電流模式開關電源中的高精度鋸齒波振蕩器設計

　　摘要：近年來，開關電源芯片被廣泛應用于通信電子產品的電源供電系統。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、工藝和環境負載變化或者漂移的條件下，要求振蕩器能夠產生頻率穩定的信號輸出。許多鋸齒波振蕩器雖然具有穩定性好、精度高的特點，但受環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生電路。
　　
　　1、電路結構及原理
　　
　　1．1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，一部分是基準產生的電流I1和I2，一部分由電容C和開關K1、K2組成，zui后一部分是控制電路。　　
　　該電路利用基準源產生的電流I1對電容C進行充電，利用電流I2進行放電，從而產生對開關K1和K2的控制信號。
　　
　　產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，經過控制電路作用后，使輸出信號Um變為高電平；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又變為低電平。電路如此反復循環工作，便在輸出端產生振蕩信號，Ua是產生的鋸齒波信號。
　　
　　振蕩器實際電路結構如圖2所示，其中Uref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zui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。在集成電路中不易直接實現的電流源，所以先產生一個的參考電壓Uref，然后通過一個U-I變換電路，產生兩個的充放電電流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，在輸出端產生振蕩信號。　　
　　如圖3所示，門限電壓是由Uref1對Uref2產生，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。
　　
　　1.2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>>I1時，可以得到　　
　　得到鋸斷波的下降沿近似垂直。通過調整電容C或者R的大小，可以得到預期的鋸齒波振蕩周期為Ts=7．6μs，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TSMC0．5μm工藝實現，用Spectre進行仿真。在5．8V電源輸入，27℃環境溫度下，圖4是振蕩器產生的鋸齒波信號以及zui大占空比輸出信號，由仿真結果可知鋸齒波的頻率控制在132kHz，且上升沿線性度好，下降沿陡峭，zui大占空比達。　　
　　表1給出了振蕩器在不同電源電壓和溫度下的振蕩周期仿真結果，由表格所示結果可知，振蕩頻率zui小為129kHz，zui大為135kHz。頻率漂移范圍在±3％內，可見頻率隨電源電壓和溫度變化的影響較小，振蕩器的精度較高。