1 引言

近年來(lái)，LDO（Low Dropout）線性穩(wěn)壓器和DC/DC 變換器等電源管理芯片已廣泛應(yīng)用于便攜式電子系統(tǒng)中 。但是，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器相對(duì)線性穩(wěn)壓器降低了平均輸入電流，提高了效率。Step-Down 電源屬于DC/DC 變換器中的降壓變換器，它的主要缺點(diǎn)是，在輕載時(shí)比如手機(jī)待機(jī)時(shí)，靜態(tài)電流較高，顯著降低了電池的使用壽命，所以在低負(fù)載條件下，我們通過(guò)PFM 限流比較器來(lái)控制芯片使之進(jìn)入Idle 模式，這樣就大大延長(zhǎng)了電池壽命，提高了芯片的效率。

2 本文采用的DC-DC降壓變換器電路結(jié)構(gòu)

本文采用的DC-DC 降壓變換器結(jié)構(gòu)采用同步校正器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二極管，極大地提高了DC-DC 降壓變換器的效率，可達(dá)到95%左右。芯片的輸入電壓位于2.7V 至5V 之間，可工作在以下四種模式：固定頻率的強(qiáng)制PWM 模式，同步PWM 模式，idle 模式，關(guān)斷模式。

3 PFM限流比較器的設(shè)計(jì)

3.1 比較器輸入級(jí)的設(shè)計(jì)

比較器輸入級(jí)為射級(jí)耦合的差分輸入級(jí)。

圖1 比較器的輸入級(jí)

由上圖可知，

（1）

（2）

則iC1可以近似為

（3）

同理

（4）

可求得差分跨導(dǎo)為：

（5）

在室溫下， T V =26mV ， 所以運(yùn)放跨導(dǎo)等于

（6）

此外，電阻R15，R16作為運(yùn)放負(fù)載，可得出放大器輸入級(jí)增益表達(dá)式如下：

（7）

3.2 比較器中間級(jí)

比較器中間級(jí)由D，E 輸入，A 輸出。MP724，MP725 的作用是減小A 點(diǎn)電壓的變化幅度，使得比較器具有較短的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間和較快的速度。

現(xiàn)在計(jì)算折疊共源共柵運(yùn)放的小信號(hào)電壓增益，因?yàn)閨Av|= GmRout ，我們必須計(jì)算Gm 和Rout ，而

（8）

（9）

所以， V 2 A 表達(dá)式如下：

（10）

圖2 比較器中間級(jí)

3.3 比較器輸出級(jí)

比較器的輸出級(jí)（Active Load inverter）由A 輸入，B 輸出（圖3），進(jìn)一步提高放大器的增益，

（11）

因此，放大器總的增益AV 表達(dá)式如下：

（12）

圖3 PFM 限流比較器電路圖

3.4 PFM 限流比較器電路圖

綜合前面比較器輸入級(jí)，輸出級(jí)，中間級(jí)的設(shè)計(jì)，可得出圖3 所示的PFM 限流比較器電路圖。當(dāng)功率管導(dǎo)通時(shí)，對(duì)電感電流充電，使得電感電流上升，同時(shí)功率管的漏端電壓下降，電流采樣電路通過(guò)采樣導(dǎo)通功率管的漏端電壓，把采樣得到的電壓LS2，LTH2 輸入到PFM 限流比較器，當(dāng)功率管的漏端電壓下降到一定程度，使得LS2 達(dá)到PFM 限流比較器門限LTH2 時(shí)，比較器輸出高電平至控制邏輯模塊，從而使芯片進(jìn)入PFM 工作模式以延長(zhǎng)電池壽命。

4 PFM 限流比較器的仿真

我們采用HSPICE 對(duì)圖3 所示的電路進(jìn)行了比較器功能的模擬，由圖4 可見(jiàn)當(dāng)電感電流上升時(shí)，采樣得到的電壓LS2 下降，當(dāng)功率管的漏端電壓下降到一定程度，使得LS2 達(dá)到PFM 限流比較器門限LTH2 時(shí)，比較器輸出高電平至控制邏輯模塊，從而使芯片進(jìn)入PFM工作模式以延長(zhǎng)電池壽命。此外，比較器延遲70nS。

圖4 PFM 限流比較器的仿真

5 結(jié)束語(yǔ)

本文成功地設(shè)計(jì)出一款應(yīng)用到DC/DC 芯片上的PFM 限流比較器，并通過(guò)HSPICE 進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，響應(yīng)速度快，完全滿足新一代DC/DC 產(chǎn)品的要求，且預(yù)計(jì)投入市場(chǎng)之后將獲得上百萬(wàn)元的效益。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文采用的DC-DC 降壓變換器結(jié)構(gòu)采用同步校正器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二極管，極大地提高了DC-DC 降壓變換器的效率，可達(dá)到95%左右。基于該DC-DC 降壓變換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)新穎的基于Step-Down PWM 電源管理芯片的PFM 限流比較器電路，在輕載時(shí)使芯片進(jìn)入PFM 工作模式，因此能夠延長(zhǎng)電池壽命并且大幅度的提高Step-DownPWM 電源管理芯片的效率。

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