PWM/PFM 自动切换升压型转换器系统(一)

通过对芯片整体设计要求的考虑,搭建全负载高效率升压型 DC-DC 转换器的整体系 统框架,对系统的工作过程和模块电路的功能进行简要阐述,对外围电路的选取进行准确计 算,分析系统的损耗来源,实现高效率的设计目标。

芯片整体设计要求

设计目标

本文设计的升压型 DC-DC 转换器基于 PWM/PFM 调制模式,能够在全负载范围内实现 高效率,采用同步整流技术,内置低导通阻抗的 PMOS 和 NMOS 功率管。

性能参数 设计指标
输入电压(V) 0.9~3.3
输出电压(V) 3.3
工作温度(℃) -40-85
振荡频率(MHz) 1.2
输出电压纹波率(%) ≤1
负载调整率(%/A) <5
转换效率(%) ≥85

典型应用

PWM/PFM 自动切换升压型转换器系统(一)_第1张图片

基于 PWM/PFM 调制模式的全负载高效率升压型 DC-DC 转换器的典型应用电路。可以从图 中看出,该应用电路需要的外围器件包括有储能电感 L、 输入电容 Cin和输出电容 Cout,连接后便能实现输入电压 Vin到输出电压 Vout的升压功能。

对图中的引脚名称进行说明和功能描述

序号                         引脚名称                                          功能描述
1                             LX                                                储能电感连接端引脚
2                            V out                               芯片输出端引脚, 连接输出电容Cout和负载
3                            Vin                                   芯片输入端引脚,连接输入电容Ci,
4                          CE                     使能信号端引脚,高电平时,电路正常工作;低电平时,电4CE路停止工作
5                           GND                                                      地引脚,表示地电位

整体框架结构

设计的基于 PWM/PFM 调制模式的全负载高效率升压型 DC-DC 转换器的系统框架图。其中,Vin为输入电压,Vout为输出电压,RFB1 和 RFB2 为反馈分压电阻, MN1 和 MP1 为功率开关管。电路的主要模块有:误差放大器、PWM 比较器、PWM/PFM 控 制电路、电流采样电路、振荡器、基准电路、软启动电路、逻辑控制电路和使能电路。其中, PWM/PFM 控制电路中包含了 PWM/PFM 模式切换逻辑电路、过零比较电路、峰值限流电路、 抗振铃电路。

PWM/PFM 自动切换升压型转换器系统(一)_第2张图片

当使能端信号为高电平时,升压电路开始工作。由 VDD 选择电路比较输出电压 Vout和输 入电压 Vin,两者间较大的作为电路中各模块的供电电压 VDD。在 Vout电压值上升到 Vin之前,浪涌保护电路起作用,此时反馈环路不工作,MN1 开关管关闭,MP1 续流管受直充电路控制 导通,对输出电容充电直到 Vout等于 Vin。该状态结束后,浪涌保护信号跳变,各模块开始正 常工作,进入闭环控制阶段。输出电压缓慢上升到预设值的过程中,利用软启动电路得到平 缓上升的基准电压 Vref,与反馈电压 VFB 的差模值较小,避免此阶段占空比太大,输出电压出 现过冲。当负载电流较小时,工作在 PFM 模式,跳过一些周期不工作,此时由过零检测电路 关闭 MP1 续流管;当负载电流较大时,工作在 PWM 模式,通过 PWM/PFM 的自动切换,使 得系统效率始终维持较高水平。

下面对系统中的主要模块电路进行简要介绍:

使能电路:输出使能控制信号,决定芯片整体工作状态为开启或关闭。 软启动电路:电路启动阶段,易出现浪涌电流和过冲电压,通过软启动电路使得输出电 压缓慢上升到预设电压,保护元器件的工作安全。

基准电压源:提供一个不受电压源和温度影响的高精度参考电压,采用了耗尽管结构来 实现。耗尽管结构的基准电压源不需要启动电路,电路结构更简单,极低的静态功耗符合高 效率系统的设计目标。

基准电流源:通过电流镜拷贝,为各模块电路提供偏置电流。

误差放大器:输入参考电压 Vref和反馈电压 VFB,输出到 PWM 比较器,来产生占空比信 号,稳定输出电压。

振荡器电路:产生频率为 1.2MHz、占空比为 93%的方波信号,利用三角波产生电路得到 三角波信号,送入 PWM 比较器与误差放大器输出信号比较。

电流采样电路:采样电感上的电流,通过 I-V 转换电路输出电压,在 PFM 峰值限流电路 和限流电路中使用。

PWM/PFM 切换控制电路:根据负载大小的变化,自动选择效率更高的调制模式,重载 时,工作在 PWM 模式;轻载时,工作在 PFM 模式,开关频率减小,开关损耗降低,提升轻载效率。

PFM 峰值限流电路:限制 PFM 模式下电感电流最大值,减小输出电压纹波。

抗振铃电路:电路工作在非连续导通模式,NMOS 和 PMOS 功率管同时处于关闭状态时, 电感和功率管的寄生电容之间形成 LC 回路,在 LX 结点出现了振荡。通过在电感 L 的两端 并联开关管,在 LC 振荡环路出现前,控制开关管打开,将电感 L 短路,避免振铃现象出现。

VDD 选择电路:比较输入电压和输出电压的大小,并选择两者间较大的作为电路中各模 块的供电电压 VDD。

真关断电路:功率 PMOS 管存在寄生体二极管,输入电压和输出电压无法真正断开,通过控制电路使得衬底始终连接输入电压和输出电压较高的一端,实现真关断。

休眠模式电路:轻载时,DC-DC 转换器跳过一些周期不工作,休眠模块电路会关断部分 模块功能或减小其静态电流,包括有 PFM 峰值限流电路、过零检测电路、抗振铃电路和过流 保护电路。

短路保护电路:当长时间处于限流保护状态或输入电压小于输出电压,判定为短路状态, 系统停止工作。

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