一種快速響應(yīng)高效多模式升壓降壓型轉(zhuǎn)換器

成立業(yè),來新泉

(西安電子科技大學(xué)超高速電路設(shè)計(jì)與電磁兼容教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710071)

一種快速響應(yīng)高效多模式升壓降壓型轉(zhuǎn)換器

成立業(yè),來新泉

(西安電子科技大學(xué)超高速電路設(shè)計(jì)與電磁兼容教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710071)

描述了一種新穎的高效多工作模式可快速響應(yīng)的電流模升壓降壓型轉(zhuǎn)換器.轉(zhuǎn)換器有靈活的工作模式,電路可以根據(jù)輸入電壓和電感電流的變化來選擇工作模式,并且各種工作模式可以平穩(wěn)轉(zhuǎn)換.平均電流感應(yīng)模塊可以很精確地量測出電感電流.負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間較其他轉(zhuǎn)換器有降低.這款電流模轉(zhuǎn)換器使用Silterra 0.18μm CMOS工藝流片.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在4.2 V輸入電壓、1 A負(fù)載電流條件下,轉(zhuǎn)換器的最大效率達(dá)95%,因此,使用該轉(zhuǎn)換器可以延長供電電池使用壽命.輸出從空載到2 A切換時(shí),輸出電壓變化為6 m V,恢復(fù)時(shí)間為60μs.

多模式;快速響應(yīng);高效率;平均電流感應(yīng);平穩(wěn)切換

在升壓降壓型轉(zhuǎn)換器中,為了更快速、精確地控制內(nèi)部系統(tǒng),廣泛應(yīng)用電流模采樣控制技術(shù)[1].在傳統(tǒng)的電流模轉(zhuǎn)換器中,電流感應(yīng)是通過感應(yīng)功率金屬氧化物半導(dǎo)體(Metal Oxide Semiconductor,MOS)上的電流來得到IL,該類轉(zhuǎn)換器有快速響應(yīng)能力和穩(wěn)定的環(huán)路,但是內(nèi)部的芯片面積比較大,并且由于MOS電阻的偏差會(huì)導(dǎo)致比較大的誤差.筆者引入一種新的電流感應(yīng)方式,這種方式的主要變化是一個(gè)串聯(lián)于電感旁邊的小電阻,這個(gè)小電阻上的壓降就可以經(jīng)過換算得到電感電流的大小.對比功率MOS采樣,感應(yīng)電阻為外接電阻,這樣可以根據(jù)需要的峰值電流調(diào)節(jié)感應(yīng)電阻的大小,防止電路出現(xiàn)過流.外接電阻可以控制精度,更準(zhǔn)確地量測出采樣電流大小.在電感旁邊串聯(lián)小電阻的方法能更準(zhǔn)確地感應(yīng)電感電流.

在文中,轉(zhuǎn)換器可以工作于4種工作模式,分別是降壓模式、升壓降壓模式、升壓模式和打嗝工作模式[2].前3種模式工作于重載條件下,最后一種模式工作于輕載條件下.升壓降壓模式定義為從降壓模式到升壓模式轉(zhuǎn)換過程中或者從升壓模式到降壓模式轉(zhuǎn)換過程中的過渡狀態(tài),在4種工作模式下都可以保持高效率和低輸出紋波.當(dāng)平均電流感應(yīng)模塊檢測到輕載電流時(shí),進(jìn)入打嗝工作模式[3].相比于其他的同類型轉(zhuǎn)換器[4],打嗝工作模式使效率有很大提高.在2 A負(fù)載跳變時(shí),恢復(fù)時(shí)間可以保持在60μs之內(nèi).

轉(zhuǎn)換器用HSPICE仿真,并使用0.18μm互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor transistor,CMOS)工藝流片.以下介紹轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)架構(gòu)、平均電流模電路和4種工作模式.然后給出轉(zhuǎn)換器的測試結(jié)果,最終得出結(jié)論.

