一种利用混合式降压-伪升压变换器实现可听噪声抑制与效率提升的新方法

《Microelectronics Journal》：A novel method for Audible Noise Suppression and Enhanced Efficiency using Hybrid Buck-Pseudo-Boost Converter

　　

Jiang-Ping He|Hao Liu|Hao-Tian Zhi|Sheng-Hong Xu|Jian-Cheng Zhou|Dao-Xun Xie|Wei Li

摘要

本文采用0.13微米双极型CMOS-DMOS工艺设计了一种混合式降压-伪升压转换器，该转换器具备闭环零电压交叉检测控制机制，能够锁定最低开关频率并启用伪升压能量回收模式。在轻负载条件下，该转换器可实现高效率低噪声运行，且在整个负载范围内都能实现平滑的模式切换。实验结果表明，在0.01安培的负载下，该转换器的开关频率仍可保持在36千赫兹；在0.8安培的适中负载下，其峰值转换效率可达94%。此外，在0到6安培的负载范围内，该转换器还能在连续导通模式、断续导通模式和降压-伪升压模式之间自动切换，且电压偏差可控制在100毫伏以内。这种能量回收架构有效解决了传统轻负载降压运行中存在的效率与噪声之间的矛盾，非常适合用于对噪声敏感的便携式设备以及物联网电源管理应用。若能进一步提升反向电流调节精度并简化控制回路，将有助于提高该技术的集成度及其实际应用前景。

章节节选

引言

随着便携式电子设备及物联网系统的广泛普及，电源转换器往往需要在轻负载或待机状态下工作，这就迫切需要具备高轻负载效率且低噪声特性的电源管理方案[1]、[2]、[3]。在待机状态下，轻负载效率直接影响整个系统的能耗以及电池的使用寿命。为适应不同的工作条件，

混合式降压-伪升压工作模式

如图1所示，本研究提出了一种混合式降压-伪升压拓扑结构。虽然该架构保留了传统降压转换器的主要能量传输路径，但它还加入了基于零电压交叉检测的可控能量回收回路，从而能够在轻负载条件下将多余的电能反馈回去。与传统旨在提升零电流检测精度并抑制反向电流传导的自适应零电流检测方案不同，本文提出的

零电压交叉检测控制行为与工作原理

恒定导通时间控制是一种经典的脉冲频率调制技术，由于其响应速度快、稳定性好且轻负载效率高，因此被广泛应用于开关电源中[19]、[20]、[21]。本文以采用恒定导通时间控制的降压转换器为例来阐述零电压交叉检测技术。为了全面展示所设计的混合式降压-伪升压转换器，其完整系统架构如图5所示。该架构包含一个带有零电压交叉检测增强控制回路的功率级，主要由两个部分组成

实验结果

为在仿真结果与实际测试结果之间建立统一的参考标准，本文使用表II中所列的参数进行了HSPICE仿真。为了验证该混合式降压-伪升压转换器的性能，研究人员采用了0.13微米双极型CMOS-DMOS工艺制作了相应的原型芯片。图11中的芯片微观结构图展示了布局中的零电压交叉检测控制电路（黄色标注部分）。该模块采用全模拟电路实现，无需额外的输入输出引脚，因此能够有效减小芯片面积

结论

综上所述，本文提出了一种结合闭环零电压交叉检测机制的混合式降压-伪升压拓扑结构。该设计能够同时实现最低开关频率的锁定与无功能量的回收控制。与仅通过调节开关频率的方式来提高性能不同，该方法通过重新配置能量传输路径，使得在轻负载条件下仍能保持较高的转换效率（超过85%）以及较低的噪声水平（开关频率大于20千赫兹）。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。