低壓高頻PWM DC

1、低壓高頻PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器芯片設(shè)計作者：周政海，鄧先燦，樓向雄    時間：2006-10-08    來源:         摘要：便攜式電子設(shè)備對電源管理芯片的設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。文中采用新的設(shè)計方法和思路，設(shè)計了一個開關(guān)電源PWMDC/DC轉(zhuǎn)換器芯片，啟動電壓最低至1V ，功率管開關(guān)頻率高達(dá)600 kHz ，采用PWM-PFM間歇工作方式，較好地克服了開關(guān)電源輕負(fù)載時效率低的問題，電源效率一直保持較高，適用于尋呼機、手機等便

2、攜式電子設(shè)備。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；脈寬調(diào)制；微功耗；電流模式引言目前，便攜式電子設(shè)備供電電源正從集中供電方式朝分布供電方式發(fā)展。DC/DC 轉(zhuǎn)換器是這種供電方式中使用最頻繁的部件。DC/DC 轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)有兩種典型的方法，即線性電源和開關(guān)型電源。線性電源中，調(diào)整管總是工作于放大區(qū)，流過的電流是連續(xù)的。開關(guān)型電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，功耗小、效率高，在計算機、通信、雷達(dá)、電子儀器、家用電器中已得到廣泛應(yīng)用。近些年來，尋呼機、手機等個人通信產(chǎn)品和隨身聽、MP3 等便攜式消費電子產(chǎn)品的日益廣泛應(yīng)用，對開關(guān)電源提出了新的要求。首先，由于便攜設(shè)備對體積要求苛刻，在設(shè)計轉(zhuǎn)換器芯片時要考慮到如何減少外部器件

3、數(shù)目及減小元件體積的問題。其次，這類便攜設(shè)備一般使用電池工作，總能量有限，并有可能較長時間處于輕負(fù)載狀態(tài)，因此電源芯片需要最大限度地降低工作電壓，提高各種工作狀態(tài)時的工作效率。因此需要研究新的設(shè)計方法來提高轉(zhuǎn)換器的性能和使用效率。設(shè)計思想和電路原理新的解決辦法的轉(zhuǎn)換器芯片把功率開關(guān)管和控制電路集成到一起，采用多晶硅發(fā)射極工藝，提高開關(guān)頻率至600kHz ，加快了電路的反應(yīng)速度，使得所需外部電容電感的容量大大減小。芯片采用低電壓設(shè)計技術(shù)，輸入電壓低于1V 時仍能穩(wěn)定地輸出，延長了電池的使用壽命。設(shè)計了特殊的使能控制結(jié)構(gòu)，構(gòu)成PWM-PFM 工作方式，在負(fù)載功耗很小時自動關(guān)斷大部分電路，進(jìn)入間歇工

4、作狀態(tài)，僅由外部的電容對負(fù)載進(jìn)行供電，減小了轉(zhuǎn)換器的待機功耗，提高電池的利用效率。升壓型PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器芯片主要模塊包括輸入比較電路、誤差放大器、磁回滯比較器、電壓比較器、振蕩器、斜波發(fā)生器、觸發(fā)器以及輸出驅(qū)動等(如圖1 所示) 。圖1 DC/DC轉(zhuǎn)換器電路框圖 為了提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，DC/DC 轉(zhuǎn)換器芯片采用電流控制模式，擁有兩個反饋回路，一個是通過采樣電壓監(jiān)視輸出電壓的環(huán)路，通過外接的分壓電阻得到輸出端的反饋電壓，從芯片的FB 端輸入與參考電壓進(jìn)行比較放大；另一個是功率開關(guān)管的電流檢測回路環(huán)路，全部設(shè)計在芯片內(nèi)部，從功率開關(guān)晶體管的發(fā)射極電阻上取樣，與誤差放大器輸出的控制電壓一

5、起來決定觸發(fā)器的狀態(tài)。當(dāng)電路正常工作時，芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓設(shè)定為1.2 V。但是如果輸出發(fā)生改變，反饋電壓可能會高于1.2 V ，這時，誤差放大器的輸出Vc 下降，導(dǎo)致磁回滯比較器的輸出變低， ENABLE 信號無效，關(guān)斷除了輸入比較、誤差放大器和低電壓檢測器外的所有電路，電路總的電流消耗降至50A 的最小值。相反，當(dāng)外部電路使FB 下降，A1 的輸出變?yōu)楦?，被關(guān)斷的電路部分重新開始工作，轉(zhuǎn)換電流被限定在100 mA。為了避免芯片內(nèi)部模塊出現(xiàn)頻繁的開關(guān)動作，比較器A1 為磁回滯型的比較器，抗干擾能力強。如果負(fù)載較小，輸出電壓和FB 的電壓都將升高，ENABLE 變低，大部分模塊被關(guān)斷，電路進(jìn)入

