电压前馈固定充放电时间锯齿波振荡器范文

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摘要：设计了一种用于降压型DC－DC开关电源转换器的锯齿波振荡器。利用电压前馈方法和固定充放电时间方法，实现了锯齿波幅度随电源电压线性变化且频率固定的锯齿波振荡器，抑制了电源电压突变时的输出电压过冲。基于0．18μmBCD工艺进行设计和仿真。仿真结果表明，该锯齿波振荡器产生的锯齿波频率为2．73MHz。在2．7～5．5V电源电压、－55℃～125℃温度范围内，频率偏移在±6％以内。振荡幅度在0．576～1．470V范围内随电源电压线性变化。

关键词：锯齿波；电压前馈；固定充放电时间

引言

随着便携式通信设备的飞速发展，电源管理芯片作为关键模块，得到快速发展。特别是降压型DC－DC开关电源转换器，在蜂窝电话、PDA、GPS等便携式通信设备中的需求量越来越大［1］。这些设备工作时，通常需要降压型DC－DC开关电源转换器工作在PWM调制模式下。而锯齿波振荡器是PWM调制电路的核心单元［2］。锯齿波振荡器通过恒流源对电容进行充放电，利用两个门限电压确定电容充放电时间，形成锯齿波。锯齿波的幅度恒定［3－4］。电源电压发生突变时，PWM调制电路的响应速度慢，导致输出电压发生较大过冲。本文采用电压前馈技术，在电源电压突变时立即调整PWM波形的占空比，从而抑制了输出电压的过冲。同时，采用固定充放电时间方法，交替对两个电容充放电，实现了频率稳定的锯齿波。本文锯齿波振荡器被广泛应用于降压型DC－DC开关电源转换器中，为PWM比较器提供锯齿波。

1电路设计与实现

本文的带电压前馈的固定充放电时间锯齿波振荡器由时钟脉冲产生电路、电平转换电路、控制时钟产生电路、锯齿波振荡电路等模块构成，结构框图如图1所示。时钟脉冲产生电路由内部LDO供电，产生两路反相的周期性时钟脉冲信号。时钟脉冲信号的频率受电源电压的影响较小。电平转换电路将两路反相时钟脉冲信号进行电平移位，输出高电平为电源电压的单路周期性时钟脉冲信号。控制时钟产生电路将电平转换电路输出的时钟脉冲信号进行分频和移相，得到五路时钟控制信号。锯齿波振荡电路通过时钟控制信号的作用，对两个电容进行固定时间的交替充放电，最终得到输出幅度随电源电压线性变化、频率较少受电源电压与温度变化影响的锯齿波。

1．1时钟脉冲产生电路时钟脉冲产生电路如图2所示。电路由VLDO供电。VLDO是DC－DC开关电源转换器中内部LDO的输出电压。由于LDO具有高电源抑制比，VLDO几乎不受电源电压的波动影响。I0是带隙基准电压产生的随电源电压、温度变化较小的基准电流。M25、M26管组成第一级电流镜，M21～M24管和R0组成第二级自偏置共源共栅电流镜。采用共源共栅电流镜的结构，一方面提高了电流匹配精度，另一方面增大了输出电阻，从而减小了VLDO纹波对A点电压的干扰。初始状态时，A点电压为0，M20管关断，I0经两级电流镜镜像后，对电容C0充电，A点电压逐渐升高。当A点电压达到反相器的翻转阈值时，经后级门电路延迟后，与门AND1的输出变为高电平，M20管导通，C0放电，A点电压降低。当A点电压低于反相器的翻转阈值时，经后级门电路延迟后，与门AND1的输出变为低电平，M20管关断，重新对电容C0充电。如此循环。电路在B点输出周期性负脉冲VP1，在C0点输出周期性正脉冲VP2。假设门电路的延迟时间为TD，M26与M25管的宽长比为K1，M23与M21管和M24与M22管的宽长比为K2，反相器翻转阈值电平为VR，则电容充电时间为：式中，TD是门电路固有延迟时间，TR仅与I0、C0、VR和TD有关。因此，VP1和VP2的频率稳定，随电源电压、温度的变化较小。

