刘传军1 来新泉2 解建章 3
（1,2,3.西安电子科技大学 CAD所, 陕西 西安 710071）
摘 要： 本文给出一种用于低输入电压Boost型DC-DC转换器的启动电路。它的最小启动电压可达1V。
文章详细的介绍了此启动电路的设计思想，并且给出设计电路。此电路基于Hynix 0.5µm CMOS工艺设计，经Hspice仿真验证达到设计目标。
关键字：DC-DC；Boost；低输入电压；启动电路
The Design of A Startup Circuit for Low Input Voltage BOOST DC-DC Converter
Liu Chuanjun1 Lai Xinquan2 Xie jianzhang3
(1,2,3.Institute of Electronic CAD, Xidian University, Xi’an, Shaanxi 710071,P.R.China)
Abstract:This paper presents a startup circuit for low voltage Boost DC—DC converter. The minimum st
artup input voltage of the circuit is as low as 1V. The paper introduces the principle of design in detail, and presents the practical circuit. This circuit is designed on the base of Hynix 0.5µm CMOS process, and its performance has been verified by Hspice simulation.
Key words:DC-DC; Boost; low voltage; startup circuit
1引言
DC-DC转换器由于具有效率高、输出电流大、静态电流小、体积小等优点而在手持式设备和便携式产品中得到广泛应用，但延长电池工作时间，减小电源体积仍是设计人员面临的主要问题。为了满足日益苛刻的功耗与体积要求，电源设计工程师采用了很多措施来提高效率，如同步整流技术[1]；在一些中小功率应用场合，通过将功率开关管与控制器集成形成一个真正的单片集成DC-DC芯片，节省了PCB面积[2]。近几年来不断改进的半导体制造工艺为此类高度集成提供了便利。
与此同时，DC-DC转换器的发展也日趋高频化，目前开关频率已达到几MHz，从而允许使用更小体积的电感器和电容器，使DC-DC稳压电源体积进一步减小。在使用镍镉、镍氢等电池供电的轻巧便携式消费类电子产品中，通过减少电池节数并使用低输入电压Boost型DC-DC芯片来减小供电电源部分的体积成为电源设计工程师的一个新思路。此类Boost型DC-DC芯片由于输入电压较低而无法直接为芯片供电，因此一般采用从输出端取电方式为芯片提供电源，即设法使芯片先启动起来，输出电压升至
足够高，从而保证芯片可靠工作，控制输出电压稳定于设定值。因此，低输入电压Boost 型DC-DC芯片的启动变得非常重要。本文即给出一种可应用于单节普通电池（镍镉、镍氢或干电池等）供电的Boost型DC-DC转换器中的启动电路。
1作者简介：刘传军，1979年生，男，汉族，吉林省白山市人，在读硕士研究生，2002年毕业于西安电子科技大学电子工程学院电子工程专业，获学士学位。目前从事DC-DC专用集成电路设计。
2 电路原理
2.1 电路框图与原理
低输入电压Boost 型DC-DC 芯片的工作过程可以分为两个阶段，即启动阶段和正常工作阶段。在启动阶段，芯片电源开始上电，输出电压较低，无法为芯片内部带隙基准等构成的主控制电路供电。因此需要由输入电压供电，产生一个矩形波信号驱动NMOS 功率开关管时通时断，使外接电感能够完成能量存储和释放，将能量不断地从电池转移到输出电容上。输出电压逐渐升高，直到芯片内部的主控制电路正常工作时，启动阶段结束，这时输出电压大约为2V 。然后芯片进入正常工作阶段，由芯片的主控制电路（PWM 或其它模式）控制输出电压稳定于设定值。
启动控制原理框图如图1所示，SC 为启动阶段的开关控制信号；NC 为正常工作阶段的开关控制信号；
SE 为使能信号，来自于启动完成检测模块（图中略），当启动完成时，将开关管驱动信号切换为
NC ，并关闭启动电路，减小芯片功耗，提高转换效率。M1、R0构成电流传感器。
图1 启动控制原理框图 图2 启动电路原理
Fig.1 Block diagram for startup scheme Fig.2 Principle for startup circuit
2.2 启动电路原理
启动电路的结构框图如图2所示，由三部分组成：电流偏置，振荡器和过流检测。
IS 为功率开关管电流的检测信号，NS 为功率开关管的栅驱动信号，反映了开关管的工作状态。如图1所示，振荡器模块输出的周期性矩形波SC ，经过二选一开关、驱动电路，又引回至振荡器，构成一正反馈的闭合环路。在输入电压较高情况，当开关管导通时，电感两端压差很大，电感电流很容易上升到很高值，使功率开关管寿命降低甚至损坏。过流检测模块的作用就是在过流时关闭功率开关管，延长开关管使用寿命。因为启动电路不需要输出电压反馈电路，振荡器输出SC 信号的占空比保持恒
定，如果没有出现开关管过流情况，SC 的周期也保持恒定。启动电路的关键就是设计一个能在低压条件下工作的振荡器电路。
2.3 振荡器
如图3所示，振荡器采用恒流充放电结构[3]。此结构的振荡器以两个比较器为核心，用恒流源对电容进行充放电得到的上升/下降电压斜坡与比较器设定门限比较，再经控制逻辑和驱动电路反馈得到一固定周期的矩形波。两个比较器，一个门限较高，另一门限较低，分别称为高端比较器和低端比较器。为得到低压条件下稳定的门限电压，本设计利用MOS 阈值电压相对稳定的特点，高端比较器采用共源结构，低端比较器采用共栅结构。
