低输入电压DC-DC升压转换器的启动电路

摘要：针对DC-DC升压转换器在低输入电压下无法正常工作的问题，提出了一种基于电容自举原理的低输入电压的启动电路。采用CSMC公司的0．5μm CMOS混合信号工艺库进行电路设计与仿真，考虑到结构复杂的振荡器在较低电源电压下不能理想工作，同时为减小电路功耗，电路采用两种不同简单结构的环形振荡器实现电容自举，并利用反馈控制模块进行合理的逻辑控制。仿真结果表明，O．8 V低输入电压时，通过升压电路转换，可将Vdd升高到2．4V；振荡信号变化时，输出电压变化微小，可以为DC-DC升压转换器提供稳定的电源电压。
关键词：低输入电压；DC-DC升压转换；启动电路

    在遥控器、MP3播放器、手持式设备等电子产品中，通常使用单节AA电池或充电电池供电，电压仅约0．8 V，无法保证DC-DC器件正常稳定的工作。本文提出了一种基于电容自举原理的低输入电压启动电路，在0．8 V的低输入电压下工作，通过DC-DC升压转换，将Vdd升高到2．4 V，并采用从Vdd供电的方式，为后续的DC-DC升压电路的各个模块提供稳定的电源电压，以保证自举(Boost)器件满足设计要求。

1 启动电路结构设计
    图1为启动电路结构框图。其中，电感L、电容C、续流二极管VD以及功率MOS管构成典型的DC-DC升压电路，虚线框内是启动电路各个功能模块。为减小电路功耗，该启动电路采用2种不同结构的振荡器，其中振荡器0SCl工作在低电源电压下，利用该振荡信号驱动自举电路，逐步升高至功率管的栅电平，从而实现功率管的导通与截止。应用boost电路的升压功能，使Vout逐渐增大。

    启动电路各个模块的电源均由输出电压提供，即Vout是启动电路的电源电压。随着Vout的升高，振荡器0SC2启动，通过反馈控制模块与选通电路的共同作用，0SC2的振荡信号得以取代0SCl信号控制功率管，使Vout进一步增大。最终输出较稳定的电压，为DC-DC升压转换器提供初始工作电压。
    采用无锡上华(CSMC)公司0.5μm CMOS混合信号工艺库进行电路设计与仿真。MOS管阈值电压分别为VTHN=0．7 V，VTHP=-0．95 V。 [p]

2 启动电路功能模块设计
2．1 振荡器
    在较低电源电压下，结构复杂的振荡器不能理想工作。因此，2个振荡器均采用结构简单的环形振荡器。环形振荡器由3个或更多奇数个反相器首尾相接构成。设反相器传输延迟为tpd，反相器级数为N，上升时间为tr，下降时间为tf，则发生振荡的条件是：2Ntpd>>(tr+tf)。如果不能满足振荡条件，振荡器前后输出波形将相互叠加，最终衰减为零。振荡周期T=2Ntpd，反相器的传输延迟时间为：
   
式中，kp=μpCoxWp／Lp；kn=μnCoxWn／Ln；CL为反相器的负载电容，包括反相器本身的寄生电容，连线电容和负载电容。
    环形振荡器结构简单，可以实现高频振荡。但是振荡频率不可控，随电源电压变化显著。这是因为，电源电压的升高直接影响着反相器充放电电流的大小。当电压升高，充放电电流增大，缩短了充放电时间，使振荡频率增大。通过在振荡器中加入RC延迟环节，方便调节振荡频率。
    OSCl原理图及其内部反相器结构如图2所示。因为振荡器OSCl的频率随Vdd变化明显，如果只使用一个振荡器，最终频率将达到初始频率10倍以上，增大电路功耗，所以电路中采用2个振荡器。当Vdd上升到可以保证0SC2正常工作，频率输出稳定时，关断OSCl，改用OSMC2控制功率管。所以OSCl的最前面一级反相器用或非门充当。当ctrl2为低电平时，OSCl正常工作；当ctrl2为高电平时，OSCl的输出恒为低电平，这样就实现了对OSCl的关断控制。

