DC—DC芯片反向大電流檢測(cè)的設(shè)計(jì)

摘 要：提出了一種降壓型電流模DC-DC芯片的反向大電流檢測(cè)電路。該電路檢測(cè)開關(guān)管之間的電壓，與基準(zhǔn)電壓比較后輸出邏輯信號(hào)控制開關(guān)管，將DC-DC芯片的反向電感電流門限設(shè)定為900mA，提高了芯片輕負(fù)載工作下的效率。

關(guān)鍵詞：DC-DC芯片；輕負(fù)載；反向大電流

引言

DC-DC變換器芯片具有效率高、穩(wěn)定性好、PCB板占用面積小等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)在電子設(shè)計(jì)中應(yīng)用特別廣泛。不斷提高DC-DC變換器的效率一直是此類芯片設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)[1]。

為了提高工作效率，目前的市場(chǎng)上的DC-DC變化器芯片多采用峰值電流模PWM控制方式[2-3]。大多數(shù)情況下，芯片會(huì)工作在輕負(fù)載模式，因此尤其應(yīng)該提高輕負(fù)載模式下的效率[4]。本文基于降壓型DC-DC芯片，提出了一種新穎的片上反向大電流檢測(cè)保護(hù)電路，在輕負(fù)載的情況下，當(dāng)電感中的反向電流超過900mA時(shí)，輸出信號(hào)IR2_OUT將同步開關(guān)管關(guān)斷，防止了流過電感的反向電流過大而造成能量的浪費(fèi)，提高了變換器輕負(fù)載工作下的效率。

1 反向大續(xù)流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)思想

DC-DC芯片主開關(guān)管和同步開關(guān)管連接處SW點(diǎn)的電壓可以反映電感電流的大小。在續(xù)流階段，對(duì)SW點(diǎn)的電壓進(jìn)行采樣得到IR_SW信號(hào)，將該信號(hào)與基準(zhǔn)電壓通過比較器進(jìn)行比較。當(dāng)反向電感電流超過900mA時(shí)，IR_SW的電壓大于基準(zhǔn)電壓，此時(shí)比較器的輸出IR2_OUT變?yōu)檫壿嫛?”將同步開關(guān)管關(guān)斷，使續(xù)流階段結(jié)束。

2 具體電路實(shí)現(xiàn)

圖1是反向大電流檢測(cè)模塊的實(shí)際電路圖，圖中BJH1是芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電流模塊為本模塊比較器正常工作提供的電流偏置；IR_GND是基準(zhǔn)電壓信號(hào)，它由基準(zhǔn)電流流入電阻R1產(chǎn)生；IR_SW是續(xù)流階段SW點(diǎn)電壓的采樣信號(hào)；SHUT和IR2CTL是本模塊的邏輯使能信號(hào)；IR2_OUT是本模塊的輸出，它可以控制同步開關(guān)管的關(guān)斷。

由圖1可知，本模塊中的比較器采用了的典型兩級(jí)結(jié)構(gòu)[5]。電路第一級(jí)使用二極管接法的MOS管作負(fù)載，第二級(jí)采用推挽式的輸出結(jié)構(gòu)。第二級(jí)中的M15和M18接成共源共柵的結(jié)構(gòu)，提高了電路的電源抑制比。在設(shè)計(jì)當(dāng)中，M20N的寬長(zhǎng)比遠(yuǎn)大于M20P的寬長(zhǎng)比，并且M21P的寬長(zhǎng)比遠(yuǎn)大于M21N的寬長(zhǎng)比，這樣由M20N和M20P構(gòu)成的整形非門上升沿翻轉(zhuǎn)較快，由M21N和M21P構(gòu)成的整形非門下降沿翻轉(zhuǎn)較快，從而有利于輸出信號(hào)IR2_OUT在由邏輯“0”變?yōu)檫壿嫛?”過程中的快速翻轉(zhuǎn)。

