常昌遠(yuǎn) 陳 瑤 李 俊 朱銘強(qiáng)

(東南大學(xué)集成電路學(xué)院,南京210096)

近年來,隨著便攜式電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展,人們對(duì)開關(guān)電源的要求進(jìn)一步提高,提高效率以延長(zhǎng)使用時(shí)間成為DC-DC變換器的熱點(diǎn)研究方向[1-2].脈寬調(diào)制PWM與脈頻調(diào)制PFM是DC-DC變換器中使用較為普遍的2種控制方式.為了保證在重載時(shí)正常工作,PWM控制方式必須采用較高的頻率,但在輕載情況下,高的工作頻率會(huì)導(dǎo)致效率低下；而便攜式電子產(chǎn)品大部分時(shí)間都工作在輕載狀態(tài)或待機(jī)狀態(tài).為了有效增加電池使用時(shí)間,DC-DC變換器中更多使用的是PFM控制方式.常見的PFM調(diào)制模式包括強(qiáng)制PFM模式[3]、Burst模式[4]、Skip模式[5]等.其缺點(diǎn)在于,負(fù)載范圍窄,輸出紋波大,且其工作頻率是連續(xù)變化的,頻譜峰值沒有規(guī)律,從而會(huì)產(chǎn)生較大的電磁干擾[6].

在傳統(tǒng)的PWM和PFM基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)了一種采用雙頻控制方式的DC-DC變換器.這種控制方式可提供2個(gè)工作頻率,通過檢測(cè)負(fù)載的變化,使電路在這2個(gè)頻率之間切換,從而穩(wěn)定輸出電壓.這種控制方式克服了PWM在輕負(fù)載時(shí)效率低的缺點(diǎn),且與傳統(tǒng)的PFM相比,頻譜峰值分布有規(guī)律,有效降低了EMI[7],便于后續(xù)濾波器的設(shè)計(jì).

1 設(shè)計(jì)原理

雙頻PFM控制電路的示意圖見圖1.圖中，Vout，Vref分別為輸出電壓和參考電壓.選用誤差比較器和PFM控制器來對(duì)振蕩器進(jìn)行控制,從而在振蕩器中產(chǎn)生2個(gè)振蕩頻率.誤差比較器檢測(cè)輸出電壓,根據(jù)負(fù)載情況,選擇不同的充電電容,以產(chǎn)生不同頻率的控制信號(hào). PFM控制器則根據(jù)輸出的紋波電壓來實(shí)現(xiàn)跨周期控制.因此,誤差比較器的輸出信號(hào)和PFM控制電路的輸出信號(hào)共同決定了振蕩器的輸出信號(hào)CLK[8].

圖1 雙頻PFM控制電路

設(shè)雙頻PFM選取的2個(gè)頻率為fH和fL(fH>fL),對(duì)應(yīng)的工作周期分別為TH和TL(THDL).當(dāng)系統(tǒng)工作在重載時(shí),輸出電壓低于設(shè)定輸出值的下限,雙頻PFM調(diào)制方式選擇高頻脈沖信號(hào),對(duì)應(yīng)于大占空比DH.而當(dāng)系統(tǒng)工作在輕載時(shí),輸出電壓高于設(shè)定輸出值上限,雙頻PFM調(diào)制方式選擇低頻脈沖信號(hào),對(duì)應(yīng)于小占空比DL,從而使輸出電壓穩(wěn)定.當(dāng)系統(tǒng)工作在中載(即輸出電壓處于中間狀態(tài))時(shí),選擇2個(gè)頻率的不同組合來穩(wěn)定輸出電壓.設(shè)功率開關(guān)管以頻率fH工作n個(gè)周期后,又以頻率fL工作m個(gè)周期.定義雙頻脈沖頻率調(diào)制方式下的等效占空比De為[1]

(1)

由此可得

De=DH-M(DH-DL)

(2)

式中，調(diào)制度M可表示為

(3)

由式(1)可知,0≤M≤1,且隨著m/n的不斷變大,M趨近于 1.當(dāng)M=0時(shí)De=DH,此時(shí)電路的工作頻率為fH.當(dāng)0

假設(shè)功率管工作在開關(guān)條件下,在每一個(gè)周期的導(dǎo)通和關(guān)斷瞬間,由于漏極電流Id和漏源電壓Vds有交疊部分,功率開關(guān)管將產(chǎn)生一定的開關(guān)損耗.令每一次開關(guān)損耗均為WSW,功率管產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗為WCON,則總損耗WLOSS=WSW+WCON.

