PWM/PFM 自动切换升压型转换器系统（一）

通过对芯片整体设计要求的考虑，搭建全负载高效率升压型 DC-DC 转换器的整体系 统框架，对系统的工作过程和模块电路的功能进行简要阐述，对外围电路的选取进行准确计 算，分析系统的损耗来源，实现高效率的设计目标。

芯片整体设计要求

设计目标

本文设计的升压型 DC-DC 转换器基于 PWM/PFM 调制模式，能够在全负载范围内实现 高效率，采用同步整流技术，内置低导通阻抗的 PMOS 和 NMOS 功率管。

性能参数	设计指标
输入电压（V）	0.9~3.3
输出电压（V）	3.3
工作温度（℃）	-40-85
振荡频率（MHz）	1.2
输出电压纹波率（%）	≤1
负载调整率（%/A）	<5
转换效率（%）	≥85

典型应用

基于 PWM/PFM 调制模式的全负载高效率升压型 DC-DC 转换器的典型应用电路。可以从图 中看出，该应用电路需要的外围器件包括有储能电感 L、 输入电容 Cin和输出电容 Cout，连接后便能实现输入电压 Vin到输出电压 Vout的升压功能。

对图中的引脚名称进行说明和功能描述

序号? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?引脚名称? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 功能描述

1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?LX? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 储能电感连接端引脚

2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? V out? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?芯片输出端引脚， 连接输出电容Cout和负载

3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Vin? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?芯片输入端引脚，连接输入电容Ci，

4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? CE? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?使能信号端引脚，高电平时，电路正常工作；低电平时，电4CE路停止工作

5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?GND? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 地引脚，表示地电位

整体框架结构

设计的基于 PWM/PFM 调制模式的全负载高效率升压型 DC-DC 转换器的系统框架图。其中，Vin为输入电压，Vout为输出电压，RFB1 和 RFB2 为反馈分压电阻， MN1 和 MP1 为功率开关管。电路的主要模块有：误差放大器、PWM 比较器、PWM/PFM 控 制电路、电流采样电路、振荡器、基准电路、软启动电路、逻辑控制电路和使能电路。其中， PWM/PFM 控制电路中包含了 PWM/PFM 模式切换逻辑电路、过零比较电路、峰值限流电路、 抗振铃电路。

当使能端信号为高电平时，升压电路开始工作。由 VDD 选择电路比较输出电压 Vout和输 入电压 Vin，两者间较大的作为电路中各模块的供电电压 VDD。在 Vout电压值上升到 Vin之前，浪涌保护电路起作用，此时反馈环路不工作，MN1 开关管关闭，MP1 续流管受直充电路控制 导通，对输出电容充电直到 Vout等于 Vin。该状态结束后，浪涌保护信号跳变，各模块开始正 常工作，进入闭环控制阶段。输出电压缓慢上升到预设值的过程中，利用软启动电路得到平 缓上升的基准电压 Vref，与反馈电压 VFB 的差模值较小，避免此阶段占空比太大，输出电压出 现过冲。当负载电流较小时，工作在 PFM 模式，跳过一些周期不工作，此时由过零检测电路 关闭 MP1 续流管；当负载电流较大时，工作在 PWM 模式，通过 PWM/PFM 的自动切换，使 得系统效率始终维持较高水平。

下面对系统中的主要模块电路进行简要介绍：

使能电路：输出使能控制信号，决定芯片整体工作状态为开启或关闭。 软启动电路：电路启动阶段，易出现浪涌电流和过冲电压，通过软启动电路使得输出电 压缓慢上升到预设电压，保护元器件的工作安全。

基准电压源：提供一个不受电压源和温度影响的高精度参考电压，采用了耗尽管结构来 实现。耗尽管结构的基准电压源不需要启动电路，电路结构更简单，极低的静态功耗符合高 效率系统的设计目标。

基准电流源：通过电流镜拷贝，为各模块电路提供偏置电流。

误差放大器：输入参考电压 Vref和反馈电压 VFB，输出到 PWM 比较器，来产生占空比信 号，稳定输出电压。

振荡器电路：产生频率为 1.2MHz、占空比为 93%的方波信号，利用三角波产生电路得到 三角波信号，送入 PWM 比较器与误差放大器输出信号比较。

电流采样电路：采样电感上的电流，通过 I-V 转换电路输出电压，在 PFM 峰值限流电路 和限流电路中使用。

PWM/PFM 切换控制电路：根据负载大小的变化，自动选择效率更高的调制模式，重载 时，工作在 PWM 模式；轻载时，工作在 PFM 模式，开关频率减小，开关损耗降低，提升轻载效率。

PFM 峰值限流电路：限制 PFM 模式下电感电流最大值，减小输出电压纹波。

抗振铃电路：电路工作在非连续导通模式，NMOS 和 PMOS 功率管同时处于关闭状态时， 电感和功率管的寄生电容之间形成 LC 回路，在 LX 结点出现了振荡。通过在电感 L 的两端 并联开关管，在 LC 振荡环路出现前，控制开关管打开，将电感 L 短路，避免振铃现象出现。

VDD 选择电路：比较输入电压和输出电压的大小，并选择两者间较大的作为电路中各模 块的供电电压 VDD。

真关断电路：功率 PMOS 管存在寄生体二极管，输入电压和输出电压无法真正断开，通过控制电路使得衬底始终连接输入电压和输出电压较高的一端，实现真关断。

休眠模式电路：轻载时，DC-DC 转换器跳过一些周期不工作，休眠模块电路会关断部分 模块功能或减小其静态电流，包括有 PFM 峰值限流电路、过零检测电路、抗振铃电路和过流 保护电路。

短路保护电路：当长时间处于限流保护状态或输入电压小于输出电压，判定为短路状态， 系统停止工作。