多模式開(kāi)關(guān)電源控制芯片的低功耗設(shè)計(jì)方案

摘要：針對(duì)降低多模式開(kāi)關(guān)電源控制芯片在輕載與待機(jī)工作模式下功耗，提高其全負(fù)載條件下工作效率的需要，提出一種開(kāi)關(guān)電源控制芯片供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了其在啟動(dòng)、關(guān)斷、重載、輕載以及待機(jī)等各種工作情況下的高效率低功耗工作。該供電系統(tǒng)主要包括欠壓鎖定電路、數(shù)字模塊電源單元和兩種不同的模擬模塊電源單元，以及狀態(tài)檢測(cè)模塊和模式控制邏輯單元，能夠?qū)崿F(xiàn)電源的上電、掉電控制，同時(shí)能夠根據(jù)電源的負(fù)載條件控制各模塊的開(kāi)通關(guān)斷以實(shí)現(xiàn)低功耗工作。該系統(tǒng)已應(yīng)用于綠色多模式反激式開(kāi)關(guān)控制器的設(shè)計(jì)中，取得了提高電源效率、降低待機(jī)功耗的作用。芯片采用1.5 um BiCMOS工藝設(shè)計(jì)制成。測(cè)試表明，所設(shè)計(jì)電源的各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

引 言

開(kāi)關(guān)電源的效率與功耗已成為設(shè)計(jì)師關(guān)注的焦點(diǎn)，而多模式控制已經(jīng)成為電源控制芯片中高效率低功耗設(shè)計(jì)的主流趨勢(shì)。

所謂多模式控制就是在開(kāi)關(guān)電源的工作中根據(jù)負(fù)載情況的不同采用不同的控制策略，以降低其功耗，提高效率。它是針對(duì)常用開(kāi)關(guān)電源在輕載和待機(jī)條件下效率低的特點(diǎn)提出的，其設(shè)計(jì)思想可描述為：在重載下采用PWM 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 模式，通過(guò)降低開(kāi)關(guān)頻率來(lái)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(lái)降低功耗。

目前，由于能源緊缺，國(guó)際國(guó)內(nèi)均對(duì)降低用電設(shè)備的輕載和待機(jī)功耗給予了極大注意。應(yīng)指出的是，傳統(tǒng)的多模式控制策略雖然改善了開(kāi)關(guān)電源的輕載與待機(jī)效率，但未對(duì)控制芯片本身的靜態(tài)功耗予以足夠的重視，考慮到家電、辦公設(shè)備等設(shè)備數(shù)量巨大，倘能將控制芯片的靜態(tài)電流由毫安級(jí)降低一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)，其節(jié)電效能就十分可觀。

文中給出一種低功耗開(kāi)關(guān)電源控制芯片供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并予以實(shí)現(xiàn)，其特點(diǎn)是可以降低控制芯片在輕載與待機(jī)模式下的功耗。

針對(duì)當(dāng)前應(yīng)用廣泛的系統(tǒng)芯片的需要，分別設(shè)置了一個(gè)數(shù)字模塊供電單元和兩個(gè)模擬模塊供電單元，其中一個(gè)模擬模塊供電單元專(zhuān)門(mén)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。

1 系統(tǒng)與電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)中包括一個(gè)欠壓鎖定電路（UVLO,Under voltage lockout），用于保證電路在合適的電壓范圍內(nèi)正常工作；一個(gè)帶隙基準(zhǔn)電壓源和一個(gè)專(zhuān)為數(shù)字模塊供電的電壓源（記為VDD_D），分別為芯片提供基準(zhǔn)偏置和數(shù)字部分的電源。具體構(gòu)成時(shí)此兩模塊包含在UVLO模塊內(nèi)。兩個(gè)電壓調(diào)整器（REGULATOR）分別產(chǎn)生一個(gè)5 V和一個(gè)4.3 V 的穩(wěn)定電壓，其中5 V穩(wěn)定電壓源輸出記為REG,用于在重載時(shí)為控制器供電（輕載時(shí)關(guān)斷）；4.3 V 穩(wěn)定電壓源輸出記為VDD_AD,用于輕載時(shí)的供電。當(dāng)然，必要時(shí)還可以利用帶隙基準(zhǔn)產(chǎn)生更多不同的電壓以滿(mǎn)足復(fù)雜控制模式的需要。

