開(kāi)關(guān)電源的高性能電壓型PWM比較器設計

引言

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電器設備日新月異，趨向小型化、低功耗、高效率，使開(kāi)關(guān)電源需求日益增大，對電源的要求越來(lái)越高。

　　開(kāi)關(guān)電源采用功率半導體器件作為開(kāi)關(guān)，通過(guò)PWM控制開(kāi)關(guān)的占空比來(lái)調整輸出電壓。根據定頻控制方式分為電壓型和電流型PWM控制，由于電壓型PWM控制方式具有結構簡(jiǎn)單、易于實(shí)現等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應用。圖1所示是電壓控制型開(kāi)關(guān)電源的原理圖，其中虛框部分是控制芯片內部結構。

圖1 電壓控制模式開(kāi)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(jìn)行比較。根據脈寬度沖調制原理，得到需要的一定占空比脈沖寬度，推動(dòng)開(kāi)關(guān)功率管的開(kāi)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。文中設計并實(shí)現了一種新型高性能的開(kāi)關(guān)電源電壓型PWM比較器，具有較低輸入失調電壓、轉換速率快、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。

圖2 PWM工作波形圖

　　PWM比較器電路設計

　　設計的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速度、輸入失調電壓、功耗和面積幾個(gè)方面來(lái)考慮的。

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(guò)反相器輸出脈沖寬度調制信號V0。圖3中三個(gè)電容是為計算延遲時(shí)間畫(huà)出的等效電容。

　　該電路用兩個(gè)尺寸完全一致的具有低驅動(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VC電壓值較低時(shí)，M10的柵電壓較高，M9則處于臨界導通狀態(tài)，所以V0輸出高電平。圖中M8是為了防止M9柵電壓過(guò)高時(shí)電流過(guò)大所設置的。該電路是雙端輸入轉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。

　　系統輸入失調電壓

　　電路的輸入失調電壓是元器件參數值的不相同造成的，其中主要是兩個(gè)輸入管閾值電壓、導通電阻等區別產(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(lái)補償摻雜濃度、溝道調制效應、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(cháng)比為300mm/6mm。

　　對系統輸入失調電壓的推導，假設電路完全平衡，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(guò)M5的電流被平分流過(guò)M6、M7。即：

　　從上面公式可見(jiàn)，在工藝參數一定的情況下，增益和失調電壓成反比，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(mǎn)足需要了。為了減小輸入失調電壓，可以縮小M6的寬長(cháng)比。

　　經(jīng)仔細調整各個(gè)MOS管的寬長(cháng)比，綜合仿真檢測，系統失調電壓僅為0.118mV。