具有負載最小能量消耗點追蹤電路的降壓式穩壓電路的製作方法

2024-03-06 14:16:15

專利名稱：具有負載最小能量消耗點追蹤電路的降壓式穩壓電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高能效低壓低功耗集成電路，特別涉及一種工作在亞閾值情況的 數字電路，在降壓式穩壓電路(也稱為BUCK電路)中的應用。
背景技術：
集成穩壓電路，通常包括輸出單元和穩壓單元。開關穩壓電路的輸出單元將輸入 電壓轉換為脈衝電壓經過濾波輸出到負載，其穩壓單元的作用是對輸出單元的輸出電壓 進行採樣和調整，使輸出電壓保持穩定，如常用的BUCK穩壓電路即是這種工作模式。開 關穩壓電源常採用脈衝跨周期調製模式，英文簡稱為PSM(Pulse Skip Modulation)，通過 負反饋控制環路來使輸出單元的輸出電壓保持穩定。PSM具體實現方式是如果輸入電 壓或負載的變化引起輸出電壓變化，採樣電路對輸出電壓進行採樣，並將其與基準電壓進 行比較，進而根據變化來決定是否有脈衝被跨過，使得輸出電壓穩定。PSM基於恆頻恆寬 CFCW(Constant Frequency Constant Width)調製脈衝，當變換器輸出電壓大於參考電壓 時，將有脈衝被跨過，否則將始終為恆頻恆寬的脈衝波控制下的通/斷工作狀態，由此使得 輸出單元的輸出電壓穩定。同時基於PSM控制模式的能量模型，能夠控制輸出電壓，以及 每個周期的導通時間來使得每個周期輸出的能量一定。這個原理是最小能量消耗點追蹤 (MEPT)能夠尋找負載最小能量消耗點的基礎。

發明內容
本發明所要解決的技術問題，就是提供一種具有負載最小能量消耗點追蹤電路的 降壓式穩壓電路，能夠尋找負載最小能量消耗點，利用亞閾值特有的能量消耗曲線並且通 過控制輸出電壓以及導通時間來使得每個周期輸出到負載的能量一致，同時檢測一定時間 內的導通個數來實現檢測負載最小能量消耗的功能。本發明解決所述技術問題，採用的技術方案是，具有負載最小能量消耗點追蹤電 路的降壓式穩壓電路，包括輸出單元和穩壓單元，所述輸出單元將輸入電壓轉換為脈衝電 壓經過濾波輸出到負載，所述穩壓單元用於對輸出單元的輸出電壓進行調整，其特徵在於， 所述穩壓單元包括限流模塊、數字控制模塊和數模轉換器；所述輸出單元的輸出電壓和數 模轉換器產生的基準電壓進入比較器進行比較，比較器的輸出作為與門的一個輸入，該與 門的另一輸入為時鐘信號，所述與門的輸出分為兩路，一路輸出到RS觸發器的S端，另一路 輸出到數字控制模塊的輸入端，所述RS觸發器的輸出端連接MOS (金屬氧化物半導體)功 率管的柵極；所述數字控制模塊有兩個輸出端，一個輸出端用於控制限流模塊輸出不同的 導通時間，另一個輸出端用於控制數模轉換器產生不同的基準電壓；所述限流模塊的輸出 端通過一個反相器輸入到或門的一端，所述或門的另一端通過反相器連接最大導通時間， 所述或門的輸出連接到RS觸發器的R端。所述MOS功率管為PMOS (P型金屬氧化物半導體)功率管，所述RS觸發器的輸出 端通過反相器連接功率管的柵極。
所述限流模塊的輸出端輸出的控制信號具有6個控制狀態，分別對應6種不同的 導通時間。所述限流模塊包括PMOS功率管MPl和比較器C0MP2 ；所述PMOS功率管MPl源極 接輸入電壓，漏極連接6排電流鏡，該6排電流鏡的開啟和關閉對應所述6個控制狀態，所 述PMOS功率管MPl的柵極接地；所述比較器C0MP2正相輸入端接MOS功率管漏極，反相輸 入端接所述PMOS功率管MPl的漏極，所述比較器C0MP2的輸出端即為限流模塊的輸出端。所述數模轉換器輸出的基準電壓分為5個等級。所述數模轉換器包括運算放大器和NMOS (N型金屬氧化物半導體)調整管；所述 運算放大器的正相輸入端連接基準電壓，負向輸入端通過採樣電阻接地，其輸出端接所述 NMOS調整管的柵極；所述NMOS調整管的漏極接輸入電壓，源極串聯5隻電阻後通過採樣電 阻接地，所述5隻電阻的接入由數字控制模塊進行控制，分別對應5個等級的基準電壓；所 述NMOS調整管的源極為數模轉換器的輸出端，。