多模式開(kāi)關(guān)電源控制芯片的低功耗設計與實(shí)現
開(kāi)關(guān)電源的效率與功耗已成為設計師關(guān)注的焦點(diǎn)，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(kāi)關(guān)電源的工作中根據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(kāi)關(guān)電源在輕載和待機條件下效率低的特點(diǎn)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(diǎn)；在輕載下采取PFM 模式，通過(guò)降低開(kāi)關(guān)頻率來(lái)降低功耗；而在極輕載條件下（待機模式下）則采取BURST模式來(lái)降低功耗。
目前，由于能源緊缺，國際國內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，傳統的多模式控制策略雖然改善了開(kāi)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(gè)數量級，其節電效能就十分可觀(guān)。
文中給出一種低功耗開(kāi)關(guān)電源控制芯片供電系統的設計并予以實(shí)現，其特點(diǎn)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芯片的需要，分別設置了一個(gè)數字模塊供電單元和兩個(gè)模擬模塊供電單元，其中一個(gè)模擬模塊供電單元專(zhuān)門(mén)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 系統與電路設計
1.1 系統構成
整個(gè)系統的構成如圖1所示。系統中包括一個(gè)欠壓鎖定電路（UVLO，Under voltage lockout），用于保證電路在合適的電壓范圍內正常工作；一個(gè)帶隙基準電壓源和一個(gè)專(zhuān)為數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字部分的電源。具體構成時(shí)此兩模塊包含在UVLO模塊內。兩個(gè)電壓調整器（REGULATOR）分別產(chǎn)生一個(gè)5 V和一個(gè)4.3 V 的穩定電壓，其中5 V穩定電壓源輸出記為REG，用于在重載時(shí)為控制器供電（輕載時(shí)關(guān)斷）；4.3 V 穩定電壓源輸出記為VDD_AD，用于輕載時(shí)的供電。當然，必要時(shí)還可以利用帶隙基準產(chǎn)生更多不同的電壓以滿(mǎn)足復雜控制模式的需要。
圖1電源系統框圖
此外，本設計中還設置了一個(gè)REF-OK模塊來(lái)判斷上電后電源系統是否已進(jìn)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(chēng)UVLO，見(jiàn)圖2.圖中 VDD為芯片外部供電電源，設計值為12 V.欠壓鎖定電路的窗口設置為7~9.5 V，即上電后電壓上升到大于9.5V 時(shí)芯片開(kāi)始正常工作，而當供電電壓小于7 V時(shí)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(shí)現方案，并對兩種控制策略的性能進(jìn)行了分析與比較。
圖2 兩個(gè)比較器實(shí)現的欠壓鎖定電路
圖2給出第一種欠壓鎖定電路的原理圖，稱(chēng)為U-VLO1，這是用兩個(gè)比較器實(shí)現的欠壓鎖定電路。VDD是外部供電電壓源，K1、K2 是小于1的常數，且K1》K2，VREF為1.25 V帶隙基準電壓，LATCH是由兩個(gè)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(shí)有效。
電路的工作原理可簡(jiǎn)述如下：12 V供電電壓可在VDD比較低時(shí)建立一個(gè)PTAT （ProportiONal toabsolute temperature）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(shí)，帶隙基準電壓r首先建立，此時(shí)兩個(gè)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(shí)，COMP1輸出跳變，N1管導通，鎖存器鎖存上一個(gè)信號，UVLO為高電位（注意其為低電位有效）；當K2VDD大于VREF 時(shí)，N2導通，則UVLO-out為低電位，使能其他模塊；隨著(zhù)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K1 VDD小于VREF時(shí)COMP1跳變，P1導通，N1關(guān)斷，則輸出UVLO-out為高電位，關(guān)斷整個(gè)控制芯片。
所謂多模式控制就是在開(kāi)關(guān)電源的工作中根據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(kāi)關(guān)電源在輕載和待機條件下效率低的特點(diǎn)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(diǎn)；在輕載下采取PFM 模式，通過(guò)降低開(kāi)關(guān)頻率來(lái)降低功耗；而在極輕載條件下（待機模式下）則采取BURST模式來(lái)降低功耗。
目前，由于能源緊缺，國際國內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，傳統的多模式控制策略雖然改善了開(kāi)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(gè)數量級，其節電效能就十分可觀(guān)。
文中給出一種低功耗開(kāi)關(guān)電源控制芯片供電系統的設計并予以實(shí)現，其特點(diǎn)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芯片的需要，分別設置了一個(gè)數字模塊供電單元和兩個(gè)模擬模塊供電單元，其中一個(gè)模擬模塊供電單元專(zhuān)門(mén)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 系統與電路設計
1.1 系統構成
整個(gè)系統的構成如圖1所示。系統中包括一個(gè)欠壓鎖定電路（UVLO，Under voltage lockout），用于保證電路在合適的電壓范圍內正常工作；一個(gè)帶隙基準電壓源和一個(gè)專(zhuān)為數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字部分的電源。具體構成時(shí)此兩模塊包含在UVLO模塊內。兩個(gè)電壓調整器（REGULATOR）分別產(chǎn)生一個(gè)5 V和一個(gè)4.3 V 的穩定電壓，其中5 V穩定電壓源輸出記為REG，用于在重載時(shí)為控制器供電（輕載時(shí)關(guān)斷）；4.3 V 穩定電壓源輸出記為VDD_AD，用于輕載時(shí)的供電。當然，必要時(shí)還可以利用帶隙基準產(chǎn)生更多不同的電壓以滿(mǎn)足復雜控制模式的需要。
圖1電源系統框圖
此外，本設計中還設置了一個(gè)REF-OK模塊來(lái)判斷上電后電源系統是否已進(jìn)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(chēng)UVLO，見(jiàn)圖2.圖中 VDD為芯片外部供電電源，設計值為12 V.欠壓鎖定電路的窗口設置為7~9.5 V，即上電后電壓上升到大于9.5V 時(shí)芯片開(kāi)始正常工作，而當供電電壓小于7 V時(shí)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(shí)現方案，并對兩種控制策略的性能進(jìn)行了分析與比較。
圖2 兩個(gè)比較器實(shí)現的欠壓鎖定電路
圖2給出第一種欠壓鎖定電路的原理圖，稱(chēng)為U-VLO1，這是用兩個(gè)比較器實(shí)現的欠壓鎖定電路。VDD是外部供電電壓源，K1、K2 是小于1的常數，且K1》K2，VREF為1.25 V帶隙基準電壓，LATCH是由兩個(gè)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(shí)有效。
電路的工作原理可簡(jiǎn)述如下：12 V供電電壓可在VDD比較低時(shí)建立一個(gè)PTAT （ProportiONal toabsolute temperature）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(shí)，帶隙基準電壓r首先建立，此時(shí)兩個(gè)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(shí)，COMP1輸出跳變，N1管導通，鎖存器鎖存上一個(gè)信號，UVLO為高電位（注意其為低電位有效）；當K2VDD大于VREF 時(shí)，N2導通，則UVLO-out為低電位，使能其他模塊；隨著(zhù)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K1 VDD小于VREF時(shí)COMP1跳變，P1導通，N1關(guān)斷，則輸出UVLO-out為高電位，關(guān)斷整個(gè)控制芯片。
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