1 引言
近年來，LDO（Low Dropout）線性穩(wěn)壓器和DC/DC 變換器等電源管理芯片已廣泛應(yīng)用于便攜式電子系統(tǒng)中 [1]。但是，開關(guān)穩(wěn)壓器相對線性穩(wěn)壓器降低了平均輸入電流，提高了效率[2-3]。Step-Down 電源屬于DC/DC 變換器中的降壓變換器，它的主要缺點是，在輕載時比如手機待機時，靜態(tài)電流較高，顯著降低了電池的使用壽命，所以在低負(fù)載條件下，我們通過PFM 限流比較器來控制芯片使之進(jìn)入Idle 模式，這樣就大大延長了電池壽命，提高了芯片的效率。
2 本文采用的DC-DC 降壓變換器電路結(jié)構(gòu)
本文采用的DC-DC 降壓變換器結(jié)構(gòu)采用同步校正器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二極管，極大地提高了DC-DC 降壓變換器的效率，可達(dá)到95%左右。芯片的輸入電壓位于2.7V 至5V 之間，可工作在以下四種模式：固定頻率的強制PWM 模式，同步PWM 模式，idle 模式，關(guān)斷模式。
3 PFM 限流比較器的設(shè)計
3.1 比較器輸入級的設(shè)計
比較器輸入級為射級耦合的差分輸入級。
圖1 比較器的輸入級
由上圖可知，
(1)
(2)
則iC1可以近似為
(3)
同理
(4)
可求得差分跨導(dǎo)為:
(5)
在室溫下, T V =26mV , 所以運放跨導(dǎo)等于
(6)
此外，電阻R15，R16作為運放負(fù)載，可得出放大器輸入級增益表達(dá)式如下：
(7)
3.2 比較器中間級
比較器中間級由D，E 輸入，A 輸出。MP724，MP725 的作用是減小A 點電壓的變化幅度，使得比較器具有較短的瞬態(tài)響應(yīng)時間和較快的速度。
現(xiàn)在計算折疊共源共柵運放的小信號電壓增益，因為|Av|= GmRout ，我們必須計算Gm 和Rout ，而
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(9)
所以， V 2 A 表達(dá)式如下：
(10)
圖2 比較器中間級
3.3 比較器輸出級
比較器的輸出級（Active Load inverter）由A 輸入，B 輸出（圖3），進(jìn)一步提高放大器的增益，
(11)
因此，放大器總的增益AV 表達(dá)式如下：
(12)
圖3 PFM 限流比較器電路圖
3.4 PFM 限流比較器電路圖
綜合前面比較器輸入級，輸出級，中間級的設(shè)計，可得出圖3 所示的PFM 限流比較器電路圖。當(dāng)功率管導(dǎo)通時，對電感電流充電，使得電感電流上升，同時功率管的漏端電壓下降，電流采樣電路通過采樣導(dǎo)通功率管的漏端電壓，把采樣得到的電壓LS2，LTH2 輸入到PFM 限流比較器，當(dāng)功率管的漏端電壓下降到一定程度，使得LS2 達(dá)到PFM 限流比較器門限LTH2 時，比較器輸出高電平至控制邏輯模塊，從而使芯片進(jìn)入PFM 工作模式以延長電池壽命。
4 PFM 限流比較器的仿真
我們采用HSPICE 對圖3 所示的電路進(jìn)行了比較器功能的模擬，由圖4 可見當(dāng)電感電流上升時，采樣得到的電壓LS2 下降，當(dāng)功率管的漏端電壓下降到一定程度，使得LS2 達(dá)到PFM 限流比較器門限LTH2 時，比較器輸出高電平至控制邏輯模塊，從而使芯片進(jìn)入PFM工作模式以延長電池壽命。此外，比較器延遲70nS。
圖4 PFM 限流比較器的仿真
5 結(jié)束語
本文成功地設(shè)計出一款應(yīng)用到DC/DC 芯片上的PFM 限流比較器，并通過HSPICE 進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明：電路結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，響應(yīng)速度快，完全滿足新一代DC/DC 產(chǎn)品的要求，且預(yù)計投入市場之后將獲得上百萬元的效益。
本文作者創(chuàng)新點：本文采用的DC-DC 降壓變換器結(jié)構(gòu)采用同步校正器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二極管，極大地提高了DC-DC 降壓變換器的效率，可達(dá)到95%左右?；谠揇C-DC 降壓變換器結(jié)構(gòu)設(shè)計了一個新穎的基于Step-Down PWM 電源管理芯片的PFM 限流比較器電路，在輕載時使芯片進(jìn)入PFM 工作模式，因此能夠延長電池壽命并且大幅度的提高Step-DownPWM 電源管理芯片的效率。
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