引言開關電源的效率與功耗已成為設計師關注的焦點，而多模式控制已經成為電源控制晶元中高效率低功耗設計的主流趨勢。
所謂多模式控制就是在開關電源的工作中根據負載情況的不同採用不同的控制策略，以降低其功耗，提高效率。它是針對常用開關電源在輕載和待機條件下效率低的特點提出的，其設計思想可描述為：在過載下採用pwm 模式，以發揮其過載下效率高的優點;在輕載下採取pfm 模式，通過降低開關頻率來降低功耗;而在極輕載條件下(待機模式下)則採取burst模式來降低功耗。
目前，由於能源緊缺，國際國內均對降低用電裝置的輕載和待機功耗給予了極大注意。應指出的是，傳統的多模式控制策略雖然改善了開關電源的輕載與待機效率，但未對控制晶元本身的靜態功耗予以足夠的重視，考慮到家電、辦公裝置等裝置數量巨大，倘能將控制晶元的靜態電流由毫安級降低一至兩個數量級，其節電效能就十分可觀。
文中給出一種低功耗開關電源控制晶元供電系統的設計並予以實現，其特點是可以降低控制晶元在輕載與待機模式下的功耗。
針對當前應用廣泛的系統晶元的需要，分別設定了乙個數字模組供電單元和兩個模擬模組供電單元，其中乙個模擬模組供電單元專門用於在過載條件下為控制模組供電，而在輕載和待機模式下則被關斷，以降低晶元的靜態功耗。
1 系統與電路設計
1.1 系統構成
整個系統的構成如圖1所示。系統中包括乙個欠壓鎖定電路(uvlo,under voltage lockout)，用於保證電路在合適的電壓範圍內正常工作;乙個帶隙基準電壓源和乙個專為數字模組供電的電壓源(記為vdd_d)，分別為晶元提供基準偏置和數字部分的電源。具體構成時此兩模組包含在uvlo模組內。
兩個電壓調整器(regulator)分別產生乙個5 v和乙個4.3 v 的穩定電壓，其中5 v穩定電壓源輸出記為reg,用於在過載時為控制器供電(輕載時關斷);4.3 v 穩定電壓源輸出記為vdd_ad,用於輕載時的供電。
當然，必要時還可以利用帶隙基準產生更多不同的電壓以滿足複雜控制模式的需要。
圖1電源系統框圖
此外，本設計中還設定了乙個ref-ok模組來判斷上電後電源系統是否已進入正常工作狀態。
1.2 欠壓鎖定電路的設計
欠壓鎖定電路又稱uvlo,見圖2.圖中 vdd為晶元外部供電電源，設計值為12 v.欠壓鎖定電路的視窗設定為7~9.
5 v,即上電後電壓上公升到大於9.5v 時晶元開始正常工作，而當供電電壓小於7 v時晶元停止工作。考慮到欠壓鎖定電路在電源控制晶元中的重要性，設計給出了兩種實現方案，並對兩種控制策略的效能進行了分析與比較。
圖2 兩個比較器實現的欠壓鎖定電路
圖2給出第一種欠壓鎖定電路的原理圖，稱為u-vlo1,這是用兩個比較器實現的欠壓鎖定電路。vdd是外部供電電壓源，k1、k2 是小於1的常數，且k1>k2,vref為1.25 v帶隙基準電壓，latch是由兩個反相器組成的鎖存器。
圖中標的uvlo_out代表欠壓鎖定訊號，狀態設定是uvlo_out=0時有效。
電路的工作原理可簡述如下：12 v供電電壓可在vdd比較低時建立乙個ptat (proportional toabsolute temperature)電流源，然後利用其建立起帶隙基準電壓源;當vdd由0上公升時，帶隙基準電壓r首先建立，此時兩個比較器的輸出為低電位，p1導通，輸出為高電位;當k1vdd大於 r時，comp1輸出跳變，n1管導通，鎖存器鎖存上乙個訊號，uvlo為高電位(注意其為低電位有效);當k2vdd大於vref 時，n2導通，則uvlo-out為低電位，使能其他模組;隨著vdd減小，k2vdd首先小於vref,n2關斷，則鎖存器鎖存訊號，uvlo-out保持;當 vdd減小到k1 vdd小於vref時comp1跳變，p1導通，n1關斷，則輸出uvlo-out為高電位，關斷整個控制晶元。
表1 uvlo 的狀態對應表
另乙個方案是利用乙個比較器實現的uvlo電路，稱uvlo2.該電路的特點是通過外部遲滯實現了欠壓鎖定功能，可應用於高壓和低壓場合，如圖3.電路的工作原理如下：
當vdd由0上公升到乙個比較小的值時，帶隙基準電壓vref首先建立，當vdd上公升到：
時，比較器開始跳變，n1關斷，uvlo-out為0,使能整個控制晶元。當外部電源電壓開始減小到：
時，比較器跳轉，n1開通，uvlo-out開始變l.通過合理設定r1、r2、r3值就可以使vdd1=9.5 v,vdd2=7v,即vdd上公升到9.
