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DC-DC升压型开关电源的低压启动方案解析
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2017-11-17
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各种便携式电子产品，如照相机、摄像机、手机、笔记本电脑、多媒体播放器等都需要DC-DC变换器等电源管理芯片。这类便携式设备一般使用电池供电，总能量有限，因此，电源芯片需要最大限度地降低工作电压，延长电池的使用寿命。传统DC-DC的工作电压一般都在1.0 V以上，本文设计了一种DC-DC升压型开关电源的低压启动电路，启动电压降低至0.8 V，该电路采用两个在不同电源电压范围内工作频率较稳定的振荡器电路，利用电压检测模块进行合理的切换，解决了低输入电压下电路无法正常工作的问题，并在0.5μm CMOS工艺库（ VthN = 0.72 V， VthP = -0.97 V）下仿真。仿真结果表明，在0.8 V低输入电压时，通过此升压型开关电源，可以将VDD升高至3.3 V.
电路整体示意图
DC-DC升压型开关电源在低输入电压下工作，利用控制电路导通和关断功率管，在功率管导通时，电感储存能量；当功率管关断时，电感释放能量，对输出电容充电，输出电压升高。当输入电源低至1. 0 V以下，如果DC-DC芯片的驱动电压取自输入电源，芯片内部电路就不能正常工作，DC-DC便无法启动；如果DC-DC芯片的驱动电压取自输出电压，同样，芯片根本无法启动及进行任何升压动作。本文针对输入电源电压变化范围较大，在考虑商业成本的情况下，设计了2个振荡器电路：主振荡器和辅助振荡器。辅助振荡器靠输入电压供电，0. 8 V即能起振，在V DD升至1.9 V以前控制功率管的导通与关断，使V DD逐步抬升。主振荡器靠输出电压即VDD供电，在VDD升至1.9 V以后以一个较稳定的频率工作，抬升并维持输出电压。电路的整体示意图如图1所示。该电路包括主振荡器、辅助振荡器以及它们的切换电路、带隙基准电路、PWM比较器、过压保护电路、过流保护电路等。
图1 DC-DC升压型开关电源芯片的整体示意图
主振荡器的设计
本文所设计的主振荡器采用如图2所示的环形振荡器结构。VC1， VC2分别为过压保护电路，PWM比较器的输出信号，MP10和MP11为带隙基准提供的镜像电流，合理的控制镜像电流和电容C1 ， C2的大小，即能够使主振荡器在1. 9~ 8 V的V DD区间输出350 kHz左右较稳定的振荡频率。
图2主振荡器电路辅助振荡器的设计
辅助振荡器电路采用环形振荡器结构，它利用亚阈值导通的原理，使得起振电压降至0. 8 V，但是这个辅助振荡器在0. 8~ 1. 9 V的VDD区间里频率变化很大，会在电路启动阶段造成很大的浪涌电流，造成系统的不稳定。
电路整体示意图
DC-DC升压型开关电源在低输入电压下工作，利用控制电路导通和关断功率管，在功率管导通时，电感储存能量；当功率管关断时，电感释放能量，对输出电容充电，输出电压升高。当输入电源低至1. 0 V以下，如果DC-DC芯片的驱动电压取自输入电源，芯片内部电路就不能正常工作，DC-DC便无法启动；如果DC-DC芯片的驱动电压取自输出电压，同样，芯片根本无法启动及进行任何升压动作。本文针对输入电源电压变化范围较大，在考虑商业成本的情况下，设计了2个振荡器电路：主振荡器和辅助振荡器。辅助振荡器靠输入电压供电，0. 8 V即能起振，在V DD升至1.9 V以前控制功率管的导通与关断，使V DD逐步抬升。主振荡器靠输出电压即VDD供电，在VDD升至1.9 V以后以一个较稳定的频率工作，抬升并维持输出电压。电路的整体示意图如图1所示。该电路包括主振荡器、辅助振荡器以及它们的切换电路、带隙基准电路、PWM比较器、过压保护电路、过流保护电路等。
图1 DC-DC升压型开关电源芯片的整体示意图
主振荡器的设计
本文所设计的主振荡器采用如图2所示的环形振荡器结构。VC1， VC2分别为过压保护电路，PWM比较器的输出信号，MP10和MP11为带隙基准提供的镜像电流，合理的控制镜像电流和电容C1 ， C2的大小，即能够使主振荡器在1. 9~ 8 V的V DD区间输出350 kHz左右较稳定的振荡频率。
图2主振荡器电路辅助振荡器的设计
辅助振荡器电路采用环形振荡器结构，它利用亚阈值导通的原理，使得起振电压降至0. 8 V，但是这个辅助振荡器在0. 8~ 1. 9 V的VDD区间里频率变化很大，会在电路启动阶段造成很大的浪涌电流，造成系统的不稳定。
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