一款2.5 A 电流模式Buck 型DC-DC 的研究与设计

赵鹏

（榆林学院 信息工程学院，陕西榆林 719000）

在如今的互联网时代，各类电子产品正悄无声息地改变着人们的生活[1-4]。一个电子产品系统由不同功能的芯片构成，而能让它们正常工作的核心器件就是电源管理芯片，其将电源电压转换为不同的电压，为每个芯片提供工作电压。目前，电子产品的续航时间越来越长[5-9]，长时间的续航必然要求其电源管理芯片尽可能提高工作效率，降低损耗[10-13]。因为电子产品很多都是蓄电池供电，故如何设计一款高性能的电源管理芯片和对电源管理芯片进行优化并提高其整体性能，成了世界范围内一个重要研究课题。

文中设计了一款宽输入范围、大负载电流的降压型DC-DC 电源管理芯片。其采用PWM 方式对MOS 功率管进行控制，通过内部补偿电路的设计，可有效减少外部器件使用。针对DC-DC 轻载时效率较低的问题，通过分析功率管效率模型，提出了一种灵活的频率切换方法来提升效率[14-16]。系统默认设置3 种频率，通过对负载电流的检测与分级来选择合适的系统频率。负载较轻时，选择最低的频率；负载较重时，考虑到输出纹波的控制，选择较高的频率。通过这样的检测、分级与选择，在全负载范围内兼顾纹波的同时，较好地提升了工作效率。

1 电路原理

文中所设计的降压型DC-DC 芯片总体框图如图1 所示。

图1 芯片整体结构框图

整个电路主要由误差放大器、比较器、控制电路和电阻、电感等组成。电路工作时，输出信号VOUT经过分压电阻产生反馈信号Vfb。首先，Vfb与基准电压Vref进行差值放大，所产生的输出ERR 信号是一个连续变化的模拟量。根据两个输入信号差值的大小不同，ERR 信号或大或小。然后，ERR 信号再与一个固定频率的三角波进行比较，产生与三角波频率相同的矩形波。这个矩形波的占空比与ERR 信号的大小相关，当ERR 信号较大时，输出的矩形波高电平时间较短；当ERR 信号较小时，矩形波的高电平时间较长。最后，比较器的输出再接入RS 锁存器的复位端，用来调节S 端方波的占空比，锁存器S 端接入的是和三角波频率相同的方波。最终，锁存器的输出信号VOUT 则是经过调节而生成的不定占空比的矩形波，经过驱动后，用来控制开关功率管的导通与关断。功率管的导通和关断又将使VOUT 产生变化，从而进行下一个周期的调节。整个过程处于一个动态平衡之中。

2 主要电路设计

2.1 误差放大器设计

误差放大器的结构如图2 所示。采用折叠共源共栅放大器，输入信号分别是反馈信号Vfb和一个固定的基准信号Vth。M15、M16、M17、M18 和M1、M3均为偏置电路，Ib为偏置电流，其值为6 μA。R1、R2和R3的作用是调节共源共栅MOS 管栅压，以确保其过驱动电压满足MOS 管工作在饱和区。M2 和M4 为运算放大器的尾电流源，为放大器提供稳定的电流。若无M2 和M4 两个偏置电流源，当放大器的输入共模电平变化时，两个共源共栅支路的偏置电流也会发生相应变化，这样输出共模电平也会随之变化，从而导致放大器进入非线性工作区。M2 和M4的作用就是提供一个恒定的电流，使共源共栅支路电流保持恒定，输出共模电平不随输入共模电平的变化而变化。M5 和M6 为差分输入对管，为保证匹配性，其宽长比相同，其将差分输入电压转换为差分输入电流。M13 和M14 的尺寸决定着对应支路电流的大小，M7 和M8 构成自偏置电流镜，M9、M10 和M11、M12 是两组电流镜。

图2 误差放大器结构

2.2 比较器设计

比较器结构如图3 所示。比较器用来比较梯形波和误差放大器的输出信号。将NMOS 管作为输入对管，可以提供较高的输入跨导，有利于提高运放的直流增益。M6 为尾电流源，用于提供稳定的电流。M1、M2 为电流源，M3、M4 为运放的差分输入对管，M7、M8 为运放的第二级，M9、M10 和M11、M12 构成两级反相器。当INN 端电压大于INP 端的电压时，M3 导通程度大于M4，M3 电流大于M4 电流。M3 电流由M1 镜像到M2，使M2 的漏电压升高，M7 趋于截止区，M7 漏电压接近于0，经过两级反相器，比较器输出低电平。当INN 端电压小于INP 端电压时，情况则相反。其中INN 端为误差放大器输出信号ERR，INP 端为电流检测信号与振荡器信号叠加后的信号，其产生电路如图4 所示。

图3 比较器结构

图4 INP梯形波产生电路

Vb1与Vb2是偏置电压，Vslope为斜坡电压信号，其经过M5 输入到Q1，后经过电阻R1转换为斜坡电流，斜坡电流通过M2 镜像到M3，与检测信号SSS 在电阻R2上完成电流叠加并形成电压加到M7 的栅极。M6 和M7 构成PMOS 源极跟随器，故输出电压为抬高一个固定数值的电压跟随信号SUM。

