適用于紋波控制型DC-DC變換器的比較器設計*

楊 靖，馮全源

(西南交通大學信息科學與技術學院/微電子研究所，成都610031)

適用于紋波控制型DC-DC變換器的比較器設計*

楊 靖，馮全源*

(西南交通大學信息科學與技術學院/微電子研究所，成都610031)

設計一種適用于紋波控制(Output-Ripple-Based Control)的Buck型DC-DC變換器的比較器，根據PSIM搭建的仿真模型，分析主環比較器性能對系統的影響，設計具有三級預放大的高增益，低延時，低失調電壓的比較器電路，采用兩種溫度系數的電流補償比較器增益，穩定增益，采用0.5μm BiCOMS工藝進行仿真驗證，下降沿延時27 ns，增益123 dB，隨溫度最大增益變化3.2%，失調電壓90μV，達到系統要求。

比較器;紋波控制;恒定導通時間;延時優化

隨著電子技術的快速發展，諸如手機、照相機等便攜式消費類電子產品的功能越來越強大，CPU主頻越來越高，系統的功耗大幅上升，但電池容量大幅增加比較困難，因此系統的可運行時間成為了限制此類產品使用的主要因素之一。一方面是通過采用更先進的工藝，更低的工作電壓，降低子模塊的功耗，更低功耗的架構等方式降低系統功耗;另一方面則是不斷提高電源芯片的轉換效率，增加系統運行時間。

DC-DC轉換器的控制模式有很多種，電壓控制模式VM(Voltage Mode)DC-DC轉換器，雖然控制環路比較簡單，抗干擾能力強，但由于其輸入或輸出的變化只能在輸出電壓改變后才能檢測到，并反饋進行調整，因此相應速度比較慢，需要復雜的補償網絡，同時需要額外的限流電路來對輸出電流進行限制。電流型控制模式CM(Current Mode)DC-DC轉換器，由于采用輸出電流前饋控制，與電壓控制模式相比，有更快的負載和輸入瞬態響應速度，同時具有天然的限流功能，便于實現過流保護，但在占空比大于50%時要產生次諧波振蕩，影響穩定性，需要斜坡補償電路，此外開關周期受振蕩器限制。遲滯控制由于不需要振蕩器，只是通過比較器檢輸出電壓，使其控制在一定范圍內，因此環路響應非常快，不用補償，但其開關頻率受輸入輸出，及負載的影響，無法穩定。恒定導通時間COT(Constant On-Time)則是針對遲滯模式的改進，具有響應快，同時在占空比確定時，開關頻率相對穩定，頻率和輸出電壓紋波隨占空比變化而變化，因為開關頻率不穩定，會引起電磁干擾(EMI)的問題。自適應開啟時間AOT(Adaptive On-Time)是對COT控制的改進，將開啟時間確定為與占空比成正比的非固定時間，使開啟時間隨占空比變化，以保證在占空比變化時，頻率保持相對穩定［1］。

1 系統設計分析

COT控制或是AOT控制，都是一種利用輸出電壓紋波來產生PWM波的控制方式。如圖1所示，由于電容的等效串聯電阻RESR的存在，在電容充放電過程中，輸出電壓會產生幾十mV的紋波，經過芯片外的反饋分壓電阻分壓后，產生 VFB反饋信號。利用VFB與基準電平進行比較，On-Timer計時開始，S1導通，S2打開，電感電流上升，輸出電壓上升，計時結束后S1關閉，S2導通，電感電流下降，輸出電壓下降，當降到低于比較器閾值時，比較器輸出翻轉，S1關閉，S2導通，如此就實現了恒定導通時間的PWM信號。

圖1 COT控制的Buck電路原理圖

此架構通過反饋電阻RFB1和RFB2的精確選取，使得反饋電壓達到內部比較器閾值，實現不同的輸出電壓，因此在芯片生產過程中需要對產生此比較器閾值Vref的分壓電阻進行修整。

