摘 要：设计出一种PWM电流控制模式的降压型DC/DC变换器控制IC。该芯片采用0.6 μm BCD工艺制程 ，芯片内部集成了耐压的DMOS功率开关管。芯片具有很宽的输入范围(6~23 V),宽输出范围1.22~21 V,工作温度范围为-40~85 ℃；具有可编程软启动、欠压保护、热关断等功能。这款芯片只需少量的外部元件即可实现3A的降压型的DC/DC变换,可用于分布式电源系统、电池充电器及线性稳压电源的预调节等。
关键词：DC/DC;降压;电流模式;脉宽调制;保护电路
中图分类号：TN432 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1800404
Designof a Current Mode PWM DC/DC Bust Controller
LV Jie,WU Yuguang
(Microelectronics Institute,Xidian University,Xi′an,710071,China)
Abstract：In the paper,a current mode PWM DC/DC bust controller is desiged.A highvoltage DMOS power switch is integrated in the chip which is fabricated with 0.6 μm BCD process,it is an excellent chip with a wide input voltage range(6~23 V) and a wide output voltage range(1.22~21 V),its operation temperature is -40~85 ℃,it is featured with programmable soft start,under voltage lockout,thermal shutdown and so on,it requires a minimum number of external components to complete 3A bust DC/DC convert.It can be used in distributed power systems,battery charger,preregulator for linear regulators.
Keywords：DC/DC;bust;current mode;pulse width modulation;protection circuit
随着社会的发展，人们在生活和工作中的移动性越来越强，对手机、数码相机、笔记本电脑等便携式产品的需求越来越大；电源是各种电子设备必不可少的组成部分，性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作；所有电器和电子设备都需要电源来维持自身的正常工作，许多领域例如邮电通讯、军事装备、交通设备、仪器设备、工业设备、家用设备等方面越来越多的应用开关电源并取得显著效益。开关电源作为高效节能电源，代表着稳压电源的发展方向，自1992年来，开关电源市场以不低于15%的年增长率持续增长，随着计算机及其外转设备市场的发展及其通信业的异军突起，对电源芯片提出了更高的指标要求。这款芯片内部集成了DMOS功率器件，DMOS可以在开关模式下工作，功耗极低，将耐高压的DMOS和控制电路集成在一块芯片上，大幅降低了功率损耗，提高了系统性能，大大地简化了应用电路。
1 电路结构与工作原理
芯片的总体电路结构如图1所示，该芯片共有8个引脚，BS为高电平门驱动的升压输入端，它为高压N沟道MOS开关管提供驱动；IN为电压输入端；SW为开关电源输出端，它是为外部电路提供功率的输出节点；GND是接地端；FB为反馈输入端；COMP是补偿节点，在它与地之间接一个串联的RC网络来补偿调节控制环路；EN是使能端，它是一个数字输入，可以打开或关断芯片：为高时，芯片可正常工作；为低时，芯片关断；当芯片自启动时，使EN悬空即可；SS是可编程软启动电路的控制端，在它与地之间接一个电容便可控制软启动的周期；如不需软启动，则悬空SS端。
