開關電源的高性能電壓型PWM比較器設計

引言

　　隨著科學技術的迅猛發展，電器設備日新月異，趨向小型化、低功耗、高效率，使開關電源需求日益增大，對電源的要求越來越高。

　　開關電源采用功率半導體器件作為開關，通過PWM控制開關的占空比來調整輸出電壓。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單、易于實現等優點被廣泛應用。圖1所示是電壓控制型開關電源的原理圖，其中虛框部分是控制芯片內部結構。

圖1 電壓控制模式開關電源工作原理圖

　　從圖中可以看出，控制芯片有一個采用PWM調制法的電壓閉環反饋，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，推動開關功率管的開與關，經變壓器耦合后得到恒定的輸出電壓。控制芯片的核心電路是PWM比較器，脈沖寬度調制信號就是由PWM比較器產生。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。文中設計并實現了一種新型高性能的開關電源電壓型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、功耗和面積幾個方面來考慮的。

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;最后經過反相器輸出脈沖寬度調制信號V0。圖3中三個電容是為計算延遲時間畫出的等效電容。

　　該電路用兩個尺寸完全一致的具有低驅動電流能力的PMOS管作為差分輸入管，它們分別控制兩個NMOS管M9和M10，當VC電壓值較低時，M10的柵電壓較高，M9則處于臨界導通狀態，所以V0輸出高電平。圖中M8是為了防止M9柵電壓過高時電流過大所設置的。該電路是雙端輸入轉單端輸出的放大電路，經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，其中主要是兩個輸入管閾值電壓、導通電阻等區別產生的。為了減小工藝誤差對電路性能的影響，兩個輸入PMOS管的面積需要做得很大，來補償摻雜濃度、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M5的電流被平分流過M6、M7。即：

　　從上面公式可見，在工藝參數一定的情況下，增益和失調電壓成反比，這就要求從幾個方面綜合考慮。相比之下，90倍的增益就已經滿足需要了。為了減小輸入失調電壓，可以縮小M6的寬長比。

　　經仔細調整各個MOS管的寬長比，綜合仿真檢測，系統失調電壓僅為0.118mV。