對于Buck型AOT控制，On-Timer定時器時間

其中D表示占空比，k為一系數，TDelay為比較器延時(包含PWM比較器與On-Timer比較器延時)，實際的開啟時間:

如式(3)所示，由于比較器延時的存在，fsw和D相關，開關頻率隨占空比變化。

在PSIM軟件中搭建COT模型，將主環比較器的延時分別設置為10 ns和40 ns，開關頻率為700 kHz，輸入電壓4.5 V，輸出電壓1.05 V，仿真結果如圖2所示，Vo表示延時為10 nS的Vout輸出結果，Vo(PWM_Y)表示延時為40 ns的Vout輸出結果，延時變大后，輸出電壓上移，對比占空比信號SW，可見，比較器的延時直接加在了開啟時間Ton上面，比較器延時加大，使得Ton增加，高端管導通時間加長，Vout電平上升。對于COT控制，如果比較器延時，或者驅動級延時、反饋控制信號延時相對固定，則可以調整Ton時間，將延時直接算在Ton時間內，可降低延時對Vout的影響。

圖2 比較器兩種延時對系統影響仿真結果

比較器延時不僅受溫度、電源電壓、工藝偏差等影響，還受輸入比較量斜率的影響，因為比較器具有一定的失調電壓，在輸入信號斜率較小時，達到失調電壓的時間會加長，比較器才跳變，使得延時隨占空比變化而發生變化，這就增加了系統的不穩定性，所以就需要降低比較器失調電壓，以減弱這一影響［2］。通過系統分析，均衡各個模塊的指標，對于開關頻率小于1MHz，COT架構的DC-DC變換器，需要PWM比較器的失調電壓小于200μV，增益大于100 dB，下降延時小于30 ns，同時延時隨溫度偏差要小于10%，以保證系統的穩定性。

2 比較器的設計

由于系統高增益，低延時，低失調電壓的要求，本文設計的比較器如圖3所示，采用0.5μm BiCMOS工藝，結合BJT和CMOS的優點，如傳統的純BJT比較器和純CMOS比較器相比，在保證高速，高增益的同時降低功耗［3］。比較器是三級預放大，前兩級采用NMOS做負載的NPN放大，以保證較寬的帶寬和較小的延時，第三級采用CMOS差分放大，進一步提高增益，并對波形進行整形，最后加一輸出級，以轉化成全擺幅信號。

第一級和第二級放大，采用NMOS做負載，對于這NPN差分對的負載等效輸出電阻為:

圖3 PWM比較器原理圖

通過NMOS管M1提高NPN差放的輸出阻抗，以提高增益。

與CMOS相比，BJT的速度更快，具有更好的帶寬，前兩級采用NPN放大，但BJT的缺點是在集電極電流相對穩定時，受溫度變化大，故需要正溫度系數電流，以穩定NPN差放的增益，從基準模塊出來的正溫度系數電流IPTC

因為NPN的跨導gm是

如果電流IC是通過IPTC電流鏡像過來的，那么IC就是IPTC的k倍，所以，

如式(9)所示，NPN放大級的增益就和溫度無關了。但第3級和輸出級是CMOS，受溫度影響很小，采用溫度系數低的電流偏置，以穩定其增益。

在COT或者AOT控制模式中，高端管導通時間相對固定，PWM比較器比較的是在低端管導通時，Vout下降至低于參考電壓時，控制低端管關閉，高端管打開，故更關注的是這單側邊沿的延時，因而對比較器做了單側邊沿延時的優化。

同時，PWM比較器并非隨時需要準備著比較，不用一直在工作狀態，可以只在Ton計時結束后，才開始工作，檢測Vout下降時，產生邊沿信號控制高端管打開，高端管開啟后，停止工作，關閉比較器的兩路偏置電流，關斷比較器的電流鏡，以使比較器完全關斷，停止工作，降低功耗。

