基于DC-DC降压变换器结构电流实现PFM限流比较器的设计

1 引言

近年来，LDO（Low Dropout）线性稳压器和DC/DC 变换器等电源管理芯片已广泛应用于便携式电子系统中 。但是，开关稳压器相对线性稳压器降低了平均输入电流，提高了效率。Step-Down 电源属于DC/DC 变换器中的降压变换器，它的主要缺点是，在轻载时比如手机待机时，静态电流较高，显著降低了电池的使用寿命，所以在低负载条件下，我们通过PFM 限流比较器来控制芯片使之进入Idle 模式，这样就大大延长了电池寿命，提高了芯片的效率。

2 本文采用的DC-DC降压变换器电路结构

本文采用的DC-DC 降压变换器结构采用同步校正器代替传统的二极管，极大地提高了DC-DC 降压变换器的效率，可达到95%左右。芯片的输入电压位于2.7V 至5V 之间，可工作在以下四种模式：固定频率的强制PWM 模式，同步PWM 模式，idle 模式，关断模式。

3 PFM限流比较器的设计

3.1 比较器输入级的设计

比较器输入级为射级耦合的差分输入级。

图1 比较器的输入级

由上图可知，

（1）

（2）

则iC1可以近似为

（3）

同理

（4）

可求得差分跨导为：

（5）

在室温下， T V =26mV ， 所以运放跨导等于

（6）

此外，电阻R15，R16作为运放负载，可得出放大器输入级增益表达式如下：

（7）

3.2 比较器中间级

比较器中间级由D，E 输入，A 输出。MP724，MP725 的作用是减小A 点电压的变化幅度，使得比较器具有较短的瞬态响应时间和较快的速度。

现在计算折叠共源共栅运放的小信号电压增益，因为|Av|= GmRout ，我们必须计算Gm 和Rout ，而

（8）

（9）

所以， V 2 A 表达式如下：

（10）

图2 比较器中间级

3.3 比较器输出级

比较器的输出级（Active Load inverter）由A 输入，B 输出（图3），进一步提高放大器的增益，

（11）

因此，放大器总的增益AV 表达式如下：

（12）

图3 PFM 限流比较器电路图

3.4 PFM 限流比较器电路图

综合前面比较器输入级，输出级，中间级的设计，可得出图3 所示的PFM 限流比较器电路图。当功率管导通时，对电感电流充电，使得电感电流上升，同时功率管的漏端电压下降，电流采样电路通过采样导通功率管的漏端电压，把采样得到的电压LS2，LTH2 输入到PFM 限流比较器，当功率管的漏端电压下降到一定程度，使得LS2 达到PFM 限流比较器门限LTH2 时，比较器输出高电平至控制逻辑模块，从而使芯片进入PFM 工作模式以延长电池寿命。

4 PFM 限流比较器的仿真

我们采用HSPICE 对图3 所示的电路进行了比较器功能的模拟，由图4 可见当电感电流上升时，采样得到的电压LS2 下降，当功率管的漏端电压下降到一定程度，使得LS2 达到PFM 限流比较器门限LTH2 时，比较器输出高电平至控制逻辑模块，从而使芯片进入PFM工作模式以延长电池寿命。此外，比较器延迟70nS。

图4 PFM 限流比较器的仿真

5 结束语

本文成功地设计出一款应用到DC/DC 芯片上的PFM 限流比较器，并通过HSPICE 进行了仿真。结果表明：电路结构简单，功耗低，响应速度快，完全满足新一代DC/DC 产品的要求，且预计投入市场之后将获得上百万元的效益。

本文作者创新点：本文采用的DC-DC 降压变换器结构采用同步校正器代替传统的二极管，极大地提高了DC-DC 降压变换器的效率，可达到95%左右。基于该DC-DC 降压变换器结构设计了一个新颖的基于Step-Down PWM 电源管理芯片的PFM 限流比较器电路，在轻载时使芯片进入PFM 工作模式，因此能够延长电池寿命并且大幅度的提高Step-DownPWM 电源管理芯片的效率。

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