開關(guān)電源的高性能電壓型PWM比較器設(shè)計

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、易于實現(xiàn)等優(yōu)點被廣泛應(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)。

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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與恒定頻率的三角斜波進行比較。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?？刂菩酒暮诵碾娐肥荘WM比較器，脈沖寬度調(diào)制信號就是由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)計并實現(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送至比較器同相輸入端，經(jīng)放大后輸出PWM信號。

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圖2 PWM工作波形圖

　　PWM比較器電路設(shè)計

　　設(shè)計的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、功耗和面積幾個方面來考慮的。

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圖3 PWM比較器電路圖

　　電路中VC為控制信號，是比較器的同相輸入端; VOS為振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波信號，是比較器的反相輸入端;Vb作為電路中的偏置信號，提供差分對管的偏置和有源負載;最后經(jīng)過反相器輸出脈沖寬度調(diào)制信號V0。圖3中三個電容是為計算延遲時間畫出的等效電容。

　　該電路用兩個尺寸完全一致的具有低驅(qū)動電流能力的PMOS管作為差分輸入管，它們分別控制兩個NMOS管M9和M10，當(dāng)VC電壓值較低時，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，由于信號弱，輸出電壓擺幅小，加入了共源共柵放大電路，末級反相器是為了增加電路的負載能力。

　　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，兩個輸入PMOS管的面積需要做得很大，來補償摻雜濃度、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)仔細調(diào)整各個MOS管的寬長比，綜合仿真檢測，系統(tǒng)失調(diào)電壓僅為0.118mV。