线性辅助的ＤＣ—ＤＣ电压转换器的设计 侯惠淇，韩志刚，Ｊｏｒｄｉ Ｃｏｓｐ－Ｖｉｌｅｌｌａ （同济大学电子与信息工程学院，上海２０１８０４） 摘要：给出了一个片上ＣＭＯＳ线性辅助的电压转换器的设计。一方面，一个线性辅助稳压器可 以用来取消输出电压纹波，并可以对负载的变化作出比较迅速的反应；另一方面，并行连接的开关转 换器几乎提供了负载的全部输出电流。这种电路连接方式减小了电路上的热损耗，极大地提高了电 压转换器的效率。因此，在低等到中等电流消耗的电源系统中，这种设计具有自身的优势。 关键词：ＤＣ—ＤＣ电压转换器；线性辅助；开关转换器 中图分类号：ＴＮ４３ 文献标识码：Ａ ＤＯｌ：１０．１６１５７／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５８－７９９８．２０１５．０７．０１３ 中文引用格式：侯惠淇，韩志刚，Ｊｏｒｄｉ Ｃｏｓｐ—Ｖｉｌｅｌｌａ．线性辅助的ＤＣ—ＤＣ电压转换器的设计【Ｊ】．电子技术应用， ２０１５，４１（７）：４７－４９． 英文引用格式：Ｈｏｕ Ｈｕｉｑｉ，Ｈａｎ Ｚｈｉｇａｎｇ，Ｊｏｒｄｉ Ｃｏｓｐ－Ｖｉｌｅｌｌａ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ－ａｓｓｉｓｔｅｄ ＤＣ－Ｄｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，２０１５，４１（７）：４７—４９． Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ－－ａｓｓｉｓｔｅｄ ＤＣ—ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｈｏｕ Ｈｕｉｑｉ，Ｈａｎ Ｚｈｉｇａｎｇ，Ｊｏｒｄｉ Ｃｏｓｐ－Ｖｉｌｅｌｌａ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓ￣ｓｈ＝２０１ ８０４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｌｉｎｅａｒ—ａｓｓｉｓｔｅｄ ＤＣ—ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｏｎ ｏｎｅ ｈａｎｄ，ａ ｌｉｎｅａｒ－ａｓｓｉｓｔｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ Ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃａｎｃｅｌ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｔｉｐｐｌｅ ａｎｄ ｒａｐｉｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃａｎ ｂｅ ｍａｄｅ ｗｉｈｔ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｌｏａｄ．Ｏｎ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｈａｎｄ，ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｎ ｐａｒａｌｌｅｌ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ａｌｍｏｓｔ ａｌｌ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ １ｏａｄ． Ｔｈｉｓ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｌｏｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｗｈｉｃｈ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｈｅｒｅ－ ｆｏｒｅ，ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｗ ｔｏ ｍｅｄｉｕｍ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｎｇ ｈａｓ ｉｔｓ ｏｗｎ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＤＣ－ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｌｉｎｅａｒ－ａｓｓｉｓｔｅｄ；ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ ０引言 在本文中，一个线性辅助策略应用于片上调压器。 系列线性转换器已经在提供低等或中等电流的供电 ＣＭＯＳ技术已迅速在模拟集成电路领域提供低成本、高 系统中广泛使用了几十年。这些稳压器都具有自身的优 性能的解决方案，并倾向于主宰集成电路市场。因此，在 点。然而，它们最严重的缺点是：这些结构的效率几乎都不 本文中，给出了一个片上ＣＭＯＳ线性辅助的电压转换器 超过５Ｏ％，其串联旁路的晶体管需要提供全部的负载电 的设计。该设计用于对稳定的３ Ｖ电压的负载供电，稳 流。ＬＤ０（低压差线性稳压器）的使用在一定程度上可以提 压器的输入电压为５ Ｖ。 高电路的效率，然而用这种方法尽管提高了电路的效率， 随着设计结构紧凑，在没有任何输出电容导致的宽 但同时也增加了成本。替代线性稳压器的为ＤＣ—ＤＣ开关 范围的输出电流的情况下，输出纹波可以忽略不计。此 转换器。它们的主要优点是高效率，近乎可以达到１００％。 外，上述在电压转换中存在的低效率、高功耗以及开关 然而，它们存在一些重要的问题：这种转换器的设计和实 设计的复杂性的缺点在此都能得以改善。 施相比线性调节器是一个比较复杂的过程，特别是其控制 １线性辅助ＤＣ—ＤＣ电压转换器的设计及工作原理 回路。此外，还会存在显著的纹波。为了尽量减少上述的输 假设输出负载为吼，恒定输出电压为 。为了减少 出纹波电压，有必要再加上个电感和输出电容。 在调节器的串联旁路晶体管的消耗功率，需要减少通过 《电子技术应用》２０１５年第４１卷第７期 ４７ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 稳压器的电流的最大值。为了使负载电流可以远大于该 电流的最大值，引入一个开关转换器的结构。开关转换 器连接在与稳压器平行的位置，并且可以提供该线性稳 压器未能提供的电流。 整个ＤＣ—ＤＣ电压转换器由两个主要部分构成：线 性稳压器部分和开关转换器部分。下面分别对各个部分 进行介绍。 １．１线性稳压器的设计 ＣＭＯＳ实现中的线性辅助型ＤＣ—ＤＣ调节器的拓扑 结构中使用的线性电压调节器在图１表示了出来，它包 括一个传统的３级运算放大器。第一阶段是ＰＭＯＳ差分 输入对（Ｍ１９和Ｍ２０晶体管）与ｎ一沟道电流镜有源负载 （Ｍ２１及Ｍ２２晶体管）。晶体管Ｍ２３给这个差分对提供 合适的偏置电流。第二增益级是一个简单的ＣＭＯＳ反相 器与Ｍ２４作为输出级的驱动程序，Ｍ２５是其有源负载。 该第二级的输出端通过一个米勒补偿电容ｃｃ用来保证 调节的稳定装置连接到它的输入。最后，输出级是一个 经典的Ｂ类推挽输出缓冲器（晶体管Ｍ２６和Ｍ２７）。但 应注意的是，这个最后阶段确定了线性调节器的输出电 流能力。为了保证整个线性稳压器的输出电流达到一个 比较高的水平，这级晶体管的 比达到一个较大的 值。这两个管子是具有低阈值电压的晶体管，是为了提 高其输入动态范围（栅极一源极电压）。 图１线性稳压器的电路设计图 １．２模拟迟滞比较器的设计 控制器的主要核心是一个模拟比较器，它需要具有 一个合适的滞后。该模拟比较器的设计见图２。第一阶 段，一个ｎ一沟道差分输入对（晶体管Ｍ１和Ｍ２），与充当有 源负载的相关的电流镜像（Ｍ４和Ｍ５）和晶体管Ｍ３。Ｍ３是 一个电流源提供的偏置电流的差分对。第一级的输出施 加到第二级（Ｍ６至Ｍ１１），可以用来保证合适的滞后，并且 能够根据晶体管Ｍ６和Ｍ９来进行比较。