DC-DC降压芯使能保护电路的设计

DC-DC降压芯片使能保护电路的设计张睿（无锡商业职业技术学院江苏省无锡市214000）摘要：本文主要对DC-DC降压芯片电路进行研究，重点设计了使能保护电路模块。该电路模块设计了1.5V和2.5V两个比较电压点。当VEN小于1.5V，整个芯片关断。当VEN超过1.5V但小于2.5V时，电源供电正常工作。当使能VEN大于2.5V后，整个芯片正常工作。电路采用CMSC1um5V/40VHVCMOS工艺中的5V低压器件来构建，并在Cadence软件下进行了仿真验证。关键词：使能保护；施密特触发器；工艺角仿真；ThedesignofenableprotectioncircuitonDC-DCbuckchipZhangrui(WuxiInstituteOfCommerce,WuxiJiangsu214000,China)Abstract：ThispapermainlyresearchedtheDC-DCbuckchipcircuit,Focusonthedesignoftheprotectioncircuitmodule.WhentheVENislessthan1.5V,thewholechipoff.WhenVENismorethan1.5Vbutlessthan2.5V,thepowersupplywork.WhentheenableVENislargerthan2.5V,thenormalworkofthewholechip.5v-lowvoltagedevicesofCMSC1um5V/40VHVCMOSisbeusedtostructuretheerroramplifierandovervoltageprotectioncircuit,andsimulatetheresultintheCadencesoftware.Keywords：Enableprotection;Schmidttrigger;Cornersimulation;本文涉及研究的DC-DC降压芯片由保护电路、第一级LDO（3.6V）模拟供电电路、二阶温度补偿基准电路，LDO(5V)数字供电电路，误差放大器、振荡器、高端功率管电流采样放大器、PWM比较器、PWM逻辑电路、驱动电路、低端功率管过零电流比较电路这些电路单元构成。本论文主要对芯片的使能保护电路模块的设计进行介绍。1使能保护电路使能模块输入使能控制信号，控制内部各个模块工作。本设计中使能控制有两个比较判据，一个是1.5V比较点，另一个是2.5V比较。电路系统启动，使能端的电位渐渐上升。当VEN小于1.5V，整个芯片关断。当VEN超过1.5V但小于2.5V时，使能逻辑先使LDO(3.6V)工作，接着第二级（带二阶温度补偿）基准电路工作，输出1.2V的基准参考电位。1.2V参考电位输入LDO(5V)使之工作。所有单位的电源供电都正常，除了误差放大器输出COMP脚电位和SS软启动脚电位被拉到低电位。当使能VEN大于2.5V后误差放大器输出COMP脚电位和SS软启动脚电位释放，整个芯片正常工作。21.5V比较点的使能逻辑电路1.5V比较点的使能逻辑电路如图1所示。设VIN=12V，施密特触发器（如图2）I109在J351提供的7V夹断电压下工作。当使能EN电压从0V上升，到1.5V时，施密特触发器I109翻转为高电位，迟滞量为210mV。施密特触发器I109输出为高电平，EN2也为高电平,去开启3.6V和5V的LDO。5V的LDO给电平转换电路供电，EN1输出为高电平。EN1经过反相器X23输出L3低电平到RS_NOR触发器，锁定RS_NOR触发器,稳定EN2。这里X23输出电平摆率为0~5V，而RS_NOR触发器的X70供电为7V，这会导致X23去驱动X70发生驱动电平不匹配。当芯片正常工作状态时，使能Ven肯定是高电平，X23输出为低电平，不会出现X70(nor)上下管都导通状态。而在EN电位下降到1.3V以下，X70内部出现上下MOS管都导通的状态。如果X23输出高电平对于X70来说还是低电平，那么整个芯片就不会正常关断。设计上必需确保X23输出高电平对X70来说也是高电平。