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1、166微电子学与计算机第25卷第1期,2008年1月数字控制PFM/PWM混合型DC-DC开关电源孟浩,贾晨,陈志良(清华大学微电子学研究所,北京100084)摘要:结合脉冲频率调制(PFM)和脉冲宽度调制(PWM)的特点,设计了一种混合型的降压DC-DC控制器,提高了全负载情况下的效率,并进行了多种低功耗设计,轻负载时效率提高。控制器的PWM采用数字化PID控制,PFM采用电压电流的双环反馈控制,在1mA～2A的宽负载范围内效率为80%～92%。关键词:DC-DC转换器;脉冲频率调制;脉冲宽度调制;数字化控制;高转换效率中图分类号:TN4文献标识码:A文章编号:1000-7180(2008)
2、01-0166-04APFM/PWMDual2ModeDC2DCRegulatorwithDigitalPIDCompensationMENGHao,JIAChen,CHENZhi2liang(InstituteofMicroelectronics,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:APFMandPWMdual2modeDC2DCregulatorisproposedinthispaper.PWMusesdigitalPIDcompensationandPFMusesvoltageandcurrentfeedbackstructur
3、e.Andseverallowpowercircuitsaredesignedtoimprovetheefficien2cyatlightloadsituation.Theefficiencycanreach80%～92%at1mA～2Aloadrange.Keywords:DC2DCregulator;PFM;PWM;digitalcontrol;highefficiency耗受到工艺参数、温度和电源电压的影响大,补偿实1引言[2]现困难。文中设计了数字控制DC-DC。通过脉冲频率调制(PFM)在轻负载下有很好的效ADC对输出电压采样,经过数字PID补偿后,数字率,但在大负载下效率较低,而脉
4、冲宽度调制脉冲宽度调制(DPWM)输出控制信号。相对传统(PWM)在大负载下有很好的效率和良好的控制性的模拟方式,受环境和工艺参数影响小,控制精度[1][2]能,但轻负载时损耗大、效率低。实际应用中,例高,补偿电路稳定性提高,消除了静态功耗。如系统正常工作和待机模式下,负载变化的范围很2电路工作原理大,单一的控制方式效率不高,同时系统的传输函数随之改变,稳定性受到影响。文中设计了双模控制2.1整体结构的DC-DC开关电源,在全负载范围下都有很高的PFM开关频率随负载变化,开关损耗随负载降效率。低而减小,适合轻负载的情况。PWM控制开关频DC-DC开关电源的损耗有:MOSFET晶体管率高,能够提
5、高控制精度,减小系统对电感电容的要导通电阻和电感电容等效串联电阻的损耗;MOS2求,降低输出纹波,但频率固定,控制器损耗与负载FET开关管同时导通损耗和控制芯片工作电流带无关,因此适合大负载情况。文中的双模式控制器,[1]通过对负载电流的判断,在大负载的情况下使用来的损耗,后者在轻负载时占据比重很大,文中设计了零偏置电流的比较器和数字实现的单稳态电PWM控制,轻负载情况下用PFM控制,实验得出路,提高转换效率,在0.1mA轻负载下效率超过现100mA为理想的切换点,使得在1mA～2A的负载[1]有电路。范围内,效率均大于80%,最高达到92%,电路结构[1]传统PWM使用模拟方式控制,电路静态
6、功如图1所示。收稿日期:2007-03-19基金项目:信息产业部电子信息产业发展基金项目(信部远(2004)42)©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第25卷第1期,2008年1月微电子学与计算机167率较低,因此比较器的时钟频率可以降低,在轻负载情况下,特别是负载小于1mA时的损耗大大降低,提高了效率。PFM控制电路中需要最大导通时间和最小截止时间单稳态触发电路来约束电感电流和开关频率,实现对输出的控制,传统结构使用模拟方式,通过三角波发生器和
7、比较器组成单稳态电路实现。本设计对此进行了改进,用数字方式实现,如图3所示。当触发信号到来,计数器使能开始计数,达到设定的值时,触发器复位,停止工作。通过改变数字比较器的值,便可以得到不同的导通、截止时间,可以实现后期的配置,灵活调节。时钟仍然通过DPWM电路产生,消除了静态功耗,在0.1mA负载下效率[1]达到70%,较传统结构有很大提升。图1PWM/PFM混合模式DC-DC电路结构图3数字实现