圖1電源系統(tǒng)框圖

此外，本設(shè)計(jì)中還設(shè)置了一個(gè)REF-OK模塊來(lái)判斷上電后電源系統(tǒng)是否已進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

1.2 欠壓鎖定電路的設(shè)計(jì)

欠壓鎖定電路又稱(chēng)UVLO,見(jiàn)圖2.圖中 V_DD為芯片外部供電電源，設(shè)計(jì)值為12 V.欠壓鎖定電路的窗口設(shè)置為7~9.5 V,即上電后電壓上升到大于9.5V 時(shí)芯片開(kāi)始正常工作，而當(dāng)供電電壓小于7 V時(shí)芯片停止工作?？紤]到欠壓鎖定電路在電源控制芯片中的重要性，設(shè)計(jì)給出了兩種實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)兩種控制策略的性能進(jìn)行了分析與比較。

圖2 兩個(gè)比較器實(shí)現(xiàn)的欠壓鎖定電路

圖2給出第一種欠壓鎖定電路的原理圖，稱(chēng)為U-VLO1,這是用兩個(gè)比較器實(shí)現(xiàn)的欠壓鎖定電路。V_DD是外部供電電壓源，K1、K2 是小于1的常數(shù)，且K1>K2,V_REF為1.25 V帶隙基準(zhǔn)電壓，LATCH是由兩個(gè)反相器組成的鎖存器。圖中標(biāo)的UVLO_out代表欠壓鎖定信號(hào)，狀態(tài)設(shè)置是UVLO_out=0時(shí)有效。

電路的工作原理可簡(jiǎn)述如下：12 V供電電壓可在V_DD比較低時(shí)建立一個(gè)PTAT （Proportional toabsolute temperature）電流源，然后利用其建立起帶隙基準(zhǔn)電壓源；當(dāng)V_DD由0上升時(shí)，帶隙基準(zhǔn)電壓r首先建立，此時(shí)兩個(gè)比較器的輸出為低電位，P1導(dǎo)通，輸出為高電位；當(dāng)K1V_DD大于 r時(shí)，COMP1輸出跳變，N1管導(dǎo)通，鎖存器鎖存上一個(gè)信號(hào)，UVLO為高電位（注意其為低電位有效）；當(dāng)K2V_DD大于V_REF 時(shí)，N2導(dǎo)通，則UVLO-out為低電位，使能其他模塊；隨著V_DD減小，K2V_DD首先小于V_REF,N2關(guān)斷，則鎖存器鎖存信號(hào)，UVLO-out保持；當(dāng) V_DD減小到K1 V_DD小于V_REF時(shí)COMP1跳變，P1導(dǎo)通，N1關(guān)斷，則輸出UVLO-out為高電位，關(guān)斷整個(gè)控制芯片。

表1 UVLO 的狀態(tài)對(duì)應(yīng)表

另一個(gè)方案是利用一個(gè)比較器實(shí)現(xiàn)的UVLO電路，稱(chēng)UVLO2.該電路的特點(diǎn)是通過(guò)外部遲滯實(shí)現(xiàn)了欠壓鎖定功能，可應(yīng)用于高壓和低壓場(chǎng)合，如圖3.電路的工作原理如下：當(dāng)V_DD由0上升到一個(gè)比較小的值時(shí)，帶隙基準(zhǔn)電壓V_REF首先建立，當(dāng)V_DD上升到：

時(shí)，比較器開(kāi)始跳變，N1關(guān)斷，UVLO-out為0,使能整個(gè)控制芯片。當(dāng)外部電源電壓開(kāi)始減小到：

時(shí)，比較器跳轉(zhuǎn)，N1開(kāi)通，UVLO-out開(kāi)始變l.通過(guò)合理設(shè)置R1、R2、R3值就可以使V_DD1=9.5 V,V_DD2=7V,即V_DD上升到9.5 V時(shí)UVLO輸出為零，芯片正常工作； V_DD下降到7 V 時(shí)芯片停止工作。

