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一种快速响应高效多模式升压降压型转换器

2016-11-23成立业来新泉

西安电子科技大学学报 2016年5期
关键词:导通电感芯片

成立业,来新泉

(西安电子科技大学超高速电路设计与电磁兼容教育部重点实验室,陕西西安 710071)

一种快速响应高效多模式升压降压型转换器

成立业,来新泉

(西安电子科技大学超高速电路设计与电磁兼容教育部重点实验室,陕西西安 710071)

描述了一种新颖的高效多工作模式可快速响应的电流模升压降压型转换器.转换器有灵活的工作模式,电路可以根据输入电压和电感电流的变化来选择工作模式,并且各种工作模式可以平稳转换.平均电流感应模块可以很精确地量测出电感电流.负载瞬态响应时间较其他转换器有降低.这款电流模转换器使用Silterra 0.18μm CMOS工艺流片.实验结果显示,在4.2 V输入电压、1 A负载电流条件下,转换器的最大效率达95%,因此,使用该转换器可以延长供电电池使用寿命.输出从空载到2 A切换时,输出电压变化为6 m V,恢复时间为60μs.

多模式;快速响应;高效率;平均电流感应;平稳切换

在升压降压型转换器中,为了更快速、精确地控制内部系统,广泛应用电流模采样控制技术[1].在传统的电流模转换器中,电流感应是通过感应功率金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor,MOS)上的电流来得到IL,该类转换器有快速响应能力和稳定的环路,但是内部的芯片面积比较大,并且由于MOS电阻的偏差会导致比较大的误差.笔者引入一种新的电流感应方式,这种方式的主要变化是一个串联于电感旁边的小电阻,这个小电阻上的压降就可以经过换算得到电感电流的大小.对比功率MOS采样,感应电阻为外接电阻,这样可以根据需要的峰值电流调节感应电阻的大小,防止电路出现过流.外接电阻可以控制精度,更准确地量测出采样电流大小.在电感旁边串联小电阻的方法能更准确地感应电感电流.

在文中,转换器可以工作于4种工作模式,分别是降压模式、升压降压模式、升压模式和打嗝工作模式[2].前3种模式工作于重载条件下,最后一种模式工作于轻载条件下.升压降压模式定义为从降压模式到升压模式转换过程中或者从升压模式到降压模式转换过程中的过渡状态,在4种工作模式下都可以保持高效率和低输出纹波.当平均电流感应模块检测到轻载电流时,进入打嗝工作模式[3].相比于其他的同类型转换器[4],打嗝工作模式使效率有很大提高.在2 A负载跳变时,恢复时间可以保持在60μs之内.

转换器用HSPICE仿真,并使用0.18μm互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor transistor,CMOS)工艺流片.以下介绍转换器的系统架构、平均电流模电路和4种工作模式.然后给出转换器的测试结果,最终得出结论.

1 系统架构及不同的工作方式

1.1系统构造描述

笔者描述的升压降压型转换器内部架构如图1所示.系统包括功率级部分、反馈环路、脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)比较器、平均电流模电路和逻辑控制部分.功率级部分包括功率P沟道金属氧化物半导体(P-channel Metal Oxide Semiconductor,PMOS)P1和PMOS P2,N沟道金属氧化物半导体(N-channel Metal Oxide Semiconductor,NMOS)N1和NMOS N2及外部电感电容滤波器[5-6].反馈环路包含内部稳压环路、误差放大器(Error Amplifier,EA)和电压基准模块[6-7].逻辑环路控制4个功率MOS的开关动作,从而使输出电压(VOUT)稳定在3.3 V.在轻载条件下,系统工作于打嗝模式;在重载条件下,电路工作于连续电流模式[4].在系统工作过程中,连续工作电流模式也就是脉冲宽度调制模式[8].负载轻重的检测是通过AVCS模块实现的.在连续工作模式中,根据输入电压(VIN)的不同分为升压模式、升压降压模式和降压模式.当VIN低于3.3 V时,工作在升压模式,此时P1导通,N1关断,P2和N2交替导通,功率管导通的占空比与VIN有关;当VIN高于3.3 V时,工作在降压模式,此时P2导通,N2关断,P1和N1交替导通,功率管导通的占空比与VIN有关;当VIN值在接近3.3 V时,工作在升压降压模式,反馈电压可以通过逻辑模块控制4个功率MOS的导通或关断.在升压降压模式下,此种开关方式有比较高的效率[9].传统的升压降压芯片在输入电压和输出电压接近时,工作方式接近于低压差线性稳压器,在功率MOS上消耗比较大的能量.

