鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2019年12月27日
多模式開關(guān)電源控制芯片的低功耗設計與實現(xiàn)
摘要：針對降低多模式開關(guān)電源控制芯片在輕載與待機工作模式下功耗，提高其全負載條件下工作效率的需要，提出一種開關(guān)電源控制芯片供電系統(tǒng)的設計方案，實現(xiàn)了其在啟動、關(guān)斷、重載、輕載以及待機等各種工作情況下的高效率低功耗工作。該供電系統(tǒng)主要包括欠壓鎖定電路、數(shù)字模塊電源單元和兩種不同的模擬模塊電源單元，以及狀態(tài)檢測模塊和模式控制邏輯單元，能夠?qū)崿F(xiàn)電源的上電、掉電控制，同時能夠根據(jù)電源的負載條件控制各模塊的開通關(guān)斷以實現(xiàn)低功耗工作。該系統(tǒng)已應用于綠色多模式反激式開關(guān)控制器的設計中，取得了提高電源效率、降低待機功耗的作用。芯片采用1.5umBiCMOS工藝設計制成。測試表明，所設計電源的各項指標均已達到設計要求。
引言
開關(guān)電源的效率與功耗已成為設計師關(guān)注的焦點，而多模式控制已經(jīng)成為電源控制芯片中高效率低功耗設計的主流趨勢。
所謂多模式控制就是在開關(guān)電源的工作中根據(jù)負載情況的不同采用不同的控制策略，以降低其功耗，提高效率。它是針對常用開關(guān)電源在輕載和待機條件下效率低的特點提出的，其設計思想可描述為：在重載下采用PWM模式，以發(fā)揮其重載下效率高的優(yōu)點；在輕載下采取PFM模式，通過降低開關(guān)頻率來降低功耗；而在極輕載條件下（待機模式下）則采取BURST模式來降低功耗。
目前，由于能源緊缺，國際國內(nèi)均對降低用電設備的輕載和待機功耗給予了極大注意。應指出的是，傳統(tǒng)的多模式控制策略雖然改善了開關(guān)電源的輕載與待機效率，但未對控制芯片本身的靜態(tài)功耗予以足夠的重視，考慮到家電、辦公設備等設備數(shù)量巨大，倘能將控制芯片的靜態(tài)電流由毫安級降低一至兩個數(shù)量級，其節(jié)電效能就十分可觀。
文中給出一種低功耗開關(guān)電源控制芯片供電系統(tǒng)的設計并予以實現(xiàn)，其特點是可以降低控制芯片在輕載與待機模式下的功耗。
針對當前應用廣泛的系統(tǒng)芯片的需要，分別設置了一個數(shù)字模塊供電單元和兩個模擬模塊供電單元，其中一個模擬模塊供電單元專門用于在重載條件下為控制模塊供電，而在輕載和待機模式下則被關(guān)斷，以降低芯片的靜態(tài)功耗。
1系統(tǒng)與電路設計
1.1系統(tǒng)構(gòu)成
整個系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)中包括一個欠壓鎖定電路（UVLO，Undervoltagelockout），用于保證電路在合適的電壓范圍內(nèi)正常工作；一個帶隙基準電壓源和一個專為數(shù)字模塊供電的電壓源（記為VDD_D），分別為芯片提供基準偏置和數(shù)字部分的電源。具體構(gòu)成時此兩模塊包含在UVLO模塊內(nèi)。兩個電壓調(diào)整器（REGULATOR）分別產(chǎn)生一個5V和一個4.3V的穩(wěn)定電壓，其中5V穩(wěn)定電壓源輸出記為REG，用于在重載時為控制器供電（輕載時關(guān)斷）；4.3V穩(wěn)定電壓源輸出記為VDD_AD，用于輕載時的供電。當然，必要時還可以利用帶隙基準產(chǎn)生更多不同的電壓以滿足復雜控制模式的需要。
