提高DC-DC变换器轻载效率的方法及电路技术

本发明专利技术涉及一种提高DC-DC变换器轻载效率的方法及电路，按照本发明专利技术提供的技术方案，所述提高DC-DC变换器轻载效率的方法，包括同步开关管及用于连接负载电阻与输入电压源并调节负载电阻与输入电压源连接状态的主开关管，所述主开关管的栅极端及同步开关管的栅极端均与驱动电路相连；其特征是：所述驱动电路根据负载电流Iout、输入电压源的电压调节主开关管和/或同步开关管对应导电沟道的宽长比，以使得主开关管导通电阻的损耗增加量小于主开关管驱动损耗的减少量和/或同步开关管导通电阻的损耗增加量小于同步开关管驱动损耗的减少量，提高对负载电阻的输出效率。本发明专利技术提高轻载效率，实现结构简单，降低使用成本，安全可靠。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种提高DC-DC变换器轻载效率的方法及电路，具体地说是一种通过关断开关管部分导电通道来提高DC-DC变换器轻载效率的方法及电路，属于DC-DC变换器的

技术介绍
在日益普及的便携电子产品中，大都采用电池供电，有限的电池容量和产品功能的迅速扩展给电源管理的效率提出越来越高的要求，而集成同步BUCK型DC-DC变换器在很宽的输入输出电压范围内都可以保持很高的效率，使得它在很多场合成为首选的电源管理器件。 BUCK型DC-DC变换器在轻载时有三种控制模式，可以简单分成强制连续模式、跳脉冲模式、突发模式。强制连续模式的电流双向流动，效率最低，纹波最小。通过迟滞比较器检测输出电压的突发模式开关管工作的时间短，效率高，纹波最大。跳脉冲模式工作在DCM模式并跳去一些脉冲，效率和纹波介于上述两种模式之间。以上三种各有优缺点，不同的应用可以采用不同的选择。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种提高DC-DC变换器轻载效率的方法及电路，其提高轻载效率，实现结构简单，降低使用成本，安全可靠。按照本专利技术提供的技术方案，所述提高DC-DC变换器轻载效率的方法，包括同步开关管及用于连接负载电阻与输入电压源并调节负载电阻与输入电压源连接状态的主开关管，所述主开关管的栅极端及同步开关管的栅极端均与驱动电路相连；其特征是所述驱动电路根据负载电流lout、输入电压源的电压调节主开关管和/或同步开关管对应导电沟道的宽长比，以使得主开关管导通电阻的损耗增加量小于主开关管驱动损耗的减少量和/或同步开关管导通电阻的损耗增加量小于同步开关管驱动损耗的减少量，提高对负载电阻的输出效率。所述驱动电路包括电流阈值设定模块，所述电流阈值设定模块的输出端与比较器的反相端相连，比较器的同相端输入负载电流lout，比较器的输出端与第一控制器及第二控制器相连，所述第一控制器的输出端与主开关管的栅极端相连，所述第二控制器的输出端与同步开关管的栅极端相连。所述驱动电路调节主开关管的导电沟道的宽长比，使得主开关管导通电阻的损耗增加量小于主开关管驱动损耗的减小量时，得到 Ijr~f央 rr 由 V r 金 τ~·Iour < Ik^ im lJS lv swmn:M0* I)其中，k表示比例系数，0〈k ( 1，Cgsi表示主开关管内的寄生栅源电容，Vgs表示栅源电压，Fsw表示工作频率，Rqi为主开关管的导通电阻、D为占空比，Vin表示输入电压源的电压值。所述第一控制器包括高转低电平移位器、与门及低转高电平移位器；所述高转低电平移位器与与门的一输入端相连，比较器的输出端与与门的另一输入端相连，与门的输出端与低转高电平移位器相连，所述低转高电平移位器的输出端与主开关管的栅极端相连。一种提高DC-DC变换器轻载效率的电路，包括同步开关管及用于连接负载电阻与输入电压源并调节负载电阻与输入电压源连接状态的主开关管，所述主开关管的栅极端及同步开关管的栅极端均与驱动电路相连；同步开关管的漏极端与主开关管的源极端相连，主开关管的漏极端与输入电压源的一端相连，输入电压源的另一端与同步开关管的源极端相连；同步开关管的漏极端通过储能电感与负载电阻连接；所述驱动电路根据负载电流lout、输入电压源的电压调节主开关管和/或同步开关管对应导电沟道的宽长比，以使得主开关管导通电阻的损耗增加量小于主开关管驱动损耗的减少量和/或同步开关管导通电阻的损耗增加量小于同步开关管驱动损耗的减少量，提高对负载电阻的输出效率。 所述驱动电路包括电流阈值设定模块，所述电流阈值设定模块的输出端与比较器的反相端相连，比较器的同相端输入负载电流lout，比较器的输出端与第一控制器及第二控制器相连，所述第一控制器的输出端与主开关管的栅极端相连，所述第二控制器的输出端与同步开关管的栅极端相连。