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摘 要：设计了一种高效率同步降压型DC-DC转换器集成电路。采用了同步整流技术和突发模式控制技术，使得转换效率高达92%。采用根据不同占空比调节斜率补偿技术—四段式斜率补偿，提高电路性能的同时可以有效地提高了系统的稳定性。集成了完善的保护电路，包括过压保护、过温保护和短路保护等，使得系统更安全、更稳定。
关键词：降压型DC-DC；四段式斜率补偿技术；突发模式；同步整流
引言
随着科学技术的发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，并且对电源的要求也越来越高。同时，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。它为现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源。
本文开发的集成电路，采用了同步整流技术和突发模式控制技术，在轻负载条件下也具有很高的转换效率。采用根据不同占空比调节斜坡补偿技术，消除亚谐波振荡。
1电路原理
1.1电路内部原理结构图
图1为内部原理结构图，包括使能电路、带隙基准电路、振荡器、误差放大器、脉宽调制比较器电路、突发模式电路、斜率补偿电路和保护电路等。
1.2使能电路
输入部分由上拉PMOS管和迟滞整形电路组成。由于上拉PMOS管处在饱和状态，并且W/L很小，所以上拉管电阻很大。输入部分这样设计是为了防止电源电压的抖动对芯片的影响。只要EN管脚达到NMOS的阈值电压，NMOS就会导通。
1.3基准电路
带隙基准的工作原理是根据硅材料的带隙电压与电压和温度无关的特性，利用VT的正温度系数与双极型晶体管基极-发射极间的电压VBE的负温度系数相互抵消，来产生低温漂、高精度的基准电压源。
电路由运放、ΔVBE产生电路、修调和分压电路组成。根据带隙基准原理可以得到该电路的ΔVBE
其中R4、R5、R6、R7、R8和R9是修调电阻，就是为了修调出零温度系数的带隙基准电压值。T1、T2、T3、T4和T5为修调管脚。需要修调时，可以外加电压把短接电阻的铝线烧断，使修调电阻串联进去，从而改变了电阻的比值，达到调节输出电压的目的。
1.4振荡器
提供内部时钟频率1.5MHz，并作为内部同步时钟。同时产生出锯齿波，提供给PWM比较器和为斜坡补偿电路提供斜坡信号。振荡频率可以通过反馈电压VFB调节，进行频率移位。当VFB电压为0时，振荡频率下降到固定频率1.5MHz的1/7，即为210KHz，以保证电感电流有足够的时间进行衰减，防止不稳定现象出现；当VFB电压上升到0V以上时，振荡频率将逐渐上升到1.5MHz。
电路包括锯齿波比较器、充放电回路、频率移位比较器、RS触发器和波形整形电路等部分。通过对电容C进行充放电实现的。REF_OSC为一电源电压通过电阻分压得到的电压，这一电压作为锯齿波信号SAWWAVE比较点。当SAWWAVE电压低于REF_OSC电压时，该比较器输出高电平；反之，该比较器输出低电平。比较器输出为高电平时，RS触发器输出为高，此时振荡器输出为低电平。RS触发器输出为高电平，MN1导通，关闭放电回路，此时对电容充电。比较器输出为低电平时，RS触发器输出为低电平，此时振荡器输出为高电平。RS触发器输出为低电平，MN1关闭，MP1导通，MN2导通，放电回路形成，此时对电容放电。
1.5突发模式电路
负载较轻时，为了提高转换效率，设定了突发模式。电路在睡眠状态时，静态电流很小。而在轻负载条件下，电路保持在睡眠状态下的时间相对较长，这样就大大降低了芯片的功耗，提高了转换效率。
由误差放大器检测输出反馈电压，由突发模式控制模块根据误差放大器的输出电压VEA_OUT控制系统是否进入“睡眠状态”。MN1正常情况下，处在导通状态；当突发模式时出现时为关闭状态。这是为了通过PN结设定突发模式的阈值。
当输出电压VEA_OUT达到设定值时，VEA_OUT输出较低电压，突发模式控制模块输出输出端SLEEP为高电平，使得电路处于睡眠状态。此时电路中仅剩基准电压和误差放大器模块工作，其他模块处于关断状态，输出电流仅由负载电容提供。当反馈电压高于基准电压0.8V时，由于误差放大器是迟滞型的，当高于0.52V时SLEEP发生翻转，从低电平变为高电平，进入突发模式状态。当再次低于基准电压56mV时，又退出突发模式状态。
1.6斜率补偿电路
