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1 介紹 在許多大眾電子產(chǎn)品：如手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，以及其它的多媒體娛樂(lè)產(chǎn)品中，便攜式電源 都有比較廣泛的用途。而現(xiàn)在低電壓和高效率的DC-DC 轉(zhuǎn)換器變得越來(lái)越重要。為了延長(zhǎng) 電池的使用壽命，在DC-DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)中，降低功耗和提高效率是很重要的。目前， 在需要低電壓輸入時(shí)，許多電源管理芯片需要采用特殊的工藝或者復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 本文是基于這種需求下，提出電源電壓低至1 V 時(shí)能有效的將輸出電壓提升到一定高電壓并 供主控環(huán)路工作的啟動(dòng)電路。本文提出的這種啟動(dòng)電路采用標(biāo)準(zhǔn)0.35-μm 3.3/5-V 的CMOS 工藝（Vth=0.81V），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它要求的最小的電源電壓僅為1 V。 2 啟動(dòng)電路的結(jié)構(gòu) 當(dāng)電源電壓非常低的時(shí)候，直流轉(zhuǎn)換器的主控環(huán)路不能工作。因此，啟動(dòng)電路首先需要 將輸出電壓提升到一定的高電壓。而這個(gè)電壓值比主控環(huán)路要求的最小電源電壓要高。此時(shí)， 主控環(huán)路將被激活，同時(shí)關(guān)閉啟動(dòng)電路，此后主控環(huán)路將控制整個(gè)轉(zhuǎn)換器的工作。實(shí)際上， 這個(gè)啟動(dòng)電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的，具有固定占空比的，能在低電源電壓工作的開(kāi)環(huán)升壓轉(zhuǎn)換電路。 圖1 虛線框中是本文提出的1V 啟動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)。它包括一個(gè)1V 的帶隙基準(zhǔn)電壓、1V 的RC 振蕩器、一個(gè)功率PMOS 管襯底控制電路和功率管驅(qū)動(dòng)電路。其中L、R 和C 是直流 升壓轉(zhuǎn)換器的外部原件，襯底控制電路以及功率管柵極控制電路是啟動(dòng)電路和主控環(huán)路所共 用的。1 V 的帶隙基準(zhǔn)提供穩(wěn)定的高、低參考電壓和用于振蕩器、比較器等的偏置電流。RC 振蕩器的輸出是固定占空比的方波。遲滯比較器和PMOS 同步整流器襯底控制電路將共同 保證PMOS 同步整流器的襯底始終偏置于Vin 和Vout 中的較大者。柵控制電路和驅(qū)動(dòng)器輸出 用于控制和驅(qū)動(dòng)NMOS 開(kāi)關(guān)管和PMOS 同步整流器的方波信號(hào)。 3 1-V 啟動(dòng)電路的具體設(shè)計(jì) 3.1 1-V 帶隙電壓基準(zhǔn)電路 目前，低電壓帶隙基準(zhǔn)電路可采用多種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。但是它們中的一些需要低閾值電壓或 者特殊的工藝，而且它們中的很多結(jié)構(gòu)不能在本文所采用的工藝中實(shí)現(xiàn) 。一種不需要 低閾值電壓的1-V CMOS 帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)已經(jīng)被Leung 等人提出，并且經(jīng)驗(yàn)證能在此 工藝中實(shí)現(xiàn)。從圖2 中我們可以看到這種1-V 的帶隙基準(zhǔn)電壓電路主要由三部分組成：低 電壓放大器、啟動(dòng)電路和帶隙核心電路。 然而，原來(lái)電路中的運(yùn)算放大器在此工藝中很難達(dá)到比較高的增益，因此我們?cè)诖瞬捎?一個(gè)簡(jiǎn)單的兩級(jí)運(yùn)放所代替。并且，它的啟動(dòng)電路也必須被修改以獲得更大的輸入電壓范圍。 MP1 和R5 通過(guò)判斷M1 和M2 的電流是否達(dá)到一個(gè)足夠高的值，從而去開(kāi)啟或者關(guān)閉M5 和M6。以使帶隙基準(zhǔn)的核心電路和運(yùn)算放大器獲得正常工作所需的電流。 VH和VL分別是供振蕩器使用的高、低基準(zhǔn)電壓。PTAT電流Iout為1-V振蕩器提供偏置電 流和充電電流。通過(guò)Leung的分析，我們可以得到： 3.2 1-V RC 振蕩器 1-V振蕩器的主要功能是為柵極控制和驅(qū)動(dòng)電路提供固定占空比的方波。從式（2）的 直流升壓轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出電壓之間的關(guān)系，我們知道如果要求輸出電壓足夠高以驅(qū)動(dòng)主 控環(huán)路工作，則占空比D應(yīng)該是盡量的大。