一種恒定頻率電流模式PWM 降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)*

謝亞偉，王津飛

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院微電子學(xué)院，江蘇 無錫 214153）

恒定頻率的電流模式PWM 降壓轉(zhuǎn)換器在便攜式應(yīng)用中被廣泛使用，此器件要求在采用單節(jié)鋰電池供電輸出較大電流時(shí)的效率仍能達(dá)到較高的水平；另外，為了延長手持設(shè)備電池的供電時(shí)間，通常要求這類器件在占空比為100%時(shí)工作處于低壓降狀態(tài)；還有在負(fù)載較輕時(shí)輸出時(shí)紋波要非常小，以降低對(duì)噪聲敏感設(shè)備的影響。

本文所介紹的SX1145 是一款1.5MHz 恒定頻率的電流模式PWM 降壓轉(zhuǎn)換器，在輸入電壓為2.5～5.5V 范圍內(nèi)能提供高達(dá)1.5A 的負(fù)載電流，輸出電壓可以低至0.6V。高的開關(guān)頻率使得在采用小尺寸外圍元件的情況下保持較低的開關(guān)損失。內(nèi)部斜率補(bǔ)償設(shè)置使得在采用低值電感的情況下保持高的效率。

1 關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述恒定頻率的電流模式PWM 降壓轉(zhuǎn)換器的要求，需要在電路的關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)方面作一些特殊考慮，下面作具體介紹。

1.1 低電壓檢測模塊

該模塊的原理如圖1 所示。

圖1 低電壓檢測模塊原理圖

比較器的反相輸入端是帶隙基準(zhǔn)電壓1.2V，低壓復(fù)位值由電阻R0 和R1 的比值決定，低壓檢測的閾值電壓是2.31V 和2.15V，如圖2 所示。

圖2 低電壓檢測模塊仿真結(jié)果

1.2 過熱保護(hù)電路

當(dāng)內(nèi)部功率耗散太大時(shí)，過熱保護(hù)電路禁止開關(guān)開啟。過熱保護(hù)閾值溫度是170℃，滯回溫度是10℃。當(dāng)過熱情況或過流情況移除后，輸出電壓自動(dòng)恢復(fù)。過熱保護(hù)電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 過熱保護(hù)電路原理圖

假設(shè)溫度從室溫開始上升，開始時(shí)OTN 為高電平，電路處于正常工作狀態(tài)，N2 管開啟，W1 約為420mV，W2的電位在室溫時(shí)約為0.6V，當(dāng)溫度升高時(shí)，W2 的電位逐漸下降，當(dāng)W2 的電位比W1 低時(shí)，N1 開啟，OTN 變?yōu)榈?，電路處于過熱保護(hù)狀態(tài)，此時(shí)N2 截止，W1 電位升高，只有管芯的溫度下降，W2 電位上升到高于W1 電位時(shí)，電路才脫離過熱保護(hù)狀態(tài)。

1.3 軟啟動(dòng)電路

軟啟動(dòng)電路限制了輸入浪涌電流并且消除了輸出電壓過沖。使能端（EN）高有效，當(dāng)EN 端接低電平時(shí)，電路進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)電路電源電流小于1uA。軟啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 軟啟動(dòng)電路原理圖

上電復(fù)位后，計(jì)數(shù)器在約1.2mS 內(nèi)從0×00 上行計(jì)數(shù)到0×7F。計(jì)數(shù)器的輸出值有DAC 電路轉(zhuǎn)換為0～0.6V 的參考電壓，作為誤差放大器的輸入?yún)⒖茧妷骸?/p>

1.4 斜率補(bǔ)償電路

斜率補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路如圖5 所示。

圖5 斜率補(bǔ)償電路原理圖

0.7V 和0.9V 是兩個(gè)參考電壓，OSC_SAW 是振蕩器輸出的鋸齒波，VBH_COMP 是斜率補(bǔ)償參考電壓。I0、I1和I2 是偏置電路提供的恒定電流源。每個(gè)振蕩周期的開始，OSC_SAW 為最低電平，I0 和I1 的電流從N0 流到地，N1 管沒有電流流過，N2 管也沒有電流流過。

