DC-DC升壓型開(kāi)關(guān)電源的低壓?jiǎn)?dòng)方案

中心議題：

• DC-DC 升壓型開(kāi)關(guān)電源的低壓啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)

解決方案：

• DC-DC 升壓型開(kāi)關(guān)電源的主振蕩器的設(shè)計(jì)
• DC-DC 升壓型開(kāi)關(guān)電源的輔助振蕩器的設(shè)計(jì)

各種便攜式電子產(chǎn)品， 如照相機(jī)、攝像機(jī)、手機(jī)、筆記本電腦、多媒體播放器等都需要DC-DC 變換器等電源管理芯片。這類便攜式設(shè)備一般使用電池供電， 總能量有限， 因此， 電源芯片需要最大限度地降低工作電壓，延長(zhǎng)電池的使用壽命。傳統(tǒng)DC-DC 的工作電壓一般都在1. 0 V 以上， 本文設(shè)計(jì)了一種DC-DC 升壓型開(kāi)關(guān)電源的低壓啟動(dòng)電路， 啟動(dòng)電壓降低至0. 8 V,該電路采用兩個(gè)在不同電源電壓范圍內(nèi)工作頻率較穩(wěn)定的振蕩器電路， 利用電壓檢測(cè)模塊進(jìn)行合理的切換， 解決了低輸入電壓下電路無(wú)法正常工作的問(wèn)題， 并在0. 5μm CMOS 工藝庫(kù)（ VthN = 0. 72 V, VthP = -0. 97 V） 下仿真。仿真結(jié)果表明， 在0. 8 V 低輸入電壓時(shí)， 通過(guò)此升壓型開(kāi)關(guān)電源， 可以將VDD升高至3. 3 V。

1   電路整體示意圖

DC-DC 升壓型開(kāi)關(guān)電源在低輸入電壓下工作， 利用控制電路導(dǎo)通和關(guān)斷功率管， 在功率管導(dǎo)通時(shí)， 電感儲(chǔ)存能量； 當(dāng)功率管關(guān)斷時(shí)， 電感釋放能量， 對(duì)輸出電容充電， 輸出電壓升高。當(dāng)輸入電源低至1. 0 V 以下， 如果DC-DC 芯片的驅(qū)動(dòng)電壓取自輸入電源， 芯片內(nèi)部電路就不能正常工作， DC-DC 便無(wú)法啟動(dòng)； 如果DC-DC 芯片的驅(qū)動(dòng)電壓取自輸出電壓， 同樣， 芯片根本無(wú)法啟動(dòng)及進(jìn)行任何升壓動(dòng)作。本文針對(duì)輸入電源電壓變化范圍較大， 在考慮商業(yè)成本的情況下， 設(shè)計(jì)了2 個(gè)振蕩器電路：主振蕩器和輔助振蕩器。輔助振蕩器靠輸入電壓供電，0. 8 V 即能起振， 在V DD升至1. 9 V 以前控制功率管的導(dǎo)通與關(guān)斷， 使V DD逐步抬升。主振蕩器靠輸出電壓即VDD供電， 在VDD升至1. 9 V 以后以一個(gè)較穩(wěn)定的頻率工作， 抬升并維持輸出電壓。電路的整體示意圖如圖1所示。該電路包括主振蕩器、輔助振蕩器以及它們的切換電路、帶隙基準(zhǔn)電路、PWM 比較器、過(guò)壓保護(hù)電路、過(guò)流保護(hù)電路等。

圖1   DC-DC 升壓型開(kāi)關(guān)電源芯片的整體示意圖

圖2  主振蕩器電路

3   輔助振蕩器的設(shè)計(jì)

