大器EA的反相端相连，用于传输反馈电压信号Vfb；误差放大器EA的同向端接入参考电压Vref；误差放大器EA的输出端分别与脉宽调制模块PWM的输入端和自适应尺寸选择模块AS的输入端相连，用于传输电压控制信号Vea；脉宽调制模块PWM的输出端分别与零电压开关模块ZVS的输入端和自适应尺寸选择模块AS的另一个输入端相连，用于传输控制所述晶体管开断信息的方波信号pwm；零电压开关模块ZVS的输出端与晶体管阵列电路中续流管MN的栅极相连接，用于传输控制续流管MN开断的方波信号N_SHUT；自适应尺寸选择模块AS的四个输出端分别与晶体管阵列电路中四种尺寸的功率管MP的栅极相连接，并根据采样电压选择规则传输控制所述四种尺寸的功率管MP开断的信号S1、S2、S3和S4，晶体管阵列电路中四种尺寸的功率管MP的漏极均与电压输出电路的输入端相连。
[0033] 如图3所示，自适应尺寸选择模块AS由三个比较器、四个三输入与门、四个两输入与门、四个两输入或门和七个反相器组成；
[0034] 第一比较器CMP1的反相端接收误差放大器EA输出的电压控制信号Vea，第一比较器CMP1的同相端接收外部输入的参考电压Vref1并进行处理，得到电平信号a后分别传递给第一三输入与门AND1的第一个输入端和第一反相器INV1的输入端；由第一反相器INV1得到电平信号 并分别传输给第二三输入三输入与门AND2的第一个输入端、第三三输入与门AND3的第一个输入端以及第四三输入与门AND4的第一个输入端；
[0035] 第二比较器CMP2的反相端接收误差放大器EA输出的电压控制信号Vea，第二比较器CMP2的同相端接收外部输入的参考电压Vref2并进行处理，得到电平信号b后分别传递第一三输入与门AND1的第二个输入端、第二三输入三输入与门AND2的第二个输入端以及第二反相器INV2的输入端；由第二反相器INV2得到电平信号 并分别传输给第三三输入与门AND3的第二个输入端和第四三输入与门AND4的第二个输入端；
[0036] 第三比较器CMP3的反相端接收误差放大器EA输出的电压控制信号Vea，第三比较器CMP3的同相端接收外部输入的参考电压Vref3并进行处理，得到输出电平信号c后分别传递第一三输入与门AND1的第三个输入端、第二三输入三输入与门AND2的第三个输入端、第三三输入与门AND3的第三个输入端以及第三反相器INV3的输入端，由第三反相器INV3得到电平信号 传输给第四三输入与门AND4的第三个输入端；
[0037] 由第一三输入与门AND1得到电平信号z1并分别传输给第一两输入与门AND5的一个输入端和第四反相器INV4的输入端；第一两输入与门AND5的一个输入端接收脉宽控制模块输出的方波信号pwm，并由第一两输入与门AND5得到信号p1后传递给第一或门OR1的一个输入端，由第四反相器INV4得到电平信号 传递给第一或门OR1的另一个输入端，并由第一或门OR1得到用于对功率管MP选择的信号S1；
[0038] 由第二三输入与门AND2得到电平信号z2并分别传输给第二两输入与门AND6的一个输入端和第五反相器INV5的输入端；第二两输入与门AND6的一个输入端接收脉宽控制模块输出的方波信号pwm，并由第二两输入与门AND6得到信号p2后传递给第二或门OR2的一个输入端，由第五反相器INV5得到电平信号 传递给第二或门OR2的另一个输入端，并由第二或门OR2得到用于对功率管选择的信号S2；
[0039] 由第三三输入与门AND3得到电平信号z3并分别传输给第三两输入与门AND7的一个输入端和第六反相器INV6的输入端；第三两输入与门AND7的一个输入端接收脉宽控制模块输出的方波信号pwm，并由第三两输入与门AND7得到信号p3后传递给第三或门OR3的一个输入端，由第六反相器INV6得到电平信号 传递给第三或门OR3的另一个输入端，并由第三或门OR3得到用于对功率管选择的信号S3；
[0040] 由第四三输入与门AND4得到电平信号z4并分别传输给第四两输入与门AND8的一个输入端和第七反相器INV7的输入端；第四两输入与门AND8的一个输入端接收脉宽控制模块输出的方波信号pwm，并由第四两输入与门AND8得到信号p4后传递给第四或门OR4的一个输入端，由第七反相器INV7得到电平信号 传递给第四或门OR4的另一个输入端，并由第四或门OR4得到用于对功率管选择的信号S4；
[0041] 自适应尺寸选择模块选择逻辑电路的真值表如图4所示，描述了比较器输出的电平信号a、b、c经过逻辑模块转换成有选择作用的电平信号z1、z2、z3、z4的真值表。
[0042] 自适应尺寸选择模块选择规则如图5所示，当Vea
[0043] 当Vref1
[0044] 当Vref2
[0045] 当Vea>Vref3时，自适应尺寸选择模块AS输出的信号S4为方波信号pwm并传递给第四种尺寸的功率管MP4，使得功率管MP4工作，自适应尺寸选择模块AS输出的信号S1、信号S2和信号S3为高电平并分别传递给第一种尺寸的功率管MP1、第二种尺寸的功率管MP2和第三种尺寸的功率管MP3，使得第一种尺寸的功率管MP1、第二种尺寸的功率管MP3和第三种尺寸的功率管MP3关断；
[0046] 根据图1可知，误差放大器输出的控制信号Vea连接脉宽调制模块的输入端，由脉宽调制模块输出端输出脉冲序列pwm，由脉宽调制模块脉宽调制工作原理图，即图6所示的波形图几何关系得知，在DCM工作模式下，Vea与ramp相交的位置随负载电流Iload变化而变化，又Vea与占空比D1是正比关系，负载电流Iload又与电感电流I是正比关系，电感电流I与D1有关系式(1)：
[0047]
[0048] 式(1)中，V表示输出电压，R表示负载，k表示Buck变换器中一个重要参数；从式(1)可知，电感电流I与D1是反比关系，即负载电流Iload与D1是反比关系，因此可以通过估算Vea的值，即将不同负载情况下Vea的值分成四段，即与三个参考电压比较得出包含负载电流变化的信息的选择信号，选择出最适合的功率管尺寸，其中，功率管尺寸与流过功率管的电流有关系式：
[0049]
[0050] 式(2)中，WPMOS表示PMOS的宽度，VDD表示电源电压，COX表示单位面积栅电容，IPMOS表示流过PMOS的电流，μ表示PMOS空穴迁移率，VTP表示PMOS的阈值电压，f表示开关频率，η表示锥形缓冲器的扇出系数；又流过功率管电流与电感电流I是正比例关系，可以大略算出不同电感电流流过的最适合的功率管尺寸，达到在电路中能自适应负载变化来选择出最佳尺寸的目的，从而得到在高频下适用且能最大限度降低了单片Buck变换器的损耗，提高了Buck变换器效率的电路。
[0051] 本发明中的自适应尺寸选择电路可以适用于其他需要提高轻载效率的Buck变换器电路中，通过采样误差放大器的控制信号，对不同负载情况下的负载电流进行估算，通过逻辑电路选择出最合适的功率管尺寸，大大降低了高频下Buck变换器的损耗，提高了Buck变换器的效率。
