[发明专利]一种提高集成开关DC-DC变换器轻载效率非均匀变化栅宽的方法

说明书

技术领域：

本发明属于DC-DC变换器领域，涉及一种一种提高集成开关DC-DC变换器轻载效率非均匀变化栅宽的方法

背景技术：

随着便携式电子产品的不断进步，电源管理芯片市场发展迅速。由于便携式设备不断小型化的要求，开关电源产品集成化趋势越来越明显。提高开关频率能够有效减小电感、电容元件的尺寸，然而高频限制了开关电源的转换效率，尤其是轻负载处的效率。一般的便携式设备大部分时间工作在“待机”状态下，变换器的轻载效率的提升对于待机时间的延长至关重要。

开关DC-DC变换器理论效率可达100％，但实际电路中由于非理想因素存在损耗。可以将开关DC-DC变换器的总损耗写成如下形式：

Ploss=k1IL,rms2W+k2Wfs---(1)]]>

其中，W是开关MOS管栅宽，I_L，rms是通过开关管的均方根电流，f_s是开关频率，k₁和k₂是与栅宽W和频率f_s无关的系数。表达式中可以看出总损耗大致可以分为两项：第一项为导通损耗，是开关MOS管导通时电流通过开关MOS管的寄生电阻传输造成的损耗，其值与栅宽W成反比关系；第二项为开关损耗，主要是由于开关MOS管的导通关断对其本身及其驱动电路的寄生电容充放电造成的损耗，其值与栅宽W和开关频率f_s正比。

由于功率开关管的开关损耗不随变换器输出负载减小而降低，却与开关频率成正比。因此，栅驱动损耗和开关损耗成为高频率开关变换器轻载效率恶化的主导因素。

对于轻载处的效率问题，市场上主流产品的解决方案是引入脉冲频率调制(PFM)模式，轻载时将变换器从脉冲宽度调制(PWM)转换到PFM控制模式下。此时，开关频率随着负载电流降低而降低，从而缓解了轻载情况下效率的恶化。例如文献：“双模式PWM/PFM控制的高效率直流-直流降压转换器，”(陈东坡，何乐年，严晓浪，第29卷第8期2008年8月，半导体学报)采用了PWM/PFM的双模式控制，使输出负载在20mA时依旧保持在55％以上。然而两种调制方式过渡时可能会造成不必要的尖锋电流。此外，由于PFM控制开关频率连续变化，而体现在开关变换器的输出电压中就变成了宽频谱范围的谐波噪声，会对系统造成电磁干扰，因此这种需要变频的变换器很难应用在对噪声敏感的系统中。

固定频率的解决方案也被提出，如文献“A Constant Frequency Method for ImprovingLight-Load Efficiency in Synchronous Buck Converters，”(M.D.Mulligan.B.Broach，and T.H.Lee，IEEE Power Electronics Letters，VOL.3，NO.1，MARCH 2005.S.)提出了开关管动态栅压摆幅的方法，在输出电流较小时采用降低开关MOS管上的充放电电压来减少其开关损耗。

另一种固定频率的解决办法为开关MOS管动态栅宽调整的方法。如式(1)所示，变换器的两种损耗分别与开关MOS管栅宽成正比和反比，因此可以找到一个最优栅宽值使变换器的损耗达到最低。式(1)对栅宽W求导可以得到最佳栅宽使损耗达到最小，而此时的最优栅宽表达式如下：