在整個(gè)周期TS內(nèi),雙頻PFM的轉(zhuǎn)換效率為[4]

(4)

式中,Vin為輸入電壓;Ton為功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間;fe為等效頻率;L為電感;R為負(fù)載電阻.

PWM的轉(zhuǎn)換效率為

(5)

由式(4)和(5)可知,輕載工作(即fe較小)時(shí),由于PWM 調(diào)制方式的工作頻率固定,隨著負(fù)載電阻的增大,效率明顯降低.而采用雙頻PFM調(diào)制方式的升壓型 DC-DC 變換器的轉(zhuǎn)換效率只與等效頻率有關(guān),與負(fù)載電阻R無關(guān),故此時(shí)輕負(fù)載下具有較高的效率.由此可知,雙頻PFM 調(diào)制方式可有效提高輕載下的效率.

雙頻PFM控制信號(hào)以脈沖序列周期進(jìn)行循環(huán)[9],其傅里葉變換為[10]

(6)

與傳統(tǒng)的PFM 調(diào)制方式相比,雙頻PFM控制方式的頻譜不再孤立、分散,它存在大量邊頻,頻譜能量分散到更多的頻率點(diǎn)上,從而使得其離散諧波峰值降低,電磁干擾噪聲水平也隨之降低,故DC-DC變換器更容易滿足相應(yīng)的 EMI標(biāo)準(zhǔn).

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 電路架構(gòu)與參數(shù)選取

升壓式PFM控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 升壓式PFM控制器的基本結(jié)構(gòu)

為了滿足不同的輸入電壓,在升壓電路中,輸入電壓Vin和輸出電壓Vout的升壓關(guān)系為

(7)

式中,Don表示導(dǎo)通占空比.

由式(7)可知,如果要使電路在0.8 V時(shí)正常工作,且輸出電壓Vout達(dá)到5 V,則Don≥84%,這對(duì)應(yīng)于低輸入電壓下的情況.另一方面,由于正常輸入電壓通常在2.5 V以上,故此時(shí)Don≥50%.

在實(shí)際的雙頻PFM控制方式中,設(shè)置一個(gè)低輸入電壓工作頻率fL和一個(gè)普通電壓工作頻率fH.主功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間Toff為固定值,且fLToff=16%,fHToff=50%.由此可得,fL∶fH=16∶50.

考慮紋波、效率等諸多因素,雙頻振蕩器的2個(gè)頻率分別設(shè)置為fL=160 kHz,fH=500 kHz.

2.2 雙頻振蕩器設(shè)計(jì)

雙頻振蕩器是PFM控制器中的核心模塊.在DC-DC變換器結(jié)構(gòu)中,振蕩器的振蕩頻率是通過環(huán)形振蕩器產(chǎn)生振蕩頻率來實(shí)現(xiàn)的.N級(jí)環(huán)形振蕩器的周期可以表示為

(8)

式中,CL為負(fù)載電容;βp=μpCOXWp,βn=μnCOXWn，其中μp,μn分別為P,N溝道電子運(yùn)動(dòng)的遷移率,COX為單位面積柵極電容,Wp,Wn分別為PMOS,NMOS管的寬長(zhǎng)比.

這種環(huán)形振蕩器可近似等效為一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò).要改變振蕩器的振蕩頻率,就需要改變其等效的電阻值或電容值;集成電路中最容易實(shí)現(xiàn)的是改變電容值.在實(shí)際電路中,可以通過選擇并聯(lián)1個(gè)電容的方法來切換工作頻率.

圖3為振蕩器的實(shí)際電路.由圖可知,2個(gè)電容C1和C2是并聯(lián)的,且C1較大.EN2是外接的檢測(cè)電平,控制著C1.

圖3 雙頻振蕩器實(shí)際電路

EN2信號(hào)通過檢測(cè)負(fù)載電流得到.當(dāng)EN2為低電平時(shí),C1導(dǎo)通,從而與C2并聯(lián),故等效電容為C1+C2;當(dāng)EN2為高電平時(shí),等效電容為C2.負(fù)載電流越大,EN2信號(hào)關(guān)斷的時(shí)間越長(zhǎng),C2單獨(dú)充電的時(shí)間也越長(zhǎng),所以高頻率的方波越多.EN3信號(hào)通過檢測(cè)輸出電壓Vout得到.當(dāng)EN3為低電平時(shí),電路的CLK信號(hào)只輸出低電平,相當(dāng)于跳周期.假定輸出電壓Vout=5 V,當(dāng)CLK輸出方波時(shí),Vout不斷升高,超過5 V時(shí),則EN3輸出低電平.由于功率管受PFM控制器控制,仍要繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間,故Vout仍將繼續(xù)升高一段時(shí)間,而后才會(huì)下降.