1．2电平转换电路电平转换电路如图3所示。电路由M31～M34管正反馈快速比较器和门级延迟电路组成。采用电源电压VDD供电。输入为时钟脉冲产生电路输出的两路反相时钟脉冲信号VP1和VP2，输出为单路时钟脉冲信号VP。反相器链中，N为奇数。当电路输入端无脉冲到来时，A点为高电平，VP保持为低电平。当输入端脉冲到来时，A点变为低电平。此时，B点为高电平，VP变为高电平。经过N级反相器链延迟后，B点变为低电平。B点信号再经过与非门NAND2和反相器INV0后，将VP置为低电平。图3中，由与非门NAND1、NAND2、反相器INV0以及N级反相器链组成的电路为单稳态触发器。VP稳态时，电平为低电平；VP暂态时，电平为高电平。暂态时间由N级反相器链、NAND2和INV0三部分电路的总延迟决定，频率由VP1和VP2的频率决定。该电平转换电路实现了脉冲信号高电平电压由VLDO到VDD的转换。

1．3控制时钟产生电路控制时钟产生电路如图4所示。电路由虚线框内的时钟预处理电路和五路控制时钟信号产生电路组成。电路输入为VP，输出为控制锯齿波振荡电路充放电的五路时钟信号。时钟预处理电路对输入信号进行二分频，并将输入正脉冲信号反相为负脉冲信号。电路输出信号VCK的频率为VP的一半，VCK的脉宽由缓冲器BUF1和反相器INV1决定。五路控制时钟信号产生电路产生一路频率等于VCK频率的负脉冲时钟信号CP3，以及四路频率等于VCK频率一半的非交叠时钟信号CPP1、CPP2和CPN1、CPN2。时钟信号时序关系如图5所示。假设BUF1和INV1的延迟时间为TW，由式（2）可知，VCK的周期为2（TR＋TD）。VCK的脉宽为：TW（VCK）＝2（TR＋TD）－TW（3）CP3为VCK反相延迟输出，则CP3的脉宽为TW，频率为：CPP1和CPP2的脉宽为2（TR＋TD）－TW，CPN1和CPN2的脉宽为2（TR＋TD）＋TW，频率均为CP3频率的一半。

1．4锯齿波振荡电路锯齿波振荡电路如图6所示。该电路产生锯齿波，用于降压型DC－DC开关电源转换器，产生占空比可调的PWM控制信号。为了抑制电源电压突变时DC－DC输出电压产生较大的瞬态过冲电压，电路采用电压前馈方法，利用跟随电源电压线性变化的充电电流ICH对电容C1、C2进行固定时间交替充电，产生幅度随电源电压变化且频率恒定的锯齿波，实现了电源电压突变时PWM信号占空比可调的功能，抑制了输出电压产生的较大瞬态过冲电压。电压前馈方法的原理如图7所示［5］。式中，VE为误差放大器的输出电压，VL为锯齿波的最低电压，VH为锯齿波的最高电压。降压型DC－DC开关电源转换器中，输出电压VOUT＝D×VDD，结合式（5），可得：由式（6）可知，若固定VL，只要VH跟随VDD线性变化，就可抑制电源电压突变引起的输出过冲电压。如图7中的虚线框所示，当电源电压瞬间升高时，VH随之变高，PWM信号占空比变小，通过前馈作用，抑制输出电压产生较大的上冲电压。同理，当电源电压瞬间降低时，可抑制输出电压产生较大的下冲电压。锯齿波振荡器的充电时间是固定的，为了得到跟随VDD线性变化的VH，本文设计了一种跟随VDD线性变化的充电电流（ICH）产生电路，结构如图8所示。A点电压由R1和R2对VDD分压产生。运放A2，PMOS管M81、M82、M84和电阻R3、R4构成的负反馈系统实现电压转电流的功能。假设从M1管源极向上看到的等效电阻为RE，则该系统开环增益为［6］：由于输出B点电压VB直接反馈到运放反相输入端，反馈系数β＝1。系统闭环增益为：式中，当A→∞时，Av，close＝1，则B点电压VB等于A点电压VA。若电流镜镜像比例为K，则输出电流ICH为：由式（9）可知，ICH随VDD线性变化。结合图5和图6进行分析。当CPP1高电平来临时，CPN1为低电平，CP3为低电平，CPP2提前变为低电平，CPN2提前变为高电平。此时，开关管M61、M64导通，M62、M63关断；传输门TG2、TG3导通，TG1、TG4关断，M65和M67管也关断。锯齿波振荡器工作时的简化电路如图9所示。从图9可知，锯齿波振荡电路拆分为两个独立的模块进行工作。电容充电电路由ICH对电容C1进行充电，充电时间为CPP1的脉宽时间，即2（TR＋TD）－TW。电容恢复电路是由电容C2和运放A1组成的电压跟随器，运放同相端输入为基准电路产生的固定1．2V电压，电路对电容C2进行放电，并将C2最终电压调整为固定电压1．2V。当C1充电完成后，锯齿波VSAW为VH，随后CP3变为高电平脉冲。此时，锯齿波振荡电路只有M65～M68管工作，M65、M66管对C点放电，使得VSAW迅速降低。M67、M68管为ICH提供泄放通路，防止A点电压被抬高，放电时间为CP3脉宽时间TW。当CP3高电平脉冲结束时，锯齿波振荡电路完成一个周期的充放电。下一个周期开始时，CPP2变为高电平，CPN2为低电平，CP3为低电平，CPP1提前变为低电平，CPN1提前变为高电平。此时，开关管M61、M64关断，M62、M63导通；传输门TG2、TG3关断，TG1、TG4导通，M65和M67管关断。电容充电电路由ICH对C2进行充电。C2初始电压VL为1．2V，充电时间为CPP2的脉宽时间，即2（TR＋TD）－TW。电容恢复电路是由C1和A1组成的电压跟随器，将C1的电压调整为固定电压1．2V。如此循环，电路产生锯齿波VSAW。锯齿波VSAW的最低电平VL为1．2V，最高电平VH为：由式（11）和式（13）可知，本文的锯齿波振荡器输出了幅度随电源电压线性变化、频率稳定的锯齿波，可用于降压型DC－DC开关电源转换器中，为PWM比较器提供锯齿波。

