一種基于PWM 電源管理芯片的振蕩器電路設(shè)計(jì)①

吳鐵峰， 趙智超， 李麗敏， 陳玨曉

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江佳木斯154007)

0 引言

壓變化時(shí)，其工作頻率都不能產(chǎn)生超過(guò)要求的漂移，從而可以保證整個(gè)控制電路的穩(wěn)定性[5]．

振蕩器通常用來(lái)產(chǎn)生重復(fù)電子訊號(hào)(正弦波或方波)，由振蕩器所構(gòu)成的電路稱為振蕩電路，振蕩電路可以把直流電轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的交流電信號(hào)輸出．振蕩器有很多種類，按振蕩激勵(lì)方式可分為自激振蕩器、他激振蕩器;按電路結(jié)構(gòu)可分為阻容振蕩器、電感電容振蕩器、晶體振蕩器、音叉振蕩器等;按輸出波形可分為正弦波、方波、鋸齒波等振蕩器．廣泛用于電子工業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研究等方面[1]．

在 PWM 電源管理芯片電路[1，2]中，振蕩器電路被廣泛使用[3]，PWM芯片中振蕩器電路由電容的充放電過(guò)程，產(chǎn)生一個(gè)脈沖，并將這個(gè)脈沖作為電路的時(shí)鐘，以確定整個(gè)控制電路的周期[4]．因此，在設(shè)計(jì)振蕩器電路時(shí)，需要保證當(dāng)溫度、電源電

1 電參數(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)振蕩電路時(shí)，整個(gè)電路的工作頻率由振蕩器電路的工作頻率決定，所以在振蕩器電路的設(shè)計(jì)中，電參數(shù)指標(biāo)是非常重要的，表1指明了電路設(shè)計(jì)時(shí)的電參數(shù)．

本文在設(shè)計(jì)振蕩器電路時(shí)，考慮通過(guò)控制外接電容的大小來(lái)控制電路的周期．電路設(shè)計(jì)利用了比較器電路，比較器電路的一端保持恒定，另一端接充電電容，當(dāng)電容的充電電壓達(dá)到某值時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，這時(shí)電路將電容放電，可以在比較器電路的輸出端形成脈沖，若電容放電，則電壓降低，比較器又將翻轉(zhuǎn)，對(duì)電容充電，從而形成了穩(wěn)定的、周期性的輸出脈沖[6]．

表1 振蕩器電參數(shù)指標(biāo)

2 電路設(shè)計(jì)

圖1(a)是文中所設(shè)計(jì)的振蕩器電路的具體電路圖，圖1(b)則是工作原理示意圖．圖中的Vref端是基準(zhǔn)電壓，可以提供穩(wěn)定的 5．0V電壓[7]，RT和CT分別為電阻和外接電容，Vin端為驅(qū)動(dòng)電壓，OUT端是振蕩器的輸出端．

圖1(b)中，在開(kāi)始給電容充電時(shí)，t=0，那么，充電電容上的初始電壓就等于0，充電過(guò)程中，電容上的電壓值將會(huì)逐漸增大，一直到等于比較器另一端V8上的電壓值，電容開(kāi)始放電，可以在電路設(shè)計(jì)時(shí)令三極管T11的面積很大，則可使放電電流增大，如果在一個(gè)周期內(nèi)忽略電容的放電時(shí)間，振蕩器的周期就等于充電電容上的電壓從0增大到V8所需要的時(shí)間．

設(shè)充電時(shí)，流過(guò)電阻RT上的電流為i，

圖1 振蕩器電路

則

所以

所以有

代人初始條件VT(0)=0，得Vref+C=0，所以C=－Vref，所以

當(dāng)VT(t)=V8，約為一個(gè)周期，則

可得

根據(jù)上述推導(dǎo)，可以得到振蕩器電路頻率的表達(dá)式，由模型(7)，(8)可以得到，基準(zhǔn)電壓源Vref和RT，CT，R4，R5的值決定了振蕩器電路的周期和頻率．

適當(dāng)?shù)卣{(diào)整振蕩器電路中電阻R4和R5的值，可以使k≈1，得到式(9):

