低压高频PWM DC/DC转换器芯片设计

摘要：便携式电子设备对电源管理芯片的设计提出了新的挑战。文中采用新的设计方法和思路，设计了一个开关电源PWMDC/DC转换器芯片，启动电压最低至1V ，功率管开关频率高达600 kHz ，采用PWM-PFM间歇工作方式，较好地克服了开关电源轻负载时效率低的问题，电源效率一直保持较高，适用于寻呼机、手机等便携式电子设备。

关键词：开关电源；脉宽调制；微功耗；电流模式

引言

目前，便携式电子设备供电电源正从集中供电方式朝分布供电方式发展。DC/DC 转换器是这种供电方式中使用最频繁的部件。DC/DC 转换器的实现有两种典型的方法，即线性电源和开关型电源。线性电源中，调整管总是工作于放大区，流过的电流是连续的。开关型电源的调整管工作在开关状态，功耗小、效率高，在计算机、通信、雷达、电子仪器、家用电器中已得到广泛应用。近些年来，寻呼机、手机等个人通信产品和随身听、MP3 等便携式消费电子产品的日益广泛应用，对开关电源提出了新的要求。首先，由于便携设备对体积要求苛刻，在设计转换器芯片时要考虑到如何减少外部器件数目及减小元件体积的问题。其次，这类便携设备一般使用电池工作，总能量有限，并有可能较长时间处于轻负载状态，因此电源芯片需要最大限度地降低工作电压，提高各种工作状态时的工作效率。因此需要研究新的设计方法来提高转换器的性能和使用效率。

设计思想和电路原理

新的解决办法的转换器芯片把功率开关管和控制电路集成到一起，采用多晶硅发射极工艺，提高开关频率至600kHz ，加快了电路的反应速度，使得所需外部电容电感的容量大大减小。芯片采用低电压设计技术，输入电压低于1V 时仍能稳定地输出，延长了电池的使用寿命。设计了特殊的使能控制结构，构成PWM-PFM 工作方式，在负载功耗很小时自动关断大部分电路，进入间歇工作状态，仅由外部的电容对负载进行供电，减小了转换器的待机功耗，提高电池的利用效率。

升压型PWM DC/DC 转换器芯片主要模块包括输入比较电路、误差放大器、磁回滞比较器、电压比较器、振荡器、斜波发生器、触发器以及输出驱动等(如图1 所示) 。


图1 　DC/DC转换器电路框图

　　为了提高系统的动态响应，DC/DC 转换器芯片采用电流控制模式，拥有两个反馈回路，一个是通过采样电压监视输出电压的环路，通过外接的分压电阻得到输出端的反馈电压，从芯片的FB 端输入与参考电压进行比较放大；另一个是功率开关管的电流检测回路环路，全部设计在芯片内部，从功率开关晶体管的发射极电阻上取样，与误差放大器输出的控制电压一起来决定触发器的状态。

当电路正常工作时，芯片内部的基准电压设定为1.2 V。但是如果输出发生改变，反馈电压可能会高于1.2 V ，这时，误差放大器的输出V_c 下降，导致磁回滞比较器的输出变低， ENABLE 信号无效，关断除了输入比较、误差放大器和低电压检测器外的所有电路，电路总的电流消耗降至50μA 的最小值。相反，当外部电路使FB 下降，A1 的输出变为高，被关断的电路部分重新开始工作，转换电流被限定在100 mA。为了避免芯片内部模块出现频繁的开关动作，比较器A1 为磁回滞型的比较器，抗干扰能力强。

如果负载较小，输出电压和FB 的电压都将升高，ENABLE 变低，大部分模块被关断，电路进入节电的束发模式由外部的电容来维持输出电压，这时低频纹波出现在输出端，但减少了芯片中的平均电流，在轻负载时保持了较高的效率。如果输出负载变大，ENABLE 保持为高，芯片进入连续工作状态，V_c 控制峰值转换电流以调节输出电压，开关管在每一个转换周期开始被打开。输出电压随着转换电流的增加而增加，再反馈到FB 管脚。如果代表转换电流的信号和斜波发生器的信号之和超过了V_c 的值，比较器A2 的状态发生改变，对触发器进行复位，关断开关管，输出电压由外部的储能元件来维持。

电路模块设计分析

输入比较部分
　　输入比较模块包括基准电压、比较器和误差放大器，将从最终输出的反馈电压和基准源进行比较，放大两者的差值，将结果传送到后面的控制电路以控制后续的相关动作，达到调节输出电压的目的。

为了达到低电压启动的要求，简化电路的设计，并且满足电路高速工作时能保持较高的灵敏度，基准电压采用三管能隙基准源的结构，设计了一种新型的输入比较器形式，如图2 所示。当反馈电压与设定的基准源输出电压刚好相等时，基准源处于一个稳定的状态，Q1 和Q2 的集电极上电流相等， R₀ 和R₁ 上的压降相等，Q1 和Q2 的集电极的电压差为零；如果反馈电压发生变化，大于基准电压时，基准源的平衡被打破，Q1 的基极和发射极之间的电压变大，导致Q1 的发射极电流I_E1增加，集电极电流I_C1也随之增加，电流的变化导致了Q1 和Q2 的集电极上产生负的电压差；相反，如果反馈电压小于基准电压，Q1 和Q2 的集电极上将产生正的电压差，两者之间的压差作为误差放大器的输入。


图2 　三管能隙基准源的变形

误差放大器采用的是类似于基本差分放大器的差分输入的模式，加上使能控制的开关结构，使之可以在其它模块电压或电流的控制下开始或停止工作。为了改善误差放大器的频率特性，把误差放大器的输出V_c 引出，可以在芯片外部外接频率补偿电路。

