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1 介紹 在許多大眾電子產品：如手機，數碼相機，以及其它的多媒體娛樂產品中，便攜式電源 都有比較廣泛的用途。而現在低電壓和高效率的DC-DC 轉換器變得越來越重要。為了延長 電池的使用壽命，在DC-DC 轉換器的設計中，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，許多電源管理芯片需要采用特殊的工藝或者復雜的電路結構來實現。 本文是基于這種需求下，提出電源電壓低至1 V 時能有效的將輸出電壓提升到一定高電壓并 供主控環路工作的啟動電路。本文提出的這種啟動電路采用標準0.35-μm 3.3/5-V 的CMOS 工藝（Vth=0.81V），結構簡單，它要求的最小的電源電壓僅為1 V。 2 啟動電路的結構 當電源電壓非常低的時候，直流轉換器的主控環路不能工作。因此，啟動電路首先需要 將輸出電壓提升到一定的高電壓。而這個電壓值比主控環路要求的最小電源電壓要高。此時， 主控環路將被激活，同時關閉啟動電路，此后主控環路將控制整個轉換器的工作。實際上， 這個啟動電路是一個簡單的，具有固定占空比的，能在低電源電壓工作的開環升壓轉換電路。 圖1 虛線框中是本文提出的1V 啟動電路的結構。它包括一個1V 的帶隙基準電壓、1V 的RC 振蕩器、一個功率PMOS 管襯底控制電路和功率管驅動電路。其中L、R 和C 是直流 升壓轉換器的外部原件，襯底控制電路以及功率管柵極控制電路是啟動電路和主控環路所共 用的。1 V 的帶隙基準提供穩定的高、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。柵控制電路和驅動器輸出 用于控制和驅動NMOS 開關管和PMOS 同步整流器的方波信號。 3 1-V 啟動電路的具體設計 3.1 1-V 帶隙電壓基準電路 目前，低電壓帶隙基準電路可采用多種結構實現。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構不能在本文所采用的工藝中實現 。一種不需要 低閾值電壓的1-V CMOS 帶隙電壓基準結構已經被Leung 等人提出，并且經驗證能在此 工藝中實現。從圖2 中我們可以看到這種1-V 的帶隙基準電壓電路主要由三部分組成：低 電壓放大器、啟動電路和帶隙核心電路。 然而，原來電路中的運算放大器在此工藝中很難達到比較高的增益，因此我們在此采用 一個簡單的兩級運放所代替。并且，它的啟動電路也必須被修改以獲得更大的輸入電壓范圍。 MP1 和R5 通過判斷M1 和M2 的電流是否達到一個足夠高的值，從而去開啟或者關閉M5 和M6。以使帶隙基準的核心電路和運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動電路提供固定占空比的方波。從式（2）的 直流升壓轉換器的輸入和輸出電壓之間的關系，我們知道如果要求輸出電壓足夠高以驅動主 控環路工作，則占空比D應該是盡量的大。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輸出電壓能夠本提升到足夠大，我們還是選擇了 一個比較大的占空比D。 這個振蕩器的基本工作原理是：當電容C1的電壓低于VH時，則RS觸發器的輸出為高電 平以打開NMOS開關管MN1，同時Iin對C1進行充電。當電容C1的電壓超過VH后，RS觸發器 的輸出Q將關閉MN1，這時C1的放電電流為(n-1)*Iin。然后電容C1的電壓下降，當下降到比 低電壓VL的值還低的時候，Q將打開NMOS開關MN1，并且Iin對電容C1充電。這樣依此循環， 我們得到振蕩器的占空比是(n-1)/n。至于振蕩器的頻率，考慮到啟動時間以及外部原件的影 響，我們一般取這個值比其正常工作的頻率低一些即可。在這個設計中，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部分：一個是遲滯比較器，另一個是控制電路。如圖4所顯示的 一樣，這個遲滯比較器是帶正反饋的源極耦合差分對，這種結構可以消除顫動效應。其 正負觸發電平值是： 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。選擇適當的(W/L)5和(W/L)3， 我們可以獲得想要的觸發電平值。 同步整流管的襯底控制電路將根據遲滯比較器的結果選擇性的輸出電源電壓和升壓轉 換器的輸出電壓中的較大者。當遲滯比較器的輸出Vout 為高的時候，控制電路的輸出是電源 電壓,否則輸出升壓轉換器的輸出電壓。 3.4 柵極控制及驅動電路 高效率的柵極驅動一般打開功率開關 MOS 管時其導通電阻非常的小，同時可以有效的 關斷同步整流MOS 管。一般情況下，驅動功率MOS 管最簡單的結構是一組驅動能力逐漸 增大的反相器的級聯，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 驅動電路，能更有效、更快的驅動功率MOS 管和同步整流管。并且，這種結構可以節約 比較多的版圖面積。 4 啟動電路的仿真結果 本文所提出的啟動電路是采用Chartered 半導體0.35-μm 3.3V/5V 的CMOS 工藝所實現 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，不同溫度時的功率開關管的控制電壓波形、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1-V 的啟動電路在輸入電壓僅為1 V 時能將輸出電壓升壓 到2.5V 以上，同時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 對輸出電壓的上升時間影響不是很明顯，但對振蕩頻率的影響卻比較明顯。 5 結論 通過仿真結果我們可以得出：本文提出的 1-V 直流升壓轉換器的啟動電路在較寬的輸 入電壓和溫度范圍內能有效的將其輸出電壓升壓到一定的高電壓（本設計中為2.5V），并且 其最小的輸入電壓為1 V。同時，本文中還介紹了一個1-V 的帶隙基準電路和1-V 的RC 振 蕩器。采用本文所介紹的1-V 的啟動電路，不需要使用特殊的工藝和復雜的電路結構，可 以很好的應用于多種需要低電壓的直流升壓轉換器中。 本文作者創新點：啟動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， 此啟動電路可以移植到要求低電壓輸入的直流升壓轉換器中；結構簡單，并且不需采用特殊 的工藝。 |
