多模式開關(guān)電源控制芯片的低功耗設(shè)計(jì)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(fù)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(duì)常用開關(guān)電源在輕載和待機(jī)條件下效率低的特點(diǎn)提出的，其設(shè)計(jì)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(diǎn);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(jī)模式下)則采取BURST模式來降低功耗。

　　針對(duì)降低多模式開關(guān)電源控制芯片在輕載與待機(jī)工作模式下功耗，提高其全負(fù)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(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了其在啟動(dòng)、關(guān)斷、重載、輕載以及待機(jī)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(cè)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(shí)能夠根據(jù)電源的負(fù)載條件控制各模塊的開通關(guān)斷以實(shí)現(xiàn)低功耗工作。該系統(tǒng)已應(yīng)用于綠色多模式反激式開關(guān)控制器的設(shè)計(jì)中，取得了提高電源效率、降低待機(jī)功耗的作用。芯片采用1.5 um BiCMOS工藝設(shè)計(jì)制成。測(cè)試表明，所設(shè)計(jì)電源的各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求?！　?/p>

        1 系統(tǒng)與電路設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)中包括一個(gè)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(gè)帶隙基準(zhǔn)電壓源和一個(gè)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(zhǔn)偏置和數(shù)字部分的電源。具體構(gòu)成時(shí)此兩模塊包含在UVLO模塊內(nèi)。兩個(gè)電壓調(diào)整器(REGULATOR)分別產(chǎn)生一個(gè)5 V和一個(gè)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(shí)為控制器供電(輕載時(shí)關(guān)斷);4.3 V 穩(wěn)定電壓源輸出記為VDD_AD,用于輕載時(shí)的供電。當(dāng)然，必要時(shí)還可以利用帶隙基準(zhǔn)產(chǎn)生更多不同的電壓以滿足復(fù)雜控制模式的需要。

　　圖1電源系統(tǒng)框圖

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

　　1.2 欠壓鎖定電路的設(shè)計(jì)

　　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(jì)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(shí)芯片開始正常工作，而當(dāng)供電電壓小于7 V時(shí)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(jì)給出了兩種實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)兩種控制策略的性能進(jìn)行了分析與比較。

　　圖2 兩個(gè)比較器實(shí)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(gè)比較器實(shí)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(zhǔn)電壓，LATCH是由兩個(gè)反相器組成的鎖存器。圖中標(biāo)的UVLO_out代表欠壓鎖定信號(hào)，狀態(tài)設(shè)置是UVLO_out=0時(shí)有效。

　　電路的工作原理可簡(jiǎn)述如下：12 V供電電壓可在VDD比較低時(shí)建立一個(gè)PTAT (ProportiONal toabsolute temperature)電流源，然后利用其建立起帶隙基準(zhǔn)電壓源;當(dāng)VDD由0上升時(shí)，帶隙基準(zhǔn)電壓r首先建立，此時(shí)兩個(gè)比較器的輸出為低電位，P1導(dǎo)通，輸出為高電位;當(dāng)K1VDD大于 r時(shí)，COMP1輸出跳變，N1管導(dǎo)通，鎖存器鎖存上一個(gè)信號(hào)，UVLO為高電位(注意其為低電位有效);當(dāng)K2VDD大于VREF 時(shí)，N2導(dǎo)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(hào)，UVLO-out保持;當(dāng) VDD減小到K1 VDD小于VREF時(shí)COMP1跳變，P1導(dǎo)通，N1關(guān)斷，則輸出UVLO-out為高電位，關(guān)斷整個(gè)控制芯片。

　　表1 UVLO 的狀態(tài)對(duì)應(yīng)表

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

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

　　時(shí)，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(shí)UVLO輸出為零，芯片正常工作; VDD下降到7 V 時(shí)芯片停止工作。

　　圖3 用外部遲滯實(shí)現(xiàn)的欠壓鎖定電路

　　兩種方案的工作特性對(duì)比結(jié)果如表2所列。需要指出的是，若直接用門電路實(shí)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(zhǔn)確控制。

　　表2 兩種欠壓鎖定電路比較

　　經(jīng)比較可知，UVL02結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，面積小，啟動(dòng)電流小，有利于降低功耗。因此，本設(shè)計(jì)最終采用了UVL02方案。此外，為最大限度減小功耗，設(shè)計(jì)中將帶隙基準(zhǔn)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。

　　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(zhǔn)電壓加上四個(gè)二極管連接的三極管產(chǎn)生一個(gè)大于4 V 的電壓，然后經(jīng)過M0S管產(chǎn)生一個(gè)大約2.65 V左右的電壓。這個(gè)電壓在基準(zhǔn)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(dān)任了為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字電路供電的任務(wù)。