图11.5V比较点的使能逻辑电路该问题的解决方法是使电平转换电路和反相器X23都给7V供电。图2施密特触发器施密特触发器电路分析：A点高电位时，输出Z也为高电位，PM1截止。第一级反相器由PM0和MN0组合，其宽长比决定翻转电压VTF。当A点低电位时，输出Z为低电位，PM1导通。第一级反相器由PM0、PM1和NM0组成，其宽长比决定翻转电压VTR，且VTRVTF。施密特触发器在翻转过程瞬间需要消耗较大的电流。翻转点的计算公式如下：上管PMOS流出的电流22)(2)(21thpgsppthpgspppoxpdspVVKVVLWCI下管NMOS流出的电流22)(2)(21thngsnnthngsnnnoxndsnVVKVVLWCI当dsndspII时，反相器输出高电平，当dsndspII时，反相器输出低电平。当dsndspII时，定义这时的输入电压为反相器的翻转电压。输入电压gspddgsnAVVVV则22)(2)(2thngsnnthpgsppdsndspVVKVVKII反相器翻转电压pnthnddthpnpthnddthpnpAKKVVVKKVVVKKV1)(1)(，当上管PMOS的W/L增加，KP增大，分母变小，VA增大。当下管NMOS的W/L增加，KN增大，分母增大，VA减小。32.5V比较点的使能逻辑电路2.5V比较点的使能逻辑电路如图3所示。2.5V使能比较器的输出经过施密特触发器后送入与非门X89，与非门的另外两个输入信号是温度保护和欠压保护。与非门输出L4一路去保护逻辑I116，另外一路去改变2.5V使能比较器的比较点，产生迟滞量。图32.5V比较点的使能逻辑电路当VEN电压从1.5V上升，内部的LDO(3.6V)、二阶温度补偿基准、LDO(5V)等电路建立，使能2.5V比较器还没有翻转，图3中的N1（N384）开启，屏蔽掉R3。则有251212_drefONENVRRRV，VVONEN5.2_等到VEN开启后，N1截至，R3加入到串联支路中。则25132132_drefOFFENVRRRRRV。设VEN关闭比较电位为2.3V，R1=R2=100k，可以求出R3=20k。这里要注意的是，实际N1管开启时，不会将R3的压降完全拉到0V，所以要求N1管的开启导通电阻小，或者是电阻支路的偏置电流小。4使能逻辑电路仿真使能逻辑电路功能仿真条件：VIN=12V，VEN电压直流扫描从0~4V。使能逻辑电路功能仿真结果如图4所示。从图中可以看出当EN电位低于1.5V，整个芯片关闭，逻辑保护电路输出0V；当EN电位大于1.5V，电路供电正常，但EN低于2.5V，逻辑保护电路输出为高电位，拉低SS与COMP电位，无PWM产生；EN电位大于2.5V后，逻辑保护电路输出低电位，整个电路正常工作。工艺角Corner仿真条件：VIN=12V，EN电压从1V~2V按照1mV的步进扫描。侦测使能EN=1.5V和2.5V开启点的范围分别如图5和图6所示。图4使能逻辑电路功能仿真结果图5EN=1.5V开启点的Corner仿真图6EN=2.5V开启点的Corner仿真5结论本文主要对DC-DC降压芯片中的使能保护电路模块进行了设计并对设计机理进行了详细阐述。本文针对使能电压VEN设计了1.5V和2.5V两个使能比较电压点。并在小于1.5V、1.5V～2.5V和2.5V以上这三个电压段中分别实现芯片关断、电源供电开启和整个芯开启等功能。同时解决了一些设计上的具体问题。最后利用1um5V/40VHVCMOS工艺中的5V低压工艺模型，在Cadence软件下验证了使能保护机理。参考文献[1]陈君．电流模式DC_DC降压芯片的设计与实现[D]．电子科技大学，2006．17-23[2]何金国.PWMDC-DC降压变换IC研究与设计[D].电子科技大学,2007.189-200[3]徐静萍.功率因数校正控制器过压保护电路的设计[J]西安邮电学院学报,2011,(s1).26-30.117-120[4]余倩玮．单片多功能DC_DC变换器芯片设计[D]．西安电子科技大学，2008.23-33作者简介：张睿,男,江西瑞金人，工程硕士,讲师,无锡商业职业技术学院物联网技术学院教师,研究方向：IC软件工程。联系方式：手机：[phone]Email:[e-mail]