為了保證變換器在絕大部分情況工作在連續(xù)導(dǎo)通模式下，電路的設(shè)計(jì)應(yīng)該保證電感中可以流過一定的反向電流。然而在反向續(xù)流階段，輸出電容上儲(chǔ)存的能量經(jīng)電感和同步開關(guān)管流到地端，造成了能量的浪費(fèi)，因此為了提高變換器輕負(fù)載下的效率，反向電感電流又不宜過大。經(jīng)過折衷考慮，本設(shè)計(jì)中的反向續(xù)流門限設(shè)定為900mA。

在芯片正常工作的情況下，在任意工作周期當(dāng)中，當(dāng)主開關(guān)管關(guān)斷后，邏輯控制同步開關(guān)管打開，變換器進(jìn)入續(xù)流階段，此時(shí)全局關(guān)斷信號(hào)SHUT為邏輯“0”，使能信號(hào)IR2CTL為邏輯“1”，反向續(xù)流檢測(cè)模塊可以正常工作。在續(xù)流階段，同步開關(guān)管、電感、負(fù)載和輸出電容構(gòu)成回路，電感中的儲(chǔ)能通過回路釋放。在這一過程中，IR_SW通過檢測(cè)SW點(diǎn)的電壓來(lái)檢測(cè)同步開關(guān)管中的電流。在續(xù)流的開始階段，電流由地流向電感，此時(shí)SW點(diǎn)的電壓小于零，IR_SW的電壓小于零。差分對(duì)管中的M2導(dǎo)通，M3截止，偏置電流全部流經(jīng)M5，M6上幾乎沒有電流流過，這導(dǎo)致了M18截止，M19導(dǎo)通并處于線性工作區(qū)，M19的漏端電壓與源端電壓幾乎相等，接近于地電位，IR2_OUT為邏輯“0”。當(dāng)電感中的能量耗盡之后，由于電感電流不能突變，輸出電容通過電感和同步開關(guān)管對(duì)地放電，電感中開始流過反向電流，此時(shí)SW和IR_SW的電壓大于零且它們隨著電感電流的增大而增大。當(dāng)電感中的反向電流超過900mA時(shí)，IR_SW電壓將超過基準(zhǔn)電壓IR_GND，IR2_OUT變?yōu)檫壿嫛?”，控制同步開關(guān)管關(guān)斷，結(jié)束變換器的續(xù)流過程。

3 仿真結(jié)果

本文提出的電路應(yīng)用于一款降壓型單片DC-DC變換器中，芯片已經(jīng)采用Hspice和Candence完成了電路前仿真設(shè)計(jì)。圖2是在溫度為25℃、電源電壓VI為5V、全典型模型的情況下，IR2_OUT隨反向電感電流變化的直流仿真曲線。由該圖可知，使IR2_OUT由邏輯“0”變?yōu)檫壿嫛?”的反向電感電流門限約為900mA，這一結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]袁冰，來(lái)新泉，李演明，等.便攜應(yīng)用DC-DC輕負(fù)載高效率的實(shí)現(xiàn)[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2008，06，Vol.29（6）：1199-1202.

[2]陳東坡，何樂年，嚴(yán)曉浪.一種具有750mA輸出電流，雙模式PWM/

PFM控制的高效率直流-直流降壓轉(zhuǎn)換器[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2008，08，Vol.29（8）：1614-1619.

[3]Yong Sun， Yizheng Ye， Fengchang Lai. Power efficient high speed switched current comparator[C]. The 7th International Conference on ASIC Proceeding. 2007， 10： 581-584.

[4]P.Midya， M.Greuel， P.T.Krein. Sensorless Current Mode Control-An Observer -Based Technique for DC-DC Converter[J]. IEEE Trans on Power Electronics. 2001， 07， Vol.16（4）： 522-526.

[5]畢查德·拉扎維.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].陳貴燦，程軍，張瑞智譯.西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.

作者簡(jiǎn)介：曼茂立（1982-），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：模擬集成電路設(shè)計(jì)，汽車電子。