高频PWMDC_DC转换器的设计_应建华

⾼频PWMDC_DC转换器的设计_应建华
26卷第1期2009年1⽉
微电⼦学与计算机
M ICROELECTRONICS&COM PUTER
Vol.26No.1
January2009
收稿⽇期:2008-02-21⾼频PWM DC/DC转换器的设计
应建华,张俊,肖靖帆
(华中科技⼤学电⼦科学与技术系,湖北武汉430074)
摘要:设计了⼀种基于0.6L m CM OS⼯艺的⾼频PWM升压型DC/DC转换芯⽚.采⽤恒定频率、电流模式的控制结构以提供稳定的电压.本芯⽚在XFAB公司流⽚成功,测试结果表明,芯⽚的开关频率⾼达为1.2MHz,在输⼊电压分别为3.3V、5V的情况下能稳定地分别驱动4个、6个⽩光L ED,输出电压分别为12.8V、18.6V.
关键词:DC/DC转换器;电流型;脉宽调制
中图分类号:T N4⽂献标识码:A⽂章编号:1000-7180(2009)1-0197-04
Design of High Frequency PWM DC/DC Converter
YING Jian-hua,ZHANG Jun,XIAO Jing-fan
(Department of Electro nics Science and T echnology,Huazhong U niversit y of Science and T
echnology,Wuhan430074,China)
Abstract:A hig h frequency PWM step-up DC/DC converter w ith low power dissipation w as designed by using0.6L m CM OS process.T he chip uses a constant frequency,cur rent-mode control scheme to provide steady voltag e.T he chip taped out successfully in XFA B Company.T he testing results showed that the frequency was1.2MHz,output v oltage w as12.8V and18.6V,when driving4and6white L ED in3.3V and5V input voltag e.
Key words:DC/DC converter;cur rent-mode;pulse w idth modulation(PWM)
1引⾔
随着⼿机、mp3、PDA等便携式消费电⼦产品的⼴泛应⽤,对供电电源提出了新的要求.为保证系统稳定、可靠地⼯作,通常采⽤DC/DC开关变换器提供⼯作电压.
⽂中设计了⼀种开关频率⾼达1.2MH z、电流控制型PWM升压DC/DC开关变换器,采⽤XFAB 公司的0.6L m CM OS⼯艺流⽚成功.测试结果表明,该转换器可稳定驱动串联的4到6个⽩光LED,满⾜系统设计要求.
2PWM DC/DC转换器原理分析
⽂中设计采⽤⼀种恒定频率、电流模式的控制结构[1],并把功率开关管和控制电路集成到⼀起.芯⽚结构如图1所⽰.SW为开关引脚;FB为输出电压的采样反馈端;SHDN为停机引脚.芯⽚内部主要模块包括基准
电压源、误差放⼤器、PWM⽐较器、振荡器、电流采样电路、RS锁存器以及驱动.
图1芯⽚电路框图
该芯⽚的⼯作原理:在每个振荡周期的开始时, RS锁存器被置位,导通功率管,输出电压的采样值反馈到PWM⽐较器的正向端.当采样电压超过⽐较器的负输⼊端的⽔平时,RS锁存器被复位关闭功率管.通过开关功率管占空⽐的变化,调节输出电压使其稳定.
3 主要电路模块设计分析
3.1 电压基准源电路
在DC -DC 转换器芯⽚中,因为芯⽚的输出功率⽐较⼤,要求带隙基准源在较宽的温度范围内参考源电压波动不⼤;同时由于⼯作
电源电压的范围较宽,为了保证输出电压对⼯作电源电压的不敏感性,要设计⾼电源电压抑制⽐(PSRR)的带隙基准源.⽂中设计的带隙基准源电路如图2所⽰,由启动电路、带隙核、放⼤器A 和输出级组成
.
图2 带隙电路图
其信号结构图如图3所⽰
.
图3 电压基准源信号结构图
其中A 1(s )是V cc 到放⼤器A 输出的传函;
A 2(s)是V cc 到电压基准源输出V re f 的传函;A 3(s )是放⼤器A 的输出到电压基准源输出V ref 的传函;A 4(s)是电压基准源的输出V re f 到放⼤器A 输⼊的传函;A 5(s)是放⼤器A 的开环传函.分析可知:
V ref V cc =[A 1(s)+A 2(s )
A 3(S )
]@A 3(S )
1+A 3(s )A 4(s )A 5(s)
(1)
通过参数的优化可以得到在低频范围内A 2(0)约等于0,A 3(0)约等于1,A 4(0)约等于1,A 1(0)和A 5(0)的值是与放⼤器A 结构相关的.化简式(1)可得低频电压抑制⽐为
PSRR (0)=
V ref V cc =1+A 5(0)A 1(0)U A 5(0)
A 1(0)
(2)为了获得⾼电源抑制⽐,采⽤了⼀种⾃偏置有
源负载运算放⼤器A,利⽤⾃偏置电流源闭环反馈
改变开环电阻的特性,实现⾼开环增益.
