一种Boost型/Cuk型DC-DC转换芯片设计

黄少卿，李 欢，徐勤媛，罗永波，宣志斌，肖培磊

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214072）

1 引言

随着环境和能源问题的日益突出，太阳能、风能、燃料电池等可再生能源获得越来越多的关注，其中光伏发电逐渐成为新能源领域的典型代表。太阳能具有清洁无污染、用之不竭的优势，是理想的可再生能源[1]。

在光伏发电系统中，太阳能充放电控制器是不可缺少的一部分，而其主要的组成部分就是DC-DC转换器，将太阳能转换为所需要的电压，通常的做法是采用一个Boost转换器或一个Cuk转换器将前级较低的电压值转换为较高的电压值。这两种转换器在市场上均有应用，其中Boost转换器体积小、成本低，被广泛应用，而Cuk转换器具有输出纹波小的特点，能够提高系统的抗扰动性[2]，是Cuk转换器在高端应用环境中的优势。为了满足不同的应用环境，研制出一款既能配置成Boost转换器又能配制成Cuk转换器的DC-DC转换芯片无疑是迫切的市场需求。

文献 [3]介绍了一种传统的Boost型/Cuk型DC-DC转换芯片，其反馈环路有3个输入端口，通过改变输入端口的连接方式实现Boost型转换器和Cuk型转换器之间的兼容，这种情况下使应用变得复杂，弱化了芯片设计本身的初衷。因此，本文提出一种全新的单输入反馈环路的DC-DC转换芯片，在实现Boost型转换器和Cuk型转换器兼容的同时，简化应用条件，节约外围成本。

文章第2节主要介绍Boost型/Cuk型DC-DC转换芯片的基本工作原理与内部结构；第3节介绍单输入反馈环路的原理与电路实现方式；第4节介绍整体电路仿真和版图结构；第5节给出结论。

2 Boost型/Cuk型DC-DC转换芯片的基本工作原理与内部结构

2.1 转换芯片工作原理

本文介绍的DC-DC转换芯片配置为Boost转换器应用如图1所示。在Boost拓扑架构中通过电感L1传递能量使输出电压VOUT大于输入电压VIN，实现升压的效果。输入电容C1对外部输入电压进行滤波，同时也起到降低EMI的作用，输出电压大小取决于反馈电阻R3的值，芯片工作频率由电阻R1决定，也可通过SYNC端同步外部时钟频率。

图1 配置为Boost转换器应用图

本文介绍的DC-DC转换芯片配置为Cuk转换器应用如图2所示。在Cuk拓扑架构中输出电压与输入电压的极性相反，通过电容C5传递能量使输出电压|VOUT|大于、小于或等于输入电压VIN。

图2 配置为Cuk转换器应用图

通过比较图1和图2可以看出，反馈环路只有一个输入端口FB，在Boost架构中，通过调整电阻R3的阻值可实现输出电压的改变，同理在Cuk架构中，同样调整电阻R3的阻值亦可实现输出电压绝对值大小的变化。因此芯片在兼容两种拓扑结构的同时简化了外围应用，降低了成本。

2.2 内部结构

如图3所示，Boost型/Cuk型DC-DC转换芯片采用恒定开关频率、电流模式控制方式来实现电源电压的转换。振荡器输出方波的上升沿将触发器SR2置位，功率开关管MM1导通，流过功率管MM1的电流增大，从而在采样电阻RCS上产生压降，该压降与流过功率开关管的电流成正比，该压降经误差放大器A3放大后叠加在固定斜坡补偿电压上，叠加后的信号输入PWM比较器的正输入端。当该信号大于PWM比较器负输入端的值时，触发器SR2复位将功率开关管关断。PWM比较器负输入端的值取决于误差放大器A1（或 A2）的输出。

图3 DC-DC转换芯片内部结构

当芯片配置为Boost转换器时，负反馈环路使得FB端电压为1.215 V左右，从而误差放大器A2的正输入端电压远大于负输入端电压（0 V），其输出为高电平，二极管DD2截止，误差放大器A2对VC电压没有影响。此时有一路电流从转换器输出电压VOUT经过反馈电阻R3后流入FB端口，并通过电阻RR2到地，由于FB端电压近似为1.215V，因此转换器输出电压是：