6、節(jié)電的束發(fā)模式由外部的電容來維持輸出電壓，這時低頻紋波出現(xiàn)在輸出端，但減少了芯片中的平均電流，在輕負(fù)載時保持了較高的效率。如果輸出負(fù)載變大，ENABLE 保持為高，芯片進(jìn)入連續(xù)工作狀態(tài)，Vc 控制峰值轉(zhuǎn)換電流以調(diào)節(jié)輸出電壓，開關(guān)管在每一個轉(zhuǎn)換周期開始被打開。輸出電壓隨著轉(zhuǎn)換電流的增加而增加，再反饋到FB 管腳。如果代表轉(zhuǎn)換電流的信號和斜波發(fā)生器的信號之和超過了Vc 的值，比較器A2 的狀態(tài)發(fā)生改變，對觸發(fā)器進(jìn)行復(fù)位，關(guān)斷開關(guān)管，輸出電壓由外部的儲能元件來維持。電路模塊設(shè)計分析輸入比較部分 輸入比較模塊包括基準(zhǔn)電壓、比較器和誤差放大器，將從最終輸出的反饋電壓和基準(zhǔn)源進(jìn)行比較，放大兩者的差值，將結(jié)

7、果傳送到后面的控制電路以控制后續(xù)的相關(guān)動作，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。為了達(dá)到低電壓啟動的要求，簡化電路的設(shè)計，并且滿足電路高速工作時能保持較高的靈敏度，基準(zhǔn)電壓采用三管能隙基準(zhǔn)源的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種新型的輸入比較器形式，如圖2 所示。當(dāng)反饋電壓與設(shè)定的基準(zhǔn)源輸出電壓剛好相等時，基準(zhǔn)源處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)，Q1 和Q2 的集電極上電流相等， R0 和R1 上的壓降相等，Q1 和Q2 的集電極的電壓差為零；如果反饋電壓發(fā)生變化，大于基準(zhǔn)電壓時，基準(zhǔn)源的平衡被打破，Q1 的基極和發(fā)射極之間的電壓變大，導(dǎo)致Q1 的發(fā)射極電流IE1增加，集電極電流IC1也隨之增加，電流的變化導(dǎo)致了Q1 和Q2 的集電極上產(chǎn)

8、生負(fù)的電壓差；相反，如果反饋電壓小于基準(zhǔn)電壓，Q1 和Q2 的集電極上將產(chǎn)生正的電壓差，兩者之間的壓差作為誤差放大器的輸入。圖2 三管能隙基準(zhǔn)源的變形誤差放大器采用的是類似于基本差分放大器的差分輸入的模式，加上使能控制的開關(guān)結(jié)構(gòu)，使之可以在其它模塊電壓或電流的控制下開始或停止工作。為了改善誤差放大器的頻率特性，把誤差放大器的輸出Vc 引出，可以在芯片外部外接頻率補償電路。使能控制部分使能控制模塊包括轉(zhuǎn)換器芯片的啟動電路、磁回滯比較器A1 和各個被控制模塊的使能控制部分。為了實現(xiàn)PWM-PFM 工作方式，特別設(shè)計了電路的使能控制結(jié)構(gòu)，采用分級的控制方式，達(dá)到了按要求實時關(guān)斷或開啟內(nèi)部電路模塊的目

9、的，示意圖如圖3 所示?？紤]到減小整個芯片的功耗，芯片有一個外部開關(guān)管腳SHDN控制芯片的工作與否，當(dāng)SHDN為低電平時，芯片處于關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)SHDN為高電平時，芯片開始工作。SHDN管腳通過控制是否形成基準(zhǔn)恒流源來起到總開關(guān)的作用。而恒流源可以直接控制偏置及誤差放大器，還可以通過磁回滯比較器的輸出ENABLE 信號來控制振蕩器、觸發(fā)器、驅(qū)動器等模塊，形成逐級的控制層次。電路工作于電流模式，所有的使能控制結(jié)構(gòu)都通過鏡像恒流源的形式來實現(xiàn)的。圖3 系統(tǒng)使能結(jié)構(gòu)層次圖PWM控制電路PWM控制電路包括振蕩器、斜波信號產(chǎn)生電路、比較器A2、電流反饋回路、RS 觸發(fā)器和驅(qū)動器等模塊。振蕩器產(chǎn)生恒穩(wěn)的、周

