一種恒定頻率電流模式PWM 降壓轉換器的設計*

謝亞偉，王津飛

（江蘇信息職業技術學院微電子學院，江蘇 無錫 214153）

恒定頻率的電流模式PWM 降壓轉換器在便攜式應用中被廣泛使用，此器件要求在采用單節鋰電池供電輸出較大電流時的效率仍能達到較高的水平；另外，為了延長手持設備電池的供電時間，通常要求這類器件在占空比為100%時工作處于低壓降狀態；還有在負載較輕時輸出時紋波要非常小，以降低對噪聲敏感設備的影響。

本文所介紹的SX1145 是一款1.5MHz 恒定頻率的電流模式PWM 降壓轉換器，在輸入電壓為2.5～5.5V 范圍內能提供高達1.5A 的負載電流，輸出電壓可以低至0.6V。高的開關頻率使得在采用小尺寸外圍元件的情況下保持較低的開關損失。內部斜率補償設置使得在采用低值電感的情況下保持高的效率。

1 關鍵模塊的設計

為實現上述恒定頻率的電流模式PWM 降壓轉換器的要求，需要在電路的關鍵模塊的設計方面作一些特殊考慮，下面作具體介紹。

1.1 低電壓檢測模塊

該模塊的原理如圖1 所示。

圖1 低電壓檢測模塊原理圖

比較器的反相輸入端是帶隙基準電壓1.2V，低壓復位值由電阻R0 和R1 的比值決定，低壓檢測的閾值電壓是2.31V 和2.15V，如圖2 所示。

圖2 低電壓檢測模塊仿真結果

1.2 過熱保護電路

當內部功率耗散太大時，過熱保護電路禁止開關開啟。過熱保護閾值溫度是170℃，滯回溫度是10℃。當過熱情況或過流情況移除后，輸出電壓自動恢復。過熱保護電路結構如圖3 所示。

圖3 過熱保護電路原理圖

假設溫度從室溫開始上升，開始時OTN 為高電平，電路處于正常工作狀態，N2 管開啟，W1 約為420mV，W2的電位在室溫時約為0.6V，當溫度升高時，W2 的電位逐漸下降，當W2 的電位比W1 低時，N1 開啟，OTN 變為低，電路處于過熱保護狀態，此時N2 截止，W1 電位升高，只有管芯的溫度下降，W2 電位上升到高于W1 電位時，電路才脫離過熱保護狀態。

1.3 軟啟動電路

軟啟動電路限制了輸入浪涌電流并且消除了輸出電壓過沖。使能端（EN）高有效，當EN 端接低電平時，電路進入關斷狀態，此時電路電源電流小于1uA。軟啟動電路結構如圖4 所示。

圖4 軟啟動電路原理圖

上電復位后，計數器在約1.2mS 內從0×00 上行計數到0×7F。計數器的輸出值有DAC 電路轉換為0～0.6V 的參考電壓，作為誤差放大器的輸入參考電壓。

1.4 斜率補償電路

斜率補償電流產生電路如圖5 所示。

圖5 斜率補償電路原理圖

0.7V 和0.9V 是兩個參考電壓，OSC_SAW 是振蕩器輸出的鋸齒波，VBH_COMP 是斜率補償參考電壓。I0、I1和I2 是偏置電路提供的恒定電流源。每個振蕩周期的開始，OSC_SAW 為最低電平，I0 和I1 的電流從N0 流到地，N1 管沒有電流流過，N2 管也沒有電流流過。

圖5 中P4 管的電流就是I2 的電流。當OSC_SAW上升到0.7V 時，I0 的電流開始從N1 管流過，電流通過N2 鏡像到P4 管，流過P4 管的電流逐漸增大；當OSC_SAW 上升到0.9V 時，I1 的電流開始從N1 管流過，電流通過N2 鏡像到P4 管。這種分段變化的補償方法避免因為補償過大而影響峰值電感電流，空載時甚至使電流模式失效。

1.5 峰值電流合成電路

峰值電流合成電路結構如圖6 虛線框外的部分所示，VBH 提供偏置電壓，P0、P3 和P6 流過恒定電流。在每個振蕩周期中，OSC_OUT 從低向高升時，流過N1 管的電流逐漸增大，流過P7 的電流也逐漸增大，隨著時間的增加，由峰值電流合成電路產生的電流在電阻R0 上產生的電壓降越大，使電流比較器I1 翻轉時間提前，完成斜率補償，保持反饋環路穩定。

圖6 峰值電流合成電路原理圖

1.6 電流偏置電路

電流偏置電路包括帶溫度系數的偏置電路和恒定電流源偏置兩部分。

帶溫度系數的電流偏置電路的結構如圖7 所示，圖7 中P0 和P1、N0 和N1 組成兩個電流鏡，W3 和W4 的電位相同，并且流過Q0 和Q1 的電流相同，由于Q1 的發射區面積是Q0 的8 倍，所以Q1 發射結的電流密度是Q0發射結電流密度的1/8，W3 和W4 的電壓差是V（W3，W4）=VTln（8）=kTln（8）/q（室溫下約為52mV），這個壓差加在電阻R0 兩端，確定了回路的電流。從式中可以看出，電阻R0 兩端的電壓和絕對溫度成正比，所以，隨著溫度的上升，R0 中的電流增大，呈正溫度系數。

圖7 帶溫度系數電流偏置電路原理圖

圖7 中虛線框內是啟動電路，假設電路沒有啟動，則回路電流為0，P4 管中電流為0，P3 管和R1 串聯，P3 管的電流鏡像到P2 管，流過P2 管的電流經過N0 和Q0 流到地，由于鏡像作用，N1 中也有電流流過，N1 中的電流也流過P1 管，再由P1 管鏡像到P0 管，于是回路中就有電流流過，此時P4 管也開啟，把W5 拉到高電平，P2 管關斷，電流源回路通過反饋工作在平衡狀態，啟動過程完成，此時啟動電路不再影響電流源回路。

恒定電流源偏置電路如圖8 所示，圖8 中運放保持R1 的壓降為帶隙基準電壓（1.2V），在不同溫度和電壓下R1 中的電流保持恒定，恒定電流從P0 鏡像到P1 和P2，給其他模塊提供穩定偏置電流。電阻R1 的類型是高阻多晶電阻，這種類型的電阻具有負溫度系數，當溫度升高時，電流還是會增大。

圖8 恒定電流源偏置電路原理圖

2 結束語

本文介紹了一種恒定頻率的電流模式PWM 降壓轉換器中的關鍵模塊的電路結構的設計，主要目標是在滿足PWM 轉換器性能指標的前提下，滿足工藝的要求，并且電路結構盡可能簡單。上述設計結果對PWM 降壓轉換器的設計具有較好的參考作用。