当输出重载时，VOUT电压略微下降，FB端电压略微低于1.215 V，误差放大器A1的输出抬高，由于二极管DD1的作用导致电流源中的电流更多地流入VC节点中，导致VC电压抬高，升压转换器就会传输更多的能量到输出负载端。当输出轻载时，VOUT电压略微上升，FB端电压略微高于1.215 V，误差放大器A1的输出降低，由于二极管DD1的作用导致电流源中的电流更多地流入误差放大器A1中，导致VC电压降低，升压转换器就会减少传输到输出负载端的能量。

当芯片配置为Cuk转换器时，负反馈环路使得FB端电压为0 V左右，从而误差放大器A1的正输入端电压（1.215 V）远大于负输入端电压，其输出为高电平，二极管DD1截止，误差放大器A1对VC电压没有影响。此时有一路电流从芯片内部经电阻RR1后从FB端口流出，并通过反馈电阻R3流入转换器输出端。因此，转换器输出电压是：

当输出重载时，VOUT电压绝对值略微下降，FB端电压高于地电压，误差放大器A2的输出抬高，由于二极管DD2的作用导致电流源中的电流更多地流入VC节点中，导致VC电压抬高，Cuk型转换器就会传输更多的能量到输出负载端。当输出轻载时，VOUT电压绝对值略微上升，FB端电压略微低于地电压，误差放大器A2的输出降低，由于二极管DD2的作用导致电流源中的电流更多地流入误差放大器A2中，VC电压降低，Cuk型转换器就会减少传输到输出负载端的能量。

3 单输入反馈环路主要构成

图4所示为构成单输入反馈环路重要组成部分的误差放大器电路。电路主体部分采用双极型晶体管结构，以获得较快的响应速度，偏置部分采用MOS管结构，提高精确度。正常工作时，电流源II1的电流流入晶体管QQ1和晶体管QQ2；当FB电压大于1.215 V时，电流源II1的大部分电流通过晶体管QQ1流入电阻RR5和电阻RR7；当FB电压小于1.215 V时，电流源II1的大部分电流通过晶体管QQ2流入电阻RR3和电阻RR8。电流源II2的电流流入晶体管QQ3和晶体管QQ4，当FB电压大于地势电压时，电流源II2的大部分电流通过晶体管QQ4流入电阻RR4和电阻RR8，当FB电压小于地势电压时，电流源II2的大部分电流通过晶体管QQ3流入电阻RR5和电阻RR7。

合理设置电流源II1、电流源II2、电流源II3和电流源II4的电流值以及电阻RR3、电阻RR4、电阻RR5、电阻RR6、电阻RR7和电阻RR8的阻值，可实现电路的功能。例如，电流源II1和II2的电流值设置为4 μA，电流源 II3和 II4的电流值设置为 2 μA，电阻 RR3、RR4、RR5和RR6的阻值设置为20 kΩ，电阻RR7和RR8的阻值设置为10 kΩ。

在Boost型工作模式下，FB电压为1.215 V，晶体管QQ3截止，电流源II2的全部4 μA电流通过晶体管QQ4流入电阻RR4和电阻RR8，电流源II1的4 μA电流分别经晶体管QQ1（2 μA）和晶体管QQ2（2 μA）流入电阻 RR5、RR7和电阻 RR3、RR8，电流源 II3的 2 μA电流通过晶体管QQ5流入电阻RR5和电阻RR7，电流源II4的2 μA电流通过晶体管QQ6流入电阻RR6和电阻RR8。因此，流过电阻RR8的电流为8μA，流过电阻RR6的电流为 2 μA，流过电阻 RR7的电流为 4 μA，流过电阻RR5的电流为4 μA，晶体管QQ5的发射极电压为电阻RR7的压降（40 mV）与电阻RR5的压降（80 mV）之和（120 mV），晶体管QQ6的发射极电压为电阻RR8的压降（80 mV）与电阻RR6的压降（40 mV）之和（120 mV），晶体管 QQ5和晶体管 QQ6发射极电压一致，晶体管QQ6集电极电压VC处于一定的电压值。

