一種DC-DC升壓型開關(guān)電源的低壓啟動方案

摘要：設(shè)計了一種DC-DC升壓型開關(guān)電源的低壓啟動電路，該電路采用兩個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，利用電壓檢測模塊進行合理的切換，解決了低輸入電壓下電路無法正常工作的問題，并在0．5μm CMOS工藝庫(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，通過此升壓型開關(guān)電源，可以將VDD升高至3．3 V。
關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；環(huán)形振蕩器；低壓啟動；COMS

0 引言
    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，本文所設(shè)計的電路將這一啟動電壓降低至0．8V。

1 電路整體示意圖
    DC-DC升壓型開關(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，電感儲存能量；當功率管關(guān)斷時，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(qū)動電壓取自輸入電源，芯片內(nèi)部電路就不能正常工作，DC-DC便無法啟動；如果DC-DC芯片的驅(qū)動電壓取自輸出電壓，同樣，芯片根本無法啟動及進行任何升壓動作。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(shè)計了2個振蕩器電路：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VDD升至1．9 V以前控制功率管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使VDD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、帶隙基準電路、PWM比較器、過壓保護電路、過流保護電路等。

2 主振蕩器的設(shè)計
    在構(gòu)想了兩個在兩段不同的電源電壓下工作的振蕩器電路之后，就可以對兩個振蕩器電路分別進行設(shè)計。環(huán)形振蕩器因其結(jié)構(gòu)簡單，易于集成，而用于許多集成電路芯片的設(shè)計，但其振蕩頻率受電源電壓變化的影響較大，文獻中所提出的方案雖然有較大改善，但它采用了大的集成電阻，這不僅增大了芯片面積，而且集成電阻阻值隨工藝偏差很大，還會進一步增大環(huán)振輸出頻率的不穩(wěn)定性。文獻所提出的改進型環(huán)形振蕩器電路頻率穩(wěn)定度高，適用于電源電壓變化較大的集成電路系統(tǒng)，但它采用了耗盡型MOS管，增加了電路的成本，不利于商業(yè)開發(fā)。本文所設(shè)計的主振蕩器采用如圖2所示的環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)。VC1，VC2分別為過壓保護電路，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VDD區(qū)間輸出350 kHz左右較穩(wěn)定的振蕩頻率。

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3 輔助振蕩器的設(shè)計
    文獻中提出的輔助振蕩器電路也采用環(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，但是這個輔助振蕩器在0．8～1．9 V的VDD區(qū)間里頻率變化很大，會在電路啟動階段造成很大的浪涌電流，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
    文獻中提出的輔助振蕩器克服了以上缺點，既保證了在0．8 V起振，又避免了振蕩頻率變化過大，但是，在輔助振蕩器關(guān)斷之后由于工藝偏差可能會在R，S端出現(xiàn)不確定狀態(tài)，導(dǎo)致功耗過大，并造成后續(xù)電路不能正常工作。本文在文獻的基礎(chǔ)上加以改進，增加M17管，M18管，所設(shè)計的輔助振蕩器如圖3所示。

    圖3中，M1～M12是低輸入電壓偏置電流電路，這個電路的主要功能是在低輸入電壓下產(chǎn)生一個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為啟動電路，M3，M4都工作在亞閾值區(qū)，
   
   
    式中：K=(W／L)M4／(W／L)M3，通過式(5)可以發(fā)現(xiàn)，偏置電流IM1，IM2與輸入電源無關(guān)。
    恒流源II和I4對電容C1充放電，該振蕩器的核心模塊是兩個比較器，M21，M22組成COMP1，該比較器閾值較高，為M22管的導(dǎo)通閾值，記為VH=Vth。M22，M23，M24，M25，M26，R2組成COMP2，該比較器閾值較低，記為VL：
   
    SE為輔助振蕩器切換信號，SEB為SE的反信號。當VDD低于1．9 V時，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，開關(guān)S1斷開，S2閉合；當VDD高于1．9 V時，SE為低電平，輔助振蕩器關(guān)斷，開關(guān)S1閉合，S2斷開，M17，M18都導(dǎo)通，R=1，S=0，AUXCLK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(VthN=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。

    從圖4可以看出，電路啟動后，首先輔助振蕩器V(auxclk)起振，VDD逐漸升高，升高至1.4 V時，主振蕩器V(mainclk)起振，但此時只有輔助振蕩信號通過開關(guān)S2傳到功率管的柵極，當VDD升高至1．9 V時，輔助振蕩器關(guān)掉，主振蕩器信號通過開關(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啟與關(guān)斷，來維持這一輸出電壓。

5 結(jié)語
    本文針對輸入電源電壓變化范圍較大，設(shè)計了兩種結(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，并利用電壓檢測模塊進行合理的切換，解決了低輸入電壓下電路無法啟動的問題，是一款適用于商業(yè)開發(fā)的DC-DC升壓型開關(guān)電源。