多模式開關(guān)電源控制芯片的低功耗設(shè)計方案

　　引 言

　　所謂多模式控制就是在開關(guān)電源的工作中根據(jù)負載情況的不同采用不同的控制策略，以降低其功耗，提高效率。它是針對常用開關(guān)電源在輕載和待機條件下效率低的特點提出的，其設(shè)計思想可描述為：在重載下采用PWM 模式，以發(fā)揮其重載下效率高的優(yōu)點;在輕載下采取PFM 模式，通過降低開關(guān)頻率來降低功耗;而在極輕載條件下(待機模式下)則采取BURST模式來降低功耗。

　　針對降低多模式開關(guān)電源控制芯片在輕載與待機工作模式下功耗，提高其全負載條件下工作效率的需要，提出一種開關(guān)電源控制芯片供電系統(tǒng)的設(shè)計方案，實現(xiàn)了其在啟動、關(guān)斷、重載、輕載以及待機等各種工作情況下的高效率低功耗工作。該供電系統(tǒng)主要包括欠壓鎖定電路、數(shù)字模塊電源單元和兩種不同的模擬模塊電源單元，以及狀態(tài)檢測模塊和模式控制邏輯單元，能夠?qū)崿F(xiàn)電源的上電、掉電控制，同時能夠根據(jù)電源的負載條件控制各模塊的開通關(guān)斷以實現(xiàn)低功耗工作。該系統(tǒng)已應用于綠色多模式反激式開關(guān)控制器的設(shè)計中，取得了提高電源效率、降低待機功耗的作用。芯片采用1.5 um BiCMOS工藝設(shè)計制成。測試表明，所設(shè)計電源的各項指標均已達到設(shè)計要求?！　?/p>

??????? 1 系統(tǒng)與電路設(shè)計

　　1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　整個系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)中包括一個欠壓鎖定電路(UVLO,Under voltage lockout)，用于保證電路在合適的電壓范圍內(nèi)正常工作;一個帶隙基準電壓源和一個專為數(shù)字模塊供電的電壓源(記為VDD_D)，分別為芯片提供基準偏置和數(shù)字部分的電源。具體構(gòu)成時此兩模塊包含在UVLO模塊內(nèi)。兩個電壓調(diào)整器(REGULATOR)分別產(chǎn)生一個5 V和一個4.3 V 的穩(wěn)定電壓，其中5 V穩(wěn)定電壓源輸出記為REG,用于在重載時為控制器供電(輕載時關(guān)斷);4.3 V 穩(wěn)定電壓源輸出記為VDD_AD,用于輕載時的供電。當然，必要時還可以利用帶隙基準產(chǎn)生更多不同的電壓以滿足復雜控制模式的需要。

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　　圖1電源系統(tǒng)框圖

　　此外，本設(shè)計中還設(shè)置了一個REF-OK模塊來判斷上電后電源系統(tǒng)是否已進入正常工作狀態(tài)。

　　1.2 欠壓鎖定電路的設(shè)計

　　欠壓鎖定電路又稱UVLO,見圖2.圖中 VDD為芯片外部供電電源，設(shè)計值為12 V.欠壓鎖定電路的窗口設(shè)置為7~9.5 V,即上電后電壓上升到大于9.5V 時芯片開始正常工作，而當供電電壓小于7 V時芯片停止工作?？紤]到欠壓鎖定電路在電源控制芯片中的重要性，設(shè)計給出了兩種實現(xiàn)方案，并對兩種控制策略的性能進行了分析與比較。

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　　圖2 兩個比較器實現(xiàn)的欠壓鎖定電路

　　圖2給出第一種欠壓鎖定電路的原理圖，稱為U-VLO1,這是用兩個比較器實現(xiàn)的欠壓鎖定電路。VDD是外部供電電壓源，K1、K2 是小于1的常數(shù)，且K1>K2,VREF為1.25 V帶隙基準電壓，LATCH是由兩個反相器組成的鎖存器。圖中標的UVLO_out代表欠壓鎖定信號，狀態(tài)設(shè)置是UVLO_out=0時有效。

　　電路的工作原理可簡述如下：12 V供電電壓可在VDD比較低時建立一個PTAT (ProportiONal toabsolute temperature)電流源，然后利用其建立起帶隙基準電壓源;當VDD由0上升時，帶隙基準電壓r首先建立，此時兩個比較器的輸出為低電位，P1導通，輸出為高電位;當K1VDD大于 r時，COMP1輸出跳變，N1管導通，鎖存器鎖存上一個信號，UVLO為高電位(注意其為低電位有效);當K2VDD大于VREF 時，N2導通，則UVLO-out為低電位，使能其他模塊;隨著VDD減小，K2VDD首先小于VREF,N2關(guān)斷，則鎖存器鎖存信號，UVLO-out保持;當 VDD減小到K1 VDD小于VREF時COMP1跳變，P1導通，N1關(guān)斷，則輸出UVLO-out為高電位，關(guān)斷整個控制芯片。

　　表1 UVLO 的狀態(tài)對應表

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　　另一個方案是利用一個比較器實現(xiàn)的UVLO電路，稱UVLO2.該電路的特點是通過外部遲滯實現(xiàn)了欠壓鎖定功能，可應用于高壓和低壓場合，如圖3.電路的工作原理如下：當VDD由0上升到一個比較小的值時，帶隙基準電壓VREF首先建立，當VDD上升到：

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　　時，比較器開始跳變，N1關(guān)斷，UVLO-out為0,使能整個控制芯片。當外部電源電壓開始減小到：

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　　時，比較器跳轉(zhuǎn)，N1開通，UVLO-out開始變l.通過合理設(shè)置R1、R2、R3值就可以使VDD1=9.5 V,VDD2=7V,即VDD上升到9.5 V時UVLO輸出為零，芯片正常工作; VDD下降到7 V 時芯片停止工作。

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　　圖3 用外部遲滯實現(xiàn)的欠壓鎖定電路

　　兩種方案的工作特性對比結(jié)果如表2所列。需要指出的是，若直接用門電路實現(xiàn)施密特觸發(fā)，由于"的工藝離散性，將使觸發(fā)電壓難以準確控制。

　　表2 兩種欠壓鎖定電路比較

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　　經(jīng)比較可知，UVL02結(jié)構(gòu)較為簡單，面積小，啟動電流小，有利于降低功耗。因此，本設(shè)計最終采用了UVL02方案。此外，為最大限度減小功耗，設(shè)計中將帶隙基準電壓、數(shù)字電源和欠壓鎖定電路集成在一起。具體電路圖見圖4。

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　　圖4 欠壓鎖定和數(shù)字電源的具體電路圖

　　圖中利用帶隙基準電壓加上四個二極管連接的三極管產(chǎn)生一個大于4 V 的電壓，然后經(jīng)過M0S管產(chǎn)生一個大約2.65 V左右的電壓。這個電壓在基準電壓建立后就產(chǎn)生了，主要用于為欠壓鎖定電路的數(shù)字部分供電，并且擔任了為整個系統(tǒng)的數(shù)字電路供電的任務。