圖3 用外部遲滯實(shí)現(xiàn)的欠壓鎖定電路

兩種方案的工作特性對(duì)比結(jié)果如表2所列。需要指出的是，若直接用門(mén)電路實(shí)現(xiàn)施密特觸發(fā)，由于"的工藝離散性，將使觸發(fā)電壓難以準(zhǔn)確控制。

表2 兩種欠壓鎖定電路比較

經(jīng)比較可知，UVL02結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，面積小，啟動(dòng)電流小，有利于降低功耗。因此，本設(shè)計(jì)最終采用了UVL02方案。此外，為最大限度減小功耗，設(shè)計(jì)中將帶隙基準(zhǔn)電壓、數(shù)字電源和欠壓鎖定電路集成在一起。具體電路圖見(jiàn)圖4。

圖4 欠壓鎖定和數(shù)字電源的具體電路圖

圖中利用帶隙基準(zhǔn)電壓加上四個(gè)二極管連接的三極管產(chǎn)生一個(gè)大于4 V 的電壓，然后經(jīng)過(guò)M0S管產(chǎn)生一個(gè)大約2.65 V左右的電壓。這個(gè)電壓在基準(zhǔn)電壓建立后就產(chǎn)生了，主要用于為欠壓鎖定電路的數(shù)字部分供電，并且擔(dān)任了為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字電路供電的任務(wù)。

1.3 5 V基準(zhǔn)電壓源（REG）

圖5為5 V穩(wěn)定電壓源（REG）的電路原理。其中P1、P2、P3、P4組成共源共柵結(jié)構(gòu)，可以提高電流鏡的鏡像精度，同時(shí)提高電源抑制比。Q3、Q4、R 1、R2組成一個(gè)帶隙基準(zhǔn)電壓，這樣可以減小額外的電流支路，降低功耗。Q1、Q2組成達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，增加輸出能力。P5、P6增加匹配，減小溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)。Q1、Q2、R3、R4、R5、R6、Q4、P5、P6組成一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路，將REG電壓穩(wěn)定在5 V。圖中C具有兩種作用：1、記憶直流工作點(diǎn)；2、補(bǔ)償環(huán)路電容。

穩(wěn)壓機(jī)理如下：當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，REG電壓下降，則Q4基極下降，集電極升高，經(jīng)過(guò)P5、P6,使得Q1、Q2基極升高，REG 電壓升高；反之亦然。

REG電壓是片上多數(shù)模塊的供電電壓，驅(qū)動(dòng)能力設(shè)計(jì)為4mA。

圖55 V 穩(wěn)定電壓源

1.4 4.3 V穩(wěn)定電壓源

4.3 V 的穩(wěn)定電壓源（VDD-AD）用來(lái)在輕載時(shí)為系統(tǒng)供電，始終保持工作，在BURST模式下由它為模擬模塊供電。

圖6 4.3 V 的穩(wěn)定電壓源

是帶隙基準(zhǔn)電壓，通過(guò)一個(gè)運(yùn)放、一個(gè)達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的晶體管和一個(gè)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)組成負(fù)反饋環(huán)路來(lái)產(chǎn)生4.3 V 的穩(wěn)定電壓。其穩(wěn)壓機(jī)理如下：當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，VDD-AD電壓下降，此時(shí)A點(diǎn)電壓下降，使運(yùn)放的輸出上升，則Q1、Q2基極升高，REG電壓重新升高，獲得穩(wěn)定；反之亦然。

VDD-AD是檢測(cè)模塊的供電電壓，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)能力為2 mA.芯片負(fù)載減小時(shí)，關(guān)斷REG,減小了芯片的靜態(tài)功耗，這樣既能保證芯片的驅(qū)動(dòng)能力，又同時(shí)降低了芯片的靜態(tài)功耗。

圖7 REF-OK 電路的設(shè)計(jì)

1.5 REF_OK模塊

REF_0K模塊用以標(biāo)志電源系統(tǒng)是否建立好，以控制決定供電單元是否正常開(kāi)始工作。其中兩個(gè)比較參考電平REFOK1、REF0K2的關(guān)系始終保持為REFOK1<REF0K2.電路的工作原理如表3,形成的滯回窗口不僅保證了REG的精度，而且提高了整個(gè)供電單元的抗干擾性能。

