一種電流模式多輸入可控PWM比較器設(shè)計(jì)*

吳鐵峰 ，張鶴鳴，胡輝勇

1.西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院， 寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安710071；

2.佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院， 黑龍江 佳木斯154007

在DC-DC開關(guān)電源電路中，開關(guān)控制電路的控制模式一般采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)和脈沖頻率調(diào)制(PFM)，而脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式的控制和實(shí)現(xiàn)都較脈沖頻率調(diào)制來簡單，因此其在開關(guān)電源中的應(yīng)用更為普遍[1]。

PWM技術(shù)控制模式主要可以分為兩種：電壓控制模式和電流控制模式。針對電壓模式PWM控制技術(shù)的不足，出現(xiàn)了電流模式PWM控制技術(shù)，這種控制方式可以有效地改善開關(guān)電源的電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率，也可以改善整個(gè)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。由于電流模電路具有動態(tài)范圍大、速度快、頻帶寬、非線性誤差和失真小等特點(diǎn)，所以電流模式PWM控制技術(shù)成為目前PWM控制技術(shù)中的主流[2]。

PWM比較器[3-4]是PWM控制器電路中的關(guān)鍵模塊電路之一，其作用是對輸入的電壓信號進(jìn)行比較，輸出一定占空比的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號。本文針對常見比較器只比較兩路信號進(jìn)行輸出的特點(diǎn)，在雙極工藝下研究設(shè)計(jì)一個(gè)基于電流模式[5]控制的多輸入，同時(shí)具有鎖存功能和比較器延遲時(shí)間短的可控比較輸出電路。該電路能夠同時(shí)對三路輸入信號進(jìn)行比較輸出并對輸出信號進(jìn)行鎖存，其中一個(gè)同相輸入端控制比較器是否產(chǎn)生輸出信號，從而可以降低開關(guān)頻率，對PWM控制電路起到保護(hù)作用。仿真和測試結(jié)果表明，該電路能夠完成設(shè)計(jì)所要求的功能并且具有極佳的性能。

1 常見壓控輸出控制比較器

電壓模式PWM控制技術(shù)[6]，其工作原理如圖1所示，比較器只接受兩端輸入，由誤差放大器的輸出電壓V1和斜坡電壓V2同時(shí)輸入到PWM比較器進(jìn)行比較，最后得到一定占空比的PWM信號Vo輸出。輸出電壓能及時(shí)反饋回輸入回路，這就是電壓模式的PWM控制技術(shù)的原理，明顯的缺點(diǎn)就是只有電壓反饋而沒有電流反饋。由于開關(guān)電源的電流要流經(jīng)電感，因此相應(yīng)的電壓信號會有一定的延遲，而且對于穩(wěn)壓電源來說，需要不斷地調(diào)節(jié)輸入電流，以適應(yīng)輸出電流的變化和負(fù)載的需求，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的[7-8]。

圖1 壓控PWM比較器控制輸出原理示意圖

2 新型電流模式控制比較器設(shè)計(jì)

2.1 電流模式控制的比較器工作原理

電流模式控制的比較工作原理如圖2所示， V-端直接輸入到PWM比較器，這一端也可以作為電流控制模式的電流感應(yīng)端來工作。在應(yīng)用中，感應(yīng)電流通過電阻RCS接地。通過電阻R1提供流過R2的失調(diào)電流，以便于誤差放大器和錯(cuò)誤關(guān)斷都可以使電流降為零。R2也連同電容CF一起作為濾波器削弱負(fù)載電流的峰值信號。在這種模式下，通過R3/R4的分壓可以對電流進(jìn)行限制。PWM功能的核心是PWM比較器，它只接納最小正輸入，輸出脈沖始于時(shí)鐘的終點(diǎn)，結(jié)束于斜波掃過三個(gè)正確輸入中的最低電壓值。

圖2 電流模式比較器控制輸出原理

2.2 電流模式控制的比較器電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的PWM比較器電路模塊具體電路如圖3所示。

在電路設(shè)計(jì)中，為了縮短比較器的傳播延遲時(shí)間，應(yīng)用了提高帶負(fù)載能力，增大放大部分的增益的方法。電路設(shè)計(jì)中采用了雙端輸入，單端輸出的差分

圖3 PWM比較器模塊電路圖

方式。由于對任何放大電路來說，其輸出都可以等效成一個(gè)有內(nèi)阻的電壓源，如假設(shè)從放大電路輸出端看進(jìn)去的等效內(nèi)阻為Rc， U′o為空載時(shí)輸出電壓的有效值， Uo為帶負(fù)載后輸出電壓的有效值， RL為負(fù)載，則：

