DC－DC降壓芯片使能保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

張 睿

（無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214000）

本研究涉及的DC－DC降壓芯片由保護(hù)電路、第一級(jí)LDO（3．6 V）模擬供電電路、二階溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)電路、LDO（5 V）數(shù)字供電電路、誤差放大器、振蕩器、高端功率管電流采樣放大器、PWM比較器、PWM邏輯電路、驅(qū)動(dòng)電路、低端功率管過(guò)零電流比較電路等電路單元構(gòu)成。本文主要介紹了芯片的使能保護(hù)電路模塊的設(shè)計(jì)。

1 使能保護(hù)電路

使能模塊輸入使能控制信號(hào)，控制內(nèi)部各個(gè)模塊工作。本設(shè)計(jì)中使能控制有兩個(gè)比較判據(jù)，一個(gè)是1．5 V比較點(diǎn)，另一個(gè)是2．5 V比較點(diǎn)。電路系統(tǒng)啟動(dòng)，使能端的電位漸漸上升。當(dāng)UEN小于1．5 V，整個(gè)芯片關(guān)斷。當(dāng)UEN超過(guò)1．5 V但小于2．5 V時(shí)，使能邏輯先使LDO（3．6 V）工作，接著第二級(jí)（帶二階溫度補(bǔ)償）基準(zhǔn)電路工作，輸出1．2 V的基準(zhǔn)參考電位。1．2 V參考電位輸入LDO（5V）使之工作。除了誤差放大器輸出COMP腳電位和SS軟啟動(dòng)腳電位被拉到低電位，所有單元的電源供電都正常。當(dāng)使能UEN大于2．5 V后誤差放大器輸出COMP腳電位和SS軟啟動(dòng)腳電位釋放，整個(gè)芯片正常工作。

2 1．5 V比較點(diǎn)的使能邏輯電路

1．5 V比較點(diǎn)的使能邏輯電路如圖1所示。設(shè)UIN＝12 V，施密特觸發(fā)器（如圖2）I109在J351提供的7 V夾斷電壓下工作。當(dāng)使能EN電壓從0上升到1．5 V時(shí)，施密特觸發(fā)器I109翻轉(zhuǎn)為高電位，遲滯量為210 mV。

圖1 1．5 V比較點(diǎn)的使能邏輯電路

施密特觸發(fā)器I109輸出為高電平，EN2也為高電平，去開(kāi)啟3．6 V和5 V的LDO。5 V的LDO給電平轉(zhuǎn)換電路供電，EN1輸出為高電平。EN1經(jīng)過(guò)反相器X23輸出L3低電平到RS＿NOR觸發(fā)器，鎖定RS＿NOR觸發(fā)器，穩(wěn)定EN2。

這里X23輸出電平擺率為0～5 V，而RS＿NOR觸發(fā)器的X70供電為7 V，這會(huì)導(dǎo)致X23去驅(qū)動(dòng)X70發(fā)生驅(qū)動(dòng)電平不匹配。當(dāng)芯片正常工作狀態(tài)時(shí)，使能Ven肯定是高電平，X23輸出為低電平，不會(huì)出現(xiàn)X70（nor）上下管都導(dǎo)通狀態(tài)。而在EN電位下降到1．3 V以下，X70內(nèi)部出現(xiàn)上下MOS管都導(dǎo)通的狀態(tài)。如果X23輸出高電平對(duì)于X70來(lái)說(shuō)還是低電平，那么整個(gè)芯片就不會(huì)正常關(guān)斷。設(shè)計(jì)上必需確保X23輸出高電平對(duì)X70來(lái)說(shuō)也是高電平。

該問(wèn)題的解決方法是使電平轉(zhuǎn)換電路和反相器X23都給7 V供電。

圖2 施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器電路分析：A點(diǎn)高電位時(shí)，輸出Z也為高電位，PM1截止。第一級(jí)反相器由PM0和NM0組成，其寬長(zhǎng)比決定翻轉(zhuǎn)電壓UTF。當(dāng)A點(diǎn)低電位時(shí)，輸出Z為低電位，PM1導(dǎo)通。第一級(jí)反相器由PM0、PM1和NM0組成，其寬長(zhǎng)比決定翻轉(zhuǎn)電壓UTR，且UTR＞UTF。施密特觸發(fā)器在翻轉(zhuǎn)過(guò)程瞬間需要消耗較大的電流。翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的計(jì)算公式如下：