5 v時uvlo輸出為零，晶元正常工作; vdd下降到7 v 時晶元停止工作。
圖3 用外部遲滯實現的欠壓鎖定電路兩種方案的工作特性對比結果如表2所列。需要指出的是，若直接用閘電路實現施密特觸發，由於"的工藝離散性，將使觸發電壓難以準確控制。
表2 兩種欠壓鎖定電路比較
經比較可知，uvl02結構較為簡單，面積小，啟動電流小，有利於降低功耗。因此，本設計最終採用了uvl02方案。此外，為最大限度減小功耗，設計中將帶隙基準電壓、數字電源和欠壓鎖定電路整合在一起。
具體電路圖見圖4。
圖4 欠壓鎖定和數字電源的具體電路圖
圖中利用帶隙基準電壓加上四個二極體連線的三極體產生乙個大於4 v 的電壓，然後經過m0s管產生乙個大約2.65 v左右的電壓。這個電壓在基準電壓建立後就產生了，主要用於為欠壓鎖定電路的數字部分供電，並且擔任了為整個系統的數位電路供電的任務。
1.3 5 v基準電壓源(reg)
圖5為5 v穩定電壓源(reg)的電路原理。其中p1、p2、p3、p4組成共源共柵結構，可以提高電流鏡的映象精度，同時提高電源抑制比。q3、q4、r 1、r2組成乙個帶隙基準電壓，這樣可以減小額外的電流支路，降低功耗。
q1、q2組成達林頓結構，增加輸出能力。p5、p6增加匹配，減小溝道長度調製效應。q1、q2、r3、r4、r5、r6、q4、p5、p6組成乙個負反饋環路，將reg電壓穩定在5 v。
圖中c具有兩種作用：1、記憶直流工作點;2、補償環路電容。
穩壓機理如下：當負載增加時，reg電壓下降，則q4基極下降，集電極公升高，經過p5、p6,使得q1、q2基極公升高，reg 電壓公升高;反之亦然。
reg電壓是片上多數模組的供電電壓，驅動能力設計為4ma。
圖5 5 v 穩定電壓源
1.4 4.3 v穩定電壓源
4.3 v 的穩定電壓源(vdd-ad)用來在輕載時為系統供電，始終保持工作，在burst模式下由它為模擬模組供電。
圖6 4.3 v 的穩定電壓源
是帶隙基準電壓，通過乙個運放、乙個達林頓結構的電晶體和乙個電阻分壓網路組成負反饋環路來產生4.3 v 的穩定電壓。其穩壓機理如下：
當負載增大時，vdd-ad電壓下降，此時a點電壓下降，使運放的輸出上公升，則q1、q2基極公升高，reg電壓重新公升高，獲得穩定;反之亦然。 vdd-ad是檢測模組的供電電壓，設計驅動能力為2 ma.晶元負載減小時，關斷reg,減小了晶元的靜態功耗，這樣既能保證晶元的驅動能力，又同時降低了晶元的靜態功耗。
圖7 ref-ok 電路的設計
1.5 ref_ok模組
ref_0k模組用以標誌電源系統是否建立好，以控制決定供電單元是否正常開始工作。其中兩個比較參考電平refok1、ref0k2的關係始終保持為refok1
表3 ref_ok 的基本功能表
1.6 模式控制邏輯
模式控制邏輯用以保證在進行模式選擇時，電源系統正常工作。當fb電壓底於0.5 v時，該控制邏輯通過內部電流滯回比較器自動選擇進入待機模式。
run訊號(其為高電位有效)用來關斷綠色多模式反激變換器中的其它控制模組，以實現低待機功耗。
圖8 模式控制邏輯
2.版圖設計及測試結果
2.1 版圖設計
圖9給出了制得的多模式開關電源控制晶元的顯微**，其中用線框標出的部分就是所設計的供電模組，包括：欠壓鎖定電路，數字電源，模擬電壓源(5 v穩定電壓源，4.3 v穩定電壓源)，ref_ok等子模組。
兩個模擬電壓源因功率較大，可視為熱源，將其統一放置在版圖的左邊，而ptat、帶隙基準等敏感模組則盡量遠離熱源，放置在版圖的右邊，欠壓鎖定電路也放置在版圖的右上角。
圖9 晶元的顯微**
2.2 regulator的測試
5 v 電壓的psr測試波形如圖10所示。由此圖可見，其psr可以達到-60 db.該供電模組在工作頻率為40~130 khz的綠色多模式反激式控制器中的應用表明，它對來自電源的干擾具有較好的抑制能力。
圖10 5 v電源的psr
2.3 供電系統的測試
uvlo的啟動電流測量值僅為17.8 a,實現了系統的低啟動電流。系統上電和掉電的測試結果如圖11和圖12所示。
可見系統在vdd的設定門限內工作良好，ref-ok可以正確指示各個供電模組正常工作。掉電過程正好相反。
圖11 供電模組的上電和掉電過程(1)
圖12 供電模組的上電和掉電過程(2)
2.4 模式控制和效率測試
系統的多模式控制測試結果見圖13。中載或過載下系統採用pwm 模式工作，許多單元的供電電源為reg=5 v.極輕載條件下則關斷5 v的供電電源，減小系統的待機功耗，同時也有利於減小emi和雜訊。
其過程如下：當fb電壓低於乙個閾值時，待機模式選擇，則shutdown訊號變高，關斷5 v 電壓源reg模組，同時vdd-ad繼續給晶元供電，保證在輕載時晶元的檢測能夠連續實現。
圖13 供電單元多模式下的節能過程
圖14給出了整合了該低功耗電源系統的綠色多模式反激式控制器的效率圖(工作頻率為40~130khz)，並與傳統的反激變換器效率進行了比較。由圖可知，採用多模式反激式控制降低了晶元的輕載功耗，提高了效率。
圖14 反激變換器效率比較
3 結論
提出了一種開關電源控制晶元供電系統的設計方案，可在不同負載條件下為晶元提供合適的供電方案，保證其高效低功耗工作。設定的uvlo模組保證了晶元在電源波動過程中的正常工作。晶元測試的結果很好地驗證了設計思想。
UC3842晶元設計開關電源中文
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