1　系統(tǒng)架構(gòu)及不同的工作方式

1.1系統(tǒng)構(gòu)造描述

筆者描述的升壓降壓型轉(zhuǎn)換器內(nèi)部架構(gòu)如圖1所示.系統(tǒng)包括功率級部分、反饋環(huán)路、脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)比較器、平均電流模電路和邏輯控制部分.功率級部分包括功率P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(P-channel Metal Oxide Semiconductor,PMOS)P1和PMOS P2,N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(N-channel Metal Oxide Semiconductor,NMOS)N1和NMOS N2及外部電感電容濾波器[5-6].反饋環(huán)路包含內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路、誤差放大器(Error Amplifier,EA)和電壓基準(zhǔn)模塊[6-7].邏輯環(huán)路控制4個(gè)功率MOS的開關(guān)動(dòng)作,從而使輸出電壓(VOUT)穩(wěn)定在3.3 V.在輕載條件下,系統(tǒng)工作于打嗝模式;在重載條件下,電路工作于連續(xù)電流模式[4].在系統(tǒng)工作過程中,連續(xù)工作電流模式也就是脈沖寬度調(diào)制模式[8].負(fù)載輕重的檢測是通過AVCS模塊實(shí)現(xiàn)的.在連續(xù)工作模式中,根據(jù)輸入電壓(VIN)的不同分為升壓模式、升壓降壓模式和降壓模式.當(dāng)VIN低于3.3 V時(shí),工作在升壓模式,此時(shí)P1導(dǎo)通,N1關(guān)斷,P2和N2交替導(dǎo)通,功率管導(dǎo)通的占空比與VIN有關(guān);當(dāng)VIN高于3.3 V時(shí),工作在降壓模式,此時(shí)P2導(dǎo)通,N2關(guān)斷,P1和N1交替導(dǎo)通,功率管導(dǎo)通的占空比與VIN有關(guān);當(dāng)VIN值在接近3.3 V時(shí),工作在升壓降壓模式,反饋電壓可以通過邏輯模塊控制4個(gè)功率MOS的導(dǎo)通或關(guān)斷.在升壓降壓模式下,此種開關(guān)方式有比較高的效率[9].傳統(tǒng)的升壓降壓芯片在輸入電壓和輸出電壓接近時(shí),工作方式接近于低壓差線性穩(wěn)壓器,在功率MOS上消耗比較大的能量.

電路的整體工作方式為電流模感應(yīng)方式.平均電流模感應(yīng)電路如圖2所示,低頻RC濾波器加入到輸出VISEN1中作為峰值電流檢測,峰值電流為電路工作于連續(xù)電流模式時(shí)的電感電流最大值.在升壓模式下,在電感充電過程中(此時(shí)P2導(dǎo)通,N2截止),AVCS起到采樣電流的作用.當(dāng)電流值逐漸增大使得VISEN2高于VREF1時(shí),系統(tǒng)工作模式從打嗝模式過渡到脈沖寬度調(diào)制模式.在檢測到負(fù)載成為輕載時(shí),為了讓VISEN2快速降下來使系統(tǒng)進(jìn)入打嗝工作模式,VISEN2到地之間放置一個(gè)二極管D1.當(dāng)在脈沖寬度調(diào)制模式下電流特別大時(shí),也可以讓電感電流限制在設(shè)定值內(nèi),防止負(fù)載電流過大.

當(dāng)工作于升壓過程的脈沖寬度調(diào)制模式下時(shí),由于ID是非連續(xù)電流,VISEN1也是一個(gè)跳變電壓.VH為VISEN1的高電平,VL為VISEN1的低電平.在圖1中,VISEN1上有RC濾波器,V1為電感放電周期前VISEN2的電壓,V2為電感放電周期后VISEN2的電壓,V3為電感充電周期后VISEN2的電壓,D為電路工作過程中充電時(shí)間的占空比.電感上電流經(jīng)過1/N的衰減后表現(xiàn)在平均電流模感應(yīng)模塊上產(chǎn)生ISEN.電壓VISEN2可以通過電壓VISEN1來計(jì)算之.

當(dāng)t＜(1-D)T時(shí),電感處于放電周期,CF1上的電壓是VISEN1經(jīng)過RF1的濾波器得到的.VISEN2可以這樣計(jì)算:

當(dāng)(1-D)T＜t＜T時(shí),電感處于充電周期,電流從CF1經(jīng)過RF1流出,此時(shí)

當(dāng)V1=V3≈V2時(shí),在升壓模式下,IR=(1-D)ID,所以得到

當(dāng)工作于降壓過程的脈沖寬度調(diào)制模式下時(shí),ID是連續(xù)電流,VISEN1也是一個(gè)連續(xù)電壓,所以VISEN2與VISEN1幾乎相同,此時(shí)ID=IR.故

圖1　升壓降壓芯片主要的內(nèi)部模塊圖

圖2　平均電流模感應(yīng)電路

可以總結(jié)得到在所有的工作模式下:

在升壓降壓工作過程中,隨著負(fù)載變化,功率管都可以工作在連續(xù)電流模式或者打嗝模式下.負(fù)載電流決定了工作模式[2,10].當(dāng)負(fù)載電流比較小時(shí),VISEN2＜VREF1,此時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入打嗝模式,其他情況下電路工作在脈沖寬度調(diào)制模式.

1.2系統(tǒng)不同的工作模式

當(dāng)轉(zhuǎn)換器在連續(xù)工作模式下時(shí),隨著VIN的上升分別工作于升壓、升壓降壓、降壓工作模式.但在3種工作狀態(tài)下,可以用一套補(bǔ)償模式.在電路內(nèi)部,有專門名為BURST的信號(hào)會(huì)基于負(fù)載大小調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作于打嗝模式還是脈沖寬度調(diào)制模式.Ilimit為電感電流的最大值,電感電流在任何工作模式下都要被限定在Ilimit以下.Izero是在打嗝模式下電感電流認(rèn)定的電流下限值.如果電流值到達(dá)Izero,系統(tǒng)認(rèn)定此時(shí)電感電流已經(jīng)降為零.在打嗝模式下,如果電感電流降低到Izero,則4個(gè)功率管都關(guān)斷,直到反饋電壓低于設(shè)定值,才會(huì)有新的電感電流上沖.在打嗝模式下是不存在負(fù)電流的,這樣在輕載下效率就會(huì)大大提高[2].在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器中,輕載與重載下都使用一種工作模式.在輕載時(shí),為了保持穩(wěn)定輸出,會(huì)有負(fù)的電感電流存在,導(dǎo)致在輕載時(shí)效率都會(huì)低于60%[7,11].在輕載時(shí)進(jìn)入打嗝模式,系統(tǒng)可以在各種應(yīng)用情況下都保持高效率.在系統(tǒng)處于待命模式下(空載時(shí)),系統(tǒng)僅有30μA靜態(tài)電流.如果在便攜式設(shè)備中應(yīng)用該轉(zhuǎn)換器,則可以大大地延長電池的使用壽命.

tXY定義為在一個(gè)周期內(nèi)X MOS和Y MOS都導(dǎo)通的時(shí)間.為一個(gè)周期內(nèi)主開關(guān)管P1和N2同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間,為一個(gè)周期內(nèi)主開關(guān)管P1和P2同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間,為一個(gè)周期內(nèi)主開關(guān)管N1和P2同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間.在重載時(shí),根據(jù)VIN和VOUT的關(guān)系,工作于升壓模式、降壓模式或者升壓降壓模式.基于電感電壓二次平衡原理[10],VOUT和VIN的關(guān)系為

如果VIN＜VOUT,則系統(tǒng)工作于升壓模式,此時(shí)P1導(dǎo)通,N1截止,P2和N2在同一個(gè)周期內(nèi)開關(guān)交替導(dǎo)通,轉(zhuǎn)換比例為)

如果VIN＞VOUT,則系統(tǒng)工作于降壓模式,此時(shí)P2導(dǎo)通,N2截止,P1和N1在同一個(gè)周期內(nèi)開關(guān)交替導(dǎo)通,轉(zhuǎn)換比例為

如果VIN≈VOUT,則系統(tǒng)工作于升壓降壓模式,P1、P2、N1、N2在幾個(gè)周期內(nèi)交替導(dǎo)通,轉(zhuǎn)換比例為

當(dāng)系統(tǒng)工作在升壓降壓模式時(shí),平均電感電流值接近負(fù)載電流.在升壓降壓型芯片工作過程中有如此高的效率,在同類型芯片中是比較有創(chuàng)新性的.4個(gè)功率MOS導(dǎo)通的交疊時(shí)間是比較重要的.太短的交疊時(shí)間會(huì)導(dǎo)致非連續(xù)的模式切換,太長的交疊時(shí)間又會(huì)導(dǎo)致低效率.所以在邏輯控制模塊控制合適的交疊時(shí)間(模式切換導(dǎo)通間隔在12 ns左右),可以在保持高效率的同時(shí)使模式穩(wěn)定切換.

