吴铁峰 ，张鹤鸣，胡辉勇

1.西安电子科技大学微电子学院， 宽禁带半导体材料与器件重点实验室， 西安710071；

2.佳木斯大学信息电子技术学院， 黑龙江 佳木斯154007

在DC-DC开关电源电路中，开关控制电路的控制模式一般采用脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)，而脉冲宽度调制(PWM)方式的控制和实现都较脉冲频率调制来简单，因此其在开关电源中的应用更为普遍[1]。

PWM技术控制模式主要可以分为两种：电压控制模式和电流控制模式。针对电压模式PWM控制技术的不足，出现了电流模式PWM控制技术，这种控制方式可以有效地改善开关电源的电压调整率和电流调整率，也可以改善整个系统的瞬态响应。由于电流模电路具有动态范围大、速度快、频带宽、非线性误差和失真小等特点，所以电流模式PWM控制技术成为目前PWM控制技术中的主流[2]。

PWM比较器[3-4]是PWM控制器电路中的关键模块电路之一，其作用是对输入的电压信号进行比较，输出一定占空比的脉冲宽度调制(PWM)信号。本文针对常见比较器只比较两路信号进行输出的特点，在双极工艺下研究设计一个基于电流模式[5]控制的多输入，同时具有锁存功能和比较器延迟时间短的可控比较输出电路。该电路能够同时对三路输入信号进行比较输出并对输出信号进行锁存，其中一个同相输入端控制比较器是否产生输出信号，从而可以降低开关频率，对PWM控制电路起到保护作用。仿真和测试结果表明，该电路能够完成设计所要求的功能并且具有极佳的性能。

1 常见压控输出控制比较器

电压模式PWM控制技术[6]，其工作原理如图1所示，比较器只接受两端输入，由误差放大器的输出电压V1和斜坡电压V2同时输入到PWM比较器进行比较，最后得到一定占空比的PWM信号Vo输出。输出电压能及时反馈回输入回路，这就是电压模式的PWM控制技术的原理，明显的缺点就是只有电压反馈而没有电流反馈。由于开关电源的电流要流经电感，因此相应的电压信号会有一定的延迟，而且对于稳压电源来说，需要不断地调节输入电流，以适应输出电流的变化和负载的需求，从而达到稳定输出电压的目的[7-8]。

图1 压控PWM比较器控制输出原理示意图

2 新型电流模式控制比较器设计

2.1 电流模式控制的比较器工作原理

电流模式控制的比较工作原理如图2所示， V-端直接输入到PWM比较器，这一端也可以作为电流控制模式的电流感应端来工作。在应用中，感应电流通过电阻RCS接地。通过电阻R1提供流过R2的失调电流，以便于误差放大器和错误关断都可以使电流降为零。R2也连同电容CF一起作为滤波器削弱负载电流的峰值信号。在这种模式下，通过R3/R4的分压可以对电流进行限制。PWM功能的核心是PWM比较器，它只接纳最小正输入，输出脉冲始于时钟的终点，结束于斜波扫过三个正确输入中的最低电压值。

图2 电流模式比较器控制输出原理

2.2 电流模式控制的比较器电路设计

本文设计的PWM比较器电路模块具体电路如图3所示。

在电路设计中，为了缩短比较器的传播延迟时间，应用了提高带负载能力，增大放大部分的增益的方法。电路设计中采用了双端输入，单端输出的差分

图3 PWM比较器模块电路图

方式。由于对任何放大电路来说，其输出都可以等效成一个有内阻的电压源，如假设从放大电路输出端看进去的等效内阻为Rc， U′o为空载时输出电压的有效值， Uo为带负载后输出电压的有效值， RL为负载，则：

等效内阻Rc越小，则电路带负载能力越强。对于差分电路来说，双端输出方式的输出电阻Ro值为：

而对于单端输出方式，输出电阻值为：

比较而言，单端输出的电阻仅是双端输出时的一半，这样就提高了电路的带负载能力。

而双端输出为：

双端输出的增益要高于单端输出的增益。若设流入T15基极的电流为i15， T11的集电极电流为i11，那么调整电阻可使

即输出电流为单端输出时的两倍，因而本电路设计中，单端输出的电压放大倍数接近于双端输出时的情况。通过这种方式，从仿真和测试结果中，能够看到比较器的传播延迟时间得到有效改善。

DC-DC开关电源在启动过程中，容易产生浪涌电流，可能对系统产生损害。为避免启动时输入电流过大，输出电压过冲，在设计中采用V+1控制端来控制电路输出，其作用是给输出端的电压设定一个固定的阈值，当电压未达到该阈值时，输出电路不工作，让电路开始工作时不能在全占空比下启动，使输出电压以受控的上升速率增加至稳定点。图4是V+1控制电路工作时的仿真波形图，显示了电路开始工作时的过程，图中V+1是控制器电路启动时，充电电容上的电压变化波形；V+2是由误差放大器输出端提供的电压；V-是斜坡发生器产生的三角波电压，其中， V+1， V+2输入到PWM比较器的同相端，而三角波电压V-则输入到PWM比较器的反相端。根据以上的分析可知，为了在电路启动的时候让输出脉冲占空比从小到大逐渐变化，对电路起到保护作用， V+1端除了控制输出电路启动外，还具有对输出PWM脉冲进行占空比钳位的作用，给电路的输出提供了宽范围的占空比。因为只要满足V+1＜V+2+0.7 V这个条件，所以输出PWM脉冲的占空比就由V+1和V-来决定；若两个同相输入端满足V+1＞V+2+0.7 V时， V+2端起作用，否则V+1起作用。