雖然D是隨著溫度，工藝，和輸入電壓變化的， 因此為了保證在輸入電壓范圍和溫度范圍內(nèi)輸出電壓能夠本提升到足夠大，我們還是選擇了 一個(gè)比較大的占空比D。 這個(gè)振蕩器的基本工作原理是：當(dāng)電容C1的電壓低于VH時(shí)，則RS觸發(fā)器的輸出為高電 平以打開(kāi)NMOS開(kāi)關(guān)管MN1，同時(shí)Iin對(duì)C1進(jìn)行充電。當(dāng)電容C1的電壓超過(guò)VH后，RS觸發(fā)器 的輸出Q將關(guān)閉MN1，這時(shí)C1的放電電流為(n-1)*Iin。然后電容C1的電壓下降，當(dāng)下降到比 低電壓VL的值還低的時(shí)候，Q將打開(kāi)NMOS開(kāi)關(guān)MN1，并且Iin對(duì)電容C1充電。這樣依此循環(huán)， 我們得到振蕩器的占空比是(n-1)/n。至于振蕩器的頻率，考慮到啟動(dòng)時(shí)間以及外部原件的影 響，我們一般取這個(gè)值比其正常工作的頻率低一些即可。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，它的頻率約為 300kHz。 3.3 同步整流PMOS管的襯底偏置電路 襯底偏置電路包含兩個(gè)部分：一個(gè)是遲滯比較器，另一個(gè)是控制電路。如圖4所顯示的 一樣，這個(gè)遲滯比較器是帶正反饋的源極耦合差分對(duì)，這種結(jié)構(gòu)可以消除顫動(dòng)效應(yīng)。其 正負(fù)觸發(fā)電平值是： 其中k=μp*Cox，a=(W/L)5/(W/L)3,并且a>1， ref V 為參考端的電平值。選擇適當(dāng)?shù)?W/L)5和(W/L)3， 我們可以獲得想要的觸發(fā)電平值。 同步整流管的襯底控制電路將根據(jù)遲滯比較器的結(jié)果選擇性的輸出電源電壓和升壓轉(zhuǎn) 換器的輸出電壓中的較大者。當(dāng)遲滯比較器的輸出Vout 為高的時(shí)候，控制電路的輸出是電源 電壓,否則輸出升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。 3.4 柵極控制及驅(qū)動(dòng)電路 高效率的柵極驅(qū)動(dòng)一般打開(kāi)功率開(kāi)關(guān) MOS 管時(shí)其導(dǎo)通電阻非常的小，同時(shí)可以有效的 關(guān)斷同步整流MOS 管。一般情況下，驅(qū)動(dòng)功率MOS 管最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)是一組驅(qū)動(dòng)能力逐漸 增大的反相器的級(jí)聯(lián)，但是這些反相器要消耗比較大的功耗和版圖面積。因此，一種新穎的 驅(qū)動(dòng)電路，能更有效、更快的驅(qū)動(dòng)功率MOS 管和同步整流管。并且，這種結(jié)構(gòu)可以節(jié)約 比較多的版圖面積。 4 啟動(dòng)電路的仿真結(jié)果 本文所提出的啟動(dòng)電路是采用Chartered 半導(dǎo)體0.35-μm 3.3V/5V 的CMOS 工藝所實(shí)現(xiàn) 的。仿真工具是Cadence 公司的Spectre 仿真器。 圖 5 是在輸入電壓為1 V 時(shí)，不同溫度時(shí)的功率開(kāi)關(guān)管的控制電壓波形、輸出電壓波形 和PMOS 同步整流器襯底控制電壓的仿真波形圖。 從圖 5 中，我們可以看到這個(gè)1-V 的啟動(dòng)電路在輸入電壓僅為1 V 時(shí)能將輸出電壓升壓 到2.5V 以上，同時(shí)PMOS 同步整流器的襯底始終被輸入和輸出電壓中的較高者偏置。溫度 對(duì)輸出電壓的上升時(shí)間影響不是很明顯，但對(duì)振蕩頻率的影響卻比較明顯。 5 結(jié)論 通過(guò)仿真結(jié)果我們可以得出：本文提出的 1-V 直流升壓轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)電路在較寬的輸 入電壓和溫度范圍內(nèi)能有效的將其輸出電壓升壓到一定的高電壓（本設(shè)計(jì)中為2.5V），并且 其最小的輸入電壓為1 V。同時(shí)，本文中還介紹了一個(gè)1-V 的帶隙基準(zhǔn)電路和1-V 的RC 振 蕩器。采用本文所介紹的1-V 的啟動(dòng)電路，不需要使用特殊的工藝和復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，可 以很好的應(yīng)用于多種需要低電壓的直流升壓轉(zhuǎn)換器中。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)電路所要求的最低輸入電壓很低，僅僅為1V；有很好的通用性， 此啟動(dòng)電路可以移植到要求低電壓輸入的直流升壓轉(zhuǎn)換器中；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且不需采用特殊 的工藝。 |
