升压PFM控制DC／DC转换器的工作原理及应用设计分析

作者：何凤琴 田贞富 吴玉广

引言

各种由电池供电的电子产品，如手提电脑、手机、数码相机、PDA等的电源管理系统都需要DC／DC转换器，因此，DC／Dc转换器的应用越来越广泛。它的实现及控制方式也多种多样，但输出精度、转换效率、启动电压等是DC／DC转换器中的核心问题。本文介绍了一款结构简单、功能完备、输出精度高、功耗低的升压型PFM控制DC，DC转换器。升压型DC／DC转换器结构功能框图和工作原理从传统升压型DC／DC转换器的结构和工作原理可以看出，其核心问题是驱动电路对开关晶体管M的控制，本文提出了一种升压型PFM控制DC／DC转换器，采用内置的MOSFET作为开关管，包括基准电压源、误差比较器、运放、PFM控制电路、MOSFET限流保护电路、使能控制、电压采样等单元电路，如图1所示。

基本工作原理为：当外部输入电压VOUT≥0.9V时，转换器开始正常工作，电路内部产生一个基准电压，这个电压与外部实际输出反馈回来的电压经过误差放大，输出的值控制PFM电路。当输出电压低于额定值时，误差放大器CM输出高电平，PFM控制电路正常工作，产生一个脉冲信号控制大功率MOS管M不断导通和截止，使输出电压上升。随着输出电压不断上升，超过额定值时，误差放大器的输出发生跳转，变为低电平，控制PFM电路停振，使输出电压保持恒定。当对外提供负载，输出电压低于额定值时，误差放大器的输出又发生跳转，恢复为高电平，控制PFM电路恢复正常工作，产生脉冲信号控制M不断导通和截止，重复开始的过程，从而实现了在DC／Dc转换器稳定工作时，输出电压保持在额定值。其中，利用运放OM输出对PFM电路的控制，可以根据负载大小自动地切换占空比系数（轻负载时占空比为58％，高负载时占空比为76%），使转换器在轻负载情况下减小了动态功耗，提高了转换效率。

PFM控制电路的实现

PFM控制电路是由有多个使能端控制的振荡器组成的，如图2所示。其中，EN1为误差放大器CM的输出，EN 2为运放OM的输出。protect为过流保护的输出，当M电流超过预定值时，protect控制振荡器停振，使M断路，防止损坏。

PFM控制电路模拟结果

PFM控制电路在模拟时，输出电压VOUT的额定值取典型输出值3.3V，模拟结果如图3所示。

从模拟结果可以看出，此PFM控制电路的实现方式在轻负载下，可以有效降低转换器的损耗，提高运行效率。

应用电路和仿真结果

应用电路

此转换器的外围元件很少，只有一个二极管、一个电感、两个电容，应用电路如图4所示。

在正常工作情况下，当输入电压在0.9V～2.4V之间变化时，输出电压可以保持在1.8V～6.5V之间的任意值，实现了升压DC／DC转换。

模拟仿真结果

此DC／DC转换器在低电压0.9V下就可以正常工作；典型的输入／输出值为：VIN=2.4V，VOUT=3.3V，模拟结果如图5、图6所示。

从模拟结果可以看出，当负载变化时，DC／DC转换器的输出电压波动范围为±8mV，输出电压精度达到±0.3％；而传统升压型PFM控制DC／Dc转换器的输入电压一般都是大于1.2V时才可以稳定工作，输出电压波动范围一般为±50mY，输出电压精度约为±2％。可见，本文所设计的升压型PFM控制DC／DC转换器是一款低电压、可稳定工作，且输出纹波很低、输出电压精度很高的DC／DC转换器。

结语

本文设计的升压PFM控制DC／DC转换器稳定工作时，在大范围内具有高的转换效率、低的输出纹波和高的输出电压精度，且结构简单、功耗低，是一种具有较大使用价值的DC／DC转换器。

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