一种超低输入电压BOOSTDC_DC的启动电路设计

1、本栏目责任编辑 :谢媛媛开发研究与设计技术1引言太阳能产品主要利用太阳能电池的能源来给 LED 灯进行工 作 , 其优点主要为安全 、节能 、 方便 、 环保等 。 而太阳能电源板要产 生高电压 , 一般是将多个太阳能电池板单元串联起来构成回路 , 但这样会出现当部分太阳能电池板单元照不到太阳光时 , 或受到 外部撞击部分电池单元损坏后整个回路都无法工作 。 为避免这一 问题最好是采用单板模式 。 但在单板时 , 利用太阳能光能够发出 的电压只有 0.5V 左右 。本 文 给 出 一 种 应 用 于 太 阳 能 电 池 充 电 的 升 压 电 路 芯 片 (将 0.5V 左右的低电压提升到 5

2、V 左右的升压芯片 中的启动电路的 设计 。 超低输入电压 BOOST 型 DC-DC 芯片由于输入电压较低而 无法直接为芯片供电 , 因此一般采用从输出端 V dd 取电方式为芯 片提供电源 , 即设法使芯片先启动起来 , 输出电压升至足够高 , 从 而保证芯片可靠工作 , 控制输出电压稳定于设定值 。 因此 , 超低输 入电压 BOOST 型 DC-DC 芯片的启动变得非常重要 。2电路的结构和工作原理超低输入电压 BOOST 型 DC-DC 的 启 动 电 路 的 工 作 过 程 可 以分为两个阶段 , 即启动阶段和正常工作阶段 。 在启动阶段 , DC-DC 芯片电源开始上电 , 输出

3、电压较低 , 无法为芯片内部等控制电路供电 , 因此需要由启动电路输出的电源电压供电 。 图 1启动电路原理框图图 2启动电路的实现电路当输入 0.5V 左右的电压时 , 振荡器 OSC1和 OSC2就可以借 此电压来开始工作 , 并分别从振荡电路输出矩形波 OSC1-OUT 和 OSC2-OUT 信号 。 反馈信号 FB 由电阻 R1和 NMOS 管 MN1分压 而得 。 由图 2可以得到反馈信号 FB 和电源电压的关系 :V FB =R D S(M N 1 *V ddD S(M N 1 (1 此时为电路的启动阶段 , 电源电压 V dd 相对较低 , 不足以达到MN1管的阈值电压 , 所以

4、此时反馈信号 FB 为高电平 。经六级反相 器驱动后 , CTRL1得到与 FB 同相的信号 , 也为高电平 , 则 CTRL2与 FB 反相 , 为低电平 。 由于 CTRL1和 CTRL2的同时作用 , OSC2-OUT 信号不能通过此控制电路而加到开关管 MN10的栅极上 。 对 于振荡器 OSC1输出的 OSC1-OUT , 则是经过了七级反相器的驱 动 。 当此信号为低电平 V A 时 , MP9导通 , MP10因 CTRL2为低电 平而导通 , 所以电容 C2上分得一部分的压降 V , 此时 C 点电压 为 V C ; 当信号变为高电平 V B 时 , MP9截止 , MP10仍

5、旧处于导通状 态 , 利用电容上的电压不能突变的原理 , 使得 C 点电压升高为收稿日期 :2007-06-18作者简介 :徐晓琳 (1983- , 女 , 山东省莒南县人 , 硕士研究生 , 研究方向为集成电路设计 。一种超低输入电压 BOOST DC-DC 的启动电路设计徐晓琳(东南大学 IC 学院 , 江苏 南京 210096摘要 :以 DC-DC 升压电路的基本原理为出发点 , 结合电容的自举升压的特点 , 研究了一种低至 0.48V 超低电压输入的启动电路 。 为 了降低电路的功耗 , 采用两个振荡器 , 频率高的振荡器的输出作为开始的升压控制 , 而频率相对低的振荡器的输出是作为升