圖4為不同負(fù)載電流If下雙頻振蕩器的仿真輸出波形圖.由圖可知,輕載時(shí),只有低頻輸出.隨著負(fù)載電流的不斷提高,2種頻率的波形同時(shí)出現(xiàn),且高頻段所占比例不斷增加.這是雙頻PFM控制模式獨(dú)有的工作方式.

3 版圖設(shè)計(jì)與測(cè)試

芯片設(shè)計(jì)采用方正微電子0.5 μm CMOS工藝.電路的整體版圖見圖5.芯片尺寸為800 μm×640 μm.整體電路中,功率MOS管和控制電路分開布局,控制電路中的使能電路、限流電路均靠近功率MOS管.電阻用于填充控制電路.為了對(duì)輸出電壓Vout進(jìn)行微調(diào),需要設(shè)置燒鋁接口,與大電阻相連.芯片指標(biāo)通常在應(yīng)用環(huán)境下測(cè)試得到.電路的啟動(dòng)過程見圖6.由圖可知,當(dāng)輸入電壓為3 V時(shí),經(jīng)過50 μs后輸出電壓能夠穩(wěn)定在5 V.

圖4 不同負(fù)載電流下的輸出CLK信號(hào)波形

圖5 芯片版圖照片

通過測(cè)試來驗(yàn)證電路是否能夠隨著負(fù)載的變化在雙頻之間進(jìn)行切換,并保持正常工作.雖然不能直接測(cè)試振蕩器信號(hào),但是電路中LX接口輸出的是頻率與振蕩器相同的方波,通過檢測(cè)LX接口就可以觀察到振蕩器的頻率變化情況.

圖6 輸入電壓為3 V時(shí)的輸出電壓變化曲線

輕載條件下變換器的LX波形見圖7(a).由圖可知,LX方波全部為同一頻率的信號(hào),并未產(chǎn)生變化.由于輸出電壓和LX之間存在1個(gè)二極管,故LX端的電壓存在一定壓降.

中載時(shí)LX信號(hào)的波形見圖7(b).由圖7(b)可知,在原有的低頻信號(hào)中出現(xiàn)了一部分高頻信號(hào).重載下LX信號(hào)波形見圖7(c).由圖7(c)可知,方波全部由高頻信號(hào)構(gòu)成,低頻信號(hào)很少.實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明,芯片能夠根據(jù)負(fù)載的變化在雙頻之間切換,輕載下以低頻工作為主,重載下則以高頻工作為主,中載下2種頻率的波形并存.由此說明,電路設(shè)計(jì)是有效的.

圖7 LX信號(hào)波形

電源轉(zhuǎn)換效率是指電源的輸入功率與輸出功率的比值.負(fù)載電流與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系曲線見圖8.由圖可知,負(fù)載電流為100 mA時(shí)轉(zhuǎn)換效率大于80%.

圖8 負(fù)載電流與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系

芯片的實(shí)際測(cè)試結(jié)果見表1.表中，典型轉(zhuǎn)換效率是在輸入電壓為3.6 V且負(fù)載電流為50 mA時(shí)得到的.

表1 芯片測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于雙頻PFM控制模式的升壓式DC-DC變換器.首先選定2個(gè)固定的頻率點(diǎn),通過檢測(cè)負(fù)載的變化,使得輕載或重載時(shí)變換器工作在其中的1個(gè)頻率下,而中載時(shí)則選擇2個(gè)頻率的不同組合來穩(wěn)定輸出電壓.基于方正微電子0.5 μm CMOS工藝設(shè)計(jì),并使用Cadence工具進(jìn)行模擬和版圖設(shè)計(jì).測(cè)試結(jié)果表明,系統(tǒng)的典型轉(zhuǎn)換效率達(dá)到83.2%,芯片實(shí)際性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求.由于這種控制方式只需產(chǎn)生2個(gè)頻率,因此其頻譜峰值更有規(guī)律,便于后續(xù)濾波器的設(shè)計(jì).本質(zhì)上來說,本設(shè)計(jì)充分利用了傳統(tǒng)PWM和PFM的各自優(yōu)點(diǎn),然而如何均衡效率與EMI性能,進(jìn)行電路優(yōu)化設(shè)計(jì),則有待進(jìn)一步深入研究.

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