各種便攜式電子產(chan) 品， 如照相機、攝像機、手機、筆記本電腦、多媒體(ti) 播放器等都需要DC-DC 變換器等電源管理芯片。這類便攜式設備一般使用電池供電， 總能量有限， 因此， 電源芯片需要最大限度地降低工作電壓，延長電池的使用壽命。傳(chuan) 統DC-DC 的工作電壓一般都在1. 0 V 以上， 本文設計了一種DC-DC 升壓型開關(guan) 電源的低壓啟動電路， 啟動電壓降低至0. 8 V,該電路采用兩(liang) 個(ge) 在不同電源電壓範圍內(nei) 工作頻率較穩定的振蕩器電路， 利用電壓檢測模塊進行合理的切換， 解決(jue) 了低輸入電壓下電路無法正常工作的問題， 並在0. 5μm CMOS 工藝庫（ VthN = 0. 72 V, VthP = -0. 97 V） 下仿真。仿真結果表明， 在0. 8 V 低輸入電壓時， 通過此升壓型開關(guan) 電源， 可以將VDD升高至3. 3 V。

1 電路整體(ti) 示意圖

DC-DC 升壓型開關(guan) 電源在低輸入電壓下工作， 利用控製電路導通和關(guan) 斷功率管， 在功率管導通時， 電感儲(chu) 存能量； 當功率管關(guan) 斷時， 電感釋放能量， 對輸出電容充電， 輸出電壓升高。當輸入電源低至1. 0 V 以下， 如果DC-DC 芯片的驅動電壓取自輸入電源， 芯片內(nei) 部電路就不能正常工作， DC-DC 便無法啟動； 如果DC-DC 芯片的驅動電壓取自輸出電壓， 同樣， 芯片根本無法啟動及進行任何升壓動作。本文針對輸入電源電壓變化範圍較大， 在考慮商業(ye) 成本的情況下， 設計了2 個(ge) 振蕩器電路：主振蕩器和輔助振蕩器。輔助振蕩器靠輸入電壓供電，0. 8 V 即能起振， 在V DD升至1. 9 V 以前控製功率管的導通與(yu) 關(guan) 斷， 使V DD逐步抬升。主振蕩器靠輸出電壓即VDD供電， 在VDD升至1. 9 V 以後以一個(ge) 較穩定的頻率工作， 抬升並維持輸出電壓。電路的整體(ti) 示意圖如圖1所示。該電路包括主振蕩器、輔助振蕩器以及它們(men) 的切換電路、帶隙基準電路、PWM 比較器、過壓保護電路、過流保護電路等。

圖1 DC-DC 升壓型開關(guan) 電源芯片的整體(ti) 示意圖

2 主振蕩器的設計

本文所設計的主振蕩器采用如圖2 所示的環形振蕩器結構。VC1, VC2 分別為(wei) 過壓保護電路， PWM 比較器的輸出信號， MP10和MP11 為(wei) 帶隙基準提供的鏡像電流， 合理的控製鏡像電流和電容C1 , C2 的大小， 即能夠使主振蕩器在1. 9~ 8 V 的V DD區間輸出350 kHz 左右較穩定的振蕩頻率。

圖2 主振蕩器電路

3 輔助振蕩器的設計

輔助振蕩器電路采用環形振蕩器結構， 它利用亞(ya) 閾值導通的原理， 使得起振電壓降至0. 8 V, 但是這個(ge) 輔助振蕩器在0. 8~ 1. 9 V 的VDD區間裏頻率變化很大， 會(hui) 在電路啟動階段造成很大的浪湧電流， 造成係統的不穩定。

設計的輔助振蕩器克服了以上缺點， 既保證了在0. 8 V 起振， 又避免了振蕩頻率變化過大， 但是， 在輔助振蕩器關(guan) 斷之後由於(yu) 工藝偏差可能會(hui) 在R, S端出現不確定狀態， 導致功耗過大， 並造成後續電路不能正常工作。本文在此基礎上加以改進， 增加M17 管， M18管， 所設計的輔助振蕩器如圖3 所示。

圖3 輔助振蕩器電路

圖3 中， M1~ M13 是低輸入電壓偏置電流電路， 這個(ge) 電路的主要功能是在低輸入電壓下產(chan) 生一個(ge) 恒定的納安級的偏置電流。這一不隨電源電壓變化的偏置電流將為(wei) 圖3 所示的輔助振蕩器提供偏置。M8 ~ M13為(wei) 啟動電路， M3 , M4 都工作在亞(ya) 閾值區：

聯立式（1） ~ 式（4），可以得到：

式中： K = （W/ L ） M4 / （ W/ L ） M3 ，通過式（5） 可以發現，偏置電流I M1 , I M2與(yu) 輸入電源無關(guan) 。

恒流源I I 和I 4 對電容C1 充放電， 該振蕩器的核心模塊是兩(liang) 個(ge) 比較器， M21 , M22 組成COMP1, 該比較器閾值較高， 為(wei) M22 管的導通閾值， 記為(wei) V H = V th。M22 ,M23 , M24 , M25 , M26 , R2 組成COMP2, 該比較器閾值較低， 記為(wei) VL ：

因為(wei) M26管的電流很小， 寬長比很大， 故：

SE 為(wei) 輔助振蕩器切換信號， SEB 為(wei) SE 的反信號。當V DD低於(yu) 1. 9 V 時， SE 為(wei) 高電平， M17 , M18 都截止， 不影響R, S 觸發器的翻轉， 輔助振蕩器工作， 開關(guan) S1 斷開， S2 閉合； 當VDD 高於(yu) 1. 9 V 時， SE 為(wei) 低電平， 輔助振蕩器關(guan) 斷， 開關(guan) S1 閉合， S2 斷開， M17 , M18 都導通， R=1, S= 0, AU XCLK 被鎖定為(wei) 高電平， 既減小了功耗， 也避免了輔助振蕩器關(guan) 斷之後R, S 端出現不確定狀態。

4 電路整體(ti) 仿真結果與(yu) 分析

整體(ti) 電路在0. 5μm CMOS 工藝庫（ V thN= 0. 72 V,VthP = - 0. 97 V） 下仿真， 仿真條件為(wei) VIN = 0. 8 V, 仿真結果如圖4 所示。

圖4 兩(liang) 個(ge) 振蕩器的切換

從(cong) 圖4 可以看出， 電路啟動後， 首先輔助振蕩器V（ aux clk） 起振， V DD逐漸升高， 升高至1. 4 V 時， 主振蕩器V（ mainclk） 起振， 但此時隻有輔助振蕩信號通過開關(guan) S2 傳(chuan) 到功率管的柵極， 當VDD升高至1. 9 V 時， 輔助振蕩器關(guan) 掉， 主振蕩器信號通過開關(guan) S1 傳(chuan) 到功率管的柵極， VDD繼續升高至設定的輸出電壓3. 3 V 以後，由反饋電路控製主振蕩器的開啟與(yu) 關(guan) 斷， 來維持這一輸出電壓。

5 結 語

本文針對輸入電源電壓變化範圍較大， 設計了兩(liang) 種結構不同的振蕩器， 其在在不同電源電壓範圍內(nei) 工作的頻率較穩定， 並利用電壓檢測模塊進行合理的切換， 解決(jue) 了低輸入電壓下電路無法啟動的問題， 是一款適用於(yu) 商業(ye) 開發的DC-DC 升壓型開關(guan) 電源。