6、压电路开关 管的控制 。 同时 , 振荡器均采用能在低电压情况下工作的环形振荡器 , 并且结构简单 , 易于集成 。 此电路基于 BL0.6m CMOS 工艺模型 设计 , 经仿真验证达到设计目标 。关键字 :超低电压 ; DC-DC ; BOOST ; 启动电路 ; 环形振荡器中图分类号 :TP?文献标识码 :? 文章编号 :1009-3044(200714-30488-02The Design of A Startup Circuit for Very Low Input Voltage BOOST DC-DC ConverterXU Xiao-lin(Institute of Integ

7、rated circuit, Southeast University, Nanjing, Jiangsu 210096, ChinaAbstract:Based on the trait of bootstrapped for capacitor, a startup circuit is proposed according to the principles of BOOST DC -DC converter, whose input voltage can reach 0.48V. Two oscillators are needed in order to reduce wastag

8、e of the circuit. Output of the one with high frequency is used to control the voltage boosted in the beginning of the course, and output of the other one with relative low frequency is used to control the switch in the boost circuit. At the same time, oscillators are both the ring oscillators which

9、 can be worked under low volt-m CMOS pro-cess, and its performance has been verified by simulation.Key words:very low voltage; DC-DC; BOOST; startup circuit; Ringoscillator本栏目责任编辑 :谢媛媛 开发研究与设计技术 V C + V 。 加在开关管的栅极电压 V G S10也因此增加 V 。 如此反复若干周期 , VG S10峰值达到阈值电压 , 并且为变频的振幅增大的矩形波信号 。随着 OSC1的不断输出 , 就能实现开关

10、管 MN10的通断 , 使得外接电感能够完成能量存储和释放 , 将能量不断地从输入端转移到输出电容上 , 电源电压 Vdd不断升高 。 当输出电源电压达到可以使 OSC2正常工作 , 输出稳定频率时 , 为减少电路的功耗 , 就需要关闭振荡器 OSC1, 改用振荡器 OSC2来控制开关管的开关 , 使得最终输出电源电压基本达到稳定值 。 启动电路的关键就是设计能在低压条件下工作并且频率可控的振荡器电路 。电路中 D1为肖特基二极管 , 一方面它适宜在低压 、 大电流情况下工作 , 自身压降低 , 另一方面 , 它可以防止输出的电源电压信号倒灌到输入信号中 。在本次设计过程中 , 均采用环形振荡

11、器 。 由于在电源电压很低的情况下复杂结构的振荡器很难工作 , 故采用结构简单容易振荡由奇数个反相器首尾相连而成的环形振荡器 。 其中环路内反相器个数为 N , 反相器的传输延时为 td。 上升时间为 t r , 下降时间为t f 。 振荡成立的条件是 2Nt p >>t f +t r , 若此条件不能满足 , 前一波形将与紧接着的后一波形相重叠 , 最终衰减振荡 。 振荡器的周期为 :T=N*t d 。 反相器的传输延时 t d 可以表示为 :t d C L dd (1p+1n; (2其 中 kn=C ox W n /L n ;k p =C ox W p /L p ; C L 为

12、 反 相 器 的 负 载 电 容 , 包 括反相器本身的寄生电容 , 连线电容和扇出负载电容 。如图 3所示 , 在 OSC1中 , 除了四级反相器结构外 , 还加入了 一个或非门 , 当 CTRL 端为高 电 平 的 时 候 , 或 非 门 被 锁 定 输 出 低 电平 , 便能关闭振荡环路 。(a OSC1振荡电路结构 (b 振荡器中反相器结构 图 3OSC1电路结构如图 4所示 , 在环形振荡器 OSC2中接入 RC 延时环节构成 RC 环形振荡器 , 振荡频率可以由 RC 进行调节 , 可以得到较低的 频率 。图 4OSC2振荡电路结构3仿真结果在启动初期输出电压上升的非常缓慢 , 这

13、是由于此时变频振 荡器输出的脉冲控制信号的频率相对较低 。 随着输出电压的增 大 , 影响了振荡器的充放电电流大小 , 从而影响充放电时间 , 使得 振荡器的频率增加 。 随着振荡器频率的增加 , 输出电压上升的速 度变快 。当输出电压达到 OSC1中的或非门的门限电压时 , 便关闭振 荡器 OSC1, 采用振荡器 OSC2的输出作为启动电路 BOOST 部分 开关管的控制信号 , 使最终输出电压达到稳定值 。 (a 输入为 480mV 时 , 电源电压 、 两个振荡器输出及电感中的电流瞬态仿真波形(bOSC2及电感电流的部分波形图 5当输入为 480mV 时的瞬态仿真波形(a 输入为 500