等效內(nèi)阻Rc越小，則電路帶負(fù)載能力越強(qiáng)。對于差分電路來說，雙端輸出方式的輸出電阻Ro值為：

而對于單端輸出方式，輸出電阻值為：

比較而言，單端輸出的電阻僅是雙端輸出時(shí)的一半，這樣就提高了電路的帶負(fù)載能力。

而雙端輸出為：

雙端輸出的增益要高于單端輸出的增益。若設(shè)流入T15基極的電流為i15， T11的集電極電流為i11，那么調(diào)整電阻可使

即輸出電流為單端輸出時(shí)的兩倍，因而本電路設(shè)計(jì)中，單端輸出的電壓放大倍數(shù)接近于雙端輸出時(shí)的情況。通過這種方式，從仿真和測試結(jié)果中，能夠看到比較器的傳播延遲時(shí)間得到有效改善。

DC-DC開關(guān)電源在啟動過程中，容易產(chǎn)生浪涌電流，可能對系統(tǒng)產(chǎn)生損害。為避免啟動時(shí)輸入電流過大，輸出電壓過沖，在設(shè)計(jì)中采用V+1控制端來控制電路輸出，其作用是給輸出端的電壓設(shè)定一個(gè)固定的閾值，當(dāng)電壓未達(dá)到該閾值時(shí)，輸出電路不工作，讓電路開始工作時(shí)不能在全占空比下啟動，使輸出電壓以受控的上升速率增加至穩(wěn)定點(diǎn)。圖4是V+1控制電路工作時(shí)的仿真波形圖，顯示了電路開始工作時(shí)的過程，圖中V+1是控制器電路啟動時(shí)，充電電容上的電壓變化波形；V+2是由誤差放大器輸出端提供的電壓；V-是斜坡發(fā)生器產(chǎn)生的三角波電壓，其中， V+1， V+2輸入到PWM比較器的同相端，而三角波電壓V-則輸入到PWM比較器的反相端。根據(jù)以上的分析可知，為了在電路啟動的時(shí)候讓輸出脈沖占空比從小到大逐漸變化，對電路起到保護(hù)作用， V+1端除了控制輸出電路啟動外，還具有對輸出PWM脈沖進(jìn)行占空比鉗位的作用，給電路的輸出提供了寬范圍的占空比。因?yàn)橹灰獫M足V+1＜V+2+0.7 V這個(gè)條件，所以輸出PWM脈沖的占空比就由V+1和V-來決定；若兩個(gè)同相輸入端滿足V+1＞V+2+0.7 V時(shí)， V+2端起作用，否則V+1起作用。

圖4 輸出控制原理示意圖

圖5給出了PWM控制器中比較器部分的版圖。

圖5 比較器部分版圖

在PWM輸出控制電路中， PWM比較器模塊電路除了要有比較器的功能外，還要具有能受控于其它反饋控制信號的功能，其中， Vcl是限流比較器電路輸出的一路控制信號；Vdr為驅(qū)動開關(guān)的使能信號，用以控制此模塊電路是否處于的工作狀態(tài)；Vdd是電源電壓輸入端；Vref是基準(zhǔn)電壓源輸入端；VR端為振蕩器的輸出端；PWM-out是此模塊的輸出端。另外，在PWM比較器設(shè)計(jì)中還設(shè)計(jì)了鎖存功能，這是為確保每周只有一個(gè)脈沖輸出，且在PWM比較器交迭時(shí)抑制振蕩。

3 仿真與測試結(jié)果

為簡單起見，首先仿真分析Vcl端和VR端都是低電平時(shí)的工作情況。當(dāng)給比較器的同相端V+2加上一個(gè)直流電壓，反相端V-加上一個(gè)三角波電壓時(shí)，如果V+2＞V-，晶體管T6導(dǎo)通而T5截止。從而T15導(dǎo)通，導(dǎo)致T17和T19截止， V3是由驅(qū)動偏壓提供的約30 V的高壓，所以此時(shí)PWM-out端輸出為高電平。反之，若V+2＜V-，則晶體管T5導(dǎo)通T6截止， PWM比較器輸出端為低電平，此時(shí)，晶體管T15和T16截止， T17和T19導(dǎo)通，T19工作在飽和區(qū)，從而輸出端PWM-out為低電平。

