您好,欢迎来到九壹网。
搜索
您的当前位置:首页一种用于低压Boost型DC-DC转换器的启动电路

一种用于低压Boost型DC-DC转换器的启动电路

来源:九壹网
2010年6月 西安电子科技大学学报(自然科学版) JOURNAL 0F XIDIAN UNIVERSITY Jun.2010 V0l_37 No.3 第37卷第3期 一种用于低压Boost型DC-DC转换器的启动电路 陈富吉,来新泉,李玉山,叶 强,袁 冰 (西安电子科技大学CAD研究所,陕西西安 710071) 摘要:提出了一种适用于低输入电压Boost型DC—DC转换器的启动电路.该电路先通过开环工作使 DC-DC芯片启动,再采用从输出端取电方式来提供电源让芯片正常工作,它的最小启动电压可达1.5 V, 电源引脚工作电流极小.此电路已在UMC 0.6 gm BCD工艺线上投片验证,测试结果表明芯片可以在 大于或等于1.5 V的输入电压下进行启动并正常工作,电源引脚静态电流仅为18肛A,在1.5 V转7 V的应 用条件下,电感峰值电流达2A. 关键词:升压型DC~DC;低输入电压;启动电路 中图分类号:TN432 文献标识码:A 文章编号:1001 2400(2010)03—0476-05 Design of a low input voltage startup circuit f0r the Boost DC—DC converter CHEN F札一ji.LAI Xin—quan,LI Yu—shan,YE Qiang.YUAN Bing (Research Inst.of Electronic CAD,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China) Abstract:This paper presents a startup circuit for a low voltage Boost DC—DC converter.Firstly.the DC-DC converter is started in the open loop,and then the converter is powered by the output port for normal operation.Secondly,the minimum vohage of the circuit is as low as 1.5 V.Thirdly,the quiescent current of the VIN Pin is smal1.Finally,the circuit is designed and implemented by UMC 0.6“m BCD technology.Experimental results demonstrate that DC—DC can be started up in an input voltage greater than or equal to 1.5 V.The quiescent current of the VIN is only 18 A.With IN一1.5 V and V0uT一7 V,the peak current of the inductor is 2 A. Key Words: DC—DC Boost:lOW voltage:startup circuit DC—DC转换器由于具有效率高、输出电流大、静态电流小、体积小等优点而在手持式设备和便携式产品 中得到广泛应用,但延长电池工作时间,减小电源体积仍是设计人员面临的主要问题.为了满足日益苛刻的 功耗与体积要求,电源设计工程师采用了很多措施来提高效率,如同步整流技术[】 ;在一些中小功率应用 场合,通过将功率开关管与控制器集成形成一个真正的单片集成DC~DC芯片L3。 ,节省了PCB面积.近几 年来不断改进的半导造工艺为此类高度集成提供了便利. 同时,DC—DC转换器的发展也Et趋高频化,目前开关频率已达到几兆赫兹,从而允许使用更小体积的电 感器和电容器,使DC—DC稳压电源体积达到最小化以及效率最大化口 ¨].在使用镍镉、镍氢等电池供电的轻 巧便携式消费类电子产品中,通过减少电池节数、使用低输入电压Boost型DC—DC芯片来减小供电电源部 分的体积成为电源设计工程师的一个新思路.此类Boost型DC—DC芯片由于输入电压较低,如何保证控制 电路正常启动工作变得非常重要.笔者给出了一种应用于单节普通电池(镍镉、镍氢或干电池等)供电的 Boost型DC-DC转换器中的启动电路.电路采用从输出端取电方式为芯片提供电源,即设法使芯片先启动 起来,输出电压升至足够高,满足正常控制模块工作需要时,切换电路工作状态,进入正常工作控制,得到稳 收稿日期:2009—01—09 基金项目:教育部超高速电路与电磁兼容重点实验室专项资助项目(YzcB2OO80O7) 作者简介:陈富吉(1977一),男,西安电子科技大学博士研究生,E mail: ̄chen@126.corn. 第3期 陈富吉等:一种用于低压Boost型DC—DC转换器的启动电路 477 定的输出电压. 1系统工作原理 低输入电压Boost型DC—DC芯片的工作过程可以分为两个阶段,即开环启动阶段和闭环工作阶段.在 启动阶段,芯片电源开始上电,输出电压较低,无法为芯片内部带隙基准、振荡器、电流比较器等构成的主控 制电路供电.