低输入电压DC-DC升压转换器的启动电路

2 启动电路功能模块设计
2．1 振荡器
在较低电源电压下，结构复杂的振荡器不能理想工作。因此，2个振荡器均采用结构简单的环形振荡器。环形振荡器由3个或更多奇数个反相器首尾相接构成。设反相器传输延迟为tpd，反相器级数为N，上升时间为tr，下降时间为tf，则发生振荡的条件是：2Ntpd>>(tr+tf)。如果不能满足振荡条件，振荡器前后输出波形将相互叠加，最终衰减为零。振荡周期T=2Ntpd，反相器的传输延迟时间为：

式中，kp=μpCoxWp／Lp；kn=μnCoxWn／Ln；CL为反相器的负载电容，包括反相器本身的寄生电容，连线电容和负载电容。
环形振荡器结构简单，可以实现高频振荡。但是振荡频率不可控，随电源电压变化显著。这是因为，电源电压的升高直接影响着反相器充放电电流的大小。当电压升高，充放电电流增大，缩短了充放电时间，使振荡频率增大。通过在振荡器中加入RC延迟环节，方便调节振荡频率。
OSCl原理图及其内部反相器结构如图2所示。因为振荡器OSCl的频率随Vdd变化明显，如果只使用一个振荡器，最终频率将达到初始频率10倍以上，增大电路功耗，所以电路中采用2个振荡器。当Vdd上升到可以保证0SC2正常工作，频率输出稳定时，关断OSCl，改用OSMC2控制功率管。所以OSCl的最前面一级反相器用或非门充当。当ctrl2为低电平时，OSCl正常工作；当ctrl2为高电平时，OSCl的输出恒为低电平，这样就实现了对OSCl的关断控制。

理想MOS模型中，栅-源电压等于或小于阈值电压时，器件中无电流。实际上，当Vgs接近VTH时栅极和衬底之间会产生弱反型层，并有一定的源漏电流，与Vgs呈指数关系，这种效应称为亚阈值导电。当Vds大于200 mV左右时，这一效应可表示为：

式中，VTH=kT／q；ζ>l，为非理想因子。
在低压电路中，因为MOS器件不能理想导通而工作于饱和区，所以亚阈值导电的特性得到广泛应用。振荡器OSCl内部反相器在Vdd=0．8 V时，由于|Vgs5|略小于|VTHP5|，VMps工作在亚阈值区，ID5很小，通过电流源的镜像作用，ID6=nID5。选择较大的n值，增大VMn4负载，实现输入到输出的反相功能。0SC2采用普通的CMOS反相器构成。同样加入RC延迟环节。使得振荡频率可控。
2．2 反馈控制电路
如前所述，反馈控制电路输出2个逻辑相反的控制信号，用于选择功率管的控制信号。反馈控制电路如图3所示，其中，Vfb是由电阻R1和VMn4对Vdd分压得到的，可近似为：

在电路启动阶段，VMn4截止，Ron4→+∞，Vfb输出高电平，ctrl1经过5级反相器输出为低电平，ctrl2为高电平，此时高电平为0．8 V。随着Vdd的增大，最终使ctrl1和ctrl2的状态发生翻转，从而实现电路控制。Vfb的翻转点电压可通过改变R1的阻值以及VMn4的宽长比来改变。

3 启动电路整体电路
启动电路原理如图4所示。在电路的启动阶段，反馈控制电路的输出是ctrl=“l”，ctrl2=“0”，VMp1和VMp2截止，即便0SC2产生振荡信号，也无法通过选通电路而作用在功率管栅极上。VMp4受ctrl2控制处于长导通状态。

振荡器OSCl可以在低输入电压下工作，输出方波振荡信号，初始振荡频率较低，且随着Vdd的升高而逐渐变大。当振荡信号为低电平VL时，VMp3导通，下拉出一个比较大电流，通过VMp4管，对电容C1充电，使C1在该周期获得压降△V；当振荡信号变为高电平VH时，VMp3截止，停止对C1充电。利用电容电荷不能突变的原理，功率管VMp4的栅电压上升为VA+△V；如此反复数个周期后，VMp3栅电压峰值逐渐上升，达到并逐渐高于VMn3阈值电压，实现了功率管的导通与关断，外接电感可以在功率管的控制下，完成电能的储存和释放，使Vdd逐渐升高。