所述第一控制器包括高转低电平移位器、与门及低转高电平移位器；所述高转低电平移位器与与门的一输入端相连，比较器的输出端与与门的另一输入端相连，与门的输出端与低转高电平移位器相连，所述低转高电平移位器的输出端与主开关管的栅极端相连。所述负载电阻的两端并联有滤波支路，所述滤波支路包括滤波电容及与所述滤波电容串联的电容等效串联电阻。本专利技术的优点驱动电路与主开关管的栅极端及同步开关管的栅极端相连，所述驱动电路根据负载电流、输入电压源VIN的电压调节主开关管和/或同步开关管对应导电沟道的宽长比，以使得主开关管导通电阻的损耗增加量小于主开关管驱动损耗的减少量和/或同步开关管导通电阻的损耗增加量小于同步开关管驱动损耗的减少量，提高对负载电阻的输出效率，实现结构简单，降低使用成本，安全可靠。附图说明图I为现有同步整流Buck型DC-DC变换器的拓扑结构示意图。图2为现有PWM控制Buck型DC-DC变换器结构原理图。图3为本专利技术DC-DC变换器的原理图。图4为本专利技术第一控制器的原理图。图5为本专利技术损耗随负载变化的示意图。具体实施例方式下面结合具体附图和实施例对本专利技术作进一步说明。如图I所示为同步整流Buck型DC-DC转换器的拓扑结构，其中上管Ql为主开关管，下管Q2为同步开关管，L为储能电感，C为滤波电容，R。为电容等效串联电阻，R为负载电阻。工作时，主开关管Ql在每个周期开始时接通，流过储能电感L的电流通过主开关管Ql而上升，输入电压源VIN的电能转换为磁能储存在储能电感L的电感磁场中，到达一定占空比时主开关管Ql关断，储能电感L的电流通过同步开关管Q2进行续流而逐渐下降，实现磁能转换为电能释放到输出端，完成一个周期的转换。正是有了电能和磁能之间的相互转换，通过控制磁能释放的路径和时间，实现了电压高低和极性的变换。尽管储能电感L上的电流是随着开关周期在作周期性的变化，但在Buck型DC-DC正常工作时，其负载电流是等于电感电流的平均值。如图2所示为典型PWM控制BUCK型DC-DC变换器结构原理图，主要由片外LC滤波、误差放大器、基准电路、PWM比较器、逻辑控制和缓冲驱动电路、主开关管Q1、同步开关管Q2和振荡器；第一反馈电阻Rfi及第二反馈电阻Rf2构成反馈电路，其中，主开关管Ql、同步开关管Q2相应导电沟道的宽长比均为W/L，正常导通。 上述典型的Buck型DC-DC变换器虽然工作原理简单，所用器件少，成本低，但是该电路也存在一定的问题，主要体现在此时电路中会产生一定的损耗，主要包括控制电路部分损耗，主开关管Q1、同步开关管Q2的导通损耗、开关损耗，驱动主开关管Q1、同步开关管Q2的损耗，死区时间损耗，外部元件损耗等。目前，DC-DC变换器的输出功率越来越大，而重负载时主开关管Ql、同步开关管Q2的导通损耗占主导作用，也即电路的损耗主要表现为主开关管Q1、同步开关管Q2的导通损耗，因此为了满足重载时的要求，需要此时的导通电阻很小。而随着负载电流的降低，主开关管Q1、同步开关管Q2的导通损耗明显降低，而此时驱动主开关管Q1、同步开关管Q2的驱动损耗却相对显现，影响轻载时DC-DC转换器的转换效率。轻负载和重负载是相对地，一般重负载即负载电流较大，轻负载即负载电流较小的情况，为本
所熟知。以主开关管Ql、同步开关管Q2均为NMOS管，且针对强制连续模式的DC-DC变换器为例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高DC？DC变换器轻载效率的方法，包括同步开关管（Q2）及用于连接负载电阻（R）与输入电压源（VIN）并调节负载电阻（R）与输入电压源（VIN）连接状态的主开关管（Q1），所述主开关管（Q1）的栅极端及同步开关管（Q2）的栅极端均与驱动电路相连；其特征是：所述驱动电路根据负载电流Iout、输入电压源（VIN）的电压调节主开关管（Q1）和/或同步开关管（Q2）对应导电沟道的宽长比，以使得主开关管（Q1）导通电阻的损耗增加量小于主开关管（Q1）驱动损耗的减少量和/或同步开关管（Q2）导通电阻的损耗增加量小于同步开关管（Q2）驱动损耗的减少量，提高对负载电阻（R）的输出效率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱波，王宇星，范建林，史训南，刘大伟，王国瑞，徐义强，
申请(专利权)人：无锡新硅微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：