所述數字控制模塊由計數器、比對單元和查找表構成；所述計數器的輸入接與門 輸出端，所述計數器輸出端接比對單元的輸入端，與上一次的計數器的輸出進行對比，比對 單元的輸出結果輸出到查找表，從而輸出相應的控制信號對限流模塊和數模轉換器進行控 制。本發明的有益效果是，通過對輸出電壓和導通時間的控制，達到控制周期能量一 定的目的。從而在MEPT工作的同時能夠檢測導通的個數來達到檢測負載消耗能量的目的， 同時通過數字控制，能夠通過查找表不斷的尋找負載消耗能量的最低點(以輸出電壓為標 準)，本發明不需要用開關電容進行檢測，可以進行實時檢測，同時利用PSM控制模式的特 點，增加了效率。本發明的控制電路大部分為數字電路，自身功耗低，佔用晶片面積較小。


圖1為本發明電路的結構示意圖；圖2為限流模塊電路結構示意圖；圖3為數模轉換器電路結構示意圖；圖4為數字控制模塊結構示意圖；圖5為MEPT算法的基本流程圖。
具體實施方案下面結合附圖及實施例，詳細描述本發明的技術方案。實施例本例的具有負載最小能量消耗點追蹤電路的BUCK穩壓電路如圖1所示，其中的數 字控制模塊、限流模塊和數模轉換器(DAC)是組成本發明的穩壓單元的三個關鍵模塊，數 字控制模塊用來檢測在一定時間內的跳周個數，並且通過比較在不同的輸出基準電壓下的 跳周個數來選取適合的電壓作為負載最小能量消耗點電壓，同時輸出不同的控制字到限流 模塊和數模轉換器以控制相應的導通時間和輸出基準電壓。限流模塊的輸入是數字控制模 塊的輸出控制字10、II··· 15，記為1，不同字對應了不同的導通時間，共6種不同的導 通時間。數模轉換器的輸入是數字控制模塊輸出的控制字00、 1··· 4，記為D，不同字對應了不同的輸出基準電壓，共5個基準電壓等級。 在圖1中，VIN是穩壓電路的輸入電壓，連接到PMOS功率管MPP的源極，圖1中 PMOS功率管MPP和二極體D、電感L、電容C 一起構成了簡單的Buck電路，即本例的輸出單 元。Buck電路的輸出電壓VO輸出到比較器COMP的負端和DAC產生的基準電壓DAC_0UT (連 接到比較器COMP的正端)進行比較，比較器COMP的輸出連接到與門的一端，與門的另一 端接的是時鐘信號CLK。與門的輸出Clk_ref輸出到RS觸發器的S端，同時輸出到數字 控制模塊的輸入端，RS觸發器的輸出端連接反相器1，反相器1的輸出連接到PMOS功率管 MPP的柵極。數字控制模塊的輸出有兩個，一個是控制限流模塊的信號1，另一個是控 制DAC的信號D。1輸入到限流模塊中，通過不同字的選擇，輸出不同的導通時 間。D輸入到DAC中，通過不同字的選擇，輸出不同的基準電壓。限流模塊的輸出信號 ILIM_0UT連接反相器3的輸入，反相器3的輸出連接或門的一個輸入端。最大導通時間信 號DMAX連接反相器2的輸入端，反相器2的輸出端連接或門的另一個輸入端。或門的輸出 端連接到RS觸發器的R端。 在圖2中，NO N6是構成電流鏡的基本NMOS電晶體，NO上流過是偏置電流，NO N6的源極接地，NO的柵極和漏極短接，NO N6的柵極接在一起，Nl N6的漏極各接一個 開關，這些開關編號為10、II··· 15，分別由數字控制模塊輸出的控制字10、ΙΡ··Ι5進行控 制。圖2中PMOS功率管MPl與PMOS功率管MPP有一定的寬長比，PMOS功率管MPl的柵極 接地。PMOS功率管MPl的漏極連接比較器C0MP2的反相輸入端，比較器C0MP2的正相輸入 端接PMOS功率管MPP的漏極(圖1圖2中標註為SW)，比較器C0MP2的輸出就是限流模塊 輸出信號ILIM_0UT。本例DAC的基本結構如圖3所示，OPl是運算放大器，其正相輸入端接參考電壓源， 反相輸入端通過採樣電阻Rs接地，輸出端接調整管麗1的柵極。