2仿真结果与版图设计

本文电路采用0．18μmBCD工艺进行设计，利用Spectre软件进行仿真。在TA为27℃，电源电压分别为2．7V、3．8V、5．5V时，电路输出的锯齿波仿真波形如图10所示。电源电压分别为2．7V、3．8V、5．5V，温度分别为－55℃、27℃、125℃时，锯齿波的幅度和频率如表1所示。可以看出，本文电路的锯齿波振荡频率为2．73MHz，振荡频率与电源电压无关，振荡幅度随电源电压线性变化。电源电压在2．7～5．5V范围内变化，温度在－55℃～125℃范围内变化时，振荡频率偏移在±6％以内。振荡幅度在576mV～1．470V范围内随电源电压线性变化。本文设计的带电压前馈的固定充放电时间锯齿波振荡器的版图如图11所示。版图设计中，电容C1、C2采用十字交叉匹配方式，输入输出信号走线保持完全一致，以达到最佳的匹配效果。对电容C1、C2进行衬底隔离，以减小噪声干扰。电路中，其余需进行匹配设计的器件均采用ABBA的布局匹配方式。振荡器核心器件采用衬底隔离，以减小周围电路的干扰。本文与其他文献中锯齿波振荡器的参数对比如表2所示。可以看出，虽然文献［2］的频率较高，频率偏移较小，但温度范围小，锯齿波幅度恒定。文献［7］、文献［8］的频率较低，不适用于0℃以下的环境温度。本文电路具有锯齿波温度范围宽、频率高、频率偏差小、幅度跟随电源电压线性变化等特点，可被广泛应用于降压型DC－DC开关电源转换器中。

3结论

本文设计了一种带电压前馈的固定充放电时间锯齿波振荡器。电路采用0．18μmBCD工艺实现，利用Spectre软件进行仿真。该电路产生的锯齿波振荡频率为2．73MHz。当电源电压为2．7～5．5V，温度在－55℃～125℃范围内变化时，频率偏移在±6％以内。振荡幅度在576mV～1．470V范围内随电源电压线性变化。本文的锯齿波振荡器具有电压前馈作用，在电源电压突变时，可抑制输出过冲电压，同时具有稳定的振荡频率。该锯齿波振荡器可被广泛应用于降压型DC－DC开关电源转换器，为PWM比较器提供锯齿波。

参考文献：

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［8］贾孜涵，冯全源，庄圣贤．适用于DC－DC开关电源的振荡器设计［J］．电子元件与材料，2015，34（3）：29－32．

作者：罗凯 熊派派 王菡 彭克武 陈波 刘文韬 杨丰 胡永贵 单位：中国电子科技集团公司