因此启动电路需要由输入电压供电,产生一个矩形波信号驱动NMOS功率开关管开关,使外接 电感能够完成能量存储和释放,将能量不断地从电池转移到输出电容上.输出电压逐渐升高,直到输出电压 值足够保证芯片内部的主控制电路正常工作时,启动阶段结束,这时输出电压大约为2.5 V.然后芯片进入闭 环工作阶段,由芯片的主控制电路控制输出电压稳定于设定值. ’‘ f {盘 D珊 RV C . LX LD0一OK… r, 。 2蚀5v4j .(_ BIAS 墨陆L——————r] l l 一 t ‘\ nnn ._J -_J : R 。 广 = 一 : 一 Rm FB DRV————+ I:一垦骂 l: Ic ———一 ,0 JUU。 I  l/ R s五丽 _/ OpenLoop I SENSE l GND ● 一 图1 低压启动的DC—DC系统框图 启动控制原理框图如图1所示.DRV O为启动阶段的开关控制信号;DRV—C为正常工作阶段的开关 控制信号;LDO—OK为使能信号,来自于启动完成检测模块,当启动完成时,将开关管驱动信号切换为DRV C,并关闭启动电路,减小芯片功耗,提高转换效率.M1,R 构成电流传感器.该启动控制结构不仅能满足较 低输入电压情况,也能满足较高输入电压情况. 2启动电路设计 启动电路既要保证电路在输入电压范围内可以正常启动,又不能消耗太多的电流[1 。 .启动电路的结 构框图如图1所示,主要由3部分组成:电流偏置IBIAS,振荡器OSC和过流检测ICMP. ISENSE为功率开关管电流的检测信号,DRV—O为功率开关管的栅驱动信号,反映了开关管的工作状 态.启动电路实质上是一个可以工作在低压条件、没有电压反馈的峰值电流升压型DC-DC转换器.如图 1所示,振荡器模块输出的周期性矩形波DRV—O经过二选一开关、驱动电路,又引回至振荡器,构成一正反 馈的闭合环路.在输入电压较高情况下,当开关管导通时,电感两端压差很大,电感电流很容易上升到很高 值,使功率开关管寿命降低甚至损坏.过流检测模块的作用就是在过流时关闭功率开关管,延长开关管使用 寿命.因为启动电路不需要输出电压反馈电路,振荡器输出DRV一0信号的占空比保持恒定,如果没有出现 开关管过流情况,DRV—O的周期也保持恒定. 2.1 电流偏置电路 电流偏置电路产生与电源无关的偏置电流,其设计也非常重要.如图2(a)所示,Q0,Q ,R 构成峰值电 流镜;M ~M 。构成比例电流镜;M ~M4,M6构成启动电路. 对于峰值电流镜,忽略Q。,Q 的基极电流,根据KVL,有 VBE( )一Ic(Qn)尺1+ BE(Q.) . (1) 478 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第37卷 又由于 BE—VT In(Ic/is),于是有 Qln(/c(Q)/S(o))一IC(Qo)R1+VT ln(Ic(Q1)/Is(Q】)) o(2) 综合式(1)和式(2),Ic(Q0),Ic{Q )有如下关系(见图2(b)中曲线A): Ic{Q1)≈NIc(Qo)exp(一/C(Qo)Rl/ T), (3) 式中N—Is(Q Is(Qo). 蜒 丑 察 输入电流,nA (b) 图2 电流偏置电路 对于比例电流镜,由于M8.~MI。宽长之比为I:1(见图2(b)中曲线B),因此 Ic(Qn)一Jc(Q ) . (4) 由式(3)和式(4)得(即图2(b)中曲线A与B交点) Jc( )一1c( )一VT in N/R1 . (5) 由此得到与电源无关的偏置电流.因为VT一26 mV,N取4,R 取80 kD,计算得 c(q1)一 c(Q1)===0.45 A. 2.2振荡器 图3所示为采用恒流充放电结构的振荡器口 .此结构的振荡器以双比较器为核心,用恒流源对电容进行 充放电得到的上升/下降电压斜坡与比较器设定门限比较,再经控制逻辑和驱动电路反馈得到一固定周期的矩 形波.两个比较器,一个阈值较高,另一阈值较低,分别称为高端比较器和低端比较器.为得到低压条件下稳定 的阈值电压,笔者利用BE结电压相对稳定的特点,高端比较器采用共射放大器,低端比较器采用共栅放大器. 图3振荡器电路 如图3所示,高端比较器由Q ,M 构成;低端比较器由M ,M7,M 。,M1 ,R。构成;M3,M4,M8,M9 构成充放电电路; ~M 构成等比例电流镜,输出电流i .高端比较器的门限电压、,r 即为Q 的BE结导 通电压V蹦Qt).低端比较器的门限电压 为 I 一 g( )一Vth(M ) , Vg(M1 )一Vg(M) , 1 (6) (7) 第3期. 陈富吉等:一种用于低压Boost型DC—DC转换器的启动电路 479 Vg(M11)===( ) 。+ t c + cRz. VI ≈icR2 . (8) 因为i非常小,J ̄(W/L)M1 较大,上式中根式(即M11的过驱动电压)很小,因此综合式(6)~(8)有 (9) 表1为无开关管过流(I M 一0)情况下一 个振荡周期内的状态变化. C。上的电压. 表1 一个周期的状态转换 表示图3中电容 C。的充电时间为 Tl一( H—vL)c。/i , (10) C。的放电时间为 Tz一( H— L)c。/ d一 (11) (Vn—V )C。/E(M~1)ic] , 式中M一(W/L)M:(w o /L)Ma M , >1.矩形波的占空比为D===T /(T +Tz)一1—1/M, (12) 而Boost型DC—DC的最大占空比为 DMAx一(\ y1一  MAIN(M AX)), ×100%一(\ u1一 ) , ×100%一70%. 