使能控制部分
使能控制模块包括转换器芯片的启动电路、磁回滞比较器A1 和各个被控制模块的使能控制部分。为了实现PWM-PFM 工作方式，特别设计了电路的使能控制结构，采用分级的控制方式，达到了按要求实时关断或开启内部电路模块的目的，示意图如图3 所示。考虑到减小整个芯片的功耗，芯片有一个外部开关管脚SHDN控制芯片的工作与否，当SHDN为低电平时，芯片处于关断状态，当SHDN为高电平时，芯片开始工作。SHDN管脚通过控制是否形成基准恒流源来起到总开关的作用。而恒流源可以直接控制偏置及误差放大器，还可以通过磁回滞比较器的输出ENABLE 信号来控制振荡器、触发器、驱动器等模块，形成逐级的控制层次。电路工作于电流模式，所有的使能控制结构都通过镜像恒流源的形式来实现的。


图3 　系统使能结构层次图

PWM控制电路
PWM控制电路包括振荡器、斜波信号产生电路、比较器A2、电流反馈回路、RS 触发器和驱动器等模块。振荡器产生恒稳的、周期性时变的输出波形，作为控制功率管开关的时钟。设计中采用环形振荡器，利用电路中门的延时或翻转的延时作为反馈产生振荡，保证功率管较快的开关速度。斜波信号产生电路比较简单，利用电容对振荡器输出的方波进行积分，就可以直接得到所需的斜波信号，斜波的斜率由电容的大小来决定。此处叠加斜波信号的目的是为了防止在占空比大于50 %的时候电感电流的扰动随时间的增加而增加，出现低次谐波振荡，保证系统的稳定性。

比较器A2 为单门限电流比较器，触发器采用双稳态电路实现信号的锁存，是PWM 控制电路的核心，其复位端S 接的是振荡器的输出，清零端R接的是由输出反馈回来的过流保护信号。如果输出电流较小，则清零端R 一直为低电平，触发器输出信号就等同于振荡器的输出，功率管在振荡器作用下正常开关；当输出过载时，电流反馈取样信号变大，和斜波信号叠加后大于控制信号V_c ，触发器R 端变为高电平，输出Q 被清零，经过驱动后关断功率管，起到限流、过流保护以及及时调整输出电压的作用。

电路仿真结果

转换器芯片的外围电路简单，元件少，典型应用电路图如图4 所示，实现把单节电池1.5 V 电压升到3.3 V 的功能。电路图中，输入偏置电容为1μF ，输出电容仅为10μF ，储能电感大小为10μH ，V_c 端接误差放大器的RC 补偿回路，升压二极管采用低压降的高速肖特基二极管。输出电压的大小是由R₁ 、R₂ 的值来决定的，平衡时FB 的内部电压是1.2 V ，所以输出电压的值为

V_out = 1. 2 (1+R₁/R₂) (1)


图4 　典型应用电路图

　　用Cadence Spectre 软件对整个电路图进行模拟，得到波形如图5 所示， (a)、(b)、(c)三图分别对应芯片在轻负载、中等负载和重负载时的波形。图5 模拟的是电路瞬态响应波形，纵坐标是各个信号的瞬时电压，横坐标是时间。图中，V_dd是输入电压，oscout 是振荡器的输出波形， V_c 是内部控制信号， FB 是反馈信号， V_out是输出电压。(a) 图中，负载很小，电路长时间处于关断状态，在(b) 图中，随着负载的增加，电路关断的时间已经变短，但仍然通过开关电路来控制输出电压。在(c) 图中，负载进一步加大，电路处于连续工作状态。可以看出，芯片完成了升压功能，在轻负载时进入省电的PWM-PFM工作方式， 振荡器等内部电路处于间歇工作的状态，电源效率高。




图5 　芯片整体模拟波形图

芯片版图设计和工艺

为了达到原理图设计中的高性能，在版图设计中，采取了以下的措施来改进电路的性能：

①采用多晶硅发射极双极工艺，提高晶体管的电流增益，减小管子上升和下降时延，改善其频率特性。
②所有的NPN 晶体管增加深磷注入层。
③在NPN 基区重新注入一层深硼P+ ，形成外基区，同时这一层也作为PNP 管的集电极和发射极。此举减小了基区电阻，提高了PNP 管的电流增益。
④PNP 管多设计成多发射极对称型结构，保证了各路电流相匹配。
⑤开关晶体管采用梳状结构，发射极加镇流电阻，该镇流电阻又作为电流反馈的取样电阻。
⑥由于功率管集成在芯片内部，为减小功率部分和控制部分之间的相互影响，两者之间加隔离槽隔离，并且电源、地线都分别引出作为PAD，在芯片封装时再连接。

结论

成功地设计了一个用于寻呼机、手机等便携式电子设备的升压式开关电源转换器芯片。芯片采用低压电路设计技术，输入工作电压最小低至1 V仍可输出稳定的电压。采用多晶硅发射极双极工艺，功率管开关频率高，大大减小了外围电容电感器件的体积。采用了特殊的使能控制设计，构成了PWM-PFM间歇的工作方式，在轻重负载时电池的利用效率都比较高。采用电流型控制方式，在电压反馈的基础上，增加了对开关管电流的检测，构成了电流反馈回路，易于实现限流和过流保护，动态响应好，调节性能好，输出电压纹波小。

论文设计了芯片电路各个模块，经过Cadence工具中的Spectre 软件进行了仿真，芯片在1.5 V到3.3 V 的升压转换中，所需电感为10μH ，储能电容仅为10μF ，输出纹波小于50 mV。