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該款高效多模式升壓降壓轉(zhuǎn)換器使用0.18μm CMOS工藝流片.表1為芯片的各項(xiàng)性能指標(biāo).圖3為芯片的顯微照片,芯片的裸片面積為1.58 mm×1.93 mm.EA為誤差放大器模塊,BG為電壓基準(zhǔn)模塊,UVLO為欠壓鎖存模塊,BIAS為基準(zhǔn)電流模塊,OSC為振蕩器模塊,IZERO為零電流檢測模塊,POWER MOS為功率電阻部分.輸出電壓為3.3 V,輸入電壓為2.5～5.5 V,工作頻率為2.4 MHz.

圖4為在不同負(fù)載電流情況下測試?yán)L成的工作效率曲線.當(dāng)VIN=2.7 V時(shí),工作在升壓模式;當(dāng)VIN= 3.3 V時(shí),工作在升壓降壓模式;當(dāng)VIN=4.2 V時(shí),工作在降壓模式下.在1 A負(fù)載、4.2 V輸入情況下,可以達(dá)到95%的峰值效率.在正常的負(fù)載范圍內(nèi)(負(fù)載大于30 m A),升壓降壓工作效率都可以超過85%.

表1　性能指標(biāo)

圖3　芯片的顯微照片

圖4　芯片在不同輸入情況下的效率

隨著負(fù)載電流的變化,系統(tǒng)可以在打嗝模式和脈沖寬度調(diào)制模式平穩(wěn)切換.圖5(a)所示為芯片在4.2 V輸入、2 A負(fù)載跳變下的仿真結(jié)果;圖5(b)所示為芯片在4.2 V輸入、負(fù)載電流在10 m A與2 A之間互相切換的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.CH1代表輸出的交流紋波,CH3代表輸入電壓,CH4代表負(fù)載電流.在10 m A負(fù)載下,芯片工作在打嗝模式;在2 A負(fù)載時(shí),工作在脈沖寬度調(diào)制模式.負(fù)載從2 A到10 m A跳變會(huì)引起6 m V的輸出跳變,負(fù)載從10 m A到2 A跳變會(huì)引起7 m V的負(fù)載跳變.但是,在傳統(tǒng)方法下2 A負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)會(huì)引發(fā)大約50 m V的輸出跳變[4].使用此種模式轉(zhuǎn)換方式可以大大地降低負(fù)載調(diào)整率.系統(tǒng)負(fù)載跳變的恢復(fù)時(shí)間可以低至60μs,相比于傳統(tǒng)模式的升壓降壓芯片,恢復(fù)時(shí)間有較明顯縮短.

圖5　負(fù)載跳變圖

3　結(jié)束語

以上介紹了一種高效多工作模式低靜態(tài)電流升壓降壓型轉(zhuǎn)換器.這種轉(zhuǎn)換器在打嗝模式和脈沖寬度調(diào)制模式之間可以平穩(wěn)切換.在2 A負(fù)載跳變時(shí),輸出跳變可以維持在0.3%之內(nèi).在升壓降壓模式工作中,負(fù)載電流與電感電流大小差不多.在電路所有工作模式中都可以保持高效率.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了這種轉(zhuǎn)換器具有高工作效率和良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性.文中介紹的轉(zhuǎn)換器適合鋰電池供電的便攜式設(shè)備,可以較大地提高電池壽命.

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(編輯:郭 華)

Rapidly transient response with the flexible mode and high-efficiency buck-boost converter

CHENG Liye,LAI Xinquan
(Ministry of Education Key Lab.of High-Speed Circuit Design and EMC,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

A novel current sensing technique with a rapidly transient and flexible mode buck-boost converter is presented.The converter can work in an appropriate mode according to the input voltage(VIN)and inductor current(IL),with smooth transition and flexible working modes achieved.The average current sensing(AVCS) circuit has an accurate measurement of IL.The transient response time is also decreased.The current sensing converter is implemented in the Silterra 0.18μm COMS process.Experimental results show 95%peak efficiency at an output current 1 A with 4.2 V VIN,so that the converter can extend the battery life.The output transient with the load current altering from 0 to 2 A is 6 m V and the recovery time is 60μs.

multi modes;rapidly response;high efficiency;average current sensing;smooth switching

TN432

A

1001-2400(2016)05-0093-05

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.05.017

2015-08-04 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2015-12-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61106026)

成立業(yè)(1989-),男,西安電子科技大學(xué)博士研究生,E-mail:chengliye4213@126.com.

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20151210.1529.034.html