圖5 中P4 管的電流就是I2 的電流。當(dāng)OSC_SAW上升到0.7V 時(shí)，I0 的電流開始從N1 管流過，電流通過N2 鏡像到P4 管，流過P4 管的電流逐漸增大；當(dāng)OSC_SAW 上升到0.9V 時(shí)，I1 的電流開始從N1 管流過，電流通過N2 鏡像到P4 管。這種分段變化的補(bǔ)償方法避免因?yàn)檠a(bǔ)償過大而影響峰值電感電流，空載時(shí)甚至使電流模式失效。

1.5 峰值電流合成電路

峰值電流合成電路結(jié)構(gòu)如圖6 虛線框外的部分所示，VBH 提供偏置電壓，P0、P3 和P6 流過恒定電流。在每個(gè)振蕩周期中，OSC_OUT 從低向高升時(shí)，流過N1 管的電流逐漸增大，流過P7 的電流也逐漸增大，隨著時(shí)間的增加，由峰值電流合成電路產(chǎn)生的電流在電阻R0 上產(chǎn)生的電壓降越大，使電流比較器I1 翻轉(zhuǎn)時(shí)間提前，完成斜率補(bǔ)償，保持反饋環(huán)路穩(wěn)定。

圖6 峰值電流合成電路原理圖

1.6 電流偏置電路

電流偏置電路包括帶溫度系數(shù)的偏置電路和恒定電流源偏置兩部分。

帶溫度系數(shù)的電流偏置電路的結(jié)構(gòu)如圖7 所示，圖7 中P0 和P1、N0 和N1 組成兩個(gè)電流鏡，W3 和W4 的電位相同，并且流過Q0 和Q1 的電流相同，由于Q1 的發(fā)射區(qū)面積是Q0 的8 倍，所以Q1 發(fā)射結(jié)的電流密度是Q0發(fā)射結(jié)電流密度的1/8，W3 和W4 的電壓差是V（W3，W4）=VTln（8）=kTln（8）/q（室溫下約為52mV），這個(gè)壓差加在電阻R0 兩端，確定了回路的電流。從式中可以看出，電阻R0 兩端的電壓和絕對(duì)溫度成正比，所以，隨著溫度的上升，R0 中的電流增大，呈正溫度系數(shù)。

圖7 帶溫度系數(shù)電流偏置電路原理圖

圖7 中虛線框內(nèi)是啟動(dòng)電路，假設(shè)電路沒有啟動(dòng)，則回路電流為0，P4 管中電流為0，P3 管和R1 串聯(lián)，P3 管的電流鏡像到P2 管，流過P2 管的電流經(jīng)過N0 和Q0 流到地，由于鏡像作用，N1 中也有電流流過，N1 中的電流也流過P1 管，再由P1 管鏡像到P0 管，于是回路中就有電流流過，此時(shí)P4 管也開啟，把W5 拉到高電平，P2 管關(guān)斷，電流源回路通過反饋工作在平衡狀態(tài)，啟動(dòng)過程完成，此時(shí)啟動(dòng)電路不再影響電流源回路。

恒定電流源偏置電路如圖8 所示，圖8 中運(yùn)放保持R1 的壓降為帶隙基準(zhǔn)電壓（1.2V），在不同溫度和電壓下R1 中的電流保持恒定，恒定電流從P0 鏡像到P1 和P2，給其他模塊提供穩(wěn)定偏置電流。電阻R1 的類型是高阻多晶電阻，這種類型的電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，當(dāng)溫度升高時(shí)，電流還是會(huì)增大。

圖8 恒定電流源偏置電路原理圖

2 結(jié)束語

本文介紹了一種恒定頻率的電流模式PWM 降壓轉(zhuǎn)換器中的關(guān)鍵模塊的電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要目標(biāo)是在滿足PWM 轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)的前提下，滿足工藝的要求，并且電路結(jié)構(gòu)盡可能簡單。上述設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)PWM 降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)具有較好的參考作用。