輔助振蕩器電路采用環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)， 它利用亞閾值導(dǎo)通的原理， 使得起振電壓降至0. 8 V, 但是這個(gè)輔助振蕩器在0. 8~ 1. 9 V 的VDD區(qū)間里頻率變化很大， 會(huì)在電路啟動(dòng)階段造成很大的浪涌電流， 造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)的輔助振蕩器克服了以上缺點(diǎn)， 既保證了在0. 8 V 起振， 又避免了振蕩頻率變化過(guò)大， 但是， 在輔助振蕩器關(guān)斷之后由于工藝偏差可能會(huì)在R, S端出現(xiàn)不確定狀態(tài)， 導(dǎo)致功耗過(guò)大， 并造成后續(xù)電路不能正常工作。本文在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)， 增加M17 管， M18管， 所設(shè)計(jì)的輔助振蕩器如圖3 所示。

圖3   輔助振蕩器電路

圖3 中， M1~ M13 是低輸入電壓偏置電流電路， 這個(gè)電路的主要功能是在低輸入電壓下產(chǎn)生一個(gè)恒定的納安級(jí)的偏置電流。這一不隨電源電壓變化的偏置電流將為圖3 所示的輔助振蕩器提供偏置。M8 ~ M13為啟動(dòng)電路， M3 , M4 都工作在亞閾值區(qū)：

聯(lián)立式（1） ~ 式（4），可以得到：

式中： K = （W/ L ） M4 / （ W/ L ） M3 ，通過(guò)式（5） 可以發(fā)現(xiàn)，偏置電流I M1 , I M2與輸入電源無(wú)關(guān)。

恒流源I I 和I 4 對(duì)電容C1 充放電， 該振蕩器的核心模塊是兩個(gè)比較器， M21 , M22 組成COMP1, 該比較器閾值較高， 為M22 管的導(dǎo)通閾值， 記為V H = V th。M22 ,M23 , M24 , M25 , M26 , R2 組成COMP2, 該比較器閾值較低， 記為VL ：

因?yàn)镸26管的電流很小， 寬長(zhǎng)比很大， 故：

SE 為輔助振蕩器切換信號(hào)， SEB 為SE 的反信號(hào)。當(dāng)V DD低于1. 9 V 時(shí)， SE 為高電平， M17 , M18 都截止， 不影響R, S 觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)， 輔助振蕩器工作， 開(kāi)關(guān)S1 斷開(kāi)， S2 閉合； 當(dāng)VDD 高于1. 9 V 時(shí)， SE 為低電平， 輔助振蕩器關(guān)斷， 開(kāi)關(guān)S1 閉合， S2 斷開(kāi)， M17 , M18 都導(dǎo)通， R=1, S= 0, AU XCLK 被鎖定為高電平， 既減小了功耗， 也避免了輔助振蕩器關(guān)斷之后R, S 端出現(xiàn)不確定狀態(tài)。

4   電路整體仿真結(jié)果與分析

整體電路在0. 5μm CMOS 工藝庫(kù)（ V thN= 0. 72 V,VthP = - 0. 97 V） 下仿真， 仿真條件為VIN = 0. 8 V, 仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4   兩個(gè)振蕩器的切換

從圖4 可以看出， 電路啟動(dòng)后， 首先輔助振蕩器V（ aux clk） 起振， V DD逐漸升高， 升高至1. 4 V 時(shí)， 主振蕩器V（ mainclk） 起振， 但此時(shí)只有輔助振蕩信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)S2 傳到功率管的柵極， 當(dāng)VDD升高至1. 9 V 時(shí)， 輔助振蕩器關(guān)掉， 主振蕩器信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)S1 傳到功率管的柵極， VDD繼續(xù)升高至設(shè)定的輸出電壓3. 3 V 以后，由反饋電路控制主振蕩器的開(kāi)啟與關(guān)斷， 來(lái)維持這一輸出電壓。

5   結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)輸入電源電壓變化范圍較大， 設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)不同的振蕩器， 其在在不同電源電壓范圍內(nèi)工作的頻率較穩(wěn)定， 并利用電壓檢測(cè)模塊進(jìn)行合理的切換， 解決了低輸入電壓下電路無(wú)法啟動(dòng)的問(wèn)題， 是一款適用于商業(yè)開(kāi)發(fā)的DC-DC 升壓型開(kāi)關(guān)電源。