晶体管M0、M 1、M2、M 6、M7、M 8构成⾃偏置电流源,M0由n 个(W /L )的MOS 管并联组成,
M 1由1个(W /L )的MOS 管组成,M2是n -1个(W /L )的MOS 管并联组成,由电路⼩信号分析可得输出电阻R out =n @r oM0.
电压基准源A 5(0)和A 1(0)的表达式分别为A 5(0)=n @g mQ4@r oM0(3)
A 1(0)=r oQ4/(1/g -1mM0+r o Q4)U 1
(4)电压基准源的低频电压抑制⽐:PSRR (0)U ng m Q4@r oM0
(5)
在XFAB 公司的X C 06⼯艺下,通过优化g m Q4
和r oM 0,对基准源进⾏温度特性、电压调整率和电源抑制⽐仿真,仿真曲线如图4、图5所⽰.从图中可以看到,电压基准源的温度系数是11ppm/e ;低频电压抑制⽐达到92dB .
图4 电压基准源温度系数仿真曲线
图5 电压基准源PSRR 仿真曲线
3.2 振荡器和斜波发⽣器
振荡器产⽣恒稳的、周期性时变的输出波形,作为控制功率管开关的时钟.⽂中采⽤基本的充放电振荡器电路[3]
,⼜称为窗⼝⽐较式振荡器[4]
,提供⾼达1.2MH z 的开关频率,电路结构如图6所⽰.
其⼯作原理:定时电容C 在两个门限电压V A 、V B 之间来回充放电,当定时电容上的电位达到两个门限电平中的某⼀个值时,RS 触发器输出Q 发⽣翻转;然后定时电容上的电位向相反⽅向变化,当其到达另⼀个门限电平时,Q 再次翻转.如此循环,产⽣振荡.
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微电⼦学与计算机2009年
图6 振荡器和斜波发⽣器电路结构图
斜波发⽣器利⽤电流对定时电容的充放电,在电容C 上产⽣所需的斜波信号.产⽣斜波信号的⽬的是对电路进⾏斜波补偿,防⽌在占空⽐⼤于50%的情况下出现次谐波振荡,保证系统稳定性[2].
设电容充电电流为I 1,放电电流为I 2,则电容C 的充电时间t 1=V 1-V 2
I 1
C,电容的放电时间t 2
=V 1-V 2I 2
,则振荡周期C 为
t =t 1+t 2=(V 1-V 2)1I 1+1
I 2
C (6)
由于充放电电流由电压基准源的PTAT 电流产⽣,振荡周期和斜升波的斜率基本保持不变.3.3 误差放⼤器
误差放⼤器的作⽤是把反馈信号V FB 与内部基准电压进⾏⽐较,把电压之差放⼤,产⽣电压环误差信号
,控制PWM ⽐较器正向输⼊端的电压信号.误差放⼤器的电路如图7所⽰.
图7 误差放⼤器电路图
由图7可知:M1、M2、M3、M4、M 17、M0、M 8组成误差放⼤器的第⼀放⼤级;M5、M7、M 9和M 10组成误差放⼤器第⼆级放⼤器,第⼆级电路是推挽输出结构,从⽽可以增加输⼊电压跟随能⼒.NMOS 管M 11⽤于对输出电压进⾏钳位,保证了芯⽚刚上电时不会产⽣电感上电流浪涌现象.M 3和M 4构成的交叉耦合结构,引⼊了⼀个局部正反馈,提⾼了第⼀级的放⼤增益,可以计算出从M2的漏级向下看到的等效电阻为:R eq =1/(g m2-g m4)-1,当g m 2>g m4,R eq >0,等效电阻增⼤,提⾼了开环增益:A v1=g
m17/(g m2-g m4).
第⼆级为推挽输出结构,可计算其增益为
A v2=g m7(r 07+r o10).