电路的整体工作方式为电流模感应方式.平均电流模感应电路如图2所示,低频RC滤波器加入到输出VISEN1中作为峰值电流检测,峰值电流为电路工作于连续电流模式时的电感电流最大值.在升压模式下,在电感充电过程中(此时P2导通,N2截止),AVCS起到采样电流的作用.当电流值逐渐增大使得VISEN2高于VREF1时,系统工作模式从打嗝模式过渡到脉冲宽度调制模式.在检测到负载成为轻载时,为了让VISEN2快速降下来使系统进入打嗝工作模式,VISEN2到地之间放置一个二极管D1.当在脉冲宽度调制模式下电流特别大时,也可以让电感电流限制在设定值内,防止负载电流过大.

当工作于升压过程的脉冲宽度调制模式下时,由于ID是非连续电流,VISEN1也是一个跳变电压.VH为VISEN1的高电平,VL为VISEN1的低电平.在图1中,VISEN1上有RC滤波器,V1为电感放电周期前VISEN2的电压,V2为电感放电周期后VISEN2的电压,V3为电感充电周期后VISEN2的电压,D为电路工作过程中充电时间的占空比.电感上电流经过1/N的衰减后表现在平均电流模感应模块上产生ISEN.电压VISEN2可以通过电压VISEN1来计算之.

当t<(1-D)T时,电感处于放电周期,CF1上的电压是VISEN1经过RF1的滤波器得到的.VISEN2可以这样计算:

当(1-D)T<t<T时,电感处于充电周期,电流从CF1经过RF1流出,此时

当V1=V3≈V2时,在升压模式下,IR=(1-D)ID,所以得到

当工作于降压过程的脉冲宽度调制模式下时,ID是连续电流,VISEN1也是一个连续电压,所以VISEN2与VISEN1几乎相同,此时ID=IR.故

图1 升压降压芯片主要的内部模块图

图2 平均电流模感应电路

可以总结得到在所有的工作模式下:

在升压降压工作过程中,随着负载变化,功率管都可以工作在连续电流模式或者打嗝模式下.负载电流决定了工作模式[2,10].当负载电流比较小时,VISEN2<VREF1,此时会自动进入打嗝模式,其他情况下电路工作在脉冲宽度调制模式.

1.2系统不同的工作模式

当转换器在连续工作模式下时,随着VIN的上升分别工作于升压、升压降压、降压工作模式.但在3种工作状态下,可以用一套补偿模式.在电路内部,有专门名为BURST的信号会基于负载大小调节系统工作于打嗝模式还是脉冲宽度调制模式.Ilimit为电感电流的最大值,电感电流在任何工作模式下都要被限定在Ilimit以下.Izero是在打嗝模式下电感电流认定的电流下限值.如果电流值到达Izero,系统认定此时电感电流已经降为零.在打嗝模式下,如果电感电流降低到Izero,则4个功率管都关断,直到反馈电压低于设定值,才会有新的电感电流上冲.在打嗝模式下是不存在负电流的,这样在轻载下效率就会大大提高[2].在传统的转换器中,轻载与重载下都使用一种工作模式.在轻载时,为了保持稳定输出,会有负的电感电流存在,导致在轻载时效率都会低于60%[7,11].在轻载时进入打嗝模式,系统可以在各种应用情况下都保持高效率.在系统处于待命模式下(空载时),系统仅有30μA静态电流.如果在便携式设备中应用该转换器,则可以大大地延长电池的使用寿命.

tXY定义为在一个周期内X MOS和Y MOS都导通的时间.为一个周期内主开关管P1和N2同时导通的时间,为一个周期内主开关管P1和P2同时导通的时间,为一个周期内主开关管N1和P2同时导通的时间.在重载时,根据VIN和VOUT的关系,工作于升压模式、降压模式或者升压降压模式.基于电感电压二次平衡原理[10],VOUT和VIN的关系为

如果VIN<VOUT,则系统工作于升压模式,此时P1导通,N1截止,P2和N2在同一个周期内开关交替导通,转换比例为)

如果VIN>VOUT,则系统工作于降压模式,此时P2导通,N2截止,P1和N1在同一个周期内开关交替导通,转换比例为

如果VIN≈VOUT,则系统工作于升压降压模式,P1、P2、N1、N2在几个周期内交替导通,转换比例为

当系统工作在升压降压模式时,平均电感电流值接近负载电流.在升压降压型芯片工作过程中有如此高的效率,在同类型芯片中是比较有创新性的.4个功率MOS导通的交叠时间是比较重要的.太短的交叠时间会导致非连续的模式切换,太长的交叠时间又会导致低效率.所以在逻辑控制模块控制合适的交叠时间(模式切换导通间隔在12 ns左右),可以在保持高效率的同时使模式稳定切换.

