開關(guān)電源的高性能電壓型PWM比較器設(shè)計(jì)

引言

　　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，使開關(guān)電源需求日益增大，對電源的要求越來越高。

　　開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，通過PWM控制開關(guān)的占空比來調(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)開關(guān)功率管的開與關(guān)，經(jīng)變壓器耦合后得到恒定的輸出電壓。控制芯片的核心電路是PWM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)，提供差分對管的偏置和有源負(fù)載;最后經(jīng)過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柵電壓過高時(shí)電流過大所設(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電路性能的影響，兩個(gè)輸入PMOS管的面積需要做得很大，來補(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管的寬長比為300mm/6mm。

　　對系統(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M5的電流被平分流過M6、M7。即：

　　從上面公式可見，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的寬長比。

　　經(jīng)仔細(xì)調(diào)整各個(gè)MOS管的寬長比，綜合仿真檢測，系統(tǒng)失調(diào)電壓僅為0.118mV。