中心議題：
- 介紹升壓型PFM控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的功能框圖和工作原理
- 討論應(yīng)用電路并得出仿真結(jié)果
解決方案：
- 采用升壓型PFM控制DC/DC轉(zhuǎn)換器，結(jié)構(gòu)簡單、功能完備、輸出精度高、功耗低
- 采用多個(gè)使能端控制的振蕩器組成PFM控制電路
引言
各種由電池供電的電子產(chǎn)品，如手提電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、PDA等的電源管理系統(tǒng)都需要DC/DC轉(zhuǎn)換器，因此，DC/DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用越來越廣泛。它的實(shí)現(xiàn)及控制方式也多種多樣，但輸出精度、轉(zhuǎn)換效率、啟動(dòng)電壓等是DC/DC轉(zhuǎn)換器中的核心問題。本文介紹了一款結(jié)構(gòu)簡單、功能完備、輸出精度高、功耗低的升壓型PFM控制DC/DC轉(zhuǎn)換器。
升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)
a.功能框圖和工作原理
從傳統(tǒng)升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和工作原理可以看出，其核心問題是驅(qū)動(dòng)電路對(duì)開關(guān)晶體管M的控制，本文提出了一種升壓型PFM控制DC/DC轉(zhuǎn)換器，采用內(nèi)置的MOSFET作為開關(guān)管，包括基準(zhǔn)電壓源、誤差比較器、運(yùn)放、PFM控制電路、MOSFET限流保護(hù)電路、使能控制、電壓采樣等單元電路，如圖1所示。
圖1 功能框圖
基本工作原理為：當(dāng)外部輸入電壓VOUT≥0.9V時(shí)，轉(zhuǎn)換器開始正常工作，電路內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)電壓，這個(gè)電壓與外部實(shí)際輸出反饋回來的電壓經(jīng)過誤差放大，輸出的值控制PFM電路。當(dāng)輸出電壓低于額定值時(shí)，誤差放大器CM輸出高電平，PFM控制電路正常工作，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)控制大功率MOS管M不斷導(dǎo)通和截止，使輸出電壓上升。隨著輸出電壓不斷上升，超過額定值時(shí)，誤差放大器的輸出發(fā)生跳轉(zhuǎn)，變?yōu)榈碗娖剑刂芇FM電路停振，使輸出電壓保持恒定。當(dāng)對(duì)外提供負(fù)載，輸出電壓低于額定值時(shí)，誤差放大器的輸出又發(fā)生跳轉(zhuǎn)，恢復(fù)為高電平，控制PFM電路恢復(fù)正常工作，產(chǎn)生脈沖信號(hào)控制M不斷導(dǎo)通和截止，重復(fù)開始的過程，從而實(shí)現(xiàn)了在DC/DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定工作時(shí)，輸出電壓保持在額定值。其中，利用運(yùn)放OM輸出對(duì)PFM電路的控制，可以根據(jù)負(fù)載大小自動(dòng)地切換占空比系數(shù)(輕負(fù)載時(shí)占空比為58%，高負(fù)載時(shí)占空比為76%)，使轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載情況下減小了動(dòng)態(tài)功耗，提高了轉(zhuǎn)換效率。
b.PFM控制電路的實(shí)現(xiàn)
PFM控制電路是由有多個(gè)使能端控制的振蕩器組成的，如圖2所示。其中，EN1為誤差放大器CM的輸出，EN2為運(yùn)放OM的輸出。protect為過流保護(hù)的輸出，當(dāng)M電流超過預(yù)定值時(shí)，protect控制振蕩器停振，使M斷路，防止損壞。
圖2 振蕩器電路結(jié)構(gòu)圖
c.PFM控制電路模擬結(jié)果
PFM控制電路在模擬時(shí)，輸出電壓VOUT的額定值取典型輸出值3.3V，模擬結(jié)果如圖3所示。
從模擬結(jié)果可以看出，此PFM控制電路的實(shí)現(xiàn)方式在輕負(fù)載下，可以有效降低轉(zhuǎn)換器的損耗，提高運(yùn)行效率。
(a)輕負(fù)載 (b)高負(fù)載
圖3 不同負(fù)載時(shí)PFM控制電路脈沖波形
應(yīng)用電路和仿真結(jié)果
a.應(yīng)用電路
此轉(zhuǎn)換器的外圍元件很少，只有一個(gè)二極管、一個(gè)電感、兩個(gè)電容，應(yīng)用電路如圖4所示。
在正常工作情況下，當(dāng)輸入電壓在0.9V~2.4V之間變化時(shí)，輸出電壓可以保持在1.8V~6.5V之間的任意值，實(shí)現(xiàn)了升壓DC/DC轉(zhuǎn)換。
圖4 應(yīng)用電路圖
b.模擬仿真結(jié)果
此DC/DC轉(zhuǎn)換器在低電壓0.9V下就可以正常工作；典型的輸入/輸出值為：VIN=2.4V,VOUT=3.3V,模擬結(jié)果如圖5、圖6所示。
(a) (b)
圖5 不同輸入電壓(VIN)情況下輸出電壓VOUT的模擬結(jié)果
(a)輕負(fù)載時(shí) (b)高負(fù)載時(shí)
圖6 不同負(fù)載時(shí)VOUT的輸出紋波圖
從模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓波動(dòng)范圍為±8mV，輸出電壓精度達(dá)到±0.3%；而傳統(tǒng)升壓型PFM控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓一般都是大于1.2V時(shí)才可以穩(wěn)定工作，輸出電壓波動(dòng)范圍一般為±50mV，輸出電壓精度約為±2%。可見，本文所設(shè)計(jì)的升壓型PFM控制DC/DC轉(zhuǎn)換器是一款低電壓、可穩(wěn)定工作，且輸出紋波很低、輸出電壓精度很高的DC/DC轉(zhuǎn)換器。
結(jié)語
本文設(shè)計(jì)的升壓PFM控制DC/DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定工作時(shí)，在大范圍內(nèi)具有高的轉(zhuǎn)換效率、低的輸出紋波和高的輸出電壓精度，且結(jié)構(gòu)簡單、功耗低，是一種具有較大使用價(jià)值的DC/DC轉(zhuǎn)換器。