这款芯片具有很宽的输入范围，它能将输入范围为6~23 V的电压降低至1.22 V,并且能够提供高达3 A的负载电流。它采用电流控制模式来调节输出电压，电流控制模式有2个反馈回路：一个是电压反馈回路，通过分压电阻在FB监测输出电压，通过内部的误差比较器与基准电压相比较，将误差信号放大最后传送至电流比较器的一端；另一个是电流环，芯片通过采样开关管的电流产生一个与流过开关电流成比例的电压，经过电流灵敏放大器与振荡器的斜波信号相叠加，将信号传送至电流比较器的另一端；由于流过开关管的电流通常很大，这款芯片的电流限流为3.5 A,这样采样电阻造成的功耗是非常可观的。常为了减少采样电阻的功耗，通常采用的采样电流为与开关管并联的小尺寸管子的电流。
由于采用的是电流控制模式，本身就具备电流限制功能，因此不需要另外设置电流限制电路，当流过开关管的电流增加时，一个正比于该电流的电压就和振荡器产生的斜波信号相叠加，当这个电压超过误差比较器的输出电压时，RS锁存器将会置零，并且关断开关管。另外由于采用电流控制模式，芯片具有快速的暂态响应。
芯片的主要模块为振荡器、误差放大器、电流灵敏放大器、欠压保护电路、过热保护电路、软启动电路、RS锁存器等。由于篇幅的限制，本文将着重介绍误差放大器、振荡器、欠压保护电路、过热保护电路。
2 芯片主要电路模块的设计及分析
2.1 误差放大器模块
误差放大器是将最终输出的反馈电压与基准电压进行比较，放大两者的差值，并将结果送至电流比较器，其结果与振荡器产生的方波一起输入至RS锁存器中，产生PWM控制信号，控制开关管的开启与关断。误差放大器的具体电路结构如图2所示。
该电路是一个不带补偿的三级运算放大器，由于双极管的失调电压较MOS管要小，整个电路除了电流源外均采用双极管。其中一、二级为差分输入级，第三级将双端的差分信号变为单端输出信号。最后由于COMP端的输出电阻很大，结果导致了很大的时间常数，为了减少输出电阻，经过一个共集极输出到电流比较器，这样可以提高电路的响应速度。M1~M6 构成一个恒流源，其中M3为负反馈，稳定2条支路中的电流，这个恒流源为M6，M7提供稳定的镜像电流；由于输入端电压较低，在1.2~1.3 V左右，Q3，Q4容易进入截止区，为了防止它们截止，影响第一级的放大和失调，在电路中，Q1，Q2采用共集极输入、射极输出，将输入信号先提升一个PN结的电压，然后再送给Q3，Q4放大；从而提高了电路的输入电压范围；在高增益放大器中，输出共模电平对器件的特性和失配相当敏感，而且不能通过差动反馈来达到稳定，因此必须增加共模反馈网络检测2个输出端的共模电平，在图2中，R3，R5为第二级运放提供共模反馈；当反馈电压FB与设定的带隙基准电压1.22 V相等时，电路输出低电平，当FB高于基准电压时，便产生一个高电平，使锁存器置位，输出电压及反馈电压下降，直至FB与1.22 V相等；反之亦然。
2.2 振荡器模块
这款芯片的振荡器采用双振荡周期工作模式，当电路正常工作时，该模块为系统提供一个稳定的振荡频率为385 kHz的脉冲信号，以及用于斜坡补偿的三角波信号；当芯片在应用中由于输出短路，造成FB端电压始终为低电平，使得锁存器在开关管流过很大电流时也不能正常置位。由于开关管流过的电流很大，最大可达3.5 A，开关管可能被烧毁。为此设计了频率反馈比较器，当FB为低电位时，振荡器以42 kHz的频率振荡，由于此时对电容的充电电流减小，整个芯片的时钟频率变地很小（约为正常情况下的1%），这样在同样情况下，开关管导通的时间变短，从而对开关管实施保护。振荡器的简化示意图如图3所示。
在该电路图中，VBIAS为偏置电压，FFCout为频率比较器的输出，SLOPE为斜坡补偿电路提供三角波，V1.0，V0.25是利用电阻对基准电压分压得到的1 V和0.25 V的电压，OSCOUT为振荡器的输出，图中的LOGIC MODULE为多级反相器，用于电路中的信号延时。N1和N2产生的电流经过镜像电流源对电容进行充电。P8，N10和P9，N11组成2组传输门，当振荡器输出高电平的时候，右边的传输门导通，当电容上的电压超过这个值时，振荡器翻转，此时右边的传输门关断，左边的导通，如此反复，交替与电容上的电压比较。正常工作时，图1中的频率比较器输出高电平，当输出短路时，比较器输出低电平，使得N2管截止，通过改变对电容充电的电流的大小来改变振荡器的周期。
