開關(guān)電源作為電子設(shè)備中的關(guān)鍵部件其效率與功耗已成為設(shè)計(jì)師們關(guān)注的焦點(diǎn)

引言

隨著科技的飛速發(fā)展，電子設(shè)備已成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。然而，這些設(shè)備的能耗問題日益凸顯，尤其是在輕載和待機(jī)狀態(tài)下。開關(guān)電源作為電子設(shè)備中的關(guān)鍵部件，其效率與功耗已成為設(shè)計(jì)師們關(guān)注的焦點(diǎn)。為了應(yīng)對能源緊缺的挑戰(zhàn)，多模式控制已成為電源控制芯片中高效率低功耗設(shè)計(jì)的主流趨勢。本文將詳細(xì)探討多模式開關(guān)電源控制芯片的低功耗設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

多模式控制概述

多模式控制，顧名思義，就是在開關(guān)電源的工作過程中，根據(jù)負(fù)載情況的不同采用不同的控制策略，以降低功耗，提高效率。這一策略主要針對常用開關(guān)電源在輕載和待機(jī)條件下效率低下的特點(diǎn)提出。具體來說，其設(shè)計(jì)思想可描述為：在重載下采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)模式，以發(fā)揮其重載下效率高的優(yōu)點(diǎn);在輕載下采取PFM(脈沖頻率調(diào)制)模式，通過降低開關(guān)頻率來降低功耗;而在極輕載條件下(待機(jī)模式下)則采取BURST模式來進(jìn)一步降低功耗。

低功耗設(shè)計(jì)策略

1. 多模式控制策略

為了實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，首先需要對開關(guān)電源的工作模式進(jìn)行精細(xì)化控制。在重載情況下，采用高效的PWM模式，確保電源能夠以最佳效率運(yùn)行。隨著負(fù)載的降低，適時(shí)切換到PFM模式，通過減少開關(guān)頻率來降低功耗。在極輕載或待機(jī)模式下，則采用BURST模式，通過間歇性工作來進(jìn)一步減少功耗。

2. 控制芯片靜態(tài)功耗優(yōu)化

傳統(tǒng)的多模式控制策略雖然改善了開關(guān)電源的輕載與待機(jī)效率，但未對控制芯片本身的靜態(tài)功耗給予足夠重視?？紤]到家電、辦公設(shè)備等設(shè)備數(shù)量巨大，若能將控制芯片的靜態(tài)電流由毫安級降低一至兩個(gè)數(shù)量級，其節(jié)電效能將十分可觀。因此，在設(shè)計(jì)中需要采用低功耗技術(shù)，如使用低功耗的CMOS工藝、優(yōu)化電路設(shè)計(jì)以減少漏電流等。

3. 電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)多模式控制和低功耗目標(biāo)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)高效的電源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括欠壓鎖定電路(UVLO)、帶隙基準(zhǔn)電壓源、數(shù)字模塊供電單元、模擬模塊供電單元、狀態(tài)檢測模塊和模式控制邏輯單元等。

欠壓鎖定電路(UVLO)：用于保證電路在合適的電壓范圍內(nèi)正常工作。通過合理設(shè)置UVLO的啟動和關(guān)閉電壓閾值，可以避免因電壓過低或過高而導(dǎo)致的電路損壞或不穩(wěn)定工作。

帶隙基準(zhǔn)電壓源：為芯片提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，確保各模塊的正常工作。

數(shù)字模塊供電單元：為數(shù)字電路提供穩(wěn)定的工作電壓，確保數(shù)字電路的高效運(yùn)行。

模擬模塊供電單元：根據(jù)負(fù)載情況為模擬電路提供不同的工作電壓。其中一個(gè)模擬模塊供電單元專門用于在重載條件下為控制模塊供電，而在輕載和待機(jī)模式下則被關(guān)斷，以降低芯片的靜態(tài)功耗。

狀態(tài)檢測模塊和模式控制邏輯單元：實(shí)時(shí)監(jiān)測電源的負(fù)載情況，并根據(jù)檢測結(jié)果自動選擇合適的工作模式。通過智能控制，確保電源在不同負(fù)載條件下都能以最優(yōu)效率運(yùn)行。

具體實(shí)現(xiàn)

電路設(shè)計(jì)與優(yōu)化

在電路設(shè)計(jì)中，采用先進(jìn)的CMOS工藝和優(yōu)化的電路布局，以減少電路的漏電流和功耗。例如，在5V穩(wěn)定電壓源(REG)的設(shè)計(jì)中，采用共源共柵結(jié)構(gòu)提高電流鏡的鏡像精度和電源抑制比;通過負(fù)反饋環(huán)路將REG電壓穩(wěn)定在5V，確保輸出電壓的穩(wěn)定性和精度。同時(shí)，利用帶隙基準(zhǔn)電壓源和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生4.3V的穩(wěn)定電壓源(VDD_AD)，用于輕載時(shí)的供電。

欠壓鎖定電路的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)欠壓鎖定功能，設(shè)計(jì)了兩種方案：U-VLO1和UVLO2。U-VLO1采用兩個(gè)比較器實(shí)現(xiàn)，通過比較外部供電電壓與帶隙基準(zhǔn)電壓來判斷電路是否進(jìn)入正常工作狀態(tài)。UVLO2則利用一個(gè)比較器和外部遲滯實(shí)現(xiàn)欠壓鎖定功能，具有結(jié)構(gòu)簡單、面積小、啟動電流小等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過對比分析，最終選擇了UVLO2方案，以進(jìn)一步降低功耗。

系統(tǒng)集成與測試

將帶隙基準(zhǔn)電壓源、數(shù)字電源、欠壓鎖定電路等模塊集成在一起，形成完整的電源管理系統(tǒng)。通過系統(tǒng)級測試，驗(yàn)證各模塊的功能和性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的多模式開關(guān)電源控制芯片在重載、輕載和待機(jī)模式下均能高效運(yùn)行，且功耗顯著降低。

結(jié)論

多模式開關(guān)電源控制芯片的低功耗設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是提高電子設(shè)備能效的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過采用多模式控制策略、優(yōu)化控制芯片的靜態(tài)功耗以及設(shè)計(jì)高效的電源管理系統(tǒng)等措施，可以顯著降低開關(guān)電源在輕載和待機(jī)狀態(tài)下的功耗，提高全負(fù)載條件下的工作效率。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的不斷拓展，多模式開關(guān)電源控制芯片將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為實(shí)現(xiàn)綠色低碳的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。