一种升压型PFM控制DC/DC转换器

摘   要：本文设计了一种升压型PFM控制DC/DC转换器，该电路可在低输入电压0.9V下工作，利用PFM控制电路，根据负载大小自动切换占空比系数，结构简单、功耗低、在大范围内可获得较低的输出纹波和高效率，输出电压精度为±0.3%。
关键词：DC/DC转换器；PFM控制；升压；CMOS；振荡器

引言
各种由电池供电的电子产品，如手提电脑、手机、数码相机、PDA等的电源管理系统都需要DC/DC转换器，因此，DC/DC转换器的应用越来越广泛。它的实现及控制方式也多种多样，但输出精度、转换效率、启动电压等是DC/DC转换器中的核心问题。本文介绍了一款结构简单、功能完备、输出精度高、功耗低的升压型PFM控制DC/DC转换器。

升压型DC/DC转换器结构

功能框图和工作原理
从传统升压型DC/DC转换器的结构和工作原理可以看出，其核心问题是驱动电路对开关晶体管M的控制，本文提出了一种升压型PFM控制DC/DC转换器，采用内置的MOSFET作为开关管，包括基准电压源、误差比较器、运放、PFM控制电路、MOSFET限流保护电路、使能控制、电压采样等单元电路，如图1所示。  

                            图1 功能框图    

             
基本工作原理为：当外部输入电压VOUT≥0.9V时，转换器开始正常工作，电路内部产生一个基准电压，这个电压与外部实际输出反馈回来的电压经过误差放大，输出的值控制PFM电路。当输出电压低于额定值时，误差放大器CM输出高电平，PFM控制电路正常工作，产生一个脉冲信号控制大功率MOS管M不断导通和截止，使输出电压上升。随着输出电压不断上升，超过额定值时，误差放大器的输出发生跳转，变为低电平，控制PFM电路停振，使输出电压保持恒定。当对外提供负载，输出电压低于额定值时，误差放大器的输出又发生跳转，恢复为高电平，控制PFM电路恢复正常工作，产生脉冲信号控制M不断导通和截止，重复开始的过程，从而实现了在DC/DC转换器稳定工作时，输出电压保持在额定值。其中，利用运放OM输出对PFM电路的控制，可以根据负载大小自动地切换占空比系数(轻负载时占空比为58%，高负载时占空比为76%)，使转换器在轻负载情况下减小了动态功耗，提高了转换效率。
PFM控制电路的实现
PFM控制电路是由有多个使能端控制的振荡器组成的，如图2所示。其中，EN1为误差放大器CM的输出，EN2为运放OM的输出。protect为过流保护的输出，当M电流超过预定值时，protect控制振荡器停振，使M断路，防止损坏。

                                    图2 振荡器电路结构图

PFM控制电路模拟结果
PFM控制电路在模拟时，输出电压VOUT的额定值取典型输出值3.3V，模拟结果如图3所示。
从模拟结果可以看出，此PFM控制电路的实现方式在轻负载下，可以有效降低转换器的损耗，提高运行效率。

                                (a)轻负载                    (b)高负载

                                   图3 不同负载时PFM控制电路脉冲波形   

应用电路和仿真结果
应用电路
此转换器的外围元件很少，只有一个二极管、一个电感、两个电容，应用电路如图4所示。
在正常工作情况下，当输入电压在0.9V~2.4V之间变化时，输出电压可以保持在1.8V~6.5V之间的任意值，实现了升压DC/DC转换。

                        图4 应用电路图

模拟仿真结果
此DC/DC转换器在低电压0.9V下就可以正常工作；典型的输入/输出值为：VIN=2.4V,VOUT=3.3V,模拟结果如图5、图6所示。

                (a)                                                 (b)
                    图5 不同输入电压(VIN)情况下输出电压VOUT的模拟结果

                             (a)轻负载时                             (b)高负载时
                                        
                                         图6 不同负载时VOUT的输出纹波图

从模拟结果可以看出，当负载变化时，DC/DC转换器的输出电压波动范围为±8mV，输出电压精度达到±0.3%；而传统升压型PFM控制DC/DC转换器的输入电压一般都是大于1.2V时才可以稳定工作，输出电压波动范围一般为±50mV，输出电压精度约为±2%。可见，本文所设计的升压型PFM控制DC/DC转换器是一款低电压、可稳定工作，且输出纹波很低、输出电压精度很高的DC/DC转换器。

结语
本文设计的升压PFM控制DC/DC转换器稳定工作时，在大范围内具有高的转换效率、低的输出纹波和高的输出电压精度，且结构简单、功耗低，是一种具有较大使用价值的DC/DC转换器。
　　
参考文献
1. Behzad Razavi. 模拟CMOS集成电路设计[M]. 西安交通大学出版社, 2000. 309-329
2. 王国华，王鸿麟，羊彦等.便携电子设备电源管理技术[M].西安电子科技大学出版社, 2004.1出版