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一種新穎的限流比較器的設計
摘要: 設計了一個新穎的基于Step-Down PWM 電源管理芯片的PFM(脈沖頻率調制)限流比較器電路,在輕載時使芯片進入PFM 工作模式,因此能夠延長電池壽命并且大幅度的提高Step-Down PWM 電源管理芯片的效率。經分析和仿真表明:該比較器延遲小,具有簡單、實用、可靠性高等優點。
Abstract:
Key words :

  1 引言

  近年來,LDO(Low Dropout)線性穩壓器和DC/DC 變換器等電源管理芯片已廣泛應用于便攜式電子系統中 [1]。但是,開關穩壓器相對線性穩壓器降低了平均輸入電流,提高了效率[2-3]。Step-Down 電源屬于DC/DC 變換器中的降壓變換器,它的主要缺點是,在輕載時比如手機待機時,靜態電流較高,顯著降低了電池的使用壽命,所以在低負載條件下,我們通過PFM 限流比較器來控制芯片使之進入Idle 模式,這樣就大大延長了電池壽命,提高了芯片的效率。

  2 本文采用的DC-DC 降壓變換器電路結構

  本文采用的DC-DC 降壓變換器結構采用同步校正器代替傳統的二極管,極大地提高了DC-DC 降壓變換器的效率,可達到95%左右。芯片的輸入電壓位于2.7V 至5V 之間,可工作在以下四種模式:固定頻率的強制PWM 模式,同步PWM 模式,idle 模式,關斷模式。

  3 PFM 限流比較器的設計

  3.1 比較器輸入級的設計

  比較器輸入級為射級耦合的差分輸入級。

比較器的輸入級

圖1 比較器的輸入級

  由上圖可知,

公式  (1)

公式  (2)

  則iC1可以近似為

公式  (3)

  同理

公式  (4)

  可求得差分跨導為:

公式  (5)

  在室溫下, T V =26mV , 所以運放跨導等于

公式   (6)

  此外,電阻R15,R16作為運放負載,可得出放大器輸入級增益表達式如下:

公式  (7)

  3.2 比較器中間級

  比較器中間級由D,E 輸入,A 輸出。MP724,MP725 的作用是減小A 點電壓的變化幅度,使得比較器具有較短的瞬態響應時間和較快的速度。

  現在計算折疊共源共柵運放的小信號電壓增益,因為|Av|= GmRout ,我們必須計算Gm 和Rout ,而

公式   (8)

公式  (9)

  所以, V 2 A 表達式如下:

公式  (10)

比較器中間級

圖2 比較器中間級

  3.3 比較器輸出級

  比較器的輸出級(Active Load inverter)由A 輸入,B 輸出(圖3),進一步提高放大器的增益,

公式  (11)

  因此,放大器總的增益AV 表達式如下:

公式  (12)

PFM 限流比較器電路圖

圖3 PFM 限流比較器電路圖

  3.4 PFM 限流比較器電路圖

  綜合前面比較器輸入級,輸出級,中間級的設計,可得出圖3 所示的PFM 限流比較器電路圖。當功率管導通時,對電感電流充電,使得電感電流上升,同時功率管的漏端電壓下降,電流采樣電路通過采樣導通功率管的漏端電壓,把采樣得到的電壓LS2,LTH2 輸入到PFM 限流比較器,當功率管的漏端電壓下降到一定程度,使得LS2 達到PFM 限流比較器門限LTH2 時,比較器輸出高電平至控制邏輯模塊,從而使芯片進入PFM 工作模式以延長電池壽命。

  4 PFM 限流比較器的仿真

  我們采用HSPICE 對圖3 所示的電路進行了比較器功能的模擬,由圖4 可見當電感電流上升時,采樣得到的電壓LS2 下降,當功率管的漏端電壓下降到一定程度,使得LS2 達到PFM 限流比較器門限LTH2 時,比較器輸出高電平至控制邏輯模塊,從而使芯片進入PFM工作模式以延長電池壽命。此外,比較器延遲70nS。

PFM 限流比較器的仿真

圖4 PFM 限流比較器的仿真

  5 結束語

  本文成功地設計出一款應用到DC/DC 芯片上的PFM 限流比較器,并通過HSPICE 進行了仿真。結果表明:電路結構簡單,功耗低,響應速度快,完全滿足新一代DC/DC 產品的要求,且預計投入市場之后將獲得上百萬元的效益。

  本文作者創新點:本文采用的DC-DC 降壓變換器結構采用同步校正器代替傳統的二極管,極大地提高了DC-DC 降壓變換器的效率,可達到95%左右。基于該DC-DC 降壓變換器結構設計了一個新穎的基于Step-Down PWM 電源管理芯片的PFM 限流比較器電路,在輕載時使芯片進入PFM 工作模式,因此能夠延長電池壽命并且大幅度的提高Step-DownPWM 電源管理芯片的效率。

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