路模式下的振荡频率,设计启动电路模式下振荡频率为600 kHz. 2.3过流检测电路 (13) 因此设计矩形波占空比为75 ,以保证在最坏情况(V 一1.5 V)下芯片的正常启动.同时参考主控制电 图1中的开关管M2和检测管M1在导通时工作在线性区,相当于电阻,将开关管检测电流变换成检测 电压V REF.由于R 》R。 M ,设电流值为 L¨Ⅵz-r,因此有 VI sENsE≈VLx—RoN( )ILlMIT . (14) 过流检测电路如图4所示, ~M1。为等比例电流镜,设电流为Jc .得到过流检测电路的电压阈值为 VIREF:==RoN(M ~ I  , M1 )cL1 (15) 其中M1。~M1 与开关管M。是同类型的器件,保证导通电阻变化相同.综合式(14)和式(15)有 IJIMIT一(RoN(M ~M )/RoN(u2))IcL—kIcL , (16) 式中是一R。 M¨~M1E /R。 ( ).适当选取电流值工c 和k,即可设置需要的电流门限. 图4过流检测电路 图5 VI 一1.5V时启动过程测试波形 3测试结果及分析 启动电路已应用在某款超低电压输入的Boost型DC-DC转换器中,并在UMC 0.6 m BCD工艺上进 行投片验证.图5所示的是在低压输入情况( 一1.5 V)下芯片的启动过程测试波形,其中工 是电感电流, 480 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第37卷 。 是DC—DC的输出电压, 是输入电压.从图中可以看出,在V 一1.5 V时芯片仍能正常启动工作.表2 为DC-DC转换器的主要参数. 表2 Boost DC—DO主要技术参数 参数 测试结果 参数 测试结果 N电压范围/V 1.5~5.5 开关管导通电阻/n 0.2 1w静态电流/ A 18 工作频率/MHz 1.2 Vou 电压范围/V 5~14 负载调整率(O~200 mA)/ 1 峰值电流/A 2 4结束语 笔者提出了一种适用于低输入电压Boost型DC—DC转换器的启动电路,并已在0.6 Fm BCD的工艺上 进行投片验证.与其他启动电路的模式不同的是,该电路可以在极低的输入电压下先以开环方式工作,等输 出电压上升后再采用输出端取电的方式给启动电路提供电源,从而实现DC~DC转换器的快速启动.这种电 路结构简单,容易实现,占用版图面积小,同时输入电压引脚消耗的电流仅18 A,减小了供电电源的负载电 流要求.由测试结果可以看出,即使在V 一1.5 V的低电压情况下,输出电压仍可以启动到7 V,确保带隙基 准、误差放大器和电流比较器等主控制电路工作起来.目前,该电路已应用于某款低输入电压Boost型DC— DC芯片中. 参考文献: Eli Lin T Y,Jen M C,Chung W Y,et a1.A Monolithic Buck DC-DC Converter with On—chip PWM Circuit[J]. Mieroelectronies Journal,2007,38(8—9):923—930. E23 吴限,尹华,王斌.一种低压大电流DC—DC电源的设计[J_.微电子学,2004,34(2):178—180. Wu Xian,Yin Hua,Wang Bin.Design of a Low Voltage and High Current DC-DC Converter[J].Microelectronics, 2004,34(2):178-180. I-3-1 Zhang C M,Shao Z B.Cascade Controller with Sliding—mode—voltage and Current—mode for Monolithic High Frequency DC—DC Converters[J3.Analog Integrated Circuits and Signal Processing,2008,54(3):143—155. [43 Andrea B,Alessandro C,Alessio F.DC-DC Converter for Fuel—cells and Portable Devices in Digital CMOS Technology [YJ.Analog Integrated Circuits and Signal Processing,2008,55(1):92—102. [5] 余海生,蔡建荣,刘健.TOPSwitch集成电路在DC/DC电源设计中的应用[J].微电子学,2003,33(2):169—172. Yu Haisheng,Cai Jianrong,Liu Jian.Application of TOPSwitch Integrated Circuit in DC/DC Power Supply I-J-1. Mieroelectronics,2003,33(2):169—172. [6] 陈富吉,来新泉,李玉山.一种自适应斜坡补偿电路的设计与实现[J].半导体学报,2008,29(3):112—116. Chen Fuji,Lai Xinquan,Li Yushan.Design and Implementation of an Adaptive Slope Compensation Circuit[J].Journal of Semiconductors,2008,29(3):112—116. [73 王红义,来新泉,李玉山,等.