2 实验结果

该款高效多模式升压降压转换器使用0.18μm CMOS工艺流片.表1为芯片的各项性能指标.图3为芯片的显微照片,芯片的裸片面积为1.58 mm×1.93 mm.EA为误差放大器模块,BG为电压基准模块,UVLO为欠压锁存模块,BIAS为基准电流模块,OSC为振荡器模块,IZERO为零电流检测模块,POWER MOS为功率电阻部分.输出电压为3.3 V,输入电压为2.5~5.5 V,工作频率为2.4 MHz.

图4为在不同负载电流情况下测试绘成的工作效率曲线.当VIN=2.7 V时,工作在升压模式;当VIN= 3.3 V时,工作在升压降压模式;当VIN=4.2 V时,工作在降压模式下.在1 A负载、4.2 V输入情况下,可以达到95%的峰值效率.在正常的负载范围内(负载大于30 m A),升压降压工作效率都可以超过85%.

表1 性能指标

图3 芯片的显微照片

图4 芯片在不同输入情况下的效率

随着负载电流的变化,系统可以在打嗝模式和脉冲宽度调制模式平稳切换.图5(a)所示为芯片在4.2 V输入、2 A负载跳变下的仿真结果;图5(b)所示为芯片在4.2 V输入、负载电流在10 m A与2 A之间互相切换的实验结果.CH1代表输出的交流纹波,CH3代表输入电压,CH4代表负载电流.在10 m A负载下,芯片工作在打嗝模式;在2 A负载时,工作在脉冲宽度调制模式.负载从2 A到10 m A跳变会引起6 m V的输出跳变,负载从10 m A到2 A跳变会引起7 m V的负载跳变.但是,在传统方法下2 A负载瞬态响应会引发大约50 m V的输出跳变[4].使用此种模式转换方式可以大大地降低负载调整率.系统负载跳变的恢复时间可以低至60μs,相比于传统模式的升压降压芯片,恢复时间有较明显缩短.

图5 负载跳变图

3 结束语

以上介绍了一种高效多工作模式低静态电流升压降压型转换器.这种转换器在打嗝模式和脉冲宽度调制模式之间可以平稳切换.在2 A负载跳变时,输出跳变可以维持在0.3%之内.在升压降压模式工作中,负载电流与电感电流大小差不多.在电路所有工作模式中都可以保持高效率.实验结果证明了这种转换器具有高工作效率和良好的系统稳定性.文中介绍的转换器适合锂电池供电的便携式设备,可以较大地提高电池寿命.

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(编辑:郭 华)

Rapidly transient response with the flexible mode and high-efficiency buck-boost converter

CHENG Liye,LAI Xinquan
(Ministry of Education Key Lab.of High-Speed Circuit Design and EMC,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

A novel current sensing technique with a rapidly transient and flexible mode buck-boost converter is presented.The converter can work in an appropriate mode according to the input voltage(VIN)and inductor current(IL),with smooth transition and flexible working modes achieved.The average current sensing(AVCS) circuit has an accurate measurement of IL.The transient response time is also decreased.The current sensing converter is implemented in the Silterra 0.18μm COMS process.Experimental results show 95%peak efficiency at an output current 1 A with 4.2 V VIN,so that the converter can extend the battery life.The output transient with the load current altering from 0 to 2 A is 6 m V and the recovery time is 60μs.

multi modes;rapidly response;high efficiency;average current sensing;smooth switching

TN432

A

1001-2400(2016)05-0093-05

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.05.017

2015-08-04 网络出版时间:2015-12-10

国家自然科学基金资助项目(61106026)

成立业(1989-),男,西安电子科技大学博士研究生,E-mail:chengliye4213@126.com.

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20151210.1529.034.html

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