[发明专利]一种数字化的无片内电阻电容的降压型DC-DC变换器

权利要求书

1.一种数字化的无片内电阻电容的降压型DC-DC变换器，其特征在于：采用数字化的实现方式，基于比较器和数字单元，实现低功耗、高效率的DC-DC变换器，使用纯MOS管，片内无电阻电容，电路结构包括数字控制逻辑、驱动模块、误差比较器、高钳位比较器、低钳位比较器、延时模块以及功率开关管，没有复杂的模拟模块，降低电源芯片的总体功耗和硬件成本；

其中，数字控制逻辑由基本的数字单元组成，通过数字逻辑实现DC-DC变换器功能，降低系统的整体功耗；

驱动模块包括反相器链和一个与门；

功率开关管采用基本的推拉型结构，包括一个PMOS型功率管M_P和一个NMOS型功率管M_N，用NMOS管取代二极管进行同步整流，降低功耗，提高效率；

误差比较器采用NMOS型输入对管的两级结构实现，将输出反馈电压与参考电压比较，生成的信号控制功率管工作；

高钳位比较器采用NMOS型输入管的两级结构，输入对管的宽长比相同，通过设置finger个数比为10:2，在比较器的输入端产生一个失调电压V_OS1；

低钳位比较器采用PMOS型输入管的两级结构，输入对管的宽长比相同，通过设置finger个数比为10:8，在比较器的输入端产生一个失调电压V_OS2；

延时模块由延时单元和与门构成；

所述一种数字化的无片内电阻电容的降压型DC-DC变换器中各模块的连接关系如下：

数字控制逻辑与驱动模块和延时模块相连，驱动模块与推拉型功率开关管相连，功率开关管与高钳位比较器和低钳位比较器相连；高钳位比较器、低钳位比较器以及误差比较器分别与三个相同的延时模块相连，延时模块与数字控制逻辑相连；误差比较器同时与片外无源反馈网络相连；功率开关管同时与片外LC滤波器相连；

所述一种数字化的无片内电阻电容的降压型DC-DC变换器的工作过程，具体包括如下步骤：

步骤一：确定输入电压和输出电压，以及负载电流大小，进行供电和信号连接，具体又包括如下子步骤：

步骤1.1根据需要，确定输入电压V_DD和输出电压V_OUT预设值，V_OUT预设值大小取决于片外无源反馈网络和参考电压V_REF；

步骤1.2确定负载电流为重载还是轻载，负载电流大小由输出电压和片外负载电阻R_L决定；

步骤1.3偏置电流设置，三个比较器的偏置电流直接由片外电流源设置；

步骤二：功率管M_P与M_N交替导通关断，输出电压V_OUT值上升，具体又包括如下子步骤：

步骤2.1设置NRST为低电平，电路复位，然后设置NRST为高电平，电路正常工作；初始，功率管M_P和M_N均关断、R_EN为高电平，输出电压V_OUT初始为0，其反馈值V_FB为0，小于参考电压V_REF，误差比较器比较电平V_EA为高电平，经过延时模块Ⅰ延时后的E_OUT为高电平输出到数字控制逻辑；

步骤2.2数字控制逻辑输出H_EN为高电平、Z_EN为低电平、R_EN为低电平、P_CTRL为低电平、N_CTRL为低电平，驱动模块的输出P_GATE为低电平、N_GATE为低电平、P_PRE为高电平，功率管M_P导通、M_N关断；输入电压V_DD经过电感L给负载R_L供电，电感L、电容C储能，电感电流从最小值逐渐增大到最大值，输出电压值V_OUT上升；功率管输出信号V_SW上升至电平V_DD-V_OS1，高钳位比较器的比较电平V_HCOMP为高电平，经过延时模块Ⅱ的延时后输出H_OUT从低电平翻转为高电平反馈给控制逻辑；

步骤2.3数字控制逻辑输出Z_EN为高电平、H_EN为低电平、R_EN为低电平、P_CTRL为高电平、N_CTRL为高电平，驱动模块的输出P_GATE为高电平、N_GATE为高电平、P_PRE为低电平，功率管M_N导通、M_P关断；功率管输出信号V_SW下降至低电平，电感电流不能突变，电感电流从最大值逐渐减小，储能电感L继续给负载R_L供电；低钳位比较器的比较电平V_ZCOMP为高电平，经过延时模块Ⅲ的延时后输出Z_OUT从低电平翻转为高电平反馈给控制逻辑；

步骤2.4数字控制逻辑输出R_EN为高电平、H_EN为低电平、Z_EN为低电平、P_CTRL为高电平、N_CTRL为低电平，驱动模块的输出P_GATE为高电平、N_GATE为低电平、P_PRE为低电平，功率管M_P关断、M_N关断；这时处于两管均关断的死区时间内，电感电流继续减小到最小值，电容放电，输出电压V_OUT小幅度减小；输出电压V_OUT未达到设定值，反馈电压V_FB小于参考电压V_REF，误差比较器比较电平V_EA为高电平，经过延时模块Ⅰ的延时后输出E_OUT从低电平翻转为高电平反馈给控制逻辑；

重复上述步骤，输出电压值V_OUT总体上升；

步骤三：输出电压V_OUT达到步骤1.1的设定值，建立稳态，维持输出电压稳定，具体又包括如下子步骤：

步骤3.1经过步骤二，输出电压V_OUT达到设定值，反馈值V_FB大于等于参考电压V_REF，在R_EN为高电平时，误差比较器比较电平V_EA为低电平，通过延时模块Ⅰ的延时输出E_OUT仍为低电平、没有翻转，反馈给控制逻辑；

步骤3.2建立稳态，数字控制逻辑控制功率管M_P、M_N交替导通关断，输出电压在设定值波动；根据负载电流的大小，分为重载和轻载不同的情况，具体如下：

3.2.1若负载电流为重载，在M_P导通阶段，输入电压经过电感L给负载R_L供电，同时电感L、电容C储能，电感电流从最小值逐渐增大到最大值；在M_N导通阶段，电感电流不能突变，电感电流从最大值逐渐减小，储能电感L继续给负载R_L供电；在M_P、M_N均关断时，电感电流减小为最小值零，滤波电容C向负载R_L提供电流，维持负载电流稳定在设定值；负载电流越大，电容放电时间越小，一个开关周期越小，开关频率越大，重载开关频率在MHz量级；

3.2.2若负载电流为轻载，在M_P、M_N均关断时，因为负载电流越小，电容放电维持负载电流大小的时间越长，两管均关断的时间越长；一个开关周期的随负载电流减小而增大，轻载开关频率在kHz量级；

功率管M_P、M_N采用推拉型结构，交替导通关断，三个比较器采用简单结构，可快速响应上述步骤，在无片内电阻电容情况下，实现高效率、低输出电压纹波的DC-DC变换器。