一种DC—DC芯片内建可测性设计[J].半导体学报,2005,26(9):1848—1853. Wang Hongyi,Lai Xinquan,Li Yushan,et a1.A Design for Builtqn Testabil ity of DC—DC Converter Chip[刀.Journal of Semiconductors,2005,26(9):1848—1853. [8] 刘帘曦,杨银堂,朱樟明.恒流LDO型白光LED驱动芯片的设计研究[J].西安电子科技大学学报,2007,34(2): 264—269. Liu Lianxi,Yang Yintang,Zhu Zhangming.The Design Research on the Constant Current LDO Driver of the White Light LED叨.Journal of Xidian University,2007,34(2):264—269. [9] 袁冰,来新泉,贾新章,等.片内频率补偿实现电流模DC—DC高稳定性[J].西安电子科技大学学报,2008,35(4): 685—690. Yuan Bing,Lai Xinquan,Jia Xinzhang,et a1.Implementation of High Stability with On—chip Frequency Compensation in a Current Mode DC-DC Converter[J].Journal of Xidian University,2008,35(4):685—690. (下转第506页) 5O6 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第37卷 作为迭代过程中的未知向量进行求解,可以有效地减少达到收敛标准的迭代计算步数,从而节省了求解时间. 参考文献: [1]Harrington R F.Field Computation by Moment Methods[ .New York:Macmillan,1968. [2] Rao S M,Wilton D R,Glisson A W.Electromagnetic Scattering by Surfaces of Arbitrary Shape[J].IEEE Trans on Antennas Propagat,1982,30(3):409—418. [3] 王少刚,关鑫璞,王党卫,等.求解电场积分方程的高阶矩量法_J].电子与信息学报,2007,29(9):2265—2268. Wang Shaogang,Guan Xinpu,Wang Dangwei,et a1.Solution of the Electric Field Integral Equation Using Higher-0rder Method of Moments口].Journal of Electronics&Information Technology,2007,29(9):2265—2268. [4]陈铭,张玉,王楠,等.基于NURBS建模技术的物理光学方法的遮挡判断[J].西安电子科技大学学报,2006,33(3): 430—432. Chen Ming,Zhang Yu,Wang Nan,et a1.Study of the Shadowing Technique in the NURBS-PO Method[J].Journal of Xidian University,2006,33(3):430—432. [5]Lu C C,Chew W C.A Multilevel Algorithm for Solving Boundary Integral Equations of Wave Scattering[J].Microwave Opt Technol Lett,1994,7(10):466 470. [6]袁军,邱扬,刘其中,等.自适应多层快速多极子算法及其并行算法[J].电波科学学报,2008,23(3):455—459. Yuan Jun,Qiu Yang,Liu Qingzhong,et a1.Adaptive Multilevel Fast Multipole Algorithm and Its Parallel Algorithm [J].Chinese Journal of Radio Science,2008,23(3):455—459. [7] Song J,Lu C,Chew W C.Multilevel Fast Multipole Algorithm for Electromagnetic Scattering by Large Complex Objects 口].IEEE Trans on Antennas Propagat,1997,45(1O):1488—1493. [8] Ahn C H,Chew W C,Zhao J S,et a1.Approximate Inverse Preconditioner for Near Resonant Scattering Problems[C]// Antennas and Propagation Society International Symposium:3.Atlanta:IEEE,1998:1546~1549. [9] Gtirel