3 系统仿真

用spectre 对电路进行设计,负载为1 Ω，输入电压范围仿真结果如图5 所示。从图中可以看出，当输入电压分别达到5 V 与23 V 时，输出电压均可以稳定达到2.5 V。由于5 V 电压较为常用，故芯片实际验证的输入范围为5～23 V，满足系统要求。

图5 输入电压范围仿真

输出电压负载调整率是指流经负载的输出电流发生变化，对应输出电压变化的百分比。负载调整率表示着负载变化时输出电压的稳定程度，该指标越小越好：

模拟负载的变化情况，负载电流在一个周期内从1.5 A 跳变到2.5 A，对输出电压进行瞬态扫描，结果如图6 所示。

从图6 中可以看出，电流从1.5 A 跳变到2.5 A时，输出电压最大值为2.666 V，最小值为2.314 V，由式（1）得到该芯片的负载调整率为8%∕A，满足系统要求。

图6 负载调整率仿真

4 效率改进

对于DC-DC 来说，损耗主要是功率管的损耗（电感的损耗相比可以忽略），其等效模型如图7 所示。

图7 功率管等效模型

由于功率管在控制信号作用下导通和关断，故可将功率管等效为一个开关、一个电阻及开关电容，则功率管上的损耗可分为开关损耗、电阻损耗和电容损耗。同时，电感的等效模型可以看成由一个理想电感及一个和频率相关的ESR 等效串联电阻构成。为分析简便，其他损耗忽略不计，故DC-DC 的工作效率可由式（2）表示：

功率管上的损耗主要由开关损耗和导通损耗构成。所谓开关损耗，是指功率管在导通和关断的瞬间，其两端的电压及电流由于变化而产生一定的交叠时间，这一交叠时间所产生的损耗，其中大部分是电流电压的交叠损耗。而导通损耗则不同，它仅存在功率管导通时，由于功率管导通时存在一定等效阻抗，所以只要功率管上有电流流过，就会存在导通损耗。开关损耗和导通损耗是功率管最主要的损耗，基本决定了整个DC-DC 系统中的整体损耗。

交叠损耗主要为功率管导通和关断过程中的损耗，由式（3）表示：

fSW为系统频率，tcross为电流与电压的交叠时间。同时，功率管的寄生电容损耗由式（4）表示：

故功率管总开关损耗由式（5）表示：

功率管的导通损耗由式（6）表示：

故功率管总损耗如式（7）所示：

电感上的损耗主要与电感寄生的等效电阻相关Rf，可由式（8）表示：

从式（7）可以看出，功率管的损耗和系统的频率成正比，故要减小功率管损耗，减小其系统频率是可行的方法。故文中提出了一种频率切换的方法来减小功率管损耗，从而提高效率。频率切换的原理是根据负载电流大小的不同进行频率切换，实现在较大负载电流范围内效率的提升。频率切换并不需要增加额外电路模块，而是通过检测出负载电流大小而相应改变振荡器充电电流大小，从而实现振荡器频率切换。其原理如图8 所示。

图8 频率切换原理

如图8 所示，I1～I3是3 个依次增加的恒定电流，用于将负载分级。通过串接在开关管上的检测电阻，检测负载电流变化，通过电流比较器将检测到的电流值定位到不同等级，从而产生不同的控制信号控制MOS 管M1～M3 导通，而M1～M3 的导通个数则决定着电流I0的大小。电流I0是振荡器的充电电流，电流越大，振荡器的充电速度越快，频率越高。例如，当负载电流较小时，通过检测分级，只选择M1 管导通，则振荡器的充电电流由流过M1 管的电流决定，此时电流较小，频率较低；在负载电流较大时，通过检测分级，可选择M1、M2、M3 同时导通，此时振荡器的充电电流为三路电流之和，振荡器的频率就会变高。这样便可实现根据负载电流的大小而产生不同系统频率的目的，进而在较大负载电流范围内实现效率的提升。

5 结果验证

将输入电流I1～I3分别设置为100 mA、500 mA、1.5 A，振荡器频率分别设置为80 kHz、340 kHz 和500 kHz。通过检测电路，当负载电流低于500 mA时，系统选择80 kHz 频率；当负载电流介于500 mA与1.5 A 之间时，系统选择340 kHz 频率；当负载电流大于1.5 A 时，系统选择500 kHz 频率，仿真结果如图9 所示。

图9 不同电流情况下的频率跳变

图中第一条曲线表示根据检测到的不同负载电流而产生振荡器的不同充电电流；第二条曲线和第三条曲线分别是不同的充电电流产生3 种不同频率的三角波和矩形波。根据不同的负载电流及频率，得到系统效率仿真结果，如图10 所示。

图10 效率仿真结果

从图10 中可以看出，通过采取频率切换的方法，不同负载电流下的效率都得到了提升。当负载电流小于500 mA 时，效率最多提升10%；负载电流在500 mA 至1.5 A 时，效率提升最高达2%；负载电流在1.5 A 至2.5 A 时，效率提升最高达0.5%。由此可见，系统实现了在较宽负载电流范围内效率的提升。

6 结束语

文中设计完成了一款宽输入范围模拟控制的2.5 A 电流模式Buck 型DC-DC 电源管理芯片，该芯片采用同步整流技术，减小了额外的损耗。同时针对DC-DC 轻载时效率较低的问题，通过分析功率管损耗模型，提出了一种灵活的频率切换方法来提升效率。电路在CSMC 0.25BCD 高压工艺库下，采用spectre 进行设计与仿真验证，结果满足系统要求。