開(kāi)關(guān)電源的高性能電壓型PWM比較器設(shè)計(jì)
引言
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/178507.htm隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,電器設(shè)備日新月異,趨向小型化、低功耗、高效率,使開(kāi)關(guān)電源需求日益增大,對(duì)電源的要求越來(lái)越高。
開(kāi)關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān),通過(guò)PWM控制開(kāi)關(guān)的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓。根據(jù)定頻控制方式分為電壓型和電流型PWM控制,由于電壓型PWM控制方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。圖1所示是電壓控制型開(kāi)關(guān)電源的原理圖,其中虛框部分是控制芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
圖1 電壓控制模式開(kāi)關(guān)電源工作原理圖
從圖中可以看出,控制芯片有一個(gè)采用PWM調(diào)制法的電壓閉環(huán)反饋,將電壓誤差放大器放大后的直流信號(hào)與恒定頻率的三角斜波進(jìn)行比較。根據(jù)脈寬度沖調(diào)制原理,得到需要的一定占空比脈沖寬度,推動(dòng)開(kāi)關(guān)功率管的開(kāi)與關(guān),經(jīng)變壓器耦合后得到恒定的輸出電壓??刂菩酒暮诵碾娐肥荘WM比較器,脈沖寬度調(diào)制信號(hào)就是由PWM比較器產(chǎn)生。芯片的控制速度、效率、功耗很大程度上都是由PWM比較器決定。文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型高性能的開(kāi)關(guān)電源電壓型PWM比較器,具有較低輸入失調(diào)電壓、轉(zhuǎn)換速率快、較低功耗和波形更陡。
圖2是電壓型PWM比較器工作波形,輸入三角波接在比較器的反向輸入端,誤差放大器的輸出信號(hào)送至比較器同相輸入端,經(jīng)放大后輸出PWM信號(hào)。
圖2 PWM工作波形圖
PWM比較器電路設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的PWM比較器電路原理圖如圖3所示。集成電路對(duì)比較器的性能要求是從響應(yīng)速度、輸入失調(diào)電壓、功耗和面積幾個(gè)方面來(lái)考慮的。
圖3 PWM比較器電路圖
電路中VC為控制信號(hào),是比較器的同相輸入端; VOS為振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波信號(hào),是比較器的反相輸入端;Vb作為電路中的偏置信號(hào),提供差分對(duì)管的偏置和有源負(fù)載;最后經(jīng)過(guò)反相器輸出脈沖寬度調(diào)制信號(hào)V0。圖3中三個(gè)電容是為計(jì)算延遲時(shí)間畫(huà)出的等效電容。
該電路用兩個(gè)尺寸完全一致的具有低驅(qū)動(dòng)電流能力的PMOS管作為差分輸入管,它們分別控制兩個(gè)NMOS管M9和M10,當(dāng)VC電壓值較低時(shí),M10的柵電壓較高,M9則處于臨界導(dǎo)通狀態(tài),所以V0輸出高電平。圖中M8是為了防止M9柵電壓過(guò)高時(shí)電流過(guò)大所設(shè)置的。該電路是雙端輸入轉(zhuǎn)單端輸出的放大電路,經(jīng)差分放大后輸出的微弱信號(hào),由于信號(hào)弱,輸出電壓擺幅小,加入了共源共柵放大電路,末級(jí)反相器是為了增加電路的負(fù)載能力。
系統(tǒng)輸入失調(diào)電壓
電路的輸入失調(diào)電壓是元器件參數(shù)值的不相同造成的,其中主要是兩個(gè)輸入管閾值電壓、導(dǎo)通電阻等區(qū)別產(chǎn)生的。為了減小工藝誤差對(duì)電路性能的影響,兩個(gè)輸入PMOS管的面積需要做得很大,來(lái)補(bǔ)償摻雜濃度、溝道調(diào)制效應(yīng)、氧化層電荷密度等因素起伏的影響,本電路中采用輸入PMOS管的寬長(zhǎng)比為300mm/6mm。
對(duì)系統(tǒng)輸入失調(diào)電壓的推導(dǎo),假設(shè)電路完全平衡,即Vp的輸入能以和Vn輸入相同的方式傳送到輸出端。所以,M6、M7管完全匹配,M9、M10流過(guò)M5的電流被平分流過(guò)M6、M7。即:
從上面公式可見(jiàn),在工藝參數(shù)一定的情況下,增益和失調(diào)電壓成反比,這就要求從幾個(gè)方面綜合考慮。相比之下,90倍的增益就已經(jīng)滿足需要了。為了減小輸入失調(diào)電壓,可以縮小M6的寬長(zhǎng)比。
經(jīng)仔細(xì)調(diào)整各個(gè)MOS管的寬長(zhǎng)比,綜合仿真檢測(cè),系統(tǒng)失調(diào)電壓僅為0.118mV。
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