斜率补偿电路采用分段线性函数的原理，由于考虑到占空比即使小于50%也会发生不稳定和次谐波振荡的可能性，并留有一定的裕量，从占空比40%开始分四段进行补偿，这样可以对不同占空比进行不同斜率的补偿，更能有效地避免过补偿和不稳定现象的发生。分段线性函数是利用振荡电路里的充放电电容上的锯齿波电压和四个宽长比不同的跨导运放来产生的。
当振荡电路里的充放电电容上的锯齿波电压VSAW逐渐增加到VREFL电压附近时，跨导最小的M7开始导通，同时M8会随之关闭，支路电流全都经过M7输出；随着VSAW电压上升，M6、M3、M2陆续输出电流，直到四个支路电流之和，此时为最大补偿电流。然后通过镜像电流去补偿到采样电流上。
当进入M7和M8组成的跨导运放的线性区时，M7输出电流为：
由上式看出，如果需要改变斜率补偿的补偿电流，间接改变补偿斜率，只需对跨导运放对管的宽长比进行调整即可。
1.7保护电路
电路集成了各种保护功能，包括过压保护、过热保护和短路保护，为提供电源起到很好的保护作用。
2芯片版图
图7为芯片版图，采用CSMC0.5um工艺，面积大小为0.9x0.8（mm2）。
3测试结果
该电路是基于CSMC0.5um工艺的模型，利用CADENCE Hspice对电路进行仿真，通过仿真验证和对电源系统测试，其结果达到了预期要求。
测试设备主要是SI040043示波器、SI070047点源、自制电阻负载等，对10颗样品进行测试，测试结果如表1所示，从测试结果看完全达到设计要求。
4结束语
本文的功能模块的电路实现研究成果对同类ASIC的设计具有很大的参考价值。从仿真和流片结果看，该电路的功能都可以实现，效率最高到92%以上，具有较好的负载阶跃瞬态响应。
参考文献：
[1]Paul R. Gray，Paul J. Hurst，Robert G. Meyer 著.张晓林等译.模拟集成电路的分析与设计[M].高等教育出版社.2005.
[2]Phillip E. Allen，Douglas R. Holberg . CMOS Analog Circuit Design. Oxford University Press，Inc. 2002.
[3]Hao Peng and Dragan Maksimovic.“Digital Current-Mode Controller for DC-DC Converters” IEEE， 2005， pp.899-905.
[4] Eveerett Rogers. “Understanding boost power stage in switchmode power stage”. TI application report ，SLVA061. 1999.
关键词：降压型DC-DC；四段式斜率补偿技术；突发模式；同步整流
引言
随着科学技术的发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，并且对电源的要求也越来越高。同时，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。它为现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源。
本文开发的集成电路，采用了同步整流技术和突发模式控制技术，在轻负载条件下也具有很高的转换效率。采用根据不同占空比调节斜坡补偿技术，消除亚谐波振荡。
1电路原理
1.1电路内部原理结构图
图1为内部原理结构图，包括使能电路、带隙基准电路、振荡器、误差放大器、脉宽调制比较器电路、突发模式电路、斜率补偿电路和保护电路等。
1.2使能电路
输入部分由上拉PMOS管和迟滞整形电路组成。由于上拉PMOS管处在饱和状态，并且W/L很小，所以上拉管电阻很大。输入部分这样设计是为了防止电源电压的抖动对芯片的影响。只要EN管脚达到NMOS的阈值电压，NMOS就会导通。
1.3基准电路
带隙基准的工作原理是根据硅材料的带隙电压与电压和温度无关的特性，利用VT的正温度系数与双极型晶体管基极-发射极间的电压VBE的负温度系数相互抵消，来产生低温漂、高精度的基准电压源。
电路由运放、ΔVBE产生电路、修调和分压电路组成。根据带隙基准原理可以得到该电路的ΔVBE
其中R4、R5、R6、R7、R8和R9是修调电阻，就是为了修调出零温度系数的带隙基准电压值。T1、T2、T3、T4和T5为修调管脚。需要修调时，可以外加电压把短接电阻的铝线烧断，使修调电阻串联进去，从而改变了电阻的比值，达到调节输出电压的目的。
1.4振荡器
提供内部时钟频率1.5MHz，并作为内部同步时钟。同时产生出锯齿波，提供给PWM比较器和为斜坡补偿电路提供斜坡信号。振荡频率可以通过反馈电压VFB调节，进行频率移位。当VFB电压为0时，振荡频率下降到固定频率1.5MHz的1/7，即为210KHz，以保证电感电流有足够的时间进行衰减，防止不稳定现象出现；当VFB电压上升到0V以上时，振荡频率将逐渐上升到1.5MHz。