10、期性時變的輸出波形，作為控制功率管開關(guān)的時鐘。設(shè)計中采用環(huán)形振蕩器，利用電路中門的延時或翻轉(zhuǎn)的延時作為反饋產(chǎn)生振蕩，保證功率管較快的開關(guān)速度。斜波信號產(chǎn)生電路比較簡單，利用電容對振蕩器輸出的方波進(jìn)行積分，就可以直接得到所需的斜波信號，斜波的斜率由電容的大小來決定。此處疊加斜波信號的目的是為了防止在占空比大于50 %的時候電感電流的擾動隨時間的增加而增加，出現(xiàn)低次諧波振蕩，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。比較器A2 為單門限電流比較器，觸發(fā)器采用雙穩(wěn)態(tài)電路實現(xiàn)信號的鎖存，是PWM 控制電路的核心，其復(fù)位端S 接的是振蕩器的輸出，清零端R接的是由輸出反饋回來的過流保護(hù)信號。如果輸出電流較小，則清零端R 一直為低

11、電平，觸發(fā)器輸出信號就等同于振蕩器的輸出，功率管在振蕩器作用下正常開關(guān)；當(dāng)輸出過載時，電流反饋取樣信號變大，和斜波信號疊加后大于控制信號Vc ，觸發(fā)器R 端變?yōu)楦唠娖剑敵鯭 被清零，經(jīng)過驅(qū)動后關(guān)斷功率管，起到限流、過流保護(hù)以及及時調(diào)整輸出電壓的作用。電路仿真結(jié)果轉(zhuǎn)換器芯片的外圍電路簡單，元件少，典型應(yīng)用電路圖如圖4 所示，實現(xiàn)把單節(jié)電池1.5 V 電壓升到3.3 V 的功能。電路圖中，輸入偏置電容為1F ，輸出電容僅為10F ，儲能電感大小為10H ，Vc 端接誤差放大器的RC 補償回路，升壓二極管采用低壓降的高速肖特基二極管。輸出電壓的大小是由R1 、R2 的值來決定的，平衡時FB 的內(nèi)部

12、電壓是1.2 V ，所以輸出電壓的值為Vout = 1. 2 (1+R1/R2) (1)圖4 典型應(yīng)用電路圖 用Cadence Spectre 軟件對整個電路圖進(jìn)行模擬，得到波形如圖5 所示， (a)、(b)、(c)三圖分別對應(yīng)芯片在輕負(fù)載、中等負(fù)載和重負(fù)載時的波形。圖5 模擬的是電路瞬態(tài)響應(yīng)波形，縱坐標(biāo)是各個信號的瞬時電壓，橫坐標(biāo)是時間。圖中，Vdd是輸入電壓，oscout 是振蕩器的輸出波形， Vc 是內(nèi)部控制信號， FB 是反饋信號， Vout是輸出電壓。(a) 圖中，負(fù)載很小，電路長時間處于關(guān)斷狀態(tài)，在(b) 圖中，隨著負(fù)載的增加，電路關(guān)斷的時間已經(jīng)變短，但仍然通過開關(guān)電路來控制輸出電

13、壓。在(c) 圖中，負(fù)載進(jìn)一步加大，電路處于連續(xù)工作狀態(tài)。可以看出，芯片完成了升壓功能，在輕負(fù)載時進(jìn)入省電的PWM-PFM工作方式， 振蕩器等內(nèi)部電路處于間歇工作的狀態(tài)，電源效率高。圖5 芯片整體模擬波形圖芯片版圖設(shè)計和工藝為了達(dá)到原理圖設(shè)計中的高性能，在版圖設(shè)計中，采取了以下的措施來改進(jìn)電路的性能：采用多晶硅發(fā)射極雙極工藝，提高晶體管的電流增益，減小管子上升和下降時延，改善其頻率特性。所有的NPN 晶體管增加深磷注入層。在NPN 基區(qū)重新注入一層深硼P+ ，形成外基區(qū)，同時這一層也作為PNP 管的集電極和發(fā)射極。此舉減小了基區(qū)電阻，提高了PNP 管的電流增益。PNP 管多設(shè)計成多發(fā)射極對稱型結(jié)構(gòu)，保證了各路電流相匹配。開關(guān)晶體管采用梳狀結(jié)構(gòu)，發(fā)射極加鎮(zhèn)流電阻，該鎮(zhèn)流電阻又作為電流反饋的取樣電阻。由于功率管集成在芯片內(nèi)部，為減小功率部分和控制部分之間的相互影響，兩者之間加隔離槽隔離，并且電源、地線都分別引出作為PAD，在芯片封裝時再連接。結(jié)論成功地設(shè)計了一個用于尋呼機、手機等便攜式電子設(shè)備的升壓式開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器芯片。芯片采用低壓電路設(shè)計技術(shù)，輸入工作電壓最小低至1 V仍可輸出穩(wěn)定的電壓。采用多晶硅發(fā)射極雙極工藝，功率管開關(guān)頻率高，大大減小了外圍電容電感器件的體積。采用了特