图4 输出控制原理示意图

图5给出了PWM控制器中比较器部分的版图。

图5 比较器部分版图

在PWM输出控制电路中， PWM比较器模块电路除了要有比较器的功能外，还要具有能受控于其它反馈控制信号的功能，其中， Vcl是限流比较器电路输出的一路控制信号；Vdr为驱动开关的使能信号，用以控制此模块电路是否处于的工作状态；Vdd是电源电压输入端；Vref是基准电压源输入端；VR端为振荡器的输出端；PWM-out是此模块的输出端。另外，在PWM比较器设计中还设计了锁存功能，这是为确保每周只有一个脉冲输出，且在PWM比较器交迭时抑制振荡。

3 仿真与测试结果

为简单起见，首先仿真分析Vcl端和VR端都是低电平时的工作情况。当给比较器的同相端V+2加上一个直流电压，反相端V-加上一个三角波电压时，如果V+2＞V-，晶体管T6导通而T5截止。从而T15导通，导致T17和T19截止， V3是由驱动偏压提供的约30 V的高压，所以此时PWM-out端输出为高电平。反之，若V+2＜V-，则晶体管T5导通T6截止， PWM比较器输出端为低电平，此时，晶体管T15和T16截止， T17和T19导通，T19工作在饱和区，从而输出端PWM-out为低电平。

因为之前假定Vcl端和VR端都是低电平，故此时整个PWM比较器模块功能就相当于一个普通的比较器电路。

当Vcl和VR端至少有一个为高电平时，晶体管T12导通，故此时，不管比较器两端输入如何，其输出均为低电平，故整个模块电路输出PWM-out端为低电平。从而实现在电路在其它异常情况下，使此模块输出为低电平的功能，以对输出进行控制。

对以上分析的两种情况，本文对电路模块功能Cadence环境下使用spectre进行模拟仿真，仿真模型基于华越双极SB45工艺，得到了图6和图7。

(1)Vcl和VR端都是低电平

此时电路功能就相当于一个简单的比较器模块，输出PWM-out为一个脉冲，其占空比完全由两个输入端V+2和V-控制，如图6所示。

图6 PWM比较器输出波形1

(2)Vcl和VR端至少有一个为高电平

此时，模块电路输出端PWM-out的脉冲占空比除了受比较器两个输入端控制外，还受Vcl和VR端的影响。当Vcl和VR端有一个为高电平时， 输出PWM-out就为低电平，如图7所示。

图7 PWM比较器输出波形2

电路的仿真与测试结果对比如表1所示，为了避免浪涌电流对系统的损害，要求占空比具有一定的范围，从测试结果上看，设计的比较器输出电路能够控制占空比在一个较宽的范围内变化，并最终保持高的稳定值。同时，比较器的延迟时间也较短，提高了PWM控制器性能。就本设计所关心的问题在图8和图9给出测试结果，图8是控制电路关断时间的测试结果，图中给出输出电压和占空比的钳位电压，与仿真结果基本一致。图9在不同的温度下对输出饱和电压进行了测试，符合PWM控制器的工作要求。

表1 仿真与测试结果对比

图8 关断时间

图9 PWM输出饱和电压

4 结论

本文设计了一个基于华越SB45 双极工艺的用于PWM控制器输出的比较器电路，该电路基于电流模式控制，能够同时对三路输入信号进行比较输出并对输出信号进行锁存。在比较器电路设计的时候，使用了两个同相输入端，其中一个同相输入端控制PWM比较器是否产生输出信号，从而可以降低开关频率，对PWM控制电路起到保护作用。仿真和测试结果显示该比较器能有效地控制PWM输出，并且延迟时间短和具有宽范围的占空比。

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

[ 2]John P.Uyemura.Introduction to VLSI Circuits and Systems[ M] .Publishing House of Electronics Industry， 2005.

[ 3] 朱樟明，杨银堂.一种具有省电模式的CMOS反激式PWM控制器[J] .半导体学报， 2008， 26(11)：2275-2280.

[ 4] James C B， Suzuki H.Switching DC-to-DC Converter with Discontinuous Pulse Skipping and Continuous Operating ModesWithout External Sense Resistor[ P] .USPatent 6396252 B1， 2002.

[ 5] Hsia SC.High-Speed Multi-Input Comparator[ J] .IEE Proceedings-Circuits， Devices and Systems， 2005， 152(3)：210-214.

[ 6] 倪海东，蒋玉平.高频开关电源集成控制器[ M] .北京：机械工业出版社， 2005.

[ 7] 宁宁，于奇，王向展，等.高速CMOS预放大一锁存比较器设计[J].微电子学， 2005， 35(1)：56-58.

[ 8] Sun Y， Wang Y S， Lai F C.Low Power High Speed Switched Current Comparator[C] //Mixed Design of Integrated Circuitsand Systems， 2007.MIXDES'07.14th International Conference on 21-23， 2007：305-308.