    理想MOS模型中，栅-源电压等于或小于阈值电压时，器件中无电流。实际上，当Vgs接近VTH时栅极和衬底之间会产生弱反型层，并有一定的源漏电流，与Vgs呈指数关系，这种效应称为亚阈值导电。当Vds大于200 mV左右时，这一效应可表示为：
   
式中，VTH=kT／q；ζ>l，为非理想因子。
    在低压电路中，因为MOS器件不能理想导通而工作于饱和区，所以亚阈值导电的特性得到广泛应用。振荡器OSCl内部反相器在Vdd=0．8 V时，由于|Vgs5|略小于|VTHP5|，VMps工作在亚阈值区，ID5很小，通过电流源的镜像作用，ID6=nID5。选择较大的n值，增大VMn4负载，实现输入到输出的反相功能。0SC2采用普通的CMOS反相器构成。同样加入RC延迟环节。使得振荡频率可控。
2．2 反馈控制电路
    如前所述，反馈控制电路输出2个逻辑相反的控制信号，用于选择功率管的控制信号。反馈控制电路如图3所示，其中，Vfb是由电阻R1和VMn4对Vdd分压得到的，可近似为：
   

    在电路启动阶段，VMn4截止，Ron4→+∞，Vfb输出高电平，ctrl1经过5级反相器输出为低电平，ctrl2为高电平，此时高电平为0．8 V。随着Vdd的增大，最终使ctrl1和ctrl2的状态发生翻转，从而实现电路控制。Vfb的翻转点电压可通过改变R1的阻值以及VMn4的宽长比来改变。

3 启动电路整体电路
    启动电路原理如图4所示。在电路的启动阶段，反馈控制电路的输出是ctrl=“l”，ctrl2=“0”，VMp1和VMp2截止，即便0SC2产生振荡信号，也无法通过选通电路而作用在功率管栅极上。VMp4受ctrl2控制处于长导通状态。

    振荡器OSCl可以在低输入电压下工作，输出方波振荡信号，初始振荡频率较低，且随着Vdd的升高而逐渐变大。当振荡信号为低电平VL时，VMp3导通，下拉出一个比较大电流，通过VMp4管，对电容C1充电，使C1在该周期获得压降△V；当振荡信号变为高电平VH时，VMp3截止，停止对C1充电。利用电容电荷不能突变的原理，功率管VMp4的栅电压上升为VA+△V；如此反复数个周期后，VMp3栅电压峰值逐渐上升，达到并逐渐高于VMn3阈值电压，实现了功率管的导通与关断，外接电感可以在功率管的控制下，完成电能的储存和释放，使Vdd逐渐升高。 [p]
    随着Vdd的上升，振荡器0SC2开始正常工作，输出稳定的振荡信号。0SCl的振荡频率则随Vdd的增大而增大。当Vdd=1．5 V时，反馈控制电路的输出状态发生翻转，ctrl1=“O”，ctrl2=“1”，VMp4截止，自举回路被关断。OSCl也因为ctrl2的作用而停止工作。同时VMp1和VMp2导通，OSC2的振荡信号可以通过，继续控制功率管，使电源电压进一步上升，最终可以输出一个较稳定的电压。图5为整体电路的仿真结果，图6为输出电压纹波波形。由图5中可以看出，输出电压受2个振荡器交替控制，最终稳定在2．4 V。由图6可以得出，随着0SC2振荡信号的输出，输出电压比较稳定，电压纹波小于40 mV。

4 结论
    基于电容自举原理，设计了一种适用于低输入电压DC-DC升压转换器的启动电路，该启动电路采用2个结构不同的环形振荡器实现电容自举，并利用反馈控制模块进行合理的逻辑控制，最终将输出电压升高到2．4 V．电压纹波小于40 mV，可以为DC-DC模块提供稳定的电源电压。