因?yàn)橹凹俣╒cl端和VR端都是低電平，故此時(shí)整個(gè)PWM比較器模塊功能就相當(dāng)于一個(gè)普通的比較器電路。

當(dāng)Vcl和VR端至少有一個(gè)為高電平時(shí)，晶體管T12導(dǎo)通，故此時(shí)，不管比較器兩端輸入如何，其輸出均為低電平，故整個(gè)模塊電路輸出PWM-out端為低電平。從而實(shí)現(xiàn)在電路在其它異常情況下，使此模塊輸出為低電平的功能，以對輸出進(jìn)行控制。

對以上分析的兩種情況，本文對電路模塊功能Cadence環(huán)境下使用spectre進(jìn)行模擬仿真，仿真模型基于華越雙極SB45工藝，得到了圖6和圖7。

(1)Vcl和VR端都是低電平

此時(shí)電路功能就相當(dāng)于一個(gè)簡單的比較器模塊，輸出PWM-out為一個(gè)脈沖，其占空比完全由兩個(gè)輸入端V+2和V-控制，如圖6所示。

圖6 PWM比較器輸出波形1

(2)Vcl和VR端至少有一個(gè)為高電平

此時(shí)，模塊電路輸出端PWM-out的脈沖占空比除了受比較器兩個(gè)輸入端控制外，還受Vcl和VR端的影響。當(dāng)Vcl和VR端有一個(gè)為高電平時(shí)， 輸出PWM-out就為低電平，如圖7所示。

圖7 PWM比較器輸出波形2

電路的仿真與測試結(jié)果對比如表1所示，為了避免浪涌電流對系統(tǒng)的損害，要求占空比具有一定的范圍，從測試結(jié)果上看，設(shè)計(jì)的比較器輸出電路能夠控制占空比在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)變化，并最終保持高的穩(wěn)定值。同時(shí)，比較器的延遲時(shí)間也較短，提高了PWM控制器性能。就本設(shè)計(jì)所關(guān)心的問題在圖8和圖9給出測試結(jié)果，圖8是控制電路關(guān)斷時(shí)間的測試結(jié)果，圖中給出輸出電壓和占空比的鉗位電壓，與仿真結(jié)果基本一致。圖9在不同的溫度下對輸出飽和電壓進(jìn)行了測試，符合PWM控制器的工作要求。

表1 仿真與測試結(jié)果對比

圖8 關(guān)斷時(shí)間

圖9 PWM輸出飽和電壓

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于華越SB45 雙極工藝的用于PWM控制器輸出的比較器電路，該電路基于電流模式控制，能夠同時(shí)對三路輸入信號進(jìn)行比較輸出并對輸出信號進(jìn)行鎖存。在比較器電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，使用了兩個(gè)同相輸入端，其中一個(gè)同相輸入端控制PWM比較器是否產(chǎn)生輸出信號，從而可以降低開關(guān)頻率，對PWM控制電路起到保護(hù)作用。仿真和測試結(jié)果顯示該比較器能有效地控制PWM輸出，并且延遲時(shí)間短和具有寬范圍的占空比。

[ 1] Lie Xu， Agelidis V G.VSC Transmission System Using Flying Capacitor Multilevel Converters and Hybrid PWM Control[ J].Power Delivery， IEEE Transactions， 2007， 22(1)：693-702.

[ 2]John P.Uyemura.Introduction to VLSI Circuits and Systems[ M] .Publishing House of Electronics Industry， 2005.

[ 3] 朱樟明，楊銀堂.一種具有省電模式的CMOS反激式PWM控制器[J] .半導(dǎo)體學(xué)報(bào)， 2008， 26(11)：2275-2280.

[ 4] James C B， Suzuki H.Switching DC-to-DC Converter with Discontinuous Pulse Skipping and Continuous Operating ModesWithout External Sense Resistor[ P] .USPatent 6396252 B1， 2002.

[ 5] Hsia SC.High-Speed Multi-Input Comparator[ J] .IEE Proceedings-Circuits， Devices and Systems， 2005， 152(3)：210-214.

[ 6] 倪海東，蔣玉平.高頻開關(guān)電源集成控制器[ M] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2005.

[ 7] 寧寧，于奇，王向展，等.高速CMOS預(yù)放大一鎖存比較器設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)， 2005， 35(1)：56-58.

[ 8] Sun Y， Wang Y S， Lai F C.Low Power High Speed Switched Current Comparator[C] //Mixed Design of Integrated Circuitsand Systems， 2007.MIXDES'07.14th International Conference on 21-23， 2007：305-308.