調整管麗1為NMOS晶體 管，其漏極接VIN，源極通過串聯電阻Rl、R2、R3、R4、R5後經採樣電阻Rs接地，調整管麗1 的源極也是DAC的輸出端DAC_0UT。電阻Rl R5形成串聯，他們分別並聯一個開關(圖3 中的開關DO D4)，開關DO D4對應由數字控制模塊輸出的控制字00、 Ρ·· 4控制。圖4為本例的數字控制模塊的結構示意圖。其中Clk_ref為與門的輸出信號，Clk_ ref輸入到計數器中，計數器的結果輸出到比對單元中，比對結果輸出到查找表中進行限流 模塊和DAC的控制字的查找。下面介紹MEPT工作的基本原理，也就是利用PSM模式的Buck電路的能量模型。PSM模式的Buck電路的輸入能量是由輸入電壓VIN確定的，同時由導通時間，以及 輸出電壓確定。假設每個周期輸入電壓VIN輸入的能量是AEin，而負載消耗的能量假設為 ΔΕΚ，電感和電容上消耗的能量分別設為八&和Δ&。由能量守恆，我們得到AEin = Δ EE+ Δ EL+ Δ Ec (1)在斷續模式(Discontinuous Conduction Mode)下，電感上消耗的能量為零，即 Δ & Ξ 0，而電容上的能量我們可以控制紋波很小，而使其能量變化很小，可以忽略不計。因 此，我們就有AEin = Δ Ee (2)對於Δ Ein，利用Buck電路的基本公式，可以推出^n = VINiINdt = VINfo°" iINdt = ^-VinTJp
2(3)
diV -Vr^V -VV-V
L! = Vm-V0 di = IN °dt =i> i = Γ IN ° dt^> I= IN 0Ton dt IN °LJo Lp L
(4)將(3)和(4)聯立，可以得到
^Ein = ^-ToKVin -V0)VIN
(5)同樣，用不同的變量代入可以得到不同的公式
AE =-/2~^~
m 2 P (Vm-V0)(6)從上面兩個公式可以看出，Vin和L都保持不變，欲保持周期能量不變，就要保持
τ2η/ τ/、或者爪/jV、不變，其中Ip是電感電流所能達到的峰值。
1OnVlN-vO) VlN~Vo)具有本發明所述MEPT電路的Buck電路在Tr時間內工作了 M個周期跨過N個周 期，那麼其消耗的能量就是ΜΔ&η。對於不同的輸出電壓，負載所消耗的能量是不一樣的， 而在不同的輸出電壓下，通過選擇對應的峰值電流或者是導通時間，可以使得周期輸入能 量一致，這樣當負載消耗能量變化的時候，周期輸入能量不變，那麼變化的就是Μ，所以通過 檢測導通個數可以檢測出能量消耗的狀態。而MEPT工作必須基於一定的算法，這樣的算法決定了 MEPT是否能夠有一定效率 的尋找最小能量消耗點，而基本算法如下如圖5所示，在環路檢測開始時，會設置初始的輸出電壓以及相對應的峰值電流， 以保持周期輸入能量不變和一個導通周期個數N。之後會自動將輸出電壓減少一個50mV， 同時調整相應的峰值電流(在整個檢測過程中保持周期輸入能量與初始時周期輸入能量 一致)，之後計算導通周期個數M,之後會比較M和N的大小，如果M小於N，那麼繼續將輸出 電壓減少一個50mV，同時調整相應的峰值電流，並且將M賦予給N，之後再重新去計算導通 周期個數。如果M大於N，那麼則將輸出電壓增加一個50mV，同時調整相應的峰值電流。這 個時候的輸出電壓就是負載消耗能量的最低點，即找到了最小能量點，之後結束環路工作。在限流模塊中，利用了檢測功率管的漏源電壓(SW電壓)與IO 15控制的電流 流過一個PMOS產生的電壓進行比較，從而達到控制電流峰值的作用。如圖2所示，NO N6組成最基本的電流鏡，N1-N6複製偏置電流。同時PMOS功率 管MPl與功率管MPP有一定的寬長比，假設K(ff/L)P1 = (ff/L)PPM0S,因為PMOS功率管MPl和
R =_1_，
功率管MPP均處於線性區，由深線性區的電阻w <<r W( τ/、可以得到他們導通
"。。χ Y Vgs ~ vth )