2.3 欠压保护电路
芯片在实际的工作中不能保证其输入电压始终在额定的最小电压之上，当芯片的输入电压低于额定值时，欠压保护电路便将芯片自动关断。为了防止输入电压附近振荡而引起芯片频繁的启动与关断，这里设计的该保护电路具有一定的迟滞特性。一般的迟滞比较器通常是设置2个阈值电压，采用2个比较器与采样电压相比较不同，通过设置1个正反馈，只需1个比较器即可完成此功能。电路中设有使能端，将使能端置零时，可强制关断芯片；将UVEN悬空芯片正常工作；具体电路如图4所示。
图4中的电压Vdd是一个在低6 V跟随输入电压上升，在电源电压高于5 V时保持恒定的数字电压源，当Vdd高于额定电压时，LOCK输出高电平，此时电路正常工作；当Vdd低于额定电压的时候，LOCK输出低电平，通过控制锁存器关断功率MOS管。VBIAS为偏置电压，N1，P1构成恒流源电路，P1与P2，P3，P6构成MOS电流镜式电流源，电流比为其宽长比。当UVEN为零时，Q2的基极被嵌位在约0.6 V，经过Q2的be结使得A点电位为低电平，从而关断开关管；当UVEN悬空时电路正常工作。R1，R2，R3的分压为比较器的A点提供与Vdd有一定比值的电压。比较器的另一端为基准电压1.22 V。N2 起正反馈的作用，当Vdd值正常时，LOCK输出为高电平；当Vdd为低于阈值的某值时，LOCK为低电平，此时N2导通，使A端电位进一步降低，使LOCK保持在低电平上。经cadence仿真，此电路具有良好的迟滞特性，在对电路从2.4~2.9 V进行扫描时，迟滞量为340 mV左右，基本满足设计要求。
2.4 热保护电路
功率器件的输出功率不仅受到电学性能的限制，还受到热学性能的限制，为了防止功率DMOS管在高温下被永久性的损坏，这里设计这个模块，当芯片内部温度过高时，该模块会产生一个高电平，将锁存器置位，关断DMOS管。
图5中，R1，R2左端为带隙基准电路；P5，R4，Q4是基准源的启动电路；P1，P2，P4组成镜像电流源，bias为芯片内部的一个偏置电压；R1，R2，R3组成一个电压分压网络。正常情况下，R2，R3的电压为300 mV左右，Q1和Q2均截止，因PN结的正向导通电压具有负的温度系数，当温度上升的时候，他们的正向导通电压下降，当温度超过设计温度的时候，Q1和Q2导通，向R3灌入一个电流，抬高了Q5的基极电压；此时由于Q5的正向导通电压也降低，从而实现了逻辑翻转，使触发器翻转，关断MOS管，实现了热保护功能。
3 版图设计中提高可靠性的一些措施
（1） 由于该芯片内置了面积庞大的功率DMOS管，简化了外围电路、方便了应用、提高了集成度、但是也存在一些问题，不断开关的功率管引入了电磁干扰，同时也成为一个很大的热源，集成电路芯片温度升高，将会引起许多电学参数的变化。因此在版图中需要充分考虑热分布的合理布局，为防止结温过高，在整个芯片上发热器件的布局分布要均衡，不使热量过分集中，功率较大的管子面积要设计地很大，容易受温度影响的模块如带隙基准等要远离发热元件。大功率器件尽可能分布在芯片的四周。
（2） 对于数模混合的集成电路为了防止数模信号的相互干扰，影响电路的可靠性，电源和地线要设计成树枝状结构，数字和模拟部分的电源和地线应尽可能单独设计，到电源和地线的压焊块时才汇合，集中连在一起。
4 仿真和试验结果
本文中提出的电路采用无锡晶芯0.6 μmBCD工艺的设计规则设计了版图，图6是DC/DC变换器的转换效率随负载电流的变化曲线，此时的输入电压为10 V、储能电感为15 μH、滤波电容为10 μF、输出电压由上至下分别为5 V,3.3 V,2.5 V。可见输入电压一定的情况下，输出电压高时，芯片效率较高。
参 考 文 献
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作者简介 吕 杰 男，山东烟台人，硕士研究生。主要从事模拟集成电路设计和电源管理芯片的研究。
吴玉广 男，江苏大悟人，西安电子科技大学微电子学院教授。主要从事专用集成电路和功率集成电路的设计研究。
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