一种DC-DC升压型开关电源的低压启动方案

　　0 引言

　　各种便携式电子产品， 如照相机、摄像机、手机、笔记本电脑、多媒体播放器等都需要DC-DC 变换器等电源管理芯片。这类便携式设备一般使用电池供电， 总能量有限， 因此， 电源芯片需要最大限度地降低工作电压，延长电池的使用寿命。传统DC-DC 的工作电压一般都在1. 0 V 以上， 本文所设计的电路将这一启动电压降低至0. 8 V。

　　1 电路整体示意图

　　DC-DC 升压型开关电源在低输入电压下工作， 利用控制电路导通和关断功率管， 在功率管导通时， 电感储存能量; 当功率管关断时， 电感释放能量， 对输出电容充电， 输出电压升高。当输入电源低至1. 0 V 以下， 如果DC-DC 芯片的驱动电压取自输入电源， 芯片内部电路就不能正常工作， DC-DC 便无法启动; 如果DC-DC 芯片的驱动电压取自输出电压， 同样， 芯片根本无法启动及进行任何升压动作。本文针对输入电源电压变化范围较大， 在考虑商业成本的情况下， 设计了2 个振荡器电路：

　　主振荡器和辅助振荡器。辅助振荡器靠输入电压供电，0. 8 V 即能起振， 在V DD升至1. 9 V 以前控制功率管的导通与关断， 使V DD逐步抬升。主振荡器靠输出电压即VDD供电， 在VDD升至1. 9 V 以后以一个较稳定的频率工作， 抬升并维持输出电压。电路的整体示意图如图1所示。该电路包括主振荡器、辅助振荡器以及它们的切换电路、带隙基准电路、PWM 比较器、过压保护电路、过流保护电路等。

图1 DC-DC 升压型开关电源芯片的整体示意图

　　2 主振荡器的设计

　　在构想了两个在两段不同的电源电压下工作的振荡器电路之后， 就可以对两个振荡器电路分别进行设计。环形振荡器因其结构简单， 易于集成， 而用于许多集成电路芯片的设计， 但其振荡频率受电源电压变化的影响较大， 文献[ 1] 中所提出的方案虽然有较大改善， 但它采用了大的集成电阻， 这不仅增大了芯片面积， 而且集成电阻阻值随工艺偏差很大， 还会进一步增大环振输出频率的不稳定性。文献[ 2] 所提出的改进型环形振荡器电路频率稳定度高， 适用于电源电压变化较大的集成电路系统， 但它采用了耗尽型MOS 管， 增加了电路的成本， 不利于商业开发。本文所设计的主振荡器采用如图2 所示的环形振荡器结构。VC1, VC2 分别为过压保护电路， PWM 比较器的输出信号， MP10和MP11 为带隙基准提供的镜像电流， 合理的控制镜像电流和电容C1 , C2 的大小， 即能够使主振荡器在1. 9~ 8 V 的V DD区间输出350 kHz 左右较稳定的振荡频率。

　　3 辅助振荡器的设计

　　文献[ 3] 中提出的辅助振荡器电路也采用环形振荡器结构， 它利用亚阈值导通的原理， 使得起振电压降至0. 8 V, 但是这个辅助振荡器在0. 8~ 1. 9 V 的VDD区间里频率变化很大， 会在电路启动阶段造成很大的浪涌电流， 造成系统的不稳定。