求一种1-V直流升压转换器的启动电路设计

　　1 介绍
　　在许多大众电子产品：如手机，数码相机，以及其它的多媒体娱乐产品中，便携式电源 都有比较广泛的用途。而现在低电压和高效率的DC-DC 转换器变得越来越重要。为了延长 电池的使用寿命，在DC-DC 转换器的设计中，降低功耗和提高效率是很重要的。目前， 在需要低电压输入时，许多电源管理芯片需要采用特殊的工艺或者复杂的电路结构来实现。 本文是基于这种需求下，提出电源电压低至1 V 时能有效的将输出电压提升到一定高电压并 供主控环路工作的启动电路。本文提出的这种启动电路采用标准0.35-μm 3.3/5-V 的CMOS 工艺（Vth=0.81V），结构简单，它要求的最小的电源电压仅为1 V。
　　2 启动电路的结构
　　当电源电压非常低的时候，直流转换器的主控环路不能工作。因此，启动电路首先需要 将输出电压提升到一定的高电压。而这个电压值比主控环路要求的最小电源电压要高。此时， 主控环路将被激活，同时关闭启动电路，此后主控环路将控制整个转换器的工作。实际上， 这个启动电路是一个简单的，具有固定占空比的，能在低电源电压工作的开环升压转换电路。
　　
　　图1 虚线框中是本文提出的1V 启动电路的结构。它包括一个1V 的带隙基准电压、1V 的RC 振荡器、一个功率PMOS 管衬底控制电路和功率管驱动电路。其中L、R 和C 是直流 升压转换器的外部原件，衬底控制电路以及功率管栅极控制电路是启动电路和主控环路所共 用的。1 V 的带隙基准提供稳定的高、低参考电压和用于振荡器、比较器等的偏置电流。RC 振荡器的输出是固定占空比的方波。迟滞比较器和PMOS 同步整流器衬底控制电路将共同 保证PMOS 同步整流器的衬底始终偏置于Vin 和Vout 中的较大者。栅控制电路和驱动器输出 用于控制和驱动NMOS 开关管和PMOS 同步整流器的方波信号。
　　3 1-V 启动电路的具体设计
　　3.1 1-V 带隙电压基准电路
　　目前，低电压带隙基准电路可采用多种结构实现。但是它们中的一些需要低阈值电压或 者特殊的工艺，而且它们中的很多结构不能在本文所采用的工艺中实现 。一种不需要 低阈值电压的1-V CMOS 带隙电压基准结构已经被Leung 等人提出，并且经验证能在此 工艺中实现。从图2 中我们可以看到这种1-V 的带隙基准电压电路主要由三部分组成：低 电压放大器、启动电路和带隙核心电路。
　　
　　然而，原来电路中的运算放大器在此工艺中很难达到比较高的增益，因此我们在此采用 一个简单的两级运放所代替。并且，它的启动电路也必须被修改以获得更大的输入电压范围。 MP1 和R5 通过判断M1 和M2 的电流是否达到一个足够高的值，从而去开启或者关闭M5 和M6。以使带隙基准的核心电路和运算放大器获得正常工作所需的电流。
　　VH和VL分别是供振荡器使用的高、低基准电压。PTAT电流Iout为1-V振荡器提供偏置电 流和充电电流。通过Leung的分析，我们可以得到：
　　
　　3.2 1-V RC 振荡器
　　1-V振荡器的主要功能是为栅极控制和驱动电路提供固定占空比的方波。从式（2）的 直流升压转换器的输入和输出电压之间的关系，我们知道如果要求输出电压足够高以驱动主 控环路工作，则占空比D应该是尽量的大。虽然D是随着温度，工艺，和输入电压变化的， 因此为了保证在输入电压范围和温度范围内输出电压能够本提升到足够大，我们还是选择了 一个比较大的占空比D。
　　
　　这个振荡器的基本工作原理是：当电容C1的电压低于VH时，则RS触发器的输出为高电 平以打开NMOS开关管MN1，同时Iin对C1进行充电。当电容C1的电压超过VH后，RS触发器 的输出Q将关闭MN1，这时C1的放电电流为（n-1）*Iin。然后电容C1的电压下降，当下降到比 低电压VL的值还低的时候，Q将打开NMOS开关MN1，并且Iin对电容C1充电。这样依此循环， 我们得到振荡器的占空比是（n-1）/n。至于振荡器的频率，考虑到启动时间以及外部原件的影 响，我们一般取这个值比其正常工作的频率低一些即可。在这个设计中，它的频率约为 300kHz。
　　
　　3.3 同步整流PMOS管的衬底偏置电路
　　衬底偏置电路包含两个部分：一个是迟滞比较器，另一个是控制电路。如图4所显示的 一样，这个迟滞比较器是带正反馈的源极耦合差分对，这种结构可以消除颤动效应。其 正负触发电平值是：
　　
　　其中k=μp*Cox，a=（W/L）5/（W/L）3，并且a》1， ref V 为参考端的电平值。选择适当的（W/L）5和（W/L）3， 我们可以获得想要的触发电平值。
　　
　　同步整流管的衬底控制电路将根据迟滞比较器的结果选择性的输出电源电压和升压转 换器的输出电压中的较大者。当迟滞比较器的输出Vout 为高的时候，控制电路的输出是电源 电压，否则输出升压转换器的输出电压。
　　3.4 栅极控制及驱动电路
　　高效率的栅极驱动一般打开功率开关 MOS 管时其导通电阻非常的小，同时可以有效的 关断同步整流MOS 管。一般情况下，驱动功率MOS 管最简单的结构是一组驱动能力逐渐 增大的反相器的级联，但是这些反相器要消耗比较大的功耗和版图面积。因此，一种新颖的 驱动电路，能更有效、更快的驱动功率MOS 管和同步整流管。并且，这种结构可以节约 比较多的版图面积。
　　4 启动电路的仿真结果
　　本文所提出的启动电路是采用Chartered 半导体0.35-μm 3.3V/5V 的CMOS 工艺所实现 的。仿真工具是Cadence 公司的Spectre 仿真器。
　　
　　图 5 是在输入电压为1 V 时，不同温度时的功率开关管的控制电压波形、输出电压波形 和PMOS 同步整流器衬底控制电压的仿真波形图。
　　从图 5 中，我们可以看到这个1-V 的启动电路在输入电压仅为1 V 时能将输出电压升压 到2.5V 以上，同时PMOS 同步整流器的衬底始终被输入和输出电压中的较高者偏置。温度 对输出电压的上升时间影响不是很明显，但对振荡频率的影响却比较明显。
　　5 结论
　　通过仿真结果我们可以得出：本文提出的 1-V 直流升压转换器的启动电路在较宽的输 入电压和温度范围内能有效的将其输出电压升压到一定的高电压（本设计中为2.5V），并且 其最小的输入电压为1 V。同时，本文中还介绍了一个1-V 的带隙基准电路和1-V 的RC 振 荡器。采用本文所介绍的1-V 的启动电路，不需要使用特殊的工艺和复杂的电路结构，可 以很好的应用于多种需要低电压的直流升压转换器中。
　　本文作者创新点：启动电路所要求的最低输入电压很低，仅仅为1V；有很好的通用性， 此启动电路可以移植到要求低电压输入的直流升压转换器中；结构简单，并且不需采用特殊 的工艺。