[发明专利]一种提高集成开关DC-DC变换器轻载效率非均匀变化栅宽的方法

权利要求书

1.一种提高集成开关DC-DC变换器轻载效率非均匀变化栅宽的方法，其特征在于，按照如下步骤：

(a)搭建四开关Buck-Boost变换器系统；

(b)根据所需最大负载电流I_max确定功率开关管M_N1、M_P1、M_N2和M_P2总尺寸；确定I_out(0)≈0.6×I_max时对应的最优尺寸W_opt(0)，也就是开关MOS管的总尺寸W_total；

(c)根据总尺寸W_total和所需最小负载电流I_min，采用非均匀可变栅宽的方法确定组成功率开关管的各个并联开关管的数目m+1和尺寸W_M(0)到W_M(m)；

(d)根据步骤c)中设计好的各个并联开关管的尺寸，确定非均匀变化的各个栅宽值对应的负载电流范围以使变换器的转换效率保持最优；关断延迟线ADC的功能，向开关管栅宽控制模块直接加入不同的数字码对应不同的栅宽，获得随负载电流变化的效率曲线；对于所有负载电流范围内，选取达到效率最高时的数字码，也就是确定了各个栅宽值对应的负载电流范围；

(e)调节延迟线ADC输出数字码与检测电压V_sense的变化关系，使得ADC输出数字码与步骤(d)中计算得到的负载电流范围对应；

(f)实现栅宽随负载电流非均匀变化的自适应调整。

2.如权利要求1所述一种提高集成开关DC-DC变换器轻载效率非均匀变化栅宽的方法，其特征在于，所述述步骤a中四开关变换器系统的结构如下：

该宽负载电流范围高效DC-DC变换器包括：功率级主电路及其驱动模块，PWM控制模块，模式选择模块，片内电流检测模块，延迟线ADC模块，开关管栅宽控制模块和死区时间控制模块；

所述功率级主电路及其驱动模块实现Buck、Boost和Buck-Boost不同电压变换类型的功率传输功能；所述功率级主电路及其驱动模块与其它模块连接方式如下：V_in与电源输入端连接，V_out与电源输出端连接，GND与外接地相连；V_x和V_y与外接电感L两端连接，V_x端同时与电流检测模块相连；通过栅宽数字选择码D₀～D_m-1，D_extra与开关管栅宽控制模块连接；通过PWM_P1、PWM_N1、PWM_P2和PWM_N2四路PWM信号与死区时间控制模块连接，其内部M_N1、M_N2、M_P1和M_P2四个采用栅宽可调开关MOS管的基本连接方式如下：M_P1管源漏分别接在V_in和V_x端口，M_N1源漏分别接在GND和V_x端口，M_P2管源漏分别接在V_out和V_y端口，M_N2管源漏分别接在GND和V_y端口；所述M_N1和M_N2是NMOS，M_P1和M_P2是PMOS，其基本控制模式分为以下三种：若开关M_N2保持关断，M_P2保持导通，由PWM控制M_N1和M_P1，变换器工作于Buck模式；若开关M_N1保持关断，M_P1保持导通，M_N2和M_P2由PWM控制，变换器工作于Boost模式；若4个开关MOS管同时由PWM信号控制，则工作于Buck-Boost模式；由于功率开关MOS管尺寸很大，每个开关管都需要逐级放大的反相器链作为驱动；

PWM控制模块输入端与输出反馈信号b·V_out相连接，信号b·V_out由变换器输出电压通过电阻R_b1和R_b2分压获得；输出端通过PWM_C信号与死区时间控制模块相连接；

模式选择模块V_in端口与电源输入端相连接，V_out端口与变换器电压输出端相连，通过S_Mode信号分别与死区时间控制模块和开关管栅宽控制模块相连接；模式选择模块是根据输入电压V_in和输出电压V_out的比较获得模式选择信号S_Mode，实现系统工作模式的选择；

片内电流检测模块V_in端口与电源输入端相连接，V_x端口与功率级主电路及其驱动模块相连接，通过V_sense信号与延迟线ADC模块和死区时间控制模块相连接；信号V_sense随负载电流I_out线性变化，因此可以准确的反应负载的变化情况；V_sense信号同时提供给延迟线ADC和死区时间控制模块；

所述延迟线ADC模块，输入端口通过V_sense信号与片内电流检测模块连接；延迟线ADC模块将模拟电压信号V_sense转换成m位温度数字码Q₀～Q_m-1，并通过数字码与开关管栅宽控制模块相连接；

所述开关管栅宽控制模块，通过数字码Q₀～Q_m-1与开关管栅宽控制模块相连接，通过模式选择信号S_Mode与模式选择模块相连接，通过栅宽数字选择码D₀～D_m-1，D_extra与功率级主电路及其驱动模块相连接；

所述死区时间控制模块，通过模式选择信号S_Mode与模式选择模块相连接，通过PWM_C信号与PWM控制模块相连接，通过V_sense信号与片内电流检测模块相连接，通过；PWM_P1、PWM_N1、PWM_P2、PWM_N2四路PWM信号与功率级主电路及其驱动模块相连接；

功率级主电路及其驱动模块通过不同尺寸的开关管并联实现M_N1、M_P1、M_N2和M_P2四个开关MOS管非均匀调整；对于负载电流变化范围为(I_min，I_max)的四开关Buck-Boost变换器，通过非均匀栅宽优化方法将四个开关管M_N1、M_P1、M_N2和M_P2的尺寸进行分成不等长的m+1段；任何一段并联MOS管都有独立的与其尺寸相适应的驱动电路与其栅极相连接，驱动开关管正常导通和关断；组成四个开关管M_N1、M_P1、M_N2和M_P2并联开关管的驱动电路输入端分别与上述死区时间控制模块输出信号PWM_N1，PWM_P1，PWM_N2，PWM_P2相连接；同时，每段并联MOS管的驱动电路都有使能端口，分别与栅宽数字选择码D₀～D_m-1，D_extra相连接。

3.如权利要求1所述一种提高集成开关DC-DC变换器轻载效率非均匀变化栅宽的方法，其特征在于，所述步骤c是指：

根据总尺寸W_total和所需最小负载电流I_min，采用栅宽变化值ΔW＝0.5×W_opt的方法来确定各个并联开关管M(0)-M(m)的尺寸，来实现非均匀可变栅宽调整；

确定开关管M(0)的尺寸W_M(0)的同时确定除去M(0)管外剩余的开关管的尺寸W_opt(1)，

WM(0)=Wopt(1)=Wopt(0)2---(11);]]>

W_opt(1)达到其效率达到最优值时的负载电流I_out(1)，

Iout(1)=Iout(0)2---(12);]]>

依次按照上述的方法推导可以得到所需的并联各管的尺寸M(i-1)，i＝1，2，3，…，直到i＝m，使得I_out(m+1)＜I_min，确定并联开关管的个数m+1；

WM(i-1)=Wopt(i)=Wopt(i-1)2=Wopt(0)2i,i=1,2,3,·,m---(13);]]>

而剩余的部分即是最后一个开关管M(m)的尺寸，

WM(m)=Wopt(m)=Wopt(0)-Σi=1m-1WM(i)=Wopt(0)2m---(14);]]>

W_opt(0)到W_opt(m)为变换器中可通过数字码实现的不同的栅宽尺寸，它们各自效率达到最优时，对应的负载电流I_out(0)到I_out(m)可以计算如下：

Iout(n)=Iout(n-1)2=Iout(0)2m---(15).]]>