[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

说明书

本发明涉及一种数字化的无片内电阻电容的降压型DC‑DC变换器，属于电源管理技术领域。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、延时模块及功率开关管。提出一种数字化的基于比较器和数字单元的结构，使用纯MOS管，片内无电阻电容，实现低功耗、高效率的DC‑DC变换器；且电路实现简单，无复杂的模拟模块，只有3个比较器、1个数字控制逻辑、1个数字驱动级、1个功率级和3个相同延时模块，降低电源芯片的总体功耗和硬件成本。DC‑DC变换器在1.8～3.6V的输入电压范围内，可得到1.2～2.8V的稳定输出电压，在负载电流0～50mA、工艺角和温度变化下的峰峰值纹波小于7mV；在重载(50mA)时电源效率可达90％以上，轻载(1mA)时可达73％以上。

技术领域

本发明涉及一种数字化的无片内电阻电容的降压型DC-DC变换器，属于电源管理技术领域。

背景技术

近年来，伴随着各种电池供电的可穿戴设备以及物联网设备兴起，以人体为中心的小型电子网络，如便携式移动设备、可穿戴电子产品等，人们对电子设备尤其是便携式设备的需求日益增多，对电源芯片也提出了更多的要求，需要有更高的效率，能够实现更长时间的续航能力。

现有的电源类型，从技术方案上，主要包括线性稳压、电荷泵、DC-DC稳压三种。传统线性稳压器虽然电路结构简单、设计方便，但是效率低、带载能力差。电荷泵转换器，虽然没有使用磁性元件、尺寸较小，但是输出电流较小、纹波较大、输出电压噪声较大，且只在某些输入电压下才能达到较高转换效率。DC-DC变换器具有最高的转换效率，有多种拓扑结构，可以实现升压和降压，能提供大的负载驱动电流。因此DC-DC产品常用作便携式设备这类电子产品的电源设备。

传统DC-DC变换器的控制技术可概括为三种：脉冲宽度调制PWM(Pulse WidthModulation)、脉冲频率调制PFM(Pulse Frequency Modulation)以及PWM/PFM混合调制。出于对电源芯片高效率的需求，市场上主流的DC-DC变换器芯片一般采用PWM/PFM混合调制，重载时PWM调制、轻载时PFM调制或降低开关频率的方式，两种控制根据负载的变化自动切换。但是这种实现方式包含众多的模拟子模块及数字控制逻辑、大量的比较器及运算放大器，电路结构复杂，且需要大电容和大电阻，功耗和成本相对较高。因此，如何采用数字化实现方式、更简单的结构，并且只使用纯MOS管，降低芯片加工制造成本和电路整体功耗，是本发明致力于研究和解决的内容。

发明内容

本发明提出了一种数字化的无片内电阻电容的降压型DC-DC变换器，目的在于采用数字化实现方式，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，片内电路中不包含电阻及电容，且电路结构简单，无复杂的模拟模块，从而降低电源芯片的总体功耗和硬件成本。

本发明的核心思想是：采用简单的误差比较器和钳位比较器以及数字逻辑单元，通过误差比较器比较输出电压反馈值与参考电压的大小产生控制信号，与钳位比较器的输出信号一起，共同控制推拉型功率管的导通和关断，得到稳定的输出电压；采用误差比较器取代传统的误差放大器、PWM比较器和斜坡生成器，不需要片内电容补偿；钳位比较器直接通过输入对管的尺寸不匹配人为引入失调，取代传统的电阻采样，也无需片内电阻；采用基于死区时间控制的软开关技术，在重载时使用MHz开关频率、轻载时kHz开关频率，确保了变换器的高效率；电路结构中只有3个比较器、1个数字控制逻辑、1个数字驱动级、1个功率级以及3个相同的延时模块，没有复杂的模拟模块，确保了低功耗、极低成本、数字化实现。

本发明是通过如下技术方案实现的。

所述一种数字化的无片内电阻电容的降压型DC-DC变换器包括数字控制逻辑、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；

其中，数字控制逻辑模块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；

其中，驱动模块包括反相器链和一个与门；