一种同步降压型DC_DC开关电源IC的设计

同步降压型DC/DC 开关电源设计

一、引言

电源是一切电子设备的动力心脏，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性指标。它分为线性电源和开关电源两种，开关电源又分为AC/AC 电源、DC/DC 电源、AC/DC 电源、DC/AC 电源。开关电源以其效率高、体积小等优点，在通信、计算机及家用电器等领域得到广泛应用，特别是目前便携式设备市场需求巨大，DC/DC 开关电源的需求也越来越大，性能要求也越来越高，而DC/DC 开关电源的设计也更具挑战性。

二、降压型开关电源工作原理

O

在开关管S 开启时，若忽略S 上的压降，流过电感L 的电流

为L I ，并且会呈上升趋势，有如下关系：

OUT IN L V V dt

dI L -= 其中Vin ，out V 认为是稳定常量，可得下式：

T V V I I L O U T IN L )()(0-=-

Io 为t=0时电感中的初始电流。当开关S 关闭时，电感电流L I 将通过二极管D 续流，此时，L I 将减小， 电感L 中的电流L I ，在开关S 开启时上升，而在S 关闭时下降。

三、控制电路设计

1、电流源电路的设计

由于采用了自偏置结构，电路在开始工作时很容易进入0平衡状态，而使得电路不能正常工作。3MP ，4MP ，5MP 构成自启动电路，当刚加电源电压时，通过4MP 为1MN 注入电流，当电流到一定值时4MP 关断，4MP 停止供电，此时电流BIAS I 建立。图显示了在DD V =3.3V ，EMP T =25℃时，

该电流源的启动过程。其中A 为6MP 栅极电压，B 为4MP 栅极电压，C 为电源电压。

VDD

2、基准电压电路的设计

基准电压电路为芯片中提供稳定的偏置和比较基准。因而要求该电压对电源电压变化和温度变化均不敏感。基准电压可以表示如下：

REF V =)(ON RE V +T MV

将与温度相关的参数对温度Ｔ求偏导，则BEF V 的温度系数表现如下：

T V REF

??=T V O N BE ??)

(+M T

V T ??

令BEF V 的温度系数为零，那么可求得M 的值。其中)(ON BE V 的温度系数为-1.5mV/℃，T V 的温度系数为+0.087mV/℃代入上式，可计算出M=17.2。因此一般带隙基准电压的值约为：

REF V =)(ON BE V +17.2T V V 25.1≈

3、比较器电路的设计

一般的二级运算放大器可以很好的应用于比较器。比较器大都采用开环模式，一般不需要对比较器补偿，以获得最大的带宽和较快的响应。BIAS 为电流源提供的偏置电压，0P -3P ，1N -3N 构成普通二级比较器，5P 为MOS 电容用以提高电源抑制，4P ，4N 构成的推挽输出级，其作用：（1）对二级比较器输出波形整形，使得输出高电平可达到 DD V ，低电平可达到地电位GND ；（2）增大吸入或供出电流以驱动较大的容性负载。该比较器可应用于方波发生器等电路。

4、时钟产生电路与斜坡信号电路的设计

为保证时钟频率的稳定性，首先需要有稳定的充电电流，图中运算放大器AMP 、1N 、1P 和1R 构成了电流反馈形式，其中1R 为芯片外接电阻，该反馈调整使得电阻1R 上的电压降与REF V 值相等。

REF V 为基准电路提供的基准电压，

则产生的电流为1R i ,1R i 按一定比例镜像到3P ,对电容TIME C 充电，当TIME C 上极板电压SLOPE V 达到参考电压REF V 时，比较器COM 输出为低电平,对由1X 、2X 组成的RS 触发器复位，即输出为低电平，同时运用时钟的反相信号开启4P ，将COM 输出拉为高电平，此时RS 触发器输出保持为低电平，时钟信号CLK 为高电平，开启2N 、3N ，TIME C 开始放电，A 点电压也随之为低电平，并通过反相器6X 、7X 整形为标准0电位，对RS 触发器置位，CLK 跳变为低电平，将重新开始一个周期。

5、电流采样电路的设计

开关电源中，通过输出电流采样检测开负载，短路和过载以实现节能和保护作用。精确的电流采样能准确控制输出电压。

POWER P 为主开关功率管，

其导通电阻为P ON DS R )(，SENSE P 为采样支路开关管，其导通电阻为S O N D S R )(，SENSE R 为采样电阻，又因为 AMP 、1P 和1SENSE R 组成的电流反馈放大器，可得到最终的电流采样值：

1

1SENSE SENSE SENSE SENSE R R I I = 其中SENSE R 阻值可根据需求设计到上百欧姆。增大SENSE R 的阻值并不会增加采样的功耗，1SENSE I 随SENSE I 的阻值增加而减小，又由下式：

SENSE SENSE SENSE R I P 2

=

可知SENSE R 上的功耗并不增大，反而会减小约为 SENSE R 1

。

6、误差放大器电路设计

电流模式开关电源C I 中，误差放大器是必不可少的一部分。误差放大器用于放大输出反馈电压与基准的差值以作为PWM 比较器的比较基准。误差放大器对开关电源的负载调整、动态特性等都有重要影响。开关电源系统中，运放的增益是整个环路增益的主要部分，而增益越大电路的调整性能越好。由1P 、2P 、3P 、2N 、

3N 、4N 、5N 为带正反馈的差分输入级，其电压增益可表示如下： 12

2)1(---=αmN mP V g g A 其中α=(W/L)3N /(W/L)2N ，在运放应用中α<1，α越大，V A 越大，理论上可使V A 无限大。设计中我们将5P 与6N 的宽长比设计为4P 与1N 的多倍关系，以助于增大转换率（SR ）。

四、总结

本论文对同步降压型PCM 开关电源进行了分析，根据电池供电便携式设备的要求，完成了一款高效率、良好动态特性和调整率的同步降压型开关电源的控制电路设计。首先文中对PWM 峰值电流控制模式的同步降压型开关电源的效率进行了分析，分析了各种损耗的产生，并分析了轻负载情况下PWM 效率低的原因；分析了电流模式开关电源的次谐波振荡，以及斜坡补偿的原理，在实际电路设计中考虑到过补偿的问题，选择分段斜坡补偿以最大程度消除过补偿现象；分析了大信号特性，并着重分析了负载跃变的情况，以及讨论了提高负载跃变特性的方法，在实际电路设计中采用灵活的外部环路补偿，实现高带宽以提高响应能力。

五、参考文献

[1]一种同步降压型DC -DC 开关电源IC 的设计 （黄俊维硕士论文）

[2]DC-DC 转换器中的动态斜坡补偿电路设计 （来新泉, 周丽霞, 陈富吉）