電阻分別為
權利要求
1.具有負載最小能量消耗點追蹤電路的降壓式穩壓電路，包括輸出單元和穩壓單元， 所述輸出單元將輸入電壓轉換為脈衝電壓經過濾波輸出到負載，所述穩壓單元用於對輸出 單元的輸出電壓進行調整，其特徵在於，所述穩壓單元包括限流模塊、數字控制模塊和數模 轉換器；所述輸出單元的輸出電壓和數模轉換器產生的基準電壓進入比較器進行比較，比 較器的輸出作為與門的一個輸入，該與門的另一輸入為時鐘信號，所述與門的輸出分為兩 路，一路輸出到RS觸發器的S端，另一路輸出到數字控制模塊的輸入端，所述RS觸發器的 輸出端連接MOS功率管的柵極；所述數字控制模塊有兩個輸出端，一個輸出端用於控制限 流模塊輸出不同的導通時間，另一個輸出端用於控制數模轉換器產生不同的基準電壓；所 述限流模塊的輸出端通過一個反相器輸入到或門的一端，所述或門的另一端通過反相器連 接最大導通時間，所述或門的輸出連接到RS觸發器的R端。
2.根據權利要求1所述的具有負載最小能量消耗點追蹤電路的降壓式穩壓電路，其特 徵在於，所述MOS功率管為PMOS功率管，所述RS觸發器的輸出端通過反相器連接功率管的 柵極。
3.根據權利要求1或2所述的具有負載最小能量消耗點追蹤電路的降壓式穩壓電路， 其特徵在於，所述限流模塊的輸出端輸出的控制信號具有6個控制狀態，分別對應6種不同 的導通時間。
4.根據權利要求3所述的具有負載最小能量消耗點追蹤電路的降壓式穩壓電路，其特 徵在於，所述限流模塊包括PMOS功率管MPl和比較器C0MP2 ；所述PMOS功率管MPl源極接 輸入電壓，漏極連接6排電流鏡，該6排電流鏡的開啟和關閉對應所述6個控制狀態，所述 PMOS功率管MPl的柵極接地；所述比較器C0MP2正相輸入端接MOS功率管漏極，反相輸入 端接所述PMOS功率管MPl的漏極，所述比較器C0MP2的輸出端即為限流模塊的輸出端。
5.根據權利要求4所述的具有負載最小能量消耗點追蹤電路的降壓式穩壓電路，其特 徵在於，所述數模轉換器輸出的基準電壓分為5個等級。
6.根據權利要求5所述的具有負載最小能量消耗點追蹤電路的降壓式穩壓電路，其 特徵在於，所述數模轉換器包括運算放大器和NMOS調整管；所述運算放大器的正相輸入端 連接基準電壓，負向輸入端通過採樣電阻接地，其輸出端接所述NMOS調整管的柵極；所述 NMOS調整管的漏極接輸入電壓，源極串聯5隻電阻後通過採樣電阻接地，所述5隻電阻的接 入由數字控制模塊進行控制，分別對應5個等級的基準電壓；所述NMOS調整管的源極為數 模轉換器的輸出端，。
7.根據權利要求1 6任意一項所述的具有負載最小能量消耗點追蹤電路的降壓式穩 壓電路，其特徵在於，所述數字控制模塊由計數器、比對單元和查找表構成；所述計數器的 輸入接與門輸出端，所述計數器輸出端接比對單元的輸入端，與上一次的計數器的輸出進 行對比，比對單元的輸出結果輸出到查找表，從而輸出相應的控制信號對限流模塊和數模 轉換器進行控制。
全文摘要
本發明涉及一種高能效低壓低功耗集成電路。本發明公開了一種具有負載最小能量消耗點追蹤電路的降壓式穩壓電路，能夠尋找負載最小能量消耗點，利用亞閾值特有的能量消耗曲線並且通過控制輸出電壓以及導通時間來使得每個周期輸出到負載的能量一致，同時檢測一定時間內的導通個數來實現檢測負載最小能量消耗的功能。本發明在傳統的穩壓單元中引入數字控制電路，通過對輸出電壓和導通時間的控制，達到控制周期能量一定的目的。從而在MEPT工作的同時能夠檢測導通的個數來達到檢測負載消耗能量的目的，同時通過數字控制，能夠通過查找表不斷的尋找負載消耗能量的最低點，本發明的控制電路大部分為數字電路，自身功耗低，佔用晶片面積較小。
文檔編號G05F1/56GK102141817SQ20111004074
公開日2011年8月3日 申請日期2011年2月18日 優先權日2011年2月18日
發明者張業, 張波, 甄少偉, 羅萍, 耿翔, 賀雅娟 申請人:電子科技大學