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(多图) 一种新颖的限流比较器的设计

西南交通大学 樊华?? 2009年06月16日 ?? 收藏0

  1 引言

  近年来,LDO(Low Dropout)线性稳压器和DC/DC 变换器等电源管理芯片已广泛应用于便携式电子系统中 [1]。但是,开关稳压器相对线性稳压器降低了平均输入电流,提高了效率[2-3]。Step-Down 电源属于DC/DC 变换器中的降压变换器,它的主要缺点是,在轻载时比如手机待机时,静态电流较高,显著降低了电池的使用寿命,所以在低负载条件下,我们通过PFM 限流比较器来控制芯片使之进入Idle 模式,这样就大大延长了电池寿命,提高了芯片的效率。

  2 本文采用的DC-DC 降压变换器电路结构

  本文采用的DC-DC 降压变换器结构采用同步校正器代替传统的二极管,极大地提高了DC-DC 降压变换器的效率,可达到95%左右。芯片的输入电压位于2.7V 至5V 之间,可工作在以下四种模式:固定频率的强制PWM 模式,同步PWM 模式,idle 模式,关断模式。

  3 PFM 限流比较器的设计

  3.1 比较器输入级的设计

  比较器输入级为射级耦合的差分输入级。

比较器的输入级

图1 比较器的输入级

  由上图可知,

公式  (1)

公式  (2)

  则iC1可以近似为

公式  (3)

  同理

公式  (4)

  可求得差分跨导为:

公式  (5)

  在室温下, T V =26mV , 所以运放跨导等于

公式  ?(6)

  此外,电阻R15,R16作为运放负载,可得出放大器输入级增益表达式如下:

公式  (7)

  3.2 比较器中间级

  比较器中间级由D,E 输入,A 输出。MP724,MP725 的作用是减小A 点电压的变化幅度,使得比较器具有较短的瞬态响应时间和较快的速度。

  现在计算折叠共源共栅运放的小信号电压增益,因为|Av|= GmRout ,我们必须计算Gm 和Rout ,而

公式  ?(8)

公式  (9)

  所以, V 2 A 表达式如下:

公式  (10)

比较器中间级

图2 比较器中间级

  3.3 比较器输出级

  比较器的输出级(Active Load inverter)由A 输入,B 输出(图3),进一步提高放大器的增益,

公式  (11)

  因此,放大器总的增益AV 表达式如下:

公式  (12)

PFM 限流比较器电路图

图3 PFM 限流比较器电路图

  3.4 PFM 限流比较器电路图

  综合前面比较器输入级,输出级,中间级的设计,可得出图3 所示的PFM 限流比较器电路图。当功率管导通时,对电感电流充电,使得电感电流上升,同时功率管的漏端电压下降,电流采样电路通过采样导通功率管的漏端电压,把采样得到的电压LS2,LTH2 输入到PFM 限流比较器,当功率管的漏端电压下降到一定程度,使得LS2 达到PFM 限流比较器门限LTH2 时,比较器输出高电平至控制逻辑模块,从而使芯片进入PFM 工作模式以延长电池寿命。

  4 PFM 限流比较器的仿真

  我们采用HSPICE 对图3 所示的电路进行了比较器功能的模拟,由图4 可见当电感电流上升时,采样得到的电压LS2 下降,当功率管的漏端电压下降到一定程度,使得LS2 达到PFM 限流比较器门限LTH2 时,比较器输出高电平至控制逻辑模块,从而使芯片进入PFM工作模式以延长电池寿命。此外,比较器延迟70nS。

PFM 限流比较器的仿真

图4 PFM 限流比较器的仿真

  5 结束语

  本文成功地设计出一款应用到DC/DC 芯片上的PFM 限流比较器,并通过HSPICE 进行了仿真。结果表明:电路结构简单,功耗低,响应速度快,完全满足新一代DC/DC 产品的要求,且预计投入市场之后将获得上百万元的效益。

  本文作者创新点:本文采用的DC-DC 降压变换器结构采用同步校正器代替传统的二极管,极大地提高了DC-DC 降压变换器的效率,可达到95%左右。基于该DC-DC 降压变换器结构设计了一个新颖的基于Step-Down PWM 电源管理芯片的PFM 限流比较器电路,在轻载时使芯片进入PFM 工作模式,因此能够延长电池寿命并且大幅度的提高Step-DownPWM 电源管理芯片的效率。

  参考文献

  [1]郭家荣,孟祥瑞,周耀.DC-DC 开关电源管理芯片的设计.微计算机信息,2006,21(1):153

  [2]Qun Zhao,Fred C.Lee. High-Efficiency,High Step-Down DC-DC Converters. IEEE transactions on power electronics,2003,18(1):65-74.

  [3]Linear and Switching Voltage Regulator Fundamentals, National Semiconductor Application note. 1999.

  [4]AdelS.Sedra, Kenneth C.Smith. Microelectronics Circuits.(4th ed). BeiJing, China: Publishing House of Electronics Industry. 2004, 490-491.


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降压转换器? 脉冲频率调制? 比较器? 开关电源?

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