一种新颖的限流比较器的设计

2020-05-14      811 次浏览

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。


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