3 仿真結果

本文設計的適用于紋波控制型Buck型DC-DC變換器的PWM比較器，采用0.5μm BiCMOS工藝仿真驗證，采用VDD=5.5 V，在-40℃、25℃、85℃、125℃這4個溫度點進行仿真。

如圖4所示，增益較穩定，在-40℃ ～125℃溫度范圍內最高增益126 dB，最低增益122 dB，隨溫度最大偏差3.2%，3 dB帶寬600 kHz以上。傳輸延時如圖5所示，下降延時26.5 ns～28.5 ns，受溫度影響最大2 ns偏差，隨溫度最大偏差3.7%，失調電壓如圖6所示，59μV～124μV。完全達到開關頻率在1 MHz以下，COT架構的DC-DC變換器的PWM比較器的要求。

圖4 PWM比較器增益

圖6 失調電壓

4 結論

本文分析了基于輸出電壓紋波控制 Buck型DC-DC轉換器的PWM比較器系統需求，并根據這一需求，設計了一種三級預放大達到高增益，用兩種溫度系數電流供給比較器，以實現穩定增益的比較器。通過，最后用0.5μm BiCMOS工藝仿真驗證，達到了預期指標，增益120 dB以上，增益穩定，失調電壓在90μV(25℃下)以下的高性能比較器。

［1］李演明，來新泉，袁冰，賈新章.自適應開啟時間的Buck型DCDC控制器設計實現［J］.半導體學報，2008，29(7):1396-1402.

［2］吳鐵峰，張鶴鳴，胡輝勇.一種電流模式多輸入可控PWM比較器設計［J］.電子器件.2010(02).

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［5］Ma Fengfei，Chen Weizen，Wu Jinchuan.Amonolithic current-mode buck converter with advanced control and protection circuits［J］. IEEE Trans Power Electron，2007，22(5):1836.

［6］Phillip E.Allen，Douglas R.Holberg，CMOSAnalog Circuit Design［M］.Oxford University Press，Inc.，2002.

［7］馬紅波，馮全源.低功耗高性能限流比較器的設計與仿真［J］.電子器件.2007(10).

［8］徐建，王志功，王歡，等.自適應門限比較器設計［J］.電路與系統學報，2011，16(6):6-12.

Design of PWM Comparator for DC-DC Converter Based on Ripple Control*

YANG Jing，FENGQuanyuan*
(Institute of Microelectronics，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

A kind of comparator applicable to Output-Ripple-Based Control DC-DCConverterwas put forward.By using PSIM to build simulation model，and analysing the main loop comparator’s performance，the influence of the system，a comparator circuitwith preamplifier of high gain，low delay，low disorder voltage were designed.The two kinds of temperature coefficient of bias current are using to compensate the comparator’s gain，By using 0.5μm Bi-COMS process to simulation verification，the falling edge delay is27 ns，gain is123 dB，the biggest gain 3.2%with temperature changes，offset voltage 90μV and they all reach the system requirements.

comparator;ripple control;constant on time;delay

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.009

TN43 文獻標識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0034-04

項目來源:國家自然科學基金重大項目(60990320，60990323);國家高技術研究發展計劃(863計劃)重大項目(2012AA012305);國家自然科學基金面上項目(61271090);四川省科技支撐計劃項目(2012GZ0101);成都市科技計劃項目(12DXYB347JH-002)

2013-05-15修改日期:2013-06-08

EEACC:1290B

楊 靖(1988-)，男，漢族，四川人，西南交通大學碩士研究生，研究方向為模擬集成電路，開關電源，數模混合集成電路，victor.kid@163.com;

馮全源(1963-)，男，漢，教授，西南交通大學微電子研究所所長、博士生導師、IEEE高級會員，主要研究方向為數字、模擬、射頻與混合信號集成電路設計，數字系統設計和嵌入式系統研究，現代天線技術、RFID技術(物聯網技術)等，fengquanyuan@163.com。