它的输出被施加 到第二差分对（Ｍ１２到Ｍ１６），用来提高比较器的总增益。 最后，在第四阶段中，晶体管Ｍ１７和Ｍ１８保证了输出电 流的能力。这两个晶体管的Ｗ／Ｌ值应该调整到合适的范 围，用来驱动开关ＤＣ—ＤＣ变换器的开关门。 １．３完整的线性辅助稳压器 图３表示出了最后实施ＣＭＯＳ线性辅助调节器。其 中的操作放大器ＯＡ在图１中表示出来，模拟比较器 ４８ 欢迎网上投稿ＷＷＷ．ＣｈｉｎａＡＥＴ．ｃｏｍ 图２模拟迟滞比较器的设计 图３ ＤＣ—ＤＣ电压转换器的设计 ＣＯＭＰ在图２中表示出来。 如图２中所提出的模拟迟滞比较器ＣＯＭＰ，它能够 控制开关的导通或截止，并且修正它的开关频率。开关 变换器的主要目的是提供一种线性稳压器未能提供的 过量电流。定义一个阈值电流Ｌ，线性稳压器的电流为 ，腿，通过电感的电流为，Ｌ。输出电流为 。在初始时，考 虑比较器ＣＯＭＰ没有滞后，ＣＯＭＰ的正、负输入之差为 负，输出为低电平。因此，开关转换器是关闭的，通过电 感器 的电流将为零。此时，线性稳压器提供负载 所 需要的全部输出电流（ｋ＝，叫）。然而，当负载电流增加到 稍微超出阈值电流厶时，如图３所示，比较器正极输入 电压逐渐升高，高过负极后，输出变为高电平，开关打 开，电源为电感 充电，，Ｌ（￡）将以线性形式增加。考虑到 输出电流 是恒定的（等于 ／ ）， （ ）也将呈线性减 少，达到低于Ｌ的值。这时，比较器又从高电平变为低 电平，切断晶体管Ｑ１，使ＩＬ（ｔ）呈线性减少。因此，当ｈ（ｔ） 下降到 （ ）＞‘，ＣＯＭＰ又从低电平变到高电平，再次重 复这个循环。 参考电压 （线性稳压器ＯＡ正极输入电压）和电 流传感原件 的值确定了阈值电流‘的大小。通过这 种方式，ＤＣ—ＤＣ开关转换器的转换瞬间由 来控制，控 制信号可以通过 和厶来调节，根据下面的式子： ‘＝ 电阻Ｒ 和 ：确定了上述的参考电压。值得注意的 是，此电压修正的切换阈值电流厶的值，限制了最大电 流流过线性调节器的稳定状态。 此外，为了使该开关频率的最大值固定为适当的值 ｆ以避免显著增加了开关损耗），最好在模拟比较器ＣＭＰ１ 《电子技术应用》２０１５年第４１卷第７期 上加上一个滞后。通过这种方式，指定的 ｎ和 到 功能所呈现的结构具有从低等到中等的电流消耗；另一 ＣＭＰ１的上下开关阈值电平，分别在稳定状态下的开关 方面，整个结构的效率可以达到一个较高的水平。此外， 频率． 的值由下式给出： 在与开关转换器的并行列入一个线性稳压器，使得负载 ＝｝ （ 一 ） 电流和输入电压的瞬态响应速度表现良好。值得注意的 是，如果没有输出电容，线性辅助调节器可以达到良好 另一方面，导通时间 和关断时间 在每一个稳 的动态和静态特性。 态开关周期分别给出，如下面的表达式： 仿真结果已经表明，做出一个性能良好的和简单的 ＝ 芯片上的ＣＭＯＳ线性辅助型ＤＣ—ＤＣ调节器是十分可行 ２仿真结果 的。当然，最终的片上稳压器的实验实施会降低一些规 在电路的仿真过程中采用了０．３５ ｍ工艺仿真。仿 定的物理量。然而，这种技术的发现使得对于把它扩展 真中电路的输入电压控制为５ Ｖ，输出电压为３ Ｖ。设置 到商用集成电路是十分乐观的。 参考文献 阈值电流为２００ ｍＡ，输出电流为６００ ｍＡ。仿真结果如 【１】ＣＯＮＥＳＡ Ａ，ＭＡＲＴ￣ＮＥＺ Ｈ，ＨＵＥＲＴＡ Ｊ Ｍ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ 图４、图５所示。 ＆ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｈｙｂｒｉｄ ＤＣ－ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｃ］．１２ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（ＥＰＥ ２００７）． Ｉｎ ｐｒｅｓｓ．２００７． Ｈｎ Ｉ ［２】ＭＡＲＴＩＮＥＺ Ｈ，ＣＯＮＥＳＡ Ａ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ－ａｓｓｉｓｔｅｄ ＤＣ—ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ『Ｃ１．