图4:连续模式和省电模式分界点上的电感电流值
若如图4所示,电感电流的最小值刚好等于零,则其峰值为:
IL(to+ton)=1/L x Vin x ton----------------(5)
在这些条件下,一个时脉周期内的平均电感电流等于:
IL,avg(border)=1/2L x Vin x ton----------------(6)
当负载较小时,电感上的电流可能变成负值,因此为了避免电流在某些时间内从输出端经由PMOS功率晶体和电感回流至Vin,电路激活后只要Vout在可接受的误差范围内,转换器就会在省电模式工作。这表示与其在效率较低的不连续模式下操作,转换器会进入闲置状态,此时NMOS和PMOS都处于截止状态,大多数功能方块的电源也被切断,这能节省电力消耗,进而提升转换器的工作效率,等到输出电压下降至预设的Vout.low电压值,转换器就会重新开始工作。根据公式(4) 和 (6),省电模式的工作条件可表示成:----------------(7)
■B. 降压模式
降压模式的工作条件可简单表示成:
Vin≥Vout----------------(8)
图5:降压模式下的转换器电路图
在激活阶段,只要Vout尚未达到其额定值,就必须将降压模式关闭。图5是降压模式的等效电路,注意当NMOS截止时,若PMOS就像在标准升压模式一样的进入导通状态,那么SW接点上的电压就等于Vout,电感两端也会出现Vin – Vout的正电压降,电感电流也因此会增加ΔIL = L × (Vin – Vout),这表示IL在NMOS导通和截止时都会增加,PWM模式直流转换器的伏特-秒 (volt-seconds) 在这两种状态下必须相等条件也因此被打破。在这些条件下,电感电流会继续增加直到Vout ≧ Vin。
因此在设计电路时,必须确保PMOS开关在降压模式下永远处于截止状态。要做到这一点,PMOS闸极电压会如图5所示的被箝位至Vin,这样当闸极电压像在升压模式一样的被设为Vout而让PMOS进入截止状态后,只要Vin电压值高于Vout再加上PMOS的临界电压VT.p,这颗晶体管就会进入导通状态。
在降压模式下,PMOS晶体管的后-闸极接脚BG不会像升压模式一样的连接至Vout,因为后-闸极二极管会在Vin – Vout > Vd时进入顺向偏压状态,其中Vd是二极管的顺向电压,其值约为0.7 V。后-闸极控制电路现在将PMOS后-闸极和Vout的连接切断,确保后-闸极二极管不会进入顺向偏压状态。当NMOS开关在降压模式下导通时,PMOS的后-闸极会经由另一颗小型PMOS组件 (M3) 连接至Vout。图6是后-闸极控制电路中,开关组件的可能实作方式之一,它是由两颗做为开关的功率晶体组成,功率晶体M1会在Vout < Vin的最初阶段中将BG连接至SW,此时功率晶体就像是对输出电容充电的电流源。进入升压模式后,功率晶体M2会将BG连接至Vout,其中讯号DM = “0” 显示降压模式已被关闭。把M2的后-闸极连接至BG接点,即可确保在降压模式下,M2的后-闸极二极管不会进入顺向偏压状态,也不会有电流通过后-闸极。因此相较于大型的NMOS和PMOS开关,M1、M2和M3可以使用较小的功率晶体。
图6:后-闸极控制开关
在连续升压模式下,SW上的电压会在0 V和Vout之间改变。在降压模式下,PMOS晶体管不会在NMOS截止时进入导通状态,因此SW电压会在0 V和Vin + VT.p之间切换。降压模式激活后,转换器就能在连续模式和省电模式下工作,省电模式的条件和 (7) 所描述的相同。图7是电路从升压模式转换至降压模式时,示波器上所看到的SW电压波形,转换器在这种两模式下都会连续进行切换。升压和降压模式之间的中断部份是由控制电路所产生,因为NMOS在Vin ≈ Vout的导通时间非常小,使得部份的脉冲讯号 (NMOS切换作业) 被跳过。
图7:从升压模式转换至降压模式时的SW讯号
电压模式控制机制
本文介绍的转换器是利用定频电压模式控制来提供稳压输出,其中升压模式的负载周期控制算法是由公式 (3) 决定,这个能够自动控制NMOS的截止时间toff,进而控制负载周期的算法是由两个部份组成:电流产生器和定时器单元。在升压模式下,电流产生器电路会产生一个等比于Vout的电流,同时提供参考电压给RC振荡器,由它产生时间周期为T = RC的时脉脉冲。定时器内另一个电容值为C的电容每隔时间T就会充电至Vin,然后由电流产生器的电流将其放电。为了得到更高的精确度,此设计会利用一个误差放大器来调整放电电流,电容的电压会与某个固定电压值比较 (对于理想的MOS开关组件,这是指地电位),等到电容放电至此电压值,比较器就会产生一个脉冲,代表NMOS截止时间已经结束,这个NMOS开关也会进入导通状态,等到振荡器产生下一个脉冲时再进入截止状态。
接着,我们将详细说明降压模式的控制算法。在降压模式下,我们也能根据图5利用伏特-秒相等的原理来算出所需的负载周期。忽略NMOS和PMOS开关的电阻性损耗,那么在NMOS的导通和截止期间内,电感两端的电压为:
V(ton)=Vin
V(toff)=-VT.p----------------(9)
应用伏特-秒相等的原理即可得到:----------------(10)
对于固定频率f = 1/T,可将NMOS的截止时间设为: