便携应用DC-DC轻负载高效率的实现.pdfVIP

第29卷 第6期 半 导 体 学 报 Vo1．29 No．6 2008年6月 JOURNAL OF SEMICONDUCTORS June，2008 便携应用DC—DC轻负载高效率的实现 袁 冰 来新泉 李演明 叶 强 王红义 贾新章 (1西安电子科技大学微电子学院，西安 710071) (2西安电子科技大学电路CAD所，西安 710071) 摘要：提出了一种新颖的DC．DC环路控制结构．轻负载时芯片自动进入省电模式，通过检测反馈电压使其在待机状态与 固定峰值状态切换工作，平均静态功耗以及开关功耗大大减小，提高了轻负载效率，延长了便携应用电池的使用时间．内部 同步整流消除了肖特基二极管的使用，进一步提高了效率．该结构在一款0．5 m CMOS工艺的降压型DC—DC中进行了投 片验证．输入电压3．6V，输出电压1．8V条件下，待机状态静态电流仅为 25／~A，0．1mA负载下效率高达62％．最高效率为 96％． 关键词：降压DC—DC变换器；效率；轻负载；省电模式；待机状态 EEACC：1280；2570D 中图分类号：TN432 文献标识码：A 文章编号：0253—4177(2008)06—1198—06 1 引言 2 控制结构与工作原理 随着微电子技术的迅猛发展，电源管理类芯片已广 2．1 功耗分析 泛应用于通信网络、计算机以及汽车电子等诸多产品领 域．与LDO线性稳压器相比，开关型集成变换器由于具 图1所示为采用同步整流技术的典型降压DC．DC 有很高的效率使得它在应用中逐渐成为首选的电源管 变换器简化框图_5]，其中标识了各个器件的寄生参数． 理方案，尤其是电流模 PWM型DC．DC，它具有瞬态响 对于电流模式PWM控制DC．DC而言，效率可以表示 应好，带载能力强等优点_1 ]，因此受到了越来越多的青 为输出功率与输入功率之比，引起功率损耗的因素有很 睐．近年来手机、数码相机、MP3、PDA、笔记本电脑等便 多，主要可以分为：静态损耗、导通损耗和开关损耗．静 携式产品迅速普及，在此类电池供电环境中，电池提供 态损耗指由芯片静态电流(I )引起的功耗；导通损耗包 的能量有限，负载经常需要在很宽范围内变化，而大多 括电感ESR(effective series resistance)和电容ESR引 数芯片由大负载转入轻负载时，电源效率急剧下降，严 起的损耗，电流在开关管(MP)以及同步管(MN)上引起 重影响了电池的使用时间_3“]．这就对电源设计工程师 的损耗以及RMS电流引起的损耗；开关损耗主要由驱 们提出了新的挑战．尤其在某些对噪声较为敏感的应用 动电路在开关动作时对MP，MN寄生电容的充放电引 环境中，由于无法采用PFM模式，目前多数设计使芯片 起．在中等负载以及重负载时，主要的功率损耗为导通 在轻负载时进入 DcM(discontinuous conduction 损耗，因此对于低电压低电流的便携式应用而言，采用 mode)I作，这在一定程度上提高了轻负载效率，但并 陶瓷电容、低DCR的电感以及同步整流技术可以有效 不令人满意． 提高效率．而在轻负载时，导通损耗明显降低，此时静 作者基于广为采用的PWM控制结构，利用0．5 m 态损耗以及开关损耗成为影响效率的主要因素．传统 CMOS工艺设计实现了一款能够在全负载范围内维持 高效率的单片电流模降压型DC．DC．重负载时芯片工 作在PWM模式，片内同步开关管消除了肖特基二极管 的使用，提高了效率．轻负载时自动进入省电模式，通过 检测反馈电压使其在待机状态与固定峰值状态切换工 作，使得平均静态功耗以及开关功耗大大减小，轻负载 效率得到明显提高，