DC—DC芯片反向大電流檢測的設計

摘 要：提出了一種降壓型電流模DC-DC芯片的反向大電流檢測電路。該電路檢測開關管之間的電壓，與基準電壓比較后輸出邏輯信號控制開關管，將DC-DC芯片的反向電感電流門限設定為900mA，提高了芯片輕負載工作下的效率。

關鍵詞：DC-DC芯片；輕負載；反向大電流

引言

DC-DC變換器芯片具有效率高、穩定性好、PCB板占用面積小等優點，在現在電子設計中應用特別廣泛。不斷提高DC-DC變換器的效率一直是此類芯片設計中的難點[1]。

為了提高工作效率，目前的市場上的DC-DC變化器芯片多采用峰值電流模PWM控制方式[2-3]。大多數情況下，芯片會工作在輕負載模式，因此尤其應該提高輕負載模式下的效率[4]。本文基于降壓型DC-DC芯片，提出了一種新穎的片上反向大電流檢測保護電路，在輕負載的情況下，當電感中的反向電流超過900mA時，輸出信號IR2_OUT將同步開關管關斷，防止了流過電感的反向電流過大而造成能量的浪費，提高了變換器輕負載工作下的效率。

1 反向大續流檢測電路的設計思想

DC-DC芯片主開關管和同步開關管連接處SW點的電壓可以反映電感電流的大小。在續流階段，對SW點的電壓進行采樣得到IR_SW信號，將該信號與基準電壓通過比較器進行比較。當反向電感電流超過900mA時，IR_SW的電壓大于基準電壓，此時比較器的輸出IR2_OUT變為邏輯“1”將同步開關管關斷，使續流階段結束。

2 具體電路實現

圖1是反向大電流檢測模塊的實際電路圖，圖中BJH1是芯片內部基準電流模塊為本模塊比較器正常工作提供的電流偏置；IR_GND是基準電壓信號，它由基準電流流入電阻R1產生；IR_SW是續流階段SW點電壓的采樣信號；SHUT和IR2CTL是本模塊的邏輯使能信號；IR2_OUT是本模塊的輸出，它可以控制同步開關管的關斷。

由圖1可知，本模塊中的比較器采用了的典型兩級結構[5]。電路第一級使用二極管接法的MOS管作負載，第二級采用推挽式的輸出結構。第二級中的M15和M18接成共源共柵的結構，提高了電路的電源抑制比。在設計當中，M20N的寬長比遠大于M20P的寬長比，并且M21P的寬長比遠大于M21N的寬長比，這樣由M20N和M20P構成的整形非門上升沿翻轉較快，由M21N和M21P構成的整形非門下降沿翻轉較快，從而有利于輸出信號IR2_OUT在由邏輯“0”變為邏輯“1”過程中的快速翻轉。

為了保證變換器在絕大部分情況工作在連續導通模式下，電路的設計應該保證電感中可以流過一定的反向電流。然而在反向續流階段，輸出電容上儲存的能量經電感和同步開關管流到地端，造成了能量的浪費，因此為了提高變換器輕負載下的效率，反向電感電流又不宜過大。經過折衷考慮，本設計中的反向續流門限設定為900mA。

在芯片正常工作的情況下，在任意工作周期當中，當主開關管關斷后，邏輯控制同步開關管打開，變換器進入續流階段，此時全局關斷信號SHUT為邏輯“0”，使能信號IR2CTL為邏輯“1”，反向續流檢測模塊可以正常工作。在續流階段，同步開關管、電感、負載和輸出電容構成回路，電感中的儲能通過回路釋放。在這一過程中，IR_SW通過檢測SW點的電壓來檢測同步開關管中的電流。在續流的開始階段，電流由地流向電感，此時SW點的電壓小于零，IR_SW的電壓小于零。差分對管中的M2導通，M3截止，偏置電流全部流經M5，M6上幾乎沒有電流流過，這導致了M18截止，M19導通并處于線性工作區，M19的漏端電壓與源端電壓幾乎相等，接近于地電位，IR2_OUT為邏輯“0”。當電感中的能量耗盡之后，由于電感電流不能突變，輸出電容通過電感和同步開關管對地放電，電感中開始流過反向電流，此時SW和IR_SW的電壓大于零且它們隨著電感電流的增大而增大。當電感中的反向電流超過900mA時，IR_SW電壓將超過基準電壓IR_GND，IR2_OUT變為邏輯“1”，控制同步開關管關斷，結束變換器的續流過程。

3 仿真結果

本文提出的電路應用于一款降壓型單片DC-DC變換器中，芯片已經采用Hspice和Candence完成了電路前仿真設計。圖2是在溫度為25℃、電源電壓VI為5V、全典型模型的情況下，IR2_OUT隨反向電感電流變化的直流仿真曲線。由該圖可知，使IR2_OUT由邏輯“0”變為邏輯“1”的反向電感電流門限約為900mA，這一結果滿足設計要求。

參考文獻

[1]袁冰，來新泉，李演明，等.便攜應用DC-DC輕負載高效率的實現[J].半導體學報，2008，06，Vol.29（6）：1199-1202.

[2]陳東坡，何樂年，嚴曉浪.一種具有750mA輸出電流，雙模式PWM/

PFM控制的高效率直流-直流降壓轉換器[J].半導體學報，2008，08，Vol.29（8）：1614-1619.

[3]Yong Sun， Yizheng Ye， Fengchang Lai. Power efficient high speed switched current comparator[C]. The 7th International Conference on ASIC Proceeding. 2007， 10： 581-584.

[4]P.Midya， M.Greuel， P.T.Krein. Sensorless Current Mode Control-An Observer -Based Technique for DC-DC Converter[J]. IEEE Trans on Power Electronics. 2001， 07， Vol.16（4）： 522-526.

[5]畢查德·拉扎維.模擬CMOS集成電路設計[M].陳貴燦，程軍，張瑞智譯.西安：西安交通大學出版社，2003.

作者簡介：曼茂立（1982-），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：模擬集成電路設計，汽車電子。