降壓式DC-DC電源管理芯片中振蕩器電路的設(shè)計(jì)與研究

鐘方媛,毛 群

(1.中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院,四川 廣漢 618307;2.阿壩師范學(xué)院 電子信息與自動(dòng)化學(xué)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(lǐng)域,還是普通民眾的日常生活用品領(lǐng)域,都離不開電源供電。當(dāng)前,開關(guān)電源的研究在集成電路產(chǎn)業(yè)中呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢。而開關(guān)電源芯片屬于基礎(chǔ)性部件,電源產(chǎn)品的質(zhì)量直接或間接地決定了它所在系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。因此,設(shè)計(jì)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(guān)電源芯片中的重要組成部分,振蕩器的性能對(duì)電源芯片有直接的影響。這就要求振蕩器產(chǎn)生的頻率不隨電源電壓和溫度的變化而變化[4-6]。針對(duì)這些要求,本文采用RC恒流源充放電結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)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(fā)器,電壓比較器COMP以及開關(guān)K組成。

圖1 振蕩器工作原理

工作原理如下:當(dāng)輸出sq=0時(shí),開關(guān)K處于關(guān)斷狀態(tài),電流I對(duì)電容C進(jìn)行充電,電容電壓VC開始增加,當(dāng)增加到VC大于VREF時(shí),比較器COMP輸出高電平,RS觸發(fā)器置“0”,sq變?yōu)楦唠娖?開關(guān)K處于閉合狀態(tài),電容開始放電；當(dāng)電容上極板電壓VC下降到0時(shí),RS觸發(fā)器置“1”,sq變?yōu)榈碗娖?開關(guān)K再次處于關(guān)斷狀態(tài),振蕩器進(jìn)入下一個(gè)工作周期。

2 電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)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(zhǔn)電壓。OSC_OUT端輸出方波信號(hào),jc_OUT端輸出鋸齒波信號(hào)。

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(gòu)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(gòu)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(shè)計(jì)的比較器為典型的2級(jí)放大結(jié)構(gòu),由兩級(jí)運(yùn)放構(gòu)成,電路具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中,M11～M15組成第一級(jí)放大器,M16～M17組成第二級(jí)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(huán)狀態(tài),因此不需要考慮其閉環(huán)工作的穩(wěn)定狀態(tài)。比較器的具體工作原理如下:當(dāng)輸入信號(hào)Vn＞Vp時(shí),2級(jí)運(yùn)放比較器Vo輸出低電平；當(dāng)輸入信號(hào)Vn＜Vp時(shí),2級(jí)運(yùn)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(shí)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(dāng)輸入信號(hào)Vn＞Vp時(shí),V0端輸出低電平；當(dāng)輸入信號(hào)Vn＜Vp時(shí),V0端輸出高電平。

圖4 比較器的瞬時(shí)仿真波形

RS觸發(fā)器電路如圖5所示。電路由兩個(gè)或非門和一個(gè)非門所構(gòu)成。本文所設(shè)計(jì)的RS觸發(fā)器的具體工作原理如下:

圖5 RS觸發(fā)器電路

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

3 振蕩器頻率

假設(shè)電容C2的充電時(shí)間為Tr,放電時(shí)間Tf,方波信號(hào)OSC_OUT的振蕩周期為:T=Tr+Tf。由圖2的電路結(jié)構(gòu)可以分別表示出充電時(shí)間和放電時(shí)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(gè)式子可知通過調(diào)整M5和M6的寬長比,可以得到充電時(shí)間遠(yuǎn)大于放電時(shí)間,放電時(shí)間可忽略不計(jì),此時(shí)周期T可表示為:

則振蕩器的頻率為:

綜上可知,在整個(gè)工作周期中,放電時(shí)間極短,可以忽略不計(jì)。鋸齒波輸出信號(hào)jc_out的下降沿幾乎垂直?？赏ㄟ^調(diào)整電容C2及M5與M6的寬長比,來獲得預(yù)期的鋸齒波信號(hào)jc_out和方波信號(hào)OSC_out。

4 仿真結(jié)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(duì)電路進(jìn)行仿真。

前文已經(jīng)推導(dǎo)出頻率的變化與電容C2及M5與M6的寬長比有關(guān),在這里,M5與M6的寬長比設(shè)為定值,改變電容大小。此時(shí),在電源電壓3.3 V,溫度27 ℃的典型環(huán)境下仿真,仿真結(jié)果如表1電容C2變化對(duì)頻率的影響,當(dāng)電容C2=30 pF時(shí),方波信號(hào)的頻率f=672.4 kHz；當(dāng)電容C2=30 pF時(shí),頻率f=559.4 kHz；當(dāng)電容C2=30 pF時(shí),頻率f=489.7 kHz。分析表1中的數(shù)據(jù),當(dāng)電容C2的容值增大時(shí),輸出方波信號(hào)的頻率會(huì)隨之減小。

表1 電容C2變化對(duì)頻率的影響

圖6 C2=30 pF 瞬態(tài)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(huán)境溫度,得到溫度隨頻率的變化。如表2所示,可知當(dāng)溫度從-20 ℃到120 ℃變化時(shí),輸出信號(hào)的頻率逐漸減小。此時(shí)振蕩器的中心頻率為672.4 kHz,頻率偏移率為3.8%。仿真結(jié)果表明,該振蕩器受溫度影響較小,且性能良好[7]。

根據(jù)仿真驗(yàn)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(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種適用于DC-DC開關(guān)電源芯片的鋸齒波振蕩器電路。電路采用了恒流源技術(shù),有效降低了頻率偏移率。仿真結(jié)果表明,該振蕩器電路結(jié)構(gòu)簡單,工作穩(wěn)定,精度高,受溫度影響較小,該電路各項(xiàng)性能均符合DC-DC開關(guān)電源芯片設(shè)計(jì)指標(biāo),頻率偏移率僅為3.8%,滿足設(shè)計(jì)要求。