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开关电源的高性能电压型PWM比较器设计

作者:时间:2011-10-19来源:网络收藏

引言

本文引用地址:http://www.amcfsurvey.com/article/178507.htm

  随着科学技术的迅猛发展,电器设备日新月异,趋向小型化、低功耗、高效率,使需求日益增大,对电源的要求越来越高。

  采用功率半导体器件作为开关,通过控制开关的占空比来调整输出。根据定频控制方式分为型和电流型控制,由于控制方式具有结构简单、易于实现等优点被广泛应用。图1所示是电压控制型的原理图,其中虚框部分是控制芯片内部结构。

电压控制模式开关电源工作原理图

图1 电压控制模式开关电源工作原理图

  从图中可以看出,控制芯片有一个采用PWM调制法的电压闭环反馈,将电压误差放大器放大后的直流信号与恒定频率的三角斜波进行。根据脉宽度冲调制原理,得到需要的一定占空比脉冲宽度,推动开关功率管的开与关,经变压器耦合后得到恒定的输出电压。控制芯片的核心电路是PWM器,脉冲宽度调制信号就是由PWM器产生。芯片的控制速度、效率、功耗很大程度上都是由PWM比较器决定。文中并实现了一种新型的开关电源电压型PWM比较器,具有较低输入失调电压、转换速率快、较低功耗和波形更陡。

  图2是电压型PWM比较器工作波形,输入三角波接在比较器的反向输入端,误差放大器的输出信号送至比较器同相输入端,经放大后输出PWM信号。

图2 PWM工作波形图

  PWM比较器电路

  的PWM比较器电路原理图如图3所示。集成电路对比较器的性能要求是从响应速度、输入失调电压、功耗和面积几个方面来考虑的。

PWM比较器电路图

图3 PWM比较器电路图

  电路中VC为控制信号,是比较器的同相输入端; VOS为振荡器产生的锯齿波信号,是比较器的反相输入端;Vb作为电路中的偏置信号,提供差分对管的偏置和有源负载;最后经过反相器输出脉冲宽度调制信号V0。图3中三个电容是为计算延迟时间画出的等效电容。

  该电路用两个尺寸完全一致的具有低驱动电流能力的PMOS管作为差分输入管,它们分别控制两个NMOS管M9和M10,当VC电压值较低时,M10的栅电压较高,M9则处于临界导通状态,所以V0输出高电平。图中M8是为了防止M9栅电压过高时电流过大所设置的。该电路是双端输入转单端输出的放大电路,经差分放大后输出的微弱信号,由于信号弱,输出电压摆幅小,加入了共源共栅放大电路,末级反相器是为了增加电路的负载能力。

  系统输入失调电压

  电路的输入失调电压是元器件参数值的不相同造成的,其中主要是两个输入管阈值电压、导通电阻等区别产生的。为了减小工艺误差对电路性能的影响,两个输入PMOS管的面积需要做得很大,来补偿掺杂浓度、沟道调制效应、氧化层电荷密度等因素起伏的影响,本电路中采用输入PMOS管的宽长比为300mm/6mm。

  对系统输入失调电压的推导,假设电路完全平衡,即Vp的输入能以和Vn输入相同的方式传送到输出端。所以,M6、M7管完全匹配,M9、M10流过M5的电流被平分流过M6、M7。即:

  从上面公式可见,在工艺参数一定的情况下,增益和失调电压成反比,这就要求从几个方面综合考虑。相比之下,90倍的增益就已经满足需要了。为了减小输入失调电压,可以缩小M6的宽长比。

  经仔细调整各个MOS管的宽长比,综合仿真检测,系统失调电压仅为0.118mV。

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