1引言
近年来,LDO(LowDropout)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,它的重要缺点是,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。
3pFM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。
图1比较器的输入级
由上图可知,
(1)
(2)
则iC1可以近似为
(3)
同理
(4)
可求得差分跨导为:
(5)
在室温下,TV=26mV,所以运放跨导等于
(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:
(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的用途是减小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
(8)
(9)
所以,V2A表达式如下:
(10)
图2比较器中间级
3.3比较器输出级
比较器的输出级(ActiveLoadinverter)由A输入,B输出(图3),进一步提高放大器的增益,
(11)
因此,放大器总的增益AV表达式如下:
(12)
图3pFM限流比较器电路图
3.4pFM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。
4pFM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。
图4pFM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-DownpWM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。