降壓式DC-DC電源管理芯片中振蕩器電路的設計與研究

鐘方媛,毛 群

(1.中國民用航空飛行學院 航空工程學院,四川 廣漢 618307;2.阿壩師范學院 電子信息與自動化學院,四川 汶川 623002)

0 引言

我們目前的生活處處都需要電源供電,不論是在國防軍事領域,還是普通民眾的日常生活用品領域,都離不開電源供電。當前,開關電源的研究在集成電路產業中呈現出快速發展的趨勢。而開關電源芯片屬于基礎性部件,電源產品的質量直接或間接地決定了它所在系統的穩定性、可靠性。因此,設計一款高性能、高頻率的電源芯片有其特殊的意義[1-3]。

振蕩器是開關電源芯片中的重要組成部分,振蕩器的性能對電源芯片有直接的影響。這就要求振蕩器產生的頻率不隨電源電壓和溫度的變化而變化[4-6]。針對這些要求,本文采用RC恒流源充放電結構,設計了一款性能較好的振蕩器電路。

1 振蕩器的基本工作原理

振蕩器電路基本工作原理如圖1所示,該電路主要由電流源I,充放電電容C,RS觸發器,電壓比較器COMP以及開關K組成。

圖1 振蕩器工作原理

工作原理如下:當輸出sq=0時,開關K處于關斷狀態,電流I對電容C進行充電,電容電壓VC開始增加,當增加到VC大于VREF時,比較器COMP輸出高電平,RS觸發器置“0”,sq變為高電平,開關K處于閉合狀態,電容開始放電；當電容上極板電壓VC下降到0時,RS觸發器置“1”,sq變為低電平,開關K再次處于關斷狀態,振蕩器進入下一個工作周期。

2 電路設計

本文設計的振蕩器電路如圖2所示,圖中Is為恒流源,COMP為誤差比較器,VREF為0.8 V的基準電壓。OSC_OUT端輸出方波信號,jc_OUT端輸出鋸齒波信號。

圖2 振蕩器具體電路

圖2振蕩器具體電路中PMOS管M1與M2構成電流鏡,Is為恒流源,即M2漏電流I2可表示為:

其中,(W/L)2(W/L)1分別表示晶體管M2與M1的寬長比。

同理,晶體管M3與M7構成電流鏡,可得M7的漏電流I7為:

式中,(W/L)7表示晶體管M7的寬長比。

電路中M6的漏電流為電容C2提供充電電流I6,表示為:

本文所設計的比較器為典型的2級放大結構,由兩級運放構成,電路具體結構如圖3所示。其中,M11～M15組成第一級放大器,M16～M17組成第二級放大器,完成高增益。

圖3 電壓比較器電路

該比較器工作在開環狀態,因此不需要考慮其閉環工作的穩定狀態。比較器的具體工作原理如下:當輸入信號Vn＞Vp時,2級運放比較器Vo輸出低電平；當輸入信號Vn＜Vp時,2級運放比較器Vo輸出高電平。

通過圖4可以更加清晰地看出本文使用的比較器工作原理。圖4是在Cadence軟件下,利用specture工具,所仿真的比較器電路的瞬時仿真波形圖,其中Vn端輸入三角波,Vp端輸入1.8 V的直流電壓。當輸入信號Vn＞Vp時,V0端輸出低電平；當輸入信號Vn＜Vp時,V0端輸出高電平。

圖4 比較器的瞬時仿真波形

RS觸發器電路如圖5所示。電路由兩個或非門和一個非門所構成。本文所設計的RS觸發器的具體工作原理如下:

圖5 RS觸發器電路

當R=1,S=0時,CLK=0,!CLK=1；當R=0,S=1時,CLK=1,CLK!=0；當R=0,S=0時,CLK=1,CLK!=0；保持前一狀態。R=1,S=1時,輸出均為高電平,這是本文不希望出現的狀態。

3 振蕩器頻率

假設電容C2的充電時間為Tr,放電時間Tf,方波信號OSC_OUT的振蕩周期為:T=Tr+Tf。由圖2的電路結構可以分別表示出充電時間和放電時間:

上式中I6為充電電流,I9為M9的飽和漏電流。MOS管飽和漏電流的公式為:

由(5)(6)(7)3個式子可知通過調整M5和M6的寬長比,可以得到充電時間遠大于放電時間,放電時間可忽略不計,此時周期T可表示為:

則振蕩器的頻率為:

綜上可知,在整個工作周期中,放電時間極短,可以忽略不計。鋸齒波輸出信號jc_out的下降沿幾乎垂直。可通過調整電容C2及M5與M6的寬長比,來獲得預期的鋸齒波信號jc_out和方波信號OSC_out。

4 仿真結果與分析

本文采用0.18 μm COMS工藝,在Cadence軟件下,利用specture電路仿真工具,對電路進行仿真。

前文已經推導出頻率的變化與電容C2及M5與M6的寬長比有關,在這里,M5與M6的寬長比設為定值,改變電容大小。此時,在電源電壓3.3 V,溫度27 ℃的典型環境下仿真,仿真結果如表1電容C2變化對頻率的影響,當電容C2=30 pF時,方波信號的頻率f=672.4 kHz；當電容C2=30 pF時,頻率f=559.4 kHz；當電容C2=30 pF時,頻率f=489.7 kHz。分析表1中的數據,當電容C2的容值增大時,輸出方波信號的頻率會隨之減小。

表1 電容C2變化對頻率的影響

圖6 C2=30 pF 瞬態變化(電壓3.3 V,溫度27 ℃)

如表2,在電源電壓3.3 V,C2=30 pF的仿真條件下,改變環境溫度,得到溫度隨頻率的變化。如表2所示,可知當溫度從-20 ℃到120 ℃變化時,輸出信號的頻率逐漸減小。此時振蕩器的中心頻率為672.4 kHz,頻率偏移率為3.8%。仿真結果表明,該振蕩器受溫度影響較小,且性能良好[7]。

根據仿真驗真,本文相較于范建功等[3]的研究,中心頻率更高,溫度范圍更廣；相較于賈孜國等[5]的研究溫度范圍更廣,頻率偏移率更小。

5 結語

本文設計了一種適用于DC-DC開關電源芯片的鋸齒波振蕩器電路。電路采用了恒流源技術,有效降低了頻率偏移率。仿真結果表明,該振蕩器電路結構簡單,工作穩定,精度高,受溫度影響較小,該電路各項性能均符合DC-DC開關電源芯片設計指標,頻率偏移率僅為3.8%,滿足設計要求。