0 引言
各種便攜式電子產(chǎn)品,，如照相機,、攝像機、手機,、筆記本電腦,、多媒體播放器等都需要DC-DC變換器等電源管理芯片。這類便攜式設(shè)備一般使用電池供電,，總能量有限,，因此，電源芯片需要最大限度地降低工作電壓,，延長電池的使用壽命,。傳統(tǒng)DC-DC的工作電壓一般都在1．0 V以上，本文所設(shè)計的電路將這一啟動電壓降低至0．8V,。
1 電路整體示意圖
DC-DC升壓型開關(guān)電源在低輸入電壓下工作,，利用控制電路導(dǎo)通和關(guān)斷功率管，在功率管導(dǎo)通時,，電感儲存能量,；當功率管關(guān)斷時,，電感釋放能量，對輸出電容充電,，輸出電壓升高,。當輸入電源低至1．0 V以下，如果DC-DC芯片的驅(qū)動電壓取自輸入電源,，芯片內(nèi)部電路就不能正常工作,，DC-DC便無法啟動；如果DC-DC芯片的驅(qū)動電壓取自輸出電壓,，同樣,，芯片根本無法啟動及進行任何升壓動作。本文針對輸入電源電壓變化范圍較大,，在考慮商業(yè)成本的情況下,，設(shè)計了2個振蕩器電路：主振蕩器和輔助振蕩器。輔助振蕩器靠輸入電壓供電,，0．8 V即能起振,，在VDD升至1．9 V以前控制功率管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使VDD逐步抬升,。主振蕩器靠輸出電壓即VDD供電,，在VDD升至1．9 V以后以一個較穩(wěn)定的頻率工作，抬升并維持輸出電壓,。電路的整體示意圖如圖1所示,。該電路包括主振蕩器、輔助振蕩器以及它們的切換電路,、帶隙基準電路,、PWM比較器、過壓保護電路,、過流保護電路等,。
2 主振蕩器的設(shè)計
在構(gòu)想了兩個在兩段不同的電源電壓下工作的振蕩器電路之后，就可以對兩個振蕩器電路分別進行設(shè)計,。環(huán)形振蕩器因其結(jié)構(gòu)簡單,，易于集成，而用于許多集成電路芯片的設(shè)計,，但其振蕩頻率受電源電壓變化的影響較大,，文獻中所提出的方案雖然有較大改善，但它采用了大的集成電阻,，這不僅增大了芯片面積,，而且集成電阻阻值隨工藝偏差很大，還會進一步增大環(huán)振輸出頻率的不穩(wěn)定性,。文獻所提出的改進型環(huán)形振蕩器電路頻率穩(wěn)定度高,，適用于電源電壓變化較大的集成電路系統(tǒng),，但它采用了耗盡型MOS管，增加了電路的成本,，不利于商業(yè)開發(fā),。本文所設(shè)計的主振蕩器采用如圖2所示的環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)。VC1,，VC2分別為過壓保護電路,，PWM比較器的輸出信號，MP10和MP11為帶隙基準提供的鏡像電流,，合理的控制鏡像電流和電容C1,，C2的大小，即能夠使主振蕩器在1．9～8 V的VDD區(qū)間輸出350 kHz左右較穩(wěn)定的振蕩頻率,。
3 輔助振蕩器的設(shè)計
文獻中提出的輔助振蕩器電路也采用環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu),，它利用亞閾值導(dǎo)通的原理，使得起振電壓降至0．8 V,，但是這個輔助振蕩器在0．8～1．9 V的VDD區(qū)間里頻率變化很大,，會在電路啟動階段造成很大的浪涌電流，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定,。
文獻中提出的輔助振蕩器克服了以上缺點,，既保證了在0．8 V起振，又避免了振蕩頻率變化過大,，但是,，在輔助振蕩器關(guān)斷之后由于工藝偏差可能會在R，S端出現(xiàn)不確定狀態(tài),，導(dǎo)致功耗過大，并造成后續(xù)電路不能正常工作,。本文在文獻的基礎(chǔ)上加以改進,，增加M17管，M18管,，所設(shè)計的輔助振蕩器如圖3所示,。
圖3中，M1～M12是低輸入電壓偏置電流電路,，這個電路的主要功能是在低輸入電壓下產(chǎn)生一個恒定的納安級的偏置電流,。這一不隨電源電壓變化的偏置電流將為圖3所示的輔助振蕩器提供偏置。M8～M13為啟動電路,，M3,，M4都工作在亞閾值區(qū)，
式中：K=(W／L)M4／(W／L)M3,，通過式(5)可以發(fā)現(xiàn),，偏置電流IM1,，IM2與輸入電源無關(guān)。
恒流源II和I4對電容C1充放電,，該振蕩器的核心模塊是兩個比較器,，M21，M22組成COMP1,，該比較器閾值較高,，為M22管的導(dǎo)通閾值，記為VH=Vth,。M22,，M23，M24,，M25,，M26，R2組成COMP2,，該比較器閾值較低,，記為VL：
SE為輔助振蕩器切換信號，SEB為SE的反信號,。當VDD低于1．9 V時,，SE為高電平，M17,，M18都截止,，不影響R，S觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn),，輔助振蕩器工作,，開關(guān)S1斷開，S2閉合,；當VDD高于1．9 V時,，SE為低電平，輔助振蕩器關(guān)斷,，開關(guān)S1閉合,，S2斷開，M17,，M18都導(dǎo)通,，R=1，S=0,，AUXCLK被鎖定為高電平,，既減小了功耗，也避免了輔助振蕩器關(guān)斷之后R，S端出現(xiàn)不確定狀態(tài),。
4 電路整體仿真結(jié)果與分析
整體電路在0．5μm CMOS工藝庫(VthN=0．72 V,，VthP=-0．97 V)下仿真，仿真條件為VIN=0．8 V,，仿真結(jié)果如圖4所示,。
從圖4可以看出，電路啟動后,，首先輔助振蕩器V(auxclk)起振,，VDD逐漸升高，升高至1.4 V時,，主振蕩器V(mainclk)起振,，但此時只有輔助振蕩信號通過開關(guān)S2傳到功率管的柵極，當VDD升高至1．9 V時,，輔助振蕩器關(guān)掉,，主振蕩器信號通過開關(guān)S1傳到功率管的柵極，VDD繼續(xù)升高至設(shè)定的輸出電壓3．3 V以后,，由反饋電路控制主振蕩器的開啟與關(guān)斷,，來維持這一輸出電壓。
5 結(jié)語
本文針對輸入電源電壓變化范圍較大,，設(shè)計了兩種結(jié)構(gòu)不同的振蕩器,，其在在不同電源電壓范圍內(nèi)工作的頻率較穩(wěn)定，并利用電壓檢測模塊進行合理的切換,，解決了低輸入電壓下電路無法啟動的問題,，是一款適用于商業(yè)開發(fā)的DC-DC升壓型開關(guān)電源。