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電流模式開關電源中的高精度鋸齒波振蕩器設計

鉅大LARGE  |  點擊量:1510次  |  2020年05月18日  

近年來,開關電源芯片被廣泛應用于通信電子產品的電源供電系統。目前,關電源重要采用pWM控制電路,鋸齒波振蕩器是pWM控制電路的核心功能部件。在電源電壓、溫度、工藝和環境負載變化或者漂移的條件下,要求振蕩器能夠出現頻率穩定的信號輸出。許多鋸齒波振蕩器雖然具有穩定性好、精度高的特點,但受環境溫度和電源電壓影響較大,基于以上要求,本文設計一種鋸齒波出現電路。1電路結構及原理1.1電路整體框架及原理圖1為RC振蕩器的原理圖。本文提出的鋸齒波振蕩器重要由三部分構成,一部分是基準出現的電流I1和I2,一部分由電容C和開關K1、K2組成,最后一部分是控制電路。

該電路利用基準源出現的電流I1對電容C進行充電,利用電流I2進行放電,從而出現對開關K1和K2的控制信號。出現脈沖的工作過程如下:假設輸出信號Um為低電平,使開關管S1導通,S2關斷。這時電流I1對C進行充電,使a點電壓Ua升高,經過控制電路用途后,使輸出信號Um變為高電平;然后,Um使開關管S1關斷,S2導通,電流I2對C進行放電,使a點電壓Ua降低,輸出Um又變為低電平。電路如此反復循環工作,便在輸出端出現振蕩信號,Ua是出現的鋸齒波信號。振蕩器實際電路結構如圖2所示,其中Uref引腳輸入的是來自帶隙基準的參考電壓,Um是輸出給后級的最大占空比信號,Uout是所要求的鋸齒波輸出信號。


圖1中的開關S1、S2分別由pMOS管VT4和VT5代替。因此,圖1中的倒相器在具體電路中便不要實現。在集成電路中不易直接實現精確的電流源,所以先出現一個精確的參考電壓Uref,然后通過一個U-I變換電路,出現兩個精確的充放電電流I1和I2。圖2中的電阻R是外接的精密電阻,電路中運放將B點電位鉗位在參考電壓Uref,因此流過R的電流為VT2和VT3,VT6和VT7組成兩組電流鏡,則充放電電流I1和I2為:假設振蕩器輸出信號Um初始值為低電平,VT4打開,VT5關斷,電流通過VT4流到電容,電容進行充電。此時Ua低于VH,COMp1輸出高電平,Ua高于VL,COMp2也輸出高電平,Um保持低電平。直到C的電壓上升到高于VH一點,COMp1輸出低電平,使得Um翻轉為高電平。此時VT5打開,VT4關斷,電流通過VT5,電容C通過VT6支路進行放電,逐漸減小。直到C的電壓降低到低于VL一點,COMp2輸出低電平,Um翻轉為低電平。電路如此循環,在輸出端出現振蕩信號。


如圖3所示,門限電壓是由Uref1對Uref2出現,Uref1對Uref2是來自基準模塊的電壓,不隨溫度和電源電壓變化,所以VH和VL基本保持恒定。1.3輸出頻率的計算不同的充放電電流決定了輸出高低電平的不同脈寬,所以決定了方波信號的占空比。具體原理如下:在一個充放電周期內設電容的充電時間為Tr,放電時間為Tf,電容充放電的周期為Ts,由電容的電流公式:調整VT6和VT7的寬長比,可以得到較小的充電電流和較大的放電電流,當I2>>I1時,可以得到得到鋸斷波的下降沿近似垂直。通過調整電容C或者R的大小,可以得到預期的鋸齒波振蕩周期為Ts=7.6μs,即振蕩器的周期為132kHz。其中VH和VL都是由基準電壓而得到的,故不隨外界條件變化,從而使振蕩頻率不受電源電壓和溫度的影響而維持恒定。2仿真結果與分析此電路采用TSMC0.5μm工藝實現,用Spectre進行仿真。在5.8V電源輸入,27℃環境溫度下,圖4是振蕩器出現的鋸齒波信號以及最大占空比輸出信號,由仿真結果可知鋸齒波的頻率精確控制在132kHz,且上升沿線性度好,下降沿陡峭,最大占空比達。


表1給出了振蕩器在不同電源電壓和溫度下的振蕩周期仿真結果,由表格所示結果可知,振蕩頻率最小為129kHz,最大為135kHz。頻率漂移范圍在±3%內,可見頻率隨電源電壓和溫度變化的影響較小,振蕩器的精度較高。


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