14、mV 时 , 电源电压 、 两个振荡器输出及电感中的电流瞬态仿真波形(bOSC2及电感电流的部分波形图 6当输入为 500mV 时的瞬态仿真波形(下转第 543页 本栏目责任编辑 :李桂瑾 人工智能及识别技术标系下和物体坐标系下的坐标 。 即 XA、 X B 、 X C 、 X D 在摄像机坐标系 下的坐标为 :Mi=RX i +t=(r 1r 2r 3X i +t,i=A,B,C,D (公式 3其中 ,r1,r 2,r 3为 R 矩阵的三个列向量 。 另外 , 图像点坐标与摄 像机坐标系下的空间点坐标由摄像机的内参数矩阵 K 相联系 , 即 (公式 4式中 (ut,v t 为 M t 点对应

15、的图像坐标 , S t 为一未知的常数因子 。 合并公式 2、 3和 4, 得出(公式 5这里再一次需要指出的是 , 公式 5中 , (xt,y t ,(u t ,v t ,i=A,B,C,D 是已知量 。 f, ,R,t 是需要求解的量 。 由于 r3=r 1×r 2, 所以 , 问题归结于 求解 f,A,r1,r2,t 。 公式 5可以重新改写为(公式 6由于公式 6中的 4组对应点可以提供 8个关于 hij(i,j=1,2,3 的齐次线性方程 , 一般来说 , H 矩阵可以在相差一个常数因子意 义下唯一确定 。 所以 , 问题转化为给定 H 矩阵 , 如何求解 f,A,r1,r

16、2, t 的问题 。由于 H 矩阵与变量 f,A,r1,r2,t 有如 (公式 7 的关系 :(公式 7 也就是说(公式 8由于 r T1r 2=0, r 1=r 2=1, 可以得到如下关于 f , A 的方程组 (公式 9由于 f>0,A>0, 一般来说 , f , A 可以从公式 9中唯一解出 , 将 f , A 代入公式 8中 , 并考虑到 r 1=r 2=1, 故向量 r1,r2,t 可以唯一 解出 。我们小结一下算法 :(1 从 4组对应点求 H 矩阵 ;(2 从公式 9求 f,A ;(3 从公式 6求 r1,r2,t ;(4 r 3=r 1×r 2, 故而我们

17、可以求出摄像机的旋转矩阵 R=(r 1,r 2,r 3 。(5 D=Tk+Ty+Tz! 。4实验环境本实验的图像采集对人脸的采集限制条件如下 :(1 背景 :简单均匀背景和简单非均匀背景 、 不与肤色接近都 可以 ;(2 光线 :光照均匀 , 室内正常白织灯光或者自然光都可以 ;(3 被拍摄人员限定在黄种人 , 年龄 20-30岁左右 , 不佩戴墨 镜 , 无落腮胡和山羊胡子 , 无头发遮挡眼睛 , 嘴角眼睛没有明显夸 张变形 ;(4 因为我们只拍摄了左脸 , 我们假设左右脸是对称的 。图 1部分实验环境示意图其中 , A , B , C , D 为共面的 4个点 , 世界坐标为 (以下单位均

18、为 mm :因为我们只关心 f 的值 , 用 Mathematic 求解的结果为 :f=11.5。参考文献 :1邱茂林 , 马颂德 , 李毅 . 计算机视觉中摄像机定标综述 J, 自 动化学报 , 2000, 26(1 :43-55.3孔辉 , 谢端强 . 不共面的 P4P 问题的多解的判定方法 , 计算 机工程与科学 , 2004, 26(5 :43-45.4Abidi M A , Chandra T. A new efficient and direct solution for pose estimation using quadrangular targets:Algorithm and evalua-tion. IEEE Trans. Pattern Anal. and Mach. Intel. , 1995, 17(5 : 534-538.5胡占义 , 雷成 , 吴福朝 . 关于 P4P 问题的一点讨论 , 自动化学 报 ,2001, 27(6