當(dāng)Idsp＞Idsn時(shí)，反相器輸出高電平，當(dāng)Idsp＜Idsn時(shí)，反相器輸出低電平。當(dāng)Idsp＝Idsn時(shí)，定義這時(shí)的輸入電壓為反相器的翻轉(zhuǎn)電壓。

當(dāng)上管PMOS的W／L增加，Kp增大，分母變小，UA增大。當(dāng)下管NMOS的W／L增加，Kn增大，分母增大，UA減小。

3 2．5 V比較點(diǎn)的使能邏輯電路

2．5 V比較點(diǎn)的使能邏輯電路如圖3所示。2．5 V使能比較器的輸出經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器后送入與非門X89，與非門的另外兩個(gè)輸入信號(hào)是溫度保護(hù)和欠壓保護(hù)。與非門輸出L4一路去保護(hù)邏輯I116，另外一路去改變2．5 V使能比較器的比較點(diǎn)，產(chǎn)生遲滯量。

圖3 2．5 V比較點(diǎn)的使能邏輯電路

當(dāng)UEN電壓從1．5 V上升，內(nèi)部的 LDO（3．6 V）、二階溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)、LDO（5 V）等電路建立，使能2．5 V比較器還沒(méi)有翻轉(zhuǎn)，圖3中的 N1（N384）開(kāi)啟，屏蔽掉R3。則有

設(shè)UEN關(guān)閉比較電位為2．3 V，R1＝R2＝100 kΩ，可以求出R3＝20 kΩ。這里要注意的是，實(shí)際N1管開(kāi)啟時(shí)，不會(huì)將R3的壓降完全拉到0，所以要求N1管的開(kāi)啟導(dǎo)通電阻小，或者是電阻支路的偏置電流小。

4 使能邏輯電路仿真

使能邏輯電路功能仿真條件：UIN＝12 V，UEN電壓直流掃描從0～4 V。使能邏輯電路功能仿真結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出當(dāng)EN電位低于1．5 V，整個(gè)芯片關(guān)閉，邏輯保護(hù)電路輸出0；當(dāng)EN電位大于1．5 V，電路供電正常，但EN低于2．5 V，邏輯保護(hù)電路輸出為高電位，拉低SS與COMP電位，無(wú)PWM產(chǎn)生；EN電位大于2．5 V后，邏輯保護(hù)電路輸出低電位，整個(gè)電路正常工作。

圖4 使能邏輯電路功能仿真結(jié)果

工藝角Corner仿真條件：UIN＝12 V，EN電壓從1～2 V按照1 mV的步進(jìn)掃描。偵測(cè)使能EN＝1．5 V和2．5 V開(kāi)啟點(diǎn)的范圍分別如圖5和圖6所示。

圖5 UEN＝1．5 V開(kāi)啟點(diǎn)的Corner仿真

圖6 UEN＝2．5 V開(kāi)啟點(diǎn)的Corner仿真

5 結(jié) 論

本文主要對(duì)DC－DC降壓芯片中的使能保護(hù)電路模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)闡述；針對(duì)使能電壓UEN設(shè)計(jì)了1．5 V和2．5 V兩個(gè)使能比較電壓點(diǎn)，在小于1．5 V、1．5 V～2．5 V和2．5 V以上這三個(gè)電壓段中分別實(shí)現(xiàn)芯片關(guān)斷、電源供電開(kāi)啟和整個(gè)芯片開(kāi)啟等功能，同時(shí)解決了一些設(shè)計(jì)上的具體問(wèn)題；最后利用1μm5 V／40 V HVCMOS工藝中的5 V低壓工藝模型，在Cadence軟件下驗(yàn)證了使能保護(hù)機(jī)理。

［1］ 陳 君．電流模式DC＿DC降壓芯片的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．成都：電子科技大學(xué)，2006．

［2］ 何金國(guó)．PWM DC－DC降壓變換IC研究與設(shè)計(jì)［D］．成都：電子科技大學(xué)，2007．

［3］ 徐靜萍．功率因數(shù)校正控制器過(guò)壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)［J］．西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，（s1）：26－30．

［4］ 余倩瑋．單片多功能DC＿DC變換器芯片設(shè)計(jì)［D］．西安：西安電子科技大學(xué)，2008．