DC-DC升壓型開關電源的低壓啟動方案

　　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，本文設計了一種DC-DC升壓型開關電源的低壓啟動電路，啟動電壓降低至0.8 V，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。仿真結果表明，在0.8 V低輸入電壓時，通過此升壓型開關電源，可以將VDD升高至3.3 V.

　　電路整體示意圖

　　DC-DC升壓型開關電源在低輸入電壓下工作，利用控制電路導通和關斷功率管，在功率管導通時，電感儲存能量;當功率管關斷時，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V DD升至1.9 V以前控制功率管的導通與關斷，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。

　　圖1 DC-DC升壓型開關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(qū)間輸出350 kHz左右較穩(wěn)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。

　　設計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)，導致功耗過大，并造成后續(xù)電路不能正常工作。本文在此基礎上加以改進，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)：

　　聯(lián)立式(1) ~式(4)，可以得到：

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

　　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，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，開關S1斷開，S2閉合;當VDD高于1. 9 V時，SE為低電平，輔助振蕩器關斷，開關S1閉合，S2斷開，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斷之后R、S端出現(xiàn)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，主振蕩器V( mainclk)起振，但此時只有輔助振蕩信號通過開關S2傳到功率管的柵極，當VDD升高至1. 9 V時，輔助振蕩器關掉，主振蕩器信號通過開關S1傳到功率管的柵極，VDD繼續(xù)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啟與關斷，來維持這一輸出電壓。

　　結語

　　本文針對輸入電源電壓變化范圍較大，設計了兩種結構不同的振蕩器，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升壓型開關電源。