Trong luận văn tôi trình bày Mạch Buck hoạt động ở ba chế độ: - Điều chế độ rộng xung
- Điều chế tần số - Chế độ bypass
Khi điện áp ngõ vào giảm dưới 1.9V, mạch Buck sẽ tự động đi vào chế độ bypass. Khi điện áp ngõ vào tăng lên 2.1V, mạch Buck sẽ chuyển sang chế độ điều chế độ rộng xung hay tần số phụ thuộc vào dòng điện tải. Mạch Buck đạt hiệu suất nhỏ nhất 88% với phạm vi của dòng điện tải từ 2mA đến 500mA.
Chế độ Điều chế độ rộng xung cho hiệu suất thấp khi dòng tải thấp, ngược lại chế độ điều chế tần số cho hiệu thấp khi dòng tải lớn. Bằng cách kết hợp hai chế độ trên, ta có thể cải thiện hiệu suất của mạch Buck.
34
Hình 3.4 Sơ đồ khối mạch Buck với chế độ Bypass
Hình 3.1, và 3.4 chỉ sơ đồ khối của mạch Buck đề xuất. Bộ điều chế độ rộng xung bao gồm bộ so sánh(comparator) và bộ tạo sóng răng cưa (Sawtooth oscillator). VRAMP là điện áp ngõ ra của bộ tạo sóng răng cưa, VERR là điện áp ngõ ra của bộ khuyếch đại tín hiệu lỗi ( error amplififer). Khi VERR lớn hơn VRAMP, ngõ ra của bộ so sánh sẽ ở mức cao, mạch Buck sẽ đóng PMOS và mở NMOS. Khi VERR bé hơn VRAMP, khiđó PMOS sẽ mở và đóng NMOS.
Bộ điều khiển chế độ điều chế tần số gồm 2 bộ so sánh và SR flip-flop. REF3 là điện áp ngõ ra của cầu chia áp, VREF là điện áp ngõ ra của mạch bandgap (0.8V). Khi VERR lớn hơn REF3, ngõ ra Q của SR Flip-flop sẽ ở mức cao và PMOS đóng, ngược lại khi VERR bé hơn VREF, SR flip flop sẽ cho ngõ ra Q ở mức thấp.
Mạch tránh chồng lấp xung (non-overlapping) điều khiển tín hiệt bật tắt Mosfet công suất (VP, VN) để tránh PMOS và NMOS bật đồng thời. Mạch cảm biến dòng điện cuộn dây(Current-sensing) sẽ đo dòng điện tại cuộn dây và tạo nên tín hiệu VSEN để báo hiệu quá dòng. Mạch khởi động mềm(soft-start) được dùng để giới hạn dòng điện mà mạch Buck kéo khi mới bắt đầu hoạt động và tránh cho điện áp tại ngõ ra bị lố áp(overshoot). Mạch phát hiện mức điện áp ngõ vào (vdd detection) được thiết kế để phát hiện mức điện áp ngõ vào của mạch Buck, khi điện áp ngõ vào xuống dưới 1.9V thì mạch Buck đi vào chế độ Bypass. Khi điện áp ngõ vào tăng lên trên 2.1V thì mạch Buck sẽ hoạt động trong chế độ điều chế tần số hay điều chế độ rộng xung phụ thuộc vào dòng điện ở tải, Khi dòng điện tải nhỏ hơn 55mA, khi đó sẽ có dòng điện chạy từ ngõ ra qua Nmos để đổ xuống đất và gây nên tiêu hao công suất cho mạch, mạch phát hiện dòng điện đảo sẽ có chức năng tắt NMOS khi dòng điện đảo xuất hiện. Mạch điều khiển các tín hiệu
35
số (logic control) dùng để điều khiển mạch Buck tự động đi vào các chế độ như điều chế độ rộng xung, điều chế tần số, bypass, hay ngắt mạch khi phát hiện quá dòng.
Hình 3.5 Sơ đồ khối hoạt động của mạch Buck
Hình 3.5 mô tả lưu đồ hoạt động của mạch, khi mở nguồn mạch phát hiện điện áp ngõ vào sẽ đo điện áp của pin, Nếu điện áp của pin lớn hơn 2.1V, bộ chuyển đổi áp DC/DC sẽ bắt đầu hoạt động. Đầu tiên, mạch sẽ đi vào chế độ khởi động mềm và hoạt động trong chế độ điều chế độ rộng xung. Chế độ bypass không thể khởi động trong thời điểm này. VSS được so sánh với VREF để nhận biết khi nào thì chế độ khởi động mềm hoàn tất. Sau đó bộ chuyển đổi DC/DC hoạt động trong chế độ điều chế độ rộng hay tần số phụ thuộc vào dòng điện cuộn dây. Dòng điện cuộn dây thì được đo bởi mạch đo dòng điện cuộn dây, tín hiệu VSEN được so sánh với điện áp REF1 để phát hiện khi nào dòng điện cuộn dây nhỏ hơn 55mA. Nếu dòng điện cuộn dây nhỏ hơn 55mA trong thời gian
36
64 xung clock, bộ chuyển đổi DC/DC chuyển từ chế độ điều chế độ rộng xung sang chế độ điều chế tần số. Ở chế độ điều chế tần số, nếu VERR lớn hơn VLDO, bộ chuyển đổi DC/DC sẽ chuyển qua chế độ điều chỉnh độ rộng xung. VSEN cũng được so sánh với VREF để phát hiện hiện tượng quá dòng trên tải( quá dòng khi dòng trên tải lớn hơn 600mA). Khi điện áp pin giảm xuống dưới 1.9V, bộ chuyển đổi DC/DCsẽ đi vào chế độ bypass. VFB được so sánh với REF2 để bảo đảm bộ chuyển đổi DC/DC không đi vào chế độ khởi động mềm khi bộ chuyển đổi DC/DC chuyển từ Bypass sang các chế độ khác.
Giá trị của REF1, REF2, REF3, VLDO lần lượt là 0.1V, 0.4V, 1.1V, 1.2V
Hình 3.6 Hiệu suất thay đổi ở hai chế độ PWM và PFM.[19]
Hình 3.6 cho thấy ở chế độ PWM khi dòng tải của mạch thấp hơn 50mA thì hiệu suất của mạch DC/DC Buck giảm, khi đó nếu mạch chuyển sang chế độ PFM thì hiệu suất của mạch sẽ được cải thiện.
37