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低輸入電壓DC-DC升壓轉換器的啟動電路

作者: 時間:2010-08-06 來源:網絡 收藏

2 功能模塊設計
2.1 振蕩器
在較低下,結構復雜的振蕩器不能理想工作。因此,2個振蕩器均采用結構簡單的環(huán)形振蕩器。環(huán)形振蕩器由3個或更多奇數個反相器首尾相接構成。設反相器傳輸延遲為tpd,反相器級數為N,上升時間為tr,下降時間為tf,則發(fā)生振蕩的條件是:2Ntpd>>(tr+tf)。如果不能滿足振蕩條件,振蕩器前后輸出波形將相互疊加,最終衰減為零。振蕩周期T=2Ntpd,反相器的傳輸延遲時間為:

式中,kp=μpCoxWp/Lp;kn=μnCoxWn/Ln;CL為反相器的負載電容,包括反相器本身的寄生電容,連線電容和負載電容。
環(huán)形振蕩器結構簡單,可以實現高頻振蕩。但是振蕩頻率不可控,隨變化顯著。這是因為,的升高直接影響著反相器充放電電流的大小。當電壓升高,充放電電流增大,縮短了充放電時間,使振蕩頻率增大。通過在振蕩器中加入RC延遲環(huán)節(jié),方便調節(jié)振蕩頻率。
OSCl原理圖及其內部反相器結構如圖2所示。因為振蕩器OSCl的頻率隨Vdd變化明顯,如果只使用一個振蕩器,最終頻率將達到初始頻率10倍以上,增大功耗,所以中采用2個振蕩器。當Vdd上升到可以保證0SC2正常工作,頻率輸出穩(wěn)定時,關斷OSCl,改用OSMC2控制功率管。所以OSCl的最前面一級反相器用或非門充當。當ctrl2為低電平時,OSCl正常工作;當ctrl2為高電平時,OSCl的輸出恒為低電平,這樣就實現了對OSCl的關斷控制。


理想MOS模型中,柵-源電壓等于或小于閾值電壓時,器件中無電流。實際上,當Vgs接近VTH時柵極和襯底之間會產生弱反型層,并有一定的源漏電流,與Vgs呈指數關系,這種效應稱為亞閾值導電。當Vds大于200 mV左右時,這一效應可表示為:

式中,VTH=kT/q;ζ>l,為非理想因子。
在低壓電路中,因為MOS器件不能理想導通而工作于飽和區(qū),所以亞閾值導電的特性得到廣泛應用。振蕩器OSCl內部反相器在Vdd=0.8 V時,由于|Vgs5|略小于|VTHP5|,VMps工作在亞閾值區(qū),ID5很小,通過電流源的鏡像作用,ID6=nID5。選擇較大的n值,增大VMn4負載,實現到輸出的反相功能。0SC2采用普通的CMOS反相器構成。同樣加入RC延遲環(huán)節(jié)。使得振蕩頻率可控。
2.2 反饋控制電路
如前所述,反饋控制電路輸出2個邏輯相反的控制信號,用于選擇功率管的控制信號。反饋控制電路如圖3所示,其中,Vfb是由電阻R1和VMn4對Vdd分壓得到的,可近似為:

在電路階段,VMn4截止,Ron4→+∞,Vfb輸出高電平,ctrl1經過5級反相器輸出為低電平,ctrl2為高電平,此時高電平為0.8 V。隨著Vdd的增大,最終使ctrl1和ctrl2的狀態(tài)發(fā)生翻轉,從而實現電路控制。Vfb的翻轉點電壓可通過改變R1的阻值以及VMn4的寬長比來改變。

3 電路整體電路
啟動電路原理如圖4所示。在電路的啟動階段,反饋控制電路的輸出是ctrl=“l(fā)”,ctrl2=“0”,VMp1和VMp2截止,即便0SC2產生振蕩信號,也無法通過選通電路而作用在功率管柵極上。VMp4受ctrl2控制處于長導通狀態(tài)。


振蕩器OSCl可以在低電壓下工作,輸出方波振蕩信號,初始振蕩頻率較低,且隨著Vdd的升高而逐漸變大。當振蕩信號為低電平VL時,VMp3導通,下拉出一個比較大電流,通過VMp4管,對電容C1充電,使C1在該周期獲得壓降△V;當振蕩信號變?yōu)楦唠娖絍H時,VMp3截止,停止對C1充電。利用電容電荷不能突變的原理,功率管VMp4的柵電壓上升為VA+△V;如此反復數個周期后,VMp3柵電壓峰值逐漸上升,達到并逐漸高于VMn3閾值電壓,實現了功率管的導通與關斷,外接電感可以在功率管的控制下,完成電能的儲存和釋放,使Vdd逐漸升高。

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