所以整个误差放⼤器的开环增益为A v =A v1A v2
=g m17g m 7(r o7+r o10)/(g m2-g m4)
(7)
输出级的电阻R 1和电容C 1组成系统的补偿⽹络,⽤于保证系统环路的稳定性,其产⽣了极点和零
点如下:
s p1=1/2P (r o7+r o10)C 1
s z1=1/2P R 1C 1
其中产⽣的零点s z1⽤于补偿DC -DC 转换器输出负载电阻和滤波电容形成的极点;极点s p1⽤于对开关噪声进⾏衰减[1].
误差放⼤器的频率特性的仿真曲线如图8所⽰.
图8 误差放⼤器频率特性仿真曲线
图8是误差放⼤器的频率特性曲线,由图可见:误差放⼤器的低频增益是48dB,⾸先经历⼀个低频极点,然后出现⼀个低频零点,零点对极点进⾏相位补偿,从⽽保证了DC -DC 转换器电路在单位增益带宽内等效只有⼀个主极点,使整个环路系统稳定.
3.4 功率管
由于功率管是整个驱动电路的核⼼器件,因此对于功率管的版图设计直接影响到了电路的整体性能.
⽂中采⽤了蛇形栅结构的功率管,蛇形栅的结构优点是:(1)结构紧凑,等效宽度⼤,占⽤⾯积⼩;(2)由于多晶硅栅在拐弯处使⽤了135度的⾛向,有效避免了90度情况下局部雪崩击穿现象的发⽣;(3)源漏⾦属接触孔呈对⾓线分布,这使得MOS 器件的击穿特性,尤其是ESD 性能得到了提⾼.
4 测试结果
本电路已通过流⽚验证,对芯⽚在输⼊电压为
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第1期应建华,等:⾼频PWM DC/DC 转换器的设计
3.3V,驱动4个LED 和输⼊电压为5V,驱动6个LED 的情况下进⾏了测试,⽤Tektronix 公司的T DS2024B 数字存储⽰波器读取了输出电压波形和SW 开关电压波形,如图9、图10所⽰
.
图9 V in =3.3V,驱动4个
LED
图10 V in =5V ,驱动6个LED
从图9、图10可以看出,芯⽚的开关频率在1.2
MH z 左右,输出电压稳定.
在3.3V 的输⼊电压、20~50e 的环境温度下对输出电压和开关频率的温度特性做了测试,并利⽤matlab 对测试数据进⾏了曲线拟合,如图11、图
12所⽰.
图11 输出电压温度特性
图12 开关频率温度特性
测试结果表明,当温度从21e 变化到50e 时,输出电压从12.662V 下降到12.436V,开关频率从
1.211MH z 上升到1.289MH z.
5 结束语
⽂中设计了⼀种开关频率为1.2MHz 的DC/DC 转换器,采⽤恒定频率、电流模式的控制结构以提供稳定的电压.最终的测试结果表明,该芯⽚在输⼊电压分别为3.3V 、5V 的情况下能稳定地驱动4个、6个⽩光LED,开关频率在1.2MH z 左右,输出电压分别为12.7V 、18.6V,达到系统设计要求.参考⽂献:
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(下转第204页)
图1
局域世界较⼩的度分布⽐较图
图2
局域世界稍⼤的度分布⽐较图
图3 局域世界不同的度分布⽐较图
5 结束语
⽂中在BA ⽆标度⽹络模型的基础上分析了该
模型的动⼒学机制,为了更接近实际⽹络⽽对新加⼊节点的择优范围作了⼀点修改,提出了⼀个局域世界线性增长的⽹络模型,通过⽤连续介质⽅法对新模型度分布的计算和计算机模拟,得出:随着时间的不断演化,局域世界线性增长的⽹络最终将演化
成度分布遵循幂律分布的⽆标度⽹络,幂律指数C =3.这对在现实世界的许多合作⽹络中如何按照不同合作⽹络的动态演化机制,建⽴具体的演化⽹络模型,识别并捕捉影响⽹络拓扑结构形成的主要因素,从⽽加深对⽹络拓扑结构及其动态变化的认识,是⼗分有参考意义的.参考⽂献:
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作者简介:
刘浩⼴男,(1975-),硕⼠研究⽣.研究⽅向为复杂⽹络.蔡绍洪男,(1958-),教授,博⼠⽣导师.研究⽅向为介观量⼦涨落、⾮线性物理、复杂性理论、⾃组织理论.
(上接第200页)作者简介:
应建华男,(1954-),硕⼠,副教授.研究⽅向为数模混合集成电路.
张俊男,(1981-),硕⼠研究⽣.研究⽅向为数模混合集成电路.
肖靖帆男,(1983-),硕⼠研究⽣.研究⽅向为数模混合集成电路.。