１８ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｉ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ，（ＥＣＣＴＤ ２００７），２００７． ‰ｔ ［３】ＭＡＲＴ￣ＮＥＺ Ｈ，ＣＯＮＥＳＡ Ａ．Ｌｉｎｅａｒ—ａｓｓｉｓｔｅｄ ＤＣ—ＤＣ ｃｏｎ— ｖｅｒｔｅｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＭＯＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｃ］．ＩＥＥＥ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅ￣－ ｔｒｏｎｉｅｓ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＰＥＳＣ ２００８），２００８． ＼ｃ０皿ｐ 【４】ＥＲＴＬ Ｈ，ＫＯＬＡＲ Ｊ Ｗ，ＺＡＣＨ Ｆ Ｃ．Ｂａｓｉｃ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｅｄ－ｍｏｄｅ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｌｉｎｅａｒ ｐｏｗｅｒ ｔ，ＬＬｓ 图４输入电压、输出电压和比较器输出端的电压波形 ａｍｐｌ￣ｅｍ［Ｃ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｌａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， １９９７：１１６—１２３． ［５】ＭＩＡＪＡ Ｐ Ｆ．Ａ ｌｉｎｅａｒ ａｓｓｉｓｔｅｄ ＤＣ／ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ ａｐｐｌｉｃａ－ ｔｉｏｎｓ［Ｊ】．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１２，２７（７）： ３３０２—３３０９． 【６】Ｃｏｓｐ－Ｖｉｌｅｌｌａ Ｊｏｒｄｉ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｎ ｏｎ－ｃｈｉｐ ｌｉｎｅａｒ—ａｓｓｉｓｔｅｄ ＤＣ—ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ．２０１３：１—４． ［７】ＰＨＩＬＬＩＰ Ａ，ＤＯＵＧＬＡＳ Ｈ．ＣＭＯＳ模拟集成电路设计［Ｍ】． 第二版．北京：电子工业出版社，２０１１：５３３—５６８． 【８】何乐年，王亿．模拟集成电路设计与仿真【Ｍ１。北京：科学 出版社，２００８． ｔ，ｕｓ （收稿日期；２０１４—１２—３０） 图５ 、ｋ、，Ｌ的电流波形图 作者简介： ３小结 侯惠淇（１９９２一），男，硕士研究生，主要研究方向：ＡＣ— 考虑到ＣＭＯＳ技术在实现片上电源子系统集成电 ＤＣ，ＤＣ—ＤＣ模拟集成电路设计。 路上的优势，本文展示了设计芯片上的线性辅助型ＤＣ— 韩志刚（１９７２一），男，博士，副教授，主要研究方向：模 ＤＣ调节器。一方面，本文已示出的输出电压合适的调节 拟集成电路设计和电源管理芯片设计。 （上接第４６页） （收稿日期：２０１４－１２－１６） 大学，２（）０９． 作者简介： 【４】张永斌，胡金高．基于ＤＳＰ的ＬｅＤ显示控制与设计【Ｊ】 刘敏（１９９１一），男，硕士研究生，主要研究方向：高清立 液晶与显示，２０１１，２６（５）：６２６—６３０． 体显示技术、高清数据控制。 ［５】梁发云，邓善熙，杨永跃．立体图像视频格式及其转换技 梁发云（１９７０－），男，博士，副教授，主要研究方向：裸 术研究【Ｊ】．仪器仪表学报，２００５，２６（１２）：１２３３—１２３８． 眼立体与虚拟现实技术。 《电子技术应用》２０１５年第４１卷第７期 ４９