1 引言

近年來，LDO（Low Dropout）線性穩壓器和DC/DC 變換器等電源管理芯片已廣泛應用于便攜式電子系統中 。但是，開關穩壓器相對線性穩壓器降低了平均輸入電流，提高了效率。Step-Down 電源屬于DC/DC 變換器中的降壓變換器，它的主要缺點是，在輕載時比如手機待機時，靜態電流較高，顯著降低了電池的使用壽命，所以在低負載條件下，我們通過PFM 限流比較器來控制芯片使之進入Idle 模式，這樣就大大延長了電池壽命，提高了芯片的效率。

2 本文采用的DC-DC降壓變換器電路結構

本文采用的DC-DC 降壓變換器結構采用同步校正器代替傳統的二極管，極大地提高了DC-DC 降壓變換器的效率，可達到95%左右。芯片的輸入電壓位于2.7V 至5V 之間，可工作在以下四種模式：固定頻率的強制PWM 模式，同步PWM 模式，idle 模式，關斷模式。

3 PFM限流比較器的設計

3.1 比較器輸入級的設計

比較器輸入級為射級耦合的差分輸入級。

圖1 比較器的輸入級

由上圖可知，

（1）

（2）

則iC1可以近似為

（3）

同理

（4）

可求得差分跨導為：

（5）

在室溫下， T V =26mV ， 所以運放跨導等于

（6）

此外，電阻R15，R16作為運放負載，可得出放大器輸入級增益表達式如下：

（7）

3.2 比較器中間級

比較器中間級由D，E 輸入，A 輸出。MP724，MP725 的作用是減小A 點電壓的變化幅度，使得比較器具有較短的瞬態響應時間和較快的速度。

現在計算折疊共源共柵運放的小信號電壓增益，因為|Av|= GmRout ，我們必須計算Gm 和Rout ，而

（8）

（9）

所以， V 2 A 表達式如下：

（10）

圖2 比較器中間級

3.3 比較器輸出級

比較器的輸出級（Active Load inverter）由A 輸入，B 輸出（圖3），進一步提高放大器的增益，

（11）

因此，放大器總的增益AV 表達式如下：

（12）

圖3 PFM 限流比較器電路圖

3.4 PFM 限流比較器電路圖

綜合前面比較器輸入級，輸出級，中間級的設計，可得出圖3 所示的PFM 限流比較器電路圖。當功率管導通時，對電感電流充電，使得電感電流上升，同時功率管的漏端電壓下降，電流采樣電路通過采樣導通功率管的漏端電壓，把采樣得到的電壓LS2，LTH2 輸入到PFM 限流比較器，當功率管的漏端電壓下降到一定程度，使得LS2 達到PFM 限流比較器門限LTH2 時，比較器輸出高電平至控制邏輯模塊，從而使芯片進入PFM 工作模式以延長電池壽命。

4 PFM 限流比較器的仿真

我們采用HSPICE 對圖3 所示的電路進行了比較器功能的模擬，由圖4 可見當電感電流上升時，采樣得到的電壓LS2 下降，當功率管的漏端電壓下降到一定程度，使得LS2 達到PFM 限流比較器門限LTH2 時，比較器輸出高電平至控制邏輯模塊，從而使芯片進入PFM工作模式以延長電池壽命。此外，比較器延遲70nS。

圖4 PFM 限流比較器的仿真

5 結束語

本文成功地設計出一款應用到DC/DC 芯片上的PFM 限流比較器，并通過HSPICE 進行了仿真。結果表明：電路結構簡單，功耗低，響應速度快，完全滿足新一代DC/DC 產品的要求，且預計投入市場之后將獲得上百萬元的效益。

本文作者創新點：本文采用的DC-DC 降壓變換器結構采用同步校正器代替傳統的二極管，極大地提高了DC-DC 降壓變換器的效率，可達到95%左右。基于該DC-DC 降壓變換器結構設計了一個新穎的基于Step-Down PWM 電源管理芯片的PFM 限流比較器電路，在輕載時使芯片進入PFM 工作模式，因此能夠延長電池壽命并且大幅度的提高Step-DownPWM 電源管理芯片的效率。

責任編輯：gt