開關(guān)電源的效率與功耗已成為設(shè)計師關(guān)注的焦點，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(shè)計的主流趨勢,。

　　所謂多模式控制就是在開關(guān)電源的工作中根據(jù)負(fù)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,。它是針對常用開關(guān)電源在輕載和待機(jī)條件下效率低的特點提出的,，其設(shè)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,；在輕載下采取PFM 模式,，通過降低開關(guān)頻率來降低功耗；而在極輕載條件下（待機(jī)模式下）則采取BURST模式來降低功耗,。

　　目前,，由于能源緊缺，國際國內(nèi)均對降低用電設(shè)備的輕載和待機(jī)功耗給予了極大注意,。應(yīng)指出的是,，傳統(tǒng)的多模式控制策略雖然改善了開關(guān)電源的輕載與待機(jī)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(shè)備等設(shè)備數(shù)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數(shù)量級,，其節(jié)電效能就十分可觀,。

　　文中給出一種低功耗開關(guān)電源控制芯片供電系統(tǒng)的設(shè)計并予以實現(xiàn)，其特點是可以降低控制芯片在輕載與待機(jī)模式下的功耗,。

　　針對當(dāng)前應(yīng)用廣泛的系統(tǒng)芯片的需要,，分別設(shè)置了一個數(shù)字模塊供電單元和兩個模擬模塊供電單元，其中一個模擬模塊供電單元專門用于在重載條件下為控制模塊供電,，而在輕載和待機(jī)模式下則被關(guān)斷,，以降低芯片的靜態(tài)功耗,。

　　1 系統(tǒng)與電路設(shè)計

　　1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　整個系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示,。系統(tǒng)中包括一個欠壓鎖定電路（UVLO，Under voltage lockout）,，用于保證電路在合適的電壓范圍內(nèi)正常工作,；一個帶隙基準(zhǔn)電壓源和一個專為數(shù)字模塊供電的電壓源（記為VDD_D）,，分別為芯片提供基準(zhǔn)偏置和數(shù)字部分的電源。具體構(gòu)成時此兩模塊包含在UVLO模塊內(nèi),。兩個電壓調(diào)整器（REGULATOR）分別產(chǎn)生一個5 V和一個4.3 V 的穩(wěn)定電壓,，其中5 V穩(wěn)定電壓源輸出記為REG，用于在重載時為控制器供電（輕載時關(guān)斷）,；4.3 V 穩(wěn)定電壓源輸出記為VDD_AD,，用于輕載時的供電。當(dāng)然,，必要時還可以利用帶隙基準(zhǔn)產(chǎn)生更多不同的電壓以滿足復(fù)雜控制模式的需要,。

　　圖1電源系統(tǒng)框圖

　　此外，本設(shè)計中還設(shè)置了一個REF-OK模塊來判斷上電后電源系統(tǒng)是否已進(jìn)入正常工作狀態(tài),。

　　1.2 欠壓鎖定電路的設(shè)計

　　欠壓鎖定電路又稱UVLO,，見圖2.圖中 VDD為芯片外部供電電源，設(shè)計值為12 V.欠壓鎖定電路的窗口設(shè)置為7~9.5 V,，即上電后電壓上升到大于9.5V 時芯片開始正常工作,，而當(dāng)供電電壓小于7 V時芯片停止工作?？紤]到欠壓鎖定電路在電源控制芯片中的重要性,，設(shè)計給出了兩種實現(xiàn)方案，并對兩種控制策略的性能進(jìn)行了分析與比較,。

　　圖2 兩個比較器實現(xiàn)的欠壓鎖定電路

　　圖2給出第一種欠壓鎖定電路的原理圖,，稱為U-VLO1，這是用兩個比較器實現(xiàn)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(shù),，且K1》K2,，VREF為1.25 V帶隙基準(zhǔn)電壓，LATCH是由兩個反相器組成的鎖存器,。圖中標(biāo)的UVLO_out代表欠壓鎖定信號,，狀態(tài)設(shè)置是UVLO_out=0時有效。

　　電路的工作原理可簡述如下：12 V供電電壓可在VDD比較低時建立一個PTAT （ProportiONal toabsolute temperature）電流源,，然后利用其建立起帶隙基準(zhǔn)電壓源,；當(dāng)VDD由0上升時，帶隙基準(zhǔn)電壓r首先建立,，此時兩個比較器的輸出為低電位,，P1導(dǎo)通，輸出為高電位；當(dāng)K1VDD大于 r時,，COMP1輸出跳變,，N1管導(dǎo)通，鎖存器鎖存上一個信號,，UVLO為高電位（注意其為低電位有效）,；當(dāng)K2VDD大于VREF 時，N2導(dǎo)通,，則UVLO-out為低電位,，使能其他模塊；隨著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(dāng) VDD減小到K1 VDD小于VREF時COMP1跳變，P1導(dǎo)通,，N1關(guān)斷,，則輸出UVLO-out為高電位，關(guān)斷整個控制芯片,。

　　表1 UVLO 的狀態(tài)對應(yīng)表

　　另一個方案是利用一個比較器實現(xiàn)的UVLO電路,，稱UVLO2.該電路的特點是通過外部遲滯實現(xiàn)了欠壓鎖定功能，可應(yīng)用于高壓和低壓場合,，如圖3.電路的工作原理如下：當(dāng)VDD由0上升到一個比較小的值時,，帶隙基準(zhǔn)電壓VREF首先建立，當(dāng)VDD上升到：

　　時,，比較器開始跳變,，N1關(guān)斷，UVLO-out為0,，使能整個控制芯片,。當(dāng)外部電源電壓開始減小到：

　　時，比較器跳轉(zhuǎn),，N1開通,，UVLO-out開始變l.通過合理設(shè)置R1、R2,、R3值就可以使VDD1=9.5 V,，VDD2=7V，即VDD上升到9.5 V時UVLO輸出為零,，芯片正常工作,； VDD下降到7 V 時芯片停止工作,。

　　圖3 用外部遲滯實現(xiàn)的欠壓鎖定電路

　　兩種方案的工作特性對比結(jié)果如表2所列。需要指出的是,，若直接用門電路實現(xiàn)施密特觸發(fā)，由于“的工藝離散性,，將使觸發(fā)電壓難以準(zhǔn)確控制,。

　　表2 兩種欠壓鎖定電路比較

　　經(jīng)比較可知，UVL02結(jié)構(gòu)較為簡單,，面積小,，啟動電流小，有利于降低功耗,。因此,，本設(shè)計最終采用了UVL02方案。此外,，為最大限度減小功耗,，設(shè)計中將帶隙基準(zhǔn)電壓、數(shù)字電源和欠壓鎖定電路集成在一起,。具體電路圖見圖4,。

　　圖4 欠壓鎖定和數(shù)字電源的具體電路圖

　　圖中利用帶隙基準(zhǔn)電壓加上四個二極管連接的三極管產(chǎn)生一個大于4 V 的電壓，然后經(jīng)過M0S管產(chǎn)生一個大約2.65 V左右的電壓,。這個電壓在基準(zhǔn)電壓建立后就產(chǎn)生了,，主要用于為欠壓鎖定電路的數(shù)字部分供電，并且擔(dān)任了為整個系統(tǒng)的數(shù)字電路供電的任務(wù),。

　　1.3 5 V基準(zhǔn)電壓源（REG）

　　圖5為5 V穩(wěn)定電壓源（REG）的電路原理,。其中P1、P2,、P3,、P4組成共源共柵結(jié)構(gòu)，可以提高電流鏡的鏡像精度,，同時提高電源抑制比,。Q3、Q4,、R 1,、R2組成一個帶隙基準(zhǔn)電壓，這樣可以減小額外的電流支路,，降低功耗,。Q1、Q2組成達(dá)林頓結(jié)構(gòu),，增加輸出能力,。P5、P6增加匹配，減小溝道長度調(diào)制效應(yīng),。Q1,、Q2、R3,、R4,、R5、R6,、Q4,、P5、P6組成一個負(fù)反饋環(huán)路,，將REG電壓穩(wěn)定在5 V,。圖中C具有兩種作用：1、記憶直流工作點,；2,、補償環(huán)路電容。

　　穩(wěn)壓機(jī)理如下：當(dāng)負(fù)載增加時,，REG電壓下降,，則Q4基極下降，集電極升高,，經(jīng)過P5,、P6，使得Q1,、Q2基極升高,，REG 電壓升高；反之亦然,。

　　REG電壓是片上多數(shù)模塊的供電電壓,，驅(qū)動能力設(shè)計為4mA。

　　圖5 5 V 穩(wěn)定電壓源

　　1.4 4.3 V穩(wěn)定電壓源

　　4.3 V 的穩(wěn)定電壓源（VDD-AD）用來在輕載時為系統(tǒng)供電,，始終保持工作,，在BURST模式下由它為模擬模塊供電。

　　圖6 4.3 V 的穩(wěn)定電壓源

　　是帶隙基準(zhǔn)電壓,，通過一個運放,、一個達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的晶體管和一個電阻分壓網(wǎng)絡(luò)組成負(fù)反饋環(huán)路來產(chǎn)生4.3 V 的穩(wěn)定電壓。其穩(wěn)壓機(jī)理如下：當(dāng)負(fù)載增大時,，VDD-AD電壓下降,，此時A點電壓下降，使運放的輸出上升,，則Q1,、Q2基極升高,，REG電壓重新升高，獲得穩(wěn)定,；反之亦然,。