L,Ergal 0.Comparisons of FMM Implementations Employing Different Formulations and Iterative Solvers[C-]// Antennas and Propagation Society International Symposium:1.New York:IEEE,2003:19—22. [1o]Lee J,Zhang J,Lu C.Sparse Inverse Prec0nd|tioning of Multilevel Fast Multipole Algorithm for Hybrid Integral Equations in Electromagnetics[J].IEEE Trans on Antennas Propagat.,2004,52(9):2277—2287. [11]Xie Y,Zhang Y,Liang C,et a1.Physical-Interrelated-Based Precondition Method and Its Applications in Electromagnetic Sattering and Radiation Problems叨.J of Electromagn Waves and Appl,2005,19(3):307—323. (编辑:郭 华) (上接第480页) [1o] Yuan Bing,Lai Xinquan,Wang Hongyi,et a1.The Design of a Start—up Circuit for Boost DC—DC Converter with Low Supply Voltage[C]//The 7th International Conference on ASIC.Guilin:Inst of Elec and Elec Eng Computer Society, 2007:512—515. [11] Abutbul O,Gherlitz A,Berkovich Y,et a1.Step—up Switching—mode Converter with High Voltage Gain Using a Switched—capacitor Circuit厂J].IEEE Trans on Circuits And Systems I,2003,5O(8):1098—1102. [12]Wai R J,Duan R Y.High—efficiency Power Conversion for Low Power Fuel Cell Generation System[J].IEEE Trans on Power Electronics,2005,20(4):847—856. [13]Wai R J,Duan R Y.High Step—up Converter with Coupled—inductorVJ].IEEE Trans on Power Electronics,2005,20 (5):1025—1035. [14]Qadeer A K,Sanjay K W,Kulbhushan M.Low Power Startup Circuits for Voltage and Current Reference with Zero Steady State Current Ec]//International Symposium on Low Power Electronics and Design.Seoul:Association for Computing Machinery,2003:184~188. [1 5] Maghari N,Shoaei O.A Dynamic Start—up Circuit for Low Voltage CMOS Current Mirrors with Power-down Support [q//IEEE International Symposium on Circuits and Systems:Vol 5.New York:IEEE,2005:4265—4268. [16]Alan B G.Bipolar and MOS Analog Integrated Circuit Design[M].New York:John Wiley&Sons,1984:541—590. [17] 来新泉,潘华兵,陈富吉.一种温度不敏感频率范围宽的三角波振荡器rJ].电路与系统学报,2005,10(3):85—88. Lai Xinquan,Pan Huabing,Chen Fuj i.A Temperature—insensitive Triangular—wave Oscillator Circuit with Wide Range of Frequency[J].Journal of Circuits and Systems,2005,10(3):85—88. (编辑:郭 华) 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- 91gzw.com 版权所有 湘ICP备2023023988号-2

违法及侵权请联系:TEL:199 18 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务