DC－DC降压芯片使能保护电路的设计

张 睿

（无锡商业职业技术学院，江苏 无锡214000）

本研究涉及的DC－DC降压芯片由保护电路、第一级LDO（3．6 V）模拟供电电路、二阶温度补偿基准电路、LDO（5 V）数字供电电路、误差放大器、振荡器、高端功率管电流采样放大器、PWM比较器、PWM逻辑电路、驱动电路、低端功率管过零电流比较电路等电路单元构成。本文主要介绍了芯片的使能保护电路模块的设计。

1 使能保护电路

使能模块输入使能控制信号，控制内部各个模块工作。本设计中使能控制有两个比较判据，一个是1．5 V比较点，另一个是2．5 V比较点。电路系统启动，使能端的电位渐渐上升。当UEN小于1．5 V，整个芯片关断。当UEN超过1．5 V但小于2．5 V时，使能逻辑先使LDO（3．6 V）工作，接着第二级（带二阶温度补偿）基准电路工作，输出1．2 V的基准参考电位。1．2 V参考电位输入LDO（5V）使之工作。除了误差放大器输出COMP脚电位和SS软启动脚电位被拉到低电位，所有单元的电源供电都正常。当使能UEN大于2．5 V后误差放大器输出COMP脚电位和SS软启动脚电位释放，整个芯片正常工作。

2 1．5 V比较点的使能逻辑电路

1．5 V比较点的使能逻辑电路如图1所示。设UIN＝12 V，施密特触发器（如图2）I109在J351提供的7 V夹断电压下工作。当使能EN电压从0上升到1．5 V时，施密特触发器I109翻转为高电位，迟滞量为210 mV。

图1 1．5 V比较点的使能逻辑电路

施密特触发器I109输出为高电平，EN2也为高电平，去开启3．6 V和5 V的LDO。5 V的LDO给电平转换电路供电，EN1输出为高电平。EN1经过反相器X23输出L3低电平到RS＿NOR触发器，锁定RS＿NOR触发器，稳定EN2。

这里X23输出电平摆率为0～5 V，而RS＿NOR触发器的X70供电为7 V，这会导致X23去驱动X70发生驱动电平不匹配。当芯片正常工作状态时，使能Ven肯定是高电平，X23输出为低电平，不会出现X70（nor）上下管都导通状态。而在EN电位下降到1．3 V以下，X70内部出现上下MOS管都导通的状态。如果X23输出高电平对于X70来说还是低电平，那么整个芯片就不会正常关断。设计上必需确保X23输出高电平对X70来说也是高电平。

该问题的解决方法是使电平转换电路和反相器X23都给7 V供电。

图2 施密特触发器

施密特触发器电路分析：A点高电位时，输出Z也为高电位，PM1截止。第一级反相器由PM0和NM0组成，其宽长比决定翻转电压UTF。当A点低电位时，输出Z为低电位，PM1导通。第一级反相器由PM0、PM1和NM0组成，其宽长比决定翻转电压UTR，且UTR＞UTF。施密特触发器在翻转过程瞬间需要消耗较大的电流。翻转点的计算公式如下：

当Idsp＞Idsn时，反相器输出高电平，当Idsp＜Idsn时，反相器输出低电平。当Idsp＝Idsn时，定义这时的输入电压为反相器的翻转电压。

当上管PMOS的W／L增加，Kp增大，分母变小，UA增大。当下管NMOS的W／L增加，Kn增大，分母增大，UA减小。

3 2．5 V比较点的使能逻辑电路

2．5 V比较点的使能逻辑电路如图3所示。2．5 V使能比较器的输出经过施密特触发器后送入与非门X89，与非门的另外两个输入信号是温度保护和欠压保护。与非门输出L4一路去保护逻辑I116，另外一路去改变2．5 V使能比较器的比较点，产生迟滞量。

图3 2．5 V比较点的使能逻辑电路

当UEN电压从1．5 V上升，内部的 LDO（3．6 V）、二阶温度补偿基准、LDO（5 V）等电路建立，使能2．5 V比较器还没有翻转，图3中的 N1（N384）开启，屏蔽掉R3。则有

设UEN关闭比较电位为2．3 V，R1＝R2＝100 kΩ，可以求出R3＝20 kΩ。这里要注意的是，实际N1管开启时，不会将R3的压降完全拉到0，所以要求N1管的开启导通电阻小，或者是电阻支路的偏置电流小。

4 使能逻辑电路仿真

使能逻辑电路功能仿真条件：UIN＝12 V，UEN电压直流扫描从0～4 V。使能逻辑电路功能仿真结果如图4所示。从图中可以看出当EN电位低于1．5 V，整个芯片关闭，逻辑保护电路输出0；当EN电位大于1．5 V，电路供电正常，但EN低于2．5 V，逻辑保护电路输出为高电位，拉低SS与COMP电位，无PWM产生；EN电位大于2．5 V后，逻辑保护电路输出低电位，整个电路正常工作。

图4 使能逻辑电路功能仿真结果

工艺角Corner仿真条件：UIN＝12 V，EN电压从1～2 V按照1 mV的步进扫描。侦测使能EN＝1．5 V和2．5 V开启点的范围分别如图5和图6所示。

图5 UEN＝1．5 V开启点的Corner仿真

图6 UEN＝2．5 V开启点的Corner仿真

5 结 论

本文主要对DC－DC降压芯片中的使能保护电路模块进行了设计，并对设计机理进行了详细阐述；针对使能电压UEN设计了1．5 V和2．5 V两个使能比较电压点，在小于1．5 V、1．5 V～2．5 V和2．5 V以上这三个电压段中分别实现芯片关断、电源供电开启和整个芯片开启等功能，同时解决了一些设计上的具体问题；最后利用1μm5 V／40 V HVCMOS工艺中的5 V低压工艺模型，在Cadence软件下验证了使能保护机理。

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