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

2022-09-15
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各種便攜式電子產(chǎn)品,如照相機、攝像機、手機、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(lèi)便攜式設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(cháng)電池的使用壽命。傳統DC-DC的工作電壓一般都在1.0 V以上,本文設計了一種DC-DC升壓型開(kāi)關(guān)電源的低壓?jiǎn)?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工作頻率較穩定的振蕩器電路,利用電壓檢測模塊進(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( VthN = 0.72 V, VthP = -0.97 V)下仿真。仿真結果表明,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.

  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,利用控制電路導通和關(guān)斷功率管,在功率管導通時(shí),電感儲存能量;當功率管關(guān)斷時(shí),電感釋放能量,對輸出電容充電,輸出電壓升高。當輸入電源低至1. 0 V以下,如果DC-DC芯片的驅動(dòng)電壓取自輸入電源,芯片內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,設計了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、帶隙基準電路、PWM比較器、過(guò)壓保護電路、過(guò)流保護電路等。

  圖1 DC-DC升壓型開(kāi)關(guān)電源芯片的整體示意圖

  主振蕩器的設計

  本文所設計的主振蕩器采用如圖2所示的環(huán)形振蕩器結構。VC1, VC2分別為過(guò)壓保護電路,PWM比較器的輸出信號,MP10和MP11為帶隙基準提供的鏡像電流,合理的控制鏡像電流和電容C1 , C2的大小,即能夠使主振蕩器在1. 9~ 8 V的V DD區間輸出350 kHz左右較穩定的振蕩頻率。

  圖2主振蕩器電路輔助振蕩器的設計

  輔助振蕩器電路采用環(huán)形振蕩器結構,它利用亞閾值導通的原理,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,造成系統的不穩定。

  設計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端出現不確定狀態(tài),導致功耗過(guò)大,并造成后續電路不能正常工作。本文在此基礎上加以改進(jìn),增加M17管,M18管,所設計的輔助振蕩器如圖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:

  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,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:

  因為M26管的電流很小,寬長(cháng)比很大,故:

  SE為輔助振蕩器切換信號,SEB為SE的反信號。當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,輔助振蕩器工作,開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi),S2閉合;當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端出現不確定狀態(tài)。

  電路整體仿真結果與分析

  整體電路在0. 5μm CMOS工藝庫( V thN= 0. 72 V,VthP = - 0. 97 V)下仿真,仿真條件為VIN = 0. 8 V,仿真結果如圖4所示。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)只有輔助振蕩信號通過(guò)開(kāi)關(guān)S2傳到功率管的柵極,當VDD升高至1. 9 V時(shí),輔助振蕩器關(guān)掉,主振蕩器信號通過(guò)開(kāi)關(guān)S1傳到功率管的柵極,VDD繼續升高至設定的輸出電壓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。


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