如图3(a)所示，高端比较器由M4、M13构成；低端比较器由M5、M6、M14、M15、R1构成；M2、M3、M11、M12构成充放电电路；M10～M15构成等比例电流镜，输出电流i 。图3(b)为控制逻辑电路，XSE 表示SE 的反信号。高端比较器的门限电压H V 即为M4的阈值电压th V 。低端比较器的门限电压L V 为：
th M g L V V V −=)5( （1）
)6()5(M g M g V V = （2）
()1/26
)6(iR V L W C i V th M OX n M g ++=µ （3）
(a) (b)
图3 振荡器电路 (a)恒流充放电电路(b)控制逻辑
Fig.3 Oscillator circuit (a) Constant current charge
and discharge circuit (b) Control logic 因为i 非常小，且6)/(M L W 较大，上式中根式（即M6的过驱动电压）很小，因此综合式（1）
、（2）、（3）有：
2iR V L ≈ （4）
因此C1的充电时间为：
i C V V T L H /)(1−= （5）
C1的放电时间为：
])1/[()(2i M C V V T L H −−= （6）
式中，M =()3/M L W ：()2/M L W ，M >1。
矩形波的占空比为：
M T T T D 11211−=+= （7） C1处于充电状态时，开关管导通，电感电流逐渐增大，若超过设定电流门限时，过流检测模块输出ILIM 由0变1，图3（b ）中的RS 锁存器复位，开关管立刻截止。
2.4 电流偏置电路
电流偏置电路产生与电源无关的偏置电流，其设计也非常重要。如图4(a)所示，M23、M24构成峰值电流镜；M18～M21构成比例电流镜；M16、M17、M22、R2构成反馈电路。
对于峰值电流镜[4,5]，M23、M24在反馈电路的作用下均工作于弱反型区，且T ds V V 3>（T V 为热电压），有：
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝⎛−⎟⎠⎞⎜⎝⎛≈T th M gs t M a nV V V I L W I )23(23exp （8） ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝
⎛−⎟⎠⎞⎜⎝⎛≈T th M gs t M b nV V V I L W I )24(24exp （9） 式中n 取值1.3～1.5，t I 为电流系数，均与工艺有关。
根据KVL ，有：
03)23()24(=−−M gs b M gs V R I V （10）
综合式（8）、（9）、（10），a I 、b I 有如下关系（见图4(b)中曲线A ）：
⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝
⎛−⋅≈T b b a nV R I I N I 3exp （11） 式中N =()23/M L W ：()24/M L W 。
对于比例电流镜，假设M18～M21宽长比之比为1：1（见图4(b)中曲线B ），即：
b a I I = （12）
由（11）、（12）得（即图4(b)中曲线A 、B 交点）：
3)ln(R N nV I I T b a ≈
= （13） 由此得到与电源无关的偏置电流。若n 取1.5，T V =26mV ，N 取5，R3取150K ，计算得a I =b I =0.42μA ，仿真得0.45μA 。
(a) (b)
图4 电流偏置电路
Fig.4 Bias current generator 3 仿真结果
低压输入情况：VIN ＝1V ，仿真波形如图5所示；较高电压输入情况，VIN ＝2V ，仿真波形如图6所示。仿真使用Hynix 0.5µm CMOS 工艺模型。
图5 VIN ＝1V 时启动过程瞬态仿真波形 图6 VIN ＝2V 时启动过程瞬态仿真波形
Fig.5 Transient waveform during Fig.6 Transient waveform during
startup process when VIN=1V startup process when VIN=2V 4 结论
本文介绍了低输入电压Boost 型DC-DC 转换器的启动原理，对启动电路的各单元模块和工作原理进行了详细分析、推导。由仿真结果可以看出，即使在VIN ＝1V 的低电压情况下，输出电压仍可以启动到
2V 以上，确保带隙基准，误差放大器和电流比较器等主控制电路工作起来。该电路已应用于某种低输入电压Boost 型DC-DC 芯片中。希望文中所使用的设计方法和结果能对IC 设计人员有所帮助。
参考文献
[1] 吴限，尹华，王斌。一种低压大电流DC-DC 电源的设计[J]。《微电子学》，2004；34（2）：178-180。
[2] 余海生，蔡建荣，刘健。TOPSwitch 集成电路在DC/DC 电源设计中的应用[J]。《微电子学》，2003；33（2）：169-172。
[3] Alan B. Grebene. Bipolar And MOS Analog Integrated Circuit Design [M]. John Wiley & Sons, 1984.
[4] Paul R.Gray, Paul J.Hurst, Stephen H. Lewis, et al. Analysis And Design Integrated Circuits [M]. Fourth Edition. John
Wiley & Sons, Inc., 2001.
[5] INTRODUCTION TO CMOS OP －AMPS AND COMPARATORS [M]. John Wiley & Sons, Inc., 1999.
[6] Behzad Razavi. Design of Analog CMOS Integrated Circuits [M]. McGraw-Hill Companies, Inc., 2001.