　　VDD-AD是檢測模塊的供電電壓，設(shè)計驅(qū)動能力為2 mA.芯片負(fù)載減小時,，關(guān)斷REG,，減小了芯片的靜態(tài)功耗，這樣既能保證芯片的驅(qū)動能力,，又同時降低了芯片的靜態(tài)功耗。

　　圖7 REF-OK 電路的設(shè)計

　　1.5 REF_OK模塊

　　REF_0K模塊用以標(biāo)志電源系統(tǒng)是否建立好,，以控制決定供電單元是否正常開始工作,。其中兩個比較參考電平REFOK1、REF0K2的關(guān)系始終保持為REFOK1《REF0K2.電路的工作原理如表3,，形成的滯回窗口不僅保證了REG的精度,，而且提高了整個供電單元的抗干擾性能。

　　表3 REF_OK 的基本功能表

　　1.6 模式控制邏輯

　　模式控制邏輯用以保證在進(jìn)行模式選擇時,，電源系統(tǒng)正常工作,。當(dāng)FB電壓底于0.5 V時，該控制邏輯通過內(nèi)部電流滯回比較器自動選擇進(jìn)入待機(jī)模式,。RUN信號（其為高電位有效）用來關(guān)斷綠色多模式反激變換器中的其它控制模塊,，以實現(xiàn)低待機(jī)功耗。

　　圖8 模式控制邏輯

　　2.版圖設(shè)計及測試結(jié)果

　　2.1 版圖設(shè)計

　　圖9給出了制得的多模式開關(guān)電源控制芯片的顯微照片,，其中用線框標(biāo)出的部分就是所設(shè)計的供電模塊,，包括：欠壓鎖定電路，數(shù)字電源,，模擬電壓源（5 V穩(wěn)定電壓源,，4.3 V穩(wěn)定電壓源），REF_OK等子模塊,。兩個模擬電壓源因功率較大,，可視為熱源，將其統(tǒng)一放置在版圖的左邊,，而PTAT,、帶隙基準(zhǔn)等敏感模塊則盡量遠(yuǎn)離熱源，放置在版圖的右邊,，欠壓鎖定電路也放置在版圖的右上角,。

　　圖9 芯片的顯微照片

　　2.2 Regulator的測試

　　5 V 電壓的PSR測試波形如圖10所示。由此圖可見,，其PSR可以達(dá)到-60 dB.該供電模塊在工作頻率為40~130 kHz的綠色多模式反激式控制器中的應(yīng)用表明,，它對來自電源的干擾具有較好的抑制能力,。

　　圖10 5 V電源的PSR

　　2.3 供電系統(tǒng)的測試

　　UVLO的啟動電流測量值僅為17.8 A，實現(xiàn)了系統(tǒng)的低啟動電流,。系統(tǒng)上電和掉電的測試結(jié)果如圖11和圖12所示,。可見系統(tǒng)在VDD的設(shè)置門限內(nèi)工作良好,，REF-OK可以正確指示各個供電模塊正常工作,。掉電過程正好相反。

　　圖11 供電模塊的上電和掉電過程（1）

　　圖12 供電模塊的上電和掉電過程（2）

　　2.4 模式控制和效率測試

　　系統(tǒng)的多模式控制測試結(jié)果見圖13,。中載或重載下系統(tǒng)采用PWM 模式工作,，許多單元的供電電源為REG=5 V.極輕載條件下則關(guān)斷5 V的供電電源，減小系統(tǒng)的待機(jī)功耗,，同時也有利于減小EMI和噪聲,。其過程如下：當(dāng)FB電壓低于一個閾值時，待機(jī)模式選擇,，則SHUTDOWN信號變高,，關(guān)斷5 V 電壓源REG模塊，同時VDD-AD繼續(xù)給芯片供電,，保證在輕載時芯片的檢測能夠連續(xù)實現(xiàn),。

　　圖13 供電單元多模式下的節(jié)能過程

　　圖14給出了集成了該低功耗電源系統(tǒng)的綠色多模式反激式控制器的效率圖（工作頻率為40~130kHz），并與傳統(tǒng)的反激變換器效率進(jìn)行了比較,。由圖可知,，采用多模式反激式控制降低了芯片的輕載功耗，提高了效率,。

　　圖14 反激變換器效率比較

　　3 結(jié) 論

　　提出了一種開關(guān)電源控制芯片供電系統(tǒng)的設(shè)計方案,，可在不同負(fù)載條件下為芯片提供合適的供電方案，保證其高效低功耗工作,。設(shè)置的UVLO模塊保證了芯片在電源波動過程中的正常工作,。芯片測試的結(jié)果很好地驗證了設(shè)計思想。