图4 自适应滞环电压产生电路

当输出负载减少时，FB电压增大，流过晶体管QQ2的电流减少，PNP晶体管QQ1的电流增大，因此流过电阻RR8的电流减少，VC电压降低；当输出负载增加时，FB电压减小，流过晶体管QQ2的电流增大，流过晶体管QQ1的电流减小，因此流过电阻RR8的电流增大，VC电压增大。

在Cuk工作模式下，FB电压为0 V，晶体管QQ1截止，电流源II1的全部4 μA电流通过晶体管QQ2流入电阻RR3和电阻RR8，电流源II的4 μA电流分别以晶体管QQ3（2 μA）和晶体管QQ4（2 μA）流入电阻RR5、RR7和电阻 RR4、RR8，电流源 II3的 2 μA 电流通过晶体管QQ5流入电阻RR5和RR7，电流源II4的2 μA电流通过晶体管QQ6流入电阻RR6和RR8。因此，流过电阻RR8的电流为8 μA，流过电阻 RR6的电流为 2 μA，流过电阻 RR7的电流为 4 μA，流过电阻RR5的电流为4 μA，晶体管QQ5的发射极电压为电阻RR7的压降（40 mV）与电阻 RR5的压降（80 mV）之和（120 mV），晶体管QQ6的发射极电压为电阻RR8的压降（80 mV）与电阻 RR6的压降（40 mV）之和（120 mV），晶体管QQ5和晶体管QQ6发射极电压一致，晶体管QQ6集电极电压VC处于一定的电压值。

当输出负载增加时，FB电压增大，流过晶体管QQ3的电流减少，流过晶体管QQ4的电流增大，因此流过电阻RR8的电流增加，VC电压升高；当输出负载减少时，FB电压减小，流过晶体管QQ3的电流增大，流过晶体管QQ4的电流减小，因此流过电阻RR8的电流减少，VC电压降低。

4 整体电路验证

本文设计的Boost型/Cuk型DC-DC转换芯片采用ASMC 0.35 μm 5 V/60 V BCD工艺，用Spectre进行仿真，波形见图5和图6。其中图5所示为Boost应用架构VIN=5 V、VOUT=12 V、IOUT=550 mA典型条件下各主要节点的波形；图6所示为Cuk应用架构VIN=5 V、VOUT=-12 V、IOUT=350 mA典型条件下各主要节点的波形。

从图5中可以看出，电路工作在升压架构，电感电流波形为三角波，SW引脚波形为周期性方波，输出电压纹波40 mV；从图6中可以看出，电路输出电压极性与输入电压极性相反，电感电流波形与开关波形符合实际值。

本文设计的Boost型/Cuk型DC-DC转换芯片的版图设计结果如图7所示，其中逻辑部分在左侧，功率管部分在右侧，两者通过高压N阱隔离。芯片面积为1.6 mm×2.0 mm。

图5 Boost型DC-DC转换芯片仿真波形

图6 Cuk型DC-DC转换芯片仿真波形

图7 版图设计结构

该电路流片后进行测试，测试结果如图8和图9所示。图8为芯片配置为Boost转换器的实测波形，从图中可以看出，在输入电压5 V的条件下，通道一为输出电压VOUT的波形，输出电压为12 V；通道二为SW引脚波形，SW引脚为频率为1.24 MHz的开关波形；通道四为负载电流Iout的波形，负载电流550 mA。因此，芯片可配置为Boost转换器，且满足设计要求。

图8 芯片配置为Boost转换器的测试波形

图9所示为芯片配置为Cuk转换器的实测波形，从图中可以看出，在输入电压5 V的条件下，通道一为输出电压VOUT的波形，输出电压为-12 V；通道二为SW引脚波形，SW引脚为频率为2 MHz的开关波形；通道四为负载电流Iout的波形，负载电流-350 mA。因此，芯片可配置为Cuk转换器，且满足设计要求。

图9 芯片配置为Cuk转换器的测试波形

表1 参数对比表

5 结论

本文采用ASMC 0.35 μm 5 V/60 V BCD工艺，设计了一款DC-DC转换芯片，通过全新的单输入反馈环路使得芯片既可配置为Boost转换器也可配置为Cuk型转换器，简化了外部应用，节省了系统成本。仿真结果表明转换芯片达到了预期效果。