表3 REF_OK 的基本功能表

1.6 模式控制邏輯

模式控制邏輯用以保證在進(jìn)行模式選擇時(shí)，電源系統(tǒng)正常工作。當(dāng)FB電壓底于0.5 V時(shí)，該控制邏輯通過(guò)內(nèi)部電流滯回比較器自動(dòng)選擇進(jìn)入待機(jī)模式。RUN信號(hào)（其為高電位有效）用來(lái)關(guān)斷綠色多模式反激變換器中的其它控制模塊，以實(shí)現(xiàn)低待機(jī)功耗。

圖8 模式控制邏輯

2.版圖設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果

2.1 版圖設(shè)計(jì)

圖9給出了制得的多模式開(kāi)關(guān)電源控制芯片的顯微照片，其中用線(xiàn)框標(biāo)出的部分就是所設(shè)計(jì)的供電模塊，包括：欠壓鎖定電路，數(shù)字電源，模擬電壓源（5 V穩(wěn)定電壓源，4.3 V穩(wěn)定電壓源），REF_OK等子模塊。兩個(gè)模擬電壓源因功率較大，可視為熱源，將其統(tǒng)一放置在版圖的左邊，而PTAT、帶隙基準(zhǔn)等敏感模塊則盡量遠(yuǎn)離熱源，放置在版圖的右邊，欠壓鎖定電路也放置在版圖的右上角。

圖9 芯片的顯微照片

2.2 Regulator的測(cè)試

5 V 電壓的PSR測(cè)試波形如圖10所示。由此圖可見(jiàn)，其PSR可以達(dá)到-60 dB.該供電模塊在工作頻率為40~130 kHz的綠色多模式反激式控制器中的應(yīng)用表明，它對(duì)來(lái)自電源的干擾具有較好的抑制能力。

圖10 5 V電源的PSR

2.3 供電系統(tǒng)的測(cè)試

UVLO的啟動(dòng)電流測(cè)量值僅為17.8 A,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低啟動(dòng)電流。系統(tǒng)上電和掉電的測(cè)試結(jié)果如圖11和圖12所示?？梢?jiàn)系統(tǒng)在V_DD的設(shè)置門(mén)限內(nèi)工作良好，REF-OK可以正確指示各個(gè)供電模塊正常工作。掉電過(guò)程正好相反。

圖11 供電模塊的上電和掉電過(guò)程(1)

圖12 供電模塊的上電和掉電過(guò)程(2)

2.4 模式控制和效率測(cè)試

系統(tǒng)的多模式控制測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖13。中載或重載下系統(tǒng)采用PWM 模式工作，許多單元的供電電源為REG=5 V.極輕載條件下則關(guān)斷5 V的供電電源，減小系統(tǒng)的待機(jī)功耗，同時(shí)也有利于減小EMI和噪聲。其過(guò)程如下：當(dāng)FB電壓低于一個(gè)閾值時(shí)，待機(jī)模式選擇，則SHUTDOWN信號(hào)變高，關(guān)斷5 V 電壓源REG模塊，同時(shí)VDD-AD繼續(xù)給芯片供電，保證在輕載時(shí)芯片的檢測(cè)能夠連續(xù)實(shí)現(xiàn)。

圖13 供電單元多模式下的節(jié)能過(guò)程

圖14給出了集成了該低功耗電源系統(tǒng)的綠色多模式反激式控制器的效率圖（工作頻率為40~130kHz），并與傳統(tǒng)的反激變換器效率進(jìn)行了比較。由圖可知，采用多模式反激式控制降低了芯片的輕載功耗，提高了效率。

圖14 反激變換器效率比較

3 結(jié) 論

提出了一種開(kāi)關(guān)電源控制芯片供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，可在不同負(fù)載條件下為芯片提供合適的供電方案，保證其高效低功耗工作。設(shè)置的UVLO模塊保證了芯片在電源波動(dòng)過(guò)程中的正常工作。芯片測(cè)試的結(jié)果很好地驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思想。