各種便攜式電子產(chǎn)品，如照相機、攝像機、手機、筆記本電腦、多媒體播放器等都要DC-DC變換器等電源管理芯片。這類便攜式設(shè)備一般使用電池供電，總能量有限，因此，電源芯片要最大限度地降低工作電壓，延長電池的使用壽命。傳統(tǒng)DC-DC的工作電壓一般都在1.0V以上，本文設(shè)計了一種DC-DC升壓型開關(guān)電源的低壓啟動電路，啟動電壓降低至0.8V，該電路采用兩個在不同電源電壓范圍內(nèi)工作頻率較穩(wěn)定的振蕩器電路，利用電壓檢測模塊進(jìn)行合理的切換，解決了低輸入電壓下電路無法正常工作的問題，并在0.5μmCMOS工藝庫(VthN=0.72V，Vthp=-0.97V)下仿真。仿真結(jié)果表明，在0.8V低輸入電壓時，通過此升壓型開關(guān)電源，可以將VDD升高至3.3V.

電路整體示意圖

DC-DC升壓型開關(guān)電源在低輸入電壓下工作，利用控制電路導(dǎo)通和關(guān)斷功率管，在功率管導(dǎo)通時，電感儲存能量;當(dāng)功率管關(guān)斷時，電感釋放能量，對輸出電容充電，輸出電壓升高。當(dāng)輸入電源低至1.0V以下，假如DC-DC芯片的驅(qū)動電壓取自輸入電源，芯片內(nèi)部電路就不能正常工作，DC-DC便無法啟動;假如DC-DC芯片的驅(qū)動電壓取自輸出電壓，同樣，芯片根本無法啟動及進(jìn)行任何升壓動作。本文針對輸入電源電壓變化范圍較大，在考慮商業(yè)成本的情況下，設(shè)計了2個振蕩器電路：主振蕩器和輔助振蕩器。輔助振蕩器靠輸入電壓供電，0.8V即能起振，在VDD升至1.9V以前控制功率管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使VDD逐步抬升。主振蕩器靠輸出電壓即VDD供電，在VDD升至1.9V以后以一個較穩(wěn)定的頻率工作，抬升并維持輸出電壓。電路的整體示意圖如圖1所示。該電路包括主振蕩器、輔助振蕩器以及它們的切換電路、帶隙基準(zhǔn)電路、pWM比較器、過壓保護電路、過流保護電路等。

圖1DC-DC升壓型開關(guān)電源芯片的整體示意圖

主振蕩器的設(shè)計

本文所設(shè)計的主振蕩器采用如圖2所示的環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)。VC1，VC2分別為過壓保護電路，pWM比較器的輸出信號，Mp10和Mp11為帶隙基準(zhǔn)供應(yīng)的鏡像電流，合理的控制鏡像電流和電容C1，C2的大小，即能夠使主振蕩器在1.9~8V的VDD區(qū)間輸出350kHz左右較穩(wěn)定的振蕩頻率。

圖2主振蕩器電路輔助振蕩器的設(shè)計

輔助振蕩器電路采用環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)，它利用亞閾值導(dǎo)通的原理，使得起振電壓降至0.8V，但是這個輔助振蕩器在0.8~1.9V的VDD區(qū)間里頻率變化很大，會在電路啟動階段造成很大的浪涌電流，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

設(shè)計的輔助振蕩器克服了以上缺點，既保證了在0.8V起振，又防止了振蕩頻率變化過大，但是，在輔助振蕩器關(guān)斷之后由于工藝偏差可能會在R，S端出現(xiàn)不確定狀態(tài)，導(dǎo)致功耗過大，并造成后續(xù)電路不能正常工作。本文在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，新增M17管，M18管，所設(shè)計的輔助振蕩器如圖3所示。

圖3輔助振蕩器電路

圖3中，M1~M13是低輸入電壓偏置電流電路，這個電路的重要功能是在低輸入電壓下出現(xiàn)一個恒定的納安級的偏置電流。這一不隨電源電壓變化的偏置電流將為圖3所示的輔助振蕩器供應(yīng)偏置。M8~M13為啟動電路，M3、M4都工作在亞閾值區(qū)：

聯(lián)立式(1)~式(4)，可以得到：

式中：K=(W/L)M4/(W/L)M3，通過式(5)可以發(fā)現(xiàn)，偏置電流IM1，IM2與輸入電源無關(guān)。

恒流源II和I4對電容C1充放電，該振蕩器的核心模塊是兩個比較器，M21、M22組成COMp1，該比較器閾值較高，為M22管的導(dǎo)通閾值，記為VH=Vth、M22、M23、M24、M25、M26、R2組成COMp2，該比較器閾值較低，記為VL：

因為M26管的電流很小，寬長比很大，故：

SE為輔助振蕩器切換信號，SEB為SE的反信號。當(dāng)VDD低于1.9V時，SE為高電平，M17，M18都截止，不影響R，S觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)，輔助振蕩器工作，開關(guān)S1斷開，S2閉合;當(dāng)VDD高于1.9V時，SE為低電平，輔助振蕩器關(guān)斷，開關(guān)S1閉合，S2斷開，M17、M18都導(dǎo)通，R=1、S=0、AUXCLK被鎖定為高電平，既減小了功耗，也防止了輔助振蕩器關(guān)斷之后R、S端出現(xiàn)不確定狀態(tài)。

電路整體仿真結(jié)果與分析

整體電路在0.5μmCMOS工藝庫(VthN=0.72V，Vthp=-0.97V)下仿真，仿真條件為VIN=0.8V，仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，電路啟動后，首先輔助振蕩器V(auxclk)起振，VDD逐漸升高，升高至1.4V時，主振蕩器V(mainclk)起振，但此時只有輔助振蕩信號通過開關(guān)S2傳到功率管的柵極，當(dāng)VDD升高至1.9V時，輔助振蕩器關(guān)掉，主振蕩器信號通過開關(guān)S1傳到功率管的柵極，VDD繼續(xù)升高至設(shè)定的輸出電壓3.3V以后，由反饋電路控制主振蕩器的開啟與關(guān)斷，來維持這一輸出電壓。

結(jié)語

本文針對輸入電源電壓變化范圍較大，設(shè)計了兩種結(jié)構(gòu)不同的振蕩器，其在在不同電源電壓范圍內(nèi)工作的頻率較穩(wěn)定，并利用電壓檢測模塊進(jìn)行合理的切換，解決了低輸入電壓下電路無法啟動的問題，是一款適用于商業(yè)開發(fā)的DC-DC升壓型開關(guān)電源。