電流模式開關電源中的高精度鋸齒波振蕩器設計

1、電流模式開關電源中的高精度鋸齒波振蕩器設計摘要：提出了一種用于開關電源芯片的高性能鋸齒波振蕩器?；赨-I轉換器原理，設計了精密電流產(chǎn)生電路；利用系統(tǒng)內(nèi)部基準電壓，設計了一種門限電壓產(chǎn)生電路，從而有效地提高了振蕩器頻率穩(wěn)定度和精度?；赥SMC 05m BCD工藝，利用Spectre軟件進行電路仿真，在芯片典型應用環(huán)境下仿真得到鋸齒波振蕩頻率為132kHz。頻率隨電源電壓在3664V變化范圍和溫度在-2727變化范圍以內(nèi)可控制其偏移在±3以下。該鋸齒波振蕩器已經(jīng)成功應用于一款ACDC降壓開關電源芯片的設計中。關鍵詞：振蕩器；開關電源；鋸齒波振蕩器；基準電壓  &#

2、160; 近年來，開關電源芯片被廣泛應用于通信電子產(chǎn)品的電源供電系統(tǒng)。目前，關電源主要采用PWM控制電路，鋸齒波振蕩器是PWM控制電路的核心功能部件。在電源電壓、溫度、工藝和環(huán)境負載變化或者漂移的條件下，要求振蕩器能夠產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的信號輸出。許多鋸齒波振蕩器雖然具有穩(wěn)定性好、精度高的特點，但受環(huán)境溫度和電源電壓影響較大，基于以上要求，本文設計一種鋸齒波產(chǎn)生電路。1 電路結構及原理11 電路整體框架及原理    圖1為RC振蕩器的原理圖。本文提出的鋸齒波振蕩器主要由三部分構成，一部分是基準產(chǎn)生的電流I1和I2，一部分由電容C和開關K1、K2組成，最后一部分是控制電路

3、。    該電路利用基準源產(chǎn)生的電流I1對電容C進行充電，利用電流I2進行放電，從而產(chǎn)生對開關K1和K2的控制信號。    產(chǎn)生脈沖的工作過程如下：假設輸出信號Um為低電平，使開關管S1導通，S2關斷。這時電流I1對C進行充電，使a點電壓Ua升高，經(jīng)過控制電路作用后，使輸出信號Um變?yōu)楦唠娖?；然后，Um使開關管S1關斷，S2導通，電流I2對C進行放電，使a點電壓Ua降低，輸出Um又變?yōu)榈碗娖?。電路如此反復循環(huán)工作，便在輸出端產(chǎn)生振蕩信號，Ua是產(chǎn)生的鋸齒波信號。12 具體電路設計實現(xiàn)  振蕩器實際電路結構如圖2所示，其中Ur

4、ef引腳輸入的是來自帶隙基準的參考電壓，Um是輸出給后級的最大占空比信號，Uout是所要求的鋸齒波輸出信號。     圖1中的開關S1、S2分別由PMOS管VT4和VT5代替。因此，圖1中的倒相器在具體電路中便不需要實現(xiàn)。在集成電路中不易直接實現(xiàn)精確的電流源，所以先產(chǎn)生一個精確的參考電壓Uref，然后通過一個U-I變換電路，產(chǎn)生兩個精確的充放電電流I1和I2。圖2中的電阻R是外接的精密電阻，電路中運放將B點電位鉗位在參考電壓Uref，因此流過R的電流為        VT2和VT3，VT6和VT7組成兩組

5、電流鏡，則充放電電流I1和I2為：        假設振蕩器輸出信號Um初始值為低電平，VT4打開，VT5關斷，電流通過VT4流到電容，電容進行充電。此時Ua低于VH，COMP1輸出高電平，Ua高于VL，COMP2也輸出高電平，Um保持低電平。直到C的電壓上升到高于VH一點，COMP1輸出低電平，使得Um翻轉為高電平。此時VT5打開，VT4關斷，電流通過VT5，電容C通過VT6支路進行放電，逐漸減小。直到C的電壓降低到低于VL一點，COMP2輸出低電平，Um翻轉為低電平。電路如此循環(huán)，在輸出端產(chǎn)生振蕩信號。  &#

6、160; 如圖3所示，門限電壓是由Uref1對Uref2產(chǎn)生，Uref1對Uref2是來自基準模塊的電壓，不隨溫度和電源電壓變化，所以VH和VL基本保持恒定。1. 3 輸出頻率的計算    不同的充放電電流決定了輸出高低電平的不同脈寬，所以決定了方波信號的占空比。具體原理如下：    在一個充放電周期內(nèi)設電容的充電時間為Tr，放電時間為Tf，電容充放電的周期為Ts，由電容的電流公式：        調(diào)整VT6和VT7的寬長比，可以得到較小的充電電流和較大的放電電流，當I2&g

7、t;>I1時，可以得到        得到鋸斷波的下降沿近似垂直。通過調(diào)整電容C或者R的大小，可以得到預期的鋸齒波振蕩周期為Ts=76s，即振蕩器的周期為132kHz。其中VH和VL都是由基準電壓而得到的，故不隨外界條件變化，從而使振蕩頻率不受電源電壓和溫度的影響而維持恒定。2 仿真結果與分析    此電路采用TSMC 05m工藝實現(xiàn)，用Spectre進行仿真。在58V電源輸入，27環(huán)境溫度下，圖4是振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波信號以及最大占空比輸出信號，由仿真結果可知鋸齒波的頻率精確控制在132kHz，且上升沿線性度好，下降沿陡峭，最大占空比達。