給電路的輸入端(Vin)加高電壓時(shí)，振蕩器電路正常工作．通過(guò)基準(zhǔn)電壓Vref對(duì)電容CT充電，輸入端9的電壓將逐漸升高，假定比較器電路中三極管T8的基極電位是V8，則有模型(10)，

若V8＞V9，根據(jù)對(duì)管T7、T8的作用，晶體管T7截止的同時(shí)晶體管T8將導(dǎo)通，相應(yīng)地晶體管T3～T6也將依次導(dǎo)通，由于晶體管T1和T2不會(huì)被導(dǎo)通，所以晶體管T14的基極是低電平，T14也不導(dǎo)通，此時(shí)，電容CT處充電．

當(dāng)外接電容CT充電到電壓，高于V8端電壓時(shí)，由前所述，對(duì)管T7、T8的作用，T7導(dǎo)通，T8截止，T3～T6也都截止，T1、T2導(dǎo)通．當(dāng)晶體管T14基極電位升高到一定電壓值后也將導(dǎo)通，這時(shí)電阻R9上會(huì)流經(jīng)一個(gè)比較大的電流，最后，在輸出端(OUT端)形成脈沖輸出電壓．在輸出穩(wěn)定脈沖的同時(shí)，三極管T11管也將導(dǎo)通，該三極管的集電極的作用是電容CT放電，此時(shí)，則9端電壓值降低，又開(kāi)始同樣的過(guò)程，V9＜V8，則T7截止、T8導(dǎo)通，外接電容CT重新開(kāi)始充電．文中所設(shè)計(jì)的振蕩器將不斷重復(fù)上述過(guò)程，最后將會(huì)在輸出端形成振蕩器電路需要的具有一定頻率的脈沖輸出．

3 仿真結(jié)果與討論

根據(jù)上述電路設(shè)計(jì)思想和過(guò)程，文中基于華越SB45工藝，利用Spectre軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的振蕩器電路仿真，得到得振蕩器電路的電參數(shù)仿真結(jié)果，如表2所示．

表2 振蕩器仿真電參數(shù)

此外，如圖2顯示了仿真過(guò)程中，振蕩器的輸出結(jié)果以及外接電容CT上的電壓變化．通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，文中所設(shè)計(jì)的振蕩器電路，其頻率滿足模型(8)的要求．由于電路工作環(huán)境等因素的影響，電路的仿真結(jié)果可能會(huì)產(chǎn)生一定程度的漂移．但根據(jù)設(shè)定的電參數(shù)要求，文中所設(shè)計(jì)的振蕩器電路頻率滿足了芯片的使用要求，目前該振蕩器已應(yīng)用于實(shí)際電路中．

圖2 振蕩器輸出波形

[1] 朱正涌．半導(dǎo)體集成電路[M]．清華大學(xué)出版社．2003．

[2] Salmon J，Liping Wang，Noor N，et al．A Carrier－ Based Unipolar PWM Current Controller That Minimizes the PWM－Cycle Average Current－Error Using Internal Feedback of the PWM Signals[J]．IEEE Transactions Power Electronics，2007，9，22(5):1708－1718．

[3] Lie Xu，Agelidis V．G．．VSC Transmission System Using Flying Capacitor Multilevel Converters and Hybrid PWM Control[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2007，1，22(1):693 －702．

[4] 敖強(qiáng)，尹東燕，王震，等．基于極點(diǎn)分析方法的晶體振蕩器電路設(shè)計(jì)及仿真[J]．遼寧大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，38(4):307－310．

[5] 吳笑峰，劉紅俠，石立春，等．新型高速低功耗CMOS動(dòng)態(tài)比較器的特性分析[J]．中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，10，40(5):1354－1359．

[6] 吳鐵峰．基于PWM控制方式的電源管理芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．西安:西安電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2011．

[7] 吳鐵峰，張鶴鳴，胡輝勇．基于PWM的低溫度依賴基準(zhǔn)電壓電路設(shè)計(jì)[J]．中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，41(6):2269－2273．