此外，本設計中還設置了一個REF-OK模塊來判斷上電后電源系統(tǒng)是否已進入正常工作狀態(tài)。
1.2欠壓鎖定電路的設計
欠壓鎖定電路又稱UVLO，見圖2.圖中VDD為芯片外部供電電源，設計值為12V.欠壓鎖定電路的窗口設置為7~9.5V，即上電后電壓上升到大于9.5V時芯片開始正常工作，而當供電電壓小于7V時芯片停止工作?？紤]到欠壓鎖定電路在電源控制芯片中的重要性，設計給出了兩種實現(xiàn)方案，并對兩種控制策略的性能進行了分析與比較。
圖2給出第一種欠壓鎖定電路的原理圖，稱為U-VLO1，這是用兩個比較器實現(xiàn)的欠壓鎖定電路。VDD是外部供電電壓源，K1、K2是小于1的常數(shù)，且K1》K2，VREF為1.25V帶隙基準電壓，LATCH是由兩個反相器組成的鎖存器。圖中標的UVLO_out代表欠壓鎖定信號，狀態(tài)設置是UVLO_out=0時有效。
電路的工作原理可簡述如下：12V供電電壓可在VDD比較低時建立一個PTAT（ProportiONaltoabsolutetemperature）電流源，然后利用其建立起帶隙基準電壓源；當VDD由0上升時，帶隙基準電壓r首先建立，此時兩個比較器的輸出為低電位，P1導通，輸出為高電位；當K1VDD大于r時，COMP1輸出跳變，N1管導通，鎖存器鎖存上一個信號，UVLO為高電位（注意其為低電位有效）；當K2VDD大于VREF時，N2導通，則UVLO-out為低電位，使能其他模塊；隨著VDD減小，K2VDD首先小于VREF，N2關(guān)斷，則鎖存器鎖存信號，UVLO-out保持；當VDD減小到K1VDD小于VREF時COMP1跳變，P1導通，N1關(guān)斷，則輸出UVLO-out為高電位，關(guān)斷整個控制芯片。
另一個方案是利用一個比較器實現(xiàn)的UVLO電路，稱UVLO2.該電路的特點是通過外部遲滯實現(xiàn)了欠壓鎖定功能，可應用于高壓和低壓場合，如圖3.電路的工作原理如下：當VDD由0上升到一個比較小的值時，帶隙基準電壓VREF首先建立，當VDD上升到：
時，比較器開始跳變，N1關(guān)斷，UVLO-out為0，使能整個控制芯片。當外部電源電壓開始減小到：
時，比較器跳轉(zhuǎn)，N1開通，UVLO-out開始變l.通過合理設置R1、R2、R3值就可以使VDD1=9.5V，VDD2=7V，即VDD上升到9.5V時UVLO輸出為零，芯片正常工作；VDD下降到7V時芯片停止工作。
兩種方案的工作特性對比結(jié)果如表2所列。需要指出的是，若直接用門電路實現(xiàn)施密特觸發(fā)，由于的工藝離散性，將使觸發(fā)電壓難以準確控制。
經(jīng)比較可知，UVL02結(jié)構(gòu)較為簡單，面積小，啟動電流小，有利于降低功耗。因此，本設計最終采用了UVL02方案。此外，為最大限度減小功耗，設計中將帶隙基準電壓、數(shù)字電源和欠壓鎖定電路集成在一起。具體電路圖見圖4。
圖中利用帶隙基準電壓加上四個二極管連接的三極管產(chǎn)生一個大于4V的電壓，然后經(jīng)過M0S管產(chǎn)生一個大約2.65V左右的電壓。這個電壓在基準電壓建立后就產(chǎn)生了，主要用于為欠壓鎖定電路的數(shù)字部分供電，并且擔任了為整個系統(tǒng)的數(shù)字電路供電的任務。
上一篇：液晶顯示器電源管理電路設計方案