电路包括锯齿波比较器、充放电回路、频率移位比较器、RS触发器和波形整形电路等部分。通过对电容C进行充放电实现的。REF_OSC为一电源电压通过电阻分压得到的电压，这一电压作为锯齿波信号SAWWAVE比较点。当SAWWAVE电压低于REF_OSC电压时，该比较器输出高电平；反之，该比较器输出低电平。比较器输出为高电平时，RS触发器输出为高，此时振荡器输出为低电平。RS触发器输出为高电平，MN1导通，关闭放电回路，此时对电容充电。比较器输出为低电平时，RS触发器输出为低电平，此时振荡器输出为高电平。RS触发器输出为低电平，MN1关闭，MP1导通，MN2导通，放电回路形成，此时对电容放电。
1.5突发模式电路
负载较轻时，为了提高转换效率，设定了突发模式。电路在睡眠状态时，静态电流很小。而在轻负载条件下，电路保持在睡眠状态下的时间相对较长，这样就大大降低了芯片的功耗，提高了转换效率。
由误差放大器检测输出反馈电压，由突发模式控制模块根据误差放大器的输出电压VEA_OUT控制系统是否进入“睡眠状态”。MN1正常情况下，处在导通状态；当突发模式时出现时为关闭状态。这是为了通过PN结设定突发模式的阈值。
当输出电压VEA_OUT达到设定值时，VEA_OUT输出较低电压，突发模式控制模块输出输出端SLEEP为高电平，使得电路处于睡眠状态。此时电路中仅剩基准电压和误差放大器模块工作，其他模块处于关断状态，输出电流仅由负载电容提供。当反馈电压高于基准电压0.8V时，由于误差放大器是迟滞型的，当高于0.52V时SLEEP发生翻转，从低电平变为高电平，进入突发模式状态。当再次低于基准电压56mV时，又退出突发模式状态。
1.6斜率补偿电路
斜率补偿电路采用分段线性函数的原理，由于考虑到占空比即使小于50%也会发生不稳定和次谐波振荡的可能性，并留有一定的裕量，从占空比40%开始分四段进行补偿，这样可以对不同占空比进行不同斜率的补偿，更能有效地避免过补偿和不稳定现象的发生。分段线性函数是利用振荡电路里的充放电电容上的锯齿波电压和四个宽长比不同的跨导运放来产生的。
当振荡电路里的充放电电容上的锯齿波电压VSAW逐渐增加到VREFL电压附近时，跨导最小的M7开始导通，同时M8会随之关闭，支路电流全都经过M7输出；随着VSAW电压上升，M6、M3、M2陆续输出电流，直到四个支路电流之和，此时为最大补偿电流。然后通过镜像电流去补偿到采样电流上。
当进入M7和M8组成的跨导运放的线性区时，M7输出电流为：
由上式看出，如果需要改变斜率补偿的补偿电流，间接改变补偿斜率，只需对跨导运放对管的宽长比进行调整即可。
1.7保护电路
电路集成了各种保护功能，包括过压保护、过热保护和短路保护，为提供电源起到很好的保护作用。
2芯片版图
图7为芯片版图，采用CSMC0.5um工艺，面积大小为0.9x0.8（mm2）。
3测试结果
该电路是基于CSMC0.5um工艺的模型，利用CADENCE Hspice对电路进行仿真，通过仿真验证和对电源系统测试，其结果达到了预期要求。
测试设备主要是SI040043示波器、SI070047点源、自制电阻负载等，对10颗样品进行测试，测试结果如表1所示，从测试结果看完全达到设计要求。
4结束语
本文的功能模块的电路实现研究成果对同类ASIC的设计具有很大的参考价值。从仿真和流片结果看，该电路的功能都可以实现，效率最高到92%以上，具有较好的负载阶跃瞬态响应。
参考文献：
[1]Paul R. Gray，Paul J. Hurst，Robert G. Meyer 著.张晓林等译.模拟集成电路的分析与设计[M].高等教育出版社.2005.
[2]Phillip E. Allen，Douglas R. Holberg . CMOS Analog Circuit Design. Oxford University Press，Inc. 2002.
[3]Hao Peng and Dragan Maksimovic.“Digital Current-Mode Controller for DC-DC Converters” IEEE， 2005， pp.899-905.
[4] Eveerett Rogers. “Understanding boost power stage in switchmode power stage”. TI application report ，SLVA061. 1999.