0 引言
    各種便攜式電子產(chǎn)品,，如照相機(jī),、攝像機(jī)、手機(jī),、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(jì)的電路將這一啟動(dòng)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(shí),，電感儲(chǔ)存能量,；當(dāng)功率管關(guān)斷時(shí)，電感釋放能量,，對(duì)輸出電容充電,，輸出電壓升高。當(dāng)輸入電源低至1．0 V以下,，如果DC-DC芯片的驅(qū)動(dòng)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(dòng),；如果DC-DC芯片的驅(qū)動(dòng)電壓取自輸出電壓，同樣,，芯片根本無法啟動(dòng)及進(jìn)行任何升壓動(dòng)作,。本文針對(duì)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(jì)了2個(gè)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(gè)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(zhǔn)電路、PWM比較器,、過壓保護(hù)電路,、過流保護(hù)電路等。

2 主振蕩器的設(shè)計(jì)
    在構(gòu)想了兩個(gè)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(duì)兩個(gè)振蕩器電路分別進(jìn)行設(shè)計(jì),。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(jì),，但其振蕩頻率受電源電壓變化的影響較大，文獻(xiàn)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(huì)進(jìn)一步增大環(huán)振輸出頻率的不穩(wěn)定性,。文獻(xiàn)所提出的改進(jìn)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(jì)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(hù)電路,，PWM比較器的輸出信號(hào),，MP10和MP11為帶隙基準(zhǔn)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(jì)
    文獻(xiàn)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(gè)輔助振蕩器在0．8～1．9 V的VDD區(qū)間里頻率變化很大，會(huì)在電路啟動(dòng)階段造成很大的浪涌電流,，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定,。
    文獻(xiàn)中提出的輔助振蕩器克服了以上缺點(diǎn)，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(huì)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(xiàn)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn),，增加M17管，M18管,，所設(shè)計(jì)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(gè)電路的主要功能是在低輸入電壓下產(chǎn)生一個(gè)恒定的納安級(jí)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(dòng)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(duì)電容C1充放電,，該振蕩器的核心模塊是兩個(gè)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(hào),，SEB為SE的反信號(hào),。當(dāng)VDD低于1．9 V時(shí)，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(dāng)VDD高于1．9 V時(shí)，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(dòng)后，首先輔助振蕩器V(auxclk)起振,，VDD逐漸升高,，升高至1.4 V時(shí)，主振蕩器V(mainclk)起振,，但此時(shí)只有輔助振蕩信號(hào)通過開關(guān)S2傳到功率管的柵極,，當(dāng)VDD升高至1．9 V時(shí),，輔助振蕩器關(guān)掉，主振蕩器信號(hào)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(duì)輸入電源電壓變化范圍較大,，設(shè)計(jì)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(jìn)行合理的切換,，解決了低輸入電壓下電路無法啟動(dòng)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,。