一种高效率绿色模式开关电源控制器的研究

电子相关应用

第29卷　第9期2008

年9月

半　导　体　学　报

JOURNALOFSEMICONDUCTORS

Vol.29　No.9

Sep.,2008

一种高效率绿色模式开关电源控制器的研究3

娄佳娜　吴晓波 　赵梦恋　陈　海　严晓浪

(浙江大学超大规模集成电路设计研究所,杭州　310027)

摘要:提出了一种高效率绿色模式降压型开关电源控制器芯片的设计,特点是采用PWM/Burst多模式控制策略提高全负

载条件下的电源转换效率.由于降低了低负载和待机条件下的电源功耗,可减小由电池供电的现代便携式设备的静态功耗,延长设备的待机时间和电池的寿命.芯片还实现了模式转换过程中的平滑过渡以及过冲电压的抑制.此外,还引入一种高精

μmBCD(bipolar2CMOS2DMOS)工艺下设计和制造,测试度、高效率的片上电流检测技术,进一步降低了功耗.该芯片在115

结果表明芯片已达到预期的性能要求.

关键词:PWM模式;BURST模式;平滑过渡;同步整流;EEACC:2570K

中图分类号:TN433　　　文献标识码:A　　　文章编号:)21　引言

降压型集成开关电源控制器广泛应用于各类便携式设备中[1].近年来,随着电池供电的便携式设备,如手机、MP3播放器、PDA等性能的提高和功能的日趋丰富,对于开关电源的效率提出了越来越高的要求.

为提高效率和减少片外元器件,目前应用的Buck变换器通常集成了功率开关和同步整流开关.同时,为减小片外电感元件的尺寸以适应便携式设备的应用,开关频率往往设置为几兆甚至更高的数量级.由此带来的问题是,当变换器工作在轻载条件下,开关损耗就变成了主要的功率损耗.而便携式设备恰恰常工作于待机状态即轻载工作状态下,轻载效率对于延长电池的使用寿命至关重要.因此,提高轻载效率的问题受到了高度关注.

解决上述问题的一种常见方法是在轻载情况下降低开关频率,从而使得变换器的效率保持在与重载近似的水平上.这种技术有PFM/PWM多模式调制[2]、共栅驱动[3～5]等,但是它们有一个共同的缺点:开关频率随负载调制,这使片外滤波器的设计变得相当复杂.

本文提出的绿色模式降压型功率集成开关电源控制器芯片采用了Burst[6]/PWM多模式调制技术,控制变换器在重载下以恒定频率工作在PWM模式,而当负载降低到一定程度时,自动切换到Burst模式并以降低的恒定频率工作.其主要优点是减少了开关损耗,又不增加片外滤波器的设计复杂度.此外,Burst模式还可以根据应用的需要,由用户控制使能或禁止.并且在模式转换过程中,采用双基准法实现模式转换的平滑过渡和负载迟滞.同时,芯片引入片上电流检测技术以取代传统的电阻电流检测,在一定程度上减少了功耗.功率

设计.

2　系统设计

本文提出的绿色模式降压型开关电源控制器是一个恒定频率工作、峰值电流控制模式的Buck变换器,输出电压经由片外分压电阻反馈调节,功率开关和同步整流开关均由片上集成.系统原理如图1所示.

2.1　峰值电流PWM控制模式

DC2DC变换器的控制策略主要有电压型控制和电流型控制两种.与电压型控制相比,电流型控制策略因具有较好的线性调整率和较为简单的补偿电路等优点而被广泛采用.

作者提出的绿色模式Buck变换器在重载条件下工作时,采用峰值电流PWM控制策略.通常,根据电感电流检测方法的不同,电流型控制又可分为平均电流控制、峰值电流控制、模拟电流控制等不同模式,其中峰值电流控制模式因对输入电压和输出负载变化的瞬态响应快、具有瞬时峰值电流限流功能等优点,应用最为广泛.

峰值电流控制环路主要由电流环和电压环构成.控制环路的工作过程由图2所示.图中,

(1)Vsense=Vin-KIsense

式中　Vin是输入电源电压;Vsense是电流检测模块检测到的电压信号;Isense是检测模块检测到的与电感电流成比例的信号.另外,图2中的Vpeak信号即为受电压环控制的预期要达到的与电感电流峰值相对应的电压信号.

3国家自然科学基金(批准号:90707002)和浙江省自然科学基金(批准号:Z104441)资助项目 通信作者.Email:wuxb@　2008202218收到,2008204220定稿

Z2008中国电子学会

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半　导　体　学　报第29

卷

图

1　　　,器,功率开关打开,,电感电流上升,Isense上升而Vsense.当电感电流达到峰值,即Vsense达到Vpeak时,电流比较器(Icomp)的输出复位RS触发器控制功率开关关断.这就是电流环的工作过程.而电感电流的峰值主要由电压环控制.具体地说,当反馈电压下降到基准以下时,误差放大器(EA)输出上升,限制电流上升峰值的Vpeak电压随之下降,于是功率开关的开启占空比增大,输出电压上升,反之亦然.其中反馈电压是由输出电压经过电阻分压得到的.

在功率开关关断的时间间隔内,传统的降压型Buck变换器采用肖特基二极管作为续流二极管.因此,当肖特基二极管导通时,它的导通压降(典型值013V)引起的功率损耗将是不可避免的.为了减少导通损耗[7,8],引入了同步整流技术.同步整流即采用一个同步功率开关代替整流二极管.当同步整流开关导通时,导通电阻一般在100mΩ以下,以1A负载为例,此时的导通损耗近似为011W;而对于导通电压为013V的肖特基二极管,损耗近似为013W.可见在中小功率的应用当中,同步整流可以有效地提高开关电源变换器的效率.

由于同步整流开关和肖特基二极管之间工作方式的差异,需同时引入一些控制电路和保护电路.

首先,在功率开关和同步整流开关两个开关转换的瞬间

,必须设置一个死区时间(anti2shoot2thru)来防止

两个开关同时导通导致输入电源短路.在死区时间内,功率开关和同步整流开关都关断,此时电流由同步整流开关上寄生的二极管续流,所以在合理范围内死区时间越短就越能减少功耗,一般设计在10ns左右(1MHz工作频率下).

其次,同步整流开关不像肖特基二极管那样只能单向导电,当变换器工作在断续电流模式下,在下一个周期开始之前,同步整流开关上的电流就已经下降到零并反向,此时,电感电流反向相当于从负载抽电流,导致能量的浪费以及变换器效率的降低.因此必须设计一个防止同步整流开关电流反向的检测电路(reverse)来检测电流方向.本设计是利用检测SW点的电压,当电压从负变正时,反向电流比较器控制同步整流开关关断.

2.2　Burst控制模式

在轻载情况下,这个多模式开关电源控制器还可以控制变换器工作在Burst模式.在这种模式下,功率开关根据负载情况连续工作几个周期再关断几个周期,因此可以有效地减少开关损耗和降低静态功耗.对于便携式设备应用来说,轻载情况下的变换器效率是一项非常重要的指标

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